DE102014222097A1

DE102014222097A1 - Korrektur von globalen Bewegungen des Untersuchungsobjektes basierend auf der Optimierung von Artefaktmetriken

Info

Publication number: DE102014222097A1
Application number: DE102014222097.1A
Authority: DE
Inventors: Karl Stierstorfer; Herbert Bruder; Christopher Rohkohl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2016-05-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Computerprogramm, ein Computerprogrammprodukt und ein Computertomographie-System zur Bewegungskompensation von Bilddaten. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine einfache, schnelle und unkomplizierte Kompensation von globalen Bewegungen des Untersuchungsobjektes während einer CT-Aufnahme, insbesondere Bewegungen des Schädels.

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.
Eine wichtige Anwendung der CT ist die Neurobildgebung (z.B. Spektroskopie, Perfusionsbildgebung, Angiographie usw.) Dabei sind die Messzeiten bei midrange Systemen auch heute noch relativ lang, so dass bei manchen Patienten die Bewegung des Schädels die Bildqualität beeinträchtigen kann. Im Besonderen gilt dies für Schlaganfallpatienten, Kinder oder Patienten mit Erkrankungen, die die Muskelkontrolle beeinträchtigen, z.B. Parkinsonpatienten. Für die sequentielle Akquisition wurde schon frühzeitig ein Verfahren entwickelt, das unter Verwendung von Komplementärprojektionen durch geeignete Datengewichtung am Anfang und Ende eines Vollumlaufscans nichtlokale Bewegungsartefakte reduzieren kann. Viele Verfahren zur Reduzierung von Bewegungsartefakten in der Computertomographie beschäftigen sich vor allem mit der Bewegung des Thorax durch Atmung oder mit der Bewegung des Herzens, die man aus naheliegenden Gründen nicht unterbinden kann.
In Heinz Morneburg (Herausgeber), "Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik", Publicis MCD Verlag, Erlangen, 1995, Seiten 136 und 137 wird ein Verfahren zur Reduzierung von Bewegungsartefakte beschrieben, das auch für nichtperiodische Bewegungen des Untersuchungsobjektes oder Teile des Untersuchungsobjektes geeignet ist. Die Bewegungen werden beispielsweise durch Peristaltik, Atmung, Tremor oder allgemeine Unruhe des Untersuchungsobjektes oder Teile des Untersuchungsobjektes erzeugt.
Bei diesem Verfahren, der sogenannten Multiscantechnik, bewegt sich die Röntgenstrahlenquelle mehrmals um das Untersuchungsobjekt und die den Projektionen zugeordneten Daten werden anschließend gemittelt. Dadurch werden auftretende Bewegungsartefakte reduziert. Nachteilig an diesem Verfahren ist die erhöhte Röntgenstrahlendosis, die das Untersuchungsobjekt wegen der mehrmaligen Bewegung der Röntgenstrahlenquelle um das Untersuchungsobjekt ausgesetzt ist. Ferner werden auch Daten, die einer Bewegung des Untersuchungsobjektes zugeordnet sind, zur Herstellung des Bildes verwendet.
Dagegen stellt die DE 10 123 797 A1 ein Verfahren vor, das Voraussetzungen schafft, negative Auswirkungen einer nicht notwendigerweise periodischen Bewegung des Untersuchungsobjektes oder Teile des Untersuchungsobjektes während der Aufnahmen der Projektionen zu vermindern.
Die DE 10 2012 218 372 A1 ein iteratives Verfahren zur Rekonstruktion von Bilddaten eines Untersuchungsobjektes aus Messdaten, die während einer Bewegung des Untersuchungsobjektes erfasst wurden.
Nachteil vieler der bekannten Verfahren zur Artefakt-Reduktion ist die Komplexität der Verfahren, da sie auch auf Reduktion von Bewegungen des Herzens ausgelegt sind und somit mit komplexen Bewegungsfeldern und vielen Bewegungsfreiheitsgraden arbeiten.
Bei Schädelaufnahmen für die Neurobildgebung hat man dagegen oft sehr viel weniger Bewegungsfreiheitsgrade und findet eher globale Bewegungen vor als bei Aufnahmen des Thorax.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein schnelles und im Vergleich zu üblichen Verfahren weniger komplexes Verfahren zur Reduktion von Bildartefakten aus globalen Bewegungen des Untersuchungsobjektes vorzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1, durch ein Computerprogramm nach Anspruch 12, durch ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 13, durch einen Computer nach Anspruch 14 sowie durch ein Computertomographie-System nach Anspruch 15.
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.
Erfindungsgemäss wird ein neues Verfahren zur Korrektur von globalen Bewegungen des Untersuchungsobjektes in der CT angegeben. Das Bewegungsmodell ist durch eine affine Transformation A (z.B. des Schädels) gegeben. Als globale Bewegung im Sinne dieser Erfindung soll die Bewegung eines weitestgehend starren Körpers gelten, insbesondere eines Körperteils, mit einer stark begrenzten Anzahl von Freiheitsgraden. Im Falle der Schädelbewegung ist eine Drehbewegung um die durch die Wirbelsäule gebildete Achse denkbar (Drehen des Kopfes), sowie zwei Drehachsen senkrecht dazu (Neigen des Kopfes).
Bewegungen mit vielen Freiheitsgraden, wie zum Beispiel ein sich Ausdehnen oder Zusammenziehen eines Körpers (Atmen, Herzbewegung, Pulsieren von Adern) sollen nicht als globale Bewegungen im Sinne der Erfindung gelten.
Die Korrektur basiert auf der Optimierung von Metriken, die auf Bewegungsartefakte in den Schwächungswerten des Bildvolumens f sensitiv sind. Beispiele für mögliche bildbasierte Metriken sind:
die Entropie des Schwächungsbildes, die Entropie des Gradienten des Schwächungsbildes, die L1-Norm des Betrags des Gradientenbildes, Nichtnegativitätskriterium (keine negativen Signale). Die Verwendung von anderen Metriken, die durch die Bewegung des Untersuchungsobjektes beeinflusst werden, ist ebenfalls denkbar und mithin Teil dieser Erfindung.
Die L1-Norm bezeichnet dabei einen normierten Vektorraum L¹. Die L^p-Räume, auch Lebesgue-Räume, sind in der Mathematik spezielle Räume, die aus allen p-fach integrierbaren Funktionen bestehen. Das p in der Bezeichnung ist ein reeller Parameter: Für jede Zahl 0 < p < ∞ ist ein L^p-Raum definiert.
Die Entropie des Schwächungsbildes ist dabei ein Kriterium für die Inhomogenität des Schwächungsbildes. Sehr heterogene Strukturen im Schwächungsbild können auf Bildartefakte hindeuten.
Die Parameter s der affinen Transformation werden an mehreren zeitlichen Kontrollpunkten des zur Rekonstruktion erforderlichen Datenintervalls geschätzt. Für Zeitpunkte zwischen diesen Kontrollpunkten werden die Parameter interpoliert. Zur bewegungskompensierten Rückprojektion kann z.B. die Schäfer-Methode (Schäfer, D., Borgert, J., Rasche, V., and Grass, M., "Motion-compensated and gated cone beam filtered backprojection for 3-d rotational x-ray angiography," IEEE Transactions on Medical Imaging, 25(7):898–906, 2006) verwendet werden. Bei dieser Methode wird vor der Faltungsrückprojektion in jedem Zeitpunkt des Datenintervalls t_n das Bildraster d = (x, y, z) gemäss d‘(t_n) = A(t_n)·d in das Bildraster d‘ = (x‘, y‘, z‘) transformiert. Rückprojiziert wird im Zeitpunkt t_n in das Bildraster d‘.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte, die zum Teil iterativ wiederholt werden:

(I) Zunächst wird das Signal der nicht bewegten Objekte (zum Beispiel die Schädelschale oder der Patiententisch) aus den gemessenen CT Daten eliminiert. Dies geschieht, indem man den Schädel in den CT-Bilddaten segmentiert (Bildvolumen S mit Schwächungsverteilung S(x), Teil der Gesamtschwächungsverteilung des Gesamt-Bildvolumens f). Das Komplement von S im Gesamtvolumen, das durch das Sichtfeld („Scan Field of View“ = ScanFoV) begrenzt ist, wird projiziert und von den Messdaten p subtrahiert. Das verbleibende Signal p_S ist dem bewegten Schädel zugeordnet. Alle im Rahmen der Optimierung erforderlichen Rekonstruktionen werden mit dem Signal p_S durchgeführt.
(II) Rekonstruktion aus den Daten p_S. Dieser Schritt ist Teil der iterativen Wiederholung. Man erhält das Bildvolumen mit der Schwächungsverteilung S(x, s), die auch von den Parametern s der affinen Transformation abhängt.

Beim ersten Durchlauf nach dem Start des Verfahrens werden daher zunächst Parameter s verwendet, die einem unbewegten Objekt zuzuordnen wären, d.h. beim ersten Durchgang wird davon ausgegangen, dass Untersuchungsobjekt unbewegt ist. Erst bei der iterativen Wiederholung werden die optimierten Transformations-Parameter s^k zur Rekonstruktion verwendet.
Sinn dieses Schrittes ist die Möglichkeit das Verfahren bildbasiert durchzuführen. Dadurch benötigt es im Vergleich zu anderen rohdatenbasierten Verfahren einen geringeren Rechenaufwand. Damit erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren als besonders praktisch für die klinische Praxis.

(III) Auswertung einer auf der Schwächungsverteilung S(x, s) definierten Bildmetrik L. Ist die Bildmetrik zum Beispiel die Entropie (d.h. die Heterogenität) des Schwächungsbildes, so wird bei der Auswertung die Entropie bzw. ein Maß dafür über die gesamte Schwächungsverteilung S(x, s) bestimmt. Das Verfahren kann auch so gestaltet werden, dass Subvolumina von S sequentiell abgearbeitet werden.
(IV) Die Schritte (II) bis (IV) werden iterativ durchgeführt. In jeder Iteration k werden die Parameter s^k der globalen affinen Transformation so bestimmt, dass die Bildmetrik L minimiert wird. Dass kann z.B. in einem Gradientenabstiegs-Verfahren geschehen:
wobei τ^k die Schrittweite im Iterationsschritt k bezeichnet.

Bei einer globalen Bewegung des Untersuchungsobjektes, wie etwa einer Schädelbewegung, gibt es nur relativ wenige Freiheitsgrade. Meist handelt es sich um Rotationsbewegungen um die Wirbelsäule, wenn der Kopf gedreht wird. Eine Kippbewegung ist zusätzlich denkbar, wenn der Kopf gehoben oder gesenkt wird.
Da die Anzahl der zu bestimmenden Parameter s^k daher eher gering ist, sind auch andere Optimierungsverfahren geeignet, wie zum Beispiel Intervallhalbierungsverfahren, Downhill-Simplex-Verfahren, Sekantenverfahren, konjugierte Gradienten Verfahren, Quasi-Newton-Verfahren. Diese Aufzählung ist beispielhaft und keinesfalls abschließend.
Die Transformations-Parameter s^k beschreiben dabei die globale Bewegung, d.h. die Bewegung eines starren Körpers, insbesondere die Bewegung eines Schädels.

(V) Es erfolgt eine Überprüfung, ob ein Abbruchkriterium der Iteration erreicht ist, zum Beispiel nach einer festen Anzahl von Iterationen oder wenn die Werte L_k die Bedingung |L_k – L_k+1| ≤ ε (wobei ε einen Schwellenwert bezeichnet) erfüllen.

Dabei kann der Abbruch der Iterationsschleife entweder in Schritt (II) erfolgen, nach der Rekonstruktion aus S(x, s), oder aber in einem eigenständigen Schritt (V), wobei in dem Fall dann Schritt (VI) noch eine Rekonstruktion aus S(x, s) enthalten muss. Beide Lösungen sind aber äquivalent.

(VI) Es wird mit den bewegungskompensierten Schwächungswerten S(x, s) eine Bildrekonstruktion durchgeführt (überflüssig, wenn die Iteration in Schritt (II) abgebrochen wird und das Bild an einer Benutzerschnittstelle des Computertomographiegeräts oder C-Bogen-Gerätes ausgegeben.

Alternativ können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch rohdatenbasierte Metriken ausgewertet werden. Dazu müssten dann Schritte 2 und 4 vertauscht werden.
Auswertung einer rohdatenbasierten Metrik L_raw. Schritt (II):
In jeder Iteration k werden die Parameter s^k der affinen globalen Transformation so bestimmt, dass die Bildmetrik L_raw minimiert wird. Dass kann auch in diesem Fall beispielsweise mit einem Gradientenabstiegs-Verfahren geschehen:
Da die Anzahl der zu bestimmenden Parameter s^k, aufgrund der bei globalen Bewegungen geringen Anzahl der Freiheitsgerade, gering ist, sind auch bei dieser Vorgehensweise andere Optimierungsverfahren geeignet (siehe oben).
Schritt (IV): Bewegungskompensierte Rekonstruktion aus den Daten p_S. Man erhält das Bildvolumen S(x, s).
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Subvolumina des Bildvolumens S segmentiert. 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 erfindungsgemäße Verfahren schneller und mit geringerem Rechenaufwand durchgeführt werden kann.
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 konkret um die Entropie des Schwächungsbildes, die Entropie des Gradienten des Schwächungsbildes, die L1-Norm des Betrags des Gradientenbildes, die Positivität bzw. Nicht-Negativität der Signale, die Komprimierbarkeit oder die totale Variation der Bilddaten. Denn diese Parameter sind jeweils ein gutes Maß für Bewegungsartefakte. Auch andere, hier nicht genannte Parameter, die sich bei Bewegungen des Untersuchungsobjektes ändern, sind für das Optimierungsverfahren geeignet.
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 erfindungsgemäße 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.
Zusammenfassend kann man sagen, die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Computerprogramm, ein Computerprogrammprodukt und ein Computertomographie-System zur Bewegungskompensation von Bilddaten. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine einfache, schnelle und unkomplizierte Kompensation von globalen Bewegungen des Untersuchungsobjektes während einer CT-Aufnahme, insbesondere Bewegungen des Schädels.
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 beispielhafte Darstellung der Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von CT-Bildern.
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 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, 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 Computertomographie-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. 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 f 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.
Bei der Initialisierung 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 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. Insbesondere kann der Untersuchungsbereich, also z.B. Gefäß im Gehirn eines Patienten P, in den Bilddaten f als Region of Interest ROI segmentiert werden.
Danach wird zunächst in Schritt (I) des Optimierungsprozesses das Signal der nicht bewegten Objekte (Schädelschale, Patiententisch) aus den gemessenen CT Daten eliminiert. Dies geschieht zum Beispiel, indem man den Schädel im Bildvolumen segmentiert (Bildvolumen S). Das Komplement von S im Gesamtvolumen, also quasi das Gesamtbild ohne Schädel, wird projiziert und von den Messdaten p subtrahiert. Übrig bleiben dann nur noch die Bilddaten des bewegten Schädels, die hier mit p_s bezeichnet werden sollen. Alle im Rahmen der Optimierung erforderlichen Rekonstruktionen werden mit den Daten p_S durchgeführt.
Schritt (II): Rekonstruktion aus den Daten p_S. Man erhält die Schwächungsverteilung S(x, s), die auch von den bewegungsabhängigen Parametern s der affinen Transformation abhängt.
Schritt (III): Auswertung einer auf der Schwächungsverteilung S(x, s) definierten Bildmetrik L.
Schritt (IV): In jeder Iteration k werden die Parameter s^k der globalen affinen Transformation so bestimmt, dass die Bildmetrik L minimiert wird. Dass kann z.B. in einem Gradientenabstiegs-Verfahren geschehen. Da die Anzahl der zu bestimmenden Parameter s^k gering ist, sind auch andere Optimierungsverfahren geeignet.
Schritt (V): Die Schritte (II) bis (IV) werden iterativ durchgeführt, bis ein Abbruchkriterium erreicht ist. Im Verlauf der Iteration der Schritte (II) bis (IV) ändern sich durch die ständige Anpassung von s^k auch die Daten p_S entsprechend der Optimierung der Bildmetrik L, so dass bei jedem Iterationsschritt ein geänderter Satz Daten p_S an Schritt (II) bzw. nach Erreichen des Abbruchkriteriums an Schritt (VI) übergeben wird.
Schritt (VI): Es erfolgt eine Bildausgabe aus der bewegungskompensierten Schwächungsverteilung S(x, s) auf Basis der Daten p_S.
4 zeigt CT-Bildaufnahmen eines Schädels als Beispiel für die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens. 4a zeigt die Bildrekonstruktion eines unbewegten Schädels. Die Strukturen im Schädel, insbesondere die Knochenstrukturen wie Wirbelkörper (unterhalb der Bildmitte) und Kieferknochen (oben im Bild), aber auch der Eingang zur Lufröhre (Bildmitte, schwarz) sind ganz klar zu erkennen.
4b zeigt die Bildrekonstruktion eines bewegten Schädels. Aufgrund der Bewegungsartefakte wirkt das Bild unscharf und verschwommen. Selbst auffällige Strukturen, wie Knochen oder Luftröhre sind nur noch unscharf zu erkennen. Details, wie man sie zur medizinischen Diagnostik benötig sind kaum noch auszumachen.
4c zeigt die Bildrekonstruktion eines bewegten Schädels nach erfindungsgemäßer Bewegungskorrektur. Feinstrukturen sind wieder zu erkennen, das Bild ist annähernd so scharf wie das Bild des unbewegten Schädels.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10123797 A1 [0006]
DE 102012218372 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Heinz Morneburg (Herausgeber), “Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik”, Publicis MCD Verlag, Erlangen, 1995, Seiten 136 und 137 [0004]
Schäfer, D., Borgert, J., Rasche, V., and Grass, M., "Motion-compensated and gated cone beam filtered backprojection for 3-d rotational x-ray angiography," IEEE Transactions on Medical Imaging, 25(7):898–906, 2006 [0019]

Claims

Verfahren zur Bewegungskompensation von Bilddaten (F) eines global 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, und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (I) Bestimmen des Signals p_S des global bewegten Untersuchungsobjektes aus den Bilddaten (F); (II) Rekonstruktion des Bildvolumens S mit der Schwächungsverteilung S(x, s) unter Berücksichtigung der Bewegungsparameter s aus dem Signal p_S des global bewegten Untersuchungsobjektes; (III) Auswertung einer auf der Schwächungsverteilung S(x, s) definierten Bildmetrik L; (IV) Bestimmung von Parametern s^k einer globalen affinen Transformation, derart, dass die Bildmetrik L minimiert wird; (V) Wiederholen der Schritte (II) bis (IV) so lange, bis ein Abbruchkriterium erreicht ist, (VI) Erzeugen neuer, bewegungskompensierter Bilddaten (S) aus der bewegungskompensierten Schwächungsverteilung S(x, s).
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (I) das Signal des bewegten Untersuchungsobjektes p_S ermittelt wird, indem das bewegte Untersuchungsobjekt im Bildvolumen S segmentiert, das Komplement von S im Gesamtvolumen projiziert und von den Messdaten p subtrahiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (III) Subvolumina von S sequentiell abgearbeitet werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (IV) mittels eines Gradientenabstiegs-Verfahrens durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Iterationsschleife bei einer festen Anzahl von Iterationen abgebrochen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Iterationsschleife abgebrochen wird, wenn die Werte L_k die Bedingung |L_k – L_k+1| ≤ ε erfüllen, wobei ε ein Schwellwert ist.
Verfahren nach gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Winkelbereich um den minimalen für eine tomographisch vollständige Rekonstruktion benötigten Winkelbereich handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei den Bilddaten (F) um die Bilddaten eines segmentierten Untersuchungsobjekts handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das bewegte Untersuchungsobjekt der Schädel eines Patienten ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Minimieren der Bildmetrik (L) jeweils für einzelne Schnittbilder aus den Bilddaten (F) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Bildmetrik (L) um einen der folgenden Bildparameter handelt: – Entropie des Schwächungsbildes, – Entropie des Gradienten des Schwächungsbildes, – L1-Norm des Betrags des Gradientenbildes – Positivität, – Nicht-Negativität – Komprimierbarkeit, – totale Variation.
Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wenn das Computerprogramm auf einem Computer (10) ausgeführt wird.
Computerprogrammprodukt in Form eines maschinenlesbaren Trägers, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 12 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 11 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 14.