DE102015225395A1

DE102015225395A1 - Ermittlung einer räumlichen Verteilung eines Materialeigenschaftswerts auf Basis einer Einzelenergie-Bildaufnahme

Info

Publication number: DE102015225395A1
Application number: DE102015225395.3A
Authority: DE
Inventors: Rainer Raupach
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2035-12-17
Also published as: CN106880902A; US9872662B2; DE102015225395B4; US20170172533A1; CN106880902B

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Ermitteln einer räumlichen Verteilung (Ie(x, y, z)) eines Materialeigenschaftswerts in einem Untersuchungsbereich (FoV) eines Untersuchungsobjekts (O) beschrieben. Bei dem Verfahren werden zunächst Mess-Projektionsdaten (PM(k)) erfasst, welche mit Hilfe einer Einzel-Energie-CT-Aufnahme mit einer definierten Mess-Energie von dem Untersuchungsbereich (FoV) des Untersuchungsobjekts (O) unter Nutzung einer definierten Mess-Projektionsgeometrie erzeugt wurden. Anschließend werden Bilddaten (IM(x, y, z)) auf Basis der erfassten Mess-Projektionsdaten (PM(k)) rekonstruiert. Nachfolgend wird eine Verteilung (IT(x, y, z), PT(k)) von zwei ein erstes und ein zweites Basis-Material umfassenden Basis-Materialien (M1, M2) im Untersuchungsbereich (FoV) durch Klassifizierung von Bildpunkten unter Nutzung eines Schwellenwerts (T2) danach abgeschätzt, ob sie einen signifikanten Anteil des zweiten (M2) der beiden Basis-Materialien (M1, M2) enthalten. In einem weiteren Schritt wird eine Verteilung (d1, d2) der beiden Basis-Materialien (M1, M2) auf Basis der abgeschätzten Verteilung (IT(x, y, z)) und einer ermittelten allgemeinen Abhängigkeitsregel (P(d1, d2)) der Mess-Projektionsdaten (PM) von einer Verteilung (d1, d2) der beiden Basis-Materialien (M1, M2) ermittelt. Auf Basis der ermittelten Verteilung (d1, d2) der beiden Basis Materialien (M1, M2) und eines vorab bekannten theoretischen Zusammenhangs (Pe theo(d1, d2), Pz theo(d1, d2)) zwischen der Verteilung des Materialeigenschaftswerts und einer Verteilung der beiden Basis-Materialien (M1, M2) wird eine von der Mess-Energie unabhängige räumliche Verteilung (Ie(x, y, z), Iz(x, y, z)) des Materialeigenschaftswerts ermittelt. Es wird außerdem eine Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung (40) beschrieben. Zudem wird ein Computertomographiesystem (1) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer räumlichen Verteilung eines Materialeigenschaftswerts in einem Untersuchungsbereich eines Untersuchungsobjekts. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung. Es wird auch ein Computertomographiesystem beschrieben.
Bei der Strahlentherapie werden zur Planung der Bestrahlung eines Patienten radiologische Daten, beispielsweise mit Hilfe von CT-Bildaufnahmen erfasst, um die Strahlendosis bei der geplanten Bestrahlung festlegen zu können. Insbesondere ist es wichtig, Strahlendosen ortsaufgelöst festzulegen, um nur malignes Gewebe im zu bestrahlenden Bereich zu zerstören und benachbarte, eventuell sehr empfindliche Bereiche zu schonen.
Die bei der Bestrahlung auftretenden Wechselwirkungen zwischen Strahlung und Gewebe lassen sich in primäre und sekundäre Effekte aufteilen. Bei den primären Effekten handelt es sich um die direkte Wechselwirkung der Strahlung mit dem Gewebe. Bei der Bestrahlung mit Photonen erfolgt die Wechselwirkung primär mit Elektronen. Wird Gewebe mit schweren Teilchen bestrahlt, so erfolgt die Wechselwirkung vor allem mit den Atomkernen. Zusätzlich wird bei den beschriebenen primären Prozessen bei der Wechselwirkung so viel Energie auf die Elektronen übertragen, dass diese aus dem Molekül herausgelöst werden und selbst noch genügend Energie besitzen, um als Sekundäreffekt weitere Ionisationsprozesse zu verursachen. Bei der Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit Elektronen treten unterschiedliche Effekte auf. Erfolgt eine Absorption von Strahlung im weichen Gewebe, welches vor allem aus Wasser besteht, dominiert der Compton-Effekt, bei der Absorption in fester Körpersubstanz, wie zum Beispiel Knochensubstanz, dominiert dagegen der Photoeffekt.
Um für eine Strahlentherapie die Strahlendosis vorab ermitteln zu können, muss die Ladungsdichteverteilung, d.h. insbesondere die Elektronendichteverteilung bzw. die Kernladungsverteilung des in dem zu untersuchenden Bereich vorhandenen Materials bekannt sein.
Ein herkömmliches Verfahren zur Ermittlung von Elektronendichten anhand von CT-Bilddatensätzen besteht darin, Abschwächungswerte der CT-Bilddaten, im Folgenden auch kurz CT-Werte genannt, mit Hilfe einer einfachen Tabelle auf Elektronendichten abzubilden. Jedoch wird bei diesem Verfahren keine sehr große Genauigkeit erzielt, weil bei der Anwendung von bei CT-Bildaufnahmen eingesetzter polychromatischer Röntgenstrahlung CT-Werte desselben Materials im Bild abhängig von der Größe des zu untersuchenden Objekts sind, in dem sie absorbiert werden, und auch abhängig von der Lage des bestrahlten Bereichs im Querschnitt des Objekts sind.
Dies rührt daher, dass bei der Abbildung ein oberflächennahes Volumenelement aufgrund der Strahlungsaufhärtung mit einer weicheren Strahlung beaufschlagt wird als ein zentral gelegenes Volumenelement. Bei gleicher Dichte und gleichem Material wird also dem oberflächennahen Volumenelement ein höherer CT-Wert (stärkere Abschwächung) zugeordnet als dem zentral gelegenen Volumenelement. Aufgrund der unterschiedlichen CT-Werte wird somit dem oberflächennahen Volumenelement eine höhere Elektronendichte zugeordnet als dem zentral gelegenen Volumenelement. Somit ist die Genauigkeit dieses Verfahrens auch dann eingeschränkt, wenn vorab eine Kalibrierung mit Hilfe eines Testkörpers (eines sogenannten Phantoms) sehr genau und reproduzierbar durchgeführt wurde.
Eine andere Art der Ermittlung von Elektronendichten beruht auf der CT-Messung mit Hilfe von zwei Spektren, auch Dual-Energy-CT genannt, wobei die aufgenommenen Messdaten in einer Basismaterialzerlegung dargestellt werden. Die nach einzelnen Materialien aufgeteilten Messdaten können dann wieder auf Elektronendichten abgebildet werden. Wie bereits erwähnt, basieren die Absorptionseigenschaften der biologisch relevanten Materialien im Wesentlichen auf nur zwei unterschiedlichen Effekten, dem Photoeffekt und dem Compton-Effekt, so dass eine Zerlegung der Messdaten nach zwei Basismaterialien, zum Beispiel Wasser und Kalzium, ausreicht. Auf diese Weise wird für diese Materialien der Einfluss der Patientengröße und der Lage eines Volumenelements im Körper des Patienten reduziert.
Allerdings weist nicht jedes CT-Gerät die Möglichkeit einer Dual-Energy-Bildaufnahme auf, so dass diese Methode nur eingeschränkt zur Verfügung steht.
Es besteht somit das Problem, ein präzises Verfahren zur Ermittlung der Ladungsdichteverteilung in einem zu untersuchenden Bereich eines Untersuchungsobjekts zu entwickeln, welches auch bei der Anwendung eines Einzel-Energie-CT-Systems für die Voraufnahme funktioniert.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Ermitteln einer räumlichen Verteilung eines Materialeigenschaftswerts in einem Untersuchungsbereich eines Untersuchungsobjekts gemäß Patentanspruch 1, durch eine Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung gemäß Patentanspruch 11 und durch ein Computertomographiesystem gemäß Patentanspruch 12 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln einer räumlichen Verteilung eines Materialeigenschaftswerts in einem Untersuchungsbereich eines Untersuchungsobjekts, beispielsweise ein Patient, werden zunächst Mess-Projektionsdaten erfasst, welche mit Hilfe einer Einzel-Energie-CT-Aufnahme mit einer definierten Mess-Energie von dem Untersuchungsbereich des Untersuchungsobjekts unter Nutzung einer definierten Mess-Projektionsgeometrie erzeugt wurden. Eine Materialeigenschaft betrifft materialspezifisches Verhalten, welches unabhängig von der verwendeten Energie der messenden Röntgenstrahlung ermittelt werden kann. Solche Eigenschaften betreffen zum Beispiel die Elektronendichte oder die Kernladungszahl eines Materials oder Materialgemischs. Weiterhin sind auch der Schwächungskoeffizient bzw. die Absorptionseigenschaft bei einer vorgegebenen Strahlungsenergie Materialeigenschaften. Eine Einzel-Energie-CT-Bildaufnahme erfolgt üblicherweise unter Anwendung von polychromatischer Röntgenstrahlung. Diese umfasst eine spektrale Verteilung über einen bestimmten Energiebereich bzw. Röntgenstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen, allerdings in einem einzigen Frequenzintervall. Eine definierte Mess-Projektionsgeometrie kann zum Beispiel Projektionslinien umfassen, in deren Richtung Mess-Projektionsdaten erfasst werden. Anschließend werden Bilddaten auf Basis der erfassten Mess-Projektionsdaten rekonstruiert.
Nachfolgend wird eine Verteilung von zwei Basis-Materialien, welche eine erstes und ein zweites Basis-Material umfassen, im Untersuchungsbereich durch Klassifizierung von Bildpunkten vorzugsweise im Bilddatenraum unter Nutzung eines Schwellenwerts danach abgeschätzt, ob sie einen signifikanten Anteil des zweiten der beiden Basis-Materialien enthalten. Eine solche Verteilung kann zum Beispiel ein 2-Material-System sein, welches zwei Basis-Materialien umfasst.
In einem weiteren Schritt wird eine Verteilung der beiden Basis-Materialien auf Basis der abgeschätzten Verteilung und einer ermittelten allgemeinen Abhängigkeitsregel der Mess-Projektionsdaten von einer Verteilung der beiden Basis-Materialien ermittelt. Die allgemeine Abhängigkeitsregel gibt einen funktionellen Zusammenhang zwischen der Verteilung der beiden Basis-Materialien und den Werten der Mess-Projektionsdaten an. Sie kann zum Beispiel experimentell oder rechnerisch unter Anwendung derselben definierten Mess-Projektionsgeometrie wie sie bei der Aufnahme der Mess-Projektionsdaten angewandt wurde. Auf Basis der ermittelten Verteilung der beiden Basis-Materialien und eines vorab bekannten theoretischen Zusammenhangs zwischen der Verteilung des Materialeigenschaftswerts und einer Verteilung der beiden Basis-Materialien wird schließlich eine von der Mess-Energie unabhängige räumliche Verteilung des Materialeigenschaftswerts ermittelt.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich somit eine Materialeigenschaftsverteilung, insbesondere eine Elektronendichteverteilung, in einem Untersuchungsbereich eines zu untersuchenden Objekts, beispielsweise ein Patient, mit Hilfe eines einfachen Einzel-Energie-CT-Geräts ermitteln. Mit der Kenntnis einer Materialeigenschaftsverteilung können dann anschließend therapeutische Maßnahmen, wie zum Beispiel eine Bestrahlung von Tumoren, geplant und durchgeführt werden. Vorteilhaft kann also auf aufwändige Dual-Energy-CT-Systeme verzichtet werden, so dass eine Therapieplannung auch mit einfachen oder älteren CT-Sytemen und auch in kleineren Behandlungseinrichtungen, welche sich diese teueren Dual-Energy-CT-Systeme nicht leisten können, und auch dezentral erfolgen kann. Dabei wird die Materialeigenschaftsverteilung trotzdem mit einer hohen Genauigkeit ermittelt, welche der Präzision bei der Anwendung von aufwändigen Dual-Energie-CT-Systemen entspricht.
Die erfindungsgemäße Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung umfasst eine Projektionsdaten-Erfassungseinheit zum Erfassen von Mess-Projektionsdaten. Sie weist weiterhin eine Bilddaten-Rekonstruktionseinheit zur Rekonstruktion von Bilddaten auf Basis von Projektionsdaten auf. Teil der erfindungsgemäßen Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung ist außerdem eine Materialverteilungs-Abschätzungseinheit zur Ermittlung einer abgeschätzten Verteilung von zwei eine erstes und ein zweites Basis-Material umfassenden Basis-Materialien im Untersuchungsbereich durch Klassifizierung von Bildpunkten danach, ob sie einen signifikanten Anteil des zweiten der beiden Basis-Materialien enthalten, unter Nutzung eines Schwellenwerts.
Die erfindungsgemäße Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung umfasst außerdem eine Basismaterialverteilungs-Ermittlungseinheit zum Ermitteln einer Verteilung der beiden Basis-Materialien auf Basis der abgeschätzten Verteilung und einer ermittelten allgemeinen Abhängigkeitsregel der erfassten Mess-Projektionsdaten von einer Verteilung der beiden Basis-Materialien. Zudem weist die erfindungsgemäße Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung eine Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinheit zum Ermitteln einer von der Mess-Energie unabhängigen räumlichen Verteilung des Materialeigenschaftswerts auf Basis der Verteilung der beiden Basis-Materialien und eines vorab bekannten theoretischen Zusammenhangs zwischen der Verteilung des Materialeigenschaftswerts und einer Verteilung der beiden Basis-Materialien auf. Die zusätzlichen Einheiten der erfindungsgemäßen Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung umfassen Auswertungseinrichtungen, mit denen herkömmliche CT-Bildgebungssysteme leicht ergänzt werden können, ohne dass die bereits vorhandenen technischen Baueinheiten grundlegend verändert werden müssen. Mithin kann die erfindungsgemäße Mateial-Eigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung einfach und kostengünstig implementiert werden.
Das erfindungsgemäße Computertomographiesystem umfasst die erfindungsgemäße Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung. Beispielsweise kann die Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung Teil einer Steuereinrichtung eines Computertomographiesystems oder eines an das Computertomographiesystem angeschlossenen Auswertungssystems sein.
Die wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung können zum überwiegenden Teil in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Dies betrifft insbesondere Teile der Bilddaten-Rekonstruktionseinheit, der Materialverteilungs-Abschätzungseinheit, der Basismaterialverteilungs-Ermittlungseinheit und der Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinheit. 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.
Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtungen 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 erfindungsgemäßen Materialeigenschafsverteilungs-Ermittlungseinrichtung ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung 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 Speichereinrichtung der Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung und/oder zur Speicherung an der Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung 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 Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung 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 zum Ermitteln einer räumlichen Verteilung eines Materialeigenschaftswerts in einem Untersuchungsbereich eines Untersuchungsobjekts wird die allgemeine Abhängigkeitsregel mit Hilfe einer weiteren Messung oder einer Simulation einer Messsignalabschwächung in Abhängigkeit von einer Dicke der beiden Basis-Materialien in der definierten Mess-Projektionsgeometrie ermittelt. Beispielsweise kann die allgemeine Abhängigkeitsregel eine Funktion der Signalabschwächung in Abhängigkeit von den Dicken beider Basismaterialien jeweils in Projektionsrichtung umfassen. Als Dicke soll in diesem Zusammenhang der Anteil eines der beiden Materialien in einer Projektionsrichtung verstanden werden. Verläuft eine Projektionslinie mit einer bestimmten Streckenlänge durch den Untersuchungsbereich, so kann diese Streckenlänge in zwei Teilabschnitte aufgeteilt werden, die den Dicken der beiden Materialien entsprechen. D.h., auf der Strecke gibt es Abschnitte, an denen das eine Material vorkommt und Abschnitte, an denen das andere Material vorkommt. Addiert man die den einzelnen Materialien jeweils zugeordneten Abschnitte bzw. deren Längen, so erhält man die jeweiligen Dicken der Materialien in Projektionsrichtung. Die in dem Untersuchungsbereich tatsächlich vorliegenden konkreten Dicken können dann anhand der gemessenen Mess-Projektionsdaten und auf Basis der abgeschätzten Verteilung der Basis-Materialien geschätzt werden. Die Schätzung der Dicken erfolgt also nicht allein mit Hilfe der auf Basis der erfassen Projektions-Messdaten abgeschätzten Basis-Materialverteilung, sondern zusätzlich unter Berücksichtigung einer prinzipiell beliebig exakt bekannten funktionellen Abhängigkeit der Signalabschwächung von den Werten der Dicken. Anschließend kann dann unter Kenntnis der Dicken der Basis-Materialien und unter Verwendung eines vorab bekannten theoretischen Zusammenhangs zwischen der Verteilung des Materialeigenschaftswerts und der Dicken der Basis-Materialien auf Basis der ermittelten Dicken der Basis-Materialien eine von der Mess-Energie unabhängige räumliche Verteilung des Materialeigenschaftswerts, beispielsweise eine Elektronendichte, ermittelt werden. Eine solche Vorgehensweise erlaubt eine deutlich exaktere Ermittlung von Materialeigenschaftswerten als es bei einer einfachen Abschätzung der Dicken der Basis-Materialien allein auf Basis der abgeschätzten Verteilung der Basis-Materialien der Fall wäre.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer räumlichen Verteilung eines Materialeigenschaftswerts in einem Untersuchungsbereich eines Untersuchungsobjekts umfasst die allgemeine Abhängigkeitsregel eine Projektion, welche die Linienintegrale einer Messsignalabschwächung in Abhängigkeit von einer Verteilung der beiden Basis-Materialien angibt. Als Messsignalabschwächung soll in diesem Fall die Abschwächung der von den in dem Unteruchungsbereich vorhandenen Materialien abgeschwächten Röntgenstrahlung verstanden werden. Die Linienintegrale verlaufen entlang der Projektionslinien der definierten Mess-Projektionsgeometrie und integrieren die in dem Untersuchungsbereich entlang einer Projektionslinie lokal auftretende Signalabschwächung entlang der Projektionslinie auf.
Bevorzugt weist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln einer räumlichen Verteilung eines Materialeigenschaftswerts in einem Untersuchungsbereich eines Untersuchungsobjekts der vorab bekannte theoretische Zusammenhang zwischen der Verteilung des Materialeigenschaftswerts und einer Verteilung der beiden Basis-Materialien eine vorab bekannte theoretische Projektion auf, welche Linienintegrale der Dichte von in den beiden Materialien enthaltenen Materialeigenschaftsträgern, beispielsweise Elektronen, in Abhängigkeit von einer Verteilung der beiden Basis-Materialien angibt. Beispielsweise gibt eine solche theoretische Projektion das Linienintegral über den Materialeigenschaftswert, beispielsweise eine Elektronendichte, bei bekannten durchstrahlten Dicken der Basis-Materialien wieder.
Besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln einer räumlichen Verteilung eines Materialeigenschaftswerts in einem Untersuchungsbereich eines Untersuchungsobjekts der vorab bekannte theoretische Zusammenhang zwischen der Verteilung des Materialeigenschaftswerts und einer Verteilung der beiden Basis-Materialien als linearer Zusammenhang formuliert. Dieser lineare Zusammenhang umfasst eine Summe der Produkte der Verteilung der beiden Basis-Materialien und der spezifischen Dichten ρ₁, ρ₂ von in den beiden Basis-Materialien enthaltenen Materialeigenschaftsträgern. D.h., der theoretische Zusammenhang P in Abhängigkeit von Dicken d₁, d₂, der beiden Basis-Materialien kann wie folgt formuliert sein: P(d₁, d₂) = ρ₁·d₁ + ρ₂·d₂. (1)
In einer besonders vorteilhaft anzuwendenden Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer räumlichen Verteilung eines Materialeigenschaftswerts in einem Untersuchungsbereich eines Untersuchungsobjekts umfassen die Materialeigenschaftswerte Werte betreffend die spektrale Absorption und/oder die Elektronendichte und/oder die Kernladungsträgerdichte. Mit Hilfe der Werte der Elektronendichte können zum Beispiel Bestrahlungen mit Photonen geplant werden. Bei Kenntnis der Kernladungsdichte können Behandlungsverfahren, bei denen eine Bestrahlung mit schweren Teilchen, wie zum Beispiel Protonen, erfolgt, geplant werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer räumlichen Verteilung eines Materialeigenschaftswerts in einem Untersuchungsbereich eines Untersuchungsobjekts wird die abgeschätzte Verteilung auf Basis der rekonstruierten Bilddaten unter der Annahme ermittelt, dass sich die abgeschätzte Verteilung in Teilbereichen des Untersuchungsbereichs, welche einen signifikanten Anteil des zweiten der beiden Basis-Materialien enthalten, proportional zu den Abschwächungs-Werten der rekonstruierten Bilddaten verhält. D.h, es wird also ein linearer Zusammenhang zwischen der gemessenen Abschwächung und dem Anteil des zweiten Basis-Materials angenommen.
Im Rahmen einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer räumlichen Verteilung eines Materialeigenschaftswerts in einem Untersuchungsbereich eines Untersuchungsobjekts wird auf Basis der abgeschätzten Verteilung mit Hilfe einer Vorwärtsprojektion (in derselben Geometrie wie die erfassten Projektionsdaten) ein synthetischer Projektionsdatensatz ermittelt. Die Projektion in den Messdatenraum ermöglicht bzw. erleichtert die folgende Ermittlung der Dicken unter Anwendung der allgemeinen Abhängigkeitsregel betreffend die Abhängigkeit der Werte der Mess-Projektionsdaten von einer Verteilung der beiden Basis-Materialien.
In einer besonders praktikablen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer räumlichen Verteilung eines Materialeigenschaftswerts in einem Untersuchungsbereich eines Untersuchungsobjekts erfolgt zur Ermittlung einer von der Mess-Energie unabhängigen räumlichen Verteilung des Materialeigenschaftswerts eine Rekonstruktion von Bilddaten auf Basis von durch die vorab bekannte theoretische Projektion ermittelten Projektionswerten. Die ermittelten Projektionswerte geben Linienintegrale über die räumliche Verteilung des Materialeigenschaftswerts an. Um eine räumliche Verteilung des Materialeigenschaftswerts zu erhalten, muss eine Abbildung der Projektionswerte in den Bilddatenraum erfolgen. Üblicherweise wird hierzu eine gefilterte Rückprojektion durchgeführt.
In einer speziellen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer räumlichen Verteilung eines Materialeigenschaftswerts in einem Untersuchungsbereich eines Untersuchungsobjekts liegt der vorab bekannte theoretische Zusammenhang zwischen einer Verteilung des Materialeigenschaftswerts und einer Verteilung der beiden Basis-Materialien in Form von tabellierten Funktionswerten in Abhängigkeit von den Werten der erfassten Mess-Projektionsdaten und der synthetischen Projektionsdaten vor. Auf Basis der erfassten Mess-Projektionsdaten und der mit Hilfe einer Abschätzung ermittelten synthetischen Projektionsdaten kann unter Anwendung einer Tabelle direkt ein tabellierter Funktionswert abgelesenen werden. Dieser kann zum Beispiel ein Projektionswert sein, der Linienintegrale über die räumliche Verteilung des Materialeigenschaftswerts angibt. Aus diesem Projektionswert kann dann durch Rückprojektion in den Bilddatenraum eine Verteilung der gesuchten Materialeigenschaften berechnet werden.
Vorzugsweise wird zur Ermittlung eines Funktionswerts des vorab bekannten theoretischen Zusammenhangs zwischen der Verteilung des Materialeigenschaftswerts und der Verteilung der beiden Basis-Materialien eine Interpolation zwischen zwei tabellierten Stützstellen vorgenommen. Eine solche Vorgehensweise ermöglicht eine verbesserte Präzission, wenn die Werte der erfassten Mess-Projektionsdaten und der abgeschätzten synthetischen Projektionsdaten zwischen den Werten von zwei Tabelleneinträgen liegen. Da der zu ermittelnde Projektionswert von zwei Werten, d.h. den Mess-Projektionsdaten und den abgeschätzten synthetischen Projektionsdaten abhängt, ist es im Hinblick auf eine zu erzielende Genauigkeit besonders sinnvoll, eine bilineare Interpolation durchzuführen. Grundsätzlich können aber auch nichtlineare Interpolationen oder eine lineare Interpolation nur auf Basis eines der beiden Eingangswerte durchgeführt werden.
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 Verfahren zum Ermitteln einer räumlichen Verteilung eines Materialeigenschaftswerts gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
2 ein Schaubild, welches eine CT-Werte-Funktion veranschaulicht, die bei dem Verfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel Anwendung findet,
3 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Ermitteln einer räumlichen Verteilung eines Materialeigenschaftswerts gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
4 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
5 ein Computertomographiesystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In 1 ist ein Flussdiagramm 100 gezeigt, mit dem ein Verfahren zum Ermitteln einer räumlichen Verteilung eines Materialeigenschaftswerts, in diesem Fall einer Elektronendichteverteilung, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht ist. Bei dem Schritt 1.I erfolgt zunächst ein Erfassen von Einzelenergie-CT-Projektionsdaten P_M(k). Die Daten können beispielsweise in einer Einzelenergie-CT-Bildaufnahme direkt von einem Untersuchungsbereich eines Untersuchungsobjekts aufgenommen werden. Dabei werden mit Hilfe eines CT-Bildgebungssystems Mess-Projektionsdaten des Untersuchungsbereichs aus verschiedenen Richtungen bzw. Winkeln aufgenommen. Der Index k soll vereinfacht alle vorhandenen Freiheitsgrade der Mess-Projektionsdaten P_M(k) repräsentieren. Diese Freiheitsgrade umfassen unter anderem den Projektionswinkel, aus dem die Mess-Projektionsdaten P_M(k) jeweils aufgenommen wurden, die Kanalnummer des Detektorkanals, mit dem die Mess-Projektionsdaten P_M(k) weitergeleitet wurden, sowie die Detektorzeile des Detektors mit dem die Mess-Projektionsdaten P_M(k) aufgenommen wurden.
Bei dem Schritt 1.II erfolgt anschließend eine Rekonstruktion eines regulären Bilddatensatzes I_M(x, y, z) auf Basis der erfassten Mess-Projektionsdaten P_M(k). Eine solche Rekonstruktion erfolgt beispielsweise unter Anwendung einer gefilterten Rückprojektion auf die erfassten Mess-Projektionsdaten P_M(k). Bei dem Schritt 1.III wird nun ein Zwei-Material-System mit einem ersten Material M₁ und einem zweiten Material M₂ definiert. Weiterhin sind beide Materialien M₁, M₂ hinsichtlich ihrer Absorptionseigenschaften linear unabhängig und Volumenelemente, die das zweite Material M₂ mit relevanter Konzentration enthalten, sind in den Bilddaten durch einen Schwellwert T₂ segmentierbar. Ein geeignetes Zwei-Material-System für medizinische Anwendungen umfasst die Materialien Wasser als erstes Material M₁ und Knochen als zweites Material M₂. Dabei ist Knochen wegen des Kalziumanteils und des daraus resultierenden größeren Beitrags des Photoelektrischen Effekts linear unabhängig und bei relevantem Anteil durch eine Schwelle T₂ = 180 HU im CT-Bild identifizierbar.
Bei dem Schritt 1.IV wird ein segmentierter und umtransformierter bzw. synthetischer Bilddatensatz I_T(x, y, z) berechnet. Zwischen den Werten I_T des segmentierten bzw. synthetischen Bilddatensatzes I_T(x, y, z) und den Werten des regulären CT-Bilddatensatzes I_M(x, y, z) gilt für I_M > T₂ beispielsweise ein linearer Zusammenhang und für I_M <= T₂ ist I_T = 0:
Beispielsweise ist f(t) = a·(t – b), wobei zum Beispiel bei einer Festsetzung von I₀ als Wert für die Schwächung durch Wasser, d.h. bei Anwendung der HU-Skala, b = 0 und a = μ₂/1000 sind. Der Wert μ₂ repräsentiert hierbei den Schwächungskoeffizienten des zweiten Materials M₂. Dieser Zusammenhang ist in 2 dargestellt. Die zugrundeliegende Überlegung besteht darin, dass alle Volumenelemente mit CT-Werten unterhalb der Schwelle T₂ nur das erste Material M₁ mit einer variablen Dichte enthalten und alle Volumenelemente mit CT-Werten oberhalb der Schwelle T₂ das erste Material M₁ und das zweite Material M₂ als Gemisch enthalten, wobei der Anteil des zweiten Materials M₂ mit steigendem CT-Wert in diesem Ausführungsbeispiel linear zunimmt.
Bei dem Schritt 1.V wird auf Basis des berechneten segmentierten, synthetischen Bilddatensatzes I_T(x, y, z) mit Hilfe einer Vorwärtsprojektion ein synthetischer Projektionsdatensatz P_T(k) ermittelt. Dabei entspricht die Geometrie der dabei angewandten Vorwärtsprojektion der Geometrie der Projektion, durch welche die erfassten Mess-Projektionsdaten P_M(k) erzeugt wurden. Anschließend wird bei dem Schritt 1.VI auf Basis der erfassten Projektionsdaten P_M(k) und der synthetischen Projektionsdaten P_T(k) eine messwertweise Abbildung mit Hilfe einer Funktion Λ durchgeführt, wobei Projektionsdaten P_e(k) als Funktionswerte ermittelt werden, die die Linienintegrale der wahren Ladungsträgersichte im Untersuchungsbereich möglichst genau approximieren sollen: P_e(k) = Λ(P_M(k), P_T(k)). (3)
Die Abbildung lässt sich als Funktion der Dicken beider Basis-Materialien P = P(d₁, d₂) definieren. Unter der Annahme, dass die Materialdicke des zweiten Materials M₂ ungefähr aus den synthetischen Projektionsdaten P_T ermittelbar ist, wobei d₂ ≈ P_T/μ₂ ist, ergibt sich P_M ≈ P(d₁, P_T/μ₂). Aufgrund der strengen Monotonie in der ersten Komponente d₁ lässt sich diese Abbildung invertieren, so dass die unbekannte Dicke d₁ des ersten Materials M₁ zu d₁ ≈ g(P_M, P_T/μ₂) ermittelt werden kann, wobei die Funktion g implizit durch P(g(x, y), y) = x definiert ist. Das Linienintegral über die Elektronendichte ist bei bekannten durchstrahlten Dicken d₁, d₂ der Basismaterialien M₁, M₂ exakt bekannt: P_e = P theo / e(d₁, d₂) ≈ P_e(g(P_M, P_T/μ₂)) (4)
Die gesuchte Abbildung Λ(P_M, P_T) ergibt sich also aus Gleichung 3 und Gleichung 4 zu Λ(P_M, P_T) = P theo / e(g(P_M, P_T)/μ₂), P_T/μ₂). (5)
Beispielsweise kann die Abbildung Λ(P_M, P_T) vorberechnet werden und Funktionswerte können in Form einer Tabelle in Abhängigkeit von den Werten der Projektionsdaten P_M, P_T in einer Datenbank hinterlegt werden. Bei dem Schritt 1.VI wird dann in Form eines zwei-dimensionalen Lookups zwischen tabellierten Werten eine vorzugsweise bilineare Interpolation durchgeführt, um die Werte der Projektionsdaten P_e(k) zu erhalten.
Bei dem Schritt 1.VII erfolgt schließlich eine Rekonstruktion eines korrigierten CT-Bildddatensatzes I_e(x, y, z) auf Basis der ermittelten Projektionsdaten P_e(k). Die korrigierten Bilddaten I_e(x, y, z) können entweder direkt als physikalische Elektronendichten interpretiert werden, oder die Elektronendichte ergibt sich in „eHU“ relativ zu Wasser in analoger Darstellung zu den HU-Werten der CT-Bildgebung zu
Dabei gibt ρ_e die Elektronendichte in dem Material in dem Untersuchungsbereich an und ρ_e ^H ₂ ^O gibt die Elektronendichte von Wasser an.
Bei dem in 3 veranschaulichten Verfahren zum Ermitteln einer räumlichen Verteilung eines Materialeigenschaftswerts gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel wird eine Kernladungsverteilung I_Z(x, y, z) ermittelt. Zunächst erfolgen bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die Schritte 3.I bis 3.V analog zu den in 1 veranschaulichten Schritten 1.I bis 1.V, so dass diese hier nicht erneut erläutert werden.
Anschließend wird jedoch bei dem Schritt 3.VI auf Basis der erfassten Projektionsdaten P_M(k) und der segmentierten bzw. synthetisierten Projektionsdaten P_T(k) eine messwertweise Abbildung mit Hilfe einer anderen Funktion Λ_z durchgeführt. Mit Hilfe der Funktion Λ_z werden Projektionsdaten P_z(k) als Funktionswerte ermittelt, die die Linienintegrale der wahren Kernladungsträgerdichte im Untersuchungsbereich möglichst genau approximieren sollen: P_z(k) = Λ_z(P_M(k), P_T(k)). (7)
Diese Abbildung lässt sich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel als Funktion der Dicken beider Basis-Materialien P = P(d₁, d₂) definieren. Unter der Annahme, dass die Materialdicke ungefähr aus den segmentierten Projektionsdaten P_T ermittelbar ist, wobei d₂ ≈ P_T/μ₂ ist, ergibt sich P_M ≈ P(d₁, P_T/μ₂). Aufgrund der strengen Monotonie in der ersten Komponente d₁ lässt sich diese Abbildung invertieren, so dass die unbekannte Dicke d₁ des ersten Materials M₁ ermittelt zu d₁ ≈ g(P_M, P_T/μ₂) werden kann, wobei die Funktion g impliziert durch P(g(x, y), y) = x definiert ist. Das Linienintegral über die Kernladungsdichte ist bei bekannten durchstrahlten Dicken d₁, d₂ der Basismaterialien M₁, M₂ wiederum exakt bekannt: P_z = P theo / Z(d₁, d₂) ≈ P_Z(g(P_M, P_T/μ₂)) (8)
Die Abbildung Λ_z(P_M, P_T) ergibt sich also aus Gleichung 7 und Gleichung 8 zu Λ_z(P_M, P_T) = P theo / Z(g(P_M, P_T/μ₂), P_T/μ₂). (9)
Beispielsweise kann die Abbildung Λ_z(P_M, P_T) vorberechnet werden und Funktionswerte können in Form einer Tabelle in Abhängigkeit von den Werten der Projektionsdaten P_M, P_T in einer Datenbank hinterlegt werden. Bei dem Schritt 3.VI wird dann in Form eines zwei-dimensionalen Lookups zwischen tabellierten Werten eine vorzugsweise bilineare Interpolation durchgeführt, um die Werte für P_z(k) zu erhalten.
Bei dem Schritt 3.VII erfolgt schließlich wieder eine Rekonstruktion eines korrigierten CT-Bildddatensatzes I_z(x, y, z) auf Basis der ermittelten Projektionsdaten P_z(k). Die korrigierten Bilddaten I_z(x, y, z) können entweder direkt als physikalische Kernladungsdichten interpretiert werden, oder die Kernladungsdichte ergibt sich in „eHU“ relativ zu Wasser in analoger Darstellung zu den HU-Werten der CT-Bildgebung zu
Dabei gibt Z die Verteilung der Kernladungsdichte in dem im Untersuchungsbereich vorhandenen Materialgemisch an und Z^H ₂ ^O gibt die Kernladungsdichte von Wasser an.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können auch Kombinationen der Elektronendichte ρ_e und der Kernladungsdichte Z rekonstruiert werden. Es können überdies auch separat Bilddaten, welche dem Compton-Effekt zugeordnet werden und Bilddaten, welche dem Photoelektrischen Effekt zugeordnet sind, auf Basis einer einzigen CT-Messung ermittelt werden. Außerdem können Massendichten unterschiedlicher Materialien ermittelt werden. Aus einer einzigen Einzelenergie-CT-Bildaufnahme kann also eine Vielzahl von Materialeigenschaftsverteilungen ermittelt werden.
In 4 ist ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung 40 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung 40 umfasst eine Projektionsdaten-Erfassungseinheit 41, mit der Mess-Projektionsdaten P_M(k) erfasst werden. Diese können zum Beispiel über eine Schnittstelle (siehe 5) zu einem CT-Detektor an die Projektionsdaten-Erfassungseinheit 41 übermittelt werden. Die Mess-Projektionsdaten P_M(k) können auch aus einer Datenbank stammen, in der sie nach einer Bildgebung von einem Untersuchungsbereich eines zu untersuchenden Objekts abgespeichert wurden. Die erfassten Mess-Projektionsdaten P_M(k) werden anschließend an eine Bilddaten-Rekonstruktionseinheit 42 übermittelt, die auf Basis der Mess-Projektionsdaten P_M(k) Bilddaten I_M(x, y, z) rekonstruiert. Anschließend werden die Bilddaten I_M an eine Materialverteilungs-Abschätzungseinheit 43 übermittelt. Die Materialverteilungs-Abschätzungseinheit 43 ermittelt eine abgeschätzte Verteilung I_T(x, y, z) von zwei ein erstes und eine zweites Basis-Material umfassenden Basis-Materialien M₁, M₂ im Untersuchungsbereich FoV durch Klassifizierung von Bildpunkten danach, ob sie einen signifikanten Anteil eines zweiten M₂ der beiden Basis-Materialien M₁, M₂ enthalten. Dies geschieht, wie bereits im Zusammenhang 1 erläutert, unter Nutzung eines Schwellenwerts T₂.
Die abgeschätze Verteilung I_T wird nachfolgend in einer Projektionseinheit 43a in den Messdatenraum vorwärtsprojiziert, so dass synthetisierte Projektionsdaten P_T(k) erzeugt werden.
Anschließend werden die synthetisierten Projektionsdaten P_T(k) an eine Basismaterialverteilungs-Ermittlungseinheit 44 übermittelt, welche eine Verteilung der beiden Basis-Materialien M₁, M₂ auf Basis der ermittelten synthetisierten Projektionsdaten P_T(k), der erfassten Mess-Projektionsdaten P_M(k) und einer ermittelten allgemeinen Abhängigkeitsregel P(d₁, d₂) der erfassten Mess-Projektionsdaten P_M von einer Verteilung d₁, d₂ der beiden Basis-Materialien M₁, M₂ ermittelt. Beispielsweise werden von der Basismaterialverteilungs-Ermittlungseinheit 44 Dicken d₁, d₂ der beiden Basis-Materialien M₁, M₂ in Richtung von Projektionslinien der Mess-Projektionsdaten P_M(k) ermittelt. Diese Dicken d₁, d₂ werden dann anschließend an eine Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinheit 45 weitergeleitet, welche eine von der Mess-Energie unabhängige räumliche Verteilung eines Materialeigenschaftswerts ρ_e, Z auf Basis der Dicken d₁, d₂ der beiden Materialien M₁, M₂ und auf Basis eines vorab bekannten theoretischen Zusammenhangs zwischen der Verteilung des Materialeigenschaftswerts ρ_e, Z und den Dicken d₁, d₂ der beiden Basis-Materialien M₁, M₂ ermittelt. Die Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinheit 45 umfasst eine Projektionsdaten-Ermittlungseinheit 45a, welche Projektionsdaten P_e(k), die eine Materialeigenschaftsverteilung im Messdatenraum repäsentieren, auf die im Zusammenhang mit 1 und 3 beschriebene Art und Weise ermittelt. Anschließend werden die ermittelten Projektionsdaten P_e(k) an eine Rückprojektionseinheit 45 übermittelt, welche ebenfalls Teil der Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinheit 45 ist und die ermittelten Projektionsdaten P_e(k) in den Bilddatenraum zurückprojiziert, so dass ein eine Materialeigenschaftsverteilung repräsentierender Bildddatensatz I_e(x, y, z) erzeugt wird.
In 5 ist schematisch ein Computertomographiesystem (CT-System) 1 mit einer erfindungsgemäßen Materialverteilungs-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 24 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 P_M(k) 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 P_M(k) 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 einem einen vollständigen Ring bildenden Detektor, einsetzbar.
Die vom Detektor 16 akquirierten Mess-Projektionsdaten P_M(k) (im Folgenden auch Rohdaten genannt) werden über eine Rohdatenschnittstelle 23 an die Steuereinrichtung 20 übergeben. Diese Rohdaten werden dann in einer Materialverteilungs-Ermittlungseinrichtung 40 weiterverarbeitet, die bei diesem Ausführungsbeispiel in der Steuereinrichtung 20 in Form von Software auf einem Prozessor realisiert ist. Diese Materialverteilungs-Ermittlungseinrichtung 40 ermittelt auf Basis der Rohdaten P_M(k) eine Materialeigenschaftsverteilung, zum Beispiel eine Elektronendichteverteilung I_e(x, y, z).
Anschließend wird die ermittelte Materialeigenschaftsverteilung an eine Speichereinrichtung 50 weitergegeben. Von dort kann die Information über die Materialeigenschaftsverteilung beispielsweise auf einem Bildschirm graphisch dargestellt werden oder auch an externe Analyseeinrichtungen oder Therapieplanungseinrichtungen (nicht gezeigt) weitergegeben werden.
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. So wurden das Verfahren zum Ermitteln einer räumlichen Verteilung eines Materialeigenschaftswerts in einem Untersuchungsbereich eines Untersuchungsobjekts und die Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung in erster Linie anhand eines Systems zur Aufnahme von medizinischen Bilddaten erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine Anwendung im medizinischen Bereich beschränkt, sondern die Erfindung kann auch grundsätzlich auf die Aufnahme von Bilddaten für andere Zwecke 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

Verfahren zum Ermitteln einer räumlichen Verteilung (I_e(x, y, z)) eines Materialeigenschaftswerts in einem Untersuchungsbereich (FoV) eines Untersuchungsobjekts (O), aufweisend die Schritte: – Erfassen von Mess-Projektionsdaten (P_M(k)), welche mit Hilfe einer Einzel-Energie-CT-Aufnahme mit einer definierten Mess-Energie von dem Untersuchungsbereich (FoV) des Untersuchungsobjekts (O) unter Nutzung einer definierten Mess-Projektionsgeometrie erzeugt wurden, – Rekonstruieren von Bilddaten (I_M(x, y, z)) auf Basis der erfassten Mess-Projektionsdaten (P_M(k)), – Abschätzen einer Verteilung (I_T(x, y, z), P_T(k)) von zwei ein erstes (M₁) und ein zweites Basis-Material (M₂) umfassenden Basis-Materialien (M₁, M₂) im Untersuchungsbereich (FoV) durch Klassifizierung von Bildpunkten danach, ob sie einen signifikanten Anteil des zweiten (M₂) der beiden Basis-Materialien (M₁, M₂) enthalten, unter Nutzung eines Schwellenwerts (T₂), – Ermitteln einer Verteilung (d₁, d₂) der beiden Basis-Materialien (M₁, M₂) auf Basis der abgeschätzten Verteilung (I_T(x, y, z)) und einer ermittelten allgemeinen Abhängigkeitsregel (P(d₁, d₂)) der Mess-Projektionsdaten (P_M(k)) von einer Verteilung (d₁, d₂) der beiden Basis-Materialien (M₁, M₂), – Ermitteln einer von der Mess-Energie unabhängigen räumlichen Verteilung (I_e(x, y, z), I_z(x, y, z)) des Materialeigenschaftswerts auf Basis der ermittelten Verteilung (d₁, d₂) der beiden Basis-Materialien (M₁, M₂) und eines vorab bekannten theoretischen Zusammenhangs (P_e ^theo(d₁, d₂), P_z ^theo(d₁, d₂)) zwischen der Verteilung (I_e(x, y, z), I_z(x, y, z)) des Materialeigenschaftswerts und einer Verteilung (d₁, d₂) der beiden Basis-Materialien (M₁, M₂).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die allgemeine Abhängigkeitsregel P(d₁, d₂)) mit Hilfe einer weiteren Messung oder einer Simulation einer Messsignalabschwächung (P) in Abhängigkeit von einer Dicke (d₁, d₂) der beiden Basis-Materialien (M₁, M₂) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die allgemeine Abhängigkeitsregel (P(d₁, d₂)) eine Projektion (P) umfasst, welche die Linienintegrale einer Messsignalabschwächung in Abhängigkeit von einer Verteilung (d₁, d₂) der beiden Basis-Materialien (M₁, M₂) angibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der vorab bekannte theoretische Zusammenhang (P_e ^theo(d₁, d₂), P_z ^theo(d₁, d₂)) zwischen der Verteilung des Materialeigenschaftswerts und einer Verteilung (d₁, d₂) der beiden Basis-Materialien (M₁, M₂) eine vorab bekannte theoretische Projektion (P_e ^theo, P_z ^theo) umfasst, welche Linienintegrale der Dichte (ρ₁, ρ₂) von in den beiden Materialien (M₁, M₂) enthaltenen Materialeigenschaftsträgern (e, Z) in Abhängigkeit von einer Verteilung (d₁, d₂) der beiden Basis-Materialien (M₁, M₂) angibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der vorab bekannte theoretische Zusammenhang (P_e ^theo(d₁, d₂), P_z ^theo(d₁, d₂)) zwischen der Verteilung des Materialeigenschaftswerts und einer Verteilung (d₁, d₂) der beiden Basis-Materialien (M₁, M₂) als linearer Zusammenhang formuliert ist, welcher eine Summe der Produkte der Verteilung (d₁, d₂) der beiden Basis-Materialien (M₁, M₂) und der spezifischen Dichte (ρ_e, Z) von in den beiden Basis-Materialien (M₁, M₂) enthaltenen Materialeigenschaftsträgern (e, Z) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Materialeigenschaftswerte Werte betreffend die spektrale Absorption und/oder die Elektronendichte (ρ_e) und/oder die Kernladungsträgerdichte (Z) umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die abgeschätzte Verteilung (I_T(x, y, z)) auf Basis der rekonstruierten Bilddaten (I_M(x, y, z)) unter der Annahme ermittelt wird, dass sich die abgeschätzte Verteilung (I_T(x, y, z)) in Teilbereichen des Untersuchungsbereichs (FoV), welche einen signifikanten Anteil des zweiten (M₂) der beiden Basis-Materialien (M₁, M₂) enthalten, proportional zu den Werten der rekonstruierten Bilddaten (I_M(x, y, z)) verhält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei auf Basis der abgeschätzten Verteilung (I_T(x, y, z)) mit Hilfe einer Vorwärtsprojektion ein synthetischer Projektionsdatensatz (P_T(k)) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei zur Ermittlung einer von der Mess-Energie unabhängigen räumlichen Verteilung des Materialeigenschaftswerts eine Rekonstruktion von Bilddaten (I_e(x, y, z)) auf Basis von durch die vorab bekannte theoretische Projektion (P_e ^theo, P_z ^theo) ermittelten Projektionswerten (P_e(k), P_z(k)) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der vorab bekannte theoretische Zusammenhang (P_e ^theo(d₁, d₂), P_z ^theo(d₁, d₂)) zwischen einer Verteilung des Materialeigenschaftswerts und einer Verteilung (d₁, d₂) der beiden Basis-Materialien (M₁, M₂) in Form von tabellierten Funktionswerten in Abhängigkeit von den Werten der erfassten Mess-Projektionsdaten (P_M(k)) und der synthetischen Projektionsdaten (P_T) vorliegt und wobei zur Ermittlung eines Funktionswerts des vorab bekannten theoretischen Zusammenhangs zwischen der Verteilung des Materialeigenschaftswerts und der Verteilung (d₁, d₂) der beiden Basis-Materialien (M₁, M₂) vorzugsweise eine Interpolation zwischen zwei tabellierten Stützstellen vorgenommen wird.
Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung (40), aufweisend: – eine Projektionsdaten-Erfassungseinheit (41) zum Erfassen von Mess-Projektionsdaten (P_M(k)), – eine Bilddaten-Rekonstruktionseinheit (42) zur Rekonstruktion von Bilddaten (I_M(x, y, z)) auf Basis von Projektionsdaten (P_M(k)), – eine Materialverteilungs-Abschätzungseinheit (43) zur Ermittlung einer abgeschätzten Verteilung (I_T(x, y, z)) von zwei ein erstes (M₁) und ein zweites Basis-Material (M₂) umfassenden Basis-Materialien (M₁, M₂) im Untersuchungsbereich (FoV) durch Klassifizierung von Bildpunkten danach, ob sie einen signifikanten Anteil des zweiten (M₂) der beiden Basis-Materialien (M₁, M₂) enthalten, unter Nutzung eines Schwellenwerts (T₂), – eine Basismaterialverteilungs-Ermittlungseinheit (44) zum Ermitteln einer Verteilung (d₁, d₂) der beiden Basis-Materialien (M₁, M₂) auf Basis der abgeschätzten Verteilung (I_T(x, y, z)) und einer ermittelten allgemeinen Abhängigkeitsregel (P(d₁, d₂)) der erfassten Mess-Projektionsdaten (P_M(k)) von einer Verteilung (d₁, d₂) der beiden Basis-Materialien (M₁, M₂), – eine Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinheit (45) zum Ermitteln einer von der Mess-Energie unabhängigen räumlichen Verteilung (I_e(x, y, z), I_z(x, y, z)) des Materialeigenschaftswerts (ρ_e, Z) auf Basis der Verteilung (d₁, d₂) der beiden Basis-Materialien (M₁, M₂) und eines vorab bekannten theoretischen Zusammenhangs zwischen der Verteilung (I_e(x, y, z), I_z(x, y, z)) des Materialeigenschaftswerts (ρ_e, Z) und der Verteilung (d₁, d₂) der beiden Basis-Materialien (M₁, M₂).
Computertomographiesystem (1), aufweisend eine Materialeingenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung (40) nach Anspruch 11.
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, welches direkt in eine Speichereinheit einer Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung (40) nach Anspruch 11 ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung (40) ausgeführt wird.
Computerlesbares Medium, auf welchem von einer Prozesseinheit einer Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung (40) nach Anspruch 11 einlesbare und ausführbare Programmabschnitte gespeichert sind, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen, wenn die Programmabschnitte von der Prozesseinheit der Materialeigenschaftsverteilungs-Ermittlungseinrichtung (40) ausgeführt werden.