DE102011115577A1 - Method for avoiding artifact in iterative reconstruction of object such as apple, involves determining start model of object function under back projection of detected gray values of projections for all prospects in object space - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung eines numerischen Modells der dreidimensionalen Verteilung von Röntgenlicht-Abschwächungswerten (”x-ray attenuation”) für ein mit Röntgenlicht aus verschiedenen Richtungen durchleuchtetes Objekt, insbesondere ein Verfahren zur Bearbeitung einer Mehrzahl von elektronisch aufgezeichneten Röntgenbildern und zur Rekonstruktion des durchleuchteten Objekts, beispielsweise eines lebenden Patienten, im Wege der Digitalen Tomosynthese.The invention relates to a method for calculating a numerical model of the three-dimensional distribution of x-ray attenuation values for an X-rayed light from different directions, in particular a method for processing a plurality of electronically recorded X-ray images and for reconstructing the X-ray attenuation illuminated object, such as a living patient, by means of digital tomosynthesis.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung eines numerischen Modells der dreidimensionalen Verteilung von Röntgenlicht-Abschwächungswerten (”x-ray attenuation”) für ein mit Röntgenlicht aus verschiedenen Richtungen durchleuchtetes Objekt. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Bearbeitung einer Mehrzahl von elektronisch aufgezeichneten Röntgenbildern und zur Rekonstruktion des durchleuchteten Objekts, beispielsweise eines lebenden Patienten, im Wege der Digitalen Tomosynthese.The invention relates to a method for calculating a numerical model of the three-dimensional distribution of x-ray attenuation values for an object illuminated with x-ray light from different directions. In particular, the invention relates to a method for processing a plurality of electronically recorded X-ray images and for reconstructing the transilluminated object, for example a living patient, by means of digital tomosynthesis.
Computertomographie (CT) findet Anwendung u. a. in der medizinischen Diagnostik, wenn etwa Patientengewebe (z. B. Brustgewebe) mittels Röntgenlicht untersucht wird. Das Gewebe wird dabei entlang verschiedener Richtungen durchstrahlt, und das Röntgenlicht wird in den entlang der jeweiligen Strahlrichtung vorliegenden Gewebetypen unterschiedlich stark abgeschwächt (i. a. durch Absorption und Compton-Streuung) und in Transmission auf einem elektronischen Detektor erfasst. Der Detektor weist eine Mehrzahl von in einer Fläche angeordneten Pixeln (auch: Punktdetektoren) zur ortausgelösten Messung der transmittierten Strahlungsintensität auf. Der Detektor wird nachfolgend als flächiger Detektor bezeichnet und umfasst sowohl ebene (”flat-panel”) als auch gekrümmte (”curved”) Pixelanordnungen. Die Strahlungsintensität I ergibt sich aus der eingestrahlten Intensität I0 gemäß wobei Ω⊂IR3 ein das durchleuchtete Objekt enthaltendes Raumgebiet (i. F. Objektraum) ist, die z-Achse entlang der Strahlrichtung verläuft und das eindimensionale Integral gerade die gesuchten – im Prinzip kontinuierlich verteilten – Abschwächungswerte f(z) des Objekts integriert. Jeder Pixel des Detektors erfasst die integrierte Abschwächung eines anderen Objektbereichs, d. h. einer anderen Strahllinie durch das Objekt, so dass die dreidimensionale Verteilung der Abschwächungswerte (i. F. bezeichnet als Objektfunktion f: Ω → IR) durch ihre Linienintegrale in den Grauwerten jedes Röntgenbildes zweidimensional codiert ist. Jedes Röntgenbild ist eine Projektion des Objektes. Stehen Projektionen für das gesamte Winkelintervall [0, π) in ausreichender Dichte zur Verfügung, so hat man die Radon-Transformierte der Objektfunktion aufgezeichnet. Aus ihr lässt sich die Objektfunktion selbst eindeutig rekonstruieren, was die Aufgabe der Computertomographie darstellt.Computed tomography (CT) is used in medical diagnostics, for example, when examining patient tissue (eg breast tissue) by means of X-ray light. The tissue is thereby irradiated along different directions, and the X-ray light is attenuated to different extents in the tissue types present along the respective beam direction (in particular by absorption and Compton scattering) and recorded in transmission on an electronic detector. The detector has a plurality of pixels arranged in a surface (also: point detectors) for spatially triggered measurement of the transmitted radiation intensity. The detector is hereinafter referred to as a flat detector and includes both flat-panel and curved pixel arrays. The radiation intensity I results from the irradiated intensity I 0 according to where Ω⊂IR 3 is a spatial region containing the transilluminated object (i.f., object space), the z-axis is along the beam direction, and the one-dimensional integral just integrates the sought-after attenuation values f (z) of the object. Each pixel of the detector detects the integrated attenuation of another object area, ie another beam line through the object, so that the three-dimensional distribution of the attenuation values (i.f., referred to as object function f: Ω → IR) are two-dimensional in their gray line values of each x-ray image due to their line integrals is coded. Each x-ray image is a projection of the object. If projections are available for the entire angular interval [0, π) in sufficient density, then the radon transform of the object function has been recorded. From this, the object function itself can be clearly reconstructed, which is the task of computed tomography.
Aus verschiedenen Gründen (z. B. Zeitersparnis, Dosisreduktion, apparative Einschränkungen) stehen manchmal nur wenige Projektionen eines Objektes zur Verfügung. Beispielsweise kann das Objekt überhaupt nur unter sehr wenigen oder aber nur unter Winkeln aus einem eingeschränkten Winkelbereich (i. F. Perspektiven) durchleuchtet werden. Dann ist die Aufgabe der Rekonstruktion der Objektfunktion ein ”ill-posed problem”, das nicht eindeutig lösbar ist.For various reasons (eg time savings, dose reduction, equipment restrictions) sometimes only a few projections of an object are available. For example, the object can only be transilluminated at very few angles or only at angles from a restricted angular range (in the first instance perspectives). Then the task of reconstructing the object function is an "ill-posed problem" that can not be solved unambiguously.
Es lassen sich jedoch oft Näherungslösungen bestimmen, die z. B. für medizinische Interpretationen ausreichend sind. Verfahren, die aus einer limitierten Auswahl von Projektionen solche Näherungslösungen errechnen, werden unter dem Begriff ”Digitale Tomosynthese (DT)” zusammengefasst.However, it can often determine approximate solutions that z. B. are sufficient for medical interpretations. Methods that calculate such approximate solutions from a limited selection of projections are summarized under the term "Digital Tomosynthesis (DT)".
Eine Untergruppe der bekannten DT-Verfahren bedient sich iterativer Algorithmen. Diese iterativen Verfahren begreifen das Rekonstruktionsproblem als eine Optimierungsaufgabe und erzeugen Zwischenresultate für die gesuchte Objektfunktion, die in jedem weiteren Iterationsschritt verbessert werden, bis ein Konvergenzkriterium erfüllt ist. Ein iterativer Algorithmus umfasst typisch die Schritte:
- a. Ermitteln eines Startmodells der Objektfunktion unter Rückprojektion der detektierten Grauwerte der Projektionen für alle Perspektiven in den Objektraum,
- b. Numerisches Simulieren der Grauwerte wenigstens einer Projektion unter wenigstens einer Perspektive durch Vorwärtsprojektion des zuvor ermittelten Modells auf die wenigstens eine Detektorfläche,
- c. Vergleich der simulierten mit den detektierten Grauwerten und Ermitteln der Abweichungen,
- d. Aktualisieren des zuvor ermittelten Modells durch Addieren eines die Abweichungen korrigierenden Terms,
- e. Wiederholen der Schritte b bis d bis zur Konvergenz.
- a. Determining a start model of the object function by back projection of the detected gray values of the projections for all perspectives into the object space,
- b. Numerically simulating the gray values of at least one projection under at least one perspective by forward projection of the previously determined model onto the at least one detector surface,
- c. Comparison of the simulated and the detected gray values and determination of the deviations,
- d. Updating the previously determined model by adding a deviation correcting term,
- e. Repeat steps b to d until convergence.
Die Grauwerte der Projektionen werden gewöhnlich als ein Logarithmus des Verhältnisses der eingestrahlten zur detektierten Intensität definiert, so dass sie unmittelbar den Integralen aus Gleichung (1) proportional sind. Ihre Simulation aus dem Modell der Objektfunktion kann folglich über eine lineare Abbildung erfolgen.The gray levels of the projections are usually defined as a logarithm of the ratio of the radiated to the detected intensity, so that they are directly proportional to the integrals of equation (1). Their simulation from the model of the object function can therefore be done via a linear mapping.
Wenn beispielsweise i = 1, ..., N die Pixel des wenigstens einen flächigen Detektors abzählt und k = 1, ..., P die verfügbaren Perspektiven der Projektionen, dann soll Gi (k) den gemessenen Grauwert der Projektion zur Perspektive k auf dem Pixel i bezeichnen. Alle Messwerte können in einen Spaltenvektor der Länge N + P geschrieben werden, etwa als For example, if i = 1, ..., N counts the pixels of the at least one area detector and k = 1, ..., P the available perspectives of the projections, then G i (k) should be the measured gray value of the projection to the perspective k on the pixel i designate. All readings can be written to a column vector of length N + P, such as
Das Raumgebiet Ω wird in Voxel mit Indizes j = 1, ..., M unterteilt, so dass die wahre Objektfunktion als Stufenfunktion auf den Voxeln aufgefasst und durch einen Spaltenvektor F der Länge M mit den Komponenten fj repräsentiert werden kann. Dann ist die in Schritt b oben genannte Vorwärtsprojektion nichts anderes als eine Matrixmultiplikation des Vektors F mit einer (N + P)×M-Systemmatrix R mit konstanten Koeffizienten, die sich aus den geometrischen Bedingungen der Durchleuchtung des Objektes, unter anderem aus der Anordnung von Strahlungsquelle und Detektor und dem Öffnungswinkel der Strahlung, ergeben. Diese zweidimensionale Systemmatrix mit N + P Zeilen und M Spalten ist bekannt. The space region Ω is subdivided into voxels with indices j = 1, ..., M, so that the true object function can be understood as a step function on the voxels and represented by a column vector F of length M with the components f j . Then, the forward projection mentioned in step b above is nothing more than a matrix multiplication of the vector F with a (N + P) × M system matrix R with constant coefficients resulting from the geometrical conditions of the transillumination of the object, inter alia from the arrangement of Radiation source and detector and the opening angle of the radiation result. This two-dimensional system matrix with N + P rows and M columns is known.
Die Aufgabe der Digitalen Tomosynthese besteht nun darin, die unbekannten Komponenten von F zu ermitteln, obwohl das Gleichungssystem (3) unterbestimmt ist und unendlich viele Lösungen existieren. Jede dieser Lösungen ist ein mögliches Modell des Objekts.The task of digital tomosynthesis is to determine the unknown components of F , although the system of equations (3) is underdetermined and there are infinitely many solutions. Each of these solutions is a possible model of the object.
Um sich einer Lösung iterativ anzunähern, werden die Messwerte G zunächst in das Volumen Ω (genauer: auf die dort befindlichen Voxel) durch Multiplikation mit der transponierten Systemmatrix zurückprojiziert. Das Ergebnis ist ein Startmodell der Objektfunktion, etwa
Bekanntermaßen ist die naive Umsetzung des soweit skizzierten Iterationsverfahrens nicht zu empfehlen, denn die benötigte Rechenzeit und der Speicherbedarf sind erheblich. Die sehr großen Systemmatrizen sind nur sehr schwach besetzt, so dass viel Spielraum für numerische Optimierungen besteht. Insbesondere wird es gewöhnlich als günstig angesehen, die verschiedenen Perspektiven der Projektionen während der Iteration separat, üblich nacheinander, zu verwenden.As is known, the naive implementation of the iteration method outlined so far is not recommended because the required computing time and the memory requirement are considerable. The very large system matrices are only very weakly occupied, so that there is much room for numerical optimizations. In particular, it is usually considered convenient to use the different perspectives of the projections separately during the iteration, usually in succession.
Zur weiteren Beschleunigung und/oder Verbesserung der iterativen Rekonstruktion kennt der Stand der Technik beispielsweise das Fouriertransformieren der Messwerte und Systemmatrizen und das anschließende Iterieren im Fourierraum (
Die Aussagekraft des Startmodells ist tatsächlich im Allgemeinen hoch, so dass man sich manchmal mit dessen Berechnung aus den Projektionsdaten – sozusagen mit der 0-ten Iteration – als Resultat der Rekonstruktion zufriedengeben kann. Unter den Optimierungsverfahren, die bereits an der Rekonstruktion des Startmodells ansetzen (und die auch bei Bedarf in nachfolgenden Iterationsschritten wiederholbar sind), sind zwei besonders zu erwähnen.In fact, the expressiveness of the starting model is generally high, so that one can sometimes be satisfied with its computation from the projection data - as it were with the 0th iteration - as a result of the reconstruction. Among the optimization methods that already start with the reconstruction of the start model (and which can also be repeated if necessary in subsequent iteration steps), two are particularly noteworthy.
Die
Die an sich simple Idee dahinter lautet: selbst wenn Rückprojektionen fast aller Perspektiven einem Voxel einen hohen Absorptionswert zuweisen, eine jedoch nicht, so ist Letztere wahrscheinlich korrekt, und die für die Messwerte ursächliche absorbierende Struktur des Objekts wird eher in einem anderen, wahrscheinlich in der Nähe befindlichen Voxel zu finden sein. Das Vorliegen einer absorbierenden Struktur wird durch die ”Einstimmigkeit des Votums”, also durch einen hohen Beitrag aller Perspektiven zu einem Voxel, indiziert.The simple idea behind it is that even if back projections of almost all perspectives assign a high absorption value to one voxel, but one does not, the latter is probably correct, and the absorbing structure of the object that causes the measurements will be more likely to be in another, probably in the To be found nearby voxels. The presence of an absorbent structure is indicated by the "unanimity of the vote", ie by a high contribution of all perspectives to a voxel.
Die
Die
Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, eine Verbesserung der iterativen Verfahren zur Digitalen Tomosynthese, insbesondere zur besseren Artefaktvermeidung, vorzuschlagen.The invention now has the task of proposing an improvement of the iterative methods for digital tomosynthesis, in particular for better artifact avoidance.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Artefaktvermeidung bei der iterativen Rekonstruktion eines mit Röntgenlicht durchleuchteten Objekts in einem Objektraum, wobei eine Objektfunktion auf einem den Objektraum unterteilenden Satz von Voxeln aus mit wenigstens einem flächigen Röntgenlichtdetektor unter verschiedenen Perspektiven gemessenen Grauwertbildern der Projektionen des Objekts bestimmt wird, mit den Schritten:
- a. Ermitteln eines Startmodells der Objektfunktion unter Rückprojektion der detektierten Grauwerte der Projektionen für alle Perspektiven in den Objektraum,
- b. Numerisches Simulieren der Grauwerte wenigstens einer Projektion unter wenigstens einer Perspektive durch Vorwärtsprojektion des zuvor ermittelten Modells auf die wenigstens eine Detektorfläche,
- c. Vergleich der simulierten mit den detektierten Grauwerten und Ermitteln der Abweichungen,
- d. Aktualisieren des zuvor ermittelten Modells durch Addieren eines die Abweichungen korrigierenden Terms multipliziert mit einem Relaxationsparameter,
- e. Wiederholen der Schritte b bis d bis zur Konvergenz,
- a. Determining a start model of the object function by back projection of the detected gray values of the projections for all perspectives into the object space,
- b. Numerically simulating the gray values of at least one projection under at least one perspective by forward projection of the previously determined model onto the at least one detector surface,
- c. Comparison of the simulated and the detected gray values and determination of the deviations,
- d. Updating the previously determined model by adding a deviation correcting term multiplied by a relaxation parameter,
- e. Repeating steps b through d until convergence,
Die Schritte und Berechnungen des obigen Verfahrens und des in den Patentansprüchen definierten Verfahrens können – vorteilhaft automatisch oder halbautomatisch – bevorzugt vollständig oder zumindest teilweise mit Hilfe einer entsprechend angepassten bzw. programmierten Datenverarbeitungseinrichtung durchgeführt werden.The steps and calculations of the above method and of the method defined in the claims can be carried out-advantageously automatically or semi-automatically-preferably completely or at least partially with the aid of a suitably adapted or programmed data processing device.
Der Effekt der Erfindung wird im Anschluss anhand von Beispielbildern verdeutlicht. Dabei zeigenThe effect of the invention is illustrated below with reference to example images. Show
Die Erfindung geht von der
Im Unterschied zur
Vielmehr ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Iterationsprozess zu modifizieren, indem wenigstens für jeden Voxel ein eigener Relaxationsparameter λ = λj festgelegt wird. Die Idee ist, dass Voxel mit einander ähnlichen Werten in den Ensembles B (j) – also mit hoher Übereinstimmung aller Perspektiven – relativ robust iteriert werden können, während bei Voxeln mit unähnlichen Werten in den Ensembles B (j) eher mit der Ausbildung von Artefakten im Modell gerechnet werden muss.Rather, it is provided according to the invention to modify the iteration process by setting a separate relaxation parameter λ = λ j for at least one voxel. The idea is that voxels with similar values can be iterated relatively robustly in ensembles B (j) - that is, with high agreement of all perspectives - whereas voxels with dissimilar values in ensembles B (j) tend to iterate with the formation of artifacts must be expected in the model.
Hervorzuheben ist, dass der Relaxationsparameter seinen Ursprung in der numerischen Mathematik (hier: Kaczmarz-Verfahren zur approximativen Lösung von Gleichungssystemen) hat, aber nicht in der Tomographie. Zwar kennt man die Möglichkeit zur etwaigen Anpassung im Laufe einer Iteration, doch existieren kaum Regeln zu seiner Initialisierung. Man weiß aber, dass die Initialisierung durchaus Einfluss auf das Iterationsergebnis haben kann.It should be emphasized that the relaxation parameter has its origin in numerical mathematics (here: Kaczmarz method for the approximate solution of systems of equations), but not in tomography. Although one knows the possibility for the possible adjustment in the course of an iteration, but there are hardly any rules for its initialization. However, it is known that the initialization can definitely influence the iteration result.
Die Erfinder haben erkannt, dass für die Anwendung in der iterativen DT bereits die tomografischen Ausgangsbedingungen im Relaxationsparameter codiert sein sollten, um eine Verringerung von Artefakten bei der Rekonstruktion zu bewirken. Hierfür ist der Relaxationsparameter wenigstens auf alle Voxel des Objektmodells zu expandieren, d. h. als Vektor oder Array mit Voxelindex j zu behandeln, und auch wenigstens für jeden Voxel einzeln zu initialisieren.The inventors have recognized that for use in iterative DT, the initial tomographic conditions should already be coded in the relaxation parameter in order to bring about a reduction of artifacts during the reconstruction. For this purpose, the relaxation parameter is to be expanded at least to all voxels of the object model, i. H. as a vector or array with voxel index j, and also to initialize at least for each voxel individually.
Die Iteration des Objektmodells erfolgt dann erfindungsgemäß in Analogie zu Gleichung (6) auf den einzelnen Voxeln in Komponentenschreibweise wie folgt: The iteration of the object model then takes place according to the invention in analogy to equation (6) on the individual voxels in component notation as follows:
Schreibt man die Abweichungen analog zu Gleichung (5) aus, so ergibt sich: If one writes the deviations analogously to equation (5), the result is:
Die Ensemblewerte B(j) k sind die in den Objektraum zurückprojizierten detektierten Grauwerte, und die Ensemblewerte C(j) k sind die ebenso zurückprojizierten Vorwärtsprojektionen der Zwischenwerte des iterierten Objektmodells für Voxel j und Perspektive k, wie definiert durch die unterklammerten Ausdrücke in Gleichung (8). Über die konkrete Gestalt der Systemmatrix R bzw. R T wird keine Annahme gemacht. Der Stand der Technik kennt verschiedene Varianten, wie die Projektionen definiert werden können. Solange Vorwärts- und Rückwärtsprojektion als lineare Abbildungen beschreibbar sind, stellt Gleichung (8) die allgemeinste Formulierung der Iterationsvorschrift dar.The ensemble values B (j) k are the detected gray levels projected back into the object space, and the ensemble values C (j) k are also backprojected forward projections of the intermediate values of the iterated object model for voxel j and perspective k as defined by the parenthesized expressions in Equation (). 8th). No assumption is made about the concrete shape of the system matrix R or R T. The prior art knows several variants of how the projections can be defined. As long as forward and backward projection are writable as linear mappings, equation (8) represents the most general formulation of the iteration rule.
Die Erfindung sieht vor, die Parameter λj wenigstens von den B(j) k abhängig zu machen. Als generelle Regel soll jedes λj für festes j so gewählt werden, dass es umso kleiner ist, je größer die Unähnlichkeit der B(j) k für die P Perspektiven ist. Vorzugsweise wird dazu eine Maßzahl für die Unähnlichkeit der B(j) k eingeführt, die auf jedem Voxel einen Wert zwischen Null und Eins annimmt, wobei Null die Gleichheit der B(j) k für alle k = 1, ..., P anzeigt. Es ist möglich, dass der Wert Eins nie angenommen wird (vgl. unten).The invention proposes to make the parameters λ j at least dependent on the B (j) k . As a general rule, each λ j for fixed j should be chosen so that the smaller the dissimilarity of B (j) k for the P perspectives, the smaller it is. Preferably, a measure of the dissimilarity of B (j) k is introduced, assuming on each voxel a value between zero and one, where zero indicates the equality of B (j) k for all k = 1, ..., P , It is possible that the value one will never be accepted (see below).
Die Unähnlichkeit der Ensemblewerte (engl. ”dissimilarity”, nachfolgend als D abgekürzt) wird erfindungsgemäß über eine stetige, streng monoton fallende Funktion ψ abgebildet, und schließlich identifiziert man
Es existieren im Prinzip beliebig viele Möglichkeiten, die Unähnlichkeit zu definieren. Allen zweckmäßigen Definitionen ist jedoch gemein, dass sie für vorgegebenes j die Festlegung eines das Ensemble B(j) repräsentierenden Wertes Ξj und die Bestimmung eines Abstandsmaßes aller B(j) k zu Ξj umfassen. Vorzugsweise wird Ξj mit einem der Ensemblewerte B(j) k identifiziert, etwa durch Auswahl des kleinsten oder größten Ensemblewertes oder des Zentralwertes (Median) des Ensembles In principle, there are as many possibilities as possible to define the dissimilarity. Common to all expedient definitions, however, is that for given j they comprise the determination of a value Ξ j representing the ensemble B (j) and the determination of a distance measure of all B (j) k to Ξ j . Preferably, Ξ j is identified with one of the ensemble values B (j) k , such as by selecting the smallest or largest ensemble value or the median of the ensemble
Alternativ kann Ξj auch als arithmetischer Mittelwert der B(j) k bestimmt werden.Alternatively, Ξ j can also be determined as the arithmetic mean of B (j) k .
Die Berechnung des Abstandsmaßes umfasst erfindungsgemäß die Bildung einer Norm der Differenzen der B(j) k zu Ξj, wobei die euklidische (L2-) Norm im Folgenden exemplarisch verwendet wird und durch einfache Betragsstriche notiert ist.According to the invention, the calculation of the distance measure comprises the formation of a norm of the differences of B (j) k to Ξ j , the Euclidean (L2) standard being used by way of example below and being noted by simple absolute value strokes.
Man berechnet beispielsweise und erhält positive Maßzahlen aus dem Intervall [0, 1], wenn min(B(j) k) ≤ Ξj ≤ max(B(j) k) gilt. Man kann dann bevorzugt den arithmetischen Mittelwert bilden zur Bestimmung von der folglich auch aus dem Intervall [0, 1] stammt, wobei der Wert Eins offenbar nie angenommen werden kann.For example, you calculate and obtains positive measures from the interval [0, 1] when min (B (j) k ) ≤ Ξ j ≤ max (B (j) k ). One can then preferably form the arithmetic mean for the determination of which therefore also comes from the interval [0, 1], whereby the value one can obviously never be assumed.
Die Berechnung der voxelabhängigen Relaxationsparameter nach Gleichung (9) verwendet die Ergebnisse der Gleichung (12). Die streng monoton fallende Funktion ψ wird im einfachsten Fall als
Ein steilerer Verlauf von ψ führt auf kleinere Relaxationsparameter bei größerer Unähnlichkeit, d. h. zu einem ”vorsichtigeren” Iterieren besonders auf jenen Voxeln, die Anlass zur Artefaktbildung geben können. Bei der Wahl von α ist einerseits zu berücksichtigen, welches Maß an Unähnlichkeit auf wie vielen Voxeln festzustellen ist, und andererseits ist der in den Messdaten vorhandene, mittlere Kontrast (”mean dynamic range”) zu beachten.A steeper curve of ψ leads to smaller relaxation parameters with greater dissimilarity, ie. H. to a more "careful" iteration, especially on those voxels that can give rise to artifact formation. On the one hand, the choice of α takes into account the degree of dissimilarity on how many voxels is to be determined and, on the other hand, the mean dynamic range present in the measured data must be taken into account.
Der mittlere Kontrast kann beispielsweise dadurch bestimmt werden, dass die Gesamtheit aller in den Objektraum Ω zurückprojizierten Messwerte B(j) k zunächst für jeden Voxel j der Größe nach geordnet und hiernach je ein Mittelwert <Bmax> für die größten und <Bmin> für die kleinsten Werte als arithmetisches Mittel über die Voxel bestimmt wird.The average contrast can be determined, for example, by the fact that the totality of all measured values B (j) k projected back into the object space Ω is first ordered by size for each voxel j, and hereafter an average value <B max > for the largest and <B min > for the smallest values is determined as the arithmetic mean over the voxels.
Die Differenz dieser Werte kann als mittlerer Kontrast aufgefasst werden. Ist der Satz der Messwerte kontrastreich, d. h. der berechnete mittlere Kontrast groß, so werden Voxel mit großer Unähnlichkeit in der Regel auch eine hohe Unähnlichkeitsmaßzahl D(j) aufweisen, und die Steilheit der Funktion ψ, mithin der Drosselfaktor α, sollten verringert werden.The difference between these values can be considered as medium contrast. If the set of measured values is high in contrast, ie the calculated average contrast is large, then voxels with high dissimilarity will as a rule also have a high degree of dissimilarity D (j) , and the steepness of the function ψ, and consequently the throttling factor α, should be reduced.
Demgegenüber ist der Drosselfaktor zu erhöhen, wenn die Daten auf vielen Voxeln relativ große Unähnlichkeitsmaßzahlen zeigen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Schwerpunkt (”centre of mass”) der Unähnlichkeitsmaßzahlen gemäß Gleichung (11) zu ermitteln und zur Festlegung von α zu verwenden. Dazu werden vorzugsweise alle der Größe nach sortiert und entsprechend ihrer Größe diskreten Intervallen zugewiesen sowie jedem Intervall ein Zähler, der um Eins erhöht wird, sobald eine Zuweisung in dieses Intervall erfolgt. Anders gesagt wird ein Histogramm der d(j) k erstellt, das den Werten (hier: Intervallzentren di, i = 1, ..., V mit V als Zahl der Intervalle) Häufigkeiten ni des Auftretens zuordnet. Die Anzahlen der Maßzahlzuweisungen werden für alle Intervalle notiert; es wird eine Größenverteilung der Maßzahlen bestimmt. Der Schwerpunkt der Verteilung ist dann und ein erfindungsgemäß zweckmäßiger Drosselfaktor ergibt sich gemäß zur Verwendung in Gleichung (15). Mit β ist ein Proportionalitätsfaktor bezeichnet, den der Nutzer nach Bedarf wählen kann. Die übliche Wahl ist β = 1.In contrast, the throttle factor is to be increased if the data on many voxels show relatively large dissimilarity measures. It has proved to be advantageous to determine the centroid of mass of the dissimilarity measures according to equation (11) and to use it to establish α. For this purpose, preferably all are sorted by size and assigned according to their size discrete intervals and each counter a counter, which is increased by one, as soon as an assignment in this interval takes place. In other words, a histogram of d (j) k is created, which assigns the frequencies (here: interval centers d i , i = 1,..., V with V as the number of intervals) to frequencies n i of the occurrence. The numbers of the measure allocations are noted for all intervals; a size distribution of the measures is determined. The focus of the distribution is then and an appropriate throttle factor according to the invention results according to for use in equation (15). Β denotes a proportionality factor that the user can choose as needed. The usual choice is β = 1.
Das soweit beschriebene Verfahren erzeugt eine voxelabhängige Initialisierung der Relaxationsparameter λj zur iterativen Rekonstruktion der Objektfunktion in der Digitalen Tomosynthese. Das Verfahren ist dabei parameterfrei und orientiert sich ausschließlich an den Messwerten, die unmittelbar nach der ersten Rückprojektion in den Objektraum untersucht werden. Insbesondere die Unähnlichkeit von rückprojizierten Messwerten aus verschiedenen Perspektiven wird für die einzelnen Voxel des Objektmodells quantifiziert und bildet so die Grundlage der Festlegung der λj. The method described so far produces a voxel-dependent initialization of the relaxation parameters λ j for the iterative reconstruction of the object function in digital tomosynthesis. The method is parameter-free and is based exclusively on the measured values which are examined immediately after the first backprojection into the object space. In particular, the dissimilarity of backprojected measured values from different perspectives is quantified for the individual voxels of the object model and thus forms the basis for the determination of the λ j .
Es kann davon ausgegangen werden, dass andere Optimierungsverfahren der iterativen DT, die nicht am Relaxationsparameter ansetzen, problemlos mit dem hier beschriebenen Verfahren kombiniert werden können. Negative Auswirkungen solcher Kombinationen wurden bislang nicht erkannt.It can be assumed that other iterative DT optimization methods that do not address the relaxation parameter can be easily combined with the method described herein. Negative effects of such combinations have not been recognized.
Das hier beschriebene Verfahren kann selbst während der Iteration wiederholt eingesetzt werden. Insbesondere kann die Bestimmung der Unähnlichkeit auch für Ensembles von zurückprojizierten Vorwärtsprojektionen der Zwischenwerte des iterierten Objektmodells, die C(j) k in Gleichung (8), erfolgen. Die Relaxationsparameter können dann genauso wie beschrieben berechnet und im folgenden Iterationsschritt verwendet werden.The method described here can be used repeatedly even during the iteration. In particular, the determination of dissimilarity may also be made for ensembles of backprojected forward projections of the intermediate values of the iterated object model, C (j) k, in equation (8). The relaxation parameters can then be calculated exactly as described and used in the following iteration step.
Ferner kann es von Vorteil sein, einen eigenen Satz von Relaxationsparametern für jede einzelne Perspektive festzulegen. Dies kommt in Frage, wenn die Iteration so konzipiert ist, dass das Objektmodell in jedem Iterationsschritt mit nur einer Perspektive (also einem der P Röntgenbilder) aktualisiert werden soll. Geeignete Relaxationsparameter erhält man durch
Abschließend soll die verbesserte Artefaktvermeidung bei der DT-Rekonstruktion nach dem Verfahren der Erfindung an Beispielen demonstriert werden.Finally, the improved artifact avoidance in DT reconstruction according to the method of the invention will be demonstrated by way of examples.
Im ersten Beispiel wird ein Apfel mit Metallnadeln von Hand so gespickt, dass die Nadeln etwa mittig in den Apfel eindringen und alle ungefähr in einer Ebene (Nadelebene) liegen, wie in
Aus den Grauwerten der Röntgenbilder wird ein Objektmodell des Apfels mit einem iterativen Standardverfahren (hier: Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique, SART) berechnet. Das Startmodell wird als Null initialisiert, es erfolgt in jedem Iterationsschritt ein Update mit den Daten genau einer Perspektive in zufälliger Reihenfolge, und jede Perspektive wird nur einmal verwendet.From the gray values of the X-ray images, an object model of the apple is calculated using an iterative standard method (here: Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique, SART). The starting model is initialized to zero, there is an update in each iteration step with the data of exactly one perspective in random order, and each perspective is used only once.
Die Voxeleinteilung des Objektraums ist derart, dass 60 Ebenen (”slices”) von je 1 Millimeter Dicke parallel zur – vorgesehenen – Nadelebene modelliert werden. In
Die Rekonstruktion derselben Röntgenaufnahmen mit SART und dem erfindungsgemäßen Verfahren führt auf die Bilder in
Es ist durch Vergleich der
Das zweite Beispiel ist die Rekonstruktion einer menschlichen Hand, für die zunächst ein Objektmodell aus 44 Ebenen nach dem Stand der Technik (ebenfalls SART) erstellt wird. Eine Ebene dieses Modells, in der die proximalen Phalangen der mittleren drei Finger, der Mittelhandknochen des kleinen Fingers und die Handwurzelknochen, fokussiert sind (markiert durch Ellipsen), ist in
Die obigen Schritte und Berechnungen können in vorteilhafter Weise – bevorzugt automatisch oder halbautomatisch – vollständig oder zumindest teilweise mit Hilfe einer entsprechend angepassten bzw. programmierten Datenverarbeitungseinrichtung durchgeführt werden.The above steps and calculations can be carried out advantageously - preferably automatically or semi-automatically - completely or at least partially with the aid of a suitably adapted or programmed data processing device.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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