DE102006015451A1

DE102006015451A1 - Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Differenzierung von Knochen oder anderen kalziumhaltigen Materialien und Kontrastmittel in Weichteilgewebe

Info

Publication number: DE102006015451A1
Application number: DE102006015451A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Grasruck; Bernhard Dr. Krauß
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-11
Also published as: JP2007268273A; US20080013672A1; JP5207649B2; CN101044986A; US7920735B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur automatischen Differenzierung von Knochen oder anderen kalziumhaltigen Materialien und Kontrastmittel im Weichteilgewebe eines Objektbereiches. Bei dem Verfahren werden zwei Bilddatensätze von zwei Computertomographie-Aufnahmen des Objektes bereitgestellt, die bei unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung aufgezeichnet wurden. Für jedes Voxel zumindest einer interessierenden Schicht wird aus den beiden Bilddatensätzen ein Verhältnis r berechnet, das sich aus gemessenen oder gemittelten Röntgenschwächungswerten des Voxels bzw. seiner Umgebung bei den unterschiedlichen spektralen Verteilungen der Röntgenstrahlung und vorgegebenen Röntgenschwächungswerten von Weichgewebe bei den unterschiedlichen spektralen Verteilungen der Röntgenstrahlung nach einer vorgegebenen Rechenvorschrift ergibt. Dem jeweiligen Voxel wird dann bei Überschreiten eines Schwellwertes für das Verhältnis r in Abhängigkeit von der Größe von r entweder Kontrastmittel oder kalziumhaltiges Material zugeordnet. Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung ermöglichen eine zuverlässige automatische Differenzierung von Knochen oder anderen kalziumhaltigen Materialien und Kontrastmittel in Computertomographie-Aufnahmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur automatischen Differenzierung von Knochen oder anderen kalziumhaltigen Materialien und Kontrastmittel in Weichteilgewebe eines Objektbereiches, bei denen zwei Computertomographie-Aufnahmen des Objektbereiches bei unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung aufgezeichnet und aus Rohdaten der beiden Computertomographie-Aufnahmen zwei Bilddatensätze des Objektbereiches rekonstruiert werden, die Röntgenschwächungswerte von Voxeln des Objektbereiches bei der jeweiligen spektralen Verteilung der Röntgenstrahlung enthalten.
Bei vielen Untersuchungen mittels Computertomographie wird dem Patienten ein Kontrastmittel verabreicht, um insbesondere Blutgefäße in den erhaltenen CT-Bildern deutlich erkennen zu können. Bei der Betrachtung der CT-Bilder können jedoch andere Körperbestandteile wie Knochen störend wirken, da sie die Röntgenstrahlung ebenfalls stark absorbieren. Derartige Bereiche werden daher bei einer Bildnachverarbeitung gelegentlich rechnerisch aus den Bildern entfernt. Auch für die Erkennung von anderen kalziumhaltigen bzw. mit Kalzium angereicherten Bereichen, wie Plaques in Gefäßen oder kalziumhaltigen Nierensteinen, ist eine Unterscheidung zwischen Kontrastmittel und diesen kalziumhaltigen Bereichen oder Materialien erforderlich, um diese bspw. in einem CT-Bild hervorgehoben darstellen zu können. Eine halbautomatische oder automatische Segmentierung von Knochen oder anderen kalkhaltigen Bereichen erfordert jedoch eine möglichst automatische Unterscheidung von Kontrastmittel und den kalkhaltigen Materialien in den jeweiligen Bilddaten.
Bisher werden zur Unterscheidung dieser Materialien unterschiedliche Ansätze verfolgt. So kann vor und nach der Verabreichung des Kontrastmittels jeweils ein CT-Scan durchgeführt werden. Durch Bild-Registrierung und Subtraktion der beiden CT-Bilder wird die Anhebung des Röntgenschwächungswertes durch das Kontrastmittel gemessen. Knochen oder andere kalziumhaltige Bereiche erscheinen dabei als unveränderte Regionen mit hohem Röntgenschwächungswert. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, in dem CT-Bild eines einzigen CT-Scans eine Klassifikation auf Basis der Höhe der Röntgenschwächungswerte durchzuführen. Dies erfordert jedoch häufig eine zusätzliche Auswertung lokaler statistischer Größen oder morphologischer Merkmale, um einigermaßen zuverlässige Ergebnisse zu erhalten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Differenzierung von Knochen oder anderen kalziumhaltigen Materialien und Kontrastmittel in Weichteilgewebe eines Objektbereiches mittels Computertomographie anzugeben, das auf einfache Weise zuverlässige Ergebnisse liefert.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Bei dem vorliegenden Verfahren werden zwei Computertomographie-Aufnahmen des Objektbereiches bei unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung bzw. unterschiedlicher Röntgenenergie aufgezeichnet und aus den Rohdaten der beiden Computertomographie-Aufnahmen zwei Bilddatensätze des Objektbereiches rekonstruiert, die Röntgenschwächungswerte von Voxeln des Objektbereiches bei der jeweiligen spektralen Verteilung der Röntgenstrahlung enthalten. Unter Röntgenschwächungswerten können hierbei sowohl die Schwächungskoeffizienten μ als auch daraus abgeleitete Werte wie der CT-Wert verstanden werden. Für die Aufzeichnung der beiden Computertomographie-Aufnahmen wird ein Mehrenergie-Computertomograph eingesetzt, vorzugsweise ein sog. Dual Energy Computertomograph, mit dem die Aufzeichnung von zwei Computertomographie-Aufnahmen mit unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung bzw. unterschiedlicher Röntgenenergie simultan oder zumindest nahezu simultan möglich ist. Unterschiedliche Techniken zur Erzeugung von zwei Computertomographie-Aufnahmen mit unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Hierzu können bspw. mehrere Röntgenquellen bei unterschiedlicher Röntgenspannung, unterschiedliche Detektoren mit unterschiedlicher spektraler Sensitivität, unterschiedliche Filter vor den Röntgenquellen und/oder Röntgendetektoren oder auch eine Kombination der genannten Techniken eingesetzt werden.
Bei dem vorliegenden Verfahren wird für jedes Voxel zumindest einer interessierenden Schicht des Objektbereiches aus den beiden Bilddatensätzen ein Verhältnis r berechnet, das sich in folgender Weise ergibt:
In dieser Gleichung stellt x₁ entweder den gemessenen Röntgenschwächungswert des Voxels bei einer der beiden unterschiedlichen Röntgenenergien oder einen bei dieser Röntgenenergie gemittelten Röntgenschwächungswert dar, auf den später näher eingegangen wird. In gleicher Weise stellt x₂ entweder den gemessenen Röntgenschwächungswert des Voxels bei der anderen Röntgenenergie oder einen entsprechend gemittelten Röntgenschwächungswert dar. Die beiden Röntgenschwächungswerte x₁, x₂ können entweder direkt aus den beiden Bilddatensätzen entnommen oder daraus berechnet werden. Die weiterhin auftretenden Werte o₁ und o₂ stellen die Röntgenschwächungswerte von Weichgewebe bei den beiden Röntgenenergien dar. Diese Werte werden vorgegeben. Sie sind entweder bereits bekannt oder können vorab bestimmt werden. Die Rönt genschwächungswerte von Blut sind nahezu identisch, so dass zwischen Blut und Weichgewebe im Weiteren nicht unterschieden wird.
Der für das betreffende Voxel auf diese Weise ermittelte Wert des Verhältnisses r oder ein davon abgeleiteter wert r' wird mit einem Schwellwert von r verglichen. Einem Voxel, dessen Wert von r bzw. r' oberhalb des Schwellwertes liegt, wird in Abhängigkeit von der Größe von r bzw. r' entweder Kontrastmittel oder kalziumhaltiges Material zugeordnet. Hohe Werte von r bzw. r', die oberhalb einer Schwelle r_co,min liegen, kennzeichnen Regionen mit Kontrastmittel. Diese weitere vorgegebene Schwelle r_co,min ermöglicht somit die Differenzierung von Kontrastmittel und kalziumhaltigem Material in dem untersuchten Weichgewebe.
Nach vollständiger Bearbeitung zumindest der interessierenden Schicht können dann in der Darstellung eines CT-Bildes des Objektbereiches Kontrastmittel und Knochen (oder andere kalziumhaltige Bereiche) unterschiedlich farbig markiert werden, so dass der Betrachter die beiden Materialgruppen ohne weiteres sofort unterscheiden kann. Weiterhin können auf Basis der Zuordnung der genannten Materialien zu den Voxeln automatische Segmentierungsalgorithmen auf die Bilddatensätze angewendet werden, mit denen bspw. Knochen rechnerisch aus den Bildern entfernt werden können.
Das vorliegende Verfahren und die zugehörige Vorrichtung ermöglichen somit die automatische Differenzierung von Knochen oder anderen kalziumhaltigen Materialien und Kontrastmittel in Computertomographie-Aufnahmen. Durch die vorgeschlagenen Verfahrensschritte wird eine höhere Zuverlässigkeit der Differenzierung erreicht, als sie mit einer einfachen Schwellwertbildung anhand eines einzigen CT-Scans erreicht werden kann.
Grundlage des vorliegenden Verfahrens ist eine 3-Material-Zerlegung. Bei dieser 3-Material-Zerlegung wird das jeweilige Voxel als Mischung aus den Basis-Materialien Weichgewebe bzw. Blut, Knochen bzw. kalziumhaltiges Material und Kontrastmittel interpretiert. Hierbei wurde erkannt, dass dann aus dem Verhältnis r bzw. r' Kontrastmittel zuverlässig von kalziumhaltigem Material unterschieden werden kann. Die durch die 3-Materialzerlegung motivierte Größe r bzw. r' führt zu einer sehr guten Materialunterscheidung, ohne dabei typische Patienten oder typische Körperregionen voraussetzen zu müssen. Durch die Möglichkeit der simultanen oder zumindest nahezu simultanen Aufzeichnung der beiden Computertomographie-Aufnahmen entfällt auch die Komplikation der Registrierung, die bei zwei separaten CT-Scans vor und nach der Kontrastmittelgabe erforderlich ist. Auch eine Unterscheidung durch Auswertung lokaler statistischer Größen oder morphologischer Merkmale, wie dies bei einfachen CT-Scans zur Erhöhung der Zuverlässigkeit in der Regel erforderlich ist, entfällt beim vorliegenden Verfahren.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird für jedes Voxel zunächst ein dreidimensionaler Volumenbereich mit einer vorgegebenen Ausdehnung um das Voxel festgelegt. Der dreidimensionale Volumenbereich stellt vorzugsweise ein sphärisches Volumen dar, kann jedoch auch eine andere Form aufweisen, beispielsweise quaderförmig sein. Innerhalb des Volumenbereiches werden dann alle Voxel selektiert, bei denen ein Mittelwert oder ein gewichteter Mittelwert der beiden Röntgenschwächungswerte aus den beiden Bilddatensätzen oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes für Kontrastmittel und kalziumhaltige Materialien liegt. Alternativ wird eine vorgegebene Anzahl von Voxeln aus diesem Volumenbereich selektiert, die die höchsten Mittelwerte oder gewichteten Mittelwerte der Röntgenschwächungswerte innerhalb des Volumenbereiches aufweisen. Für jeden Bilddatensatz wird dann getrennt ein gemittelter Röntgenschwächungswert der selektierten Voxel berechnet, um aus den beiden gemittelten Röntgenschwächungswerten das Verhältnis r zu bestimmen. Im Folgenden wird das jeweils betroffene Voxel, um das der Volumenbereich gebildet wird, auch als zentrales Voxel bezeichnet. Durch diesen Schritt wird eine Auswahl von Nachbarvoxeln des zentralen Voxels ermöglicht, die mit hoher Wahrscheinlichkeit Kontrastmittel oder Knochen bzw. kalziumhaltige Bereiche darstellen, ohne eine Verschmierung konstanter Reichweiter herbeizuführen. Die Nutzung des im Folgenden beschriebenen gewichteten Mittelwertes hat den Vorteil, dass es nicht zu einer Bevorzugung eines Materials in Abhängigkeit vom Bildrauschverhältnis q kommt.
Der Mittelwert der Röntgenschwächungswerte eines Voxels entspricht dabei dem arithmetischen Mittelwert der beiden Röntgenschwächungswerte. Der gewichtete Mittelwert stellt demgegenüber einen kombinierten Röntgenschwächungswert Voxeln dar, der auch vom Bildrauschverhältnis q zwischen den Bildern der beiden Computertomographie-Aufnahmen abhängt. Dieser gewichtete Mittelwert x_m wird nach folgender Vorschrift berechnet:
x₁ und x₂ stellen die Röntgenschwächungswerte, bspw. HU-Werte (HU: Hounsfield Units), bei den beiden unterschiedlichen Röntgenenergien dar. q stellt das Verhältnis des Bildrauschens der Bilder der beiden Computertomographie-Aufnahmen dar. Das Bildrauschverhältnis q ergibt sich aus q = dx₁/dx₂, wobei dx₁ und dx₂ die statistischen Fehler, d.h. die Standardabweichung, der Röntgenschwächungswerte x₁ und x₂ darstellen. Der Wert rco,min ist ein vorgegebener Schwellwert, der die untere Schwelle des Verhältnisses r für Kontrastmittel angibt. Dieser Wert ist bekannt oder kann vorab ermittelt werden. Die Selektion der Voxel innerhalb des dreidimensionalen Volumenbereiches erfolgt dann vorzugsweise auf Basis des gewichteten Mittelwertes x_m. Alle Voxel, für die dieser gewichtete Mittelwert x_m oberhalb eines Schwellwertes liegt, der eine untere Grenze für das Vorliegen Kontrastmittel und/oder kalziumhaltigem Material darstellt, werden selektiert. Alternativ wird eine feste Anzahl von Voxeln selektiert, die die höchsten gewichteten Mittelwerte der Röntgenschwächungswerte innerhalb des Volumenbereiches aufweisen.
Durch diese Vorgehensweise auf Basis des gewichteten Mittelwertes, der einen vom Bildrauschverhältnis q abhängigen Wert darstellt, wird die Gefahr einer durch das Bildrauschen verursachten Fehlauswahl deutlich verringert, so dass ein zuverlässigeres Ergebnis erzielt wird. Das hierfür erforderliche Verhältnis q des Bildrauschens der beiden Bilddatensätze kann für die verwendete Computertomographie-Anlage bereits bekannt sein oder vorab aus den beiden Bilddatensätzen oder auch anderen Bilddatensätzen, beispielsweise vorab aufgenommenen Topogrammen, ermittelt werden.
In einer Weiterbildung des Verfahrens werden die im dreidimensionalen Volumenbereich vorhandenen Voxel gezählt, deren Mittelwerte oder gewichteten Mittelwerte oberhalb des vorgegebenen Schwellwertes für Kontrastmittel und kalziumhaltige Materialien liegen. Die Bestimmung des Verhältnisses r der Bemittelten Schwächungswerte wird dann nur bei zentralen Voxeln durchgeführt, bei denen innerhalb des Volumenbereiches eine vorgegebene Mindestanzahl (n_min) an Voxeln einen Mittelwert oder einen gewichteten Mittelwert der beiden Röntgenschwächungswerte oberhalb des vorgegebenen Schwellwertes für Kontrastmittel und kalziumhaltige Materialien aufweist. Liegt die ermittelte Anzahl jedoch unterhalb dieser Mindestanzahl, so wird für das zentrale Voxel keinerlei weitere Berechnung durchgeführt. Es wird dann davon ausgegangen, dass dieses Voxel keine Stelle mit Kontrastmittel oder kalziumhaltigem Material im untersuchten Objektbereich darstellt.
In der bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird vor der Berechnung des Verhältnisses r überprüft, ob in einem dreidimensionalen Volumenbereich vorgegebener Ausdehnung um das zentrale Voxel ein hoher Anteil an Voxeln mit einem Mittelwert der Röntgenschwächungswerte auftritt, der oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes für Kontrastmittel und kalziumhaltige Materialien liegt. Hierzu wird vorzugsweise eine (hohe) Mindestanzahl (n_LOOK) an Voxeln vorgegeben. Ein hoher Anteil deutet auf eine Stelle in einem Knochen oder anderen kalziumhaltigen Material hin. Liegen jedoch einige Voxel im Wertebe reich von Weichgewebe bzw. Blut, so deutet dies auf eine Stelle im Übergangsbereich zwischen Weichgewebe und Knochen bzw. kalziumhaltigem Material hin. Im Falle eines hohen Anteils von Voxeln, deren Mittelwert der Röntgenschwächungswerte über dem Schwellwert für Kontrastmittel und kalziumhaltige Materialien liegt, werden für das zentrale Voxel direkt die anschließenden Schritte zur Bildung des Verhältnisses r durchgeführt. Wird die vorgegebene Mindestanzahl jedoch nicht erreicht, d.h. einige Voxel liegen im Wertebereich von Weichgewebe, so wird ein in der Regel direkt angrenzendes Nachbarvoxel gesucht, das den höchsten Mittelwert oder höchsten gewichteten Mittelwert der Röntgenschwächungswerte aufweist. Je nach Bildauflösung kann dieser Schritt auch mehrmals iteriert werden. Die anschließenden Schritte zur Berechnung des Verhältnisses r werden dann mit dem auf diese Weise ermittelten Nachbarvoxel durchgeführt, die daraus resultierende Materialzuordnung erfolgt allerdings zu dem zentralen Voxel. Durch diese bevorzugte Verfahrensausgestaltung wird zum einen die Trennung von Kontrastmittel und Knochen bzw. kalziumhaltigen Materialien in benachbarten Bereichen ermöglicht. Zum anderen vermeidet der Übergang zu Nachbarvoxeln mit höheren Mittelwerten eine Auswertung im Grenzbereich zwischen Weichgewebe und Kontrastmittel oder Knochen bzw. kalziumhaltigen Material. Hier wirkt sich Rauschen stärker aus und bereits eine leicht unterschiedliche Modulationsübertragungsfunktion für die beiden unterschiedlichen Röntgenenergien würde eine chemische Klassifikation erschweren.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird das Verhältnis r vor der Materialzuordnung mit einem vom Durchmesser des untersuchten Objektes abhängigen Korrekturterm r_corr korrigiert, um den abgeleiteten Wert r' zu erhalten: r' = r + rcorr(d),wobei d einem mittleren Durchmesser des Objektes entspricht. Hierbei wurde gefunden, dass für existierende Computerto mographen eine lineare Funktion r_corr = a_diam × (d – 20cm) zu sehr guten Ergebnissen führt. Dieser Korrekturterm sollte verwendet werden, falls der gemessene Röntgenschwächungswert des Kontrastmittels vom Objektdurchmesser abhängt.
Die Vorrichtung zur automatischen Differenzierung von Knochen oder anderen kalziumhaltigen Materialien und Kontrastmittel in Weichgewebe eines Objektbereiches umfasst neben einer Speichereinheit für die beiden Bilddatensätze als Hauptbestandteil ein Bestimmungsmodul, das die Berechnungen und Bestimmungen gemäß dem vorher beschriebenen Verfahren und ggf. der einzelnen Weiterbildungen dieses Verfahrens durchführt. Das Bestimmungsmodul ist dabei vorzugsweise im Bildrechner einer Computertomographie-Anlage implementiert, die die Rohdaten für die beiden Computertomographie-Aufnahmen bei unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung liefern kann. In diesem Fall umfasst die Vorrichtung auch ein Bildrekonstruktionsmodul, das aus den Rohdaten der beiden Computertomographie-Aufnahmen die beiden Bilddatensätze des Objektbereiches rekonstruiert.
In einer Ausgestaltung kann die Vorrichtung jedoch auch nur das Bestimmungsmodul mit der Speichereinheit sowie eine Schnittstelle umfassen, über die bereits rekonstruierte Bilddatensätze aus den beiden Computertomographie-Aufnahmen empfangen werden. Das Bestimmungsmodul ist vorzugsweise mit einem Bilddarstellungsmodul verbunden, über das eine Bilddarstellung der CT-Bilder mit darin farbig unterschiedenen kontrastmittelhaltigen und kalziumhaltigen Bereichen erfolgen kann.
Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für einen Verfahrensablauf bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens; und
2 eine graphische Veranschaulichung einer Verfahrensvariante des vorliegenden Verfahrens.
Im vorliegenden Beispiel wird mit einem Dual Energy Computertomographen ein Dual Energy CT-Scan des Objektes durchgeführt, bei dem simultan Rohdaten bei zwei unterschiedlichen Röntgenenergien erhalten werden. Diese unterschiedlichen Röntgenenergien werden durch unterschiedliche Röhrenspannung der eingesetzten Röntgenröhre, im vorliegenden Beispiel von 80 kV und 140 kV, erhalten. Aus den Rohdaten werden über bekannte Rekonstruktionsalgorithmen unabhängig voneinander zwei CT-Bilder rekonstruiert. Jeder der hierbei erhaltenen beiden Bilddatensätze umfasst für jedes Voxel des Untersuchungsvolumens einen entsprechenden HU-Wert bei der jeweiligen Röntgenenergie.
Unabhängig von der Datenaufzeichnung und dem verwendeten Computertomographen sollte dabei sichergestellt werden, dass die HU-Werte für die zu differenzierenden Körpermaterialien einigermaßen stabil sind, wenn sie an verschiedenen Stellen innerhalb des untersuchten Objektes auftreten bzw. positioniert werden. Dies ist für die meisten kommerziell verfügbaren Computertomographen jedoch gegeben.
Das im Folgenden beschriebene Beispiel für eine Durchführung des vorliegenden Verfahrens gliedert sich in eine Vorverarbeitung und in einen Hauptteil. Während der Vorverarbeitung werden ein mittlerer Objektdurchmesser d sowie das Verhältnis des Bildrauschens zwischen dem Bild bei 80 kV und dem Bild bei 140 kV ermittelt, falls diese Größen nicht bereits bekannt sind.
Hängt der gemessene HU-Wert des Kontrastmittels vom Objektdurchmesser ab, so muss der mittlere Durchmesser d des gescannten Objektes bestimmt werden. Dieser wird später für eine kleine aber sehr nützliche Korrektur benötigt. Der mittlere Durchmesser d kann bspw. durch das Integral des HU-Wertes x über die Fläche A berechnet werden, die das Objekt in dem betrachteten Schichtbild annimmt:
Falls das Verhältnis des Bildrauschens nicht bekannt ist, kann dieses Verhältnis q bspw. aus dem Objektdurchmesser oder dem gemessenen Rauschen der HU-Werte von Luft näherungsweise bestimmt werden. Dazu kann bspw. für beide Röhrenspannungen das mittlere Rauschen für alle Pixel der Schicht unterhalb einer gewissen Schwelle, bspw. unterhalb von –950 HU, in der oberen Hälfte des Bildes berechnet und anschließend das Verhältnis gebildet werden. Ebenso kann dieses Verhältnis bspw. aus einem vorher aufgenommenen Topogramm ermittelt werden.
Für den Hauptteil der Verarbeitung werden außer der untersuchten Schicht auch mehrere Voxel-Schichten darüber und darunter benötigt. Der Begrifft „kombinierter HU-Wert" bezeichnet im weiteren einen vom Bildrauschverhältnis q abhängigen gewichteten Mittelwert x_m der HU-Werte bei 80 kV und 140 kV (x₈₀ bzw. x₁₄₀). Dieser lässt sich aus dem Verhältnis q und dem später verwendeten Schwellwert r_co,min für Kontrastmittel berechnen:
Im Gegensatz dazu wird der Begriff „gemittelter HU-Wert" als arithmetisches Mittel der HU-Werte bei 80 kV und 140 kV, x₈₀ und x₁₄₀, berechnet.
Für jedes Voxel in der untersuchten Schicht werden dann die folgenden vier Schritte durchgeführt, von denen die ersten drei unter Bezugnahme auf 1 als LOOK-Schritt, WALK-Schritt und TAKE-Schritt bezeichnet werden.

1. LOOK-Schritt: Falls in einer dreidimensionalen, sphärischen Umgebung des Voxels hohe gemittelte HU-Werte vorherrschen, die deutlich höher als die HU-Werte von normalem Weichgewebe (z.B. 100 HU) liegen, muss diese Umgebung direkt ausgewertet werden. Der nachfolgende WALK-Schritt wird dann übersprungen. Die zugrunde liegende Schwelle wird als Anzahl n_LOOK für Kontrastmittel/Knochen-Voxel vorgegeben, oberhalb der der WALK-Schritt entfällt.
2. WALK-Schritt: Falls in der Umgebung relativ niedrige gemittelte HU-Werte vorherrschen, aber der gemittelte HU-Wert des zentralen Voxels über dem von typischem Weichgewebe liegt und ein starker Gradient in den kombinierten HU-Werten existiert, befindet sich mit hoher Wahrscheinlichkeit Kontrastmittel oder Knochen bzw. kalziumhaltiges Material in der Nähe. Als neues zentrales Voxel wird dann der Nachbar mit dem höchsten kombinierten HU-Wert gewählt. Hierbei kann eine minimale Differenz (HU) zwischen dem zentralen Voxel und dem Nachbarvoxel vorgegeben werden, unterhalb der kein Übergang zum Nachbarvoxel erfolgt. Dieser Schritt wird so oft wiederholt (n_step), bis die erwartete Reichweite der Bildauflösung erreicht wird oder der Gradient stark abflacht.
3. TAKE-Schritt: Es wird wiederum eine sphärische Umgebung des letzten zentralen Voxels betrachtet. Es werden nun die n_av Voxel mit den höchsten kombinierten HU-Werten ausgewählt, wobei die Anzahl n_av vorgegeben wird. Auf diese weise werden möglichst „reine" Knochen- oder Kontrastmittel-Voxel selektiert. Für die selektierten Voxel wird ein mittlerer HU-Wert x₈₀ bei 80 kV und ein mittlerer HU-Wert x₁₄₀ bei 140 kV berechnet, jeweils durch Mittelung über die HU-Werte aller selektierten Voxel. Falls für weniger als n_min Voxel im betrachteten Volumen der gemittelte HU-wert über der Kontrastmittel/Knochen-Schwelle liegt, entfällt der folgende Schritt und es wird keine Materialzuordnung getroffen.
4. 3-Material-Zerlegung: Die selektierten Voxel werden als Mischung aus den Basismaterialien Weichgewebe (HU-Werte: o₈₀ und o₁₄₀), Knochen bzw. kalziumhaltiges Material und Kontrastmittel interpretiert. Das Verhältnis
wird berechnet. Dieses Verhältnis wird optional durch einen Term r_corr korrigiert, der vom Objektdurchmesser abhängt: r' = r + r_corr(d). Für existierende CT-Scanner wurde hierbei ein Wert r_corr = a_diam × (d – 20cm) aufgefunden, der für eine realistische Korrektur sorgt.

Hohe werte von r' kennzeichnen Regionen mit bspw. jodhaltigem Kontrastmittel; mittlere Werte von r' werden für Knochen gemessen; niedrige Werte von r' ergeben sich für Knorpel und Plastik. Das über den Wert von r' bestimmte Material wird nun dem ursprünglichen Voxel aus dem ersten Schritt zugeordnet.
Nach vollständiger Bearbeitung des Bildstapels bzw. der dreidimensionalen Bilddatensätze kann die so erstellte Materialkarte dazu verwendet werden, um Knochen bzw. kalziumhaltiges Material und Kontrastmittel unterschiedlich farbig zu markieren oder um Knochen rechnerisch aus den Bildern zu entfernen.
Die beim vorliegenden Beispiel eingesetzte Kombination der ersten drei Schritte (LOOK-WALK-TAKE) führt im Grenzbereich zwischen Weichgewebe und Kontrastmittel oder zwischen Weichgewebe und kalziumhaltigem Material bzw. Knochen zu einer Materialzuweisung, wie sie in 2 zur Veranschaulichung graphisch dargestellt ist. Im LOOK-Schritt wird dabei festgestellt, ob das momentan betrachtete zentrale Voxel 1 in der Nähe einer Grenzfläche zwischen Kontrastmittel oder kalziumhaltigen Material und Weichgewebe liegt. Ist dies der Fall, so wird nicht das zentrale Voxel selbst bzw. dessen unmittelbare Umgebung sondern die Umgebung eines Nachbarvoxels 2 ausgewertet, das aufgrund des höheren gemittelten HU-Wertes in jedem Falle innerhalb des Materials mit einem hohen Röntgenschwächungswert liegt. Damit wird eine Auswertung im Grenzbe reich zwischen Weichgewebe und dem entsprechenden Material vermieden.
Für die Durchführung des Verfahrens sind in diesem Beispiel die folgenden Parameter erforderlich:
Die einzelnen Parameter für die Anzahl der Voxel sowie die Schwellen können abhängig von der Bildqualität und der gewünschten Darstellung vorgegeben werden. Folgende beispielhafte Werte führen zu guten Ergebnissen:
n_LOOK = 78 von 81; s_TAKE = 1 (bei Kalzifizierungen) oder 2 (bei Knochen) ; n_step = 2; d_min = 30; s_WALK = 1 (bei Kalzifizierungen) oder 2 (bei Knochen) ; n_min = 50 (bei Knochen) oder 7 (bei Kal zifizierungen); n_av = 45 (bei Knochen) oder 3 (bei Kalzifizierungen). Die Schwellen x_min und r_co,min werden abhängig von der Computertomographie-Anlage und den Aufnahmeparametern gewählt. Der lineare Koeffizient a_diam wird ebenfalls in Abhängigkeit von der Computertomographie-Anlage gewählt.
Bei der Anwendung des vorliegenden Verfahrens sollte unterschieden werden, ob Knochen von Kontrastmittel oder ob andere kalziumhaltige Materialien von Kontrastmittel unterschieden werden. Knochen ist aufgrund des eingelagerten Knochenmarks chemisch inhomogener als kalziumhaltige Plaques oder Nierensteine. Speziell für kalkhaltige Plaques wird eine sehr hohe räumliche Auflösung gefordert. Daher sollten die Parameter s_TAKE, S_WALK und n_step in einem derartigen Fall bei gleicher Voxelgröße typischerweise kleiner gewählt werden. Damit muss auch n_min und n_av reduziert werden.

Claims

Verfahren zur automatischen Differenzierung von Knochen oder anderen kalziumhaltigen Materialien und Kontrastmittel in Weichteilgewebe eines Objektbereiches, bei dem zwei Computertomographie-Aufnahmen des Objektbereiches bei unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung aufgezeichnet und aus Rohdaten der beiden Computertomographie-Aufnahmen zwei Bilddatensätze des Objektbereiches rekonstruiert werden, die Röntgenschwächungswerte von Voxeln des Objektbereiches bei der jeweiligen spektralen Verteilung der Röntgenstrahlung enthalten, bei dem für jedes Voxel zumindest einer interessierenden Schicht des Objektbereiches aus den beiden Bilddatensätzen ein Verhältnis r berechnet wird, das sich aus den beiden Röntgenschwächungswerten des Voxels oder aus zwei gemittelten Röntgenschwächungswerten, die durch Mittelung der Röntgenschwächungswerte von Voxeln innerhalb eines vorgegebenen volumens um das Voxel in dem jeweiligen Bilddatensatz erhalten werden, und vorgegebenen Röntgenschwächungswerten o1, o2 von Weichgewebe oder Blut bei der jeweiligen spektralen Verteilung der Röntgenstrahlung in folgender Weise ergibt:
wobei x1, x2 die Röntgenschwächungswerte oder gemittelten Röntgenschwächungswerte bei der jeweiligen spektralen Verteilung der Röntgenstrahlung sind, und bei dem dem jeweiligen Voxel bei Überschreiten eines Schwellwertes für das Verhältnis r oder einen davon abgeleiteten Wert r' in Abhängigkeit von der Größe von r oder r' entweder Kontrastmittel oder kalziumhaltiges Material zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Voxel zunächst ein dreidimensionaler Volumen bereich mit einer vorgegebenen Ausdehnung um das Voxel festgelegt wird, innerhalb des Volumenbereiches alle Voxel selektiert werden, bei denen ein Mittelwert oder ein gewichteter Mittelwert der beiden Röntgenschwächungswerte der Voxel oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes für Kontrastmittel und kalziumhaltige Materialien liegt, oder eine vorgegebene Anzahl von Voxeln selektiert wird, die die höchsten Mittelwerte oder gewichteten Mittelwerte der Röntgenschwächungswerte innerhalb des Volumenbereiches aufweisen, und für jeden Bilddatensatz getrennt ein gemittelter Röntgenschwächungswert der selektierten Voxel berechnet wird, um aus den beiden gemittelten Röntgenschwächungswerten das Verhältnis r zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Voxel zunächst ein dreidimensionaler Volumenbereich mit einer vorgegebenen Ausdehnung um das Voxel festgelegt wird, innerhalb des Volumenbereiches alle Voxel selektiert werden, bei denen ein Mittelwert oder ein gewichteter Mittelwert der beiden Röntgenschwächungswerte der Voxel oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes für Kontrastmittel und kalziumhaltige Materialien liegt, oder eine vorgegebene Anzahl von Voxeln selektiert wird, die die höchsten Mittelwerte oder gewichteten Mittelwerte der Röntgenschwächungswerte innerhalb des Volumenbereiches aufweisen, und für jeden Bilddatensatz getrennt ein gemittelter Röntgenschwächungswert der selektierten Voxel berechnet wird, um aus den beiden gemittelten Röntgenschwächungswerten das Verhältnis r zu bestimmen, wobei die Bestimmung des Verhältnisses r der gemittelten Schwächungswerte nur bei Voxeln durchgeführt wird, bei denen innerhalb des Volumenbereiches eine Anzahl an Voxeln einen Mittelwert oder einen gewichteten Mittelwert der beiden Röntgenschwächungswerte oberhalb des vorgegebenen Schwellwertes für Kontrastmittel und kalziumhaltige Materialien aufweist, die oberhalb einer vorgegebenen Mindestanzahl liegt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der gewichtete Mittelwert x_m aus folgender Rechenvorschrift erhalten wird:
und wobei x₁ und x₂ die beiden Röntgenschwächungswerte des Voxels bei den beiden unterschiedlichen spektralen Verteilungen der Röntgenstrahlung, r_co,min einen unteren Schwellwert des Verhältnisses r für Kontrastmittel und q das Verhältnis des Bildrauschens der Bilder der beiden Bilddatensätze darstellen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis q des Bildrauschens in einem Vorverarbeitungsschritt aus den beiden Bilddatensätzen oder vorab aufgezeichneten Topogrammen bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Berechnung des Verhältnisses r überprüft wird, ob in einem dreidimensionalen Volumenbereich mit einer vorgegebenen Ausdehnung um das Voxel ein hoher Anteil an Voxeln mit einem Mittelwert der Röntgenschwächungswerte aus den beiden Bilddatensätzen auftritt, der oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes für Kontrastmittel und kalziumhaltige Materialien liegt, und dass im Falle eines Anteils, der unterhalb eines vorgegebenen Mindestwertes liegt, aus einer Gruppe von Nachbarvoxeln das Nachbarvoxel gesucht wird, das den höchsten Mittelwert oder gewichteten Mittelwert der Röntgenschwächungswerte aufweist, wobei dieser Schritt ausgehend von dem jeweils aufgefundenen Nachbarvoxel gegebenenfalls auch ein oder mehrmals wiederholt werden kann, und wobei die anschließenden Schritte zur Bestimmung des Verhältnisses r mit dem als letztes aufgefundenen Nachbarvoxel durchgeführt werden, die daraus resultierende Materialzuordnung allerdings zu dem ursprünglichen Voxel erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis r vor der Materialzuordnung mit einem vom Durchmesser des Objektes abhängigen Korrekturterm korrigiert wird, um den vom Verhältnis r abgeleiteten Wert r' zu erhalten, auf dessen Basis dann die Materialzuordnung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der abgeleitete Wert r' durch folgende Rechenvorschrift erhalten wird: r' = r + rcorr(d), wobei rcorr = adiam × (d – 2)cmund wobei d einem mittleren Durchmesser des Objektes und a_diam einem vorgegeben Koeffizienten entsprechen.
Vorrichtung zur automatischen Differenzierung von Knochen oder anderen kalziumhaltigen Materialien und Kontrastmittel in Weichteilgewebe eines Objektbereiches, mit einer Speichereinheit zur Speicherung von zwei Bilddatensätzen des Objektbereiches, die aus zwei Computertomographie-Aufnahmen des Objektbereiches bei unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung erhalten wurden und Röntgenschwächungswerte von Voxeln des Objektbereiches bei der jeweiligen spektralen Verteilung der Röntgenstrahlung enthalten, und einem Bestimmungsmodul, das so ausgebildet ist, dass es für jedes Voxel zumindest einer interessierenden Schicht des Objektbereiches aus den beiden Bilddatensätzen ein Verhältnis r berechnet, das sich aus den beiden Röntgenschwächungswerten des Voxels oder aus zwei gemittelten Röntgenschwächungswerten, die durch Mittelung der Röntgenschwächungswerte von Voxeln innerhalb eines vorgegebenen Volumens um das Voxel in dem jeweiligen Bilddatensatz erhalten werden, und vorgegebenen Röntgenschwächungswerten o1, o2 von Weichge webe oder Blut bei der jeweiligen spektralen Verteilung der Röntgenstrahlung in folgender Weise ergibt:
wobei x1, x2 die Röntgenschwächungswerte oder gemittelten Röntgenschwächungswerte bei der jeweiligen spektralen Verteilung der Röntgenstrahlung sind, und dem jeweiligen Voxel bei Überschreiten eines Schwellwertes für das Verhältnis r oder einen davon abgeleiteten Wert r' in Abhängigkeit von der Größe von r oder r' entweder Kontrastmittel oder kalziumhaltiges Material zuordnet.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmungsmodul so ausgebildet ist, dass es für jedes Voxel zunächst einen dreidimensionalen Volumenbereich mit einer vorgegebenen Ausdehnung um das Voxel festlegt, innerhalb des Volumenbereiches alle Voxel selektiert, bei denen ein Mittelwert oder ein gewichteter Mittelwert der beiden Röntgenschwächungswerte der Voxel oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes für Kontrastmittel und kalziumhaltige Materialien liegt, oder eine vorgegebene Anzahl von Voxeln selektiert, die die höchsten Mittelwerte oder gewichteten Mittelwerte der Röntgenschwächungswerte innerhalb des Volumenbereiches aufweisen, und für jeden Bilddatensatz getrennt einen gemittelten Röntgenschwächungswert der selektierten Voxel berechnet, um aus den beiden gemittelten Röntgenschwächungswerten das Verhältnis r zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmungsmodul so ausgebildet ist, dass es für jedes Voxel zunächst einen dreidimensionalen Volumenbereich mit einer vorgegebenen Ausdehnung um das Voxel festlegt, innerhalb des Volumenbereiches alle Voxel selektiert, bei denen ein Mittelwert oder ein gewichteter Mittelwert der beiden Röntgenschwächungswerte der Voxel oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes für Kontrastmittel und kalziumhaltige Materialien liegt, oder eine vorgegebene Anzahl von Voxeln selektiert, die die höchsten Mittelwerte oder gewichteten Mittelwerte der Röntgenschwächungswerte innerhalb des Volumenbereiches aufweisen, und für jeden Bilddatensatz getrennt einen gemittelten Röntgenschwächungswert der selektierten Voxel berechnet, um aus den beiden gemittelten Röntgenschwächungswerten das Verhältnis r zu bestimmen, wobei die Bestimmung des Verhältnisses r der gemittelten Schwächungswerte nur bei Voxeln durchgeführt wird, bei denen innerhalb des Volumenbereiches eine Anzahl an Voxeln einen Mittelwert oder einen gewichteten Mittelwert der beiden Röntgenschwächungswerte oberhalb des vorgegebenen Schwellwertes für Kontrastmittel und kalziumhaltige Materialien aufweist, die oberhalb einer vorgegebenen Mindestanzahl liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der gewichtete Mittelwert x_m aus folgender Rechenvorschrift erhalten wird:
und wobei x₁ und x₂ die beiden Röntgenschwächungswerte des Voxels bei den beiden unterschiedlichen spektralen Verteilungen der Röntgenstrahlung, r_co,min einen unteren Schwellwert des Verhältnisses r für Kontrastmittel und q das Verhältnis des Bildrauschens der Bilder der beiden Bilddatensätze darstellen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmungsmodul so ausgebildet ist, dass es vor der Berechnung des Verhältnisses r überprüft, ob in einem dreidimensionalen Volumenbereich mit einer vorgegebenen Ausdehnung um das Voxel ein hoher Anteil an Voxeln mit einem Mittelwert der Röntgenschwächungswerte aus den beiden Bilddatensätzen auftritt, der oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes für Kontrastmittel und kalziumhaltige Materialien liegt, und dass es im Falle eines Anteils, der unterhalb eines vorgegebenen Mindestwertes liegt, aus einer Gruppe von Nachbarvoxeln das Nachbarvoxel sucht, das den höchsten Mittelwert oder gewichteten Mittelwert der Röntgenschwächungswerte aufweist, wobei dieser Schritt ausgehend von dem jeweils aufgefundenen Nachbarvoxel gegebenenfalls auch ein oder mehrmals wiederholt werden kann, und wobei die anschließenden Schritte zur Bestimmung des Verhältnisses r mit dem als letztes aufgefundenen Nachbarvoxel durchgeführt werden, die daraus resultierende Materialzuordnung allerdings zu dem ursprünglichen Voxel erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmungsmodul so ausgebildet ist, dass es das Verhältnis r vor der Materialzuordnung mit einem vom Durchmesser des Objektes abhängigen Korrekturterm korrigiert, um den vom Verhältnis r abgeleiteten Wert r' zu erhalten, auf dessen Basis dann die Materialzuordnung erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmungsmodul so ausgebildet ist, dass es den abgeleiteten Wert r' durch folgende Rechenvorschrift bestimmt: r' = r + rcorr (d), wobei rcorr = adiam × (d – 20cm)und wobei d einem mittleren Durchmesser des Objektes und a_diam einem vorgegeben Koeffizienten entsprechen.