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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines dreidimensionalen Bilddatensatzes aus mehreren zweidimensionalen Projektionsbildern eines Untersuchungsobjekts. Daneben betrifft die Erfindung eine Röntgeneinrichtung, ein Computerprogramm und einen elektronisch lesbaren Datenträger.
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Bei der Rekonstruktion von dreidimensionalen Bilddatensätzen aus zweidimensionalen Projektionsbildern können starke Kontrastsprünge in den Projektionsbildern zu Bildartefakten führen. Entsprechende Bildartefakte sind dann besonders stark ausgeprägt, wenn nur eine relativ kleine Anzahl von Projektionsbildern, deren Aufnahmegeometrien nur einen begrenzten Winkelbereich überstreichen, zur Verfügung steht. Im Bereich der Röntgenbildgebung ist dies insbesondere im Bereich der Tomosyntheseverfahren, beispielsweise im Bereich der 3D-Mammographie, relevant. Entsprechende Artefakte können jedoch auch bei der Computertomographie oder bei anderen auf Projektionsbildern basierenden bildgebenden Verfahren auftreten.
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Im Bereich der Röntgenbildgebung und insbesondere im Bereich der Mammographie treten entsprechende Kontrastsprünge besonders dann auf, wenn sich im Abbildungsbereich stark absorbierende Objekte befinden. Insbesondere Metallteile oder Kalzifikationen, also Ablagerungen von Kalziumsalzen, weisen eine deutlich vom Gewebe unterschiedliche Röntgenabsorption auf und können somit zu Bildartefakten führen. Entsprechende Artefakte können beispielsweise aus einer Filterung resultieren, die im Rahmen einer gefilterten Rückprojektion zur Bildrekonstruktion durchgeführt wird. Aufgrund der Filterung können unmittelbar benachbart zu den stark absorbierenden Bereichen Unterschwinger im Bild auftreten. Zudem können auch Artefakte in Schichten auftreten, in denen sich kein hochabsorbierender Bereich befindet. Diese Artefakte können draus resultieren, dass für einige der Voxel Teile der Projektionsbilder ein Vorhandensein eines hochabsorbierenden Bereichs anzeigen, während andere Projektionsbilder für den gleichen Voxel das Vorhandensein von normalem Gewebe zeigen. Beispielsweise können Intensitätsoszillationen auftreten und/oder es kann zu Streifenbildung und/oder zu lokalen Fehlern in den Schichtbildern kommen.
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Zur Reduzierung entsprechender Artefakte ist eine Vielzahl von Ansätzen bekannt. Eine Möglichkeit zur Artefaktreduktion ist es, statt einer gefilterten Rückprojektion einen iterativen Rekonstruktionsansatz zu wählen. Entsprechende Rekonstruktionsansätze sind jedoch rechenaufwändig und weisen zahlreiche freie Parameter auf, so dass nicht in allen Anwendungsfällen eine robuste und ausreichend schnelle Rekonstruktion möglich ist.
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Aus dem Artikel E. Meyer et al., „Normalized metal artifact reduction (NMAR) in computed tomography“, Medical Physics 37, 5482 (2010) ist ein Ansatz zur Artefaktreduktion bekannt, bei dem zunächst ein vorläufiger dreidimensionaler Bilddatensatz berechnet wird, in dem Metallobjekte durch Vorgabe von Intensitätsgrenzwerten segmentiert werden. Diese Segmente werden anschließend in die Sinogramme vorwärts projiziert und die derart bestimmten Bereiche werden durch interpolierte Punkte gefüllt. Diese Verwendung einer iterativen Rekonstruktion erhöht jedoch den Rechenaufwand.
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Aus dem Artikel S. Abdurahman et al., „Out-of-Plane Artifact Reduction in Tomosynthesis Based on Regression Modeling and Outlier Detection", Proc. IWDM, LNCS 7361, pp. 729 - 736 (2012) ist ein Ansatz zur Artefaktvermeidung bekannt, der darauf basiert, dass durch statistische Tests stark abweichende Messwerte nicht berücksichtigt werden. Dieser Ansatz reduziert Artefakte von Kalzifikationen, die außerhalb der momentan betrachteten Schicht liegen, erfolgreich. Es ist jedoch eine demgegenüber verbesserte Beseitigung von Metallartefakten gewünscht. Zudem ist an dem geschilderten Vorgehen nachteilig, dass vor der Korrektur bereits alle Projektionsbilder vorliegen müssen, was bei einigen Tomosyntheseverfahren nachteilig sein kann.
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Aus dem Artikel Z. Zhang et al., „Metal Artifact Reduction in Tomosynthesis Imaging", Proc. SPIE, Vol. 9412, 94125A (2015) ist es bekannt, Bereiche, in denen sich Metallobjekte befinden, direkt in den Projektionsbildern zu segmentieren. Hierzu wird zunächst eine Kantendetektion durchgeführt und die Segmentierung erfolgt anschließend durch einen Region Growing Algorithmus. Anschließend werden die Projektionsbilder und modifizierte Versionen der Projektionsbilder, in denen die Metallbereiche maskiert sind, separat rekonstruiert und die Rekonstruktionsergebnisse werden fusioniert. Diese Art der Metallartefaktvermeidung erreicht gute Resultate im Bereich der Überwachung orthopädischer Operationen. Bezüglich einer Vermeidung von Artefakten, die aus relativ kleinen hochabsorbierenden Bereichen, beispielsweise Kalzifikationen, resultieren, besteht jedoch weiterer Verbesserungsbedarf.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Reduzierung von Artefakten in dreidimensionalen Bilddaten aufgrund von hochabsorbierenden Bereichen in einem Untersuchungsobjekt anzugeben, das mit geringem Rechenaufwand umsetzbar ist und insbesondere bezüglich der Beseitigung von Artefakten, die durch relativ kleine Metallteile oder Kalzifikationen erzeugt werden, demgegenüber verbessert ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:
- - Anwenden wenigstens einer morphologischen Operation auf jedes Projektionsbild zur Bereitstellung eines dem jeweiligen Projektionsbild zugeordneten Verarbeitungsbildes,
- - Segmentieren wenigstens eines jeweiligen Abbildungssegments, in dem ein hochabsorbierender Bereich des Untersuchungsobjekts in einem jeweiligen Projektionsbild abgebildet wird, in Abhängigkeit des diesem Projektionsbild zugeordneten Verarbeitungsbildes und Erstellen eines dem jeweiligen Projektionsbild zugeordneten Maskenbildes, in dem zu dem Abbildungssegment zugehörige Bildpunkte markiert sind,
- - Ermitteln eines zugeordneten Synthesebildes für jedes Projektionsbild, dessen Bilddaten außerhalb des Abbildungssegments den Bilddaten des zugeordneten Projektionsbildes entsprechen und dessen Bilddaten innerhalb des Abbildungssegments auf vorgegebene Werte gesetzt werden,
- - separate Filterung der Projektionsbilder und der Synthesebilder,
- - Ermitteln des dreidimensionalen Bilddatensatzes, wobei die Maskenbilder rückprojiziert werden, um für jeden Voxel des Bilddatensatzes einen Maskenwert zu ermitteln, wobei die Bilddaten des jeweiligen Voxels bei Erfüllung einer von dem Maskenwert dieses Voxels abhängigen Auswahlbedingung durch Rückprojektion der relevanten Bildpunkte der gefilterten Projektionsbilder und bei Nichterfüllung der Auswahlbedingung durch Rückprojektion der relevanten Bildpunkte der gefilterten Synthesebilder ermittelt werden.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, hochabsorbierende Bereiche des Untersuchungsobjekts in den Projektionsbildern zu segmentieren. Da eine direkte Segmentierung über einen Grenzwertvergleich i.d.R. nicht möglich ist, wird erfindungsgemäß ein Vorgehen vorgeschlagen, das auf einer Vorverarbeitung mit Hilfe von morphologischen Operationen basiert. Durch entsprechende morphologische Operationen kann als Verarbeitungsbild, wie später noch genauer erläutert wird, eine Art Hintergrundbild generiert werden, so dass hochabsorbierende Bereiche besonders leicht erkannt und segmentiert werden können.
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Durch die vorgeschlagene Art der Segmentierung wird erreicht, dass auch Kalzifikationen und relativ kleine Metallteile zuverlässig und mit relativ geringem Rechenaufwand direkt in den Projektionsbildern segmentiert werden können. Prinzipiell wäre es auch möglich, das erfindungsgemäße Verfahren derart abzuwandeln, dass beliebige andere Segmentierverfahren zur Segmentierung der hochabsorbierenden Bereiche in den Projektionsbildern genutzt werden, womit auf den Schritt der Anwendung der morphologischen Operation verzichtet werden könnte und die Segmentierung unabhängig von den Verarbeitungsbildern erfolgen könnte. Das vorgeschlagene Vorgehen ermöglicht jedoch in vielen Anwendungssituationen, insbesondere im Bereich der Mammographie, eine besonders effiziente Artefaktreduktion.
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Eine zentrale Idee des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass für jeden einzelnen Voxel entschieden wird, ob zu dessen Rekonstruktion Bilddaten des Projektionsbildes selbst oder eines hieraus abgeleiteten Synthesebilds genutzt werden. In den Synthesebildern werden die Bilddaten im Abbildungssegment verworfen und diese Bereiche werden anderweitig - wie später noch detailliert erläutert - befüllt.
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Um zu entscheiden, welche Datenquelle zur Rekonstruktion der einzelnen Voxel genutzt werden soll, wird ein Maskenwert betrachtet, der durch Rückprojektion eines im Rahmen der Segmentierung berechneten Maskenbildes bestimmt wird. Hierdurch kann überprüft werden, welcher Anteil der zur Bestimmung der Intensität eines entsprechenden Voxels genutzten Bildbereiche bzw. Pixel der Projektionsbilder in Abbildungssegmenten liegt, in denen hochabsorbierende Bereiche des Untersuchungsobjekts abgebildet werden. Ist dieser Anteil relativ hoch, so liegt dieser Voxel voraussichtlich tatsächlich in einem Bereich, in dem das Objekt hochabsorbierend ist und in dem beispielsweise ein Metallteil oder ein Kalzifikation vorliegt. Demnach können Bilddaten der Projektionsabbilder genutzt werden, da diese die entsprechenden Objekte abbilden. Wird hingegen ermittelt, dass keine zur Ermittlung des Voxelwertes genutzten Bilddaten oder nur ein geringer Teil dieser Bilddaten aus entsprechenden Abbildungssegmenten entstammt, so können die Synthesebilder zur Rekonstruktion genutzt werden, da die relevanten Bildbereiche auch in diesen unverändert enthalten sind und bei Nutzung der Synthesebilder plötzliche Kontrastsprünge und damit Artefaktbildungen vermieden werden können. Somit kann im erfindungsgemäßen Verfahren mit relativ geringem Aufwand und nur einer einzigen Rekonstruktion des dreidimensionalen Bilddatensatzes eine Artefaktbildung aufgrund von hochabsorbierten Bereichen deutlich verringert oder sogar vollständig vermieden werden.
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Morphologische Operationen sind grundsätzlich im Stand der Technik bekannt und sollen daher nicht detailliert erläutert werden. Morphologische Operationen können sowohl auf Binärbilder angewandt werden als auch auf Grauwertbilder. Die grundlegenden Operationen sind die sogenannte Erosion, die die Oberfläche von Objekten im Bild abträgt, und die sogenannte Dilatation, die Objekte weitet und zu einer Verschmelzung von vormals getrennten Objekten führen kann. Durch eine Verkettung dieser Operationen können Strukturen geöffnet werden, wobei beispielsweise dünne Stege entfernt werden, und geschlossen werden, um beispielsweise Löcher in Strukturen zu schließen.
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Bevorzugt werden im erfindungsgemäßen Verfahren morphologische Operationen genutzt, um die Abbildung der hochabsorbierenden Bereiche aus den Projektionsbildern zu entfernen und somit eine Art Hintergrundbild als Verarbeitungsbild zu generieren. Die Größe der aus dem Verarbeitungsbild zu entfernenden Objekte kann durch Wahl eines entsprechenden Strukturelements vorgegeben werden. Werden die hochabsorbierenden Bereiche als positiver Kontrast in den Projektionsbildern dargestellt, können Sie beispielsweise durch eine Erosionsoperation oder eine Opening- bzw. Öffenoperation mit einem entsprechend gewählten Strukturelement entfernt werden. Trotz der Entfernung von Strukturen auf der Größe der hochabsorbierenden Bereiche verbleiben jedoch größere Hintergrundstrukturen, die beispielsweise aus unterschiedlichen Gewebeabsorptionen resultieren, und somit eine Art Hintergrund des Projektionsbildes, wobei durch Wahl entsprechender Strukturelemente nicht nur die Größe, sondern auch die Form der aus diesem Hintergrund zu entfernenden Objekte vorgegeben werden kann.
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Eine Segmentierung kann beispielsweise erfolgen, indem das Verarbeitungsbild von dem Projektionsbild abgezogen wird und anschließend eine Segmentierung auf Basis eines Grenzwertvergleichs erfolgt, da Einflüsse von unterschiedlich absorbierendem Gewebe durch den Hintergrundabzug weitgehend vermieden werden können. Hierdurch wird eine hochqualitative Segmentierung der Abbildungssegmente mit geringem Rechenaufwand erreicht. Wie später noch detailliert erläutert werden wird, kann diese Segmentierung weiter verbessert werden, wenn zusätzlich das Ergebnis einer Kantenerkennung berücksichtigt wird.
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Als Maskenbild kann insbesondere ein Bild erstellt werden, dessen Bildpunkte außerhalb von Abbildungssegmenten einen ersten Wert, insbesondere 0, und innerhalb von Abbildungssegmenten einen zweiten Wert, insbesondere 1, aufweisen. Das Maskenbild kann als digitale Bitmaske gespeichert werden, in der jedem Bildpunkt ein Bit zugeordnet ist. Der durch Rückprojektion der Maskenbilder für die einzelnen Voxel berechneten Maskenwert kann angeben, für wieviele oder für welchen Anteil der Projektionsbilder die in den Voxel rückprojezierten Bildpunkte in einem Abbildungssegment liegen. Als relevante Bildpunkte werden jene Bildpunkte der Projektionsbilder bzw. Synthesebilder betrachtet, von deren Bilddaten die Bilddaten des jeweiligen Voxels abhängen.
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Die Filterung der Projektionsbilder und der Synthesebilder kann einer Filterung entsprechen, wie sie für eine im Stand der Technik übliche gefilterte Rückprojektion genutzt wird.
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Hierbei kann insbesondere ein Rampenfilter auf die Projektionsbilder bzw. Synthesebilder angewandt werden. Derartige Filter führen bei Kontrastsprüngen zu Unterschwingern und Oszillationen in den gefilterten Bildern, weshalb beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Rekonstruktion von Voxeln in Bereichen, die voraussichtlich nicht hochabsorbierend sind, die Synthesebilder genutzt werden, in denen entsprechende Kontrastsprünge durch die vorangehende Ersetzung der Bildpunkte in den Abbildungssegmenten verringert oder unterdrückt sind.
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Die Auswahlbedingung kann dann erfüllt sein, wenn für wenigstens eine vorgegebene Anzahl von Projektionsbildern die zur Berechnung der Bilddaten des Voxels relevanten Bildpunkte des jeweiligen Projektionsbildes innerhalb des jeweiligen Abbildungssegments liegen, wobei die vorgegebene Anzahl kleiner als die Gesamtzahl der Projektionsbilder ist. Die vorgegebene Anzahl kann insbesondere zwischen 70 % und 90 % der Gesamtzahl der Projektionsbilder, insbesondere bei 80 % der Gesamtzahl der Projektionsbilder liegen. Diese Zahl kann durch eine entsprechende Wahl eines Grenzwertes für den Maskenwert vorgegeben werden. Könnte im erfindungsgemäßen Verfahren von einer idealen Abbildung ausgegangen werden, würde eine optimale Rekonstruktion dann erreicht, wenn die Auswahlbedingung ausschließlich dann erfüllt wäre, wenn alle für die Rekonstruktion des Voxels relevanten Bildpunkte innerhalb von jeweiligen Abbildungssegmenten der Projektionsbilder liegen, da das entsprechende Voxel nur in diesem Fall tatsächlich in einem hochabsorbierenden Bereich liegt. Ein hochabsorbierender Bereich würde nämlich die durch ihn tretende Röntgenstrahlung für alle Projektionsbilder absorbieren. Da jedoch bei realen Messanwendungen aufgrund von Rauschen und anderen Abbildungsfehlern potentiell die Zugehörigkeit einiger Bildpunkte zu Abbildungssegmenten nicht korrekt erkannt wird, können im erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise die genannten niedrigeren Grenzwerte genutzt werden.
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Die Werte, auf die die Bilddaten des Synthesebildes innerhalb des Abbildungssegments gesetzt werden, können vorzugsweise vorgegeben werden, indem vorgegebenen Anfangswerten für die einzelnen Bildpunkte in dem Abbildungssegment ein Rauschsignal überlagert wird. Wie bereits erwähnt ist bei der Aufnahme von Projektionsbildern damit zu rechnen, dass diese ein gewisses Bildrauschen aufweisen. Würde ein bestimmter Bildbereich dieses Bildrauschen nicht aufweisen, so können, insbesondere wenn dieser Bereich scharfe Kanten aufweist, zusätzliche Bildartefakte resultieren. Diese werden durch die Überlagerung eines entsprechend gewählten Rauschsignals vermieden. Das Rauschsignal sollte hierbei sowohl bezüglich seiner Frequenzverteilung als auch bezüglich seiner Amplitude im Idealfall dem Bildrauschen entsprechen. Hierzu kann beispielsweise ein Rauschbild ohne ein Untersuchungsobjekt aufgenommen werden. Es ist auch möglich, ein entsprechendes Rauschsignal synthetisch zu generieren. Beispielsweise kann weißes Rauschen oder ein hoch- oder tiefpassgefiltertes Rauschen genutzt werden.
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Die Werte, auf die die Bilddaten des Synthesebildes innerhalb des Abbildungssegments gesetzt werden, oder die Anfangswerte können in Abhängigkeit von Bilddaten wenigstens eines zu dem Abbildungssegment benachbarten Bildpunktes des zugeordneten Projektionsbildes vorgegeben werden. Insbesondere kann eine Interpolation zwischen mehreren benachbarten Bildpunkten erfolgen. Durch dieses Vorgehen werden künstliche Kontrastsprünge in den Synthesebildern vermieden, wodurch eine Artefaktbildung in dem resultierenden dreidimensionalen Bilddatensatz reduziert oder vermieden werden kann.
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Für eine Artefaktreduktion ist es vorteilhaft, wenn Kontrastsprünge in den Synthesebildern weitgehend vermieden werden. Um dies zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn sichergestellt wird, dass die Kanten jener Bereiche der Projektionsbilder, in denen ein hochabsorbierender Bereich abgebildet wird, bei der Segmentierung dem jeweiligen Abbildungssegment zugeordnet werden. Daher kann eine Kantendetektion in den Projektionsbildern durchgeführt werden, um ein dem jeweiligen Projektionsbild zugeordnetes Kantenbild bereitzustellen, wobei die Segmentierung des Abbildungssegments in Abhängigkeit des dem jeweiligen Projektionsbild zugeordneten Kantenbilds erfolgt. Die Kantendetektion kann beispielsweise durch einen Canny-Algorithmus erfolgen. Es können jedoch auch beliebige andere Kantendetektionsalgorithmen genutzt werden.
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Das Kantenbild kann derart ausgewertet werden, dass jene Bildbereiche, in denen Kanten erkannt wurden, und die nahe an einem Abbildungssegment liegen, d.h. beispielsweise einen vorgegebenen Mindestabstand unterschreiten, zusätzlich zum Abbildungssegment hinzugefügt werden. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist es, in einem Arbeitsbild sowohl jene Bereiche, die bereits unabhängig von der Kantendetektion, beispielsweise durch den eingangs erläuterten Grenzwertvergleich, als dem Abbildungssegment zugehörig erkannt wurden, als auch die Kanten zu markieren. Anschließend können Kanten, die nahe an entsprechenden Bereichen liegen, durch morphologische Operationen an diese angefügt werden. Hierzu kann beispielsweise eine Closingoperation genutzt werden.
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Um zu vermeiden, dass bestimmte Strukturen des Untersuchungsobjekts, beispielsweise eine Hautlinie eines Patienten, als Kanten erkannt werden, kann im Rahmen der Kantendetektion, insbesondere nach einer Gradientenbildung, ein Grenzwertvergleich durchgeführt werden, um Kanten mit niedrigem Kontrast zu verwerfen.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorteilhaft sein, wenn im Rahmen der Segmentierung der Abbildungssegmente ausschließlich Abbildungssegmente segmentiert werden, die eine vorgegebene Mindestgröße aufweisen. Dies kann vorteilhaft sein, da sehr kleine, relativ hochabsorbierende Objekte, beispielsweise Mikrokalzifikationen, in der Regel keine oder nur vernachlässigbare Artefakte erzeugen. Werden diese bei der Segmentierung ausgeschlossen, so werden unnötige Veränderungen der Messdaten vermieden. Ein Ausschluss kleiner Segmente kann dadurch erfolgen, dass zunächst eine vorläufige Segmentierung durchgeführt wird, wonach Segmente, die kleiner als eine vorgegebene Fläche bzw. Bildpunktzahl sind, verworfen werden.
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Die Projektionsbilder können im Rahmen eines Tomosyntheseverfahrens, insbesondere im Rahmen einer 3D-Mammographie, aufgenommen werden. Bei dem ermittelten dreidimensionalen Bilddatensatz kann es sich um einen Ergebnisdatensatz eines Tomosyntheseverfahrens, insbesondere einer 3D-Mammographie, handeln. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren in diesem Fall auch als ein Verfahren zur Durchführung einer Tomosynthese, insbesondere einer 3D-Mammographie, betrachtet werden.
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Die Projektionsbilder können in verschiedenen Aufnahmewinkeln bezüglich des Untersuchungsobjekts aufgenommen werden, wobei im Rahmen der Aufnahme der Projektionsbilder ein Aufnahmewinkelbereich von weniger als 90°, insbesondere von weniger als 60°, überstrichen wird. Entsprechend niedrige Aufnahmewinkelbereiche sind vorteilhaft, da relativ einfache Messeinrichtungen genutzt werden können. Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn die Aufnahmeeinrichtung zum Mammographie-Screening dienen soll. Auch bei einer Nutzung zur Überwachung eines medizinischen Eingriffs ist eine Einschränkung des Aufnahmewinkelbereichs vorteilhaft. Bei C-Bogen-Einrichtungen und Mammographieeinrichtungen kann der Aufnahmewinkelbereich aufgrund des Aufbaus der Aufnahmeeinrichtung eingeschränkt sein.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, dass in Abhängigkeit des dreidimensionalen Bilddatensatzes eine zweidimensionale Bilddarstellung erzeugt wird, wobei der hochabsorbierende Bereich in der zweidimensionalen Bilddarstellung grafisch hervorgehoben wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der hochabsorbierende Bereich in einer anderen Farbe dargestellt wird, durch einen Rand markiert wird, eine Kontrastverstärkung stattfindet o.ä. Die zweidimensionale Bilddarstellung kann eine künstliche Projektion und/oder ein Schichtbild sein. Die zweidimensionale Bilddarstellung kann beispielsweise auf einer Anzeigeeinrichtung dargestellt und/oder anderweitig ausgegeben und/oder gespeichert werden.
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Ein entsprechendes Hervorheben hochabsorbierender Bereiche kann im Rahmen der Bildinterpretation vorteilhaft sein. Eine entsprechende Hervorhebung ist im erfindungsgemäßen Verfahren besonders einfach möglich, da entsprechende Bereiche bereits im Rahmen der Auswertung der Auswahlbedingung erkannt werden.
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Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung eine Röntgeneinrichtung mit einer Bildaufnahmeeinrichtung zur Erfassung von Projektionsbildern eines Untersuchungsobjekts aus mehreren Aufnahmewinkeln und einer Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Die Röntgeneinrichtung kann insbesondere eine Einrichtung zur 3D-Mammographie sein. Diese kann einen feststehenden Röntgendetektor und eine demgegenüber verschiebbare und/oder verschwenkbare Röntgenquelle aufweisen. Um eine Dicke des durchstrahlenden Gewebes zu reduzieren, ist es möglich, dass zusätzlich eine Kompressionsplatte vorgesehen ist, zwischen der und dem Detektor bzw. einer weiteren Kompressionsplatte eine zu untersuchende Brust komprimiert werden kann. Es ist jedoch auch möglich, dass die Röntgeneinrichtung beispielsweise eine C-Bogen-Röntgeneinrichtung oder ein Computertomograph ist.
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Zudem betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, welches direkt in einen Speicher einer Steuereinrichtung einer Steuereinrichtung einer Röntgeneinrichtung ladbar ist, mit Programmmitteln, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, wenn das Computerprogramm in der Steuereinrichtung der Röntgeneinrichtung ausgeführt wird.
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Die Erfindung betrifft auch einen elektronisch lesbaren Datenträger mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen, welche zumindest ein erfindungsgemäßes Computerprogramm umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei einer Verwendung des Datenträgers in einer Steuereinrichtung einer Röntgeneinrichtung das erfindungsgemäße Verfahren durchführen.
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Die erfindungsgemäße Röntgeneinrichtung, das erfindungsgemäße Computerprogramm sowie der elektronisch lesbare Datenträger können mit jenen Merkmalen, die zum erfindungsgemäßen Verfahren erläutert wurden, mit den dort genannten Vorteilen weitergebildet werden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigen schematisch:
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Röntgeneinrichtung,
- 2 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3 ein Beispiel eines gefilterten Projektionsbildes,
- 4 ein Beispiel eines gefilterten Synthesebildes und
- 5 - 10 Schichtbilder verschiedener dreidimensionaler Bilddatensätze, bei denen zum Teil eine Artefaktreduktion gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wurde.
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1 zeigt eine Röntgeneinrichtung 1 mit einer Bildaufnahmeeinrichtung zur Erfassung von Projektionsbildern eines Untersuchungsobjekts 9. Bei der Röntgeneinrichtung 1 handelt es sich um eine Röntgeneinrichtung zur Durchführung einer 3D-Mammographie, womit das Untersuchungsobjekt 9 eine Brust ist. Die Bildaufnahmeeinrichtung umfasst eine Röntgenquelle 2 und einen Röntgendetektor 3. Die Röntgenquelle 2 kann durch eine von einer Steuereinrichtung 4 angesteuerte, nur schematisch dargestellte Verschwenkeinrichtung 5 derart gegenüber einer Vertikalachse 6 verschwenkt werden, dass das Untersuchungsobjekt 9 aus unterschiedlichen Aufnahmewinkeln erfasst werden kann. Um einen einfachen Aufbau der Röntgeneinrichtung 1 zu erreichen, steht der Detektor 3 fest. Alternativ wäre es selbstverständlich möglich, den Detektor gemeinsam mit der Röntgenquelle 2 zu verschwenken. Um eine Dicke des zu durchstrahlenden Gewebes und somit eine Strahlenbelastung zu reduzieren, ist zudem eine Kompressionsplatte 8 zur Kompression des Untersuchungsobjekts 9 vorgesehen.
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Zur Verdeutlichung der Veränderung der Aufnahmegeometrie ist die Röntgenquelle 2 mit dem zugehörigen Strahlenfächer zusätzlich in einer zweiten Aufnahmeposition 7 dargestellt.
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Das Untersuchungsobjekt 9 kann einen oder mehrere hochabsorbierende Bereiche 10 aufweisen, beispielsweise Metallteile oder Kalzifikationen. Diese werden bei einer Aufnahme von Projektionsbildern mit unterschiedlichen Aufnahmegeometrien in unterschiedlichen Abbildungssegmenten 11, 12 des Röntgendetektors 3 bzw. des jeweils aufgenommenen Projektionsbildes abgebildet. Da sich im Randbereich dieser Abbildungssegmente 11, 12 die erfasste Röntgenintensität stark verändert, entstehen in diesem Bereich Kontrastsprünge in den Projektionsbildern. Soll nun ein dreidimensionaler Bilddatensatz aus diesen Projektionsbildern durch eine gefilterte Rückprojektion generiert werden, so führt die Filterung der Projektionsbilder, beispielsweise mit einem Rampenfilter, zu Unterschwingern bzw. Oszillationen der Intensität im Umfeld des Abbildungssegments 11, 12. Ein Beispiel hierfür ist schematisch in 3 dargestellt. In dem gefilterten Projektionsbild 13 ist eine hochabsorbierende Makrokalzifikation 14 abgebildet. Aufgrund der Filterung sind im Umfeld dieser Abbildung Unterschwinger 15 zu erkennen.
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Diese Artefakte in den gefilterten Projektionsbildern führen auch zu Artefakten in hieraus rekonstruierten dreidimensionalen Bilddaten. Die 5 und 7 zeigen jeweils schematisch Schichtbilder, die aus entsprechenden dreidimensionalen Bilddaten rekonstruiert wurden. In 5 sind Metallklammern 16 zu sehen. Aufgrund der Rekonstruktion entstehen benachbart zu diesen Metallklammern, die stark unterschiedliches Absorptionsverhalten zeigen als das umgebende Gewebe, Unterschwinger 17. Wie in 7 gezeigt ist, kann ein entsprechendes Verhalten auch für Makrokalzifikationen 18 auftreten. Im Umfeld der Makrokalzifikation 18 sind ebenfalls Unterschwinger 19 zu erkennen.
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Artefakte aufgrund der Rekonstruktion treten nicht ausschließlich in Schichtbildern auf, die den entsprechenden hochabsorbierenden Bereich 10 zeigen, sondern auch in benachbarten und teils sogar in beabstandeten Schichten. Ein Beispiel hierfür ist in 9 dargestellt. 9 zeigt schematisch ein Schichtbild einer Schicht, die keine Metallteile oder Makrokalzifikationen umfasst. Die Filterung der Kanten der Abbildungssegmente 11, 12 führt in den resultierenden Schichtbildern zu der Ausbildung von Streifen 20. Zudem treten, z. B im Bereich 24, helle Flecken in den Schichtbildern auf. Diese treten für Voxel auf, für die Teile der Projektionsbilder das Vorhandensein von hochabsorbierenden Bereichen indizieren, die tatsächlich nicht vorhanden sind. Dies ist beispielsweise in Fig. 1 für den Voxel 23 der Fall. Dieser liegt für die gezeigte Position der Röntgenquelle 2 in dem Abbildungssegment 11, für die Aufnahmeposition 7 liegt er jedoch außerhalb des Abbildungssegments 12. Eine gefilterte Rückprojektion würde somit zu einer zu hohen scheinbaren Absorption für den Voxel 23 führen.
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Derartige Artefakte können die Befundung der aufgenommenen Bilder erschweren. Daher wird in der Röntgeneinrichtung 1 eine Steuereinrichtung 4 genutzt, die ein demgegenüber modifiziertes Verfahren zur Ermittlung eines dreidimensionalen Bilddatensatzes aus den Projektionsbildern implementiert. Dieses Verfahren wird im Folgenden mit Bezug auf 2 erläutert.
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In Schritt S1 werden zunächst, wie im Stand der Technik üblich, mehrere Projektionsbilder des Untersuchungsobjekts 9 aus unterschiedlichen Aufnahmeperspektiven aufgenommen. In den Schritten S2 bis S5 werden anschließend die Abbildungssegmente 11, 12 in diesen Projektionsbildern segmentiert, in denen ein hoch absorbierender Bereich 10 des Untersuchungsobjekts 9 abgebildet wird. Für eine derartige Segmentierung ist eine rein intensitätsgrenzwertbasierte Segmentierung in der Regel nicht ausreichend. Verschiedene Gewebearten weisen stark unterschiedliche Röntgenabsorptionen auf. Neben den starken Intensitätsvariation aufgrund der relativ kleinen und hochabsorbierenden Bereiche 10 des Untersuchungsobjekts 9, die erkannt und segmentiert werden sollen, variiert die Intensität somit über größere Flächen aufgrund der unterschiedlichen Gewebeabsorptionen.
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Um dennoch eine robuste Segmentierung zu erreichen wird in Schritt S2 zunächst ein Verarbeitungsbild für jedes der Projektionsbilder generiert, dass näherungsweise einem Hintergrundbild entspricht, aus dem die Abbildungen der hochabsorbierenden Bereiche 10 entfernt wurden. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Variationen der Absorption aufgrund der unterschiedlichen Gewebearten und aufgrund der hochabsorbierenden Objekte auf unterschiedlichen Größenskalen erfolgen. Daher können die Abbildungen der hochabsorbierenden Bereiche durch eine oder mehrere morphologische Operationen aus den Bilddaten entfernt werden. Hierzu kann beispielsweise eine Erosion oder eine sogenannte Openingoperation, bei der eine Erosion und eine Dilatation hintereinander geschaltet werden, mit einem passend gewählten Strukturelement auf die Projektionsbilder angewandt werden. Das Strukturelement kann derart gewählt werden, dass es aufgrund seiner Form und Größe die Abbildungen der hochabsorbierenden Bereiche 10 aus den Projektionsbildern entfernen kann ohne zu starken Einfluss auf größere Strukturen zu nehmen. Morphologische Operationen zur Bildverarbeitung sind aus dem Stand der Technik bekannt und sollen daher nicht detailliert erläutert werden.
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Eine morphologische Operation ähnelt letztlich einer Faltung des Bildes mit einem Faltungskernel, beispielsweise in Form einer Matrix, wobei statt einer Summation über die mit den Matrixeinträgen gewichteten zu dem betrachteten Punkt benachbarten Punkte bei einer Erosion ein Minimum und bei einer Dilatation ein Maximum der gewichteten Nachbarpunkte gewählt wird. Der Wert eines einzelnen Punktes nach der morphologischen Filterung hängt somit von seinem Umfeld ab, wobei die Größe des Strukturelements bestimmt, welcher Anteil des Umfelds berücksichtigt wird. Im Gegensatz zu beispielsweise einer Filterung durch einen Faltungskernel wird der Wert des betrachteten Punktes jedoch nicht durch eine gewichtete Summe der benachbarten Punkte bestimmt, sondern entspricht letztlich dem optional gewichteten Wert eines dieser benachbarten Punkte, wobei die Auswahl dieses Punktes bzw. Wertes durch die morphologische Operation erfolgt.
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In dem Ausführungsbeispiel soll zudem sichergestellt werden, dass ein Randbereich der Abbildung des hochabsorbierenden Bereichs 10 dem Abbildungssegment 11, 12 zugeordnet wird. Um dies zu erreichen wird im Schritt S3 eine Kantendetektion in den Projektionsbildern durchgeführt, um ein dem jeweiligen Projektionsbild zugeordnetes Kantenbild bereitzustellen. Die Segmentierung erfolgt anschließend zusätzlich in Abhängigkeit dieses Kantenbildes. Die Kantendetektion kann beispielsweise durch einen Canny-Algorithmus erfolgen.
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In Schritt S4 werden die Projektionsbilder in Abhängigkeit sowohl des in Schritt S2 bereitgestellten Verarbeitungsbildes als auch des in Schritt S3 bereitgestellten Kantenbildes segmentiert. Im Rahmen der Segmentierung wird zu jedem Projektionsbild ein Maskenbild erstellt, in dem die zu dem Abbildungssegment 11, 12 zugehörigen Bildpunkte markiert sind. Hierbei kann es sich um ein Binärbild handeln, wobei beispielsweise den zum Abbildungssegment zugehörigen Bildpunkten der Wert 1 und den anderen Bildpunkten der Wert 0 zugeordnet wird.
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Zur Segmentierung kann zunächst ein Differenzbild zwischen dem Projektionsbild und dem Verarbeitungsbild ermittelt werden, um einen Bildhintergrund, der die Intensitätsschwankungen aufgrund von unterschiedlichen Gewebeabsorptionen beschreibt, von den Projektionsbildern abzuziehen. Im resultierenden Bild kann anschließend eine vorläufige Segmentierung durch einen Grenzwertvergleich erfolgen, woraus ein vorläufiges Maskenbild resultiert. In dem vorläufigen Maskenbild können zusätzlich jene Punkte markiert werden, an denen eine Kante erkannt wurde. Es ist hierbei möglich, dass bereits im Rahmen der Kantenerkennung oder erst bei der Übertragung der erkannten Kanten ein Grenzwertvergleich, der insbesondere Grenzen für Gradienten oder Bildpunktintensitäten betreffen kann, durchgeführt wird, um Kanten, die nicht hochabsorbierenden Bereichen 10 zuzuordnen sind, beispielsweise Hautlinien, nicht zu berücksichtigen.
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Bei erkannten Kanten, die sich nahe an einem im Rahmen der vorläufigen Segmentierung dem Abbildungssegment 11, 12 zugeordneten Bereich befinden, kann davon ausgegangen werden, dass diese die Kanten der Abbildung des hochabsorbierenden Bereichs 10 darstellen und somit mit dem Abbildungssegment 11, 12 fusioniert werden sollen. Andere Kanten sollen hingegen verworfen werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass auf das vorläufige Maskenbild eine morphologische Operation, beispielsweise eine Closingoperation, mit einem entsprechend gewählten Strukturelement angewandt wird. Eine anfängliche Dilatation kann Kanten, die nahe an segmentierten Bereichen liegen, mit diesen verbinden. Durch die folgende im Rahmen des Closings durchgeführte Erosion werden Kanten, die nicht mit einem anderen Bereich verbunden wurden, aus dem Bild entfernt. Nach dieser Operation resultiert eine endgültige Segmentierung des Abbildungssegments 11, 12 und insbesondere ein entsprechendes Maskenbild.
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Optional können solche Abbildungssegmente verworfen werden, die kleiner als eine vorgegebene Mindestgröße, beispielsweise eine Mindestbildpunktzahl, sind. Dies kann zweckmäßig sein, da sehr kleine hochabsorbierende Bereiche 10 üblicherweise keine oder nur vernachlässigbare Artefakte im Rahmen der Rekonstruktion der dreidimensionalen Bilddaten erzeugen. Ein Verwerfen dieser sehr kleinen Segmente kann somit dazu dienen, unnötig Eingriffe in die Messdaten zu vermeiden.
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In Schritt S5 wird mithilfe des in Schritt S4 generierten Maskenbildes für jedes der Projektionsbilder ein zugeordnetes Synthesebild generiert. Die Bilddaten des Synthesebildes außerhalb des Abbildungssegments entsprechen den Bilddaten des zugeordneten Projektionsbildes. Innerhalb des Abbildungssegments werden die Bilddaten auf vorgegebene Werte gesetzt, die derart vorgegeben werden, dass zunächst eine Interpolation zwischen mehreren zu dem Abbildungssegment benachbarten Bildpunkten durchgeführt wird, um die Intensität im modifizierten Abbildungssegment an die Umgebung anzugleichen. Anschließend wird ein Rauschsignal zu diesen vorläufigen Werten addiert, um das Rauschen in dem modifizierten Abbildungssegment an die Umgebung anzupassen.
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In den Schritten S6 und S7 werden die Projektionsbilder und die Synthesebilder separat voneinander gefiltert. Die Filterung erfolgt, wie bei gefilterten Rückprojektionen üblich, also beispielsweise mit einem Rampenfilter. Ein Beispiel für ein gefiltertes Projektionsbild 13 ist schematisch in 3 gezeigt. 4 zeigt schematisch das zugeordnete gefilterte Synthesebild 21. Der Bereich 22, in dem sich in dem gefilterten Projektionsbild 13 die Abbildungen der Makrokalzifikation 14 und die aus der Filterung resultierenden Unterschwinger 15 befinden, ist im gefilterten Synthesebild im Wesentlichen glatt, da die Abbildung der Makrokalzifikation 14 durch die Segmentierung des Abbildungssegments 11, 12 und das anschließende Ausfüllen des Abbildungssegments 11, 12 mit vorgegebenen Werten entfernt wurde und somit auch nicht die aus der Filterung dieser Abbildung hervorgehenden Unterschwinger auftreten.
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In Schritt S8 werden die Maskenbilder rückprojiziert, um für jeden Voxel eines zu berechnenden dreidimensionalen Bilddatensatzes einen Maskenwert zu berechnen. Wird wie vorangehend erläutert für Bildpunkte im Abbildungssegment 11, 12 das Maskenbild auf eins und für andere Bildpunkte auf null gesetzt und erfolgte die Rückprojektion derart, dass jeder Voxel nur von jeweils einem Bildpunkt eines jeweiligen Projektionsbildes abhängt, so entspricht diese Rückprojektion einem Zählen, in wie vielen der Projektionsbilder der jeweilige relevante Bildpunkte in einem jeweiligen Abbildungssegment liegt. Bei einer idealen Bildgebung müsste ein Voxel, der tatsächlich in einem hochabsorbierenden Bereich 10 des Untersuchungsobjekts 9 liegt, in allen Projektionsbildern in einem jeweiligen Abbildungssegment 11, 12 liegen. Aufgrund von Rauschen und Abbildungsfehlern ist es jedoch auch möglich, dass der relevante Punkt in einzelnen Projektionsbildern nicht in einem Abbildungssegment 11, 12 liegt. Dies wird wie im Folgenden erläutert bei der Rekonstruktion berücksichtigt.
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In Schritt S9 wird der dreidimensionale Bilddatensatz ermittelt, wobei die Bilddaten des jeweiligen Voxels bei Erfüllung einer von dem Maskenwert dieses Voxels abhängigen Auswahlbedingung durch Rückprojektion der relevanten Bildpunkte der gefilterten Projektionsbilder und bei Nichterfülllung der Auswahlbedingung durch Rückprojektion der relevanten Bildpunkte der gefilterten Synthesebilder ermittelt werden. Die Auswahlbedingung vergleicht den Maskenwert mit einem Grenzwert, der beispielsweise derart gewählt sein kann, dass die Auswahlbedingung dann erfüllt ist, wenn der relevante Bildpunkt des jeweiligen Projektionsbilds für 80 % der Projektionsbilder in einem Abbildungssegment 11, 12 liegt. In diesem Fall kann davon ausgegangen werden, dass der entsprechende Voxel tatsächlich einen hochabsorbierenden Bereich 10 abbildet, weshalb die ursprünglichen Projektionsbilder zur Rekonstruktion dieses Voxels genutzt werden, die diesen hochabsorbierenden Bereich 10 auch tatsächlich abbilden. Wird die Auswahlbedingung nicht erfüllt, so wird davon ausgegangen, dass der entsprechende Voxel keinen hochabsorbierenden Bereich 10 abbildet. Daher können zur Rekonstruktion dieses Voxels die Synthesebilder genutzt werden. Diese bilden alle anderen Bereiche des Untersuchungsobjekts ebenfalls ab, weisen jedoch weniger Artefakte auf, womit insgesamt eine verbesserte Bildqualität erreicht werden kann.
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Die Anwendung der Auswahlbedingung kann zudem verhindern, dass Artefakte für Voxel entstehen, die nur in einem oder in wenigen Projektionsbildern in dem Abbildungssegment liegen. Beispielsweise kann in Fig. 1 für den Voxel 23 erkannt werden, dass er nicht in einem hochabsorbierenden Bereich liegt. Da in diesem Fall Synthesebilder zur Rekonstruktion verwendet werden, wird ein Einfluss hochabsorbierender Bereiche und somit ein Abbildungsfehler unterdrückt.
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Beispiele für die erreichten Verbesserungen sind schematisch in den 6, 8 und 10 gezeigt, wobei das in 6 gezeigte Schichtbild dem mit einer herkömmlichen gefilterten Rückprojektion rekonstruierten Vergleichsschichtbild in 5, das in 8 gezeigte Schichtbild dem mit einer herkömmlichen gefilterten Rückprojektion rekonstruierten Vergleichsschichtbild in 7 und das in 10 gezeigte Schichtbild dem mit einer herkömmlichen gefilterten Rückprojektion rekonstruierten Vergleichsschichtbild in 9 entspricht. Es wurden zur Rekonstruktion jeweils die gleichen Projektionsbilder genutzt. Wie durch einen Vergleich der 5 und 6 bzw. 7 und 8 zu erkennen ist, sind die in den 5 und 7 gezeigten Unterschwinger 17, 19 in den 6 und 8 nicht vorhanden, womit die Bildqualität insgesamt erhöht wird. Auch die in 9 zu erkennende Streifen 20 und hellen Bereiche 24 sind in 10 nicht vorhanden. Das geschilderte Vorgehen führt somit zu einer erheblichen Verbesserung der Bildqualität der resultierenden Schichtbilder.
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Das beschriebene Verfahren kann auch in Form eines Computerprogramms vorliegen, dass das Verfahren auf der Steuereinheit 4 einer in 1 gezeigten Magnetresonanzeinrichtung implementiert, wenn es auf dieser ausgeführt wird. Ebenso kann ein nicht dargestellter elektronisch lesbarer Datenträger mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen vorliegen, welche zumindest das beschriebene Computerprogramm umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in der Steuereinrichtung 4 der Magnetresonanzeinrichtung 1 das beschriebene Verfahren durchführen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- S. Abdurahman et al., „Out-of-Plane Artifact Reduction in Tomosynthesis Based on Regression Modeling and Outlier Detection“, Proc. IWDM, LNCS 7361, pp. 729 - 736 (2012) [0006]
- Z. Zhang et al., „Metal Artifact Reduction in Tomosynthesis Imaging“, Proc. SPIE, Vol. 9412, 94125A (2015) [0007]
