DE19634821A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verringerung von Bild-Artefakten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Computer-Tomographie- Abbildung (CT-Abbildung) und insbesondere auf die Verringerung von Bild-Artefakten in einem aus Wendel-Abtastdaten rekonstru­ ierten Bild.

In zumindest einer bekannten Computer-Tomographie-System-An­ ordnung projiziert eine Röntgenstrahlquelle einen fächerförmi­ gen Strahl, der kollimiert ist, daß er innerhalb einer X-Y- Ebene eines karthesischen Koordinatensystems zu liegen kommt, die im allgemeinen als die "Abbildungsebene" bezeichnet wird. Der Röntgenstrahl passiert das abzubildende Objekt, wie bei­ spielsweise eine Patienten. Der Strahl fällt, nachdem er durch das Objekt gedämpft wurde, auf ein Feld von Strahlungserfas­ sungseinrichtungen. Die Intensität der gedämpften, von dem Er­ fassungseinrichtungsfeld empfangenen Strahlung hängt von der Dämpfung des Röntgenstrahls durch das Objekt ab. Jedes Erfas­ sungseinrichtungselement des Felds erzeugt ein separates elek­ trisches Signal, das ein Maß für die Strahldämpfung am Erfas­ sungseinrichtungsort ist. Die Dämpfungsmaße von allen Erfas­ sungseinrichtungen werden separat erfaßt, um ein Durchlaßprofil zu erzeugen.

Bei bekannten Computer-Tomographie-Systemen der dritten Genera­ tion werden die Röntgenstrahlquelle und das Erfassungseinrich­ tungsfeld mit einem Faßlager bzw. Gantry innerhalb der Abbil­ dungsebene und rund um das abzubildende Objekt gedreht, so daß sich der Winkel, in dem der Röntgenstrahl das Objekt schneidet, konstant verändert. Eine Gruppe von Röntgenstrahl-Dämpfungs­ maßen, d. h. Projektionsdaten, von dem Erfassungseinrichtungs­ feld bei einem Faßlagerwinkel werden als eine "Ansicht" be­ zeichnet. Eine "Abtastung" des Objekts umfaßt einen Satz von Ansichten, die bei verschiedenen Faßlagerwinkeln während einer Umdrehung der Röntgenstrahlquelle und der Erfassungseinrichtung erfaßt wurden. Bei einer axialen Abtastung werden die Projek­ tionsdaten verarbeitet, um ein Bild herzustellen, das einem zweidimensionalen, durch das Objekt aufgenommenen Schnitt entspricht.

Ein Verfahren zur Rekonstruktion eines Bilds aus einem Satz von Projektionsdaten wird im Stand der Technik als gefilterte Rück­ projektionstechnik bezeichnet. Dieses Verfahren wandelt die Dämpfungsmaße von einer Abtastung in als "CT-Zahlen" oder "Hounsfield-Einheiten" bezeichnete Integer um, die zur Steue­ rung der Helligkeit eines entsprechenden Pixels bzw. Bildele­ ments auf einer Kathodenstrahlröhren-Anzeigeeinrichtung verwen­ det werden.

Zur Verringerung der gesamten, für eine Vielzahl von Schnitten erforderlichen Abtastzeit kann eine "Helix"- bzw. "Wendel"- Abtastung durchgeführt werden. Zur Durchführung einer "Wendel"- Abtastung wird der Patient bewegt, während die Daten für eine vorbestimmte Anzahl von Schnitten erfaßt werden. Ein derartiges System erzeugt eine Einzel-Wendel aus einer Ein-Fächerstrahl- Wendelabtastung. Die durch den Fächerstrahl abgebildete Wendel ergibt Projektionsdaten, aus denen Bilder in jedem vorbestimm­ ten Schnitt rekonstruiert werden können. Zusätzlich zur verrin­ gerten Abtastzeit bietet die Wendelabtastung andere Vorteile, wie beispielsweise eine verbesserte Bildqualität und eine bes­ sere Steuerung des Kontrastes.

Bei der Wendelabtastung, und wie vorstehend erläutert, wird nur eine Ansicht von Daten an jedem Schnittort erfaßt. Zur Rekon­ struktion eines Bilds eines Schnitts werden die anderen An­ sichtsdaten für den Schnitt auf der Grundlage der für andere Ansichten gesammelten Daten erzeugt. Wendel-Rekonstruktions- Rechenverfahren sind in C. Crawford und K. King "Computed Tomo­ graphy Scanning with Simultaneous Patient Translation", Med. Phys. 17(6), Nov./Dez. 1990, und der US-Patent-Anmeldung Serien-Nr. 08/362 247 mit dem Titel "Helical Interpolative Al­ gorithm For Image Reconstruktion in A CT System", eingereicht am 22. Dezember 1994 und auf den vorliegenden Rechtsnachfolger übertragen, beschrieben.

Wenn ein Bild für einen bestimmten Schnitt rekonstruiert wird, nimmt, so wie der Abstand zwischen dem Schnittort und dem Ort, an dem die aktuellen Projektionsdaten erfaßt werden, zunimmt, die Anzahl von Fehlern in den erzeugten Daten für diesen Schnitt auch zu. Diese Fehler in den Projektionsdaten verursa­ chen gewöhnlich schattierende Artefakte mit niedriger Frequenz. Bei sagittal er oder koronaler Bildumformung verursachen diese Fehler auch dünne horizontale Streifen bzw. Striche oder Arte­ fakte. So wie bei Streifen- bzw. Strich-Artefakten bei einer axialen Abbildung sind die Streifen bzw. Striche in den umge­ formten Bildern ärgerlich.

Da die Projektionsfehler sich im allgemeinen in der horizonta­ len (Rückprojektions-) Richtung ausbreiten, besitzen die Strei­ fen- bzw. Strich-Artefakte keine Korrelation von Schnitt zu Schnitt. Das heißt, die Artefakte besitzen eine hohe Frequenz in der z-Richtung. Derartige Artefakte können durch Filterung der Daten in der z-Richtung entfernt werden, jedoch, wenn die wirkliche Struktur schnelle Veränderungen in der z-Richtung aufweist, wie beispielsweise Gewebe-Luft-Übergänge oder Knochen-Gewebe-Übergänge, wird eine einfache Filterung der Da­ ten in der z-Richtung in einem Verlust bei der Bildauflösung resultieren.

Es ist natürlich wünschenswert, Rekonstruktions-Artefakte zu verringern. Auch ist es wünschenswert, derartige Rekonstruktions-Artefakte ohne nachteilige Wirkung auf die Bild­ auflösung zu verringern.

Diese und andere Aufgaben können durch Verfahren und Einrich­ tungen erreicht werden, die horizontale Striche bzw. Streifen eines unter Verwendung von Wendelabtastdaten rekonstruierten Bilds ohne Verringerung einer Bildauflösung entfernen. Entspre­ chend einem Ausführungsbeispiel wird eine Wendelrekonstruktion durchgeführt, um Bilddaten zu erzeugen. Die Bilddaten werden dann gefiltert, um horizontale Striche bzw. Streifen zu ent­ fernen. Eine derartige Filterung wird durchgeführt, indem die Bilddaten in zwei Komponenten aufgeteilt werden. Auf eine Kom­ ponente wird als Hintergrundkomponente Bezug genommen und auf die andere Komponente wird als Scharf-Strukturkomponenten Bezug genommen. Eine derartige Aufteilung kann unter Verwendung einer Grauskala-Schwellenwertbildung durchgeführt werden.

Nachdem die Bilddaten wie vorstehend beschrieben aufgeteilt wurden, werden die Hintergrundkomponenten-Bildaten unter Ver­ wendung einer z-(Grau)Keilfiltereinrichtung gefiltert. Da der­ artige Hintergrunddaten die meisten der durch Fehler in den Wendelprojektionsdaten verursachten Artefakte enthalten, ent­ fernt eine derartige Filterung im wesentlichen das den Strichen bzw. Streifen entsprechende Fourierspektrum. Die gefilterten Hintergrunddaten werden dann mit den Scharf-Strukturdaten kom­ biniert, um einen vollständigen Satz von Bilddaten entsprechend einem Bild mit weniger Artefakten zu bilden. Unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Rechenverfahrens werden Rekonstruktions-Artefakte, wie beispielsweise horizontale Stri­ che bzw. Streifen, verringert. Zusätzlich wird die Bildauflö­ sung beibehalten.

Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung offen­ sichtlich.

Es zeigen:

Fig. 1 eine zeichnerische Darstellung eines Computer-Tomogra­ phie-Abbildungssystems,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des in Fig. 1 dargestellten Systems, und

Fig. 3 eine Abfolge von Schritten, die entsprechend einem Aus­ führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.

Gemäß den Fig. 1 und 2 enthält ein Computer-Tomographie- Abbildungssystem (CT-Abbildungssystem) 10 ein Faßlager bzw. Gantry 12, das für eine Computer-Tomographie-Abtasteinrichtung "der dritten Generation" steht. Das Faßlager 12 weist eine Röntgenstrahlquelle 14 auf, die einen Strahl von Röntgenstrah­ len 16 auf ein Erfassungseinrichtungsfeld 18 auf der gegenüber­ liegenden Seite des Faßlagers 12 projiziert. Das Erfassungsein­ richtungsfeld 18 wird von Erfassungseinrichtungselementen 20 gebildet, die zusammen die projizierten Röntgenstrahlen erfas­ sen, die einen medizinischen Patienten 22 passieren. Jedes Er­ fassungseinrichtungselement 20 erzeugt ein elektrisches Signal, das die Intensität eines auftreffenden Röntgenstrahls und daher die Dämpfung des Strahls, so wie er den Patienten 22 passiert, darstellt. Während einer Abtastung zur Erfassung von Röntgen­ strahl-Projektionsdaten drehen sich das Faßlager 12 und die daran befestigten Komponenten um einen Drehmittelpunkt 24.

Die Drehung des Faßlagers 12 und die Funktion der Röntgen­ strahlquelle 14 werden von einer Steuereinrichtung 26 des Computer-Tomographie-Systems 10 gesteuert. Die Steuereinrich­ tung 26 enthält eine Röntgenstrahlsteuereinrichtung 28, die Leistungs- und Zeitpunktsignale für die Röntgenstrahlquelle 14 bildet, und eine Faßlagersteuereinrichtung 30, die die Drehge­ schwindigkeit und die Position des Faßlagers 12 steuert. Ein Datenerfassungssystem (DAS) 32 in der Steuereinrichtung 26 ta­ stet analoge Daten von den Erfassungseinrichtungselementen 20 ab und wandelt die Daten für die nachfolgende Verarbeitung in digitale Signale um. Eine Bildrekonstruktionseinrichtung 34 empfängt abgetastete und digitalisierte Röntgenstrahldaten von der Datenerfassungseinrichtung 32 und führt eine Hochgeschwin­ digkeits-Bildrekonstruktion durch. Das rekonstruierte Bild wird als eine Eingabe an einen Computer 26 angelegt, der das Bild in einer Massenspeichereinrichtung 38 speichert.

Der Computer 36 empfängt auch über eine Konsole 40 mit einer Tastatur Befehle und Abtastparameter von einem Bediener. Eine damit verbundene Kathodenstrahlröhren-Anzeigeeinrichtung 42 ermöglicht dem Beobachter eine Beobachtung des rekonstruierten Bilds und anderer Daten vom Computer 36. Die vom Bediener zuge­ führten Befehle und Parameter werden vom Computer 36 verwendet, um Steuersignale und Informationen für die Datenerfassungsein­ richtung 32, die Röntgenstrahlsteuereinrichtung 28 und die Faß­ lagermotorsteuereinrichtung 30 zu bilden. Zusätzlich betätigt der Computer 36 eine Tischmotorsteuereinrichtung 44, die einen motorisierten Tisch 46 zur Positionierung eines Patienten im Faßlager 12 steuert. Insbesondere bewegt der Tisch 46 Teile des Patienten 22 durch die Faßlageröffnung 48.

Die folgende Diskussion, die eine Verringerung von Artefakten beschreibt, bezieht sich manchmal vor allem auf sagittale und koronale Bilder. Das Artefakt-Verringerungs-Rechenverfahren ist jedoch nicht auf eine Anwendung in Verbindung mit nur sagitta­ len und koronalen Bildern beschränkt und kann ebenso mit ande­ ren Bildern verwendet werden. Es sollte weiterhin offensicht­ lich sein, daß das Rechenverfahren in dem Computer 36 ausge­ führt würde und beispielsweise in der Massenspeichereinrichtung 38 gespeicherte Bilddaten verarbeiten würden. Alternativ könnte das Rechenverfahren in der Bildrekonstruktionseinrichtung 34 ausgeführt werden und dem Computer 36 gefilterte Bilddaten zu­ führen. Natürlich sich auch andere alternative Ausführungen möglich.

Im Hinblick auf Fig. 3 werden, wie vorstehend beschrieben, bei der Durchführung einer Computer-Tomographie-Abtastung Projek­ tionsdaten erhalten. Bei der Wendelabtastung wird die Wendelre­ konstruktion 50 dann durchgeführt, um Bilddaten zu erzeugen. Im Hinblick auf die Bildrekonstruktion sind viele Bildrekonstruk­ tionsrechenverfahren bekannt und einige der bekannten Rechen­ verfahren werden in herkömmlich verfügbaren Computer-Tomogra­ phie-Einrichtungen ausgeführt. Das vorliegende Rechenverfahren könnte in Verbindung mit vielen derartigen Rekonstruktionsre­ chenverfahren ausgeführt werden und ist weder auf ein beson­ deres Bildrekonstruktionsrechenverfahren gerichtet noch in der Praxis darauf beschränkt.

Gemäß Fig. 3 werden folgend auf die Wendelrekonstruktion die sich ergebenden Bilddaten in zwei Segmente aufgeteilt 52. Vor allen werden eine Hintergrundkomponente 54 und eine Scharf- Strukturkomponente 56 erzeugt. Diese Aufteilung wird in einem Ausführungsbeispiel unter Verwendung einer Grauskala-Schwellen­ wertbildung durchgeführt. Die Grauskala-Schwellenwertbildung bezieht sich auf den Vorgang des Vergleichs von CT-Zahlen mit einem vorbestimmten Bereich, d. h. einem Schwellenwert, und des Zuweisens jeder CT-Zahl zu einer besonderen Komponente basie­ rend darauf, ob die jeweilige CT-Zahl über oder unter dem Schwellenwert liegt. Weiter Einzelheiten in Bezug auf die Grauskala-Schwellenwertbildung werden im US-Patent Nr. 5 400 377, "Artifact Reduction Method For Tomographic Image Recon­ struction Using Cross-Plane Rays", das auf den vorstehenden Rechtsnachfolger übertragen wurde, in seiner Gesamtheit darge­ legt.

Wenn beispielsweise ein interessierendes Objekt schnelle Verän­ derungen in seiner Struktur entlang der z-Richtung aufweist, unterscheiden sich die CT-Zahlen für die Struktur gewöhnlich wesentlich von den CT-Zahlen für den Bildhintergrund. Da die CT-Zahlen oder Grauskalen für die schnelle Veränderung, oder eine Scharf-Struktur und den Hintergrund, verschieden sind, ist die Grauskala-Schwellenwertbildung für eine Aufteilung der Bilddaten in Hintergrund- und Scharf-Strukturkomponenten wir­ kungsvoll.

Nach der Aufteilung der Bilddaten wie vorstehend beschrieben werden die Hintergrundbilddaten oder -komponente unter Verwen­ dung einer z-(Grau)Keilfiltereinrichtung gefiltert 58. Weitere Einzelheiten hinsichtlich der z-(Grau)Keilfilterung werden in dem vorstehend erwähnten US-Patent Nr. 5 400 377 dargelegt.

Dann werden gefilterte Hintergrunddaten 60 mit den Scharf- Strukturbilddaten oder der -komponente 56 kombiniert 62. Die kombinierten Daten können dann zur Erzeugung eines Bilds 64 mit wenigen horizontalen Strichen bzw. Streifen verwendet werden.

Die z-(Grau)Keilfiltereinrichtung, wie vorstehend erwähnt, ent­ fernt die Hochfrequenz-Artefakte in der z-Richtung aus der Hin­ tergrundkomponente. Jedoch wird mittels Aufteilung der Scharf- Strukturkomponente vor der Filterung die Bildauflösung beibe­ halten. Daher werden horizontale Striche bzw. Streifen und Ar­ tefakte verringert, während die Bildauflösung beibehalten wird.

Aus der vorstehenden Beschreibung zahlreicher Ausführungsbei­ spiele der vorliegenden Erfindung ist erkennbar, daß die Aufga­ ben der Erfindung gelöst werden. Obwohl die Erfindung genau beschrieben und dargestellt wurde, ist offensichtlich, daß dies nur zur Veranschaulichung und lediglich als Beispiel und nicht zur Beschränkung geschah. Obwohl beispielsweise das Computer- Tomographie-System als ein System der "dritten Generation" be­ schrieben wurde, können auch Systeme der "vierten Generation" verwendet werden. Zusätzlich könnte eine z-(Grau)Keilfilter­ einrichtung nicht bei allen Anwendungen nötig sein. Die Durch­ führung einer einfachen Tiefpaßfilterung entlang der z-Richtung könnte für einige Anwendungen ausreichend sein. Demgemäß ist der Schutzbereich der Erfindung nur durch den Wortlaut der an­ hängenden Ansprüche beschränkt.

Die vorliegende Erfindung ist in einer Form ein Verfahren zum Verbessern der Bildqualität bei Computer-Tomographie-Wendel­ abtastsystemen durch Verwendung eines Filter-Rechenverfahrens nach der Rekonstruktion. Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Rechenverfahrens werden Bilddaten in Scharf-Strukturbilddaten (56) und Hintergrundbilddaten (56) aufgeteilt. Die Hintergrund­ bilddaten (54) werden dann gefiltert (58), um Rekonstruktions- und Daten-Artefakte zu entfernen. Die gefilterten Hintergrund­ bilddaten (60) werden dann mit den Scharf-Strukturbilddaten (56) kombiniert. Die kombinierten Daten können dann zur Erzeu­ gung eines Bilds mit verringerten Artefakten verwendet werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Verringern von Artefakten in Bilddaten, die aus bei einer Wendelabtastung gesammelten Projektionsabtastda­ ten erzeugt werden, mit den Schritten:
Aufteilen der Bilddaten in Hintergrundbilddaten (54) und Scharf-Strukturbilddaten (56),
Filtern (58) der Hintergrundbilddaten (54), und Kombinieren (62) der gefilterten Hintergrundbilddaten (60) und der Scharf-Strukturbilddaten (56).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufteilen (54) der Bilddaten in Hintergrundbilddaten (54) und Scharf-Strukturbilddaten (56) unter Verwendung von Grau­ skala-Schwellenwertbildung durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Filtern (58) der Hintergrundbilddaten unter Verwendung ei­ ner z-Keilfiltereinrichtung durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kombinieren (62) der gefilterten Hintergrundbilddaten (60) und Scharf-Strukturbilddaten (56) den Schritt des Addierens der gefilterten Hintergrundbilddaten (60) zu den Scharf-Struktur­ bilddaten (56) enthält.

5. Vorrichtung (36) zur Verringerung von Artefakten in Bildda­ ten, die aus bei einer Wendelabtastung gesammelten Projektions­ abtastdaten erzeugt sind, mit:
einer Einrichtung zur Aufteilung (52) der Bilddaten in Hinter­ grundbilddaten (54) und Scharf-Strukturbilddaten (56),
einer Einrichtung zur Filterung (58) der Hintergrundbilddaten (54), und
einer Einrichtung zur Kombination (62) der gefilterten Hinter­ grundbilddaten (60) und der Scharf-Strukturbilddaten (56).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Einrichtung zur Aufteilung (52) von Bilddaten einen Compu­ ter (36) enthält, der programmiert ist, um die Bilddaten auf der Grundlage einer Grauskala-Schwellenwertbildung aufzuteilen (52).

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Einrichtung zur Filterung (58) der Hintergrundbilddaten (54) einen Computer (36) aufweist, der programmiert ist, um die Bildaten unter Verwendung einer z-Keilfiltereinrichtung zu fil­ tern (58).

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Einrichtung zur Kombination (62) der gefilterten Hinter­ grundbilddaten (60) und der Scharf-Strukturbilddaten (56) einen Computer (36) aufweist, der programmiert ist, um die gefilter­ ten Hintergrundbilddaten (60) zu den Scharf-Strukturbilddaten (56) hinzuzuaddieren.