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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Erzeugung von Bildern mit unterschiedlichen Bildeigenschaften aus
computertomographischen Messdaten, bei dem durch Faltung der
Messdaten mit einem ersten Faltungskern, der für die
Erzeugung der ersten Bildeigenschaft ausgebildet ist, und
anschließende Rückprojektion erste Bilddaten B1(xi, yi) eines
ersten Bildes mit der ersten Bildeigenschaft berechnet
werden.
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Ein Computertomograph umfasst unter anderem eine
Röntgenröhre, zeilenförmig angeordnete Röntgendetektoren und einen
Patientenlagerungstisch. Die Röntgenröhre und die
Röntgendetektoren sind an einer Gantry angeordnet, welche um den
Patientenlagerungstisch bzw. eine parallel zu diesem verlaufende
Untersuchungsachse rotiert. Alternativ hierzu können die
Röntgendetektoren auch auf einem feststehenden Detektorring
um den Patientenlagerungstisch angeordnet sein, wobei sich
nur die Röntgenröhre mit der Gantry bewegt.
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Der Patientenlagerungstisch ist in der Regel relativ zu der
Gantry entlang der Untersuchungsachse verschiebbar. Die
Röntgenröhre erzeugt ein in einer Schichtebene senkrecht zur
Untersuchungsachse fächerförmig aufgeweitetes Strahlenbündel.
Die Begrenzung dieses Strahlenbündels in Richtung der
Schichtdicke wird durch die Größe bzw. den Durchmesser des
Fokus auf dem Targetmaterial der Röntgenröhre und eine oder
mehrere im Strahlengang des Röntgenstrahlbündels angeordnete
Blenden eingestellt. Das Röntgenstrahlbündel durchdringt bei
Untersuchungen in der Schichtebene eine Schicht eines
Objektes, beispielsweise eine Körperschicht eines Patienten,
welcher auf dem Patientenlagerungstisch gelagert ist, und trifft
auf die der Röntgenröhre gegenüberliegenden Röntgendetektoren
auf. Der Winkel, unter dem das Röntgenstrahlbündel die
Körperschicht des Patienten durchdringt und gegebenenfalls die
Position des Patientenlagerungstisches relativ zu der Gantry
verändern sich während der Bildaufnahme mit dem
Computertomographen kontinuierlich.
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Bei der Messung mit einem derartigen Computertomographen
werden mehrere Sätze von Messdaten erhalten, die
unterschiedlichen Projektionen der jeweiligen durchstrahlten Schicht
entsprechen. Ein Satz von Projektionen, welche an verschiedenen
Positionen der Gantry während der Umdrehung der Gantry um den
Patienten aufgenommen wurden, wird als Scan bezeichnet. Der
Computertomograph nimmt viele Projektionen an verschiedenen
Positionen der Röntgenstrahlquelle relativ zum Körper des
Patienten auf, um ein Bild zu rekonstruieren, welches einem
zweidimensionalen Schnittbild des Körpers des Patienten
entspricht. Hierfür werden die Messdaten zunächst mit einem
Faltungskern gefaltet, der unter Berücksichtigung der
physikalischen Zusammenhänge und des Messsystems bestimmte
Bildeigenschaften erzeugt, und anschließend zur Rekonstruktion des
zweidimensionalen Schichtbildes in den kartesischen Ortsraum
des Bildes transformiert. Diese Technik wird auch als
gefilterte Rückprojektion bezeichnet. Die bei der Faltung
eingesetzten Faltungskerne werden je nach gewünschter
Bildeigenschaft erstellt bzw. sind für eine Vielzahl von derartigen
Bildeigenschaften bekannt. Bei diesen Bildeigenschaften kann
es sich beispielsweise um eine möglichst hohe Ortsauflösung
oder um eine gute Niedrigkontrastdetektierbarkeit handeln.
Mit einem geeigneten Faltungskern kann hierbei die gewünschte
Bildeigenschaft in dem rekonstruierten Schichtbild erreicht
werden.
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In vielen Fällen ist es erforderlich, Bilder mit
unterschiedlichen Bildeigenschaften aus den bei einer Messung erfassten
Messdaten zu erhalten. So wird bei vielen Anwendungen
zunächst aus den Mess- bzw. Rohdaten durch gefilterte
Rückprojektion ein Bild mit hoher Ortsauflösung erzeugt.
Anschließend wird aus den gleichen Messdaten wiederum durch
gefilterte Rückprojektion, diesmal mit einem anderen Faltungskern,
ein Bild mit guter Niedrigkontrastdetektierbarkeit berechnet
und dargestellt. Dies erfordert eine Speicherung der
Messdaten für die zweite Bildberechnung. Der Speicheraufwand
aufgrund der großen Menge an Projektionsdatensätzen ist dabei
erheblich. Weiterhin führt die zweite Berechnung aufgrund der
Vielzahl von Messdaten zu einem großen Rechenaufwand.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe
der vorliegenden Erfindung darin, ein vereinfachtes Verfahren
zur Erzeugung von Bildern mit unterschiedlichen
Bildeigenschaften aus computertomographischen Messdaten anzugeben, das
mit geringerem Speicherbedarf und geringerer Rechenzeit
auskommt.
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind
Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei dem vorliegenden Verfahren wird das Bild mit der ersten
Bildeigenschaft in bekannter Weise durch gefilterte
Rückprojektion über eine Faltung der Messdaten mit dem die erste
Bildeigenschaft hervorrufenden ersten Faltungskern berechnet.
Das weitere Bild mit einer anderen Bildeigenschaft wird
jedoch nicht durch erneute Berechnung aus den Rohdaten, sondern
durch Anwendung eines zweidimensionalen Filters oder
Faltungskernes auf die Bilddaten B1(xi, yi) des ersten Bildes
erzeugt. Durch diese nachträgliche Filterung der ersten
Bilddaten B1(xi, yi) werden zweite Bilddaten B2(xi, yi) erhalten,
die das zweite Bild mit der anderen Bildeigenschaft ergeben.
Der zweidimensionale Filter wird hierbei in Abhängigkeit vom
ersten Faltungskern und von der gewünschten anderen
Bildeigenschaft gewählt.
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Der Filter für die Filterung der ersten Bilddaten wird
vorzugsweise aus einer Rücktransformation des Verhältnisses
eines zweiten Faltungskernes für Messdaten, der für die
Erzeugung der zweiten Bildeigenschaft ausgebildet ist, zum ersten
Faltungskern in den Ortsraum des ersten Bildes erhalten.
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Im Gegensatz zum bekannten Verfahren der Bilderzeugung des
Standes der Technik ist beim vorliegenden Verfahren lediglich
noch eine gefilterte Rückprojektion mit dem entsprechenden
Rechenaufwand erforderlich, so dass die Mess- bzw. Rohdaten
nach dieser Rückprojektion verworfen werden können. Eine
Zwischenspeicherung für die Erzeugung nachfolgender Bilder mit
anderen Bildeigenschaften ist in diesem Falle nicht mehr
erforderlich. Dies führt zu einer erheblichen Senkung des
Speicherbedarfes und zu einer Verringerung der Rechenzeit für die
Darstellung eines zweiten Bildes mit einer anderen
Bildeigenschaft. Auch der Hardware-technische Aufwand für die
Rückprojektion von Rohdaten vermindert sich entsprechend.
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Anstelle der Anwendung eines zweiten Faltungskernes auf die
Messdaten wird bei einer bevorzugten Ausführungsform des
vorliegenden Verfahrens aus diesem zweiten Faltungskern in
Verbindung mit dem ersten Faltungskern ein neuer Faltungskern
für eine zweidimensionale Filterung im Ortsraum, d. h. im
Koordinatenraum des ersten Bildes, bereitgestellt bzw.
berechnet. Das zweite Bild wird dann durch Anwendung dieses
Faltungskernes bzw. Filters auf die Bilddaten des ersten Bildes
erhalten, die einen wesentlich geringeren Speicherplatz
benötigen als die ursprünglichen Rohdaten. Selbstverständlich
muss dieses Filter für den Ortsraum des Bildes nicht während
der Durchführung jeder Messung neu berechnet werden. Es
können vielmehr für die unterschiedlichen Bildeigenschaften und
Kombinationen von Bildeigenschaften des ersten und zweiten
Bildes bereits geeignete Filter bereitgestellt werden.
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Besonders vorteilhaft lässt sich das vorliegende Verfahren
bei computertomographischen Messungen einsetzen, bei denen
ein erstes Bild mit hoher Ortsauflösung und ein zweites Bild
mit guter Niedrigkontrastdetektierbarkeit benötigt werden.
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Die Berechnung des ersten Bildes hoher Ortsauflösung erfolgt
hierbei in bekannter Weise mit einem aufsteilenden
Faltungskern. Die hierbei nach Rückprojektion erhaltenen ersten
Bilddaten werden dem Bediener des Computertomographen in der
üblichen Art und Weise dargestellt. Diese Bilddaten werden
anschließend - oder auch während der Bilddarstellung - einer
Filterung mit einem Filter unterworfen, der aus einer
Transformation des Verhältnisses des ersten Faltungskernes zu
einem zweiten glättenden Faltungskern in den Ortsraum des
Bildes erhalten wird. Selbstverständlich muss dieses Filter
entsprechend an die Bildrasterung, d. h. den Abstand der Pixel im
ersten bzw. zweiten Bild angepasst und auf zwei Dimensionen
erweitert werden. Dies kann beispielsweise über bekannte
Interpolationsverfahren erfolgen. Nach Anwendung dieses
Filters, das nunmehr die Eigenschaften eines glättenden
Faltungskernes beinhaltet, werden die zweiten Bilddaten
erhalten, die ein Bild mit guter Niedrigkontrastdetektierbarkeit
ergeben.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das im
Ortsraum des Bildes angewandte Filter vor der Anwendung auf
die ersten Bilddaten noch auf bildrelevante Bereiche gekürzt,
so dass die Rechenzeit für die Filterung nochmals reduziert
werden kann. Die Kürzung dieses Filters oder Faltungskernes
erfolgt selbstverständlich nur so weit, dass keine
unerwünschten Artefakte im interessierenden Bildbereich
auftreten.
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Selbstverständlich lässt sich das vorliegende Verfahren auch
für die Erzeugung von Bildern mit anderen Bildeigenschaften
anwenden. Geeignete Faltungskerne für Messdaten, die häufig
auf unterschiedliche Körperbereiche angepasst sind, sind dem
Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt. Alternativ ist es
dem Fachmann auch möglich, aus bekannten Faltungskernen
entsprechende neue Faltungskerne mit den gewünschten
Eigenschaften zu erstellen.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines
Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals
kurz erläutert. Hierbei zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Teils eines
Computertomographen zur Gewinnung von Schnittbildern
einer Körperschicht eines Patienten; und
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Fig. 2 ein Ablaufschema für die Durchführung des
vorliegenden Verfahrens zur Erzeugung von zwei Schichtbildern
mit unterschiedlichen Bildeigenschaften aus den
Messdaten des Computertomographen.
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Fig. 1 zeigt in einer schematischen Ansicht einen Teil eines
Computertomographen zur Veranschaulichung der geometrischen
Verhältnisse bei der Messdatenaufnahme. Der Computertomograph
weist eine Röntgenquelle in Form einer Röntgenröhre 4 auf,
die ein fächerförmiges Röntgenstrahlbündel 5 in Richtung auf
eine Detektorbank 3 einer großen Anzahl nebeneinander
angeordneter Detektorelemente emittiert. Durch den Abstand der
Detektorelemente dieser Detektorbank 3 wird die Auflösung des
späteren Schichtbildes mitbestimmt. Sowohl die Röntgenröhre 4
als auch die Detektorbank 3 sind an einer Gantry 2
angeordnet, welche kontinuierlich um einen Patienten 1 rotieren
kann. Der Patient 1 liegt auf einem in Fig. 1 nicht
dargestellten Patientenlagerungstisch, der sich in die Gantry 2
erstreckt. Die Gantry 2 rotiert in einer x-y-Ebene eines in
Fig. 1 angedeuteten kartesischen Koordinatensystems x-y-z,
das dem Ortsraum des zu erzeugenden Schichtbildes entspricht.
Der Patientenlagerungstisch ist entlang der z-Achse
beweglich. In der Figur ist weiterhin die vom Röntgenstrahlbündel
5 durchstrahlte Schicht 6 des Patienten 1 ersichtlich, von
der ein Schichtbild erzeugt werden soll.
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Die Fig. 1 zeigt hierbei eine Momentaufnahme einer
Projektion, bei der durch Erfassen der Spannungssignale an den
Detektoren der Detektorbank 3 ein erster Satz von Messdaten der
Körperschicht 6 des Patienten erhalten wird. Durch Drehung
der Röntgenröhre 4 mit den gegenüberliegenden
Röntgendetektoren um die z-Achse wird eine Vielzahl von Projektionen mit
entsprechenden Messdaten erhalten, aus denen ein
zweidimensionales Schichtbild rekonstruiert werden kann. Die Messdaten
werden über die Steuerung 7 für den Computertomographen einem
Bildrechner 8 zugeleitet, der über eine gefilterte
Rückprojektion ein zweidimensionales Schichtbild 9 erstellt und an
einem Monitor 10 darstellt.
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Fig. 2 zeigt ein beispielhaftes Ablaufschema bei der
Erzeugung von Bildern mit unterschiedlichen Bildeigenschaften
gemäß dem vorliegenden Verfahren. Hierzu werden die Rohdaten
11, die durch eine Messung mit einem Computertomographen
gemäß der Fig. 1 von einer Schicht 6 erhalten werden, im
Schritt 12 einer Faltung sowie einer Rückprojektion in den
Ortsraum des Bildes, d. h. die x-y-Ebene der Fig. 1,
unterzogen. Für die Faltung wird ein Faltungskern F1 höchster
Ortsauflösung zur Erzeugung eines Ausgangsbildes 9 mit den
Bilddaten B1(xi, yi) zu erhalten. Dieses erste Bild B1 wird in
bekannter Weise auf dem Monitor 10 dargestellt.
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Anschließend werden zur Darstellung eines weiteren Bildes B2
mit guter Niedrigkontrastdetektierbarkeit die Messdaten
B1(xi, yi) in Schritt 13 einer Filterung unterzogen, um die
Bilddaten B2(xi, yi) zu erhalten. Diese Bilddaten werden
wiederum auf dem Monitor 10 als Schichtbild 9 dargestellt.
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Der Filter für die Filterung der Bilddaten B1(xi, yi) des
ersten Bildes B1 wird im vorliegenden Beispiel in folgender
Weise erhalten. Hierbei wird beispielhaft davon ausgegangen,
dass die Mess- bzw. Projektionsdaten in Parallelgeometrie
vorliegen, wie dies bei einem Teil der bekannten
Computertomographen der Fall ist. Bei einem Einsatz von
Computertomographen, die nicht in Parallelgeometrie arbeiten, können
die Messdaten entsprechend auf die bei Parallelgeometrie
vorliegenden Verhältnisse umgerechnet werden.
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Während das erste Bild B1 ein Schichtbild mit hoher
Ortsauflösung darstellt, soll als zweites Bild B2 ein Bild mit guter
Niedrigkontrastdetektierbarkeit erzeugt werden. Dies kann
beispielsweise durch die glättende Eigenschaft eines
Faltungskernes F2 erreicht werden. Die Erzeugung des Bildes B2
erfolgt dabei durch Filterung der Ausgangsbilddaten B1(xi, yi),
mit einem geeigneten zweidimensionalen Filter bzw.
Faltungskern. Dieser Faltungskern berechnet sich aus der zusätzlichen
Eigenschaft des eindimensionalen Faltungskernes F2, die durch
die Division G = F2/F1 erhalten wird. Der hierdurch
entstandene Vektor G wird in den Ortsraum des ersten Bildes
Fourierrücktransformiert, um den Faltungskern g = F-1{G} zu
erhalten.
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Der eindimensionale Faltungskern g wird nun in Schritt 14 auf
das Ortsraster des Bildes B1 umgerechnet und
rotationssymmetrisch auf zwei Dimensionen erweitert. Bei einem beispielhaft
eingesetzten Computertomographen, bei dem die
Detektorelemente in einem Raster von a/2 = 0,3895 mm angeordnet sind, steht
der Faltungskern g zunächst erstmals im Raster a/2 zur
Verfügung.
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Zur Erzielung der passenden örtlichen Ausdehnung muss dieser
Faltungskern g auf das Ortsraster des Bildes B1 umgerechnet
werden. Dieses Ortsraster ist in bekannter Weise durch die
Anzahl, beispielsweise 256 × 256, und den Abstand der Pixel
des Monitorbildes vorgegeben. Für die Umrechnung kann
beispielsweise eine lineare Interpolation des Kernes g(a/2) auf
g1d(x) durchgeführt werden. Vorteilhaft ist jedoch eine
höhergradige Interpolation, da diese eine bessere Bildqualität
erzeugt. Als Nächstes wird dieser eindimensionale
Faltungskern g1d(x) rotationssymmetrisch auf den zweidimensionalen
Kern g2d_r(x, y) umgerechnet. Dies kann ebenfalls mittels
linearer Interpolation erfolgen. Anschließend wird dieser
Faltungskern in der Amplitude normiert (Schritt 15).
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Mit diesem Faltungskern g2d_r(x,y) wird schließlich das Bild
B1 in Schritt 13 gefaltet, um das Bild B2 zu erhalten, das
eine gute Niedrigkontrastdetektierbarkeit aufweist.
B2(x, y) = B1(x, y).g2d_r (x, y).
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Zur Erzielung hoher Filterungsgeschwindigkeiten kann der
zweidimensionale Faltungskern g2d_r(x, y) vor Durchführung der
Filterung auf eine bildrelevante Länge gekürzt werden.