DE102012207910A1

DE102012207910A1 - Erweiterung der Trajektorie zur 3D Rekonstruktion

Info

Publication number: DE102012207910A1
Application number: DE201210207910
Authority: DE
Inventors: Andreas Biersack; Frank Dennerlein; Ulrich Karl; Philip Materne; Jürgen Plannerer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2013-11-14
Anticipated expiration: 2032-05-12
Also published as: DE102012207910B4

Abstract

Die Erfindung betrifft die Generierung einer Projektionsbildsequenz mittels einer beweglichen Strahlenquelle (Q) und einem beweglichen Detektor (D) für die Rekonstruktion eines Objektes (O) aus mittels des Detektors (D) erfassten Bildern des Objekts (O). Dabei werden Trajektorien für Quelle (Q) und Detektor (D) zur Aufnahme von Projektionen des Objektes (O) entlang dieser Trajektorien erzeugt. Diese Trajektorien umfassen jeweils zwei Abschnitte (TQ, TD, TQ+, TD+), nämlich einen Abschnitt (TQ, TD), der zumindest teilweise um das Objekt herumführt, und einen anderen (TQ+, TD+), der geradlinig ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt zur Generierung einer Projektionsbildsequenz mittels einer beweglichen Strahlenquelle und einem beweglichen Detektor für die Rekonstruktion eines Objektes aus mittels des Detektors erfassten Projektionen des Objekts.
Es gibt eine Reihe von verschiedenen Verfahren zur Untersuchung von Objekten. Eines der gebräuchlichsten Verfahren verwendet Röntgenstrahlen, welche vor allem ihre Einsatzbereiche in der medizinischen Diagnostik und der Materialuntersuchung besitzen. Bei Untersuchungen mit Röntgenstrahlen wird typischerweise ein zu untersuchendes Objekt von den Strahlen durchdrungen. Die Schwächung der Röntgenstrahlen auf dem Weg durch das Objekt liefert dann eine Information über die Objektbeschaffenheit.
Für Röntgenstrahlen kommen in der Regel eine Strahlenquelle und ein Detektor zum Einsatz, wobei durch die Strahlenquelle die Röntgenstrahlung erzeugt und durch den Detektor die durch das zu untersuchende Objekt transmittierte Strahlung detektiert wird. In Bezug auf die durch den Detektor aufgenommene Strahlung spricht man auch von einer Projektion oder einem Sinogramm. Eine derartige Projektion stellt eine zweidimensionale Informationsmatrix dar, welche Eigenschaften eines dreidimensionalen Objektes beschreibt. Eine einzelne Projektion liefert somit keine Aussagen über Objekteigenschaften in der Richtung orthogonal zur Projektion.
Für eine vollständigere Untersuchung eines Objektes, welche auch die dritte Dimension berücksichtigt, ist es erforderlich, mit einer Vielzahl von Projektionen zu arbeiten, welche aus unterschiedlichen Winkeln aufgenommen werden. Aus der Vielzahl der Projektionen kann dann das Objekt rekonstruiert werden. Diese Objektrekonstruktion liefert typischerweise Grauwerte, welche ein Maß für die Dichte des Objektes an Raumpunkten darstellt. Da die Vielzahl von Projektionen aus zumindest teilweise unterschiedlichen Winkeln erfolgen muss, um eine zufriedenstellende Rekonstruktion des Objektes in drei Dimensionen zu ermöglichen, werden üblicherweise Quelle bzw. Detektor entlang Trajektorien bewegt. Während dieser Bewegung wird eine Serie von Aufnahmen gemacht, welche auch als Projektionsbildsequenz oder Bildkette bezeichnet wird.
Das erste medizinische Gerät, welches eine dreidimensionale Rekonstruktion aus Röntgenprojektionen ermöglichte, war das Computertomographiegerät. In der Computertomographie ist es vorgesehen, dass Quelle und Detektor sich mit konstantem Abstand vollständig um ein Zentrum herumbewegen können. Dieser Kreisbewegung wird üblicherweise eine weitere Translationsbewegung in der Ebene senkrecht zur Rotation von Quelle und Detektor überlagert, so dass man die für die Computertomographie typischen Spiraltrajektorien erhält.
Die dreidimensionale Rekonstruktion von Röntgenbildern hat inzwischen aber auch für andere Typen von Röntgengeräten Einzug gehalten. Beispielsweise werden heute auch mit Mammographiegeräten und C-Bögen Aufnahmen aus unterschiedlichen Winkelpositionen zur Erzeugung einer Projektionsbildsequenz bzw. Bildkette für eine 3D-Rekonstruktionen des untersuchten Objektes gemacht. Je nach Geometrie und Aufbau des verwendeten Röntgengeräts kann es Einschränkungen bezüglich der möglichen Trajektorien geben. Weitere Einschränkungen bezüglich der Trajektorien können aus Eigenschaften des zu untersuchenden Objektes resultieren. Dabei ist sowohl an die Objektgeometrie, wie auch eventuell an während der Aufnahme stattfindende Objektbewegungen (z.B. Herzuntersuchungen) zu denken.
Die oben angesprochenen Einschränkungen können dazu führen, dass der Satz von Projektionen zur Rekonstruktion des Objekts keine völlig artefaktfreie Rekonstruktion erlaubt. Zur Vermeidung von Artefakten wäre es theoretisch erforderlich, zumindest aus einem Winkelbereich von 180° Projektionswerte für den gesamten darzustellenden Bereich zur Verfügung haben. In diesem Zusammenhang spricht man auch von einem vollständigen Datensatz. Dies kann jedoch nicht für jede Untersuchung bzw. jede Röntgengerätarchitektur gewährleistet werden.
Bei Trajektorien, welche einen geringeren Winkelbereich als 360° überstreichen, unterscheidet sich für die einzelnen Punkte des Objekts der Winkelbereich, aus dem Projektionsdaten vorliegen. Dieser Sachverhalt wird im Folgenden anhand von 1a und 1b näher illustriert. In diesen Figuren ist ein Objekt O skizziert, welches in einem Untersuchungsbereich FOV (Field of View) liegt. Dieses Objekt bzw. der Untersuchungsbereich VOF ist zu rekonstruieren. Es ist eine Trajektorie T skizziert, entlang welcher Projektionen aufgenommen werden. Die Form der Trajektorie T ist ein Kreisabschnitt. In 1a ist ein Rekonstruktionspunkt bzw. ein Voxel A innerhalb des Untersuchungsbereiches FOV gezeigt. Bei Verwendung der Trajektorie T ergibt sich für dieses Voxel A der Winkelbereich WB. Dieser Winkelbereich (angular extent) entspricht in 1a etwa 200°. Für das in 1b gezeigte Voxel B, welches ein Stück weiter innerhalb der Trajektorie T liegt, ergibt sich ein größerer Winkelbereich WB. Dieser Winkelbereich WB (angular extent) erreicht 250°. Wie diese beiden Figuren zeigen, hängt außer für eine Vollkreis-Trajektorie, der für die Rekonstruktion herangezogene Winkelbereich eines Objektpunktes bzw. Voxel von dessen Position innerhalb des Objektes bzw. Untersuchungsbereiches (Field of View) ab.
Es ist aus der Theorie (insbesondere zur Computertomographie) bekannt, dass ein Winkelbereich von 180° zusätzlich dem Fächeröffnungswinkel der Röntgenstrahlung benötigt wird, um eine artefaktfreie Darstellung (kompletter bzw. vollständiger Datensatz) zu erhalten. Im Folgenden wird der Einfachheit halber der Fächeröffnungswinkel nicht explizit erwähnt. D.h. wenn im Folgenden von einer vollständigen oder 180°-Trajektorie bzw. einem entsprechenden Winkelbereich gesprochen wird, ist je nach System und Strahlungscharakteristik eine Trajektorie bzw. ein Winkelbereich gemeint, der den Fächeröffnungswinkel einschließt, d.h. einen Projektionsdatensatz, der eine vollständige Rekonstruktion ermöglicht.
Es besteht ein Bedarf nach einer möglichst artefaktfreien Rekonstruktion für Röntgengeräte, welche nur beschränkte Winkelbereiche bei der Aufnahme von Projektionen zulassen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, eine Vorrichtung, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt nach den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird eine Bildkette bzw. ein Satz von Projektionen mittels einer beweglichen Strahlenquelle und einem beweglichen Detektor generiert. Die Bilder bzw. Projektionen werden für eine Rekonstruktion eines Objektes beispielsweise mittels eines iterativen Verfahrens oder eines FBP-Verfahrens (FBP: Filtered Back Projection) aufgenommen. Zu diesem Zweck werden Trajektorien für Quelle und Detektor für die Aufnahme von Projektionen des Objektes entlang dieser Trajektorien erzeugt. Eine Trajektorie ist dabei durch die Relativbewegung von Quelle bzw. Detektor und Objekt definiert. Diese Relativbewegung kann entweder durch Bewegung von Quelle und Detektor oder durch Bewegung des Objekts im Bezug auf ein raumfestes Koordinatensystem erzeugt werden.
Zumindest bei Aufnahmepositionen, d.h. Positionen entlang der Trajektorien, wo die Quelle Strahlung abgibt, sind Quelle und Detektor für eine Aufnahme von der durch die Quelle erzeugten Strahlung mittels des Detektors zueinander entsprechend orientiert. Vorzugsweise sind Quelle und Detektor unabhängig von einander bewegbar; es ist aber jedoch auch denkbar, dass der Abstand von Quelle und Detektor durch eine starre Verbindung (wie beispielsweise bei einem C-Bogen) festgelegt sind. Erfindungsgemäß umfassen die Trajektorien von Quelle und Detektor jeweils zwei vorzugsweise aneinander anschließende Abschnitte. Einer der Abschnitte führt zumindest teilweise um das zu untersuchende Objekt herum, z.B. in dem er eine Art Bogen beschreibt. Der andere Abschnitt entspricht einer Translation bzw. geradlinigen Bewegung. Die Trajektorien des teilweise um das Objekt herumführenden Abschnitts können zumindest für einen Teil des Objektes aus einem unvollständigen Winkelbereich von weniger als 180° stammen. Für diesen Fall werden die Trajektorien des anderen Abschnitts am besten im Sinne einer Ergänzung der Projektionen für den Teil des Objektes mit unvollständigem Winkelbereich gewählt. Die Trajektorien dieses anderen Abschnitts können beispielsweise durch lineare Bewegung von Quelle und Detektor erzeugt werden. Alternativ werden die Trajektorien durch die Bewegung des Objektes erzeugt, z.B. in dem ein das Objekt tragende Tisch einer Translationsbewegung unterworfen wird.
In einer Ausgestaltungsform liegen alle Trajektorien in einer Ebene, d.h. die Trajektorien beider Abschnitte.
Mittels der aufgenommenen Projektionen kann eine Rekonstruktion des Objektes vorgenommen werden, wobei dafür eine Trunkierung von Daten der Projektionen des anderen, geradlinigen Abschnittes erfolgen kann.
Die Erfindung erlaubt es, herkömmliche Trajektorien für verschiedene Röntgenapparaturen, welche die Erzeugung einer Translation zulassen, zu ergänzen. Ein Beispiel für eine derartige Röntgenapparatur kann durch eine Quelle bzw. durch einen Detektor gegeben sein, welche mittels eines Deckenstativs befestigt sind. Insbesondere lässt sich die Erfindung auch für Röntgengeräte verwenden, welche die Abdeckung eines Winkelbereichs nicht direkt mittels Drehung, sondern durch Kombination von Translations- und Kippfreiheitsgraden realisieren. In einem derartigen System können Quelle bzw. Detektor einen Translationsfreiheitsgrad in horizontaler Richtung, einen Translationsfreiheitsgrad in vertikaler Richtung und zumindest einen (möglicherweise zwei) Kippfreiheitsgrad umfassen, die eine Generierung herkömmlicher Trajektorien ermöglichen.
Die Erfindung erlaubt eine Ergänzung der bei herkömmlichen Untersuchungsmethoden aufgenommenen Bildketten. Dabei wird durch die zusätzliche Translation auf einfache Weise die Reihe von Projektionen ergänzt. Diese zusätzliche Translation ist im Vergleich zu herkömmlichen Trajektorien einfach durchzuführen und stellt keine wesentliche Verlängerung der Untersuchung dar. Auf einfache Weise kann somit die Bildqualität verbessert werden.
Die Kombination von zwei Abschnitten ermöglicht das Durchführen von vollständigen Scans bei Systemen, bei denen unter Verwendung von lediglich einen Abschnitts kein kompletter Datensatz akquiriert werden kann. Diese Einschränkung bzgl. der Aufnahme eines Datensatzes mittels eines Trajektorienabschnitts kann beispielsweise durch Kollisiongefahr mechanischer Systemkomponenten bei Erweiterung des einen Abschnitts bedingt sein.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt, welche für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet sind.
Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen
1a und 1b eine Illustration des Zusammenhangs zwischen Voxelposition und verwendeten Winkelbereichen,
2a und 2b ein Deckenstativ, welches für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Einsatz kommen kann,
3a und 3b mittels des Deckenstativs von 2a durchlaufene Trajektorien sowie eine Analyse der dabei erzielten Bildqualität,
4a und 4b eine erfindungsgemäße Erweiterung der Trajektorie aus 3a sowie eine Darstellung des dadurch gewonnenen Genauigkeitszuwaches bei der Rekonstruktion,
5a und 5b eine weitere mittels des Deckelstativs von 2a beschriebene Trajektorie für einen Körperscan und die entsprechende Genauigkeitsanalyse,
6a und 6b eine Erweiterung der Trajektorie von 5a sowie eine Darstellung des dadurch erzielten Genauigkeitsgewinnes bei der Rekonstruktion.
In 2a ist ein für Röntgenuntersuchungen eingesetztes Deckenstativ gezeigt. An Deckenschienen DS sind zwei Schlitten S1 und S2 angebracht, die jeweils einen Teleskoparm T1 bzw. T2 tragen. An Teleskoparm T1 ist die Quelle Q befestigt, an Teleskoparm T2 der Detektor D. Durch die Deckenschienen DS wird jeweils eine Translation in horizontaler Richtung realisiert, durch die Teleskoparme eine in vertikaler Richtung. Zur Lagerung eines Patienten ist ein Tisch T vorgesehen. Dieser Tisch kann ebenfalls für eine Translation in horizontaler Richtung ausgestaltet sein. Wie in dem Bild gezeigt, kann der Detektor unterhalb der Tischplatte positioniert werden. In 2b ist dargestellt, dass sowohl die Quelle als auch der Detektor jeweils mit zwei Kippfreiheitsgraden versehen sind.
Mittels dieses anhand von den 2a und 2b beschriebenen Systems können durch Kombination der verschiedenen Freiheitsgrade die in 3a gezeigten Trajektorien (Trajektorie TQ für Quelle und Trajektorie TD für Detektor) realisiert werden. Entlang dieser Trajektorien wird durch die Aufnahme von Projektionen eine Projektionsbildsequenz bzw. Bildkette erzeugt. Diese Projektionen decken einen Winkelbereich ab, der von der Position bzw. der Raumkoordinate des betrachteten Punkts abhängt. Die Qualität der Rekonstruktion in Abhängigkeit von Position ist in 3b illustriert. Dabei ist der dunkle Hintergrund außerhalb des Untersuchungsbereiches bzw. außerhalb des Field of Views. Innerhalb des Untersuchungsbereiches reicht der verwendete Winkelbereich von 165° bis 202°. Die eingezeichnete Trennlinie TL illustriert, welcher Bereich exakt (d.h. ohne Artefakte) rekonstruiert werden kann. Die in 3a gezeigten Trajektorien entsprechen einem mittels des in 2a dargestellten Gerätes aufgenommenen Kopfscans.
In 4a und 4b ist gezeigt, wie erfindungsgemäß die Trajektorien zwecks Verbesserung der Bildrekonstruktion ergänzt werden können. Anschließend an die Trajektorien TQ bzw. TD werden ergänzende translatorische Trajektorienabschnitte TD+ bzw. TQ+ angefügt, entlang derer zusätzliche Projektionen erzeugt werden. Diese Trajektorienabschnitte TD+ und TQ+ können durch eine entsprechende Translation von Quelle und Detektor erzeugt werden. Alternativ bleiben die Positionen von Quelle und Detektor fest und die Patientenlagerung mit dem Patienten wird horizontal verfahren, um so die Trajektorien TD+ und TQ+ zu erzeugen.
Eine wesentliche Unterscheidung zwischen den Abschnitten TQ und TD sowie den Abschnitten TD+ und TQ+ ist, dass in den Abschnitten TQ und TD Röntgenquelle und Detektor relativ zum Patienten gegenläufige Bewegungen machen (d.h. bewegt sich die Quelle nach oben bzw. rechts, fährt der Detektor nach unten bzw. nach links). Für die Abschnitte TD+ und TQ+ bewegen sich beide Einheiten Röntgenquelle und Detektor hingegen gleichförmig in eine Richtung. Dadurch kann eine Kollision dieser Einheiten in Systemen wie dem Deckenstativ aus den 2a und 2b vermieden werden.
In 4b ist eine der 3b entsprechende Untersuchung der Rekonstruktionsqualität durchgeführt. Der niedrigste verwendete Winkelbereich kann auf diese Weise um 19° auf 184° erhöht werden, so dass in diesem Fall die gesamte Rekonstruktion artefaktfrei durchgeführt werden kann.
5a bis 6b entsprechen den 3a bis 4b für eine andere Untersuchung, nämlich einen Körperscan. In diesem Fall kann sogar ein Gewinn von 20° bezüglich des geringsten Winkelbereichs erzielt werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die im Ausführungsbeispiel beschriebene Konstellation beschränkt. Insbesondere kann es auch für andere Systeme als Deckenstative zum Einsatz kommen, z.B. für Tomosynthese-Systeme und C-Bögen.

Claims

Verfahren zur Generierung einer Projektionsbildsequenz mittels einer beweglichen Strahlenquelle (Q) und einem beweglichen Detektor (D) für die Rekonstruktion eines Objektes (O) aus mittels des Detektors (D) erfassten Bildern des Objekts (O), umfassend – Erzeugen von Trajektorien für Quelle und Detektor zur Aufnahme von Projektionen des Objektes entlang dieser Trajektorien, dadurch gekennzeichnet, dass – die Trajektorien jeweils zwei Abschnitte (TQ, TD, TQ⁺, TD⁺) umfassen, wobei – der eine Abschnitt (TQ, TD) zumindest teilweise um das Objekt (O) herumführt, und – der andere Abschnitt (TQ⁺, TD⁺) geradlinig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – in dem einen Abschnitt (TQ, TD) Quelle (Q) und Detektor (D) eine gegenläufige Bewegung beschreiben, und – in dem anderen Abschnitt (TQ⁺, TD⁺) Quelle (Q) und Detektor (D) in dieselbe Richtung bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trajektorien des teilweise um das Objekt (O) herumführenden Abschnitts (TQ, TD) zumindest für einen Teil des Objektes (O) die Projektionen aus einem unvollständigen Winkelbereich von weniger als 180 Grad stammen, und die Trajektorien des geradlinigen Abschnitts (TQ⁺, TD⁺) im Sinne einer Ergänzung der Projektionen für den Teil des Objektes (O) mit unvollständigem Winkelbereich gewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Trajektorien des geradlinigen Abschnitts (TQ⁺, TD⁺) im Sinne einer möglichst guten Ergänzung der Projektionen für den Teil des Objektes (O) mit unvollständigem Winkelbereich gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trajektorien des geradlinigen Abschnitts (TQ⁺, TD⁺) den anderen Trajektorien vorangehen oder sich diesen anschließen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trajektorien des geradlinigen Abschnitts (TQ⁺, TD⁺) durch Bewegung von der Quelle (Q) und dem Detektor (D), durch Bewegung des Objekts oder durch Kombination dieser Bewegungen erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trajektorien alle in einer Ebene liegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Rekonstruktion des Objekts vorgenommen wird, und – dafür eine Trunkierung von Daten der Projektionen des geradlinigen Abschnittes (TQ⁺, TD⁺) vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (Q) und/oder der Detektor (D) an einem Deckenstativ angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (Q) und/oder der Detektor (D) einen Translationsfreiheitsgrad in horizontaler Richtung, einen Translationsfreiheitsgrad in vertikaler Richtung und zumindest einen Kippfreiheitsgrad umfassen, mittels derer die Trajektorien realisiert werden.
Vorrichtung zur Generierung einer Projektionsbildsequenz mittels einer beweglichen Strahlenquelle (Q) und einem beweglichen Detektor (D) für die Rekonstruktion eines Objektes (O) aus mittels des Detektors erfassten Projektionen des Objekts (O), welche zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgestaltet ist, umfassend – eine bewegliche Strahlenquelle (Q), – einen beweglichen Detektor (D), und – Mittel zur Generierung einer Projektionsbildsequenz mittels einer beweglichen Strahlenquelle (Q) und einem beweglichen Detektor (D) für die Rekonstruktion eines Objektes (O) aus mittels des Detektors (D) erfassten Bildern des Objekts (O), welche Mittel zur Generierung der Projektionsbildsequenz Mittel zum Erzeugen von Trajektorien für Quelle und Detektor zur Aufnahme von Projektionen des Objektes entlang dieser Trajektorien umfassen, wobei – die Trajektorien jeweils zwei Abschnitte (TQ, TD, TQ⁺, TD⁺) umfassen, – der eine Abschnitt (TQ, TD) zumindest teilweise um das Objekt (O) herumführt, und – der andere Abschnitt (TQ⁺, TD⁺) geradlinig ist.
Computerprogramm zur Generierung einer Projektionsbildsequenz mittels einer beweglichen Strahlenquelle und einem beweglichen Detektor für die Rekonstruktion eines Objektes (O) aus mittels des Detektors erfassten Projektionen des Objekts (O), welches ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausführt, wenn es auf einem Rechner abläuft.
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gemäß Anspruch 12.