DE19625863C2

DE19625863C2 - Verfahren zur Bildrekonstruktion für einen im Spiralbetrieb arbeitenden Computertomographen

Info

Publication number: DE19625863C2
Application number: DE19625863A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Wallschlaeger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-06-27
Filing date: 1996-06-27
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2016-06-28
Also published as: US5875225A; JPH1057369A; JP3964961B2; DE19625863A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildrekonstruktion für einen im Spiralbetrieb arbeitenden Computertomographen, aufweisend einen im Betrieb des Computertomographen ein Un tersuchungsobjekt aufnehmenden Patientenlagerungstisch, ein um den Patientenlagerungstisch rotierendes Meßsystem, welches eine Röntgenstrahlenquelle und einen dieser gegenüberliegen den Strahlenempfänger aufweist, wobei im Betrieb des Compu tertomographen von der Röntgenstrahlenquelle ein Röntgen strahlenbündel ausgeht, das auf den Strahlenempfänger auf trifft, und eine Recheneinheit zur Auswertung von im Betrieb des Computertomographen von dem Strahlenempfänger gelieferten Meßsignalen, die Spiralschwächungswerten des Untersuchungsob jektes entsprechen, welches Verfahren für die Rekonstruktion von Bildern ebener Körperschichten des Untersuchungsobjektes bei aus Umläufen des Meßsystems um das Untersuchungsobjekt gewonnenen Spiralschwächungswerten Schwächungswerte einer ebenen Körperschicht ermittelt.

In der Computertomographie ist die Aufnahme von Spiral-Scans, d. h. von Spiralschwächungswerten von Körperschichten eines Untersuchungsobjektes, inzwischen eine Standardtechnik mit großer Bedeutung für die praktische Anwendung (vgl. z. B. Willy A. Kalender, Principles and Performance of Spiral CT. In L. W. Goldman and J. B. Fowlkes, editors, MEDICAL CT and ULTRASOUND: Current Technology and Applications, pages 379- 410. Advanced Medical Publishing, 1995). Die Aufnahme von Spiralschwächungswerten erfolgt dabei in der Regel mit einem radiologischen Meßsystem, welches sich kontinuierlich um ein auf einem Patientenlagerungstisch gelagertes Untersuchungsob jekt bewegt, wobei sich der Patientenlagerungstisch mit dem Untersuchungsobjekt meist mit einem konstanten und kontinu ierlichen Tischvorschub relativ zu dem Meßsystem, beispielsweise in z-Richtung eines in Fig. 1 eingetragenen kartesischen Koordinatensystems bewegt. Fig. 1 zeigt in diesem Zusammenhang einen das Meßsystem und den Patientenlagerungstisch aufwei senden Computertomographen. Aufgrund der Relativbewegung des Patientenlagerungstisches zu dem radiologischen Meßsystem er hält man eine kontinuierliche spiralförmige Scanbewegung des radiologischen Meßsystems um das Untersuchungsobjekt, so daß bei den radiologischen Aufnahmen die Spiralschwächungswerte zu verschiedenen z-Positionen anfallen. Die z-Koordinate ei nes Datensatzes von Spiralschwächungswerten charakterisiert dabei die relative Position der den Spiralschwächungswerten entsprechenden Meßschicht zu dem zu untersuchenden Objekt. Die Bewegung des Patientenlagerungstisches erfolgt im vorlie genden Fall im wesentlichen rechtwinklig zur Meßebene, welche durch das radiologische Meßsystem festgelegt wird (vgl. Fig. 1).

Ein Computertomograph mit Spiralabtastung ist beispielsweise aus der US 5,473,658 bekannt, bei dem ein Rechner aus einem Ausgangsbild in der Ebene einer Referenzprojektion und einem Hilfsbild rekursiv ein neues Bild im Abstand von d/N_2π vom Ausgangsbild berechnet, wobei d die Schichtdicke, N_2π die Zahl der Projektionen auf den Umfangswinkel 2π ist und für jedes Bild nur Daten aus dem Bereich einer Schichtdicke d be nutzt werden.

Die wesentlichen Vorteile der Spiralcomputertomographie ge genüber der herkömmlichen ebenen Computertomographie bestehen zum einen in einer schnellen Abtastung eines gegebenen Volu mens und zum anderen darin, daß die Lage und der Abstand der zu rekonstruierenden Bilder von Körperschichten eines Unter suchungsobjektes unabhängig von der Messung der Spiralschwä chungswerte, d. h. auch noch nach der Messung der Spiral schwächungswerte, gewählt werden können. Da bei der Spi ralcomputertomographie, wie bereits erwähnt, die Spiraldaten zu verschiedenen z-Positionen anfallen und die bekannten Re konstruktionsalgorithmen zur Bildberechnung jedoch im allgemeinen nur mit Schwächungswerten arbeiten, welche bei einer konstanten z-Position des Meßsystems angefallen sind, müssen mit Hilfe sogenannter Spiralalgorithmen vor der eigentlichen Bildrekonstruktion aus den Spiralschwächungswerten Schwä chungswerte, welche einer ebenen Körperschicht des Untersu chungsobjektes entsprechen, erzeugt werden.

Die bisher entwickelten Spiralalgorithmen sind entweder In terpolationsverfahren oder Gewichtungsverfahren. Die Inter polationsverfahren berechnen Schwächungswerte für einen ebe nen Datensatz im allgemeinen aus Spiralschwächungswerten vor der gewünschten Bildebene, bezüglich der ein Bild der ent sprechenden Körperschicht eines Untersuchungsobjektes rekon struiert werden soll, und Spiralschwächungswerten hinter der gewünschten Bildebene. Die Gewichtsverfahren lassen sich in der Regel durch Umsortieren von Rechenschritten aus Interpo lationsverfahren herleiten.

In der US 5,513,236 ist ein Verfahren zur Bildrekonstruktion unter Verwendung von bei einem Doppelstrahl-Spiralscan gewon nen Spiralschwächungswerten beschrieben. Die mit zwei ver schiedenen Detektoreinrichtungen gemessenen Spiralschwä chungswerte werden in Abhängigkeit von der Tischgeschwindig keit und dem Abstand der Detektoreinrichtungen voneinander mit unterschiedlichen Faktoren gewichtet und zur Gewinnung eines Schnittbildes einander überlagert.

Bildqualitätswirksam im rekonstruierten Bild einer ebenen Körperschicht eines Untersuchungsobjektes werden Spiralalgo rithmen vor allem durch ihren Einfluß auf die Rauschamplitude und das Schichtempfindlichkeitsprofil, welches angibt, mit welchem Kontrast ein in Schichtdickenrichtung extrem dünnes Objektdetail in Abhängigkeit von seiner Lage längs einer zur Systemachse (vgl. Fig. 1 Drehachse A) parallelen Achse in ei nem rekonstruierten Bild abgebildet wird. Während das Rau schen je nach Spiralalgorithmus größer oder kleiner sein kann als bei einer konventionellen Aufnahme wird das Schichtempfindlichkeitsprofil in der Regel breiter als bei einer kon ventionellen Aufnahme. Fig. 2 stellt hierzu bei einer Schicht einblendung d die Verbreiterung des Schichtempfindlichkeits profils E_s dem idealen rechteckförmigen Schichtempfindlich keitsprofil E_i gegenüber, wobei die relative Empfindlichkeit über der Position des Meßsystems dargestellt ist. Ein von ei nem Brennfleck 13 ausgehendes Röntgenstrahlenbündel 4 wird dabei mit Hilfe zweier Blenden 14 auf einen Detektor 15 ein geblendet. Es wird also deutlich, daß man neben der Schicht dicke auch den Verlauf des Schichtempfindlichkeitsprofils zur Beurteilung der Bildqualität eines CT-Systems benötigt, wobei gilt: Je steiler die Flanken des Schichtempfindlichkeitspro fils verlaufen, desto geringer wird der Beitrag der Nachbar schicht zum rekonstruierten Bild einer gewünschten Körper schicht des Untersuchungsobjektes und das Auftreten von soge nannten Teilvolumenartefakten im Bild, welche in der Folge noch erläutert werden, durch am Rande der Schicht erfaßte Ob jektdetails sein. Die bisher bekannten Verfahren (vgl. Willy A. Kalender, Principles and Performance of Spiral CT. In L. W. Goldman and J. B. Fowlkes, editors, MEDICAL CT and ULTRASOUND: Current Technology and Applications, pages 379-410. Advanced Medical Publishing, 1995) unterscheiden sich dabei im wesentlichen durch den Abstand der Interpolationspartner und die Art der Interpolationsfunktion. In der Praxis haben diese Verfahren jedoch einige Nachteile, wodurch die vorstehend genannten Vorteile der Spiralcomputertomographie nicht voll zum Tragen kommen.

Ragen beispielsweise einige hochkontrastige Objekte oder Tei le derselben, z. B. Knochen, nur teilweise in die Meßschicht, entsteht ein sogenannter Teilvolumenartefakt, welcher sich in einer Veränderung der Spiralschwächungswerte des Objektteils und seiner Umgebung äußert, wobei auch die Objektkontur ver ändert werden kann. Dieser Artefakt ist desto häufiger, je breiter die Dicke der zur Messung benutzten Schicht ist. Eine Reduktion der Schichtbreite reduziert zwar das Auftreten des Artefaktes, erhöht aber zugleich die Rauschamplitude.

Des weiteren haben die bisher bekannten Spiralalgorithmen die Eigenschaft, die Rauschamplitude sowohl innerhalb eines re konstruierten Bildes als auch bei dreidimensionaler Bildre konstruktion in z-Richtung mehr oder weniger stark inhomogen zu modulieren, was sich sehr störend bei der Bildbetrachtung auswirken und einen Arzt zu Fehlinterpretationen veranlassen kann.

Will man darüber hinaus mit den bisher bekannten Spiralalgo rithmen Teile eines Objektvolumens mit verschiedenen Schicht dicken auswerten, sind dazu jeweils zusätzliche Messungen mit verschiedenen Einstellungen der Blende vor der Röntgenstrah lenquelle, d. h. mit verschiedenen Schichteinblendungen d (vgl. auch Fig. 2) mit der Folge erhöhter Strahlenexposition für das Untersuchungsobjekt notwendig. Das ist besonders un angenehm bei der Berechnung dreidimensionaler Darstellungen von Bereichen eines Untersuchungsobjektes, da es zu einer Anisotropie der Auflösung führt.

Der Versuch, die aufgeführten Nachteile der bisher bekannten Spiralalgorithmen durch Mittelung von Bildern zu beheben, scheitert in der Praxis an den dafür notwendigen hohen Bild berechnungszeiten, welche der Ermittlung von Sofortbildern, d. h. der Bereitstellung der berechneten Bilder unmittelbar nach Beendigung des Meßvorganges entgegenstehen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß das Auftreten von Teilvolumenartefakten, von Rauschinhomogenitäten und Ani sotropien in der Auflösung in rekonstruierten Bildern von Körperschichten eines Untersuchungsobjektes vermieden oder zumindest reduziert wird und die Rechenzeit zur Rekonstruk tion von Bildern verringert wird.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Ver fahren zur Bildrekonstruktion für einen im Spiralbetrieb ar beitenden Computertomographen, aufweisend

a) einen im Betrieb des Computertomographen ein Untersu chungsobjekt aufnehmenden Patientenlagerungstisch,
b) ein im Betrieb des Computertomographen um den Patienten lagerungstisch rotierendes Meßsystem, welches eine Rönt genstrahlenquelle und einen dieser gegenüberliegenden Strahlenempfänger aufweist, wobei im Betrieb des Computer tomographen von der Röntgenstrahlenquelle ein Röntgen strahlenbündel ausgeht, das auf den Strahlenempfänger auftrifft, und
c) eine Recheneinheit zur Auswertung von im Betrieb des Com putertomographen von dem Strahlenempfänger gelieferten Meßsignalen, die Spiralschwächungswerten des Untersu chungsobjektes entsprechen,

welches Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

a) im Betrieb des Computertomographen werden der Patienten lagerungstisch und das Meßsystem relativ zueinander ver stellt, und
b) zur Ermittlung von Schwächungswerten (α, β) für die Re konstruktion von Bildern ebener Körperschichten des Unter suchungsobjektes bei aus Umläufen des Meßsystems um das Untersuchungsobjekt gewonnenen Spiralschwächungswerten S(α, β) wird ausgehend von einem beliebigen Gewichtungs verfahren
(α, β) = g(α, β)S(α + α_r - 0.5α_G, β) (1)
das Gewichtungsverfahren

mit
(α, β) gewichteter Spiralschwächungswert = Spiralschwä chungswert einer ebenen Körperschicht
S(α, β) Spiralschwächungswert
g(α, β) Spiralgewicht
α ∈ [0; α_W

] Projektionswinkel
α_w

= α_G

+ (N_s

- 1)α_s

maximaler Projektionswinkel
α_G

verfahrensabhängiger maximaler Projektionswinkel
β Fächerwinkel
α_r

Projektionswinkel der Referenzprojektion, deren Position bezüglich der Bewegungsrichtung des Patientenlagerungstisches die Lage der Bildebene des gewichteten Datensatzes von Spiralschwächungswerten angibt,
N_s

Anzahl der Überlagerungen
α_s

= 2π(Δz_s

/z_u

) Abstand der Überlagerungen
Δz_s

Bildabstand der zu rekonstruierenden Bilder
z_u

Tischvorschub pro Umlauf des Meßsystems
g_k

Stärke des k-ten Überlagerungsbeitrages

angewendet. Durch die Einführung der zusätzlichen Freiheits grade, Anzahl der Überlagerungen N_s, Abstand der Überlagerun gen α_s und Stärke des k-ten Überlagerungsbeitrages g_k wird ein Spiralalgorithmus generiert, der die beschriebenen Nach teile der bisher bekannten Spiralalgorithmen vermeidet oder zumindest reduziert. Mit dem durch Gleichung 2 charakteri sierten Spiralalgorithmus ist gegenüber dem bisherigen Stand der Technik des weiteren der Vorteil verbunden, daß dadurch, daß die Berechnung auf Rohdaten (Meßdaten) operiert, nur so viele Bilder von Körperschichten eines Untersuchungsobjektes rekonstruiert werden, wie der Arzt zur Diagnose benötigt. Das reduziert die Rechenzeit für derartige Überlagerungsbilder gegenüber einer herkömmlichen Überlagerung von Bildern, welche in der ebenen Spiralcomputertomographie häufig notwendig ist, damit der Arzt Details in den Schichtbildern eines Untersuchungsobjektes sicher erkennen kann, um den Faktor N_S. Weiterhin entsteht ein Zeitvorteil dadurch, daß wegen der großen effektiven Schichtdicken des erfindungsgemäßen Überlagerungsverfahrens zur Abdeckung eines bestimmten Objektvolumens im Vergleich zu Spiralbildern konventioneller Verfahren mit kleinen Schichtdicken deutlich weniger Bilder benötigt werden. Die Befundung durch den Arzt nimmt also entsprechend weniger Zeit in Anspruch und auch der Dokumentationsaufwand wird reduziert. Wählt man beispielswei se für einen aus Willy A. Kalender, Principles and Performance of Spiral CT. In L. W. Goldman and J. B. Fowlkes, editors, MEDICAL CT and ULTRASOUND: Current Technology and Applications, pages 379-410. Advanced Medical Publishing, 1995, an sich bekannten Interpolationsalgorithmus mit der Bezeichnung 180LI (180° lineare Interpolation), welcher zur Interpolation Daten verwendet, welche an sich 180° gegenüberliegenden Positionen eines aus einer Röntgen strahlenquelle und einem Strahlenempfänger gebildeten Meßsystems gemessen werden, N_S = 4, α_s = π und g₁ = g₂ = g₃ = g₄ = 0.25, dann reduziert sich die Rechenzeit und die Anzahl der Bilder zur Abdeckung eines vorgegebenen Volumens nach dem erfindungsge mäßen Verfahren etwa um den Faktor 4 gegenüber den Spiralein zelbildern kleiner Schichtdicke.

Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht die Wahl folgender Parameter vor:
Anzahl der Überlagerungen: N_s = 2,
Abstand der Überlagerungen: α_s = π und
Stärke des k-ten Überlagerungsbeitrages: g₁ = g₂ = 0.5

Die Bildrekonstruktion erfolgt also unter Anwendung des Ver fahrens

(α, β) = 0.5[g(α, β) + g(α - π, β)].S(α + α_r - 0.5π - 0.5α_G, β) (3)

mit α ∈ [0; α_G + π].

Bei diesem Überlagerungsverfahren ist die räumliche Modula tion der Rauschamplitude, d. h. die Rauschinhomogenität, in rekonstruierten Bildern von Körperschicht eines Untersu chungsobjektes gegenüber dem Ausgangsverfahren nach Gleichung 1 deutlich reduziert.

Eine weitere Variante der Erfindung sieht die Wahl folgender Parameter vor:
Anzahl der Überlagerungen: N_s = 4,
Abstand der Überlagerungen: α_s = π d_eff/z_u und
Stärke des k-ten Überlagerungsbeitrages: g₁ = g₂ = g₃ = g₄ = 0.25

Die Bildrekonstruktion erfolgt dann unter Verwendung des Ver fahrens

mit
α ∈ [0; α_W = α_G+ 3α_s] Projektionswinkel
d_eff effektive Schichtdicke eines beliebigen Gewichtungsverfahrens als Ausgangs verfahrens
z_u Tischvorschub pro Umlauf des Röntgen strahlenbündels.

In diesem Fall sind Teilvolumenartefakte in rekonstruierten Bildern von Körperschichten eines Untersuchungsobjektes redu ziert. Dabei ist d_eff die effektive Schichtdicke (Halbwerts breite), also die Breite des Schichtempfindlichkeitsprofils bei der Hälfte des Maximalwertes, beispielsweise des Aus gangsverfahrens nach Gleichung 1 und z_u der Tischvorschub des Patientenlagerungstisches pro Umlauf des Meßsystems um das Untersuchungsobjekt. Dieses Überlagerungsverfahren erreicht die geringe Artefaktamplitude einer Messung mit einer kleinen Schichteinblendung d zusammen mit der kleinen Rauschamplitude eines Verfahrens mit doppelt so großer Schichteinblendung, was eine deutliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Verfahren darstellt. Darüber hinaus reduziert auch dieses Verfahren die Inhomogenität der Rauschamplitude.

Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens weist den zusätzlichen Verfahrensschritt auf, daß eine Akkumulation gewichteter Spiralschwächungswerte (α, β) gemäß

mit
α ∈ [0; 2π] und
N(α) = ceil[(α_w - α)/(2π)], wobei ceil(x) die kleinste ganze Zahl größer als x ist,
erfolgt. Dadurch besteht die Möglichkeit die Zeit für die Bildberechnung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf die Bildrechenzeit eines ebenen 360°-Bildes einer Körperschicht eines Untersuchungsobjektes zu reduzieren, wobei der Projek tionswinkel α nur von 0 bis 2π läuft. Es sind dann die Schwächungswerte (α, β), die im Laufe der Bildrekonstruktion den nachfolgenden mathematischen Operationen der Faltung und der Rückprojektion zugeführt werden.

Ein Computertomograph zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens arbeitet im Spiralbetrieb und weist eine Rechen einheit auf, die bei der Bildrekonstruktion nach einem der erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, wobei die Parameter An zahl der Überlagerungen N_s, Abstand der Überlagerungen α_s und Stärke des k-ten Überlagerungsbeitrages g_k unabhängig vonein ander einstellbar sind. Durch Variation der Parameter Anzahl der Überlagerungen N_S, Abstand der Überlagerungen α_s und Stärke des k-ten Überlagerungsbeitrages g_k kann bei spielsweise die Rauschamplitude unabhängig von den gemessenen Spiralschwächungswerten in den zu rekonstruierenden Bildern von Körperschichten eines Untersuchungsobjektes eingestellt werden. Des weiteren kann die zu einer Schichteinblendung d (vgl. auch Fig. 2) gehörige effektive Schichtdicke d_eff unab hängig von den gemessenen Spiralschwächungswerten in den zu rekonstruierenden Bildern eingestellt werden. Dies ist von besonderer Bedeutung im Zusammenhang mit dreidimensionalen Rekonstruktionen von Schichtbildern eines Untersuchungsobjek tes und bei der Umrechnung auf geneigte Ebenen. Denn sie ge stattet es, die Bildauflösung in axialer Richtung (z-Rich tung) der Bildauflösung in der Bildebene, d. h. der Ebene der Körperschicht anzupassen. Hierzu muß man nur das für einen gegebenen Rekonstruktionskern geeignet parametrierte Überla gerungsverfahren anwenden, wodurch eine dreidimensionale Isotropie der Bildauflösung erreicht wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Computertomographen zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Überlagerungsverfahrens,

Fig. 2 in schematischer Darstellung die Erzeugung eines mög lichst rechteckförmigen Schichtempfindlichkeitspro fils durch geeignete detektornahe Einblendung des Röntgenstrahlenbündels und die Verbreiterung des Schichtempfindlichkeitsprofils bei der Spiral-CT,

Fig. 3 den Abstand Δz_s rekonstruierter Bilder von Körper schichten eines Patienten in axialer Richtung (z- Richtung),

Fig. 4 ein Beispiel des erfindungsgemäßen Überlagerungsver fahrens mit Überlagerungen von N_S = 3 Spiralgewich ten,

Fig. 5 in schematischer Darstellung die Reduktion der Rau schinhomogenität in einem zu rekonstruierenden Bild nach einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, und

Fig. 6 ein Beispiel zur Reduktion der Rechenzeit bei Akku mulation gewichteter Spiralschwächungswerte.

Fig. 1 zeigt einen Computertomographen 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Schwächungs werten (α, β), welche einer ebenen Körperschicht (vgl. x-y- Ebene des in Fig. 1 eingetragenen kartesischen Koordinatensy stems) eines zu untersuchenden Patienten P entsprechen, aus gemessenen Spiralschwächungswerten S(α, β). Der Computertomo graph 1 weist ein Meßsystem aus einer Röntgenstrahlenquelle 3, die ein fächerförmiges Röntgenstrahlenbündel 4 aussendet, und einem Strahlenempfänger 5 auf, welcher aus einer Reihe von Einzeldetektoren besteht. Der Fokus der Röntgenstrahlen quelle 3, von dem das Röntgenstrahlenbündel 4 ausgeht, ist mit 2 bezeichnet. Der zu untersuchende Patient P liegt auf einem Patientenlagerungstisch 6.

Zur Durchführung einer radiologischen Untersuchung des Pa tienten P rotiert das Meßsystem 3, 5 um ein Meßfeld 10, in dem der Patient P liegt. Ein Motor 12 treibt hierzu den Dreh tisch 11 an. Die Drehachse, welche im wesentlichen in z- Richtung des in Fig. 1 eingetragenen kartesischen Koordinaten systems verläuft, steht im wesentlichen rechtwinklig zu dem fächerförmigen Röntgenstrahlenbündel 4 und ist mit A bezeich net. Während einer radiologischen Untersuchung bewegt sich der Patientenlagerungstisch 6 mit dem auf ihm gelagerten Pa tienten P in der Regel kontinuierlich mit konstantem Tisch vorschub z_u in z-Richtung des in Fig. 1 eingetragenen Koordi natensystems. Aufgrund der Relativbewegung des Patienten lagerungstisches 6 zu dem radiologischen Meßsystem 3, 5, wel ches sich im wesentlichen in der x-y-Ebene des in Fig. 1 ein getragenen kartesischen Koordinatensystems bewegt, erhält man eine kontinuierliche spiralförmige Scanbewegung des radiolo gischen Meßsystems 3, 5 um den Patienten P, wobei die Rönt genstrahlenquelle 3, die von einem Röntgengenerator 7 ge speist wird, während der Scanbewegung mit Dauerstrahlung be trieben wird. Auf diese Weise werden Projektionen (Schwä chungsprofile) von Schichten des Patienten P aufgenommen, wobei die zugehörigen Datensätze der Meßdaten (Spiralschwä chungswerte) vom Strahlenempfänger 5 einer Recheneinheit 8 zugeführt werden, welche die Datensätze zwischenspeichert und auswertet. Aus den in einem Spiralscan, d. h. in einer schnellen Volumenabtastung des Patienten P, mit dem Computer tomographen 1 gemessenen und in der Recheneinheit 8 zwi schengespeicherten Spiralschwächungswerte S(α, β), werden in der Recheneinheit 8 Schwächungswerte (α, β) ebener Körper schichten des Patienten P nach dem erfindungsgemäßen Verfah ren ermittelt, welche im Rahmen der Bildrekonstruktion von Körperschichten eines Patienten P in an sich bekannter Weise der Faltung und der Rückprojektion zugeführt werden. In der Recheneinheit 8 werden schließlich aus den erzeugten Datensätzen die Schwächungskoeffizienten vorbestimmter Bildpunkte berechnet und auf einem Monitor 9 bildlich wiedergegeben. Auf dem Monitor 9 erscheint demgemäß ein Bild der durchstrahlten Schicht des Patienten P.

Zur Berechnung von Schwächungswerten (α, β) einer ebenen Körperschicht aus Spiralschwächungswerten S(α, β) wird von ei nem beliebigen Gewichtungsverfahren nach Gleichung 1 ausge gangen

S(α, β) = g(α, β)S(α + α_r- 0.5α_G, β). (1)

Dabei ist S(α, β) der Spiralschwächungswert in dem Kanal mit dem Fächerwinkel β der Projektion mit dem Projektionswinkel α, wobei der Fächerwinkel β bezüglich einer in der Mitte des fächerförmigen Röntgenstrahlenbündels 4 liegenden Linie L, welche nicht notwendigerweise durch ein Detektorelement des Strahlenempfängers 5 verlaufen muß, angegeben wird. g(α, β) ist das Spiralgewicht und (α, β) ist das Resultat der Ge wichtung. Der Projektionswinkel α läuft dabei über ein Win kelintervall von 0 bis zu einem verfahrensabhängigen maxima len Projektionswinkel α_G. Mit α_r ist der Projektionswinkel der Referenzprojektion bezeichnet, deren z-Position (vgl. Fig. 3 z_r) die Lage der Bildebene des gewichteten Datensatzes von Spiralschwächungswerten (α, β) bestimmt. Als Beispiel für ein Spiralgewicht g(α, β) ist das bereits erwähnte Verfahren 180LI mit

angeführt. Das Pluszeichen in Gleichung 6 gilt für α < π + β_F, das Minuszeichen für α ≧ π + β_F, wobei β_F der volle Fä cherwinkel und α_G = 2(π + β_F) der maximale Projektionswinkel für das Verfahren 180LI ist.

Während bei an sich bekannten Verfahren jeweils nur ein Spi ralgewicht berücksichtigt wird, erfolgt nach dem erfindungs gemäßen Verfahren eine Überlagerung mehrerer Spiralgewichte. Man erhält daher die zusätzlichen Parameter Anzahl der Über lagerungen N_S, Abstand der Überlagerungen α_S und Stärke des k-ten Überlagerungsbeitrages g_k. Somit gilt, ausgehend von einem beliebigen Gewichtungsverfahren nach Gleichung 1, für den allgemeinsten Fall des erfindungsgemäßen Überlagerungs verfahrens

Fig. 4 zeigt ein Beispiel des erfindungsgemäßen Überlagerungs verfahrens nach Gleichung 2 mit N_S = 3 überlagerten Spiralge wichten g(α, β). α_r ist dabei, wie im Falle des beliebigen Ge wichtungsverfahrens, der Projektionswinkel der Referenzpro jektion, deren z-Position (vgl. Fig. 3 z_r) die Lage der Bild ebene des gewichteten Datensatzes von Spiralschwächungswerten (α, β) angibt. Der Projektionswinkel α läuft nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren im vorliegenden Fall von 0 bis α_W = α_G + 2α_S, wobei in diesem Winkelintervall kontinuierlich Projektionen von Körperschichten des Patienten P aufgenommen werden. Der Abstand der Überlagerungen α_S ist dabei je nach Berechnungsfall frei wählbar und berechnet sich nach 2π Δz_s/z_u, wobei Δz_s der Bildabstand der zu rekonstruierenden Bilder und z_u der Tischvorschub des Patientenlagerungstisches pro Umlauf des Meßsystems 3, 5 um die Drehachse A bzw. den Patienten P in z-Richtung des in Fig. 1 eingetragenen Koordi natensystems ist. Den Spiralgewichten g(α, β) werden im übri gen mittels der Überlagerungsbeiträge g_k unterschiedliche re lative Gewichte zugewiesen, wobei die Summe über die Überla gerungsbeiträge g_k gleich eins ist. Zur Berechnung von Schwä chungswerten (α, β) einer ebenen Körperschicht des Patienten P an der z-Position z_r werden alle in den zwei um den Projek tionswinkel der Referenzprojektion α_r symmetrisch liegenden Winkelintervallen [α_r - 0.5α_W; α_r] und [α_r; α_r + 0.5α_W] gemessenen Spiralschwächungswerte S(α, β) herangezogen, wobei jeder Spi ralschwächungswert S(α, β) mit im vorliegenden Fall drei über lagerten Spiralgewichten g(α, β) gewichtet wird, welche den Abstand α_S voneinander aufweisen. Die Überlagerungsbeiträge g₁ bis g₃ der drei überlagerten Spiralgewichte g(α, β) besitzen im vorliegenden Fall jeweils den Wert 1/3, so daß insgesamt gilt

Die Überlagerungsbeiträge g₁ bis g₃ müssen im übrigen nicht alle den gleichen Wert aufweisen, sondern können auch andere Werte als 1/3 annehmen, wobei, wie erwähnt, die Summe der Überlagerungsbeiträge gleich eins sein muß.

Ausgehend von dem allgemeinen erfindungsgemäßen Überlage rungsverfahren nach Gleichung 2 gibt es verschiedene Ausprä gungen, welche durch verschiedene Wahl der Parameter Anzahl der Überlagerungen, Abstand der Überlagerungen und Stärke des k-ten Überlagerungsbeitrages spezielle Eigenschäften aufwei sen und zu anderen Bildergebnissen führen.

Wählt man beispielsweise die Anzahl der Überlagerungen N_S = 2, den Abstand der Überlagerungen α_S = π und die Stärke des k-ten Überlagerungsbeitrages g₁ = g₂ = 0.5 erhält man das Verfahren

(α, β) = 0.5[g(α, β) + g(α - π, β)].S(α + α_r - 0.5π - 0.5α_G, β), (3)

bei dem die räumliche Modulation der Rauschamplitude gegen über dem Ausgangsverfahren nach Gleichung 1 deutlich redu ziert ist. Geht man beispielsweise, wie in Fig. 5 schematisch veranschaulicht ist, davon aus, daß die Rauschamplitude (RA) bei der Aufnahme von Spiralschwächungswerten bei der Position a der Strahlungsquelle 3 in einem kreisförmigen Bereich B mit dem Radius r, welcher den Abstand R vom Mittelpunkt M des be trachteten Meßfeldes 10 besitzt, hoch (RAH(a)) ist und in einem kreisförmigen Bereich C, welcher ebenfalls den Radius r besitzt, und welcher ebenfalls den Abstand R vom Mittelpunkt des betrachteten Meßfeldes 10 besitzt, niedrig (RAN(a)) ist, wobei die Mittelpunkte der kreisförmigen Bereiche B und C auf einer gemeinsamen Verbindungslinie liegen, welche durch den Mittelpunkt M des Meßfeldes 10 verläuft, so verhält es sich bei einer Drehung der Strahlungsquelle 3 um α_S = π, so daß sich die Strahlungsquelle 3 bei Position b befindet, gerade umge kehrt (B = RAN(b), C = RAH(b)). Überlagert man folglich bei der Ermittlung der Schwächungswerte (α, β) einer ebenen Körper schicht eines Patienten P, die in den Positionen a und b der Strahlungsquelle 3 gemessenen Spiralschwächungswerte S(α, β) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Gleichung 3 redu ziert sich die räumliche Modulation der Rauschamplitude, so daß die Rauschinhomogenität in dem rekonstruierten Bild redu ziert ist.

Des weiteren läßt sich durch entsprechende Wahl der Parameter Anzahl der Überlagerungen N_S, Abstand der Überlagerungen α_S und Stärke des k-ten Überlagerungsbeitrages g_k gemäß dem er findungsgemäßen Überlagerungsverfahren die Rauschamplitude im zu rekonstruierenden Bild unabhängig von der Messung der Spi ralschwächungswerte S(α, β) einstellen. Wählt man beispiels weise N_S = 2, α_S = 2π.ξ (0 ≦ ξ ≦ 0.5) und g₁ = g₂ = 0.5, dann erhält man das Verfahren

(α, β) = 0.5[g(α, β) + g(α - 2πξ, β)]S(α + α_r - ξπ - 0.5α_G, β), (8)

wobei der Projektionswinkel α von 0 bis α_W = α_G + 2π.ξ, läuft. Mit dem Parameter ξ kann dann die Rauschamplitude variiert wer den. Wenn beispielsweise ein ebenes Referenzbild einer Kör perschicht des Patienten P, d. h. ein Bild einer Körper schicht, welches aus bei einer konstanten z-Position des Meß system 3, 5 gemessenen Schwächungswerten ermittelt wurde, die Rauschamplitude σ₀ besitzt, dann führt das Überlagerungsver fahren nach Gleichung 8 unter Verwendung des Beispiels 180LI zu einer Rauschamplitude

Wählt man dabei den Parameter ξ nach Gleichung 10 zu

ist die Rauschamplitude im rekonstruierten Bild der Körper schicht des Patienten P unter Verwendung des Überlagerungs verfahrens nach Gleichung 8 genauso groß wie in dem Referenz bild. Dabei wird als Referenzbild ein Bild bezeichnet, für dessen Messung und Berechnung bei gleichem Objekt (Patient P) gleiche Werte für die Schichteinblendung d, für Filterung, Röhrenspannung, Röhrenstrom, Zoom, Bildzentrum und Re konstruktionskern wie im rekonstruierten Bild unter Verwen dung von Gleichung 8 benutzt wurden.

Weiterhin kann durch entsprechende Wahl der Parameter, Anzahl der Überlagerungen N_S, Abstand der Überlagerungen α_S, und Stärke des k-ten Überlagerungsbeitrages g_k die zu einer Schichteinblendung d gehörige effektive Schichtdicke d_eff un abhängig von den gemessenen Spiralschwächungswerten S(α, β) in den zu rekonstruierenden Bildern eingestellt werden. Wählt man wie im vorstehend beschriebenen Fall wieder N_S = 2, α_S = 2π.ξ (0 ≦ ξ ≦ 0.5) und g₁ = g₂ = 0.5, dann führt dieses Überlagerungs verfahren nach Gleichung 8 im Falle des Beispiels 180LI bei einem Tischvorschub z_u = d entsprechend der Schichteinblendung d (vgl. Fig. 2) zu einer effektiven Schichtdicke

In diesem Fall kann durch Variation des Parameters ξ die ef fektive Schichtdicke d_eff variiert werden. Wie erwähnt ist dies von besonderem Interesse im Zusammenhang mit der Rekonstruktion dreidimensionaler Bilder und bei der Umrechnung auf geneigte Ebenen, da es dadurch möglich ist, die Auflösung der Bilder in axialer Richtung (z-Richtung) der Auflösung der Bilder in der Bildebene (x-y-Ebene) anzupassen.

Treten in den rekonstruierten Bildern aus Spiralschwächungs werten Teilvolumenartefakte auf, dann erweist sich ein Ver fahren mit N_S = 4, α_S = π.d_eff/z_u und g₁ = g₂ = g₃ = g₄ = 0.25 als besonders günstig,

wobei der Projektionswinkel α von 0 bis α_W = α_G + 3α_s läuft. Dabei ist d_eff die effektive Schichtdicke des Ausgangsverfahrens gemäß Gleichung 1 und z_u der Tischvorschub pro Umlauf des Meßsystems 3, 5 um die Drehachse A bzw. den Patienten P. Dieses Verfahren erreicht, wie bereits erwähnt, die geringe Artefaktamplitude einer Messung mit einer kleinen Schichtein blendung d zusammen mit der kleinen Rauschamplitude eines Verfahrens mit doppelt so großer Schichteinblendung. Darüber hinaus reduziert sich auch die Inhomogenität der Rauschampli tude. Die Anwendung des Beispiels 180LI auf dieses Überlage rungsverfahren führt gegenüber dem bereits erwähnten Refe renzbild mit der Rauschamplitude σ₀ zu einer Rauschamplitude von

wobei p (Pitch) der dimensionslose Tischvorschub ist.

Bei einem Tischvorschub z_u = p.d beträgt die effektive Schichtdicke bei diesem Beispiel etwa

Im übrigen kann in Anlehnung an das erfindungsgemäße Verfahr en die Zeit für die Bildberechnung auf die Bildrechenzeit ei nes normalen 360°-Bildes einer Körperschicht eines Patienten P reduziert werden, wenn die gewichteten Schwächungswerte ge mäß Gleichung 5

mit N(α) = ceil[(α_W - α)/(2π)](ceil(x) ist die kleinste Zahl größer als x) akkumuliert werden. Hierbei läuft der Projek tionswinkel α nur von 0 bis 2π. Es sind dann die Schwächungs werte (α, β), die im Rahmen der Bildrekonstruktion den wei teren mathematischen Operationen der Faltung und der Rückpro jektion zugeführt werden. Fig. 6 veranschaulicht ein Beispiel zur Reduktion der Rechenzeit bei Akkumulation gewichteter Spiralschwächungswerte mit N_S = 3. Wegen α_W = 7π ist offenbar N(α) = 4 für 0 ≦ α < π bzw. N(α) = 3 für π ≦ α < 2π. Im vorlie genden Fall werden also jeweils vier bzw. drei Schwächungs werte, welche aus Spiralschwächungswerten ermittelt wurden, zu je einem neuen Schwächungswert (α, β) aufsummiert, welche anschließend der Faltung und der Rückprojektion zugeführt werden, so daß sich die Bildberechnungszeit auf die Bildre chenzeit eines normalen 360°-Bildes einer Körperschicht eines Patienten P reduziert.

Es zeigt sich also, daß aufgrund des erfindungsgemäßen Über lagerungsverfahrens die Strahlenexposition und die Verweil dauer von Patienten für verschiedene Anwendungsfälle in der Spiralcomputertomographie, die mit den bisherigen Spiralalgo rithmen nicht möglich sind, reduziert werden können. So be steht beispielsweise bei Fragestellungen, für deren Klärung unterschiedlich breite Schichtempfindlichkeitsprofile nötig sind (z. B. Weichteil- und Knochendiagnostik im gleichen Vo lumen) die Möglichkeit, die Knochendiagnostik mit Bildern des Ausgangsverfahrens nach Gleichung 1 zu machen. An Bildern, die aus dem gleichen Datensatz mit dem Verfahren N_S = 4, α_S = π.d_eff/z_u und g₁ bis g₄ = 0.25 berechnet wurden, kann dann die Weichteildiagnostik betrieben werden. Der Patient profitiert dadurch, daß er nicht der Strahlung einer zweiten Messung bei größerer Schichtdicke ausgesetzt wird und daß er nicht die Zeitdauer einer zweiten Messung auf der Liege verbleiben muß.

Des weiteren ergibt sich ein Zeitvorteil dann, wenn in an einandergrenzenden Volumenteilen unterschiedlich breite Schichtempfindlichkeitsprofile nötig sind. Dann kann die Auf nahme durch das ganze Volumen mit einer einzigen (dünnen) Schicht durchgeführt werden, wobei bei der Bildberechnung dann für das jeweilige Volumenteil geeignete effektive Schichtdicken gewählt werden.

Claims

1. Verfahren zur Bildrekonstruktion für einen im Spiralbe trieb arbeitenden Computertomographen (1), aufweisend

a) einen im Betrieb des Computertomographen (1) ein Untersu chungsobjekt (P) aufnehmenden Patientenlagerungstisch (6),
b) ein im Betrieb des Computertomographen (1) um den Pati entenlagerungstisch (6) rotierendes Meßsystem, welches eine Röntgenstrahlenquelle (3) und einen dieser gegenüber liegenden Strahlenempfänger (5) aufweist, wobei im Betrieb des Computertomographen (1) von der Röntgenstrahlenquelle (3) ein Röntgenstrahlenbündel (4) ausgeht, das auf den Strahlenempfänger (5) auftrifft, und
c) eine Recheneinheit (8) zur Auswertung von im Betrieb des Computertomographen (1) von dem Strahlenempfänger (5) ge lieferten Meßsignalen, die Spiralschwächungswerten S(α, β) des Untersuchungsobjektes (P) entsprechen,

welches Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

a) im Betrieb des Computertomographen (1) werden der Patien tenlagerungstisch (6) und das Meßsystem (3, 5) relativ zu einander verstellt, und
b) zur Ermittlung von Schwächungswerten (α, β) für die Re konstruktion von Bildern ebener Körperschichten des Unter suchungsobjektes (P) bei aus Umläufen des Meßsystems (3, 5) um das Untersuchungsobjekt (P) gewonnenen Spiralschwä chungswerten S(α, β) wird das Gewichtungsverfahren

mit
(α, β) gewichteter Spiralschwächungswert = Schwächungs wert einer ebenen Körperschicht
S(α, β) Spiralschwächungswert
g(α, β) Spiralgewicht
α ∈ [0; α_W] Projektionswinkel
α_w = α_G + (N_s - 1)α_s maximaler Projektionswinkel
α_G verfahrensabhängiger maximaler Projektionswinkel
β Fächerwinkel
α_r Projektionswinkel der Referenzprojektion, deren Position bezüglich der Bewegungsrichtung des Patientenlagerungstisches die Lage der Bildebene des gewichteten Datensatzes von Spiralschwächungswerten angibt,
N_s Anzahl der Überlagerungen
α_s = 2π(Δz_s/z_u) Abstand der Überlagerungen
Δz_s Bildabstand der zu rekonstruierenden Bilder
z_uTischvorschub pro Umlauf des Meßsystems (3, 5)
g_k Stärke des k-ten Überlagerungsbeitrages
angewendet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem gilt:
Anzahl der Überlagerungen: N_s = 2,
Abstand der Überlagerungen: α_s = π und
Stärke des k-ten Überlagerungsbeitrages: g₁ = g₂ = 0.5.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem gilt:
Anzahl der Überlagerungen: N_s = 4,
Abstand der Überlagerungen: α_s = πd_eff/z_u und
Stärke des k-ten Überlagerungsbeitrages: g₁ = g₂ = g₃ = g₄ = 0.25
mit d_eff effektive Schichtdicke eines beliebigen Gewich tungsverfahrens als Ausgangsverfahren.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, aufweisend den Verfahrensschritt, daß eine Akkumulation gewichteter Spiral schwächungswerte (α, β) gemäß
mit
α ∈ [0; 2π] und
N(α) = ceil[(α_W - α)/(2π)], wobei ceil(x) die kleinste ganze Zahl größer als x ist,
erfolgt.

5. Computertomograph, welcher im Spiralbetrieb arbeitet und welcher eine elektronische Recheneinheit (8) aufweist, die bei der Bildrekonstruktion nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 arbeitet.

6. Computertomograph nach Anspruch 5, bei welchem die Parame ter Anzahl der Überlagerungen N_s, Abstand der Überlagerungen α_s und Stärke des k-ten Überlagerungsbeitrages g_k unabhängig voneinander einstellbar sind.