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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Technik der diagnostischen
Bildgebung. Sie findet insbesondere Anwendung in Verbindung mit
der Reduzierung von Artefakten in Bildern von Mehrschicht- oder
Spiral-CT-Scans, bei denen Daten in einer z- oder axialen Richtung unterabgetastet
wurden, und wird unter besonderer Bezugnahme hierauf beschrieben.
Es ist jedoch zu beachten, dass die Erfindung auch bei der Reduzierung
von Windmühlenartefakten
in anderen Bildrekonstruktionen angewendet werden kann.
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Wenn
Daten unterabgetastet werden, z. B. die Nyquist-Anforderungen nicht
erfüllt
werden, können
Artefakte auftreten. Bei CT-Scannern, die sich um eine Rotationsachse
drehen, können
sich Unterabtastungsartefakte entlang dieser Achse als Windmühlenartefakte
manifestieren. Windmühlenartefakte
sind abwechselnde helle und dunkle im Allgemeinen dreieckige Bereiche,
die von einem gemeinsamen Punkt nach außen strahlen, ähnlich wie
die Flügel
einer Windmühle.
Windmühlenartefakte
können von
einem oder mehreren Bereichen eines Bildes ausstrahlen, wobei diese
Bereiche üblicherweise nicht
konzentrisch um die Rotationsachse sind.
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Andere
Artefakte, die auf In-plane-Unterabtastung, z. B. in x- und y-Richtung, zurückzuführen sind,
können
durch den Einsatz von Röntgenröhren mit
zwei Brennflecken und einem Detektor-Viertelversatz-Verfahren beseitigt
werden. Durch den Detektor-Viertelversatz wird die erfasste Datenmenge
vergrößert, so
dass in den meisten Fällen
die Nyquist-Bedingungen erfüllt
werden. Die Detektor-Viertelversatz-Verfahren stellen jedoch keine
Lösung
für die
Unterabtastung in axialer oder z-Richtung dar.
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Eine
Lösung
zur Reduzierung von Windmühlenartefakten
aufgrund einer axialen Unterabtastung bestand darin, eine Artefaktreduktionsfilterung
anzuwenden. Das bedeutet, die Daten des resultierenden Bildes werden
in axialer Richtung geglättet
oder „verschmiert", wodurch die Windmühlenartefakte
reduziert werden, jedoch muss bei dieser Lösung gleichzeitig eine reduzierte
Auflösung
in Kauf genommen werden.
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In
dem Artikel „Windmill
artifact in multi-slice helical CT" von Michael Silver et al., erschienen
in den Proceedings of SPIE, Band 5032 (2003), Seite 1918–1927, XP-002320834,
ISSN: 0277-78X wird die Erzeugung von Windmühlenartefakten untersucht.
Es werden die Spuren von ausgewählten
Voxeln durch ein Mehrschicht-Detektorarray
als Funktion der Sichtposition verfolgt, wobei ein „extrahiertes Sinogramm" gebildet wird, das
die zur Rekonstruktion dieses speziellen Voxels verwendeten Daten
darstellt. Um die Ursache des Artefakts zu ermitteln werden die
Windmühlenschlieren
in dem Bild mit den extrahierten Daten in Beziehung gesetzt.
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Thomas
Köhler
et al. beschreiben in dem Artikel „Artifact analysis of approximate
helical cone-beam CT reconstruction", Medical Physics, American Institute
of Physics, New York, USA, Band 29, Nr. 1, Januar 2002, Seite 51–64, XP0120116000 ISSN:
0094-2405, einen Vergleich von vier approximativen Kegelstrahl-CT-Rekonstruktionsalgorithmen;
Advanced Single Slice Rebinning (ASSR) als stellvertretend für Algorithmen
mit zweidimensionaler Approximation, PI, PI-SLANT, und 3-PI, die
alle eine geeignete dreidimensionale Rückprojektion einsetzen. In
diesem Artikel wird gezeigt, dass bei einem 16-Zeilen-Scanner mit
einer nominalen Schichtdicke von 1,25 mm die Artefakte vorwiegend
auf Aliasing in z-Richtung zurückzuführen sind.
Man hat herausgefunden, dass ASSR und PI bei einem Detektor mit isotroper
Auflösung
von 0,5 mm ASSR zu unterschiedlichen Arten von Artefakten führen, die
nahezu auf dem gleichen Niveau liegen, während PI-SLANT keinen dieser
Artefakte zur Folge hat. In dem Artikel wird weiterhin gezeigt,
dass durch die Verwendung von redundanten Daten in dem 3-PI-Verfahren
Aliasing-Artefakte wirksam unterdrückt werden.
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D.
J. Heutscher et al. beschreiben in „Conebeam multi-slice CT:
sampling in the z-dimension", Radiology,
Band 225P, 4. Dezember 2002, Seite 194, XP009045107, eine Darstellung
der Auswirkungen auf die Bildqualität aufgrund der Verteilung einer
Kegelstrahlprojektionsabtastung entlang der z-Richtung, und sie
beschreiben Verfahren zum Eliminieren oder Reduzieren von sowohl
Aliasing als auch Ungleichmäßigkeit
in der z-Auflösung. Abtastungseffekte
in z-Richtung, die Aliasing und eine ungleichmäßige z-Auflösung
umfassen, werden mit Hilfe von sowohl simulierten als auch klinischen
Daten von einem 16-Zeilen-Mehrschichtsystem dargelegt. Es werden echte
dreidimensionale Spiral-Kegelstrahl-Rekonstruktionen durchgeführt und
radial-abhängige
Filter in z-Richtung eingesetzt, um Ungleichmäßigkeiten in der Auflösung zu
korrigieren. Darüber
hinaus wird eine verschachtelte Abtastung entlang der z-Achse durchgeführt, um
zu veranschaulichen, wie die Aliasing-Effekte eliminiert werden
können.
Sowohl die simulierten als auch klinischen Daten veranschaulichen
die unerwünschten
Effekte einer begrenzten Abtastung ent lang der z-Richtung, die in
Aliasing-Mustern mit kontrastreichen Strukturen zum Ausdruck kommen.
SSP-Messungen (Single Sensitivity Profile) zeigen eine ungleichmäßige Verteilung der
Auflösung
entlang der z-Achse bei diesen Kegelstrahl-Scans. Wenn die gleichen
Daten mit radial-abhängigen
Filtern verarbeitet werden, erreicht man gleichmäßigere SSP-Messwerte, während durch die Verschachtelung
der Abtastwerte entlang der z-Achse die Aliasing-Muster eliminiert
werden, ohne die Auflösung
entlang der z-Achse zu beeinträchtigen.
In dem Artikel wird also beschrieben, dass eine intrinsische Veränderung
der Auflösung
entlang der z-Richtung, die bei Kegelstrahl-Mehrschicht-CT-Systemen festzustellen
ist, durch radial abhängige
Filterung reduziert werden kann. Darüber hinaus können die durch
begrenzte Abtastung entlang der z-Achse verursachten Aliasing-Muster
mit Hilfe einer verschachtelten Abtastung in z-Richtung eliminiert
werden, ohne eine Beeinträchtigung
der Auflösung
entlang der z-Achse in Kauf nehmen zu müssen.
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Bei
einer anderen Lösung,
die von Hsieh in „Adaptive
Interpolation Approach for Multi-slice Helical CT reconstruction", Proceedings of
SPIE, Band 5032 (2003), Seite 1876–1883, vorgeschlagen wird, wird
jeder Datenstrahlengang parallel mit einem Hochpassfilter oder Gaußfilter
mit scharfer Kennlinie gefaltet, wodurch die Tendenz besteht, Schichtprofile mit
hoher Auflösung
zu erzeugen, und mit einem Tiefpassfilter oder Gaußfilter
mit flacher Kennlinie, wodurch die Tendenz besteht, die Daten in
z-Richtung zu verwischen. Die mit dem Hochpassfilter bzw. dem Tiefpassfilter
gefilterten Versionen der gleichen Datenlinie wurden verglichen,
um den Unterschied zwischen ihnen festzustellen. Wenn dieser Unterschied klein
war, interpretierte Hsieh dies als Hinweis darauf, dass die Daten
in Ordnung waren, und verwendete die mit dem Hochpassfilter gefalteten
Daten. War der Unterschied groß,
ging Hsieh davon aus, dass die Daten verrauscht waren und verwendete
die mit dem Tiefpassfilter gefaltete Datenlinie. Zwischen dem großen und
dem kleinen Unterschied wurde jede Datenlinie durch einen in geeigneter
Weise gewichteten Mittelwert der mit dem Hochpassfilter bzw. dem
Tiefpassfilter gefilterten Version der gleichen Datenlinie ersetzt.
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Für Regionen,
die kleine Merkmale mit ähnlichem
Kontrast enthielten, zum Beispiel in der Lunge, funktionierte das
Hsieh-Verfahren gut. Im Gehirn jedoch, das kontrastreiche Regionen
in eng definierten Bereichen enthält, traten immer noch Windmühlenartefakte
auf.
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
die oben genannten Probleme und andere.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Volumenbildgebungssystem
nach Anspruch 1 geschaffen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Volumenbildgebungsverfahren
nach Anspruch 11 geschaffen.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in einer verbesserten
Bildauflösung
und Bildqualität.
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Ein
weiterer Vorteil dieser Erfindung besteht in der Effizienz der Bildverarbeitung.
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Ein
weiterer Vorteil dieser Erfindung besteht in einer Reduzierung von
Windmühlenartefakten
unter Aufrechterhaltung der Auflösung.
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Noch
weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachkundigen
beim Lesen und Verstehen der nachstehenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich.
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Die
Erfindung kann in verschiedenen Komponenten und Anordnungen von
Komponenten und in verschiedenen Schritten und Anordnungen von Schritten
Gestalt annehmen. Die Zeichnungen dienen lediglich zur Veranschaulichung
bevorzugter Ausführungsbeispiele
und sind nicht als die Erfindung begrenzend zu betrachten. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines diagnostischen Bildgebungssystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ein
veranschaulichendes „Beispielbild" von Windmühlenartefaktzentren;
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3 eine
beispielhafte Faltungsfunktion zum Kombinieren entsprechender geschärfter und geglätteter Bilddatenwerte.
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Ein
diagnostisches Bildgebungsgerät 10, vorzugsweise
ein CT-Scanner mit keil- oder kegelförmigen Strahlenbündel, erzeugt
diagnostische Bilddaten, die Windmühlenartefakten unterliegen.
Der Scanner umfasst eine Röntgenquelle 12,
die so kollimiert ist, dass sie ein keil- oder kegelförmiges Strahlenbündel durch
eine Bildgebungsregion 14 auf einen zweidimensionalen Röntgendetektor 16 projiziert. Der
Röntgendetektor 16 umfasst
ein zweidimensionales Array aus Pixeln, die jeweils ein Ausgangssignal
erzeugen, das der Intensität
der Strahlung entspricht, die die Untersuchungsregion auf einem Strahlengang
von der Röntgenquelle
zum Detektorelement durchquert hat. Durch Vergleichen der emp fangenen
Strahlungsintensität
mit einem Referenzsignal für
die nicht durch ein Objekt in der Untersuchungsregion abgeschwächte Strahlungsintensität können die
Daten in eine Angabe bezüglich
des Ausmaßes
der Strahlungsabschwächung
entlang des entsprechenden Strahlengangs umgewandelt werden. Ein
Motor 18 und ein zugehöriger
Antrieb oder andere derartige Mittel sind vorgesehen, um das Röntgenstrahlenbündel um
die Untersuchungsregion zu drehen.
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In
der Untersuchungsregion liegt ein Objekt auf einer Patientenauflage
oder Liege 20. Ein Elektromotor 22 mit zugehörigem Zahnradgetriebe
oder Ketten bewegt das Objekt axial durch die Untersuchungsregion.
Durch kontinuierliches Vorrücken während der
Umdrehung des Röntgenstrahlenbündels wird
eine spiralförmige
Scan-Trajektorie erreicht. Alternativ kann durch intermittierendes
schrittweises Bewegen des Objekts in axialer Richtung und anschließendes Pausieren
eine Reihe von parallelen Schichtbildern erzeugt werden. Als weitere
Alternative können
die Röntgenquelle
und die Detektoren axial relativ zum stationären Objekt bewegt werden.
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Einem
Datenzwischenspeicher
30 werden Daten bezüglich der
Intensität
der auf jedem Strahlengang empfangenen Strahlung oder der Strahlungsabschwächung auf
jedem Strahlengang und in Bezug auf die Identifizierung des Strahlengangs,
typischerweise in Form einer Rotationsposition der Röntgenquelle,
einer Winkeldrehung jedes Strahlengangs in Bezug auf die Röntgenquelle
in sowohl der Rotationsrichtung als auch der longitudinalen Richtung
und einer longitudinalen oder axialen Verschiebung auf der Rotationsachse
zugeführt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
werden die Daten durch einen Rebinning-Prozessor oder ein Rebinning-Mittel
32 einem
Rebinning zu einem Satz paralleler Projektionen für dreidimensionale
Rückprojektion
unter Verwendung des von Tuy in der
US-amerikanischen
Patentschrift 6.104.775 beschriebenen dreidimensionalen
Bildrekonstruktionsverfahrens unterzogen. Natürlich kommen auch andere Rekonstruktionsverfahren, wie
sie in der Technik bekannt sind, in Betracht.
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Ein
Mittel 40 zum Finden von Windmühlenartefaktzentren ermittelt,
welche Daten Strahlengänge repräsentieren,
die durch ein Windmühlenartefaktzentrum
verlaufen. Bei der bevorzugten Ausführungsform umfasst dies einen
Hochpassfilter 42, der die Daten relativ zu der axialen
oder z-Richtung einer Hochpassfilterung unterzieht. Ein Rekonstruktionsprozessor 44 rekonstruiert
die der Hochpassfilterung unterzogenen Daten zu einer Bilddarstellung 46 (2)
der Strahlungszentren 48 von Windmühlenartefakten, die in einem
Artefaktzentrum-Speicher 50 gespeichert wird. Durch geeignete
Hochpassfilterung der Daten wird das rekonstruierte Bild nur die
Regionen darstellen, von denen die Windmühlenartefakte auszustrahlen
scheinen. Dieses Bild erscheint als eine Reihe von die Strahlungszentren
darstellenden Flecken 48 einer extremen Farbe (Schwarz
oder Weiß),
die von einer Grauskalenregion oder Halbschattenregion 52 auf
einem Feld 54 des anderen Farbextrems umgeben sind. Vorzugsweise
normalisiert oder skaliert ein Prozessor 56 die Bilddarstellung
der Artefaktzentren.
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Ein
Mittel 58 ermittelt, welche Strahlengänge 60 eines der Windmühlenartefaktstrahlungszentren durchqueren,
welche Strahlengänge
durch den Halbschatten 52 verlaufen und welche Strahlengänge 64 die
Zentren und den Halbschatten nicht berühren. Bei der bevorzugten Ausführungsform
erfolgt diese Ermittlung speziell durch einen Vorwärtsprojektionsprozessor 66,
der das normalisierte Bild des Artefaktzentrums in einen Vorwärtsprojektionsspeicher 68 vorwärtsprojiziert.
Der Grauskalenwert oder die Magnitude für jeden vorwärtsprojizierten
Strahlengang gibt an, ob der Strahlengang, der sich in dem entsprechenden
Winkel oder der entsprechenden Position innerhalb der Parallelprojektion
befindet, durch ein Zentrum 48, einen Halbschatten 52 oder
keines von beiden verläuft.
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Alle
dem Rebinning unterzogenen Datenwerte werden außerdem – parallel – durch einen Schichtbildschärfungsfilter 70 geleitet,
der die Auflösung
in axialer Richtung schärft,
und durch einen Glättungsfilter 72 wie
einen Tiefpassfilter, der die Auflösung in axialer Richtung glättet oder
verschmiert. Natürlich
kann die Filterung auch in der In-Plane-Richtung durchgeführt werden.
Ein Datenauswahl- oder -gewichtungsprozessor oder -Mittel 74 wählt ausgehend
von der Magnitude des Datenwertes aus dem Speicher 68 für vorwärtsprojizierte
Daten entweder den geschärften
Datenwert, den geglätteten
Datenwert oder einen gewichteten Mittelwert der beiden. Wenn, Bezug
nehmend auf 3, die Magnitude des entsprechenden
vorwärtsprojizierten Datenwertes
angibt, dass der Datenwert einen Strahlengang 64 darstellt,
welcher keines der Artefaktzentren durchquert, wird der dem Schärfungsfilter
unterzogene Datenwert an einen Rekonstruktionsprozessor 76 weitergeleitet.
Wenn der Strahlengang 60 eines der Artefaktzentren durchquert,
wird der Datenwert von dem Glättungsfilter 72 an
den Rekonstruktionsprozessor weitergeleitet. Wenn der den Datenwerten
entsprechende Strahlengang 62 knapp durch eines der Artefaktzentren 48 verläuft, zum
Beispiel durch den Rand oder neben einem Rand der Artefaktzentren 48,
wird ein gewichteter Mittelwert des geschärften und des geglätteten Datenwerts
an den Rekonstruktionsprozessor 76 weitergeleitet.
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Die
Datenwerte werden rückprojiziert
oder anderenfalls an einen Speicher 78 zur Rekonstruktion
eines dreidimensionalen Endbilds weitergeleitet. Ein Videoprozessor 80 ruft
ausgewählte
Schichtbilder, Projektionen, Oberflächen-Renderings oder andere
ausgewählte
Teile der dreidimensionalen Volumenbilddarstellung ab und wandelt
sie in ein für
die Anzeige auf einem Monitor 82 geeignetes Format um.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
gewichtet das Mittel 74 zum Auswählen und Gewichten der geschärften und
geglätteten
Datenwerte die geschärften
und schichtgeglätteten
Datenwerte mit einer Funktion, zum Beispiel der Rampenfunktion aus 3,
die wie oben beschrieben die geschärften Daten weiterleitet, wenn
der Strahlengang kein Artefaktzentrum durchquert, die den geglätteten Datenwert weiterleitet,
wenn der entsprechende Strahlengang ein Artefaktzentrum durchquert,
und die den gewichteten Mittelwert weiterleitet, wenn der Strahlengang das
Artefaktzentrum knapp durchquert.
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Die
Erfindung wurde unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben. Dem Fachmann werden nach der Lektüre und dem Verstehen der vorhergehenden
detaillierten Beschreibung Abwandlungen und Abänderungen einfallen. Die Erfindung
ist so auszulegen, dass sie alle derartigen Abwandlungen und Abänderungen
insofern beinhaltet, als sie im Rahmen der angefügten Ansprüche oder deren Entsprechungen
liegen. Text
in der Zeichnung Fig.
3
| Weighting | Gewichtung |
| Ray | Strahlengang |