DE19624293A1

DE19624293A1 - System, Verfahren und Vorrichtung zur schrittweisen Rekonstruktion überlappter Bilder in einem eine Wendelabtastung verwendenden Computer-Tomographie-System

Info

Publication number: DE19624293A1
Application number: DE19624293A
Authority: DE
Inventors: Jiang Hsieh
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1995-11-02
Filing date: 1996-06-18
Publication date: 1997-05-07
Also published as: US5546439A; IL119424A; IL119424A0; JPH09182745A

Description

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Computer- Tomographie-Abbildung (CT-Abbildung) und insbesondere auf die schrittweise Rekonstruktion von überlappten Bildern aus bei einer Wendelabtastung erhaltenen Projektionsdaten.

Bei zumindest einem bekannten Computer-Tomographie-Systemaufbau (CT-Systemaufbau) projiziert eine Röntgenstrahlquelle einen fächerförmigen Strahl, der kollimiert ist, um innerhalb einer X-Y-Ebene eines karthesischen Koordinatensystems zum Liegen zu kommen, die im allgemeinen als die "Abbildungsebene" bezeichnet wird. Der Röntgenstrahl passiert das abzubildende Objekt, wie beispielsweise einen Patienten. Nach der Dämpfung durch das Objekt fällt der Strahl auf ein Feld aus Strahlungserfassung seinrichtungen. Die Intensität der an dem Erfassungseinrich tungsfeld empfangenen gedämpften Strahlung hängt von der Dämpfung des Röntgenstrahls durch das Objekt ab. Jedes Erfas sungseinrichtungselement des Felds erzeugt ein separates elek trisches Signal, das ein Maß für die Strahldämpfung am Ort der Erfassungseinrichtung ist. Die Dämpfungsmaße von allen Erfas sungseinrichtungen werden einzeln erfaßt, um ein Durchlaßprofil zu erzeugen.

Bei bekannten Computer-Tomographie-Systemen (CT-Systemen) der dritten Generation werden die Röntgenstrahlquelle und das Er fassungseinrichtungsfeld mit einem Faßlager bzw. Gantry inner halb der Abbildungsebene und rund um das abzubildende Objekt gedreht, so daß sich der Winkel, in dem der Röntgenstrahl das Objekt schneidet, kontinuierlich verändert. Eine Gruppe von Röntgenstrahl-Dämpfungsmaßen, d. h. Projektionsdaten, von dem Erfassungseinrichtungsfeld bei einem Faßlagerwinkel wird als eine "Ansicht" bezeichnet. Eine "Abtastung" des Objekts umfaßt einen Satz von Ansichten bei verschiedenen Faßlagerwinkeln während einer Umdrehung der Röntgenstrahlquelle und der Erfas sungseinrichtung. Bei einer axialen Abtastung werden die Projektionsdaten verarbeitet, um ein einem zweidimensionalen Schnitt durch das Objekt entsprechendes Bild zu erzeugen.

Ein Verfahren zur Rekonstruktion eines Bilds aus einem Satz von Projektionsdaten wird im Stand der Technik als gefilterte Rückprojektionstechnik bezeichnet. Dieses Verfahren wandelt die Dämpfungsmaße von einer Abtastung in als "CT-Nummern" oder "Hounsfield-Einheiten" bezeichnete Integer um, die zur Steuer ung der Helligkeit eines entsprechenden Pixels bzw. Bildele ments auf einer Kathodenstrahlröhrenanzeige verwendet werden.

Zur Verringerung der für eine Vielzahl von Schnitten erforder liche Gesamtabtastzeit kann eine "Helix"- bzw. "Wendel"abtas tung durchgeführt werden. Bei der Durchführung einer "Wen del"abtastung wird der Patient bewegt, während die Daten für eine vorbestimmte Anzahl von Schnitten erfaßt werden. Ein der artiges System erzeugt eine einfache Wendel aus einer Ein- Fächerstrahl-Wendelabtastung. Die durch den Fächerstrahl fest gelegte Wendel ergibt Projektionsdaten, aus denen Bilder in jedem vorbestimmten Schnitt rekonstruiert werden können. Bildrekonstruktions-Rechenverfahren, die bei der Rekonstruktion eines Bilds aus bei einer Wendelabtastung erhaltenen Daten ver wendet werden können, sind in C. Crawford und K. King, "Computed Tomography Scanning with Simultaneous Patient Translation", Med. Phys. (716), Nov/Dez 1990, und in der US-Patentanmeldung Nr. 08/362 247 "Helical Interpolative Algorithm For Image Re construction In A CT System", angemeldet am 22. Dezember 1994, das auf den vorliegenden Rechtsnachfolger übertragen wurde, bekannt. Die bekannten Rechenverfahren können im allgemeinen als extrapolierende oder interpolierende Wendel-Rechenverfahren (HE- oder HI-Rechenverfahren) eingestuft werden. Diese Rechen verfahren wenden typischerweise eine Gewichtsfunktion auf die Projektionsdaten an, um ein Bild zu rekonstruieren. Diese Ge wichtsfunktion basiert im allgemeinen sowohl auf dem Fächerwin kel als auch auf dem Ansichtswinkel.

Um ein Maximum an Beobachtbarkeit eines interessierenden Ob jekts zu erreichen, ist es bekannt, überlappende Bilder zu er zeugen, so daß eines der Bilder um das interessierende Objekt dreht. Die Konstruktion überlappender Bilder, die typischer weise verschiedene Ansichten des interessierenden Objekts sind, wird im allgemeinen als schrittweise Rekonstruktion bezeichnet. Schrittweise Rekonstruktionstechniken werden beispielsweise in M. Remy-Jardin et al., "Chest evaluation with Use of Spiral Volumetric CT with the Single Breathold Technique", RSNA ′91, S. 273f, Nov. 1991, P. Costello et al., "Spiral CT of the Tho rax with Small Volumes of Contrast Material: A Comparative Stu dy", RSNA ′91, S. 274f, Nov. 1991, und D.E. Duppey, "Spiral CT of the Pancreas: Comparative Study" RSNA ′91, S. 260f, Nov. 1991, beschrieben.

Bei einer bekannten schrittweisen Rekonstruktionstechnik wird ein Bild, manchmal als das "Kern"bild bezeichnet, erzeugt, das allen überlappenden Bildern gemeinsam ist. Wenn eine neue Pro jektion erhalten wird, wird ihre Verteilung zu dem Kernbild hinzugefügt und eine Ansicht entsprechend derselben Winkelposi tion (360° entfernt) wird von dem Kernbild subtrahiert. Diese Näherung ermöglicht, daß Bilder kontinuierlich auf den neuesten Stand gebracht werden, um überlappende Rekonstruktionen zu erzeugen.

Für eine axiale Abtastung, bei der der Patient während der gesamten Datenerfassung stationär bleibt, wird die Berechnung smenge und Berechnungszeit durch Verwendung eines Kernbilds verringert, da ein Hauptteil der Abtastdaten nicht für jede Ansicht wieder verarbeitet werden muß. Jedoch, ist die Kern bildtechnik im Vergleich zu eine Wendelabtastung langsam und aufwendig. Insbesondere wird bei Wendelabtastdaten eine Ge wichtsfunktion vor dem Filterungs- und Rückprojektionsverfahren auf die Projektionsdaten angewendet. Die Gewichtsfunktion ist, wie vorstehend beschrieben, eine Funktion sowohl der Fächerwin kels als auch des Ansichtswinkels.

Daher kann im Zusammenhang mit der Wendelabtastung ein neues Bild nicht einfach durch Löschen einer Ansicht und Hinzufügen einer anderen Ansicht erzeugt werden, da die Verteilungen der verbleibenden Ansichten angepaßt oder auf den neuesten Stand gebracht, d. h. gewichtet, werden müssen. Jedes überlappte Bild muß daher unabhängig voneinander erzeugt werden, und die erfor derliche Zeitmenge zur Erzeugung von überlappten Bildern nimmt linear mit der Anzahl der zu erzeugenden Bilder zu.

Es wäre natürlich wünschenswert, überlappende Bilder aus Wendel abtastdaten ohne das Erfordernis einer unabhängigen Erzeugung jedes überlappten Bilds zu rekonstruieren und dabei die Bildqua lität im wesentlichen beizubehalten. Es ist auch wünschenswert die Verarbeitung und die zur Rekonstruktion derartiger überlap pender Bilder aus Wendelabtastdaten erforderliche Zeit zu ver ringern, um irgendwelche unerwünschte Verzögerungen zu vermeiden.

Diese und andere Aufgaben können in einem System erreicht wer den, das, in einem Ausführungsbeispiel, ein schrittweises Rekonstruktions-Rechenverfahren für Wendelabtastdaten anwendet und keine unabhängige Erzeugung von jedem überlappten Bild er fordert. Insbesondere werden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anstelle der Verwendung eines Kern bilds, wie in einer axialen Abtastung, Basisbilder erzeugt. Die Orte der Basisbilder werden unter Verwendung von beispiels weise dem bekannten Nyquist-Abtast-Theorem bestimmt. Wenn ein mal die Basisbilddaten erzeugt sind, werden derartige Basis bilddaten zur Erzeugung überlappter Bilder verwendet. Insbeson dere kann ein Interpolations-Rechenverfahren, wie beispiels weise ein LaGrange-Rechenverfahren 4. Ordnung, zur Erzeugung der überlappenden Bilddaten verwendet werden.

Die Verwendung des vorstehend beschriebenen schrittweisen Rekonstruktions-Rechenverfahrens ermöglicht die Rekonstruktion überlappender Bilder aus Wendelabtastdaten ohne das Erfordernis der Erzeugung jedes Bilds unabhängig von dem anderen. Als Ergebnis wird bei Wendelabtastdaten die zur Rekonstruktion überlappter Bilder erforderliche Verarbeitungszeit verglichen mit der bei der vorstehend beschriebenen "Kern"bildverarbeitung erforderlichen Verarbeitungszeit verringert. Zusätzlich wird angenommen, das das vorliegende Rekonstruktions-Rechenverfahren die Bildqualität beibehält. Darüberhinaus verringert das vor liegende Rekonstruktions-Rechenverfahren auch Streifen und Ar tefakte in dreidimensionalen (3D) oder Mehrfach-Ebenen-Um formatier-(MPR)-Bildern.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltun gen der Erfindung angegeben.

Weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus den nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeich nung offensichtlich.

Es zeigen:

Fig. 1 eine bildhafte Ansicht eines Computer-Tomographie- Abbildungssystems, und

Fig. 2 ein Blockschaltbild des in Fig. 1 dargestellten Systems.

Im folgenden wird auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen. Ein Computer-Tomographie-Abbildungssystem (CT-Abbildungssystem) 10 enthält ein Faßlager bzw. Gantry 12, das für eine Computer- Tomographie-Abtasteinrichtung (CT-Abtasteinrichtung) der "drit ten Generation" steht. Das Faßlager 12 weist eine Röntgen strahlquelle 14 auf, die einen Röntgenstrahl 16 auf ein Erfas sungseinrichtungsfeld 18 auf der gegenüberliegenden Seite des Faßlagers 12 projiziert. Das Erfassungseinrichtungsfeld 18 wird von Erfassungseinrichtungselementen 20 gebildet, die zusammen die projizierten Röntgenstrahlen erfassen, die einen medizinis chen Patienten 22 passieren. Jedes Erfassungseinrichtungsele ment 20 erzeugt ein elektrisches Signal, das die Intensität eines auftreffenden Röntgenstrahls und daher die Dämpfung des Strahls, wie der den Patienten 22 passiert, darstellt. Während einer Abtastung zum Erfassen von Röntgenstrahlprojektionsdaten drehen sich das Faßlager 12 und die daran befestigten Komponen ten um einen Drehmittelpunkt 24.

Die Drehung des Faßlagers 12 und der Betrieb der Röntgenstrahl quelle 14 werden durch eine Steuereinrichtung 26 des Computer- Tomographie-Systems (CT-Systems) 10 gesteuert. Die Steuerein richtung 26 enthält eine Röntgenstrahl-Steuereinrichtung 26, die Leistungs- und Zeitpunktsignale für die Röntgenstrahlquelle 14 bildet, und eine Faßlagermotor-Steuereinrichtung 30, die die Drehgeschwindigkeit und die Position des Faßlagers 12 steuert. Ein Datenerfassungssystem (DAS) 32 in der Steuereinrichtung 26 tastet analoge Daten von den Erfassungseinrichtungselementen 20 ab und wandelt die Daten für die nachfolgende Verarbeitung in digitale Signale um. Eine Bildrekonstruktionseinrichtung 34 empfängt von der Datenerfassungseinrichtung (DAS) 32 abgetas tete und digitalisierte Röntgenstrahldaten und führt eine Hoch geschwindigkeits-Bildrekonstruktion durch. Das rekonstruierte Bild wird als eine Eingabe an einen Computer 36 angelegt, der das Bild in einer Massenspeichereinrichtung 38 speichert. Be vorzugterweise wird das rekonstruierte Bild als ein Datenfeld gespeichert.

Der Computer 36 empfängt auch über eine Konsole 40, die eine Tastatur aufweist, Befehle und Abtastparameter von einem Be diener. Eine damit verbundene Kathodenstrahlröhren-Anzeigeein richtung 42 ermöglicht dem Bediener, das rekonstruierte Bild und andere Daten vom Computer 36 zu beobachten. Die vom Bedien er zugeführten Befehle und Parameter werden vom Computer 36 zur Erzeugung von Steuersignalen und Informationen für die Datener fassungseinrichtung (DAS) 32, die Röntgenstrahl-Steuerein richtung 28 und die Faßlagermotor-Steuereinrichtung 30 verwen det. Zusätzlich bedient der Computer 36 eine Tischmotor-Steuer einrichtung 44, die einen motorisierten Tisch 46 zum Position ieren des Patienten 22 in dem Faßlager 12 steuert. Insbesondere bewegt der Tisch 46 Teile des Patienten 22 durch eine Faßlag eröffnung 48.

In der folgenden Diskussion bezeichnet eine Xmm × Xmm Abtastung eine Abtastung eines interessierenden Objekts unter Verwendung einer Xmm Kollimator-Apertur bei einem 1 : 1 Wendel-Abstand, wo bei der Wendelabstand das Verhältnis der Tischbewegung bei ein er Drehung der Röntgenstrahlquelle 14 zur durch den Quellenkol limator definierten Schnittbreite ist.

Im Hinblick auf die schrittweise Rekonstruktion und gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden vom Com puter 36 nachfolgend auf die Erzeugung von Bilddaten aus Wende labtastprojektionsdaten durch die Bildrekonstruktionseinrich tung 34 und nachfolgend auf die Auswahl eines interessierenden Objekts Basisbilddaten für das interessierende Objekt identifi ziert. Die Orte der durch den Computer 36 für ein Objekt iden tifizierten Basisbilder werden beispielsweise unter Verwendung des wohlbekannten Nyquist-Abtast-Theorems bestimmt. Das Nyquist-Abtast-Theorem setzt voraus, daß die erforderliche Ab tastrate das Doppelte der Maximalfrequenz betragen sollte. Beispielsweise, wo das interessierende Objekt unter Verwendung einer 3 mm × 3 mm Wendelabtastung abgetastet und Bilder mit einem 2π extrapolierenden Rechenverfahren rekonstruiert werden sol len, beträgt der Maximalfrequenz-Inhalt (der erste Kreuzung spunkt) nur 3 Zeilenpaare pro Zentimeter (LP/cm). Basisbildda ten sollten so mit 1,5 mm Schritten (50% Überlappung) rekon struiert werden. Ähnlich, wenn ein interessierendes Objekt unt er Verwendung einer 10 mm × 10 mm Abtastung abgetastet und Bilder mit einem 2π extrapolierenden Rechenverfahren rekonstruiert werden sollen, erfordert das Nyquist-Abtast-Theorem, daß die Basisbilddaten jede 5 mm (50% Überlappung) rekonstruiert werden sollten. Nachfolgend auf die Identifizierung der Orte der Ba sisbilder werden Basisbilddaten für die identifizierten Orte erzeugt.

Wenn einmal die Basisbilddaten erzeugt sind, werden unter Ver wendung der Basisbilddaten überlappende Bilder rekonstruiert. Insbesondere werden überlappende Bilder mittels Durchführung von Interpolationen unter Verwendung der Basisbilddaten durch geführt. Die Interpolation der Basisbilddaten kann beispiels weise unter Verwendung eines LaGrange oder eines kubischen Spline-Rechenverfahrens durchgeführt werden. Natürlich könnten andere Interpolations-Rechenverfahren verwendet werden.

Beispielhaft im Hinblick auf die Rekonstruktion von überlappen den Bildern unter Verwendung einer LaGrange Interpolations- Rechenverfahren 4. Ordnung bezeichnen x_k und y_k, wobei k = 1, 2, 3, 4, die Sollpositionen und die aktuellen Daten von vier Basisbildern. ξ bezeichnet den Ort zwischen x₂ und x₃, an dem ein interpoliertes Bild erzeugt werden soll. Die neuen Bildda ten, y_ξ, können erhalten werden durch:

wobei

Wenn einmal die Bilddaten für die neue Ansicht, wie vorstehend erläutert, bestimmt sind, kann das neue Bild angezeigt werden.

Wie vorstehend erklärt, können bei einer Wendelabtastung neue Bilder ohne das Erfordernis einer unabhängigen Erzeugung neuer Bilder angezeigt werden. Besser gesagt, die neuen Bildaten für das neue Bild werden unter Verwendung der Basisbilddaten und wohlbekannter Interpolations-Rechenverfahren bestimmt. Desweit eren wird angenommen, daß bei der Wendelabtastung entsprechend dem vorliegenden Rechenverfahren unter Verwendung der LaGrange Interpolation 4. Ordnung die Bildqualität erzeugter überlappend er Bilder ungefähr gleich der Bildqualität bei unter Verwendung eines Kernbilds erzeugter überlappender Bilder ist. Zusätzlich wird davon ausgegangen, daß bei Wendelabtastdaten die Rekon struktionsgeschwindigkeit zur Erzeugung jedes überlappenden Bilds unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Rechenver fahrens als wesentlich erhöht im Vergleich zur Rekonstruktion sgeschwindigkeit von überlappenden Bildern unter Verwendung eines Kernbilds ist.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist offensichtlich, daß die Aufgaben der Erfindung gelöst werden. Obwohl die Erfindung de tailliert beschrieben und veranschaulicht wurde, ist deutlich erkennbar, daß dasselbe nur zur Veranschaulichung und beispiel haft geschah und nicht als Einschränkung zu sehen ist. Bes pielsweise ist das hier beschriebene Computer-Tomographie- System (CT-System) ein System der "dritten Generation", bei dem sich sowohl die Röntgenstrahlquelle als auch die Erfassungsein richtung mit dem Faßlager drehen. Es können auch viele andere Computer-Tomographie-Systeme (CT-Systeme), die Systeme der "vierten Generation" enthalten, bei denen die Erfassungsein richtung eine stationäre Vollring-Erfassungseinrichtung ist und sich nur die Röntgenstrahlquelle mit dem Faßlager dreht, ver wendet werden. Auch können, wie vorstehend erläutert, andere Interpolationsverfahren als das LaGrange Rechenverfahren 4. Ordnung verwendet werden. Demgemäß ist der Schutzumfang der Erfindung nur durch die Patentansprüche begrenzt.

Die vorliegende Erfindung ist in einer Form ein System (10) zur Erzeugung schrittweiser tomographischer Bilder eines Objekts aus bei einer Wendelabtastung erfaßten Projektionsdaten. Das System (10) erzeugt aus den Projektionsdaten Basisbilddaten felder. Dann wird ein Interpolations-Rechenverfahren auf die Basisbilddatenfelder angewendet, um überlappte oder schritt weise tomographische Bilder zu erzeugen.

Claims

1. Computer-Tomographie-Vorrichtung (10), mit:
einem Faßlager (12) mit einer Röntgenstrahlquelle (14) und ein er Erfassungseinrichtung (18);
einem mit der Erfassungseinrichtung (18) verbundenen Datener fassungssystem (32); und
einer mit dem Datenerfassungssystem (32) verbundenen Rechner einrichtung (36), die ausgebildet ist, für ein interessierendes Objekt Orte von Basisbildern zu identifizieren, Basisbilddaten felder für die identifizierten Orte zu erzeugen und unter Ver wendung eines Interpolations-Rechenverfahrens aus den in den Basisbilddatenfeldern gespeicherten Daten überlappte Bilder zu erzeugen.

2. Computer-Tomographie-Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Rechnereinrichtung (36) weiterhin ausgebildet ist, Orte von Basisbildern entsprechend dem Nyquist-Abtast-Theorem zu identifizieren.

3. Computer-Tomographie-Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei das Interpolations-Rechenverfahren ein LaGrange-Rechenverfahren ist.

4. Computer-Tomographie-Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das LaGrange-Rechenverfahren folgendermaßen lautet: wobei
ξ eine gewünschte Bildposition bezeichnet;
y_ξ das interpolierte Bild bezeichnet, und

5. Computer-Tomographie-Vorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei die Recheneinrichtung (36) weiterhin ausgebildet ist, Orte von Basisbildern entsprechend dem Nyquist-Abtast-Theorem zu identifizieren.