DE102011089643A1

DE102011089643A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Streustrahlungskorrektur für die medizinische röntgenbasierte Bildgebung

Info

Publication number: DE102011089643A1
Application number: DE201110089643
Authority: DE
Inventors: Ernst-Peter Rührnschopf; Christoph Köhler; Bernhard Scholz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-06-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Streustrahlungskorrektur für die medizinische röntgenbasierte Bildgebung. Die Vorrichtung sieht dabei eine Strahlungsquelle (R) und ein Detektor (D) zum Strahlungsempfang vor, wobei zumindest ein Formfilter (F) zwischen Strahlungsquelle und einem mit Strahlung durchdringbaren Objekt (O) angebracht ist. Die Vorrichtung weist folgende Mittel auf: – Mittel zur Schätzung der Streustrahlungsverteilung (V) in der Detektorebene, und – Mittel zur Korrektur der Streustrahlung auf Basis der Schätzung, wobei die für die Korrektur benötigte Korrekturgröße W von der wasseräquivalenten Weglänge im Objekt als eine Variable t abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturgröße zusätzlich von der Weglänge im Formfilter als eine weitere Variable b abhängt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine zugehörige Vorrichtung. Aus [1] ist eine Methode bekannt, die Streustrahlung in der CT-Bildgebung berücksichtigt und korrigiert.
Die Erfindung befasst sich insbesondere mit der Korrektur der Streustrahlung für die Röntgenbildgebung, insbesondere für die Computertomographie.
Häufig haben die Aufnahmeobjekte (z.B. Schädelaufnahmen bei CT oder auch bei C-Bogenaufnahmen) einen nichtkonstanten, sondern zylindrischen Querschnitt. Die Weglänge der Röntgenstrahlen durch das Objekt ist am Rand wesentlich kürzer als in der Mitte. Aufgrund dessen ist die gemessene Intensität am Detektor sehr inhomogen, am Objektrand z.B. zwei Zehnerpotenzen höher als in der Objektmitte, wie es beispielsweise in 4 gezeigt wird. In 4 ist auf der X-Achse die Radial-Koordinate durch einen 20 cm Wasserzylinder/cm und auf der Y-Achse das Intensitätsprofil durch 20 cm Wasserzylinder/cm aufgetragen. Die hohe Intensität am Objektrand bewirkt eine unnötig hohe Strahlenbelastung des Patienten. Außerdem bewirkt die hohe Intensität im Objekt in der Nähe des Objektrands zusätzlich eine Erhöhung des Pegels der Streustrahlung auch in der Mitte des Objekts, da die Streustrahlung eine große Reichweite im Objekt hat und die Streustrahlungsintensität sich näherungsweise wie die Primärintensität multipliziert mit der Weglänge des primären (nicht gestreuten) Röntgenstrahls im Objekt verhält. Mit anderen Worten ausgedrückt, die Streustrahlung bei der Röntgenstrahlung ist eine solche Strahlung, die das Bildobjekt nicht geradlinig durchdringt.
Wie eingangs erwähnt, ist es aus [1] bekannt, die Streustrahlung bei einer 3D-Rekonstruktion zu berücksichtigen und zu korrigieren.
Durch Verwendung eines starren Formfilters (im engl. Bow-Tiefilter, Beam-Shaping-Filter usw.), der zwischen Strahlungsquelle und Objekt montiert ist, kann das Intensitätsprofil auf dem Detektor homogenisiert werden. Es sind auch dynamische Lösungen möglich, die aus beweglichen Elementen bestehen und bei inhomogenen Aufnahmeobjekten je nach Projektionsrichtung so adaptiert werden, dass das Intensitätsprofil am Detektor möglichst gleichmäßig verteilt wird. Mögliche rechnerische Streustrahlungskorrekturverfahren – wie z.B. in [1] genannt – wurden für den Fall ohne Formfilter entwickelt, d.h. unabhängig von der Richtung des Röntgenstrahls im Strahlungsfächer bzw. -Kegel (bei Conebeam-Geometrie) wird die gleiche Energieverteilung (d.h. das gleiche Energiespektrum) der Photonen angenommen. Diese Annahme ist jedoch bei Verwendung von Formfiltern nicht mehr korrekt, da die Röntgenstrahlen je nach ihrer Richtung im Strahlenkegel unterschiedliche Weglängen innerhalb des Formfilters durchqueren und deshalb eine unterschiedliche Spektralaufhärtung (d.h. Anreicherung höherenergetischer Photonen) erfahren. Die im Objekt erzeugte Streustrahlung ist aber, insbesondere auch bei zusätzlicher Verwendung eines Streustrahlenrasters, von der Energie (im Spektrum) der Primärstrahlung abhängig. Damit wird der von jedem primären Röntgenstrahl erzeugte Streustrahlungsbeitrag abhängig von der zugeordneten Weglänge im Formfilter.
In 2 ist eine solche ortsabhängige spektrale Vorfilterung im Formfilter für die Streustrahlungskorrektur gezeigt. Demnach ergibt sich folgende Situation:
In 3 wird die oben dargestellte Situation illustriert.
Von einer Röntgenquelle R trifft ein Röntgenstrahl auf dem Detektor D auf, wobei der Röntgenstrahl durch einen Formfilter F und durch ein Objekt O durchstrahlt wird.
Es werden folgende Bezeichnungen verwendet:

μ_B(E): linearer Schwächungskoeffizient des Formfiltermaterials (B = „Bowtie-Filter“ = Formfilter)
μ_O(E): linearer Schwächungskoeffizient im Objekt (meist wasseräquivalent)
b: Weglänge im Formfilter
t: Weglänge im Objekt

Die Schwächung der Röntgenintensität nur im Objekt (mit der Weglänge t) nach Vorfilterung im Formfilter (mit der Weglänge b) wird wie folgt ausgedrückt:
, wobei

U: Spannung der Röntgenröhre
S(E): effektives Energiespektrum ohne Formfilter (Emissionsspektrum, Vorfiltering, energetische Detektorempfindlichkeit); Integral = 1
S_b(E) = S(E): mit Formfilter (für Weglänge im Formfilter = b); Integral = 1

Jeder Röntgenstrahl, der in das Objekt eindringt, hat – je nach Weglänge im Formfilter b – ein von b abhängiges unterschiedliches Energiespektrum. Da die vom Röntgenstrahl im Objekt erzeugte Streustrahlung energieabhängig ist, wird die am Detektor auftretende Streustrahlungsintensität durch die Weglängen im Formfilter beeinflusst.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die für die Streustrahlungskorrektur benötigten Parameter (bzw. Korrekturfunktionen) im Zusammenhang mit der Vorfilterung im Formfilter zu finden.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren bzw. der Vorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Die für die Streustrahlungskorrektur benötigten Korrekturgrößen in Form von Korrekturparametern bzw. Korrekturfunktionen, die im weiteren Sinne von der wasseräquivalenten Weglänge im Objekt abhängen, erfordern als weitere Variable die Weglänge im Formfilter. D.h. wenn die Korrekturparameter bzw. -funktionen bisher eindimensionale Tabellen waren (abgesehen von den weiteren Variablen wie Luftspalt, Spannung, Feldgröße, die aber meist bei der Akquisition als konstant angenommen werden können), müssen sie durch zweidimensionale Tabellen (abhängig von der Weglänge im Formfilter und von der Weglänge im Objekt) ersetzt werden.
Demnach wird eine weitere Variable in die Weglänge im Formfilter eingeführt. Dadurch wird eine höhere Genauigkeit der Streustrahlungskorrektur erreicht.
Es sind auch Formfilter mit beweglichen Elementen denkbar, die dynamisch den Formfilter an die Beschaffenheit des Objekts anpassen können.
Für folgende Streustrahlungskorrekturverfahren ist die Gewinnung der zugehörigen formfilterabhängigen Korrekturfunktionen wie folgt denkbar:

a) Für das bei DynaCT angewendete gewichtete Faltungsverfahren: Dort werden als Tabellen die Streu-Zu-Primärstrahlungs-Verhältnisse (SPR = Scatter-to-Primary-Ratio) in Abhängigkeit von der äquivalenten Wasserdicke im Objekt (und nun zusätzlich in Abhängigkeit von der Weglänge im Formfilter) mittels Monte-Carlo-Simulationsrechnungen bestimmt (prinzipiell ist auch die Gewinnung durch Messungen möglich). Die Anwendung von Monte-Carlo-Simulationsmethoden sind beispielsweise aus [2] und [3] bekannt.
b) Für das allgemeine SKS-Verfahren (Streukerne-Superpositions-Verfahren): Dort werden zweidimensionale Streustrahlungsintensitätsverteilungen (sog. Streukerne) von Nadelstrahlen in Abhängigkeit von der wasseräquivalenten Weglänge im Objekt durch Monte-Carlo-Simulationsrechnungen gewonnen (prinzipiell auch durch Messungen möglich). Diese Streukerne müssen nun zusätzlich in Abhängigkeit von der Weglänge im Formfilter bestimmt werden.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung, beispielsweise ein C-Bogen-Röntgengerät bzw. ein Computertomograpie-Gerät (CT), die Mittel zur Durchführung des genannten erfindungsgemäßen Vorgehens aufweist.
Die Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind auf die Vorrichtung entsprechend anwendbar.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. In der Zeichnung zeigen:
1 schematisch eine Situation, für die bei DynaCT angewandte gewichtete Faltungsstreustrahlungskorrektur, die in [1] beschrieben ist,
2 eine Situation zur Bestimmung von Streustrahlkernen,
3 und 4 die eingangs beschriebenen Situationen.
Es werden nun folgende Streustrahlungskorrekturverfahren und ihre Erweiterung zur Berücksichtigung eines Formfilters beschrieben:
1. Zur Erweiterung der Datenbasis (bezüglich Formfilter) für die bei DynaCT angewandte gewichtete Faltungs-Streustrahlungskorrektur [1]:
Die 2-parametrige Gewichtstabelle W_t,b wird nach der in 1 dargestellten Situation für verschiedene Paare (t, b) von Weglängen t (z.B. mit Platten aus wasseräquivalentem Material, z.B. in Schritten von 1 cm bis zu einer maximal vorkommenden Dicke von ca. 35 cm) und Weglängen b aus Formfiltermaterial (z.B. Aluminium oder Titan in Schritten von 1 mm bis zu einer maximalen Dicke) experimentell oder mittels Monte-Carlo-Rechnung bestimmt. Die Gewichtstabelle W_t,b wird im Rechner abgespeichert.
Die Streustrahlungsintensitätsverteilung auf dem Detektor gemäß [1] wird als zweidimensionale Faltung (mit einem Verschmierungskern h(x, y)) der mit einer Gewichtsfunktion W_t(x, y) multiplizierten (modifizierten) Primärintensitätsverteilung ϕ(x, y) geschätzt: S(x, y) = ∫∫(Tϕ)(x', y')W_t(x',y')h(x – x', y – y')dx'dy' = ((Tϕ·W_t)**h)(x, y) (1.1)
Hier wird als modifizierte Primärintensitätsverteilung (Tϕ)(x, y) = –ϕ(x, y)lnϕ(x, y) (1.2) verwendet. Dabei ist ϕ(x, y) die normierte Primärintensitätsverteilung I_p/I₀ (mit Division durch die ungeschwächte Intensität I₀ ohne Objekt im Strahlengang). Da die Primärintensitätsverteilung ϕ(x, y) noch unbekannt (und erst nach der Streustrahlkorrektur bekannt) ist, wird ein iterativer Algorithmus verwendet, der z.B. in [1] beschrieben ist.
In Verallgemeinerung von (1.1) wird die in [1] verwendete Gewichtsfunktion W_t durch die 2-parameterige Gewichtsfunktion W_t,b ersetzt: S(x, y) = ((Tϕ·W_t,b)**h)(x, y)(1.3).
Jedem Pixel (x’, y’) auf dem Detektor ist geometrisch eindeutig eine Weglänge b = b(x’, y’) im Formfilter zugeordnet. Außerdem kann aus ϕ(x', y') die wasseräquivalente Weglänge im Objekt t = t(x’, y’) geschätzt werden. Mit diesem Parameterpaar (t, b) wird aus der abgespeicherten Tabelle für W_t,b der entsprechende Wert in (1.3) für jedes Pixel eingesetzt.
2. Bestimmung von Streukernen mit Formfilter-Berücksichtigung für die SKS-Streustrahlungskorrektur-Methode:
Diese Situation ist in 2 skizziert.
Im Gegensatz zu 1. wird anstelle eines einzigen Gewichtswertes W_t,b für jedes Parameterpaar (t, b) eine zweidimensionale Streukern-Funktion bestimmt. Die im Rechner abzuspeichernde Tabelle ist eine 2-parametrige Schar von Streukernen H_t,b (x’, y’).
Da i.a. zu jedem Pixel (x’, y’) ein anderer Streukern H_t,b (x’, y’) mit (t, b) = (t(x’, y’), b(x’, y’)) gehört, kann das zugehörige Streukernsuperpositions(SKS)-Integral i.a. nicht mehr als (ortsinvariante) Faltung dargestellt werden. S(x, y) = ∫∫(Tϕ)(x', y')H_{t(x',y'), b(x',y')}(x – x', y – y')dx'dy' (2.1)
Zur Vereinfachung können die Streukerne auch approximiert werden, z.B. durch die Überlagerung zweier verschieden breiter Gauß-Funktionen, so dass für jeden Streukern nur wenige (z.B. 3–4) Zahlenwerte abgespeichert werden.
Referenzen:

[1] M. Zellerhoff, B. Scholz, E. -P. Rührnschopf, T. Brunner: "Low contrast 3D reconstruction from C-arm data", Proceedings of the SPIE, Medical Imaging 2005, Vol. 5745, pp. 646–655
[2] Yiannis Kyriakou, Thomas Riedel and Willi A. Kalender: "Combining deterministic and Monte Carlo calculations for fast estimation of scatter intensities in CT", Phys. Med. Biol. 51 (2006), pp. 4567–4586; ICMP 2005
[3] Ernesto Mainegra-Hing et al.: "Variance reduction techniques for fast Monte Carlo CBCT scatter correction calculations" Phys. Med. Biol. 55 (2010) pp. 4495–4507

D

Detektor

F

Formfilter

K

Streukern

O

Objekt

R

Röntgenquelle

μ_s(E)

linearer Schwächungskoeffizient des Formfiltermaterials (B = „Bowtie-Filter“ = Formfilter)

μ_o(E)

linearer Schwächungskoeffizient im Objekt (meist wasseräquivalent)

b

Weglänge im Formfilter

t

Weglänge im Objekt

V

Streustrahlungsverteilung

W_t,b

Gewichtstabelle

Claims

Verfahren zur Streustrahlungskorrektur für die medizinische röntgenbasierte Bildgebung, wobei zumindest ein Formfilter (F) zwischen Strahlungsquelle (R) und einem mit Strahlung durchdringbarem Objekt (O) angebracht ist, aufweisend folgende Schritte: – Schätzung der Streustrahlungsverteilung (V) in der Strahlung empfangenden Detektorebene (D), – Korrektur der Streustrahlung auf Basis der Schätzung, wobei die für die Korrektur benötigte Korrekturgröße W von der wasseräquivalenten Weglänge im Objekt als eine Variable t abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturgröße zusätzlich von der Weglänge im Formfilter als eine weitere Variable b abhängt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturgröße sich aus einer zweiparametrigen Gewichtsfunktion W_t,b zusammensetzt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtsfunktion W_t,b durch eine zweidimensionale Tabelle mit den Parametern t und b repräsentiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturgröße für jedes Parameterpaar (t, b) eine zweidimensionale Streukern-Funktion bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Streukern-Funktion durch eine zweidimensionale Tabelle in Form einer zweiparametrigen Schar von Streukernen H_t,b, die jeweils zu jedem Pixel des Detektors zugeordnet werden, repräsentiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Streukerne durch Überlagerung zweier verschiedener Gauß-Funktionen approximiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Variablen t und b experimentell durch Messung ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Variablen t und b mittels Monte-Carlo-Rechnung ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer Folge von Iterationen einmal oder mehrmals wiederholt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Folge der Iterationen nach einer vorgebbaren maximalen Anzahl von Iterationen abgebrochen wird.
Vorrichtung zur Streustrahlungskorrektur für die medizinische röntgenbasierte Bildgebung, wobei eine Strahlungsquelle (R) und ein Detektor (D) zum Strahlungsempfang vorgesehen sind und wobei zumindest ein Formfilter (F) zwischen Strahlungsquelle und einem mit Strahlung durchdringbaren Objekt (O) angebracht ist, aufweisend: – Mittel zur Schätzung der Streustrahlungsverteilung (V) in der Detektorebene, – Mittel zur Korrektur der Streustrahlung auf Basis der Schätzung, wobei die für die Korrektur benötigte Korrekturgröße W von der wasseräquivalenten Weglänge im Objekt als eine Variable t abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturgröße zusätzlich von der Weglänge im Formfilter als eine weitere Variable b abhängt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Formfilter starr ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Formfilter mit beweglichen Elementen ausgestaltet ist, so dass der Formfilter dynamisch an die Beschaffenheit des Objekts anpassbar ist.