DE102015207107A1

DE102015207107A1 - Verfahren zur Erzeugung einer virtuellen Röntgenprojektion anhand eines mittels Röntgenbildaufnahmevorrichtung erhaltenen Bilddatensatzes, Computerprogramm, Datenträger sowie Röntgenbildaufnahmevorrichtung

Info

Publication number: DE102015207107A1
Application number: DE102015207107.3A
Authority: DE
Inventors: Katharine Lynn Rowley Grant; Rainer Raupach; Bernhard Schmidt; Martin Sedlmair
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2015-04-20
Filing date: 2015-04-20
Publication date: 2016-10-20
Also published as: US20160302751A1; US10045743B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer virtuellen Röntgenprojektion wenigstens einer abzubildenden Körperregion eines Patienten mit einer Röntgenbildaufnahmevorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm, einen maschinenlesbaren Datenträger sowie eine Röntgenbildaufnahmevorrichtung. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: – Erfassen wenigstens eines Projektionsdatensatzes mit der Röntgenbildaufnahmevorrichtung darstellend die wenigstens eine abzubildende Körperregion des Patienten, – Rekonstruieren eines Bilddatensatzes aus dem wenigstens einen Projektionsdatensatz, wobei der Bilddatensatz lokale Röntgenschwächungswerte in der wenigstens einen, abzubildenden Körperregion des Patienten repräsentiert, – Modifizieren des Bilddatensatzes derart, dass wenigstens ein lokaler Röntgenschwächungswert durch einen modifizierten Röntgenschwächungswert ersetzt wird, – Erzeugen eines modifizierten Projektionsdatensatzes durch Vorwärtsprojezieren des modifizierten Bilddatensatzes auf einen virtuellen Röntgenstrahlungsdetektor unter Berücksichtigung einer virtuellen Projektionsgeometrie, – Berechnen von Intensitätswerten für eine Vielzahl von Detektorelementen des virtuellen Röntgenstrahlungsdetektors aus dem modifizierten Projektionsdatensatz unter Berücksichtigung der virtuellen Projektionsgeometrie, – Transformieren der berechneten Intensitätswerte in vom virtuellen Röntgenstrahlungsdetektor ausgegebene Messwerte, und – Zuordnen der Messwerte zu einer Bildmatrix.

Description

Verfahren zur Erzeugung einer virtuellen Röntgenprojektion anhand eines mittels Röntgenbildaufnahmevorrichtung erhaltenen Bilddatensatzes, Computerprogramm, Datenträger sowie Röntgenbildaufnahmevorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer oder mehrerer Röntgenprojektionen anhand eines mittels Röntgenbildaufnahmevorrichtung erhaltenen Bilddatensatzes repräsentierend lokale Röntgenschwächungswerte wenigstens einer abzubildenden Körperregion eines Patienten, wobei wenigstens ein lokaler Röntgenschwächungswert durch einen modifizierten Röntgenschwächungswert ersetzt wird, sowie entsprechendes Computerprogramm, entsprechenden Datenträger und entsprechende Röntgenbildaufnahmevorrichtung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Für die Klärung medizinscher Fragestellungen oder für die interventionelle Radiologie werden immer häufiger bildgebende Röntgeneinrichtungen, beispielsweise ein C-Bogen-Röntgengerät oder ein Computertomographiegerät, eingesetzt. Bildgebenden Röntgeneinrichtungen ist gemein, dass sie über eine Röntgenstrahlungsquelle, typischerweise eine Röntgenröhre, sowie einen mit der Röntgenstrahlungsquelle zusammenwirkenden Röntgenstrahlungsdetektor verfügen. Die von der Röntgenstrahlungsquelle emittierte Röntgenstrahlung durchsetzt einen zu untersuchenden Patienten und wird durch Wechselwirkung mit den verschiedenen Gewebearten des Patienten abgeschwächt. Der Detektor ist bezüglich der Röntgenstrahlungsquelle hinter dem Patienten angeordnet, nimmt die hinter dem Patienten verbleibende Röntgenstrahlung auf und wandelt sie in der durch den Patienten verursachten Röntgenschwächung entsprechende, elektrische Signale um.
Die Röntgenstrahlungsquelle emittiert Röntgenstrahlung mit einem Emissionsspektrum, das heißt, die von der Röntgenstrahlungsquelle ausgesandten Gamma-Quanten verfügen in der Regel über eine Energieverteilung umfassend eine Vielzahl von Quantenenergie-Werten. Die emittierte Röntgenstrahlung ist also polychromatisch. Das Emissionsspektrum wird maßgeblich durch die Röntgenröhrenspannung bzw. die Beschleunigungsspannung beeinflusst, mit der die Röntgenstrahlungsquelle betrieben wird. Verallgemeinert lässt sich sagen, je höher die Beschleunigungsspannung ist, umso größer ist auch die mittlere Röntgenquantenenergie des Emissionsspektrums.
Es ist bekannt, dass unterschiedliche Materialien bzw. Gewebetypen, beispielsweise Wasser oder Knochen, unterschiedlich stark mit Röntgenstrahlung wechselwirken. Vereinfacht gesprochen basiert auf diesen Unterschieden der Bildkontrast aller Röntgenbildaufnahmen. Darüber hinaus ist auch die Energie-Abhängigkeit der Röntgenschwächung beim Durchlaufen von Materie bekannt. Niederenergetische Röntgenstrahlung wird stärker von Materie absorbiert als höherenergetische Röntgenstrahlung. Diese Unterschiede in der Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie müssen bei der Röntgenbildgebung beachtet werden, um Röntgenbildaufnahmen zu erzeugen, die einerseits eine ausreichende Bildqualität zur Beantwortung der medizinischen Fragestellung aufweisen und andererseits den Patienten vor unnötiger Dosisbelastung bewahren.
Je nach Anwendungsfall können mit einer Röntgenbildaufnahmevorrichtung Superpositionsaufnahmen oder Schnittbilder eines Objektes oder eines Patienten erzeugt werden. Zur Erzeugung von klassischen Röntgen-Superpositionsaufnahmen, wird das abzubildende Objekt von einer Röntgenstrahlungsquelle in einer Richtung durchleuchtet und auf einem Röntgenfilm oder mittels Röntgenstrahlungsdetektor abgebildet. Es entsteht eine Projektion des abgebildeten Volumens auf eine Fläche. In Strahlrichtung hintereinander liegende Bildteile des durchleuchteten Volumens überlagern sich. Ob die in der Superpositionsaufnahme sichtbare Röntgenschwächung durch ein Material höherer Röntgenabsorption oder durch eine größere Schichtdicke hervorgerufen wurde, kann anhand der Abbildung nicht unterschieden werden.
Ein Topogramm entspricht beispielsweise einer solchen klassischen, zweidimensionalen Röntgen-Superpositionsaufnahme, die auch Übersichtsaufnahme genannt wird. Es misst die individuelle Röntgenschwächungsverteilung eines Patienten in der bestimmten Projektionsrichtung, typischerweise in lateraler oder anterior-posterior Richtung, und bildet diese anhand verschiedener Grauwerte ab.
Für die Erstellung eines Schnittbildes werden Röntgenschwächungsprofile eines Objekts aus vielen verschiedenen Projektionsrichtungen gemessen und daraus die dreidimensionale Volumenstruktur des Objektes rekonstruiert. Durch eine computergestützte Bildrekonstruktion, die beispielsweise mit dem Algorithmus der gefilterten, gewichteten Rückprojektion durchgeführt werden kann, wird für jedes Volumenelement des Objektes, ein sogenanntes Voxel, der Röntgenschwächungsgrad ermittelt und daraus das Schnittbild errechnet. Das Schnittbild entspricht einem Transversalschnitt durch das Untersuchungsobjekt, wobei der Schnitt in der Regel in einer Ebene parallel oder im Wesentlichen parallel zu den für die Erzeugung der Projektionsdaten verwendeten Röntgenstrahlen liegt. Mit mehreren aufeinander folgenden Umläufen der Röntgenstrahlungsquelle um das Objekt lassen sich aneinander angrenzende Schnittbilder erzeugen. Mehrere, beispielsweise mehrere hundert Einzelschnittbilder, bilden gemeinsam eine Volumengrafik des Objektes.
Vorteil der Computer-Tomographie, abgekürzt CT, gegenüber dem konventionellen Projektionsröntgen ist, dass überlagerungsfreie Darstellungen erzeugt werden können. Abbildungsgenauigkeit und Detailtreue sind in CT-Schnittbildern entsprechend höher. In einigen Fällen ist neben einem CT-Datensatz eine zusätzliche Röntgenprojektion jedoch wünschenswert. Mithilfe eines Topogramms läßt sich beispielsweise die Röntgen-Dosis für einen CT-Scan besonders gut an einen Patienten anpassen. Andererseits kann eine geschulte Person bestimmte Information über das abgebildete Objekt ‚auf einen Blick‘ aus einer Röntgenprojektion entnehmen, die aus einem regelmäßig eine große Datenmenge umfassenden CT-Datensatz nur mühsam und zeitaufwändig gewonnen werden könnte.
Nachteilig ist, dass die Röntgenprojektionsaufnahme neben dem eigentlichen CT-Scan für die Erzeugung von Schnittbildern einen zusätzlichen, nicht zu vernachlässigenden Anteil an der Gesamtdosis für den Patienten verursacht.
Um dieses Problem zu umgehen, können Röntgenprojektionen aus bestehenden CT-Datensätzen erzeugt werden. Diese künstlich erzeugten Projektionen zeigen zwar eine geometrisch korrekte Projektion der abzubildenden Körperregion, jedoch sind die dargestellten Grauwerte in der Regel nicht vergleichbar mit denen von real per Röntgenfilm oder Röntgendetektor erzeugten Röntgenprojektionen. Dies gilt selbst dann, wenn anstelle von Linienintegralen exponentielle, Intensitäten repräsentierende Werte der Linienintegrale, dargestellt werden. Ursachen dafür liegen vorwiegend in dem von einer realen Projektionsaufnahme abweichenden Emissionsspektrum der Röntgenstrahlungsquelle bei der CT-Datenaufnahme oder anderen abweichenden Aufnahme-Parametern. Hinzu kommt, dass der CT-Datensatz durch die bereits durchlaufene Schnittbildrekonstruktion Artefaktbehaftet bzw. durch Korrekturen wie Streustrahlkorrektur, Strahlaufhärtungskorrektur oder Truncation-Korrektur derart verfälscht ist, sodass die nachträglich daraus erzeugte Röntgenprojektion ebenfalls fehlerbehaftet sind.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbesserung von aus einem bestehenden CT-Datensatz erzeugten Röntgenprojektionen zu erreichen. Diese verbesserten Röntgenprojektionen zeichnen sich zum einen durch ihre Grauwertverteilung, die einer tatsächlich aufgenommenen Röntgenprojektion sehr nahe kommt, oder zum anderen durch ihren erhöhten Informationsgehalt in Bezug auf eine abgebildete Körperregion des Patienten, aus.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, ein Computerprogramm, einen maschinenlesbaren Datenträger sowie durch eine Röntgenbildaufnahmevorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Nachstehend wird die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe in Bezug auf das beanspruchte Verfahren als auch in Bezug auf die beanspruchte Vorrichtung beschrieben. Hierbei erwähnte Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen sind ebenso auch auf die anderen beanspruchten Gegenstände zu übertragen und umgekehrt. Mit anderen Worten können gegenständliche Ansprüche (die beispielsweise auf eine Vorrichtung gerichtet sind) auch mit 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 oder Einheiten ausgebildet.
Die Erfindung beruht auf dem Erfassen wenigstens eines Projektionsdatensatzes darstellend wenigstens eine Körperregion eines Patienten mit der Röntgenbildaufnahmevorrichtung und dem Rekonstruieren eines Bilddatensatzes aus dem wenigstens einen Projektionsdatensatz, wobei der Bilddatensatz lokale Röntgenschwächungswerte in der wenigstens einen, abzubildenden Körperregion des Patienten repräsentiert. Die Erfinder haben nun erkannt, dass dieser Bilddatensatz modifiziert werden kann, indem wenigstens ein lokaler Röntgenschwächungswert durch einen modifizierten Röntgenschwächungswert ersetzt wird. Aus diesem modifizierten Bilddatensatz wird im Folgenden ein modifizierter Projektionsdatensatz erzeugt, indem der modifizierte Bilddatensatz unter Berücksichtigung einer virtuellen Projektionsgeometrie auf einen virtuellen Röntgenstrahlungsdetektor vorwärtsprojeziert wird. Aus dem modifizierten Projektionsdatensatz werden anschließend unter Berücksichtigung der virtuellen Projektionsgeometrie Intensitätswerte für eine Vielzahl von Detektorelementen des virtuellen Röntgenstrahlungsdetektors berechnet, die in einem weiteren Schritt in vom virtuellen Röntgenstrahlungsdetektor ausgegebene Messwerte transformiert werden, die dann zur Bildung bzw. Erzeugung einer virtuellen Röntgenprojektion einer Bildmatrix zugeordnet werden.
Unter einer virtuellen Röntgenprojektion ist eine zweidimensionale Röntgen-Projektion oder Röntgen-Superpositionsaufnahme im klassischen Sinne der Röntgenbildgebung zu verstehen. Diese ist virtuell, da sie nicht direkt mittels Röntgenbildaufnahmevorrichtung aufgenommen bzw. erzeugt, sondern aus einem bereits bestehenden Bilddatensatz berechnet wird. Die virtuelle Röntgenprojektion kann in jede beliebige Projektionsrichtung berechnet bzw. erzeugt werden. In einem Beispiel der vorliegenden Erfindung wird die virtuelle Röntgenprojektion in anterior-posterior oder lateraler Richtung erzeugt und entspricht damit in ihrer Richtung einem klassischen Topogramm.
Der wenigstens eine Projektionsdatensatz beschreibt wenigstens einen Satz Rohdaten, der mittels einer Röntgenbildaufnahmevorrichtung zur Darstellung der wenigstens einen abzubildenden Körperregion des Patienten erfasst wird. Der Projektionsdatensatz umfasst also eine Vielzahl von aus verschiedenen Projektionsrichtungen aufgenommenen Röntgenschwächungsprofilen der wenigstens einen Körperregion des Patienten. Der Projektionsdatensatz umfasst wenigsten die zur Rekonstruktion eines Schnittbildes notwendige Anzahl an Röntgenschwächungsprofilen. Ein Projektionsdatensatz ist insbesondere ein Computer-Tomographie-Datensatz. Er kann mittels Computer-Tomographie-Gerät oder C-Bogen-Gerät erfasst worden sein. Im Falle wenigstens zweier Projektionsdatensätze können sich diese beispielsweise hinsichtlich der Röntgenquantenenergieverteilung der jeweils berücksichtigten Röntgenstrahlung unterscheiden, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Der wenigstens eine Projektionsdatensatz kann einen Teilbereich des Körpers des Patienten betreffen, nämlich die wenigstens eine Körperregion des Patienten, die mittels Röntgenbildaufnahmevorrichtung abgebildet werden soll. In diesem Fall enthält der Projektionsdatensatz Information über die Röntgenschwächungsverteilung des Patienten nur bezüglich des abzubildenden Teilbereichs, beispielsweise bezüglich des Thorax oder des Beckens. Der Projektionsdatensatz betrifft alternativ den gesamten Körper des Patienten. In diesem Fall enthält der Projektionsdatensatz Information über die Röntgenschwächungsverteilung des Patienten bezüglich des gesamten Patientenkörpers.
Ein Bilddatensatz beschreibt die dreidimensionalen Bilddaten darstellend lokale Röntgenschwächungswerte wenigstens in der abzubildenden Körperregion des Patienten, der sich durch bekannte Rekonstruktions-Algorithmen, wie beispielsweise eine gewichtete, gefilterte Rückprojektion oder ein iteratives Rekonstruktionsverfahren, aus dem wenigstens einen Projektionsdatensatz ergibt. Bilddatensatz und der wenigstens eine Projektionsdatensatz lassen sich durch Anwendung eines Rekonstruktionsalgorithmus bzw. umgekehrter Rechenoperationen, beispielsweise durch Vorwärts- und Rückprojektionsschritte, im Wesentlichen ineinander überführen. Dazu handelt es sich bei der Rekonstruktion insbesondere um eine sogenannte neutrale Rekonstruktion, das bedeutet, dass der Rekonstruktionsalgorithmus keine kontrastverstärkenden Operationen wie beispielsweise eine Kantenaufsteilung, oder Artefaktkorrektur-Maßnahmen umfasst. Im Falle von wenigstens zwei Projektionsdatensätzen kann der Bilddatensatz basierend auf beiden Projektionsdatensätzen rekonstruiert werden. Dabei können beispielsweise Informationen aus beiden Projektionsdatensätzen mit Gewichtungsfaktoren entsprechend einer medizinischen Fragestellung berücksichtigt werden. Der Bilddatensatz umfasst wenigstens die zur Darstellung eines Schnittbildes notwendigen Bilddaten.
Der Bilddatensatz repräsentiert eine durch Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit dem Patientengewebe in der wenigstens abzubildenden Körperregion des Patienten hervorgerufene Röntgenschwächung. Die Röntgenschwächung weist aufgrund der Materialzusammensetzung des Patientenkörpers in der abzubildenden Körperregion eine Röntgenschwächungsverteilung auf, die durch lokale Röntgenschwächungswerte beschrieben wird. Ein lokaler Röntgenschwächungswert ist dabei als der einem Volumenelement des Patientenkörpers zugehörige Röntgenschwächungswert im Bilddatensatz zu verstehen. Die minimale Größe bzw. das minimale Ausmaß eines Volumenelements wird durch die räumliche Auflösung der bei der Röntgenbildaufnahme verwendeten Detektoren sowie der Scan-Geometrie bestimmt. Ein Volumenelement entspricht im einfachsten Fall einem Voxel des Bilddatensatzes. Der lokale Röntgenschwächungswert kann auch die Röntgenschwächungswerte mehrerer benachbarter Bildelemente im Bilddatensatz berücksichtigen und beispielsweise als Mittelwert daraus gewonnen werden. Entsprechend größer ist dann ein Volumenelement.
Auch ein modifizierter Röntgenschwächungswert ist ein einem Volumenelement des Patientenkörpers zugeordneter Röntgenschwächungswert, dieser wird jedoch abweichend zu einem lokalen Röntgenschwächungswert nicht gemessen, sondern wie im Folgenden ausführlich beschrieben, auf andere Art und Weise gewonnen. Wenigstens ein lokaler Röntgenschwächungswert wird im Bilddatensatz durch einen modifizierten Röntgenschwächungswert ausgetauscht, wodurch ein modifizierter Bilddatensatz entsteht.
Die Röntgenprojektion wird aus dem modifizierten Bilddatensatz erzeugt, indem dieser auf einen virtuellen Röntgenstrahlungsdetektor entsprechend einer virtuellen Projektionsgeometrie vorwärtsprojeziert wird. Dieser Rechenschritt simuliert das Erzeugen einer realen Röntgenprojektion durch Durchstrahlen des Patienten mit echter Röntgenstrahlung. Hierbei erfolgt eine Überlagerung der lokalen Röntgenschwächungswerte. Es werden Linienintegrale über die lokalen Röntgenschwächungswerte entlang ausgewählter Röntgenstrahlungspfade berechnet. Die Integrationslinien entsprechen virtuellen Röntgenstrahlen, die jeweils in einem Fokuspunkt, sprich einer virtuellen Röntgenstrahlungsquelle beginnen und in einem Detektorelement eines virtuellen Röntgenstrahlungsdetektors enden. Der virtuelle Röntgenstrahlungsdetektor entspricht dabei in seinen Abbildungseigenschaften, seiner Geometrie sowie seiner Position oder Anordnung dem Röntgenstrahlungsdetektor, der für eine tatsächliche Aufnahme einer Röntgenprojektion zum Einsatz gekommen wäre. Er kann beispielsweise als Detektor mit planarer oder gekrümmter Detektionsfläche, als Zeilendetektor oder als Detektor mit einer Vielzahl von Spalten und Zeilen angenommen werden. Unter der virtuellen Projektionsgeometrie ist die bei der Vorwärtsprojektion angenommene Abbildungsgeometrie zu verstehen, die den Fokuspunkt der virtuellen Röntgenstrahlung, die Position und Ausmaße des virtuellen Röntgenstrahlungsdetektors sowie die dadurch bedingten Strahlverläufe der virtuellen Röntgenstrahlung bzw. der sich daraus ergebenden Integrationslinien berücksichtigt.
Die für die Art und Ausgestaltung des virtuellen Röntgenstrahlungsdetektors (planar/gekrümmt, Einzeilen- oder Mehrzeilendetektor, etc.), der virtuellen Röntgenstrahlungsquelle (isotroper/anisotrope Quelle, Formfilter, etc.) und die Projektionsgeometrie geltende Annahme bestimmt auch die Intensität der an einem einzelnen Detektorelement des virtuellen Röntgenstrahlungsdetektors einfallenden Röntgenstrahlungsintensität. Für eine Vielzahl, also wenigstens zwei Detektorelemente, wird in einem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Berücksichtigung der virtuellen Projektionsgeometrie und der entsprechenden überlagerten Röntgenschwächung ein Intensitätswert ermittelt. Diese Berechnung erfolgt unter der Annahme einer von der Röntgenstrahlungsquelle ausgehenden Röntgenstrahlungsintensität, mit der die wenigstens eine Körperregion des Patienten bei einer tatsächlichen Röntgenprojektionsaufnahme bestrahlt worden wäre. Diese Anfangsintensität ist vorgebbar.
Unter Berücksichtigung einer für den simulierten, virtuellen Röntgenstrahlungsdetektor spezifischen Abbildungscharakteristik werden für die Vielzahl der Detektorelemente aus den Intensitätswerten Messwerte errechnet, wie sie von einem dem virtuellen, Röntgenstrahlungsdetektor realen Strahlungsdetektor ausgegeben würden. Diese Messwerte werden zuletzt einer Bildmatrix, die im einfachsten Fall in Zeilen- und Spaltenanzahl dem virtuellen Detektor entspricht, zugeordnet.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Qualität einer virtuellen Röntgenprojektion durch das Ersetzen wenigstens eines geeignet gewählten modifizierten Röntgenschwächungswertes erhöht werden kann. Die Festlegung des modifizierten Röntgenschwächungswertes kann auf unterschiedliche Art erfolgen. So kann es vorteilhaft sein, den modifizierten Röntgenschwächungswert so zu bestimmen, dass die virtuelle Röntgenprojektion einen besonders realistischen Bildeindruck für den Betrachter liefert, wie er mit einer tatsächlichen Röntgenprojektionsaufnahme gewonnen worden wäre. In einer anderen Situation erfolgt durch die Modifikation wenigstens eines lokalen Röntgenschwächungswerts eine Hervorhebung oder Verfälschung bestimmter Bildinformation, die gewünscht oder von hohem Nutzen sein kann. In beiden Fällen bewirken die verfahrensgemäßen Schritte zudem eine detailgetreue Modellierung oder Nachbildung der Signalkette einer tatsächlichen Röntgenprojektionsaufnahme mit einer Röntgenbildaufnahmevorrichtung.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst das Modifizieren des Bilddatensatzes ein Zuordnen des wenigstens einen lokalen Röntgenschwächungswertes zu einer Materialklasse und ein Ersetzen desselben durch einen der Materialklasse entsprechenden, modifizierten Röntgenschwächungswert. Eine Materialklasse repräsentiert dabei ein bestimmtes Material, insbesondere ein biologisches Gewebe. Da wie eingangs erwähnt, verschiedene Materialien unterschiedliche Röntgenschwächungscharakteristika aufweisen, können unter Berücksichtigung des zur Aufnahme des wenigstens einen Projektionsdatensatzes verwendeten Emissionsspektrums verschiedenen, lokalen Röntgenschwächungswerten verschiedene Materialklassen zugewiesen werden. Beispielsweise kann eine Materialklasse einen bestimmten Wertebereich für die Röntgenschwächung umfassen. Jeder lokale Röntgenschwächungswert innerhalb dieses Wertebereichs wird dieser Materialklasse zugeordnet. Entsprechend lässt sich jedem Material bzw. Gewebe auch ein spezifischer, modifizierter Röntgenschwächungswert zuordnen. Besonders einfach erfolgt das Ersetzen mittels einer Look-Up-Prozedur. Dazu sind für jede der Materialklassen modifizierte Röntgenschwächungswerte hinterlegt, beispielsweise in Form einer Tabelle. Die hinterlegten Röntgenschwächungswerte werden beispielsweise so gewählt, dass sie eine besonders realistische und einer tatsächlichen Röntgenprojektion entsprechende Wiedergabe ermöglichen. Hierzu kann die Energieabhängigkeit der Röntgenschwächung der verschiedenen Materialien berücksichtigt werden, wie weiter unten ausführlich beschrieben wird. Dazu können für eine Materialklasse mehrere modifizierte Röntgenschwächungswerte zu verschiedenen gewünschten Energiewerten oder Energiespektren hinterlegt und in Abhängigkeit des zu simulierenden Emissionsspektrums gewählt werden. Alternativ wird durch die Wahl des modifizierten Röntgenschwächungswertes eine Verfälschung der Bildinhalte erzielt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird der wenigstens eine lokale Röntgenschwächungswert einer der folgenden Materialklassen zugeordnet: Knochen, Weichteilgewebe, Kontrastmittel. Diesen Materialklassen zugeordnete lokale Röntgenschwächungswerte lassen sich in Abhängigkeit der verwendeten Aufnahme-Modalität und verwendeter Scan-Parameter im Bilddatensatz besonders einfach unterscheiden und damit klassifizieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung beträgt wenigstens einer der einer Materialklasse entsprechenden, modifizierten Röntgenschwächungswerte 0. Mit anderen Worten wird das der Materialklasse zugeordnete Material als ein nicht mit Röntgenstrahlung wechselwirkendes Material angenommen. Durch die Zuordnung dieses modifizierten Röntgenschwächungswertes kann vorteilhaft eine verfälschte Röntgenprojektion erzeugt werden, die keine Information mehr bezüglich der Röntgenschwächung des Materials der entsprechenden Materialklasse enthält. Beispielsweise können derart Röntgenprojektionen erzeugt werden, die keinen Knochen mehr enthalten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird wenigstens einer der einer Materialklasse entsprechenden, modifizierten Röntgenschwächungswerte in Abhängigkeit einer vorgebbaren, virtuellen Röntgenquantenenergieverteilung gewählt. Unter einer vorgebbaren, virtuellen Röntgenquantenenergieverteilung ist ein Röntgenstrahlungsspektrum bzw. ein Emissionsspektrum einer virtuellen Röntgenstrahlungsquelle zu verstehen. Diese Röntgenquantenenergieverteilung ist vorgebbar in dem Sinne, dass sie durch ein Computersystem einer erfindungsgemäßen Röntgenbildaufnahmevorrichtung, wie weiter unten beschrieben wird, ausgewählt, festgelegt, bestimmt oder durch einen Benutzer eingegeben werden kann. Diese Röntgenquantenenergieverteilung ist virtuell, weil mit ihr kein Projektionsdatensatz durch Messung erzeugt, sondern der modifizierte Projektionsdatensatz errechnet wird. Mit anderen Worten wird durch den Austausch des wenigstens einen lokalen Röntgenschwächungswerts durch den modifizierten Röntgenschwächungswert die Aufnahme eines Projektionsdatensatzes zu der vorgebbaren, virtuellen Röntgenquantenenergieverteilung simuliert. Die vorgebbare, virtuelle Röntgenquantenenergieverteilung entspricht folglich der vom Benutzer eigentlich für die Aufnahme der Röntgen-Projektion gewünschten Röntgenquantenenergieverteilung. Diese weicht bei einigen Beispielen der vorliegenden Erfindung von dem für die Aufnahme des wenigstens einen Projektionsdatensatzes verwendeten Emissionsspektrum ab. Dieser Aspekt berücksichtigt vorteilhaft die Energieabhängigkeit der Röntgenabschwächung verschiedener Materialien, sodass durch die Berücksichtigung der bei einer realen Projektionsaufnahme zum Einsatz kommenden Röntgenquantenenergieverteilung besonders realistische, virtuelle Röntgenprojektion erzeugt werden können. Gemäß einer Ausführungsform ist die vorgebbare, virtuelle Röntgenquantenenergieverteilung durch nur einen Energiewert gegeben. In dem Fall, dass alle lokalen Röntgenschwächungswerte durch dieser Verteilung entsprechende, modifizierte Röntgenschwächungswerte ersetzt werden, handelt es sich bei der erzeugten virtuellen Röntgenprojektion um ein monochromatisches Bild. Insbesondere kann die vorgebbare, virtuelle Röntgenquantenenergie als mittlere Energie eines Emissionsspektrums einer virtuellen Röntgenstrahlungsquelle verstanden werden, mit welcher eine der virtuellen Röntgenprojektion entsprechende Röntgenbildaufnahme erzeugt worden wäre. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die vorgebbare, virtuelle Röntgenquantenenergieverteilung durch ein schmales Energieband gegeben, beispielsweise ein Energieband von 5keV, 10keV, 15keV oder dergleichen und die virtuelle Röntgenprojektion entspricht im Falle des Ersetzens der lokalen Röntgenschwächungswerte einem polychromatischen Bild. Alternativ handelt es sich bei der Röntgenquantenenergieverteilung um eine beliebige, rein fiktive Verteilung, wenn spezielle, von der Realität abweichende Bildeffekte gewünscht sind. Auch für diesen Zweck können entsprechende modifizierte Röntgenschwächungswerte in Form einer Tabelle hinterlegt sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform unterscheidet sich die vorgebbare, virtuelle Röntgenquantenenergieverteilung von dem Emissionsspektrum, welches für die Aufnahme des wenigstens einen Projektionsdatensatzes. Insbesondere weist die vorgebbare, virtuelle Röntgenquantenenergieverteilung in diesem Fall keine Überlappung mit dem Emissionsspektrum auf. Im Sinne der oben beschriebenen einfachen Realisierung der Erfindung mittels Look-Up-Prozedur, können für jede Materialklasse jeweils mehrere, verschiedenen vorgebbaren, virtuellen Röntgenquantenenergieverteilungen entsprechende modifizierte Röntgenschwächungswerte hinterlegt sein.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Modifizieren des Bilddatensatzes eine Ermittlung der Materialzusammensetzung in zumindest einem Teil der abzubildenden Körperregion des Patienten. Dazu wird beispielsweise eine an sich bekannte Material- bzw. Basismaterialzerlegung durchgeführt, die, inter alia, in J. F. Williamson et al. ‚On twoparameter model of Photon cross sections: Application to dual-energy CT imaging‘, Med. Phys. 33 (2006), 4115–4129, ausführlich beschrieben ist. Die darin enthaltenden Ausführungen werden ausdrücklich in die hiesige Offenbarung eingeschlossen. Dieser Aspekt der Erfindung ermöglicht einerseits eine exakte Berücksichtigung der Materialien bei der Erzeugung des modifizierten Bilddatensatzes in zumindest dem Teil der abzubildenden Körperregion, für die die Materialzusammensetzung ermittelt wird. Andererseits eignet sich diese Vorgehensweise in besonderem Maße zur Modifikation von Bilddatensätzen, die eine Zuordnung von lokalen Röntgenschwächungswerten zu vorgegebenen Materialklassen, beispielsweise aufgrund des für die Aufnahme des wenigstens einen Projektionsdatensatzes verwendeten Emissionsspektrums oder enthaltenen Bildartefakten, nicht erlauben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt die Ermittlung der Materialzusammensetzung basierend auf wenigstens zwei mittels der Röntgenbildaufnahmevorrichtung erfassten Projektionsdatensätzen, jeweils entsprechend einer vorab festgelegten Röntgenquantenenergieverteilung, wobei sich die vorab festgelegten Röntgenquantenenergieverteilungen voneinander unterscheiden. Die für die Aufnahme der Projektionsdatensätze verwendeten Röntgenquantenenergieverteilungen sind beliebig und insbesondere vorab durch die verwendete Röntgenbildaufnahmevorrichtung und deren eine oder mehrere Beschleunigungsspannungen oder andere Systemparameter vorgegeben bzw. fest eingestellt. Sie weichen gemäß einem Beispiel von der vom Benutzer für die Röntgenprojektion gewünschten oder gewohnten Röntgenquantenenergieverteilung ab. Bei der Materialzerlegung wird von der Überlegung ausgegangen, dass ein mittels Röntgenbildaufnahmevorrichtung mit einer vorab festgelegten Röntgenquantenenergieverteilung entsprechend einem bestimmten Emissionsspektrum gemessener, lokaler Röntgenschwächungswert als Linearkombination von Röntgenschwächungswerten von sogenannten Basismaterialien beschrieben werden kann. Gemessene Röntgenschwächungswerte ergeben sich aus den wenigstens zwei Projektionsdatensätzen zu unterschiedlichen Röntgenquantenenergieverteilungen. Die Materialzerlegung kann im Bildraum oder im Projektionsraum durchgeführt werden, wobei für den ersten Fall separate Bilddatensätze aus den Projektionsdatensätzen mittels bekannter Rekonstruktionsschritte erzeugt werden müssen. Material bzw. Basismaterial kann jeder Stoff oder jedes beliebige Gewebe sein, insbesondere Wasser, Kontrastmittel wie Jod, Weichteilgewebe, Knochen und dergleichen. Die Röntgenschwächung eines Basismaterials in Abhängigkeit der Energie der Röntgenstrahlung und damit zu jeder beliebigen vorab festgelegten Röntgenquantenenergieverteilung ist grundsätzlich bekannt oder kann durch vorherige Messungen an Phantomen bestimmt werden und in Form von Tabellen zum Abruf im Rahmen der Materialzerlegung hinterlegt sein. Ergebnis der Materialzerlegung ist eine räumliche Dichteverteilung der wenigstens zwei Materialien im Patienten, woraus sich für jedes Volumenelement in der abzubildenden Körperregion des Patienten die Basismaterialanteile bzw. die Basismaterialienkombination ermitteln lassen. Derart nutzt die vorliegende Erfindung für die Erzeugung einer realistischen Röntgenprojektion die Vorteile der Mehr-Spektren-Computer-Tomographie.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird der wenigstens eine modifizierte Röntgenschwächungswert in Abhängigkeit einer vorgebbaren, virtuellen Röntgenquantenenergieverteilung und der ermittelten Materialzusammensetzung bestimmt. Auf Basis der bekannten, energieabhängigen Röntgenschwächung der wenigstens zwei Materialien kann durch entsprechend der Materialanteile gewichtete Addition der Röntgenschwächungswerte der beiden Materialien zu einer vorgebbaren, virtuellen Röntgenquantenenergieverteilung ein modifizierter Röntgenschwächungswert berechnet werden, der eine effektive Röntgenschwächung beschreibt, die sich aus einer realen Röntgenprojektion mit besagter vorgebbarer, virtueller Röntgenquantenenergieverteilung und anschließender Bildrekonstruktion für das betrachtete Volumenelement ergeben hätte. Gemäß einer Ausführungsform kann zur Bestimmung des modifizierten Röntgenschwächungswerts zusätzlich eine energieabhängige Gewichtung bei der Addition der Röntgenschwächungsanteile zu der vorgebbaren, virtuellen Röntgenquantenenergieverteilung erfolgen. Gemäß einer Ausführungsform ergibt sich der modifizierte Röntgenschwächungswert aus einer Vielzahl von Einzel-Röntgenschwächungswerten zu diskreten Röntgenquantenenergiewerten innerhalb der vorgebbaren, virtuellen Röntgenquantenenergieverteilung. Derart wird zur Erzeugung einer besonders realistisch wirkenden, virtuellen Röntgenprojektion die Röntgenquantenenergieverteilung mit einbezogen, die für die Erzeugung der realen Röntgenprojektion angewandt worden wäre und die in der Regel von den Emissionsspektren bei der Computer-Tomographie abweicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden wenigstens zwei lokale Röntgenschwächungswerte durch jeweils einen modifizierten Röntgenschwächungswert ersetzt, die jeweils in Abhängigkeit einer vorgebbaren, virtuellen Röntgenquantenenergieverteilung ausgewählt werden, wobei sich die wenigstens zwei vorgebbaren, virtuellen Röntgenquantenenergieverteilungen voneinander unterscheiden. Mit anderen Worten kann gemäß diesem Aspekt die Röntgenschwächung eines Volumenelements bezüglich einer ersten vorgebbaren virtuellen Röntgenquantenenergieverteilung und eines anderen Volumenelements bezüglich wenigstens einer zweiten vorgebbaren virtuellen Röntgenquantenenergieverteilung modifiziert werden. Mit anderen Worten erfolgt die Modifizierung des Bilddatensatzes voxelweise mit modifizierten Röntgenschwächungswerten bezüglich verschiedener vorgebbarer, virtueller Röntgenquantenenergieverteilungen. Dieses Vorgehen ist besonders vorteilhaft, um einer spezifischen Strahlcharakteristik einer virtuellen, zu modellierenden Röntgenstrahlungsquelle Rechnung zu tragen oder aber, um in bestimmten Bereichen der virtuellen Röntgenprojektion einen Verfremdungseffekt zu erzielen (z. B. künstliche Unterdrückung oder Hervorhebung von Knochen, Kontrastmittel oder Weichteilen, Invertierung der Signalschwächung, sodass helle Bereiche dunkel und dunkle Bereiche hell erscheinen, etc.).
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung nimmt die virtuelle Projektionsgeometrie parallele, virtuelle Röntgenstrahlen oder konusförmige, virtuelle Röntgenstrahlen an. Die virtuellen Strahlen verlaufen von einem fiktiven Strahlfokus einer Röntgenstrahlungsquelle jeweils zu einem Detektorelement des virtuellen Röntgenstrahlungsdetektors. Die virtuelle Strahl- oder Projektionsgeometrie entspricht einer rein fiktiven oder reellen Fokusposition der virtuellen Röntgenstrahlung. Die Annahme paralleler, virtueller Röntgenstrahlen macht anschließende Rechenschritte zum Umsortieren der Messdaten auf die Parallelstrahlgeometrie (sogenanntes Rebinning) überflüssig und verhindert dadurch verursachten Bildfehler. Die Weiterverarbeitung der Projektionsdatensätze erweist sich in der Parallelstrahlgeometrie als besonders einfach. Alternativ können konusförmige, virtuelle Röntgenstrahlen oder Fächerförmige, virtuelle Röntgenstrahlen angenommen werden. Parallelstrahlen erweisen sich unter Annahme eines virtuellen Röntgenstrahlungsdetektors mit flacher Detektionsfläche als besonders sinnvoll, Konusstrahlen im Falle eines virtuellen Röntgenstrahlungsdetektors mit gekrümmter Detektionsfläche, Fächerstrahlen im Falle eines Zeilendetektors.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Vorwärtsprojezieren ein Erzeugen von Linienintegralen L_i,j über die Röntgenschwächungswerte des modifizierten Bilddatensatzes entlang einer Vielzahl von virtuellen Röntgenstrahlen durch die abzubildende Körperregion des Patienten mittels Strahlverfolgungsverfahren oder Fourierverfahren. Die Strahlverfolgung basiert dabei auf der Abtastung und gewichteten Summation der Voxel des Voxelraumes der mittels gewichteter, gefilterter Rückprojektion oder jeglichen anderen Rekonstruktionsverfahren erzeugten CT-Bilddaten auf dem Weg eines Röntgenquants ausgehend vom virtuellen Röntgenfokus zum virtuellen Detektorelement. Das Fourierverfahren basiert auf der Auswertung der Linienintegrale im Frequenzraum unter Anwendung des Fourier-Slice-Theorems.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt das Vorwärtsprojezieren unter Berücksichtigung eines oder mehrerer Parameter, welche den gesamten physikalischen Meßvorgang bzw. den virtuellen, zu emulierenden Meßvorgang beschreiben bzw. modellieren. Diese Parameter sind z. B. die Fokusgröße, Fokusprofil, Formfilter, Detektorpixelgröße, Streuvorgänge, etc. Gemäß einem weiteren Aspekt werden die Intensitätswerte gemäß der Vorschrift I_i,j = I_0;i,j·exp(–L_i,j)·cos(β_i,j) berechnet, wobei die Indizes i, j Zeile und Spalte eines Detektorelements (i, j) des virtuellen Röntgenstrahlungsdetektors, β_i,j einen Winkel zwischen dem betrachteten virtuellen, Röntgenstrahl zum Detektorelement (i, j) und der Flächennormalen n des virtuellen Röntgenstrahlungsdetektors und I_0;i,j eine am Detektorelement (i, j) einfallende Röntgenstrahlungsintensität ohne durch den Patienten verursachte Röntgenabschwächung beschreibt. Die am Detektorelement (i, j) einfallende Röntgenstrahlungsintensität ohne durch den Patienten verursachte Röntgenabschwächung I_0;i,j ist aufgrund eines veränderlichen Abstandes des Strahlfokus zu den Detektorelementen, einer möglicherweise anisotropen Abstrahlung der virtuellen Röntgenstrahlungsquelle und/oder eines möglicherweise verwendeten Formfilters in der Regel nicht konstant über die Detektorelemente. Diese Vorschrift eignet sich besonders gut zur Modellierung virtueller Röntgenstrahlungsdetektoren mit flacher Detektionsfläche.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden beim Berechnen der Intensitätswerte ein Übersprechverhalten des virtuellen Röntgenstrahlungsdetektors und/oder Streustrahlungseffekte berücksichtigt. Unter Streustrahlungseffekten sind alle durch primäre und sekundäre Streuung von Röntgenquanten außerhalb und innerhalb des Patienten verursachten Effekte zu verstehen, die die Bildqualität im Hinblick auf Abbildungsgenauigkeit beeinträchtigen. Unter Übersprechverhalten eines Detektors ist allgemein das Signalverhalten außerhalb des idealerweise linearen Antwortbereichs zu verstehen bzw. besteht darin, dass sich benachbarte Detektorelemente in deren Signalübertragungskette wechselseitig beeinflussen können. Allgemein bekannten Ursprünge des Übersprechens sind der Übertritt eines in einem Detektor erzeugten Lichtquants bei Szintillationsdetektoren zu einem anderen, benachbarten Detektorelement, sowie elektronische Störeinflüsse Dazu kann bei der Berechnung der Linienintegrale ein zusätzlicher Faltungsschritt vorgesehen sein, anhand dessen die oben genannten Effekte nachgebildet werden können. Durch Beachtung bzw. Simulation selbst derartiger Abbildungsfehler als Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein besonders realistischer Bildeindruck der virtuellen Röntgenprojektion erreicht werden, wie er auch bei einem tatsächlichen Erfassen einer Röntgenprojektion entstanden wäre.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung berücksichtigt die Transformation der Intensitätswerte in Messwerte eine Signalkennlinie des virtuellen Röntgenstrahlungsdetektors. Diese ist für einen idealen, virtuellen Röntgenstrahlungsdetektor linear ausgebildet und beschreibt den Zusammenhang zwischen der Intensität der pro Detektorelement einfallenden Röntgenstrahlung und dem für dieses Detektorelement ausgegebenen elektrischen Signal. Für einen besonders realistischen, beispielsweise einen einem Röntgenfilm entsprechenden Bildeindruck kann die Signalkennlinie auch von der linearen Form abweichen. In einem Bespiel simuliert die Transformation dann die Schwärzung eines Röntgenfilms.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung erfolgt die Rekonstruktion des Bilddatensatzes mit einer räumlichen Auflösung im Bereich von 0,1mm bis 0,5mm. Grundsätzlich erfolgt die Rekonstruktion mit einer hohen Auflösung, denn diese grenzt die als virtuelle Projektionsgeometrie in Frage kommenden Strahl- und Detektorgeometrien ein. Die maximale räumliche Auflösung des Bilddatensatzes wird durch die Größe der Detektorelemente des für die Aufnahme des wenigstens einen Projektionsdatensatzes maßgeblich bestimmt. Dabei bilden heutzutage vorwiegend in der interventionellen Bildgebung eingesetzte Flachdetektoren die untere Grenze des Auflösungsbereichs.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die einer Bildmatrix zugeordneten Messwerte als Grauwerte dargestellt. Ein geeigneter Grauwertebereich kann vor der Darstellung ausgewählt werden. Die Auswahl eines geeigneten Grauwertebereichs entspricht einer Fensterung entsprechend der abzubildenden Körperregion und/oder der Art der Untersuchung. Die Fensterung legt fest, welcher Ausschnitt der Hounsfield-Skala entsprechend den gemessenen Dichtewerten in der Röntgenprojektion Grauwerten von Schwarz bis Weiß zugewiesen wird, um dadurch den Bildkontrast der abzubildenden und zu befundenden Gewebe oder Materialien zu optimieren. So hat ein Lungenfenster beispielsweise eine Breite von +/–800 um den Zentrumswert –600, ein Weichteilfenster eine Breite von +/–180 um ein Zentrum von 60 und ein CT-Angiographiefenster eine Breite von +/–450 um ein Zentrum von 100. Andere, auf den Einzelfall angepasste Grauwertfenster sind ebenfalls möglich. Alternativ kann eine Darstellung der errechneten Messwerte in der Bildmatrix auch in Falschfarben erfolgen. Die Auswahl eines geeigneten Grauwert-Fensters oder von Farben kann automatisch durch eine entsprechende Einheit des Computersystems einer wie weiter unten näher beschriebenen Röntgenbildaufnahmevorrichtung oder durch einen Benutzer erfolgen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird. Dadurch ist das Verfahren reproduzierbar und wenig fehleranfällig auf unterschiedlichen Computern durchführbar.
Die Erfindung betrifft auch einen maschinenlesbaren Datenträger, auf dem das zuvor beschriebene Computerprogramm gespeichert ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Röntgenbildaufnahmevorrichtung zur Erzeugung einer virtuellen Röntgenprojektion wenigstens einer abzubildenden Körperregion eines Patienten, wobei die Röntgenbildaufnahmevorrichtung ein Röntgenmodul umfassend wenigstens eine Röntgenstrahlungsquelle zum Erzeugen und Aussenden von Röntgenstrahlung jeweils mit einer vorgegebenen Röntgenquantenenergieverteilung, ein Detektormodul umfassend wenigstens einen Röntgenstrahlungsdetektor zum Detektieren von vom Röntgenstrahlungsmodul ausgesandter Röntgenstrahlung, und ein Computersystem umfasst, welches im Betrieb die Verfahrensschritte gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durchführt. Bei der Röntgenbildaufnahmevorrichtung handelt es sich um ein Röntgengerät, welches zur Aufnahme einer Vielzahl von Röntgenprojektionen aus unterschiedlichen Projektionswinkeln ausgelegt ist, beispielsweise ein Computertomographiegerät mit einem ringförmigen Drehrahmen oder um ein C-Bogen-Röntgengerät. Die Aufnahmen können während einer, insbesondere kontinuierlichen, Rotationsbewegung einer Aufnahmeeinheit umfassend das Röntgenmodul und einem mit der Röntgenstrahlungsquelle zusammenwirkenden Detektormodul erzeugt werden. Bei einer Röntgenstrahlungsquelle kann es sich insbesondere um eine Röntgenröhre mit Drehanode handeln. Bei einem Röntgenstrahlungsdetektor für ein Computertomographiegerät handelt es sich beispielsweise um einen Zeilendetektor mit mehreren Zeilen. Bei einem Röntgendetektor für ein C-Bogen-Röntgengerät handelt es sich beispielsweise um einen Flachdetektor. Der Röntgendetektor kann sowohl energieauflösend als auch zählend ausgebildet sein.
Die Erfindung betrifft auch eine Röntgenbildaufnahmevorrichtung zur Erzeugung einer virtuellen Röntgenprojektion wenigstens einer abzubildenden Körperregion eines Patienten, wobei die Röntgenbildaufnahmevorrichtung folgende Einheiten umfasst: ein Röntgenmodul umfassend wenigstens eine Röntgenstrahlungsquelle zum Erzeugen und Aussenden von Röntgenstrahlung jeweils mit einer vorgegebenen Röntgenquantenenergieverteilung, ein Detektormodul umfassend wenigstens einen Röntgenstrahlungsdetektor zum Detektieren von vom Röntgenstrahlungsmodul ausgesandter Röntgenstrahlung, und ein Computersystem umfassend eine Schnittstelleneinheit, die ausgestaltet ist, wenigstens einen Projektionsdatensatz darstellend die wenigstens eine abzubildende Körperregion des Patienten zu erfassen, eine Rekonstruktionseinheit, die ausgestaltet ist, einen Bilddatensatz aus dem wenigstens einen Projektionsdatensatz zu rekonstruieren, wobei der Bilddatensatz lokale Röntgenschwächungswerte in der wenigstens einen, abzubildenden Körperregion des Patienten repräsentiert, eine Modifikationseinheit, die ausgestaltet ist, den Bilddatensatz derart zu modifizieren, dass wenigstens ein lokaler Röntgenschwächungswert durch einen modifizierten Röntgenschwächungswert ersetzt wird, eine Projektionseinheit, die ausgestaltet ist, einen modifizierten Projektionsdatensatz durch Vorwärtsprojizieren des modifizierten Bilddatensatzes auf einen virtuellen Röntgenstrahlungsdetektor unter Berücksichtigung einer virtuellen Projektionsgeometrie zu erzeugen, eine Berechnungseinheit, die ausgestaltet ist, Intensitätswerte für eine Vielzahl von Detektorelementen des virtuellen Röntgenstrahlungsdetektors aus dem modifizierten Projektionsdatensatz unter Berücksichtigung der virtuellen Projektionsgeometrie zu berechnen, eine Transformationseinheit, die die berechneten Intensitätswerte in vom virtuellen Röntgenstrahlungsdetektor ausgegebene Messwerte transformiert, und eine Zuordnungseinheit, die die Messwerte einer Bildmatrix zuordnet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst das Röntgenmodul der Röntgenbildaufnahmevorrichtung wenigstens zwei Röntgenstrahlungsquellen zum Erzeugen und Aussenden von Röntgenstrahlung jeweils mit einer vorgegebenen Röntgenquantenenergieverteilung und einem Detektormodul umfassend wenigstens zwei Röntgenstrahlungsdetektoren, jeweils zum Detektieren von von einer der Röntgenstrahlungsquellen ausgesandter Röntgenstrahlung. In diesem Zusammenhang spricht man auch von einer Dual- oder Multi-Source-Röntgenbildaufnahmevorrichtung. Die wenigstens zwei Röntgenstrahlungsquellen und korrespondierende Röntgenstrahlungsdetektoren dienen der gleichzeitigen und dadurch besonders schnellen Aufnahme wenigstens zweier Projektionsdatensätze.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst das Detektormodul einen auf die Energie der einfallenden Röntgenquanten selektiven Röntgenstrahlungsdetektor. Energieselektiv ist dabei als spektral auflösend bzw. spektral separierend zu verstehen. Energieselektive Detektoren sind eingerichtet, einfallende Röntgenquanten entsprechend ihrer Quantenenergie zu klassifizieren. Diese Detektoren haben den Vorteil, dass sie zur gleichzeitigen Erzeugung von wenigstens zwei Projektionsdatensätzen geeignet sind, die sich in ihrer Röntgenquantenenergieverteilung unterscheiden, wozu nur eine Röntgenstrahlungsquelle notwendig ist. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung erfolgt die Aufnahme der Projektionsdatensätze besonders schnell und ohne zusätzliche Dosisbelastung für den Patienten.
Energieselektive Detektoren sind beispielsweise quantenzählenden Detektoren oder Zwei-Schicht-Detektoren. Ein quantenzählender Detektor ist typischerweise ein direkt konvertierender Detektor, der ein einfallendes Röntgenquant mittels geeignetem Detektormaterial direkt in ein elektrisches Signal umwandelt. Quantenzählende Detektoren können energieauflösend betrieben werden, wobei die Energieauflösung mittels sogenanntem Binning einstellbar ist. Mit anderen Worten können beliebige Energiebereiche festgelegt werden, bezüglich derer einfallende Röntgenquanten klassifiziert werden können. Die wenigstens zwei Projektionsdatensätze werden jeweils durch Signale innerhalb eines oder mehrerer Energiebereiche gebildet. Als Detektormaterialien für quantenzählende Detektoren eignen sich insbesondere die Halbleiter Cadmium-Tellurid, Cadmium-Zink-Tellurid oder Gallium-Arsenid oder, im Falle eines Flachdetektors, amorphes Selen oder dergleichen. Ein Zwei-Schicht-Detektor oder auch Dual oder Double Layer Detektor ist ausgestaltet, das einfallende Röntgenröhrenspektrum in einen niederenergetischen und einen hochenergetischen Anteil zu zerlegen. Dazu ist der Zwei-Schicht-Detektor aus zwei Schichten aufgebaut. Eine der Röntgenstrahlungsquelle zugewandte Detektorschicht misst Photonen der einfallenden Röntgenstrahlung mit niedriger Energie und weist die gemessenen Signale dem ersten Projektionsdatensatz zu. Sie wird von hochenergetischer Röntgenstrahlung durchdrungen. Photonen mit höherer Quantenenergie werden in der darunter bzw. dahinter, also von der Röntgenstrahlungsquelle abgewandt angeordneten Detektorschicht gemessen und dem zweiten Projektionsdatensatz zugeordnet. Typischerweise umfassen beide Detektorschichten einen Szintillator, folglich handelt es sich bei dem Zwei-Schicht-Detektor um einen indirekt konvertierenden Detektor. Als Szintillationsmaterial kommen Kristalle wie Cäsium-Jodid, Cadmium-Wolframat oder keramische Stoffe, wie beispielsweise Gadoliniumoxysulfid oder dergleichen zum Einsatz.
Gemäß einem letzten Aspekt der Erfindung ist der wenigstens eine Röntgenstrahlungsdetektor als planarer Detektor ausgestaltet. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Röntgenstrahlungsdetektor um einen Flachdetektor, wie sie insbesondere bei C-Bogen-Röntgengeräten zur interventionellen Bildgebung zum Einsatz kommen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1 eine Röntgenbildaufnahmevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine Modifikation eines Bilddatensatzes erfolgt,
3 ein exemplarisches Schnittbild des Bilddatensatzes vor und nach einer erfindungsgemäßen Modifikation in zwei Ausführungsvarianten.
1 zeigt eine Röntgenbildaufnahmevorrichtung am Beispiel eines Röntgen-Computertomographen. Der hier gezeigte Computertomograph verfügt über eine Aufnahmeeinheit 17, umfassend eine Strahlungsquelle 8 in Form einer Röntgenquelle sowie einen Strahlungsdetektor 9 in Form eines Röntgendetektors. Die Aufnahmeeinheit 17 rotiert während der Aufnahme von Röntgenprojektionen um eine Systemachse 5, und die Röntgenquelle emittiert während der Aufnahme Strahlen 2 in Form von Röntgenstrahlen. Bei der Röntgenquelle handelt es sich um eine Röntgenröhre. Bei dem Röntgendetektor handelt es sich um einen Zeilendetektor mit mehreren Zeilen.
Ein Patient 3 liegt bei der Aufnahme von Projektionen auf einer Patientenliege 6. Die Patientenliege 6 ist so mit einem Liegensockel 4 verbunden, dass er die Patientenliege 6 mit dem Patienten 3 trägt. Die Patientenliege 6 ist dazu ausgelegt, den Patienten 3 entlang einer Aufnahmerichtung durch die Öffnung 10 der Aufnahmeeinheit 17 zu bewegen. Die Aufnahmerichtung ist in der Regel durch die Systemachse 5 gegeben, um die die Aufnahmeeinheit 17 bei der Aufnahme von Röntgenprojektionen rotiert. Bei einer Spiral-Aufnahme wird die Patientenliege 6 kontinuierlich durch die Öffnung 10 bewegt, während die Aufnahmeeinheit 17 um den Patienten 3 rotiert und Projektionsdaten aufnimmt. Damit beschreiben die Röntgenstrahlen auf der Oberfläche des Patienten 3 eine Spirale.
Die Röntgenbildaufnahmevorrichtung umfasst ferner eine Kontrastmittelgabeeinheit 19. Dem Patienten 3 kann über eine Injektionsnadel 20 ein Kontrastmittel, beispielsweise in Form einer jodhaltigen Lösung, während der Projektionsaufnahme verabreicht werden. Die Flussrate des Kontrastmittels kann in Abhängigkeit von der Zeit gemäß einem definierten Injektionsprotokoll durch die Kontrastmittelgabeeinheit 19 gesteuert werden. Die Kontrastmittelgabeeinheit 19 kann integral mit der Röntgenbildaufnahmevorrichtung ausgebildet sein oder stationär oder mobil im Untersuchungsraum angeordnet.
Die Röntgenbildaufnahmevorrichtung verfügt über ein Computersystem 12 in Form eines Computers, welches mit einer Anzeigeeinheit 11, beispielsweise zur graphischen Anzeige von rekonstruierten Röntgenbildaufnahmen, beispielsweise des rekonstruierten Bilddatensatzes oder der virtuellen Röntgenprojektion, oder zur Anzeige von Auswahlmenüs bezüglich einer vergebbaren, virtuellen Röntgenquantenenergieverteilung, sowie einer Eingabeeinheit 7 verbunden ist. Bei der Anzeigeeinheit 11 kann es sich beispielsweise um einen LCD-, Plasma- oder OLED-Bildschirm handeln. Es kann sich weiterhin um einen berührungsempfindlichen Bildschirm handeln, welcher auch als Eingabeeinheit 7 ausgebildet ist. Ein solcher berührungsempfindlicher Bildschirm kann in das bildgebende Gerät integriert oder als Teil eines mobilen Geräts ausgebildet sein. Bei der Eingabeeinheit 7 handelt es sich beispielsweise um eine Tastatur, eine Maus, einen sogenannten „Touch-Screen“ oder auch um ein Mikrofon zur Spracheingabe. Die Eingabeeinheit 7 kann auch eingerichtet sein, um Bewegungen eines Benutzers zu erkennen und in entsprechende Befehle zu übersetzen. Mittels Eingabeeinheit 7 kann beispielsweise eine vorgebbare, virtuelle Röntgenquantenenergieverteilung durch einen Benutzer ausgewählt werden.
Das Computersystem 12 steht mit der drehbaren Aufnahmeeinheit 17 zum Datenaustausch in Verbindung. Über eine Schnittstelleneinheit 21 sowie die Verbindung 14 werden einerseits Steuersignale für die Röntgenbildaufnahme vom Computersystem 12 an die Aufnahmeeinheit 17 übertragen. Dazu können verschiedene, jeweils auf eine Untersuchungsart abgestimmte Scan-Protokolle in einem Speicher 24 hinterlegt sein und durch den Benutzer vor der Projektionsdaten-Aufnahme ausgewählt werden. Die Ansteuerung der Aufnahmeeinheit 17 erfolgt entsprechend des ausgewählten Scan-Protokolls. Andererseits werden aufgenommene Projektionsdaten, beispielsweise in Form des wenigstens einen Projektionsdatensatzes für eine Weiterverarbeitung in einer weiter unten näher beschriebenen Recheneinheit 16 durch die Schnittstelleneinheit 21 erfasst. Die Verbindung 14 ist in bekannter Weise kabelgebunden oder kabellos realisiert. Das Computersystem 12 ist ferner zum Austausch von Steuersignalen mit der Kontrastmittelgabeeinheit 19 verbunden, insbesondere zur Synchronisierung der Kontrastmittelgabe mit der Röntgenbildaufnahme. Dazu steht die in gleicher Weise bekannte kabellose oder kabelgebundene Verbindung 24 zu Verfügung.
Das Computersystem 12 umfasst eine Rekonstruktionseinheit 23, die dazu eingerichtet ist, nach bekannten Rekonstruktionsverfahren aus dem wenigstens einen Projektionsdatensatz einen Bilddatensatz zu rekonstruieren. Es besteht eine Datenverbindung zwischen Anzeigeeinheit 11 und Rekonstruktionseinheit 23 beispielsweise zur Übertragung und Anzeige des Bilddatensatzes.
Die Modifikationseinheit 16 des Computersystems 12 ist als Bild- bzw. Bilddatenbearbeitungseinheit ausgestaltet. Sie ist eingerichtet, alle im Bezug zu dem erfindungsgemäßen Verfahren stehenden Rechenschritte an dem Bilddatensatz durchzuführen. Insbesondere ist die Modifikationseinheit 16 ausgebildet, einen lokalen Röntgenschwächungswert in dem Bilddatensatz durch einen modifizierten Röntgenschwächungswert zu ersetzen. Dazu kann die Modifikationseinheit 16 insbesondere
eine Materialzerlegung anhand der wenigstens zwei Projektionsdatensätze durchzuführen.
Der Speicher 24 des Computersystems 12 ist dazu ausgebildet, energieabhängige, modifizierte Röntgenschwächungswerte für eine Vielzahl von Basismaterialien zu speichern. Die Speicherung erfolgt beispielsweise in Form von Tabellen, wobei für jedes Basismaterial für verschiedene Röntgenquantenenergien Röntgenschwächungswerte hinterlegt sind. Röntgenschwächungswerte zu nicht umfassten Röntgenquantenenergien können beispielsweise durch die Modifikationseinheit 16 durch bekannte Interpolationsverfahren gewonnen werden. Die Modifikationseinheit 16 ist ausgestaltet, aus den hinterlegten, energieabhängigen Röntgenschwächungswerten der Basismaterialien modifizierte Röntgenschwächungswerte für den Bilddatensatz zu ermitteln. Für eine Materialklasse können alternativ ein oder mehrere modifizierte Röntgenschwächungswerte hinterlegt sein, wobei jeder modifizierte Röntgenschwächungswert zu einer Materialklasse einer anderen vorgebbaren, virtuellen Röntgenquantenenergieverteilung entspricht. Modifikationseinheit 16 und Speicher 24 stehen entsprechend zum Datenaustausch in Verbindung. Alternativ steht das Computersystem 12 mit einem RIS-Netzwerk (RIS = Radiologisches Informationssystem) oder einem PACS-Netzwerk (PACS = Picture Archiving and Communication System) zum Abruf der modifizierten Röntgenschwächungswerte in Verbindung, die in diesem Fall im RIS- oder PACS-Netzwerk hinterlegt sind. Alternativ sind im Speicher 24 für eine Vielzahl von Materialklassen modifizierte Röntgenschwächungswerte hinterlegt, die ebenfalls in Tabellenform gespeichert werden.
Modifikationseinheit 16 und Ausgabeeinheit 11 bzw. Eingabeeinheit 7 stehen ebenfalls in Datenverbindung, um beispielsweise dem Benutzer ein Auswahlmenü bezüglich der gewünschten Basismaterialien zur Auswahl anzuzeigen bzw. benutzerseitige Angaben dazu empfangen zu können. Ferner kann die Modifikationseinheit 16 mit der Anzeigeeinheit 11 sowie der Eingabeeinheit 7 in Verbindung stehen, um benutzerseitige Eingaben zu der vorgebbaren, virtuellen Röntgenquantenenergieverteilung empfangen und auswerten zu können oder dem Benutzer mögliche Alternativen zur Auswahl anzuzeigen. Alternativ oder zusätzlich kann der Benutzer über diese Verbindung auch Angaben zu einer Materialklasse machen, die in der virtuellen Röntgenprojektion nicht berücksichtigt werden soll.
Das Computersystem 12 umfasst eine Projektionseinheit 22, die den modifizierten Bilddatensatz entsprechend einer gewünschten, virtuellen Projektionsgeometrie projiziert und dadurch einen modifizierten Projektionsdatensatz erzeugt. Die virtuelle Projektionsgeometrie kann die Projektionseinheit 22 beispielsweise aus benutzerseitigen Angaben ableiten. Dazu steht die Projektionseinheit 22 ebenfalls mit der Anzeigeeinheit 11 sowie der Eingabeeinheit 7 in Verbindung. Alternativ kann die Projektionseinheit 22 die virtuelle Projektionsgeometrie automatisch festlegen oder dem Benutzer über besagte Verbindung zur Auswahl anzeigen.
Das Computersystem umfasst auch eine Berechnungseinheit 21, die ausgestaltet ist, den modifizierten Projektionsdatensatz von der Projektionseinheit 22 in eine Vielzahl von Intensitätswerten für einen virtuellen Röntgenstrahlungsdetektor zu berechnen. Dabei berücksichtigt auch sie die virtuelle Projektionsgeometrie. In einer Transformationseinheit 15 und einer Zuordnungseinheit 18 werden die Intensitätswerte unter Berücksichtigung von Abbildungseigenschaften des virtuellen Röntgenstrahlungsdetektors in durch diesen fiktiv ausgegebene Messwerte transformiert und diese anschließend einer Bildmatrix zugeordnet.
Vorliegend sind die Rekonstruktionseinheit 23, die Modifikationseinheit 16, die Projektionseinheit 22, Transformationseinheit 15 und Zuordnungseinheit 18 als getrennte Module ausgestaltet, die, wo erforderlich, in Datenaustausch miteinander stehen. Alternativ können alle übrigen genannten Einheiten beispielsweise auch in die Modifikationseinheit 16 integriert sein, sei es in Form einer körperlichen oder funktionalen Integrität.
Das Computersystem 12 kann mit einem computerlesbaren Datenträger 13 zusammenwirken, insbesondere um durch ein Computerprogramm mit Programmcode ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Weiterhin kann das Computerprogramm auf dem maschinenlesbaren Träger abrufbar gespeichert sein. Insbesondere kann es sich bei dem maschinenlesbaren Träger um eine CD, DVD, Blu-Ray Disc, einen Memory-Stick oder eine Festplatte handeln. Die Rekonstruktionseinheit (23), Modifikationseinheit 16, Projektionseinheit (22), Berechnungseinheit (21), Transformationseinheit (15) und die Zuordnungseinheit (18) können in Form von Hard- oder in Form von Software ausgebildet sein. Beispielsweise ist die Modifikationseinheit 16 als ein sogenanntes FPGA (Akronym für das englischsprachige "Field Programmable Gate Array") ausgebildet oder umfasst eine arithmetische Logikeinheit.
In dem hier gezeigten Beispiel ist auf dem Speicher 24 des Computersystems 12 wenigstens ein Computerprogramm gespeichert, welches alle Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführt, wenn das Computerprogramm auf dem Computer 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 Computersystem 12 gespeichert sein. Beispielsweise kann die Röntgenbildaufnahmevorrichtung so ausgelegt sein, dass das Computersystem 12 das Computerprogramm zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens über ein Intranet oder über das Internet in seinen internen Arbeitsspeicher lädt.
2 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren in einem Ausführungsbeispiel. In einem ersten Schritt S1 werden ein erster und ein zweiter CT-Projektionsdatensatz des Patienten 3 über die Schnittstelleneinheit 21 von der Aufnahmeeinheit 17 von dem Computersystem 12 erfasst und an die Rekonstruktionseinheit 23 übertragen. Die CT-Projektionsdatensätze betreffen den Thorax des Patienten 3. Das Erfassen der CT-Projektionsdatensätze kann auch die Aufnahme der Projektionsdaten mit der Aufnahmeeinheit 17 umfassen. Die zwei CT-Projektionsdatensätze wurden mit einem Dual-Source Computer-Tomographie-Gerät mit Beschleunigungsspannungen von 80kV und 140kV aufgenommen. Alternativ können die zwei CT-Projektionsdatensätze mittels eines quantenzählenden Röntgenstrahlungsdetektors einer anderen Röntgenbildaufnahmevorrichtung erfasst werden. Die CT-Projektionsdatensätze unterscheiden sich folglich hinsichtlich des Energiespektrums der jeweils berücksichtigten Röntgenquanten. Die Projektionseinheit 23 empfängt die CT-Projektionsdatensätze und rekonstruiert in einem Schritt S2 aus den CT-Projektionsdatensätzen einen dreidimensionalen Bilddatensatz B1, wie er in 3 exemplarisch anhand eines transversalen Schnittbildes durch den Thorax des Patienten 3 dargestellt ist. Selbstredend kann der Bilddatensatz B1 eine Vielzahl von transversalen Schnittbildern umfassen oder aus in anderen Ebenen liegenden Schnittbildern gebildet sein. Mit anderen Worten ermittelt die Rekonstruktionseinheit 23 für jedes Volumenelement des Patienten 3 in der abgebildeten Körperregion einen lokalen Röntgenschwächungswert. Sind die lokalen Röntgenschwächungswerte zweier benachbarter Volumenelemente vereinfacht gesprochen identisch oder nahezu identisch, repräsentieren beide dasselbe Material, weichen sie von einander ab, repräsentieren sie jeweils unterschiedliche Materialien. Zwischen den beiden Volumenelementen verläuft dann eine Materialgrenze. In dem dargestellten Schnittbild des Bilddatensatzes B1 sind exemplarisch verschiedene Materialien bzw. Gewebetypen M1 bis M4, wobei M1 = Luft (im Lungengewebe), M2 = Weichteilgewebe, M3 = Knochengewebe und M4 = Bekleidungsmaterial, dargestellt. Die Verteilung eines Materials in dem Bilddatensatz B1 ergibt sich aus den ermittelten lokalen Röntgenschwächungswerten. Die Materialien werden in 3 zur Veranschaulichung durch unterschiedliche Einfärbung bzw. Schraffur dargestellt, diese weicht von entsprechend der Hounsfield-Skala zugeordneten Grauwerten eines realen CT-Schnittbildes ab. Die Rekonstruktion erfolgt in diesem Beispiel mittels eines iterativen Rekonstruktionsalgorithmus, dieser sorgt für eine vorteilhafte Rauschreduzierung in den Daten des Bilddatensatzes B1. Jede andere bekannte Rekonstruktion könnte in Schritt S2 zur Anwendung kommen, wobei Schritte zur Verbesserung des Bildkontrastes oder zur Artefaktkorrektur ausgelassen werden. Der Bilddatensatz B1 kann nur aus einem der Projektionsdatensätze berechnet werden, alternativ berücksichtigt die Rekonstruktionseinheit 23 beide Projektionsdatensätze und erzeugt den Bilddatensatz B1 basierend auf beiden Projektionsdatensätzen, beispielsweise indem sie eine (gewichtete) Überlagerung der Einzelbilddatensätze erzeugt. Alternativ oder zusätzlich werden beide Projektionsdatensätze für eine anschließende Weiterverarbeitung in entsprechende Bilddatensätze rekonstruiert. In einem Schritt S3 erfolgt eine Modifizierung des Bilddatensatzes B1. Gemäß einer ersten Ausführungsvariante wird ein Modifikationsschritt MOD 1 zur Bildung eines modifizierten Bilddatensatzes B21 durchgeführt, gemäß einer zweiten Ausführungsvariante wird ein Modifikationsschritt MOD 2 zur Bildung eines zweiten modifizierten Bilddatensatzes B22 durchgeführt, wie in 3 anhand von exemplarischen Schnittbildern für die modifizierten Bilddatensätze B21, B22 dargestellt. Der Modifikationsschritt MOD 1 umfasst eine Zuordnung von modifizierten Röntgenschwächungswerten zu einer Vielzahl von lokalen Röntgenschwächungswerten basierend auf einer Ermittlung der Materialzusammensetzungund ermöglicht derart die Erzeugung einer besonders realistischen Röntgenprojektion. Dazu führt die Modifikationseinheit 16 basierend auf den Bilddaten zu beiden Projektionsdatensätzen eine Zwei-Material-Zerlegung durch. Dazu kann die Modifikationseinheit 16 das der Projektionsdatensatz-Aufnahme zugrunde liegende Scan-Protokoll auswerten und in Abhängigkeit von der darin festgelegten Untersuchungsart zwei Basismaterialien bestimmen. Die Modifikationseinheit 16 kann alternativ die Bilddaten im Hinblick auf die abgebildete Körperregion des Patienten analysieren und daraus zwei geeignete Basismaterialien ableiten. Ferner besteht die Möglichkeit, dass die Modifikationseinheit 16 dem Benutzer über die Anzeigeeinheit 11 eine Auswahl möglicher Materialien anbietet und der Benutzer beispielsweise per Mausklick auf der Anzeigeeinheit 11 die Basismaterialien festlegt. Vorliegend werden die Materialien Knochen und Weichteilgewebe betrachtet. Nun erfolgt auf grundsätzlich bekannte Weise für jedes Volumenelement die Basismaterialzerlegung anhand der Röntgenschwächungsverteilungen des Patienten 3 in den Bilddaten nach Knochen und Weichteilgewebe zur Bestimmung der Dichteverteilungen bzw. der Materialanteile der Materialien pro Volumenelement in der abgebildeten Körperregion. Diese kann dazu verwendet werden, um modifizierte Röntgenschwächungswerte zu bestimmen, die eine realistische Röntgenprojektionsaufnahme mit Röntgenstrahlung einer definierten Röntgenquantenenergieverteilung simulieren. Die Vorgabe der virtuellen Röntgenquantenenergieverteilung erfolgt durch einen Benutzer. Dazu wird ihm durch die Modifikationseinheit 16 über die Anzeigeeinheit 11 ein Schiebregler dargestellt, der auf einem Balken repräsentierend verschiedene Werte für die vorggebare, virtuelle Röntgenquantenenergieverteilung mittels Eingabeeinheit 7 verstellt werden kann. Durch Verschieben des Reglers mittels Eingabeeinheit 7, beispielsweise über eine Aktivierung des Reglers mittels Mausklick und Verschieben des Reglers durch Bewegung der Maus entlang des Balkens, kann der Benutzer eine aus seiner Sicht optimale virtuelle Röntgenquantenenergieverteilung auswählen. In dieser Alternative entspricht diese einem diskreten Röntgenquantenenergiewert. In einer anderen Alternative setzt sich die virtuelle Röntgenquantenenergieverteilung aus einer Vielzahl von diskreten Röntgenquantenenergiewerten zusammen, die innerhalb eines Emissionsspektrums liegen. Das Emissionsspektrum entspricht dabei der Beschleunigungsspannung, die der Benutzer für die tatsächliche Aufnahme einer Röntgenprojektion ausgewählt hätte. Dazu werden dem Benutzer durch die Modifikationseinheit 16 über die Anzeigeeinheit 11 mehrere Beschleunigungsspannungen angezeigt, die er entsprechend einer gängigen Vorgehensweise über die Eingabeeinheit 7 auswählen kann. Der Benutzer erhält auf diese Weise den Eindruck eines gewohnten Prozessablaufs. Für die ausgewählte Beschleunigungsspannung ermittelt die Modifikationseinheit 16 ein Emissionsspektrum und leitet die Röntgenquantenenergieverteilung aus mehreren, diskreten Röntgenquantenenergiewerten innerhalb des Emissionsspektrums ab. Emissionsspektren zu verschiedenen Beschleunigungsspannungen können zu diesem Zweck im Speicher 24 oder in einem RIS- oder PACS-Netzwerk für die Modifikationseinheit 16 abrufbar hinterlegt sein. Die ausgewählte Röntgenquantenenergieverteilung wird von der Modifikationseinheit 16 verwendet, um anhand der berechneten Materialanteile der Basismaterialien zu der vorgebbaren, virtuellen Röntgenquantenenergieverteilung einen modifizierten Bilddatensatz B21 erzeugen. Dazu greift die Modifikationseinheit 16 auf im lokalen Speicher 24 oder in einem RIS- oder PACS-Netzwerk hinterlegte Tabellen für Knochen und Weichteilgewebe zurück, aus denen sie die jeweiligen Röntgenschwächungswerte zu der virtuellen Röntgenquantenenergie entnimmt oder interpoliert. Diese werden im Anschluss entsprechend der Materialanteile in einem jeden Volumenelement gewichtet addiert. Eine Ersetzung von lokalen Röntgenschwächungswerten durch die modifizierten Röntgenschwächungswerte erfolgt in diesem Beispiel nicht in den Volumenelementen bezüglich der Materialien Luft und Bekleidungsmaterial. Der Bilddatensatz B21 weist nun realistische Röntgenschwächungswerte auf, wie sie auch bei einer realen Röntgenprojektionsaufnahme gewonnen worden wären. Das beispielhaft beschriebene Verfahren ist ohne Weiteres auf eine Mehr-Materialzerlegung übertragbar. Der zweite, durch den alternativen Modifikationsschritt MOD 2 erzeugte, modifizierte Bilddatensatz B22 umfasst keinerlei Information mehr bezüglich des im Bilddatensatz B1 enthaltenen Knochengewebes. Zu seiner Erzeugung identifiziert die Modifikationseinheit 16 alle in dem Bilddatensatz B1 enthaltenen Volumenelemente mit einem Knochengewebe repräsentierenden, lokalen Röntgenschwächungswert und weist diesen als modifizierten Röntgenschwächungswert den Wert 0 zu. In dem derart erzeugten modifizierten Bilddatensatz B22 lassen sich Lungengewebe und Knochen nicht mehr voneinander unterscheiden. Zusätzlich können andere Materialien über ihre lokalen Röntgenschwächungswerte identifiziert und klassifiziert und mit der jeweiligen Materialklasse zugeordneten, modifizierten Röntgenschwächungswerten versehen werden. Der auf diese Art erzeugte Bilddatensatz entspricht einer bewusst verfälschten Darstellung der abzubildenden Körperregion des Patienten. Im anschließenden Schritt S4 erfolgt durch die Projektionseinheit 22 eine Vorwärtsprojektion des modifizierten Bilddatensatzes B12, B22 entsprechend einer virtuellen Projektionsgeometrie. Diese kann ebenfalls durch den Benutzer eingegeben werden. Vorliegend werden Linienintegrale über die Röntgenschwächungswerte des modifizierten Bilddatensatzes entlang von Integrallinien entsprechend einer Parallelstrahlgeometrie berechnet. Dieser Schritt bildet aufgrund der umfassten, modifizierten Röntgenschwächungswerte die Erzeugung eines realen Projektionsdatensatzes nach, der durch Bestrahlung mit einer der vorgebbaren, virtuellen Röntgenquantenenergieverteilung entsprechenden, realen Röntgenquantenenergieverteilung erzeugt worden wäre. Die Strahlen beginnen dabei in einer Röntgenstrahlungsquelle, durchlaufen den Oberkörper des Patienten 3 und enden jeweils in einem Detektorelement (i, j) eines virtuellen Röntgendetektors. In Schritt S6 werden aus dem modifizierten Projektionsdatensatz Intensitätswerte für jedes Detektorelement (i, j) unter Berücksichtigung der gewählten virtuellen Projektionsgeometrie ermittelt, die in Schritt S7 in Messwerte überführt werden. Dabei berücksichtigt die Transformationseinheit 15 die spezifische Signalkennlinie des virtuellen Detektors, die ebenfalls durch den Benutzer entsprechend eines in der Realität verwendeten Detektors ausgewählt oder angepasst werden kann. In einem Schritt S8 kann der Benutzer ein geeignetes Grauwertfenster auswählen, in welchem eine Darstellung der Messwerte in einer Bildmatrix erfolgen soll. Alternativ wählt der Benutzer Falschfarben aus.
In obiger Beschreibung werden die Modifikationsrechenschritte im Bildraum durchgeführt. Dies ist im Hinblick auf den notwendigen Rechenaufwand die bevorzugte Vorgehensweise. Jedoch können einzelne Rechenschritte, sofern die Ortsinformation bezüglich der lokalen bzw. modifizierten Röntgenschwächungswerte erhalten bleibt, auch im Projektionsraum durchgeführt werden.
Zusammenfassend bietet das erfindungsgemäße Verfahren für den Benutzer vielfältige Einsatz- und Modifikationsmöglichkeiten, sodass in vielen Fällen eine für den Benutzer hilfreiche Projektionsaufnahme aus einem bestehenden Bilddatensatz erzeugt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. F. Williamson et al. ‚On twoparameter model of Photon cross sections: Application to dual-energy CT imaging‘, Med. Phys. 33 (2006), 4115–4129 [0030]

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer virtuellen Röntgenprojektion wenigstens einer abzubildenden Körperregion eines Patienten (3) mit einer Röntgenbildaufnahmevorrichtung, umfassend die folgenden Schritte: – Erfassen wenigstens eines Projektionsdatensatzes darstellend die wenigstens eine abzubildende Körperregion des Patienten mit der Röntgenbildaufnahmevorrichtung, – Rekonstruieren eines Bilddatensatzes (B1) aus dem wenigstens einen Projektionsdatensatz, wobei der Bilddatensatz lokale Röntgenschwächungswerte in der wenigstens einen, abzubildenden Körperregion des Patienten repräsentiert, – Modifizieren (MOD1; MOD2) des Bilddatensatzes derart, dass wenigstens ein lokaler Röntgenschwächungswert durch einen modifizierten Röntgenschwächungswert ersetzt wird, – Erzeugen eines modifizierten Projektionsdatensatzes durch Vorwärtsprojezieren des modifizierten Bilddatensatzes (B21; B22) auf einen virtuellen Röntgenstrahlungsdetektor unter Berücksichtigung einer virtuellen Projektionsgeometrie, – Berechnen von Intensitätswerten für eine Vielzahl von Detektorelementen des virtuellen Röntgenstrahlungsdetektors aus dem modifizierten Projektionsdatensatz unter Berücksichtigung der virtuellen Projektionsgeometrie, – Transformieren der berechneten Intensitätswerte in vom virtuellen Röntgenstrahlungsdetektor ausgegebene Messwerte, und – Bilden der virtuellen Röntgenprojektion durch Zuordnen der Messwerte zu einer Bildmatrix.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Modifizieren des Bilddatensatzes umfasst, den wenigstens einen lokalen Röntgenschwächungswert einer Materialklasse zuzuordnen und ihn durch einen der Materialklasse entsprechenden, modifizierten Röntgenschwächungswert zu ersetzen.
Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem der wenigstens eine lokale Röntgenschwächungswert einer der folgenden Materialklassen zugeordnet wird: Knochen, Weichteilgewebe, Kontrastmittel.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem wenigstens einer der einer Materialklasse entsprechenden, modifizierten Röntgenschwächungswerte 0 beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem wenigstens einer der einer Materialklasse entsprechenden, modifizierten Röntgenschwächungswerte in Abhängigkeit einer vorgebbaren, virtuellen Röntgenquantenenergieverteilung gewählt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Modifizieren des Bilddatensatzes eine Ermittlung der Materialzusammensetzung in zumindest einem Teil der abzubildenden Körperregion des Patienten umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem die Ermittlung der Materialzusammensetzung basierend auf wenigstens zwei mittels der Röntgenbildaufnahmevorrichtung erfassten Projektionsdatensätzen, jeweils entsprechend einer vorab festgelegten Röntgenquantenenergieverteilung, erfolgt, wobei sich die vorab festgelegten Röntgenquantenenergieverteilungen voneinander unterscheiden.
Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, bei dem der wenigstens eine modifizierte Röntgenschwächungswert in Abhängigkeit einer vorgebbaren, virtuellen Röntgenquantenenergieverteilung und der ermittelten Materialzusammensetzung bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 8, bei dem wenigstens zwei lokale Röntgenschwächungswerte durch jeweils einen modifizierten Röntgenschwächungswert ersetzt werden, die jeweils in Abhängigkeit einer vorgebbaren, virtuellen Röntgenquantenenergieverteilung ausgewählt werden, wobei sich die wenigstens zwei vorgebbaren, virtuellen Röntgenquantenenergieverteilungen voneinander unterscheiden.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die virtuelle Projektionsgeometrie parallele, virtuelle Röntgenstrahlen oder konusförmige, virtuelle Röntgenstrahlen annimmt.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem das Vorwärtsprojezieren ein Erzeugen von Linienintegralen L_i,j über die Röntgenschwächungswerte des modifizierten Bilddatensatzes entlang einer Vielzahl von virtuellen Röntgenstrahlen durch die abzubildende Körperregion des Patienten mittels Strahlverfolgungsverfahren oder Fourierverfahren umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Vorwärtsprojezieren unter Berücksichtigung eines oder mehrerer Parameter repräsentierend den virtuellen Meßvorgang erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem das Berechnen der Intensitätswerte gemäß der Vorschrift I_i,j = I_0;i,j·exp(–L_i,j)·cos(β_i,j) erfolgt, wobei die Indizes i, j Zeile und Spalte eines Detektorelements [i, j] des virtuellen Röntgenstrahlungsdetektors, β_i,j einen Winkel zwischen dem betrachteten Röntgenstrahl zum Detektorelement [i, j] und der Flächennormalen n des virtuellen Röntgenstrahlungsdetektors und I_0;i,j eine am Detektorelement [i, j] einfallende Röntgenstrahlungsintensität ohne durch den Patienten verursachte Röntgenabschwächung beschreibt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem beim Berechnen der Intensitätswerte einem Übersprechverhalten des virtuellen Röntgenstrahlungsdetektors und/oder Streustrahlungseffekte berücksichtigt werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Transformation der Intensitätswerte in Messwerte eine Signalkennlinie des virtuellen Röntgenstrahlungsdetektors berücksichtigt.
Verfahren gemäß Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Rekonstruktion des Bilddatensatzes mit einer räumliche Auflösung im Bereich von 0,1mm bis 0,5mm erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Messwerte in der Bildmatrix als Grauwerte dargestellt werden.
Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.
Maschinenlesbarer Datenträger (13), auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 18 gespeichert ist.
Röntgenbildaufnahmevorrichtung zur Erzeugung einer virtuellen Röntgenprojektion wenigstens einer abzubildenden Körperregion eines Patienten 3, wobei die Röntgenbildaufnahmevorrichtung umfasst – ein Röntgenmodul umfassend wenigstens eine Röntgenstrahlungsquelle (8) zum Erzeugen und Aussenden von Röntgenstrahlung jeweils mit einer vorgegebenen Röntgenquantenenergieverteilung, und – ein Detektormodul umfassend wenigstens einen Röntgenstrahlungsdetektor (9) zum Detektieren von vom Röntgenstrahlungsmodul ausgesandter Röntgenstrahlung, und – ein Computersystem (12), welches im Betrieb die Verfahrensschritte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17 durchführt.
Röntgenbildaufnahmevorrichtung zur Erzeugung einer virtuellen Röntgenprojektion wenigstens einer abzubildenden Körperregion eines Patienten 3, wobei die Röntgenbildaufnahmevorrichtung umfasst – ein Röntgenmodul umfassend wenigstens eine Röntgenstrahlungsquelle (8) zum Erzeugen und Aussenden von Röntgenstrahlung jeweils mit einer vorgegebenen Röntgenquantenenergieverteilung, und – ein Detektormodul umfassend wenigstens einen Röntgenstrahlungsdetektor (9) zum Detektieren von vom Röntgenstrahlungsmodul ausgesandter Röntgenstrahlung, und – ein Computersystem (12), umfassend – eine Schnittstelleneinheit (21), die ausgestaltet ist, wenigstens einen Projektionsdatensatz darstellend die wenigstens eine abzubildende Körperregion des Patienten zu erfassen, – eine Rekonstruktionseinheit (23), die ausgestaltet ist, einen Bilddatensatz (B1) aus dem wenigstens einen Projektionsdatensatz zu rekonstruieren, wobei der Bilddatensatz lokale Röntgenschwächungswerte in der wenigstens einen, abzubildenden Körperregion des Patienten repräsentiert, – eine Modifikationseinheit (16), die ausgestaltet ist, den Bilddatensatz derart zu modifizieren (MOD1; MOD2), dass wenigstens ein lokaler Röntgenschwächungswert durch einen modifizierten Röntgenschwächungswert ersetzt wird, – eine Projektionseinheit (22), die ausgestaltet ist, einen modifizierten Projektionsdatensatz durch Vorwärtsprojezieren des modifizierten Bilddatensatzes (B21; B22) auf einen virtuellen Röntgenstrahlungsdetektor unter Berücksichtigung einer virtuellen Projektionsgeometrie zu erzeugen, – eine Berechnungseinheit (21), die ausgestaltet ist, Intensitätswerte für eine Vielzahl von Detektorelementen des virtuellen Röntgenstrahlungsdetektors aus dem modifizierten Projektionsdatensatz unter Berücksichtigung der virtuellen Projektionsgeometrie zu berechnen, – eine Transformationseinheit (15), die die berechneten Intensitätswerte in vom virtuellen Röntgenstrahlungsdetektor ausgegebene Messwerte transformiert, und – eine Zuordnungseinheit (18), die die Messwerte einer Bildmatrix zuordnet.
Röntgenbildaufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 20 oder 21 mit einem Röntgenmodul umfassend wenigstens zwei Röntgenstrahlungsquellen (8) zum Erzeugen und Aussenden von Röntgenstrahlung jeweils mit einer vorgegebenen Röntgenquantenenergieverteilung und einem Detektormodul umfassend wenigstens zwei Röntgenstrahlungsdetektoren (9), jeweils zum Detektieren von von einer der Röntgenstrahlungsquellen ausgesandter Röntgenstrahlung.
Röntgenbildaufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 20 oder 21 mit einem Detektormodul umfassend einen auf die Energie der einfallenden Röntgenquanten selektiven Röntgenstrahlungsdetektor (9).
Röntgenbildaufnahmevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 23, bei dem der wenigstens eine Röntgenstrahlungsdetektor (9) als planarer Detektor ausgestaltet ist.