DE19854445A1

DE19854445A1 - Wendelrekonstruktionsalgorithmus

Info

Publication number: DE19854445A1
Application number: DE19854445A
Authority: DE
Inventors: Hui Hu
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-11-26
Filing date: 1998-11-25
Publication date: 1999-05-27
Also published as: IL127118A0; IL127118A; JP2000023966A; US5974110A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine Compu ter-Tomographie-(CT-)Abbildung und insbesondere die Rekon struktion von Bildern aus Projektionsdaten, die aus einer Wendelabtastung erfaßt werden.

Zumindest bei einem bekannten CT-Systemaufbau projiziert eine Röntgenstrahlquelle einen fächerförmigen Strahl, der parallel gerichtet ist, daß er in einer X-Y-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems liegt, die im allgemeinen als Abbil dungsebene bezeichnet wird. Der Röntgenstrahl fällt durch ein abgebildetes Objekt, wie einen Patienten. Nachdem der Strahl durch das Objekt gedämpft wurde, trifft er auf ein Array von Strahlungserfassungseinrichtungen. Die Intensität der an dem Erfassungsarray empfangenen gedämpften Strahlung hängt von der Dämpfung des Röntgenstrahls durch das Objekt ab. Jedes Erfassungselement des Arrays erzeugt ein separates elektri sches Signal, das ein Maß der Strahldämpfung am Erfassungsort ist. Die Dämpfungsmaße von allen Erfassungseinrichtungen wer den zur Erzeugung eines Übertragungsprofils separat erfaßt.

Bei bekannten CT-Systemen der dritten Generation drehen sich die Röntgenstrahlquelle und das Erfassungsarray mit einem Faßlager in der Abbildungsebene und um das abzubildende Ob jekt, so daß sich der Winkel, an dem der Röntgenstrahl das Objekt schneidet, konstant ändert. Eine Gruppe von Röntgen strahldämpfungsmaßen, d. h. Projektionsdaten, von dem Erfas sungsarray bei einem Faßlagerwinkel wird als "Ansicht" be zeichnet. Eine "Abtastung" des Objekts umfaßt einen Satz von Ansichten bei verschiedenen Faßlagerwinkeln während einer Um drehung der Röntgenstrahlquelle und der Erfassungseinrich tung. Bei einer axialen Abtastung werden die Projektionsdaten zur Ausbildung eines Bildes verarbeitet, das einem zweidimen sionalen Schnitt durch das Objekt entspricht. Ein Verfahren zur Rekonstruktion eines Bildes aus einem Satz von Projekti onsdaten wird in der Technik als gefiltertes Rückprojektions verfahren bezeichnet. Bei diesem Verfahren werden die Dämp fungsmaße von einer Abtastung in ganze Zahlen, sogenannte CT- Zahlen oder Hounsfield-Einheiten umgewandelt, die zur Steue rung der Helligkeit eines entsprechenden Bildelements auf ei ner Kathodenstrahlröhrenanzeigeeinrichtung verwendet werden.

Zur Verringerung der bei Mehrfachschnitten erforderlichen Ge samtabtastzeit kann eine Wendelabtastung durchgeführt werden. Zur Durchführung einer Wendelabtastung wird der Patient be wegt, während die Daten für die vorgeschriebene Anzahl an Schnitten erfaßt werden. Die mit der Fächerstrahlwendelabta stung erhaltenen Projektionsdaten können als P(θ,γ,z) be zeichnet werden, wobei θ der Winkel des Mittenstrahls des Fä cherstrahls bezüglich einer Referenz (beispielsweise der y- Achse), γ der Winkel eines bestimmten Strahls in dem Fächer strahl bezüglich des Mittenstrahls und z die axiale Faßlager position zum Zeitpunkt der Messung ist.

Für jeden Ort z₀, an dem keine tatsächlichen Projektionsdaten erhalten werden, erzeugt ein allgemein verwendeter und be kannter Wendelrekonstruktionsalgorithmus Rohdaten für einen Schnitt am Ort z₀ unter Verwendung einer linearen Interpola tion in der z-Richtung. Insbesondere werden zur Erzeugung von P(θ,γ,z₀) Projektionsdaten am gleichen θ und γ und so nahe wie möglich an z₀, aber auf entgegengesetzten Seiten bezüglich z, verwendet. Sind beispielsweise z₁ und z₂ die Werte von z, für die P(θ,γ,z) erhältlich ist, und für die gilt z₁≦z₀≦z₂, kann P(θ,γ,z₀) aus P(t,γ,z₁) und P(θ,γ,z₂) durch eine lineare Inter polation wie folgt geschätzt werden:

Da bei einer Wendelabtastung der gleiche Strahl zweimal bei jeder 360°-Drehung gemessen wird, d. h. P(θ,γ,z)=P(θ+2γ+180°, γ,z), ist die z-Abtastung effektiv verdoppelt. Diese erhöhte Abtastung ermöglicht die Verringerung der Gesamtabtastzeit.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Bilder aus den Daten, die bei einer Vier-Strahl-Wendelabtastung erhalten werden, auf eine Art und Weise zu rekonstruieren, die ein Bild hoher Qualität mit Artefakten auf niedrigem Pegel oder einer geringen Anzahl von Artefakten liefert. Ferner sollte auch die zur Rekonstruktion eines derartigen Bildes erforder liche Gesamtzeit verringert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und ein System gelöst, bei dem gemäß einem Ausführungsbeispiel Projektionsraumdatenarrays aus Projektionsdaten erzeugt wer den, die durch jeden Fächerstrahl in einer Vier-Fächerstrahl- Wendelabtastung erfaßt werden. Daten in jedem Array werden dann durch das System zur Korrektur der Translationsbewegung des Patienten und zum Ausgleich von Datenredundanzeffekten gewichtet. Dann wird ein Bild unter Verwendung der gewichte ten Daten rekonstruiert.

Insbesondere erzeugt das System bei der Rekonstruktion eines Bildes Projektionsdatenarrays, die mit dem abzubildenden Schnitt assoziierten Datenebenen entsprechen. Dann werden durch das System Gewichtungsfaktoren bei den Datenarrays an gewendet, um jedem bestimmten Datenelement ein Gewicht zuzu ordnen. Die gewichteten Projektionsdatenarrays werden dann zur Erzeugung eines Bilddatenarrays gefiltert und rückproji ziert. Die Bilddatenarrays werden dann zur Erzeugung eines Schnittbild-Datenarrays summiert.

Bei der Rekonstruktion eines Schnitts für einen bestimmten Schnitt an einem bestimmten z₀-Ort, an dem tatsächlich keine Projektionsdaten gemessen wurden, werden gemäß einem Ausfüh rungsbeispiel die Projektionsdaten für die z-Orte, die dem bestimmten z₀ am nächsten sind, sich aber auf entgegengesetz ten Seiten befinden, identifiziert. Die Projektionsdaten für den Schnitt werden dann unter Verwendung der an den identifi zierte z-Orten gesammelten Projektionsdaten geschätzt. Das Schnittbild kann dann unter Verwendung dieser geschätzten Projektionsdaten rekonstruiert werden.

Der Wendelgewichtungsfaktor für jeden Datensatz, der jeweils als W1(β,γ), W2(β,γ), W3(β,γ) und W4(β,γ) bezeichnet wird, ist wie folgt gegeben:

mit:

Die vorstehend beschriebene Gewichtungsfunktion ist stetig. Sie ist auch unabhängig vom Kanalindex, woraus sich ein we sentlicher Beschleunigungsgewinn ergibt.

Durch die vorstehend beschriebene Gewichtung ist die Strahl minimum-Halbwertsbreite 1,27 mal der Erfassungsreihenkollima tion, wie sie an der Drehungsachse gemessen wird. Somit ist der vorliegende Algorithmus nicht unbedingt bei Bildrekon struktionen mit dünnen Schnitten (1-1,2X) anwendbar. Aller dings liefert der vorliegende Algorithmus bei einem dicken Schnittmodus (1,3-2X) Bilder hoher Qualität mit sehr hoher Geschwindigkeit.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispie len unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher be schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine bildliche Darstellung eines CT-Abbildungssystems,

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild des in Fig. 1 darge stellten Systems,

Fig. 3 eine Darstellung einer Datenabtastung einer Vier- Reihen-Mehrschnitt-Erfassungseinrichtung und

Fig. 4 Gewichtungsfaktoren, die gemäß einem Ausführungsbei spiel verwendet werden.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Computer-Tomographie-(CT-) Ab bildungssystem 10, das ein Faßlager 12 enthält, das eine CT- Abtasteinrichtung der dritten Generation darstellt. Das Faß lager 12 weist eine Röntgenstrahlquelle 14 auf, die Röntgen strahlen 16 in Richtung eines Erfassungsarrays 18 auf der entgegengesetzten Seite des Faßlagers 12 projiziert. Das Er fassungsarray 18 wird durch Erfassungselemente 20 gebildet, die zusammen die projizierten Röntgenstrahlen erfassen, die durch einen medizinischen Patienten 22 hindurchfallen. Jedes Erfassungselement 20 erzeugt ein elektrisches Signal, das die Intensität eines auftreffenden Röntgenstrahls und somit die Dämpfung des Strahls darstellt, wenn er durch den Patienten 22 hindurchfällt. Während einer Abtastung zur Erfassung von Röntgenstrahlprojektionsdaten drehen sich das Faßlager 12 und die daran angebrachten Komponenten um eine Drehachse 24.

Die Drehung des Faßlagers 12 und der Betrieb der Röntgen strahlquelle 14 werden durch eine Steuereinrichtung 26 des CT-Systems 10 gesteuert. Die Steuereinrichtung 26 enthält ei ne Röntgenstrahlsteuereinrichtung 28, die die Röntgenstrahl quelle 14 mit Energie und Zeitsignalen versorgt, und eine Faßlagermotorsteuereinrichtung 30, die die Drehgeschwindig keit und Position des Faßlagers 12 steuert. Ein Datenerfas sungssystem (DAS) 32 in der Steuereinrichtung 26 tastet ana loge Daten von den Erfassungselementen 20 ab und wandelt die Daten in digitale Signale zur nachfolgenden Verarbeitung um. Eine Bildrekonstruktionseinrichtung 34 empfängt abgetastete und digitalisiere Röntgenstrahldaten vom Datenerfassungs system 32 und führt eine Bildrekonstruktion mit hoher Ge schwindigkeit durch. Das rekonstruierte Bild wird einem Com puter 36 als Eingangssignal zugeführt, der das Bild in einer Massenspeichereinrichtung 38 speichert.

Der Computer 36 empfängt auch Befehle und Abtastparameter von einem Bediener über eine Konsole 40, die eine Tastatur auf weist. Eine zugehörige Kathodenstrahlröhrenanzeigeeinrichtung 42 ermöglicht es dem Bediener, das rekonstruierte Bild und andere Daten vom Computer 36 zu überwachen. Die vom Bediener zugeführten Befehle und Parameter werden vom Computer 36 zur Ausbildung von Steuersignalen und Informationen für das Da tenerfassungssystem 32, die Röntgenstrahlsteuereinrichtung 28 und die Faßlagermotorsteuereinrichtung 30 verwendet. Außerdem bedient der Computer 36 eine Tischmotorsteuereinrichtung 44, die einen motorisierten Tisch 46 zur Positionierung des Pati enten 22 im Faßlager 12 steuert. Insbesondere bewegt der Tisch 46 Abschnitte des Patienten 22 durch eine Faßlageröff nung 48.

Bei der folgenden Beschreibung eines Wendelgewichtungsalgo rithmus wird manchmal insbesondere auf Mehrschnitt-CT- Abtasteinrichtungen bezug genommen, die typischerweise Erfas sungsarrays beinhalten, die zwei bis vier Reihen von Erfas sungszellen aufweisen. Der Algorithmus ist allerdings nicht auf die Ausübung in Verbindung mit lediglich Zwei- und Vier- Schnitt-Abtasteinrichtungen beschränkt und kann auch bei an deren CT-Abtasteinrichtungen Verwendung finden. Des weiteren ist bei einem Ausführungsbeispiel der Gewichtungsalgorithmus im Computer 36 implementiert und verarbeitet beispielsweise in der Massenspeichereinrichtung 38 gespeicherte Daten. Es sind natürlich auch viele andere alternative Implementationen möglich.

Der nachstehend beschriebene vereinfachte Wendelrekonstrukti onsalgorithmus ist schneller als bekannte Rekonstruktionsal gorithmen ohne eine signifikante Verschlechterung der Bild qualität. Außerdem beträgt die Minimum-Bildhalbwertsbreite (FWHM) des vorliegenden Algorithmus 1,27 mal die Erfassungs einrichtungsreihenkollimation, wie sie an der Drehachse ge messen wird. Daher ist der vorliegende Algorithmus nicht un bedingt für eine Bildrekonstruktion mit dünnen Schnitten (1- 1,2X) geeignet. Allerdings liefert der vorliegende Algorith mus bei einem dicken Schnittmodus (1,3-2X) Bilder hoher Qua lität mit sehr hoher Geschwindigkeit.

Die nachstehend beschriebene Wendelgewichtung kann in Verbin dung mit Systemen, Verfahren und Geräten verwendet werden, wie sie in der US-A-5 559 847 der Anmelderin beschrieben sind, die als Referenz angeführt ist. Bei einem Ausführungs beispiel bezeichnet d die Beabstandung von durch Erfassungs einrichtungsreihen definierten Fächerstrahlen an der Drehach se, s die Tischzuführgeschwindigkeit (pro Drehung) und p=d/s. Ist beispielsweise der Ansichtwinkel auf null gesetzt, wenn der Röntgenstrahlbrennpunkt den zu rekonstruierenden Schnitt kreuzt, ist der Winkel, an dem jeder Fächerstrahl den zu re konstruierenden Schnitt an der Drehachse kreuzt:

β= -3pπ β2 = -pπ β3 = pπ β4 = 2pπ (6)

Des weiteren sind β+ und β- wie folgt definiert:

β1+ = -3pπ + 2π β3- = pπ -2π
β2+ = -pπ + 2π β4- = 3pπ -2π (7).

Die relativen Positionen dieser Winkel sind in den Fig. 3 und 4 gezeigt, wobei β+ und β- jeweils durch gestrichelte Li nien und gepunktete Linien dargestellt ist.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 ist der Wendelge wichtungsfaktor für jeden Datensatz, der jeweils durch W1(β,γ), W2(β,_γ), W3(β,γ) und W4(β,γ) bezeichnet ist, folgen dermaßen gegeben:

mit:

Die vorstehend beschriebene Gewichtungsfunktion ist stetig. Sie ist auch unabhängig vom Kanalindex, was verglichen mit dem ursprünglichen Verfahren einen hundertfachen Beschleuni gungsgewinn ergibt.

Der vorstehend beschriebene Wendelgewichtungsalgorithmus lie fert ein Bild hoher Qualität mit Artefakten niedrigen Pegels oder einer geringen Anzahl an Artefakten. Dieser Algorithmus verringert auch die zur Rekonstruktion eines derartigen Bil des erforderliche Gesamtzeit.

Erfindungsgemäß ist gemäß einer Ausgestaltung ein Verfahren zur Durchführung einer Bildrekonstruktion aus bei einer Mehr schnitt-Wendelabtastung erfaßten Projektionsdaten offenbart. Insbesondere werden Wendelgewichtungsfaktoren erzeugt und dann bei den erfaßten Daten angewandt. Der Wendelgewichtung salgorithmus liefert ein Bild hoher Qualität mit Artefakten auf geringem Pegel oder wenigen Artefakten. Dieser Algorith mus verringert auch die zur Rekonstruktion eines derartigen Bildes erforderliche Gesamtzeit.

Claims

1. System (10) zur Erzeugung eines Tomographiebildes ei nes Objekts (22) aus bei einer Wendelabtastung erfaßten Pro jektionsdaten, wobei das System ein Vier-Reihen- Erfassungsarray (18) aufweist und das Tomographiebildsystem ein Bildrekonstruktionssystem

(a) zur Erzeugung von Projektionsdatenarrays, die den aus jedem der Röntgenstrahlfächerstrahlen erhaltenen Daten entsprechen, und
(b) zur Anwendung einer Gewichtungsfunktion bei jedem in Schritt (a) erzeugten Projektionsdatenarray zur Erzeugung je weiliger gewichteter Projektionsdatenarrays umfaßt, wobei die bei jedem Datensatz anzuwendende Gewichtungsfunktion, die als W1(β,γ), W2(β,γ), W3(β,γ) und W4(β,γ) bezeichnet ist, gegeben ist durch:

2. System nach Anspruch 1, wobei das Bildrekonstrukti onssystem bei der Erzeugung der Bilddatenarrays eine Filte rung und Rückprojektion bei jedem gewichteten Projektionsda tenarray durchführt.

3. System nach Anspruch 2, wobei das Bildrekonstrukti onssystem vor der Durchführung der Filterung und Rückprojek tion Datenarrays aus einem gleichen Abtastwinkel aber von verschiedenen Erfassungseinrichtungsreihen kombiniert.

4. System nach Anspruch 3, wobei das Bildrekonstrukti onssystem, wenn eine Projektionsansicht in einer ersten Da tenreihe 360°C von einer Projektionsansicht in einer vierten Datenreihe weg ist, die Ansichten vor der Filterung und Rück projektion kombiniert.

5. System nach Anspruch 1, wobei das Bildrekonstrukti onssystem vor der Anwendung einer Gewichtungsfunktion bei je dem Projektionsdatenarray die Daten in einem Systemspeicher zur Rekonstruktion aufeinanderfolgender Schnitte speichert.

6. Verfahren zur Erzeugung eines Tomographiebildes eines Objekts (22) aus von einem Vier-Reihen-Erfassungsarray bei einer Wendelabtastung erfaßten Projektionsdaten, mit den Schritten

(a) Erzeugen von Projektionsdatenarrays, die den aus je dem der Röntgenstrahlfächerstrahlen erhaltenen Daten entspre chen, und
(b) Anwenden einer Gewichtungsfunktion bei jedem in Schritt (a) erzeugten Projektionsdatenarray zur Erzeugung je weiliger gewichteter Projektionsdatenarrays, wobei die bei jedem Datensatz anzuwendenden Gewichtungsfaktoren, die als W1(β,γ), W2(β,γ), W3(β,γ) und W4(β,γ) bezeichnet werden, sich ergeben zu:

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Erzeugen der Bilddatenarrays den Schritt
Durchführen einer Filterung und Rückprojektion bei jedem gewichteten Projektionsdatenarray umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei vor der Durchführung der Filterung und Rückprojektion die Datenarrays aus einem gleichen Faßlagerwinkel aber von verschiedenen Erfassungsein richtungsreihen kombiniert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei, wenn eine Projekti onsansicht in einer ersten Datenreihe 360° von einer Projek tionsansicht in einer vierten Datenreihe weg ist, die Ansich ten vor der Durchführung der Filterung und Rückprojektion kombiniert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei vor der Anwendung einer Gewichtungsfunktion bei jedem Projektionsdatenarray die Daten in einem Systemspeicher zur Rekonstruktion aufeinander folgender Schnitte gespeichert werden.