DE19826043A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abtasten und Datenerfasen für dreidimensionale computerisierte tomographische Abbildung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

In letzter Zeit wurde ein die Geometrie eines konusförmigen Strahlenbündels verwendendes System für dreidimensionale (3D) Abbildung entwickelt, welches eine Röntgenstrahlungsquelle mit konischem Strahlenbündel und einen zweidimensionalen (2D) Flächendetektor umfaßt. Ein abzubildendes Objekt wird vor­ zugsweise über einen Winkelbereich von 360° entweder durch Bewegung der Röntgenstrahlungsquelle auf einer Abtastbahn um das Objekt oder durch Drehen des Objekts abgetastet, während die Strahlungsquelle stehen bleibt. In beiden Fällen ist der Flächendetektor bezüglich der Strahlenquelle fest, und eine Relativbewegung zwischen der Strahlungsquelle und dem Objekt bewirkt die Abtastung (Bestrahlung des Objekts durch die Energie des Konusstrahlenbündels). Die Lösung mit dem Konus­ strahlenbündel ist in der Lage, eine 3D-Abbildung sowohl bei medizinischen als auch industriellen Anwendungen sowohl schnell als auch mit einer verbesserten Dosisausnützung zu erzielen.

Der für die 3D-Abbildung verwendete 2D-Flächendetektor weist Detektorelemente auf, die in einer 2D-Anordnung von Zeilen und Spalten angeordnet sind. Zur Verfügung stehende Flächen­ detektoren besitzen gewöhnlich große Abmessungen und geringe Qualität, wie sie bei Röntgenbildverstärkern verwendet wer­ den, oder kleine Abmessungen und hohe Qualität. Hohe Kosten und andere Faktoren machen großflächige Detektoren mit 2D-An­ ordnung mit hoher Qualität und hoher Auflösung im allgemei­ nen unverfügbar. In US 5 390 112, auf die hier Bezug genommen wird, ist ein computerisiertes tomographisches (CT) System mit konischem Strahlenbündel beschrieben, in welchem eine Röntgenstrahlungsquelle, die eine spiralige Abtastbahn ver­ folgt, zur Abbildung eines verhältnismäßig langen Objekts verwendet wird, wobei der Röntgenstrahlendetektor viel kürzer ist als das Objekt. Die einzige Anforderung an die Höhe des Detektors besteht darin, daß er länger ist als der Abstand zwischen benachbarten Windungen bei der spiraligen Abtastung der Röntgenstrahlungsquelle. Wenn die Konusstrahlenquelle der Abtastbahn folgt, erfaßt der Detektor viele Sätze von Konusstrahlenbündel-Projektionsdaten, wobei jeder Satz der vom Objekt an jeder der vielen Strahlungsquellen-/Detektor­ stellen längs der Abtastbahn bewirkten Röntgenstrahlenschwä­ chung entspricht.

Die Konusstrahlenbündel-Projektionsdaten werden sodann manipuliert, um ein 3D-Bild des Objektes zu rekonstruieren. Die Manipulierung der Konusstrahlenbündel-Projektionsdaten ist berechnungsmäßig ziemlich komplex und umfaßt:

• 1) Die Umwandlung der Projektionsdaten in abgeleitete Radondaten (Radon derivative data). Dies kann allgemein unter Anwendung des Verfahrens durchgeführt werden, das in US 5 257 183 beschrieben ist und auf das hier Bezug genommen wird;
• 2) die Umwandlung der abgeleiteten Radondaten in Radon­ daten an polaren Gitterpunkten, wobei z. B. das Verfahren angewendet wird, das in US 5 446 776 beschrieben ist, und auf das hier ebenfalls Bezug genommen wird; und
• 3) das Durchführen einer inversen 3D-Radontransformation der Radondaten an den polaren Gitterpunkten unter Anwendung bekannter Verfahren, wie im einzelnen in der erwähnten US 5 257 183 beschrieben, zum Rekonstruieren von Bilddaten, die bei der Zuführung zu einem Display ein 3D CT-Bild des Ob­ jekts ergeben.

Im Hinblick auf die obige berechnungsmäßig komplexe Bildda­ tenverarbeitung ist eine Verringerung der Komplexität er­ wünscht.

US 5 333 164 beschreibt ein Verfahren zur Verringerung des erforderlichen Ausmaßes an Berechnung für die Herstellung eines 3D CT-Konusstrahlenbündelbildes durch eine von vornhe­ rein vorhandene Kenntnis des Aspektverhältnisses des abgebil­ deten Objekts zur Verringerung der Punkte im Radonraum, die abgetastet werden. Obwohl dieses Verfahren die berechnungs­ mäßige Komplexität verringert, ist es erwünscht, die erfor­ derlichen Berechnungen in einer früheren Stufe der Rekon­ struktionsverarbeitung zu reduzieren.

US 5 390 226 beschreibt ein Verfahren zum Reduzieren des erforderlichen Ausmaßes an Berechnung für die Herstellung eines 3D CT-Konusstrahlenbündelbildes, indem versucht wird, diejenigen Konusstrahlenbündel-Schwächungsdaten, die inner­ halb eines ausgewählten Bereichs auf der Oberfläche des Detektors erfaßt werden, der Projektionsdaten entsprechend den mittels Durchgehen durch das Objekt tatsächlich ge­ schwächten Strahlenbündeln erzeugt, für die weitere Verarbei­ tung zurückgehalten werden. So werden unnötige Detektordaten bei der frühestmöglichen Gelegenheit der Bildverarbeitung beseitigt. Das Verfahren nach US 5 390 226, wie es in Fig. 2(b) dieser Druckschrift dargestellt ist, maskiert lediglich die Detektordaten, d. h. es reduziert die Projektionsdaten durch Begrenzung der für die weitere Verarbeitung verwendeten Daten auf diejenigen Daten zwischen einer oberen und unteren Projektion des Objekts am Detektor, d. h. die obere und untere Grenze des "Schattens" des Objekts. Die Projektionsdaten zwischen der linken und rechten Grenze des Objektschattens und die linke und rechte Grenze des Detektors werden nicht so begrenzt und tatsächlich ignoriert, und es wird davon ausge­ gangen, daß sie nicht existieren.

Da ein praktisches CT-Abbildungssystem so ausgelegt ist, daß es ein Objekt mit einer vorgegebenen maximalen Breite abbil­ det, wenn das abgebildete Objekt weniger als die maximale Breite besitzt, ergeben sich bei Anwendung des Verfahrens nach US 5 390 226 keine brauchbaren Projektionsdaten zwischen der linken und rechten Grenze des Objektschattens und der linken und rechten Grenze des Detektors. Es wäre zweckmäßig, wenn Mittel zur tatsächlichen Bestimmung der Breite des Objektschattens zur Verfügung ständen, um die Menge der verarbeiteten Daten richtig zu reduzieren.

Ferner, wenn das abgebildete tatsächliche Objekt nicht sym­ metrisch ist, wie es z. B. bei einem medizinischen Patienten der Fall ist, wenn sich Strahlungsquelle/Detektor auf der Abtastbahn bewegen, ändert sich die Breite des Schattens, was zu einer veränderlichen Schattenbreite führt. Das Verfahren nach US 5 390 226 nimmt eine feste Breite für den Objekt­ schatten an, was erfordert, daß eine maximal zulässige Breite angewendet wird, um die Erzeugung von Bildartefakten zu verhindern.

Durch die Erfindung soll die berechnungsmäßige Komplexität bei der Rekonstruktion des 3D-Konusstrahlenbündels in der frühstmöglichen Stufe der Rekonstruktionsverarbeitung redu­ ziert werden, wobei eine solche Reduktion der Berechnung adaptiv erfolgen soll, um dadurch den Wirkungsgrad der Bild­ rekonstruktionsverarbeitung maximal zu machen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.

Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung werden für jeden Satz von Detektordaten die rechte und linke Grenze der Objektpro­ jektion in einem Vorverarbeitungsschritt bestimmt. Dement­ sprechend werden später bei der Rekonstruktionsverarbeitung nur solche Linienintegrale, die tatsächliche Information enthalten, ausgeführt, wodurch der exakte Algorithmus zur Konusstrahlenbündelrekonstruktion beschleunigt wird.

Insbesondere werden Mittel zur Bestimmung der Fläche am Detektor vorgesehen, die durch die Breite der Objektprojek­ tion überdeckt ist. Auf Grundlage dieser Kenntnis wird jede Integrationslinie geprüft, um festzustellen, ob sie die Projektion des Objekts schneidet. Wenn festgestellt wird, daß das entsprechende Integral keine relevante Information ent­ halten würde, wird diese Linienintegration nicht durchge­ führt.

Ferner wird auch die Wirksamkeit der Berechnung der Linienin­ tegrale, die gültige Objektinformation enthalten, verbessert. Dies ist möglich, indem die Integrationslinie verkürzt und die Projektionsdaten nur über diejenige Länge der Linie integriert werden, die innerhalb der tatsächlichen Projektion des Objekts am Detektor liegt. Je schmaler das abgebildete Objekt ist, desto größer ist die Erhöhung der Effizienz bei der Berechnung der Linienintegrale.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist höchst effizient und verringert die Berechnungen, die für Objekte mit einer Breite erforderlich sind, die geringer ist als die maximale Breite, die abgebildet werden kann. Zusätzlich ist das erfindungsge­ mäße Verfahren für die veränderliche Form der Objektprojek­ tion am Detektor adaptiv, was die Berechnungseffizienz weiter steigert. Im Vergleich dazu werden die Berechnungskosten der bekannten Implementierung auf einen verhältnismäßig hohen Wert festgelegt, der durch die größtmögliche Breite der Objektprojektion bestimmt wird.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielhaft näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine vereinfachte Perspektivdarstellung der Abbildung eines Objekts mit Verwendung einer Röntgenstrahlungsquelle und eines Detektors kombiniert mit einem vereinfachten Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Bildrekonstruktion; und

Fig. 2 die Darstellung eines in Pixel unterteilten Detek­ tors mit darin enthaltenen Objektprojektionsdaten, die zur Beschreibung der Erfindung brauchbar ist.

Fig. 1 zeigt ein 3D CT-Abbildungssystem mit Konusstrahlen­ bündel zur Durchführung der vorliegenden Erfindung, das mit der weiter unten beschriebenen Ausnahme das gleiche ist, das aus der oben genannten US 5 390 112 bekannt ist. Wie darge­ stellt, veranlaßt ein computergesteuerter Manipulator 6 in Abhängigkeit von Steuersignalen aus einem geeignet program­ mierten Computer 8 eine Energiequelle 10 mit Konusstrahlen­ bündel und einen Detektor 12 mit zweidimensionaler Anordnung (array), längs einer definierten Quellenabtastbahn zusammen­ zuwirken, die als spiralige Abtastbahn 14 dargestellt ist, welche um eine vorbestimmte Achse 15 eines Objekts 16 zen­ triert ist, was dem Detektor 12 ermöglicht, vollständige Konusstrahlenbündel-Projektionsdaten für eine eventuelle Rekonstruktion eines Bildes des Objekts 16 zu erhalten. Der Manipulator 6, der Computer 8, die Strahlenquelle 10 und der Detektor 12 arbeiten in einer Weise zusammen, die dem Fach­ mann auf diesem Gebiet bekannt ist und beispielsweise im einzelnen in der erwähnten US 5 390 112 beschrieben ist, und deshalb sind weitere Einzelheiten ihrer Wirkungsweise nicht erforderlich. Statt dessen könnte in äquivalenter Weise das Objekt 16 gedreht werden, um ein Abtasten durch eine Strah­ lenquelle und einen Detektor in fester Lage zu bewirken. Ferner kann das Abtasten kontinuierlich oder schrittweise erfolgen, und die Spiralenbahn kann Windungen mit gleichen Abständen (manchmal als Stufen bezeichnet) oder Windungen mit sich vergrößernder Steigung am oberen und unteren Rand eines interessierenden Bereiches des Objekts aufweisen. Ferner ist zwar die Strahlenquelle 10 als Röntgenstrahlenquelle darge­ stellt, es könnten jedoch auch andere Arten von Abbildungsen­ ergie, wie Neutronen, Positronen und dergl., angewendet werden.

Der auf Elemente innerhalb des Detektors 12 einfallenden abgetasteten Röntgenstrahlenenergie entsprechende Signale werden auf ein Datenerfassungssystem (DAS) 17 gegeben, das ähnlich wie die vorher beschriebenen Teile der Fig. 1 in einer dem Fachmann wohlbekannten Art zum Digitalisieren, Vorverar­ beiten und Speichern der Konusstrahlenbündel-Projektionsdaten arbeiten kann.

Konusstrahlen-Projektionsdaten aus der DAS 17 werden auf eine Prozessor 18 gegeben, welcher ein Computer sein kann, der so programmiert ist, daß er verschiedene Datenumwandlungen durchführt, die durch die Blocks innerhalb des Prozessors 18 dargestellt sind. Im Block 20 werden die Konusstrahlenbündel­ daten in abgeleitete Radondaten (Radon derivative data) umgewandelt. Dies kann allgemein erreicht werden, indem in der erwähnten US 5 257 183 beschriebene Verfahren angewendet werden. Im Block 22 werden die abgeleiteten Radondaten in Radondaten an polaren Gitterpunkten umgewandelt, indem z. B. das in der erwähnten US 5 446 776 beschriebene Verfahren angewendet wird. Die Radondaten an den polaren Gitterpunkten werden auf den Block 24 gegeben, der eine inverse 3D-Radon- Transformation unter Anwendung bekannter Verfahren durch­ führt, wie sie beispielsweise im einzelnen in der erwähnten US 2 527 183 beschrieben sind. Im Block 26 werden rekonstru­ ierte Bilddaten entwickelt und sodann vom Prozessor 18 auf ein Display 28 gegeben, das in bekannter Weise arbeiten kann, um eine 3D CT-Abbildung des Objekts 16 zu erzeugen.

Eine ausführlichere Beschreibung der Blocks der Fig. 1 findet sich in den erwähnten Patenten, auf die hier Bezug genommen wird.

Wie oben erwähnt, beruht der exakte Konusstrahlenbündel-Re­ konstruktionsalgorithmus, wie er in US 5 257 183 beschrieben wird, auf der Berechnung von Linienintegralen, um die Radon­ transformation des mit Röntgenstrahlen bestrahlten Objekts zu bestimmen. Die Linienintegrale werden aufgrund der vom 2-D-Detektor ermittelten Projektionsdaten ausgeführt. Die Abmes­ sungen dieses Detektors bestimmten die maximale Breite des Objekts.

In einer richtungsbetriebenen (straightforward) Implementie­ rung des Algorithmus berechnet man alle Linienintegrale, die zum Auffüllen des Radonträgers entsprechend diesem größtmög­ lichen Objekt erforderlich sind. Ein reales Objekt ist je­ doch normalerweise kleiner als das maximal zulässige. Wenn man ferner an einen menschlichen Patienten denkt, so würde das "Objekt" auch kleinere und größere Breiten für verschie­ dene Projektionen zeigen, da es nicht zylindrisch ist.

Den vollen normalen Radonträger für solche Objekte zu berech­ nen, ist nicht effizient, da man zum Berechnen und Verarbei­ ten von Radonpunkten, die keine Information über das Bild des Objekts enthalten, Zeit verbraucht.

Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird vor dem Berechnen der zum Entwickeln der abgeleiteten Radondaten (Block 20) für jedes Projektionsbild erforderlichen Linienintegraldaten die Ausdehnung der Objektprojektion am Detektor, d. h. ihre linke und rechte Begrenzung, bestimmt. Wenn diese bestimmt sind, müssen nur Linienintegrale berechnet werden, die die tatsäch­ liche Breite der Projektionsdaten schneiden. Ferner kann man die Berechnung der Integrale, die gültige Objektinformation enthalten, sogar noch beschleunigen. Dies ist möglich, indem die Integrationslinie verkürzt wird, d. h. ihre Start- und Endpunkte eingestellt werden, um Projektionsdaten nur über den Teil der Linie zu integrieren, der innerhalb der Objekt­ projektion liegt.

Fig. 2 zeigt einen in Pixel eingeteilten Detektor mit darin enthaltenen Objektprojektionsdaten, was für die Beschreibung der Erfindung brauchbar ist.

Ein wirksames Verfahren zum Auffinden der Breite der Objektprojektion besteht in folgendem:

• 1) Prüfen des Werts der Projektionsdaten über eine Pi­ xelzeile (z. B. die oberste Zeile des Detektors) von links nach rechts, bis dem Objekt entsprechende Daten zuerst ange­ troffen werden (bestimmt durch Abtasten eines Werts für die Projektionsdaten, der nicht Null ist). Diese Stelle ist leicht zu erkennen, da der Kontrast zwischen außerhalb und innerhalb eines Objekts (menschlicher Patient) groß ist.
• 2) Vom ersten Antreffen bewegen wir uns zurück zur lin­ ken Kante des Detektors, indem wir nunmehr die Summe der Projektionsdaten über jede Spalte von Pixels berechnen. Angenommen, die Werte außerhalb des Objekts sind im wesentli­ chen Null, gehen wir weiter, bis wir die erste Vertikalsumme mit einem Wert von (etwa Null antreffen. Dies entspricht der linken Grenze der Projektion des Objekts.

Das gleiche Vorgehen in umgekehrten Richtungen, beginnend vom rechten Rand des Bildes, kann zur Bestimmung der rechten Grenze des projizierten Objekts angewendet werden.

Das Durchführen der vertikalen Summierung der Projektionsda­ ten ist ein schnelles Verfahren und könnte in Hardware imple­ mentiert werden. Die Annahme von Nullwerten außerhalb der Projektion ist für praktische Fälle vernünftig. Infolge von Rauschen muß man jedoch eine kleine Nichtnull-Schwelle anwen­ den, wenn man entscheidet, ob eine bestimmte Spalte von Pixels vollständig außerhalb des projizierten Objekts liegt oder nicht.

Das obige Verfahren kann einfach als ein Vorverarbeitungs­ schritt (d. h. vor dem Block 20) durch das DAS 17 durchgeführt werden.

Somit ist hier ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung zur Beschleunigung der Rekonstruktion eines Bildes eines 3D CT-Abbildungssystems mit Konusstrahlenbündel dargestellt und beschrieben. Im Rahmen der Erfindung ist es z. B. möglich, nach dem Auffinden einer der Grenzen der Objektprojektion das Abtasten der Projektionsdaten längs der gleichen Zeile fortzusetzen, bis die entgegengesetzte Grenze aufgefunden ist.

Ferner werden zwar bei der dargestellten Ausführungsform die linke und rechte Grenze als gerade Linien bestimmt, man könnte jedoch auch die Objektprojektion Zeile für Zeile untersuchen, um geformte linke und rechte Grenzen zu bilden.

Darüber hinaus erfolgt zwar bei der dargestellten Ausführungs­ form eine Vorverarbeitung der Projektionsdaten durch das DAS 17, um die linke und rechte Grenze zu bestimmen, es kann jedoch auch eine einfache Analyse von Linienintegralen, die am Detektor nur vertikal orientiert sind, in einfacher Weise die linke und rechte Grenze angeben, und dies ist tatsächlich mit der erwähnten Summierung der Spalten von Projektionsdaten gleichwertig.

Claims (5)

1. Verfahren zum Abtasten und Datenerfassen für dreidimen­ sionale (3D) computerisierte tomographische (CT) Abbil­ dung eines Objekts in einem auf eine vorbestimmte Achse radial zentrierten Gesichtsfeld, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Aufgeben einer Konusstrahlenbündelenergie aus einer Konusstrahlungsquelle auf wenigstens einen Teil des Ob­ jekts;
Definieren einer Strahlungsquellen-Abtastbahn als von der Strahlungsquelle durchlaufende Bahn;
Verwenden der Konusstrahlungsquelle in fester Lage bezüglich eines Flächendetektors, wobei sowohl Strah­ lungsquelle als auch Detektor bezüglich des Objekts zur Abtastung um das Objekt beweglich gelagert sind;
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Festlegen der Strahlungsquellen-Abtastbahn als spi­ ralige Bahn, welche eine Anzahl von Abstände einschließenden Stufen auf einer vorbestimmten geometrischen Oberfläche definiert, welche das Gesichtsfeld derart umgibt, daß jede durch das Gesichtsfeld verlaufende Ebene die Abtastbahn in wenigstens einem Punkt schneidet und den Flächendetektor schneidet, wobei der Flächende­ tektor aus einer Anzahl von Detektorelementen besteht, welche in einer Anordnung von Zeilen und Spalten ange­ ordnet sind, und eine Höhe besitzt, die sich ausreichend längs einer Richtung allgemein parallel zu der vorbe­ stimmten Achse erstreckt, um wenigstens zwei aufeinan­ derfolgende Stufen der Spiralbahn mit dem größten Ab­ stand zwischen denselben zu überspannen;
Abtasten einer Mehrzahl von Stellen längs der Strah­ lungsquellen-Abtastbahn, um die Detektorelemente des Flächendetektors zu veranlassen, Konusstrahlenbündel- Projektionsdaten entsprechend einem Schatten des Objekts an jeder der Abtaststellen zu erfassen;
Berechnen abgeleiteter Radondaten (Radon derivative data) durch Verarbeiten von Linienintegralwerten aus Konusstrahlenbündel-Projektionsdaten; und
Rekonstruieren eines Bildes des Objekts unter Ver­ wendung der abgeleiteten Radondaten;
wobei der Schritt des Berechnens der abgeleiteten Radondaten einen Bestimmungsschritt zum Bestimmen der linken und rechten Grenze des Schattens für jede der Abtaststellen anwendet und das Berechnen der abgeleite­ ten Radondaten nur Projektionsdaten von innerhalb der Grenzen verwendet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestimmungsschritt durch einen Vorverarbeitungs­ schritt vor jeglicher Verarbeitung von Linienintegral­ werten durch den Berechnungsschritt durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestimmungsschritt während des Berechnungsschritts durchgeführt wird, indem eine Anzahl von vertikalen Linienintegralen für jede Objektprojektion berechnet wird und die vertikalen Linienintegrale analysiert werden, um die linke und rechte Grenze zu bestimmen.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestimmungsschritt die linke und rechte Grenze als gerade vertikale Linien bestimmt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestimmungsschritt die linke und rechte Grenze als gekrümmte vertikale Linien bestimmt.