DE102013206525A1 - Reconstruction method for generating a tomographic representation of an examination object, with computer and CT system for carrying out this method - Google Patents

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Bernhard Schmidt
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    • G06T2211/424Iterative

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer tomographischen Darstellung eines Untersuchungsvolumens in einem Untersuchungsobjektes, einen Computer und ein CT-System zur Durchführung dieses Verfahrens, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: – Aufnehmen oder Empfangen mindestens eines initialen Sinogramms (P0) aus Projektionen aus einer Vielzahl von Projektionsrichtungen, – Rekonstruktion einer ersten tomographischen Darstellung (I0) des Untersuchungsvolumens aus mindestens einem initialen Sinogramm (P0) – Detektion von Kanten in der ersten Darstellung (I0), – Rückverfolgung und Markierung von Kantensinogrammdaten in dem mindestens einen initialen Sinogramm (P0), welche aus der Projektion eines vorgegebenen Bereiches um die Kanten stammen, – Rauschreduktion des mindestens einen Sinogramms (P0), wobei die Kantensinogrammdaten eine geringere bis keine Rauschreduktion erfahren als die Nicht-Kantensinogrammdaten, – Rekonstruktion einer zumindest vorläufig endgültigen tomographischen Darstellung (Ii) aus dem so rauschreduzierten mindestens einen initialen Sinogramm (Pi).The invention relates to a method for generating a tomographic representation of an examination volume in an examination object, a computer and a CT system for carrying out this method, the method comprising the following method steps: recording or receiving at least one initial sinogram (P0) from projections a multiplicity of projection directions, - reconstruction of a first tomographic representation (I0) of the examination volume from at least one initial sinogram (P0) - detection of edges in the first representation (I0), - tracing and marking of edge sinogram data in the at least one initial sinogram (P0 ), which originate from the projection of a predetermined area around the edges, - noise reduction of the at least one sinogram (P0), the edge sinogram data experiencing less or no noise reduction than the non-edge sinogram data, - reconstruction of an at least least provisionally final tomographic representation (Ii) from the noise-reduced at least one initial sinogram (Pi).

Description

Die Erfindung betrifft ein Rekonstruktionsverfahren zur Erzeugung einer tomographischen Darstellung eines Untersuchungsobjektes und einen Computer und ein CT-System zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a reconstruction method for generating a tomographic representation of an examination subject and a computer and a CT system for carrying out this method.

Es ist allgemein bekannt, konventionelle Rekonstruktionsverfahren mittels gefilterter Rückprojektion (FBP = filtered backprojection) in der Computertomographie zu verwenden, um aus einer Vielzahl von Projektionsdaten beziehungsweise aus einem Sinogramm dreidimensionale Bilddatensätze zu berechnen. Hierbei besteht ein Zusammenhang zwischen Bildschärfe und Bildrauschen derart, dass durch eine Optimierung der Bildschärfe sich gleichzeitig das Bildrauschen verschlechtert beziehungsweise umgekehrt sich bei einer Verminderung des Bildrauschens sich gleichzeitig die Bildschärfe verschlechtert.It is well known to use conventional backprojection (FBP) reconstruction techniques in computed tomography to compute three-dimensional image data sets from a plurality of projection data and from a sinogram, respectively. In this case, there is a correlation between image sharpness and image noise in such a way that the image noise deteriorates at the same time as an optimization of the image sharpness, or vice versa, the image sharpness simultaneously deteriorates when the image noise is reduced.

Grundsätzlich sind im Stand der Technik auch Verfahren zur iterativen Bildrekonstruktion bekannt. Man unterscheidet dabei zwei Varianten, nämlich die rohdatenbasierte und die bilddatenbasierte iterative Rekonstruktion. Unabhängig von der Art der iterativen Rekonstruktion besteht auch hier das gleiche Problem der gegenläufigen Abhängigkeit der Güte bezüglich Bildschärfe und Bildrauschen.Basically, methods for iterative image reconstruction are known in the prior art. There are two variants, namely raw-data-based and image-data-based iterative reconstruction. Regardless of the type of iterative reconstruction, the same problem exists here of the opposite dependence of the quality with respect to image sharpness and image noise.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Rekonstruktionsverfahren zu finden, bei dem diese Gegenläufigkeit der Bildqualität bezüglich Bildschärfe und Bildrauschen durchbrochen wird, so dass sich tomographische CT-Bilder rekonstruieren lassen, die gleichzeitig bezüglich ihrer Bildschärfe als auch ihres Bildrauschens optimiert sind.It is an object of the invention to find a reconstruction method in which this contrastiveness of the image quality with respect to image sharpness and image noise is broken, so that it is possible to reconstruct tomographic CT images which are simultaneously optimized with respect to their image sharpness as well as their image noise.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.This object is solved by the features of the independent claims. Advantageous developments of the invention are the subject of the subordinate claims.

Die Erfinder haben erkannt, dass es möglich ist, durch eine geschickte Verknüpfung iterativer Schritte aus sowohl einer bildbasierten als auch einer rohdatenbasierten iterativen Rekonstruktion die Interaktion zwischen Bildrauschen und Bildschärfe aufzuheben und gleichzeitig sowohl das Bildrauschen als auch die Bildschärfe verbessern zu können, beziehungsweise durch erfindungsgemäße Verbesserung der Bilddaten bezüglich Bildrauschen und Bildschärfe bei gleicher Bildqualität die Dosis zur Bilderzeugung deutlich reduzieren zu können.The inventors have recognized that it is possible by skillful combination of iterative steps from both an image-based and raw-data-based iterative reconstruction to cancel out the interaction between image noise and image sharpness and at the same time be able to improve both the image noise and the image sharpness, or by improvement according to the invention The image data with regard to image noise and sharpness with the same image quality to reduce the dose for image production significantly.

In der rohdatenbasierten iterativen Rekonstruktion wird eine Korrektur der Rekonstruktionsartefakte durch mehrfaches Vor- und Rückwärtsprojizieren der Bild- und Rohdaten, meist unter Verwendung gefilterter Rückprojektoren und Vorwärtsprojektoren, erreicht. Auftretende Artefakte, abgesehen von Strahlaufhärtungs- und Streustrahlartefakten, sind dabei meistens auf zu große Conebeamwinkel und die nicht exakte FBP (= gefilterte Rückprojektion) zurückzuführen. Eine Rauschreduktion wird hierbei nicht durchgeführt. Im Gegenteil, wenn nicht während der Vor- und Rückprojektion entsprechende Filter eingesetzt werden, kann es passieren, dass zwar Artefakte reduziert werden, gleichzeitig jedoch das Bildrauschen erhöht wird. Die rohdatenbasierte Methode arbeitet ausschließlich im Rohdatenraum und verwendet den Übergang in den Bildddatenraum nur zur schnelleren Lösung eines linearen Gleichungssystems. Der Vorgang der Rückprojektion soll hier als Funktion

Figure DE102013206525A1_0002
und die Vorwärtsprojektion als Funktion
Figure DE102013206525A1_0003
beschrieben werden. Die jeweils anzuwendenden Typen von Vor- und Rückprojektoren können dabei beliebig je nach Applikation gewählt werden. Als Beispiel für einen Rückprojektor sei die gewichtete gefilterte Rückprojektion (WFBP), sowie als Vorwärtsprojektor der Joseph-Projektor erwähnt.In raw-data-based iterative reconstruction, a correction of the reconstruction artefacts is achieved by multiple forward and backward projecting of the image and raw data, mostly using filtered rear-projectors and forward projectors. Occurring artefacts, apart from Strahlaufhärtungs- and scattered beam artifacts, are usually due to excessive Conebeamwinkel and the non-exact FBP (= filtered rear projection). Noise reduction is not performed here. On the contrary, if filters are not used during pre- and post-projection, artifacts may be reduced while at the same time the image noise is increased. The raw-data-based method works exclusively in the raw data space and uses the transition to the image data space only for a faster solution of a linear system of equations. The process of rear projection is intended here as a function
Figure DE102013206525A1_0002
and the forward projection as a function
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to be discribed. The applicable types of front and rear projectors can be chosen arbitrarily depending on the application. As an example of a rear projector, the weighted filtered rear projection (WFBP), as well as mentioned as forward projector of the Joseph projector.

Projektionsdaten werden mit P, rekonstruierte Bilddaten mit I bezeichnet. n bezeichnet den Iterationsschritt, N die maximale Anzahl der Iterationsschritte, begonnen bei 0 für das initiale Volumen I0, γ die Beimischung des Korrekturterms aus dem aktuellen Iterationsschrittes zum aktuell rekonstruierten Volumen. Ob hier der Korrekturterm aufaddiert oder subtrahiert wird, hängt dabei von der Konstellation der Gleichung ab. Das negative Vorzeichen soll hier nur deutlich machen, dass Artefakte ”wegsubtrahiert” werden.Projection data are denoted by P, and reconstructed image data by I. n denotes the iteration step, N the maximum number of iteration steps, started at 0 for the initial volume I 0 , γ the admixing of the correction term from the current iteration step to the currently reconstructed volume. Whether the correction term is added up or subtracted here depends on the constellation of the equation. The negative sign here only makes it clear that artifacts are "subtracted away".

Die Gleichungen (1) und (2) beschreiben die rohdatenbasierte iterative Rekonstruktion:

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Equations (1) and (2) describe the raw-data-based iterative reconstruction:
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Eventuelle Zwischenschritte sind hier aus Gründen der besseren Lesbarkeit ausgelassen worden, jedoch sind Filterschritte vorgesehen, um numerische Instabilitäten auszugleichen.Any intermediate steps have been omitted here for reasons of better readability, however, filter steps are provided to compensate for numerical instabilities.

Die Gleichung (3) soll die zusätzlichen optionalen Filterschritte verdeutlichen, wobei die Filter durchgehend mit A bis F bezeichnet werden. Die jeweilige Implementierung ist dabei anwendungsspezifisch. Equation (3) is intended to illustrate the additional optional filtering steps, the filters being designated A through F throughout. The respective implementation is application-specific.

Figure DE102013206525A1_0005
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In allen weiteren Gleichungen werden die möglichen, optionalen Filterschritte nicht gesondert angegeben. Die Gleichung (3) dient hier nur zu Darstellung der vollständigen Gleichung.In all other equations, the possible, optional filter steps are not specified separately. The equation (3) is used here only to represent the complete equation.

In der bilddatenbasierten iterativen Rekonstruktion wird eine Rauschreduktion durch mehrfaches beziehungsweise iteratives Anwenden eines bildbasierten adaptiven Filters, zum Beispiel eines Diffusionsfilters oder eines bilateralen Filters, erreicht. Dabei können entweder Daten direkt aus der gefilterten Rückprojektion I0 oder aus einem Ergebnis der rohdatenbasierten iterativen Rekonstruktion I1...N verwendet werden.In the image data-based iterative reconstruction, noise reduction is achieved by multiple or iterative application of an image-based adaptive filter, for example a diffusion filter or a bilateral filter. In this case, either data directly from the filtered backprojection I 0 or from a result of the raw-data-based iterative reconstruction I 1... N can be used.

Ein Grundproblem ist hierbei jedoch, dass die gewohnte Bildtextur nicht erhalten bleibt und hohe Frequenzen im Bildraum durch mehrfache Faltung, also durch eine Tiefpassfilterung, zerstört werden. Dies erweckt den Eindruck einer blockigen unnatürlichen Rauschmusterstruktur.A basic problem here, however, is that the usual image texture is not preserved and high frequencies in the image space are destroyed by multiple convolution, ie by low-pass filtering. This gives the impression of a blocky unnatural noise pattern structure.

Ein weiteres Problem rührt daher, dass nur eine endliche Auflösung während der Rekonstruktion, typischerweise eine 512×512 Bildmatrix mit einem Field of View von 500 mm, verwendet wird. Die Frequenzen, die jedoch im Bildempfängersystem und somit in den Projektionen vorhanden sind, werden bei dem Vorgang der Rückprojektion aufgrund der geringen Bildmatrix beziehungsweise Ortsauflösung im Bild nicht ins Bild übertragen. Dies hat zur Folge, dass auf Bilddaten gearbeitet wird, deren Rauschleistungsspektrum bereits eine Tiefpassfilterung erfahren hat, auf der der nachträglich iterative Bildverarbeitungsalgorithmus nicht mehr optimal funktionieren kann und gegebenenfalls pro Iteration eine weitere Verschlechterung des Rauschleistungsspektrums bewirkt wird.Another problem stems from the fact that only a finite resolution during reconstruction, typically a 512x512 image matrix with a field of view of 500 mm, is used. However, the frequencies which are present in the image receiver system and thus in the projections are not transmitted to the image in the process of rear projection due to the low image matrix or spatial resolution in the image. This has the consequence that working on image data whose noise power spectrum has already undergone a low-pass filtering on which the subsequently iterative image processing algorithm can no longer function optimally and optionally per iteration further deterioration of the noise power spectrum is effected.

Ein Problem ist dabei auch, dass Kanten im Bild durch die Iteration verschwinden. Derzeitige Algorithmen verschlechtern die Kanteninformation auch dadurch, dass der adaptive Mittelwertfilter zur Rauschunterdrückung nur durch die Höhe des Rauschens parametriert wird, jedoch keine Kanteninformation berücksichtigt und dabei Kanten verschleift. Verschliffene Kanten werden dann durch einen Zusatzterm wiederhergestellt, wobei die Kanten nur dann wiederhergestellt werden können, wenn diese auch vorher erkannt werden konnten. Da die bildbasierte iterative Rekonstruktion eine Vielzahl verschiedener Verarbeitungsschritte hat, soll hier nur ein exemplarisches Beispiel einer solchen bildbasierten iterativen Rekonstruktion formelmäßig dargestellt werden.Another problem is that edges in the image disappear through the iteration. Current algorithms also degrade the edge information by parameterizing the adaptive average filter for noise suppression only by the amount of noise, but taking no account of edge information and thereby spoiling edges. Ground edges are then restored by an additional term, and the edges can only be restored if they could be detected beforehand. Since the image-based iterative reconstruction has a multitude of different processing steps, only an exemplary example of such an image-based iterative reconstruction will be presented in a formula.

In bezeichnet hierbei das Resultat einer bildbasierten iterativen Rekonstruktion. Als Eingabe dient ein Resultat der gefilterten Rückprojektion oder ein Ergebnis eines Iterationsschrittes aus der rohdatenbasierten iterativen Rekonstruktion. Auch hier gilt analog zur rohdatenbasierten iterativen Rekonstruktion, dass n den Iterationsschritt angibt, wobei n = 0...N ist, jedoch muss die Anzahl der Iterationsschritte N der bildbasierten iterativen Rekonstruktion nicht mit der der rohdatenbasierten iterativen Rekonstruktion übereinstimmen.

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gibt einen adaptiven Glättungsfilter an, der über eine pixelweise Rauschinformation
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gesteuert wird, sowie
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die Kanteninformation. α, β und γ stellen die Möglichkeit dar, zu steuern, welche Beiträge von den Einzelkomponenten zum Gesamtresultat In zusammenfließen.I n denotes the result of an image-based iterative reconstruction. The input is a result of the filtered back projection or a result of an iteration step from the raw data-based iterative reconstruction. Again, analogous to raw-data-based iterative reconstruction, n specifies the iteration step, where n = 0 ... N, but the number of iterative steps N of the image-based iterative reconstruction need not match that of the raw-data-based iterative reconstruction.
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indicates an adaptive smoothing filter that has pixel-wise noise information
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is controlled, as well
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the edge information. α, β and γ represent the possibility of controlling which contributions from the individual components converge to the overall result I n .

Figure DE102013206525A1_0009
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Erfindungsgemäß wird nun eine rohdaten- und eine bildbasierte iterative Rekonstruktion kombiniert. Hierbei wird zunächst analog zur konventionellen rohdatenbasierten iterativen Rekonstruktion sowie zur bilddatenbasierten iterativen Rekonstruktion eine initiale gefilterte Rückprojektion – vorzugsweise mit einem scharfen Kern, um die hohen Frequenzen zu erhalten – durchgeführt. Damit alle Frequenzen auch tatsächlich in den Bildraum übertragen werden, sollte die Matrixgröße mindestens 512×512 betragen, besser ist jedoch eine höhere Matrixgröße von 1024×1024, um die Ortsauflösung der Projektion zu übertragen. Optimal ist eine Matrixgröße mit der gleichen maximalen Ortsfrequenz, wie das Bilderzeugersystem beziehungsweise die Projektion. Da das Field Of View jedoch einen zusätzlichen Einfluss auf die im Bild verfügbaren Ortsfrequenzen besitzt, ist es sinnvoll, eine variable Matrixgröße bereitzustellen, die sich auf die jeweiligen Gegebenheiten der Rekonstruktion selbst einstellt.According to the invention, a raw data and an image-based iterative reconstruction are combined. Here, analogous to the conventional raw-data-based iterative reconstruction and for image-data-based iterative reconstruction, an initial filtered backprojection-preferably with a sharp core to obtain the high frequencies-is first performed. In order for all frequencies to actually be transmitted to the image space, the matrix size should be at least 512 × 512, but better is a higher matrix size of 1024 × 1024 in order to transmit the spatial resolution of the projection. Optimal is a matrix size with the same maximum spatial frequency as the image generator system or the projection. However, since the field of view has an additional influence on the spatial frequencies available in the image, it makes sense to provide a variable matrix size that adapts itself to the particular conditions of the reconstruction itself.

Man erhält dadurch ein initiales Volumen I0, wie aus der konventionellen Rekonstruktion bereits bekannt ist. Mit diesem Volumen als Basis kann eine Kantendetektion

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sowie eine Rauschschätzung
Figure DE102013206525A1_0011
erfolgen. Anschließend muss eine Vorwärtsprojektion des Volumens I0 erfolgen, um mittels Gleichung (5) artefaktreduzierte Projektionsdaten Pn zu erzeugen. Siehe hierzu auch Gleichung (2), jedoch wird hier noch eine zusätzlich Vorwärtsprojektion angewandt.This gives an initial volume I 0 , as already known from the conventional reconstruction. With this volume as a basis can be an edge detection
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as well as a noise estimate
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respectively. Subsequently, a forward projection of the volume I 0 must be made in order to generate artifact-reduced projection data P n by means of equation (5). See also Equation (2), but here an additional forward projection is used.

Figure DE102013206525A1_0012
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Des Weiteren muss eine Vorwärtsprojektion der Rausch- sowie der Kanteninformation erfolgen. Man erhält dann gemäß den Gleichungen (6) und (7) eine Projektion der Rauschinformation PN sowie eine Projektion der Kanteninformation PE:

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Furthermore, a forward projection of the noise and the edge information must take place. Then, according to equations (6) and (7), a projection of the noise information P N and a projection of the edge information P E are obtained :
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Anschließend wird eine adaptive Filterung/Glättung

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auf Pn durchgeführt, die als Adaptionsgrundlage für die Parametrierung des Filters die aus der Rekonstruktion In ermittelte Kanten P E / n und Rauschinformation P N / n verwendet wird. Es ist vorteilhaft die Rausch- und Kantenschätzung mit jeder Iteration neu zu berechnen, da durch die rohdatenbasierte iterative Rekonstruktion eventuelle Artefakte bereits reduziert wurden, die diese beiden Operationen verbessern können. Die neue intermediäre Projektion P'n wird dann gemäß der nachfolgenden Gleichung (8) so berechnet, dass der adaptive Filter unter zu Hilfenahme der Rausch- und Kanteninformation entsprechend der Rauschamplitude mehr oder weniger stark filtert. α, β und γ können hier als freie Parameter angesehen werden, die analog zu Gleichung (4) eine Möglichkeit bieten, die Beiträge der einzelnen Teilergebnisse einzustellen. α gibt den Beitrag der originalen Projektion, β den Beitrag der geglätteten Projektion, γ den Beitrag einer zusätzlichen Kanteninformation an. Damit ist es möglich mit γ Kanten zu verstärken oder abzuschwächen und mit β zusätzlich den Grad der Glättung beizumischen.Subsequently, an adaptive filtering / smoothing
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performed on P n , which as an adaptation basis for the parameterization of the filter, the determined from the reconstruction I n edges P E / n and noise information P N / n is used. It is advantageous to recalculate the noise and edge estimate with each iteration, since raw art-based iterative reconstruction has already reduced any artifacts that can improve these two operations. The new intermediate projection P ' n is then calculated according to the following equation (8) so that the adaptive filter more or less strongly filters with the aid of the noise and edge information corresponding to the noise amplitude. α, β and γ can be considered here as free parameters which, analogous to equation (4), offer a possibility of setting the contributions of the individual partial results. α indicates the contribution of the original projection, β the contribution of the smoothed projection, γ the contribution of additional edge information. This makes it possible to amplify or attenuate edges with γ and to additionally add the degree of smoothing with β.

Figure DE102013206525A1_0015
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Der adaptive Filter D soll dabei folgendermaßen funktionieren. Zunächst wird jeder Detektorkanal einzeln betrachtet. Für jeden Detektorkanal wird anhand der vorwärtsprojizierten Rauschinformation P N / n die Glättungsbreite des Filters für den jeweiligen Detektorkanal parametriert. Die Glättung wird dabei isotrop in alle Raumrichtungen (2D) durchgeführt, jedoch wird anhand der vorwärtsprojizierten Kanteninformation P E / n ermittelt, an welchen Stellen die Glättung gestoppt werden soll. Somit erfolgt eine zweidimensionale Glättung einer vollständigen Projektion ohne die Kanten zu verschleifen. Anschließend erfolgt, wie in der Gleichung (9) beschrieben, eine gefilterte Rückprojektion aller geglätteten Projektionen P'n, wobei hier entweder in einer größeren Matrix (1024×1024 oder größer) oder in der konventionellen Matrixgröße rückprojiziert werden kann.The adaptive filter D should work as follows. First, each detector channel is considered individually. For each detector channel, the forward projected noise information P N / n parameterizes the smoothing width of the filter for the respective detector channel. The smoothing is performed isotropically in all spatial directions (2D), however, based on the forward-projected edge information P E / n determines where the smoothing should be stopped. Thus, a two-dimensional smoothing of a complete projection without the edges to grind. Subsequently, as described in equation (9), a filtered backprojection of all smoothed projections P ' n takes place , whereby backprojection can be done either in a larger matrix (1024 × 1024 or larger) or in the conventional matrix size.

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Die Gleichung (9) kann nun iterativ n-mal angewendet werden, wobei pro Iterationsschritt die Parameter α, β und/oder γ verändert werden können. Alternativ oder ergänzend kann auch der adaptive Glättungsfilter

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angepasst werden. Für den Fall, dass nachträglich eine bildbasierte iterative Rekonstruktion erfolgen soll, kann diese direkt auf dem final rückprojizierten Bild angewendet werden, wobei analog die Verarbeitungsschritte aus der bekannten bildbasierten iterativen Rekonstruktion gemäß Gleichung (4) verwendet werden können.The equation (9) can now be applied iteratively n times, wherein the parameters α, β and / or γ can be changed per iteration step. Alternatively or additionally, the adaptive smoothing filter can also be used
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be adjusted. In the event that an image-based iterative reconstruction is to take place subsequently, this can be applied directly to the final backprojected image, whereby the processing steps from the known image-based iterative reconstruction according to equation (4) can be used analogously.

Dieses oben geschilderte erfindungsgemäße Verfahren stellt also eine Kombination aus rohdatenbasierter und bilddatenbasierter iterativer Rekonstruktion dar. Hierbei werden die beiden Komponenten der Rauschschätzung

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und Kantenschätzung
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nicht wie bisher auf die Bilddaten angewendet, sondern es werden zunächst durch eine initiale Rekonstruktion diese beiden Parameter ermittelt und anschließend durch eine Vorwärtsprojektion auf die Rohdaten beziehungsweise Projektionsdaten angewendet.This above-described method according to the invention thus represents a combination of raw-data-based and image-data-based iterative reconstruction. In this case, the two components of the noise estimate
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and edge estimation
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not as previously applied to the image data, but initially these two parameters are determined by an initial reconstruction and then applied by a forward projection on the raw data or projection data.

Ein Vorteil liegt darin, dass durch die Rückprojektion der geglätteten Daten und die intrinische Verschmierung ein natürlicherer Bildeindruck geliefert wird, als bei den bisherigen Verfahren der bildbasierten iterativen Rekonstruktion. Unter intrinsischer Verschmierung wird dabei die dem Rückprojektor aufgrund der vorgenommenen Interpolationen innewohnende Verschmierung verstanden.One advantage is that the backprojection of the smoothed data and the intrinsic smear provide a more natural image impression than previous methods of image-based iterative reconstruction. Intrinsic smearing is understood to mean the smear inherent to the rear projector due to the interpolations made.

Zudem arbeitet man im Rohdatenraum mit der höheren Systemauflösung und nicht wie in der bildbasierten iterativen Rekonstruktion in der niedrigeren Auflösung der rekonstruierten Bildmatrix und des zugehörigen Field Of Views. Etwaige Probleme, die eine Verschlechterung der Auflösung mit sich bringen, sind bei der Anwendung im Rohdatenraum nur dann vorhanden, wenn das Rauschen eine zu starke Glättung erfordern würde.In addition, in the raw data space one works with the higher system resolution and not in the lower resolution of the reconstructed image matrix and the image resolution iterative reconstruction associated Field Of Views. Any problems that cause resolution degradation will only be present in raw data space if the noise would require too much smoothing.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die bisher angewendeten und programmierten Standardrekonstruktionsverfahren weiterhin verwendet werden können, da die Datenglättung vor der Rückprojektion auf den Projektionsdaten durchgeführt wird. Weiterhin können Modell- und Systemparameter während der Rekonstruktion einfließen und somit das Verhalten der Rekonstruktion steuern.A further advantage of the method according to the invention is that the previously used and programmed standard reconstruction methods can continue to be used since the data smoothing is performed before the back projection on the projection data. Furthermore, model and system parameters can be incorporated during the reconstruction and thus control the behavior of the reconstruction.

Bei der bildbasierten iterativen Rekonstruktion können nachträglich keine Systemparameter, wie z. B. endliche Fokus- oder Detektorgröße, mehr modelliert werden, diese würden im bekannten Stand der Technik nur in der rohdatenbasierten iterativen Rekonstruktion durchgeführt werden können. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind diese Vorteile kombiniert.In the image-based iterative reconstruction subsequently no system parameters such. B. finite focus or detector size, more models, these would be able to be performed in the prior art only in the raw data-based iterative reconstruction. With the method according to the invention these advantages are combined.

Weiterhin kann es problematisch sein, dass bei der bildbasierten iterativen Rekonstruktion eine dreidimensionale Filterung bei zu starker Ausdehnung des Filters in axialer Richtung eine automatische Schichtdickenverbreiterung erzeugt, die sich negativ auf den Bildeindruck auswirken kann.Furthermore, it can be problematic that in the case of image-based iterative reconstruction, a three-dimensional filtering with an excessive expansion of the filter in the axial direction generates an automatic layer thickness broadening, which can have a negative effect on the image impression.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass zusätzliche Algorithmen, wie Metallartefaktkorrektur, Strahlaufhärtungskorrektur, leicht in die iterative Schleife eingefügt werden können. Im Falle von bildverarbeitenden oder rohdatenverarbeitenden Algorithmen, können diese in dem erfindungsgemäßen Verfahren zusammengeführt und zeitgleich beziehungsweise konsekutiv abgearbeitet werden. Dies bringt einen enormen Zeitvorteil mit sich.Another advantage of the method of the invention is that additional algorithms, such as metal artifact correction, beam hardening correction, can be easily inserted into the iterative loop. In the case of image processing or raw data processing algorithms, these can be combined in the inventive method and processed simultaneously or consecutively. This brings a huge time advantage.

Ein nicht unwesentlicher Kern der Erfindung liegt also darin, dass nun, nicht wie bisher, immer nur in der einen oder anderen Domäne, also an den Rohdaten oder Bilddaten, die Verarbeitung durchführt wird, sondern übergreifend die Rohdatenverarbeitung und die Bilddatenverarbeitung verknüpft werden. So wird erfindungsgemäß die Rauschabschätzung auf den Bilddaten gemacht, aber die Rauschreduktion erfolgt auf den Rohdaten, zusätzlich basierend auf Informationen (Kantendetektion) aus den Bilddaten. Hierdurch können ungünstige Effekte der bildbasierten Verarbeitung, wie blockige Strukturen oder Kantenverschmierungen, vermieden werden.A not insignificant core of the invention thus lies in the fact that now, not as previously, only in one or the other domain, ie on the raw data or image data, the processing is performed, but the raw data processing and image data processing are interlinked. Thus, according to the invention, the noise estimation is made on the image data, but the noise reduction is performed on the raw data, additionally based on information (edge detection) from the image data. As a result, unfavorable effects of image-based processing, such as blocky structures or Kantenverschmierungen be avoided.

Entsprechend diesen Ausführungen schlagen die Erfinder ein Verfahren zur Erzeugung einer tomographischen Darstellung eines Untersuchungsvolumens in einem Untersuchungsobjektes vor, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

  • – Aufnehmen oder Empfangen mindestens eines initialen Sinogramms aus Projektionen aus einer Vielzahl von Projektionsrichtungen,
  • – Rekonstruktion einer ersten tomographischen Darstellung des Untersuchungsvolumens aus mindestens einem initialen Sinogramm,
  • – Detektion von Kanten in der ersten tomographischen Darstellung,
  • – Rückverfolgung und Markierung von Kantensinogrammdaten in dem mindestens einen initialen Sinogramm, welche aus der Projektion eines vorgegebenen Bereiches um die Kanten stammen,
  • – Rauschreduktion des mindestens einen Sinogramms, wobei die Kantensinogrammdaten eine geringere bis keine Rauschreduktion erfahren als die Nicht-Kantensinogrammdaten,
  • – Rekonstruktion einer zumindest vorläufig endgültigen tomographischen Darstellung aus dem so rauschreduzierten mindestens einen initialen Sinogramm.
According to these explanations, the inventors propose a method for generating a tomographic representation of an examination volume in an examination subject, which comprises the following method steps:
  • Picking up or receiving at least one initial sinogram from projections from a plurality of projection directions,
  • Reconstruction of a first tomographic representation of the examination volume from at least one initial sinogram,
  • Detection of edges in the first tomographic representation,
  • Tracing and marking of edge sinogram data in the at least one initial sinogram resulting from the projection of a predetermined area around the edges,
  • Noise reduction of the at least one sinogram, the edge sinogram data having less to no noise reduction than the non-edge sinogram data,
  • Reconstruction of an at least provisionally final tomographic representation from the noise-reduced at least one initial sinogram.

Damit werden also in den tomographischen Bilddaten Kanten detektiert und übergreifend hieraus, zum Beispiel durch eine geometrische Betrachtung, die Sinogrammdaten bestimmt, welche diese Kanten beziehungsweise deren unmittelbare Umgebung repräsentieren, und aufgrund dieser Kenntnis Kanten betreffende Sinogrammdaten (Kantensinogrammdaten) weniger bis nicht rauschgemindert, während die anderen, keine Kanten oder deren Umgebung betreffenden Sinogrammdaten (Nicht-Kantensinogrammdaten) eine Rauschreduktion erfahren beziehungsweise stärker rauschreduziert werden. Gleichzeitig kann auch bei der Rauschreduktion domänenübergreifend verfahren werden, indem die Rauschstärke in der tomographischen Darstellung pixelweise geschätzt wird und die Rauschreduktion an den pixelentsprechenden Stellen im Sinogramm ausgeführt wird.Thus, in the tomographic image data, edges are detected and intersected therefrom, for example by a geometric observation, which determines sinogram data representing these edges or their immediate surroundings, and because of this knowledge edge-related sinogram data (edge sinogram data) less to not noise-reduced, while the other sinogram data (non-edge sinogram data), which have no edges or their surroundings, undergo a noise reduction or are more noise-reduced. At the same time, it is also possible to proceed across domains in the noise reduction by estimating the noise intensity in the tomographic representation on a pixel-by-pixel basis and executing the noise reduction at the pixel-corresponding points in the sinogram.

Vorteilhaft ist es, das Verfahren dabei so auszugestalten, dass:

  • – eine nur die Kanten enthaltende tomographische Kantendarstellung erzeugt und die Kantendarstellung auf ein Kantensinogramm vorwärtsprojiziert wird,
  • – eine nur Rauschinformation enthaltende tomographische Rauschdarstellung erzeugt und die Rauschdarstellung auf ein Rauschsinogramm vorwärtsprojiziert wird, und
  • – die Rauschreduktion des initialen Sinogramms unter Verwendung des Rauschsinogramms und des Kantensinogramms ausgeführt wird.
It is advantageous to design the method in such a way that:
  • Generates a tomographic edge representation containing only the edges and the edge representation is projected forward onto an edge sinogram,
  • Generating a tomographic noise representation containing only noise information and projecting the noise representation forward to a noise ingram, and
  • The noise reduction of the initial sinogram is carried out using the squared ingram and the squared ingram.

Weiterhin kann das Verfahren bezüglich der Kantendetektion, der Rauschreduktion und der Rekonstruktion der zumindest vorläufig endgültigen tomographischen Darstellung auf dem rauschreduzierten mindestens einen initialen Sinogramm iterativ mehrfach ausgeführt werden.Furthermore, the method with respect to the edge detection, the noise reduction and the reconstruction of the at least provisionally final tomographic representation on the noise-reduced at least one initial sinogram can be performed iteratively multiple times.

Dabei kann in einer einfachsten Variante als Abbruchkriterium für die Iteration die Anzahl der Iterationen verwendet werden. Alternativ kann die Iteration auch nach Erreichen einer vorgegebenen berechneten Bildqualität oder eines subjektiven Bildeindrucks bei der vorläufig endgültigen tomographischen Darstellung abgeschlossen werden. Möglich ist es allerdings auch, dass die Iteration dann abgebrochen wird, wenn sich vorgegebene Bildqualitätskriterien von Iteration zu Iteration nicht mehr verbessern beziehungsweise die Verbesserung einen vorgegebenen Wert unterschreitet.In this case, in a simplest variant, the number of iterations can be used as the termination criterion for the iteration. Alternatively, the iteration can be completed even after reaching a predetermined calculated image quality or a subjective image impression in the provisionally final tomographic display. However, it is also possible that the iteration is aborted if predetermined image quality criteria no longer improve from iteration to iteration or the improvement falls below a predetermined value.

Zum Rahmen der Erfindung zählt allerdings auch, dass im Anschluss an das zuvor geschilderte Verfahren eine abschließende Bildbearbeitung auf der vorläufig endgültigen tomographischen Darstellung erfolgen kann. Auch hierbei können Informationen aus der zuvor ermittelten Kantendarstellung zur Vermeidung einer Kantenverschmierung herangezogen werden. Erfindungsgemäß kann eine solche abschließende Bildbearbeitung ebenfalls als in sich iterativ arbeitendes Verfahren ausgebildet sein.However, it is also part of the scope of the invention for a final image processing to be carried out on the preliminary final tomographic display following the previously described method. Here, too, information from the previously determined edge display can be used to avoid edge smearing. According to the invention, such a final image processing can also be designed as a method operating in itself iteratively.

Als Rekonstruktionsverfahren kann grundsätzlich jedes beliebige Rekonstruktionsverfahren eingesetzt werden, jedoch ist es besonders vorteilhaft und effizient, wenn zur Rekonstruktion eine Filterung mit Rückprojektion und vorzugsweise zumindest einmalig eine gewichtete gefilterte Rückprojektion (WFBP) verwendet wird.In principle, any reconstruction method can be used as the reconstruction method, but it is particularly advantageous and efficient if back-projection filtering and preferably at least once a weighted filtered back-projection (WFBP) is used for the reconstruction.

Weiterhin ist es vorteilhaft, bei der Rekonstruktion ein kantenverstärkendes Filter zu verwenden, da die nachfolgende Kantendetektion dadurch erleichtert wird. Die Kantendetektion in der tomographischen Darstellung kann dabei entweder schichtweise in Form einer zweidimensionalen Kantendetektion oder als dreidimensionale Kantendetektion über die tomographische 3D-Darstellung erfolgen. Dabei kann zur Kantendetektion einer der nachfolgenden Operatoren verwendet werden: Sobel-Operator, Kirsch-Operator, Laplace-Operator.Furthermore, it is advantageous to use in the reconstruction of an edge-enhancing filter, since the subsequent edge detection is facilitated. The edge detection in the tomographic display can take place either layer by layer in the form of a two-dimensional edge detection or as three-dimensional edge detection via the tomographic 3D representation. One of the following operators can be used for edge detection: Sobel operator, Kirsch operator, Laplace operator.

Weiterhin kann besonders günstig zur Vorwärtsprojektion ein Joseph-Vorwärtsprojektor, zur Rauschreduktion ein bilaterales Filter oder ein anisotropes Diffusionsfilter verwendet werden.Furthermore, a Joseph forward projector can be used particularly advantageously for forward projection, a bilateral filter or an anisotropic diffusion filter for noise reduction.

Außerdem wird auch vorgeschlagen, im Anschluss an die Rauschreduktion im Sinogramm das Kantensinogramm gewichtet auf dieses rauschreduzierte Sinogramm aufzuaddieren, um die Kanteninformation hervorzuheben beziehungsweise zu verstärken.In addition, it is also proposed, following the noise reduction in the sinogram, to add the edge sinogram weighted to this noise reduced sinogram in order to emphasize or enhance the edge information.

Weiterhin sollte für die tomographische Darstellung eine Ortsauflösung verwendet werden, die gleich oder größer ist wie die Ortsauflösung der Projektionen beziehungsweise der daraus entstandenen Sinogramme.Furthermore, a spatial resolution should be used for the tomographic representation, which is equal to or greater than the spatial resolution of the projections or the resulting sinograms.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren schlagen die Erfinder auch einen Computer mit einem Speicher für Programmcode vor, der im Betrieb ausgeführt wird, wobei im Speicher ein Programmcode vorliegt, welcher das oben beschriebene Verfahren realisiert.In addition to the method according to the invention, the inventors also propose a computer with a memory for program code, which is executed during operation, wherein the memory is a program code, which realizes the method described above.

Ebenso wird auch ein CT-System mit einem Computer mit einem Speicher für Programmcode, der im Betrieb ausgeführt wird, vorgeschlagen, wobei im Speicher ein Programmcode vorliegt, welcher das erfindungsgemäße Verfahren ausführt.Likewise, a CT system with a computer with a memory for program code, which is executed during operation, is proposed, wherein the memory is a program code, which executes the inventive method.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet: E: Kantendarstellung; I0: erste tomographische Darstellung; Ii: i-te tomographische Darstellung; N: Rauschdarstellung; P0: Projektionen; Pi: rauschreduzierte Projektionen; PE: Kantenprojektionen; PN: Rauschprojektionen; S1–S11: Verfahrensschritte; Prg1–Prgn: Computerprogramme; 1: CT-System; 2: erster Röntgenstrahler; 3: erster Detektor; 4: zweiter Röntgenstrahler; 5: zweiter Detektor; 6: Gantrygehäuse; 7: Patient; 8: Patientenliege; 9: Systemachse; 10: Steuer- und Recheneinheit.In the following the invention with reference to the preferred embodiments with reference to the figures will be described in more detail, with only the features necessary for understanding the invention features are shown. The following reference symbols are used: E: edge representation; I 0 : first tomographic representation; I i : i tomographic representation; N: noise representation; P 0 : projections; P i : Noise-reduced projections; P E : edge projections; P N : noise projections; S1-S11: process steps; Prg 1 prg n : computer programs; 1 : CT system; 2 : first X-ray source; 3 : first detector; 4 : second X-ray source; 5 : second detector; 6 : Gantry housing; 7 : Patient; 8th : Patient couch; 9 : System axis; 10 : Control and computing unit.

Es zeigen im Einzelnen:They show in detail:

1: Übersichtsdarstellung des Verfahrensablaufes der Erfindung; 1 : Overview of the process sequence of the invention;

2: Detaillierte Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer iterativen Variante; 2 : Detailed representation of the method according to the invention in an iterative variant;

3: CT-System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 3 : CT system for carrying out the method according to the invention.

Die 1 zeigt zunächst das erfindungsgemäße Verfahren in einer groben Übersicht. Demgemäß werden im ersten Verfahrensschritt zunächst die Projektionen Po beziehungsweise das mindestens eine Sinogramm aus einem vorliegenden Datenpool empfangen oder durch Abtastung eines Untersuchungsobjektes mit einem CT-System erzeugt.The 1 first shows the inventive method in a rough overview. Accordingly, in the first method step, first the projections Po or the at least one sinogram are received from a present data pool or generated by scanning an examination object with a CT system.

Im Rekonstruktionsschritt wird eine initiale tomographische Darstellung I0 rekonstruiert, die darauf in zwei separaten Vorgängen verarbeitet wird. Diese Vorgänge können parallel oder seriell ausgeführt werden, wesentlich ist dabei, dass für das weitere Verfahren die daraus gewonnenen Informationen parallel zur Verfügung stehen. Hierbei erfolgt eine Kantenschätzung mit der Berechnung einer tomographischen Kantendarstellung E und eine Rauschschätzung mit der Berechnung einer Rauschdarstellung N, jeweils im gleichen Bildraum der initialen tomographischen Darstellung.In the reconstruction step, an initial tomographic representation I 0 is reconstructed, which is then processed in two separate processes. These processes can be carried out in parallel or serially, it is essential that the information obtained from this is available in parallel for the further process. In this case, an edge estimation is carried out with the calculation of a tomographic edge representation E and a noise estimation with the calculation of a noise representation N, in each case in the same image space of the initial tomographic representation.

Durch eine übergreifende Verknüpfung der Informationen aus der Kantendarstellung E und der Rauschdarstellung N wird dann eine Rauschreduktion auf den initialen Projektionsdaten P0 beziehungsweise dem daraus entstandenen Sinogramm durchgeführt, wobei die Sinogrammdaten, die mit Kanten korreliert sind, weniger rauschreduziert werden, als die Sinogrammdaten, die nicht mit Kanten in Korrelation stehen, so dass kantenschonend rauschreduzierte Projektionsdaten Pi beziehungsweise ein daraus gebildetes Sinogramm entsteht.By cross-linking the information from the edge representation E and the noise representation N, a noise reduction on the initial projection data P 0 or the resulting sinogram is then performed, the sinogram data correlated with edges being less noise-reduced than the sinogram data are not correlated with edges, so that edgewise noise-reduced projection data P i or a sinogram formed therefrom arises.

Mit den so behandelten Projektionsdaten wird darauf im vorläufig letzten Schritt eine vorläufig endgültige tomographische Darstellung Ii rekonstruiert, wobei aufgrund der Vorbehandlung der Projektionsdaten auf der Basis der im Bildraum gewonnenen Kenntnisse bezüglich der vorliegenden Kantenpositionierung eine Rauschreduktion erreicht werden konnte, ohne gleichzeitig die Kantendarstellung zu verschlechtern.With the projection data treated in this way, a preliminary final tomographic representation I i is reconstructed in the provisionally last step, whereby due to the pretreatment of the projection data on the basis of the knowledge gained in the image space with regard to the present edge positioning, a noise reduction could be achieved without simultaneously impairing the edge presentation ,

Optional kann zusätzlich die so erhaltene Darstellung noch mit an sich bekannten Bildbearbeitungsmethoden verbessert werden.Optionally, in addition, the representation thus obtained can be improved with image processing methods known per se.

Eine verbesserte und detailliertere Darstellung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens wird in der 2 gezeigt.An improved and more detailed illustration of this method according to the invention is described in the 2 shown.

Dort beginnt das Verfahren mit dem Schritt S1, wo zunächst die Rohdaten in Form von Projektionsdaten P0 gesammelt und im Schritt S2 in konventioneller Weise, z. B. mittels einer gefilterten FBP oder WFBP, rekonstruiert werden. Hierbei entsteht als initiale tomographische Darstellung ein rekonstruierter Volumenstapel I0, bestehend aus n Schichten.There, the method begins with step S1, where first the raw data collected in the form of projection data P 0 and in step S2 in a conventional manner, for. B. by means of a filtered FBP or WFBP, be reconstructed. This results in an initial tomographic representation of a reconstructed volume stack I 0 , consisting of n layers.

Der hier zu verwendende Rekonstruktionskern sollte dabei so gewählt sein, dass die nachfolgenden Schritte zur Kantendetektion und Rauschschätzung optimal auszuführen sind. Der Rekonstruktionskern sollte dabei so gewählt sein, dass Kanten erhalten bleiben, das Rauschen aber nicht zu stark ausgeprägt ist. Im Allgemeinen ist es aber sinnvoll, dass der Fokus auf den Erhalt der Kanten gelegt werden soll, da die nachfolgenden Schritte das Rauschen ohnehin reduzieren. Zudem können auch Algorithmen angewendet werden, die die Kanten verstärken.The reconstruction kernel to be used here should be chosen so that the subsequent steps for edge detection and noise estimation are optimally executed. The reconstruction kernel should be chosen so that edges are preserved, but the noise is not too pronounced. In general, however, it makes sense to focus on preserving the edges, as the subsequent steps reduce the noise anyway. In addition, algorithms can be used that reinforce the edges.

Die Kantenschätzung und Rauschschätzung kann parallel erfolgen.The edge estimation and noise estimation can be done in parallel.

Im Schritt S3 wird auf der ersten tomographischen Darstellung I0 entweder in 2D, also schichtweise, oder in 3D eine Kantendetektion durchgeführt. Dies kann mittels konventioneller Kantendetektionsmethoden, z. B. mit einem Sobel-, Kirsch- oder Laplace-Operator oder komplexerer in der Literatur dokumentierter Methoden erfolgen. Das Resultat dieser Operation ist eine Kantendarstellung E in gleicher Dimension wie I0.In step S3, an edge detection is performed on the first tomographic display I 0 either in 2D, that is, in layers, or in 3D. This can be done by conventional edge detection methods, eg. B. with a Sobel, Kirsch or Laplace operator or more complex documented in the literature methods. The result of this operation is an edge representation E in the same dimension as I 0 .

Die Rauschschätzung im Schritt S4 basiert auf der Auswertung des Rauschens pixelweise über die gesamte Darstellung I0. Hierbei wird in einer Umgebung um das jeweilige Pixel eine statistische Auswertung über das Rauschen durchgeführt. Dabei entsteht ein Rauschdarstellung N mit gleicher Dimension wie die erste tomographische Darstellung I0. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, dass das Rauschen in einer Umgebung in zwei oder drei Raumrichtungen analysiert wird. Die Größe der Umgebung sollte dabei so gewählt werden, dass nur homogene Bereiche in die Berechnung des Rauschens mit einbezogen werden. Dabei kann die Umgebung so klein gewählt werden, dass nur selten nicht homogene Bereiche gefunden werden, und das Problem fehlerhafter Rauschpixel vernachlässigbar ist. The noise estimation in step S4 is based on the evaluation of the noise pixel by pixel over the entire representation I 0 . In this case, a statistical evaluation of the noise is performed in an environment around the respective pixel. This produces a noise representation N with the same dimension as the first tomographic representation I 0 . This can be z. This can be done, for example, by analyzing the noise in an environment in two or three spatial directions. The size of the environment should be chosen so that only homogeneous areas are included in the calculation of the noise. In this case, the environment can be chosen so small that only rarely homogeneous areas are found, and the problem of defective noise is negligible.

Somit entstehen nach der Rekonstruktion der initialen tomographischen Darstellung I0 zwei Möglichkeiten:

  • a) Es werden parallel die Kantendetektion und die Rauschschätzung durchgeführt. Nachteilig ist, dass die Rauschschätzung keine Information über die Struktur des Datensatzes hat und daher das Rauschen unter Umständen nicht optimal abschätzt. Der Vorteil liegt darin, dass die Performance steigt, da eine parallele Verarbeitung möglich ist.
  • a) Es werden die Schritte Kantendetektion und Rauschschätzung nacheinander durchgeführt. Dabei ist es günstig, dass basierend auf der Kanteninformation homogene Bereiche leichter identifiziert werden können und sich die Rauschabschätzung verbessert. Der Nachteil liegt in einer schlechteren Performance, da auf die Kantenschätzung gewartet werden muss.
Thus, after the reconstruction of the initial tomographic display I 0 two possibilities arise:
  • a) Edge detection and noise estimation are performed in parallel. The disadvantage is that the noise estimate has no information about the structure of the data set and therefore may not optimally estimate the noise. The advantage is that the performance increases because parallel processing is possible.
  • a) The steps edge detection and noise estimation are performed successively. It is favorable here that, based on the edge information, homogeneous regions can be identified more easily and the noise estimation improved. The disadvantage lies in a poorer performance, since one has to wait for the edge estimate.

Anschließend erfolgt in den Schritten S5 und S6 eine Vorwärtsprojektion der tomographischen Kantendarstellung E und der tomographischen Rauschdarstellung N. Da die Entrauschung in der Rohdatendomäne, also auf dem Sinogramm, durchgeführt werden soll, müssen die beiden tomographischen Darstellungen N und E aus der Bilddatendomäne in die Rohdatendomäne transformiert werden. Dies geschieht über eine Vorwärtsprojektion, z. B. unter Verwendung eines Joseph-Vorwärtsprojektors. Daraus entstehen zwei Sinogramme: PN des vorwärtsprojizierten Volumens N und PE des vorwärtsprojizierten Volumen E.Subsequently, in steps S5 and S6, a forward projection of the tomographic edge representation E and the tomographic noise representation N is carried out. Since the denoudation in the raw data domain, ie on the sinogram, is to be carried out, the two tomographic representations N and E from the image data domain must be entered into the raw data domain be transformed. This is done via a forward projection, z. Using a Joseph forward projector. This results in two sinograms: P N of the forward projected volume N and P E of the forward projected volume E.

Im Schritt S7 erfolgt die Entrauschung der Projektion P0. Hierzu wird anhand der ermittelten Rausch- und Kanteninformation PN und PE eine Rauschfilterung der Projektion P0 ausgeführt. Im einfachsten Fall kann ein Gaussfilter zur Anwendung kommen, dessen Stärke über die Rauschinformation PN parametriert wird, wobei unter Berücksichtigung der Kanteninformation PE ein kantenerhaltender Filter, z. B. bilaterale Filter oder anisotrope Diffusionsfilter, verwendet wird. Hierbei stellt die Kanteninformation eine Stoppfunktion (Barriere) dar, über die die kantenerhaltende Filter nicht glätten dürfen. Es entsteht somit eine entrauschte Projektion Pi. Der Index i soll hierbei die aktuelle Iteration bezeichnen.In step S7, the de-noise of the projection P 0 takes place . For this purpose, a noise filtering of the projection P 0 is carried out on the basis of the determined noise and edge information P N and P E. In the simplest case, a Gaussian filter can be used whose strength is parameterized via the noise information P N , wherein, taking into account the edge information P E, an edge-preserving filter, eg. As bilateral filter or anisotropic diffusion filter is used. In this case, the edge information represents a stop function (barrier) over which the edge-preserving filters must not smoothen. This results in a noisy projection P i . The index i should denote the current iteration.

Anschließend kann optional die Kanteninformation PE nochmals zur Verstärkung der Kanten auf Pi gewichtet addiert werden. Pi = Pi + γ PE Subsequently, optionally, the edge information P E can be added to P i for weighting the edges. P i = P i + γ P e

Mit dem Schritt S8 erfolgt dann die finale Rückprojektion von Pi. Diese kann durch konventionelle Rückprojektionsmethoden, z. B. gefilterte Rückprojektion, erfolgen. Basierend darauf, ob die Iteration als abgeschlossen gilt, kann als Rekonstruktionskern der finale Kern verwendet werden. Es entsteht eine neue rauschreduzierte tomographische Darstellung Ii in Form eines Volumenstapels.The final rear-projection of P i then takes place with step S8. This can be achieved by conventional rear projection methods, eg. B. filtered rear projection done. Based on whether the iteration is considered complete, the final kernel can be used as the reconstruction kernel. The result is a new noise-reduced tomographic representation I i in the form of a volume stack.

Mit dem nächsten Schritt S9 wird entschieden, ob die Iteration beendet ist. Falls ja, folgt im Schritt S11 die Ausgabe der endgültigen tomographischen Darstellung. Falls nein, wird zu einer neuen initialen Rekonstruktion zurückgesprungen.The next step S9 determines whether the iteration has ended. If so, in step S11 the output of the final tomographic representation follows. If no, the system jumps back to a new initial reconstruction.

Ist die Iteration noch nicht beendet, können andere Kerne verwendet werden, die wie in Schritt 1 beschrieben, die Kanten- und Rauschinformation optimal ausprägen. Auch hier können entsprechend Nachverarbeitungsfilter verwendet werden, die die Kanteninformation erhalten oder andere Charakteristika der Bildinformation hervorheben.If the iteration has not ended yet, other cores can be used that optimally express the edge and noise information as described in step 1. Here, too, post-processing filters can be used which obtain the edge information or highlight other characteristics of the image information.

Ob eine Iteration beendet ist oder nicht, kann in einfachster Weise durch die Anzahl der Iterationen oder durch Bewertungskriterien der Bildqualität oder durch eine sich nicht mehr wesentlich verbessernde Bildqualität bestimmt werden. Eine Bewertung kann z. B. sein, dass das Rauschen des Originalbildes um einen definierten Faktor abgesenkt wurde. Bei einem empirischen Abbruch der Iteration wurde die Anzahl der Iterationen durch ausmessen an einem Kollektiv bestimmt.Whether an iteration has ended or not can be determined in the simplest way by the number of iterations or by evaluation criteria of the image quality or by an image quality that no longer improves significantly. A rating can z. Example, be that the noise of the original image has been lowered by a defined factor. In an empirical termination of the iteration, the number of iterations was determined by measuring on a collective.

Optional kann vor der Ausgabe der endgültigen tomographischen Darstellung Ii, diese noch den gestrichelt dargestellten Bildnachverarbeitungsschritt S10 durchlaufen. Hierbei können z. B. nachträgliche Algorithmen angewendet werden, die z. B. die Kanteninformation E aus der vorherigen Iteration oder aus der ersten Iteration gewichtet auf die Darstellung Ii addieren, um die Kanteninformation nachträglich zu verstärken. Zudem kann eine iterative bildbasierte Methode entsprechend dem Stand der Technik, z. B. IRIS (Iterativ Reconstruction in Image Space), auf den Volumenstapel angewendet werden, um auch hier eine nachträgliche Entrauschung durchzuführen. Auch hierbei ist es optional möglich, auf die im Schritt S3 ermittelten Kanteninformationen zurückzugreifen und im Bereich vorliegender Kanten die Glättung weniger stark zu gestalten als in Bereichen ohne Kanten. Optionally, prior to the output of the final tomographic image I i , it may still pass through the image post-processing step S 10 shown in dashed lines. This z. B. subsequent algorithms are applied, the z. For example, add the edge information E from the previous iteration or from the first iteration weighted to the representation I i to subsequently reinforce the edge information. In addition, an iterative image-based method according to the prior art, for. For example, IRIS (Iterative Reconstruction in Image Space) can be applied to the volume stack in order to carry out subsequent de-icing. Here, too, it is optionally possible to resort to the edge information determined in step S3 and to make the smoothing less pronounced in the region of existing edges than in regions without edges.

Das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise separat mit zuvor erzeugten Projektionsdaten auf einem separaten Computer oder auch unmittelbar in einem CT-System mit einem als Rechen- und Steuereinheit verwendeten Computer ausgeführt werden. Ein solches beispielhaftes CT-System 1 ist in der 3 schematisch dargestellt. Ein solches CT-System verfügt in der Regel über ein Gantrygehäuse 6, in der sich eine hier nicht näher dargestellte Gantry befindet, auf der mindestens ein Röntgenstrahler 2 mit einem gegenüberliegend angeordneten Detektor 3 befestigt sind. Während der Abtastung und zur Erzeugung von Projektionsdaten dreht sich der rotierende Teil der Gantry mit dem Strahler 2 und dem Detektor 3, während ein Patient 7 mit Hilfe einer verfahrbaren Patientenliege 8 entlang der Systemachse 9 kontinuierlich oder sequentiell durch das Messfeld im Gantrygehäuse 6 geschoben wird. Optional kann auch ein weiteres Strahler-Detektor-System 4, 5 winkelversetzt auf der Gantry angeordnet werden, welches es dann ermöglicht, gleichzeitig weitere Projektionen zu erfassen.The method according to the invention described above can be carried out, for example, separately with previously generated projection data on a separate computer or also directly in a CT system with a computer used as a computing and control unit. Such an exemplary CT system 1 is in the 3 shown schematically. Such a CT system usually has a gantry housing 6 , in which there is a gantry, not shown here, on the at least one X-ray source 2 with an oppositely arranged detector 3 are attached. During scanning and to generate projection data, the rotating part of the gantry rotates with the radiator 2 and the detector 3 while a patient 7 with the help of a movable patient bed 8th along the system axis 9 continuously or sequentially through the measuring field in the gantry housing 6 is pushed. Optionally, also another spotlight detector system 4 . 5 arranged angularly offset on the gantry, which then makes it possible to simultaneously capture further projections.

Gesteuert wird dieses CT-System 1 durch die Steuer- und Recheneinheit 10, die einen Speicher für entsprechende Computerprogramme Prg1–Prgn aufweist. Mit einem solchen Computer kann auch das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden, wobei entsprechender Programmcode im Speicher des Computers hinterlegt wird, der im Betrieb das erfindungsgemäße Verfahren ausführt.This CT system is controlled 1 through the control and computing unit 10 which has a memory for corresponding computer programs Prg 1 -Prg n . The method according to the invention can also be carried out with such a computer, wherein corresponding program code is stored in the memory of the computer, which executes the method according to the invention during operation.

Insgesamt wird als mit der Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung einer tomographischen Darstellung durch Rohdaten- und Bilddatenverarbeitung vorgeschlagen, bei dem übergreifend über Rohdaten- und Bilddaten Rausch- und Kanteninformationen aus Projektionsdaten und Bilddaten genutzt werden, um eine Rauschreduktion bei gleichzeitiger Kantenerhaltung in der erzeugten tomographischen Darstellung zu bewirken. Bei diesem Verfahren werden im Rahmen der Erfindung insbesondere die in dem Ansprüchen 1 bis 18 beschriebenen Verfahrensschritte, insbesondere in der dort dargestellten Kombination ausgeführt.Overall, the invention proposes a method for generating a tomographic representation by raw data and image data processing, in which noise and edge information from projection data and image data are used across raw data and image data in order to reduce noise while retaining edges in the generated tomographic representation to effect. In the context of the invention, in this process, in particular the method steps described in claims 1 to 18, in particular in the combination shown there, are carried out.

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.Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

Ee
Kantendarstellungedge representation
I0 I 0
erste tomographische Darstellungfirst tomographic representation
Ii I i
i-te tomographische Darstellungi-th tomographic representation
NN
Rauschdarstellungnoise representation
P0 P 0
Projektionenprojections
Pi P i
rauschreduzierte ProjektionenNoise-reduced projections
PE P E
KantenprojektionenEdge projections
PN P N
RauschprojektionenNoise projections
Prg1–Prgn Prg 1 prr n
Computerprogrammecomputer programs
S1–S11S1-S11
Verfahrensschrittesteps
11
CT-SystemCT system
22
erster Röntgenstrahlerfirst X-ray source
33
erster Detektorfirst detector
44
zweiter Röntgenstrahlersecond X-ray source
55
zweiter Detektorsecond detector
66
Gantrygehäusegantry
77
Patientpatient
88th
Patientenliegepatient support
99
Systemachsesystem axis
1010
Steuer- und RecheneinheitControl and computing unit

Claims (21)

Verfahren zur Erzeugung einer tomographischen Darstellung eines Untersuchungsvolumens in einem Untersuchungsobjektes, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte: 1.1. Aufnehmen oder Empfangen mindestens eines initialen Sinogramms (P0) aus Projektionen aus einer Vielzahl von Projektionsrichtungen, 1.2. Rekonstruktion einer ersten tomographischen Darstellung (I0) des Untersuchungsvolumens aus mindestens einem initialen Sinogramm (P0), 1.3. Detektion von Kanten in der ersten Darstellung (I0), 1.4. Rückverfolgung und Markierung von Kantensinogrammdaten in dem mindestens einen initialen Sinogramm (P0), welche aus der Projektion eines vorgegebenen Bereiches um die Kanten stammen, 1.5. Rauschreduktion des mindestens einen Sinogramms (P0), wobei die Kantensinogrammdaten eine geringere bis keine Rauschreduktion erfahren als die Nicht-Kantensinogrammdaten, 1.6. Rekonstruktion einer zumindest vorläufig endgültigen tomographischen Darstellung (Ii) aus dem so rauschreduzierten mindestens einen initialen Sinogramm (Pi)A method for generating a tomographic representation of an examination volume in an examination subject, comprising the following method steps: 1.1. Recording or receiving at least one initial sinogram (P 0 ) from projections from a plurality of projection directions, 1.2. Reconstruction of a first tomographic representation (I 0 ) of the examination volume from at least one initial sinogram (P 0 ), 1.3. Detection of edges in the first representation (I 0 ), 1.4. Tracing and marking of edge sinogram data in the at least one initial sinogram (P 0 ) resulting from the projection of a given area around the edges, 1.5. Noise reduction of the at least one sinogram (P 0 ), where the edge sinogram data is less to no noise reduction than the non-edge sinogram data, 1.6. Reconstruction of an at least provisionally final tomographic representation (I i ) from the noise-reduced at least one initial sinogram (P i ) Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: 2.1. eine nur die Kanten enthaltende tomographische Kantendarstellung (E) erzeugt und die Kantendarstellung (E) auf ein Kantensinogramm (PE) vorwärtsprojiziert wird, 2.2. eine nur Rauschinformation enthaltende tomographische Rauschdarstellung (N) erzeugt und die Rauschdarstellung (N) auf eine Rauschsinogramm (PN) vorwärtsprojiziert wird, und 2.3. die Rauschreduktion des initialen Sinogramms (P0) unter Verwendung des Rauschsinogramms (PN) und des Kantensinogramms (PE) ausgeführt wird.Method according to the preceding claim 1, characterized in that: 2.1. generates a tomographic edge representation (E) containing only the edges and the edge representation (E) is projected forward onto an edge sinogram (P E ), 2.2. generates a tomographic noise representation (N) containing only noise information, and projects the noise representation ( N ) forward to a squid sinogram (P N ), and 2.3. the noise reduction of the initial sinogram (P 0 ) is performed using the noise sinogram (P N ) and the edge sinogram (P E ). Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bezüglich der Kantendetektion, der Rauschreduktion und der Rekonstruktion der zumindest vorläufig endgültigen tomographischen Darstellung aus dem rauschreduzierten mindestens einen initialen Sinogramms (Pi) iterativ mehrfach ausgeführt wird.Method according to one of the preceding claims 1 to 2, characterized in that the method with respect to the edge detection, the noise reduction and the reconstruction of the at least provisionally final tomographic representation from the noise-reduced at least one initial sinogram (P i ) iteratively performed multiple times. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Iteration nach einer vorgegebenen Anzahl von Iterationen abgeschlossen wird.Method according to the preceding claim 3, characterized in that the iteration is completed after a predetermined number of iterations. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Iteration nach Erreichen einer vorgegebenen berechneten Bildqualität oder eines subjektiven Bildeindrucks bei der vorläufig endgültigen tomographischen Darstellung abgeschlossen wird.Method according to the preceding claim 3, characterized in that the iteration is completed after reaching a predetermined calculated image quality or a subjective image impression in the provisionally final tomographic representation. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass abschließend eine Bildbearbeitung auf der vorläufig endgültigen tomographischen Darstellung (Ii) erfolgt.Method according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that finally takes place an image processing on the provisionally final tomographic representation (I i ). Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der abschließenden Bildbearbeitung Informationen aus der Kantendarstellung (E) zur Vermeidung einer Kantenverschmierung verwendet werden.Method according to the preceding claim 6, characterized in that in the final image processing information from the edge representation (E) are used to avoid Kantenverschmierung. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die abschließende Bildbearbeitung als in sich iteratives Verfahren ausgebildet ist.Method according to one of the preceding claims 6 to 7, characterized in that the final image processing is designed as an inherently iterative method. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rekonstruktion zumindest einmalig eine gewichtete gefilterte Rückprojektion verwendet wird.Method according to one of the preceding claims 1 to 8, characterized in that for the reconstruction at least once a weighted filtered rear projection is used. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Rekonstruktion ein kantenverstärkendes Filter verwendet wird.Method according to one of the preceding claims 1 to 9, characterized in that in the reconstruction of an edge-enhancing filter is used. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der tomographischen Darstellung schichtweise eine zweidimensionale Kantendetektion durchgeführt wird. Method according to one of the preceding claims 1 to 10, characterized in that in the tomographic representation, a two-dimensional edge detection is performed in layers. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der tomographischen Darstellung eine dreidimensionale Kantendetektion durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims 1 to 10, characterized in that in the tomographic representation, a three-dimensional edge detection is performed. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kantendetektion einer der nachfolgenden Operatoren verwendet wird: Sobel-Operator, Kirsch-Operator, Laplace-Operator.Method according to one of the preceding claims 1 to 12, characterized in that one of the following operators is used for edge detection: Sobel operator, Kirsch operator, Laplace operator. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorwärtsprojektion ein Joseph-Vorwärtsprojektor verwendet wird.Method according to one of the preceding claims 1 to 13, characterized in that for forward projection, a Joseph Vorprojektor is used. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rauschreduktion ein bilaterales Filter verwendet wird.Method according to one of the preceding claims 1 to 14, characterized in that a bilateral filter is used for noise reduction. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rauschreduktion ein anisotropes Diffusionsfilter verwendet wird.Method according to one of the preceding claims 1 to 14, characterized in that an anisotropic diffusion filter is used for noise reduction. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Rauschreduktion auf das rauschreduzierte Sinogramm (Pi) das Kantensinogramm (PE) gewichtet aufaddiert wird.Method according to one of the preceding claims 1 to 16, characterized in that, following the noise reduction on the noise-reduced sinogram (P i ), the edge sinogram (P E ) is added in a weighted manner. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte tomographische Darstellung (Ii) und die verwendeten Projektionen (PE, PN) jeweils eine Ortsauflösung aufweisen, wobei für die tomographische Darstellung (Ii) eine Ortsauflösung verwendet wird, die gleich oder größer ist, wie die Ortsauflösung der Projektionen (PE, PN) beziehungsweise der daraus entstandenen Sinogramme.Method according to one of the preceding claims 1 to 17, characterized in that the generated tomographic representation (I i ) and the projections used (P E , P N ) each have a spatial resolution, wherein for the tomographic representation (I i ) uses a spatial resolution is equal to or greater than the spatial resolution of the projections (P E , P N ) or the resulting sinograms. Verfahren zur Erzeugung einer tomographischen Darstellung aus CT-Projektionsdaten durch Rohdaten- und Bilddatenverarbeitung, wobei übergreifend über Rohdaten- und Bilddaten Rausch- und Kanteninformationen aus Projektionsdaten und Bilddaten genutzt werden, um eine Rauschreduktion bei gleichzeitiger Kantenerhaltung in der erzeugten tomographischen Darstellung zu bewirken.Method for generating a tomographic image from CT projection data by raw data and image data processing, wherein noise and edge information from projection data and image data are used across raw data and image data to effect noise reduction while retaining the edge in the generated tomographic image. Computer mit einem Speicher für Programmcode, der im Betrieb ausgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Speicher ein Programmcode (Prg1–Prgn) vorliegt, welcher das Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 19 ausführt.Computer having a memory for program code which is executed during operation, characterized in that a program code (Prg 1 -Prg n ) is present in the memory, which executes the method according to one of the claims 1 to 19. CT-System (1) mit einem Computer mit einem Speicher für Programmcode, der im Betrieb ausgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Speicher ein Programmcode (Prg1–Prgn) vorliegt, welcher das Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 19 ausführt.CT system ( 1 ) with a computer with a memory for program code, which is executed in operation, characterized in that in the memory a program code (Prg 1 -Prg n ) is present, which carries out the method according to one of the claims 1 to 19.
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