DE102005049586A1 - Verfahren zur Erzeugung von CT-Darstellungen in der Röntgen-Computertomographie - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontrastmittelunterstützten Erzeugung von CT-Darstellungen (19) in der Röntgen-Computertomographie, wobei der Blooming-Effekt reduziert wird, indem beim Scan eines Objektes mit zwei unterschiedlichen Energiespektren (S¶1¶, S¶2¶) das Objekt in drei Materialkomponenten (M¶1¶, M¶2¶, M¶3¶) zerlegt und eine erste Komponente (M¶1¶) und deren Materialstärke (dM¶1¶) durch Segmentierung bestimmt werden. Anschließend werden die beiden anderen Materialkomponenten (M¶2¶, M¶3¶) und ihre Materialstärken (dM¶2¶, dM¶3¶) aufgrund der gemessenen Schwächungswerte (A¶1¶, A¶2¶) beider Spektren (S¶1¶, S¶2¶) für jeden Strahl bestimmt und aus den so bekannten Materialstärken (dM¶1¶, dM¶2¶, dM¶3¶) der unterschiedlichen Materialkomponenten (M¶1¶, M¶2¶, M¶3¶) virtuelle Absorptionsdaten (A') mit virtuellen Absorptionskoeffizienten für die einzelnen Materialkomponenten (M¶1¶, M¶2¶, M¶3¶) aufgebaut und zur Rekonstruktion der CT-Darstellung (19) verwendet.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur CT-Darstellung in der Röntgen-Computertomographie, wobei ein Objekt, welches sich aus N+1 Materialien oder Materialkompositionen mit unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten zusammensetzt, durch umlaufende Strahlenfächer, welche eine Vielzahl von Abtaststrahlen im Raum erzeugen, mit N≥2 unterschiedlichen Energiespektren abgetastet wird und CT-Darstellungen von Absorptionskoeffizienten als Schnittbild oder als Volumendaten aus gemessenen Absorptionsdaten rekonstruiert werden.
- Durch das Vorhandensein mehrerer Materialien in einem durch ein Röntgen-CT-Verfahren gescannten Objekt treten bei der Rekonstruktion und dem daraus entstehenden Bild, insbesondere bei nachfolgenden quantitativen Auswertungen, Artefakte auf, die zu Fehlinterpretationen führen können. Einerseits besteht das Problem einer Strahlaufhärtung, die im Rahmen der Vorverarbeitung von Rohdaten nur pauschal für ein Material, üblicherweise Wasser, korrigiert wird. Da jedoch die Strahlaufhärtungscharakteristiken für unterschiedliche Materialzusammensetzungen und -anordnungen in einem gescannten Objekt, insbesondere in einem Patienten, wie beispielsweise Wasser, Knochen oder Jod, im Falle von Aufnahmen mit Kontrastmitteln, grundlegend verschieden sind, ergeben sich Artefakte in der Rekonstruktion. Andererseits besteht das Problem des sogenannten „Blooming". Bei CT-Angiographien ist es notwendig, Gefäßdurchmesser im Bereich von Stenosen quantitativ auszumessen. Solche Stenosen, die durch kalzifizierte Plaques verursacht werden, erscheinen aufgrund ihres signifikant höheren Absorptionskoeffizienten gegenüber ihrer Umgebung und der bei der Rekonstruktion verwendeten Filter in der Regel größer als ihre tatsächliche Ausdehnung. Dies erschwert die korrekte Ermittlung des Restvolumens der betrachteten Gefäße und führt zu Fehlinterpretationen.
- Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von CT-Darstellung in der Röntgen-Computertomographie zu finden, welches vornehmlich zu einer Reduktion des Blooming-Effektes führt. Zusätzlich soll auch bei der Rekonstruktion die Strahlaufhärtung, aufgrund der tatsächlichen Gegebenheiten des gescannten Objektes, besser berücksichtigt werden.
- Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
- Die Erfinder haben erkannt, dass es möglich ist, den sogenannten Blooming-Effekt zu reduzieren und gleichzeitig eine verbesserte Strahlaufhärtungskorrektur durchzuführen, indem beim Scan eines Objektes mit zwei unterschiedlichen Energiespektren das Objekt in drei Materialkomponenten zerlegt wird, wobei eine erste Komponente durch Segmentierung bestimmt wird und die beiden anderen Materialkomponenten aufgrund der gemessenen Schwächungswerte beider Spektren für jeden Strahl bestimmt und anschließend aus den so bekannten Materialstärken der unterschiedlichen Materialkomponenten virtuelle Absorptionsdaten mit virtuellen Absorptionskoeffizienten für die einzelnen Materialkomponenten aufgebaut und zu einer Rekonstruktion verwendet werden.
- Es wird demgemäß in einem ersten Schritt aus einem rekonstruierten Bild unter Verwendung eines einzelnen Spektrums oder einer Kombination der Daten zweier Spektren durch Segmentierung die räumliche Verteilung der lokalen Dichte einer Materialkomponente bestimmt. Dabei kann ein unterer beziehungsweise oberer Schwellwert oder auch eine Fensterung für die CT-Werte verwendet werden. Alternativ ist für eine solche Segmentierung auch eine ρ/z-Zerlegung, wie es beispielsweise in der Patentanmeldung
DE 101 43 131 A1 beschrieben ist, möglich oder es kann für die Segmentierung eine Betrachtung von CT-Wertverhältnissen von zwei rekonstruierten CT-Bildern, die mit unterschiedlichen Energiespektren aufgenommen wurden, durchgeführt werden. Die vorliegenden Projektionsdaten zu den beiden Energiespektren sowie die zuvor ermittelte Materialdicke des ersten Materials erlauben nun die Bestimmung der durchstrahlten Materialdicken der beiden anderen Materialien. Beispielsweise kann dies durch eine Lookup-Prozedur oder durch entsprechend angepasste Funktionen realisiert werden. - Anschließend werden alle Materialdicken unter Verwendung von im Prinzip willkürlichen Schwächungskoeffizienten zu virtuellen pseudo-monochromatischen Schwächungsdaten rückgerechnet. Durch die Wahl eines fiktiven Schwächungskoeffizienten kann der Blooming-Effekt nun signifikant reduziert werden. Grundsätzlich entspricht dies einer Art nichtlinearer Kontrastminderung, die allerdings nicht auf die fertigen Bilddaten, sonder auf die ursprünglich vorliegenden Schwächungsdaten der CT-Messung angewendet wird. Soll im fertigen Bild beispielsweise das ursprünglich segmentierte Material kontrastreich hervorgehoben werden, so kann das ursprünglich segmentierte Bild mit dem Bild aus den virtuellen Schwächungsdaten überlagert werden, so dass entweder eine kontrastreiche Hervorhebung des segmentierten Materials stattfindet oder dieses Material durch eine besondere Farbgebung gekennzeichnet werden kann. Grundsätzlich besteht, falls die betrachteten Materialien oder Materialkomponenten ausreichend signifikante Unterschiede ihrer Schwächungskoeffizienten aufweisen, und auch jedes einzelne Material mit den tatsächlich aufgenommenen Schwächungswerten rekonstruiert und segmentiert wird, die Möglichkeit, dass zusätzlich in einer Mehrfarbendarstellung jedes einzelne Material besonders augenfällig durch Überlagerung mit dem, aus virtuellen Schwächungsdaten rekonstruierten Bild hervorgehoben werden kann.
- Entsprechend diesem Grundgedanken schlagen die Erfinder vor, das an sich bekannte Verfahren zur Erzeugung von CT-Darstellungen in der Röntgen-Computertomographie, bei dem ein Objekt, vorzugsweise ein Patient, welches/welcher sich aus N+1 Materialien oder Materialkompositionen mit signifikant unterschiedlichem Absorptionskoeffizienten zusammensetzt, durch umlaufende Strahlenfächer, welche eine Vielzahl von Abtaststrahlen im Raum erzeugen, mit N≥2 unterschiedlichen Energiespektren abgetastet wird und CT-Darstellungen von Absorptionskoeffizienten als Schnittbild oder als Volumendaten aus gemessenen Absorptionsdaten rekonstruiert werden, vor, wobei erfindungsgemäß zumindest die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden:
- – eine erste CT-Darstellung wird aus den Absorptionsdaten mindestens eines Energiespektrums rekonstruiert und ein erstes Material oder eine erste Materialkomposition durch Kenntnis seines Absorptionskoeffizienten segmentiert,
- – für jeden Abtaststrahl im Raum wird auf der Basis der ersten CT-Darstellung die Materialstärke des ersten Materials oder der ersten Materialkomposition ermittelt,
- – für jeden Abtaststrahl im Raum wird unter Berücksichtigung der bekannten Absorption des ersten Materials aus den N räumlich gleichen Abtaststrahlen unterschiedlicher Energiespektren die Materialstärke der N anderen Materialien oder Materialkompositionen bestimmt,
- – für jeden Abtaststrahl im Raum wird ein virtueller Schwächungswert aus den N+1 bekannten Materialstärken mit neu definierten Absorptionskoeffizienten berechnet,
- – mit den virtuellen Schwächungswerten wird eine zweite CT-Darstellung rekonstruiert.
- Zur Reduktion des Blooming-Effektes ist es vorteilhaft, wenn die Wertespanne der neu definierten Absorptionskoeffizienten kleiner als die Wertespanne der Absorptionskoeffizienten der N+1 Materialien oder Materialkompositionen ist. Es reicht allerdings auch schon zur Verminderung des Blooming-Effektes aus, die neu definierten Absorptionskoeffizienten so zu wählen, dass der Werteabstand untereinander identisch oder möglichst angeglichen ist. Auch dadurch wird der Kontrast an Materialübergängen reduziert, so dass der Blooming-Effekt weiter vermindert wird.
- Grundsätzlich erscheint eine CT-Darstellung, die durch Absorptionskoeffizienten mit kleinerer Wertespanne gebildet wird, weniger kontrastreich, so dass auch einzelne Materialkomponenten schlechter optisch heraus gehoben scheinen. Dieser Nachteil lässt sich beispielsweise dadurch beheben, dass eine dritte CT-Darstellung durch Überlagerung der zweiten CT-Darstellung mit der segmentierten ersten CT-Darstellung erzeugt wird.
- In einer besonderen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlagen die Erfinder weiterhin vor, dass zur Bestimmung der Materialstärken N unterschiedlicher Materialien oder Materialkompositionen auf der Basis einer bekannten Materialstärke des ersten Materials in Abhängigkeit von den Absorptionswerten der N Energiespektren in mindestens einer Lookup-Tabelle zur Verfügung gestellt werden. Hierbei können fehlende Zwischenwerte in der Lookup-Tabelle durch Interpolation ermittelt werden.
- Eine solche Lookup-Tabelle kann beispielsweise folgendermassen ermittelt werden. Für alle Kombinationen der Materialdicken dM1, ..., dMN+1 werden die Absorptionen A1, ..., AN bei den Spektren S1, ..., SN gemessen. Für feste Werte dM1 werden sodann die Abbildungen F_dM1: (dM2, ..., dMN+1) -> (A1, ..., AN) invertiert, was aufgrund der strengen Monotonie in allen Variablen möglich ist. Es ergeben sich Abbildungen G_dM1:(A1, ..., AN) -> :(dM2, ..., dMN+1), mit denen für eine Materialdicke dM1 und den N spektralen Messwerte die übrigen Materialdicken dM2, ..., dMN+1 berechnet werden, und die für feste Werte von dM1 in jeweils N N-dimensionalen Datenfeldern tabelliert werden können. Neben der Messung der Absorptionen können die Abbildungen F_dM1 auch durch eine Berechnung durch eine Computer-Simulation ermittelt werden.
- Es ist dabei daraufhin zuweisen, dass durch diese oben beschriebene pseudo-monochromatische Synthetisierung gleichzeitig auch der Effekt einer Strahlaufhärtungskorrektur erreicht wird.
- In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Bestimmung der Materialstärken N unterschiedlicher Materialien oder Materialkompositionen durch Lösung eines Gleichungssystems mit N nichtlinearen Gleichungen, vorzugsweise Absorptionsgleichungen, und N unbekannten Materialstärken unter Berücksichtigung bekannter Absorptionskoeffizienten der Materialien oder Materialkompositionen in Abhängigkeit von den Energiespektren erfolgen.
- Die Erfinder schlagen weiterhin vor, dass die Segmentierung des ersten Materials oder der ersten Materialkomposition durch Setzen mindestens eines Grenzwertes für den Absorptionskoeffizienten erfolgt. Es kann sich dabei entweder um einen Schwellwert handeln, so dass alle Bildwerte mit einem Absorptionskoeffizienten über diesem Grenzwert als materialspezifisch angesehen werden, oder es besteht die Möglichkeit, einen oberen und unteren Grenzwert zu bilden, als ein Fenster zu setzen oder einen unteren Grenzwert zu definieren, so dass alle Bildwerte unterhalb dieses Grenzwertes als materialspezifisch für die Segmentierung angesehen werden.
- Betrachtet man das wesentliche Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich die CT-Angiographie, in der ein Patient gescannt wird, wobei der Patient bezüglich der Absorptionskoeffizienten im Wesentlichen aus wasserähnlichem Gewebe, kalziumhaltigen Knochen beziehungsweise Plaques und, vorzugsweise jodhaltigem Kontrastmittel besteht, so kann als erste Materialkomposition im Wesentlichen Kalzium, als zweite Materialkomposition im Wesentlichen Jod und als dritte Materialkomposition im Wesentlichen Wasser angesehen werden.
- Bei der CT-Darstellung wird außerdem vorgeschlagen, dass zumindest einem Material oder einer Materialkomposition eine bestimmte Farbe zugeordnet wird, wobei hier zur Verbesserung des Kontrastes für jede einzelne Materialkomposition eine Segmentierung aus den originären CT-Daten durchgeführt werden kann, so dass anschließend eine entsprechende Bildüberlagerung mit den segmentierten CT-Daten vorgenommen werden kann.
- Grundsätzlich eignet sich das vorgeschlagene Verfahren für jegliche Art von CT-Geräten, wobei die unterschiedlichen verwendeten Energiespektren beispielsweise durch eine Veränderung der Beschleunigungsspannung in der Röntgenstrahlung erzeugenden Röhre erreicht werden. Es besteht auch die Möglichkeit, durch entsprechende Zwischenfilter die Röntgenstrahlung unterschiedlich aufzuhärten, so dass für den Scan unterschiedliche Röntgenspektren zur Verfügung stehen. Für diese Varianten besteht die Möglichkeit, ein CT-Gerät mit einem einzigen Fokus/Detektor-System zu verwenden. Alternativ kann auch ein CT-Gerät mit mehreren Fokus/Detektor-Systemen genutzt werden, wobei bevorzugt jedes Fokus/Detektor-System zum Scan ein anderes Energiespektrum verwendet wird. Wird beispielsweise ein doppeltes Fokus/Detektor-System mit unterschiedlichen Beschleunigungsspannungen genutzt, so ist es möglich durch unterschiedliche Filterung insgesamt wenigstens vier verschiedene Spektren zum Scan zu verwenden, wobei das gescannte Objekt insgesamt in fünf Materialkompositionen zerlegt werden kann.
- Es wird daraufhin gewiesen, dass es auch im Rahmen der Erfindung liegt, bei ausreichend unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten der Materialien durch die primäre Segmentierung diese unterschiedlichen Materialien für sich zu segmentieren und auf der Basis der Kenntnis der Lage und Mischung dieser Materialien im gescannten Objekt mit einem Scan mit N unterschiedlichen Energiespektren auch N+J Materialien zu bestimmen, wobei J der Anzahl der Materialien entspricht, die in der primären Zerlegung segmentierbar sind.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wobei diese die folgende Bedeutung haben:
1 : CT-System;2 : erste Röntgenröhre;3 : erster Detektor;4 : zweite Röntgenröhre;5 : zweiter Detektor;6 : Gantrygehäuse;7 : Patient;8 : Patientenliege;9 : Systemachse;10 : Steuer- und Recheneinheit;11 : Absorptionsdaten des ersten Spektrums S1;12 : Absorptionsdaten des zweiten Spektrums S2;13 : Rekonstruktion für Segmentierung;14 : Segmentierung;15 : inverse Rekonstruktion (= Vorwärts-Projektion);16 : Materialzerlegung;17 : Datensynthetisierung;18 : Bildrekonstruktion;19 : CT-Bild I;20 : Überlagerung;21 : überlagertes CT-Bild I';22 : Gefäß mit Plaques und Kontrastmittel;23 : Gefäß mit Kontrastmittel; A': virtuelle Absorption; Ay: Absorptionsdaten des Spektrums Sy; dMx: Materialstärke des Materials Mx; Mx: Materialkomponente x; Prg1–Prgn: Computerprogramme; Sy: Energiespektrum. - Es zeigen im Einzelnen:
-
1 3D-Darstellung eines Computertomographie-Systems mit zwei Fokus/Detektor-Systemen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, -
2 schematische Fluss-Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens, -
3 schematische Fluss-Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zusätzlicher Überlagerung eines segmentierten Bildes, und -
4 –8 Simulation von Bildaufnahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens. - Die
1 zeigt ein beispielhaftes Computertomographie-System1 mit zwei Fokus/Detektor-Systemen bestehend aus einer ersten Röntgenröhre2 mit einem gegenüberliegenden Detektor3 und einer zweiten Röntgenröhre4 mit dem gegenüberliegenden Detektor5 . Beide Fokus/Detektor-Systeme können zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit unterschiedlichen Betriebsspannungen betrieben werden oder unterschiedliche Filtervorsätze aufweisen. Der Patient7 wird mit Hilfe der verschiebbaren Patientenliege8 entlang der Systemachse9 für die Untersuchung sequentiell oder kontinuierlich durch den Strahlengang der beiden Fokus/Detektor-Systeme, die auf einer hier nicht sichtbaren Gantry im Gantrygehäuse6 angeordnet sind, geschoben und dabei durch zwei Strahlungsfächer mit unterschiedlichem Energiespektrum abgetastet. Die den Röntgenröhren gegenüberliegenden Detektoren erfassen dabei die Schwächung der Röntgenstrahlung über den gesamten Energiebereich, also nicht energiespezifisch. Die Steuerung des CT-Systems1 findet durch die Steuer- und Recheneinheit10 statt, in der auch die Datensammlung und Rekonstruktion einschließlich dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgenommen werden. Hierzu dienen Programme Prg1-Prgn, welche die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte abbilden. - Die
2 zeigt ein einfaches Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem zwei Spektren S1 und S2, dargestellt durch die Kästchen11 und12 , genutzt werden, um ein Objekt, insbesondere einen Patienten, vorzugsweise für eine CT-Angiographie, zu scannen. Die durch das Spektrum S1 aufgenommenen Absorptionsdaten A1 werden einer Rekonstruktion13 zugeführt. Diese Rekonstruktion wird ohne besondere Rücksicht auf das vorhandene Bildrauschen mit relativ steilen Filtern durchgeführt, so dass die gewonnenen Bilddaten einer anschließenden Segmentierung14 zugeführt werden können, in der die CT-Bildwerte, die einem ersten Material oder einer ersten Materialkomposition M1 entsprechen, segmentiert werden. - Auf der Basis der segmentierten Daten wird nun im Schritt
15 für jeden Strahl im Raum durch das Objekt die durchdrungene Materialstärke dM1 bestimmt. Aufgrund der Kenntnis dieser Materialstärke dM1 kann nun auf der Basis der Absorptionen A1 und A2 durch die Röntgenspektren S1 beziehungsweise S2 ermittelt werden, wie hoch die Materialstärke dM2 und dM3 für den jeweils betrachteten Röntgenstrahl im Raum ausfällt. Hierzu kann beispielsweise eine Lookup-Tabelle verwendet werden, die durch Messung der Absorption unterschiedlicher Materialstärken der drei Materialien aufgenommen und durch Inversion der Abbildung (dM2, dM3) -> (A1, A2) für feste dM1 berechnet wur de. Im Verfahrensschritt16 ist also als Ergebnis die Materialstärke dM2 und dM3 bekannt, wobei die Materialstärke dM1 bereits aus der invertierten Rekonstruktion15 vorliegt. Ausgehend von diesen nun bekannten Materialstärken dM1 bis dM3 wird im Verfahrensschritt17 jedem einzelnen Material M1 bis M3 ein virtueller Absorptionskoeffizient μ1' bis μ3' zuerkannt, so dass auf der Basis der bekannten Materialstärken eine virtuelle Absorption A' für jeden einzelnen Röntgenstrahl errechnet werden kann, mit A' = μ1'·dM1+μ2'·dM2+μ3'·dM3. Es können also mit diesem Verfahren virtuelle Projektionen berechnet werden, die anschließend im Verfahrensschritt18 zu CT-Bilddaten oder CT-Volumendaten rekonstruiert werden können. Da die Wahl der virtuellen Absorptionskoeffizienten frei ist, können diese so gewählt werden, dass die Kontrastsprünge, die im CT-Bild erscheinen, gemäßigt sind, insbesondere solche zwischen Jod und Knochen, und dadurch der Blooming-Effekt, der durch sehr starke Kontrastsprünge und gleichzeitig relativ weiche Filterungen bei der Rekonstruktion entsteht, stark vermindert werden. - Es entsteht also eine CT-Darstellung
19 , welche bezüglich ihrer Grauwertskala den gewählten, virtuellen Absorptionskoeffizienten entspricht. - Da eine derartige Darstellung mit verminderter Spreizung der Absorptionskoeffizienten verminderten Kontrast aufweist, schlagen die Erfinder weiterhin vor, dass zusätzlich die in der Segmentierung gewonnenen Daten mit dem rekonstruierten Bild überlagert werden, damit bezüglich des ausgewählten Materials oder der Materialkomponente M1 eine leichter interpretierbare Darstellung entsteht. Ein solches Verfahren ist beispielhaft in der
3 dargestellt. Grundsätzlich entspricht das Verfahren dem Verfahren in der2 , allerdings wurden in diesem Fall für die Rekonstruktion im Verfahrensschritt13 beide Spektren S1 und S2 entsprechend ihrer genutzten Dosisgewichte gewichtet, kombiniert und zur Rekonstruktion genutzt. Vorteilhaft erweist sich eine rauschoptimierte Gewichtung, bei der die Gewichte der Daten S1 und S2 entsprechend ihrer Dosis gewählt werden. Die Segmentation im Schritt14 und die anschließende invertierte Rekonstruktion im Schritt15 bleibt gleich, ebenso die nachfolgenden Verfahrensschritte16 ,17 ,18 und19 . Neu in diesem Verfahren ist, dass das segmentierte Bild nach dem Verfahrensschritt14 in einem neuen Verfahrensschritt20 mit dem rekonstruierten Bild19 überlagert wird, und ein neues, bezüglich des Kontrastes stärker ausgebildetes CT-Bild21 entsteht. Da die Filterung im Verfahrensschritt14 wesentlich steiler ausfällt als im Verfahrensschritt18 , ist hier der Blooming-Effekt stark reduziert, so dass die tatsächliche Größe des Materials M1 durch das segmentierte Bild mit großer Genauigkeit dargestellt wird. - Die
4 bis8 zeigen beispielhaft den Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem virtuellen Phantom. Dieses virtuelle Phantom ist in der4 dargestellt und besteht aus einem zylindrischen Wasserphantom, in dem zwei Gefäße22 und23 angeordnet sind, die von einem Kontrastmittel durchströmt werden. Das linke Gefäß22 weist zusätzlich über die Hälfte des Volumens eine Kalzifizierung auf. Die CT-Darstellung der1 wurde mit einem normalen Rekonstruktionsverfahren berechnet. - In der
5 ist eine Vergrößerung dieses linken, halb mit Plaques gefüllten Gefäßes22 bei normaler Rekonstruktion dargestellt. Es zeigt sich, dass aufgrund des Blooming-Effektes eine Vergrößerung des Volumens der Kalzifizierung deutlich zu erkennen ist. - Die
6 zeigt das Ergebnis der Segmentierung entsprechend dem Verfahrensschritt14 in den2 und3 , indem ein klar abgegrenztes, halbkreisförmiges Kalziumsegment zu erkennen ist. Das Ergebnis der Rekonstruktion aus dem Verfahrensschritt18 der2 und3 ist in der7 dargestellt, wobei hier für die virtuellen Absorptionskoeffizienten eine wesentlich geringere Bandbreite gewählt wurde als sie tatsächlich vorliegt. Entsprechend wird auch das Gefäß durch den Blooming-Effekt nicht fälschlich vergrößert. Es ist allerdings zu erkennen, dass für die Diagnostik der Kalzifizierung der Kontrast – zumindest so wie die virtuellen Absorptionskoeffizienten hier gewählt wurden – nicht ausreicht. Es wird daher im erfindungsgemäßen Verfahren eine Überlagerung der6 und7 vorgenommen. Diese Überlagerung wird in der8 dargestellt. Hier zeigt sich nun eine klare Abgrenzung des im Gefäß vorliegenden Plaques, wobei dieses Volumen nicht durch Blooming-Effekte vergrößert ist und somit eine wesentlich verbesserte Diagnostik zulässt. - Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
- Insgesamt wird also durch diese Erfindung ein Verfahren zur kontrastmittelunterstützten Erzeugung von CT-Darstellungen in der Röntgen-Computertomographie vorgestellt, wobei der Blooming-Effekt reduziert wird, indem beim Scan eines Objektes mit zwei unterschiedlichen Energiespektren S1 und S2 das Objekt in drei Materialkomponenten M1, M2 und M3 zerlegt und eine erste Komponente M1 und deren Materialstärke dM1 durch Segmentierung bestimmt wird. Anschließend werden die beiden anderen Materialkomponenten M2 und M3 und ihrer Materialstärken dM2 und dM3 aufgrund der gemessenen Schwächungswerte A1 und A2 beider Spektren S1 und S2 für jeden Strahl bestimmt und aus den so bekannten Materialstärken dM1, dM2 und dM3 der unterschiedlichen Materialkomponenten M1, M2 und M3 virtuelle Absorptionsdaten A' mit virtuellen Absorptionskoeffizienten für die einzelnen Materialkomponenten M1, M2 und M3 aufgebaut und zur Rekonstruktion der zu fertigen CT-Darstellung verwendet.
Claims (16)
- Verfahren zur Erzeugung von CT-Darstellungen in der Röntgen-Computertomographie (CT), wobei 1.1. ein Objekt, vorzugsweise ein Patient, welches/welcher sich aus N+1 Materialien oder Materialkompositionen (M1, M2, M3) mit unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten (μ1, μ2, μ3) zusammensetzt, durch umlaufende Strahlenfächer, welche eine Vielzahl von Abtaststrahlen im Raum erzeugen, mit N≥2 unterschiedlichen Energiespektren (S1, S2) abgetastet wird, und 1.2. CT-Darstellungen von Absorptionskoeffizienten als Schnittbild oder als Volumendaten aus gemessenen Absorptionsdaten rekonstruiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden: 1.3. eine erste CT-Darstellung wird aus den Absorptionsdaten mindestens eines Energiespektrums (S1, S2) rekonstruiert und ein erstes Material oder eine erste Materialkomposition (M1) durch Kenntnis seines Absorptionskoeffizienten (μ1) segmentiert, 1.4. für jeden Abtaststrahl im Raum wird auf der Basis der ersten CT-Darstellung die Materialstärke (dM1) des ersten Materials oder der ersten Materialkomposition (M1) ermittelt, 1.5. für jeden Abtaststrahl im Raum unter Berücksichtigung der bekannten Absorption des ersten Materials (M1) aus den N räumlich gleichen Abtaststrahlen unterschiedlicher Energiespektren (S1, S2) die Materialstärke (dM2, dM3) der N anderen Materialien oder Materialkompositionen (M2, M3) bestimmt wird, 1.6. für jeden Abtaststrahl im Raum ein virtueller Schwächungswert aus den N+1 bekannten Materialstärken (dM1, dM2, dM3) mit neu definierten Absorptionskoeffizienten (μ1', μ2', μ3') berechnet wird und 1.7. mit den virtuellen Schwächungswerten eine zweite CT-Darstellung rekonstruiert wird.
- Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wertespanne der neu definierten Absorptionskoeffizienten (μ1', μ2', μ3') kleiner als die Wertespanne der Absorptionskoeffizienten (μ1', μ2', μ3') der N+1 Materialien oder Materialkompositionen (M1, M2, M3) ist.
- Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte CT-Darstellung durch Überlagerung der zweiten CT-Darstellung mit der segmentierten ersten CT-Darstellung erzeugt wird.
- Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Materialstärken (dM2, dM3) N unterschiedlicher Materialien oder Materialkompositionen (M2, M3) auf der Basis einer bekannten Materialstärke (dM1) des ersten Materials (M1) in Abhängigkeit von den Absorptionswerten von N Energiespektren (S1, S2) in mindestens einer Lookup-Tabelle zur Verfügung gestellt werden.
- Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass fehlende Zwischenwerte in der Lookup-Tabelle durch Interpolation ermittelt werden.
- Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lookup-Tabelle durch Absorptionsmessungen mit den verwendeten Energiespektren (S1, S2) an unterschiedlichen Materialstärken (dM1, dM2, dM3) der betrachteten Materialien oder Materialkompositionen (M1, M2, M3) ermittelt wird.
- Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lookup-Tabelle durch Berechnung der Absorption der verwendeten Energiespektren (S1, S2) an unterschiedlichen Materialstärken (dM1, dM2, dM3) der betrachteten Materialien oder Materialkompositionen (M1, M2, M3) ermittelt wird.
- Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Materialstärken (dM2, dM3) N unterschiedlicher Materialien oder Materialkompositionen (M2, M3) durch Lösung eines Gleichungssystems mit N Absorptionsgleichungen und N unbekannten Materialstärken (dM2, dM3) unter Berücksichtigung bekannter Absorptionskoeffizienten (μ1, μ2, μ3) der Materialien oder Materialkompositionen (M1, M2, M3) in Abhängigkeit von den Energiespektren (S1, S2) erfolgt.
- Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmentierung des ersten Materials oder der ersten Materialkomposition (M1) durch Setzen mindestens eines Grenzwertes für den Absorptionskoeffizienten erfolgt.
- Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmentierung des ersten Materials oder der ersten Materialkomposition (M1) durch Setzen eines oberen und eines unteren Grenzwertes für den Absorptionskoeffizienten erfolgt.
- Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Materialkomposition (M1) im Wesentlichen aus Kalzium (Ca) besteht.
- Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Materialkomposition im Wesentlichen aus Jod (I) besteht.
- Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Materialkomposition im Wesentlichen aus Wasser (H2O) besteht.
- Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der CT-Darstellung zumindest einem Material oder einer Materialkomposition (Mx) eine Farbe zugeordnet wird.
- Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten unterschiedlichen Energiespektren (S1, S2) durch separate Fokus/Detektor-Systeme erzeugt werden.
- Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten unterschiedlichen Energiespektren (S1, S2) durch ein einziges Fokus/Detektor-System erzeugt werden.
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