DE102013218821A1

DE102013218821A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Darstellung eines Objektes mit Hilfe von Röntgenstrahlen

Info

Publication number: DE102013218821A1
Application number: DE102013218821.8A
Authority: DE
Inventors: Frank Dennerlein
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2013-09-19
Filing date: 2013-09-19
Publication date: 2015-03-19
Also published as: US20150078646A1

Abstract

Die Erfindung betrifft die Darstellung eines Objektes mit Hilfe von Röntgenstrahlen. Dabei wird eine Vielzahl von Röntgenprojektionen aufgenommen, aus welchen einen die Dichte des Objektes charakterisierenden Volumendatensatz rekonstruiert wird. Anschließend erfolgt eine Ermittlung von Dichtewerten entlang eines Strahles auf Basis des Volumendatensatzes. Durch die Durchführung einer Tiefpassfilterung für die Dichtewerte entlang des Strahls und Bestimmung des Maximums der gefilterten Dichtewerte erhält man Werte (Maxima der gefilterten Dichtewerte) für die Darstellung des Objekts, welche gleichzeitig feine Strukturen gut abbilden und dem Einfluss von Artefakten kaum unterliegen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Darstellung eines Objektes von mit Hilfe von Röntgenstrahlen.
Die Röntgentechnik hat sich in der medizinischen Diagnose als ein Standardverfahren etabliert. Sie basiert drauf, dass durch ein Objekt transmittierte Röntgenstrahlen entsprechend der Absorptionseigenschaften des Objektes abgeschwächt werden. Die durch das Objekt transmittierten Röntgenstrahlen werden mittels eines Detektors aufgenommen. Die aufgenommenen Intensitäten stellen in Abhängigkeit der Aufnahmegeometrie ein Maß dar, welches insbesondere eine Aussage über die Dichte des von den Röntgenstrahlen durchdrungenen Gewebes liefert.
Die traditionelle Röntgentechnik liefert typischerweise Projektionsbilder in zwei Dimensionen, die mittels eines Flächendetektors aufgenommen wurden. Eine Auflösung orthogonal zu der Detektorfläche ist herkömmlich jedoch nicht möglich. Im Zuge der Weiterentwicklung der Röntgentechnik wurden Verfahren entwickelt, die auch Informationen bzgl. der dritten Dimension liefern. Diese Verfahren basieren darauf, dass Röntgenaufnahmen aus einer Vielzahl von verschiedenen Richtungen gemacht werden und aus den dadurch erhaltenen Röntgenbildern (auch Projektionen genannt) Dichtewerte des Objektes in drei Dimensionen (in der Regel als Voxel bezeichnet) erhalten werden. Diese Voxel, die Dichtewerten bzw. sogenannten Grauwerten an Raumpunkten entsprechen, können für die Analyse des Objektes verwendet werden, z. B. indem Schnitte des Objektes berechnet und dargestellt werden.
Die erste Röntgenmodalität, welche die Rekonstruktion eines Volumendatensatzes ermöglichte, war die Computertomographie, welche die Rotation der Röntgenquelle um das Objekt bzw. um den Patienten erlaubt. Inzwischen existiert eine Reihe von anderen Röntgengeräten, die eine dreidimensionale Rekonstruktion zulassen, z. B. C-Bögen und Mammographiegeräte. In der Mammographie werden Geräte dadurch für eine 3D-Rekonstruktion ausgebildet, dass ein Winkelbereich durchfahren und für diesen Winkelbereich Röntgenaufnahmen gemacht werden können. In diesem Zusammenhang spricht man von Tomosynthese. Im Gegensatz zur Computertomographie ist bei anderen Anwendungen (beispielsweise Tomosynthese) es häufig nicht möglich, Aufnahmen aus einem beliebig großen Winkelbereich vorzunehmen, was zu Artefakten führen kann (Im Folgenden werden diese Artefakte auch als Winkelartefakte bezeichnet).
Insbesondere in der Mammographie ergeben sich für die Darstellung von durch Tomosynthese gewonnenen Datensätzen besondere Herausforderungen, die einerseits daraus resultieren, dass nur mit einem beschränkten Winkelbereich und damit artefaktbehafteten Volumendaten gearbeitet wird, und zum anderen daraus, dass relevante darzustellende Strukturen (sogenannte Mikrokalzifizierungen, die kanzerogenes Gewebe indizieren) eine sehr geringe Größe aufweisen.
Für die Darstellung von Volumendatensätzen werden neben den schnittweisen Darstellungen weitere Techniken eingesetzt, welche üblicherweise auch als Volume-Rendering bezeichnet werden und die der Tatsache Rechnung tragen, dass ein Volumen (d. h. ein dreidimensionales Gebilde) dargestellt werden soll.
Ein erstes Verfahren zur Darstellung von Volumendaten ist die digitale Rekonstruktion eines Röntgenbildes (auch als DRR für englisch „digitally reconstucted radiograph” bezeichnet). Es handelt sich dabei um eine Simulation bzw. Berechnung einer zweidimensionalen Röntgenaufnahme aus einem dreidimensionalen Volumendatensatz von Schwächungswerten, z. B. durch Integration bzw. Aufsummierung der Volumendaten entlang von Sehstrahlen. Derartiges Verfahren sind beispielsweise in der DE 10 2005 008 609 A1 und der DE 10 2012 200 661 A1 beschrieben.
Daneben ist als eine andere Technik auch die Maximumintensitätsprojektion (MIP, maximum intensity projection) als Verfahren der Bildverarbeitung üblich. Im Zuge der Maximumintensitätsprojektion werden dreidimensionale Volumendatensätze bzw. Bilddatensätze in zweidimensionale Projektionsbilder umgerechnet, indem entlang der Blickrichtung (Projektionsrichtung) jeweils der Datenpunkt mit der maximalen Intensität ausgewählt wird. Ein Anwendungsbereich ist beispielsweise die Darstellung von CT-Angiographie- und Magnetresonanzangiographie-Daten. In diesen Daten haben die Blutgefäße im Allgemeinen hohe Signalintensitäten und werden daher durch die Maximumintensitätsprojektion gut sichtbar abgebildet. Ein derartiges Verfahren ist z. B. in der US 2013/0064440 A1 angesprochen.
Beide oben genannten Verfahren haben Defizite, die sich insbesondere auch im Bereich der Mammo-Tomosynthese (Tomosynthese im Bereich der Mammographie) bemerkbar machen. In DRR-Aufnahmen sind häufig wichtige Strukturen mit hohem Kontrast aber sehr geringer Größe, wie z. B. Mikrokalzifizierungen, nicht zu sehen, weil sie wegen ihrer kleinen Größe im Zuge einer bei der Berechnung der DRR-Aufnahmen sich ergebenden Mittelungswirkung verloren gehen. MIP-Aufnahmen dagegen bewahren typischerweise die kleine Strukturen, unterliegen dabei aber Bildrauschen und sind behaftet mit auf den kleinen Winkelbereich zurückzuführenden Artefakten, welche von den Volumendatensatz in die Projektion propagiert werden.
Es besteht somit ein Bedarf an einem Vorgehen, welches insbesondere die Darstellung kleiner Strukturen erlaubt und bzgl. Beeinträchtigungen der Aufnahmequalität des Volumendatensatzes, wie z. B. Rauschen und Winkelartefakten, vergleichsweise robust ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein derartiges verbessertes Vorgehen vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 4 gelöst.
Erfindungsgemäß wird auf Basis einer Vielzahl von Röntgenprojektionen, typischerweise aus verschiedenen Aufnahmewinkeln, eine Rekonstruktion eines die Dichte eines untersuchten Objektes charakterisierenden Volumendatensatzes vorgenommen. Mit Hilfe des Volumendatensatzes werden dann entlang eines Strahles (typischerweise Sehstrahl) Dichtewerte ermittelt. Die ermittelten Werte werden einer Tiefpassfilterung unterzogen, vorzugsweise durch eine Faltung mit Hilfe eines Faltungskernes, welcher für eine Tiefpassfilterung ausgebildet ist. Dabei können zunächst alle Dichtewerte ermittelt und anschließend für jeden dieser Dichtewerte eine Tiefpassfilterung vorgenommen werden. Denkbar ist aber auch, dass unmittelbar nach Ermittlung eines Dichtewertes sofort die Tiefpassfilterung für diesen Dichtewert erfolgt und der gefilterte Wert dann abgespeichert wird. Für die gefilterten Dichtewerte entlang des Strahls wird dann das Maximum bestimmt. Dabei kann ggf. durch entsprechende Umformulierung des mathematischen Problems statt einer Maximumbestimmung auch eine Minimumbestimmung erfolgen. Eine derartige Umformulierung soll von dem Schutzbereich der Ansprüche umfasst sein, d. h. der Begriff „Maximum” soll bei äquivalenten Umformungen des mathematischen Problems im Sinne von „Extremum” verstanden werden.
Schließlich wird das für den Strahl ermittelte Maximum der gefilterten Dichtewerte für die Darstellung des Objektes (z. B. auf einen Monitor) verwendet.
Die Erfindung erlaubt einerseits die positiven Seiten des konventionellen MIP-Verfahrens zu bewahren (korrekte Darstellung von kleinen Mikrokalzifizierungen) und gleichzeitig die Nachteile von MIP-Verfahren zu vermeiden (d. h. im Vergleich zum MIP-Verfahren sind die Reduktion von Winkelartefakten und Bildrauschen sowie eine bessere Sichtbarkeit von Weichgewebe gewährleistet).
Die Erfindung wird im Folgenden im Rahmen eines Ausführungsbeispiels anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen
1: eine Frontalansicht eines Mammographiegerätes,
2: eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Tomosyntheseaufnahme,
3: ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 eine Illustration der Projektionsgeometrie, und
5 einen Vergleich der Bildqualität bei verschiedenen Aufnahmetechniken.
1 zeigt eine Frontalansicht eines Mammographiegerätes 9. An einer Halterung 3 sind ein (üblicherweise den Detektor enthaltender) Objekttisch 1 und eine Kompressionsplatte 2 angeordnet, mittels derer eine zu untersuchende Brust 10 (siehe 2) zusammengepresst wird. Für Tomosyntheseaufnahmen wird der den Strahler 6 um eine zu der Zeichenebene orthogonale Rotationsachse drehbar ausgeführt. Aufgenommene Projektionen können einem Auswertungsrechner 5 zugeführt werden. Dieser Auswertungsrechner dient z. B. zur Bildrekonstruktion. Er ist dazu normalerweise mit einer Anzeigeeinheit bzw. einem Monitor 8 zur Anzeige von errechneten Bildern verbunden und häufig noch mit einer Speichereinheit 7, in der beispielsweise sogenannte Filter, also Hilfsgrößen für die Berechnung und ähnliche Größen, gespeichert sein können.
Die generelle Situation bei Tomosyntheseaufnahmen ist in 2 dargestellt. Die Kompressionsplatte 2 ist wegen der Aufnahmen aus verschiedenen Winkelpositionen (typischerweise minus 25° bis plus 25°) breiter als für herkömmliche Aufnahmen ausgestaltet. Die Röntgenquelle bzw. der Strahler (Bezugszeichen 6 in 1) durchläuft während einer Tomosyntheseaufnahme eines Objekts 10 eine Trajektorie. Es sind Positionen 101, 102, 103 ... auf der Trajektorie markiert, für die jeweils eine Röntgenaufnahme gemacht wird. Diese Positionen geben z. B. den Ort des Fokus der Röntgenquelle bei diesen Aufnahmen wieder. Für drei Positionen 101, 110 und 120 ist der sich aufweitende Röntgenstrahl eingezeichnet. Die Form des Röntgenstrahls ist in den meisten Fällen ein Fächer oder ein Kegel.
Aus den aufgenommenen Projektionen wird ein Volumendatensatz rekonstruiert. Übliche Rekonstruktionsverfahren sind die gefilterte Rückprojektion (FBP: Filtered Back Projection) und iterative Verfahren (z. B. Feldkamp-Algorithmus). Der Volumendatensatz liegt üblicherweise in Form von Voxeln vor, d. h. als Dichtewerte (häufig als Grauwerte bezeichnet), die Raumpunkten zugeordnet sind. Für die Analyse erfolgt (zumindest) eine Abbildung dieser Dichtewert im Raum auf in zwei Dimensionen definierte Werte (häufig als Pixel bezeichnet), die zur Anzeige auf einem Monitor verwendet werden. Dabei wird typischerweise von Sehstrahlen ausgegangen. Aus den Werten des Volumendatensatzes entlang eines Sehstrahls wird ein Pixel zur Anzeige auf einem Monitor ermittelt.
Erfindungsgemäß wird hierfür eine modifizierte MIP-Technik vorgeschlagen. Diese kann auch als abgemilderte Maximumintensitätsprojektion oder „mollified maximum intensity projection” (mMIP) bezeichnet werden.
Dabei wird eine abgemilderte Maximumintensitätsprojektion durch Durchführung einer eindimensionalen faltungsbasierten Tiefpassfilterung von dreidimensionalen Volumendaten entlang eines virtuellen Projektionsstrahls und durch Bestimmung des Maximums der tiefpassgefilterten Volumendaten entlang jedes Projektionsstrahls zur Erlangung des gesuchten Projektionswertes durchgeführt.
Das Verfahren ist in 3 skizziert. Es wird zunächst eine Aufnahme von einer Vielzahl von Röntgenprojektionen vorgenommen (Schritt S1) und daraus ein Volumendatensatz rekonstruiert (Schritt S2). Sei f(x) die räumliche Verteilung der nicht negativen, rekonstruierten Dichte eines Objektes im dreidimensionalen Bildraum, wobei x = (x, y, z) einen Raumpunkt bezeichnet. Das gesuchte Projektionsbild (zweidimensionales aus Pixeln bestehendes Bild zur Anzeige auf einen Monitor), welches aus dem Bilddatensatz bzw. Volumendatensatz erhalten werden soll, wird als g(u, v) bezeichnet. Dabei sind u und v die kartesischen Koordinaten, die Pixelpositionen bzw. Positionen im Projektionsbild bezeichnen. Wie in 4 gezeigt, wird eine Kegelstrahlprojektionsgeometrie angenommen, so dass die Werte g(u, v) aus den Werten von f(x) entlang des Strahls, welcher den Punkt (u, v) und das Projektionszentrum bzw. den Projektionsursprung a verbindet, ermittelt werden können. Dieser Strahl ist definiert als a + tα(u, v), wobei t ein eindimensionaler Parameter ist und der Einheitsvektor α die Richtung des Strahles definiert. Die Werte, aus denen g(u, v) ermittelt wird, können dann mit v_(u,v)(t) = f(a + tα(u, v)) bezeichnet werden. Die v_(u,v)(t) stellen also Dichtewerte entlang des Strahles dar (Schritt S3 in 3). Mit dieser Terminologie werden abgemilderte MIPs
als
definiert, wobei das Maximum über die gefilterten Werte
genommen wird und h(t) einen eindimensionalen Faltungskern bezeichnet. Dabei entspricht Formel (2) der Tiefpassfilterung entsprechend Schritt S4 und Formel (1) der Maximumbestimmung entsprechend Schritt S5 in 3.
Somit wird eine abgemilderte Maximumintensitätsprojektion bzw. ein abgemildertes MIP-Verfahren durch Durchführung einer eindimensionalen faltungsbildbasierten Filterung von der dreidimensionalen Dichte f entlang von virtuellen Projektionsstrahlen (die Faltung entspricht der Abbildung der Werte v auf v ~) und Ermittlung des Maximums über die gefilterten v ~ erhalten, welche für die Darstellung des Objektes verwendet werden kann (Schritt S6 in 3). Die abgemilderten MIPS können als Generalisierung von konventionellen MIPS und DRRs verstanden werden. Ein konventionelles MIP würde erhalten werden, indem man den Filterkern durch die Dirac-Distribution (d. h. h(t) = δ(t)) ersetzt. Eine DRR dagegen würde bei Gleichsetzung des Filterkerns mit der Funktion h(t) = 1 erhalten. Die abgemilderten MIPs haben folgende Eigenschaften:

A) Sie erhalten die räumliche Auflösung. Die eindimensionale Tiefpassfilterung wird bei ihrer Berechnung immer entlang der Vorwärtsprojektionsstrahlen durchgeführt. Diese führt somit keine Verschmierung zwischen benachbarten Pixeln im anzuzeigenden zweidimensionalen Projektionsbild ein. Die räumliche Auflösung ist somit nicht beeinträchtigt.
B) Das Bildrauschen ist im Vergleich zur konventionellen MIPs reduziert. Die Tiefpassfilterung reduziert hochfrequentes Rauschen in den Werten v entlang dem Projektionsstrahl. Die sich anschließenden Suche nach dem Maximum wird folglich mit geringerer Wahrscheinlichkeit einzelne auf Rauschen zurückgehende Werte festlegen, sondern die maximale Dichte entsprechend einer reellen Objektstruktur.
C) Der Kontrast wird im Vergleich zu DRRs erhöht. Kleine Strukturen mit hohem Kontrast gehen oft in synthetisch generierten DRRs wegen ihrer kleinen Größe verloren. Dies gilt nicht für abgemilderte MIPs, welche kleine Strukturen schön sichtbar machen, da nur die Region an bzw. um diese Strukturen in Projektionsbild abgebildet wird.
D) Winkelartefakten sind im Vergleich mit konventionellen MIPs reduziert. Diese Artefakte werden signifikant unterdrückt durch die Anwendung eines eindimensionalen Mittelungsvorgangs über diese Artefaktregion. Die Tiefpassfilterung führt eine derartige Mittelung durch, welche auch dafür verantwortlich ist, dass Winkelartefakte (auch „limited angle artefacts” genannt, d. h. Artefakte, die auf den beschränkten Aufnahmewinkelbereich zurückzuführen sind) in DRR-Projektionen unterdrückt sind.

5 zeigt dieselbe Projektion berechnet mit einem DRR-Verfahren (links), einem konventionellen MIP-Verfahren (Mitte) und einem abgeschwächten MIP-Verfahren (rechts). Eine kleine Region, welche Mikrokalzifizierungen enthält, ist jeweils oben rechts in einem vergrößerten Zoom-Bild dargestellt. Das DRR-Verfahren lässt die Mikrokalzifizierung nur erahnen. Besser sind diese in dem konventionellen MIP-Verfahren wiedergegeben, wobei schließlich das erfindungsgemäße Verfahren die Struktur noch klarer erscheinen lässt.
Die vorliegende Erfindung erlaubt somit Volumendatensätze, welche mit Standardrekonstruktionsverfahren (z. B. Filtered Back Projection oder iterativen Verfahren) erhalten wurden, darzustellen, ohne dass ein spezielles Nachbehandeln (postprocessing) der Daten erforderlich wären. Bildrauschen und Winkelartefakte bzw. out-of-plane-Artefakte sind im Vergleich zu konventionellen MIP-Verfahren reduziert.
Die Erfindung wurde vorgehend im Zuge von Mammo-Tomosynthese dargestellt. Das Verfahren ist aber nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern kann grundsätzlich überall dort eingesetzt werden wo mittels Röntgenstrahlen Volumendatensätze erhalten wurden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005008609 A1 [0007]
DE 102012200661 A1 [0007]
US 2013/0064440 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Darstellung eines Objektes mit Hilfe von Röntgenstrahlen, umfassend a) Aufnahme einer Vielzahl von Röntgenprojektionen, b) Rekonstruktion eines die Dichte des Objektes charakterisierenden Volumendatensatzes, c) Ermittlung von Dichtewerten entlang eines Strahles auf Basis des Volumendatensatzes, d) Durchführung einer Tiefpassfilterung für die Dichtewerte entlang des Strahls, e) Bestimmung des Maximums der gefilterten Dichtewerte, und f) Verwendung des Maximums der gefilterten Dichtewerte für die Darstellung des Objekts.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefpassfilterung mittels einer Faltung vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für eine Vielzahl von Strahlen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme einer Vielzahl von Röntgenprojektionen und die Rekonstruktion eines die Dichte des Objektes charakterisierenden Volumendatensatzes im Zuge eines Tomosyntheseverfahrens erfolgen.
Vorrichtung Zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend a) ein Röntgengerät (9) zur Aufnahme einer Vielzahl von Röntgenprojektionen, b) eine Recheneinheit (5) – zur Rekonstruktion eines die Dichte des Objektes charakterisierenden Volumendatensatzes, – zur Ermittlung von Dichtewerten entlang eines Strahles auf Basis des Volumendatensatzes, – zur Durchführung einer Tiefpassfilterung für die Dichtewerte entlang des Strahls, und – zur Bestimmung des Maximums der gefilterten Dichtewerte, und c) einen Monitor (8) zur Darstellung des Objektes unter Verwendung des Maximums der gefilterten Dichtewerte.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dir Recheneinheit (5) zur Durchführung der Tiefpassfilterung mittels einer (1D) Faltung ausgestaltet ist.