DE69030555T2

DE69030555T2 - Rechnergesteuerte Tomographie mit schraubenförmiger Abtastung

Info

Publication number: DE69030555T2
Application number: DE69030555T
Authority: DE
Inventors: Carl Ross Crawford; Kevin Franklin King
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-11-13
Filing date: 1990-11-09
Publication date: 1997-11-13
Anticipated expiration: 2010-11-10
Also published as: JPH03188832A; DE69030555D1; IL96212A0; EP0428348A2; EP0428348A3; JPH0661327B2; US5233518A; EP0428348B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Computer-Tomographie un ter Verwendung einer wendelförmigen Abtastung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Bildrekonstruktionseinrichtung und -verfahren zum Verringern von Bildartefakten, die aus der Gewinnung von tomographischen Projektionsdaten in einer wendelförmigen Abtastung (Scan) gewonnen werden.
Wie es hier verwendet wird, soll sich Computer-Tomographie auf sowohl Tomographie beziehen, die eine "Transmissions-Bildgebung" verwendet, d.h. Strahlung detektiert, die durch den abgebildeten Körper hindurchgeleitet ist, als auch "Emissions- Bildgebung", die Strahlung detektiert, die von einem abgebildeten Körper emittiert wird, z.B. solche, die durch radiopharmazeutische Isotope emittiert wird.
In einem Computer-Tomographiesystem mit Transmissions- Bildgebung wird eine Röntgenquelle kollimiert, um ein Fächerbündel mit einem definierten Fächerbündelwinkel zu bilden. Das Fächerbündel ist so orientiert, daß es in der x-y Ebene von einem kartesischen Koordinatensystem liegt, die die "Bildebene" genannt wird, und durch ein abzubildendes Objekt auf ein Röntgen-Detektorarray übertragen werden soll, das in der Bildebene orientiert ist. Das Detektorarray wird von Detektorelementen gebildet, die jeweils die Intensität der durchgelassenen Strahlung entlang einem Strahl messen, der von der Röntgenquelle auf das jeweilige Detektorelement projiziert worden ist. Die Detektorelemente können entlang einem Bogen angeordnet sein, um jeweils Röntgenstrahlen von der Röntgenquelle entlang einem unterschiedlichen Strahl des Fächerbündels aufzunehmen. Die Intensität der durchgelassenen Strahlung ist abhängig von der Schwächung des Röntgenbündels entlang dem Strahl durch das ab gebildete Objekt.
Die Röntgenquelle und das Detektorarray können auf einen Gestell in der Bildebene um das abzubildende Objekt herum gedreht werden, so daß das Fächerbündel das abzubildende Objekt unter unterschiedlichen Winkeln schneidet. an jedem Winkel wird eine Projektion gewonnen, die von den Intensitätsignalen von jedem der Detektorelemente gebildet wird. Das Gestell wird dann in einen neuen Winkel gedreht und das Verfahren wird wiederholt, um eine Anzahl von Projektionen an unterschiedlichen Winkeln zu sammeln, um einen tomographischen Projektionssatz zu bilden.
Der gewonnene tomographische Projektionssatz wird üblicherweise in numerischer Form für eine Computerbearbeitung gespeichert, um ein Scheiben- bzw. Schichtbild gemäß bekannten Rekonstruktions-Algorithmen zu "Rekonstruieren". Die rekonstruierten Scheiben- bzw. Schichtbilder können auf einer konventionellen Kathodenstrahlröhre dargestellt oder durch eine Computer-gesteuerte Kamera in eine Filmaufzeichnung umgewandelt werden.
Sowohl bei der Emissions- als auch Transmissions-Computertomographie kann das Detektorarray geradlinig anstatt bogenförmig sein.
Eine typische Computer-Tomographie-Untersuchung erfordert die Bildgebung von einer Reihe von Scheiben bzw. Schichten von einem abgebildeten Objekt, wobei die Schichten bzw. Scheiben inkrementell entlang einer z-Achse senkrecht zu den x- und y-Achsen verschoben sind, um so für eine dritte räumliche Dimension der Information zu sorgen. Ein Radiologe kann diese dritte Dimension betrachten, indem er die Scheiben- bzw. Schichtbilder in der Reihenfolge der Lage entlang der z-Achse betrachtet, oder die numerischen Daten, die den Satz der rekonstruierten Scheiben bzw. Schichten bilden, können durch Computer-Programme kompiliert werden, um schattierte, perspektivische Darstellungen von dem abgebildeten Objekt in drei Dimensionen zu erzeugen.
Da die Auslösungsleistung von Computer-Tomographie-Verfahren zunimmt, sind zusätzliche Scheiben bzw. Schichten in der z-Dimension erforderlich. Die Zeit und die Kosten von einer tomographischen Untersuchung nehmen mit der Anzahl erforderlicher Scheiben bzw. Schichten zu. Weiterhin vergrößern längere Abtastzeiten das Unbehagen für den Patienten, der nahezu bewegungslos bleiben muß, um die Genauigkeit der tomographischen Rekonstruktionen zu bewahren. Dementsprechend besteht ein beträchtliches Interesse, die erforderliche Zeit zu verkürzen, um eine Scheiben- bzw. Schichtserie zu erhalten.
Die erforderliche Zeit, um die Daten für eine Serie von Scheiben bzw. Schichten zu sammeln, hängt teilweise von vier Komponenten ab: a) der Zeit, die zum Beschleunigen des Gestells auf Abtastgeschwindigkeit erforderlich ist, b) der Zeit, die zum Erhalten eines vollständigen tomographischen Projektionssatzes erforderlich ist, c) der Zeit, die zum Abbremsen des Gestells erforderlich ist, und d) der Zeit, die zum Repositionieren des Patienten in der z-Achse für die nächste Scheibe bzw. Schicht erforderlich ist. Eine Verkürzung der Zeit, die zum Erhalten einer vollen Scheiben- bzw. Schichtserie erforderlich ist, kann dadurch erreicht werden, daß die erforderliche Zeit verkürzt wird, um jeden dieser vier Schritte zu erledigen.
Die Zeit, die zum Beschleunigen und Abbremsen des Gestells erforderlich ist, kann in tomographischen Systemen ver mieden werden, die Schleifringe anstelle von Kabeln verwenden, um mit dem Gestell in Verbindung zu sein. Die Schleifringe gestatten eine kontinuierliche Rotation des Gestells. Im folgenden sei angenommen, daß die erörterten CT Systeme mit Schleifringen oder äquivalenten Mitteln ausgerüstet sind, um eine kontinuierliche Rotation über 360º zu gestatten.
Die Zeit, die zum Gewinnen des tomographischen Datensatzes erforderlich ist, ist schwieriger zu verkürzen. Gegenwärtige CT Scanner erfordern in der Größenordnung von ein bis zwei Sekunden, um den Projektionssatz für eine Scheibe bzw. Schicht zu gewinnen. Diese Scan- bzw. Abtastzeit kann verkürzt werden, indem das Gestell mit einer größeren Geschwindigkeit gedreht wird. Eine höhere Gestellgeschwindigkeit verkleinert im allgemeinen das Signal/Rausch-Verhältnis der gewonnenen Daten um die Quadratwurzel des Faktors der Vergrößerung der Drehgeschwindigkeit. Dies kann bis zu einem gewissen Grad in Transimissions-Tomographieeinrichtungen überwunden werden, indem die Ausgangsstrahlung der Röntgenröhre vergrößert wird, aber dies unterliegt den Leistungsgrenzen von derartigen Vorrichtungen.
Eine Verkürzung der Zeit für die neue Positionierung des Patienten kann dadurch erreicht werden, daß der Patient in der z-Achse synchron mit der Rotation des Gestells verschoben wird. Die Kombination der konstanten Patientenverschiebung entlang der z-Achse während der Rotation des Gestells und der Gewinnung von Projektionsdaten ist "wendelförmige Abtastung" genannt worden und bezieht sich auf die scheinbare Bahn von einem Punkt auf dem Gestell in bezug auf einen Bezugspunkt auf dem abgebildeten Körper. Wie es hier verwendet wird, soll sich "wendelförmige Abtastung" allgemein auf die Verwendung einer kontinuierlichen Verschiebung des Patienten oder abgebildeten Objektes während der Gewinnung tonographischer Bilddaten bezie hen, und "konstante z-Achsen-Abtastung" soll sich auf die Gewinnung des tomographischen Datensatzes ohne Verschiebung des Patienten oder des abgebildeten Objektes während der Gewinnungsperiode beziehen.
Eine kontinuierliche Verschiebung des abgebildeten Objektes während der Abtastung verkürzt die gesamte Abtastzeit, die für die Gewinnung von einer gegebenen Anzahl von Scheiben bzw. Schichten erforderlich ist, indem die Zeitlänge eliminiert wird, die normalerweise zum Neupositionieren des Patienten zwischen Abtastungen erforderlich ist. Jedoch führt die wendelförmige Abtastung gewisse Fehler in bezug auf die Daten in die gewonnenen tomographischen Projektionssätzen ein. Die Mathematik der tomographischen Rekonstruktion geht davon aus, daß der tomographischen Projektionssatz entlang einer konstanten z-Achsen-Scheibenebene gewonnen wird. Die wendelförmige Abtastbahn weicht deutlich von dieser Bedingung ab, und diese Abweichung hat Bildartefakte in dem rekonstruierten Scheiben- bzw. Schichtbild zur Folge wenn eine signifikante Änderung in dem Objekt in der z-Achse vorhanden ist. Die Schwere der Bildartefakte hängt im allgemeinen von der "Wendel-Versetzung (Offset)" in den Projektionsdaten ab, die als die Differenz zwischen den Tischorten der abgetasteten Daten und dem z-Achsenwert der ge wünschten Scheibenebene gemessen wird. Aus der wendelförmigen Abtastung resultierende Fehler werden allgemein als "Neigungs (Skew)"-Fehler bezeichnet.
Es sind mehrere Methoden verwendet worden, um Neigungs fehler bei der wendelförmigen Abtastung zu verkleinern. Eine erste Lösung, die in dem US-Patent US-A-4,630,202, erteilt am 16. Dezember 1986, offenbart ist, verkleinert die Steigung (Pitch) der wendelförmigen Abtastung und mittelt dann die Projektionsdaten von aufeinanderfolgenden 360º tomographischen Projektionssätzen. Der Effekt ist äquivalent zur Verwendung eines Detektor-Arrays mit einer größeren Breite entlang der z- Achse, das sich auch weniger in der z-Richtung während einer Rotation des Gestells bewegt, d.h. mit einer kleineren Abtaststeigung. Neigungsfehler werden bei Verwendung dieser Methode verkleinert, aber auf Kosten zusätzlicher Abtastzeit, die durch die kleinere Abtaststeigung benötigt wird. Somit verkleinert diese Methode bis zu einem gewissen Grad die Vorteile, die durch wendelförmige Abtastung zu gewinnen sind.
Neigungsfehler an den Enden des tomographischen Projektionssatzes können verkleinert werden in Verbindung mit dieser Lösung, indem die Gewichtung der letzten und ersten Projektionen von den aufeinanderfolgenden 360º tomographischen Projektionssätzen in dem "Mittelungs"-Prozeß geändert wird, um der Projektion, die der Scheibenebene am nähesten ist, ein größeres Gewicht zu geben.
Eine zweite Lösung, die in dem US-Patent 4,789,929, erteilt am 6. Dezember 1988, offenbart ist, betrifft auch die Ge wichtung der Projektionen von kombinierten, aufeinanderfolgenden 360º tomographischen Projektionssätzen, aber die Gewichtung ist eine Funktion der wendelförmigen Versetzung von jeder Projektion bei dem gegebenen Gestellwinkel. Diese Lösung des Interpolierens über 720º vergrößert im allgemeinen Teilvolumenartefakte. Teilvolumenartefakte sind Bildartefakte, die entstehen, wenn gewisse Volumenelemente des abgebildeten Objektes nur zu einigen der Projektionen des Projektionssatzes beitragen.
Eine dritte Lösung ist in der europäischen Patentanmeldung Nr. 90311954.3 (EP-A-0426464) beschrieben, die am 08.05.91 veröffentlicht wurde, also nach dem Anneldedatum der vorliegenden Anmeldung, und die die Bezeichnung hat: "Computerized Tomographic Image Reconstruction Method for Helical Scanning". Diese dritte Lösung verwendet eine Halbabtastungstechnik, um die Tischbewegung während der Gewinnung von jeder Scheibe bzw. Schicht zu verkleinern. Projektionsdaten werden über 360º plus dem zweifachen Fächerbündelwinkel der Gestellrotation gewonnen und für eine Scheiben- bzw. Schichtebene interpoliert. Die verkleinerte Gestellbewegung entspricht einer verkleinerten Tischbewegung und somit werden gewisse Artefakte der wendelförmigen Abtastung verkleinert.
US-A-4707822 beschreibt eine tomographische Einrichtung, in der die Quelle des fächerförmigen Bündels um einen Winkel von 180º plus dem Quellenfächerwinkel gedreht wird, wobei Gewichtungsmittel für die Mittelwertbildung der weggelassenen Überlappungsdaten benutzt werden.
Es ist bekannt, daß ein tomographisches Bild aus Projektionsdaten hergestellt werden kann, die über 180º plus dem Fächerbündelwinkel der Gestellrotation gewonnen sind. Allgemein ergibt sich dieses Ergebnis aus der Äquivalenz in der Schwächung von gewissen Strahlen in Projektion, die an 180º auseinanderliegenden Gestellwinkeln gewonnen sind. Diese Methode der Rekonstruierung von tomographischen Bildern wird "Halbabtastung" genannt und erfordert üblicherweise, daß die gewonnenen Daten durch eine "Halbabtast-Gewichtungsfunktion" vor der Rekonstruktion des Bildes gewichtet werden, um so gewisse redundante Daten innerhalb jeder Halbabtastung weniger zu betonen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen zum Erzeugen eines tomographischen Bildes von einem abgebildeten Objekt aus Daten, die in einer wendelförmigen Abtastung (Scan) gewonnen worden sind, wobei die Daten in einer Reihe von Fächerbündelprojektionen an mehreren Gestellwinkeln θ um eine z-Achse und in einer Bildebene gesammelt werden, wobei die Fächerbündelprojektionen mehrere Daten an Fächerbündelwinkeln φ aufweisen, wobei das Verfahren die Schritte enthält: a) Identifizieren einer Scheibenebene zsp relativ zu dem abgebildeten Objekt und parallel zu der Bildebene; b) Bewegen des abgebildeten Objektes entlang der z-Achse und Drehen des Gestells, so daß die Bildebene die Scheibenebene an einem Gestellwinkel π kreuzt; wobei das Verfahren durch die Schritte gekennzeichnet ist: c) Gewinnen eines ersten Teilprojektionssatzes aus Daten für π Radian der Gestelldrehung, bevor die Bildebene die Scheibenebene kreuzt; d) Gewinnen eines zweiten Teilprojektionssatzes aus Daten für π Radian der Gestelldrehung, nachdem die Bildebene die Scheibenebene gekreuzt hat; e) Dividieren der Daten des ersten und zweiten Teilprojektions satzes in einen ersten und zweiten Halbabtast-Projektionssatz derart, daß keine Halbabtastung redundante Daten enthält und jede Halbabtastung Daten von beiden Seiten der Scheibenebene umschließt; f) Extrapolieren und Interpolieren der Daten der ersten und zweiten Halbabtastdaten zu Scheiben an der Scheibenebene; und g) Rekonstruieren eines tomographischen Bildes aus den Scheibenebenendaten.
Gemäß einen zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Einrichtung geschaffen zum Erzeugen eines tomographischen Bildes von einem abgebildeten Objekt aus Daten, die in einer wendelförmigen Abtastung (Scan) gewonnen sind, wobei die Daten in einer Reihe von Fächerbündelprojektionen an mehreren Gestellwinkeln θ um eine z-Achse und innerhalb einer Bildebene gesammelt sind, wobei die Fächerbündelprojektionen mehrere Daten an Fächerbündelwinkeln φ aufweisen, wobei die Einrichtung enthält: a) eine Einrichtung zum Identifizieren einer Scheibenebene zsp relativ zu dem abgebildeten Objekt und parallel zu der Scheibenebene; und b) eine Einrichtung zum Bewegen des abgebildeten Objektes entlang der z-Achse und Drehen des Gestells, so daß die Bildebene die Scheibenebene an einem Gestellwinkel π kreuzt, wobei die Einrichtung gekennzeichnet ist durch: c) eine Einrichtung zum Gewinnen eines ersten Teilprojektionssatzes von Daten für π Radian der Gestelldrehung, bevor die Bildebene die Scheibenebene kreuzt; d) eine Einrichtung zum Gewinnen eines zweiten Teilprojektionssatzes von Daten für π Radian der Gestelldrehung, nachdem die Bildebene die Scheibenebene kreuzt; e) eine Einrichtung zum Dividieren der Daten des ersten und zweiten Teilprojektionssatzes in einen ersten und zweiten Halbabtast-Projektionssatz derart, daß keine Halbabtastung redundante Daten enthält und jede Halbabtastung Daten von beiden Seiten der Scheibenebene umschließt; f) eine Einrichtung zum Extrapolieren und Interpolieren der Daten der ersten und zweiten Halbabtastdaten zu Daten an der Scheibenebene; und g) eine Einrichtung zum Rekonstruieren eines tomographischen Bildes aus den Scheibenebenendaten.
Die Erfindung verkleinert Neigungsartefakte durch Rekonstruieren eines Bildes aus den Daten von zwei Halbabtastungen. Indem jedoch die redundanten Daten zwischen den Halbabtastungen geteilt werden, können sie über nur 360º der Gestelldrehung gewonnen werden anstatt 360º plus dem zweifachen des Fächerbündelwinkels der Gestellrotation, die üblicherweise erforderlich sind, um zwei Halbabtastungen zu sammeln. Die Aufteilung redundanter Daten, die diese komprimierte Datengewinnung gestattet, erfordert, daß die Halbabtastungsdaten für die Scheibenebene extrapoliert und interpoliert werden.
Somit werden zwei Teilprojektionssätze von Daten, die über 180º der Gestellrotation gewonnen sind, gesammelt, und zwar einer für jede Seite der Scheibenebene. Diese Daten werden in zwei Halbabtast-Projektionssätze geteilt, wobei jede Halbabtastung aus Daten von beiden Seiten der Scheibenebene zusammen gesetzt ist. Die Halbabtastungen werden gewichtet, um eine Interpolation und Extrapolation für die Scheibenebene zu gestatten, und die kombinierten Halbabtastungen werden rekonstruiert, um ein Bild zu formen.
Mit der Erfindung soll die Gewinnung von Projektionsdaten für ein einzelnes Scheiben- bzw. Schichtbild über einer kürzeren z-Achsen-Strecke gestattet werden. Für eine gegebene Abtaststeigung erfordert die Verwendung von zwei Halbabtastungen, die in 360º anstatt 360º plus dem doppelten Fächerbündelwinkel gewonnen werden, eine kleinere z-Achsen-Bewegung in einer wendelförmigen Abtastung. Dies wiederum konzentriert die gewonnenen Projektionen an näher an der Scheiben- bzw. Schichtebene angeordneten Punkten und verbessert somit die Genauigkeit der Interpolation und Extrapolation und verringert Teilvolumenartefakte.
Die Erfindung versucht auch die Gewinnung von Projektionsdaten für ein einzelnes Scheiben- bzw. Schichtbild über einer kürzeren Zeitperiode zu gestatten. Bildartefakte können aus Patientenbewegung während der Gewinnung der Projektionsdaten von einem tomographischen Projektionssatz resultieren. Für eine gegebene Gestellgeschwindigkeit bzw. -Drehzahl gestattet die Verwendung von Halbabtastungen, die in nur 360º der Gestelldre hung gewonnen werden, die Rekonstruktion von Bildern, die gegenüber Bewegungsartefakten weniger empfindlich sind.
Die Erfindung versucht ferner, den Wirkungsgrad des Halbabtastverfahrens zu verbessern. Durch Aufteilen redundanter Daten zwischen Halbabtastungen kann die gesamte Röntgenbestrahlung für den Patienten verringert werden.
Die Erfindung wird nun mit weiteren Einzelheiten anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine bildliche Darstellung von einer CT Einrichtung ist, die ein Gestell, einen Tisch und ein abgebildetes Objekt aufweist, und die damit verbundenen relativen Winkel und Achsen zeigt;
Figuren 2(a) und 2(b) schematische Darstellungen von dem abgebildeten Objekt gemäß Figur 1 sind und die relative Orientierung des Gestells und der Bildebene in bezug auf das abgebildete Objekt zeigt für konstante z-Achsen-Abtastung bzw. wendelförmige Abtastung. Die Steigung der wendelförmigen Abtastung ist der Klarheit halber stark vergrößert;
Figur 3 ein Blockdiagramm von einem CT Steuersystem ist, das mit der CT Einrichtung gemäß Figur 1 verwendet werden kann und das zum Ausführen der Erfindung brauchbar ist;
Figur 4 ein Diagramm ist, das die Geometrie des Röntgenfächerbündels zeigt, das durch die CT Einrichtung gemäß Figur 1 erzeugt wird, wobei das Gestell als an zwei Gestellwinkeln θ angeordnet gezeigt ist, wenn man entlang der z-Achse schaut;
Figur 5(a) eine graphische Darstellung der Argumente und φ ist, die den Projektionsdaten der zwei Teilprojektionssätze zugeordnet sind, die bei einer wendelförmigen Abtastung mit der CT Einrichtung gemäß Figur 1 gewonnen werden;
Figur 5(b) eine graphische Darstellung von einer ersten Halbabtastung ist, die aus den Teilprojektionssätzen gemäß Figur 5(a) gebildet ist; und
Figur 5(c) eine graphische Darstellung von einer ersten und zweiten Halbabtastung ist, die aus den Teilprojektionssätzen gemäß Figur 5(a) gebildet sind.
Gemäß Figur 1 enthält ein CT Gestell 16, das einen CT Scanner der "dritten Generation" darstellt, eine Röntgenquelle 10, die so orientiert ist, daß sie ein Fächerbündel von Rönt genstrahlen 24 durch ein abgebildetes Objekt 12 hindurch auf eine Detektorarray 18 projiziert. Das Fächerbündel 24 ist entlang einer x-y-Ebene von einem kartesischen Koordinatensystem, der "Bildebene", gerichtet und bildet einen "Fächerwinkel" von 2φmax, der entlang der Bildebene gemessen wird. Das Detektorarray 18 wird von einer Anzahl von Detektorelementen 26 gebildet, die zusammen einen Wert empfangen und detektieren, der proportional zu der Größe von einen projizierten Bild ist, das aus der Transmission von Röntgenstrahlen durch das abgebildete Objekt 12 oder, im Falle der Emissions-Tomographie, aus der Strahlung resultiert, die von den radiopharmazeutischen Isotopen in dem abgebildeten Objekt 12 emittiert werden. Der Winkel φ, der von dem mittelsten Röntgenstrahl 20 des Fächerbündels 24 gemessen wird, kann jeden Strahl 21 des Fächerbündels 24 und seinen zugeordneten Detektor 26 bezeichnen und wird der Fächerbündelwinkel genannt.
Die Winkelstellung θ des Gestells 16 in bezug auf das abgebildete Objekt 12 wird willkürlich mit Null bezeichnet, wenn der mittelste Strahl 20 des Fächerbündels vertikal und nach unten gerichtet ist. Das Gestell 16 ist mit den dem Gestell zugeordneten Steuermodulen 48, die in Figur 3 gezeigt und nachfolgend zu beschreiben sind, durch Schleifringe 50 verbun den, und deshalb ist es frei, kontinuierlich um Winkel zu rotieren, die größer als 360º sind, um Projektionsdaten zu gewinnen.
Das abgebildete Objekt 12 ruht auf einem Tisch 22, der strahlendurchlässig ist, um so eine Störung mit dem Abbildungsprozeß zu minimieren. Der Tisch 22 kann so gesteuert werden, daß seine obere Oberfläche sich entlang der z-Achse senkrecht zu der x-y Bildebene verschiebt, indem das abgebildete Objekt 12 durch die Bildebene verschoben wird, die von dem Fächerbündel 24 überstrichen wird. Der Einfachheit halber sei nachfolgend angenommen, daß sich der Tisch 22 mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt und daß deshalb die z-Achsen-Stellung des Tisches 22 proportional zu der Winkelstellung θ des Gestells 16 ist. Dementsprechend können die gewonnenen tomographischen Projektionen entweder in Größen von z oder θ definiert werden.
Gemäß den Figuren 2(a) und 2(b) ist die Winkelstellung des Gestells und die z-Achsen-Stellung der Bildebene in bezug auf das abgebildete Objekt durch Projektionspfeile 20 für eine konstante z-Achsen-Abtastung bzw. eine wendelförmige Abtastung gezeigt. Bei der konstanten z-Achsen-Abtastung, die in Figur 2(a) gezeigt ist, wird jeder tomographische Projektionssatz an einer konstanten z-Achsen-Stellung gewonnen, und das abgebildete Objekt wird entlang der z-Achse zur nächsten Scheibenbzw. Schichtebene zwischen diesen Datengewinnungen bewegt.
Dies unterscheidet sich von der wendelförmigen Abtastung in Figur 2 (b), wo die z-Achsen-Stellung des abgebildeten Objektes sich in bezug auf die Bildebene kontinuierlich ändert während der Gewinnung von jedem tomographischen Projektionssatz. Dementsprechend folgen die Pfeile 20 einer Wendel (Helix) innerhalb des abgebildeten Objektes entlang der z-Achse. Die Steigung (Pitch) der Wendel wird als die Abtaststeigung bezeichnet.
Es wird nun auf Figur 3 Bezug genommen; das Steuersystem von einem CT Bildgebungssystem weist dem Gestell zugeordnete Steuermodulen 48 auf, die enthalten: eine Röntgensteuerung 54, die Leistungs- und Zeitsteuersignale an die Röntgenquelle liefert, eine Gestellmotorsteuerung 56, die die Drehgeschwindigkeit und Stellung des Gestells 16 steuert und Information an einen Computer 60 und ein Datengewinnungssystem 62 bezüglich der Gestellstellung liefert, und einen Bildrekonstruktor 68, der Abtast(Sample)- und digitalisierte Signale von dem Detektorarray 18 über das Datengewinnungssystem 62 empfängt, um eine Hochgeschwindigkeits-Bildrekonstruktion gemäß bekannten Methoden ausführen. Jede der obigen Einrichtungen kann mit ihren zugeordneten Elementen auf dem Gestell 16 über Schleifringe 50 verbunden sein und dient dazu, den Computer 60 mit verschiedenen Gestellfunktionen zu verbinden.
Die Geschwindigkeit und Stellung des Tisches 22 entlang der z-Achse wird durch eine Tischmotorsteuerung 52 dem Computer 60 zugeführt und durch diesen gesteuert. Der Computer 60 empfängt Befehle und Abtastparameter über eine Operator-Konsole 64, die im allgemeinen ein Kathodenstrahlröhren-Bildschirm und eine Tastatur ist, die es dem Operator gestattet, Parameter für die Abtastung einzugeben und das rekonstruierte Bild und andere Information von dem Computer 60 bildlich darzustellen. Eine Massenspeichervorrichtung 66 bildet eine Einrichtung zum Speichern von Betriebsprogrammen für das CT Bildgebungssystem und auch für Bilddaten für einen zukünftigen Rückgriff durch den Operator.
Bei einer konventionellen CT Bildgebung werden 360º von Projektionsdaten, ein voller tomographischer Projektionssatz, gewonnen und in ein Schicht- bzw. Scheibenbild rekonstruiert. Alternativ kann ein tomographisch rekonstruiertes Bild von Projektionsdaten abgeleitet werden, die über weniger als 360º Drehung des Gestells 16 gewonnen werden, vorausgesetzt, es wird wenigstens eine minimale Gestelldrehung von 180º plus dem Fächerbündelwinkel erhalten. Eine Bildrekonstruktion, die weniger als 360º von Projektionsdaten verwendet, wird "halbabtastung" genannt, um sie von einer "Vollabtastungs"-Bildrekonstruktion zu unterscheiden, die 360º der Projektionsdaten erfordert. Die Daten, die zum Rekonstruieren eines Halbabtastbildes verwendet werden, werden ein "Halbabtast-Datensatz" genannt.
Als eine Folge der Fächerbündelgeometrie von der Röntgenröhre 10 und dem Detektorarray 18, die nachfolgend näher erläutert wird, wird eine Halbabtastung gewisse duplikative Daten enthalten. Diese duplikativen Daten erfordern üblicherweise, daß der Halbabtast-Datensatz mit einer "Halbabtastgewichtungs"- Funktion gewichtet wird, so daß die duplikativen Daten keinen unproportionalen Beitrag zu dem endgültigen Bild liefern, wenn sie mit den nicht-redundanten Daten vereinigt werden. Die Gewichtung und Rekonstruktion von Bildern aus einem Halbabtast- Datensatz sind im Detail erläutert in "Optimal Short Scan Convolution Reconstruction for Fanbeam CT", Dennis L. Parker, Medical Physics 9(2), März/April 1982.
Die Quelle der duplikativen Daten innerhalb einer Halbabtastung, die mit einer Fächerbündelgeometrie gewonnen werden, kann graphisch dargestellt werden. Wenn Figur 4 betrachtet wird, so enthält ein Fächerbündel 24 an einer ersten Gestellstellung θ=0 einen Strahl A an dem Winkel -φmax in dem Fächerbündel 24. Der Strahl A wird von einem Detektorelement 26 (nicht gezeigt) empfangen, das ein Signal P(θ&sub1;, - θmax) wobei θ&sub1;=0, proportional zu dem Linienintegral der Absorption der Röntgenstrahlung entlang dem Strahl A durch das abgebildete Objekt 12 erzeugt. An einem zweiten Fächerbündel 24 an der zweiten Gestellstellung θ&sub2;=π-2θmax wird deutlich, daß die gleiche Linienintegral-Absorption, die entlang dem Strahl A in der ersten Gestellstellung gemessen wird, auch entlang einem Strahl A' in der zweiten Gestellstellung gemessen wird, wobei sich der Strahl A' an dem Winkel +φmax in dem Fächerbündel 24 befindet. Der Röntgenstrahl entlang dem Strahl A' wird durch ein Detektorelement 26 (nicht gezeigt) empfangen, das ein Signal P(θ&sub2;, θmax) erzeugt. Die Identität der Messungen entlang den Strahlen A und A' kann durch die folgende Beziehung verallgemeinert werden:
P(θ, φ)=P(θ+π+2φ), -φ) (1)
wobei θ und φ irgendein Gestellwinkel bzw. irgendein Fächerbündelwinkel ist. Bei der wendelförmigen Abtastung können Daten, deren Strahlen durch Gleichung 1 äquivalent sind, trotzdem unterschiedliche Werte haben als eine Folge der Bewegung des Tisches während der Gestellrotation. Der Begriff "redundante Daten" wird benutzt, um diese Daten innerhalb jeder Halbabtastung zu bezeichnen, deren Strahlen durch Gleichung 1 in Beziehung stehen, obwohl die Werte der Daten sich als eine Folge der wendelförmigen Abtastung unterscheiden können.
Bei der vorliegenden Einrichtung werden zwei aufeinanderfolgende Teilprojektionssätze von tomographischen Daten über einer Drehung des Gestells 16 von 2π Radian (360º) gewonnen. Während der Gewinnung dieser Projektionsdaten werden der Tisch 22 und somit das abgebildete Objekt 12 entlang der z-Achse vorgeschoben. In Figur 5(a) sind die Argumente θ und φ für Daten für diese ersten und zweiten Teilprojektionssätze schematisch gezeigt. Linien parallel zu AB stellen Projektionen dar, die an der Gestellstellung θ gemacht sind, und enthalten Detektorsignale von Winkeln φ: -φmax< φ< +φmax. Der Gestellwinkel θ der Projektion entlang der Linie AB ist willkürlich mit θ bezeichnet und ist die erste Projektion von dem ersten Teilprojektionssatz. Aufeinanderfolgende Projektionen werden dadurch gewonnen, daß die Gestellwinkel θ bis zu θ=π Radian vergrößert wer den, während der Tisch 22 entlang der z-Achse vorgeschoben wird, durch wendelförmige Abtasttechniken, die oben erläutert sind.
Wenn der Gestellwinkel θ=π Radian erreicht, wie es durch die Linie 70 in Figur 5(a) gezeigt ist, ist der erste Teilprojektionssatz 80 vollständig, und die Schicht- bzw. Scheibenebene z&sub5;p des abgebildeten Objektes 12 ist mit der Bildebene ausgerichtet worden. Ein zweiter Teilprojektionssatz 78 wird dann eingeleitet, indem an dem Gestellwinkel θ=π begonnen und zum Gestellwinkel θ=2π fortgefahren wird.
Bezugnehmend auf Figur 5(b) kann eine erste Halbabtastung 82 aus diesen ersten und zweiten Teilprojektionssätzen 80 und 78 gebildet werden. Eine Halbabtastung muß wenigstens π+2φmax Radian von Projektionen enthalten, um ein Bild zu rekonstruieren, und deshalb enthält die Halbabtastung 82 Daten von θ=0 bis θ=π+2φmax und ist durch die schraffierte Fläche in Figur 5(b) zwischen den Linien AB und CD gezeigt, wobei CD als θ=π+2φmax definiert ist.
Die erste Halbabtastung 82 enthält redundante Daten gemäß obiger Gleichung (1), die durch die dreieckige Fläche 84 angegeben sind, und enthält Daten zwischen der Linie CD und der Linie CE, wobei CE als θ=π-2φ definiert ist.
Üblicherweise werden die redundanten Daten in der Halbabtastung mit den anderen Daten von der Halbabtastung durch eine Halbabtast-Gewichtungsfunktion kombiniert. In der vorliegenden Einrichtung jedoch wird eine Halbabtastung 82' ohne redundante Daten von der Fläche ABCE gebildet. Genauer gesagt, sind die redundanten Daten der dreieckigen Fläche 84 nicht in der ersten Halbabtastung 82' enthalten. Eine zweite Halbabtastung 86, ebenfalls ohne redundante Daten, wird von einer Fläche ECGF gebildet, wobei die Linie GF als θ=2π definiert ist, und sie ist als der schattierte Bereich in Figur 5(c) gezeigt. Zusammenfassend können zwei Halbabtast-Projektionssätze 82' und 86 aus einer Gesamtmenge von 2π der Projektionsdaten gebildet werden, so daß keine Halbabtastung redundante Daten enthält. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß jede Halbabtastung Daten von beiden Seiten der Scheiben- bzw. Schichtebene umfaßt, die durch die Linie 70 bei θ=π angegeben ist.
Gemäß Gleichung (1) können Daten in der ersten Halbabtastung 82' an komplementäre Daten in der zweiten Halbabtastung 86 angepaßt werden. Komplementäre Daten sind Projektionsdaten in unterschiedlichen Halbabtastungen, die den gleichen Strahl durch das abgebildete Objekt messen würden, wenn sich das abgebildete Objekt nicht entlang der z-Achse verschoben hätte. Die komplementären Daten der zwei Halbabtastungen 82' und 86 können mathematisch kombiniert werden, um die Werte von einem effektiven dritten Halbabtast-Projektionssatz (nicht gezeigt) abzu schätzen, der an der Scheiben- bzw. Schichtebene 70 genommen ist. Als eine Folge der Division bzw. Teilung der Teilprojektionssätze 78 und 80 in Halbabtastungen 82' und 86 sind jedoch die komplementären Daten der Halbabtastungen 82' und 86 nicht notwendigerweise auf gegenüberliegenden Seiten der Scheibenbzw. Schichtebene 70, und deshalb müssen eine Extrapolation und auch eine Interpolation verwendet werden, um die Daten für die Scheiben- bzw. Schichtebene 70 abzuleiten.
Beispielsweise ist unter Bezugnahme auf Figur 5(c) der Punkt a in dem ersten Teilprojektionssatz 80 und der zweiten Halbabtastung 86 komplementär zu α', der auf der gleichen Seite der Scheiben- bzw. Schichtebene 70 wie a ist. Umgekehrt ist ein Punkt β, der entlang der Linie φ=0 angeordnet ist, komplementär zu β' auf der gegenüberliegenden Seite der Scheibenbzw. Schichtebene 70. Deshalb müssen in dem ersten Fall die Scheibenebenendaten aus den komplementären Punkte α und α' extrapoliert werden, wogegen in dem letzten Fall der Scheibenebenenwert aus den komplementären Punkten β und β' interpoliert werden muß.
Der Extrapolationsprozeß erzeugt Werte, die außerhalb derjenigen der Datenelemente sind, die die Basis für die Extrapolation bilden, und ist deshalb weniger vorhersagbar als der Interpolationsprozeß. Aus diesem Gründe war erwartet worden, daß die Extrapolation ihre eigenen Artefakte einführen würde. Es sind jedoch keine nachteiligen Wirkungen der Extrapolation festgestellt worden.
Aus Gründen der Berechnungseffizienz wird eine Scheibenebenen-Halbabtastung nicht zuerst aus den ersten und zweiten Halbabtastungen 82' und 86 abgeleitet, sondern es wird vielmehr eine Gewichtungsfunktion auf die ersten und zweiten Halbabtastungen 82' und 86 angewendet, und die kombinierten ersten und zweiten Halbabtastungen 82' und 86 werden als eine volle Abtastung rekonstruiert, wobei die Extrapolation und Interpolation in dem Rekonstruktionsprozeß implizit sind.
Für zwei komplementäre Datenelemente P(θ&sub1;,φ&sub1;), gewonnen bei z&sub1;, und P(θ&sub2;,φ&sub2;), gewonnen bei z&sub2;, kann eine lineare Interpolation oder Extrapolation auf ein Scheibenebenen-Datenelement P(θ&sub3;,φ&sub3;), gewonnen bei zsp durch Gewichtung der komplementären Punkte mit Gewichtungsfunktionen w&sub1;, w&sub2; ausgeführt werden, so
w&sub1;=z&sub2;-zsp/z&sub2;-z&sub1;(2)
w&sub2;=zsp-z&sub1;/z&sub2;-z&sub1;(3)
wobei
P(θ&sub3;,φ&sub3;=w&sub1;P(θ&sub1; ,φ&sub1;)+w&sub2;P(θ&sub2;,φ&sub2;)
In einer wendelförmigen Abtastung mit konstanter Tisch- und Gestellgeschwindigkeit ist die Tischstellung z proportional zu dem Gestellwinkel θ, und somit können die Gewichtungsfunktionen umgeschrieben werden als:
w&sub1;=θ&sub2;-θsp/θ&sub2;-θ&sub1;(4)
w&sub2;=θsp-θ&sub1;/θ&sub2;-θ&sub1; (5)
Durch willkürliche Definition des Gestellwinkels an der Scheiben- bzw. Schichtebene als π und Bezugnahme auf die Äquivalenz der obigen Gleichung (1) für komplementäre Datenpunkte, d.h. θ&sub2;=θ&sub1;+π+2φ&sub1;, kann die folgende Vereinfachung gemacht werden:
w&sub1;=1+θ&sub2;-π/π-2φ&sub1; (6)
w&sub2;=1+π-θ&sub2;/π-2φ&sub2; (7)
Deshalb werden die Daten in dem ersten Halbabtast-Projektionssatz 82' multipliziert mit der Gewichtung
w&sub1;(θ,φ)=1+θ-π/π-2φ (8)
währen die Daten in dem zweiten Halbabtast-Projektionssatz 86 mit der Gewichung multipliziert werden
w&sub2;(θ,φ)=1+π-θ/π-2φ (9)
Der gesamte Projektionssatz wird dann rekonstruiert gemäß konventionellen Vollabtast-Rekonstruktionstechniken, die dem Fachmann bekannt sind.
Es wird noch weiterhin auf Figur 5(c) Bezug genommen; die obigen Gewichtungen haben unterschiedliche Werte an der Linie CE, die die Halbabtast-Projektionssätze trennt. Dies ruft eine Diskontinuität zwischen aufeinanderfolgend gewonnenen Projektionsdaten hervor, die Streifenartefakte in dem endgültigen Bild erzeugt. Die Diskontinuität kann eliminiert werden durch Verstellen (Feathering) von w&sub1; und w&sub2; nahe der Grenzfläche der zwei Halbabtastungen auf jeder Seite der Linie CE innerhalb der Linien 72 und 74 parallel zur Linie CE.
Genauer gesagt, wird w&sub2; multipliziert mit f(φ), und das Produkt wird auf die Daten von beiden Halbabtastungen 82' und 86 angewendet, und w&sub1; wird mit 1-f(φ) multipliziert, und das Produkt wird auf die Daten von beiden Halbabtastungen 82' und 86 angewendet, wobei:
und wobei
x(φ) = φ-φc/ω+0,5 (11)
und
φc = π-θ/2(12)
ω ist die Verstellbreite, über der die zwei Gewichtungsfunktionen kombiniert werden, und ist der horizontale Trennabstand der Linien 72 und 74. Ein Wert von ω, der dem Winkel äquivalent ist, der durch zehn Detektorelemente 26 eingeschlossen ist, ist als ausreichend gefunden worden. Die Funktion 3x²(φ)-2x³(φ) steuert die Geschwindigkeit der Verstellung und ist gewählt worden, weil sie sich gleichmäßig zwischen Null und Eins verändert.
Für den Fachmann werden viele Modifikationen und Abänderungen des bevorzugten Ausführungsbeispiels deutlich. Beispielsweise können andere Interpolations- oder Extrapolationsverfahren verwendet werden, einschließlich derjenigen, die Daten aus zusätzlichen Halbabtastungen vor und nach den ersten und zweiten Halbabtastungen verwenden und Interpolationsmethoden höherer Ordnung benutzen. Es sei auch darauf hingewiesen, daß die Reihenfolge der Gewichtung und Rekonstruktion nicht kritisch ist und daß alternativ Bilder aus den Halbabtastungen und den entstehenden Bildern rekonstruiert werden können, die nach der Rekonstruktion gewichtet und kombiniert sind. Ferner kann dieses Verfahren in Situationen angewendet werden, wo sich das Gestell nicht mit einer konstanten Geschwindigkeit in bezug auf den Tisch bewegt, vorausgesetzt, die z-Achsenstellung, die jedem Datenelement zugeordnet ist, kann ermittelt werden. Schließlich ist zur Vereinfachung der Erläuterung angenommen worden, daß das Gestell an π Radian angeordnet ist, wenn die Scheiben- bzw. Schichtebene gekreuzt wird. Selbstverständlich ist jeder Startgestellwinkel zulässig, vorausgesetzt, die Teilprojektionsdaten sind von der Gestellstellung an der Scheibenbzw. Schichtebene richtig in Beziehung gesetzt.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen eines tomographischen Bildes von einem abgebildeten Objekt (12) aus Daten, die in einer wendelförmigen Abtastung (Scan) gewonnen worden sind, wobei die Daten in einer Reihe von Fächerbündelprojektionen an mehreren Gestellwinkeln θ um eine z-Achse und in einer Bildebene gesammelt werden, wobei die Fächerbündelprojektionen mehrere Daten an Fächerbündelwinkeln φ aufweisen, wobei das Verfahren die Schritte enthält

a) Identifizieren einer Scheibenebene zsp (70) relativ zu dem abgebildeten Objekt und parallel zu der Bildebene;

b) Bewegen des abgebildeten Objektes (12) entlang der z-Achse und Drehen des Gestells (16), so daß die Bildebene die Scheibenebene an einem Gestellwinkel π kreuzt,

wobei das Verfahren durch die Schritte gekennzeichnet ist:

c) Gewinnen eines ersten Teilprojektionssatzes (80) aus Daten für π Radian der Gestelldrehung, bevor die Bildebene die Scheibenebene (70) kreuzt;

d) Gewinnen eines zweiten Teilprojektionssatzes (86) aus Daten für π Radian der Gestelldrehung, nachdem die Bildebene die Scheibenebene (70) gekreuzt hat;

e) Dividieren der Daten des ersten und zweiten Teilprojektionssatzes (80, 86) in einen ersten und zweiten Halbabtast-Projektionssatz derart, daß keine Halbabtastung redundante Daten enthält und jede Halbabtastung Daten von beiden Seiten der Scheibenebene umschließt;

f) Extrapolieren und Interpolieren der Daten der ersten und zweiten Halbabtastdaten zu Daten an der Scheibenebene (70); und

g) Rekonstruieren eines tomographischen Bildes aus den Scheibenebenendaten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Datensätze extrapoliert und interpoliert werden durch Anwenden einer ersten Gewichtungsfunktion auf die Daten der ersten Halbabtastung und Anwenden einer zweiten Gewichtungsfunktion auf die Daten der zweiten Halbabtastung und Rekonstruieren der kombinierten ersten und zweiten Halbabtastung als eine Vollabtastung.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Halbabtastdaten einem entsprechenden Gestellwinkel θ und Fächerbündelwinkel φ zugeordnet werden und die erste Gewichtungsfunktion w&sub1; ist und die zweite Gewichtungsfunktion w&sub2; ist, so

4. Verfahren nach Anspruch 11 wobei die ersten und zweiten Datensätze extrapoliert und interpoliert werden durch Anwenden des Produktes von einer ersten Gewichtungsfunktion und einer ersten Verstellfunktion auf die Daten der ersten und zweiten Halbabtastung und Anwenden des Produktes von einer zweiten Gewichtungsfunktion und einer zweiten Verstellfunktion auf die Daten der ersten und zweiten Halbabtastung und Rekonstruieren der kombinierten ersten und zweiten Halbabtastung als eine Vollabtastung.

5. Einrichtung zum Erzeugen eines tomographischen Bildes von einem abgebildeten Objekt (12) aus Daten, die in einer wendelförmigen Abtastung (Scan) gewonnen sind, wobei die Daten in einer Reihe von Fächerbündelprojektionen an mehreren Gestellwinkeln θ um eine z-Achse und innerhalb einer Bildebene gesammelt sind, wobei die Fächerbündelprojektionen mehrere Daten an Fächerbündelwinkeln f aufweisen, wobei die Einrichtung enthält:

a) eine Einrichtung (60) zum Identifizieren einer Scheibenebene zsp (70) relativ zu dem abgebildeten Objekt (12) und parallel zu der Bildebene; und

b) eine Einrichtung (52) zum Bewegen des abgebildeten Objektes (12) entlang der z-Achse und Drehen des Gestells (16), so daß die Bildebene die Scheibenebene an einem Gestellwinkel π kreuzt, wobei die Einrichtung gekennzeichnet ist durch:

c) eine Einrichtung (60) zum Gewinnen eines ersten Teilprojektionssatzes (80) von Daten für π Radian der Gestelldrehung, bevor die Bildebene die Scheibenebene (70) kreuzt;

d) eine Einrichtung (60) zum Gewinnen eines zweiten Teilprojektionssatzes (86) von Daten für π Radian der Gestelldrehung, nachdem die Bildebene die Scheibenebene (70) kreuzt;

e) eine Einrichtung (60) zum Dividieren der Daten des ersten und zweiten Teilprojektionssatzes (80, 86) in einen ersten und zweiten Halbabtast-Projektionssatz derart, daß keine Halbabtastung redundante Daten enthält und jede Halbabtastung Daten von beiden Seiten der Scheibenebene umschließt;

f) eine Einrichtung (60) zum Extrapolieren und Interpolieren der Daten der ersten und zweiten Halbabtastdaten zu Daten an der Scheibenebene; und

g) eine Einrichtung (68) zum Rekonstruieren eines tomographischen Bildes aus den Scheibenebenendaten.