DE102012208507A1

DE102012208507A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von strahlaufhärtungskorrigierten Sinogrammwerten und tomographischen Bilddatensätzen

Info

Publication number: DE102012208507A1
Application number: DE201210208507
Authority: DE
Inventors: Osama Saba
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-05-22
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2013-11-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung von strahlaufhärtungskorrigierten Sinogrammwerten (Sbhc) beziehungsweise tomographischen Bilddatensätzen bei Röntgen-CT-Untersuchungen unter Verwendung eines Wedgefilters (4) zwischen Strahler und Untersuchungsobjekt, wobei unter Verwendung eines einzigen günstig geformten Phantoms (P) und eines einzigen CT-Scans mit einer exzentrischen Platzierung des Phantoms (P) im Messbereich eines CTs ein vollständiger Datensatz erhalten wird, mit dem Korrekturwerte für eine Strahlaufhärtungskorrektur unter Berücksichtigung der räumlich unterschiedlichen Schwächung eines Wedgefilters (4) berechnet werden. Die Bestimmung von Korrekturkoeffizienten (aij) kann dabei sowohl auf der Ebene der Sinogrammdaten als auch auf der Ebene der Bilddaten erfolgen, wobei die ermittelten Korrekturkoeffizienten (aij) bei beiden Bestimmungsvarianten gegeneinander austauschbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung von strahlaufhärtungskorrigierten Sinogrammwerten beziehungsweise tomographischen Bilddatensätzen bei Röntgen-CT-Untersuchungen unter Verwendung eines Wedgefilters zwischen Strahler und Untersuchungsobjekt.
Im Bereich der Computertomographie (CT) werden allgemein Untersuchungsobjekte mit Röntgenstrahlung, genauer Bremsstrahlung, abgetastet, die entstehungsbedingt über ein relativ breites Energiespektrum verfügt. Da die Schwächung von Röntgenstrahlung in Materie abhängig von der jeweiligen Energie der Photonen ist, ergibt sich beim Durchtritt der einen multienergetischen Strahlung durch Materie eine sukzessive Verschiebung des Strahlungsspektrums. Da grundsätzlich niederenergetische Strahlung stärker absorbiert wird als höherenergetische Strahlung, kommt es beim Durchtritt der multienergetischen Röntgenstrahlung durch Materie mit zunehmender Eindringtiefe zu einer zunehmenden Verschiebung des Strahlungsspektrums zu höheren Energien, also zu einer zunehmenden Strahlungsaufhärtung. Besonders stark treten solche Strahlaufhärtungsartefakte beim Durchtritt der Strahlung durch Metall auf. Gleichzeitig wird allerdings in der CT bei Rekonstruktionen von Bilddaten vom Ideal einer monoenergetischen Strahlung ausgegangen. Hierdurch entstehen in den Bilddaten Artefakte, die es zu eliminieren gilt.
Es ist weiterhin allgemein bekannt, dass die oben beschriebenen Strahlaufhärtungsartefakte zumindest weitgehend beseitigt werden können, wenn die aufgenommenen Messdaten entsprechend ihrer zuvor durchdrungenen Materie korrigiert werden. Um derartige Korrekturwerte zu erhalten, werden im Stand der Technik Phantome unterschiedlicher Dicke eingesetzt und Messwerte mit solch unterschiedlichen Phantomen erzeugt und entsprechende Korrekturkoeffizienten berechnet. Die Durchführung solcher Messungen mit mehreren unterschiedlich dicken Phantomen ist entsprechend aufwendig und zeitraubend.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein vereinfachtes Verfahren zur Ermittlung von strahlaufhärtungskorrigierten Sinogrammwerten und tomographischen Bilddatensätzen zu finden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
Der Erfinder hat erkannt, dass es möglich ist unter Verwendung eines einzigen günstig geformten Phantoms und eines einzigen CT-Scans mit einer exzentrischen Platzierung des Phantoms im Messbereich eines CTs einen vollständigen Datensatz zu erhalten, um die Korrekturwerte für eine Strahlaufhärtungskorrektur unter Berücksichtigung der räumlich unterschiedlichen Schwächung eines Wedgefilters, auch Formfilter genannt, zu erhalten. Die Bestimmung von Korrekturkoeffizienten kann dabei sowohl auf der Ebene der Sinogrammdaten als auch auf der Ebene der Bilddaten erfolgen, wobei die ermittelten Korrekturkoeffizienten bei beiden Bestimmungsvarianten gegeneinander austauschbar, also identisch, sind. Basis dieser Erkenntnis sind die folgenden Überlegungen:
Ein Strahlaufhärtungskorrekturmodell lässt sich wie folgt beschreiben:
hierbei definiert S_bhc(S, W) die korrigierten logarithmierten Sinogrammdaten, S die unkorrigierten logarithmierten Sinogrammdaten, also das vom Detektor gesehene Signal, W entspricht der logarithmierten polychromatischen Schwächung des Wedge- oder Formfilters, a_ij sind die Polynomkoeffizienten der zur Korrektur verwendeten Polynomfunktion, und N entspricht der Ordnung des verwendeten Polynoms. Beispielsweise ergibt sich mit N = 3 das folgende Polynom als Korrekturfunktion: S_bhc(S, W) = (S – W)·(a₂₀S² + a₀₂W² + a₁₁SW + a₁₀S + a₀₁W + a₀₀) (2)
Diese spezielle Formulierung der Korrekturfunktion garantiert, dass – falls kein Objekt gescannt wurde – die Strahlaufhärtungskorrektur und das rekonstruierte CT-Bild einer Aufnahme von Luft ohne Wedgefiltereinfluss entspricht.
Es sollen nun die Polynomkoeffizienten a_ij bestimmt werden. Hierzu kann das Differenzquadrat X² zwischen den strahlaufhärtungskorrigierten Sinogrammdaten S_bhc des Phantoms und den idealen oder theoretischen Sinogrammdaten S_ideal des Phantoms minimiert werden. Aufgrund der Linearität des Rekonstruktionsprozesses kann diese Optimierung sowohl auf der Basis der Sinogrammdaten im Rohdatenraum (S_bhc, S_ideal) als auch im Bereich der rekonstruierten Bilddaten (I_bhc, I_ideal) geschehen, denn es gilt
mit
als Operator für eine Standard FBP-Rekonstruktion (FBP = filtered backprojection).
Damit können die Polynomkoeffizienten a_ij durch Minimierung von X² bestimmt werden. Im Detektorrohdatenbereich gilt somit,
wobei M der Anzahl der Readings (=Auslesungen) für die Sinogrammdaten S_ij und N der Ordnung der verwendeten Polynomfunktion entsprechen. k, i und j beschreiben die entsprechenden Laufindizes. Zu beachten ist, dass die Formgebung und Anordnung des verwendeten Phantoms so gestaltet sein soll, dass mit einer Kreisabtastung eines CTs die gesamte Bandbreite unterschiedlicher und bei einer CT-Untersuchung vorkommender Werte und Kombinationen für S und W abgedeckt sind. Für eine Betrachtung des Bildraumes ergibt sich äquivalent zur Gleichung (4):
wobei l den Index über alle Bildpixel beschreibt und Q der Gesamtzahl der Bildpixel in den Teilbildern I_ij entspricht.
Für die Berechnung der Teilbilder – die in der Summe das rekonstruierte Bild ergeben – gilt aufgrund der Linearität des Rekonstruktionsprozesses in kurzer Schreibweise
wobei sich die Teilbilder berechnen mit:
beziehungsweise
Aufgrund der Linearität der Rekonstruktion können somit die Korrekturkoeffizienten auf der Basis rekonstruierter Teilbilder eines wohlbekannten Phantoms bestimmt werden. Grundsätzlich ist es dann möglich unter Anwendung der Korrekturkoeffizienten die mit nicht-korrigierten Sinogrammwerten rekonstruierten Bilddaten wieder zu korrigieren. Allerdings wird bevorzugt ein Verfahren gewählt, bei dem mit dem über die Bilddaten ermittelten Korrekturkoeffizienten die Sinogrammwerte direkt korrigiert werden und dann mit den korrigierten Sinogrammwerten die Rekonstruktion des Bilddatensatzes ausgeführt wird.
Entsprechend diesen Überlegungen schlägt der Erfinder vor:
Ein Verfahren zur Ermittlung von strahlaufhärtungskorrigierten Sinogrammwerten bei Röntgen-CT-Untersuchungen unter Verwendung eines Wedgefilters, wobei:

– mit einem CT unter Verwendung eines einzigen konvexen kantenfreien und exzentrisch angeordneten Phantoms eine Vielzahl von logarithmierten Sinogrammdaten für Strahlen mit unterschiedlichen Durchstrahlungslängen sowohl durch das Wedgefilter als auch durch das Phantom mit einem Detektor aufgenommen werden,
– für diese Strahlen auch theoretische Sinogrammdaten aus der geometrischen Kenntnis des Wedgefilters und des Phantoms berechnet werden und
– durch Vergleich der theoretischen logarithmischen Sinogrammdaten mit den gemessenen logarithmierten Sinogrammdaten Korrekturkoeffizienten in Abhängigkeit jeweils vorliegender Schwächung durch den Wedgfilter und jeweils gemessener Sinogrammwerte ermittelt werden.

Weiterhin wird ein Verfahren zur Ermittlung von strahlaufhärtungskorrigierten Sinogrammwerten bei Röntgen-CT-Untersuchungen vorgeschlagen, das insbesondere auf dem oben genannten Verfahren aufbaut, wobei die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden sollen:

– Ausführen eines rotierenden Scans eines Phantoms durch ein Röntgen-CT-System, mindestens aufweisend einen Fokus und einen gegenüberliegend auf einer rotierbaren Gantry angeordneten Detektor unter Verwendung eines Wedgefilters zwischen Fokus und Phantom und
– Messung einer Vielzahl von logarithmischen Sinogrammwerten nach einem Durchtritt jedes Messstrahls durch unterschiedliche Durchtrittslängen des Phantoms und des Wedgefilters, wobei: – ein Wedgefilter aus einem ersten Material verwendet wird, das auf unterschiedlichen durchstrahlten Abschnitten unterschiedliche Durchstrahlungslängen aufweist, – ein einziges Phantom aus mindestens einem zweiten Material verwendet wird, das im Querschnitt eine konvexe und kantenfreie Kontur aufweist und exzentrisch zu einer Rotationsachse einer Gantry im Messbereich des CT-Systems angeordnet ist, – und für jeden Messstrahl die tatsächliche Durchtrittslänge durch den Wedgefilter und dessen Schwächung bekannt sind,
– Berechnung von theoretischen logarithmischen Sinogrammdaten für die Vielzahl der gemessenen Strahlen nach einem Durchtritt durch die jeweils bekannten Durchstrahlungslängen des Formfilters und des Phantoms,
– Bestimmung einer Vielzahl von Korrekturkoeffizienten in Abhängigkeit von der jeweils theoretisch bekannten Schwächung im Formfilter und der am Detektor gemessenen logarithmischen Sinogrammwerte durch Minimierung der Differenzen der am Detektor gemessenen logarithmischen Sinogrammwerte und den theoretisch berechneten logarithmischen Sinogrammwerten.

Zur Ermittlung der Korrekturkoeffizienten zur Bestimmung von strahlaufhärtungskorrigierten Sinogrammwerten kann das nachfolgende Polynom vom Grad N
verwendet werden und durch Minimierung der Funktion
können die Korrekturkoeffizienten a_ij bestimmt werden, wobei k die Auslesungen bei einem Umlauf mindestens eines Strahler-Detektor-Systems und M die Anzahl der verwendeten Auslesevorgänge (=Readings) bezeichnet.
Vorzugsweise können sich die hierbei verwendeten Auslesungen M über einen Projektionswinkelbereich von mindestens 180°, vorzugsweise 180° zuzüglich Fanwinkel, vorzugsweise über 360°, erstrecken.
Weiterhin kann nach der Bestimmung der Korrekturkoeffizienten ein Untersuchungsobjekt, insbesondere ein Patient, gescannt werden und die gemessenen logarithmierten Sinogrammwerte gemäß der Formel
in Abhängigkeit jeweils vorliegender Schwächung durch den Wedgfilter und jeweils gemessener logarithmierter Sinogrammwerte berechnet werden.
Außerdem können mit den zuvor bestimmten Korrekturkoeffizienten gemessene logarithmierte Sinogrammwerte eines Untersuchungsobjektes gemäß der Formel
in Abhängigkeit jeweils vorliegender Schwächung durch den Wedgfilter und jeweils gemessener logarithmierter Sinogrammwerte korrigiert werden und daraus mindestens ein korrigierter CT-Bilddatensatz gemäß der Formel
rekonstruiert und ausgegeben beziehungsweise gespeichert werden.
Während sich die oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren auf eine Bestimmung der Korrekturkoeffizienten auf Sinogrammdaten bezieht, können diese Korrekturkoeffizienten aufgrund der Linearität des Rekonstruktionsprozesses auch auf Bilddatenebene bestimmt werden. Hierzu schlägt der Erfinder vor:
Ein Verfahren zur Ermittlung eines strahlaufhärtungskorrigierten CT-Bilddatensatzes bei Röntgen-CT-Untersuchungen unter Verwendung eines Wedgefilters, wobei:

– mit einem CT-System unter Verwendung eines einzigen konvexen kantenfreien und exzentrisch angeordneten Phantoms eine Vielzahl von logarithmierten Sinogrammdaten für Strahlen mit unterschiedlichen Durchstrahlungslängen sowohl durch das Wedgefilter als auch durch das Phantom mit einem Detektor aufgenommen werden und ein Bilddatensatz und Teilbilddatensätze des Phantoms – entsprechend der Formel
– rekonstruiert werden,
– ein idealer Bilddatensatz I_ideal aus der Kenntnis der Form und des Materials des Phantoms berechnet wird,
– durch Minimierung eines Differenzquadrats aus dem idealen Bilddatensatz und dem aus den gemessenen logarithmierten Sinogrammdaten rekonstruierten Bilddatensatz Korrekturkoeffizienten gemäß der Formel
ermittelt werden, mit denen der strahlaufhärtungskorrigierte Bilddatensatz gemäß der nachfolgenden Formel berechnet werden kann:
wobei Q für die Anzahl der Pixel in den Bilddatensätzen I_ij steht, N der Ordnung des verwendeten Polynoms entspricht, I_ij die rekonstruierten Teilbilder gemäß der Anweisung
darstellen und
die Rekonstruktion beschreibt.

Vorteilhaft kann nun mit den zuvor bestimmten Korrekturkoeffizienten mindestens ein strahlaufhärtungskorrigierter CT-Bilddatensatz eines Untersuchungsobjektes gemäß der Formel
in Abhängigkeit jeweils gemessener logarithmierter Sinogrammwerte berechnet und ausgegeben oder gespeichert werden.
Zum Rahmen der Erfindung zählt außerdem ein Verfahren zur Rekonstruktion mindestens eines strahlaufhärtungskorrigierten CT-Bilddatensatzes bei Röntgen-CT-Untersuchungen unter Verwendung eines Wedgefilters, wobei:

– zunächst die Korrekturkoeffizienten auf der Basis der Sinogrammdaten bestimmt werden,
– mit unkorrigierten logarithmierten Sinogrammwerten mindestens ein unkorrigierter CT-Bilddatensatz rekonstruiert wird, und
– der unkorrigierte CT-Bilddatensatz gemäß der nachfolgenden Formel
unter Verwendung der aus den Sinogrammwerten ermittelten Korrekturkoeffizienten korrigiert wird.

Die oben beschriebenen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens können vorzugsweise mit einem Patienten als Untersuchungsobjekt verwendet werden.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Phantom aus mindestens einem gewebeähnlichem zweiten Material, vorzugsweise aus Plexiglas und/oder Wasser, besteht.
Weiterhin kann das Phantom bevorzugt einen ellipsoiden Querschnitt parallel zur Rotationsebene des verwendeten CT-Systems aufweisen.
Das erste Material des Wedgefilters kann vorzugsweise aus mindestens einem Material der nachfolgenden Liste bestehen:
Aluminium, Kohlenstoff, Teflon.
Zur Erfindung zählt auch ein Rechensystem zur Bildrekonstruktion mit einem Speicher zur Speicherung von Computerprogrammen und einem Prozessor zur Ausführung der gespeicherten Computerprogramme, wobei im Speicher mindestens ein Computerprogramm gespeichert ist, welches im Betrieb des Rechensystems die Verfahrensschritte des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt. Ebenso zählt zur Erfindung auch ein CT-System mit einem solchen Rechensystem, wobei darauf hingewiesen wird, dass die allgemeine Bezeichnung „CT-System“ im Rahmen der Erfindung jegliches Röntgensystem umfasst, welches aus einer Vielzahl von Projektionswinkeln ein Untersuchungsobjekt scannen kann, so dass daraus tomographische Bilddaten zu berechnen sind, insbesondere also auch C-Bogen-Systeme und Angiographie-Systeme.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet: 1: CT-System; 2: Röntgenröhre; 3: Detektor; 4: Wedgefilter; 5: Gantry; 6: Gantrygehäuse; 7: Patient; 8: Liege; 9: Systemachse/Rotationsachse; 10: Steuer- und Rechensystem; I: Isozentrum; L: Länge des Phantoms; L_P: Durchstrahlungslänge durch das Phantom; L_W: Durchstrahlungslänge durch den Wedgefilter; MB: Messbereich; P: Phantom; Prg₁–Prg_n: Computerprogramme; R: Messstrahl; R₁: großer Radius in Systemachsenrichtung; R₂: kleiner Radius durch ellipsoides Phantom; S₁–S₇, S’₂, S’₅, S’₆: Verfahrensschritte.
Es zeigen im Einzelnen:
1: Erfindungsgemäßes CT-System mit Steuer- und Recheneinheit in 3d-Ansicht;
2: Erfindungsgemäßes CT-System mit Phantom im Querschnitt;
3: Ellipsoides Phantom;
4: Verfahrensablauf eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens;
5: Verfahrensablauf eines weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens;
6A + 6B: Alternative Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes.
Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes CT-System 1 mit einem Gantrygehäuse 6, in dem auf einer nicht näher dargestellten Gantry eine Röntgenröhre 2 mit einem vorgeschalteten Wedgefilter 4 angeordnet ist. Gegenüberliegend ist ein Detektor 3 auf der Gantry befestigt, so dass sich Röntgenröhre 2, Wedgefilter 4 und Detektor 3 zur Abtastung eines Untersuchungsobjektes gemeinsam um eine Systemachse beziehungsweise Rotationsachse 9 drehen können. Als Untersuchungsobjekt ist ein Patient 7 dargestellt, der sich auf einer, entlang der Systemachse 9, verschiebbaren Liege 8 befindet. Zur Abtastung kann der Patient oder gegebenenfalls ein Phantom auf der Patientenliege in den Untersuchungsbereich zwischen Röntgenröhre 2 und Detektor 3 geschoben werden. Das CT-System 1 ist mit einem Steuer- und Rechensystem 10 verbunden, in dem Computerprogramme Prg₁–Prg_n gespeichert sind, die im Betrieb das CT-System 1 steuern und mit denen das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Korrekturkoeffizienten einschließlich der Korrektur gemessener Detektor- oder Sinogrammdaten beziehungsweise von CT-Bilddaten ausgeführt wird.
In der 2 ist eine schematische Schnittdarstellung des CT-Systems 1 mit einem im Messbereich MB angeordneten Phantom P zur Ermittlung von Korrekturkoeffizienten a_ij einer ausgewählten Polynomfunktion zur Korrektur von gemessenen Sinogrammdaten gezeigt. Im CT-System 1 befindet sich die Gantry 5 mit dem Isozentrum I, auf der eine Röntgenröhre 2 mit einem im Strahlengang angeordneten Wedgefilter 4 befestigt ist und der gegenüber ein Detektor 3 angeordnet ist. Von der Röntgenröhre 2 ausgehend ist beispielhaft ein Messstrahl R eingezeichnet, der sowohl den Wedgefilter 4 als auch das im Messbereich MB liegende Phantom P auf dem Weg zum Detektor 3 durchdringt. Auf dem Strahl R sind die Abschnitte L_W und L_P verdickt eingezeichnet, die die Durchstrahlungslängen durch den Wedgefilter 4 und das Phantom P beschreiben. Eine Abtastung des eines einzigen konvexen kantenfreien und exzentrisch zum Isozentrum I angeordneten Phantoms P erzeugt einen Datensatz von Messungen, also Sinogrammdaten, in dem alle bei einer späteren Abtastung vorkommenden Signalwerte am Detektor und alle Schwächungswerte des Wedgefilters 4 in allen in diesem System vorkommenden Kombinationen auftreten. Somit kann unter Verwendung einer entsprechenden Polynomfunktion – wie oben beschrieben – ein Satz von Polynomkoeffizienten bestimmt werden, der die notwendigen Strahlaufhärtungskorrekturen für spätere Messungen eines Patienten beziehungsweise eines entsprechenden Untersuchungsobjektes vollständig beschreibt.
Das in der 2 verwendete ellipsoide Phantom P ist der Vollständigkeit wegen nochmals in der 3 nochmals in dreidimensionaler Form dargestellt. Es besitzt eine Länge L und zwei ungleiche Radien R₁ und R₂ und besteht aus einem Mantel aus PMMA und ist mit Wasser gefüllt.
Die 4 zeigt den grundsätzlich bevorzugten Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. Demgemäß beginnt – oberhalb der gestrichelten waagrechten Linie das Verfahren mit der Bestimmung der Korrekturkoeffizienten a_ij einer ausgewählten Polynomfunktion. Hierzu wird im Schritt S1 zunächst ein konvex und kantenfrei gestaltetes Phantom, das exzentrisch im Messfeld eines CTs mit im Strahlengang befindlichem Wedgefilter angeordnet ist über einen Projektionswinkelbereich von mindestens 180° gescannt und die Messdaten aufgenommen. Aus diesen Messdaten werden im Schritt S2 die Teilbilder
rekonstruiert und durch Minimierung des Differenzquadrats
ein Satz mit den Korrekturkoeffizienten a_ij berechnet und für eine weitere Verwendung gespeichert.
Der eigentliche Vorgang der Strahlaufhärtungskorrektur findet dann in den nachfolgenden Schritten statt, wobei im Schritt S3 ein Patient mit dem zuvor verwendeten CT – also auch unter Verwendung des gleichen Wedgefilters – abgetastet und im Schritt S4 die Sinogrammdaten bestimmt. Im Schritt S5 werden die Sinogrammdaten mit den zuvor ermittelten Korrekturkoeffizienten a_ij gemäß der Formel
korrigiert, so dass im Schritt S6 mit den korrigierten Sinogrammdaten ein artefaktfreies CT-Bild rekonstruiert werden kann, das im Schritt S7 angezeigt wird.
Die 5 zeigt schematisch einen Verfahrensablauf eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens mit zwei weiteren Alternativen. Zunächst beginnt – oberhalb der gestrichelten waagrechten Linie bei beiden das Verfahren mit der Bestimmung der Korrekturkoeffizienten a_ij einer ausgewählten Polynomfunktion. Hierzu wird im Schritt S1 zunächst ein konvex und kantenfreien gestaltetes Phantom, das exzentrisch im Messfeld eines CTs mit im Strahlengang befindlichem Wedgefilter angeordnet ist über einen Projektionswinkelbereich von mindestens 180° gescannt und die Messdaten aufgenommen. Aus diesen Messdaten wird im Schritt S2, wie oben ausführlich beschrieben, ein Satz mit Korrekturkoeffizienten a_ij berechnet und für eine weitere Verwendung gespeichert.
Der eigentliche Vorgang der Strahlaufhärtungskorrektur findet in den nachfolgenden Schritten statt. Dabei wird im Schritt S3 ein Patient mit dem zuvor verwendeten CT abgetastet und im Schritt S4 die Sinogrammdaten bestimmt. Im Schritt S5 können nun die Sinogrammdaten mit den zuvor ermittelten Korrekturkoeffizienten a_ij und der dabei verwendeten Polynomfunktion korrigiert werden, so dass im Schritt S6 ein artefaktfreies CT-Bild rekonstruiert werden kann, das im Schritt S7 angezeigt wird.
Alternativ zu den Schritten S5 und S6 kann nach Schritt S4 mit den unkorrigierten Sinogrammdaten im Schritt S’5 eine Rekonstruktion eines unkorrigierten CT-Bildes erfolgen und mit Hilfe der zuvor bestimmten Korrekturkoeffizienten a_ij im Schritt S’6 die Korrektur des CT-Bildes erfolgen, das im Schritt S7 angezeigt wird.
Eine weitere Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den zusammengehörenden 6a und 6b dargestellt. Hiernach wird in den Verfahrensschritten S1 bis S3 zunächst die Strahlaufhärtungskorrektur vorbereitet, indem im Schritt S1 das Phantom im CT-System auf exzentrisch platziert und mit dem CT abgetastet wird. Aus den so akquirierten Detektordaten werden dann entweder im Schritt S2 mit den dort dargestellten Formeln
auf Basis der rekonstruierten Bilddatensätze I und Teilbilddatensätze I_ij die Korrekturkoeffizienten a_ij unter Berücksichtigung der am Detektor gemessenen Sinogrammdaten S und der bekannten Schwächungen W am Wedgefilter und unter Kenntnis der theoretischen Schwächungswerte im Phantom bestimmt. Alternativ können auch im Schritt S’2 direkt aus den am Detektor gemessenen Sinogrammdaten S und den bekannten Schwächungen W am Wedgefilter in Kenntnis der entsprechenden bekannten theoretischen Schwächungswerte durch das Phantom und den Wedgefilter gemäß den dort dargestellten Formeln
bestimmt werden.
Im Schritt S3 werden die mit den ausgewählten Polynomen ermittelten Korrekturkoeffizienten a_ij abgespeichert und stehen nun zur Verwendung in einer nachfolgenden Abtastung eines Untersuchungsobjektes, meist eines Patienten, zur Verfügung.
Eine solche Abtastung eines Patienten ist in der folgenden 6b im Schritt S4 dargestellt. Im Schritt S5 wird gezeigt, dass das Rechensystem nun die zuvor bestimmten Korrekturkoeffizienten a_ij aus seinem Speicher zur Verfügung stellt, so dass im Schritt S6 – unter Verwendung des gleichen Polynoms, mit dem die Korrekturkoeffizienten a_ij bestimmt wurden – aus den gemessenen Schwächungsdaten unter Berücksichtigung der je Strahl zu erwartenden Schwächung W am Wedgefilter die strahlaufhärtungskorrigierten Schwächungswerte S_bhc gemäß der Formel
berechnet werden können.
Mit diesen so korrigierten Schwächungswerten kann dann im Schritt S7 eine Rekonstruktion der gewünschten CT-Bilddatensätze I_bhc erfolgen, wobei diese aufgrund der Korrektur auf den Detektordaten bereits frei von Artefakten durch Strahlaufhärtung sind. Selbstverständlich können die so ermittelten Bilddaten dann zur weiteren Verwendung abgespeichert oder zur Betrachtung ausgegeben werden.
Insgesamt wird also mit dieser Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung von strahlaufhärtungskorrigierten Sinogrammwerten beziehungsweise tomographischen Bilddatensätzen bei Röntgen-CT-Untersuchungen unter Verwendung eines Wedgefilters zwischen Strahler und Untersuchungsobjekt beschrieben, wobei unter Verwendung eines einzigen günstig geformten Phantoms und eines einzigen CT-Scans mit einer exzentrischen Platzierung des Phantoms im Messbereich eines CTs ein vollständiger Datensatz erhalten wird, mit dem Korrekturwerte für eine Strahlaufhärtungskorrektur unter Berücksichtigung der räumlich unterschiedlichen Schwächung eines Wedgefilters berechnet werden. Die Bestimmung von Korrekturkoeffizienten kann dabei sowohl auf der Ebene der Sinogrammdaten als auch auf der Ebene der Bilddaten erfolgen, wobei die ermittelten Korrekturkoeffizienten bei beiden Bestimmungsvarianten gegeneinander austauschbar, also identisch, sind.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Ermittlung von strahlaufhärtungskorrigierten Sinogrammwerten (S_bhc) bei Röntgen-CT-Untersuchungen unter Verwendung eines Wedgefilters (4), wobei: 1.1. mit einem CT unter Verwendung eines einzigen konvexen kantenfreien und exzentrisch angeordneten Phantoms (P) eine Vielzahl von logarithmierten Sinogrammdaten (S) für Strahlen (R) mit unterschiedlichen Durchstrahlungslängen sowohl durch das Wedgefilter (4) als auch durch das Phantom (P) mit einem Detektor aufgenommen werden, 1.2. für diese Strahlen (R) auch theoretische Sinogrammdaten (S_ideal) aus der geometrischen Kenntnis des Wedgefilters (4) und des Phantoms (P) berechnet werden und 1.3. durch Vergleich der theoretischen logarithmischen Sinogrammdaten (S_ideal) mit den gemessenen logarithmierten Sinogrammdaten (S) Korrekturkoeffizienten (a_ij) in Abhängigkeit jeweils vorliegender Schwächung (W) durch den Wedgfilter (4) und jeweils gemessener Sinogrammwerte (S) ermittelt werden.
Verfahren zur Ermittlung von strahlaufhärtungskorrigierten Sinogrammwerten (S_bhc) bei Röntgen-CT-Untersuchungen, insbesondere gemäß dem voranstehenden Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden: 2.1. Ausführen eines rotierenden Scans eines Phantoms (P) durch ein Röntgen-CT-System, mindestens aufweisend einen Fokus und einen gegenüberliegend auf einer rotierbaren Gantry angeordneten Detektor (3) unter Verwendung eines Wedgefilters (4) zwischen Fokus und Phantom (P) und 2.2. Messung einer Vielzahl von logarithmischen Sinogrammwerten (S) nach einem Durchtritt jedes Messstrahls (R) durch unterschiedliche Durchtrittslängen (L_P, L_W) des Phantoms (P) und des Wedgefilters (4), wobei: 2.2.1. ein Wedgefilter (4) aus einem ersten Material verwendet wird, das auf unterschiedlichen durchstrahlten Abschnitten unterschiedliche Durchstrahlungslängen (L_W) aufweist, 2.2.2. ein einziges Phantom (P) aus mindestens einem zweiten Material verwendet wird, das im Querschnitt eine konvexe und kantenfreie Kontur aufweist und exzentrisch zu einer Rotationsachse einer Gantry im Messbereich des CT-Systems angeordnet ist, 2.2.3. und für jeden Messstrahl (R) die tatsächliche Durchtrittslänge (L_W) durch den Wedgefilter (4) und dessen Schwächung (W) bekannt sind, 2.3. Berechnung von theoretischen logarithmischen Sinogrammdaten (S_ideal) für die Vielzahl der gemessenen Strahlen (R) nach einem Durchtritt durch die jeweils bekannten Durchstrahlungslängen (L_W, L_P) des Formfilters (W) und des Phantoms (P), 2.4. Bestimmung einer Vielzahl von Korrekturkoeffizienten (a_ij) in Abhängigkeit von der jeweils theoretisch bekannten Schwächung (W) im Formfilter (4) und der am Detektor (3) gemessenen logarithmischen Sinogrammwerte (S) durch Minimierung der Differenzen der am Detektor (3) gemessenen logarithmischen Sinogrammwerte (S) und den theoretisch berechneten logarithmischen Sinogrammwerten (S_ideal).
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Korrekturkoeffizienten (a_ij) zur Bestimmung von strahlaufhärtungskorrigierten Sinogrammwerten (S_bhc) das Polynom vom Grad N
verwendet wird und durch Minimierung der Funktion
die Korrekturkoeffizienten a_ij bestimmt werden, wobei k die Auslesungen bei einem Umlauf mindestens eines Strahler-Detektor-Systems und M die Anzahl der verwendeten Auslesevorgänge ist.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die verwendeten Auslesungen über einen Projektionswinkelbereich von mindestens 180°, vorzugsweise 180° zuzüglich Fanwinkel, vorzugsweise 360°, erstrecken.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Bestimmung der Korrekturkoeffizienten ein Untersuchungsobjekt, insbesondere ein Patient, gescannt wird und die gemessenen logarithmierten Sinogrammwerte (S) gemäß der Formel
in Abhängigkeit jeweils vorliegender Schwächung (W) durch den Wedgfilter (4) und jeweils gemessener logarithmierter Sinogrammwerte (S) berechnet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit den zuvor bestimmten Korrekturkoeffizienten (a_ij) gemessene logarithmierte Sinogrammwerte (S) eines Untersuchungsobjektes (7) gemäß der Formel
in Abhängigkeit jeweils vorliegender Schwächung (W) durch den Wedgfilter (4) und jeweils gemessener logarithmierter Sinogrammwerte (S) korrigiert werden und daraus mindestens ein korrigierter CT-Bilddatensatz gemäß der Formel
rekonstruiert und ausgegeben oder gespeichert wird.
Verfahren zur Ermittlung eines strahlaufhärtungskorrigierten CT-Bilddatensatzes (I_bhc) bei Röntgen-CT-Untersuchungen unter Verwendung eines Wedgefilters (4), wobei: 7.1. mit einem CT-System unter Verwendung eines einzigen konvexen kantenfreien und exzentrisch angeordneten Phantoms (P) eine Vielzahl von logarithmierten Sinogrammdaten (S) für Strahlen (R) mit unterschiedlichen Durchstrahlungslängen sowohl durch das Wedgefilter (4) als auch durch das Phantom (P) mit einem Detektor aufgenommen werden und ein Bilddatensatz und Teilbilddatensätze
des Phantoms (P) rekonstruiert werden, 7.2. ein idealer Bilddatensatz (I_ideal) aus der Kenntnis der Form und des Materials des Phantoms (P) berechnet wird, 7.3. durch Minimierung eines Differenzquadrats (χ²) aus dem idealen Bilddatensatz (I_ideal) und dem aus den gemessenen logarithmierten Sinogrammdaten (S) rekonstruierten Bilddatensatz
Korrekturkoeffizienten (a_ij) gemäß der Formel
ermittelt werden, wobei: Q für die Anzahl der Pixel in den Bilddatensätzen steht, N die Anzahl dem Grad des verwendeten Polynoms entspricht, I_ij die rekonstruierten Teilbilddatensätze gemäß der Anweisung
darstellen und
die Rekonstruktion beschreibt.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit den zuvor bestimmten Korrekturkoeffizienten (a_ij) gemessene logarithmierte Sinogrammwerte (S) eines Untersuchungsobjektes (7) gemäß der Formel
in Abhängigkeit jeweils vorliegender Schwächung (W) durch den Wedgfilter (4) und jeweils gemessener logarithmierter Sinogrammwerte (S) korrigiert werden und daraus mindestens ein korrigierter CT-Bilddatensatz gemäß der Formel
rekonstruiert und ausgegeben oder gespeichert wird.
Verfahren zur Rekonstruktion mindestens eines strahlaufhärtungskorrigierten CT-Bilddatensatzes (I_bhc) bei Röntgen-CT-Untersuchungen unter Verwendung eines Wedgefilters (4), dadurch gekennzeichnet, dass: 9.1. mit einem Verfahren gemäß einem der Verfahrensansprüche 1 bis 4 Korrekturkoeffizienten (a_ij) bestimmt werden, 9.2. mit unkorrigierten logarithmierten Sinogrammwerten (S) mindestens ein unkorrigierter CT-Bilddatensatz (I_S) rekonstruiert wird, und 9.3. der unkorrigierte CT-Bilddatensatz (I_S) gemäß der nachfolgenden Formel
unter Verwendung der aus den Sinogrammwerten (S) ermittelten Korrekturkoeffizienten (a_ij) gemäß Merkmal 9.1 korrigiert wird, wobei Q für die Anzahl der Pixel in den Bilddatensätzen steht, N die Anzahl dem Grad des verwendeten Polynoms entspricht, I_ij die rekonstruierten Teilbilder gemäß der Anweisung
darstellen und
die Rekonstruktion beschreibt.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersuchungsobjekt ein Patient (7) ist.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Phantom (P) aus mindestens einem gewebeähnlichen zweiten Material, vorzugsweise aus Plexiglas und/oder Wasser, besteht.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Phantom (P) einen ellipsoiden Querschnitt parallel zur Rotationsebene der parallel zur Rotationsebene der des CT-Systems angeordnet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material des Wedgefilters (4) aus mindestens einem Material der nachfolgenden Liste besteht: Aluminium, Kohlenstoff, Teflon.
Rechensystem (10) zur Bildrekonstruktion
mit einem Speicher zur Speicherung von Computerprogrammen und einem Prozessor zur Ausführung der gespeicherten Computerprogramme, dadurch gekennzeichnet, dass im Speicher mindestens ein Computerprogramm (Prg₁–Prg_n) gespeichert ist, welches im Betrieb des Rechensystems (10) die Verfahrensschritte eines der voranstehenden Verfahrensansprüche ausführt.
CT-System (1) mit einem Rechensystem (10) gemäß dem voranstehenden Patentanspruch.