DE102005049586A1

DE102005049586A1 - Verfahren zur Erzeugung von CT-Darstellungen in der Röntgen-Computertomographie

Info

Publication number: DE102005049586A1
Application number: DE102005049586A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Flohr; Rainer Dr. Raupach
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2005-10-17
Filing date: 2005-10-17
Publication date: 2007-04-26
Also published as: CN101023875A; US20070092056A1; JP2007111525A

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, ..., dM_N+1 werden die Absorptionen A₁, ..., A_N bei den Spektren S₁, ..., S_N gemessen. Für feste Werte dM₁ werden sodann die Abbildungen F_dM₁: (dM₂, ..., dM_N+1) -> (A₁, ..., A_N) invertiert, was aufgrund der strengen Monotonie in allen Variablen möglich ist. Es ergeben sich Abbildungen G_dM₁:(A₁, ..., A_N) -> :(dM₂, ..., dM_N+1), mit denen für eine Materialdicke dM₁ und den N spektralen Messwerte die übrigen Materialdicken dM₂, ..., dM_N+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; A_y: Absorptionsdaten des Spektrums S_y; dM_x: Materialstärke des Materials M_x; M_x: Materialkomponente _x; Prg₁–Prg_n: Computerprogramme; S_y: 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-System 1 mit zwei Fokus/Detektor-Systemen bestehend aus einer ersten Röntgenröhre 2 mit einem gegenüberliegenden Detektor 3 und einer zweiten Röntgenröhre 4 mit dem gegenüberliegenden Detektor 5. Beide Fokus/Detektor-Systeme können zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit unterschiedlichen Betriebsspannungen betrieben werden oder unterschiedliche Filtervorsätze aufweisen. Der Patient 7 wird mit Hilfe der verschiebbaren Patientenliege 8 entlang der Systemachse 9 für die Untersuchung sequentiell oder kontinuierlich durch den Strahlengang der beiden Fokus/Detektor-Systeme, die auf einer hier nicht sichtbaren Gantry im Gantrygehäuse 6 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-Systems 1 findet durch die Steuer- und Recheneinheit 10 statt, in der auch die Datensammlung und Rekonstruktion einschließlich dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgenommen werden. Hierzu dienen Programme Prg₁-Prg_n, welche die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte abbilden.
Die 2 zeigt ein einfaches Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem zwei Spektren S₁ und S₂, dargestellt durch die Kästchen 11 und 12, 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 Rekonstruktion 13 zugeführt. Diese Rekonstruktion wird ohne besondere Rücksicht auf das vorhandene Bildrauschen mit relativ steilen Filtern durchgeführt, so dass die gewonnenen Bilddaten einer anschließenden Segmentierung 14 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 Verfahrensschritt 16 ist also als Ergebnis die Materialstärke dM₂ und dM₃ bekannt, wobei die Materialstärke dM₁ bereits aus der invertierten Rekonstruktion 15 vorliegt. Ausgehend von diesen nun bekannten Materialstärken dM₁ bis dM₃ wird im Verfahrensschritt 17 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 Verfahrensschritt 18 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 der 2, allerdings wurden in diesem Fall für die Rekonstruktion im Verfahrensschritt 13 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 Schritt 14 und die anschließende invertierte Rekonstruktion im Schritt 15 bleibt gleich, ebenso die nachfolgenden Verfahrensschritte 16, 17, 18 und 19. Neu in diesem Verfahren ist, dass das segmentierte Bild nach dem Verfahrensschritt 14 in einem neuen Verfahrensschritt 20 mit dem rekonstruierten Bild 19 überlagert wird, und ein neues, bezüglich des Kontrastes stärker ausgebildetes CT-Bild 21 entsteht. Da die Filterung im Verfahrensschritt 14 wesentlich steiler ausfällt als im Verfahrensschritt 18, 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 bis 8 zeigen beispielhaft den Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem virtuellen Phantom. Dieses virtuelle Phantom ist in der 4 dargestellt und besteht aus einem zylindrischen Wasserphantom, in dem zwei Gefäße 22 und 23 angeordnet sind, die von einem Kontrastmittel durchströmt werden. Das linke Gefäß 22 weist zusätzlich über die Hälfte des Volumens eine Kalzifizierung auf. Die CT-Darstellung der 1 wurde mit einem normalen Rekonstruktionsverfahren berechnet.
In der 5 ist eine Vergrößerung dieses linken, halb mit Plaques gefüllten Gefäßes 22 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 Verfahrensschritt 14 in den 2 und 3, indem ein klar abgegrenztes, halbkreisförmiges Kalziumsegment zu erkennen ist. Das Ergebnis der Rekonstruktion aus dem Verfahrensschritt 18 der 2 und 3 ist in der 7 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 der 6 und 7 vorgenommen. Diese Überlagerung wird in der 8 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

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 (M_x) 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.