DE602004003576T2

DE602004003576T2 - Abbildung interner strukturen

Info

Publication number: DE602004003576T2
Application number: DE602004003576T
Authority: DE
Inventors: Zijp The Netherlands Cancer Institut LAMBERT; Kevin John Brown; David Jaffray; Jeffrey Siewerdsen; Marcel Van Herk; Jan-Jakob Sonke
Original assignee: Elekta AB
Current assignee: Elekta AB
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2004-01-20
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2024-01-21
Also published as: US20070025496A1; JP2006515770A; ATE347719T1; DE602004003576D1; US7356112B2; EP1614070B1; US7349564B2; US20040218719A1; WO2004066211A1; JP4354484B2; US20040234115A1; EP1614070A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Abbildung des inneren Aufbaus oder der inneren Strukturen eines Volumens. Sie betrifft insbesondere (jedoch nicht ausschließlich) die Analyse von CT-(Computertomographie-)Bildern zur Beseitigung von Artefakten und Ungenauigkeiten die durch den Atmungs-Zyklus eines Patienten hervorgerufen werden.
STAND DER TECHNIK
Vorhandene Computertomographie-(CT-)Scanner beruhen auf einer Strahlungsquelle und einem Detektor, die sich um den Patienten herum drehen und die Dämpfung des Strahls bei seinem Hindurchlaufen durch den Patienten von einer Vielzahl von Richtungen aus beobachten. Aus diesen Daten wird eine dreidimensionale Darstellung des inneren Aufbaus des Patienten berechnet.
Diese fallen in zwei voneinander verschiedene Gruppen. Erstens lenkt der einfache CT-Scanner einen schmalen „Bleistift" Strahl durch den Patienten. Jede vollständige Umdrehung führt zu einem zweidimensionalen Bild in Form einer „Scheibe" oder eines Schnittes durch den Patienten. Der Scanner (oder der Patient) wird dann schrittweise entlang der Drehachse weiterbewegt, und eine weitere Scheibe wird abgetastet. Diese Scheiben können dann zu einem dreidimensionalen Bild zusammengefügt werden.
Zweitens lenkt ein Kegelstrahl-CT-Scanner einen divergierenden Strahl in Richtung auf den Patienten, um (zu irgendeiner ausgewählten Zeit) eine zweidimensionale Projektion des gesamten interessierenden Bereichs zu erzeugen. Während sich der Strahl dreht, werden Projektionen von unterschiedlichen Richtungen erfasst und ein dreidimensionales Bild kann konstruiert werden.
Die Kegelstrahl-CT ist allgemein vorteilhaft verglichen mit einer einfachen CT, weil ihre Auflösung in allen Richtungen gleich ist. Die einfache CT hat eine hohe Auflösung in der Ebene jeder Scheibe doch ist die Auflösung senkrecht hierzu durch die Strecke der schrittweisen Bewegung beschränkt.
Beide Techniken nehmen an, dass der Patient statisch ist. Dies ist eine ungültige Annahme für einen lebenden Patienten, weil sich einige Teile, wie zum Beispiel das Herz, die Lungen und das Zwerchfell, unvermeidbar bewegen. Während der Patient atmet, bewegen sich Strukturen um die Lungen und das Zwerchfell herum, und dies ergibt Schwierigkeiten bei der Gewinnung von Abtastungen mit guter Qualität. Bei der einfachen CT entstehen Artefakte in dem Bild; während die Scheibe schrittweise entlang des Patienten weiterbewegt wird, kann der Atmungs-Zyklus Strukturen in die zu der Zeit abgetastete Scheibe hinein und aus dieser heraus bewegen. Periodische Artefakte entwickeln sich somit in dem rekonstruierten Volumen. Bei der Kegelstrahl-CT ergeben sich einige Artefakte aus dem Rekonstruktionsprozess, doch besteht das Hauptproblem in einem Verwischen des Bildes in der Form eines Mittelwertbildungs-Prozesses.
Bei der Behandlung von Lungentumoren (beispielsweise) ist es wichtig, die Position des Tumors und dessen Bewegung zu kennen, während der Atmungs-Zyklus fortschreitet. Die zeitlich gemittelte Information, die von der Kegelstrahl-CT abgeleitet wird, ist unzureichend, weil diese nicht zwischen einem kleinen Tumor, der sich in einem Bereich befindet, und einem großen Tumor unterscheiden kann, der kurz an einem Bereich vorbeiläuft.
Bisher wurden bei der Durchführung von CT-Abtastungen des Brustkorbes die Patienten gebeten, ihre Atmung entsprechend einem externen Stimulus zu kontrollieren, oder eine Darstellung der Phase des Atmungs-Zyklus wurde ermittelt. Beispiele von Darstellungen, die verwendet wurden, schließen die örtliche Temperatur um die Nasenlöcher und die Abmessungen des Brustkorbes ein. Dies hat sich als eine gewisse Hilfe dargestellt, ist jedoch im allgemeinen unbefriedigend.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die genaue Feststellung des Atmungs-Zyklus eines Patienten ist daher ein wichtiges Diagnose- und Behandlungs-Planungs-Werkzeug für einen weiten Bereich von Zwecken.
Die vorliegende Erfindung ergibt daher eine Vorrichtung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen 1 bis 22 angegeben ist, um die innere Struktur oder den inneren Aufbau eines Volumens abzubilden, das eine interne Änderung aufweist, mit einer Quelle für durchdringende Strahlung und einem zweidimensionalen Detektor für diese Strahlung, wobei die Quelle und der Detektor so ausgelegt sind, dass sie eine Reihe von Projektionsbildern des Volumens erzeugen, mit einer Rekonstruktionseinrichtung zur Ableitung von Information hinsichtlich der dreidimensionalen Struktur in dem Volumen aus ausgewählten Bildern der Reihe, mit einer Auswahleinrichtung zum Auswählen von Bildern mit ähnlicher Phase aus der Reihe zur Verwendung durch die Rekonstruktionseinrichtung, wobei die Auswahleinrichtung so ausgelegt ist, dass sie die aus der Reihe gewonnen Bilder von zwei Dimensionen auf eine Dimension reduziert, indem sie die Intensitäten von Pixeln in einer quer zu der einen Dimension verlaufenden Richtung addiert, aus einer zeitlichen Zusammensetzung der eindimensionalen Bilder, die aus Bildern in der Reihe erhalten wurden, ein weiteres Bild erzeugt, das weitere Bild auf periodische Muster hin analysiert, und aus der Reihe Bilder auswählt, die eine ähnliche Phase in den periodischen Mustern aufweisen.
Es wird in Betracht gezogen, dass die Handhabung der Bilder durch eine Computereinrichtung in Form entweder einer universellen Computereinrichtung, die mit einem geeigneten Programm ausgerüstet ist, oder durch eine dedizierten Computereinrichtung ausgeführt wird, die speziell für diese Aufgabe ausgelegt ist. In diesem Fall werden die genannten Bilder typischerweise eine digitalisierte Form aufweisen, bei der numerische Werte, die in einer oder mehreren Dateien gespeichert sind, den Intensitäten oder anderen Bildmerkmalen an spezifischen Stellen in dem Bild entsprechen.
Wenn wir auf Bild-Manipulationsschritte Bezug nehmen, so soll daraus nicht geschlossen werden, dass die Bilder physikalisch auf diese Weise manipuliert werden, sondern dies soll Prozesse einschließen, in denen numerische Werte oder Anordnungen hiervon durch arithmetische Operationen oder dergleichen manipuliert werden. In gleicher Weise müssen die Computereinrichtungen nicht physikalisch die Zwischenbilder, wie zum Beispiel das weiter vorstehend genannte Bild darstellen, aufbereiten oder auf eine andere Weise erzeugen, vorausgesetzt, das die arithmetischen oder anderen Prozesse ausgeführt werden, um die entsprechenden numerischen Daten zu gewinnen.
Eine verbesserte Genauigkeit kann erzielt werden, wenn die Bilder vor dem Betrieb der Auswahleinrichtung vorverarbeitet werden. Die Vorverarbeitung schließt vorzugsweise eine Anzahl von Schritten, wie zum Beispiel Filtern zum Einengen des Bereiches von Intensitäten in dem Bild, und Ableitungsfiltern zur Hervorhebung von Kanten in dem Bild ein. Wenn das Volumen einen Patienten enthält, so wird die Ableitung vorzugsweise in der Richtung der kraniokaudalen Achse des Patienten ausgeführt, weil das Zwerchfell eine Kante senkrecht zu diese Richtung aufweist.
Die Vorverarbeitung kann auf das Bild angewandte Masken einschließen, beispielsweise zur Auswahl von Bereichen, die Kanten einschließen, und um Bereiche außerhalb des interessierenden Bereiches auszuschließen. Eine nützliche Maske ist diejenige, die Bereiche des Bildes ausschließt, die außerhalb eines Objektes (beispielsweise eines Patienten) innerhalb des Volumens liegen. Eine Rand-Maske kann von einem Schwellenwert abgeleitet werden, der auf das Bild angewandt wird, wie es über ein Ableitungs-Filter gefiltert ist.
Wenn dies erwünscht ist, kann eine Vielzahl von Rekonstruktionen aus einer Vielzahl von Teilmengen abgeleitet werden, die jeweils phasenkorrelierte Bilder an der Reihe enthalten, wobei die Phasenkorrelation jeder Teilmenge sich von der Phasenkorrelation anderer Teilmengen unterscheidet.
Die Analyse des weiteren Bildes auf periodische Muster schließt vorzugsweise einen Schritt des Vergleichs der eindimensionalen Bilder darin ein, um eine Bewegung der Merkmale in dieser Dimension zu identifizieren. Es wird bevorzugt, benachbarte Bilder zu vergleichen, weil diese in allgemeinster Form ähnlich sind und damit Unterschiede zwischen diesen mit größerer Wahrscheinlichkeit signifikant sind. Die eindimensionalen Bilder können dadurch verglichen werden, dass die Differenz der Intensität zwischen den Bildern bei unterschiedlichen Relativverschiebungen der Bilder berechnet werden. Die Effektiv-Differenz ist üblicherweise das beste Maß der Differenz.
Das weitere Bild kann weiterhin in vorteilhafter Weise einer Verarbeitung vor der Analyse auf periodische Muster unterworfen werden. Eine geeignete Vorverarbeitung schließt Ableitungsfilter zum Hervorheben von Kanten in dem weiteren Bild, was vorzugsweise in einer Richtung quer zu der einen Dimension ausgeführt wird, und/oder die Auswahl von interessierenden Bereichen ein. Es wird besonders bevorzugt, das ableitungsgefilterte Bild dazu zu verwenden, Gebiete mit scharfen Änderungen hervorzuheben und damit einen Teil des ursprünglichen weiteren Bildes auszuwählen.
Die Quelle und der Detektor können gegenüber dem Volumen drehbar sein, derart, dass die Reihe von projizierten Bildern das Volumen unter unterschiedlichen Ausrichtungen zeigt.
Die Erfindung ist insbesondere für periodische Änderungen geeignet, ist jedoch tatsächlich auf irgendeine Änderung in dem Volumen anwendbar.
Im allgemeinen findet die Erfindung ihre nützlichste Anwendung, wenn die periodische Änderung eine natürliche Änderung ist, die ein lebender Organismus zeigt, wie zum Beispiel der Atmungs-Zyklus. Sie ist jedoch allgemein anwendbar und sollte nicht auf diese Weise beschränkt werden.
Die vorliegende Erfindung ergibt weiterhin ein Verfahren, wie dies in den beigefügten Ansprüchen 23 bis 26 ausgeführt ist, zur Auswahl von phasenkorrelierten Bildern von dem Ausgang eines Scanners, mit den folgenden Mitteln für jedes einer Anzahl von Bildern in einer Reihe, die von dem Scanner erzeugt wird: Reduzieren der Bilder von zwei Dimensionen auf eine Dimension durch Summieren der Intensitäten der Pixel entlang einer Dimension quer zu der einen Dimension; Erzeugen eines weiteren Bildes aus einer zeitlichen Zusammensetzung der eindimensionalen Bilder, die aus Bildern in der Reihe gewonnen wurden; Analysieren des weiteren Bildes auf periodische Strukturen hin; und Auswählen von Bildern aus der Reihe, die bei diesen Strukturen eine ähnliche Phase aufweisen.
Die vorliegende Erfindung ergibt weiterhin ein Software-Modul wie es in den beigefügten Ansprüchen 26 bis 28 ausgeführt ist, zur Auswahl phasenkorrelierter Bilder aus dem Ausgangsignal eines Scanners, das so ausgelegt ist, dass es für jedes der Anzahl der Bilder in einer Reihe, die von dem Scanner erzeugt werden, die folgenden Schritte ausführt: Reduzieren der Bilder von zwei Dimensionen auf eine Dimension durch Summieren der Intensitäten der Pixel entlang einer Dimension quer zu der anderen Dimension; Erzeugen eines weiteren Bildes aus einer zeitlichen Zusammensetzung der eindimensionalen Bilder, die aus Bildern in der Reihe gewonnen wurden; Analysieren des weiteren Bildes auf periodische Strukturen hin; und Auswählen von Bildern aus der Reihe, die bei diesen periodischen Strukturen eine ähnliche Phase aufweisen.
Diese zusätzlichen Gesichtspunkte der Erfindung sind derzeit am besten bei einem Kegelstrahl-CT-Scanner geeignet, insbesondere für einen Scanner, bei dem die Bilder die eines atmenden Patienten sind.
Es sei hervorgehoben, dass diese Erfindung eine möglicherweise weite Anwendung auf die Analyse der internen Anordnung von sich ändernden Strukturen hat und nicht auf die Feststellung der Atmungsphase beschränkt ist. Andere Änderungen in lebenden und nicht lebenden Strukturen könnten erfasst werden, und die Erfindung könnte auf andere Scanner als Kegelstrahl-CT-Scanner angewandt werden. Dies ergibt sich aus der Eigenart der Erfindung, da diese nicht versucht, speziell auf die Atmung bezogene Strukturen (wie das Zwerchfell) als solches zu identifizieren, sondern statt dessen Änderungen über einen neuartigen Verarbeitungs-Weg sucht.
Als Ergebnis identifiziert die Erfindung zwar tatsächlich das Zwerchfell, wenn es auf das Problem der Identifikation der Atmungsphase angewandt wird, tut dies jedoch nicht direkt durch Suchen von Objekten dieser Form. Tatsächlich haben die Erfinder festgestellt, dass dies kontraproduktiv sein würde, weil das projizierte Bild des Zwerchfells seine Form ändert, während sich der Scanner um den Patienten herum dreht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nunmehr in Form eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben, in denen:
1 ein typisches Bild des Brustkorbes eines Menschen zeigt, wie es durch einen einfachen CT-Scanner ohne Atmungskorrelation gewonnen wird;
2 ein typisches Bild des Brustkorbes eines Menschen zeigt, wie es durch einen Kegelstrahl-CT-Scanner ohne Atmungskorrelation gewonnen wird;
3 eine Bild eines Brustkorbes eines Menschen aus der Reihe hiervon zeigt, wie es von einem Kegelstrahl-CT-Scanner gewonnen wird;
4 die von dem Bild nach 3 abgeleitete Patienten-Maske zeigt,;
5 und 6 das Bild nach 3 vor und nach der Entzerrung zeigen;
7 und 8 das Bild nach 3 vor und nach dem Filtern zur Hervorhebung von Kanten zeigen;
9 und 10 die Zubereitung einer Kanten-Maske zeigen;
11 und 12 die Anwendung eines Gradienten-Normierungsfilters zeigen;
13 und 14 die Ergebnisse der Anwendung einer Patienten-Maske und einer Kanten-Maske zeigen;
15 und 16 die Reduzierung des Bildes auf eine Dimension zeigen;
17 das weitere Bild zeigt;
18 das weitere Bild nach der Filterung zur Betonung von Änderungen in der Richtung senkrecht zu der einen Dimension zeigt;
19 die Art und Weise der Auswahl eines interessierenden Bereiches in dem weiteren Bild zeigt;
20 das interessierende Gebiet zeigt;
21 das Ergebnis des Vergleichs benachbarter eindimensionaler Bilder zeigt;
22 im Überblick den Verfahrensablauf zeigt, der auf die Bilder angewandt wird;
23 die gewonnen Rekonstruktionen zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine konventionelle CT-Abtastung des Brustkorb-Bereiches des Patienten. Periodische Artefakte können (beispielsweise) bei 100, 102 und 104 gesehen werden, und entsprechen Fehlern, die durch die Wechselwirkung des Atmungsprozesses mit dem CT-Abtastprozess hervorgerufen werden. In gleicher Weise zeigt 2 ein typisches Kegelstrahl-CT-Bild des Brustkorbes eines Patienten, und die Bereiche 106, 108 zeigen eine erhebliche Verwischung, die sich aus einer inneren Bewegung der Lungen und des Zwerchfells des Patienten ergibt.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird nunmehr beschrieben. Der allgemeine Verfahrensablauf ist in 22 gezeigt, von der die verwendeten Bezugsziffern den betreffenden früheren Figuren dieser Anmeldung entsprechen, die das Bild oder die Maske zeigen, das bzw. die an diesem Punkt erfasst wird. Somit wird nach oder während der Erfassung von Bildern von einem Kegelstrahl-CT- oder einem ähnlichen Scanner eine Verfahrensweg A auf jedes einzelne Bild 3 angewandt. Zunächst wird von dem Rohbild 3 eine Patienten-Maske 4 gewonnen, die in der Lage ist, Teile des Bildes zu maskieren, die außerhalb des Patienten liegen. Um dies durchzuführen, kann ein einfacher Schwellenwert eingestellt werden, und Pixel oder Gruppen von Pixel in dem Rohbild 3, die eine Intensität jenseits dieses Schwellenwertes haben, können den ausgeschlossenen Bereichen der Maske zugeordnet werden. Im allgemeinen würde ein Versuch-und-Fehler-Verfahren geeignet sein, um eine geeignete Patienten-Maske in Abhängigkeit von den Parametern des speziellen verwendeten Scanners zu bestimmen, doch hat sich im Fall der von den Erfindern verwendeten Bilder ein Haut-Schwellenwert von 20,000 als geeignet herausgestellt.
Wenn wieder von dem von dem CT-Scanner gewonnenen Rohbild 3 ausgegangen wird, kann das Bild dann entzerrt werden, um den Kontrastbereich zu verringern. Viele geeignete Entzerrungs-Filter stehen zur Verfügung, doch übernahmen bei dem vorliegenden Beispiel die Erfinder eine skalierte logarithmische Lösung, bei der die einzelnen Intensitätswerte auf das Tausendfache des Logarithmus des ursprünglichen Intensitätswertes umgewandelt wurden.
Aus dem entzerrten Bild wird ein Ableitungsbild zubereitet, das heißt ein Bild, bei dem die Intensitätswerte die Änderungsgeschwindigkeit der Intensität in dem vorgefilterten Bild darstellen. Ein Ableitungsfilter muss eine zugehörige Richtung haben, in der die Änderungsgeschwindigkeit zu messen ist, und im Fall der Bilder des Brustkorbbereiches eines Patienten wird es bevorzugt, die kraniokaudale (CC-)Richtung zu verwenden. Hierdurch werden dann Änderungen in dieser Richtung hervorgehoben oder betont. In einem allgemeinen Fall sollte die Richtung dieser Ableitung üblicherweise mit der Richtung im nachfolgenden Schritt ausgerichtet werden. Aus dem Ableitungsbild kann eine Ableitungs-Maske 10 erzeugt werden, die eine Maske ist, die diejenigen Pixel betont, deren Ableitungs-Wert hoch ist. Dies hebt daher die Bereiche des ursprünglichen entzerrten Bildes hervor, an denen es eine schnelle Änderungsgeschwindigkeit der Intensität gibt, das heißt Bereiche des entzerrten Bildes 6, an denen sich eine Kante oder ein Rand befindet.
Schließlich wird aus dem entzerrten Bild ein Gradienten-Norm-Bild 12 erzeugt. Dies ist eine Form eines entzerrten abgeleiteten Bildes, in dem die horizontalen und vertikalen Gradienten-Vektoren summiert werden, das heißt das Quadrat des horizontalen Gradienten wird zu dem Quadrat des vertikalen Gradienten addiert, und die Quadratwurzel des Ergebnisses wird gewonnen.
Die Ableitungs-Maske 10 und die Patienten-Maske 4 können dann auf das Gradienten-Norm-Bild 12 angewandt werden, um ein verarbeitetes Bild 14 zu erzeugen. Dieses Bild enthält daher die Pixel des entzerrten Bildes, die sich sowohl innerhalb des Patienten als auch in Bereichen einer erheblichen Änderungsgeschwindigkeit der Intensität befinden. Im Ergebnis wählt dieser Prozess aus dem entzerrten Bild die Kanten innerhalb des Patienten aus, mit einer leichten Bevorzugung von CC-ausgerichteten Kanten. Die Bevorzugung ist nicht vollständig, weil obwohl die CC-Kanten Teil der Maske bilden, andere Kanten teilweise erneut in die Form der Gradienten-Norm eingeführt werden können. Es sei bemerkt, dass der Algorithmus absichtlich unempfindlich gegenüber der Art ist, wie die Kanten abgeleitet werden, weil Versuche zur Identifikation des Zwerchfells normalerweise fehlschlagen. Solange wie das interessierende Merkmal (wie zum Beispiel das Zwerchfell) unter den Kanten ist, stellt der Algorithmus eine Kante fest, die sich beträchtlich stärker bewegt, als ein alle anderen Kanten.
Der letzte Schritt bei der Verarbeitung dieses Bildes der Reihe von Bildern, die von dem Scanner erzeugt werden, besteht in der Reduzierung des Bildes auf eine Dimension, das im Fall eines Patienten-Bildes mit der CC-Achse des Patienten ausgerichtet sein sollte. Dies kann dadurch erfolgen, dass einfach die Gesamt-Intensität entlang einer horizontalen Reihe von Pixeln summiert und diese Intensität oder eine hiervon abgeleitete Intensität als die Intensität des einzelnen Pixel an diesem Punkt entlang der horizontalen Achse übernommen wird. Somit wird durch dieses Verfahren jedes einzelne Bild von dem Scanner auf ein einziges lineares Bild mit einer Breite von einem Pixel und einer Höhe von „n" Pixeln reduziert.
Der Prozess wird dann für alle oder im Wesentlichen alle die Bilder in der Reihe hiervon wiederholt, die von dem Scanner abgeleitet werden. Dies kann als ein Nachverarbeitungsschritt nach der Erfassung der gesamten Reihe von Bildern erfolgen, oder es kann für die früheren Kanten begonnen werden, während die späteren Bilder erfasst werden. Sobald die Reihe von eindimensionalen Bildern zur Verfügung steht, können diese dann durch Nebeneinanderstellung kombiniert werden, um ein vollständiges Bild 17 zu erzeugen, in dem im Ergebnis eine Achse der CC-Achse des Patienten (oder der für die eindimensionale Kompression übernommenen Achse) entspricht, während die andere Achse einer Messung der Zeit entspricht (wie sie durch die Bild-Nummer ausgedrückt ist). Das resultierende Bild ist in 17 gezeigt. Obwohl dies keine Nutzinformation über die gesamte Struktur eines Patienten enthält, zeigt es nützliche Information bezüglich der Änderung der Bilder mit der Zeit. Diese Information kann durch die Serie von Verarbeitungsschritten B abgeleitet werden, die auf das zusammengesetzte Bild angewandt werden.
Als erstes wird ein Ableitungsfilter angewandt, weil die Ableitungs-Richtung der Pixel-Nummer oder Zeit-Achse entspricht. Dies erzeugt das in 18 gezeigte Bild, in dem Bereiche mit einer schnellen zeitlichen Änderung im Ergebnis hervorgehoben sind.
Der Absolutwert des vorhergehenden Bildes (über 18) wird erneut auf die CC-Achse umgesetzt, um ein Intensitäts-Histogramm zu bilden. Dieses eindimensionale Signal hebt die Position entlang der CC-Achse des Patienten hervor, an der sich eine maximale Änderungsgeschwindigkeit mit der Bildnummer oder Zeit ergibt. Aus dem Intensität-Histogramm kann ein Schwellenwert angewandt werden, um einen bestimmten interessierenden Bereich 20 auszuwählen. Verschiedene Schwellenwertverfahren sind bekannt und für diese Aufgabe brauchbar, und sie schließen das Einstellen eines einzigen festen Schwellenwertes oder eines veränderbaren Schwellenwertes ein, der nach den Maxima und Minima des Intensitäts-Histogramms sucht und dann einen Schwellenwert an einen Punkt zwischen diesem annimmt. Der interessierende Bereich kann auf den präzisen aus dem Histogramm ausgewählten Bereich beschränkt werden, oder es kann ein Rand an jeder Seite sein.
Nachdem das interessierende Gebiet ausgewählt wurde, wird dieser Bereich des Bildes 17 dann ausgewählt und auf periodische Strukturen analysiert. Es kann aus 20, dem abgeleiteten interessierenden Gebiet gesehen werden, dass es eine klare periodische Struktur gibt, bevor diese in ein Paar von periodischen Strukturen divergiert, bevor sie am Ende der Abtastung wieder konvergieren. Dies entspricht wahrscheinlich den Bildern auf den linken und rechten Seiten des betreffenden Patienten.
Um diese und andere Schwierigkeiten zu beseitigen, wird ein extrem einfacher Vergleichsprozess vorgeschlagen, bei dem jede Einzelpixel-"Scheibe" des Bildes mit der nächstbenachbarten Scheibe verglichen wird, nachdem sie einer veränderlichen Verschiebung ausgesetzt wurde. Das System muss dann bestimmen, bei welcher Verschiebung die Differenz zwischen den eindimensionalen Scheiben zu einem Minimum wird. Eine Möglichkeit hierfür ist, wie dies in 21 gezeigt ist, das Summieren der Quadrate der Intensitätsdifferenz zwischen zwei Einzelpixel-Scheiben und die Identifikation, bei welcher Pixel-Verschiebung diese Summe ihr Minimum aufweist. Nachdem dies für jedes benachbarte Paar von Einzelpixel-Scheiben wiederholt wurde, wird die graphische Darstellung nach 21 abgeleitet, in der die Verschiebung so gezeigt ist, dass sie sich mit der Röntgenstrahlbild-Nummer ändert. Dies ist eine einfache periodische graphische Darstellung, die unter Verwendung bekannter Techniken analysiert werden kann, um ihre Frequenz und damit die Phasenposition jedes Bildes zu bestimmen.
Das System kann dann zum ursprünglichen Bild zurückgehen und diesem die Phaseninformation zuordnen. Die gesammelten Bilder können in phasenkorrelierten Gruppen organisiert werden, und Bilder innerhalb einer einzigen Gruppe können für einen normalen Kegelstrahl-CT-Rekonstruktionsprozess verwendet werden. Die Ergebnisse sind in 23 gezeigt und zeigen ein größeres Ausmaß an Präzision und Fokusierung. Atmungs-Artefakte sind weitgehend beseitigt.
In experimentellen Anwendungen dieser Erfindung wurden die Atmungs-Zyklen von vier Röntgenstrahl-Serien, die von drei Patienten gewonnen wurden, abgeleitet. Es wurde festgestellt, dass Parameter-Werte, die angewandt wurden, um die Rekonstruktion in der ersten Serien zu optimieren, sich als passend für alle erwiesen haben. Insbesondere hatte einer der drei Patienten lediglich eine Lunge, doch war insoweit das Atmen in den Röntgenstrahl-Bildern sichtbar, und der Zyklus wurde erfolgreich abgeleitet. Entsprechend ergibt die vorliegende Erfindung einen selbständigen Algorithmus zum Ableiten des Atmungs-Zyklus aus aufeinanderfolgenden Röntgenstrahl-Bildern, der keine Benutzer-Wechselwirkung erfordert und auf einer ausreichend schnellen Verarbeitungsmaschine dazu verwendet werden kann, um eine gute Qualität aufweisende Rekonstruktionen innerhalb einer brauchbaren Zeit zu erzeugen. Im Hinblick auf die Tatsache, dass die groben Anfangswerte der kleinen Anzahl von Parametern, die für den Algorithmus erforderlich sind, sich als für die gesamte getestete Reihe als passend erweisen, ist das Verfahren entsprechend robust. Weiterhin bedeutet die relativ große Einfachheit des Algorithmus und die Tatsache, dass der größte Teil der Verarbeitung auf einer Bild-für-Bild-Basis erfolgt, dass der größte Teil der Verarbeitung während der Röntgenstrahl-Bild-Erfassungszeit ausgeführt werden kann. Auf einem in geeigneter Weise schnellen Prozessor sollte die Verarbeitung des zusammengesetzten Bildes zur Ermittlung einer Atmungs-Zyklus-Frequenz nicht mehr als ungefähr eine Sekunde erfordern.
Weil der Atmungs-Zyklus direkt von den betreffenden Röntgenstrahl-Bildern abgeleitet wird, statt von irgendeiner sekundären Anzeige, wie zum Beispiel der Nasentemperatur oder der Brustgröße, ergibt sich eine geringere Ungenauigkeit, weil die Korrelation zwischen der Atmungs-Zyklus-Phase und dem Röntgenstrahl-Bild direkt ist.
Es ist selbstverständlich zu erkennen, dass viele Abänderungen an der vorstehend beschriebenen Ausführungsform durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Vorrichtung zum Abbilden des inneren Aufbaus eines Volumens, das eine interne Abweichung aufweist, die Folgendes umfasst: eine Quelle für durchdringende Strahlung und einen zweidimensionalen Detektor für diese Strahlung, wobei die Quelle und der Detektor so ausgelegt sind, dass sie eine Reihe von Projektionsbildern des Volumens erzeugen, ein Rekonstruktionsmittel (4, 6, 8, 10, 12) zum Gewinnen von Informationen (14) über den dreidimensionalen Aufbau in dem Volumen aus ausgewählten Bildern in der Reihe, ein Auswahlmittel zum Auswählen von Bildern mit ähnlicher Phase aus der Reihe für die Verwendung durch das Rekonstruktionsmittel, wobei das Auswahlmittel so ausgelegt ist, dass es: die aus der Reihe gewonnen Bilder von zwei Dimensionen auf eine Dimension reduziert (16), indem es die Intensitäten von Pixeln in einer quer zu der einen Dimension verlaufenden Richtung addiert, aus einer zeitlichen Zusammensetzung der eindimensionalen Bilder, die aus Bildern in der Reihe erhalten wurden, ein weiteres Bild erzeugt (17), das weitere Bild auf periodische Strukturen hin analysiert (18–21) und aus der Reihe Bilder auswählt, die bei diesen periodischen Strukturen eine ähnliche Phase aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Quelle und der Detektor in Bezug zu dem Volumen so gedreht werden können, dass die Reihe von Projektionsbildern das Volumen in unterschiedlichen Ausrichtungen zeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Abweichung zeitlich periodisch ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Bilder vor dem Betrieb des Auswahlmittels aufbereitet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der zu der Aufbereitung Filter zum Einschränken des Intensitätsbereiches des Bildes gehören.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der zu der Aufbereitung Ableitungsfilter gehören, die Kanten in dem Bild betonen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der das Volumen einen Patienten enthält und die Ableitung in Richtung der kraniokaudalen Achse des Patienten erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der zu der Aufbereitung eine Maske gehört, die auf das Bild gelegt wird, um Bereiche einschließlich Kanten auszuwählen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Kantenmaske aus einem Schwellenwert gewonnen wird, der auf das über einen Ableitungsfilter gefilterte Bild angewendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei der zu der Aufbereitung das Anwenden einer Maske gehört, damit Bereiche des Bildes entfernt werden, die außerhalb eines Objektes in dem Volumen liegen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mehrere Rekonstruktionen aus mehreren Teilmengen gewonnen werden, die jeweils phasenkorrelierte Bilder aus der Reihe enthalten, wobei sich die Phasenkorrelation jeder Teilmenge von der Phasenkorrelation anderer Teilmengen unterscheidet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Analyse auf periodische Strukturen in dem weiteren Bild einen Schritt enthält, bei dem die eindimensionalen Bilder verglichen werden, um eine Bewegung von Merkmalen in dieser Dimension festzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der nebeneinander liegende Bilder verglichen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, bei der die eindimensionalen Bilder durch Berechnen des Intensitätsunterschieds zwischen den Bildern bei unterschiedlicher Verschiebung der Bilder verglichen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Differenz des quadratischen Mittelwertes verglichen wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das weitere Bild vor der Analyse auf periodische Strukturen einer Verarbeitung unterworfen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der zu der Aufbereitung Ableitungsfilter gehören, die Kanten in dem weiteren Bild betonen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Ableitung in einer quer zu der einen Dimension verlaufenden Richtung erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei der zu der Aufbereitung das Auswählen eines Bereiches von Interesse in dem weiteren Bild und das Ausschließen anderer Bereiche von der weiteren Bearbeitung gehört.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der der Bereich von Interesse durch die Analyse des Bereiches mit den höchsten Ableitungen ausgewählt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der es sich bei der Abweichung um eine natürliche Abweichung handelt, die ein lebender Organismus aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der die Abweichung durch das Atmen verursacht wird.
Verfahren zum Auswählen phasenkorrelierter Bilder aus den Ausgangswerten eines Scanners, das für jedes von mehreren Bildern in einer von dem Scanner erzeugten Reihe davon folgende Schritte umfasst: Reduzieren (16) der Bilder von zwei Dimensionen auf eine Dimension, indem die Intensitäten von Pixeln in einer quer zu der einen Dimension verlaufenden Richtung addiert werden, Erzeugen (17) eines weiteren Bildes aus einer zeitlichen Zusammensetzung der eindimensionalen Bilder, die aus Bildern in der Reihe erhalten wurden, Analysieren (18–21) des weiteren Bildes auf periodische Strukturen hin und Auswählen von Bildern aus der Reihe, die bei diesen periodischen Strukturen eine ähnliche Phase aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem es sich bei dem Scanner um einen Kegelstrahl-CT-Scanner handelt.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem es sich um Bilder von einem atmenden Patienten handelt.
Software-Modul für das Auswählen phasenkorrelierter Bilder aus den Ausgangswerten eines Scanners, das so ausgelegt ist, dass es für jedes der mehreren Bilder in einer von dem Scanner erzeugten Reihe davon folgende Schritte ausführt: Reduzieren (16) der Bilder von zwei Dimensionen auf eine Dimension, indem die Intensitäten von Pixeln in einer quer zu der einen Dimension verlaufenden Richtung addiert werden, Erzeugen (17) eines weiteren Bildes aus einer zeitlichen Zusammensetzung der eindimensionalen Bilder, die aus Bildern in der Reihe erhalten wurden, Analysieren (18–21) des weiteren Bildes auf periodische Strukturen hin und Auswählen von Bildern aus der Reihe, die bei diesen periodischen Strukturen eine ähnliche Phase aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 26, bei dem es sich bei dem Scanner um einen Kegelstrahl-CT-Scanner handelt.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem es sich um Bilder von einem atmenden Patienten handelt.