DE102012024961A1 - Shaping filter for dose optimization of x-ray device for generation of sectional images of object for computer tomography, has single solid unit comprising two materials, and angle-dependent filters realizing beam parameter correction - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft eine Methode zur Bestimmung eines Formfilters für Computertomographen (CT).The invention relates to a method for determining a shape filter for computed tomography (CT).
Stand der TechnikState of the art
Im Patent
Aufgrund der Tatsache, dass bei der Rekonstruktion die äußeren Detektorzeilen im Vergleich zu den zentralen Detektorzeilen niedriger gewichtet werden, ist die Dosiseffizienz in diesem Bereich geringer. Der beschriebene Formfilter, welcher in positiver und negativer z-Richtung (CT-Rotationsachse), d. h. zum Rand des Filters (peripherer Bereich) hin, an Dicke zunimmt, reduziert in diesem Bereich die Dosis und trägt somit dazu bei die gesamte Dosiseffizienz bei der Rekonstruktion zu verbessern. Die Dosiseffizienz im peripheren Detektorbereich wird dabei nicht direkt verbessert, jedoch das Verhältnis zu den zentralen Detektorzeilen verringert und somit die Dosiseffizienz der gesamten Untersuchung erhöht. Die Form des Filters richtet sich nach der in der Rekonstruktion verwendeten Gewichtungsfunktion der Detektorzeilen und ist unabhängig von der Form und Größe des Patienten.Due to the fact that during reconstruction the outer detector rows are weighted lower compared to the central detector rows, the dose efficiency is lower in this range. The described shape filter, which in positive and negative z-direction (CT rotation axis), d. H. towards the edge of the filter (peripheral area), increasing in thickness, reduces the dose in this area and thus contributes to improving the overall dose efficiency in the reconstruction. The dose efficiency in the peripheral detector area is not directly improved, but the ratio to the central detector lines is reduced, thus increasing the dose efficiency of the entire examination. The shape of the filter depends on the weighting function of the detector lines used in the reconstruction and is independent of the shape and size of the patient.
Im Patent
Beschreibungdescription
Bei der hier vorgestellten Methode zur Erstellung eines Formfilters ist das Ziel, ein definiertes bzw. homogenes Rauschen und/oder eine definierte bzw. homogene Streustrahlungsintensität und/oder Schwächungswertrepräsentation im rekonstruierten Bild zu erhalten.In the method presented here for producing a shape filter, the goal is to obtain a defined or homogeneous noise and / or a defined or homogeneous scattered radiation intensity and / or attenuation value representation in the reconstructed image.
Beispielhaft wird dies in der Beschreibung anhand des Parameters Rauschen im rekonstruierten Bild zu erhalten dargestellt ohne dabei eine Einschränkung des eigentlichen Erfindungsgedankens vorzunehmen. Der übliche Ansatz, um dieses Ziel zu erreichen, ist eine homogene Rauschverteilung am Detektor zu gewährleisten. Jedoch führt dies nicht zu einem gleichverteiltem Rauschen in den CT-Bildern, da aufgrund der in der Rekonstruktion üblicherweise verwendeten Filtered Back Projektion (FBP) unterschiedliche Gewichtungen verwendet werden. Dabei werden periphere Detektorelemente geringer als zentrale gewichtet, wodurch das Rauschen in den peripheren Regionen des CT-Bildes zunimmt. Bei dieser Methode wird ausgehend von einem herkömmlichen Formfilter mit homogenem Rauschen am Detektor ein Formfilter mit Hilfe eines von der Rekonstruktion hergeleiteten FBP-Korrekturfaktors, auf ein homogenes Rauschen in den CT-Bildern optimiert. Dieser vom Strahlwinkel abhängige Korrekturfaktor reduziert die im ersten Schritt bestimmte Dicke des Filters, um die Intensität am Detektor zu erhöhen und um dadurch die in der Rekonstruktion ungleichmäßige Gewichtung der Detektorelemente auszugleichen.By way of example, this is illustrated in the description on the basis of the parameter Noise in the reconstructed image, without restricting the actual concept of the invention. The usual approach to achieve this goal is to ensure a homogeneous noise distribution at the detector. However, this does not result in evenly distributed noise in the CT images since different weightings are used due to the Filtered Back Projection (FBP) commonly used in reconstruction. In this case, peripheral detector elements are weighted less than central, which increases the noise in the peripheral regions of the CT image. In this method, starting from a conventional homogeneous noise form filter at the detector, a shape filter is optimized for homogeneous noise in the CT images by means of an FBP correction factor derived from the reconstruction. This beam angle dependent correction factor reduces the thickness of the filter determined in the first step to increase the intensity at the detector and thereby compensate for the nonuniform weighting of the detector elements in the reconstruction.
Der Filter besteht zudem aus einer Einheit, wodurch Artefakte, welche durch Kanten hervorgerufen werden, verhindert werden können. Diese Einheit kann aus ein, zwei oder mehreren Materialen hergestellt werden, welche aus einer homogenen und/oder heterogen strukturierten Materialmischung bestehen. Es können dabei die für die Röntgenfilterung üblichen Materialien verwendet werden, wie z. B. Aluminium, Kupfer, Karbon, Polytetrafluorethylen oder auch Brust-äquivalentes Material.The filter also consists of one unit, which prevents artefacts caused by edges. This unit can be made of one, two or more materials which consist of a homogeneous and / or heterogeneously structured material mixture. It can be used in the usual materials for X-ray filtering materials such. As aluminum, copper, carbon, polytetrafluoroethylene or breast-equivalent material.
Der Filter ist einheitlich aufgebaut, d. h. der Filter besteht aus einer einzigen festen Baugruppe und nicht aus mehreren Teilbaugruppen, welche gegeneinander bewegt werden können. Die Filterbaugruppe selbst, kann aus einem Monoblock eines Filtermaterials oder aus einer Kombination unterschiedlicher Filtermaterialien bestehen.The filter is uniform, d. H. The filter consists of a single fixed assembly and not of several sub-assemblies, which can be moved against each other. The filter assembly itself may consist of a monobloc of a filter material or a combination of different filter materials.
Die Filtermaterialien können aus einer homogenen und/oder heterogen strukturierten Materialmischung bestehen. Für den Filter geeignete Materialien sind z. B. Aluminium, Kupfer, Karbon, Polytetrafluorethylen oder auch Brust-äquivalentes Material.The filter materials may consist of a homogeneous and / or heterogeneously structured material mixture. For the filter suitable materials are for. As aluminum, copper, carbon, polytetrafluoroethylene or breast-equivalent material.
Für das Design des erfindungsgemäßen Formfilters wird eine CT-Geometrie mit einem Fokus-Isozentrum-Abstand (FIA) und einem Isozentrum-Detektor-Abstand (IDA) angenommen. Der Filter wird in einem Fokus-Filter-Abstand (FFA) platziert und das zylinderförmige homogene Phantom (Phantom wird hier in der Beschreibung als Synonym für jegliche Art von Objekten zur Kalibrierung und Untersuchung, wie z. B. die menschliche Brust, verstanden) mit Radius R im Isozentrum. Die Photonenflussdichte des Röntgenstrahls am Detektor NDetektor(θ) wird durch die Formfilterdicke dFilter(θ) und durch die zurückgelegte Strecke im Phantom dPhantom(θ) geschwächt. NDetektor(θ) wird mit Gleichung (1) in Abhängigkeit des Fächerwinkels θ bestimmt. For the design of the shape filter according to the invention, a CT geometry with a focus-isocenter distance (FIA) and an isocenter-detector distance (IDA) is assumed. The filter is placed in a focus-to-filter distance (FFA) and the cylindrical homogeneous phantom (phantom is understood in the description to be synonymous with any type of calibration and examination object, such as the human breast) Radius R in the isocenter. The photon flux density of the X-ray beam at the detector N detector (θ) is attenuated by the shape filter thickness d filter (θ) and by the distance traveled in the phantom d phantom (θ). N detector (θ) is determined with equation (1) as a function of the fan angle θ.
Die zurückgelegte Weglänge des Röntgenstrahls im Phantom wird in Abhängigkeit vom Radius und vom FIA berechnet (2).The distance traveled by the X-ray in the phantom is calculated as a function of the radius and of the FIA (2).
Das Spektrum der Röntgenquelle wird unter Berücksichtigung der Röntgenröhrenspannung, der entsprechenden Vorfilterung der Röntgenröhre und des Anodenwinkel der Röntgenröhrenanode berechnet.The spectrum of the X-ray source is calculated taking into account the X-ray tube voltage, the corresponding pre-filtering of the X-ray tube and the anode angle of the X-ray tube anode.
Um den Röntgenstrahl entsprechend zu schwächen, wird die Filterdicke in Abhängigkeit des Fächerwinkels θ und der zurückgelegten Strecke im Phantom dPhantom(θ) berechnet. Ziel ist es das inhomogene Rauschen in den rekonstruierten CT-Bildern zu reduzieren, welches von der fächerwinkelabhängigen Photonenflussdichte am Detektor herrührt. Üblicherweise kommt es ohne die Verwendung eines Formfilters zu einer höheren Photonendichte am Rand des Detektors verglichen zum Zentrum, was wiederum zu geringerem Rauschen führt. Diese Rauschinhomogenität spiegelt sich auch in den rekonstruierten Bildern wieder. Daher wird, um homogenes Rauschen in den CT-Bilder zu erhalten, das winkelabhängige Rauschen am Detektor angeglichen (3). Für einen idealen Detektor beruht das Rauschen auf einer Poisson-Verteilung der eintreffenden Photonenanzahl Ndetector(θ) (1). Mit Hilfe einer für jeden Winkel angepassten Filterdicke ist es möglich, ein homogen verteiltes Rauschen am Detektor zu erreichen.In order to weaken the X-ray accordingly, the filter thickness is calculated as a function of the fan angle θ and the distance traveled in the phantom d phantom (θ). The aim is to reduce the inhomogeneous noise in the reconstructed CT images, which results from the fan angle-dependent photon flux density at the detector. Typically, without the use of a shape filter, there will be a higher photon density at the edge of the detector compared to the center, which in turn will result in less noise. This noise inhomogeneity is also reflected in the reconstructed images. Therefore, to obtain homogeneous noise in the CT images, the angle-dependent noise is matched at the detector (3). For an ideal detector, the noise is based on a Poisson distribution of the incident number of photons N detector (θ) (1). With the help of a filter thickness adapted to each angle, it is possible to achieve a homogeneously distributed noise at the detector.
Jedoch kann, aufgrund der Kegelstrahlrekonstruktion mit einer gewöhnlichen gefilterten Rückprojektion (FBP), kein gleichverteiltes Rauschen in den rekonstruierte Bildern erlangt werden. Dies resultiert aus einer festen Grenzfrequenz des Faltungskern in der Rekonstruktion, welche für alle Volumenelemente verwendet wird. Die hochfrequenten Rauschkomponenten in der Peripherie des CT-Bildes werden folglich, verglichen zum zentralen Bereich, ungleichmäßigen verstärkt. Dies führt zu einer Erhöhung des Rauschens zum Rand des Bildes hin. Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß ein winkelabhängiger Korrekturfaktor WFBP(θ) aus der Rekonstruktion hergeleitet, um das Filterdesign zu verbessern und ein homogenes Rauschen in den rekonstruierten Bildern zu erlangen.However, due to conical beam reconstruction with ordinary filtered backprojection (FBP), no uniformly distributed noise can be obtained in the reconstructed images. This results from a fixed cutoff frequency of the convolution kernel in the reconstruction, which is used for all volume elements. The high-frequency noise components in the periphery of the CT image are consequently amplified unevenly as compared with the central region. This leads to an increase in the noise to the edge of the image. For this reason, according to the invention, an angle-dependent correction factor W FBP (θ) is derived from the reconstruction in order to improve the filter design and obtain a homogeneous noise in the reconstructed images.
Für die folgenden Berechnungen wird eine einfache CT-Geometrie zu Grunde gelegt, welche mit dem Rotationswinkel α um den Ursprung eines Kartesischen Koordinatensystems rotiert. Die
Der in der Rekonstruktion verwendete FBP Algorithmus ist in Gleichung (4) dargestellt wobei R(p', α) die Projektionsdaten sind und h(p' – p) der Faltungskern ist. U(x, y, α) und V(p) sind die räumlichen Gewichtungsfaktoren für jedes rekonstruierte Volumenelement in Abhängigkeit vom Fokus-Detektor Abstand (FDA = FIA + IDA) (5), (6). Die Position des Röntgenstrahls auf dem gekrümmten Detektor p'(x, y, α) wird über das Bogenmaß eines Kreises berechnet mit FIA als Radius (7). Der Fächerwinkel θ kann mit Hilfe einer Koordinatentransformation um den Winkel α mit x und y ausgedrückt werden (8).
Das inhomogene Rauschen wird durch den Gewichtungsfaktor U(x, y, α) der FBP verursacht. Besonders für kleine FIA und große Fächerwinkel, steigt der Faktor U(x, y, α)–2 für periphere Volumenelemente an und führt wiederum zu erhöhtem Rauschen in diesen Bereichen des CT-Bildes. Diese Ungleichmäßigkeit sollte durch den Faltungskern h(p' – p), mit Hilfe einer geringeren Grenzfrequenz für periphere bzw. außerhalb liegende Bildregionen, kompensiert werden. Stattdessen wird beim Stand der Technik eine feste Grenzfrequenz für alle Volumenelemente verwendet, welche zu einer Erhöhung der hochfrequenten Rauschanteile in der Peripherie führt und somit auch stärkerem Rauschen. Diese Unregelmäßigkeit kann durch die Funktion FFBP(θ) in Abhängigkeit vom Fächerwinkel angenähert werden. In FFBP(θ) wird der Faktor U(x, y, α)–2 über alle Volumenelemente in x- und y-Richtung (Nx, Ny) und Rotationswinkel α(Nα) gemittelt, die in Strahlrichtung unter dem Winkel θ liegen. FFBP(θ) wird auf den zentralen Strahl normalisiert und als Korrekturfaktor WFBP(θ) (10) für das Formfilterdesign verwendet. Aufgrund des erfindungsgemäßen Korrekturfaktors wird die Dicke des Formfilters in der Peripherie, relativ zum ursprünglichen Design, reduziert (11), was wiederum zu einem geringeren Rauschen am Detektor und somit zu einer homogeneren Rauschverteilung im rekonstruierten CT-Bild führt.The inhomogeneous noise is caused by the weighting factor U (x, y, α) of the FBP. Especially for small FIA and large fan angles, the factor U (x, y, α) -2 increases for peripheral volume elements and in turn leads to increased noise in these areas of the CT image. This unevenness should be compensated by the convolution kernel h (p '- p), with the help of a lower cutoff frequency for peripheral or outlying image regions. Instead, in the prior art, a fixed cut-off frequency is used for all volume elements, which leads to an increase in the high-frequency noise components in the periphery and thus also more noise. This irregularity can be approximated by the function F FBP (θ) depending on the fan angle. In F FBP (θ), the factor U (x, y, α) -2 is averaged over all volume elements in the x- and y-directions (N x , N y ) and rotation angle α (N α ) Angle θ lie. F FBP (θ) is normalized to the central beam and used as the correction factor W FBP (θ) (10) for the shape filter design. Due to the inventive correction factor, the thickness of the shape filter in the periphery is reduced (11) relative to the original design, which in turn leads to less noise at the detector and thus to a more homogeneous noise distribution in the reconstructed CT image.
Zur Ermittlung der winkelabhängigen Filterdicken wird NDetektor(θ) für jeden Fächerwinkel berechnet (11) und mit dem zentralen Strahl verglichen. Die Formfilterdicke dFilter(θ) wird dabei iterativ erhöht, um die geringere Schwächung im äußeren Bereich des Phantoms (12) auszugleichen und um die Bedingung des Filterdesigns (3) zu erfüllen. Dies wird für jeden Winkel, mit einer geeigneten Schrittweite, vorzugsweise von 0.1°, wiederholt bis der, für das jeweilige Phantom, maximale Fächerwinkel erreicht wurde. Dies wird für jeden Phantomdurchmesser durchgeführt.For determining the angle-dependent filter thicknesses, N detector (θ) is calculated for each fan angle (11) and compared with the central beam. The shape filter thickness d filter (θ) is iteratively increased to compensate for the lower attenuation in the outer region of the phantom (12) and to meet the condition of the filter design (3). This is repeated for each angle, with a suitable step size, preferably of 0.1 °, until the maximum fan angle for the respective phantom has been reached. This is done for each phantom diameter.
Für die endgültige Herstellung des Formfilters muss die winkelabhängige Dicke von Zylinderkoordinaten in kartesische Koordinaten umgerechnet werden (13), (14). Da der Radius des Phantoms nicht von z abhängt, wird zur Vereinfachung angenommen, dass der Filter in z-Richtung konstant ist.
Für klinische CT Anwendungen, zum Beispiel für ein Brust CT System ist es nicht möglich, aufgrund von räumlicher Begrenzung, individuell für jeden Phantomdurchmesser den optimalen Fromfilter zu verwenden. Eine Möglichkeit dieses Problem zu lösen ist die Verwendung nur eines Formfilters mit einem variablen FFA, welcher für jeden Phantomdurchmesser separat bestimmt wird.For clinical CT applications, for example, for a breast CT system, it is not possible to use the optimal Fromfilter individually for each phantom diameter due to spatial limitations. One way to solve this problem is to use only a shape filter with a variable FFA, which is determined separately for each phantom diameter.
Mit einem veränderbaren FFA und einem für das Phantom angepassten Formfilter wird eine annähernd homogene Rauschverteilung in den rekonstruierten CT-Bildern für alle Phantomdurchmesser erreicht.With a modifiable FFA and a phantom-adapted shape filter, an approximately homogeneous noise distribution is achieved in the reconstructed CT images for all phantom diameters.
Die vorgeschlagene Filterdesign-Methode zeigt eine deutliche Homogenisierung des Rauschens in den CT-Bildern. Sie ist eine neue Methode, um aus der weit verbreiteten Methode den Filter anhand des Rauschens am Detektor anzupassen, mit Hilfe des erfindungsgemäßen FBP Korrekturfaktors deutlich verbesserte CT-Bilder zu erhalten.The proposed filter design method shows a clear homogenization of the noise in the CT images. It is a new method to adapt the filter based on the noise at the detector from the widely used method to obtain significantly improved CT images using the FBP correction factor according to the invention.
Beschreibung der ZeichnungenDescription of the drawings
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1414
- Detektordetector
- 1515
- RöntgenröhreX-ray tube
- 3131
- Brustchest
- 5757
- Kollimatorcollimator
- 5959
- Formfiltershaping filter
- 170170
- Fokus-Filter-Abstand FFA oder SFDFocus Filter Distance FFA or SFD
- 171171
- Fokus-Isozentrum-Abstand FIA oder SIDFocus Isocenter Distance FIA or SID
- 172172
- Isozentrum-Detektor-Abstand IDA oder IDDIsocenter detector distance IDA or IDD
- 173173
- ISO-ZentrumISO-Zentrum
- 180180
- Radius Phantom bzw. ObjektRadius phantom or object
- 181181
- Durchmesser Phantom bzw. ObjektDiameter phantom or object
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102009012631 B4 [0004] DE 102009012631 B4 [0004]
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Patent Citations (2)
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---|---|---|---|---|
DE102009012631B4 (en) | 2009-03-11 | 2011-07-28 | Bayer Schering Pharma Aktiengesellschaft, 13353 | Filter for a computer tomograph and computer tomograph |
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