DE2836577A1

DE2836577A1 - Verfahren zum ermitteln und verarbeiten von messdaten in transversalen computertomographieapparaten und computertomographieapparat mit mitteln zum durchfuehren des verfahrens

Info

Publication number: DE2836577A1
Application number: DE19782836577
Authority: DE
Inventors: Thomas Russell Lindquist
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1977-08-26
Filing date: 1978-08-21
Publication date: 1979-03-08
Also published as: CA1119317A; BE869952A; SE7808880L; JPS5447494A; IL55419A0; FR2401463A1; GB2003361A; GB2003361B; IL55419A; US4136388A; NL7808636A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Übertragungs- oder Absorptionswerten durchdringender Strahlung in einer Schicht eines Objekts, wobei mit einem oder mehreren Strahlern Strahlung erzeugt wird, mit der die Schicht durchstrahlt wird und Detektorelemente verwendet werden, die die das Objekt durchsetzende Strahlung detektieren, wobei die Strahlung in einer Richtung der Schicht verläuft, und der Strahler und die Detektorelemente in bezug auf das Objekt zur Ermittlung von Strahlungsübertragungsdaten in einer Vielzahl von Richtungen bewegt werden, wobei Ausgangssignale aus den Detektorelementen zeitlich äquidistant abgetastet und bildformenden Mitteln zugeführt werden, die aus den Strahlungsübertragungsdaten tomographische Bilddaten formen, die ein Bild aus Strahlungsübertragungs- oder Strahlungsabsorptionswerten der Schicht des Objekts darstellen. Weiter bezieht sich die Erfindung auf einen Computertomographieapparat mit Mitteln zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

BEREICH DER ERFINDUNG

Verfahren und Apparate zum Untersuchen von Objekten mit Hilfe durchdringender Strahlung (beispielsweise Röntgen- oder Gammastrahlung) und zum Anfertigen von Bildern von Strahlungsübertragungswerten in Objektschichten mittels Tomographie mit Hilfe eines Computers sind bekannt und beispielsweise in der US-PS 3 778 614 beschrieben.

Bei Computertomographieapparaten wird das zu untersuchende Objekt mit Hilfe eines Röntgenstrahlers in Zusammenarbeit mit einem oder mehreren Röntgendetektoren abgetastet, die sich um das Objekt drehen und/oder sich translatorisch in Bezug zum Objekt bewegen, um die Strahlungsübertragung längs einer Vielzahl unabhängiger Wege in einer Untersuchungsebene zu ermitteln. Die aus den Detektoren erhaltenen Meßdaten werden anschließend in einem Digitalcomputer verarbeitet und kombiniert, wobei bekannte Algorithmen verwendet werden, um Bilder der Übertragungscharakteristiken in der erwähnten Ebene zu erhalten.

Es gibt mehrere Rechenalgorithmen zur Bildung von Bilddaten aus Übertragungsdaten. Ein Faltungs- und Rückprojektionsalgorithmus, der zunächst in der Zeitschrift "Proceeding of the National Academic Science of USA", Band 68, Nr. 9, S. 2236 2240, September 1971, von Ramachandran und Lakshminarayanan beschrieben wurde, wird im allgemeinen als ein akzeptables Kompromiß zwischen den Computerkosten und der Bildrekonstruktionszeit erachtet und in verschiedenen Formen in den meisten heutigen Computertomographieapparaten verwendet. Derartige Faltungs-/Rückprojektions-Algorithmen werden besonders wirksam bei der Verarbeitung der Meßdaten verwendet, die an diskreten, auf den Raum regelmäßig verteilten Punkten gemessen sind. Jedoch enthalten die Abtastmechanismen, die bei der Ermittlung der Strahlungsübertragung angewandt werden, meist große Trägheitsmomente und neigen zum translatorischen Bewegen und/oder Drehen mit einer Geschwindigkeit, die sich zeitlich verändert. Wenn Meßdaten aus derartigen Mechanismen mit einer einheitlichen periodischen Frequenz abgetastet werden, sind die zugeordneten Meßwege, auf denen die Messungen erfolgen, auf den Raum nicht regelmäßig verteilt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kompliziertheit des Abtastmechanismus und der Datenübertragungsgeräte bei Tomographieapparaten mit Hilfe eines Rechners herabzusetzen. Der weitere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Einfluß statistischer Signaländerungen und des Rauschens auf die Bildqualität in Tomo- graphieapparaten mit Hilfe eines Rechners herabgesetzt werden.

Die Aufgabe wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß Positionssignale, die die momentane Lage des Strahlers und der Detektorelemente in bezug auf das Objekt darstellen, ermittelt werden und mit den bildformenden Mitteln mit Hilfe der Positionssignale eine Interpolation zwischen den Strahlungsübertragungsdaten durchgeführt wird, wobei äquidistant im Raum gedachte Datensignale erhalten werden, aus denen mit den bildformenden Mitteln Tomographiebilddaten gebildet werden.

Erfindungsgemäß werden Messungen der Röntgenübertragung in Computertomographieapparaten an Punkten durchgeführt, die zeitlich äquidistant sind (durch Geschwindigkeitsänderungen des Abtastmechanismus im allgemeinen auf den Raum nicht regelmäßig verteilt) und mit einer Abtastfrequenz gemessen werden, die wesentlich höher als die Abschneidfrequenz der Filterfunktion ist, die bei einem Faltungs-/Rückprojektions-Algorithmus für Bildrekonstruktion verwendet wird. Gruppen zeitlich äquidistant abgetasteter Meßdaten, die jeden Punkt einer Serie äquidistant im Abstand liegender Punkte umgeben (im weiteren äquidistante Punkte genannt), werden mit einer Kurve höherer Potenz angenähert (beispielsweise eine Zweigradkurve). Durch Interpolation der Meßdaten auf der Kurve werden Datensignale mit einer einheitlichen räumlichen Verteilung erhalten. Mit dem Computertomographieapparat nach der Erfindung ist es möglich, Datensignale zu gewinnen, die aus Daten gleichsam mit einem mit einheitlicher Geschwindigkeit bewegenden Abtastmechanismus ermittelt sind, wodurch im allgemeinen die Kosten des Abtastmechanismus und die Kompliziertheit desselben geringer sind, wobei dem innewohnt, daß Tiefpaßfilterung der Meßdaten erfolgt und dadurch Verringerung des Rauschens erreicht wird, und daß wirksames Multiplexen und Übertragen von Datensignalen aus den Abtastgeräten auf den Digitalcomputer möglich ist.

Der Computertomographieapparat nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Apparat mit einer Posi- tionskodierungsanordnung zum Erzeugen eines Ausgangssignals versehen ist, das ein Maß für die Position des Strahlers und der Detektorelemente in bezug auf das zu durchstrahlende Objekt ist, und die Abtastmittel zeitlich äquidistant die Ausgangssignale sowohl aus den Detektorelementen als auch aus der Positionskodierungsanordnung abtasten, wobei die bildformenden Mittel die durch Abtastung gewonnenen Strahlungsübertragungsdaten mit Hilfe der durch Abtastung gewonnenen Positionsdaten des Strahlers und der Detektorelemente zum Erhalten äquidistant im Raum gedachter Datensignale interpolieren, die mit den bildformenden Mitteln in tomographische Bilddaten umgewandelt werden.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch einen Tomographieapparat nach der Erfindung,

Fig. 2 und 3 in graphischer Darstellung die Abtastung und Verarbeitung der Meßdaten nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Tomographieapparat dargestellt, in dem mit Hilfe eines Computers die Meßdaten verarbeitenden Apparate und Techniken entsprechend der Erfindung verwendet werden können. Ein Röntgenstrahler oder eine andere Strahlungsquelle 10 ist auf einem Joch 12 gegenüber einer geraden Reihe von Strahlungsdetektoren 14 angeordnet. Ein auf tomographische Weise zu untersuchendes Objekt 16 ist zwischen dem Strahler 10 und den Detektoren 14 und in der vom Strahler 10 erzeugten Strahlung angeordnet. Motorantriebe 13a und 13b sorgen dafür, daß sich das Joch 12 translatorisch um das Objekt 16 bewegt oder um das Objekt 16 dreht, um mit den Detektoren 14 Signale zu erzeugen, die ein Maß für die Strahlungsschwächung der vom Strahler 10 erzeugten und in den Detektoren 14 detektierten Strahlung sind. Die Strahlungsschwächung wird auf einer Vielzahl getrennter Wege ermittelt, die sich durch das Objekt 16 erstrecken.

Eine Positionskodierungsanordnung 18 ist zwischen dem Joch 12 und einem festen Referenzpunkt angebracht, um die Signale zu liefern, die ein Maß für die Drehungs- und Translationsposition des Strahlers 10 und der Detektoren 14 in bezug auf den Körper 16 sind. Die Meßdaten der einzelnen Detektoren 14 und der Positionskodierungsanordnung 18 werden periodisch (beispielsweise in digitaler Form) durch eine Abtast- und Multiplexanordnung 20 abgetastet, beispielsweise in einen Plattenspeicher 22 geschrieben und einem Digitalcomputer 24 zugeführt, die Bilddaten erzeugt, die die physikalischen Charakteristiken des Objekts 16 darstellen. Die Bilddaten können an einer Kathodenstrahlröhrenanordnung 26 dargestellt werden, die der Computer 24 steuert.

Im allgemeinen weist das Joch 12 Schwankungen in der Geschwindigkeit bei der Durchführung der Röntgenmessungen auf. Derartige Schwankungen können sogar unumgänglich sein, beispielsweise wenn das Joch 12 am Anfang bzw. am Ende der translatorischen Bewegung beschleunigt bzw. vergrößert werden muß, wobei außerdem noch Röntgenmessungen durchgeführt werden. Schwankungen in der Geschwindigkeit können ungewollt auftreten und durch die Beschränktheit der Regelanordnung zum Regeln der Jochgeschwindigkeit schwer zu vermeiden sein. Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit des Jochs bei der Drehung und/oder der translatorischen Bewegung in bezug auf das Objekt 16 wesentlich schwanken. Wenn die Multiplexerschaltung 20 mit einer einheitlichen periodischen Geschwindigkeit Daten aus den Detektoren 14 herbeischaffen muß, werden die auf diese Weise gewonnenen Meßdaten der Strahlungsübertragung entsprechen, die auf Wegen ermittelt worden sind, die auf den Raum nicht regelmäßig verteilt sind. Derartige Meßdaten eignen sich im allgemeinen nicht für eine vorteilhafte Bildrekonstruktion mit Hilfe eines Faltungs-/Projektions-Algorithmus.

Bildrekonstruktionsalgorithmen können zum Berechnen der Strahlungsabsorption in einem jeden einer Vielzahl (N) von Bildelementen durch die Lösung einer gleich großen oder größeren Anzahl simultaner Gleichungen mit N Unbekannten verwendet werden. Deshalb muß eine Mindestanzahl von N Röntgenübertragungsmeßdaten bestimmt werden, um eine geschlossene Lösung der Reihe von Gleichungen zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß messen die Detektoren 14 Strahlungsübertragungsdaten längs einer Anzahl von Übertragungswegen, welche Anzahl bedeutend größer n (5- bis 10-mal mehr Wege) als die Anzahl der gewünschten Bildelemente in dem zu rekonstruierenden Bild ist. Die Position des Jochs 12, die sich ununterbrochen während der Messungen ändert, wird während der Messungen überwacht, gemessen und seine Meßwerte in den Plattenspeicher 22 zusammen mit den Meßdaten der Detektoren 14 geschrieben. In einem erfindungsgemäßen Computertomographieapparat tastet der Multiplexer 20 seriell die Reihe von Detektoren 14 ab (sie kann beispielsweise aus 30 einzelnen Detektoren bestehen) und tastet die Meßwerte der Positionskodierungsanordnung zweimal während jeder Abtastung der Detektormeßdaten ab.

Die Signale, die die abgetasteten Meßdaten der Detektoren 14 und die Meßwerte der zugeordneten Stellung des Jochs 12 darstellen, werden aus dem Plattenspeicher 22 dem Digitalcomputer 24 zugeführt und nach einem Programm verarbeitet (von dem ein Beispiel im Anhang A gegeben ist), das die Geometrie und die Bewegung des Jochs 12 und der Reihe von Detektoren 14 ausgleicht, um eine Sammlung von Datensignalen zu bilden, die die reelle räumliche Lage der Übertragungsmessungen in bezug auf bekannte Referenzpunkte im Abtastmechanismus darstellt. Die Kurven in Fig. 2 und 3 stellen kennzeichnende Datensignale dar, die durch die erfindungsgemäßen Messungen und Berechnungen gebildet werden können. Die runden Punkte in den Figuren sind Meßdaten, die der Multiplexer 20 mit einheitlichen Intervallen dem Scheibenspeicher 22 zuführt. Fig. 2 zeigt die räumliche Lage x[tief]i eines jeden der berechneten Meßpunkte (+), die durch die unregelmäßige Bewegung des Jochs 12 nicht zeitlich äquidistant verteilt sind. In Fig. 3 sind die zugeordneten Meßdaten dargestellt, die an einen jeden der Meßpunkte ermittelt sind, wobei die Meßdaten als Funktion der Struktur des Objekts 16 variieren und ebenfalls einer statistischen Schwankung und dem Einfluß zusätzlichen Rauschens unterworfen sind. Die Punkte A, B und C in Fig. 2 stellen die Position x[tief]i einer Sammlung regelmäßig verteilter Meßwege dar, die gewünschte Meßpunkte für die Zuführung von Daten zu einem Bildrekonstruktionsprogramm mittels Faltungs-/Rückprojektion definieren. Die entsprechenden Punkte A', B' und C' in Fig. 3 stellen äquivalente Abtastzeitpunkte dar, zu denen optimale Abtastung für die Wege A, B und C gewünscht ist.

Charakteristisch für die Erfindung ist, daß die Punkte A', B' und C' nicht mit den reellen durch die Abtastung bestimmten Meßpunkten zusammenfallen.

Erfindungsgemäß werden Meßdaten einer Gruppe von Abtastpunkten grenzend an die idealen Meßpunkte A', B' bzw. C' zum Erhalten eines äquivalenten Datensignals am idealen Meßpunkt A', B' bzw. C' interpoliert. Beispielsweise wird das Datensignal Y[tief]A am Punkt A' durch Interpolation von Meßdaten berechnet, die an den fünf nächstliegenden Abtastpunkten 101, 102, 103, 104 und 105 ermittelt sind. Auf entsprechende Weise wird das Datensignal (Y[tief]C') am Punkt C' durch Interpolation von Daten der fünf nächstliegenden Abtastpunkte 109, 110, 111, 112 und 113 bestimmt.

Die Interpolation wird am wirksamsten im Digitalcomputer durchgeführt. Das Computerprogramm untersucht zunächst den Speicher mit den Positionskodierungswerten, die in bezug auf die Geometrie des Abtastmechanismus und auf Bewegungseinflüsse korrigiert sind, um den Abtastpunkt zu bestimmen, der im Raum nächst zur Position eines gewünschten Übertragungswegs liegt. Durch den nächstliegenden Abtastpunkt (beispielsweise den Abtastpunkt 103 für die Wegposition A') und durch die vier angrenzenden Meßpunkte (101, 102, 104 und 105) wird eine Kurve, eine Kurve zweiten Grades oder höherer Ordnung, mittels einer "Kleinstquadraten"-Anpassungstechnik oder eines anderen geeigneten Verfahrens bestimmt, die bzw. das möglichst wenig von den Meßpunkten 101 105 abweicht, um eine funktionelle Darstellung der Schwankung der Meßdaten im Bereich des Punktes A' zu bilden. Die berechnete Kurve wird dabei zwischen zwei Abtastpunkten zum Erhalten eines Datensignals am Punkt A' interpoliert. Die Anpassung an die Kurve und der Interpolationsalgorithmus ergeben eine Verringerung der statistischen

Schwankungen der Information, wobei faktisch ein Tiefpaßfilter entsteht, und ermöglicht eine optimale räumliche Verteilung der Meßwege für eine wirksame Verwendung des Faltungs-/Rückprojektionsalgorithmus.

Beispielsweise kann eine quadratische Kurve der Form a + bx + cx² durch die Punkte y[tief]-2 y[tief]2 durch eine Kleinstquadraten-Anpassung mit Hilfe der Gleichungen

a = 1/35 (-3y[tief]-2 + 12y[tief]-1 + 17y[tief]0 + 12y[tief]1 - 3y[tief]2)

b = 1/10 (-2y[tief]-2 - y[tief]-1 + y[tief]1 + 2y[tief]2)

c = 1/14 (2y[tief]-2 - y[tief]-1 - 2y[tief]0 - y[tief]1 + 2y[tief]2)

gebildet werden. Diese Kurve wird anschließend interpoliert, um ein Datensignal an Punkten zu erhalten, die sich am besten eignen für Verwendung bei einem Rekonstruktionsalgorithmus, beispielsweise einem Faltungs-/Rückprojektionsalgorithmus, der sich auf dem an erwähnter Literaturstelle genannten Verfahren von Ramachandran und Lakshminarayanan basiert.

Ebenfalls beispielsweise und um es anderen Personen zu ermöglichen, die Erfindung leichter zu verwenden, zeigt der Anhang A ein repräsentatives Computerprogramm (in der Maschinensprache PDP 11 der Digital Electronics Corporation mit Fortran-Subroutinen geschrieben), das die Bewegungen des Abtastmechanismus und Einflüsse der Geometrie ausgleicht und aus zeitlich äquidistant abgetasteten Daten optimal räumlich äquidistant liegende Daten zusammensetzt.

Die Verfahren und die Anordnung nach der Erfindung ermöglichen eine schnelle Abtastung und Bildung von Übertragungsdaten für Tomographiesysteme mit Hilfe eines Computers durch die Verwendung eines Abtastmechanismus mit nicht konstanten Geschwindigkeitsprofilen, gefolgt von einer wirksamen Verarbeitung mittels Faltungs-/Rückprojektionsalgorithmen. Das Verfahren ermöglicht ebenfalls statistisch Ausmitteln und Filtrieren durch ein Tiefpaßfilter, wodurch der Einfluß des Rauschens und anderer statistischer Schwankungen auf die Bildqualität herabgesetzt und so ein Beitrag zum Herabsetzen der Strahlungspegel und der den Patienten verabreichten Dosen geliefert wird.

Zuvor wurde die Erfindung an Hand bestimmter be- vorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben. Der Fachmann wird jedoch viele Änderungen darin anbringen können, ohne daß aus dem Rahmen der Erfindung herausgetreten wird. Deshalb bezwecken die Ansprüche, Änderungen dieser Art im Rahmen der Erfindung zu decken.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung von Übertragungs- oder Absorptionswerten durchdringender Strahlung in einer Schicht eines Objekts, wobei mit einem oder mehreren Strahlern Strahlung erzeugt wird; mit der die Schicht durchstrahlt wird und Detektorelemente verwendet werden, die die das Objekt durchsetzende Strahlung detektieren, wobei die Strahlung in Richtung der Schicht verläuft und der Strahler sowie die Detektorelemente in bezug auf das Objekt zur Ermittlung von Strahlungsübertragungsdaten in einer Vielzahl von Richtungen bewegt werden, wobei Ausgangssignale der Detektorelemente zeitlich äquidistant abgetastet und bildformenden Mitteln zugeführt werden, die aus den Strahlungsübertragungsdaten tomographische Bilddaten bilden, die ein Bild von Strahlungsübertragungs- oder Absorptionswerten der Schicht des Objekts darstellen, dadurch gekennzeichnet, daß Positionssignale, die die momentane Lage des Strahlers und der Detektorelemente in bezug auf das Objekt darstellen, erzeugt werden und mit den bildformenden Mitteln mit Hilfe der Positionssignale eine Interpolation zwischen den Strahlungsübertragungsdaten durchgeführt wird, wobei äquidistant im Raum gedachte Datensignale erhalten werden, aus denen mit den bildformenden Mitteln Tomographiebilddaten gebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Strahlungsübertragungswerte größer als die Anzahl der Datensignale ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Interpolation das Annähern der Strahlungsübertragungsdaten mit einer polynominalen Kurve sowie das Berechnen eines Datensignals aus den erwähnten Strahlungsübertragungsdaten an Hand der erwähnten Kurve umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß von jeder Gruppe von fünf Strahlungsübertragungswerten, gemessen an Punkten Y[tief]-2, Y[tief]-1, Y[tief]0, Y[tief]1 und Y[tief]2, die im Raum um eine Position des zu berechnenden Datensignals liegen, eine polynominale Kurve berechnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte polynominale Kurve die Beziehung a + bx + cx² hat, wobei die Koeffizienten a, b und c zum Erhalten einer Anpassung nach einem Kleinst-Quadraten-Verfahren bestimmt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Koeffizienten a, b, c aus nachstehenden Formeln bestimmt werden

a = 1/35 (-3y[tief]-2 + 12y[tief]-1 + 17y[tief]0 + 12y[tief]1 - 3y[tief]2)

b = 1/10 (2y[tief]-2 - y[tief]-1 + y[tief]1 + 2y[tief]2) und

c = 1/14 (2y[tief]-2 - y[tief]-1 - 2y[tief]0 - y[tief]1 + 2y[tief]2)

7. Tomographieapparat mit einem Computer mit einem Abtastmechanismus zum Bewegen mindestens eines Strahlers für durchdringende Strahlung und der Detektorelemente zur Ermittlung von Strahlungsübertragungsdaten aus seiner Schicht eines Objekts, das durch die Strahlung durchsetzt wird, wobei die Strahlungsrichtung in der Schicht des Objekts liegt, mit Abtastmitteln zum Abtasten von Ausgangssignalen der Detektorelemente zur Ermittlung von Strahlungsübertragungsdaten, die eine Strahlungsübertragung in der Schicht des Objekts längs einer Vielzahl räumlich voneinander getrennter Übertragungswege darstellen, und mit bildformenden Mitteln zum Aufnehmen und Verarbeiten der Strahlungsübertragungsdaten zu tomographischen Bilddaten, die ein Bild der Strahlungsübertragungswerte oder Strahlungsabsorptionswerte der Schicht des Objekts darstellen, dadurch gekennzeichnet, daß der Tomographieapparat mit einer Positionskodierungsanordnung zum Erzeugen eines Ausgangssignals versehen ist, das ein Maß für die Position des Strahlers und der Detektorelemente in bezug auf das zu durchstrahlende Objekt ist, und die Abtastmittel zeitlich äquidistant die Ausgangssignale sowohl der Detektorelemente als auch der Positionskodierungsanordnung abtasten, wobei die bildformenden Mittel die durch Abtastung gewonnenen Strahlungsübertragungsdaten mit Hilfe der durch Abtastung gewonnenen Positionsdaten des Strahlers und der Detektorelemente zum Erhalten äquidistant im Raum gedachter Datensignale interpolieren, die mit den bildformenden Mitteln in tomographische Bilddaten umgewandelt werden.

8. Tomographieapparat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Strahlungsübertragungsdaten eine Anzahl Male größer ist als die Anzahl der Datensignale.

9. Tomographieapparat nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abtastfrequenz für das Ausgangssignal der Positionskodierungsanordnung zweimal höher als die Abtastfrequenz für ein Ausgangssignal eines Detektorelements ist.