DE102013217351B4

DE102013217351B4 - Bildbasierte Bewegungskompensation von Bilddaten

Info

Publication number: DE102013217351B4
Application number: DE102013217351.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Allmendinger; Herbert Bruder; Thomas Flohr; Christopher Rohkohl
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2023-05-11
Anticipated expiration: 2033-08-31
Also published as: US20150063534A1; CN104424659B; US9619869B2; CN104424659A; DE102013217351A1

Abstract

Verfahren zur Bewegungskompensation von Bilddaten (F) eines bewegten Untersuchungsobjektes, wobei es sich bei den Bilddaten (F) um eine räumlich dreidimensionale Rekonstruktion (RECON) aus Messdaten (MEAS) handelt, wobei die Messdaten (MEAS) bei einer relativen Rotationsbewegung zwischen einer Strahlungsquelle (2) und dem Untersuchungsobjekt innerhalb eines Winkelbereichs (Ω) aufgenommen wurden, wobei der Winkelbereich (Ω) mehrere Teilwinkelbereiche umfasst, wobei jeder Teilwinkelbereich (ω_j) einem zeitlichen Kontrollpunkt (t_j) zugeordnet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:(i) Bestimmen wenigstens eines Wertes für eine Bildmetrik (L) der Bilddaten (F), wobei die Bildmetrik (L) ein Maß für Bewegungsartefakte in den Bilddaten (F) ist,(ii) Bestimmen von Teilbilddaten (f_j), wobei die Teilbilddaten (f_j) jeweils der räumlich dreidimensionalen Rekonstruktion aus Messdaten eines Teilwinkelbereiches (ω_j) entsprechen,(iii) Bestimmen eines Bewegungsfeldes (s) der Teilbilddaten (f_j) an den Kontrollpunkten (t_j) mittels eines Optimierungsverfahrens in Abhängigkeit der Bildmetrik (L), wobei das Bewegungsfeld (s) ein Maß für die Bewegung der Teilbilddaten (f_j) ist, wobei es sich bei dem Optimierungsverfahren zur Bestimmung des Bewegungsfeldes (s) um ein Gradientenabstiegsverfahren handelt, wobei die Gradienten∂L(s)/∂sbildbasiert bestimmt werden,(iv) Transformation der Teilbilddaten (f_j) gemäß der durch das Bewegungsfeld (s) beschriebenen Bewegung,(v) Erzeugen neuer Bilddaten (F) durch Zusammenfügen der transformierten Teilbilddaten (f_j), wobei die Schritte (i) bis (v) so lange iterativ durchgeführt werden, bis ein Abbruchkriterium erreicht ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Computerprogramm, ein Computerprogrammprodukt und ein Computertomographie-System zur Bewegungskompensation von Bilddaten.
Die Computertomographie ist ein bildgebendes Verfahren, welches vor allem zur medizinischen Diagnostik sowie zur Materialuntersuchung eingesetzt wird. Bei der Computertomographie rotieren zur Aufnahme räumlich dreidimensionaler Bilddaten eine Strahlungsquelle sowie ein mit diesem zusammen wirkender Strahlungsdetektor um ein Untersuchungsobjekt. Während der Rotationsbewegung werden innerhalb eines Winkelbereiches Messdaten aufgenommen. Bei den Messdaten handelt es sich um eine Vielzahl von Projektionen, welche Informationen über die Schwächung der Strahlung durch das Untersuchungsobjekt enthalten. Die Messdaten werden auch als Rohdaten bezeichnet. Aus diesen Messdaten können dann die Bilddaten rekonstruiert werden, beispielsweise mittels der sogenannten gefilterten Rückprojektion oder mittels eines iterativen Rekonstruktionsverfahrens. Bewegt sich das Untersuchungsobjekt während der Aufnahme, so können bei der Rekonstruktion der Bilddaten Unschärfe und Artefakte aufgrund der Bewegung entstehen.
So ist allgemein bekannt, dass die Herzbewegung während einer tomographischen Aufnahme zu inkonsistenten und durch Bewegungsartefakte beeinträchtigten Bilddaten führen kann. Dadurch kann die klinische Nutzbarkeit der Bilddaten stark beschränkt werden. Zur Vermeidung von Bewegungsartefakten wird in der modernen tomographischen Herzbildgebung die phasenbezogene Aufnahme von Messdaten mittels retrospektiver oder prospektiver Triggerung verwendet. So werden bei der prospektiven Triggerung nur Daten in einem gewissen Zeitintervall um die Ruhephase des Herzens aufgenommen und zur Bildrekonstruktion verwendet. Gemeinsames Ziel dieser Ansätze ist es die Herzbewegung „einzufrieren“, um die Dateninkonsistenz zu verringern und damit die Bildqualität zu erhöhen.
Ein Ansatz zur Erhöhung der Bildqualität bei einem sich teilweise und zyklisch bewegenden Objekte ist aus der Schrift DE 10 2011 083 643 A1 bekannt. Dort wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Bewegungsfeldes in einem Bildraum eines CT-Bilddatensatz offenbart. Dabei wird ein Projektionsdatensatz eines CT-Systems für eine vorgegebene Bewegungsphase und einen Projektionswinkelbereich erfasst. Weiterhin erfolgt eine iterative Bestimmung des Bewegungsfeldes durch Minimierung einer rohdatenbasierten oder in den Bildraum transformierten Kostenfunktion von unter Verwendung von Bewegungsfeldern bewegungskompensierend rekonstruierten CT-Bilddatensätzen einer ersten Bildauflösung mit einem ersten analytischen Rekonstruktionsalgorithmus.
Aus der Druckschrift DE 102011075287 A1 , ist ein Verfahren zur Bewegungskompensation bekannt. Ferner ist aus DE 102011083641 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Bewegungsfeldes und zur Erzeugung eines bewegungskompensierten Cardio-CT-Bilddatensatzes bekannt. Aus der Druckschrift DE 102010024684 A1 ist ein Verfahren zur Verbesserung der Zeitauflösung in der Cardio-CT bekannt. Aus der Druckschrift DE 102011017710 A1 ist ein Verfahren zum Bereitstellen eines 3D-Röntgenbilddatensatzes zu einem sich bewegenden Objekt bekannt. Es ist Aufgabe der Erfindung anzugeben, wie die Bewegungskompensation von Bilddaten eines bewegten Untersuchungsobjekts bilddatenbasiert durchgeführt werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1, durch ein Computerprogramm nach Anspruch 11, durch einen maschinenlesbaren Träger nach Anspruch 12, durch einen Computer nach Anspruch 13 sowie durch ein Computertomographie-System nach Anspruch 14.
Nachstehend wird die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe in Bezug auf die beanspruchten Vorrichtungen als auch in Bezug auf das beanspruchte Verfahren beschrieben. Hierbei erwähnte Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen sind ebenso auch auf die anderen beanspruchten Gegenstände zu übertragen und umgekehrt. Mit anderen Worten können die gegenständlichen Ansprüche, die beispielsweise auf ein System gerichtet sind, auch mit den Merkmalen, die in Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben oder beansprucht sind, weitergebildet sein. Die entsprechenden funktionalen Merkmale des Verfahrens werden dabei durch entsprechende gegenständliche Module ausgebildet.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewegungskompensation von Bilddaten eines bewegten Untersuchungsobjektes. Bei den Bilddaten handelt es sich um eine räumlich dreidimensionale Rekonstruktion aus Messdaten, wobei die Messdaten bei einer relativen Rotationsbewegung zwischen einer Strahlungsquelle und dem Untersuchungsobjekt innerhalb eines Winkelbereichs aufgenommen wurden. Dieser Winkelbereich umfasst mehrere Teilwinkelbereiche, wobei jeder Teilwinkelbereich einem zeitlichen Kontrollpunkt zugeordnet ist. Insbesondere kann es sich bei dem zeitlichen Kontrollpunkt um einen Zeitpunkt handeln, der durch das Zeitintervall definiert ist, während dessen Messdaten innerhalb des jeweiligen Teilwinkelbereiches aufgenommen wurden. Kern der Erfindung ist folgendes iteratives Verfahren. Während eines ersten Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens wird wenigstens ein Wert für eine Bildmetrik L der Bilddaten bestimmt, wobei die Bildmetrik ein Maß für Bewegungsartefakte in den Bilddaten ist. Die Erfinder haben nun erkannt, dass sich bilddatenbasiert in Abhängigkeit der Bildmetrik ein Bewegungsfeld s zur Bewegungskompensation der Bilddaten bestimmen lässt, wobei das Bewegungsfelde in Maß für die Bewegung der Bilddaten ist. Dazu werden in einem zweiten Schritt Teilbilddaten bestimmt, wobei die Teilbilddaten jeweils der räumlich dreidimensionalen Rekonstruktion aus Messdaten eines Teilwinkelbereiches entsprechen. In einem dritten Schritt wird das Bewegungsfeld s der Bilddaten an den Kontrollpunkten mittels eines Optimierungsverfahrens in Abhängigkeit der Bildmetrik bestimmt, so dass in einem vierten Schritt die Teilbilddaten gemäß der durch das Bewegungsfeld beschriebenen Bewegung transformiert werden können. Im fünften Schritt werden neue Bilddaten durch Zusammenfügen der Teilbilddaten erzeugt. Diese Schritte des iterativen Verfahrens werden so lange durchgeführt, bis ein Abbruchkriterium erreicht ist. Die neuen Bilddaten werden durch die Transformation der transformierten Teilbilddaten bewegungskompensiert und weisen gegenüber den ursprünglichen Bilddaten eine verbesserte Bildqualität auf. Dadurch, dass das Verfahren erfindungsgemäß bildbasiert durchgeführt wird, benötigt es im Vergleich zu anderen rohdatenbasierten Verfahren einen geringeren Rechenaufwand und kann insbesondere auf einer sogenannten Workstation und unabhängig von einem Rekonstruktionsrechner durchgeführt werden. Damit erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren als besonders praktisch für die klinische Praxis.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung handelt es sich bei dem Winkelbereich um den minimalen für eine tomographisch vollständige Rekonstruktion benötigten Winkelbereich. In einem solchen Fall ist der Winkelbereich durch 180° + cp geben, wobei φ den Fächerwinkel angibt, also den Öffnungswinkel des durch die Strahlungsquelle emittierten Strahlungsfächers in radialer Richtung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Teilbilddaten ermittelt, indem zuerst eine Fourier-Transformation der Bilddaten in den Frequenzraum durchgeführt wird, dann die Bilddaten mittels einer Filterfunktion maskiert und das maskierte Frequenzspektrum mittels einer Fourier-Transformation wieder in den Ortsraum überführt wird. Vorteil dieses Aspekts der Erfindung ist, dass die Ermittlung der Teilbilddaten mit geringem Rechenaufwand und ohne Zugriff auf die Rohdaten möglich ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Teilbilddaten jeweils mittels einer Vorwärtsprojektion der Bilddaten und einer anschließenden Rückprojektion eines Teils der projizierten Bilddaten entsprechend einem Teilwinkelbereich bestimmt. Auch dieser Aspekt der Erfindung kann mit geringem Rechenaufwand und ohne Zugriff auf die Rohdaten durchgeführt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird während und/oder nach Durchführen des iterativen Verfahrens eine Vorwärtsprojektion der Bilddaten mit anschließender bewegungskompensierter Rückprojektion mittels des Bewegungsfeldes durchgeführt. Bei diesem Aspekt erfolgt die Bewegungskompensation der Bilddaten möglichst verzerrungsfrei, so dass eine besonders hohe Bildqualität erreicht wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung handelt es sich bei den Bilddaten um die Bilddaten eines segmentierten Untersuchungsobjekts. Dadurch kann nur der Bereich in den Bilddaten segmentiert werden, dessen Bewegung korrigiert werden soll, so dass die Bildmetrik ein besonders aussagekräftiges Maß für die zu korrigierende Bewegung ist. Weiterhin umfassen die Bilddaten dann weniger Pixel bzw. Voxel, so dass die zu verarbeitende Datenmenge verringert wird und das erfindungsgemä-ße Verfahren schneller und mit geringerem Rechenaufwand durchgeführt werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst das Untersuchungsobjekt wenigstens einen Teil eines Herzens und/oder wenigstens ein Koronargefäß. Bei der Bildgebung des Herzens bzw. der Koronargefäße ist eine Bewegungskompensation von besonderer Bedeutung, da es sich um schnell bewegte Untersuchungsobjekte handelt und zur Interpretation der Bilddaten des Herzens bzw. der Koronargefäße eine besonders hohe räumliche und zeitliche Auflösung gewünscht ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt erfolgt das Bestimmen des Wertes der Bildmetrik jeweils für einzelne Schnittbilder aus den Bilddaten. Denn die Bildmetrik ist besonders aussagekräftig für jene Schnittbilder, in deren Aufnahmebereich tatsächlich eine Bewegung erfolgte. Damit ist eine Bestimmung von Werten der Bildmetrik für einzelne Schnittbilder in der Regel sensitiver auf Bewegungsartefakte als die Bestimmung eines einzelnen Wertes der Bildmetrik für den gesamten Satz der Bilddaten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung handelt es sich bei der Bildmetrik um die Entropie, die Positivität, die Komprimierbarkeit oder die totale Variation der Bilddaten. Denn diese Parameter sind jeweils ein gutes Maß für Bewegungsartefakte.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung handelt es sich bei dem Optimierungsverfahren zur Bestimmung des Bewegungsfeldes um ein Gradientenabstiegsverfahren, wobei die Gradienten ∂L(s)/∂s bildbasiert bestimmt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Bewegungsfeld zur Transformation der Teilbilddaten zwischen den Kontrollpunkten interpoliert. Dadurch kann das Bewegungsfeld für eine große Anzahl von Zeitpunkten bestimmt werden, so dass eine Transformation von Bilddaten bzw. von Teilbilddaten auf besonders genaue Art und Weise ermöglicht wird.
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller erfindungsgemäßen Verfahrensschritte, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird. Mittels eines erfindungsgemäßen Computerprogramms kann das erfindungsgemäße Verfahren schnell, zuverlässig und reproduzierbar ausgeführt werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt in Form eines maschinenlesbaren Trägers, auf dem das erfindungsgemäße Computerprogramm abrufbar gespeichert ist. Die Speicherung des Computerprogramms auf einem maschinenlesbaren Träger erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren auf technische einfache Art und Weise und reproduzierbar auf verschiedenen Computern auszuführen.
Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Computer zur Bildverarbeitung, umfassend einen Speicher zur Speicherung von Computerprogrammen sowie einen Prozessor zur Ausführung der gespeicherten Computerprogramme, wobei auf dem Speicher ein Computerprogramm gespeichert ist, welches das erfindungsgemä-ße Verfahren durchführt, wenn das Computerprogramm auf dem Computer ausgeführt wird.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Computertomographie-System, umfassend eine Strahlungsquelle sowie einen mit der Strahlungsquelle zusammenwirkenden Strahlungsdetektor, ausgelegt zur Erfassung von Messdaten bei einer relativen Rotationsbewegung zwischen der Strahlungsquelle und einem Untersuchungsobjekt innerhalb eines Winkelbereichs, weiterhin umfassend eine Rekonstruktionseinheit, ausgelegt zur Rekonstruktion von Bilddaten aus den Messdaten, weiterhin umfassend eine erfindungsgemäße Recheneinheit zur Bildverarbeitung.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:

1 Ein erfindungsgemäßes Computertomographie-System, umfassend einen Computertomographen,
2 ein erfindungsgemäßes Computertomographie-System, umfassend ein C-Bogen Röntgengerät,
3 ein Blockdiagram des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
4 eine Illustration der Bestimmung von Teilbilddaten mittels Fourier-Transformation.

1 und 2 zeigen jeweils ein erfindungsgemäßes Computertomographie-System 1. In den hier gezeigten Beispielen liegt ein Patient P bei der Aufnahme von Messdaten MEAS auf einer Patientenliege 8. Die Patientenliege 8 ist dazu ausgelegt den Patienten P während einer tomographischen Aufnahme entlang einer Systemachse 9 zu verfahren. Bei der Aufnahme der Messdaten MEAS rotieren eine Strahlungsquelle 2 und ein mit der Strahlungsquelle 2 zusammenwirkender Strahlungsdetektor 5 um die Systemachse 9. Die Strahlungsquelle 2 emittiert dabei Strahlung der Art und Weise, dass diese Strahlung für den Strahlungsdetektor 5 grundsätzlich detektierbar ist. Die Strahlung wird durch das jeweilige Untersuchungsobjekt geschwächt, insbesondere durch Absorption und Reflektion der Strahlung. Bei den Messdaten MEAS handelt es sich in den hier gezeigten Beispielen um eine Vielzahl von Projektionen eines Körperteils des Patienten P, wobei die Projektionen jeweils die Schwächung der Strahlung durch den Körperteil des Patienten P angeben.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mit einem Computertomographen handelt es sich bei dem Röntgendetektor um einen Detektor mit mehreren Zeilen und Spalten, während das in 2 gezeigte C-Bogen Röntgengerät über einen Röntgendetektor in Form eines Flachdetektors verfügt. Die Röntgendetektoren können jeweils sowohl als Szintillatorzähler als auch als direkt konvertierende Röntgendetektoren ausgebildet sein. Weiterhin können sie als zählende Röntgendetektoren ausgebildet sein, welche dazu ausgelegt sind einzelne Photonen zu detektieren und zu zählen. Weiterhin verfügt der Computertomograph in dem in 1 gezeigten Beispiel über zwei Paare von miteinander zusammenwirkender Strahlungsquellen 2,4 in Form von Röntgenröhren und von Strahlungsdetektoren 5,4 in Form von Röntgendetektoren. Dadurch ist der hier gezeigte Computertomograph besonders geeignet für Mehrfachenergie-Aufnahmen, bei denen die beiden Röntgenröhren jeweils Röntgenstrahlung mit einem unterschiedlichen Energiespektrum emittieren. In weiteren, hier nicht gezeigten Ausführungsformen verfügt der Computertomograph eines erfindungsgemäßen Computertomographie-Systems 1 nur über jeweils eine Röntgenröhre als Strahlungsquelle und einen Röntgendetektor als Strahlungsdetektor. Bei einem Computertomographen sind Röntgenröhre und Röntgendetektor in die Gantry 6 integriert. Bei einem C-Bogen Röntgengerät sind die Röntgenröhre und der Röntgendetektor durch einen C-Bogen 7 verbunden, welcher wiederum an einer Gantry 6 befestigt ist. Die Gantry 6 des Computertomographen kann so ausgebildet sein, dass sie um wenigstens eine Achse senkrecht zur Systemachse 9 kippbar ist. Der C-Bogen 7 des in 2 gezeigten C-Bogen Röntgengeräts ist jeweils entlang der beiden Pfeile schwenkbar bzw. rotierbar.
Zusätzlich verfügen die hier dargestellten Computertomographie-Systeme 1 auch über einen Kontrastmittelinjektor 11 zur Injektion von Kontrastmittel in den Blutkreislauf des Patienten P. Dadurch können die Messdaten MEAS mittels eines Kontrastmittels derart aufgenommen werden, dass z.B. die Gefäße des Patienten P, insbesondere die Herzkammern des schlagenden Herzens, in den Bilddaten F mit einem erhöhten Kontrast dargestellt werden können. Weiterhin besteht mit dem Kontrastmittelinjektor 11 auch die Möglichkeit, Perfusionsmessungen durchzuführen, für die sich das vorgeschlagene Verfahren ebenfalls eignet. Unter Kontrastmittel werden allgemein solche Mittel verstanden, welche die Darstellung von Strukturen und Funktionen des Körpers bei bildgebenden Verfahren verbessern. Im Rahmen der hier vorliegenden Anmeldung sind unter Kontrastmitteln sowohl konventionelle Kontrastmittel wie beispielsweise Jod als auch Tracer wie beispielsweise ¹⁸F, ¹¹C oder ¹³N zu verstehen.
Weiterhin umfasst ein erfindungsgemäßes Computertoographie-System einen Computer 10, der auch als Workstation bezeichnet wird. Der hier gezeigte Computer 10 ist ausgelegt zur Ansteuerung der einzelnen Einheiten des Computertomograhie-Systems wie z.B. zur Ansteuerung der Patientenliege 8, des Kontrastmittelinjektors 11 und der Röntgenröhre sowie dem Röntgendetektor. Der Computer 10 ist mit einer Ausgabeeinheit sowie einer Eingabeeinheit verbunden. Bei der Ausgabeeinheit handelt es sich beispielsweise um einen (oder mehrere) LCD-, Plasma- oder OLED-Bildschirm(e). Die Ausgabe auf der Ausgabeeinheit umfasst beispielsweise eine graphische Benutzeroberfläche oder die Ausgabe von Bilddaten. Die Eingabeeinheit ist ausgelegt zur Eingabe von Daten wie z.B. Patientendaten sowie zur Eingabe und Auswahl von Parametern für die einzelnen Einheiten des Computertomographie-Systems. Bei der Eingabeeinheit handelt es sich beispielsweise um eine Tastatur, eine Maus, einen sogenannten Touchscreen oder auch um ein Mikrofon zur Spracheingabe.
In den hier gezeigten Beispielen ist der Computer 10 weiterhin dazu ausgelegt die Messdaten MEAS mittels einer Datenverbindung von dem Computertomographen bzw. von dem C-Bogen Röntgengerät zu erhalten und mittels einer Rekonstruktionseinheit aus den Messdaten MEAS Bilddaten F zu rekonstruieren. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist der Computer 10 mit einem Rechensystem in Form eines Rekonstruktionsrechners verbunden, welchem durch eine weitere Datenverbindung die Messdaten MEAS zugespielt werden können, damit das Rechensystem aus den Messdaten MEAS mittels einer Rekonstruktionseinheit Bilddaten F rekonstruieren kann. Insbesondere kann dabei der Computer 10 als Client und das Rechensystem als Server agieren. In einer Variante dieser alternativen Ausführungsform verfügt der Computer 10 nicht über eine Rekonstruktionseinheit und ist nicht zur Rekonstruktion von Messdaten MEAS zu Bilddaten F ausgelegt. Unabhängig davon, ob die Rekonstruktionseinheit als Teil des lokalen Computers 10 oder als Teil eines, ggf. als Server agierenden, separaten Rechensystem ausgebildet ist, kann die Rekonstruktionseinheit sowohl als Software als auch als Hardware realisiert werden.
Weiterhin umfasst der Computer 10 einen Speicher zur Speicherung von Computerprogrammen Prg₁-Prg_n sowie einen Prozessor zur Ausführung der gespeicherten Computerprogramme Prg₁-Prg_n. In der hier gezeigten Ausführungsform ist auf dem Speicher wenigstens ein Computerprogramm gespeichert, welches alle Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführt, wenn das Computerprogramm auf dem Computer 10 ausgeführt wird. Das Computerprogramm zur Ausführung der Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst Programmcode. Weiterhin kann das Computerprogramm als ausführbare Datei ausgebildet sein und/oder auf einem anderen Rechensystem als dem Computer 10 gespeichert sein. Beispielsweise kann das Computertomographie-System 1 so ausgelegt sein, dass der Computer 10 das Computerprogramm zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens über ein Intranet oder über das Internet in seinen internen Arbeitsspeicher lädt. Weiterhin kann das Computerprogramm auf einem Computerprogrammprodukt in Form eines maschinenlesbaren Trägers abrufbar gespeichert sein. Insbesondere kann es sich bei dem maschinenlesbaren Träger um eine CD, DVD, Blue-Ray Disc, einen Memory-Stick oder eine Festplatte handeln.
Weiterhin ist der Computer 10 in der in 1 gezeigten Ausführungsform dazu ausgelegt EKG-Signale des Patienten P mittels einer EKG-Datenverbindung 12 zu erhalten und zu verarbeiten. Mittels der erhaltenen EKG-Signale ist der Computer 10 insbesondere dazu ausgelegt im Rahmen einer sogenannten prospektiven Triggerung den Zeitpunkt einer Aufnahme von Messdaten MEAS festzulegen und die entsprechende Aufnahme zum definierten Zeitpunkt zu starten. Weiterhin ist der Computer 10 dazu ausgelegt im Rahmen einer sogenannten retrospektiven Triggerung nur einen Teil der aufgenommenen Projektionen zur Rekonstruktion von Bilddaten F zu verwenden bzw. Informationen über die Herzphase bereit zu stellen, welche eine weitere Bearbeitung bereits rekonstruierter Bilddaten vereinfacht. Ein typischer Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung ist die Bildgebung des Herzens und/oder der koronaren Gefäße. Daher kann das Untersuchungsobjekt des im Folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere das schlagende Herz eines Patienten P und/oder wenigstens ein Koronargefäß umfassen.
3 zeigt ein Blockdiagram des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dem erfindungsgemäßen Verfahren geht die Aufnahme der Messdaten MEAS bei einer relativen Rotationsbewegung zwischen einer Strahlungsquelle 2 und dem Untersuchungsobjekt innerhalb eines Winkelbereichs Ω voraus. Der Winkelbereich Ω erstreckt sich bei der in 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung senkrecht zur Systemachse 9. Es ist allgemein bekannt, dass ein Satz von Messdaten MEAS zur räumlich dreidimensionalen Rekonstruktion von Bilddaten unter einem Winkelbereich Ω von 180°+ φ aufgenommen worden sein muss um das Vollständigkeitskriterium zu erfüllen. Dabei gibt φ den Fächerwinkel, also den Öffnungswinkel des Fächers in radialer Richtung an. Bei C-Bogen Röntgengeräten spricht man anstatt von einem Fächer oft von einem Kegel der Röntgenstrahlung, der allerdings auch einen definierten Öffnungswinkel φ besitzt. Grundsätzlich kann die Erfindung auf der Rekonstruktion REKON von vollständigen als auch von nicht-vollständigen Messdaten MEAS basieren. Insbesondere kann der Winkelbereich größer, kleiner oder gleich 180°+ φ sein. Typischerweise wird es sich bei dem Winkelbereich Ω um einen zusammenhängenden Winkelbereich handeln. Allerdings ist es auch denkbar, dass das erfindungsgemäße Verfahren mit einem nicht-zusammenhängenden Winkelbereich Ω durchgeführt wird, etwa, weil die einzelnen Teile des Winkelbereichs Ω jeweils der Ruhephase des Herzens als Untersuchungsobjekt entsprechen.
Der Winkelbereich Ω kann in mehrere Teilwinkelbereiche ω_j unterteilt werden. Werden die Messdaten MEAS in einem Winkelbereich Ω=360° aufgenommen, dann kann dieser in 20 Teilwinkelbereiche mit j=1,2 ... 20 unterteilt werden, wobei ω_j =18° gilt. Jedem Teilwinkelbereich ω_j lässt sich nun ein zeitlicher Kontrollpunkt t_j zuordnen. Beispielsweise handelt es sich bei dem zeitlichen Kontrollpunkt t_j um den zeitlichen Schwerpunkt oder den Beginn oder das Ende des Zeitintervalls, in dem die zu dem jeweiligen Teilwinkelbereich ω_j gehörenden Projektionen aufgenommen wurden. Dauert die Aufnahme der Messdaten MEAS beispielsweise eine Sekunden, so beträgt der Abstand zwischen den verschiedenen zeitlichen Kontrollpunkten bei 20 äquidistanten Teilwinkelbereichen ω_j und einer gleichbleibenden Aufnahmegeschwindigkeit 50ms. Natürlich kann auch eine andere Anzahl an Teilwinkelbereichen ω_j bzw. zeitlichen Kontrollpunkten t_j gewählt werden. Weiterhin können in weiteren Ausführungsformen der Erfindung die Teilwinkelbereichen ω_j bzw. zeitlichen Kontrollpunkten t_j nicht äquidistant sein.
Bei der Initialisierung INIT des hier beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens findet eine räumlich dreidimensionale Rekonstruktion RECON der Bilddaten F aus den Messdaten MEAS statt. Weiterhin kann im Rahmen der Initialisierung INIT eine sogenannte Region of Interest ROI in den Bilddaten F bestimmt werden. Durch die Auswahl einer Region of Interest ROI kann der Umfang der Bilddaten F verringert werden, so dass das erfindungsgemäße Verfahren schneller und mit geringerem Rechenaufwand ausgeführt werden kann. Weiterhin lassen sich Bewegungsartefakte in einem ausgewählten Bildbereich sensitiver bestimmen. Die Region of Interest ROI kann beispielsweise durch Segmentieren der Bilddaten F bestimmt werden. In einem solchen Fall sind mit den Bilddaten F im Folgenden segmentierte Bilddaten gemeint. Insbesondere kann der Untersuchungsbereich, also z.B. das Herz und/oder ein Koronargefäß eines Patienten P, in den Bilddaten F als Region of Interest ROI segmentiert werden.
Die Optimierung OPT ist iterativ und umfasst pro Iteration mehrere Schritte, die darauf abzielen ein Bewegungsfeld s der Bilddaten F bildbasiert zu bestimmen, und zwar mittels einer Bildmetrik L, wobei die Bildmetrik L ein Maß für Bewegungsartefakte in den Bilddaten F ist. Das Bewegungsfeld s gibt eine Bewegung einzelner Bildelemente, beispielsweise von Voxeln oder Pixeln, innerhalb des Bildraumes an und kann auch als Vektorfeld beschrieben werde. Da das Bewegungsfeld s zu den Kontrollpunkten t_j bestimmt werden soll, kann das Bewegungsfeld s insbesondere ein vierdimensionales Vektorfeld mit drei räumlichen und einer zeitlichen Komponente sein. Im Folgenden wird die Abhängigkeit von der zeitlichen Komponente, soweit es zum Verständnis nicht notwendig ist, weggelassen. Bei der Bildmetrik handelt es sich beispielsweise um die Entropie, die Positivität, die Komprimierbarkeit oder die totale Variation der Bilddaten F. Die Entropie eines Bildes ist beispielsweise gegeben durch: $L (s) = - \sum_{h} P (h, s) ln P (h, s),$
wobei P(h,s) die Wahrscheinlichkeit für ein Voxel ist, dass es die Intensität, beispielsweise in Form der Hounsfield-Einheit, h innerhalb der Bilddaten F aufweist. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung P(h,s) kann mittels verschiedener, dem Fachmann geläufiger Verfahren berechnet werden. Im ersten Schritt (i) der Optimierung OPT wird ein Wert für eine Bildmetrik L der Bilddaten F bestimmt. Der Wert der Bildmetrik kann entweder bezogen auf das ganze rekonstruierte Volumen der Bilddaten F bestimmt werden. Alternativ können mehrere Werte der Bildmetrik L jeweils für Teilvolumina, insbesondere in Form einzelner Schnittbilder, aus den Bilddaten F bestimmt werden. Werden mehrere Werte der Bildmetrik L bestimmt, können diese für den Zweck der Optimierung OPT zusammengefasst werden, beispielsweise durch Addition der Werte.
In einem weiteren Schritt (ii) der Optimierung OPT werden Teilbilddaten f_j bestimmt, wobei die Teilbilddaten jeweils der räumlich dreidimensionalen Rekonstruktion aus Messdaten eines Teilwinkelbereiches ω_j entsprechen. Die Messdaten, welche während der relativen Rotationsbewegung zwischen Strahlungsquelle 2 und Untersuchungsobjekt innerhalb eines Teilwinkelbereichs w_j aufgenommen wurden, werden im Folgenden auch als Teilmessdaten MEAS_j bezeichnet. Dabei existieren jeweils für einen zeitlichen Kontrollpunkten t_j ein zugeordneter Teilwinkelbereichen ω_j und zugeordnete Teilmessdaten MEAS_j. Allerdings findet im Schritt (ii) erfindungsgemäß keine Rekonstruktion von Rohdaten, sondern es werden nur Teilbilddaten f_j bestimmt, welche einer Rekonstruktion aus den Teilmessdaten MEAS_j entsprechen. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren bildbasiert und damit besonders schnell und mit vergleichsweise geringem Rechenaufwand realisiert werden. Eine solche Bestimmung von Teilbilddaten f_j kann beispielsweise mittels Fourier-Transformation erfolgen wie es in der Beschreibung zu 4 näher erläutert ist. Die Bestimmung der Teilbilddaten f_j kann auch mittels einer Vorwärtsprojektion der Bilddaten F und einer anschließenden Rückprojektion eines Teils der projizierten Bilddaten F entsprechend einem Teilwinkelbereich ω_j erfolgen.
In einem weiteren Schritt (iii) der Optimierung OPT wird ein Bewegungsfeld s der Bilddaten F an den Kontrollpunkten t_j mittels eines Optimierungsverfahrens in Abhängigkeit der Bildmetrik L bestimmt. Insbesondere kann die Optimierung OPT so durchgeführt werden, dass der Wert der Bildmetrik optimiert wird. In anderen Worden kann die Optimierung OPT umfassen, dass der Wert der Bildmetrik einem Extremalwert, insbesondere einem Minimum oder einem Maximum entgegen strebt, ohne aber notwendiger Weise den Extremalwert zu erreichen. Grundsätzlich können zur Realisierung der Erfindung verschiedenste für diesen Zweck geeignete Optimierungsverfahren verwendet werden. Hier wird die Erfindung näher am Beispiel des sogenannten Gradient-Descent- oder Gradientenabstiegserfahrens beschrieben. In jeder Iteration k wird das Bewegungsfeld s durch die Folgende Formel (1) beschreiben, wobei τ ein zu bestimmender Parameter ist: $s^{k + 1} = s^{k} - τ^{k} \frac{\partial L (s^{k})}{\partial s^{k}}$
Als Startwert für die erste Iteration kann grundsätzlich ein beliebiges Feld gewählt werden, insbesondere ein Feld, dessen Einträge alle 0 sind. Die Gradienten $\frac{\partial L (s^{k})}{\partial s^{k}}$
werden bildbasiert bestimmt. Da das Bewegungsfeld zu den Kontrollpunkten t_j bestimmt werden soll, werden die Gradienten $\frac{\partial L (s^{k})}{\partial s^{k}} = \frac{\partial L}{\partial F} \frac{\partial F}{\partial s_{j}^{k}}$
benötigt. Zur Vereinfachung wird im Folgenden der Iterationsindex k weggelassen. Die neuen, iterativ erzeugten Bilddaten F können als Superposition, insbesondere als Summe, der Teilbilddaten f_j dargestellt werden. Mit dem dreidimensionalen Ortsvektor x gilt: $\frac{\partial F (x, s)}{\partial s_{j}} = \sum_{j} \frac{\partial f_{j} (x, s)}{\partial s_{j}}$
Die Gradienten $\frac{\partial F (x, s)}{\partial s_{j}}$
können insbesondere als Differenzquotienten berechnet werden, so dass $\frac{\partial f (x, s)}{\partial s_{j}} = f_{j} (x + s + e) - f_{j} (x + s)$
mit dem dreidimensionalen Einheitsvektor e gilt.
In einem weiteren Schritt (iv) der Optimierung OPT werden die Teilbilddaten f_j gemäß der durch das Bewegungsfeld s beschriebenen Bewegung transformiert. Eine solche Transformation erfolgt, indem im k+1-ten Iterationsschritt Bildelemente, beispielsweise Pixel oder Voxel, der einzelnen Teilbilddaten f_j des k-ten Iterationsschritts entsprechend dem Bewegungsfeld s verschoben werden. Die Transformation kann also auch eine Verschiebung von Intensitätswerten der Teilbilddaten f_j im dreidimensionalen Bildraum umfassen. Weiterhin kann die Transformation der Teilbilddaten f_j eine Interpolation der Teilbilddaten f_j umfassen. In einer Ausführungsform der Erfindung wird auch das Bewegungsfeld s interpoliert. Denn gemäß dem bisher beschriebenen Verfahren ist das Bewegungsfeld nur an den diskreten zeitlichen Kontrollpunkten t_j definiert.
In einem weiteren Schritt (v) der Optimierung OPT werden neue Bilddaten F durch Zusammenfügen, insbesondere durch Summation, der transformierten Teilbilddaten f_j erzeugt. In einer Ausführungsform der Erfindung endet nach Schritt (v) eine Iteration k und die nächste Iteration k+1 wird mit Schritt (i) gestartet, wobei die neu zusammengefügten Bilddaten die ursprünglichen Bilddaten ersetzen. Weiterhin umfasst die Optimierung OPT die Abfrage STOP eines Abbruchkriteriums. Grundsätzlich kann die Abfrage STOP zwischen oder während jedem der hier beschriebenen Schritte (i) bis (v) durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Abfrage STOP umfassen, ob eine gewisse maximale Anzahl k_max von Iterationen durchlaufen worden ist, oder ob der Wert der Metrik sich zwischen zwei aufeinanderfolgenden Iterationen um weniger als ein Grenzwert geändert hat. Der Schritt der Abfrage STOP kann auch die Abfrage mehrerer Abbruchkriterien umfassen. In dem in 3 gezeigten Beispiel wird das Abbruchkriterium nach Schritt (i) abgefragt. Bei Erfüllen des Abbruchkriteriums Y wird mit dem Schritt (vi) fortgefahren, bei Nichterfüllen des Abbruchkriteriums N wird mit Schritt (ii) fortgefahren.
Schritt (vi) umfasst die Vorwärtsprojektion der Bilddaten F mit anschließender bewegungskompensierter Rückprojektion mittels des Bewegungsfeldes s. Durch die bewegungskompensierte Rückprojektion kann auf eine Interpolation der Teilbilddaten f_j verzichtet werden, so dass die Qualität von mittels Schritt (vi) erzeugter Bilddaten F besonders hoch ist. Daher ist es besonders vorteilhaft diesen Schritt am Ende der iterativen Optimierung OPT durchzuführen. Allerdings kann der Schritt (vi) auch mehrmals während der Optimierung OPT durchgeführt werden, beispielweise um ein visuelles Zwischenergebnis der Optimierung OPT auszugeben.
4 zeigt eine Illustration der Bestimmung von Teilbilddaten mittels Fourier-Transformation. Eine tomographische Rekonstruktion beruht auf der Summation von Projektionen. Nach dem sogenannten Fourier Slice Theorem ist die Fourier-Transformation einer Projektion identisch mit dem eindimensionalen Fourierspektrum der Schwächungsverteilung in der gewählten Projektionsrichtung. 4a) zeigt das zweidimensionale Fourier-Spektrum zweidimensionaler Bilddaten F. Bei dem hier gezeigten Fourier-Spektrum handelt es sich also um ein Spektrum räumlicher Frequenzen, wobei die Helligkeit der Intensität im Frequenzraum handelt. 4b) zeigt die Maske, welche in dem hier diskutierten Beispiel zum Maskieren des Frequenzspektrums der Bilddaten F mittels einer Filterfunktion verwendet wird. Da der Zeitpunkt der Aufnahme der einzelnen Projektionen bekannt ist, kann auch eine Zeitordnung der gemäß Fourier Slice Theorem berechneten eindimensionalen Fourierspektren bestimmt werden. Die Maske bzw. die Filterfunktion erfüllt den Zweck einen Sektor aus dem Fourierspektrum auszuwählen, wobei ein Sektor einem Teilwinkelbereich ω_j entspricht. Daher wird die Maske bzw. die Filterfunktion auch als direktional bezeichnet. 4c) zeigt das maskierte bzw. gefilterte Fourier-Spektrum. Die Teilbilddaten f_j werden also gemäß der hier gezeigten Ausführungsform aus einem Sektor von eindimensionalen Fourierspektren bestimmt. Damit kann auch der zeitliche Kontrollpunkt t_j des Sektors entsprechend der ihm zugeordneten Projektionsdaten eindeutig festgelegt werden. Daher kann die die Maske bzw. die Filterfunktion den zeitlichen Kontrollpunkt t_j, insbesondere in Form des zeitlichen Schwerpunkts, bestimmen. Und 4d) zeigt schließlich die Teilbilddaten f_j entsprechend der Fourier-Transformation des maskierten Frequenzspektrums in den Ortsraum.
Die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens müssen nicht notwendigerweise in der hier beschriebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Dem Fachmann ist vielmehr verständlich, dass die Reihenfolge der Schritte, insofern dies technisch sinnvoll ist, variiert werden kann.

Claims

Verfahren zur Bewegungskompensation von Bilddaten (F) eines bewegten Untersuchungsobjektes, wobei es sich bei den Bilddaten (F) um eine räumlich dreidimensionale Rekonstruktion (RECON) aus Messdaten (MEAS) handelt, wobei die Messdaten (MEAS) bei einer relativen Rotationsbewegung zwischen einer Strahlungsquelle (2) und dem Untersuchungsobjekt innerhalb eines Winkelbereichs (Ω) aufgenommen wurden, wobei der Winkelbereich (Ω) mehrere Teilwinkelbereiche umfasst, wobei jeder Teilwinkelbereich (ω_j) einem zeitlichen Kontrollpunkt (t_j) zugeordnet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (i) Bestimmen wenigstens eines Wertes für eine Bildmetrik (L) der Bilddaten (F), wobei die Bildmetrik (L) ein Maß für Bewegungsartefakte in den Bilddaten (F) ist, (ii) Bestimmen von Teilbilddaten (f_j), wobei die Teilbilddaten (f_j) jeweils der räumlich dreidimensionalen Rekonstruktion aus Messdaten eines Teilwinkelbereiches (ω_j) entsprechen, (iii) Bestimmen eines Bewegungsfeldes (s) der Teilbilddaten (f_j) an den Kontrollpunkten (t_j) mittels eines Optimierungsverfahrens in Abhängigkeit der Bildmetrik (L), wobei das Bewegungsfeld (s) ein Maß für die Bewegung der Teilbilddaten (f_j) ist, wobei es sich bei dem Optimierungsverfahren zur Bestimmung des Bewegungsfeldes (s) um ein Gradientenabstiegsverfahren handelt, wobei die Gradienten $\partial L (s) / \partial s$
bildbasiert bestimmt werden, (iv) Transformation der Teilbilddaten (f_j) gemäß der durch das Bewegungsfeld (s) beschriebenen Bewegung, (v) Erzeugen neuer Bilddaten (F) durch Zusammenfügen der transformierten Teilbilddaten (f_j), wobei die Schritte (i) bis (v) so lange iterativ durchgeführt werden, bis ein Abbruchkriterium erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend die Rekonstruktion (RECON) der Bilddaten (F) aus vollständigen Messdaten (MEAS).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Teilbilddaten (f_j) mittels folgender Schritte bestimmt werden: - Fourier-Transformation der Bilddaten (F) in den Frequenzraum, - Maskieren des Frequenzspektrum der Bilddaten (F) mittels einer Filterfunktion, - Fourier-Transformation des maskierten Frequenzspektrums in den Ortsraum.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Teilbilddaten (f_j) jeweils mittels einer Vorwärtsprojektion der Bilddaten (F) und einer anschließenden Rückprojektion eines Teils der projizierten Bilddaten (F) entsprechend einem Teilwinkelbereich (ω_j) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin umfassend: (vi) Vorwärtsprojektion der Bilddaten (F) mit anschließender bewegungskompensierter Rückprojektion mittels des Bewegungsfeldes (s).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Untersuchungsbereich in den Bilddaten (F) segmentiert wird..
Verfahren nach Anspruch 6, wobei als Untersuchungsbereichdas Herz und/oder ein Koronargefäß in den Bilddaten (F) segmentiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Bestimmen des Wertes der Bildmetrik (L) jeweils für einzelne Schnittbilder aus den Bilddaten (F) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei es sich bei der Bildmetrik (L) um einen der folgenden Bildparameter handelt: - Entropie, - Positivität, - Komprimierbarkeit, - totale Variation.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Bewegungsfeld (s) zur Transformation der Teilbilddaten (f_j) zwischen den Kontrollpunkten (t_j) interpoliert wird.
Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wenn das Computerprogramm auf einem Computer (10) ausgeführt wird.
Ein maschinenlesbarer Träger, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 11 abrufbar gespeichert ist.
Computer (10) zur Bildverarbeitung, umfassend einen Speicher zur Speicherung von Computerprogrammen sowie einen Prozessor zur Ausführung der gespeicherten Computerprogramme, wobei auf dem Speicher ein Computerprogramm gespeichert ist, welches alle Verfahrensschritte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 durchführt, wenn das Computerprogramm auf dem Computer (10) ausgeführt wird.
Computertomographie-System (1), umfassend eine Strahlungsquelle (2) sowie einen mit der Strahlungsquelle (2) zusammenwirkenden Strahlungsdetektor (3), ausgelegt zur Erfassung von Messdaten bei einer relativen Rotationsbewegung zwischen der Strahlungsquelle (2) und einem Untersuchungsobjekt innerhalb eines Winkelbereichs, weiterhin umfassend eine Rekonstruktionseinheit, ausgelegt zur Rekonstruktion von Bilddaten (F) aus den Messdaten (MEAS), sowie weiterhin umfassend einen Computer (10) zur Bildverarbeitung nach Anspruch 13.