DE3726595C2

DE3726595C2 -

Info

Publication number: DE3726595C2
Application number: DE3726595A
Authority: DE
Inventors: David James Greendale Wis. Us Nowak
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1986-08-11
Filing date: 1987-08-10
Publication date: 1993-06-03
Also published as: GB2194870B; JPH0679343B2; AU595881B2; FR2602602B1; JPS6388688A; US4858128A; FR2602602A1; IL82607A0; GB8718423D0; AU7319787A; GB2194870A; DE3726595A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtung für die Korrektur von Gegenstandsbewegung in einem Abbildungssystem, mit dem aufeinanderfolgende Ansichten aus verschiedenen Po sitionen aufgenommen werden, wobei jede Ansicht eine zweidimensionale Projektion des dreidimensionalen Ge genstandes repräsentiert, gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 und des Anspruches 6.

Obwohl die vorliegende Erfindung in anderen Arten von Abbildungssystemen benutzt werden kann, wie bei der Abbildung der computerisierten Röntgentomographie, wird der Konkretheit der Beschreibung wegen die folgende Of fenbarung auf ein tomographisches Emissionssystem ge richtet.

Eine interessierende Art von emissionstomographi schem System ist das computerisierte Tomographiesystem mit Einzelphotonenemission (SPECT), bei dem ein schwach strahlender Gammaemitter in den Körper eines Patienten injiziert wird. Der Gammastrahlenemitter ist üblicher weise von einer Art, die vorzugsweise zu einem Organ wandert, dessen Bild aufgenommen werden soll. Ein groß flächiger planarer Gammastrahlendetektor weist die senkrecht zu seiner Ebene von dem Körper emittierten Gammastrahlen nach. Diese Information wird in M×N Zeilen×Spalten von Elementen, die Pixel genannt werden, digital als ein Bild gespeichert. Die Werte von M und N sind üblicherweise einander gleich und betragen gewöhnlich 64 oder 128 Einheiten oder Pixel über die beiden Dimen sionen des Bildes.

Ein SPECT-System verwendet eine Mehrzahl von An sichten, von denen jede dadurch aufgenommen wird, daß man einen Detektor parallel oder in einem Winkel um ei ne festgelegte Achse anordnet. Der Winkel wird zwischen den Ansichten in gleiche Stufen unterteilt. Die so auf genommenen Bilder werden in einem Computer verarbeitet, um Bilder von Transaxialschnitten des Körpers zu kon struieren. Das Verarbeiten im Computer nutzt Teile je der aufeinanderfolgenden Ansicht, um jeden transaxialen Schnitt zu rekonstruieren. Wenn der abgebildete Körper zwischen aufeinanderfolgenden Ansichten die Position ändert, dann sind die Daten einer Ansicht nicht richtig mit den Daten anderer Ansichten ausgerichtet. Als Folge können die aus den Daten rekonstruierten Bilder ver schwommen sein oder Artefakte der Verzerrung im Abbil dungsverfahren enthalten, die keine tatsächlichen Ei genschaften des abgebildeten Gegenstandes repräsentie ren.

Um die Strahlungsdosis, der der Patient ausge setzt ist, möglichst gering zu halten, haben die inji zierten Gammastrahlenmaterialien eine relativ geringe Radioaktivität. Folglich erfordert jede Ansicht eine beträchtliche Zeit von z.B. etwa 40 Sekunden zur Her stellung. Werden insgesamt 64 Ansichten auf einem 360° Bogen erwünscht, die winkelmäßig einen Abstand von 5,6° voneinander haben, dann erfordert das gesam te Abbildungsverfahren etwa 40 Minuten. Ein Verschmie ren oder Verzerren kann auftreten, wenn sich der abge bildete Körper um eine Distanz in der Größenordnung ei nes Bildpixels bewegt. Ein typisches Bildpixel hat etwa 0,5 cm². Einen menschlichen Körper 40 Minuten inner halb von 0,5 cm stillzuhalten ist schwierig, wenn nicht unmöglich. Körperbewegung und sich daraus ergebende Bildverschlechterung sind daher üblich.

Das Auftreten von Körperbewegung kann aus den aufgezeichneten Daten in einem Verfahren, das Filmmodus genannt wird, nachgewiesen werden, wobei der gesamte Satz von Ansichten, der beim Abtasten erhalten wurde, eine nach der anderen gezeigt wird, um ein simuliertes Bewegungsbild zu erzeugen, anhand dessen die Bedie nungsperson feststellen kann, ob während der Datensamm lung ein unannehmbares Ausmaß an Körperbewegung statt gefunden hat. Diese Technik ist im Grunde eine Quali tätskontrolle, um zu bestimmen, ob die gesammelten Da ten brauchbar sind. Sind die Daten nicht brauchbar, dann bestehen die Alternativen darin, entweder die wäh rend der Bildinterpretation gesammelten Daten in geeig neter Weise zu verwerfen oder die Datensammlung zu wie derholen. Diese Technik bietet kein Mittel zur Korrek tur der Daten, um von der Bewegung stammende Fehler zu entfernen. Darüberhinaus ist die Bestimmung durch die Bedienungsperson zumindest teilweise subjektiv und so mit einem Fehler der Bedienungsperson unterworfen.

Ein weiterer Weg zum Nachweis von Körperbewegung wird Sinogramm genannt, das ein Bild ist, erzeugt durch Zeigen der gesammelten Daten, die später zum Konstruie ren einer transaxialen Schicht benutzt werden. Die Be dienungsperson verläßt sich auf die Beobachtung von Ar tefakten der Körperbewegung durch visuelles Nachweisen gewisser Verzögerungen im Sinogramm. Wie beim Filmmodus ist dies in erster Linie eine Qualitätskontrolltechnik und gestattet nicht die Korrektur von durch Bewegung entstandenen Fehlern. Es leidet in gleicher Weise an der Notwendigkeit der subjektiven Beurteilung durch die Bedienungsperson.

Eine weitere Technik, wie sie z.B. in einem Arti kel von J.S. Flemming "A Technique for Motion Correc tion in Dynamic Scintigraphy" im "European Journal of Nuclear Medicine", Band 9, Seiten 397 bis 402 (1984) offenbart ist, verwendet Gammastrahlen emitierende Punktquellen, die dem abgebildeten Körper verabreicht sind. Die Punktquellen werden zusammen mit dem Rest des Körpers abgebildet. Eine nachgewiesene Bewegung der Punktquellen kann in einem Qualitätskontrollverfahren benutzt werden und kann ausreichend Daten liefern, um manuelle Korrekturfaktoren auf einige der beeinflußten Daten anzuwenden. Diese Technik leidet an dem Nachteil, daß die Anwesenheit der Punktquellen die Strahlungsdo sis, der der Körper ausgesetzt ist, erhöht. Außerdem werden die Punktquellen während der Datensammlung auf dem gesamten Kreis manchmal an Stellen angeordnet, an denen sie durch den Körper von der Detektorreihe abge schirmt sind. Der Durchgang durch den Körper kann die Gammastrahlung stark schwächen und so die Möglichkeit beeintrachtigen, diese Punktquellen zu lokalisieren.

Eine automatisierte Technik zur Bewegungskorrek tur in einem Angiographiesystem ist in einem Artikel von Alain Venot und V. LeClerk "Automated Correction of Patient Motion and Gray Values Prior to Subtraction in Digitized Angiography" in den "IEEE Transactions of Me dical Imaging", Band M 1-3, Nr. 4, Seiten 179 bis 186, Dezember 1984, offenbart. Diese Technik maximiert ein deterministisches Zeichenveränderungskriterium mit Be zug auf zwei Translationsverschiebungen und einen kon stanten Wert. Sind die Verschiebungen und der konstante Wert derart, daß das erhaltene geräuschfreie Bild nahe bei Null ist, dann erzeugt jegliches Geräusch im Bild eine Signalverschiebung, die mit Bezug auf Null entwe der positiv oder negativ ist. Beim Nullsignal (nur des Geräusches) ist die Wahrscheinlichkeit der Änderung des Signals von Plus nach Minus oder umgekehrt 0,5. Dies erzeugt die maximale Zahl von Zeichenveränderungen. Nicht optimale Werte des Kriteriums ordnen das erhalte ne Bild weiter weg von Null an, und das überlagerte Ge räusch hat eine geringere Wahrscheinlichkeit der Erzeu gung einer Zeichenveränderung. Das Maximieren der Zei chenveränderung kompensiert daher am besten die Patien tenbewegung.

Gegenstand der DE-PS 24 40 530 ist eine Einrichtung zum Vergleichen zweier zeitlich veränder licher Binärsignale, wobei dieser DE-PS in Spalte 2, Zeilen 54 bis 63, zu entnehmen ist, daß ein wichtiges Anwen dungsgebiet einer derartigen Einrichtung die Strömungsgeschwindigkeit- und Durchflußmessung mittels an sich bekannter Verfahren ist, bei denen die Strömungsgeschwindigkeit durch Ermittlung der Zeitverzögerung zwischen zwei miteinander in Beziehung stehenden Rauschsignalen bestimmt wird, die an zwei mit Abstand entlang des Strömungsweges angeordneten Meßstellen abgeleitet werden, wobei diese Zeitverzögerung der Strömungsgeschwindigkeit umgekehrt proportional ist.

Gegenstand der DE-OS 33 18 303 ist eine Musterlagen-Erkennungsvorrichtung mit einer Bildaufnahme einheit zum Aufnehmen eines Bildes eines zu untersuchenden Musters und zur Abgabe eines Bildsignals entsprechend diesem Muster.

Der Seite 7 dieser OS ist im Absatz 3 zu entnehmen, daß die der dortigen Erfindung zugrunde liegende Aufgabe die Schaffung einer Musterlagen-Erkennungsvorrichtung ist, mit welcher der Zeitaufwand für den Vergleich der betreffenden Muster verkürzt und damit die Geschwindigkeit der Ausführung der Mustererkennung erhöht werden kann.

Ein weiterer Artikel von Manbir Singh et al, "A Digital Technique for Accurate Change Detection in Nu clear Medical Images - With Application to Myocardial Perfusion Studies Using Thallium-201", in IEEE Transac tions on Nuclear Science, Band NS-26, Nr. 251, Seiten 565 bis 575, Februar 1979, versucht die Registrierung getrennter Bilder, die in lntervallen von z. B. einer Woche aufgenommen sind, wobei eines der Bilder unter körperlicher Belastung und das andere unbelastet aufge nommen ist. Das in diesem Artikel beschriebene Verfah ren erfordert anders als die automatische Technik nach der vorliegenden Erfindung die Mitwirkung des Benutzers.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei denen die nachgewiesene Bewegung durch geeignetes Verschieben späterer Daten, um diese mit früheren Daten auszurichten oder umgekehrt, entfernt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 bzw. des Patentanspruches 6 gelöst.

In einer Ausführungsform werden alle Helligkeits werte parallel zu den X-Achsen von zwei aufeinanderfol genden Ansichten summiert, um zwei eindimensionale Rei hen zu entwickeln, die Information über das Hellig keitsmuster in der Y-Richtung enthalten. Eine der bei den eindimensionalen Reihen wird verschoben, und die beiden eindimensionalen Reihen werden Pixel für Pixel multipliziert und die Produkte summiert, um ein Maß der Ähnlichkeit zwischen den Helligkeitsmustern in den bei den eindimensionalen Reihen zu erhalten. Wiederholte Verschiebungen erzeugen eine Korrelationsfunktion, die in Beziehung steht zur Verschiebungsposition, bei der sie auftreten. Die Verschiebungsposition, die ein Maxi mum in der Korrelationsfunktion erzeugt, ist ein gutes Anzeichen für das Ausmaß an Bewegung, das zwischen den beiden Ansichten aufgetreten ist. Die nachgewiesene Be wegung kann dann dazu benutzt werden, die Bedienungs person darauf hinzuweisen, daß die Daten fehlerhaft sind oder um die automatische Ausrichtung aller Daten von einer Abtastung zu gestatten. Ein identisches Ver fahren kann dadurch ausgeführt werden, daß man Daten parallel zur Y-Achse summiert, um in gewissen be schränkten Fällen Bewegung längs der X-Achse nachzuwei sen und zu korrigieren.

Um Verschiebungen in der Y (axialen)-Richtung nachzuweisen, erhält man eine eindimensionale Reihe von Werten durch Summieren aller Pixelwerte in der X-Rich tung für jeden Wert von Y. Diese Reihe ist somit eine Folge von Werten als eine Funktion von Y. Für den Fall der idealen Projektion von Bildern sind die Werte die ser Reihe nicht eine Funktion des Ansichtswinkels um die Rotationsachse, bei der die Daten erforderlich sind. Die Daten in der Y-Reihe sind daher unabhängig vom Ansichtswinkel die gleichen. Im Falle der Emis sionstomographie, bei der Photonenschwächungswirkungen von Bedeutung sind, gibt es einige Unterschiede in den Y-Reihen-Werten als Funktion des Ansichtswinkels. Da der Vergleich jedoch von einem Ansichtsbild mit dem nächsten vorgenommen wird, arbeitet das Nachweisverfah ren auch in diesem Falle zuverlässig.

Um Verschiebungen in der X (tangentialen)-Rich tung nachzuweisen, erhält man eine eindimensionale Rei he von Werten durch Summieren aller Pixelwerte in der Y-Richtung für jeden Wert von X. Diese Reihe ist somit eine Folge von Werten als eine Funktion von X. Für den Fall idealer Projektionsbilder ändern sich die Werte dieser Reihe im allgemeinen beträchtlich als Funktion des Ansichtswinkels. Jeder einzelne Punkt im Gegen standsraum erzeugt eine sinusförmige Variation in der X-Richtung als Funktion des Ansichtswinkels. Komplexe Bilder erzeugen so Reihen von Werten, die von der einen Ansicht zur nächsten nicht gut korreliert sind. Das be schriebene Verfahren kann daher im allgemeinen nicht dazu benutzt werden, Gegenstandsverschiebungen in der X-Richtung nachzuweisen.

Es wurde jedoch festgestellt, daß man im Falle der Emissionstomographie häufig den Fall trifft, bei dem im wesentlichen eine verteilte Aktivitätsgrenze vorliegt. In diesem Falle arbeitet das Korrelationsver fahren, da es einen Wert für die Datenverschiebung von einer Ansicht zur nächsten erzeugt. Diese Verschiebung wird dann mit der erwarteten sinusförmigen Verschiebung verglichen, und der Unterschied ergibt ein Maß für die Patientenbewegung in der X-Richtung.

Kurz gesagt schafft die vorliegende Erfindung ein Abbildungssystem einer Art, das eine Vielzahl von X-Y- Matrizes erzeugt, die Projektionsansichten eines Gegen standes für die spätere Rekonstruktion unter Verwendung von Teilen einer Vielzahl der Ansichten repräsentiert. Das Abbildungssystem wendet Korrelationstechniken zum Bestimmen des Ausmaßes der Bewegung längs der X- und Y-Achse an. Die nachgewiesene Bewegung kann durch ge eignetes Verschieben späterer Daten, um sie mit frühe ren Daten auszurichten oder umgekehrt, entfernt werden.

In einer Ausführungsform werden alle Helligkeits werte parallel zur X-Achse von zwei Ansichten summiert, um zwei eindimensionale Reihen zu entwickeln, die In formation über die Helligkeitsmuster in der Y-Richtung enthalten. Eine der beiden eindimensionalen Reihen wird verschoben, die beiden eindimensionalen Reihen werden Pixel für Pixel multipliziert und die Produkte sum miert, um ein Maß für die Ähnlichkeit zwischen den Hel ligkeitsmustern in den eindimensionalen Reihen zu er halten. Wiederholte Verschiebungen erzeugen eine Korre lationsfunktion, wobei die Verschiebungsposition von deren Maximum eine gute Annäherung an das Ausmaß der Bewegung ist, die zwischen den beiden Ansichten aufge treten ist. Die nachgewiesene Bewegung kann dazu be nutzt werden, die Bedienungsperson darauf hinzuweisen, daß die Daten fehlerhaft sind oder um eine automatische Ausrichtung aller Daten einer Abtastung zu gestatten. Ein identisches Verfahren kann längs der Y-Achse ausge führt werden, um in gewissen beschränkten Fällen Bewe gung längs der X-Achse nachzuweisen und zu korrigieren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in Verbindung mit der Zeichnung erläutert, in der gleiche Bezugsziffern gleiche Elemente bezeichnen. Im einzelnen zeigt:

Fig. 1 ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines emissionstomographischen Abbildungssystems,

Fig. 2 eine schematische Darstellung auf die im Zusam menhang mit der Beschreibung der Art und Weise Bezug genommen wird, in der aus Teilen einer Vielzahl von An sichten in dem tomographischen Abbildungssystem der Fig. 1 ein Sinogramm konstruiert wird,

Fig. 3A bis 3C vereinfachte Helligkeitskurven, auf die im Zusammenhang mit der Erläuterung der von der vorliegenden Erfindung benutzten Korrelie rungstechnik Bezug genommen wird,

Fig. 4 die Korrelationsfunktion der vereinfachten Hel ligkeitskurven der Fig. 3A bis 3C,

Fig. 5 eine schematische Ansicht, die die Korrela tionstechnik erläutert, die benutzt wird, um in zwei aufeinanderfolgenden Ansichten die Verschiebungsdaten abzuleiten,

Fig. 6 einen Satz von Kurven, der zeigt, wie die Kor relationsdaten, die in der Vorrichtung der Fig. 5 ge wonnen wurden, analysiert werden können, um die auf ei nes der Bilder anzuwendende Verschiebung nachzuweisen, und

Fig. 7 ein funktionelles Blockdiagramm eines Abbil dungssystems, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benutzt.

In Fig. 1 ist ein Patient 10 in einer nicht dar gestellten Weise im Zentrum eines Abtastpfades gela gert, der mittels eines planaren Gammastrahlendetektors 14 hergestellt worden ist. Zur Vorbereitung des Abta stens erhält der Patient eine Injektion einer radioak tiven Substanz mit einer ausgeprägten Affinität für ein Körperorgan 16, von dem Bilddaten gewünscht werden. Die radioaktive Substanz bewegt sich vorzugsweise zu dem Körperorgan 16 und macht dieses dadurch zu einer radio aktiven Quelle, wie durch die Strahlen 18 angedeutet. Obwohl die Strahlen 18 in alle Richtungen gehen, rea giert der planare Gammastrahlendetektor 14, wie üblich, nur auf solche Strahlen, die im wesentlichen senkrecht zu seiner Ebene ankommen.

In einer in durchgezogenen Linien dargestellten Position zeigt der planare Gammastrahlendetektor 14 ei ne rechteckige Reihe von M×N Strahlungsdichten an, wobei jede Dichte einen Elementarquader (Pixel) eines planaren Bildes darstellt, das später auf einem geeig neten Sichtgerät dargestellt werden kann. M und N sind üblicherweise einander gleich und betragen gewöhnlich 64×64 oder 128×128 Pixel. Jedes Bild wird als eine Ansicht bezeichnet. Die gesammelten Pixelwerte der An sicht werden für die Speicherung und die weitere Verar beitung einem Computer 20 zugeführt, wie noch erläutert wird.

Nach Vervollständigung einer Ansicht wird der planare Gammastrahlendetektor 14 stufenweise jeweils um einen vorbestimmten Winkel in eine durch die gestri chelten Linien dargestellte Position nach und nach um den Abtastpfad 12 herum bewegt, wobei er jeweils immer nur auf die Strahlung anspricht, die senkrecht zu sei ner Ebene ankommt, wie durch den gestrichelten Strahl 18′ angedeutet. Die Ansicht in dieser Position wird ebenfalls zu einem Computer 20 übertragen. Dieses Ver fahren wird vervollständigt durch stufenweises Bewegen des planaren Gammastrahlendetektors 14 in gleiche Win kelpositionen über einen Bogen von 180° oder 360° um den Patienten 10 herum, wobei man in jeder Position eine Ansicht aufnimmt und die Daten im Computer 20 speichert. Die Winkelstufen können z.B. etwa 5,6° be tragen, um über 360° 64 Ansichten zu erzeugen. Es ist üblich, so viele Ansichten über 360° aufzunehmen, als Pixel in einer Dimension in einer Ansicht vorhanden sind.

Für die Zwecke der späteren Beschreibung ist eine Y-Achse als eine Achse im planaren Gammastrahlendetek tor 14 definiert, die parallel liegt zu einer Rota tionsachse 22 des planaren Gammastrahlendetektors 14. Eine X-Achse ist als eine Achse in einem planaren Gam mastrahlendetektor 14 definiert, die senkrecht zu der Y-Achse liegt.

In Fig. 2 ist eine Ansicht 24 als eine recht eckige Anordnung von horizontalen Zeilen 26 und verti kalen Spalten 28 dargestellt. Obwohl die tatsächlichen Ansichten üblicherweise 64×64 oder 128×128 Pixel aufweisen, vermindert die geringere Anzahl von Pixel auf eine 8×8-Anordnung die Komplexizität der Zeich nung ohne das Verstehen des beschriebenen Verfahrens zu beeinträchtigen. Die dritte Zeile 26 aufeinanderfolgen der Ansichten 24 bildet den Rest der Zeilen des Sino grammbildes 30. Die Daten des Sinogramms werden dann dazu benutzt, ein transaxiales Schichtbild unter Anwen dung üblicher Rekonstruktionstechniken, wie z.B. der gefilterten Rückprojektion (filtered back-projection) bzw. des Faltungsverfahrens herzustellen. Auf diese Weise können so viele transaxiale Schichtbilder erzeugt werden, wie es Zeilen 26 gibt.

Da die Datensammlung in aufeinanderfolgenden An sichten 24 um eine beträchtliche Zeit getrennt ist, kann eine Bewegung des abgebildeten Körpers Daten in einer Ansicht 24 gegenüber denen in benachbarten An sichten 24 verschieben. Folglich kann ein aus den Daten in einem Sinogramm erzeugtes transaxiales Bild ver schwommen sein oder aufgrund der Bewegung Artefakte enthalten, die zu fehler- oder mangelhaften Diagnosen führen.

In der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß die Bilddaten in aufeinanderfolgenden Ansichten da zu benutzt werden können, das Ausmaß der Bewegung zu bestimmen, das dazwischen stattfindet, wobei die so ge wonnene Information zum Korrigieren der Daten und somit zur Entfernung der Auswirkungen der Bewegung benutzt werden kann.

Während der planare Gammastrahlendetektor 14 (vgl. Fig. 1) stufenweise von einer Position zur näch sten bewegt wird, sind die benachbarten Ansichten 24, obwohl verschieden, hinsichtlich ihres Helligkeitsmu sters dem vorhergehenden jedoch recht ähnlich. Diese Ähnlichkeit ist groß genug, um die Anwendung von Quer korrelationstechniken zwischen benachbarten Ansichten 24 zu ermöglichen, um damit das Auftreten von Bewegung zwischen zwei Ansichten 24 nachzuweisen und das Ausmaß einer solchen Bewegung zu bestimmen.

In Fig. 3A ist ein vereinfachtes Helligkeitsmu ster einer Aufeinanderfolge von Pixeln in einer Spalte der Ansicht N dargestellt, wobei die Helligkeiten auf maximal vier Werte beschränkt sind. Der zweite und der siebte Pixel haben eine Helligkeit von zwei, der vierte Pixel eine solche von vier und alle übrigen Pixel haben eine Helligkeit von eins. Ein tatsächliches Bild hat jedoch sehr viel mehr Pixel und sehr viel mehr Hellig keitswerte.

In Fig. 3B ist ein entsprechendes Helligkeitsmu ster in der Ansicht N+1 dargestellt, bei der keine Bildverschiebung aufgetreten ist. Es ist festzustellen, daß das Muster von Helligkeit und Dunkelheit in Fig. 3B ähnlich, aber nicht identisch dem Muster in Fig. 3A ist. Das bedeutet, die Spitzen treten in entsprechenden Pixeln auf.

Das Problem und ein Vorschlag zu seiner Lösung sind in Fig. 3C dargestellt, das die Ansicht N+1 zeigt, bei der die Daten zwei Pixel nach rechts ver schoben wurden. Im verschobenen Muster ist die Spitze im Pixel 6 z.B. falsch angeordnet. Es sei angenommen, daß diese eindimensionalen Anordnungen die Wertereihen darstellen, die erhalten werden, wenn Projektionsan sichtsbilder in der X-Richtung summiert werden. Die Abszissendimension "Pixel" in den Fig. 3A bis 3C entspricht der oben definierten Y-Dimension. Wie in der Beschreibung des Sinogramms erläutert, werden die Da ten, die dazu benutzt werden, eine besondere transaxia le Schicht zu rekonstruieren, aus der gleichen Y-Reihe in allen Ansichtsbildern erhalten. Wenn die Daten in Fig. 3A die korrekte Y-Position veranschaulichen, dann repräsentieren die der Fig. 3C Daten eines Bildes, bei dem der abgebildete Gegenstand sich mit Bezug auf die richtige Lage in der Y-Richtung verschoben hat. Wird eine transaxiale Schichtrekonstruktion unter Verwendung solcher aufgrund von Bewegung verschobener Daten ver sucht, dann sind die aus der Fig. 3C ausgewählten Da ten für diese besondere Schicht des Körpers inkorrekt. Stattdessen werden Daten einer anderen Schicht ausge wählt.

Der Vorschlag für eine Lösung ergibt sich aus der Tatsache, daß trotz der Verschiebung des Musters in Fig. 3C um zwei Pixel nach rechts seine Gestalt der Ge stalt des Musters im vorhergehenden Bild in Fig. 3A recht ähnlich ist. In der vorliegenden Erfindung wird diese Ähnlichkeit der Gestalt dazu benutzt, festzustel len, wie weit das Muster in Fig. 3C verschoben sein muß, um die beste Übereinstimmung mit dem Muster in Fig. 3A zu finden. Das Ausmaß der so festgestellten Ver schiebung kann dann auf die digital gespeicherten Daten angewendet werden, um die Bilder, die den verschobenen Daten der Fig. 3C entsprechen, mit denen, die den Da ten der Fig. 3A entsprechen, so auszurichten, als ob die Verschiebung nicht stattgefunden hat. Dies entfernt Artefakte der Bewegung aus den aus diesen Daten rekon struierten transaxialen Schichtbildern.

Sind die Positionen aller Pixel in Fig. 3C um mehrere Pixel nach rechts oder links verschoben, und werden die Helligkeitswerte des Pixels im verschobenen Muster der Fig. 3C mit dem Helligkeitswert jedes ent sprechenden Pixels in Fig. 3A multipliziert und die Ergebnisse aller Multiplikationen summiert, dann ergibt die Summe ein Maß der Ähnlichkeit zwischen den beiden Mustern. Ist die angewendete Verschiebung derart, daß die Muster sehr genau zueinander passen, erhält man ei nen maximalen Wert für die Summe. Dies entspricht dem Bewegen des verschobenen Musters der Fig. 3C in die Position, die von dem nicht verschobenen Muster der Fig. 3B eingenommen wird.

In Fig. 4 sind die Summen der Ergebnisse für die vereinfachten Muster der Fig. 3A und 3C für Ver schiebungen von minus drei bis zu plus drei Pixel dar gestellt. Es ist festzustellen, daß die mit einer Ver schiebung von minus zwei Pixel gefundene Summe be trächtlich größer als die aller anderen Summen ist. Dies sollte auch erwartet werden, da das Muster in Fig. 3C um zwei Pixel in der positiven (rechten) Rich tung verschoben ist. Die Spitze bei einer Verschiebung von minus zwei kann dazu benutzt werden, sowohl das Auftreten einer Bewegung zwischen den Ansichten anzu zeigen als auch Daten für die automatische Korrektur der Daten zu gewinnen, um die Bewegung zu eliminieren und die Bildqualität wiederherzustellen, die ohne Auf treten der Bewegung erhältlich wäre.

Die Helligkeitsmuster in den Fig. 3A bis 3C sind sehr viel einfacher als bei einem tatsächlichen Bild. Außerdem ignoriert die vereinfachte Beschreibung die Möglichkeit der Bewegung in zwei Dimensionen.

In Fig. 5 ist das Verfahren für das komplexere tatsächliche Bild dargestellt. Die Vereinfachung auf grund der Begrenzung der Abmessungen der Ansicht 24 auf 8×8 Pixel wird während der folgenden Beschreibung beibehalten. Die Helligkeitswerte aller Pixel in jeder Zeile 26 der Ansicht N werden summiert, um eine eindi mensionale X-Summenreihe 32 zu erhalten. Eine ähnliche Operation wird bei jeder Zeile 26 der Ansicht N+1 vor genommen. Die beiden X-Summenreihen 32 werden verscho ben, dann Pixel für Pixel in einem Y-Korrelator 34 in der mit Bezug auf die Fig. 3A bis 3C beschriebenen Weise miteinander multipliziert, um das Auftreten einer Spitze (eines Peaks) festzustellen. Eine Verschiebung, bei der ein solcher Peak gefunden wird, zeigt das Aus maß der Bewegung längs der Y-Achse, das zwischen den Ansichten N und N+1 aufgetreten ist. Ein Y-Verschie bungssignal, das diese Information enthält, wird auf einer Leitung 36 ausgegeben. Neben seiner Brauchbarkeit bei der Anzeige des Auftretens einer Bewegung kann das Signal der Leitung 36 auch dazu benutzt werden, ent sprechende Pixel längs der Y-Achse in den Ansichten N und N+1 so auszurichten, als ob keine Bewegung stattge funden hat.

In ähnlicher Weise werden die Helligkeitswerte in jeder Spalte 28 der Ansicht 24 der Ansichten N und N+1 summiert, um zwei Y-Summenreihen 38 zu bilden, die ver schoben, in einem X-Korrelator 40 multipliziert und summiert werden, um ein Signal auf einer Leitung 42 zu erzeugen, das das Ausmaß der Bewegung längs der X-Achse zwischen den Ansichten N und N+1 anzeigt.

Die Maximalzahl von Pixeln, über die die Ver schiebung versucht wird, kann mit verschiedenen Anwen dungen variieren. Je kleiner die Zahl von Pixeln ist, über die die Suche nach einem Peak unternommen wird, um so rascher verläuft die Verarbeitung. Mit einer Pixel größe von etwa 0,5 cm wurde festgestellt, daß eine Be wegung, die etwa zehn Pixel (etwa 5 cm) übersteigt, sehr selten vorkommt. Tritt sie jedoch auf, dann ist sie so groß, daß man das Abbilden wahrscheinlich besser noch einmal beginnt. Der Konkretheit der Beschreibung halber und ohne eine Beschränkung zu beabsichtigen, wird in der vorliegenden Korrelationstechnik eine Ver schiebung von minus zehn bis plus zehn Pixeln angewandt.

Die tatsächliche Bewegung zwischen Ansichten er streckt sich wahrscheinlich nicht über eine ganze Zahl von Pixeln. Das heißt, die Verschiebung kann z. B. 2,7 Pixel längs der X-Achse und 5,3 Pixel längs der Y-Achse be tragen. Es wurde festgestellt, daß das Nachweisen einer Bewegung bis zu einem Bruchteil eines Pixels wertvoll ist bei der Bestimmung des genauen Ausmaßes der Ver schiebung, das auf eine Ansicht anzuwenden ist.

In Fig. 6 ist ein Korrelationshistogramm ge zeigt, bei dem der größte Korrelationswert 44, der ho rizontal gestrichelt ist, auf jeder Seite von benach barten Korrelationswerten 46 flankiert ist, die diago nal gestrichelt sind. Es wird eine Kurve 48 an den größten Korrelationswert 44 und die benachbarten Korre lationswerte 46 angepaßt gezeichnet, deren Spitze (Peak) 50 die Position der Verschiebung anzeigt, die den maximalen Korrelationswert ergibt.

In Fig. 7 ist allgemein bei 52 ein Abbildungssy stem gezeigt, das die oben beschriebenen Techniken an wendet. Ein Abbildungssystem 52 schließt eine Vorrich tung 54 zum Sammeln der Bilddaten ein, wie z.B. einen planaren Gammastrahlendetektor 14 (Fig. 1), der stu fenweise um einen (nicht dargestellten) Patienten ge führt wird, um eine N×M-Anordnung von Datenpunkten an jeder Abtastposition zu sammeln, um ein Ansichtsbild zu schaffen. Ein X-Y-Verschiebungsrechner 56, der in der in den Fig. 2 bis 6 angegebenen Weise arbeiten kann, erzeugt X- und Y-Verschiebungssignale, die an einen Verschiebungsmodul 58 angelegt werden. Obwohl andere Techniken benutzt werden können, werden bei der bevor zugten Ausführungsform die Daten der N+1-Ansicht in der beschriebenen Weise verschoben, um sie mit der N-An sicht auszurichten. Nach der zweiten Ansicht kann die N-Ansicht selbst eine verschobene Ansicht sein. Beim Verarbeiten jeder Ansicht wird sie so mit allen vorher gehenden Ansichten von der ersten zur nächsten bis zur letzten ausgerichtet.

Die erzeugten korrigierten Daten werden zu einem Speicher- oder Anzeigemodul-Sichtgerät 60 für die ange gebenen Funktionen übertragen.

Es ist nicht erforderlich, daß die in Fig. 7 an gegebenen Funktionen oder die vorbeschriebenen Korrek turfunktionen während der Datensammlung berechnet wer den. Statt dessen, und dies ist die bevorzugte Ausfüh rungsform, werden die Daten von allen Ansichten gesam melt und gespeichert. Das Verschieben erfolgt indirekt. Es mag verschiedene Vorteile geben, die für die vorlie gende Erfindung nicht von Interesse sind, die ursprüng lichen, nicht verschobenen Daten dauerhaft zu spei chern. Die vorliegende Erfindung schließt eine solche dauerhafte Speicherung und die Ableitung bewegungskor rigierter Bilddaten daraus nicht aus.

Werden Bilder über einen 360°-Bogen gesammelt, dann sollte die Summe aller Bild-zu-Bild-Verschiebungen gleich Null sein. Bei der Berechnung der Verschiebungs werte können Fehler auftreten, die die Summe der Ver schiebungen von Null differieren lassen. Die im X-Y- Verschiebungsrechner 56 berechneten Verschiebungen kön nen für alle Bilder um den 360° Winkel addiert wer den, und man kann jede Abweichung von null als Fehler wert speichern. Der Fehlerwert kann dann im Speicher oder Anzeigemodul benutzt werden, um eine Vorspannungs verschiebung abzuleiten, die an die Daten aller Ansich ten nach der ersten Ansicht angelegt wird. Die erste Ansicht bleibt unverschoben und die Daten der übrigen Ansichten werden entsprechend dem Ergebnis der Berech nung im X-Y-Verschiebungsrechner 56 plus oder minus um die Vorspannungsverschiebung verschoben.

Die vorgenannten Techniken verwenden die relativ geräuschbehafteten Daten in einer Ansicht zum Vergleich mit Daten in der vorhergehenden Ansicht zur Bestimmung des erforderlichen Ausmaßes der Korrektur. In der vor liegenden Erfindung wurde festgestellt, daß eine Ver besserung bei der Bildkorrektur erzielbar ist, indem man an den gesammelten Daten in einem Vier-Stufen-Ver fahren arbeitet, das es gestattet, den gesammten Daten satz, der bei einer vollständigen Abtastung gesammelt worden ist, dazu zu benutzen, Sätze von im wesentlichen geräuschfreien Bildern zu schaffen, auf die die Bewe gungsnachweistechniken, ggf. gekoppelt mit Bewegungs korrekturtechniken, angewandt werden können.

Statt daher die Bewegung eines Patienten bei je der Ansicht zu korrigieren, wie oben beschrieben, be nutzt die verbesserte Technik den gesammten ursprüngli chen Datensatz, um durch Rückprojektion, transaxiale Schichtrekonstruktion und Reprojektion eine Bezugsan sicht zu erzeugen, die in Beziehung steht zu jeder An sicht, deren Bewegung korrigiert werden soll. Während eines solchen Verarbeitens können Bewertungstechniken benutzt werden, um die Schwächungswirkungen zu simulie ren. Da jede Bezugsansicht Beiträge vom gesamten Daten satz und nicht nur von einer einzigen Ansicht ein schließt, wird das Geräusch in der Bezugsansicht be trächtlich vermindert.

Die Operation zur Bewegungskorrektur vergleicht die gegenwärtige Ansicht mit ihrer geeigneten Bezugsan sicht, um das erforderliche Ausmaß der Korrektur der Bewegung zu bestimmen. Wenn man daher an der Ansicht N arbeitet, um eine erforderliche Verschiebung zu bestim men, dann wird die der Ansicht N entsprechende alter nierende Ansicht für den Vergleich benutzt. Da die Be zugsansicht N im wesentlichen geräuschfrei ist, und die Schwächungswirkungen bei seiner Verarbeitung berück sichtigt worden sein können, wird die Auswirkung von Geräusch oder Schwächung auf die Verschiebungsbestim mung beträchtlich verringert. Die schließlich gespei cherten Daten können in der beschriebenen Weise ange zeigt werden.

Die obige verbesserte Technik arbeitet auf der gleichen Datengrundlage der gesammelten Ansichten wie die zuerst offenbarte Technik. Der Unterschied findet sich in den zusätzlichen Verarbeitungsstufen, die der Korrekturoperation vorausgehen. Auch hier kann der ur sprünglich gesammelte Datensatz für die weitere Verar beitung aufbewahrt werden. Es ist in der Tat vorgese hen, daß ein einziger Datensatz für eine oder beide Techniken benutzt wird, ohne daß die weitere Anwesen heit eines Patienten erforderlich ist.

In einigen Abbildungssituationen kann die erwün schte Information von einer großen Menge an Hinter grundinformation begleitet sein, die konstant ist oder langsam räumlich variiert. Es mag brauchbar sein, eine solche Hintergrundkomponente des Signals abzuschätzen und die Schätzung von den Bilddaten zu substrahieren, bevor die Berechnungen und Verschiebungen gemäß Fig. 7 vorgenommen werden.

Claims

1. Verfahren zum Korrigieren von zwischen verschiedenen Abbildungen stattfindender Bewegung in einem Abbildungssystem, umfassend:
Sammeln mindestens einer ersten und zweiten Ansicht eines Gegenstandes aus mindestens einem ersten und einem zweiten sich unterscheidenden Winkel, wobei jede der ersten und zweiten Ansichten mindestens eine von M Zeilen und N Spalten von Bilddaten einschließt;
Vergleichen eines ersten Musters der genannten Bilddaten der ersten Ansicht mit einem entsprechenden zweiten Muster von Bilddaten der zweiten Ansicht, um einen Koeffizienten zu erzeugen, der Information über eine Ähnlichkeit dazwischen enthält,
wobei die Stufe des Vergleichens das Anwenden einer Verschiebung auf eines des genannten ersten und zweiten Muster zu einer Vielzahl von Positionen einschließt, um eine Vielzahl der genannten Koeffizienten zu erzeugen, bei jeder der genannten Vielzahl von Positionen einen, und Bestimmen auf der Grundlage der genannten Vielzahl von Koeffizienten eines Wertes der genannten Verschiebung, der ein Maximum der genannten Ähnlichkeit ergibt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe des Vergleichens einschließt:
das Summieren der Helligkeit jedes Pixel in einer von jeder Zeile und Spalte der genannten ersten Ansicht, um eine erste eindimensionale Summenreihe zu ergeben;
Summieren der Helligkeit jedes Pixels in einer von jeder Zeile und Spalte der zweiten Ansicht, um eine zweite eindimensionale Summenreihe zu erzeugen;
Multiplizieren der Helligkeitswerte entsprechender Elemente in der ersten und zweiten eindimensionalen Summenreihe, um eine Vielzahl von Produkten zu erzeugen, und Summieren der Vielzahl von Produkten zur Erzeugung des genannten Koeffizienten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das weiter die Verschiebung einer der genannten ersten und zweiten Ansichten um ein Ausmaß umfaßt, das in Beziehung steht zu dem genannten Verschiebungswert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stufe des Bestimmens eines Verschiebungswertes das Anpassen einer Kurve an eine Vielzahl der genannten Koeffizienten einschließt, wobei eine Spitze dieser Kurve der genannte Wert ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Vielzahl der Koeffizienten ein Maximum eines dieser Koeffizienten und erste und zweite Koeffizienten benachbart des genannten Maximums einschließt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Vielzahl ursprünglicher Ansichten des Gegenstandes in einem Kreis um den Gegenstand herum aufgenommen werden,
Rückprojizieren der Vielzahl ursprünglicher Ansichten zur Erzeugung eines dreidimensionalen Datensatzes daraus, der den genannten Gegenstand repräsentiert;
Rückprojizieren des genannten dreidimensionalen Datensatzes zur Erzeugung einer Vielzahl von Bezugsansichten, wobei jede der Bezugsansichten M Zeilen und N Spalten einschließt, die den ursprünglichen Ansichten entsprechen und jede der ursprünglichen Ansichten eine entsprechende Bezugsansicht hat,
gekennzeichnet durch Vergleichen eines ersten Musters von Bildhelligkeitsdaten einer ursprünglichen Ansicht mit einem zweiten Muster von Bildhelligkeitsdaten seiner Bezugsansicht, um einen Koeffizienten zu erzeugen, der Information über eine Ähnlichkeit dazwischen enthält.

6. Vorrichtung zum Korrigieren von zwischen verschiedenen Ansichten stattfindender Bewegung in einem Abbildungssystem, umfassend:
eine Einrichtung zum Sammeln mindestens einer ersten und einer zweiten Ansicht eines Gegenstandes, wobei diese erste und diese zweite Ansicht aus mindestens einem ersten und einem zweiten sich unterscheidenden Winkel aufgenommen werden und jede der ersten und zweiten Ansichten mindestens eine von M Zeilen und N Spalten von Bilddaten einschließt;
eine Einrichtung zum Vergleichen eines ersten Musters der genannten Bilddaten der ersten Ansicht mit einem entsprechenden zweiten Muster von Bilddaten einer zweiten Ansicht, um einen Koeffizienten zu erzeugen, der Information über eine Ähnlichkeit dazwischen enthält, wobei die Einrichtung zum Vergleichen eine Einrichtung zum Anlegen einer Verschiebung an eines von dem ersten und zweiten Muster zu mehreren Positionen einschließt, um mehrere solcher Koeffizienten zu erzeugen, an jeder der mehreren Positionen einen, und
eine Einrichtung, die in Beziehung steht zu den mehreren Koeffizienten, um einen Wert dieser Verschiebung zu bestimmen, der ein Maximum der genannten Ähnlichkeit ergibt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Vergleichen einschließt:
eine erste Einrichtung zum Summieren der Helligkeit jedes Pixels in einer von jeder Zeile und jeder Spalte in der ersten Ansicht, um eine erste eindimensionale Summenreihe zu erzeugen;
eine zweite Einrichtung zum Summieren der Helligkeit jedes Pixels in einer von jeder Zeile und jeder Spalte in der zweiten Ansicht, um eine zweite eindimensionale Summenreihe zu erzeugen;
eine Einrichtung zum Multiplizieren der Helligkeitswerte entsprechender Elemente in der ersten und der zweiten eindimensionalen Summenreihe, um eine Vielzahl von Produkten zu erzeugen, und
eine Einrichtung zum Summieren der Vielzahl von Produkten zur Erzeugung des genannten Koeffizienten.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, die weiter eine Einrichtung umfaßt, die auf den genannten Wert der Verschiebung anspricht, um keine von der ersten und zweiten Ansicht um ein Ausmaß zu verschieben, das in Beziehung steht zu dem genannten Wert der Verschiebung.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Einrichtung zum Bestimmen eines Verschiebungswertes eine Einrichtung zum Anpassen einer Kurve an eine Vielzahl der genannten Koeffizienten einschließt, wobei eine Spitze dieser Kurve der genannte Wert ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, worin die Vielzahl der Koeffizienten ein Maximum dieser Koeffizienten und erste und zweite Koeffizienten benachbart diesem Maximum einschließt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei dem eine Vielzahl ursprünglicher Ansichten des Gegenstandes in einem Kreis um den Gegenstand herum aufgenommen sind;
eine Einrichtung zum Rückprojizieren der Vielzahl ursprünglicher Ansichten, um daraus einen dreidimensionalen Satz von Daten zu erzeugen, der den genannten Gegenstand repräsentiert;
eine Einrichtung zumn Rückprojizieren des dreidimensionalen Satzes von Daten, um eine Vielzahl von Bezugsansichten zu erzeugen, wobei jede dieser Bezugsansichten M Zeilen und N Spalten einschließt, die den ursprünglichen Ansichten entsprechen und jede der ursprünglichen Ansichten eine entsprechende Bezugsansicht hat;
gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Vergleichen eines ersten Musters der Bildhelligkeitsdaten der ersten ursprünglichen Ansicht mit einem zweiten Muster der Bildhelligkeitsdaten seiner Bezugsansicht, um einen Koeffizienten zu erzeugen, der Information über die Ähnlichkeit dazwischen enthält.