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DE102009011801A1 - Method for generating a CT image data set with a specific X-ray energy spectrum and CT system - Google Patents

Method for generating a CT image data set with a specific X-ray energy spectrum and CT system Download PDF

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DE102009011801A1
DE102009011801A1 DE102009011801A DE102009011801A DE102009011801A1 DE 102009011801 A1 DE102009011801 A1 DE 102009011801A1 DE 102009011801 A DE102009011801 A DE 102009011801A DE 102009011801 A DE102009011801 A DE 102009011801A DE 102009011801 A1 DE102009011801 A1 DE 102009011801A1
Authority
DE
Germany
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local
energy
data set
attenuation
weighting
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102009011801A
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German (de)
Inventor
Björn Dr. Heismann
Daniel Dr. Niederlöhner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to DE102009011801A priority Critical patent/DE102009011801A1/en
Publication of DE102009011801A1 publication Critical patent/DE102009011801A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines CT-Bilddatensatzes mit einem bestimmten Röntgenenergiespektrum (S(E)) und ein CT-System (1) mit Programmcode (Prg-Prg) für dieses Verfahren. Erfindungsgemäß werden dabei aus den gemessenen lokalen gewichteten Schwächungskoeffizienten $I1 Materialverteilungen und daraus lokale messspektrumsunabhängige, jedoch energieabhängige Schwächungsfunktionen $I2 geschätzt, vorzugsweise iterativ über eine Berechnung der lokalen Energiegewichtungen $I3 nachberechnet, und anschließend ein CT-Bilddatensatz auf der Basis eines vorbestimmten Energiespektrums (w(E)) und den berechneten lokalen messspektrumsunabhängigen, jedoch energieabhängigen Schwächungsfunktionen $I4 errechnet und ausgegeben.The invention relates to a method for generating a CT image data set with a specific X-ray energy spectrum (S (E)) and a CT system (1) with program code (Prg-Prg) for this method. According to the invention, material distributions and local measurement spectrum-independent but energy-dependent attenuation functions $ I2 are estimated from the measured local weighted attenuation coefficients, preferably iteratively calculated by calculating the local energy weights $ I3, and then a CT image data set based on a predetermined energy spectrum (w (E)) and the calculated local measurement spectrum independent but energy dependent attenuation functions $ I4 are calculated and output.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines CT-Bilddatensatzes mit einem bestimmten Röntgenenergiespektrum und ein CT-System mit Programmcode für dieses Verfahren, wobei ein CT-Scan eines Untersuchungsobjektes mit Hilfe mindestens einer Strahlungsquelle mit einem bekannten Strahlungsspektrum und mindestens eines Detektors mit einer bekannten spektralen Empfindlichkeit durchgeführt wird und mindestens ein Projektionsdatensatz aus diesem CT-Scan erzeugt wird und aus diesem mindestens ein erster CT-Bilddatensatz durch inverse Radon- oder Rücktransformation rekonstruiert wird, so dass dieser mindestens eine CT-Bilddatensatz eine Vielzahl von Bildwerten aufweist, die lokale mittlere Schwächungswerte des Untersuchungsobjektes wiedergeben.The The invention relates to a method for generating a CT image data set with a specific X-ray energy spectrum and a CT system with program code for this procedure, using a CT scan an object to be examined with the aid of at least one radiation source with a known radiation spectrum and at least one detector performed with a known spectral sensitivity and at least one projection data set from this CT scan is generated and from this at least a first CT image data set reconstructed by inverse radon or inverse transformation so that this at least one CT image data set a variety of image values, the local mean attenuation values of the examination object.

Es ist allgemein bekannt, dass aufgrund unterschiedlicher Spektralwichtung, also dem Produkt aus verwendetem Spektrum und spektraler Detektorempfindlichkeit, von unterschiedlichen Strahler-Detektorsystemen bei einer CT-Untersuchung die gemessenen und rekonstruierten Schwächungsdaten bei identischen Objekten unterschiedlich ausfallen. Außerdem erzeugt die bekannte Aufhärtung der Strahlung einen sich verändernden Eindruck und Artefakte im rekonstruierten CT-Bild. Hierdurch entsteht das Problem, dass ein Vergleich zweier CT-Untersuchungen an unterschiedlichen Geräten mit unterschiedlichen Spektralwichtungen schwierig ist.It is well known that due to different spectral weighting, ie the product of spectrum used and spectral detector sensitivity, of different radiator detector systems in a CT scan the measured and reconstructed attenuation data identical objects fail differently. Furthermore the known hardening of the radiation generates itself changing impression and artifacts in the reconstructed CT image. This creates the problem that a comparison of two CT examinations on different devices with different Spectral weights is difficult.

Aufgabe der Erfindung soll es nun sein, CT-Bilddatensätze zu erzeugen, die einerseits keine Strahlaufhärtungseffekte aufweisen, andererseits über das gesamte Bild die Schwächungskoeffizienten eines beliebig ausgewählten Spektrums darstellen.task The invention will now be to produce CT image data sets, on the one hand have no Strahlaufhärtungseffekte, on the other hand, the attenuation coefficients over the entire image represent an arbitrarily selected spectrum.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.These The object is achieved by the features of the independent claims solved. Advantageous developments of the invention are Subject of subordinate claims.

Die Erfinder haben Folgendes erkannt:
Computertomographien werden routinemäßig durchgeführt, um dreidimensionale Aufnahmen des menschlichen Körpers zu erhalten. Die dabei gemessenen CT-Werte beschreiben einen gewichteten Schwächungskoeffizienten der Röntgenstrahlung. Ihre spektrale Gewichtung wird von dem verwendeten Röntgenspektrum der Röntgenröhre, den spektralen Detektoreigenschaften und dem Schwächungsobjekt beeinflusst. Dementsprechend besitzen die CT-Zahlen normalerweise keine quantitativen Eigenschaften.
The inventors have recognized the following:
Computed tomography is routinely performed to obtain three-dimensional images of the human body. The measured CT values describe a weighted attenuation coefficient of the X-radiation. Their spectral weighting is influenced by the X-ray spectrum of the X-ray tube used, the spectral detector properties and the attenuation object. Accordingly, the CT numbers usually have no quantitative properties.

Die quantitative tatsächliche Eigenschaft des gescannten Objektes ist die spektrale massenabhängige Schwächungsfunktion. Diese ist in herkömmlichen CT-Geräten nicht direkt messbar, da die Projektionsdaten keine Energieauflösung beinhalten. Während der letzten Jahrzehnte wurden energieauflösende CT-Systeme entwickelt, wie zum Beispiel Dual-Energy-CT, Dual-Source-CT oder Prototypen eines Photonen zählenden CT-Gerätes. In Verbindung mit spektralen CT-Algorithmen, wie der Basismaterialzerlegung, ist es möglich, eine parametrisierte Darstellung der spektralen Massenschwächungsfunktionen zu erhalten. Die daraus erhaltenen Informationen sind quantitative Absolutwerte. Bei der praktischen Anwendung sind auf Bilddaten basierende Formulierungen üblich. Sie werden von den oben erwähnten Systemgrößen und der objekteigenen Schwächung beeinflusst.The quantitative actual property of the scanned object is the spectral mass-dependent attenuation function. This is not direct in conventional CT devices measurable, since the projection data no energy resolution include. During the last decades energy-dissolving CT systems developed, such as dual-energy CT, dual-source CT or prototypes of a photon-counting CT device. In conjunction with spectral CT algorithms, such as the base material decomposition, is it possible to have a parametric representation of the spectral To obtain mass attenuation functions. The resulting Information is quantitative absolute values. In the practical Application are common to image data based formulations. They are of the above mentioned system sizes and affects the object's weakening.

Die hier beschriebene lokale spektrale Rekonstruktion (LSR) basiert auf der Beschreibung der spektralen Gewichtung in der Bildebene des CT-Systems. Die lokale Wichtungsfunktion (LWF) beschreibt die Gewichtung der spektralen Schwächungskoeffizienten der gemessenen CT-Daten. Erfindungsgemäß wird die lokale Wichtungsfunktion dazu verwendet, um verschiedene Energiekalibrierungen von gemessenen und simulierten CT-Daten durchzuführen, also Bilddaten auf der Basis beliebiger virtueller Messspektren darzustellen. Das beinhaltet auch Strahlaufhärtungskorrekturen, Energiekalibrierungen auf unterschiedliche Zielenergiespektren und Schwächungskorrekturen für SPECT (= Single Photon Emission Computed Tomography, = Einzel-Photonen-Emissions-Computer-Tomographie) oder PET (= Positronen-Emissions-Tomographie).The here described local spectral reconstruction (LSR) based on the description of the spectral weighting in the image plane of the CT system. The local weighting function (LWF) describes the Weighting of the spectral attenuation coefficients of the measured CT data. According to the invention Local weighting function used to perform various energy calibrations perform measured and simulated CT data, ie image data based on any virtual measurement spectra display. This also includes beam hardening corrections, Energy calibrations on different target energy spectra and Attenuation corrections for SPECT (= single photon Emission Computed Tomography, = single-photon emission computer tomography) or PET (= positron emission tomography).

Entsprechend dieser oben geschilderten Erkenntnis schlagen die Erfinder ein Verfahren zur CT-Abtastung und Rekonstruktion eines Untersuchungsobjektes mit einem ersten Röntgenenergiespektrum und Darstellung des Untersuchungsobjektes entsprechend einer CT-Abtastung mit einem zweiten, virtuellen Röntgenenergiespektrum, mit den folgenden Verfahrensschritten vor:

  • – CT-Scan eines Untersuchungsobjektes mit Hilfe mindestens einer Strahlungsquelle und mindestens eines Detektors und Erzeugung mindestens eines zu Rekonstruktionszwecken geeigneten Projektionsdatensatzes auf der Basis mindestens eines Röntgenenergiespektrums,
  • – Rekonstruktion mindestens eines CT-Bilddatensatzes aus dem mindestens einen Projektionsdatensatz, wobei der CT-Bilddatensatz eine Vielzahl von Bildwerten aufweist, die lokale mittlere Schwächungswerte μ(r →) des Untersuchungsobjektes wiedergeben,
  • – Ermittlung einer zum Scan jeweils verwendeten Spektralwichtung w(E), definiert als normierte Produktfunktion aus der energieabhängigen Wichtung des verwendeten Strahlungsspektrums S(E) und der spektralen Empfindlichkeit eines verwendeten Detektors D(E),
  • – Bestimmung einer Verteilung vordefinierter Materialien im Untersuchungsobjekt auf der Basis der zuvor ermittelten lokalen mittleren Schwächungswerte μ(r →),
  • – Bestimmung lokaler energieabhängiger Schwächungsfunktionen μ(E, r →) im Untersuchungsobjekt auf der Basis der zuvor ermittelten Materialverteilung,
  • – Erstellung eines neuen tomographischen Bilddatensatzes durch Berechnung neuer örtlicher Schwächungswerte μ c(r →) je weils auf der Basis einer neuen vorbestimmten Spektralwichtung wc(E) und der lokalen energieabhängigen Schwächungsfunktionen μ(E, r →).
In accordance with this knowledge described above, the inventors propose a method for CT scanning and reconstruction of an examination subject with a first X-ray energy spectrum and presentation of the examination subject corresponding to a CT scan with a second, virtual X-ray energy spectrum, with the following method steps:
  • CT scan of an examination object with the aid of at least one radiation source and at least one detector and production of at least one projection data set suitable for reconstruction on the basis of at least one X-ray energy spectrum,
  • Reconstruction of at least one CT image data set from the at least one projection data set, wherein the CT image data set has a plurality of image values, the local mean attenuation values μ (r →) of the object to be examined,
  • Determination of a spectral weighting w (E) used for the scan, defined as a normalized product function from the energy-dependent weighting of the radiation spectrum S (E) used and the spectral sensitivity of a detector D (E) used,
  • Determination of a distribution of predefined materials in the examination object on the basis of the previously determined local mean attenuation values μ (r →) .
  • - Determination of local energy-dependent attenuation functions μ (E, r →) in the examination object on the basis of the previously determined material distribution,
  • - Creation of a new tomographic image data set by calculation of new local attenuation values μ c (r →) depending Weil on the basis of a new predetermined spectral weighting w c (E) and the local energy-dependent attenuation functions μ (E, r →) ,

Es wird darauf hingewiesen, dass die hier angegebenen Variablen lediglich zur Verdeutlichung und einfacheren Lesbarkeit dienen, wobei der beschriebene Gegenstand sich ausschließlich auf die Inhalte und Bedeutung der verwendeten Begriffe bezieht.It It should be noted that the variables given here are only for clarity and easier readability, with the described subject exclusively to the contents and meaning of the terms used.

Dieses zuvor beschriebene Verfahren ermöglicht nun auf der Basis beliebiger CT-Scans mit beliebigen verwendeten Röntgenspektren und spektralen Detektorempfindlichkeiten CT-Bilddatensätze zu erzeugen, die einerseits keine Strahlaufhärtungseffekte aufweisen, andererseits über das gesamte Bild die mittleren Schwächungskoeffizienten eines beliebig ausgewählten Röntgenspektrums darstellen.This previously described method now allows on the basis Any CT scans with any X-ray spectra used and spectral detector sensitivities CT image data sets on the one hand no Strahlaufhärtungseffekte on the other hand, over the entire picture the middle Attenuation coefficients of any selected Represent X-ray spectrum.

Vorteilhaft kann das oben beschriebene Verfahren verbessert werden, wenn zusätzlich nach der Bestimmung lokaler energieabhängiger Schwächungsfunktionen μ(E, r →) eine Berechnung lokaler energieabhängiger Wichtungsfunktionen Ω(E, r →) als Funktion der lokalen mittleren Schwächungswerte μ(r →), der zuvor ermittelten lokalen energieabhängigen Schwächungsfunktionen μ(E, r →) und der jeweils verwendeten Spektralwichtung w(E) erfolgt, und diese lokale Wichtungsfunktionen Ω(E, r →) zur iterativ sich verbessernden Bestimmung der lokalen energieabhängigen Schwächungsfunktionen μ(E, r →) verwendet wird, bis eine vorgegebene Iterationsgrenze erreicht ist.Advantageously, the method described above can be improved if, in addition to the determination of local energy-dependent attenuation functions μ (E, r →) a calculation of local energy-dependent weighting functions Ω (E, r →) as a function of local mean attenuation values μ (r →) , the previously determined local energy-dependent attenuation functions μ (E, r →) and the spectral weighting w (E) used, and these local weighting functions Ω (E, r →) for the iteratively improving determination of the local energy-dependent attenuation functions μ (E, r →) is used until a predetermined iteration limit is reached.

Durch diese iterative Durchführung des Verfahrens wird also bei jeder Iteration eine verbesserte Bestimmung der Materialverteilung durchgeführt, aus der jeweils ein verbesserter neuer tomographischen Bilddatensatzes folgt.By This iterative implementation of the method is thus at every iteration an improved determination of material distribution carried out, from each of which an improved new tomographic Image data set follows.

Zusätzlich kann nun bei der Erstellung des neuen tomographischen Bilddatensatzes durch Berechnung neuer örtlicher Schwächungswerte μ c(r →) jeweils auf der Basis einer neuen vorbestimmten Spektralwichtung wc(E) und der lokalen energieabhängigen Schwächungsfunktionen μ(E, r →) auch eine lokalen, von der neuen Spektralwichtung wc(E) abhängigen Wichtungsfunktion Ωc(E, r →) berücksichtigt werden. Hiermit wird eine Strahlaufhärtung nachgebildet.In addition, when creating the new tomographic image data set, it is now possible to calculate new local attenuation values μ c (r →) each based on a new predetermined spectral weighting w c (E) and the local energy-dependent attenuation functions μ (E, r →) also a local weighting function dependent on the new spectral weighting w c (E) Ω c (E, r →) be taken into account. Herewith a beam hardening is simulated.

Konkret kann bei diesem Verfahren zur Berechnung der messspektrumabhängigen lokalen Wichtungsfunktionen Ω(E, r →) an den Orten r → des Untersuchungsobjektes die Beziehung

Figure 00050001
verwendet werden, mit:
Figure 00050002
wobei P dem Vorwärtsprojektionsoperator bei einer Rekonstruktion eines CT-Bilddatensatzes und R–1 inverse Radontransformationsoperator bei einer Rekonstruktion eines CT-Bilddatensatzes entsprechen.In concrete terms, this method can be used to calculate the measurement spectrum-dependent local weighting functions Ω (E, r →) in the places r → of the object under investigation the relationship
Figure 00050001
to be used with:
Figure 00050002
where P corresponds to the forward projection operator in a reconstruction of a CT image data set and R -1 inverse radon transformation operator in a reconstruction of a CT image data set.

Weiterhin kann die Materialverteilung im Untersuchungsobjekt über eine Schwellwertdefinition von mittleren minimalen und maximalen Schwächungswerten bestimmt werden.Farther can the material distribution in the examination object over a threshold definition of mean minimum and maximum Attenuation values are determined.

Günstig zur Unterdrückung von Rauscheffekten ist es außerdem, wenn bei der Bestimmung der Materialverteilung im Untersuchungsobjekt mindestens ein räumliches Filter eingesetzt wird.Cheap for the suppression of noise effects it is also when determining the material distribution in the examination object at least one spatial filter is used.

Neben der Verwendung einer neuen beliebigen Spektralwichtung zur Berechnung eines neuen CT-Bilddatensatzes entsprechend einem breitgefächerten Strahlungsspektrum kann auch eine monoenergetische Spektralwichtung verwendet werden. Wird hier beispielsweise die Energie von 511 keV verwendet, so kann der so ermittelte CT-Bilddatensatz zur Strahlaufhärtungskorrektur bei PET- und/oder SPECT-Untersuchungen eingesetzt werden.Next the use of a new arbitrary spectral weighting for the calculation a new CT image dataset corresponding to a broader Radiation spectrum can also be a monoenergetic spectral weighting be used. Here, for example, the energy of 511 keV used, so the determined CT image data set for Strahlaufhärtungskorrektur be used in PET and / or SPECT examinations.

Das oben beschriebene Verfahren kann erfindungsgemäß einerseits auf einem CT-System, welches eine Steuer- und Recheneinheit mit einem Speicher für Computerprogrammcode aufweist, durchgeführt werden, andererseits liegt es allerdings auch im Rahmen der Erfindung bereits auf einem CT-System ermittelte Abtastdaten oder bereits rekonstruierte CT-Datensätze auf ein separates Rechensystem zu übertragen und dort das oben beschriebene Verfahren ohne Abtastung beziehungsweise ohne anfängliche Rekonstruktion durchzuführen.The The method described above can according to the invention on the one hand on a CT system, which has a control and processing unit with a memory for computer program code carried out On the other hand, it is also within the scope of the invention scan data already determined on a CT system or already reconstructed CT data sets on a separate computing system to transfer and there the method described above without sampling or without initial reconstruction.

Im Folgenden wird die Erfindung einschließlich deren Anwendung mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen und Kurzbezeichnungen verwendet: 1: CT-System; 2: erste Röntgenröhre; 3: erster Detektor; 4: zweite Röntgenröhre (optional); 5: zweiter Detektor (optional); 6: Gantrygehäuse; 6.1: Schwenkarm; 7: Untersuchungsobjekt/Patient/Phantom; 8: Untersuchungsliege; 9: Systemachse; 10: Steuer- und Recheneinheit mit optional zusätzlicher EKG-Funktion; 11: Kontrastmittelapplikator; 12: EKG-Leitung; 13: C-Bogen-System; A: Abschwächung; D: Detektor; D(E): spektrale Detektorempfindlichkeit; E: Energie; I, I0: Intensität; L: ein beliebiger Pfad, auf dem Röntgenstrahlung absorbiert wird; lθ,t: Pfad zum Projektionswinkel θ und Detektorkanal t; O: Objekt; Prg1–Prgn: Computerprogramme; S: Röntgenstrahlenquelle; S(E): Röntgenenergiespektrum; S1–S7: Verfahrensschritte; U: Röhrenspannung; t: Kanalabstand; μ(r →): mittlerer Schwächungskoeffizienten; μ(E, r →): spektrale Schwächungsfunktion; w(E): Wichtungsfunktion; ρ: Dichte; θ: Projektionswinkel; Z: Massenzahl.In the following the invention including its application will be described in more detail with the aid of the figures, wherein only the features necessary for understanding the invention are shown. The following reference numerals and abbreviations are used: 1 : CT system; 2 : first X-ray tube; 3 : first detector; 4 : second x-ray tube (optional); 5 : second detector (optional); 6 : Gantry housing; 6.1 : Swivel arm; 7 : Examination object / patient / phantom; 8th : Examination couch; 9 : System axis; 10 : Control and processing unit with optional additional ECG function; 11 : Contrast agent applicator; 12 : ECG lead; 13 : C-arm system; A: weakening; D: detector; D (E): spectral detector sensitivity; E: energy; I, I 0 : intensity; L: any path on which X-ray radiation is absorbed; l θ, t : path to the projection angle θ and detector channel t; O: object; Prg 1 prg n : computer programs; S: X-ray source; S (E): X-ray energy spectrum; S 1 -S 7 : process steps; U: tube voltage; t: channel spacing; μ (r →) : mean attenuation coefficient; μ (E, r →) : spectral attenuation function; w (E): weighting function; ρ: density; θ: projection angle; Z: mass number.

Es zeigen im Einzelnen:It show in detail:

1: Schematische Darstellung der Schwächungsmessung einer Strahlung; 1 : Schematic representation of the attenuation measurement of a radiation;

2: Berechnete Röntgenenergiespektren S1(E) und S2(E) einer Wolframanode bei Beschleunigungsspannungen von U1 = 80 kVp und U2 = 140 kVp; 2 : Calculated X-ray energy spectra S 1 (E) and S 2 (E) of a tungsten anode at acceleration voltages of U 1 = 80 kVp and U2 = 140 kVp;

3: Energieabhängigkeit spezifischer Massenschwächungskoeffizienten (μ/ρ)(E) verschiedener angegebener Materialien; 3 : Energy dependence of specific mass attenuation coefficients (μ / ρ) (E) of various specified materials;

4: Verlauf der spektralen Detektorempfindlichkeit D(E) über die Energie eines Detektors mit 1,4 mm dickem Gd2O2S-Szintilator; 4 : Path of the spectral detector sensitivity D (E) over the energy of a detector with 1.4 mm thick Gd 2 O 2 S scintillator;

5: Verlauf der normierten energieabhängigen Wichtungsfunktionen w1(E) und w2(E) eines Strahler-Detektor-Systems mit den Spektren aus 2 mit der spektralen Detektorempfindlichkeit aus 4 über die Energie; 5 : Course of the normalized energy-dependent weighting functions w 1 (E) and w 2 (E) of a radiator-detector system with the spectra 2 with the spectral detector sensitivity 4 about the energy;

6: Darstellung eines Phantoms mit tatsächlichen Schwächungswerten und einer CT-Darstellung dieses Phantoms mit Strahlaufhärtungsartefakten; 6 : Representation of a phantom with actual attenuation values and a CT representation of this phantom with beam hardening artifacts;

7: Schematische Darstellung einer parallelen Projektionsgeometrie einer CT; 7 : Schematic representation of a parallel projection geometry of a CT;

8: Flussdiagramm des erfindungsgemäßen LSR-Verfahrens; 8th : Flowchart of the LSR method according to the invention;

9: CT-System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; 9 : CT system for carrying out the method according to the invention;

10: C-Bogen-System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 10 : C-arm system for carrying out the method according to the invention.

In der Computertomographie wird die räumliche Verteilung von Hounsfield-Zahlen H(r →) gemessen. Sie entsprechen einem gewichteten Schwächungskoeffizienten μ(r →). In der physikalischen Realität entspricht der tatsächliche Wert des Schwächungskoeffizienten des gescannten Objektes, zum Beispiel eines Patienten, der energieabhängigen Schwächungsfunktion μ(E, r →). Die Messung entspricht einer Gewichtung der physikalischen Realität der tatsächlichen Schwächungsfunktion μ(E, r →) zum mittleren Schwächungskoeffizienten μ(r →).In computed tomography, the spatial distribution of Hounsfield numbers H (r →) measured. They correspond to a weighted attenuation coefficient μ (r →) , In physical reality, the actual value of the attenuation coefficient of the scanned object, for example a patient, corresponds to the energy-dependent attenuation function μ (E, r →) , The measurement corresponds to a weighting of the physical reality of the actual attenuation function μ (E, r →) to the mean attenuation coefficient μ (r →) ,

Die spektrale Gewichtung wird einerseits vom verwendeten Messsystem und andererseits vom gescannten Objekt bestimmt.The Spectral weighting is on the one hand by the measuring system used and on the other hand determined by the scanned object.

Den Haupteinfluss auf das Messsystems besitzen die Röntgenröhre und der Detektor.The The X-ray tube has a major influence on the measuring system and the detector.

Das röhrenabhängige Röntgenstrahlspektrum S(E) bestimmt die Energieverteilung der einfallenden Röntgenstrahlen, diese folgen zum Beispiel den typischen Wolfram-Emissionseigenschaften. Die spektrale Empfindlichkeit des Detektors D(E) beschreibt den relativen Beitrag der Energie E. Das normierte Produkt aus dem Röhrenspektrum und der Detektorantwortfunktion w(E) ergibt die Systemgewichtungsfunktion (SWF). Für kleine Objekte nähert sie sich der lokalen Energiegewichtung an. Typische Durchmesser von gescannten Patienten oder Objekten betragen normalerweise einige zehn Zentimeter. In diesem Fall verschiebt die Selbstabsorption des Objektes die lokale Energiegewichtung in Richtung höherer Energien.The tube-dependent X-ray spectrum S (E) determines the energy distribution of the incident X-rays, These follow, for example, the typical tungsten emission properties. The spectral sensitivity of the detector D (E) describes the relative contribution of energy E. The normalized product from the tube spectrum and the detector response function w (E) gives the system weighting function (SWF). For small objects she approaches the local energy weighting. Typical diameter of scanned Patients or objects are usually a few tens of centimeters. In this case, the self-absorption of the object shifts the local energy weighting towards higher energies.

Dieser sogenannte Strahlaufhärtungseffekt wird in der CT-Bildgebung routinemäßig kompensiert. Die normalerweise dafür verwendete Methode berechnet die effektive Dämpfungslänge in Wasser und Knochen für jede Projektion und kompensiert die dazugehörige Verschiebung des Röntgenspektrums zu einem mittleren Energiewert. Die Berechnung bei zusätzlich vorhandenem Kontrastmittel, wie beispielsweise Iod, ist auch möglich. Die Algorithmen reduzieren die normalen Strahlaufhärtungsartefakte, wie die schüsselförmigen Artefakte in Querschnittsaufnahmen eines Patienten oder trichterförmige Artefakte in der Nähe und zwischen Knochen. Herkömmliche CT-Systeme verwenden Algorithmen, die auf diesen Grundsätzen basieren.This so-called beam hardening effect is used in CT imaging routinely compensated. Usually for that The method used calculates the effective damping length in water and bone for each projection and compensated the associated shift of the X-ray spectrum to a medium energy value. The calculation with additional Existing contrast agent, such as iodine, is also possible. The algorithms reduce the normal beam hardening artifacts, like the bowl-shaped artifacts in cross-sectional photographs a patient or funnel-shaped artifacts nearby and between bones. Use conventional CT systems Algorithms based on these principles.

Eine quantitative Anwendung der Strahlaufhärtungskorrekturen wird in C. H. Yan, R. T. Whalen, G. S. Beaupre, S. Y. Yen, and S. Napel, ”Reconstruction Algorithm for Polychromatic CT Imaging: Application to Beam Hardening Correction”, IEEETrans. Med. Im., vol. 19, no. 1, pp. 1–11, 2000 , beschrieben. In dieser Schrift wird eine iterative Methode mit einer linearisierten polychromatischen Vorwärtsprojektion beschrieben. Daraus ergibt sich der Schwächungskoeffizient μ(r →) als eine mit der SWF gewichtete Funktion aus einem Bilddatensatz. Es wird auch gezeigt, dass Dual-Energy-CT-Bilddatensätze insbesondere für die Verbesserung der Präzision der gewichteten Schwächungskoeffizienten μ(r →) verwendet werden können.A quantitative application of the beam hardening corrections will be made in CH Yan, RT Whalen, GS Beaupre, SY Yen, and S. Napel, "Reconstruction Algorithm for Polychromatic CT Imaging: Application to Beam Hardening Correction", IEEE Trans. Med. Im., Vol. 19, no. 1, pp. 1-11, 2000 , described. In this document an iterative method with a linearized polychromatic forward projection is described. This gives the attenuation coefficient μ (r →) as a function weighted with the SWF from an image data set. It is also shown that dual-energy CT image data sets in particular for improving the precision of weighted attenuation coefficients μ (r →) can be used.

Hier wird eine quantitative, auf Bilddaten basierende spektrale Rekonstruktionsmethode für CT-Anwendungen beschrieben. Diese Anwendung wird im Folgenden ”lokale spektrale Rekonstruktion” (LSR) genannt. Das zentrale Element ist dabei die lokale Wichtungsfunktion Ω(E, r →). Die lokale Wichtungsfunktion dient als Wichtungsfunktion bei der spektralen Integration der tatsächlichen lokalen Schwächungsfunktionen μ(E, r →) zu den gemessenen mittleren lokalen Schwächungskoeffizienten μ(r →) der CT-Bilddatensätze.Here, a quantitative image-based spectral reconstruction method for CT applications is described. This application is hereafter called "local spectral reconstruction" (LSR). The central element is the local weighting function Ω (E, r →) , The local weighting function serves as a weighting function in the spectral integration of the actual local attenuation functions μ (E, r →) to the measured mean local attenuation coefficients μ (r →) CT image data records.

Somit können einerseits Verschiebungen der Energiegewichtung ausgedrückt und in Abhängigkeit der lokalen Wichtungsfunktion bestimmt werden. Andererseits kann die auf den Bilddaten basierende Verknüpfung zwischen den tatsächlichen lokalen energieabhängigen Schwächungsfunktionen und den gemessenen Bilddaten eine einheitliche Beschreibung von vielen spektralen Anwendungen in der CT liefern, wie zum Beispiel Strahlaufhärtungskorrekturen, Energiekalibrierungen des CT-Systems, Schwächungskorrekturen für SPECT und PET, sowie die auf Bilddaten basierende Basis-Material-Zerlegung oder die Aufspaltung in Dichte und Ordnungszahl.Consequently On the one hand, shifts in energy weighting can occur expressed and depending on the local weighting function be determined. On the other hand, based on the image data Link between the actual local energy-dependent attenuation functions and the measured image data a consistent description of many spectral Applications in CT, such as beam hardening corrections, Energy calibrations of the CT system, attenuation corrections for SPECT and PET, as well as the image-based basic material decomposition or the division into density and atomic number.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung der Messanordnung der Röntgenstrahlung in einem CT. Die Quelle S emittiert einen Röntgenquantenfluss auf ein Objekt O. Das Objekt O besteht aus strahlungsschwächendem Material. Die Schwächung wird durch die energieabhängige Schwächungsfunktion μ(E, r →) am Ort r → beschrieben. Der Detektor D registriert die nach dem Objekt O austretende Röntgenstrahlung. Es werden zwei unabhängige Messungen, einmal mit dem Objekt und einmal ohne das Objekt, durchgeführt. Aus den gemessenen Intensitäten I und I0 ergibt sich die Schwächung A = I/I0 ∊ [0; 1]. Sie beschreibt die relative Abnahmen der Intensität aufgrund der Schwächung der Röntgenstrahlung beim Durchtritt durch das Objekt.The 1 shows a schematic representation of the measuring arrangement of the X-radiation in a CT. The source S emits an X-ray quantum flux onto an object O. The object O consists of radiation-weakening material. The weakening is due to the energy-dependent weakening function μ (E, r →) locally r → described. The detector D registers the X-radiation exiting after the object O. Two independent measurements are performed, once with the object and once without the object. From the measured intensities I and I 0 is the attenuation A = I / I 0 ε [0 results; 1]. It describes the relative decreases in intensity due to the attenuation of the X-radiation as it passes through the object.

Die spektralen Eigenschaften der Quelle, des Objektes und des Detektors lassen sich kurz wie folgt beschreiben: Die Röntgenstrahlungsquelle S emittiert Röntgenstrahlung beziehungsweise Röntgenquanten mit dem Energiespektrum S(E). Die physikalische Einheit dafür sind „Quanten pro Energie”, zum Beispiel die Anzahl der Quanten pro Energie in keV. Das Maximum der emittierten Energie E wird von der Beschleunigungsspannung der Röntgenröhre beschränkt. Die 2 zeigt zwei typische Röntgenstrahlungsspektren für die Röhrenspannungen U1 = 80 kVp und U2 = 140 kVp. Das Spektrum S(E) ist abhängig von der Gestaltung der Röntgenröhre und von weiteren Parametern wie Anodenwinkel, Anodenmaterial und Vorfiltern. Es existieren verschiedene Modelle für die Messung und Berechnung von S(E) für unterschiedliche Röntgenröhren. Beispielhaft wird diesbezüglich verwiesen auf: D. M. Tucker, G. T. Barnes, and D. P. Chakraborty, ”Semiempirical model for generating tungsten target x-ray spectra,” Medical Physics, vol. 18, no. 2, pp. 211–218, 1991 , und R. Birch and M. Marshall, ”Computation of Bremsstrahlung X-ray Spectra and Comparison with Spectra Measured with Ge(Li) Detector,” Physics in Medicine and Biology, vol. 24, no. 3, pp. 505–517, 1979 .The spectral properties of the source, the object and the detector can be briefly described as follows: The X-ray source S emits X-radiation or X-ray quanta with the energy spectrum S (E). The physical unit for this is "quantum per energy", for example the number of quanta per energy in keV. The maximum of the emitted energy E is limited by the acceleration voltage of the X-ray tube. The 2 shows two typical X-ray spectra for the tube voltages U 1 = 80 kVp and U 2 = 140 kVp. The spectrum S (E) depends on the design of the X-ray tube and on other parameters such as anode angle, anode material and pre-filters. There are several models for measuring and calculating S (E) for different X-ray tubes. By way of example, reference is made to: DM Tucker, GT Barnes, and DP Chakraborty, "Semiempirical model for generating tungsten target x-ray spectra, "Medical Physics, vol. 18, no. 2, pp. 211-218, 1991 , and Birch and M. Marshall, "Computation of Bremsstrahlung X-ray Spectra and Comparison with Spectra Measured with Ge (Li) Detector," Physics in Medicine and Biology, vol. 24, no. 3, pp. 505-517, 1979 ,

Das Objekt O wird durch die räumliche Verteilung der spektralen Schwächungsfunktionen μ(E, r →) beschrieben. Diese können mit der Dichte ρ und der Massenschwächungsfunktion (μρ )(E, Z) aufgeteilt werden: μ(E) = ρ(μρ )(E, Z). Gl. (1) The object O is determined by the spatial distribution of the spectral attenuation functions μ (E, r →) described. These can be determined by the density ρ and the mass attenuation function ( μ ρ ) (E, Z) be split: μ (E) = ρ ( μ ρ ) (E, Z). Eq. (1)

Die Massenschwächungsfunktion (μρ )(E, Z) ist eine charakteristische Funktion für ein chemisches Element mit der Massenzahl Z. Die 3 zeigt mehrere beispielhaft ausge wählte spezifische Schwächungsfunktionen, unter anderem für die Elemente Wasserstoff (Z = 1), Kohlenstoff (Z = 6), Stickstoff (Z = 7) und Sauerstoff (Z = 8).The mass attenuation function ( μ ρ ) (E, Z) is a characteristic function for a chemical element with the mass number Z. The 3 shows several exemplary selected weakening functions, including for the elements hydrogen (Z = 1), carbon (Z = 6), nitrogen (Z = 7) and oxygen (Z = 8).

Materie aus verschiedenen Stoffen kann als Superposition der elementaren Massenschwächungsfunktionen beschrieben werden. Daraus erhält man:

Figure 00110001
mit der Teildichte ρi des i-ten Elements in g/cm3 und der dazugehörigen Massenzahl Zi Die Schwächung der Röntgenstrahlung durch beliebige Objekte kann basierend auf der chemischen stöchiometrischen Zusammensetzung der Elemente beschrieben werden. Zum Beispiel kann der Photonenwirkungsquerschnitt von Wasser (H2O) geschrieben werden als:
Figure 00110002
Matter of different materials can be described as a superposition of the elementary mass weakening functions. From this one obtains:
Figure 00110001
with the partial density ρ i of the ith element in g / cm 3 and the associated mass number Z i The attenuation of the X-ray radiation by arbitrary objects can be described on the basis of the chemical stoichiometric composition of the elements. For example, the photon action cross section of water (H 2 O) can be written as:
Figure 00110002

Der ICRU-Report 46 enthält eine Zusammenfassung der chemischen Zusammensetzung und der Photonquerschnitte von biologischem Gewebe. Die 3 zeigt die Massenschwächungsfunktion von Oberschenkelknochen.ICRU Report 46 summarizes the chemical composition and photon cross-sections of biological tissue. The 3 shows the mass weakening function of femurs.

Der Detektor D wird durch die Detektorantwortfunktion D(E) beschrieben. Sie beinhaltet die relative Höhe des Signals entsprechend der Energie E. Für einen idealen integrierenden Detektor kann die Beziehung D(E) = E angenommen werden. In der Praxis hat D(E) allerdings eine komplizierte Form. Die Detektorantwortfunktion D(E) muss für eine genaue Beschreibung berechnet oder gemessen werden. Ein solches Verfahren wird beispielhaft in der Druckschrift S. Wirth, W. Metzger, K. Pham-Gia, and B. J. Heismann, ”Impact of Photon Transport Properties an the Detection Efficiency of Scintillator Arrays,” IEEE Nuclear Science Symposium Conference, no. M11- 212, pp. 2602–2603, 2003 , beschrieben. Eine typische Detektorantwortfunktion D(E) eines Gd2O2S-Szintillatordetektors zeigt die 4.The detector D is described by the detector response function D (E). It contains the relative magnitude of the signal corresponding to the energy E. For an ideal integrating detector, the relationship D (E) = E can be assumed. In practice, however, D (E) has a complicated shape. The detector response function D (E) must be calculated or measured for a detailed description. Such a method is exemplified in the document S. Wirth, W. Metzger, K. Pham-Gia, and BJ Heismann, "Impact of Photon Transport Properties on the Detection Efficiency of Scintillator Arrays," IEEE Nuclear Science Symposium Conference, no. M11-212, pp. 2602-2603, 2003 , described. A typical detector response function D (E) of a Gd 2 O 2 S scintillator detector shows the 4 ,

Mit dieser Parametrisierung der Quelle, des Objektes und des Detektors kann nun der Messungsprozess beschrieben werden. Die gemessene Abschwächung A ergibt sich aus den zwei gemessenen Intensitäten I und I0 als:

Figure 00120001
mit dem Projektionspfad L. Die Gleichung (4) kann umgeschrieben werden in
Figure 00120002
mit der Definition der Systemgewichtungsfunktion (SWF)
Figure 00120003
With this parameterization of the source, the object and the detector, the measurement process can now be described. The measured attenuation A results from the two measured intensities I and I 0 as:
Figure 00120001
with the projection path L. The equation (4) can be rewritten in
Figure 00120002
with the definition of the system weighting function (SWF)
Figure 00120003

Die SWF kann aus der Parametrisierung von S(E) und D(E) berechnet werden oder aus Transmissionsmessungen erhalten werden. Siehe beispielsweise E. Y. Sidky, L. Yu, X. Pan, Y. Zou, and M. Vannier, ”A robust method of x-ray source spectrum estimation from transmission measurements: Demonstrated an computer simulated, scatter free transmission data,” Journal of Applied Physics, vol. 97, no. 124701, 2005 .The SWF can be calculated from the parameterization of S (E) and D (E) or obtained from transmission measurements. See for example EY Sidky, L. Yu, X. Pan, Y. Zou, and M. Vannier, "A robust method of x-ray source spectrum estimation from transmission measurements: Demonstrated on computer simulated, scatter free transmission data," Journal of Applied Physics , vol. 97, no. 124701, 2005 ,

Die 5 zeigt zwei SWF für einen typischen Dual-kVp-Scan eines CT-Systems mit den Parametern für die Röntgenröhre und den Detektor aus den 2 und 4.The 5 Figure 2 shows two SWFs for a typical dual kVp scan of a CT system with the parameters for the x-ray tube and detector from the 2 and 4 ,

Für monoenergetische Strahlung der Energie E = E0 gilt w(E) = δ(E – E0) und Gleichung (5) wird vereinfacht zu

Figure 00130001
For monoenergetic radiation of energy E = E 0 w (E) = δ (E - E 0 ) and equation (5) is simplified
Figure 00130001

Dies entspricht einer Radon Transformation, wie sie in J. Radon ”Über die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte längs gewisser Mannigfaltigkeiten”, Ber. Verh. Sachs. Akad. Wiss. Leipzig, vol. 69, pp. 262–277, 1917 , beschrieben ist.This corresponds to a radon transformation, as in J. Radon "On the Determination of Functions by their Integral Values along Certain Manifolds", Ber. Verh. Sachs. Akad. Leipzig, vol. 69, pp. 262-277, 1917 , is described.

Die Gleichung (5) und die Vereinfachung für den monoenergetischen Fall in der Gleichung (7) verdeutlichen das grundsätzliche Dilemma der standardmäßigen Bildgebung in Single-Energy-CT-Scans. Die physikalische Gegebenheit des gescannten Objektes in Bezug auf die Wechselwirkung mit der Strahlung wird mit den spektralen Massenschwächungsfunktionen μ(E, r →) vollständig definiert. Der Messprozess wird durch die Gleichung (5) korrekt beschrieben. Trotzdem können die entsprechenden Daten für μ(E, r →) nicht aus den Standard-CT-Messungen rekonstruiert werden. Es wären spektral aufgelöste Sinogramm-Datensätze Ai(E) nötig, um die spektralen Koordinaten von μ(E, r →) vollständig zu rekonstruieren. Doch auch wenn diese Datensätze vorhanden wären, würde Quantenrauschen zu einer sehr eingeschränkten Beschreibung von μ(E, r →) führen. Deshalb beschreibt die Gleichung (5) die experimentellen Daten bereits korrekt, auch wenn die Massenschwächungsfunktion μ(E, r →) wegen fehlender Information nicht gewonnen werden kann.Equation (5) and simplification for the monoenergetic case in equation (7) illustrate the fundamental dilemma of standard imaging in single-energy CT scans. The physical condition of the scanned object with respect to the interaction with the radiation is determined by the spectral mass attenuation functions μ (E, r →) completely defined. The measuring process is correctly described by the equation (5). Nevertheless, the corresponding data for μ (E, r →) can not be reconstructed from the standard CT measurements. Spectrally resolved sinogram data sets A i (E) would be necessary to obtain the spectral coordinates of μ (E, r →) completely reconstruct. But even if these datasets were available, quantum noise would become a very limited description of μ (E, r →) to lead. Therefore, equation (5) already correctly describes the experimental data, even if the mass attenuation function μ (E, r →) can not be won because of lack of information.

In Single-Energy-CT-Systemen führt dieses Dilemma zu einer Näherung. Die Radon Transformation und ihre Umkehrung gehen von einer linearen Röntgenstrahlungsphysik entsprechend der Gleichung (7) aus, um μ(r →)-Bilder zu rekonstruieren. Die durch diese Annahme erzeugten Fehler werden allgemein als Strahlaufhärtungsartefakte bezeichnet. Das zugrunde liegende Modell geht davon aus, dass die Gleichung (7) näherungsweise zur Ermittlung der lokalen mittleren Massenschwächungskoeffi zienten genutzt werden kann. Man geht dabei davon aus, dass die Röntgenquanten, die durch das Objekt durchdringen, eine effektive Energie <E> besitzen. Wenn die Quanten durch dicke Bereiche oder Bereiche mit einer großen Massenzahl, beispielsweise Knochen, des Objektes verlaufen, nimmt die effektive Energie <E> um einige keV gemäß der Eigenschaften der spezifischen Schwächungsfunktionen μ(E) zu, da niederenergetische Photonen in der Regel stärker absorbiert werden als höherenergetische Photonen, wie es in der 3 gezeigt ist. Das Röntgenstrahlungsspektrum wird so aufgehärtet. Daraus folgt, dass die rekonstruierten Koeffizienten μ(r →) mit zunehmender Strahlaufhärtung unterschätzt werden.In single-energy CT systems, this dilemma leads to an approximation. The radon transformation and its inversion are based on a linear X-ray physics according to Equation (7) to μ (r →) images to reconstruct. The errors generated by this assumption are commonly referred to as beam hardening artifacts. The underlying model assumes that equation (7) can be used approximately to determine the local mean mass attenuation coefficients. It is assumed that the X-ray quanta that penetrate through the object have an effective energy <E>. When the quanta pass through thick areas or areas of large mass number, such as bone, of the object, the effective energy <E> increases by a few keV according to the characteristics of the specific attenuation functions μ (E), since lower energy photons tend to absorb more are called higher energy photons, as in the 3 is shown. The X-ray spectrum is thus hardened. It follows that the reconstructed coefficients μ (r →) be underestimated with increasing beam hardening.

Der Fehler der Abschätzung kann analytisch hergeleitet werden, so dass die Gleichung (5) umgeschrieben werden kann zu

Figure 00140001
mitThe error of the estimation can be derived analytically, so that equation (5) can be rewritten
Figure 00140001
With

Figure 00140002
Figure 00140002

Der erste Term von R führt normalerweise zu einer Überbestimmung von A und einer daraus folgenden Unterbestimmung von μ(r →) im rekonstruierten Bild. Die 6 zeigt ein schematisches Beispiel aus der medizinischen CT.The first term of R usually leads to an overestimation of A and a consequent sub-determination of μ (r →) in the reconstructed picture. The 6 shows a schematic example from the medi Zinc CT.

Strahlaufhärtungskorrekturen können die meisten dieser Artefakte in der praktischen Anwendung der CT-Systeme verringern. Wenn man davon ausgeht, dass R klein bezogen auf die Schwächung durch das Objekt oder einer Strahlaufhärtungskorrektur ist, so ergibt sich als wesentliches Ergebnis, dass die gewichteten Schwächungskoeffizienten μ(r →) eines CT-Bildes und die lokalen Massenschwächungsfunktionen μ(E, r →) über die folgende Funktion verbunden sind:

Figure 00150001
Beam hardening corrections can reduce most of these artifacts in the practical application of CT systems. Assuming that R is small with respect to the object's attenuation or beam hardening correction, the essential result is that the weighted attenuation coefficients μ (r →) a CT image and the local mass attenuation functions μ (E, r →) connected via the following function:
Figure 00150001

Dies ist eine lokale Beziehung an jedem Ort r → aus dem CT-Datensatz. Sie erlaubt uns gemessene und rekonstruierte Daten μ(r →) mit der zugrundeliegenden physikalischen Realität, nämlich der lokalen Massenschwächungsfunktion, zu verbinden. Die Gleichung (10) hebt eine wichtige Tatsache der Bildgebung in Single-Energy-CTs hervor. Die rekonstruierten Schwächungskoeffizienten μ(r →) und genauso die auf Wasser normierten CT-Zahlen hängen von der SWF w(E) ab. Verändert man die Eigenschaften S(E) der Röntgenröhre oder verwendet man eine andere Detektorantwortfunktion D(E), verändern sich die rekonstruierten Daten. Der relative Kontrast der Bilder verändert sich. Das bedeutet, dass die CT-Zahlen für unterschiedliche CT-Systeme normalerweise nicht vergleichbar sind. Definitionsgemäß sind die CT-Zahlen, die man aus Messungen mit einem Single-Energie-CT erhält, keine quantitativen Werte.This is a local relationship in every location r → from the CT dataset. It allows us to measure and reconstruct data μ (r →) to connect with the underlying physical reality, namely the local mass weakening function. Equation (10) highlights an important fact of imaging in single-energy CTs. The reconstructed attenuation coefficients μ (r →) and likewise the water-normalized CT numbers depend on the SWF w (E). If the properties S (E) of the X-ray tube are changed or if another detector response function D (E) is used, the reconstructed data changes. The relative contrast of the pictures changes. This means that the CT numbers are usually not comparable for different CT systems. By definition, the CT numbers obtained from single-energy CT measurements are not quantitative.

Die 7 zeigt eine Standardprojektionsgeometrie in einem CT-System. In der Parallelprojektionsgeometrie wird ein Strahl durch den Projektionswinkel θ und seinen Kanalabstand t zum Mittelpunkt des CT-Detektors beschrieben. Daraus folgt die typische Projektionsformel

Figure 00150002
mit dem Vorwärtsprojektionsoperator P{.} und der Abkürzung der räumlichen Pfadintegration
Figure 00150003
mit dem Linienparameter α für die Pfadintegration.The 7 shows a standard projection geometry in a CT system. In parallel projection geometry, a ray is described by the projection angle θ and its channel distance t to the center of the CT detector. From this follows the typical projection formula
Figure 00150002
with the forward projection operator P {.} and the abbreviation of the spatial path integration
Figure 00150003
with the line parameter α for the path integration.

Der rekonstruierte lokale mittlere Schwächungskoeffizient wird dargestellt als μ(r →) = R–1{P{μ(E, r →)}} (13)mit dem inversen Radon-Transformationsoperator R–1{.}.The reconstructed local mean attenuation coefficient is displayed as μ (r →) = R -1 {P {μ (E, r →)}} (13) with the inverse radon transformation operator R -1 {.}.

Durch Einsetzen eines Faktors 1 =

Figure 00160001
in die Gleichung (13) und unter Berücksichtigung der Bedingung, dass P{μ(E, r →)} unabhängig von E ist, erhält man die Gleichung
Figure 00160002
By inserting a factor 1 =
Figure 00160001
in the equation (13) and taking into account the condition that P {μ (E, r →)} is independent of E, one obtains the equation
Figure 00160002

Die Erweiterung der Gleichung (14) um den Faktor

Figure 00160003
führt zuThe expansion of equation (14) by the factor
Figure 00160003
leads to

Figure 00160004
Figure 00160004

Dieser Ausdruck kann umgeformt werden in

Figure 00160005
mit der lokalen Wichtungsfunktion
Figure 00160006
This expression can be transformed into
Figure 00160005
with the local weighting function
Figure 00160006

Die Gleichung (15) verknüpft also die spektrale Schwächungsfunktion μ(E, r →) mit dem gemessenen, gewichteten Schwächungskoeffizienten μ(r →). Daraus folgt eine auf Bilddaten basierende Beschreibung des Messverfahrens in der CT und des Rekonstruktionsprozesses.Equation (15) thus combines the spectral attenuation function μ (E, r →) with the measured, weighted attenuation coefficient μ (r →) , This is followed by an image data based description of the measurement method in the CT and the reconstruction process.

Die lokale Wichtungsfunktion Ω(E, r →) aus der Gleichung (17) beschreibt die effektive spektrale Gewichtung an einer beliebigen Objektposition. Sie ist abhängig von der spektralen Schwächungsfunktion des gescannten Objektes μ(E, r →), dem Bilddatenrekonstruktionsprozess R–1{.} und dem Messprozess, der durch den Operator P{.} beschrieben wird. Die Wichtungsfunktion w(E) ergibt sich aus der Wichtungsfunktion des Systems in Gleichung (6).The local weighting function Ω (E, r →) from equation (17) describes the effective spectral weighting at any object position. It depends on the spectral attenuation function of the scanned object μ (E, r →) , the image data reconstruction process R -1 {.} and the measurement process described by the operator P {.}. The weighting function w (E) results from the weighting function of the system in equation (6).

In der praktischen Anwendung der CT werden nur gewichtete Schwächungskoeffizienten μ(r →) gemessen. Um die lokale Wichtungsfunktion zu berechnen, wird eine Abschätzung der spektralen Schwächungsfunktionen μ(E, r →) in Anhängigkeit der Eingangsdaten benötigt. Aus einem Dual-Energy-Scan ergeben sich zwei Abschwächungsdatensätze μ 1(r →) und μ 2(r →). Die Basis-Material-Zerlegung wird in einer auf Bilddatensätzen basierenden Form angewendet, um die Parametrisierung von μ(E, r →) zu erhalten. Dieser Ansatz wird beschrieben durch

Figure 00170001
In the practical application of CT only weighted attenuation coefficients μ (r →) measured. To calculate the local weighting function, an estimate of the spectral attenuation functions is made μ (E, r →) depending on the input data needed. A dual energy scan results in two attenuation data sets μ 1 (r →) and μ 2 (r →) , The base material decomposition is applied in an image data set based form to parameterize μ (E, r →) to obtain. This approach is described by
Figure 00170001

Dieser Ausdruck separiert die energieabhängige Basisfunktion fj(E) von den ortsabhängigen Koeffizienten cj(r →). Die typischen Werte der Basisfunktion in der medizinischen Anwendung der CT ist eine Kombination aus den massenabhängigen Schwächungsfunktionen von Wasser- und Knochen. Aus Gleichung (16) folgt

Figure 00170002
wobei die Elemente der Matrix K ausgedrückt werden durch
Figure 00170003
This term separates the energy-dependent basis function f j (E) from the location-dependent coefficients c j (r →) , The typical values of the basic function in the medical application of CT is a combination of the mass-dependent attenuation functions of water and bone. From equation (16) follows
Figure 00170002
wherein the elements of the matrix K are expressed by
Figure 00170003

Die Gleichung (19) ist mit den Koeffizienten cj(r →) durch Invertieren der Matrix K einfach lösbar. Allerdings müssen auch die zirkularen Abhängigkeiten K → cj(r →) → μ(E, r →) Ωi(E, r →) → K aufgelöst werden. Dies führt zu einem zweiphasigen iterativen Verfahren gemäß dem Flussdiagramm in 8. Hier wird zunächst im Verfahrensschritt S1 die anfängliche lokale Wichtungsfunktion geschätzt, indem Ωi (k=0)(E, r →) = w(E) gesetzt wird. Beispielsweise kann dies aus der Kenntnis der ebenfalls anfangs vorliegenden CT-Darstellung mit den gemessenen und rekonstruierten mittleren lokalen Schwächungskoeffizienten μ(r →) im Verfahrensschritt S2 geschätzt werden. Aus den beiden Ergebnissen der Schritte S1 und S2 erfolgt eine erste Schätzung der lokalen Massenschwächungsfunktionen μ(E, r →) im Schritt S3. Hieraus ergibt sich die Berechnung der lokalen Wichtungsfunktionen Ω(E, r →) im Schritt S4. Außerdem können aus der Kenntnis der lokalen Massenschwächungsfunktionen μ(E, r →) und einem vorbestimmten gewünschten Spektrum im Schritt S7 auf erfindungsgemäße Weise die lokalen gewichteten Schwächungskoeffizienten des betrachteten Objektes bezüglich des beliebigen angenommenen Spektrums berechnet und als CT-Darstellung ausgegeben werden. Soll das Verfahren zur Optimierung iterativ durchgeführt werden, so können diese Schritte nach einer Entscheidung im Schritt S5 beliebig oft gemäß dem gezeigten Flussschema wiederholt werden, wobei im Schritt S6 die zuletzt berechnete lokale Wichtungsfunktion ausgegeben wird. Auf diese Weise erfolgt bei jedem k-ten Iterationsschritt erneuert die Abschätzung von μi (k)(E, r →) und Ωi (k)(E, r →).Equation (19) is with the coefficients c j (r →) simply invertible by inverting the matrix K. However, also the circular dependencies need K → c j (r →) → μ (E, r →) Ω i (E, r →) → K be dissolved. This leads to a two-phase iterative method according to the flowchart in FIG 8th , Here, first in method step S 1, the initial local weighting function is estimated by Ω i (K = 0) (E, r →) = w (E) is set. For example, this may be the result of the knowledge of the initially present CT display with the measured and reconstructed average local attenuation coefficients μ (r →) be estimated in step S 2 . From the two results of steps S1 and S2, a first estimate of the local mass attenuation functions is made μ (E, r →) in step S 3 . This results in the calculation of the local weighting functions Ω (E, r →) in step S 4 . In addition, from the knowledge of the local mass attenuation functions μ (E, r →) and a predetermined desired spectrum in step S 7 in accordance with the invention, the local weighted attenuation coefficients of the object under consideration with respect to the arbitrary assumed spectrum are calculated and output as a CT representation. If the method for optimization is to be carried out iteratively, these steps can be repeated as often as desired according to the flow diagram shown after a decision in step S 5 , wherein the last calculated local weighting function is output in step S 6 . In this way, at every k th iteration step, the estimation of μ i (K) (E, r →) and Ω i (K) (E, r →) ,

Dieses Verfahren wird hier als Lokale Spektrale Rekonstruktion (LSR) bezeichnet. Es führt zu einer Abschätzung sowohl der lokalen Wichtungsfunktion als auch der Schwächungsfunktionen μ(E, r →). Das LSR-Verfahren kann auf spektrale Vielkanal-CT und Basis-Material-Zerlegung übertragen werden, zum Beispiel bei einer Anzahl von N > 2 spektralen Kanälen und einer Anzahl M <= N Basismaterialien. Für die Single-Energy-CT kann μ(E, r →) aus einem energiegewichteten effektiven Schwächungskoeffizienten μ(r →) abgeschätzt werden.This method is referred to herein as Local Spectral Reconstruction (LSR). It leads to an estimation of both the local weighting function and the attenuation functions μ (E, r →) , The LSR method can be transferred to multichannel spectral CT and base material decomposition, for example, with a number of N> 2 spectral channels and a number M <= N base materials. For the single-energy CT can μ (E, r →) from an energy-weighted effective attenuation coefficient μ (r →) be estimated.

Aus dem LSR-Verfahren gemäß den Gleichungen (16) und (17)) ergibt sich eine Abschätzung der lokalen Wichtungsfunktion und der tatsächlichen Genauigkeit der spektralen Schwächungsfunktionen μ(E, r →) des Objektes. Die Information aus der lokalen Wichtungsfunktion gibt ein tieferes Verständnis des Energiegewichtungsprozesses in der CT-Bildgebung. Für die quantitative Anwendung der spektralen CT sind die daraus erhaltenen Schwächungsfunktionen μ(E, r →) das Hauptergebnis. Die dazugehörigen Parameter wie Basismaterialkoeffizienten können grafisch dargestellt werden oder für bestimmte Diagnosefragestellungen analysiert werden.From the LSR method according to equations (16) and (17)), an estimate of the local weighting function and the actual accuracy of the spectral attenuation functions is obtained μ (E, r →) of the object. The information from the local weighting function provides a deeper understanding of the energy weighting process in CT imaging. For the quantitative application of the spectral CT are the attenuation functions obtained from it μ (E, r →) the main result. The associated parameters such as basis material coefficients can be graphically displayed or analyzed for specific diagnostic questions.

Es ist wichtig anzumerken, dass die Schwächungsfunktion μ(E, r →) theoretisch von den Schwächungseffekten des Objektes, den Eigenschaften der Rekonstruktion und dem Messverfahren nicht beeinflusst werden. Beispielsweise kann so der Kern der Rekonstruktion von Dual-Energy-Messungen berücksichtigt werden. Hierdurch kann die Pixelregistrierung zwischen den Datensätzen verbessert werden.It is important to note that the weakening function μ (E, r →) theoretically not affected by the weakening effects of the object, the properties of the reconstruction and the measurement method. For example, the core of the reconstruction of dual-energy measurements can be taken into account. This can improve the pixel registration between the records.

In der Praxis sind exakte Beschreibungen der Wichtungsfunktion w(E) und dem Messoperators P{.} nötig, um quantitative Ergebnisse zu gewährleisten. Es ist zu bemerken, dass sich aus dem Rekonstruktionsoperator R–1{.} sowohl die Bildrekonstruktion als auch die Berechnung der lokalen Wichtungsfunktion ergibt. Davon abgesehen gibt es keine weiteren Effekte bezüglich der Genauigkeit und Präzision von μ(E, r →).In practice, exact descriptions of the weighting function w (E) and the measurement operator P {.} Are necessary to ensure quantitative results. It should be noted that the reconstruction operator R -1 {.} Yields both the image reconstruction and the calculation of the local weighting function. That being said, there are no further effects on the accuracy and precision of μ (E, r →) ,

Grundsätzlich bestehen einige unterschiedliche Ziele der oben dargelegten erfindungsgemäßen Gewichtung:
Sie kann für Strahlaufhärtungskorrekturen verwendet werden, um beispielsweise eine konstante Systemgewichtungsfunktion (SWF) eines Bilddatensatzes zu erhalten, wie es in der 5 für w(E) einer CT-Messung für 80 kVp und 140 kVp Röhrenspannung gezeigt ist.
Basically, there are several different objectives of the inventive weighting set forth above:
It can be used for beam hardening corrections, for example, to obtain a constant system weighting (SWF) function of an image data set as described in US Pat 5 for w (E) CT measurement for 80 kVp and 140 kVp tube voltage is shown.

Weiterhin können monoenergetische Kalibrierungen mit einer durch wc(E) = δ(E – E0) gegebenen Zielgewichtungsfunktion durchgeführt werden. Eine Anwendung dieser monoenergetischen Schwächungskoeffizienten stellt die Kontraststeigerung bei Bilddifferenzen von speziellem Gewebe dar.Furthermore, monoenergetic calibrations can be performed with a target weighting function given by w c (E) = δ (E - E 0 ). One application of these monoenergetic attenuation coefficients is the contrast enhancement in image differences of particular tissue.

Eine weitere Anwendung dieser Energiekalibrierung ist die Schwächungskorrektur in der SPECT/CT und PET/CT. Daraus ergeben sich monoenergetische Schwächungskoeffizienten beispielsweise von 141 keV und 511 keV für die entsprechenden Tracer-Emissionslinien von Tc99m und F18-Glukose.Another application of this energy calibration is the attenuation correction in SPECT / CT and PET / CT. This results in monoenergetic attenuation coefficients of, for example, 141 keV and 511 keV for the corresponding tracer emission lines of Tc 99m and F 18 glucose.

Außerdem kann erfindungsgemäße eine Energiekalibrierung auf ein beliebiges virtuelles Spektrum durchgeführt werden.Furthermore can according to the invention an energy calibration be performed on any virtual spectrum.

Bei allen Anwendungen wird die Energiekalibrierung gemäß der Formel

Figure 00200001
ausgeführt. Dabei ist μ C(r →) der korrigierte Bilddatensatz für die durch das LSR-Verfahren bestimmten Schwächungsfunktionen μ(E, r →) und einer ausgewählte Zielenergiegewichtung wc(E).For all applications, the energy calibration is according to the formula
Figure 00200001
executed. It is μ C (r →) the corrected image data set for the attenuation functions determined by the LSR method μ (E, r →) and a selected target energy weight w c (E).

Die 9 zeigt ein beispielhaftes CT-System 1 mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Das CT-System 1 weist ein erstes Röhren-/Detektor-System mit einer Röntgenröhre 2 und einem gegenüberliegenden Detektor 3 auf. Optional kann dieses CT-System 1 über eine zweite Röntgenröhre 4 mit einem gegenüberliegenden Detektor 5 verfügen. Beide Röhren-/Detektor-Systeme befinden sich auf einer Gantry, die in einem Gantrygehäuse 6 angeordnet ist und sich während der Abtastung um eine Systemachse 9 dreht. Der Patient 7 befindet sich auf einer verschiebbaren Untersuchungsliege 8, die entweder kontinuierlich oder sequentiell entlang der Systemachse 9 durch das im Gantrygehäuse 6 befindliche Messfeld geschoben wird, wobei die Schwächung der von den Röntgenröhren ausgesandten Röntgenstrahlung durch die Detektoren gemessen wird.The 9 shows an exemplary CT system 1 with which the method according to the invention can be carried out. The CT system 1 shows a first tube / detector system with an x-ray tube 2 and an opposite detector 3 on. Optionally, this CT system 1 via a second x-ray tube 4 with an opposite detector 5 feature. Both tube / detector systems are located on a gantry in a gantry housing 6 is arranged and during the scan around a system axis 9 rotates. The patient 7 is located on a movable examination couch 8th that are either continuous or sequential along the system axis 9 through the gantry housing 6 is pushed measuring field, wherein the attenuation of the X-rays emitted by the X-ray tubes is measured by the detectors.

Während der Messung kann dem Patienten 7 mit Hilfe eines Kontrastmittelapplikators 11 auch ein Kontrastmittelbolus injiziert werden, so dass Blutgefäße besser erkennbar werden oder eine Perfusionsmessung durchgeführt werden kann. Bei Cardioaufnahmen kann zusätzlich, mit Hilfe einer EKG-Leitung 12, die Herztätigkeit gemessen werden und eine EKG-gegatete Abtastung durchgeführt werden.While the measurement can be patient 7 with the help of a contrast agent applicator 11 Also, a contrast agent bolus be injected so that blood vessels can be better recognized or a perfusion measurement can be performed. In cardio recordings may additionally, with the help of an ECG lead 12 , cardiac activity is measured and an ECG gated scan is performed.

Die Steuerung des CT-Systems erfolgt mit Hilfe einer Steuer- und Recheneinheit 10, in der sich Computerprogramme Prg1 bis Prgn befinden, die auch das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren durchführen können. Zusätzlich kann über diese Steuer- und Recheneinheit 10 auch die Ausgabe von Bilddaten erfolgen.The control of the CT system is carried out with the aid of a control and processing unit 10 , in which there are computer programs Prg 1 to Prg n , which also the above-described inventive method by being able to lead. In addition, via this control and processing unit 10 also the output of image data takes place.

Bei diesem CT-System mit zwei separaten Röntgenquellen kann beispielsweise eine Röntgenröhre mit einer Beschleunigungsspannung von 80 kVp und die andere Röntgenröhre mit 140 kVp betrieben werden. Hierdurch ergeben sich bei den Messungen unterschiedliche Spektralgewichtungen, die – bei gleicher spektraler Empfindlichkeit der verwendeten Detektoren – aus den unterschiedlichen Röntgenspektren der beiden Röntgenröhren stammen. Alternativ besteht allerdings auch die Möglichkeit, bei beiden Röntgenröhren das gleiche Strahlungsspektrum zu verwenden, allerdings für unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit der Detektoren zu sorgen. Auch eine Kombination beider Maßnahmen ist möglich.at this CT system with two separate x-ray sources For example, an X-ray tube with an acceleration voltage of 80 kVp and the other x-ray tube with 140 kVp operated. This results in different measurements Spectral weightings, which - with the same spectral sensitivity the detectors used - from the different X-ray spectra of the two x-ray tubes come. Alternatively, however, it is also possible in both x-ray tubes the same radiation spectrum to use, but for different spectral Sensitivity of the detectors. Also a combination Both measures are possible.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch in Verbindung mit einem C-Bogen-System 1 eingesetzt werden, wie es in der 10 gezeigt ist. Das hier dargestellte C-Bogen-System 13 verfügt ebenfalls über eine Röntgenröhre 2 mit einem gegenüberliegenden flächig ausgebildeten Detektor 3. Beide Systeme sind mit Hilfe eines Schwenkarms 6.1, der an einem Gehäuse 6 befestigt ist, in beliebiger Stellung um den Patienten 7 zu schwenken und tasten ein Messfeld ab. Der Patient 7 befindet sich auf einer Patientenliege 8, die zusätzlich über ein Kontrastmittelapplikationssystem 11 verfügt, um gegebenenfalls zur Darstellung von Blutgefäßen Kontrastmittel zu injizieren. Gesteuert wird das System über eine Steuer- und Recheneinheit 10, die in ihrem Speicher Computerprogramme Prg1 bis Prgn aufweist, die unter anderem auch das erfindungsgemäße Verfahren zur Bildverarbeitung durchführen können. Messungen mit unterschiedlichen Spektralgewichtungen können beispielsweise durch die Verwendung eines energiespezifischen Detektorsystems verwirklicht werden.The method according to the invention can also be used in conjunction with a C-arm system 1 be used as it is in the 10 is shown. The C-arm system shown here 13 also has an x-ray tube 2 with an opposing planar detector 3 , Both systems are using a swivel arm 6.1 which is attached to a housing 6 is attached, in any position around the patient 7 to pan and scan a measurement field. The patient 7 is on a patient bed 8th additionally using a contrast agent application system 11 to inject contrast media, if necessary, to visualize blood vessels. The system is controlled by a control and processing unit 10 , which has in its memory computer programs Prg 1 to Prg n , which can also perform, among other things, the inventive method for image processing. Measurements with different spectral weights can be realized, for example, by the use of an energy-specific detector system.

Beide zuvor beschriebenen Systeme eignen sich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, dessen Grundlagen zuvor beschrieben wurden.Both previously described systems are suitable for carrying out of the method according to the invention, the bases thereof previously described.

Insgesamt werden also durch die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines CT-Bilddatensatzes mit einem bestimmten Röntgenenergiespektrum und ein CT-System mit Programmcode für dieses Verfahren beschrieben, wobei erfindungsgemäß aus den gemessenen lokalen gewichteten Schwächungskoeffizienten Materialverteilungen und daraus lokale messspektrumsunabhängige jedoch energieabhängige Schwächungsfunktionen geschätzt, vorzugsweise iterativ über eine Berechnung der lokale Energiegewichtungen nachberechnet, und anschließend ein CT-Bilddatensatz auf der Basis eines vorbestimmten Energiespektrums und den berechneten lokalen messspektrumsunabhängigen jedoch energieabhängigen Schwächungsfunktionen errechnet und als CT-Bilddarstellung ausgegeben werden.All in all Thus, the invention provides a method for generating a CT image data set with a specific X-ray energy spectrum and describe a CT system with program code for this method, according to the invention from the measured local weighted coefficients of attenuation material distributions and from this local measurement spectrum independent but energy dependent Attenuation functions estimated, preferably iteratively via a calculation of local energy weights recalculated, and then a CT image data set the basis of a predetermined energy spectrum and the calculated local non-spectra independent but energy dependent Attenuation functions and calculated as a CT image representation be issued.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.It it is understood that the above features of the invention not only in the specified combination, but also in other combinations or alone, without to leave the scope of the invention.

11
CT-SystemCT system
22
erste Röntgenröhrefirst X-ray tube
33
erster Detektorfirst detector
44
zweite Röntgenröhre (optional)second X-ray tube (optional)
55
zweiter Detektor (optional)second Detector (optional)
66
Gantrygehäusegantry
6.16.1
Schwenkarmswivel arm
77
Untersuchungsobjekt/Patient/PhantomExamination subject / patient / Phantom
88th
Untersuchungsliegeexamination table
99
Systemachsesystem axis
1010
Steuer- und Recheneinheit mit optional zusätzlicher EKG-FunktionTax- and arithmetic unit with optional additional ECG function
1111
KontrastmittelapplikatorKontrastmittelapplikator
1212
EKG-LeitungECG lead
1313
C-Bogen-SystemC-arm system
AA
Abschwächungattenuation
DD
Detektordetector
D(E)D (E)
spektrale Detektorempfindlichkeitspectral detector sensitivity
Ee
Energieenergy
I, I0 I, I 0
Intensitätintensity
LL
ein beliebiger Pfad, auf dem Röntgenstrahlung absorbiert wirdone any path on which X-rays are absorbed
lθ,t l θ, t
Pfad zum Projektionswinkel θ und Detektorkanal tpath to the projection angle θ and detector channel t
OO
Objektobject
Prg1–Prgn Prg 1 prr n
Computerprogrammecomputer programs
SS
RöntgenstrahlenquelleX-ray source
S(E)S (E)
RöntgenenergiespektrumX-ray energy spectrum
S1–S7 S 1 -S 7
Verfahrensschrittesteps
UU
Röhrenspannungtube voltage
tt
Kanalabstandchannel spacing
μ(r →) μ (r →)
mittlerer Schwächungskoeffizientenmiddle attenuation coefficient
μ(E, r →)μ (E, r →)
spektrale Schwächungsfunktionspectral attenuation function
w(E)w (E)
WichtungsfunktionWeighting function
ρρ
Dichte Projektionswinkeldensity projection angle
ZZ
Massenzahlmass number

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (9)

Verfahren zur CT-Abtastung und Rekonstruktion eines Untersuchungsobjektes mit mindestens einem ersten Röntgenenergiespektrum und Darstellung des Untersuchungsobjektes entsprechend einer CT-Abtastung mit einem zweiten, virtuellen Röntgenenergiespektrum, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte: 1.1. CT-Scan eines Untersuchungsobjektes (7) mit Hilfe mindestens einer Strahlungsquelle (2, 4) und mindestens eines Detektors (3, 5) und Erzeugung mindestens eines zu Rekonstruktionszwecken geeigneten Projektionsdatensatzes auf der Basis mindestens eines Röntgenenergiespektrums, 1.2. Rekonstruktion mindestens eines CT-Bilddatensatzes aus dem mindestens einen Projektionsdatensatz, wobei der CT-Bilddatensatz eine Vielzahl von Bildwerten aufweist, welche die lokale mittlere Schwächungswerte (μ(r →)) des Untersuchungsobjektes (7) wiedergeben, 1.3. Ermittlung einer zum Scan jeweils verwendeten Spektralwichtung (w(E)), definiert als normierte Produktfunktion aus der energieabhängigen Wichtung des verwendeten Strahlungsspektrums (S(E)) und der spektralen Empfindlichkeit eines verwendeten Detektors (D(E)), 1.4. Bestimmung einer Verteilung vordefinierter Materialien im Untersuchungsobjekt (7) auf der Basis der zuvor ermittelten lokalen mittleren Schwächungswerte (μ(r →)), 1.5. Bestimmung lokaler energieabhängiger Schwächungsfunktionen (μ(E, r →)) im Untersuchungsobjekt (7) auf der Basis der zuvor ermittelten Materialverteilung, 1.6. Erstellung eines neuen tomographischen Bilddatensatzes durch Berechnung neuer örtlicher Schwächungswerte (μ c(r →)) jeweils auf der Basis einer neuen vorbestimmten Spektralwichtung (wc(E)) und der lokalen energieabhängigen Schwächungsfunktionen (μ(E, r →)).A method for CT scanning and reconstruction of an examination subject with at least a first X-ray energy spectrum and representation of the examination subject corresponding to a CT scan with a second, virtual X-ray energy spectrum, comprising the following method steps: 1.1. CT scan of an examination subject ( 7 ) with the aid of at least one radiation source ( 2 . 4 ) and at least one detector ( 3 . 5 ) and generating at least one projection data set suitable for reconstruction purposes on the basis of at least one X-ray energy spectrum, 1.2. Reconstructing at least one CT image data set from the at least one projection data set, wherein the CT image data set has a multiplicity of image values representing the local average attenuation values ( μ (r →)) of the examination object ( 7 ), 1.3. Determination of a spectral weighting (w (E)) used for the scan, defined as a normalized product function from the energy-dependent weighting of the radiation spectrum used (S (E)) and the spectral sensitivity of a detector used (D (E)), 1.4. Determination of a distribution of predefined materials in the examination subject ( 7 ) based on the previously determined local mean attenuation values ( μ (r →)) , 1.5. Determination of local energy-dependent attenuation functions (μ (E, r →)) in the examination object ( 7 ) on the basis of the previously determined material distribution, 1.6. Creation of a new tomographic image data set by calculation of new local attenuation values ( μ c (r →)) each based on a new predetermined spectral weighting (w c (E)) and the local energy-dependent attenuation functions (μ (E, r →)) , Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 2.1. nach der Bestimmung lokaler energieabhängiger Schwächungsfunktionen (μ(E, r →)) eine Berechnung lokaler energieabhängiger Wichtungsfunktionen (Ω(E, r →)) als Funktion der lokalen mittleren Schwächungswerte (μ(r →)), der zuvor ermittelten lokalen energieabhängigen Schwächungsfunktionen (μ(E, r →)) und der jeweils verwendeten Spektralwichtung (w(E)) erfolgt, und 2.2. diese lokale Wichtungsfunktionen (Ω(E, r →)) zur verbesserten Bestimmung der lokale energieabhängigen Schwächungsfunktionen (μ(E, r →)) solange in einer Iteration der Verfahrensschritte gemäß der Merkmale 1.4 bis 1.5 verwendet werden, bis eine vorgegebene Iterationsgrenze erreicht ist.Method according to the preceding patent claim 1, characterized in that 2.1. after determining local energy-dependent attenuation functions (μ (E, r →)) a calculation of local energy-dependent weighting functions (Ω (E, r →)) as a function of local mean attenuation values ( μ (r →)) , the previously determined local energy-dependent attenuation functions (μ (E, r →)) and the spectral weighting used (w (E)), and 2.2. these local weighting functions (Ω (E, r →)) for improved determination of the local energy-dependent attenuation functions (μ (E, r →)) as long as in an iteration of the method steps according to the features 1.4 to 1.5 are used until a predetermined iteration limit is reached. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erstellung des neuen tomographischen Bilddatensatzes durch Berechnung neuer örtlicher Schwächungswerte (μ c(r →)) jeweils auf der Basis einer neuen vorbestimmten Spektralwichtung (wc(E)) und der lokalen energieabhängigen Schwächungsfunktionen (μ(E, r →)) auch eine lokale, von der neuen Spektralwichtung (wc(E)) abhängigen Wichtungsfunktion c(E, r →)) genutzt wird.Method according to the preceding claim 2, characterized in that in the preparation of the new tomographic image data set by calculation of new local attenuation values ( μ c (r →)) each based on a new predetermined spectral weighting (w c (E)) and the local energy-dependent attenuation functions (μ (E, r →)) also a local weighting function dependent on the new spectral weighting (w c (E)) c (E, r →)) is being used. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der lokalen messspektrumabhängigen Wichtungsfunktionen (Ω(E, r →)) an den Orten (r →) des Untersuchungsobjektes (7) die Beziehung
Figure 00250001
verwendet wird, mit:
Figure 00250002
wobei P dem Vorwärtsprojektionsoperator bei einer Rekonstruktion eines CT-Bilddatensatzes und R–1 Radon transformationsoperator bei einer Rekonstruktion eines CT-Bilddatensatzes entsprechen.
Method according to one of the preceding claims 2 to 3, characterized in that for calculating the local measurement spectrum-dependent weighting functions (Ω (E, r →)) in the places (r →) of the examination object ( 7 ) the relationship
Figure 00250001
is used with:
Figure 00250002
where P corresponds to the forward projection operator in a reconstruction of a CT image data set and R -1 Radon transform operator in a reconstruction of a CT image data set.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialverteilung im Untersuchungsobjekt (7) über eine Schwellwertdefinition von mittleren minimalen und maximalen Schwächungswerten bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the material distribution in the examination object ( 7 ) is determined via a threshold definition of mean minimum and maximum attenuation values. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Materialverteilung im Untersuchungsobjekt (7) mindestens ein räumliches Filter eingesetzt wird, um Rauscheffekte zu unterdrücken.Method according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that in the determination of the material distribution in the examination object ( 7 ) at least one spatial filter is used to suppress noise effects. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als neuen Spektralwichtung (wc(E)) eine monoenergetische Spektralwichtung verwendet wird.Method according to one of the preceding claims 1 to 6, characterized in that as a new spectral weighting (w c (E)) a monoenergetic spectral weighting is used. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die monoenergetische Spektralwichtung bei einer Energie von 511 keV stattfindet und der so ermittelte CT-Bilddatensatz zur Strahlaufhärtungskorrektur bei PET- und/oder SPECT-CT-Untersuchungen eingesetzt wirdMethod according to the preceding Claim 7, characterized in that the monoenergetic Spectral weighting takes place at an energy of 511 keV and the thus determined CT image data set for Strahlaufhärtungskorrektur used in PET and / or SPECT CT examinations CT-System zur Abtastung eines Untersuchungsobjektes aufweisend eine Steuer- und Recheneinheit (10) mit einem Speicher für Computerprogrammcode (Prg1–Prgn), dadurch gekennzeichnet, dass Computerprogrammcode (Prg1–Prgn) im Speicher hinterlegt ist, welcher im Betrieb die Verfahrensschritte eines der voranstehenden Verfahrensansprüche ausführen kann.CT system for scanning an examination subject comprising a control and computing unit ( 10 ) with a memory for computer program code (Prg 1 -Prg n ), characterized in that computer program code (Prg 1 -Prg n ) is stored in the memory, which can perform the method steps of one of the preceding method claims in operation.
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