DE102012007012A1

DE102012007012A1 - Verfahren zur blockweisen Kompression von Messdaten bei Computertomographen

Info

Publication number: DE102012007012A1
Application number: DE102012007012A
Authority: DE
Inventors: Jochen Wilhelmy
Original assignee: MIR MEDICAL IMAGING RESEARCH HOLDING GmbH; MIR MEDICAL IMAGING Res HOLDING GmbH
Current assignee: MIR MEDICAL IMAGING RESEARCH HOLDING GmbH; MIR MEDICAL IMAGING Res HOLDING GmbH
Priority date: 2012-04-05
Filing date: 2012-04-05
Publication date: 2013-10-10
Also published as: DE112013001914A5; WO2013150107A1

Abstract

Bei der Verwendung von hochauflösenden Detektoren, zum Beispiel in der medizinischen Bildgebung, fallen Daten von mehreren Gigabit pro Sekunde an. Um die Daten kostengünstig zu übertragen müssen diese komprimiert werden. Im Rahmen der Erfindung werden die Daten verlustbehaftet komprimiert, was dadurch erreicht wird, dass die Daten in Blöcke zusammengefasst werden und jeder Block unabhängig von den anderen Blöcken komprimiert wird.

Description

Aufgabe:
Ein Computertomograph nach 1 besteht aus einem rotierenden Gantry 2, auf dem eine Röntgenröhre 3 angebracht ist, die ein Messfeld 4 durchstrahlt, und einem Detektor 6 bestehend aus einer Matrix von Detektorelementen. Die Messdaten werden über einen Schleifring 8 an einen Rekonstruktionsrechner 9 weitergegeben.
Im Betrieb werden Projektionsbilder vom Detektor 6 aufgenommen, während sich die Gantry 2 um den Patienten 5 dreht und der Patient durch das Messfeld 4 geschoben wird. Relativ zum Patienten entsteht somit ein spiralförmiger Verlauf der Projektionen, der die Visualisierung eines Volumens ermöglicht. Um eine genügend hohe Auflösung der aus den Projektionsbildern berechneten Volumenelemente (Voxel) zu erreichen, wird ein hochauflösender Detektor verwendet. Dabei fallen Daten von mehreren Gigabit pro Sekunde an. Preisgünstige kontaktierende Schleifinge können ca. 1,25 Gigiabit pro Sekunde übertragen. Um die anfallenden Daten kostengünstig zu übertragen müssen diese komprimiert werden.
Aufgabe ist es, die Messdaten des Detektors verlustbehaftet zu komprimieren, damit weniger Daten über den Schleifring an den feststehenden Rekonstruktionsrechner übertragen werden müssen. Ziel ist es, die Anforderungen an die nötige Bandbreite der Übertragung zu senken oder bei gleicher Bandbreite die Auflösung des Detektors zu erhöhen. Auch soll entweder der benötigte Speicherplatz zur Archivierung der Daten gesenkt werden oder bei gleichem Speicherplatz ein höher aufgelöster CT-Scan gespeichert werden können. Eine Realisierung muss zudem die hohen Datenraten verarbeiten können.
Stand der Technik:
In der DE 10 2007 014 830 wird ein Verfahren zum Übertragen von Daten vom Detektor zu einer Datenverarbeitungsanlage beschrieben, wobei die Daten mittels eines Kompressionsverfahrens, beispielsweise Golomb-Rice Codierung, komprimiert werden. Der Kompressionsgrad wird abhängig von der Auslastung eines Zwischenspeichers festgelegt, dagegen ist bei der vorgeschlagenen Erfindung der Kompressionsgrad einstellbar und nicht von der Auslastung eines Zwischenspeichers abhängig.
In der DE 10 2009 031 546 wird ein Verfahren zur Kompression von CT-Detektordaten vorgestellt, bei dem der Kompressionsgrad durch ein Dosissignal gesteuert wird. Das Dosissignal repräsentiert die momentane Strahlungsleistung der Strahlungsquelle. Im Gegensatz dazu ist bei der vorgeschlagenen Erfindung der Kompressionsgrad einstellbar und nicht von der Strahlungsleistung abhängig.
Die US 5,825,830 offenbart ein Verfahren zur Kompression von CT-Detektordaten, bei dem verschiedene Regeln gewählt und angewendet werden, um Daten bestmöglich zu komprimieren. Eine solche Regel ist beispielsweise eine Lauflängencodierung gleicher Werte. Eine Parallelisierung der Kompression wie bei der vorgeschlagenen Erfindung ist nicht möglich.
Die US 6,470,065 beschreibt ein Verfahren zur Kompression von vier Detektorzeilen, die gemeinsam mit Hilfe einer Prädiktion und Entropiecodierung komprimiert werden, damit die Redundanzen besser ausgenutzt werden. Es wird eine Kompression im Bereich 20%–30% erreicht. Im Gegensatz dazu verwendet die vorgeschlagene Erfindung keine Entropiecodierung, die Werten abhängig von ihrer Wahrscheinlichkeit eine unterschiedlich lange Folge von Bits zuordnet. Stattdessen werden Blöcken von Detektorwerten eine feste Anzahl Bits zugeordnet.
In der US 7,852,977 wird ein Verfahren zur Kompression von CT-Detektordaten veröffentlicht, bei dem eine Detektorzeile zunächst durch ein gegebenes Profil abgeschwächt wird, wodurch sich die Genauigkeit der Detektorwerte verringert und somit nach der Kompression weniger Daten anfallen. Anhand der Ausgabebitrate des Kompressors kann die Abschwächung variiert werden, so dass eine durchschnittlich konstante Bitrate entsteht. Im Gegensatz dazu findet bei der vorgeschlagenen Erfindung keine ortsabhängige Abschwächung vor der eigentlichen Datenkompression statt, eine Reduktion der Genauigkeit findet nur bei hohen Kontrasten bzw. hohen Sprüngen der Detektorwerte statt.
Darstellung der Erfindung:
Aufgabe ist es, die nötige Bandbreite eines Schleifrings zu senken oder die Auflösung eines CT-Detektors bei gleicher Bandbreite zu erhöhen. Zusätzlich soll der für die Archivierung der Daten nötige Speicherplatz gesenkt werden oder bei höherer Auflösung des CT-Detektors nicht steigen. Dabei sollen hohe Datenraten im Bereich 5–10 Gbit/s erreicht werden. Moderne Spiral-CT oder Brust-CT Scanner besitzen flächige Detektoren, die nicht nur aus einer Zeile, sondern aus einer zweidimensionalen Matrix von Detektorelementen bestehen. Diese Tatsache soll genutzt werden, indem Blöcke von Detektorelementen gemeinsam codiert werden, so dass Korrelationen in den Messdaten in beiden Dimensionen ausgenutzt werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Jedes Detektorelement des Detektors 6 empfängt Röntgenstrahlung, die den Patienten 5 passiert hat und wandelt die Intensität bzw. die Anzahl der empfangenen Photonen in ein digitales Signal um, das nach einer Logarithmierung beispielsweise 12 oder 16 Bit Genauigkeit aufweist.
Ein mit der Aufgabe betrauter Fachmann würde die Detektormatrix in Zeilen zerlegen und jede Zeile nach einer eventuellen Vorverarbeitung einer Kompressionseinheit zuleiten, die jedem Detektorwert eine variable Anzahl Bits zuweist. Dies ist beispielsweise eine Golomb-Rice Codierung. Da der Schleifring eine feste Bitrate aufweist, müssen die codierten Daten gepuffert werden und abhängig vom Füllstand des Puffers die Vorverarbeitung und/oder die Codierung verändert werden, so dass sich im Mittel eine konstante Bitrate ergibt. Nachteilig ist einerseits, dass Ähnlichkeiten zwischen benachbarten Detektorzeilen nicht zur Datenreduktion genutzt werden können. Andererseits kann ein einzelner Übertragungsfehler am Beginn einer Zeile aufgrund der variablen Anzahl Bits pro Detektorwert bewirken, dass alle folgenden Werte einer Zeile fehlerhaft übertragen werden. Daher werden zusätzliche Synchronisationsbits erforderlich, um den Beginn der nächsten Zeile zu erkennen, was zusätzliche Bandbreite kostet und die Leistung des Gesamtsystems verringert.
Die Erfindung löst die Aufgabe, indem die Detektormatrix in Blöcke der Größe von N × M Detektorelementen zerlegt wird und jeder Block mit einer festen Anzahl Bits codiert und übertragen wird. Die Größe der Blöcke ist beispielsweise 4 × 4. Dadurch werden Ähnlichkeiten in den Detektorwerten sowohl in Zeilen- als auch in Spaltenichtung ausgenutzt. Übertragungsfehler beeinträchtigen nur einen Block und führen nicht zum Verlust der Synchronisation zwischen Encoder und Decoder. Zur Ausnutzung der Ähnlichkeiten der Werte in einem Block wird beispielsweise eine Wavelettransformation durchgeführt. Die Wavelettransformation liefert zum einen den Mittelwert aller Detektorwerte in einem Block, der unkomprimiert übertragen wird, sowie N × M – 1 Differenzwerte, die mit reduzierter Bitanzahl übertragen werden. Die Reduktion der Bitanzahl wird wie folgt durchgeführt: für jeden Differenzwert wird zunächst die Anzahl der ungenutzten Bits ab dem höchstwertigen Bit bestimmt. Sind beispielsweise 16 Bit für die Darstellung der Werte vorgesehen und beträgt ein Differenzwert 1024 (binär 0000 0100 0000 0000), so sind inklusive Vorzeichen 12 Bit belegt und 4 Bit ungenutzt. Nun wird die kleinste Anzahl ungenutzter Bits aller Differenzwerte bestimmt und die Differenzwerte um diese Anzahl Bits nach links verschoben. Dieses Verfahren ist vergleichbar mit Fließkommazahlen mit gemeinsamem Exponenten. Ist die kleinste Anzahl ungenutzter Bits beispielsweise zwei, wird aus dem Differenzwert von 1024 nach der Verschiebung um zwei Bit nach Links der Werk 4096 (binär 0001 0000 0000 0000). Übertragen wird die kleinste Anzahl ungenutzter Bits aller Differenzwerte sowie eine reduzierte Anzahl Bits ab dem höchstwertigen Bit für jeden Differenzwert, beispielsweise elf Bit. Für den Differenzwert von 1024 wird somit die Bitfolge 00010000000 übertragen.
Dazu wird der größte Differenzwert bestimmt und von diesem die Position des höchstwertigen signifikanten Bits bestimmt. Diese Position wird übertragen sowie eine gewisse Anzahl (beispielsweise 11) Bits ab dieser Position von jedem Differenzwert. Dies ist vergleichbar mit Fließkommazahlen mit gemeinsamem Exponenten.
Für eine Blockgröße von N × M bestehen Codierer und Decodierer aus mindestens N × M Speicherregistern für Detektorwerte, die in mehreren Phasen bearbeitet werden.
2 zeigt eine beispielhafte Implementierung für die erste Phase des Encoders mit 19 nummerierten Speicherregistern und drei Verarbeitungseinheiten 10, 11 und 12, die mit Hilfe von je einem Addierer und Subtrahierer Transformationsschritte einer diskreten Wavelettransformation durchführen, wobei das Haar-Wavelet als Basisfunktion verwendet wird. Das Haar-Wavelet besteht aus einer Skalierungsfunktion und einer Waveletfunktion. Die Skalierungsfunktion weist im Intervall 0 bis 1 den Wert 1 auf und ist ansonsten 0. Die Waveletfunktion ist 1 im Bereich 0 bis 0,5, –1 im Bereich 0,5 bis 1 und ansonsten 0. Innerhalb von 19 Takten werden die Daten von 16 Detektorelementen in die Speicherregister geschoben, wobei von hinten mit Zelle 18 begonnen wird. Die 19 Takte bekommen die Indexe –3, –2, –1, 0, ..., 14, 15. Im Normalfall werden die Daten auf jeden Takt entlang der durchgezogenen Pfeile weitergeschoben. Bei Einheit 10 werden die Daten auf jeden ungeraden Takt entlang der gestrichelten Pfeile verarbeitet, bei Einheit 11 auf die Takte 4, 5, 6, 7, 12, 13, 14, 15 und bei der Einheit 12 auf die Takte 7 und 15. Die Ergebniswerte aller Addierer und Subtrahierer im Encoder werden gemäß der Haar-Wavelettransformation halbiert.
3 und 4 zeigen eine beispielhafte Implementierung für die zweite Phase des Encoders, die 15 Takte andauert. Im ersten Takt (3) wird mit Hilfe von zwei Addierern und zwei Subtrahierern der letzte Schritt der Haar-Wavelettransformation durchgeführt, wonach sich im Register Nummer 0 der Mittelwert aller 16 Werte befindet. Gleichzeitig werden alle Werte in das vorherige Speicherregister geschoben und in Einheit 14 die Position des höchstwertigen signifikanten Bits bestimmt. Der Wert in Register Nummer 1 wird an das Register Nummer 15 geschoben. Die Verschiebung der Werte und die Bestimmung des Maximums wird die folgenden 14 Takte fortgeführt (4).
5 zeigt die dritte Phase einer beispielhaften Implementierung des Encoders. Es werden pro Takt 4 Bit ausgegeben, wobei das Speicherregister Nummer 0 als Schieberegister fungiert und zunächst den Mittelwert und die Position des höchstwertigen signifikanten Bits (MSB) ausgibt. Gleichzeitig werden die Werte in Register Nummer 1 so verschoben, dass sich das höchstwertige signifikante Bit (MSB) an einer definierten Stelle befindet. Dann werden ab diesem eine feste Anzahl Bits (z. B. 11) inklusive Vorzeichen zur Ausgabe an Speicherregister Nummer 0 weitergegeben.
6 zeigt eine beispielhafte Implementierung für die erste Phase des Decoders, in der lediglich der Mittelwert und die Position des höchstwertigen signifikanten Bits (MSB) eingelesen werden.
7 zeigt die beispielhafte zweite Phase des Decoders, in der in 15 Takten die Werte in die Register geschoben werden. In Register Nummer 15 werden die Werte so verschoben, dass sie an der ursprünglichen Bitposition landen, d. h. die Verschiebung im Encoder wird rückgängig gemacht. In Einheit 21 wird auf die Takte 7 und 15 die Daten entlang der gestrichlten Linien mit Hilfe des Addierers und Subtrahierers verarbeitet. Dies entspricht einer inversen Haar-Wavelettransformation in horizontaler Richtung.
8 zeit die beispielhafte dritte Phase des Decoders, die nur einen Takt andauert und in der in Register Nummer 15 die Verschiebung des letzten Wertes stattfindet sowie in Einheit 22 eine inverse Haar-Wavelettransformation in vertikaler Richtung durchgeführt wird.
9 zeigt die beispielhafte vierte Phase des Decoders, die aus 19 Takten besteht, die die die Indexe –3, –2, –1, 0, ..., 14, 15 erhalten. Auf jeden Takt werden alle Werte nach vorne geschoben, der Wert aus Register Nummer 0 in Register Nummer 18 geschoben. In den Einheiten 23 und 24 wird eine horizontale und vertikale inverse Haar-Wavelettransformation durchgeführt. In Einheit 23 werden auf die Takte 4, 5, 6, 7, 12, 13, 14, 15 die Werte entlang der gestrichelten Pfeile verarbeitet, in Einheit 24 auf die Takte 7 und 15.

10 zeigt die beispielhafte Implementierung der letzten Phase, in der die Werte ausgegeben werden. Bezugszeichenliste

1	Lagerung des rotierenden Gantrys
2	Rotierende Gantry, auf dem Einheiten 3–8 montiert sind
3	Röntgenröhre
4	Messfeld
5	Patient
6	Detektor
7	Datenverarbeitungseinheit
8	Schleifring
9	Speicher einer Datenverarbeitungsanlage
10	Horizontale Wavelettransformation, erster Level
11	Vertikale Wavelettransformation, erster Level
12	Horizontale Wavelettransformation, zweiter Level
13	Vertikale Wavelettransformation, zweiter level
14	Einheit zur Bestimmung der Position des höchsten signifikanten Bits
20	Register for Position des höchsten signifikanten Bits
21	Horizontale inverse Wavelettransformation, zweiter Level
22	Vertikale inverse Wavelettransformation, zweiter level
23	Horizontale inverse Wavelettransformation, erster Level
24	Vertikale inverse Wavelettransformation, erster Level

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007014830 [0004]
DE 102009031546 [0005]
US 5825830 [0006]
US 6470065 [0007]
US 7852977 [0008]

Claims

Verfahren zum übertragen von Daten von einer Matrix von Detektorelementen (D) hin zu einem Speicher einer Datenverarbeitungsanlage über mindestens einen Schleifring, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten in Blöcke (B) zusammengefasst werden und jeder Block (B) unabhängig von den anderen Blöcken (B) komprimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeden Block eine Transformationscodierung angewendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeden Block eine diskrete Wavelettransformaion angewendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wavelet das Haar-Wavelet verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu komprimierenden Werte zunächst über Schiebeoperationen in Speicherregister eingelesen werden, wobei gleichzeitig Transformationsschritte der Haar-Wavelettransformation durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwert und die Differenzkoeffizienten mit unterschiedlicher Genauigkeit bzw. Anzahl Bits übertragen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektormatrix (D) die Detektormatrix eines bildgebenden Verfahrens ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektormatrix (D) die Detektormatrix eines Computertomographen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompression der Blöcke (B) innerhalb der Strukturen eines FPGAs parallelisiert erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompression der Blöcke (B) durch mehrere unabhängige Verarbeitungseinheiten parallelisiert erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionsrate für einen Block abhängig vom Ort des Blocks in der Detektormatrix (D) gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformationscodierung in einem FPGA implementiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blöcke die Größe von N × M Detektorelementen aufweisen, wobei N und M mindestens eins sind und zusätzlich N oder M größer eins ist.