NL8400710A

NL8400710A - Werkwijzen voor het verbeteren van de beelden van een ct aftastinrichting.

Info

Publication number: NL8400710A
Application number: NL8400710A
Authority: NL
Original assignee: Elscint Ltd
Priority date: 1983-03-09
Filing date: 1984-03-05
Publication date: 1984-10-01
Also published as: NL192190C; JPH0669453B2; IL70978A; DE3408148C2; NL192190B; FR2542541B1; IL70978A0; JPS60137351A; FR2542541A1; DE3408148A1

Description

i " 4 /;- N.0. 32339 1 ^

Werkwijzen voor het verbeteren van de beelden van een GT aftastinrichting.

Be uitvinding heeft betrekking op computertomografie (CT) en meer in het bijzonder op werkwijzen voor het corrigeren van ringvormige fouten in beelden die zijn verkregen met rotatie-rotatie CT aftastinrich-tingen.

5 Een doel van de ontwerpers van CT is het verkrijgen van een snelle aftasting met een verbeterde oplossing en contrastonderscheiding, teneinde duidelijk begrijpbare beelden te verkrijgen die in hoofdzaak vrij zijn van fouten. De snelheid waarmee beelden kunnen worden verkregen is belangrijk voor het verminderen van de fouten veroorzaakt door beweging 10 van de patiënt of beweging van de organen van de patiënt tijdens het aftasten. Andere voordelen van een kortere aftasttijd zijn een geringer inconveniënt voor de patiënt en de mogelijkheid een groter aantal patiënten per tijdseenheid te behandelen.

Bij de vroegere CT apparaten werd gebruik gemaakt van êên enkele 15 bundel die een translatie-rotatiebweging uitvoerde. De röntgenbuis en de detectors waren op een vaste afstand van elkaar opgesteld aan weerskanten van de patiënt. De gedetecteerde intensiteit van de röntgeubun-del werd vastgelegd terwijl de bundel een translat!ebweging over de patiënt uitvoerde in ëên enkele hoekstand. De hoekstand werd gewijzigd en 20 de bundel voerde wederom een translatiebweging over de patiënt uit. Deze bewerking werd een aantal malen herhaald. Het is duidelijk dat het met deze methode betrekkelijk lang duurde (ongeveer 5 minuten) voordat een aftasting was voltooid. De benodigde tijd werd aanzienlijk bekort tot 10 seconden door een aantal detectoren toe te passen in een waaier-25 vormige bundel.

De volgende stap in de ontwikkeling van de CT was het elimineren van de translatiebeweging tijdens het aftasten. Dit werd uitgevoerd door gebruik te maken van een betrekkelijk brede rij detectors in een waaiervormige bundel röntgenstralen die de gehele breedte van het af te 30 tasten voorwerp bestreek. Zowel de stralingsbron als de detectors werden geroteerd (rotatie-rotatie of R/R CT aftastinrichting). De aftasttijd werd hierdoor teruggebracht tot 2 a 10 seconden.

Alhoewel een rotatie over slechts 180 graden (plus de hoek van de waaiervormige bundel) noodzakelijk is voor het verkrijgen van voldoende 35 gegevens voor de reconstructie, draaien de R/R aftastinrichtingen in het algemeen over 360 graden of meer per aftasting, teneinde een compensatie te verkrijgen voor de divergentie van de bundel in een rich- 8400710 2 :* \ « ting loodrecht op de waaiervormige bundel, waardoor het mogelijk wordt een stralingsbron met kleine afmetingen toe te passen en toch een meer uniforme dikte te verkrijgen van de verkregen doorsnede door de patiënt. De stralingsbron met een kleinere afmeting geeft ook een scher-5 per gecollimeerde bundel en vermindert derhalve de stralingsdosis. Bovendien vermindert de rotatie over 360 graden de huiddosering.

Sinds men met toepassing van de CT aftastinrichtingen van het R/R-type is begonnen is het beeld altijd verstoord geweest door ringvormige fouten die zijn veroorzaakt door een onbalans tussen de detec-10 torelementen. De ontwerpers van de aftastinrichtingen waarbij het R/R systeem wordt toegepast, hebben voor het elimineren of tenminste verminderen van het optreden van ringvormige fouten hun toevlucht genomen tot vele verschillende gecompliceerde systemen. (Zie het artikel "Suppression of Ring Artifacts in CT Fan-Beam Scanners" van de hand van G. 15 Kowalski en gepubliceerd in IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-25, nr. 5, oktober 1978, en het Amerikaanse octrooischrift 4.323.784.)

Tot de bekende oplossingen voor het probleem van de ringvormige fouten behoren bijvoorbeeld het gebruik van speciaal met elkaar in 20 overeenstemming gebrachte detectoropstellingen en het gebruik van aan elkaar aangepaste gasionisatiedetectors met een schakeling voor het in stand houden van de aanpassing (zie bijvoorbeeld het Amerikaanse octrooischrift 4.334.154). Speciale aftastopeenvolgingen zijn ook gebruikt, waarbij gecompliceerde calibraties tijdens de aftastperiode 25 worden uitgevoerd voor het meten en corrigeren van de aangesloten detectors. Deze oplossingen hebben ieder inherente nadelen. Zo hebben bijvoorbeeld de gasionisatiedetectors een laag opvangvermogen en daarom is een vergrote dosis röntgenstralen noodzakelijk ter verkrijging van een bepaalde beeldkwaliteit. De speciale aftastopeenvolging vereist ge-30 woonlljk een pulserende stralingsbron met als gevolg een duurdere energiebron en röntgenbuis. Bovendien zijn speciale periodieke calibraties van de detectoropstelling noodzakelijk waardoor het gebruik van het systeem wordt gecompliceerd. Daarom is er een dringende behoefte aan een betrekkelijk eenvoudige en goedkope methode voor het elimineren van 35 de ringvormige fouten als R/R apparatuur wordt gebruikt met niet uitge-balanceerde detectoropstellingen.

Derhalve is het een doel van de uitvinding nieuwe methoden te verschaffen voor het elimineren of tenminste verminderen van het optreden van ringvormige fouten in beelden van CT aftastinrichtingen.

40 Volgens de uitvinding wordt een werkwijze verschaft voor het cor- 8400710 f~ s.

3 rigeren van ringvormige fouten die optreden in met CT verkregen beelden waarbij de bron en de detectoropstelling roteren, zoals bij R/R CT aftas tinriehtingen, welke werkwijze de volgende stappen omvat: a. het afleiden van een oorspronkelijk CT beeld met ringvormige fouten, 5 dat een combinatie is van een werkelijk beeld en een beeld van ringvormige fouten veroorzaakt door onbalans van de detectors, b. het bepalen van het beeld van de ringvormige fouten, en c. het aftrekken van het beeld van de ringvormige fouten van het oorspronkelijke beeld ter verkrijging van het werkelijke beeld dat hoofd- 10 zakelijk vrij is van ringvormige fouten.

Met de werkwijze volgens de uitvinding wordt het verkrijgen van een werkelijk beeld dat vrij is van ringvormige fouten beoogd, zelfs als er een gebrek aan uniformiteit bestaat langs de omtreksgebieden van het beeld, en wel met de navolgende stappen: 15 a. het verdelen van het oorspronkelijke beeld in sectoren, b. het bepalen van het beeld van de ringvormige fouten in elke sector, en c. het aftrekken van het beeld van de ringvormige fouten in iedere sector van het oorspronkelijke beeld van iedere sector ter verkrijging van 20 het werkelijke beeld in elke sector.

Met de werkwijze volgens de uitvinding wordt voorts beoogd het verwijderen van het beeld van de ringen uit een oorspronkelijk beeld met niet-uniformiteiten in dè CT waarden, bijvoorbeeld veroorzaakt door tussenkomende organen, en wel door: 25 het berekenen van een beeld met versterkte contrastlijnen met waarden van de elementaire vlakjes van q(i,j) van het oorspronkelijke beeld, met waarden van de elementaire vlakjes van p(i>j), waarin q(i,j) - A.p(i,j) + B.avn[p (i,j)] + C, en waarbij A en B constant zijn (respectievelijk ongeveer +1 en -1), 30 avn[p (i,j)J is de gemiddelde intensiteit van nxn elementairvlakjes gecentreerd bij (i,j) en C is een constante die nul kan zijn.

Een ander kenmerk van de uitvinding is het gebruik van radiale sectoren als verdelingen van concentrische ringvormige gebieden.

Weer een ander kenmerk van de uitvinding omvat de toepassing van 35 een afvlakkingsfunctie bij het bepalen van de waarde van de ringvormige gebieden tussen de sectoren.

Weer een ander kenmerk van de uitvinding omvat het snoeien ter vermijding van hoge randwaarden, bijvoorbeeld bij de buitenste grenzen van het beeld, 40 De hierboven genoemde en ook nog andere kenmerken en doeleinden 8400710 4 van de onderhavige uitvinding zullen duidelijker worden uit de hierna volgende beschrijving van een als voorbeeld gegeven correctiewerkwijze, mede aan de hand van de enige hierbij gevoegde figuur waarin een met CT verkregen beeld is weergegeven. Het weergegeven beeld is in concentri-5 sche delen verdeeld die verder zijn onderverdeeld in radiale sectoren.

In de tekening is 11 het beeld dat is verkregen met een R/R CT af-tastinrichting. Voor het bepalen van de waarde van het deel betrekking hebbende op de ringvormige fouten van het beeld wordt dit verdeeld in ringvormige gebieden Rm, Rm+1, Rm-1, etc. In de praktijk benadert het 10 aantal ringvormige gebieden tenminste het aantal detectors, zodat de ringvormige gebieden de ringvormige fouten meer nabij volgen.

Er bestaat een gebrek aan uniformiteit langs de omtrek van de delen met de ringvormige fouten van het beeld, waardoor het moeilijk is de waarden van de ringvormige gebieden te berekenen. Bovendien onder-15 vindt men moeilijkheden bij het bepalen van de waarden van de ringen doordat tussenliggende organen verschillende dichtheden of CT-waarden bezitten. In het algemeen is noch het werkelijke beeld, noch het beeld van de ringvormige fouten uniform.

Volgens een voorkeurswerkwijze voor het corrigeren van de ringvor-20 mige fouten wordt het versterken van de contrastlijnen in het beeld uitgevoerd als een eerste stap voor het overwinnen van de niet-unifor-miteiten die zijn veroorzaakt door de tussenliggende organen. Het beeld dat in beeldelementen of elementairvlakjes is verdeeld, zoals het ele-mentairvlakje (i,j), is weergegeven in de tekening met een in het alge-25 meen rechthoekige vorm. Voor de waarde p(i,j) van elk elementairvlakje wordt een waarde q(i,j) verkregen volgens de volgende formule:

q(i,j) - A.p ¢1,j) + Bavn [p(i,j)j + C

30 waarin A en B constanten zijn (respectievelijk ongeveer +1 en -1); avn [p(i,j)l het gemiddelde is van nxn elementairvlakjes gecentreerd bij (i,j) en C een constante is die gewoonlijk gelijk is aan ”0”.

Zoals de vakman bekend is, is het gevolg van de contrastrandver-sterking dat de grenzen tussen de verschillende tussenliggende organen 35 scherp worden bepaald. De beelden met contrastrandversterking worden gekenmerkt door grote uniforme gebieden met nulwaarden als A is +1, B is -1 en C is nul. Men diene te begrijpen, dat deze contrastrandver-sterkingsstap kan worden weggelaten bij de hier uiteengezette werkwijze voor het corrigeren van ringvormige fouten en de ringvormige fout zal 40 nog in de meeste gevallen toch aanzienlijk worden verminderd, alhoewel 8400710 5 de kwaliteit van het beeld ook minder kan worden.

Na versterking van de contrastlijnen wordt het versterkte beeld gebruikt voor het bepalen van de ringvormige fouten. Meer in het bijzonder wordt het beeld met de versterkte contrastlijnen verdeeld in 5 concentrische ringvormige gebieden, zoals de gebieden Rm, Rnri-1 en Rm-1 weergegeven in de tekening. De ringvormige gebieden zijn gecentreerd om een punt 12 dat overeenkomt met de rotatie-as van de aftastinrichting.

Teneinde het gebrek aan uniformiteit van de ringvormige gebieden te compenseren bij het bepalen van de CT waarden van het beeld van de 10 ringvormige fouten, wordt het beeld met de versterkte contrastlijnen verder onderverdeeld in sectoren waarin de ringvormige fouten meer uniform zijn. De sectoren zijn bij voorkeur radiale sectoren, zoals de sectoren Sn, Sn-1 en Sn+i. Bij de voorkeurswerkwijze wordt elk elemen-tairoppêrvlakje toegevoegd aan een speciale door een ring bepaalde op-15 pervlaktesector, zoals (Rm, Sn) weergegeven in de figuur. Verschillende kriteria kunnen worden gebruikt bij het toevoegen van de elementaire oppervlakjes aan door een ring bepaalde oppervlaktesectoren; als bijvoorbeeld het grootste deel van het oppervlak van een elementairopper-vlakje zich bevindt in een speciale door een ring bepaalde sector zal 20 dat eleentairoppervlakje aan die sector worden toegevoegd.

De waarde van elke sector van de door een ring bepaalde oppervlakken van het beeld met versterkte contrastlijnen wordt berekend onder gebruikmaking van de navolgende stappen: a. het bepalen van de gemiddelde CT waarde av(Rm,Sn) van alle elemen-25 taire oppervlakjes met versterkte contrastlijnen q(i,j) behorende tot elke door een ring bepaalde oppervlaktesector en voorts bepaald doordat deze ligt binnen de drempelwaarden Tl en T2, zodat C+Tl > q(i,j) > C-T2.

b. het bepalen van een ringvormige-foutwaarde r(R,S) voor elementaire 30 oppervlakjes in elk van de door een ring bepaalde oppervlaktesectoren, zoals de waarde r(Rm,Sn) voor alle elementairoppervlakjes in de ring-sector (Rm,Sn) onder gebruikmaking van de volgende rekenmethode: r (Rm,Sn) = av (Rm,Sn) - av 35 waarin av de gemiddelde intensiteit is van de elementairoppervlakjes q(i,j) in een bepaald gebied, zoals alle door een ring bepaalde oppervlaktesectoren van het beeld met versterkte contrastlijnen, die liggen binnen de drempelwaarden Tl, T2.

40 De drempels worden gebruikt om te voorkomen dat de versterkte ran- 8400710 6 den van de tussenliggende organen de waarden van de door een ring bepaalde oppervlakken verstoren.

Volgens weer een ander kenmerk van de uitvinding worden de correc-tiewaarden r(Rm,Sn) gewijzigd ter verkrijging van een vloeiende over-5 gang voor de elementairoppervlakjes in de buurt van de grenzen tussen de sectoren, zoals de elementairoppervlakjes in de buurt van de grens tussen de sectoren Sn en Sn-1. Dan wordt de waarde van de ringvormige fouten van deze elementairoppervlakjes in de buurt van de grens: b(Rm) = r(Rm,Sn) + r(Rm,Sn-l) 10 2

Als het elementairoppervlakje zich niet bevindt in de buurt van de grens van een andere sector, dan b(Rm) = r(Rm,Sn). Men diene te begrijpen, dat andere afvlakkende rekenmethodes kunnen worden gebruikt die vallen binnen de omvang van de uitvinding.

15 Voor elk van de elementaire oppervlakjes van het oospronkelijke beeld p(i,j) behorende tot het door een ring bepaalde oppervlak Em wordt een nieuwe waarde p' voor een elementairoppervlakje berekend op de navolgende manier 20 ?(i»j) “ p(i> j) -b(Bm)

De waarden "p geven een nieuw beeld dat hoofdzakelijk vrij is van ringvormige fouten.

Teneinde verder het probleem te elimineren dat ontstaat tengevolge 25 van de grote randwaarde die bijvoorbeeld optreedt tussen zacht weefsel en bot of lucht, kunnen de CT waarden van het oorspronkelijke beeld worden gewijzigd voordat de contrastlijnen wordt versterkt, en wel met de navolgende vergelijkingen: 30 p*(i,j) p(i,j) voor t2<p(i,j)<t1 P*(i.j) t2 voor t2^p(i,j) P*(i,j) - tx voor tx ^p(i, j) waarin p* de waarden van de elementaire oppervlakjes zijn van het ge-35 wijzigde beeld.

Er worden dus nieuwe en unieke methoden verschaft voor het hoofdzakelijk verwijderen van ringvormige fouten uit beelden. De methoden zijn meer in het bijzonder nutttig voor R/R CT aftastinrichtingen.

Alhoewel de uitvinding is beschreven aan de hand van speciale 40 werkwijzen, zal het duidelijk zijn dat vele wijzigingen en veranderin- 8400710 7 gen kunnen worden aangebracht binnen de omvang van de uitvinding, zonder te komen buiten de nieuwe concepties en voorstellen van de uitvinder, zoals die zijn gedefinieerd in de bijgevoegde conclusies.

v 8400710

Claims

1. Werkwijze voor het corrigeren van ringvormige fouten in beelden verkregen met rotatie-rotatie CT aftastinrichtingen, met het kenmerk, dat deze werkwijze de navolgende stappen omvat: 5 a. het verschaffen van een oorspronkelijk beeld met de ringvormige fouten, welk beeld een werkelijk beeld bevat zonder ringvormige fouten en een beeld van de ringvormige fouten, b. het bepalen van het beeld van de ringvormige fouten, en c. het verkrijgen van het werkelijke beeld door van het oorspronkelijke 10 beeld met de ringvormige fouten het beeld van de ringvormige fouten af te trekken ter verkrijging van het werkelijke beeld hoofdzakelijk zonder ringvormige fouten.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het verkrijgen van het werkelijke beeld de navolgende stappen omvat: 15 a. het verdelen van het oorspronkelijke beeld in concentrische ringvormige gebieden die zijn gecentreerd om een punt in het oorspronkelijke beeld overeenkomende met de rotatie-as van de aftastinrichting, b. het bepalen van de waarden van het beeld van de ringvormige fouten in de ringvormige gebieden, en 20 c. het van het oorspronkelijke beeld aftrekken van de waarden van het beeld van de ringvormige fouten ter verkrijging van een werkelijk beeld dat hoofdzakelijk vrij is van ringvormige fouten.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het verkrijgen van het werkelijke beeld de navolgende stappen omvat: 25 a. het verdelen van het oorspronkelijke beeld in sectoren, b. het bepalen van de waarde van het beeld van de ringvormige fouten in de sectoren, en c. het aftrekken van de bepaalde waarden van het beeld van de ringvormige fouten van het oorspronkelijke beeld ter verkrijging van sectoren 30 die hoofdzakelijk vrij zijn van ringvormige fouten.

4. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het verkrijgen van het werkelijke beeld de navolgende stappen omvat: a. het verdelen van de concentrische ringvormige gebieden in sectoren, b. het bepalen van de werkelijke beelden in de sectoren door het bepa-35 len van de waarden van de beelden van de ringvormige fouten in de sectoren en het van de gemiddele waarde van de sectoren aftrekken van de waarden van het beeld van de ringvormige fouten in de sectoren ter verkrijging van sectoren die hoofdzakelijk vrij zijn van fouten, en c. het combineren van de foutvrije sectoren.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de sectoren 8400710 ▼ radiale sectoren zijn·

6. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat deze de stap omvat van het versterken van de randen in het oorspronkelijke beeld voor het verdelen van de beelden met de versterkte randen in cön- 5 centrische ringvormige gebieden.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de ringvormige gebieden hoofdzakelijk cirkelvormig zijn.

8. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het verkrijgen van de werkelijke beelden de stap omvat van het versterken van 10 de randen in het oorspronkelijke beeld voordat het beeld van de ringvormige fouten wordt bepaald.

9. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat deze de stap omvat van het versterken van de randen van het oorspronkelijke beeld.

10. Werkwijze volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de stap van het versterken van de randen plaats vindt voor het bepalen van het beeld van de ringvormige fouten en voorts de stap omvat van: a. het verdelen van het beeld in elementaire oppervlakjes met waarden gelijk aan p(i,j), en 20 b. het bepalen van waarden q(i,j) voor de waarden p(i,j) voor de ele-mentairoppervlakjes onder gebruikmaking van de navolgende vergelijking q(i,j) - A.p(i,j) + B.av [p(i,j)] + C waarin A en B constanten zijn, gewoonlijk ongeveer +1 en -1, p(i,j) de oorspronkelijke CT waarde is van het elementairvlakje (i,j), avn 25 fp(i,j)] het gemiddelde is van nxn elementairvlakjes gecentreerd om (i,j) en C gewoonlijk nul is.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de CT waarde in elk van de sectoren wordt berekend met de navolgende stappen: 30 a. het bepalen van de gemiddelde intensiteit av (Rm,Sn) van de elementairvlakjes met versterkte contrastlijnen q(i,j) behorende bij elke sector van de ringvormige gebieden, voorts bepaald als liggende tussen drempelwaarden, zodat C + Tl > q(i,j) > C - T2 b. het bepalen van de ringvormige-foutwaarde r (Sm, Sn) voor de elemen- 35 taire vlakjes in elk van de sectoren (Sm, Sn) zodat r (Sm, Sn) » av (Sm, Sn) -av waarin av de gemiddelde waarde is van de elementaire vlakjes met de waarde q(i,j) in een bepaald gebied.

12. Werkwijze volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat als 40 av(Bm,Sn) nul is r (Rm,Sn) nul is. 8400710

13. Werkwijze volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat het genoemde bepaalde gebied alle elementaire vlakjes bevat met de waarde

14. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat deze de 3 navolgende stappen omvat a. het verkrijgen van correctiewaarden r(Rm,Sn) voor elk elementair-vlakje van het beeld van de ringvormige fouten, b. het veranderen van de correctiewaarden r(Rm,Sn) ter verkrijging van vloeiende veranderingen van de waarden als het elementaire vlakje ligt 10 in de buurt van de grens van een andere sector, zodat de correctiewaarden worden b (Rm) = r (R”1»5”) + r (Rm,Sn-l)

15. Werkwijze volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat het wer-15 kelijke beeld dat vrij is van ringvormige fouten wordt verkregen uit de elementaire vlakjes p(i,j) onder gebruikmaking van de navolgende vergelijking: p(i,j) = P(i»j) - b(Km) waarin p(i,j) de elementaire vlakjes bepaalt van het oorspronkelijke 20 beeld.

16. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat deze de stap omvat van het toepassen van een afvlakkingsfunctie voor de elementaire vlakjes in de buurt van de grens tussen sectoren.

17. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat deze de 25 stap omvat van het veranderen van het oorspronkelijke beeld ter vermijding van grote randwaarden.

18. Werkwijze volgens conclusie 17, met het kenmerk, dat het veranderen van het oorspronkelijke beeld de stappen omvat van het verkrijgen van een gewijzigd beeld in overeenstemming met de navolgende verge- 30 lijkingen: p*(i,j) = p(i,j) voor t2 <p(i,j)<'t2; P*(i,j) = t2 voor t2 ^ p(i,j); en P*(i,j) = ti voor ti ^ p(i,j); waarin p*(i,j) de waarden van de elementaire vlakjes zijn van het gewijzigde beeld.

19. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat deze de stap omvat van het wijzigen van het oorspronkelijke beeld ter vermijding van grote randwaarden.

20. Werkwijze volgens conclusie 19, met het kenmerk, dat de stap van het wijzigen van het oorspronkelijke beeld plaats vindt vodr de 40 stap van het versterken van de randen van het oorspronkelijke beeld. 8 4 0 0 7 1 0 *******