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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Bildgebung mit Hilfe
der Bildrekonstruktion von Emissionsdaten. Sie findet besondere
Anwendung in Zusammenhang mit der Einzelphotonen-Emissionscomputertomographie
(Single Photon Emission Computed Tomography, SPECT) und Nuklearkameras
und wird mit besonderem Bezug hierauf beschrieben. Es ist jedoch
zu beachten, dass die vorliegende Erfindung auch für andere ähnliche
Anwendungen geeignet ist, die die Positronenemissionstomographie
(PET) und die Ultraschalltomographie einschließen, jedoch nicht darauf beschränkt ist.
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Die
Abschwächungskorrektur
ist heutzutage ein Bestandteil der Bildrekonstruktion in der Nuklearmedizin.
Mehrere Verfahren von einfachen analytischen Filtern bis hin zu
komplizierten Transmissionseinrichtungen wurden in den letzten Jahren
eingeführt,
um eine objektabhängige
Abschwächungskarte
zu erhalten. Bei der analytischen Korrektur sind die Annahmen häufig zu
restriktiv um realistisch zu sein. Die lediglich auf Emissionsdaten
basierende objektabhängige
Abschwächungskorrektur
stellt eine attraktive und theoretisch vernünftige Alternative dar, ist
jedoch für
den Einsatz im großen
Maßstab
nicht geeignet. Schließlich
sind Verfahren, die auf einer Abschwächungskarte basieren, die aus
gemessenen Transmissionsprojektionsdaten konstruiert wird, zwar
ein beliebter Ansatz, leiden jedoch unter sehr schlechter statistischer
Qualität.
Außerdem sind
die aktuellen Verfahren zur Rekonstruktion der Emissionsdaten rauschempfindlich.
Ferner sind die erfassten Transmissionsprojektionsdaten oft abgehackt.
Ein Prozess zur Durchführung
von Emissionskartographie eines Körpers ist in dem Dokument
US 5 814 817 dargelegt.
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Die
hier dargelegten Ansätze
weichen von den bisher verfügbaren
Verfahren ab. Um den Unterschied deutlich zu machen ist es hilfreich,
die bisherigen Verfahren zu untersuchen.
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Es
ist allgemein bekannt, dass iterative Verfahren leicht dazu neigen,
zusätzliche
Korrekturfaktoren wie Abschwächung
einzuführen.
Bezug nehmend auf 1 besteht das grundlegende Konzept,
das sich hinter iterativen Verfahren, wie beispielsweise der Rekonstruktion
mittels Maximum-Likelihood-Erwartungsmaximierung (ML-EM), verbirgt,
darin, das Objekt (d.h. das Bild oder die Emissionskarte) zu finden,
für das
eine ma thematische Projektion Ergebnisse erzeugt, die mit dem Satz
gemessener Emissionsprojektionen vergleichbar sind. Der ML-EM-Rekonstruktionsalgorithmus
ist ein derartiges Verfahren, das es ermöglicht, das Bild wirksam zu
ermitteln. Ausgehend von einer anfänglichen Schätzung oder
Annahme wird von einem Projektor künstlich ein Satz Projektionen
erzeugt, wobei ein Projektionsmodell verwendet wird. Diese Projektionen werden
mit dem „echten" oder gemessenen
Satz verglichen. Wenn bestimmte Bedingungen erfüllt werden (d.h. wenn die Projektionen
der Emissionskarte den gemessenen Emissionsprojektionen nahe genug
kommen), hält
das iterative Verfahren an, und das aktuelle Bild ist die bestmögliche Darstellung
des Objekts, andernfalls wird die anfängliche Schätzung aktualisiert und ein
neuer Satz Projektionen erzeugt. Natürlich ist das verwendete Projektionsmodell
ein wichtiger Bestandteil des Projektionsvorgangs. Ein genaues Projektionsmodell
kann jedoch komplex sein und viele Details aufweisen.
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Bezug
nehmend auf 2 besteht eine Art, die „Wirklichkeitsnähe" des Projektionsmodells
zu verbessern oder die Vorgänge
zu aktualisieren darin, a priori Informationen, d.h. bereits Bekanntes über das
Objekt (beispielsweise seine Kontur, seine Struktur usw.), einzuschließen. Im
Allgemeinen ist dies ein leistungsfähiges Werkzeug, das eine erhebliche
Verbesserung der Rekonstruktion bietet. Ein Nachteil besteht jedoch
darin, dass diese Informationen echt sein müssen. Mit anderen Worten: Wenn
a priori Informationen wahr oder genau sind, sind sie für die Rekonstruktion
nützlich.
Andererseits führt
Ungenauigkeit zu einer ungeeigneten Vorbelastung der Rekonstruktion
oder zur Einführung
unerwünschter
Artefakte. Außerdem
ist es in der Praxis schwierig, nicht belanglose Merkmale des abzubildenden
Objekts zu finden, die genau sind.
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Bezug
nehmend auf 3 ist die Abschwächungskarte
sicherlich ein Element, das bei der Rekonstruktion von Nutzen sein
kann. Informationen, die zu Abschwächungsmerkmalen gehören, können für einfache Situationen
(beispielsweise gleichmäßige Abschwächung, symmetrische
Abschwächung
usw.) künstlich
erzeugt werden. Im Allgemeinen können
sich jedoch Ungenauigkeiten einschleichen, wenn Abschwächungsmerkmale
angenommen werden, die nicht wahr bzw. nicht objektspezifisch sind.
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Bezug
nehmend auf 4 ist es wesentlich vorteilhafter,
wenn die Abschwächungskarte
für jedes
Objekt konstruiert und direkt bei der Rekonstruktion verwendet wird.
Die Abschwächungskarte
wird häufig
von gemessenen Transmissionsprojektionsdaten abgeleitet. Dies ist
die Grundlage der meisten modernen nicht-einheitlichen Abschwächungskorrekturvorrichtungen.
Das Problem bei diesem Ansatz ist jedoch die Statistik. Ty pischerweise
werden zur Bestimmung einer nützlichen
und verwendbaren Abschwächungskarte
viele Zählwerte
benötigt.
In der Praxis ist die Bestimmung der Abschwächungskarte jedoch zählwertmäßig begrenzt
und das damit verbundene Eigenrauschen wird in die Rekonstruktion
der Emissionskarte mit eingebracht. Ein weiteres Problem besteht
darin, dass die Transmissionsprojektionsdaten, die zur Ableitung
der Abschwächungskarte
verwendet werden, oft abgehackt sind, wodurch sich eine schlechtere
Abschwächungskarte
ergibt. Mit anderen Worten: eine schlechte Abschwächungskarte
kann in der Tat das Bild verschlechtern, das sie verbessern soll,
da Zählwerte
fehlen bzw. der Transmissionsdatensatz unvollständig ist.
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Diese
Einschränkungen
bei der Erfassung der gemessenen Abschwächungskarteen haben dazu motiviert,
nach anderen Verfahren zu suchen. Es ist allgemein bekannt, dass
die Emissionsdaten Informationen enthalten, aus denen die Abschwächungskarte
theoretisch rekonstruiert werden kann. Derartige Rekonstruktionsverfahren
werden als quellenlos bezeichnet. Tatsächlich kann jeder Punkt in
dem Objekt als ein Sendequelle angesehen werden, und die beobachtete
Intensität
an einem gegebenen Punkt auf dem Detektor kann mit der erwarteten
Intensität
ohne Abschwächung
verglichen werden. Unglücklicherweise
kann aufgrund von Einschränkungen,
wie beispielsweise der begrenzten Anzahl von Zählwerten in der Emissionskarte,
das Verhältnis
zwischen der Emissions- und der Abschwächungskarte nur teilweise hergestellt
werden. Außerdem
ist der Prozess selbst nicht in der Lage, zwischen einer Bedingung
mit geringer Aktivität
und geringer Abschwächung
und einer Bedingung mit hoher Aktivität und hoher Abschwächung zu
unterscheiden.
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Ein
weiterer Nachteil der bisherigen Verfahren besteht darin, dass sie
dazu neigen, nur ein lineares Projektionsmodell einzusetzen. Dies
heißt,
dass sie lediglich die Ereignisse berücksichtigen, die auf einem
singulären
Pfad oder einer singulären
Linie von der Erkennungdatengruppe zur Aktivität liegen. Derartige Projektionsmodelle
sind nicht dafür
geeignet, Streuung oder Kollimatorauflösung zu berücksichtigen, die es einer speziellen
Detektordatengruppe ermöglicht,
Photonen von Quellen zu erkennen, die außerhalb der Linie liegen.
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Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit einem neuen Verfahren zum
Schaffen einer Abschwächungskorrektur
in der Emissionscomputertomographie.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren der ML-EM-Bildrekonstruktion geschaffen,
das in Verbindung mit einem Bildgebungsgerät für Diagnosezwecke eingesetzt
wird, das Projektionsdaten erzeugt. Das Verfahren beinhaltet die
Erfassung von Projektionsdaten, die gemessene Emissionsprojektionsdaten
enthalten. Die anfänglichen
Emissions- und Abschwächungskarten
werden angenommen und iterativ aktualisiert. Bei jeder Iteration
wird die Emissionskarte neu berechnet, indem eine vorherige Emissionskarte
genommen und angepasst wird auf der Grundlage: (i) der gemessenen
Emissionsprojektionsdaten; (ii) einer Reprojektion der vorhergehenden
Emissionskarte, die mit einem mehrdimensionalen Projektionsmodell
durchgeführt
wird; und (iii) einer Reprojektion der Abschwächungskarte. Bei jeder Iteration
wird ferner die Abschwächungskarte
neu berechnet, indem eine vorherige Abschwächungskarte genommen und angepasst wird
auf der Grundlage: (i) der gemessenen Emissionsprojektionsdaten;
und (ii) der Reprojektion der vorhergehenden Emissionskarte, die
mit dem mehrdimensionalen Projektionsmodell durchgeführt wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein medizinisches
Bildgebungsgerät für Diagnosezwecke
zur Rekonstruktion von Bilddarstellungen eines mit ihm untersuchten
Objekts geschaffen. Es umfasst einen Emissionsspeicher, der gemessene
Emissionsprojektionsdaten des Objekts speichert. Ein Bildspeicher
speichert Emissionskarten und ein Abschwächungskartenspeicher speichert
Abschwächungskarten.
Ein erster Projektor erzeugt Emissionskartenprojektionen über die
Vorwärtsprojektion
der Emissionskarten aus dem Bildspeicher. In gleicher Weise erzeugt
ein zweiter Projektor Abschwächungskartenprojektionen über die
Vorwärtsprojektion
der Abschwächungskarten
aus dem Abschwächungskartenspeicher.
Der erste und der zweite Projektor nutzen erste bzw. zweite mehrdimensionale
Projektionsmodelle. Ein erster Datenprozessor tastet den Emissionsspeicher
ab, und der erste Projektor aktualisiert demgemäß die in dem Abschwächungskartenspeicher
gespeicherten Abschwächungskarten.
Ein zweiter Datenprozessor tastet den Emissionsspeicher ab, und
der erste und der zweite Projektor aktualisieren demgemäß die in
dem Bildspeicher gespeicherten Emissionskarten. Zum Schluss gibt
eine für
den Menschen sichtbare Anzeige rekonstruierte Bilddarstellungen des
Objekts aus den Emissionskarten wieder.
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Möglichkeiten
zur Ausführung
der Erfindung werden im Folgenden anhand von Beispielen unter Bezugnahme
auf die begleitende Zeichnung näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Ablaufdiagramm, das die Funktionsweise eines typischen ML-EM-Rekonstruktionsverfahrens
gemäß dem Stand
der Technik darstellt;
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2 ein
Ablaufdiagramm, das die Funktionsweise eines typischen ML-EM-Rekonstruktionsverfahrens
unter Verwendung von a priori Informationen gemäß dem Stand der Technik darstellt;
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3 ein
Ablaufdiagramm, das die Funktionsweise eines typischen ML-EM-Rekonstruktionsverfahrens
unter Verwendung einer künstlich
erzeugten Abschwächungskarte
gemäß dem Stand
der Technik darstellt;
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4 ein
Ablaufdiagramm, das die Funktionsweise eines typischen ML-EM-Rekonstruktionsverfahrens
unter Verwendung einer von gemessenen Transmissionsprojektionsdaten
abgeleiteten Abschwächungskarte
gemäß dem Stand
der Technik darstellt;
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5 ein
Ablaufdiagramm, das die quellenlose ML-EM-Rekonstruktion gemäß den Aspekten
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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6 ein
Ablaufdiagramm, das die quellengestützte ML-EM-Rekonstruktion gemäß den Aspekten der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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7 ein
Diagramm eines nuklearen Bildgebungsgerätes für Diagnosezwecke, das einen
Bildprozessor verwendet, der die ML-EM-Rekonstruktion gemäß den Aspekten
der vorliegenden Erfindung durchführt; und
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8 eine
graphische Darstellung des Pixelsatzes, der bei der Rekonstruktion
von SPECT-Daten gemäß den Aspekten
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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Bezug
nehmend auf 5 ist der grundlegende Ablauf
einer quellenlosen ML-EM-Rekonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung
dargestellt. Ein medizinisches Bildgebungsgerät für Diagnosezwecke 10 (wird später genauer
beschrieben) erzeugt Emissionsprojektionsdaten. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird die Transmissionskarte nur aus Emissionsdaten rekonstruiert.
Das Fehlen einer Transmissionsabtastung reduziert die Strahlenbelastung
des Patienten. Außerdem
schafft in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein mehrdimensionales
Projektionsmodell eine genauere Reprojektion der Emissionskarte.
Bezug nehmend auf 6 zeigt diese den grundlegenden
Ablauf einer quellengestützten
Rekonstruktion, die eine weitere Anpassung der quellenlosen Rekonstruktion
darstellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
erzeugt das medizinische Bildgebungsgerät für Diagnosezwecke 10 auch
Transmissionsprojektionen. Die quellengestützte Abschwächungskorrektur kombiniert
den Vorteil der echten Transmissionsmessungen mit der Stabilität des analytischen
quellenlosen Ansatzes. Bei diesem Ansatz werden die gemessenen Transmissionsprojektionen,
auch wenn sie statistisch von schlechter Qualität bzw. abgehackt sind, dazu
verwendet, den analytischen Ansatz zu stabilisieren und die Abschwächungskarte
und die Emissionskarte dazu zu bringen, unabhängig zu sein. Die Transmissionsinformationen
und die Emissionszählwerte
werden so kombiniert, dass sie ein Bild der Abschwächungskarte
ergeben. Das Ergebnis ist eine verbesserte Qualität der Abschwächungskarte,
weil die Emissionsdaten dazu verwendet werden, ihre Rekonstruktion
zu „unterstützen". Dadurch wird wiederum
die Rekonstruktion der Emissionskarte bezüglich der quantitativen Genauigkeit
verbessert.
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Das
medizinische Bildgebungsgerät
für Diagnosezwecke 10 ist
im Allgemeinen jeder nuklearmedizinische Scanner, der Szintigraphiebilder
erzeugt, beispielsweise SPECT-Scanner oder PET-Scanner. Eine geeignete
Vorrichtung erkennt und zeichnet die räumlichen, zeitlichen bzw. weitere
Merkmale emittierter Photonen auf.
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Im
Besonderen ist Bezug nehmend auf 7 das nukleare
Bildgebungsgerät
oder der Scanner für
Diagnosezwecke 10 bei einem Ausführungsbeispiel eine Gammakamera
oder ein SPECT-Scanner mit einer Objektauflagefläche 12, beispielsweise
einem Tisch oder einer Liege, die ein zu untersuchendes bzw. abzubildendes
Objekt, beispielsweise ein Phantom oder einen Patienten, innerhalb
einer Aufnahmeöffnung 18 trägt und positioniert.
Dem Objekt werden ein oder mehrere Radiopharmaka oder Radioisotope
injiziert, so dass eine Emissionsstrahlung emittiert wird. Eine
erste Gantry 14 hält
eine eingebaute rotierende Gantry 16. Die rotierende Gantry 16 bestimmt
die Aufnahmeöffnung 18.
Einer oder mehrere Detektorköpfe 20 sind
einstellbar in der rotierenden Gantry 16 mit unterschiedlichen
Bewegungsfreiheitsgraden montiert. Da die Detektorköpfe 20 an
der rotierenden Gantry 16 montiert sind, drehen sie sich
mit der Drehung der rotierenden Gantry 16 um die Aufnahmeöffnung 18 (und
das sich darin befindende Objekt). Im Betrieb drehen sich die Detektorköpfe 20 um das
Objekt oder werden um dieses indexiert, um die Strahlung aus einer
Vielzahl von Richtungen zu überwachen
und eine Vielzahl von Ansichten aus unterschiedlichen Blickwinkeln
zu erhalten.
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Jeder
der Detektorköpfe 20 besitzt
eine Strahlungsempfangsfläche,
die zu der Aufnahmeöffnung 18 ausgerichtet
ist und einen Szintillationskristall, beispielsweise einen großen dotierten
Natriumjodidkristall, umfasst, der als Reaktion auf einfallende
Strahlung einen Licht- oder Photonenblitz aussendet. Eine Anordnung aus
Photovervielfacherröhren
empfängt
das Licht und wandelt es in elektrische Signale um. Eine Koordina tenwandlerschaltung
ermittelt die x-, y-Koordinaten jedes Lichtblitzes und die Energie
der einfallenden Strahlung. Dies bedeutet, dass Strahlung auf den
Szintillationskristall fällt,
wodurch er szintilliert, d.h. in Reaktion auf die Strahlung Lichtphotonen
emittiert. Die Photonen werden zu den Photovervielfacherröhren gelenkt.
Die relativen Ausgangssignale der Photovervielfacherröhren werden
verarbeitet und korrigiert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das
(1) eine Positionskoordinate auf dem Detektorkopf angibt, an der
jedes Strahlungsereignis empfangen wird, und (2) eine Energie jedes
Ereignisses angibt. Die Energie wird dazu verwendet, zwischen verschiedenen
Strahlungsarten, wie mehrfache Emissionsstrahlungsquellen, Streu-
und Sekundäremissionsstrahlung
sowie Transmissionsstrahlung, zu unterscheiden, und Rauschen zu
eliminieren. Durch die an jeder Koordinate empfangenen Strahlungsdaten
wird eine Bilddarstellung definiert. Die Strahlungsdaten werden dann
zu einer Bilddarstellung der interessierenden Region rekonstruiert.
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Als
Option umfassen die Detektorköpfe 20 mechanische
Kollimatoren 24, die abnehmbar an den Strahlungsempfangsflächen der
Detektorköpfe 20 montiert
sind. Die Kollimatoren 24 umfassen vorzugsweise eine Anordnung
oder ein Raster aus Blei oder anderen Strahlung absorbierenden Flächen, die
die Detektorköpfe 20 daran
hindern, Strahlung zu empfangen, die sich nicht auf ausgewählten Strahlengängen gemäß der erfassten
Datenart (d.h. paralleles Strahlenbündel, fächerförmiges Strahlenbündel bzw.
kegelförmiges
Strahlenbündel)
fortpflanzt. Alternativ können
beispielsweise beim Betrieb im Koinzidenzmodus die Kollimatoren 24 weggelassen
werden.
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Eine
oder mehrere Strahlungsquellen 30 sind in der Aufnahmeöffnung 18 gegenüber den
Detektorköpfen 20 montiert.
Als Option sind sie zwischen den Detektorköpfen 20 oder an den
Strahlungsempfangsflächen sich
gegenüber
liegender Detektorköpfe 20 montiert,
so dass die Transmissionsstrahlung von den Strahlungsquellen 30 zu
den entsprechenden Detektorköpfen 20 auf
der gegenüber
liegenden Seite der Aufnahmeöffnung 18 gelenkt
und von ihnen empfangen wird. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird die Transmissionsstrahlung von den auf den Detektorköpfen 20 genutzten
Kollimatoren 24 wirksam kollimiert. Das bedeutet, dass
die Kollimatoren 24 die Detektorköpfe 20 daran hindern,
diejenigen Anteile der Transmissionsstrahlung zu empfangen, die
sich nicht auf Strahlengängen
senkrecht (bei Konfigurationen mit parallelem Strahlenbündel) zu
den Strahlungsempfangsflächen
der Detektorköpfe 20 fortpflanzen.
Alternativ werden andere Kollimationsgeometrien genutzt bzw. kann
die Kollimation bei der Quelle stattfinden.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Strahlungsquellen 30 bewegliche Punktquellen, von
denen jeder die Länge
der ihnen entsprechenden Detektorköpfe 20 durchquert.
Alternativ werden Linienquellen eingesetzt, wie beispielsweise dünne Stahlröhren, die
mit Radionukliden gefüllt
und an ihren Enden versiegelt sind. Bei anderen Ausführungsbeispielen
sind die Strahlungsquellen 30 Stabquellen, Punktquellen, flache
rechteckige Quellen, scheibenförmige
Quellen, Breitstrahlerquellen, eine Röhre oder ein Behälter, die/der
mit Radionukliden gefüllt
ist, oder aktive Strahlungsgeneratoren, wie Röntgenröhren. Alternativ können eine
oder mehrere Punktquellen für
Transmissionsstrahlung verwendet werden.
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Erneut
Bezug nehmend auf 7 umfasst der Ablauf eines Bildgebungsvorgangs
ein iteratives ML-EM-Rekonstruktionsverfahren, bei dem Emissionsprojektionsdaten über einen
Bildprozessor 100 zu einer Bilddarstellung der Verteilung
von radioaktivem Material im Patienten rekonstruiert wird. Natürlich variiert
das implementierte Rekonstruktionsverfahren leicht entsprechend
den erfassten Strahlungsarten, der Art der verwendeten Kollimatoren
(d.h. Fächer-,
Kegel-, Parallelstrahlenbündel
bzw. andere Modi) und dem verwendeten Bildgebungsgerät für Diagnosezwecke.
In jedem Fall wird die Emissionsstrahlung vom Patienten beispielsweise
von den Detektorköpfen 20 des
SPECT-Scanners empfangen,
und es werden gemessene Emissionsprojektionsdaten erzeugt. Die gemessenen
Emissionsprojektionsdaten enthalten normalerweise Ungenauigkeiten,
die durch die unterschiedlichen Absorptions- oder Abschwächungsmerkmale
der Anatomie des Patienten verursacht werden. Als Option wird auch
eine Transmissionsabtastung derart durchgeführt, dass die Transmissionsstrahlung
von einer oder mehreren Transmissionsstrahlungsquellen 30 ebenfalls
empfangen wird, beispielsweise von den Detektorköpfen 20 des SPECT-Scanners,
und gemessene Transmissionsprojektionsdaten erzeugt werden. Die
gemessenen Transmissionsprojektionsdaten sind jedoch oft verrauscht
bzw. abgehackt. Wenn eine Transmissionsabtastung durchgeführt wird,
sortiert ein Sortierer 200 die gemessenen Emissions- und
Transmissionsprojektionsdaten auf der Grundlage ihrer relativen
Energien. Die Daten werden einem Speicher für gemessene Projektionsansichten 110,
insbesondere in einem entsprechenden Emissionsspeicher 112 und
einem Transmissionsspeicher 114 gespeichert.
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In
denjenigen Fällen,
in denen Transmissionsprojektionsdaten erfasst werden, wird vor
der Abtastung ein Blinddurchlauf durchgeführt, um einen Grundwert oder
eine Referenz zu ermitteln, mit der die gemessenen Transmissionsprojektionsdaten
ausge wertet bzw. verglichen werden. Bei dem Blinddurchlauf wird
der Scanner dafür
verwendet, eine Transmissionsabtastung durchzuführen, ohne dass das Objekt
vorhanden ist, so dass ein Blindsatz von Transmissionsprojektionsdaten
erfasst wird. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden diese
Daten in einem Referenzspeicher 120 gespeichert.
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Bei
der Vorbereitung für
die erste Iteration des Rekonstruktionsprozesses werden ein Abschwächungskartenspeicher 130 und
ein Bildspeicher 140 initialisiert, indem sie mit angenommenen
Werten oder ersten Schätzwerten
der Abschwächungskarte
bzw. der Emissionskarte geladen werden. Der erste Schätzwert für die Abschwächungskarte
ist optional durch einen einheitlichen Abschwächungswert im Inneren einer
vorher festgelegten Kontur, die das Objekt enthält, und den Wert Null außerhalb
der Kontur gekennzeichnet. In ähnlicher
Weise ist der erste Schätzwert
für die
Emissionskarte optional durch einen einheitlichen Wert im Inneren der
Kontur und den Wert Null außerhalb
der Kontur gekennzeichnet. Als Alternative ermöglicht die Verfügbarkeit
von zusätzlichen
a priori Informationen genauere erste Schätzwerte.
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Bei
jeder Iteration des Rekonstruktionsprozesses reprojiziert bzw. vorwärtsprojiziert
ein erster Projektor 150 die in dem Bildspeicher 140 gespeicherte
geschätzte
Emissionskarte, um Projektionsansichten hiervon zu erhalten. In ähnlicher
Weise reprojiziert bzw. vorwärtsprojiziert
ein zweiter Projektor 152 die in dem Abschwächungskartenspeicher 130 gespeicherte
Abschwächungskarte,
um Projektionsansichten hiervon zu erhalten. Die Projektionen werden
mit Hilfe mehrdimensionaler Projektionsmodelle durchgeführt. Das
heißt,
dass die mehrdimensionalen Projektionsmodelle im Gegensatz zu lediglich
linearen Modellen, die nur Strahlung in einer einzigen Richtung
berücksichtigen,
Strahlung aus verschiedenen Richtungen berücksichtigen. Bei einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
berücksichtigen
die Projektionsmodelle eines oder mehrere der folgenden Merkmale:
Streuung, die zu dem Bildgebungsgerät gehörende geometrische Punktreaktion
(Auflösung),
Zufälligkeitskorrekturen,
die bei PET-Anwendungen die zufällige
gleichzeitige Photonenerkennung berücksichtigen, die nicht von
demselben Annihilationsereignis herrührt, bzw. Nebensprechen aufgrund
sich ändernder Photonenenergien.
Bei mindestens einem Ausführungsbeispiel
sind die von dem ersten und dem zweiten Projektor 150 und 152 genutzten
Projektionsmodelle nicht dieselben. Alternativ werden bei einigen
Anwendungen identische Projektionsmodelle verwendet.
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Ein
erster Datenprozessor 160 aktualisiert bei jeder Iteration
die Abschwächungskarten
im Abschwächungskartenspeicher 130,
und ein zweiter Datenprozessor 170 aktualisiert bei jeder
Iteration die Emissionskarten im Bildspeicher 140.
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Der
erste Datenprozessor 160 berechnet erneut die Abschwächungskarte,
indem er eine zuvor gespeicherte Abschwächungskarte aus dem Abschwächungskartenspeicher 130 nimmt
und sie basierend auf einer Anzahl von Faktoren anpasst. Bei einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel,
bei dem die so genannte quellenlose Rekonstruktion angewendet wird,
sind dies folgende Faktoren: (i) die gemessenen Emissionsprojektionsdaten
aus dem Emissionsspeicher 112 und (ii) eine Reprojektion
der in dem Bildspeicher 140 gespeicherten vorhergehenden
Emissionskarte, die über
den Projektor 150 erneut projiziert wird. Im Besonderen
tastet der erste Datenprozessor 160 den Emissionsspeicher 112 und
die ausgegebenen Projektionsansichten vom Projektor 150 ab,
um jede Aktualisierung der Abschwächungskarte zu vervollständigen,
die dann wieder in den Abschwächungskartenspeicher 130 geladen
wird. Bei der quellenlosen Rekonstruktion werden keine gemessenen
Transmissionsprojektionsdaten genutzt. An sich wird bevorzugt, dass
Transmissionsprojektionsdaten nicht ermittelt werden, um dadurch
die Strahlungsbelastung zu minimieren und die mechanische Komplexität zu reduzieren.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel,
bei dem die so genannte quellengestützte Rekonstruktion angewendet
wird, werden zusätzlich
zu dem Obengenannten die gemessenen Transmissionsprojektionsdaten
(eventuell abgehackt) auch bei jeder Aktualisierung der Abschwächungskarte
eingeschlossen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
werden die gemessenen Transmissionsprojektionen aus dem Transmissionsspeicher 114 ebenfalls
für jede
Aktualisierung oder erneute Berechnung von dem ersten Datenprozessor 160 abgetastet.
Zusätzlich
werden auch die Grundwert- oder Referenztransmissionsprojektionen
aus dem Referenzspeicher 120 berücksichtigt. Eine ausführliche
Erläuterung
der Funktionsweise des ersten Datenprozessors wird weiter unten
in mathematischer Schreibweise gegeben.
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Sowohl
bei der quellenlosen als auch bei der quellengestützten Rekonstruktion
aktualisiert der zweite Datenprozessor 170 die Emissionskarte
auf der Grundlage derselben Faktoren. Diese Faktoren umfassen (i) die
gemessenen Emissionsprojektionsdaten; (ii) eine Reprojektion der
vorherigen Emissionskarte; und (iii) eine Reprojektion der Abschwächungskarte.
Insbesondere tastet der zweite Datenprozessor 170 bei jeder
Iteration den Emissionsspeicher 112, den ersten Projektor 150 und
den zweiten Projektor 152 ab. Auf der Grundlage der erfassten
Daten berechnet der zweite Datenprozessor 170 die Emis sionskarte
erneut und lädt
die aktualisierte Emissionskarte wieder in den Bildspeicher 140.
Eine ausführliche
Erläuterung
der Funktionsweise des zweiten Datenprozessors wird wiederum weiter
unten in mathematischer Schreibweise gegeben.
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Nach
Beendigung der letzten Iteration extrahiert oder empfängt auf
andere Weise ein Videoprozessor 300 Daten vom Bildspeicher 140,
die eine Rekonstruktion der Radionuklidverteilung im interessierenden
Bereich darstellen. Der Videoprozessor 300 formatiert sie
dann in Bilddarstellungen des Objekts zur Ansicht auf einer für den Menschen
sichtbaren Anzeige, wie beispielsweise einem Videomonitor 310 oder
einer anderen geeigneten Wiedergabevorrichtung.
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In
mathematischer Schreibweise stellt sich die Funktionsweise des Bildprozessors 100 wie
folgt dar. Die iterative ML-EM-Rekonstruktion ist eine iterative
Lösungsstrategie
für ein
lineares Gleichungssystem. Sie bietet eine Rekonstruktionsrobustheit,
die von anderen Rekonstruktionsverfahren basierend auf der Lösung von
linearen Systemen schwer zu erreichen ist. Ein wichtiges Merkmal
des ML-EM-Algorithmus besteht darin, dass er bei bestimmten gegebenen
geringen Einschränkungen,
die für
die Emissionsbildgebung in der Nuklearmedizin geeignet sind, auf
jedes lineare Gleichungssystem angewendet werden kann, ob es nun über- oder unterbestimmt,
konsistent oder inkonsistent ist. Auf jeden Fall konvergiert der
ML-EM-Algorithmus nach einer Anzahl von Iterationen zu einer Lösung, die
angesichts der Originaldaten diejenige mit der höchsten Wahrscheinlichkeit ist.
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Eine
der ansprechendsten Eigenschaften dieses iterativen Algorithmus
besteht darin, dass ein allgemeines Wahrscheinlichkeitsmodell der
Erkennung verwendet wird. Die zugrunde liegende Radionuklidverteilung
ist kontinuierlich, das Signal oder die Projektion wird jedoch bei
einer diskreten Anzahl von Datengruppen oder Abtastpositionen erkannt.
Im Folgenden stellt P
i die gesamten erkannten
Photonen an der i-ten Detektorposition dar (d. h. die gemessenen
Emissionsprojektionsdaten). Es existieren M Detektorpositionen.
Außerdem
wird die Radionuklidverteilung als eine diskrete Sammlung von Basisfunktionen
dargestellt. Die Basisfunktion für
die Emissionsverteilung ist das Voxel. F
k stellt
den Mittelwert der kontinuierlichen Radionuklidverteilung in dem
k-ten Bildvoxel dar. Es existieren K Bildvoxel. Der Transfermatrixkoeffizient
m
ki (d.h. das Projektionsmodell) ist die
Wahrscheinlichkeit, dass ein im Voxel k pro Zeiteinheit emittiertes
Photon an der Detektorposition i erkannt wird. Da jede Messung verrauscht
sein kann, wird das zu jeder Messung gehörende Rauschen mit n
i bezeichnet. Es ist im Allgemeinen jedoch
genug über
das Bildgebungssystem bekannt, um die statistischen Eigenschaften
des Rauschens genau zu modellieren. Somit ist die Gesamtphotonenzahl
an der i-ten Detektorposition die Summe aller Voxel, die zu dieser
Detektorposition beitragen. Dies wird mathematisch folgendermaßen ausgedrückt:
wobei Δt
i die Bildgebungszeit für die i-te Projektion ist.
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Dieses
lineare Gleichungssystem ist dann das grundlegende Bildgebungsmodell.
Bezeichnet man fk (h) (d.h.
das k-te Voxel der Emissionskarte) als den Schätzwert der Aktivität Fk im Voxel k bei der h-ten Iteration der
ML-EM-Rekonstruktion, ergibt sich der ML-EM-Schätzwert für die (h + 1)-te Iteration
aus:
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Mit
diesem Verfahren können
die Streuung, die Auflösung
und die Abschwächung
in das Modell mki aufgenommen werden. Die
Einbeziehung der Abschwächung
und der Streuung in die Transfermatrix nutzt jedoch die a priori
Kenntnis der Abschwächungskarte.
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Quellenlose Rekonstruktion
bei einem PET-Ausführungsbeispiel
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Da
in diesem Fall keine Abschwächungskarte
für die
Emissionsbildgebung existiert, ergibt sich eine neue Formel, die
nun die unbekannte Abschwächungskarte
einschließt.
Das vorliegende Problem wird dann wie folgt ausgedrückt:
wobei μ
j der
lineare Abschwächungskoeffizient
des j-ten Pixels der Abschwächungskarte
und c
ji die wirksame Abschwächungslänge von μ
j ist.
Der Satz Pixel N
ki ergibt sich aus: N
ki = {Pixel j|m
ji ≠ 0, für das Quelle-Detektor-Paar
(F
k, P
i)}. Geometrisch
ist der Satz N
ki der Satz Pixel, der die
Reaktionslinie i schneidet und überdeckt, die
das Quellenpixel k enthält.
Der Schätzwert
(f
k, u
j) der Unbekannten
(Fk, μ
j) ergibt sich aus:
für die Emissionskarte,
die über
den zweiten Datenprozessor
170 aktualisiert wird; und
für die Abschwächungskarte,
die über
den ersten Datenprozessor
160 aktualisiert wird. Dies bedeutet,
dass bei diesem Ausführungsbeispiel
(d.h. der quellenlosen Rekonstruktion mit PET-Daten) der zweite
Datenprozessor
170 und der erste Datenprozessor
160 die
ersteren und die letzteren Berechnungen aus den Gleichungen (4)
bzw. (5) durchführen.
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Quellenlose Rekonstruktion
bei einem SPECT-Ausführungsbeispiel
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Bei
der SPECT wird ein ähnlicher
Satz Algorithmen entwickelt. Das vorliegende Problem ist in diesem Fall
wiederum:
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Bei
der SPECT ist der Satz N
ki jedoch anders
definiert, wie es in
8 dargestellt ist. Der Satz
N
ki ist der Satz Pixel, der das Abschwächungslinienintegral
von dem Quellenpixel k bis zur Projektionsdatengruppe i abdeckt.
Dies führt
zu einer Veränderung
des Algorithmus. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ergibt sich die Emissionsaktualisierung aus:
und die
Transmissionsbildaktualisierung ergibt sich aus:
-
-
Auch
bei diesem Ausführungsbeispiel
(d.h. der quellenlosen Rekonstruktion mit SPECT-Daten) führen der
zweite Datenprozessor 170 und der erste Datenprozessor 160 die
ersteren und die letzteren Berechnungen aus den Gleichungen (7)
bzw. (8) durch.
-
Quellengestützte Rekonstruktion
bei einem PET-Ausführungsbeispiel
-
Die
quellengestützte
Rekonstruktion nutzt die gemessenen Transmissionsdaten, dargestellt
durch T
n, und die Blindabtastung, dargestellt
durch E
n, um die quellenlose Rekonstruktion
zu stabilisieren. Sie erzielt dies durch die Einbeziehung der Transmissionsabtastwerte
als a priori Informationen in die Wahrscheinlichkeitsfunktion. Das
Ergebnis ist eine andere Aktualisierung lediglich für die Transmissionskarte.
Bei der PET ergibt sich die Transmissionsaktualisierung nun aus:
wobei Δt
i die Abtastzeit pro Projektion für die Emissionsdaten
und Δ
n eine Normalisierungskonstante ist, die das
Verhältnis
der Emissionsabtastzeit zur Transmissionsabtastzeit darstellt. Die
Koeffizienten c ^
jn messen den Beitrag des
j-ten Voxel der Abschwächungskarte
zu der n-ten Transmissionsmessung und entsprechen nicht immer den
oben definierten Koeffizienten c
ji. Sie
hängen
von der speziellen Ausführung
des verwendeten Scanners ab.
-
Quellengestützte Rekonstruktion
bei einem SPECT-Ausführungsbeispiel
-
Die
Aktualisierungsregel für
die Emissionskarte in der quellengestützten SPECT entspricht der
Aktualisierungsregel für
die quellenlose SPECT. Es ändert
sich lediglich die Aktualisierungsregel für der Transmissionskarte folgendermaßen:
-
-
Optional
werden die Funktionen des ersten und des zweiten Datenprozessors 160 und 170 sowie
der anderen Komponenten als Hardware-, Software- oder Kombinationen
von Hardware- und Softwarekonfigurationen ausgeführt.
-
Ein
Vorteil der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele mit quellengestützter Abschwächungskorrektur
für die
Emissionscomputertomographie ist eine Verbesserung der Abschwächungskarten
für die ML-EM-Rekonstruktion.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Strahlenbelastung des
Patienten durch die quellenlose ML-EM-Rekonstruktion verringert wird. Noch
ein weiterer Vorteil liegt in der Verwendung mehrdimensionaler Projektionsmodelle,
die die tatsächlichen
Bedingungen genauer widerspiegeln. Ein weiterer Vorteil ist die
geringere Wahrscheinlichkeit, dass sich in der endgültigen Rekonstruktion über die
Abschwächungskarte
Rauschen einschleicht. Noch ein Vorteil besteht darin, dass eine
genaue Rekonstruktion auch dann möglich ist, wenn die Transmissionsdaten
abgehackt sind. TEXT
IN DER ZEICHNUNG Figur
1
Prior
art | Stand
der Technik |
Object | Objekt |
Measured
emission data | gemessene
Emissionsdaten |
Close
enough? Yes/no | nahe
genug? ja/nein |
Reconstructed
emission data | rekonstruierte
Emissionsdaten |
Model & projector | Modell & Projektor |
Update
rules | Aktualisierungsregeln |
Figur
2
Prior
art | Stand
der Technik |
Object | Objekt |
Measured
emission data | gemessene
Emissionsdaten |
Close
enough? Yes/no | nahe
genug? ja/nein |
Reconstructed
emission data | rekonstruierte
Emissionsdaten |
Model & projector | Modell & Projektor |
Update
rules | Aktualisierungsregeln |
Prior
info | a
priori Informationen |
Contour | Kontur |
Texture | Struktur |
Figur
3
Prior
art | Stand
der Technik |
Object | Objekt |
Measured
emission data | gemessene
Emissionsdaten |
Close
enough? Yes/no | nahe
genug? ja/nein |
Reconstructed
emission data | rekonstruierte
Emissionsdaten |
Model & projector | Modell & Projektor |
Update
rules | Aktualisierungsregeln |
Synthetic
attenuation map | künstliche
Abschwächungskarte |
Prior
info | a
priori Informationen |
Contour | Kontur |
Texture | Struktur |
Figur
4
Prior
art | Stand
der Technik |
Object | Objekt |
Measured
emission data | gemessene
Emissionsdaten |
Close
enough? Yes/no | nahe
genug? ja/nein |
Reconstructed
emission data | rekonstruierte
Emissionsdaten |
Model & projector | Modell & Projektor |
Update
rules | Aktualisierungsregeln |
Reconstruction
attenuation map | Rekonstruktion
Abschwächungskarte |
Measured
transmission | gemessene
Transmission |
Figur
5
Object | Objekt |
Measured
emission data | gemessene
Emissionsdaten |
Close
enough? Yes/no | nahe
genug? ja/nein |
Reconstructed
emission data | rekonstruierte
Emissionsdaten |
Model & projector | Modell & Projektor |
Update
rules | Aktualisierungsregeln |
Reconstruction
attenuation map | Rekonstruktion
Abschwächungskarte |
Figur
6
Object | Objekt |
Measured
emission data | gemessene
Emissionsdaten |
Close
enough? Yes/no | nahe
genug? ja/nein |
Reconstructed
emission data | rekonstruierte
Emissionsdaten |
Model & projector | Modell & Projektor |
Update
rules | Aktualisierungsregeln |
Reconstruction
attenuation map | Rekonstruktion
Abschwächungskarte |
Measured
transmission | gemessene
Transmission |
Figur
7
Sort | Sortieren |
Reference
memory | Referenzspeicher |
Transmission
memory | Transmissionsspeicher |
Emission
memory | Emissionsspeicher |
Data
processor | Datenprozessor |
Attn.
Map memory | Abschwächungskartenspeicher |
Projector | Projektor |
Image
memory | Bildspeicher |
Video
processor | Videoprozessor |
Figur
8
Projection
bin | Projektionsdatengruppe |