DE19929585A1

DE19929585A1 - Schnelle und wirksame Multiprozessor-Implementierung für eine schnelle Kegelstrahl-Bildrekonstruktion

Info

Publication number: DE19929585A1
Application number: DE19929585A
Authority: DE
Inventors: Supon Samarasekera; Frank Sauer; Kwok Tam; Ali R Bani-Hashemi
Original assignee: Siemens Corporate Research Inc
Current assignee: Siemens Corporate Research Inc
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1999-06-29
Publication date: 2000-01-05
Also published as: JP2000033084A; US5970111A

Abstract

Mit einem Computertomographie-Bildgerät wird eine dreidimensionale (3D) Bildrekonstruktion eines interessieren Bereiches eines Objektes unter Anwendung einer Mehrzahl von Prozessoren zur Verarbeitung von aufeinanderfolgenden Sätzen von Kegelstrahl-Meßdaten durchgeführt, die durch Abtastung des Objektes mit einer Kegelstrahl-Strahlungsquelle und einem Flächendetektor erfaßt werden. In einem zentralen Speicher ist eine Mehrzahl von Untersätzen von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen gespeichert, und die Anzahl von Prozessen spricht auf eine gegebene Folge von aufeinanderfolgenden Untersätzen von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen an, um die Kegelstrahl-Meßdaten in Radon abgeleitete Daten an einer Mehrzahl von Radon j-Ebenen zu konvertieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat jeder Prozessor einen ersten Eingang, der zur Aufnahme von gesendeten aufeinanderfolgenden Sätzen von Kegelstrahl-Meßdaten geschaltet ist, sowie einen zweiten Eingang, der zur Aufnahme der Untersätze von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen mit einer gegebenen Folge geschaltet ist, so daß jeder der Prozessoren die zu seinem zweiten Eingang übertragenen Kegelstrahl-Meßdaten in Radon abgeleiteten Daten für einen entsprechenden Untersatz von Radon j-Ebenen konvertiert.

Description

Hintergrund der Erfindung 1. Erfindungsgebiet

Die Erfindung betrifft allgemein Computertomographie (CT)-Bildgeräte, mit denen eine dreidimensionale (3D) Bildrekonstruktion durch Verarbeitung von Kegelsstrahl- Meßdaten durchgeführt wird, die ein Objekt darstellen, sowie insbesondere eine schnelle und wirksame Multiprozessor-Anordnung zur Ausführung der Verarbeitung zur Bildrekonstruktion.

2. Stand der Technik

Es wurde bereits ein System entwickelt, bei dem eine Kegelstrahl-Geometrie zur dreidimensionalen (3D), computertomographischen (CT)-Bilderzeugung verwendet wird, das eine Kegelstrahl-Röntgenstrahlenquelle und einen 2D Flächendetektor umfaßt. Ein abzubildendes Objekt wird vorzugsweise über einen Winkelbereich von 360° und entlang seiner gesamten Länge abgetastet, und zwar mit einem von verschiedenen Verfahren, wobei die Position des Flächendetektors relativ zu der Quelle fixiert ist und eine relative Rotations- und Translationsbewegung zwischen der Quelle und dem Objekt die Abtastung (Bestrahlung des Objektes mit Strahlungsenergie) bewirkt. Die Kegelstrahl-Lösung für die 3D CT eröffnet die Möglichkeit, sowohl für medizinische, als auch für industrielle Anwendungen eine 3D-Bilderzeugung mit erhöhter Geschwindigkeit sowie verbesserter Dosisauswertung im Vergleich zu konventionellen 3D CT-Geräten (das heißt dem Weg über eine Reihe von Scheiben, die mit parallelen oder fächerartigen Röntgenstrahlen erzeugt werden) zu erzielen.

Als ein Ergebnis der relativen Bewegung der Kegelstrahlquelle in eine Mehrzahl von Quellenpositionen (das heißt "Ansichten") entlang des Abtastweges wird mit dem Detektor eine entsprechende Anzahl von Sätzen von Kegelstrahl projizierten Meßdaten (im folgenden einfach als Meßdaten bezeichnet) gesammelt, wobei jeder Satz von Meßdaten eine Röntgenstrahlen-Dämpfung darstellt, die durch das Objekt mit einer der Quellenpositionen bewirkt wird. Nach dem Abschluß der Meßdaten-Erfassung werden die Meßdaten zur Rekonstruktion eines 3D-Bildes des Objektes verarbeitet. Im Vergleich zu der Verarbeitung, die zur Rekonstruktion eines Bildes bei Anwendung einer Röntgenstrahlquelle mit parallelen oder Fächerstrahlen erforderlich ist, ist die Verarbeitung der Meßdaten, die bei Anwendung einer Kegelstrahlquelle gesammelt werden, vom Rechenaufwand wesentlich höher. Dies beruht darauf, daß bei Anwendung einer parallelen oder Fächerstrahlquelle die Meßdaten bereits direkt eine 2D-Radon-Transformation eines Querschnitt des Objektes darstellen. Dies ist jedoch nicht der Fall, wenn eine Kegelstrahlquelle eingesetzt wird, bei der eine aufwendige Verarbeitung der gesamten Meßdaten erforderlich ist, um geeignete Radon- Transformationsdaten zu entwickeln. Eine solche Verarbeitung zur exakten Rekonstruktion eines Bildes eines Objektes umfaßt im allgemeinen:

1. eine Umwandlung der Meßdaten in Radon-abgeleitete Daten. Dies kann mit den Verfahren vorgenommen werden, die in der US-PS 5.257.183 mit dem Titel "Method and apparatus for converting cone beam x-ray projection data to planar integral and reconstructing a three-dimensional computerized tomography (CT) image of an object" vom 26. Oktober 1993 beschrieben sind, die durch Bezugname zum Bestandteil dieser Offenbarung gemacht werden soll,
2. eine Umwandlung der Radon-abgeleiteten Daten in Radon-Daten an polaren Gitterpunkten zum Beispiel unter Anwendung der Verfahren, die in der US-PS 5.446.776 mit dem Titel "Tomography with generation of Radon data on polar grid points" vom 8. August 1995 beschrieben sind, die durch Bezugname zum Bestandteil dieser Offenbarung gemacht werden soll, und
3. Durchführung einer inversen 3D-Radon-Transformation mit den Radon-Daten unter Verwendung bekannter Verfahren zur Rekonstruktion von Bilddaten, die zum Beispiel in der oben genannten US-PS 5.257.183 beschrieben sind und mit denen bei Anwendung auf eine Anzeige eine Ansicht des 3D-CT Bildes des Objektes erzeugt wird.

Auch wenn die Theorie zur exakten Rekonstruktion eines Bildes unter Verwendung der Kegelstrahl-Meßdaten zum Beispiel aus den oben genannten US-Patenten allgemein bekannt ist, hat sich die praktische Realisierung der Verarbeitung als sehr problematisch erwiesen. Einerseits ist die Menge der zu verarbeitenden Meßdaten sehr hoch, und diese Daten werden entsprechend einer Zeitsteuerung, die hauptsächlich durch die Geometrie des Abtastweges bestimmt ist, sehr schnell empfangen. Andererseits sind, wie oben bereits erwähnt wurde, die mit den gesammelten Daten durchzuführenden Berechnungen sehr aufwendig. Der Teil der Objekt- Rekonstruktion, der den größten Rechenaufwand erfordert, ist die Berechnung der Radon-abgeleiteten Daten (obige Schritte 1 und 2). Wie in den oben genannten US- Patenten sowie in der US-PS 5.463.666 mit dem Titel "Helical and circle scan region of interest computerized tomography" vom 31. Oktober 1995, die durch Bezugnahme zum Bestandteil dieser Offenbarung gemacht werden soll, erläutert ist, ist es zur Berechnung des Wertes der Radon-Daten an einem gegebenen Radon-Abtastpunkt im allgemeinen erforderlich, die von mehreren Quellenpositionen erhaltenen Meßdaten zu verarbeiten, wobei die Meßdaten von jeder Quellenposition durch Datenkombination einen Beitrag zu dem endgültigen Wert des Abtastpunktes beitragen. Im allgemeinen müssen etwa 100 × 10⁶ Linienintegral-Ableitungen während der Objekt-Rekonstruktion berechnet werden. Da jede Linienintegral-Ableitung eine Berechnung von zwei einzelnen Linienintegralen erfordert (da eines die Differenz zwischen zwei dicht beabstandeten Linienintegralen anwendet, um eine einzige Linienintegral-Ableitung zu berechnen), sind 200 × 106 einzelne Linienintegral- Berechnungen erforderlich. Bevor jedoch mit den Berechnungen dieser Linienintegral-Ableitungen auch nur begonnen werden kann, muß für jede Radon- Abtastung berechnet werden, welche Quellenpositionen die Meßdaten erzeugen, die verarbeitet werden müssen, und es muß der Umfang von Linien auf den Meßdaten bestimmt werden, entlang von denen die Integration durchgeführt werden muß. Um die beitragenden Quellenpositionen zu berechnen, muß der Quellen-Abtastweg mit der Radon-Integrationsebene gemäß der Erläuterung in der oben genannten US-PS 5.463.666 geschnitten werden. Wenn ein spiralförmiger Abtastweg verwendet wird, erfordert dies die Lösung von transzendentalen Gleichungen, die rechnerisch sehr aufwendig sind. Die Komplexität dieser oben genannten Berechnungen führt zu erheblichen Einschränkungen bei der Verarbeitung der Meßdaten, so daß eine schnelle und wirksame Bildrekonstruktion nicht möglich ist.

In der US-Patentanmeldung 08/940.489 mit dem Titel "A reduction of hitlist size in spiral cone beam CT by use of local Radon origins" vom 30. September 1997, die durch Bezugname zum Bestandteil dieser Offenbarung gemacht werden soll, wird ein schnelles und wirksames Verfahren zur Verarbeitung der gesammelten Meßdaten zur Entwicklung der Radon-abgeleiteten Daten beschrieben. Ein sphärisches Koordinatensystem (r, Q, j), das einen durch eine Mehrzahl von vertikal gerichteten axialen Ebenen unterteilten Radon-Raum definiert, wird verwendet, um die nachfolgende Inversionsverarbeitung der Radon-Daten zu erleichtern. Anstelle einer "on-the-fly" Durchführung aller Konversionsberechnungen macht dieses neue Verfahren von einer vorberechneten "relativen Hitliste" zur Beschleunigung der Konversion Gebrauch.

Kurz gefaßt weist diese relative Hitliste einen Speicher mit vorberechneten Bildrekonstruktions-Verarbeitungsinformationen auf, die die Konversion der Meßdaten zu Radon-Daten erheblich erleichtern. Die Informationen in der Hitliste werden in erster Linie aus den Geometrie-Parametern des Bildgerätes bestimmt und liegen somit bereits vor der Bildverarbeitung in dem Gerät vor. Diese Parameter sind die Steigung und andere Eigenschaften des Quellen / Detektor-Abtastweges, die Abmessungen des Objektes, die Detektorauflösung und die Abtastung des Abtastweges und des Radon-Raums. Diese Parameter definieren die Linienintegrale, die in den Meßdaten berechnet werden müssen, um die gewünschten Abtastwerte der Radon-Daten zu entwickeln. Somit beinhalten die Hitlisten-Informationen den Zusammenhang zwischen Punkten in dem Radon-Raum und den Quellenpositionen, die dazu einen Beitrag leisten, die Parameter, die die Linienintegrale definieren, die an den an jeder der Quellenpositionen gesammelten Meßdaten berechnet werden müssen, sowie andere Informationen, die für den Ablauf der Bildrekonstruktion hilfreich sind. Im allgemeinen wird der Hersteller des Bildsystems die Hitlisten-Informationen vorberechnen und in einem Speicher speichern. Die Hitlisten-Information wird während des Ablaufs der Bildverarbeitung in dem Gerät verwendet, um die Konversionsverarbeitung der gesammelten Meßdaten zu den zahlreichen Abtastwerten der Radon-abgeleiteten Daten zu unterstützen, die erforderlich sind, um den Bereich der Radon-Unterstützung für eine geeignete Rekonstruktion des Objektes aufzufüllen. Ferner können aufgrund einer Symmetrie, die in die nachfolgende Radon- Inversionsverarbeitung eingeführt wird, die Informationen, die für nur eine der Radon- Raum-j-Ebenen gespeichert sind, zur Berechnung der Radon-abgeleiteten Daten für alle anderen Radon-Raum-j-Ebenen verwendet werden. Dadurch werden die Speicheranforderungen für die Hitliste erheblich reduziert. Die Anwendung der Hitliste mit vorberechneten Ergebnissen führt zu einer erheblichen Verbesserung der Geschwindigkeit und Wirksamkeit der Bild-Rekonstruktionsverarbeitung im Vergleich zu einer Konversionsverarbeitung ohne eine solche Hitliste.

Es ist somit wünschenswert, eine wirksame Multiprozessor-Anordnung zur Ausführung einer Bildrekonstruktionsverarbeitung zu schaffen, die solche vorberechneten Informationen nutzt.

Zusammenfassung der Erfindung

In Übereinstimmung mit den Grundsätzen der Erfindung wird mit einem Computertomographie-Bildgerät eine dreidimensionale (3D) Bildrekonstruktion eines interessierenden Bereiches eines Objektes unter Anwendung einer Mehrzahl von Prozessoren zur Verarbeitung von aufeinanderfolgenden Sätzen von Kegelstrahl- Meßdaten durchgeführt, die durch Abtastung um das Objekt mit einer Kegelstrahl- Strahlungsquelle und einem Flächendetektor erzeugt werden. In einem zentralen Speicher ist eine Mehrzahl von Untersätzen von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen gespeichert, und die Anzahl von Prozessoren reagiert auf aufeinanderfolgende Untersätze von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen zur Umwandlung der Kegelstrahl-Meßdaten in Radon-abgeleitete Daten in einer Mehrzahl von Radon- j-Ebenen. Jeder Prozessor umfaßt einen ersten Eingang, der zum Empfang der aufeinanderfolgenden Sätze von Kegelstrahl-Meßdaten in einer übertragenen Weise geschaltet ist, sowie einen zweiten Eingang, der zum Empfang der Untersätze von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen in einer gegebenen Folge geschaltet ist, so daß jeder der Prozessoren die zu seinem zweiten Eingang übertragenen Kegelstrahl-Meßdaten zu Radon-abgeleiteten Daten für einen entsprechenden Untersatz der Radon- j-Ebenen konvertiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Mehrzahl von lokalen Speichern miteinander verbunden, um die Untersätze von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen wie durch eine Rohrleitung untereinander zu übertragen und ferner auch mit dem zweiten Eingang der entsprechenden Prozessoren verbunden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild und eine vereinfachte perspektivische Darstellung der Abbildung eines Objektes unter Anwendung eines Kegelstrahl-Bildgerätes, wobei eine Hitliste mit vorberechneten Informationen zur Bildrekonstruktionsverarbeitung verwendet wird.

Fig. 2 zeigt eine inverse 3D-Radon-Transformationsverarbeitung.

Fig. 3a und 3b zeigen die Bestimmung der Quellenpositionen, die einen Beitrag zu einem gegebenen Radon-Abtastpunkt leisten.

Fig. 4 zeigt die Bestimmung von Quellenpositionen, die einen Beitrag zu einem Radon-Abtastpunkt leisten, der auf ausgewählten aufeinanderfolgenden j-Ebenen in dem Radon-Raum ähnlich positioniert ist.

Fig. 5 zeigt die Anwendung des Verfahrens der lokalen Radon-Ursprünge frär aufeinanderfolgende j-Ebenen gemäß Fig. 4 zum Einführen einer Symmetrie in die darin gezeigten Bestimmungen und zur Anwendung einer relativen Hitliste mit reduzierter Größe.

Fig. 6 zeigt eine Multiprozessor-Anordnung gemäß der Erfindung zur Verarbeitung der Kegelstrahl-Meßdaten gemäß Fig. 1 zur Entwicklung von Radon-abgeleiteten Daten.

Fig. 7 zeigt eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Multiprozessor- Anordnung.

Fig. 8 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Multiprozessor-Anordnung

Fig. 9a und 9b zeigen weitere alternative Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Multiprozessor-Anordnung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt ein Kegelstrahl 3D CT Bildgerät, das gemäß den Grundsätzen der Erfindung arbeitet. Mit Ausnahme von dem, was später mit Bezug auf die Implementierung der Bildrekonstruktionsverarbeitung gemäß der Erfindung beschrieben werden wird, ist das dargestellte Bildgerät im wesentlichen so konstruiert und arbeitet in der Weise, wie es in den oben genannten US-PSen 5.257.183 und 5.446.776 beschrieben ist.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, bewirkt ein computergesteuerter Manipulator 6 in Abhängigkeit von Steuersignalen von einem geeigneten programmierbaren Computer 8, daß eine Quelle 10 für Kegelsstrahl-Energie (wie zum Beispiel Röntgenstrahlen) und ein zweidimensionaler Flächendetektor 12 an einer Mehrzahl von diskreten, nacheinander auftretenden, benachbarten Quellenpositionen entlang eines vordefinierten Quellen-Abtastweges, der als spiralförmiger, um eine vorbestimmte Achse 15 eines Objektes 16 zentrierter Abtastweg 14 dargestellt ist, zur Abtastung zusammenwirken. Als Ergebnis des Zusammenwirkens zwischen Quelle und Detektor empfängt der Detektor 12 vollständige Kegelsstrahl-Meßdaten, die zur Rekonstruktion eines Bildes des Objektes 16 verwendet werden. Alternativ dazu könnte das Objekt 16 auch ebenso gut gedreht und verschoben werden, um eine Abtastung mit einer festen Positionen von Quelle und Detektor zu erreichen. Ferner kann die Abtastung kontinuierlich oder schrittweise durchgeführt werden. Der Abtastweg kann gleichmäßig beabstandete Schleifen (die zuweilen auch als Stufen bezeichnet werden) oder Schleifen mit wachsender Steigerung an den oberen und unteren Kanten des Bereiches des darzustellenden Objektes haben. Schließlich kann die Quelle 10, die als Röntgenstrahlen-Quelle dargestellt ist, auch andere Arten von Strahlungsenergie wie zum Beispiel Neutronen, Positronen usw. erzeugen.

Der Computer 6, der Manipulator 8, die Quelle 10 und der Detektor 12 wirken zusammen, um eine Abtastung des Objektes in einer allgemein bekannten Weise zu bewirken, wie sie zum Beispiel im Detail in dem oben genannten US-PS 5.463.666 beschrieben ist, so daß weitere detaillierte Erläuterungen dieses Teils der Arbeitsweise des Kegelstrahl-Bildgerätes nicht erforderlich sind.

Wenn die Röntgenstrahlen-Energie durch das Gesichtsfeld des Bildgerätes fällt, werden Meßsignale, die mit der erfaßten Röntgenstrahl-Energie korrespondieren, die auf Elemente innerhalb des Detektor 12 fällt, einem Datenerfassungs-System (DAS) 17 zugeführt, das, ebenso wie die oben beschriebenen Teile der Fig. 1, in einer allgemein bekannten Weise arbeiten kann, um die Meßdaten, die mit den gesammelten Meßsignalen korrespondieren, zu digitalisieren, vorzuverarbeiten und zu speichern. Die Meßdaten aus dem DAS 17 werden einem Pufferspeicher sowie einem Bild- Rekonstruktionsprozessor 18 zugeführt, der im allgemeinen einen Computer umfaßt, der zur Durchführung verschiedener Datenumwandlungen, mit denen die Meßdaten zur Rekonstruktion eines Bildes verarbeitet werden, programmiert ist, wobei die Funktionalität der Verarbeitung durch die Blöcke 20 bis 26 innerhalb des Prozessors 18 dargestellt ist. Im einzelnen werden mit einem Block 20 die Meßdaten so verarbeitet, daß sie zu Radon-abgeleiteten Daten konvertiert werden. Zur Erleichterung der Radon-Inversions-Verarbeitung wird vorzugsweise ein sphärisches Koordinatensystem (r, Q, j) verwendet. Wie im Detail weiter unten noch beschrieben werden wird, wird dies durch Anwendung einer "relativen" Hitliste (H_r) von vorberechneten Bildrekonstruktions-Verarbeitungsinformationen erreicht, die in einer Datenbank 21 gespeichert sind und während des laufenden Betriebs des Gerätes zur Verarbeitung der gesammelten Meßdaten zur Entwicklung der Radon-abgeleiteten Daten verwendet werden.

Mit dem Block 22 werden die Radon-abgeleiteten Daten an gleichmäßig beanstandeten polaren Gitterpunkten zum Beispiel unter Verwendung eines Verfahrens, das im Detail in Verbindung mit Fig. 5 in der oben genannten US-PS 5.446.776 beschrieben ist, in Radon-Daten konvertiert. Kurz gefaßt wird dort beschrieben, daß die Radon-abgeleiteten Daten aus Block 20 in Radon-abgeleitete Daten an gleichmäßig beabstandeten polaren Gitterpunkten unter Verwendung des nächsten Nachbarn oder eines Interpolationsverfahrens konvertiert und anschließend summiert werden, um die Radon-Daten an gleich beabstandeten polaren Gitterpunkten zu entwickeln. Die in der Datenbank 21 gespeicherte Hitliste der Rekonstruktions- Verarbeitungsinformationen stellt vorzugsweise auch vorberechnete Informationen während dieses Teils der Rekonstruktionsverarbeitung zur Verfügung, wie zum Beispiel Informationen zur Gewichtung, die zur Interpolationsverarbeitung (wie sie durch die gestrichelte Linie zwischen Block 21 und Block 22 angedeutet ist) verwendet werden, wodurch die Geschwindigkeit und die Wirksamkeit dieses Teils der Rekonstruktionsverarbeitung ebenfalls verbessert wird.

Mit dem Block 24 werden die Radon-Daten einer inversen 3D Radon- Transformationsverarbeitung unterworfen. Fig. 2 zeigt allgemein ein Beispiel für einen Ablauf einer 3D Radon-Inversion in zwei Schritten, die in Verbindung mit der Erfindung verwendet wird. Der Ablauf der 3D Radon-Inversion mit zwei Schritten gemäß Block 24 ist, mit Ausnahme geringfügiger Modifikationen, die später beschrieben werden sollen, allgemein bekannt und zum Beispiel in der oben genannten US-PS 5.257.183 beschrieben. Kurz gefaßt wird mit den Radon-Daten aus dem Block 22 begonnen, die in einem Radon-Raum 200 abgetastet wurden, der durch ein sphärisches Koordinatensystem (r, Q, j) definiert ist, wobei eine j-Ebene 202 einer Mehrzahl von vertikal gerichteten koaxialen j-Ebenen mit einer polaren Gitterkoordinate dargestellt ist. Mit dem ersten Inversions-Verarbeitungsschritt werden 2D Radon-Inversionen der Radon-Daten in jeder der j-Ebenen unter Anwendung eines Verfahrens wie zum Beispiel einer gefilterten Rückprojektion vorgenommen. Jede j-Ebene enthält dann eine 2D Projektion 204 des Objektes für korrespondierende Sichtwinkel, die in einem kartesischen Koordinatensystem (r', z) abgetastet sind. Nach dem Abschluß der ersten 2D Inversion sind Informationen über das gesamte Objekt in einem zylindrischen Koordinatenraum 206 (r', j, z) enthalten. Mit einem zweiten Inversionsschritt werden horizontale Ebenen 208 (z-Schnitte) parallel zu der z-Achse in dem Raum 206 definiert und einer Inversionsverarbeitung unterworfen, um nacheinander für jeden Schnitt die Daten zu entwickeln, die ein 3D Bild des Objektes in dem Objektraum 210 beschreiben. Im einzelnen wird für jeden z- Schnitt 208 ein 2D CT Rekonstruktionsablauf, wie zum Beispiel eine gefilterte Rückprojektion, auf die Werte der 2D Projektionsbilder in der Ebene des z-Schnittes angewendet, wodurch für jeden z-Schnitt ein 2D Bild 212 des Objektes berechnet wird. Das letztendliche Ergebnis sind Bilddaten, die die räumliche Verteilung des 3D Objektes, das in dem kartesischen Koordinatensystem (x, y, z) abgetastet wurde, darstellen.

Gemäß Fig. 1 werden die durch den Block 24 entwickelten Bilddaten in einem Block 26 gespeichert und dann von dem Rekonstruktionsprozessor 18 einem Display 28 zugeführt, das in bekannter Weise arbeitet, um eine 3D CT Ansicht des Objektes 16 zu erzeugen.

Mit Ausnahme der Bestimmung und der Anwendung der relativen Hitliste, die als nächstes beschrieben werden soll, ist eine detaillierte Erläuterung der Blöcke gemäß Fig. 1 in den oben genannten US-Patenten zu finden.

Wie bereits erläutert wurde und wie es auch in der oben genannten US-Anmeldung Nr. 08/940.489 im Detail beschrieben ist, werden vor dem Betrieb des Kegelstrahl- Bildgerätes zum Erfassen und Verarbeiten der Meßdaten zur Rekonstruktion eines Bildes eines Objektes die zur Verarbeitung der gesammelten Meßdaten erforderlichen Informationen vorberechnet und in der Datenbank 21 gespeichert, die alternativ auch als Hitliste bezeichnet wird. Die vorberechneten Informationen werden dann während des Abbildungsbetriebes des Kegelstrahl-Gerätes zur Verarbeitung der gesammelten Meßdaten verwendet, um die Radon-abgeleiteten Daten zu entwickeln. Allgemein formuliert enthält die Hitliste Verarbeitungsinformationen, die in erster Linie aus den geometrischen Parametern des Bildgerätes bestimmt werden, die während seines Abbildungsbetriebes vorbestimmt sind, wie zum Beispiel die Steigung und andere Parameter des Quellen / Detektor-Abtastweges, die Abmessungen des Objektes, die Detektorauflösung und eine gewünschte Abtastung des Abtastweges und des Radon- Raums. Die Informationen in der Hitliste beinhalten eine Korrespondenz zwischen Punkten in dem Radon-Raum und den Quellenpositionen, die dazu einen Beitrag leisten, Parameter, die die Linienintegrale definieren, die an den an jeder Quellenposition gesammelten Meßdaten berechnet werden müssen, sowie andere Informationen, die zur Bild-Rekonstruktionsverarbeitung nützlich sind.

Eine Vorberechnung der Hitlisten-Informationen führt zu einer erheblichen Erhöhung der Geschwindigkeit der laufenden (Bild-)Verarbeitung der Meßdaten und hat ferner eine wesentlich verbesserte Wirksamkeit bei der Implementierung der Bild- Rekonstruktionsverarbeitung zur Folge. Da jedoch, wie es im Detail in der oben genannten US-Anmeldung 08/940.489 beschrieben ist, die Hitlisten-Informationen zur Bestimmung von Daten für jeden der zahlreichen Punkte in dem Radon-Raum erforderlich sind, der den Bereich der Objektunterstützung definiert, kann die Hitliste sehr groß werden.

Folglich wird zur Verkleinerung der Hitliste eine Symmetrie in die Bild- Rekonstruktionsverarbeitung eingeführt, die die Korrespondenz zwischen Punkten in dem Radon-Raum und den Quellenpositionen bestimmt. Als ein Ergebnis dieser eingeführten Symmetrie sind die Hitliste-Informationen, die zur Bestimmung der Beiträge zu den Radon-Punkten von einer der j-Ebenen berechnet wurden, auch zur Verarbeitung der Meßdaten geeignet, um die Beiträge zu den Radon-Daten für andere j-Ebenen zu entwickeln. Die Art und Weise der Einführung dieser Symmetrie in die Bild-Rekonstruktionsverarbeitung soll in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben werden.

Bevor jedoch beschrieben wird, wie die Symmetrie im Detail eingeführt wird, soll für zusätzliche Hintergrundinformationen zunächst auf die Fig. 3 und 4 Bezug genommen werden. Fig. 3 zeigt die Bestimmung von Quellenpositionen S_n1, S_n2 und S_n3 entlang des Abtastweges 302, an denen Meßdaten gesammelt werden, die zum Beitrag zu einem gegebenen Radon-Abtastpunkt zu verarbeiten sind. Wie allgemein bekannt ist, kann das 3D Radon-Transformationsdatum an einem gegebenen Punkt (r, Q, j) eindeutig durch das planare Integral des Röntgenstrahlen- Dämpfungskoeffizienten des Objektes bestimmt werden, wobei die Integrationsebene durch den Vektor (r, Q, j) bestimmt ist (nicht dargestellt). Die Meßdaten, die durch den Detektor an den Quellenpositionen erfaßt werden, die auf der Integrationsebene liegen, tragen zu dem betreffenden Radon-Wert bei. Fig. 3a zeigt diese Situation dreidimensional. Die dargestellte beispielhäfte Integrationsebene 304 schneidet den spiralförmigen Abtastweg 302 an den Positionen S_n1, S_n2 und S_n3. Die Schnittpunkte liegen auf einer mit einer gestrichelten Linie 305 angedeuteten Ellipse, die durch Projektion der Spirale in Richtung der z-Achse auf die Integrationsebene 304 erzeugt wird. Zur Berechnung dieser Schnittpunkte wird lediglich sowohl der Abtastweg 302, als auch die Integrationsebene 304 in die j-Ebene (bestimmt durch die j-Koordinate des Radon-Punktes) gemäß der Darstellung in Fig. 3b projiziert. Anschließend muß das 2D Problem des Schnittes einer Sinus-Funktion 306 (Projektion der Spirale 302 in die j-Ebene) mit einer Linie 308 (Projektion der Ebene 304 in die j-Ebene) gelöst werden, um die Positionen der Punkte S_n1, S_n2 und S_n3 zu bestimmen. Schließlich werden diese Positionen auf der Basis der Kenntnis der Geometrie des Abtastweges 302 zurück in den 3D Raum übertragen. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis die Quellen-Positionsinformationen für alle die Radon-Punkte entwickelt worden sind, die zur Rekonstruktion eines Bildes des Objektes mit einer gewünschten Auflösung gewünscht werden.

Fig. 4 zeigt die Bestimmung der Quellenpositionen, die zu den Radon-Abtastpunkten beitragen, die auf ausgewählten, aufeinanderfolgenden j-Ebenen in dem Radon-Raum ähnlich positioniert sind, das heißt Radon-Abtastpunkte, die die gleichen r- und Q- Koordinaten aufweisen, wobei beispielhafte j-Ebenen 0°, 30° und 60° dargestellt sind. Wie daraus deutlich wird, verschiebt sich die Projektion der Spirale entlang der z- Achse, wenn man sich von j-Ebene zu j-Ebene bewegt und r und Q konstant hält, was zu neuen Schnittpunkten führt. Unglücklicherweise sind die neuen Schnittpunkte nur in sehr nichtlinearer Weise mit den vorhergehenden verknüpft. Wenn diese Ergebnisse in der Hitliste gespeichert werden, benötigt man getrennte, das heißt eindeutige Einträge für die Radon-Abtastpunkte für jede der zahlreichen j-Ebenen, die den Radon-Raum aufteilen. Für eine detailliertere Beschreibung wird auf die oben genannte US-PS 5.257.183 (Fig. 3 bis 10) und die oben genannte US-Anmeldung Nr. 08/940.489 verwiesen.

Auch wenn sich die Position der Schnittpunkte der Projektionen der Integrationsebenen mit dem spiralförmigen Abtastweg (das heißt die beitragenden Quellenpositionen) zwischen den j-Ebenen in stark nichtlinearer Weise ändert, ändert sich die Verschiebung der Projektionen der Spirale entlang der z-Achse in gut vorhersehbarer und linearer Weise. Wie anhand der drei j-Ebenen in Fig. 4 deutlich wird, "verschiebt" sich die Projektion des spiralförmigen Abtastweges in Richtung der z-Achse mit einem Anstieg des j-Ebenen-Index (zum Beispiel für 0° ist 30° bis 60°). Das Verfahren der relativen Hitliste macht in der Hinsicht von dem Vorteil dieser Vorhersehbarkeit Gebrauch, daß die Hitlisten-Einträge, die für die Radon- Abtastpunkte auf einer j-Ebene berechnet wurden, für die ähnlich positionierten Radon-Abtastpunkte in anderen und tatsächlich in allen anderen j-Ebenen verwendet werden können. Eine graphische Darstellung des Verfahrens, mit dem dieses Ergebnis erzielt wird, ist in Fig. 5 gezeigt. Wie dort zu erkennen ist, wird der Radon-Ursprung an jeder von aufeinanderfolgenden j-Ebenen (wobei nur die Ebenen bei 0°, 30° und 60° gezeigt sind) um einen Betrag (Dz) verschoben, der mit der Größe der z- Achsenverschiebung korrespondiert, die die Projektion des Spiralweges 302 zwischen aufeinanderfolgenden j-Ebenen erfährt. Das in Fig. 4 gezeigte Dz korrespondiert mit Dz-mal der Anzahl von j-Ebenen zwischen 0° und 30°.

Als Ergebnis der Verschiebung des Ursprungs bei aufeinanderfolgenden j-Ebenen sind die Schnittpunkte zwischen den Projektionen der Spirale und der Integrationsebene in den lokalen Koordinatensystemen jeder j-Ebene die gleichen. Folglich tragen in einem relativen Sinn die gleichen Quellenpositionen zu einer gegebenen r, Q Radon-Position unabhängig von der j-Ebene bei, und die Rekonstruktionsinformationen in der Hitliste, die für eine gegebene j-Ebene vorgesehen sind, können nun erneut zur Bestimmung der Radon-Daten in jeder der aufeinanderfolgenden j-Ebenen verwendet werden. Das einzige, was noch zu tun bleibt, ist eine Kompensation in der folgenden Verarbeitung, um die Ursprungsverschiebungen der j-Ebenen zu berücksichtigen.

Somit ermöglicht die Zwei-Schritt Radon-Inversionsverarbeitung gemäß Block 24 in Fig. 1, auf jeder der j-Ebenen, die die Radon-Transformationsdaten enthalten, einen lokalen Radon-Ursprung zu setzen, der unabhängig von dem lokalen Ursprung jeder anderen der j-Ebenen ist. Somit kann die Verschiebung der lokalen Radon-Ursprünge der j-Ebenen des Radon-Raums verfolgt und während der Radon- Inversionsverarbeitung kompensiert werden.

Im einzelnen kann die Kompensation während des ersten Schrittes der in Fig. 2 gezeigten Radon-Inversionsverarbeitung vorgenommen werden, und zwar durch Rückprojektion der Radon-Daten (aus dem j-Ebenen) auf die Abtastgitter (z, r'), die nicht verschoben werden, das heißt gegenüber den lokalen Radon-Ursprüngen versetzt sind. Somit sind die Abtastgitter bereits in Richtung der z-Achse ausgerichtet und als solche Teil eines globalen Gitters. Folglich wird der z-Achsenversatz der Radon- Ursprünge in einfacher Weise durch Einführung eines korrespondierenden z-Achsen- Delta in die Koordinaten-Variablen während der Radon-Inversions-Rückprojektion berücksichtigt. Alternativ dazu ist auch eine Rückprojektion auf die z, r'-Gitter möglich, die entlang der lokalen Radon-Ursprünge verschoben werden, wobei dann, vor der Durchführung des zweiten Schrittes der Inversionsverarbeitung (2D Radon- Inversion in den z-Ebenen) die Rückprojektionsergebnisse, d. h. die Bilder 204, um einen entsprechenden Betrag in der Richtung der z-Achse verschoben werden, um die vorherige z-Verschiebung zu kompensieren. Diese Verschiebung kann in einfacher Weise unter Anwendung von bekannten Interpolationsverfahren vorgenommen werden.

Anschließend folgt nun eine Beschreibung der Berechnung der in der "relativen" Hitliste 21 enthaltenen Informationen sowie der Extraktion der Informationen über alle j-Ebenen. Zunächst ist es jedoch erforderlich, die Nomenklatur zu erläutern.

Der spiralförmige Abtastweg ist in einem zylindrischen Koordinatensystem definiert, in dem die z-Achse mit der Achse der Spirale zusammenfällt.

Der Radon-Raum ist in Bezug auf ein sphärisches Koordinatensystem definiert, bei dem die Achse, um die der Winkel j gemessen wird, mit der z-Achse des zylindrischen Koordinatensystems zusammenfällt.

Der spiralförmige Abtastweg wird mit gleichbeabstandeten j-Intervallen mit einer Schrittweite Dj_Quelle abgetastet. Die entlang des Abtastweges abgetasteten Quellenpositionen sind mit S_n, n = 0, N_s-1 bezeichnet. Die Anzahl von Quellenpositionen N_s hängt von der Länge des Abtastweges und dem Abtastintervall ab.

Die j-Ebenen in dem Radon-Raum werden mit gleichbeabstandeten j-Intervallen mit einer Schrittweite Dj_Radon abgetastet. Die abgetasteten j-Ebenen sind mit j_m, M = 0, . . . M- 1 bezeichnet. Die Anzahl von j-Ebenen ist durch M = p/Dj_Radon gegeben. Die Schrittweite Dj_Radon ist so zu wählen, daß M eine ganze Zahl ist. Es ist vorteilhaft, wenn M eine gerade ganze Zahl ist. Dies sollte im folgenden angenommen werden. Ferner werden folgende Zuordnungen getroffen: j₀ = -p/2 und j_M-1 = p/2-Dj_Rado", was zu der Korrespondenz J_M/2 = 0 führt.

Damit das System der lokalen Radon-Ursprünge in optimaler Weise läuft, wird angenommen, daß Dj_Quelle = Dj_Radon.

Für jede der verschiedenen j-Ebenen wird ein anderer Radon-Ursprung verwendet. Wenn man sich von einer j-Ebene mit dem Winkelabstand Dj = Dj_Radon zu der nächsten Ebene bewegt, wird der lokale Radon-Ursprung um Dz verschoben. Diese Verschiebung Dz ist durch die Steigung p des spiralförmigen Abtastweges und das Abtast-Winkelintervall auf dem Abtastweg Dj = Dj_Quelle bestimmt. Die Steigung p der Spirale drückt aus, um wieviel der Abtastweg in z-Richtung während einer vollen 2p Drehung fortschreitet. Wenn man sich von einer Quellenabtastung auf der Spirale um Dj (= Dj_Quelle = Dj_Radon) zu der nächsten bewegt, bewegt man sich in z-Richtung um Dz = pDj_Quelle/2p. Somit kann man durch Anwenden der gleichen Verschiebung Dz auf die lokalen Ursprünge der j-Ebenen in dem Radon-Raum in bezug auf die lokalen Koordinatensysteme bewirken, daß die Projektion des spiralförmigen Abtastweges auf jeder j-Ebene gleich aussieht. Dadurch ist eine Verwendung der Informationen in der relativen Hitliste zur Bestimmung der Radon-Daten für alle j-Ebenen möglich.

Einzelheiten der Berechnung der Hitliste

Zur Berechnung der Informationen in der Hitliste wird zunächst eine bestimmte j- Ebene in dem Radon-Raum ausgewählt, die zur Berechnung der Informationen für die relative Hitliste ausgewählt wird. Diese Ebene wird als j_M/2-Ebene bezeichnet. Als nächstes wird berechnet, wie jede abgetastete Quellenposition S_n zu den Radon-Daten in der j_M/2-Ebene, das heißt zu allen abgetasteten Radon-Positionen (r_i, Q, j_M/2), die in dieser Ebene liegen, beiträgt. Es werden alle abgetasteten Radon-Positionen (r_i, Q, j_M/2) betrachtet, und für jede solche Radon-Position werden die beitragenden Quellenpositionen gemäß obiger Beschreibung in Verbindung mit Fig. 3 berechnet.

Im Idealfall werden Messungen vorgenommen, wenn sich die Quelle genau an diesen Schnittpunkten befindet. Da jedoch der Abtastweg abgetastet wird, müssen die aktuellen Quellenpositionen gewählt werden, die den Idealpositionen am nächsten kommen. Dabei kann man entweder den nächstliegenden Nachbarn verwenden (diejenige tatsächliche Quellenposition, die sich am nächsten an der idealen Position befindet), oder es wird eine Interpolation vorgenommen, wobei zwei tatsächliche Quellenpositionen, die am nächsten an der idealen Position liegen, in einer gewichteten Weise einen Beitrag leisten.

Diese durch den Radon-Raum beaufschlagte Hitliste wird anschließend zu einer gewünschten Quellenraum-beaufschlagten Version sortiert, bei der die Informationen eine Reihenfolge entsprechend der einzelnen Quellenpositionen aufweisen. Diese durch die Quelle bestimmte Version der relativen Hitliste wird zur Anwendung während der Bild-Rekonstruktionsverarbeitung der gesammelten Meßdaten gemäß obiger Beschreibung gespeichert.

Details der Struktur der Hitliste

Die in der relativen Hitliste gespeicherten Informationen seien wie folgt bezeichnet:

I_n || ^∼I_n,M/2, n = 0, . . . N_I.

Es ist möglich, daß die ganze Zahl N_I größer sein muß, als die Anzahl von Quellenpositionen, sie kann jedoch auch kleiner sein. Das genaue Verhältnis zwischen N_I und N_S hängt von der relativen Größe des Objektes in Bezug auf die Parameter des spiralförmigen Abtastweges ab. ^∼I_n,M/2 bedeutet, daß die betreffende Information für die Quellenposition S_n in Bezug auf die j_M/2-Ebene in dem Radon-Raum vorgesehen ist.

^∼I_n,M/2 kann folgende Struktur haben, die eine Liste von Radon-Positionen (auf der jMC- Ebene) umfaßt, zu der die Quelle S_n beiträgt, und die Parameter spezifizieren die korrespondierenden Integrationslinien:

I_n || ^∼I_n,M/2 = n,

Zur weiteren Verdeutlichung der Art und Weise der Anwendung der relativen Hitliste sei nun betrachtet wie die von der Quellenposition S_n gesammelten Meßdaten zu den j_m-Ebenen für m M/2 beitragen. Wenn die lokalen Radon-Ursprünge wie oben beschrieben verschoben werden, ergibt sich die folgende Situation: die Koordinaten der Quellenposition S_n-1 sind mit Bezug auf das lokale Koordinatensystem der j_M/2- Ebene die gleichen, wie diejenigen der Quellenposition S_n, und zwar betrachtet von dem lokalen Koordinatensystem der j_M/2+i1-Ebene. Somit tragen die Meßdaten von der Quellenposition S_n zu den Radon-Positionen in der j_M/2+1-Ebene in gleicher Weise bei, wie die Meßdaten von der Quellenposition S_n-1 zu den Radon-Positionen in der j_M/2- Ebene beitragen. Die entsprechende Information ist in I_n-1 gespeichert. Dies ist zutreffend, solange die Indizes n und m in der gleichen Richtung ansteigen. Wenn der Index n in einer Richtung steigt, in der der Index m abfällt, tragen die Meßdaten von der Quellenposition S_n+1 zu den Radon-Positionen in der j_M/2-Ebene in gleicher Weise bei, wie die Meßdaten von der Quellenposition S_n zu den Radon-Positionen in der j_M/2+1-Ebene beitragen.

Wenn allgemein I_n,m die Bild-Rekonstruktionsinformationen zur Verarbeitung der Meßdaten von der Quellenposition S_n zur Entwicklung der Beiträge zu den Radon- Positionen in der j_m-Ebene bezeichnet, gilt allgemein folgender Zusammenhang:

Dies bedeutet, daß die Information I_n,m in der relativen Hitliste dadurch gefunden werden kann, daß geprüft wird, wie die Quelle S_n _Dm zu der j_M/2-Ebene beiträgt. Es sei noch einmal darauf hingewiesen, daß das Pluszeic en gilt, wenn die Indizes n und m in der gleichen Richtung abfallen, und daß das Minuszeichen gilt, wenn die Indizes n und m in der gleichen Richtung ansteigen.

Wie bereits oben angenommen wurde, sei davon ausgegangen, daß M eine gerade ganze Zahl ist, so daß es M Werte von Dm im Bereich von -M/2+1, -M/2+2, . . ., M/2-1, M/2 gibt. Zur Verarbeitung der Meßdaten, die von einer gegebenen Quellenposition S_n erhalten wurden, ist also die relative Hitlisten-Information

heranzuziehen, und zu erfahren, wie dieser Meßdatensatz zu den Radon-Positionen in jeder der j-Ebenen beiträgt.

Während des laufenden Betriebes (Abbildungsbetrieb des Gerätes) werden die gemessenen Projektionsdaten (die durch Normalisierung, Skalierung, Korrektur von Detektor-Nichtlinearitäten usw. vorverarbeitet werden können) durch das DAS 17 dem Prozessor 18 zur Bild-Rekonstruktionsverarbeitung zugeführt. Wie bereits beschrieben wurde, müssen als nächstes zahlreiche Linienintegral-Berechnungen mit den Projektionsdaten durchgeführt werden, um die Radon-Daten des Objektes zu berechnen.

In Übereinstimmung mit den Grundsätzen der Erfindung wird eine Beschleunigung der Radon-Daten-Berechnungen unter Anwendung einer wirksamen parallelen Verarbeitungsanordnung erzielt. Die in den Fig. 6 bis 9 gezeigte Anordnung hat folgende Eigenschaften:

- Die Anzahl von diskreten Prozessoren N_p des Mikroprozessor-Systems ist gleich der Anzahl von j-Ebenen in dem Radon-Raum, dividiert durch eine ganze Zahl q. Somit ist jeder Prozessor einer bestimmten j-Ebene (in dem Fall, in dem q = 1) oder einem festen Satz von q j-Ebenen zur Verarbeitung zugeordnet.
- Die Meßdaten werden an alle Prozessoren gesendet (das heißt die Daten befinden sich in einem gemeinsamen Speicher, auf den alle Prozessoren Zugriff haben). Jeder Prozessor erhält und speichert lokal Kopien der Meßdaten, die zur Verarbeitung zu verwenden sind.
- Jeder Prozessor speichert die Hitlisten-Information, die er für den laufenden Task benötigt (Verarbeitung der Daten von der Quelle S_n, um einen Beitrag zu dem festen Satz von j-Ebenen zu leisten) in seinem eigenen lokalen Speicher.
- Die relativen Hitlisten-Daten (Informationen J_n,m) werden dem Multiprozessor- System wie durch eine Rohrleitung zugeführt. Nachdem die Daten vor der Quelle S_n verarbeitet worden sind, bewegt sich die Hitlisten-Information "stromabwärts", so daß jeder Prozessor in seinem zugeordneten lokalen Speicher die Informationen zur Verfügung hat, die zur Verarbeitung der an der nächsten Quellenposition S_n+1 erhaltenen Meßdaten erforderlich sind.

Es sei angenommen, daß der Prozessor für die Radon j_m-Ebene zuständig ist und daß die Indizes n und m in gleicher Richtung ansteigen. Um die Daten von der Quellenposition S_n zu verarbeiten, benutzt dieser Prozessor die Hitlisten-Information I_n+(_M/2-m). Für die nächste Quellenposition S_n+1 benötigt der Prozessor die Informationen I_n+1+(M/2-m) = I_{n+(M/2-(m-1))}, d. h. diejenigen Informationen, die der Prozessor, der für die Radon j_m-1-Ebene (der "j_m-1-Prozessor") verantwortlich ist, benutzt, um die Daten von der Quellenposition S_n zu verarbeiten. Nachdem dann die Daten von der Quellenposition S_n verarbeitet worden sind, muß der "j_m-1-Prozessor" seine gegenwärtigen Hitlisten-Informationen weiter zu dem "j_m-Prozessor" übergeben, der wiederum seine gegenwärtigen Hitlisten-Informationen dem "j_m-1- Prozessor" zuführt usw.. An einem Ende der Rohrleitung erhält der "j_M+1-Prozessor" die Hitlisten-Informationen, die neu sind (das heißt während des gegenwärtigen Rekonstruktionslaufes noch nicht durch einen anderen Prozessor verwendet wurden), und der "j_M-1-Prozessor" löscht seine gegenwärtige Hitlisten-Information, da sie für die nachfolgenden Quellenpositionen nicht mehr benötigt wird. Die "Speisung" kann an jedem Speichermedium wie zum Beispiel an einem RAM, ROM Festplatte, usw. beginnen, das die vollständige relative Hitliste enthält.

- In dem Fall, in dem q<1 ist, d. h. in dem gemäß Fig. 7 jeder Prozessor für mehr als eine j-Ebene verantwortlich ist, werden die j-Ebenen dem Prozessor in verschachtelter (interlaced) Weise zugeordnet. Jeder Prozessor arbeitet auf jeder (N_p)ten j-Ebene (anstelle an einem Block von q aufeinanderfolgenden j-Ebenen). Dadurch wird die Belastung zwischen den Prozessoren ausgeglichen.
- Die Prozessoren sind vorzugsweise auf den speziellen numerischen Task, den sie auszuführen haben, zum Beispiel auf eine Linienintegration, spezialisiert (d. h. sie enthalten spezialisierte Verarbeitungseinheiten).

Die durch die Prozessoren berechneten Radon-Daten werden gesammelt und in einem lokalen Speicher gespeichert, bis sie für alle Radon-Positionen berechnet worden sind. An den gleichen Prozessoren können an einer j-Ebene durch eine j-Ebenen-Basis oder an einer anderen Stufe des Prozessors weitere Verarbeitungen auftreten. In diesem letztgenannten Fall werden Daten entweder zu diesen anderen Prozessoren übertragen oder dieses anderen Prozessoren teilen korrespondierende lokale Speicher mit den vorhergehenden Prozessoren.

Mit der beschriebenen Architektur werden somit verschiedene Prozessoren verschiedenen j-Ebenen in dem Radon-Raum zugewiesen. Die Meßdaten werden zu den lokalen Speichern der Prozessoren über einen globalen Übertragungs-Bus übertragen. Die Hitlisten-Daten werden zu den (lokalen Speichern der) Prozessoren über lokale Verbindungen wie durch eine Rohrleitung gesendet. Die berechneten Radon-Daten werden in lokalen Speichern der Prozessoren gespeichert, bis sie für eine weitere Verarbeitung benötigt werden. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird nicht nur der Umfang des erforderlichen Datenverkehrs gering gehalten, sondern dieser auch in wirksamer Weise organisiert.

Im einzelnen zeigt Fig. 6 eine Ausführungsform einer wirksamen Multiprozessor- Implementierung gemäß der Erfindung. Mit dieser Anordnung wird jeder Radon- Raum j-Ebene ein anderer Prozessor 602 zugewiesen. Die Meßdaten (S_j) werden über einen globalen Übertragungs-Bus 606 denjenigen der Anzahl von lokalen Speichern 604 zugeführt, die mit einer korrespondierenden Anzahl von j-Ebenen-Prozessoren 602 verbunden sind. Untersätze von Hitlisten-Daten (I_j, i = 0 . . . N_I-1) werden von dem zentralen Speicher (Datenbank 21) über eine entsprechende Anzahl von zusätzlichen lokalen Speichern 608 zu jeder der j-Ebenen-Prozessoren 602 übertragen. Die lokalen Speicher 608 sind über lokale Verbindungen 610 wie über eine Rohrleitung verbunden. Als Antwort darauf berechnen die Prozessoren 602 Abtastwerte der Radon-abgeleiteten Daten, die für eine weitere Verarbeitung 612 in weiteren lokalen Speichern (nicht gezeigt) der j-Ebenen-Prozessoren 602 gespeichert werden, so daß die. radialen Ableitungen der Radon-Transformation des Objektes für jede j-Ebene ausgegeben werden. Die dargestellte Multiprozessor-Anordnung könnte auch die nachfolgende Verarbeitung, das heißt die Integration der Radon-Ableitungen, um die Radon-Transformation, die Radon-Inversion in den j-Ebenen und die Radon-Inversion in den z-Ebenen zu erhalten, durchführen.

Im Betrieb erhält jeder j-Ebenen Prozessor 602 lokale Kopien der Meßdaten und speichert diese. Es sei darauf hingewiesen, daß bei einer alternativen Ausführungsform die lokale Speicherung der Meßdaten möglicherweise nicht erwünscht ist.

In einem weiteren lokalen Speicher werden die Hitlisten-Informationen gespeichert, die für den gegenwärtigen Task des Prozessors (der die Daten von der Quelle S_n verarbeitet, um die Beiträge zu den Radon-Daten eines festen Satzes von j-Ebenen zu entwickeln) relevant sind. Die relativen Hitlisten-Daten werden durch die weiteren lokalen Speicher dem Multiprozessor-System wie durch eine Rohrleitung zugeführt. Nachdem die Daten von der Quelle S_n verarbeitet worden sind, bewegt sich die Hitlisten-Information "stromabwärts", so daß jeder j-Ebenen-Prozessor 602 in seinem lokalen Speicher nun die Information zur Verfügung hat, die zur Verarbeitung der Meßdaten von der nächsten Quellenposition S_n+1 relevant ist. Eine Start- oder Initialisierungsbedingung ist abhängig von den spezifischen Grenzbedingungen an dem Abtastweg. Eine entsprechende Berechnung kann durch einen einschlägigen Fachmann vorgenommen werden.

Alternative Ausführungsformen

Fall 1: jeder der N_p Prozessoren behandelt q verschiedene j-Ebenen in verschachtelter (interlaced) Weise, d. h. q<1.

Eine Ausführungsform dieser ersten Alternative ist in Fig. 7 gezeigt. Da jeder Prozessor 702 nun für q j-Ebenen verantwortlich ist, erfordert jeder Prozessor auch eine entsprechende Anzahl q von Hitlisten-Informations-"Packeten" I_i für jeden Satz von Projektionsdaten. Demgemäß werden die Hitlisten-Daten in "Bündeln" von q Informationspaketen I_i über die lokalen Speicher 704 wie durch eine Rohrleitung durch die Reihe von Prozessoren 702 geführt. Die Projektionsdaten werden wiederum an alle Prozessoren übertragen, und zwar für eine Quellenposition zur Zeit und in gleicher Weise wie zuvor, und in den lokalen Speichern 706 gespeichert.

Mit der dargestellten Index-Verteilung wird angenommen, daß n und m in gleicher Richtung steigen. Der gegenwärtige Quellen-Index j_, der für die laufende Situation dargestellt ist, ist j_current = n+M/2.

Fall 2: Dj_Quelle = k Dj_Radon, wobei k eine ganze Zahl ist.

Bei dieser in Fig. 8 gezeigten Alternative ist der Winkelabstand zwischen den abgetasteten Quellenpositionen auf dem Abtastweg k mal größer, als der Winkelabstand der j-Ebenen in dem Radon-Raum (im allgemeinen als "Unterabtastung der Quellenposition" bezeichnet). Diesem Fall kann durch Berechnung von k relativen Hitlisten Rechnung getragen werden. Die in jeder relativen Hitliste gespeicherte Information betrifft den Beitrag aller Quellenpositionen zu einem von k Untersätzen von j-Ebenen. Wenn zum Beispiel k = 2 ist, würde eine relative Hitliste alle j-Ebenen mit geraden Indizes abdecken, während die anderen die j-Ebenen mit ungeraden Indizes abdecken.

Folglich wird dieser Fall durch k getrennte ("Rohr-") Leitungen 802 zur Zuführung der Hitlisten-Informationen zu den Prozessoren 804 implementiert. Folglich sind k Untergruppen von Prozessoren vorhanden, die mit k getrennten Untergruppen von j- Ebenen arbeiten.

Die Quelle S_n trägt zu der j_m-Ebene wie folgt bei:

mit D = Boden ((M/2-m)/k), t = m+kD-M/2,

wobei die gleichen Vorzeichen-Vereinbarungen wie oben gelten, das heißt ein Pluszeichen, wenn die Indizes n und m in gleicher Richtung abfallen.

Die relative Hitliste (beziehungsweise die k relativen Hitlisten) enthalten die Informationen I^t _n für n = 0 . . . N_S-1, t = 0 . . . k-1, die wie durch eine Rohrleitung über lokale Speicher 806 den Prozessoren 804 zugeführt werden.

Erneut sei darauf hingewiesen, daß Fig. 8 nur die Verteilung der Hitlisten- Informationen und nicht die Verteilung der Meßdaten zeigt. Jeder der Prozessoren hält zu einer gegebenen Zeit den gleichen Satz von Meßdaten.

Fall 3: Dj_Radon = fDj_Quelle, wobei f eine ganze Zahl ist.

In diesem Fall ist der Winkelabstand zwischen den j-Ebenen in dem Radon-Raum f mal größer, als der Winkelabstand der abgetasteten Quellenpositionen auf dem Abtastweg ("Überabtastung der Quellenpositionen"). Dieser Fall erfordert eine Hitliste, die durch Verschachtelung von f relativen Hitlisten zusammengesetzt werden kann, wobei jede dieser relativen Hitlisten die Informationen über einen Untersatz von Quellenpositionen in bezug auf alle j-Ebenen enthält. Für das Beispiel von f=2 würde eine relative Hitliste alle Quellenpositionen mit geraden Indizes und die andere alle Quellenpositionen mit ungeraden Indizes abdecken.

Wie in Fig. 9a gezeigt ist, kann man die große einzige Hitliste den Prozessoren 902 in einer einzigen "Rohr-" Leitung zuführen. In diesen Fall wird nur ein f-ter Teil der in einem lokalen Speicher 904, der jedem Prozessor 902 zugeordnet ist, gespeicherten Informationen zur Verarbeitung der Daten von jeder gegebenen Quellenposition verwendet. Alternativ dazu kann gemäß Fig. 9b für jeden Untersatz von Quellenpositionen ein anderer Satz von Prozessoren vorgesehen sein (das heißt wenn f = 2 ist, so behandelt ein Satz von Prozessoren die Quellenpositionen mit geraden Indizes und ein anderer Satz von Prozessoren die Quellenpositionen mit ungeraden Indizes), zu dem zu einem entsprechenden der Speicher 906 nur die korrespondierenden Unter-Hitlisten zugeführt werden. In diesen Fall würden nun f Prozessoren auf jeder j-Ebene arbeiten. Die Quelle S_n trägt zu der j-Ebene wie folgt bei:

mit Dm = M/2-m, wobei die gleiche Vorzeichenregelung wie oben getroffen ist, das heißt ein Pluszeichen wird angewendet, wenn die Indizes n und m in der gleichen Richtung abfallen.

Es ist also ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung zur wesentlichen Beschleunigung und Verbesserung der Wirkungsweise einer Bild- Rekonstruktionsverarbeitung in einem Kegelstrahl-3D-CT Bildgerät gezeigt und beschrieben worden. Über die beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen hinaus sind zahlreiche Änderungen, Modifikationen, Abwandlungen und andere Verwendungen und Anwendungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes möglich, die sich für einen Fachmann aus der Beschreibung und den Zeichnungen ergeben. Hierzu gehören zum Beispiel:

1. Die vorberechneten Informationen können den Prozessoren nicht nur durch eine Übertragung nach Art einer Rohrleitung, das heißt indem diese über lokale Verbindungen von einem lokalen Speicher zu einem anderen lokalen Speicher übertragen werden, zugeführt werden, sondern die vorberechneten Informationen können in einem zentralen Speichern gespeichert werden, auf den alle Prozessoren zugreifen können. Vorzugsweise können alle Prozessoren parallel auf den Speicher zugreifen. Ein solcher paralleler Zugriff kann wie folgt implementiert werden:
Der Speicher wird so aufgeteilt, daß jeder "Speicherabschnitt" die Informationen enthält, die für einen Prozessor relevant sind, um einen Satz von Meßdaten (beziehungsweise f Sätze von Projektionsdaten für den Fall f<1) zu verarbeiten. Jeder Speicherabschnitt hat seine eigene Schnittstelle, über die auf ihn zugegriffen werden kann. Die Prozessoren sind mit diesen Schnittstellen über nichtblockierende VerbindungsNetzwerke wie zum Beispiel Crossbarsysteme verbunden, so daß zu jeder gegebenen Zeit jeder Prozessor Zugriff zu den vorberechneten Daten hat, die er benötigt, um deren laufende Meßdaten verarbeiten zu können. Die Struktur des Verbindungs-Netzwerkes kann vereinfacht werden, wenn berücksichtigt wird, daß es keine willkürlichen Permutationen zwischen den Eingangs- und den Ausgangskanälen zur Verfügung stellen muß. Vielmehr werden von einem Satz von Meßdaten zu dem nächsten die Prozessoren zu den Speicherteilen umgeschaltet, mit denen die Nachbar- Prozessoren zuvor verbunden waren, das heißt der gesamte Satz von Ausgangskanälen wird nur um einen Eingangskanal nach vorne bewegt.
2. Die vorgeschlagene parallele Architektur kann nicht nur dann vorteilhaft verwendet werden, wenn die vorberechneten Informationen die oben beschriebene Struktur haben. Die parallele Architektur ist zum Beispiel auch dann sehr gut anwendbar, wenn anstelle der Hitlisten-Informationen Listen-Informationen bezüglich einer Detektor- Gewichtung verwendet werden. In der US-Anmeldung Nr. 08/994.605 mit dem Titel "Fast cone beam image reconstruction using a detector weight list" vom 19. Dezember 1997 wird der Aufbau und die Anwendung einer Detektor-Gewichtungsliste beschrieben. Für jedes Bit von gesammelten Meßdaten (das heißt für jedes Bildelement einer 2D Detektoranordnung, an jeder Meßposition der Detektor- Quellen-Kombination) werden Gewichtungsfaktoren, die den Beitrag dieses Bits der Pixel-Meßdaten zu den Abtastwerten der radialen Ableitung der 3D Radon- Transformation des Objektes bestimmen, vorberechnet und gespeichert. Diese Gewichtungsfaktoren repräsentieren im wesentlichen die Punkt-Spreizungsfunktion zwischen dem Detektor-Raum und dem 3D Radon-Raum. Die vorberechneten Pixel- Gewichtungen werden mit Quellenpositionen zu einer "Detektor-Gewichtungsliste" organisiert, wobei für jede Quellenposition ein Untersatz der Gewichtungsliste vorgesehen ist. Die vorberechneten Gewichtungen der Detektor-Gewichtungsliste werden in einer Datenbank gespeichert, die während des Betriebes des Gerätes zum Zuführen von Gewichtungsfaktoren verwendet wird, die mit vorverarbeiteten Meßdaten multipliziert werden, die durch die Detektorpixel an jeder Quellenposition gesammelt wurden, so daß die Radon-abgeleiteten Daten einfacher und schnell entwickelt werden können. Wenn zur Bild-Rekonstruktion der Weg über die Verwendung einer Detektor-Gewichtungsliste gewählt wird, besteht keine Notwendigkeit, Kopien von Meßdaten in lokalen Speichern des Prozessors zu speichern, da die Projektionsdaten pixelweise, das heißt nacheinander (seriell) verarbeitet werden. Somit ist es ausreichend, die Meßdaten in einem Datenstrom zu den Prozessoren zu führen, während die entsprechenden Untersätze der Detektor- Gewichtungsliste individuell wie durch eine Rohrleitung von einem lokalen Speicher zu dem nächsten geführt werden, die mit den entsprechenden parallelen Prozessoren verbunden bzw. diesen zugeordnet sind.

Ein wesentliches Prinzip besteht darin, Informations-"Pakete" zu benutzen, wobei jedes Paket Informationen darüber enthält, in welcher Weise die Meßdaten von einer Quellenposition zu einer j-Ebene in dem Radon-Raum beitragen. Diese Pakete werden an die parallelen Prozessoren (wobei jeder Prozessor für einem festen Satz von j- Ebenen in dem Radon-Raum zuständig ist) in einer Weise verteilt, durch die der Datenverkehr gering gehalten wird. Die Verfügbarkeit dieser Informationspakete ermöglicht eine schnelle Verarbeitung der Meßdaten, die zu den parallelen Prozessoren übertragen werden.

In Abhängigkeit von der Art der vorberechneten Information in diesen Paketen kann der numerische Task für die Prozessoren variieren, wobei verschiedene Arten von spezialisierten Prozessoren, die einschlägig bekannt sind, für eine optimale Leistung sorgen können. Für die Verarbeitung der Meßdaten auf der Basis der Hitlisten- Information gemäß der Beschreibung in dem obigen Abschnitt der Beschreibung mit dem Titel "Details der Hitlisten-Struktur" sollten die Prozessoren spezialisierte Linienintegratoren und Addierer enthalten. Bei der alternativen Ausführungsform, bei der die Listeninformationen mit Detektor-Gewichtung verarbeitet werden, sind spezialisierte Multiplizierer und Addierer besonders effizient.

Alle diese Änderungen, Modifikationen und Abwandlungen sowie andere Verwendungen und Anwendungen, die nicht von der allgemeinen Lehre der Erfindung abweichen, werden vom Schutz der Erfindung erfaßt, der durch die folgenden Ansprüche unter Berücksichtigung der Beschreibung definiert ist.

Claims

1. Computertomographie-Bildgerät zur Durchführung einer dreidimensionalen (3D) Bildrekonstruktion eines interessierenden Bereiches (ROI) eines Objektes mit:
Abtastmitteln mit einer Kegelsstrahl-Strahlungsquelle und einem Flächendetektor zum Abtasten einer Mehrzahl von Quellenpositionen um den ROI des Objektes zum Entwickeln von aufeinanderfolgenden Sätzen von Kegelstrahl-Meßdaten, die eine durch den ROI des Objektes bewirkte Strahlungsdämpfung darstellen;
einem zentralen Speicher, in dem eine Mehrzahl von Untersätzen von vorberechneten Bild-Verarbeitungsinformationen gespeichert ist, die zur Umwandlung der Meßdaten in Radon-abgeleitete Daten nützlich sind; und
einer Mehrzahl von Prozessoren, die jeweils einen ersten Eingang, der zur Aufnahme von gesendeten, aufeinanderfolgenden Sätzen von Meßdaten geschaltet ist, sowie einen zweiten Eingang aufweisen, der auf eine gegebene Folge von aufeinanderfolgenden Untersätzen von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen anspricht, zum Konvertieren der Meßdaten in Radon abgeleitete Daten an einer Mehrzahl von Radon j-Ebenen.

2. Bildgerät nach Anspruch 1, bei dem die Prozessoren zur Aufnahme der Untersätze von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen in einer Folge geschaltet sind, die dazu führt, daß die Prozessoren die Meßdaten in Radon-abgeleitete Daten für einen entsprechenden Untersatz der Radon j-Ebenen konvertieren.

3. Bildgerät nach Anspruch 1, das weiterhin eine Mehrzahl von lokalen Speichern aufweist, die miteinander zur gegegenseitigen Übertragung der Untersätze von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen nach Art einer Rohrleitung verbunden sind, wobei ein Ausgang der lokalen Speicher auch mit entsprechenden der Anzahl von Prozessoren verbunden ist, so daß ein gegebener Untersatz von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen synchron mit dem Senden der Meßdaten zu den Prozessoren von einem Prozessor zu einem nächsten der Anzahl von Prozessoren geführt wird.

4. Bildgerät nach Anspruch 1, bei dem die gegebene Folge mit einer Folge von Quellenpositionen korrespondiert, die zur Abtastung des Objektes verwendet werden.

5. Verfahren zum Betrieb eines Computertomographie-Bildgerätes zur Durchführung einer dreidimensionalen (3D) Bildrekonstruktion eines interessierenden Bereiches (ROI) eines Objektes mit folgenden Schritten:
Betreiben einer Kegelsstrahl-Strahlungsquelle und eines Flächendetektors zum Abtasten eine Mehrzahl von Quellenpositionen um den ROI des Objektes, um aufeinanderfolgende Sätze von Kegelstrahl-Meßdaten zu entwickeln, die eine durch den ROI des Objektes bewirkte Strahlungsdämpfung darstellen;
Bereitstellen eines zentralen Speichers mit einer Mehrzahl von Untersätzen von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen, die zum Konvertieren der Meßdaten in Radon-abgeleitete Daten nützlich sind; und
Verarbeiten der Meßdaten, um diese zu Radon-abgeleiteten Daten an eine Mehrzahl von Radon j-Ebenen zu konvertieren, wobei die Verarbeitung ein Senden von aufeinanderfolgenden Sätzen von Meßdaten zu einer Mehrzahl von Prozessoren umfaßt, und zwar gleichzeitig mit dem Beaufschlagen der Prozessoen mit einer gegebenen Folge von aufeinanderfolgenden der Untersätze von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Untersätze von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen an die Prozessoren unter Verwendung einer Mehrzahl von lokalen Speichern nach Art einer Rohrleitung angelegt werden, so daß ein gegebener Untersatz von vorberechneten Bildverarbeitungsinformationen von einem Prozessor zu einem nächsten der Anzahl von Prozessoren synchron mit dem Senden der Meßdaten zu den Prozessoren geführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die gegebene Folge mit einer Folge der Quellenpositionen korrespondiert, die zur Abtastung des Objektes verwendet wird.