DE19835451A1 - Verfahren für einen Computertomographen zur Nachverarbeitung eines Schnittbildes und nach diesem Verfahren arbeitender Computertomograph - Google Patents

Verfahren für einen Computertomographen zur Nachverarbeitung eines Schnittbildes und nach diesem Verfahren arbeitender Computertomograph

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für einen Computertomo­ graphen (CT) zur Nachverarbeitung eines Schnittbildes sowie einen nach einem solchen Verfahren arbeitenden Computertomo­ graphen.
Durch differentielle Abweichungen der einzelnen Meßsystem­ kanäle eines Computertomographen vom jeweiligen Kalibrierzu­ stand entstehen bei CT-Geräten der 3. Generation in den Schnittbildern Ringartefakte, die um das Drehzentrum des Ge­ rätes zentriert sind. Dieses Problem ist in IEEE Procee­ dings, Vol. 134, Pt. A, February 1987, Seiten 126-135, be­ schrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Computertomographen der eingangs genannten Art so aus­ zubilden, daß eine Korrektur dieser Ringartefakte in den rekonstruierten Schnittbildern in Form einer Bildnachverar­ beitung erfolgt.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 3. Bei der Erfindung erfolgt die Detektion der Ringartefakte durch Medianfilterung in radialer Richtung. Ringartefakte werden so vollständig kor­ rigiert und nicht lediglich in ihrer Amplitude reduziert und verschmiert. Im Unterschied zu bekannten Verfahren werden fernerhin störende Knochenstrukturen im Bild vor der Median­ filterung durch eine einfache Schwellenoperation eliminiert.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung näher er­ läutert. Es zeigen:
Fig. 1 die wesentlichen Teile eines Computertomographen der 3. Generation,
Fig. 2 eine Darstellung der Rechenschritte für den Computer­ tomographen gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Filterung für das erfindungsgemäße Verfahren, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Winkelverschleifung für das erfindungsgemäße Verfahren.
Der in der Fig. 1 dargestellte Computertomograph weist eine Meßeinheit aus einer Röntgenstrahlenquelle 1, die ein fächerförmiges Röntgenstrahlenbündel 2 aussendet, und einen Detektor 3 auf, welcher aus einer Reihe von Einzeldetekto­ ren, z. B. aus 512 Einzeldetektoren, besteht. Der Fokus ist mit 11 bezeichnet. Der zu untersuchende Patient 4 liegt auf einer Patientenliege 5. Zur Abtastung des Patienten 4 wird die Meßeinheit 1, 3 um ein Meßfeld 9, in dem der Patient 4 liegt, um 360° gedreht. Die Drehachse ist mit 10 bezeichnet. Dabei wird die Röntgenstrahlenquelle 1, die von einem Rönt­ gengenerator 6 gespeist wird, gepulst oder mit Dauerstrah­ lung betrieben. Bei vorbestimmten Winkelpositionen der Meßeinheit 1, 3 werden Sätze von Daten erzeugt, die vom Detektor 3 einem Rechner 7 zugeführt werden, welcher aus den erzeugten Datensätzen die Schwächungskoeffizienten vorbe­ stimmter Bildpunkte berechnet und auf einem Sichtgerät 8 bildlich wiedergibt. Auf dem Sichtgerät 8 erscheint demgemäß ein Bild der durchstrahlten Schicht des Patienten.
In der Fig. 2 stellt der Kreis 16 schematisch das Eingangs­ bild dar. In den Verfahrensschritten 17 bis 25 erfolgen nacheinander folgende Bildverarbeitungsschritte:
Schritt 17 Abschneiden von Knochen und Luft im Bild;
Schritt 18 Medianfilter mit Raster AR1 über ganzes Bild usw.;
Schritt 19 Schwellwertbewertung;
Schritt 20 Differenzbilderzeugung;
Schritt 21 Zusätzliches Medianfilter b über mediangefil­ tertes Bild mit Raster,
AR2 im zentrumsnahen Bereich in einem Quadrat der Seitenlänge IAU;
Schritt 22 Schwellwertbewertung;
Schritt 23 Differenzbilderzeugung;
Schritt 24 Winkelverschleifung des Differenzbildes;
Schritt 25 Subtraktion;
Eingangsbild - winkelverschliffenes Differenz­ bild.
Der Kreis 26 stellt dann das Ergebnisbild dar.
In einem CT-Bild IBILD liegen NP.NP (z. B. 512.512) Pixel­ werte des Schnittbildes vor, in der Regel als 12 Bit Inte­ gerwerte im Wertebereich 0 . . . 4095 ("Hounsfield Scala"), die für die weitere Bildbearbeitung auf die Integer-Werteskala -1024 bis +3071 umgesetzt werden.
Im ersten Verarbeitungsschritt 17 werden Knochen- und Luftanteile im Bild eliminiert, um die spätere Ringdetektion nicht zu stören. Zu diesem Zweck werden alle CT-Werte größer als eine bestimmte Schwelle SWO (z. B. SWO = 300), die von Knochenstrukturen stammen könnten, gleich SWO gesetzt. Alle CT-Werte kleiner als eine bestimmte Schwelle SWU, die von Luft bzw. Lufteinschlüssen stammen könnten, werden gleich SWU (z. B. SWU = -300) gesetzt. Die Schwellen SWO und SWU sind sowohl vom verwendeten CT-Faltungskern, also der Maxi­ malschärfe der CT-Rekonstruktion, als auch vom maximalen Schwächungswert des dargestellten Objektes abhängig und wer­ den z. B. empirisch ermittelt.
Dieser Verfahrensschritt 17 ergibt eine neue, mit R1BILD be­ zeichnete Bildmatrix, die ebenfalls NP.NP Pixelwerte hat.
In den Verarbeitungsschritten 18 bis 20 wird ein Korrektur­ bild erzeugt, in dem die Ringartefakte isoliert sind.
Zu diesem Zwecke wird in der Bildmatrix R1BILD zunächst eine erste Medianfilterung vorgenommen entlang einer Vielzahl von durch das Drehzentrum des Computertomographen verlaufenden Geraden (radiale Linien). Diese Geraden decken die Bild­ matrix derartig ab, daß jedes Pixel auf einer solchen Gera­ den liegt. Das erste radiale Medianfilter hat 2M1 + 1 Stütz­ stellen (z. B. M1 = 2) im Abstand aR1.aR1 ist etwa halb so groß wie die halbe Linienbreite eines Ringartefakts und ist daher sowohl vom gewählten Ausschnitt des Meßfeldes (Zoomfaktor "Zoom") als auch von der Schärfe des verwendeten Faltungskerns abhängig und bei kleinem Bildausschnitt größer als der Pixelabstand in radialer Richtung. Für jedes Pixel P im Bild R1BILD werden die im radialen Abstand -M1aR1, -(M1+1)aR1, . . ., (M1-1)aR1, M1aR1 liegenden Pixel z. B. durch nearest neighbour Interpolation bestimmt. Der Pixelwert P des mediangefilterten Bildes MED1BILD ergibt sich aus dem Medianwert Med der Pixelwerte der 2M1 + 1 Stützstellen. Der Medianwert Med von 2M1 + 1 Werten ist derjenige Wert, für den M1 Werte kleiner oder gleich groß sind und die übrigen M1 Werte größer oder gleich groß. Der Medianwert der 5 Werte 1, 4, 3, 8, 17 z. B. ist Med = 4. Die erste Medianfilterung ist schematisch in Fig. 3 dargestellt.
Nach der ersten Medianfilterung wird für alle NP.NP Pixel das Differenzbild DIFF1 = R1BILD - MED1BILD gebildet. DIFF1 sollte nur noch Ringartefakte enthalten. Um Reste störender Knochenkanten etc. zu eliminieren, wird im Bild DIFF1 eine Schwellenoperation mit der Artefaktschwelle Sart vorgenommen: alle Pixelwerte in DIFF1, die betragsmäßig größer als Sart sind, werden als Störungen identifiziert, die fälschlicher­ weise als Ring erkannt wurden. Sie werden, wenn sie +Sart übersteigen, gleich +Sart und, wenn sie -Sart unterschreiten, -Sart gesetzt. Sart hängt ab vom gewählten CT-Faltungskern, d. h. von der Maximalschärfe der CT-Bildrekonstruktion, und wird z. B. empirisch ermittelt. Das mit der Artefaktschwelle Sart behandelte Differenzbild DIFF1 heißt R2BILD.
Um eventuell vorhandene Reste von Ringartefakten mit anderem Raster zu eliminieren, wird für alle Pixelwerte NP.NP das Differenzbild R3BILD aus dem maskierten Ausgangsbild R1BILD und dem Bild R2BILD gebildet. Bei idealer Wirkung des ersten Medianfilters sollte R3BILD keine Ringartefakte mehr enthal­ ten. In R3BILD (oder einem Ausschnitt davon) wird nun im Verfahrensschritt 21 eine zweite Medianfilterung vorgenom­ men, wiederum entlang einer Vielzahl von durch das Drehzen­ trum (Drehachse 10) des Computertomographen verlaufenden Ge­ raden (radiale Linien). Diese Geraden decken die Bildmatrix derartig ab, daß jedes Pixel des gewählten Ausschnittes auf einer solchen Geraden liegt. Das zweite radiale Medianfilter hat 2M2 + 1 Stützstellen (z. B. M2 = 1) im Abstand aR2 (z. B. aR2 = aR1/2). aR2 ist sowohl vom gewählten Ausschnitt des Meß­ feldes (Zoomfaktor "Zoom") als auch von der Schärfe des ver­ wendeten Faltungskerns abhängig und bei kleinem Bildaus­ schnitt größer als der Pixelabstand in radialer Richtung. Für jedes Pixel P im gewünschten Ausschnitt des Bildes R3BILD werden die im radialen Abstand -M2aR2, -(M2 +1)aR2, . . ., (M2-1)aR2, M2aR2 liegenden Pixel z. B. durch nearest neighbour Interpolation bestimmt. Der Pixelwert P des mediangefilterten Bildes MED2BILD ergibt sich aus dem Medianwert Med der Pixelwerte der 2M2 +1 Stützstellen.
Nach der zweiten Medianfilterung wird für alle NP.NP Pixel das Differenzbild DIFF2 = R1BILD - MED2BILD gebildet. Um Reste störender Knochenkanten etc. zu eliminieren, wird im Bild DIFF2 wiederum eine Schwellenoperation mit der Arte­ faktschwelle Sart vorgenommen: alle Pixelwerte in DIFF2, die betragsmäßig größer als Sart sind, werden als Störungen iden­ tifiziert, die fälschlicherweise als Ring erkannt wurden. Sie werden nach der bereits beschriebenen Vorgehensweise gleich +Sart oder -Sart gesetzt. Sart wird z. B. empirisch er­ mittelt und hängt wie erwähnt ab vom gewählten CT-Faltungs­ kern, d. h. von der Maximalschärfe der CT-Bildrekonstruktion. Das mit der Artefaktschwelle Sart behandelte Differenzbild DIFF2 heißt R4BILD.
Im Verarbeitungsschritt 24 werden störende Rauschstrukturen in R4BILD eliminiert. R4BILD enthält nicht nur Ringarte­ fakte, sondern durch das unvermeidliche Pixelrauschen in CT- Bildern auch Rauschstrukturen. Zur Unterdrückung dieser Rauschstrukturen macht man sich zunutze, daß Ringartefakte auf Kreisbögen einer gewissen Mindestlänge mehr oder weniger konstant sein müssen, um überhaupt als Ringe erkannt zu wer­ den. Der dritte Verarbeitungsschritt ist also eine Tiefpaß­ filterung der Pixelwerte des Bildes R4BILD entlang von Kreisbögen um das Drehzentrum: dadurch bleiben die Ringarte­ fakte erhalten, Rauschstrukturen dagegen werden weggeglät­ tet. Die Tiefpaßfilterung kann z. B. als einfache Mittel­ wertbildung realisiert werden: für jedes Pixel P im Bild R4BILD mit den Koordinaten xp, yp sucht man auf dem durch P verlaufenden Kreisbogen um das Drehzentrum mit Radius die 2NW + 1 Pixel mit dem Winkelabstand -NW.SPHI, -(NW+1).SPHI, . . . (NW-1).SPHI, NW.SPHI von P. SPHI ist ein frei wählbares Winkelinkrement. Der Wert des Pixel P wird ersetzt durch den Mittelwert der 2NW + 1 Pixel. Die Pixel werden dabei je nach Abstand vom Drehzentrum in Pixel im Innenbereich und Pixel im Außenbereich eingeteilt, um un­ terschiedliche Winkelinkremente SPHI für die Mitteilung im Innenbereich und im Außenbereich realisieren zu können. Durch die Winkelverschleifung entsteht aus R4BILD das Bild WBILD. Die Winkelverschleifung ist schematisch in Fig. 4 dargestellt.
Subtraktion von IBILD und WBILD im Schritt 25 schließlich ergibt das Ergebnisbild, in dem die Ringartefakte beseitigt sind.
Die Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der ersten Medianfilterung gemäß dem Schritt 18.
Die Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung der Winkel­ verschleifung gemäß dem Schritt 24.
Erfindungswesentlich ist, daß ein Schnittbild des gesamten Meßfeldes oder nur eines Ausschnittes daraus in der Weise nachverarbeitet wird, daß die Pixelwerte des Schnittbildes einer oder mehreren Medianfilterungen und einer Mittelung unterzogen werden, wobei die Medianfilterungen und die Mit­ telung entlang einer Anzahl von Ausführungsrichtungen erfol­ gen.

Claims (3)

1. Verfahren für einen Computertomographen mit einem Univer­ salrechner (7) zur Nachverarbeitung eines rekonstruierten Schnittbildes einer Schicht eines Untersuchungsobjektes (4) zur Beseitigung von Ringartefakten, aufweisend folgende Ver­ fahrensschritte:
  • a) Maskierung von Knochen- und Luftanteilen im Bild IBILD mit NP.NP Pixeln, wobei alle CT-Werte in der Pixelmatrix größer als eine bestimmte Schwelle SWO gleich SWO gesetzt werden, alle CT-Werte kleiner als eine bestimmte Schwelle SWU gleich SWU, so daß sich eine neue, mit R1BILD bezeich­ nete Bildmatrix ergibt, die ebenfalls NP.NP Pixelwerte hat.
  • b) Durchführung einer Medianfilteroperation in R1BILD, die vorgenommen wird entlang einer Vielzahl von durch das Drehzentrum (10) des Computertomographen verlaufenden Ge­ raden (radiale Linien), welche die Bildmatrix derartig ab­ decken, daß jedes Pixel auf einer solchen Geraden liegt, wobei das Medianfilter 2M1 + 1 Stützstellen im Abstand aR1 hat und der Pixelwert P des mediangefilterten Bildes MED1Bild sich ergibt aus dem Medianwert Med der Pixelwerte der 2M1 + 1 Stützstellen von R1BILD:
  • c) Bildung des Differenzbildes DIFF1 = R1BILD - MED1BILD für alle NP.NP Pixelwerte und Durchführung einer Schwellen­ operation mit der Artefaktschwelle Sart im Bild DIFF1, wo­ bei alle Pixelwerte in DIFF1, die betragsmäßig größer als Sart sind, gleich +Sart oder -Sart gesetzt werden, so daß das Bild R2BILD entsteht.
  • d) Durchführung einer Tiefpaßfilterung der Pixelwerte des Bildes R2BILD entlang von Kreisbögen um das Drehzentrum, die als einfache Mittelwertbildung realisiert werden kann, wobei man für jedes Pixel P im Bild R2BILD mit den Koordi­ naten xp, yp auf dem durch P verlaufenden Kreisbogen um das Drehzentrum mit Radius die 2NW + 1 Pixel mit dem Winkelabstand -NW.SPHI, -(NW+1).SPHI, . . . (NW-1). SPHI, NW.SPHI von P sucht und den Wert des Pixels P ersetzt durch den Mittelwert der 2NW + 1 Pixel, so daß das Bild WBILD entsteht.
  • e) Subtraktion von IBILD und WBILD, wobei das Ergebnisbild entsteht, in dem die Ringartefakte beseitigt sind.
2. Verfahren für einen Computertomographen mit einem Univer­ salrechner (7) zur Nachverarbeitung eines rekonstruierten Schnittbildes einer Schicht eines Untersuchungsobjektes zur Beseitigung von Ringartefakten, aufweisend folgende Verfah­ rensschritte:
  • a) Maskierung von Knochen- und Luftanteilen im Bild IBILD mit NP.NP Pixeln, wobei alle CT-Werte in der Pixelmatrix größer als eine bestimmte Schwelle SWO gleich SWO gesetzt werden, alle CT-Werte kleiner als eine bestimmte Schwelle SWU gleich SWU, so daß sich eine neue, mit R1BILD bezeich­ nete Bildmatrix ergibt, die ebenfalls NP.NP Pixelwerte hat.
  • b) Durchführung einer ersten Medianfilteroperation in R1BILD, die vorgenommen wird entlang einer Vielzahl von durch das Drehzentrum (10) des Computertomographen verlaufenden Ge­ raden (radialen Linien), welche die Bildmatrix derartig abdecken, daß jedes Pixel auf einer solchen Geraden liegt, wobei das Medianfilter 2M1 + 1 Stützstellen im Abstand aR1 hat und der Pixelwert P des mediangefiltertes Bildes MED1BILD sich ergibt sich aus dem Medianwert Med der Pixelwerte der 2M1 + 1 Stützstellen von R1BILD.
  • c) Bildung des Differenzbildes DIFF1 = R1BILD-MED1BILD für alle NP.NP Pixelwerte und Durchführung einer Schwellen­ operation mit der Artefaktschwelle Sart im Bild DIFF1, wo­ bei alle Pixelwerte in DIFF1, die betragsmäßig größer als Sart sind, gleich +Sart oder -Sart gesetzt werden, so daß das Bild R2BILD entsteht.
  • d) Bildung des Differenzbildes R3BILD aus dem maskierten Aus­ gangsbild R1BILD und dem Bild R2BILD für alle Pixelwerte NP.NP.
  • e) Durchführung einer zweiten Medianfilteroperation in R3BILD, die vorgenommen wird entlang einer Vielzahl von durch das Drehzentrum des Computertomographen verlaufenden Geraden (radiale Linien), welche die Bildmatrix derartig abdecken, daß jedes Pixel auf einer solchen Geraden liegt, wobei das Medianfilter 2M2+1 Stützstellen im Abstand aR2 hat und der Pixelwert P des mediangefilterten Bildes MED2BILD sich ergibt aus dem Medianwert Med der Pixelwerte der 2M2 + 1 Stützstellen von R3BILD.
  • f) Bildung des Differenzbildes DIFF2 = R1BILD-MED2BILD für alle NP.NP Pixelwerte und Durchführung einer Schwellen­ operation mit der Artefaktschwelle Sart im Bild DIFF2, wo­ bei alle Pixelwerte in DIFF2, die betragsmäßig größer als Sart sind, gleich +Sart oder -Sart gesetzt werden, so daß das Bild R4BILD entsteht.
  • g) Durchführung einer Tiefpaßfilterung der Pixelwerte des Bildes R4BILD entlang von Kreisbögen um das Drehzentrum, die als einfache Mittelwertbildung realisiert werden kann, wobei man für jedes Pixel P im Bild R2BILD mit den Koordi­ naten xp, yp auf dem durch P verlaufenden Kreisbogen um das Drehzentrum mit Radius die NW + 1 Pixel mit dem Winkelabstand -Nw.SPHI, -(NW+1).SPHI, . . . (NW-1).SPHI, NW.SPHI von P sucht und den Wert des Pixels P ersetzt durch den Mittelwert der 2NW + 1 Pixel, so daß das Bild WBILD entsteht.
  • h) Subtraktion von IBILD und WBILD, wobei das Ergebnisbild entsteht, in dem die Ringartefakte beseitigt sind.
3. Computertomograph, der zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 ausgebildet ist.
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