DE102015206630B4 - Multispektrale CT-Bildgebung - Google Patents

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Abstract

Multispektrales Röntgenbildgebungsverfahren (100, 200), vorzugsweise für die multispektrale CT-Bildgebung, aufweisend die Schritte:- Erfassen von spektral aufgelösten Projektionsmessdaten (PMD(sn(f))) von einem abzubildenden Bereich (VOI) eines Untersuchungsobjekts (O), welche einer Mehrzahl von vorbestimmten unterschiedlichen Teilspektren (sn(f)) zugeordnet sind,- Rekonstruieren von spektral aufgelösten Bilddaten (BD(sn(f)), welche eine Mehrzahl von Schwächungswerten (µn(xi,sn(f))) für jeden Bildpunkt (xi) des abzubildenden Bereichs (VOI) umfassen, wobei die Schwächungswerte (µn(xi,sn(f))) jeweils einem der vorbestimmten unterschiedlichen Teilspektren (sn(f)) zugeordnet sind,- Ermitteln eines extremalen Schwächungswerts (µext(xi,sn_ext(f))) für jeden Bildpunkt (xi) auf Basis der Mehrzahl von Schwächungswerten (µn(xi,sn(f))),- Erzeugen eines repräsentativen Bilddatensatzes (BDR), wobei jedem Bildpunkt (xi) der ermittelte extremale Schwächungswert (µext(xi,sn_ext(f))) zugewiesen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein multispektrales Bildgebungsverfahren. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Bilddaten-Ermittlungseinrichtung. Überdies betrifft die Erfindung auch ein Computertomographiesystem.
  • Mit Hilfe moderner bildgebender Verfahren werden häufig zwei- oder dreidimensionale Bilddaten erzeugt, die zur Visualisierung eines abgebildeten Untersuchungsobjekts und darüber hinaus auch für weitere Anwendungen genutzt werden können.
  • Häufig basieren die bildgebenden Verfahren auf der Erfassung von Röntgenstrahlung, wobei sogenannte Projektionsmessdaten erzeugt werden. Beispielsweise können Projektionsmessdaten mit Hilfe eines Computertomographie-Systems (CT-Systems) akquiriert werden. Bei CT-Systemen läuft gewöhnlich eine an einer Gantry angeordnete Kombination aus Röntgenquelle und gegenüberliegend angeordnetem Röntgendetektor um einen Messraum um, in dem sich das Untersuchungsobjekt (das im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Patient bezeichnet wird) befindet. Das Drehzentrum (auch „Isozentrum“ genannt) fällt dabei mit einer sogenannten Systemachse z zusammen. Bei einem oder mehreren Umläufen wird der Patient mit Röntgenstrahlung der Röntgenquelle durchstrahlt, wobei mit Hilfe des gegenüberliegenden Röntgendetektors Projektionsmessdaten bzw. Röntgenprojektionsdaten erfasst werden.
  • Die erzeugten Projektionsmessdaten, kurz auch als Projektionsdaten bezeichnet, sind insbesondere von der Bauart des Röntgendetektors abhängig. Röntgendetektoren weisen gewöhnlich eine Mehrzahl an Detektionseinheiten auf, die meist in Form eines regelmäßigen Pixelarrays angeordnet sind. Die Detektionseinheiten erzeugen jeweils für auf die Detektionseinheiten auftreffende Röntgenstrahlung ein Detektionssignal, welches zu bestimmten Zeitpunkten hinsichtlich Intensität und spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung analysiert wird, um Rückschlüsse auf das Untersuchungsobjekt zu erhalten und Projektionsmessdaten zu erzeugen.
  • Herkömmlich weisen CT-Bilddaten Bildpunkte mit Grauwerten auf, die jeweils dem gemessenen Schwächungswert bei jedem einzelnen Bildpunkt eines abzubildenden Bereichs entsprechen. Wenn im Folgenden von Bildpunkt gesprochen wird, sind damit zum Beispiel ein zweidimensionales Pixel und ein dreidimensionales Voxel gemeint. Bei dem gemessenen Schwächungswert handelt es sich um den Beitrag, den der entsprechende Objektpunkt im abzubildenden Bereich zur Gesamtschwächung, die die eingestrahlte Röntgenstrahlung erfahren hat, beiträgt. Dieser Schwächungswert wird in Hounsfield-Units angegeben. Dabei entspricht ein Wert von -1000 HU einer Schwächung, welche durch Luft erzeugt wurde, und 0 HU einer Schwächung, welche der Schwächung von Wasser entspricht. Üblicherweise werden die Bilddaten als grauwertkodierte zweidimensionale Bilder dargestellt.
  • Um auch die dritte Dimension eines abzubildenden Volumenbereichs zu berücksichtigen, gibt es verschiedene Darstellungsmöglichkeiten. Beispielsweise werden eine Mehrzahl von zweidimensionalen Bildern nebeneinander dargestellt. Dabei repräsentiert jedes der zweidimensionalen Bilder eine Schicht eines dreidimensionalen Volumens. Die zweidimensionalen Bilder können auch hintereinander darstellt werden, so dass man mit einer Maus oder einer anderen steuernden Eingabeeinrichtung durch das abgebildete Volumen blättern kann. Zur Bildung der einzelnen Schichtbilder kann zum Beispiel dreidimensionales Bilddatenmaterial, welches einer Schicht zugeordnet ist, reformatiert werden. Hierbei wird zum Beispiel eine Mittelwertbildung der Bilddaten in Schichtrichtung, d.h. in Richtung senkrecht zur Schichtebene, vorgenommen und der berechnete Mittelwert in einem der Schicht zugeordneten zweidimensionalen Bild dargestellt. Eine solche Reformatierung wird auch als Multi-Planar-Reformatierung (MPR) bezeichnet. Alternativ kann auch eine Berechnung des Maximal- oder Minimalwerts in Richtung senkrecht zur Schichtebene vorgenommen werden und der berechnete Maximal- oder Minimalwert in einem der Schicht zugeordneten zweidimensionalen Bild dargestellt werden. In dem Fall einer Darstellung der Maximalwerte wird im Zusammenhang mit einer solchen Vorgehensweise auch von einer Projektion des maximalen Intensitätswerts (maximum intensity projection = MIP) gesprochen. Für den Fall einer Darstellung der Minimalwerte wird im Zusammenhang mit einer solchen Vorgehensweise auch von einer Projektion des minimalen Intensitätswerts (minimum intensity projection = MinIP) gesprochen.
  • Bei einer Reihe von Anwendungen von CT-Systemen werden mehrere Datensätze bzw. Projektionsdatensätze von unabhängigen Messungen erfasst, die dasselbe Objekt betreffen. Solche Datensätze werden zum Beispiel bei dem Einsatz von Aufnahmen mit mehreren Energieschwellen, sogenannten Multi-Energy-Scans, aufgenommen. Bei den Multi-Energy-Scans werden Daten eines quantenzählenden Detektors mit einer oder mehreren Energieschwellen erfasst, wobei den jeweiligen von den Energieschwellen getrennten Energiebereichen unterschiedliche Datensätze zugeordnet sind.
  • In diesem Fall liegen für jeden Punkt eines abzubildenden Bereichs mehrere Schwächungswerte vor, die jeweils einem der unterschiedlichen Datensätze zugeordnet sind und zusammengenommen die spektrale Abhängigkeit der Schwächungswerte der einfallenden Röntgenstrahlung beschreiben. Prinzipiell lassen sich spektrale Abhängigkeiten durch die Angabe von verschiedenen Schwächungswerten für verschiedene Spektren bzw. Spektralintervalle charakterisieren oder auch durch Angabe der Anteile verschiedener Basismaterialien am jeweiligen Messpunkt. Dabei sind den Basismaterialien Teilspektren zugeordnet, welche zusammen das Gesamtspektrum der spektralen Abhängigkeit der Bilddaten ergeben. Die Spektralabhängigkeit der Bilddaten entspricht also einer vierten Dimension der bei der Messung erzeugten Daten. Vierdimensionale Messdaten lassen sich jedoch nur schwer anschaulich darstellen.
  • Herkömmlich werden diese vierdimensionalen Daten in dreidimensionale Volumendaten aufgeteilt, die jeweils einem Spektralanteil entsprechen, und die nach Spektralanteil getrennten dreidimensionalen Daten separat angezeigt. Eine solche Darstellung vierdimensionaler Messdaten ist jedoch sehr unübersichtlich und aufwändig.
  • Die Druckschrift US 2012/0 063 662 A1 offenbart eine Bildverarbeitungsvorrichtung, welche eine Niederfrequenzbandkomponente und eine Hochfrequenzbandkomponente aus einem Strahlungsbild extrahiert, an der Niederfrequenzbandkomponente einen Kontrastverbesserungsprozess und an der Hochfrequenzbandkomponente ein Detailverbesserungsprozess durchführt, und anschließend darauf basierend ein Bild synthetisiert.
  • In Rodrigues et al.: „Multimodal Image Fusion Techniques for Medical Images using Wavelets“ (International Journal of Research in Advent Technology, Vol.2, No.3, March 2014) wird ein Bildfusionsverfahren beschrieben, wobei eine Bildfusion im Ortsfrequenzraum unter Anwendung einer Wavelet-Transformation durchgeführt wird.
  • Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der multispektralen Bildgebung einen Bilddatensatz zu erzeugen, welcher übersichtlicher darstellbar ist und gleichzeitig die wesentliche spektrale Bildinformation umfasst.
  • Diese Aufgabe wird durch ein multispektrales Bildgebungsverfahren gemäß Patentanspruch 1, durch eine Bilddaten-Ermittlungseinrichtung gemäß Patentanspruch 12 und durch ein Computertomographiesystem gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
  • Bei dem erfindungsgemäßen multispektralen Bildgebungsverfahren, welches vorzugsweise als multispektrales CT-Bildgebungsverfahren ausgebildet sein kann, werden spektral aufgelöste Projektionsmessdaten von einem abzubildenden Bereich eines Untersuchungsobjekts erfasst. Die Projektionsmessdaten sind einer Mehrzahl von vorbestimmten unterschiedlichen Teilspektren zugeordnet. Die Teilspektren können zum Beispiel Frequenzintervallen entsprechen, die durch Energieschwellen von Röntgendetektoren definiert sind. Die Teilspektren können auch durch einzelnen Basismaterialien zugeordnete Spektralanteile definiert sein. Bei dem erfindungsgemäßen multispektralen Bildgebungsverfahren werden aus den erfassten Projektionsmessdaten weiterhin spektral aufgelöste Bilddaten rekonstruiert. Diese Bilddaten umfassen eine Mehrzahl von Schwächungswerten für jeden Bildpunkt des abzubildenden Bereichs, wobei die Bilddaten jeweils einem der vorbestimmten unterschiedlichen Teilspektren zugeordnet sind. D.h., jedem Bildpunkt ist nicht nur ein Schwächungswert zugeordnet, sondern ihm ist jeweils eine Mehrzahl von Schwächungswerten in Abhängigkeit von den erwähnten Teilspektren zugeordnet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zudem ein extremaler Schwächungswert für jeden Bildpunkt auf Basis der Mehrzahl von Schwächungswerten ermittelt. Der extremale Schwächungswert kann zum Beispiel ein Minimalwert oder ein Maximalwert sein, d.h. der spektrale Schwächungswert unter den einem Bildpunkt zugeordneten spektralen Schwächungswerten, welcher einen Wert minimaler Abschwächung bzw. maximaler Abschwächung darstellt. Schließlich wird ein repräsentativer Bilddatensatz erzeugt, wobei jedem Bildpunkt der jeweils zu dem einzelnen Bildpunkt ermittelte extremale Schwächungswert zugewiesen wird. Ein solcher Bilddatensatz bietet eine komprimierte Information hinsichtlich der in dem abzubildenden Bereich vorliegenden abzubildenden Struktur. Wird zum Beispiel als Extremalwert jeweils der Maximalwert der Schwächungswerte gewählt, so wird eine Abbildung mit einem günstigen Signal/ Rausch-Verhältnis erzeugt. Zudem kann davon ausgegangen werden, dass der jeweils größte Schwächungswert eines Bildpunkts das an dieser Stelle vorherrschende Material repräsentiert sowie auch strukturelle Merkmale am besten wiedergibt.
  • Die erfindungsgemäße Bilddaten-Ermittlungseinrichtung, insbesondere für die multispektrale CT-Bildgebung, weist eine Eingangsschnittstelle zum Erfassen von spektral aufgelösten Projektionsmessdaten von einem abzubildenden Bereich eines Untersuchungsobjekts auf, wobei die Projektionsmessdaten einer Mehrzahl von vorbestimmten unterschiedlichen Teilspektren zugeordnet sind. Die erfindungsgemäße Bilddaten-Ermittlungseinrichtung weist außerdem eine Rekonstruktionseinheit zum Rekonstruieren von spektral aufgelösten Bilddaten auf, welche eine Mehrzahl von vorbestimmten Teilspektren zugeordneten Schwächungswerten für jeden Bildpunkt des abzubildenden Bereichs umfassen. Teil der erfindungsgemäßen Bilddaten-Ermittlungseinrichtung ist auch eine Schwächungswert-Ermittlungseinheit zum Ermitteln eines extremalen Schwächungswerts für jeden Bildpunkt. Zudem umfasst die erfindungsgemäße Bilddaten-Ermittlungseinrichtung eine Bilddatensatz-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines repräsentativen Bilddatensatzes, wobei jedem Bildpunkt der ermittelte extremale Schwächungswert zugewiesen wird.
  • Das erfindungsgemäße Computertomographiesystem weist die erfindungsgemäße Bilddaten-Ermittlungseinrichtung auf.
  • Die wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Bilddaten-Ermittlungseinrichtung können zum überwiegenden Teil in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Dies betrifft insbesondere die Rekonstruktionseinheit, die Schwächungswert-Ermittlungseinheit und die Bilddatensatz-Erzeugungseinheit. Grundsätzlich können diese Komponenten aber auch zum Teil, insbesondere wenn es um besonders schnelle Berechnungen geht, in Form von softwareunterstützter Hardware, beispielsweise FPGAs oder dergleichen, realisiert sein. Ebenso können die benötigten Schnittstellen, beispielsweise wenn es nur um eine Übernahme von Daten aus anderen Softwarekomponenten geht, als Softwareschnittstellen ausgebildet sein. Sie können aber auch als hardwaremäßig aufgebaute Schnittstellen ausgebildet sein, die durch geeignete Software angesteuert werden.
  • Insbesondere kann die erfindungsgemäße Bilddaten-ErmittlungsEinrichtung Teil eines Benutzerterminals bzw. einer Steuereinrichtung eines CT-Systems sein.
  • Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Steuereinrichtungen auf einfache Weise durch ein Software-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung einer Steuereinrichtung eines Computertomographiesystems ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in der Steuereinrichtung ausgeführt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile wie z. B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten auch Hardware-Komponenten, wie z.B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen
  • Zum Transport zur Steuereinrichtung und/oder zur Speicherung an oder in der Steuereinrichtung kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit der Steuereinrichtung einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen.
  • Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Dabei können insbesondere die Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein. Zudem können im Rahmen der Erfindung auch die verschiedenen Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
  • In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Teilspektren verschiedenen Frequenzintervallen zugeordnet. Wie bereits erwähnt, erfassen Detektoren mit mehreren Energieschwellen Röntgenstrahlung nach Frequenzintervallen getrennt. Diesen einzelnen Frequenzintervallen werden je nach erfasster Zählrate unterschiedliche Schwächungswerte zugewiesen. Die erfassten Schwächungswerte bilden ein Spektrum, das auch in Teilspektren, denen jeweils Basismaterialien zugeordnet sind, zerlegt werden kann, wobei die bei der Zerlegung ermittelten Koeffizienten eine Information bezüglich des Anteils der in dem Bildpunkt auftretenden Basismaterialien darstellt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der extremale Schwächungswert ein Maximalwert. Damit ist der größte Abschwächungswert der Anzahl von Schwächungswerten gemeint, die einem gemeinsamen Bildpunkt zugewiesen sind.
  • Alternativ kann der extremale Schwächungswert auch ein Minimalwert sein. Damit ist der kleinste Abschwächungswert der Anzahl von Schwächungswerten gemeint, die einem gemeinsamen Bildpunkt zugewiesen sind.
  • Als Beispiel für die Darstellung eines minimalen Abschwächungswerts kann in einer Aufnahme mit Iod-Kontrastmittel durch die Wahl des „kleinsten“ Schwächungswertes über alle Schwellen bzw. Teilspektren ein quasi „Iod-freies“ Bild erreicht werden, so dass diese Darstellung einem nativen Scan ähnelt.
  • Bei der Wahl des „größten“ Schwächungswertes wird für den Fall der Anwendung eines Iod-Kontrastmittels ein maximaler Iod-Kontrast erreicht und somit wird ein optimales Kontrastbild erreicht.
  • Alternativ kann eine Darstellung mit „kleinsten“ Schwächungswerten für die Darstellung von Calcium in Gefäßen geeignet sein, da durch den hohen intrinsischen Kontrast von Kalk bzw. Knochen das in der Literatur beschriebene Blooming als Effekt auftreten kann, welches in einer solchen Darstellung ebenfalls reduziert wäre, und man die echte Ausdehnung der Kalzifizierung besser beurteilt werden kann.
  • In einer besonders effektiven Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei dem Erzeugen eines repräsentativen Bilddatensatzes jedem der Bildpunkte zusätzlich eine Information bezüglich des dem ermittelten extremalen Schwächungswert zugeordneten extremalen Teilspektrums zugewiesen. Anders ausgedrückt, wird dem repräsentativen Bilddatensatz eine Information hinsichtlich der spektralen Herkunft des extremalen Schwächungswerts zugeordnet.
  • In einer alternativen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jedem der Teilspektren ein Spektralwert zugewiesen. Unter einem Spektralwert soll eine Größe verstanden werden, anhand deren Wert man auf die spektrale Herkunft des jeweiligen Schwächungswerts schließen kann. Dieser Spektralwert kann zum Beispiel einer Energieschwelle eines Detektors mit einem bestimmten KV-Wert zugeordnet sein. Er kann auch einem bestimmten Basismaterial zugeordnet sein.
  • Besonders bevorzugt ist es, dass die zusätzliche Information bezüglich des dem ermittelten extremalen Schwächungswert zugeordneten extremalen Teilspektrums einen dem jeweils zugeordneten extremalen Teilspektrum zugeordneten Extremal-Spektralwert umfasst. In dieser Variante gibt der Extremal-Spektralwert Auskunft über die spektrale Herkunft des ermittelten extremalen Schwächungswerts.
  • In einer besonders einfach zu realisierenden Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der repräsentative Bilddatensatz derart ausgebildet, dass die jedem Bildpunkt zugeordneten extremalen Schwächungswerte als Graustufenwerte dargestellt werden.
  • In einer besonders effektiven Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der repräsentative Bilddatensatz derart dargestellt, dass die jedem Bildpunkt zugeordneten extremalen Schwächungswerte in Abhängigkeit von dem zugeordneten extremalen Spektralwert mit unterschiedlichen Farben dargestellt werden, deren Intensität von der Höhe des jeweiligen extremalen Schwächungswerts abhängig ist.
  • In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden für jeden Bildpunkt ein zusätzlicher zweit-höchster oder zweit-kleinster spektraler Schwächungswert oder weitere zusätzliche spektrale Schwächungswerte ermittelt. Außerdem werden bei dem Schritt des Erzeugens eines repräsentativen Bilddatensatzes jedem Bildpunkt zusätzlich die ermittelten zusätzlichen spektralen Schwächungswerte und deren zugeordnete Teilspektren und/oder die den Teilspektren entsprechenden Spektralwerte zugeordnet.
  • Der repräsentative Bilddatensatz kann zum Beispiel derart dargestellt werden, dass die einem gemeinsamen Bildpunkt zugeordneten extremalen und zusätzlichen spektralen Schwächungswerte in Abhängigkeit von dem jeweils zugeordneten Spektralwert mit unterschiedlichen Farben dargestellt werden, deren Intensität von der Höhe des jeweiligen spektralen Schwächungswerts abhängig ist, und die dem gemeinsamen Bildpunkt zugeordneten extremalen und zusätzlichen spektralen Schwächungswerte gemeinsam als Farbmischungen aus den Farben dargestellt werden, die den dem gemeinsamen Bildpunkt zugeordneten extremalen und zusätzlichen spektralen Schwächungswerten zugeordnet sind. Anders ausgedrückt, werden in dieser Ausgestaltung durch die Farbmischungen die Spektralanteile einer Abschwächung in einem Bildpunkt durch verschiedene Farben dargestellt, welche gemeinsam eine Farbmischung ergeben. Dabei wird die Intensität der einzelnen Farben durch die Höhe der zugeordneten Abschwächungswerte bestimmt. Auf diese Weise erhält die Bilddatenstellung eine zusätzliche Dimension, die Auskunft über die Spektralanteile in jedem Bildpunkt gibt.
  • Bevorzugt umfassen die den jeweiligen spektralen Schwächungswerten zugeordneten Farbwerte Elementarfarben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch dahingehend modifiziert werden, dass der erzeugte repräsentative Bilddatensatz in mehrere Schichten aufgeteilt wird, die als zweidimensionale Bilddaten dargestellt werden, wobei die zweidimensionale Darstellung als räumliche MIP- oder MinIP- oder MPR-Darstellung durchgeführt wird.
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 ein Flussdiagramm, welches ein multispektrales Bildgebungsverfahren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
    • 2 ein Flussdiagramm, welches ein multispektrales Bildgebungsverfahren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
    • 3 ein Flussdiagramm, welches ein multispektrales Bildgebungsverfahren gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
    • 4 ein Blockschaltbild mit einer Bilddaten-Ermittlungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    • 5 eine schematische Darstellung eines Computertomographiesystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • In 1 ist ein multispektrales Bildgebungsverfahren 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Bei dem Schritt 1.1 des Verfahrens 100 werden zunächst spektral aufgelöste Projektionsmessdaten PMD(sn(f)) von einem abzubildenden Bereich VOI eines Untersuchungsobjekts O (siehe 5) aufgenommen. Hierzu werden an eine Messeinheit eines CT-Systems 1 (siehe 5) Akquisitionssteuersignale übermittelt und Projektionsmessdaten PMD erfasst. Die Projektionsmessdaten können zum Beispiel mit Hilfe eines CT-Detektors mit mehreren Energieschwellen aufgenommen werden. Diese Projektionsmessdaten umfassen beispielsweise eine Mehrzahl von unabhängigen Projektionsmessdatensätzen PMDn, die unterschiedlichen Teilspektren sn(f) zugeordnet sind. Diese Teilspektren sn(f) können zum Beispiel einfach durch mindestens einen Schwellwert aufgeteilte Teilspektren sein. In diesem Fall ist also jedem Teilspektrum sn(f) ein Frequenzabschnitt des Gesamtspektrums zugeordnet. Die Teilspektren können aber auch in sogenannten Basismaterialien zugeordnete Teilspektren zerlegt werden, deren Überlagerung das Gesamtspektrum der erfassten Projektionsmessdaten ergibt. In diesem Fall kann anstatt der Zuordnung der Projektionsmessdatensätze PMDn zu Frequenzabschnitten eine Zuordnung zu einzelnen Basismaterialien vorgenommen werden. Beide Arten der Spektralzerlegung der Projektionsmessdaten PMD sollen von der Formulierung der spektralen Zerlegung in Projektionsmessdatensätze PMDn umfasst sein.
  • Bei dem Schritt 1.II werden nun spektral aufgelöste Bilddaten BD(Sn(f)) rekonstruiert. Unter einer Rekonstruktion soll in diesem Zusammenhang eine übliche Bilddatenrekonstruktion der unabhängigen Projektionsmessdatensätze PMDn zu Bilddaten, beispielsweise mit Hilfe einer gefilterten Rückprojektion, verstanden werden. Die Bilddaten BD lassen sich in spektral aufgelöste Bilddatensätze BDn aufteilen, die jeweils einem der unabhängigen Projektionsmessdatensätze PMDn zugeordnete ortsabhängige, d.h. jeweils einem Bildpunkt xi zugeordnete, Schwächungswerte (µn(xi,sn(f))) umfassen. Anders ausgedrückt, wird bei einer Aufteilung in N Teilspektren (beispielsweise, wenn die Detektoren N-1 Energieschwellen umfassen) also jedem Bildpunkt xi ein Satz von N spektral unterschiedlichen Schwächungswerten (µn(xi,sn(f))) zugeordnet
  • Bei dem Schritt 1.III wird nun zu jedem Bildpunkt xi ein Extremalwert (uext (xi,sn_ext(f))) der spektral unterschiedlichen Schwächungswerte (µn(xi,sn(f))) ermittelt. Beispielsweise kann dies der Schwächungswert des Satzes von spektral unterschiedlichen Schwächungswerten µn(xi,sn(f)) sein, der von diesen den höchsten Wert aufweist.
  • Bei dem Schritt 1.IV wird ein repräsentativer Bilddatensatz BDR erzeugt, der als Schwächungswerte die bei dem Schritt 1. III ermittelten Extremalwerte µext (xi,sn_ext(f)) umfasst.
  • Bei dem Schritt 1.V werden die ermittelten Bilddaten als Grauwerte GSW bildlich dargestellt, deren jeweilige Graustufe dem jeweils zugeordneten Extremalwert µext (xi,sn_ext(f)) entspricht. Die gewählte bildliche Darstellung kann anschaulich auch als MIP bzw. MinIP in spektraler Richtung bezeichnet werden.
  • In 2 ist ein Verfahren 200 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Bei dem Verfahren 200 wird zusätzlich zu der bereits bei dem ersten Ausführungsbeispiel gewählten Darstellung als MIP bzw. MinIP in spektraler Richtung die Information über die spektrale Herkunft des jeweiligen Abschwächungswerts bildlich dargestellt. Auf diese Weise erhalten die Bilddaten eine Art zusätzliche spektrale Dimension.
  • Die Schritte 2.1 bis 2.IV entsprechen den Schritten 1.1 bis 1.IV, so dass auf die Erläuterungen hierzu im Zusammenhang mit der 1 verwiesen wird. Bei dem Schritt 2.V werden zusätzlich zu den extremalen Abschwächungswerten, den Bilddaten BDR noch Informationen sn_ext bezüglich der spektralen Herkunft der Extremalwerte hinzugefügt. Weiterhin werden diese spektralen Informationen sn_ext durch einen Spektralwert vsn_ext charakterisiert. Bei dem Schritt 2.VI werden den Spektralwerten vsn_ext jeweils Farbwerte FW zugeordnet, wobei der Farbwert FW zum Beispiel einer Farbe C eines Farbspektrums entspricht, welche einem der Projektionsmessdatensätze PMDn, die unterschiedlichen Teilspektren sn(f) zugeordnet sind, entspricht bzw. zugeordnet ist. Mit dieser Farbe C wird also die Herkunft der Bilddaten dargestellt, wobei als Herkunft die Zuordnung zu einem der Projektionsmessdatensätze PMDn zu verstehen ist, welche jeweils einem Teilspektrum bzw. Spektralabschnitt zugeordnet sind. Bei dem Schritt 2.VII werden die ermittelten Bilddaten als farbige Bilddaten C entsprechend den ermittelten Farbwerten FW und den repräsentativen Bilddaten BDR bildlich dargestellt. Bei der Darstellung entspricht die Intensität einer Farbe dem jeweils zugeordneten spektralen Extremalwert µext (xi,sn_ext (f)) und die Farbe der jeweiligen spektralen Herkunft. Die gewählte bildliche Darstellung kann anschaulich auch als MIP bzw. MinIP in spektraler Richtung bezeichnet werden.
  • In 3 ist ein multispektrales Bildgebungsverfahren 300 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Schritte 3.1 bis 3.II entsprechen den Schritten 1.1 bis 1.II bzw. 2.1 bis 2.11, so dass zu deren Beschreibung auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der 1 verwiesen wird. Bei dem Schritt 3. III werden nun jedoch anders als bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen 100, 200 bei der Erzeugung des repräsentativen Bilddatensatzes BDR nicht nur die Extremalwerte µext (xi,sn_ext(f)) der Datensätze von Abschwächungswerten ermittelt, sondern auch weitere zusätzliche spektrale Schwächungswerte µ2ext (xi,sn_2ext(f)), µk-ext (xi,sn_kext(f)), welche jeweils anderen Projektionsmessdatensätzen PMDn mit anderen Teilspektren sn_2ext(f), sn_kext(f) zugeordnet sind. Bei dem Schritt 3.IV werden jedem Bildpunkt xi zusätzlich die ermittelten zusätzlichen spektralen Schwächungswerte µ2ext (xi,sn_2ext(f)), µkext (xi,sn_kext(f)) zugeordnet. Bei dem Schritt 3.V werden deren zugeordnete Teilspektren sn_2ext(f), sn_kext(f) und die den Teilspektren sn_2ext(f), sn_kext(f) entsprechenden Spektralwerte vs2_kext, vsn_kext den jeweiligen Bildpunkten xi zugewiesen. Bei dem Schritt 3.VI werden den jeweiligen Bildpunkten Farbwerte FW in Abhängigkeit von den ermittelten Spektralwerten VSn_ext, VS2_kext, VSn_kext zugewiesen. Da jedem Bildpunkt xi nun eine Mehrzahl von Farbwerten FW zugewiesen wird, wird für jeden Bildpunkt xi eine Farbmischung CM aus einzelnen Farben C, welche den ermittelten Farbwerten FW entsprechen, gebildet. Bei dem Schritt 3.VII werden die ermittelten Bilddaten entsprechend den ermittelten repräsentativen Bilddaten BDR und den zugeordneten Farbmischungen CM bildlich dargestellt. Bei der Darstellung entspricht die Intensität einer Farbe C der Farbmischung CM der Höhe eines jeweils zugeordneten Abschwächungswerts µ2ext (xi, sn_2ext(f)), µkext (xi,sn_kext(f)), µext (xi,sn_ext(f)) und die Farbe C der Farbmischung CM der jeweiligen spektralen Herkunft des zugeordneten Abschwächungswerts (µ2ext (xi,sn_2ext(f)), µkext (xi,sn_kext(f)), µext (xi,sn_ext(f)). Das beschriebene Verfahren wird bevorzugt automatisiert ausgeführt.
  • Hierfür ist in 4 eine Bilddaten-Ermittlungseinrichtung 40 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Bilddaten-Ermittlungseinrichtung 40 kann zum Beispiel Teil einer in 5 gezeigten Steuerungseinrichtung 20 eines CT-Systems 1 sein. Die Bilddaten-Ermittlungseinrichtung 40 umfasst eine Eingangsschnittstelle 41, welche Projektionsdaten PMD von einer Messeinrichtung (siehe 5) eines CT-Systems 1 (siehe 5) empfängt. Die Projektionsdaten PMD sind spektral aufgelöste Projektionsmessdaten PMD(sn(f)) von einem abzubildenden Bereich VOI eines Untersuchungsobjekts O, welche einer Mehrzahl von vorbestimmten unterschiedlichen Teilspektren sn(f) zugeordnet sind. Die Projektionsmessdaten PMD(sn(f)) werden an eine Rekonstruktionseinheit 42 übermittelt, die spektral aufgelöste Bilddaten BD(sn(f)) rekonstruiert, welche eine Mehrzahl von vorbestimmten Teilspektren sn(f) zugeordneten Schwächungswerten µn(xi,sn(f)) für jeden Bildpunkt xi des abzubildenden Bereichs VOI umfassen. Die rekonstruierten Bilddaten BD(sn(f)) werden an eine Schwächungswert-Ermittlungseinheit 43 übermittelt, die mindestens einen extremalen Schwächungswert µext (xi,sn_ext(f)) für jeden Bildpunkt xi ermittelt. Anschließend werden die extremalen Schwächungswerte µext (xi,sn_ext(f)) an eine Bilddatensatz-Erzeugungseinheit 44 übermittelt, die daraus einen repräsentativen Bilddatensatz BDR erzeugt, wobei jedem Bildpunkt xi der ermittelte extremale Schwächungswert µext (xi,sn_ext(f)) zugewiesen wird.
  • Der repräsentative Bilddatensatz BDR wird anschließend an eine Ausgangsschnittstelle 45 übergeben. Die Ausgangsschnittstelle 45 gibt den repräsentativen Bilddatensatz BDR an andere Einheiten, wie zum Beispiel eine Speichereinheit oder eine Bilddarstellungseinheit wie zum Beispiel ein Terminal bzw. einen Bildschirm aus.
  • In 5 ist schematisch ein Computertomographie-System (CT-System) 1 mit einer erfindungsgemäßen Bildddaten-Ermittlungseinrichtung 40 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
  • Das CT-System 1 besteht dabei im Wesentlichen aus einem Scanner 10, in welchem an einer Gantry 11 eine Projektionsdatenakquisitionseinheit 5 mit einem Detektor 16 und einer dem Detektor 16 gegenüberliegenden Röntgenquelle 15 um einen Messraum 12 umläuft. Vor dem Scanner 10 befindet sich eine Patientenlagerungseinrichtung 3 bzw. ein Patiententisch 3, dessen oberer Teil 2 mit einem darauf befindlichen Patienten O zum Scanner 10 verschoben werden kann, um den Patienten O durch den Messraum 12 hindurch relativ zum Detektorsystem 16 zu bewegen. Angesteuert werden der Scanner 10 und der Patiententisch 3 durch eine Steuereinrichtung 20, von der aus über eine übliche Steuerschnittstelle 23 Akquisitionssteuersignale AS kommen, um das gesamte System gemäß vorgegebener Messprotokolle in der herkömmlichen Weise anzusteuern. Durch die Bewegung des Patienten O entlang der z-Richtung, welche der Systemachse z längs durch den Messraum 12 entspricht, und den gleichzeitigen Umlauf der Röntgenquelle 15 ergibt sich für die Röntgenquelle 15 relativ zum Patienten O während der Messung eine Helixbahn. Parallel läuft dabei immer gegenüber der Röntgenquelle 15 der Detektor 16 mit, um Projektionsmessdaten PMD zu erfassen, die dann zur Rekonstruktion von Volumen- und/oder Schicht-Bilddaten genutzt werden.
  • Ebenso kann auch ein sequentielles Messverfahren durchgeführt werden, bei dem eine feste Position in z-Richtung angefahren wird und dann während eines Umlaufs, eines Teilumlaufs oder mehrerer Umläufe an der betreffenden z-Position die erforderlichen Projektionsmessdaten PMD erfasst werden, um ein Schnittbild an dieser z-Position zu rekonstruieren oder um aus den Projektionsdaten mehrerer z-Positionen Volumenbilddaten zu rekonstruieren.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich auch an anderen CT-Systemen, z. B. mit mehreren Röntgenquellen und/oder Detektoren und/oder mit einem einen vollständigen Ring bildenden Detektor, einsetzbar.
  • Die vom Detektor 16 akquirierten Projektionsmessdaten PMD (im Folgenden auch Rohdaten genannt) werden über eine Rohdatenschnittstelle, welche in diesem Ausführungsbeispiel die Eingangsschnittstelle 41 der Bilddaten-Ermittlungseinrichtung 40 ist, an die Steuereinrichtung 20 bzw. die darin enthaltene Bilddaten-Ermittlungseinrichtung 40 übergeben. Diese Rohdaten werden dann in der Bilddaten-Ermittlungseinrichtung 40 auf die oben beschriebene Art weiterverarbeitet. Die Bilddaten-Ermittlungseinrichtung 40 ist bei diesem Ausführungsbeispiel in der Steuereinrichtung 20 in Form von Software auf einem Prozessor realisiert.
  • Nach der Bearbeitung in der Bilddaten-Ermittlungseinrichtung 40 werden die ermittelten repräsentativen Bilddaten BDR an eine Speichereinheit 22 und beispielsweise an eine Ausgabeeinheit der Steuereinrichtung 20 des CT-Systems ausgegeben.
  • Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung handelt und dass die Erfindung vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Die Erfindung ist nicht auf eine Anwendung im medizinischen Bereich beschränkt, sondern die Erfindung kann auch grundsätzlich auf die Aufnahme von CT-Bildern für andere Zwecke, beispielsweise für die Materialprüfung oder dergleichen, angewandt werden. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.

Claims (15)

  1. Multispektrales Röntgenbildgebungsverfahren (100, 200), vorzugsweise für die multispektrale CT-Bildgebung, aufweisend die Schritte: - Erfassen von spektral aufgelösten Projektionsmessdaten (PMD(sn(f))) von einem abzubildenden Bereich (VOI) eines Untersuchungsobjekts (O), welche einer Mehrzahl von vorbestimmten unterschiedlichen Teilspektren (sn(f)) zugeordnet sind, - Rekonstruieren von spektral aufgelösten Bilddaten (BD(sn(f)), welche eine Mehrzahl von Schwächungswerten (µn(xi,sn(f))) für jeden Bildpunkt (xi) des abzubildenden Bereichs (VOI) umfassen, wobei die Schwächungswerte (µn(xi,sn(f))) jeweils einem der vorbestimmten unterschiedlichen Teilspektren (sn(f)) zugeordnet sind, - Ermitteln eines extremalen Schwächungswerts (µext (xi,sn_ext(f))) für jeden Bildpunkt (xi) auf Basis der Mehrzahl von Schwächungswerten (µn(xi,sn(f))), - Erzeugen eines repräsentativen Bilddatensatzes (BDR), wobei jedem Bildpunkt (xi) der ermittelte extremale Schwächungswert (µext (xi,sn_ext(f))) zugewiesen wird.
  2. Verfahren (100, 200) nach Anspruch 1, wobei die Teilspektren (sn(f)) verschiedenen Frequenzintervallen (If) oder verschiedenen Basismaterialien (BMn) zugeordnet sind.
  3. Verfahren (100, 200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der extremale Schwächungswert (µext (xi,sn_ext(f))) ein Maximalwert oder Minimalwert ist.
  4. Verfahren (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei dem Erzeugen eines repräsentativen Bilddatensatzes (BDR) jedem der Bildpunkte (xi) zusätzlich eine Information bezüglich des dem ermittelten extremalen Schwächungswert (µext (xi,sn_ext(f))) zugeordneten extremalen Teilspektrums (sn_ext(f)) zugewiesen wird.
  5. Verfahren (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jedem der Teilspektren (sn(f)) ein Spektralwert (VSn) zugewiesen wird.
  6. Verfahren (100, 200) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die zusätzliche Information bezüglich des dem ermittelten extremalen Schwächungswert (µext (xi,sn_ext(f))) zugeordneten extremalen Teilspektrums (sn_ext(f)) einen dem jeweils zugeordneten extremalen Teilspektrum (sn_ext(f)) zugeordneten Extremal-Spektralwert (VSn_ext) umfasst.
  7. Verfahren (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der repräsentative Bilddatensatz (BDR) derart dargestellt wird, dass die jedem Bildpunkt (xi) zugeordneten extremalen Schwächungswerte (µext (xi,sn_ext(f))) als Graustufenwerte dargestellt werden.
  8. Verfahren (100, 200) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der repräsentative Bilddatensatz (BDR) derart dargestellt wird, dass die jedem Bildpunkt (xi) zugeordneten extremalen Schwächungswerte (µext (xi,sn_ext(f))) in Abhängigkeit von dem zugeordneten Extremal-Spektralwert (VSn_ext) mit unterschiedlichen Farben (C) dargestellt werden, wobei die Intensität (I) der Farben (C) von der Höhe des jeweiligen extremalen Schwächungswerts (µext (xi,sn_ext(f))) abhängig ist.
  9. Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei für jeden Bildpunkt (xi) ein zusätzlicher zweit-höchster oder zweit-kleinster spektraler Schwächungswert (µ2ext (xi,sn_2ext(f))) oder weitere zusätzliche spektrale Schwächungswerte (µkext (xi,sn_kext(f))) ermittelt werden und bei dem Schritt des Erzeugens eines repräsentativen Bilddatensatzes (BDR) jedem Bildpunkt (xi) zusätzlich die ermittelten zusätzlichen spektralen Schwächungswerte (µ2ext (xi,sn_2ext(f)), µk-ext (xi,sn_kext(f))) und deren zugeordnete Teilspektren (sn_2ext(f), sn_kext(f)) und/oder die den Teilspektren (sn_2ext(f), sn_kext(f)) entsprechenden Spektralwerte (VS2_kext, VSn_kext) zugeordnet werden.
  10. Verfahren (200) nach Anspruch 9, wobei der repräsentative Bilddatensatz (BDR) derart dargestellt wird, dass die einem gemeinsamen Bildpunkt (xi) zugeordneten extremalen und zusätzlichen spektralen Schwächungswerte (µext (xi,sn_ext(f)), µk-ext(xi,sn_kext(f))) in Abhängigkeit von dem jeweils zugeordneten Spektralwert (VSn_ext, VSn_2ext, VSn_kext) mit unterschiedlichen Farben (C) dargestellt werden, wobei die Intensität (I) der unterschiedlichen Farben (C) von der Höhe des jeweiligen spektralen Schwächungswerts (µext (xi,sn_ext(f)), µk-ext(xi,sn_2ext(f)), µkext (xi,sn_kext(f))) abhängig ist und die dem gemeinsamen Bildpunkt (xi) zugeordneten extremalen und zusätzlichen spektralen Schwächungswerte (µext (xi,sn_ext(f)), µk-ext (xi,sn_kext(f))) gemeinsam als Farbmischungen (CM) aus den Farben (C) dargestellt werden, die den dem gemeinsamen Bildpunkt (xi) zugeordneten extremalen und zusätzlichen spektralen Schwächungswerten (µext (xi,sn_ext(f)), µkext (xi,sn_kext(f))) zugeordnet sind.
  11. Verfahren (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der erzeugte repräsentative Bilddatensatz (BDR) in mehrere Schichten aufgeteilt wird, die als zweidimensionale Bilddaten dargestellt werden, wobei die zweidimensionale Darstellung als räumliche MIP- oder MinIP- oder MPR-Darstellung durchgeführt wird.
  12. Röntgenbilddaten-Ermittlungseinrichtung (40), insbesondere für die multispektrale CT-Bildgebung, aufweisend: - eine Eingangsschnittstelle (41) zum Erfassen von spektral aufgelösten Projektionsmessdaten (PMD(sn(f))) von einem abzubildenden Bereich (VOI) eines Untersuchungsobjekts (O), welche einer Mehrzahl von vorbestimmten unterschiedlichen Teilspektren (sn(f)) zugeordnet sind, - eine Rekonstruktionseinheit (42) zum Rekonstruieren von spektral aufgelösten Bilddaten BD(sn(f)), welche eine Mehrzahl von vorbestimmten Teilspektren (sn(f)) zugeordneten Schwächungswerten (µn(xi,sn(f))) für jeden Bildpunkt (xi) des abzubildenden Bereichs (VOI) umfassen, - eine Schwächungswert-Ermittlungseinheit (43) zum Ermitteln eines extremalen Schwächungswerts (µext (xi,sn_ext(f))) für jeden Bildpunkt (xi), - eine Bilddatensatz-Erzeugungseinheit (44) zum Erzeugen eines repräsentativen Bilddatensatzes (BDR), wobei jedem Bildpunkt (xi) der ermittelte extremale Schwächungswert (µext(xi,sn_ext(f))) zugewiesen wird.
  13. Computertomographie-System (1), aufweisend eine Steuereinrichtung (20) mit einer Röntgenbilddaten-Ermittlungseinrichtung (40) nach Anspruch 12.
  14. Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, welches direkt in eine Speichereinrichtung einer Steuereinrichtung eines Computertomographie-Systems (1) ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Steuereinrichtung des Computertomographie-Systems (1) ausgeführt wird.
  15. Computerlesbares Medium, auf welchem von einer Rechnereinheit einlesbare und ausführbare Programmabschnitte gespeichert sind, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen, wenn die Programmabschnitte von der Rechnereinheit ausgeführt werden.
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