DE19959092A1 - Verfahren zur Kombination von Rekonstruktionsbildern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Röntgeneinrichtung zur Ermittlung eines 3-D-Bildes (B) eines Untersuchungsobjekts (13) durch Kombination mindestens zweier, insbesondere mittels einer Röntgeneinrichtung (1) gewonnener Rekonstruktionsbilder (S¶1¶, S¶2¶) durch gewichtete Addition, wobei jedes Rekonstruktionsbild (S¶1¶, S¶2¶) mit einer die Verteilung von Rauschen und/oder Artefakten in diesem Rekonstruktionsbild wenigstens näherungsweise beschreibenden Wichtungsfunktion (A¶1¶, A¶2¶) gewichtet wird. Dadurch wird eine deutliche Verbesserung der Bildqualität in dem resultierenden 3-D-Bild erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines 3D-Bildes eines Untersuchungsobjekts durch Kombination mindestens zweier Rekonstruktionsbilder. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Röntgeneinrichtung, die insbesondere zur Durchführung eines solchen Verfahrens ausgestaltet ist.

Zur Erstellung eines Rekonstruktionsbildes eines Untersuchungsobjekts ist es bekannt, zweidimensionale Projektionen des Untersuchungsobjekts zu verwenden, die mit einem bildgebenden System, z. B. einer Röntgeneinrichtung wie einer C-Bogen- Röntgeneinrichtung, einem Computertomographen, einem Kernspintomographen oder einer Ultraschalleinrichtung, erfaßt wurden. Für die Rekonstruktion sind verschiedene Rekonstruktionsverfahren bekannt, die unterschiedliche Algorithmen wie beispielsweise den Feldkamp-Algorithmus benutzen. Damit kann ein Rekonstruktionsbild eines Untersuchungsobjekts aus zweidimensionalen Projektionen erstellt werden, die entlang einer kreisförmigen Trajektorie der Meßeinrichtung, d. h. z. B. der Röntgenquelle und des Röntgendetektors, um das Untersuchungsobjekt herum ermittelt wurden. Allerdings werden bei dieser Art der Datenermittlung im allgemeinen nicht genügend Daten für das inverse Problem, nämlich die Rekonstruktion eines vollständigen dreidimensionalen Rekonstruktionsbildes ermittelt, was vor allem im sogenannten Radon-Raum anschaulich wird. Beispielsweise liefert eine Datenerfassung entlang einer kreisförmigen Trajektorie nur Daten innerhalb eines Torus im Radon-Raum, die für die Erstellung eines exakten dreidimensionalen Rekonstruktionsbildes nicht ausreichen, wofür Daten innerhalb einer vollständigen Kugel im Radon-Raum erforderlich wären. Der Feldkamp-Algorithmus ist deshalb nur eine Approximation und liefert ein Rekonstruktionsbild, das in der zentralen Schicht exakt ist, während mit wachsendem Abstand von der zentralen Schicht induzierte Artefakte stetig zunehmen.

Zwar ist es möglich, diesem Problem durch die Kombination von Daten zu begegnen, die entlang zweier oder mehrerer Trajektorien erfaßt wurden. So ist es beispielsweise aus der EP 860 696 A2 bekannt, Projektionen entlang zweier halbkreisförmiger Trajektorien zu erfassen, die unter einem Winkel von 60° zueinander liegen, aus den entlang jeweils einer Trajektorie erfaßten Projektionen jeweils ein Rekonstruktionsbild zu erstellen und anschließend die beiden Rekonstruktionsbilder zu einem 3D-Bild zu addieren. Dadurch kann zwar eine Verbesserung der Bildqualität erreicht werden, es treten jedoch noch immer Artefakte im 3D-Bild auf.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Röntgeneinrichtung zur Ermittlung eines 3D-Bildes eines Untersuchungsobjekts anzugeben, womit sich die Bildqualität verbessern läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Röntgeneinrichtung gemäß Anspruch 8 gelöst.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß bei der einfachen Addition zweier oder mehrerer Rekonstruktionsbilder Rauschen und Artefakte, die in einem Rekonstruktionsbild auftreten, in das resultierende 3D-Bild übertragen werden. Die Ursache für Rauschen liegt im wesentlichen in der verwendeten Hardware, insbesondere in den verwendeten Detektorelementen, z. B. dem Röntgendetektor, während die Ursache für Artefakte im wesentlichen darin liegt, daß für eine exakte Rekonstruktion aus entlang einer Trajektorie erfaßten Projektionen nicht sämtliche Daten erfaßt werden können. Je nach verwendetem Rekonstruktions-Algorithmus werden somit eine unterschiedliche Art von Rauschen und unterschiedliche Artefakte in ein Rekonstruktionsbild induziert. Zur Verringerung der Übertragung derartigen Rauschens bzw. derartiger Artefakte von einem Rekonstruktionsbild in ein resultierendes 3D-Bild wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, für jedes Rekonstruktionsbild eine Wichtungsfunktion zu ermitteln, die die Verteilung von Rauschen und/oder Artefakten in diesem Rekonstruktionsbild wenigstens näherungsweise beschreibt, das Rekonstruktionsbild mit dieser Wichtungsfunktion zu multiplizieren und erst anschließend alle derart gewichteten Rekonstruktionsbilder zu einem resultierenden 3D-Bild zu addieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Röntgeneinrichtung finden sich in den Unteransprüchen.

Die Wichtungsfunktionen werden gemäß bevorzugter Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Simulation oder Messung an einem Phantomobjekt ermittelt, oder es werden mathematische Funktionen verwendet, beispielsweise vom Zentrum zum Rand des jeweils mit dieser Wichtungsfunktion zu gewichtenden Rekonstruktionsbildes hin linear oder quadratisch abfallend (oder anders) verlaufende Funktionen. Selbst bei Verwendung solch einfacher mathematischer Funktionen als Wichtungsfunktionen läßt sich eine deutliche Verbesserung der Bildqualität des resultierenden 3D-Bildes gegenüber dem bekannten Verfahren erzielen.

Noch weitere Verbesserungen lassen sich erzielen, wenn die Wichtungsfunktion möglichst genau der Verteilung des in einem Rekonstruktionsbild auftretenden Rauschens bzw. der Verteilung von Artefakten angepaßt ist. Es kann insbesondere vorgesehen sein, daß jedem einzelnen Bildpunkt oder einer Gruppe von Bildpunkten eines Rekonstruktionsbildes ein Wert der zugehörigen Wichtungsfunktion zugeordnet ist, so daß jeder Bildpunkt bzw. jede Gruppe von Bildpunkten individuell gewichtet werden kann je nach dem, wie groß der Rausch- bzw. Artefaktanteil an diesem Bildpunkt bzw. dieser Gruppe von Bildpunkten ist.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung des Verfahrens, gemäß der die Wichtungsfunktionen derart gewählt werden, daß für jeden Bildpunkt oder jede Gruppe von Bildpunkten eines Rekonstruktionsbildes Artefakte und Rauschen separat gewichtet werden. Damit läßt sich einstellen, welche Art von Störungen an welchen Stellen des 3D- Bildes bevorzugt unterdrückt werden sollen.

Besonders bevorzugt wird die Erfindung angewendet bei einer Röntgeneinrichtung mit einer ein kegelförmiges Röntgenstrahlenbündel erzeugenden Röntgenquelle und einem zweidimensionalen Röntgendetektor, wobei Röntgenquelle und Röntgendetektor um das Untersuchungsobjekt zur Erfassung der Projektionen rotieren. Dies kann beispielsweise eine C-Bogen-Röntgeneinheit sein. Die Erfindung kann prinzipiell aber auch bei einem Computertomographen eingesetzt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße C-Bogen-Röntgeneinheit,

Fig. 2 eine Skizze zweier bei der Erfassung von Projektionen durchlaufener Trajektorien,

Fig. 3 ein Ablaufschema zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Computertomographieeinheit.

Die in Fig. 1 gezeigte C-Bogen-Röntgeneinheit 1 weist eine an einem Ende des C-Bogens 20 angeordnete Röntgenröhre 2 und einen am anderen Ende des C-Bogens 20 angeordneten Röntgendetektor 3 auf. Die Röntgenröhre 2 erzeugt ein kegelförmiges Röntgenstrahlenbündel 14, das ein im Untersuchungsbereich auf einem Patiententisch 4 angeordnetes Untersuchungsobjekt 13, z. B. einen Patienten, durchsetzt und danach auf den zweidimensionalen Röntgendetektor 3 trifft. Röntgenröhre 2 und Röntgendetektor 3 sind in der gezeigten Stellung mittels der am C-Bogen 20 angebrachten Schienen 7 um die y-Achse rotierbar. Aufgrund der Aufhängung mittels mehrerer Arme und Gelenke 5, 6 ist die Position des C-Bogens 20 in verschiedenen Richtungen veränderbar, beispielsweise kann der C-Bogen 20 um die x- und z-Achse rotieren. Die Steuerung dieser Bewegungen zur Erfassung von Projektionen aus unterschiedlichen Röntgenpositionen und die Steuerung der Datenerfassung erfolgen mittels einer Steuereinheit 8. Die ermittelten Projektionen werden an eine Rekonstruktionseinheit 9 weitergegeben, die aus den entlang einer Trajektorie erfaßten Projektionen jeweils ein Rekonstruktionsbild erstellt. Diese Rekonstruktionsbilder, die aus jeweils einem Satz von Projektionen erstellt werden, die entlang unterschiedlicher Trajektorien erfaßt wurden, werden anschließend einer Recheneinheit 10 zugeführt, die entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren jedes Rekonstruktionsbild durch eine in einer Speichereinheit 11 abgelegten Wichtungsfunktion dividiert und das Resultat anschließend addiert und normiert. Die Recheneinheit 10 wird dabei ebenfalls von der Steuereinheit 8 gesteuert. Das resultierende 3D-Bild kann auf einem Monitor 12 dargestellt werden.

Eine Skizze zweier Trajektorien T₁ und T₂ ist in Fig. 2 gezeigt. Jede Trajektorie beschreibt dabei den Weg, den der Mittelpunkt der Detektorfläche des Röntgendetektors 3 während der Erfassung von Projektionen zurücklegt. Die Trajektorie ist also die Kurve durch alle Röntgenpositionen, in denen jeweils eine Projektion erfaßt wurde. Im gezeigten Fall beschreiben die Trajektorien T₁ und T₂ jeweils einen Halbkreis und sind um einen Winkel von 2α = 90° zueinander verkippt. Aus den entlang der Trajektorie T₁ erfaßten Projektionen wird ein erstes Rekonstruktionsbild, aus den entlang der Trajektorie T₂ erfaßten Projektionen wird ein zweites Rekonstruktionsbild erstellt. Beide Rekonstruktionsbilder werden anschließend zu einem resultierenden 3D-Bild gemäß der Erfindung kombiniert, was anhand von Fig. 3 näher erläutert werden soll.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ablaufschema sind zunächst in den Blöcken 201 und 202 symbolisch zwei Sätze von Projektionen P₁(α₁) und P₂(α₂) als Ausgangspunkte dargestellt, die entlang zweier unter den Winkeln α₁ bzw. α₂ zu einer Bezugsebene verlaufenden Trajektorien T₁ bzw. T₂ ermittelt wurden. Aus jedem dieser Sätze von Projektionen P₁, P₂ wird ein Rekonstruktionsbild S₁, S₂ in den Blöcken 211 und 212 ermittelt. In den Blöcken 231 und 232 werden diese Rekonstruktionsbilder S₁ und S₂ durch die auf das jeweilige Rekonstruktionsbild abgestimmten Wichtungsfunktionen A₁(α₁) und A₂(α₂) dividiert bzw. mit den inversen Wichtungsfunktionen 1/A₁(α₁) und 1/A2(α₂) multipliziert. Diese Wichtungsfunktionen A₁, A₂ sind in den Blöcken 221 und 222 gespeichert und beispielsweise durch eine Simulationsberechnung mit Hilfe eines Phantomobjekts vorab ermittelt. Schließlich werden in Block 24 die derart gewichteten Rekonstruktionsbilder durch eine Addition und eine Normierung zu einem 3D-Bild B miteinander kombiniert, das je nach Güte der Wichtungsfunktionen deutlich weniger Rauschen und Artefakte aufweist, als ein durch simple Addition zweier ungewichteter Rekonstruktionsbilder ermitteltes 3D-Bild.

Die Ermittlung des 3D-Bildes B kann auch allgemein für den Fall der Kombination von n Rekonstruktionsbildern S_n formelmäßig beschrieben werden:

Es kann weiter auch vorgesehen sein, daß bei der Gewichtung mittels der Wichtungsfunktionen unterschieden wird zwischen Rauschen und Artefakten, wobei die Summe dieser beiden Teilgewichtungen für jeden Bildpunkt gleich 1 ergeben muß. Auch dies kann formelmäßig für den allgemeinen Fall beschrieben werden:

Darin bedeuten:
K_n die Artefaktverteilungfunktion für das Rekonstruktionsbild n,
R_n die Rauschverteilungsfunktion für das Rekonstruktionsbild n und
w_n die Gewichtungsverteilung, die die Unterdrückung von Rauschen und Artefakten in einem Rekonstruktionsbild gewichtet, also eine Entscheidung zuläßt, in welchem Verhältnis Artefakte zu Rauschen in einem Rekonstruktionsbild unterdrückt werden soll.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine deutliche Verbesserung hinsichtlich der Unterdrückung von Rauschen und von Artefakten in einem 3D-Bild erreicht werden. Im allgemeinen liegt die theoretisch erreichbare Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses durch Addition von n Rekonstruktionsbildern bei √n gegenüber dem Signal- Rauschverhältnis eines einzelnen Rekonstruktionsbildes, sofern der Rauschanteil in allen n Rekonstruktionsbildern etwa gleich groß ist, was jedoch in der Praxis selten der Fall ist. In der Praxis ist diese Verbesserung demnach durch die bekannte Addition von Rekonstruktionsbildern im allgemeinen deutlich geringer. Unter der Annahme, daß Artefakte in verschiedenen Rekonstruktionsbildern nicht miteinander korrelieren, läßt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren jedoch eine Verbesserung des Signal-Rausch- Verhältnisses erreichen, die je nach Güte der Wichtungsfunktionen bis zu √n betragen kann.

Eine erfindungsgemäße Computertomographieeinheit 17 ist in Fig. 4 gezeigt. Die Röntgeneinrichtung 2' mit einem Kollimator 19 zur Erzeugung eines kegelförmigen Röntgenstrahlenbündels 15 und der Röntgendetektor 3' sind an einer ringförmigen Gantry 18 angeordnet und rotieren zur Erfassung von Projektionen um das entlang der z-Achse angeordnete Untersuchungsobjekt 13, wozu die Gantry von einer Motorsteuerung 16 gesteuert wird, die wiederum von der Steuereinheit 8' gesteuert wird. Die erfaßten Projektionen werden wiederum an eine Rekonstruktionseinheit 9 zur Erstellung von Rekonstruktionsbildern weitergegeben, die wiederum der Recheneinheit 10 zugeleitet werden. Die Ermittlung des 3D-Bildes aus diesen Rekonstruktionsbildern erfolgt wie im Zusammenhang mit der C-Bogen-Röntgeneinheit oben erläutert.

Die gezeigten Röntgeneinrichtungen sind lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Erfindung kann jedoch auch bei anderen Röntgeneinrichtungen eingesetzt werden, bei denen aus mehreren Rekonstruktionsbildern ein hinsichtlich der Unterdrückung von Rauschen und Artefakten verbessertes 3D-Bild erstellt werden soll. Auch die in Fig. 2 gezeigten Trajektorien sowie deren Anzahl sind lediglich beispielhaft. Die Erfassung von Projektionen kann auch entlang anderer und mehr als zwei Trajektorien wie beispielsweise zweier oder mehrerer paralleler Vollkreise oder zweier senkrecht aufeinander senkrecht stehender Vollkreise erfolgen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Ermittlung eines 3D-Bildes (B) eines Untersuchungsobjekts (13) durch Kombination mindestens zweier Rekonstruktionsbilder (S₁, S₂) durch gewichtete Addition, wobei jedes Rekonstruktionsbild (S₁, S₂) mit einer die Verteilung von Rauschen und/oder Artefakten in diesem Rekonstruktionsbild wenigstens näherungsweise beschreibenden Wichtungsfunktion (A₁, A₂) gewichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wichtungsfunktion (A₁, A₂) eine Funktion verwendet wird, die die Verteilung von aufgrund der verwendeten Rekonstruktionsmethode in dem Rekonstruktionsbild (S₁, S₂) auftretendem Rauschen und/oder Artefakten in dem damit zu gewichtenden Rekonstruktionsbild (S₁, S₂) wenigstens näherungsweise beschreibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wichtungsfunktionen (A₁, A₂) durch Simulation oder Messung an einem Phantomobjekt ermittelt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wichtungsfunktionen (A₁, A₂) mathematische Funktionen, beispielsweise vom Zentrum zum Rand des zu gewichtenden Rekonstruktionsbildes (S₁, S₂) hin linear oder quadratisch abfallend verlaufende Funktionen, verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wichtungsfunktionen (A₁, A₂) derart gewählt werden, daß für jeden Bildpunkt eines Rekonstruktionsbildes (S₁, S₂) Artefakte und Rauschen separat gewichtet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekonstruktionsmittel (S₁, S₂) mittels eines bildgebenden medizinischen Systems, insbesondere mittels einer Röntgeneinrichtung, einer Ultraschalleinrichtung, eines Kernspintomographen oder eines Computertomographen gewonnen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekonstruktionsbilder (S₁, S₂) aus mehreren Projektionen (P₁, P₂) gewonnen werden, welche mittels einer ein kegelförmiges Röntgenstrahlenbündel (14) erzeugenden, um das Untersuchungsobjekt (13) rotierenden Röntgenquelle (2) und einem um das Untersuchungsobjekt (13) rotierenden Röntgendetektor (3) aufweisenden Röntgeneinrichtung (1) ermittelt werden.

8. Röntgeneinrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer um das Untersuchungsobjekt (13) rotierenden Röntgenquelle (2) und einem um das Untersuchungsobjekt (13) rotierenden Röntgendetektor (3) zur Erfassung von Projektionen (P₁, P₂) aus unterschiedlichen Röntgenpositionen und mit einer Rekonstruktionseinheit (9) zur Erstellung von Rekonstruktionsbildern (S₁, S₂) aus jeweils einem Satz von Projektionen (P₁, P₂), wobei die einzelnen Sätze von Projektionen (P₁, P₂) entlang unterschiedlicher Trajektorien (T₁, T₂) erfaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Recheneinheit (10) vorgesehen ist zur Ermittlung eines 3D-Bildes (B) des Untersuchungsobjekts (13) durch Kombination mindestens zweier Rekonstruktionsbilder (S₁, S₂) durch gewichtete Addition, wobei jedes Rekonstruktionsbild (S₁, S₂) mit einer die Verteilung von Rauschen und/oder Artefakten in diesem Rekonstruktionsbild (S₁, S₂) wenigstens näherungsweise beschreibenden Wichtungsfunktion (A₁, A₂) gewichtet wird.

9. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Röntgenquelle (2) und Röntgendetektor (3) zur Erzeugung bzw. Erfassung eines kegelförmigen Röntgenstrahlenbündels (14) ausgestaltet sind.

10. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgeneinrichtung eine C-Bogen-Röntgeneinheit (1) oder eine Computertomographieeinheit (17) ist.