DE3408148C2

DE3408148C2 - Anordnung zur Verbesserung von mit CT-Abtastvorrichtungen erzeugten Bildern

Info

Publication number: DE3408148C2
Application number: DE3408148A
Authority: DE
Inventors: David Freundlich
Original assignee: Elscint Ltd
Current assignee: Philips Nuclear Medicine Inc
Priority date: 1983-03-09
Filing date: 1984-03-06
Publication date: 1994-01-13
Anticipated expiration: 2004-03-07
Also published as: NL192190C; JPH0669453B2; IL70978A; NL192190B; FR2542541B1; IL70978A0; JPS60137351A; FR2542541A1; NL8400710A; DE3408148A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Korrigieren von Ringartefakten in Bildern von Objekten, die durch Rotations- CT-Abtastvorrichtungen erhalten werden, wobei ein Originalbild mit Ringartefakten erzeugt wird, das aus einem Echtbild ohne Ringartefakte und einem überlagerten Bild mit Ringartefakten besteht.

Mit Hilfe von Computer-Tomographen wird eine rasche Abtastung mit verbessertem Auflösungsvermögen und verbesserter Kontrast unterscheidung erzielt, um klare, aussagekräftige Bilder zu gewinnen, die weitgehend frei von Artefakten sind. Dabei ist es wichtig, schnelle Abtastungen zu ermöglichen, um solche Artefakte möglichst gering zu halten, die durch Bewegung eines Patienten oder der Organe des Patienten während der Abtastung verursacht werden. Kürzere Abtastzeiten haben ferner den Vorteil, daß sie geringere Unannehmlichkeiten für den Patienten mit sich bringen, und daß innerhalb einer bestimmten Zeit mehr Patienten untersucht werden können.

Frühere CT-Geräte haben einen Einfachstrahl benutzt, der mit einer Verschiebe-Dreh-Bewegung gearbeitet hat. Die Röntgen strahlröhre und die Detektoren waren in einem festen Abstand voneinander auf entgegengesetzten Seiten des Patienten angeordnet. Die angezeigte Intensität des Röntgenstrahles wurde als der Strahl aufgezeichnet, der über den Patienten mit einer einzigen Winkelposition verschoben wurde. Die Winkelposition wurde geändert und der Strahl erneut über den Patienten bewegt. Dieser Vorgang wurde mehrere Male wiederholt. Um jeweils eine Abtastung vollständig durchzuführen, war ein realtiv hoher Zeitaufwand (etwa 5 Minuten) erforderlich. Diese Zeitdauer wurde dadurch wesentlich verkürzt (auf ca. 100 Sekunden), daß eine Mehrzahl von Detektoren in einem Fächerstrahl verwendet wurde.

Der nächste Schritt in der Entwicklung der Computer-Tomographen bestand darin, die Verschiebebewegung während der Abtastung zu eliminieren. Dies wurde dadurch erreicht, daß eine verhältnismäßig breite Gruppe von Detektoren in einem Röntgenstrahlfächer verwendet wurde, der die Breite des abgetasteten Gegenstandes überdeckte. Sowohl die Strahlungsquelle als auch die Detektoren wurden in Rotation versetzt (Rotations-CT-Abtaster). Die Abtastdauer konnte dadurch auf etwa 2-10 Sekunden verkürzt werden.

Obgleich eine Drehung von nur 180° (plus Fächerstrahlwinkel) benötigt wird, um ausreichende Daten für die Rekonstruktion zu erhalten, drehen die Rotations-Abtaster im allgemeinen um 360° oder mehr pro Abtastung, um die Divergenz des Strahles im Winkel zum Strahlenfächer zu kompensieren, so daß die Verwendung einer Strahlungsquelle geringer Dimension möglich und eine gleichförmigere Dicke im resultierenden Abschnitt des Patienten erzielt wurde. Die Strahlungsquelle kleinerer Abmessungen ergibt ferner einen scharf ausgeblendeten Strahl und reduziert infolgedessen die Strahlungsdosierung. Zusätzlich verringert die Drehung um 360° die Hauptdosis.

Seit Beginn der Entwicklung von Rotations-CT-Abtastvorrichtungen wiesen jedoch die Bilder Ringartefakte auf, die durch Unsymmetrien zwischen den Detektorelementen verursacht waren. Die Konstrukteure der Abtastvorrichtungen mit Rotationssystemen haben viele unterschiedliche komplizierte Systeme entwickelt, um das Auftreten von Ringartefakten zu eliminieren oder wenigstens so gering wie möglich zu halten. Hierzu wird auf den Aufsatz "Suppression of Ring Artefacts in CT Fan-Beam Scanners" von G. Kowalkski, veröffentlicht in IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-25, Nr. 5, Oktober 1978, verwiesen, in dem ein kompliziertes Verfahren zum Korrigieren bzw. Unterdrücken von Ringartefakten sowie die Mittelung als auch Faltung der Mittelwerte erläutert ist. Hierbei werden Ketten von Werten gemittelt und die gemittelten Ketten anschließend gefaltet, damit ein Filterungsprozeß erreicht wird. Der Faltungsvorgang ist ein komplizierter Schritt, der mit vorliegender Erfindung vermieden wird.

Die DE 28 16 462 A1 betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der räumlichen Verteilung der Absorption von Strahlung mittels Computer-Tomographie, um Fehler zu vermeiden, die im rekon struierten CT-Bild aufgrund eines nur ungenau bekannten Drehzentrums einer Untersuchungsanordnung entstehen. Hieraus lassen sich weder Aufgabe noch Lösung vorliegender Erfindung herleiten, insbesondere auch kein Hinweis darauf, daß Bildelemente im Ring randverstärkt und gemittelt werden, oder daß der Mittelwert der Bildelemente im Ring von jedem individuellen Bildelement des ursprünglichen Bildes subtrahiert wird.

Der Aufsatz "Generation of Pictures by X-Ray Scanners" von G. Kowalski et al in OPTICA ACTA 1977, Vol. 24, Nr. 4, Seiten 327-348, betrifft eine mechanische Ringartefakt-Unterdrückungs vorrichtung; es wird hierbei vorgeschlagen, die Detektoren zu verschieben, um die Ringartefakte zu unterdrücken, indem die Resultate der Daten, die aus den Detektoren erhalten werden, verwischt werden.

Bei einer Vorrichtung nach US 42 72 820 werden Daten aus einem äußeren Bereich, d. h. einem Röntgenstrahl, der nicht durch das abzubildende Objekt geht, gewonnen. Diese Daten werden verwendet, um Fehler- oder Artefaktdaten zu erzielen, die zum Korrigieren des Bildes und zum Reduzieren der Artefakte verwendet werden. Hierbei werden im wesentlichen Quantengeräusche und durch Falten entstandene Artefakte korrigiert, nicht jedoch Ringartefakte.

Im Falle einer Vorrichtung nach US 42 95 195 geht es um das Korrigieren von sogenannten Verzögerungs-Artefakten, dem Bildelementausgänge um den Rand des abzubildenden Objektes oder um den Rand von Knochen herum gemittelt werden, d. h. an Flächen hoher Strahlung. Die an diesen Stellen angezeigte Strahlung wird dann zum Normieren aller angezeigten Daten verwendet. Es werden jedoch damit keine virtuellen Bilder, die frei von Ringartefakten sind, angestrebt oder erreicht.

Unter den bekannten Lösungen der durch Ringartefakte auftre tenden Probleme sind die bekannteren die Verwendung von speziell angepaßten Detektorgruppen, z. B. die Verwendung von angepaßten gasförmigen Ionisierungsdetektoren mit einer Schaltung zur Aufrechterhaltung der Anpassung, wie z. B. der US 43 34 154 zu entnehmen ist. Es werden auch spezielle Abtastfolgen verwendet, bei denen komplizierte Eichungen innerhalb der Abtastperiode zum Messen und Korrigieren der Detektoren im gleichen Gerät bzw. on-line durchgeführt werden. Diese Lösungen haben jedoch ihre eigenen Nachteile. Beispielsweise haben die gasförmigen Ionisierungsdetektoren einen geringeren Energieverlust, so daß zur Erzielung einer bestimmten Bildqualität eine erhöhte Röntgenstrahldosis erforderlich ist. Die spezielle Abtastfolge macht üblicherweise eine pulsierte Strahlungsquelle erforderlich, wozu eine teuere Energieerzeugungsquelle und eine teuere Röntgenstrahlröhre benötigt werden. Ferner sind zusätzlich spezielle periodische Eichkorrekturen für die Detektorgruppe erforderlich, was die Anwendung des Systems verkompliziert.

Es besteht deshalb in der Technik ein dringender Bedarf an verhältnismäßig einfach und billig arbeitenden Vorrichtungen zum Eliminieren von Ringartefakten, wenn Rotations-Geräte mit nicht abgeglichenen Detektoranordnungen verwendet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Anordnung zu schaffen, mit der das Auftreten von Ringartefakten in CT-Abtasterbildern eliminiert bzw. so gering wie möglich gehalten werden kann.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer gattungs gemäßen Anordnung mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1 erreicht. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit der Anordnung nach der Erfindung wird erreicht, daß die Ränder des Bildes verstärkt werden und anschließend das randverstärkte Bild in konzentrische Ringe aufgeteilt wird. Die mittlere Bildintensität wird für alle Bildelemente in jedem konzentrischen Ring bestimmt. Der Mittelwert der Bildelemente in jedem Ring wird von den Bildelementen des ursprünglichen Bildes, das zu diesem Ring gehört, subtrahiert, um ein ringartefaktfreies Bild zu erhalten. Damit werden Ringartefakte minimiert, die in Rotations-Abtastvor richtungen aufgrund des Unterschiedes in den Ausgängen der Mehrfach-Detektoren hervorgerufen werden, und es wird eine einfache und zweckmäßige Anordnung zum Korrigieren von Ringartefakten in Computer-Tomographiebildern geschaffen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungs beispieles in Verbindung mit der Zeichnung erläutert. Die einzige Figur zeigt ein durch Computer-Tomographie erzeugtes Bild, das in konzentrische Abschnitte und außerdem in radiale Sektoren unterteilt ist.

In der einzigen Figur der Zeichnung ist das Bild 11 durch einen Rotations-CT-Abtaster erzeugt. Um den Wert des Ringartefaktes des Bildes zu ermitteln, ist eine Unterteilung in durch Ringe definierte Bereiche, z. B. die Bereiche Rm, Rm+1, Rm-1 usw. vorgenommen. In der Praxis ist die Anzahl von durch Ringe definierten Bereichen annähernd mindestens der Anzahl von Detektoren, so daß die durch Ringe definierten Bereiche enger den Ringartefaktbemessungen folgen.

In Umfangsrichtung der Ringartefakte des Bildes ist eine Gleichförmigkeit nicht gegeben, was es schwierig macht, die Werte der Ringbereiche zu berechnen. Zusätzliche Schwierigkeiten bei der Ermittlung der Werte des Ringes ergeben sich dadurch, daß dazwischenliegende Organe unterschiedliche Dichten bzw. unterschiedliche CT-Werte haben. Im allgemeinen ist weder das Echtbild noch das Ringartefaktbild gleichförmig.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform für die Ringartefakt korrektur wird die Verstärkung der Konturen im Bild als ein erster Schritt durchgeführt, um die durch die Organe eingeführten Ungleichförmigkeiten zu überwinden. Das Bild, das in Bildelemente oder Pixels unterteilt ist, z. B. Pixel (i, j), ist in der Zeichnung so dargestellt, daß es eine etwa rechteckförmige Gestalt hat. Für jeden Pixelwert p (i, j) wird ein Wert q (i, j) nach folgender Gleichung erzeugt:

q (i, j) = A · p (i, j) + Bav_n [p (i, j)] + C

wobei A und B konstante Größen sind (angenähert +1 und -1),
av_n [p (i, j)] der Mittelwert von n×n Pixel zentriert bei (i, j) und
C eine konstante Größe ist, die üblicherweise Null ist.

Wie bekannt, bewirkt die Randverstärkung, daß die Grenzen der verschiedenen Organe scharf definiert werden. Die randverstärkten Bilder sind durch große gleichförmige Flächen mit Nullwerten charakterisiert, wenn A = +1, B = -1 und C=0. Diese Randverstärkung kann bei der hier angegebenen Ringarte faktkorrekturanordnung weggelassen werden, und der Ringartefakt wird in den meisten Fällen immer noch erheblich reduziert, obgleich die Qualität des Bildes ebenfalls verringert wird.

Nach einer Randverstärkung wird das verstärkte Bild verwendet, um die Ringartefakte zu definieren, insbesondere wird das randverstärkte Bild in durch konzentrische Ringe festgelegte Bereiche unterteilt, wie z. B. die in der Figur gezeigten Bereiche Rm, Rm+1 und Rm-1. Die durch Ringe definierten Bereiche sind um einen Punkt 12 zentriert, der der Rotationsachse des Abtasters entspricht.

Um das Fehlen von Ungleichförmigkeit der durch Ringe de finierten Bereiche zu beheben, wenn die CT-Werte des Ring artefaktbildes ermittelt werden, wird das randverstärkte Bild weiter in Sektoren unterteilt, in denen die Ringartefakte nahezu gleichförmig sind. Die Sektoren sind radiale Sektoren, z. B. Sn, Sn-1 und Sn+1. Jedes Pixel ist einem speziellen, durch Ringe definierten Bereichssektor zugeordnet, z. B. (Rm, Sn) nach der Figur. Es können unterschiedliche Kriterien verwendet werden, um die Pixels den durch Ringe definierten Bereichssektoren zuzuordnen; wenn z. B. der größte Teil der Fläche eines Pixels in einem speziellen, durch Ringe definierten Sektor liegt, wird das Pixel diesem Sektor zugeordnet.

Der Wert eines Sektors der durch Ringe definierten Bereiche des randverstärkten Bildes wird unter Verwendung folgender Schritte berechnet:

a) Es wird der mittlere CT-Wert av (Rm, Sn) aller rand verstärkten Pixels q (i, j) ermittelt, die zu jedem durch Ringe definierten Bereichssektor gehören, und ferner als innerhalb der Schwellwerte T1 und T2 liegend definiert sind, derart, daß C+T1 < q (i, j) < C-T2.
b) Es wird ein Ringartefaktwert r (R, S) für die Pixels innerhalb eines jeden der durch Ringe definierten Bereichs sektoren ermittelt, z. B. r (Rm, Sn) für alle Pixels innerhalb des Ringsektors (Rm, Sn), indem folgender Algarithmus verwendet wird: r (Rm, Sn) = av (Rm, Sn) -av,wobei av die mittlere Intensität von Pixels q (i, j) in bestimmten definierten Bereichen, z. B. allen durch Ringe definierten Bereichssektoren des randverstärkten Bildes sind, die innerhalb der Schwellwerte T1, T2 liegen.

Die Schwellwerte werden verwendet, um zu verhindern, daß die verstärkten Kanten der dazwischenliegenden Organe die Werte der durch Ringe definierten Bereiche stören.

Des weiteren werden die Korrekturwerte r (Rm, Sn) so modi fiziert, daß weiche Übergänge für die Pixels in der Nähe der Grenzen zwischen den Sektoren erzielt werden, z. B. Pixels in der Nähe der Grenze zwischen den Sektoren Sn und Sn-1. Dann wird der Ringartefaktwert dieser Pixels in der Nähe der Grenze

Wenn das Pixel nicht in der Nähe der Grenze eines anderen Sektors liegt, gilt b (Rm) = r (Rm, Sn).

Für jedes Pixel des ursprünglichen Bildes (i, j), das zu einem durch Ringe definierten Bereich Rm gehört, wird ein neuer Pixelwert p wie folgt berechnet:

(j, j) = p (i, j) -b (Rm)

Die Werte ergeben das neue Bild, das weitgehend frei von Ringartefakten ist.

Um die Probleme weiter zu eliminieren, die sich aufgrund hoher Randwerte ergeben, die z. B. zwischen weichem Gewebe und Knochen oder Luft auftreten, können die CT-Werte des ursprünglichen Bildes vor der Randverstärkung nach folgenden Gleichungen modifiziert werden:

p_* (i, j) = p (i, j) für t₂ < p (i, j) < t₂

p_* (i, j) = t₂ für t₂ p (i, j)

p_* (i, j) = t₁ für t₁ p (i, j)

wobei p_* die Pixelwerte der modifizierten Bilder sind.

Mit vorliegender Erfindung wird somit eine zweckmäßige Anordnung zum weitgehenden Entfernen von Ringartefakten aus Bildern bei Rotations-CT-Abtastern vorgeschlagen.

Claims

1. Anordnung zum Korrigieren von Ringartefakten in Bildern von Objekten, die durch Rotations-CT-Abtastvorrichtungen erhalten werden, wobei ein Originalbild mit Ringartefakten erzeugt wird, das aus einem Echtbild ohne Ringartefakte und einem überlagerten Bild aus Ringartefakten besteht, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, die

(a) die Ringintensität des Originalbildes verstärkt und ein ringverstärktes Originalbild erzeugt,
(b) das ringverstärkte Originalbild in konzentrische Ringflächen unterteilt, die um einen Punkt im Originalbild zentriert sind, der der Drehachse der Abtastvorrichtung entspricht,
(c) den Mittelwert aller Bildelemente innerhalb der definierten Ringbereiche bestimmt,
(d) die bestimmten Mittelwerte aller Bildelemente in jedem definierten Ringbereich von jedem Bildelement des Originalbildes in dem definierten Ringbereich subtrahiert, und
(e) die durch diese Subtraktion erhaltenen Differenzwerte als die Bildelementwerte für jedes der Bildelemente in den definierten Ringbereich verwendet, um ein im wesentlichen ringartefaktfreies Bild zu gewinnen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Ringintensitäten des Originalbildes vor der Bestimmung des Mittelwertes aller Bildelemente in jedem der definierten Ringe oder Ringsektoren verstärkt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Gewinnung des ringartefaktfreien Bildes

(a) das Originalbild in Sektoren unterteilt,
(b) den Mittelwert aller Bildelemente in jedem der Sektoren des Ringes bestimmt,
(c) den Mittelwert aller Bildelemente in jedem der Sektoren der definierten Ringflächen von allen Bildelementen des Originalbildes in jedem der Sektoren der definierten Ringbereiche substrahiert, und
(d) die Differenzwerte zum Rekonstruieren eines im wesentlichen ringartefaktfreien Bildes verwendet.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Sektoren in radiale Sektoren teilt.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie das Originalbild so modifiziert, daß extreme Pixelwerte eliminiert werden.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch Modifizieren des Originalbildes ein modifiziertes Bild nach folgenden Gleichungen umfaßt wird p_* (i, j) = p (i, j) für t2 < p (i, j) < t1p_* (i, j) = t2 für t2 p (i, j) undp_* (i, j) = t1 für t1 p (i, j),wobei p_* (i, j) Pixelwerte des modifizierten Bildes p (i, j) Pixelwerte des Originalbildes und t1 und t2 Schwellwerte sind.

7. Anordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie das Originalbild in Bildelemente mit Intensitätswerten gleich q (i, j) unterteilt, und die Ringverstärkung die Erzeugung von Werten q (i, j) für die Pixelwerte p (i, j) unter Verwendung folgender Gleichung einschließt: q (i, j) = Ap (i, j) + B avn (p (i, j)) +C,wobei A und B Konstanten sind, üblicherweise etwa +1 und -1,
p (i, j) der Originalintensitätswert des Bildelementes (i, j) ist,
avn (p (i, j)) die mittlere Intensität von n×n Bildwerten, zentriert in (i, j) ist,
i, j Lagebestimmungsgrößen sind,
n eine positive ganze Zahl ist, und
C eine Konstante, üblicherweise gleich 0 ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsschaltung den mittleren Ringartefakt-Bild elementintensitätswert für jeden definierten Ringbereich durch folgende Schritte berechnet:

(a) Es wird der mittlere Intensitätswert av(Rm) der ringverstärkten Bildelemente q (i, j) bestimmt, die zu jeder definierten Ringfläche gehören und die weiter als innerhalb der Schwellwerte liegend definiert sind, derart, daß (C+T1) < q (i, j) < (C-T2).
(b) Es werden Ringartefaktwerte r(Rm) für die Bildwerte innerhalb jeder definierten Ringfläche (Rm) bestimmt, derart, daß r(Rm) = av (Rm) - av, wobeiC eine Konstante üblicherweise = Null ist, avn der Mittelwert von Bildelementen ist, die Schwellwertgrenzwerte haben,
q (i, j) eine definierte Fläche des Bildes, z. B. das vollständige Bild ist,
T1 und T2 Schwellwerte innerhalb t1 und t2 sind, und
Rm ein Lagebestimmungswert ist, der sich auf Ringzahlen bezieht.

9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Ringartefaktbildelementintensitätswert für jeden radialen Sektor nach folgenden Schritten berechnet wird:

(a) Es wird die mittlere Intensität av (Rm, Sn) der randverstärkten Bildelemente bestimmt, wobei q (i, j) zu jedem der radialen Sektoren gehört, die weiter als innerhalb der Schwellwerte befindlich definiert sind, derart, daß (C+T1) < q (i, j) < (C-T2) .
(b) Es werden Ringartefaktwerte r (Rm, Sn) für die Bildelemente innerhalb jedes der radialen Sektoren (Rm, Sn) bestimmt, derart, daß r (Rm, Sn) = av (Rm, Sn) - av, wobeiC eine Konstante üblicherweise gleich Null ist,
avn der Mittelwert von Bildelementen ist, wobei der Schwellwert auf Werte q (i, j) in einer bestimmten definierten Fläche des Bildes, z. B. das vollständige Bild, ist,
T1 und T2 Schwellwerte sind, und
Rm, Sn Positionsbestimmungswerte sind, die sich auf Ringzahlen und Sektorzahlen beziehen.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein

(a) Korrekturwert r (Rm, Sn) für jedes Bildelement des Ringartefaktbildes gewonnen wird,
(b) die Korrekturwerte r (Rm, Sn) so modifiziert werden, daß sie weiche Änderungen beim Übergang von dem einen in den anderen Sektor ergeben, wenn das Bildelement nahe der Grenze des anderen Sektors ist, und daß die Korrekturwerte folgenden Bedingungen entsprechen: b (Rm) = r (Rm, Sn) + r (Rm, Sn-1)/2 .

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das ringartefaktfreie Bild aus Bildwerten (p (i, j) nach folgender Gleichung erhalten wird: p (i, j) = p (i, j) - b (Rm) ,wobei p (i, j) die Bildwerte des Originalbildes bestimmt.

12. Anordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Originalbild modifiziert wird, bevor die Randverstärkung vorgenommen wird, um hohe Ringwerte zu vermeiden.