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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

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 Download PDF

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DE102011115577A1
DE102011115577A1 DE102011115577A DE102011115577A DE102011115577A1 DE 102011115577 A1 DE102011115577 A1 DE 102011115577A1 DE 102011115577 A DE102011115577 A DE 102011115577A DE 102011115577 A DE102011115577 A DE 102011115577A DE 102011115577 A1 DE102011115577 A1 DE 102011115577A1
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DE
Germany
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ensemble
voxel
perspectives
measure
gray values
Prior art date
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Ceased
Application number
DE102011115577A
Other languages
German (de)
Inventor
Yulia Levakhina
Thorsten Buzug
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universitaet zu Luebeck
Original Assignee
Universitaet zu Luebeck
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universitaet zu Luebeck filed Critical Universitaet zu Luebeck
Priority to DE102011115577A priority Critical patent/DE102011115577A1/en
Publication of DE102011115577A1 publication Critical patent/DE102011115577A1/en
Ceased legal-status Critical Current

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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

Figure 00010001
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
Figure 00010001
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 subset of the known DT methods uses iterative algorithms. These iterative methods conceive the reconstruction problem as an optimization task and generate intermediate results for the object function sought, which are improved in each further iteration step until a convergence criterion is met. An iterative algorithm typically includes the steps:
  • 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

Figure 00030001
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
Figure 00030001

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.

Figure 00040001
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.
Figure 00040001

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 F (0) = R T G, (4) das jedoch beim Einsetzen in Gleichung (3) – also bei der erneuten Vorwärtsprojektion – den Vektor G nur näherungsweise reproduziert. Die Abweichungen sind gegeben durch

Figure 00040002
und können ebenfalls in das Objektvolumen zurückprojiziert werden, um ein Update des Modells etwa durch Subtraktion der zurückprojizierten Abweichung zu bestimmen. Der n-te Iterationsschritt lautet dann F (n) = F (n-1) – λR T δ (n-1), (6) wobei δ (n-1) wie in Gleichung (5) stets mit F (n-1) verknüpft ist. Der reellwertige Parameter λ wird als Relaxationsparameter bezeichnet und vom Anwender des Algorithmus aus dem Intervall 0 ≤ λ ≤ 1 (oder 2 in manchen Publikationen) gewählt. Der die Abweichung korrigierende Term aus Schritt d. oben wird üblich mit dem Relaxationsparameter multipliziert, wie in Gleichung (6) angegeben.In order to iteratively approximate a solution, the measured values G are first projected back into the volume Ω (more precisely, to the voxels located there) by multiplication with the transposed system matrix. The result is a starting model of the object function, such as F (0) = R T G , (4) However, when inserted into equation (3) - ie in the new forward projection - the vector G only approximately reproduced. The deviations are given by
Figure 00040002
and may also be back-projected into the object volume to determine an update of the model by, for example, subtracting the back-projected deviation. The nth iteration step is then F (n) = F (n-1)R T δ (n-1) , (6) where δ (n-1) is always associated with F (n-1) as in equation (5). The real-valued parameter λ is called a relaxation parameter and selected by the user of the algorithm from the interval 0 ≦ λ ≦ 1 (or 2 in some publications). The deviation correcting term from step d. above is commonly multiplied by the relaxation parameter as given in equation (6).

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 ( EP 1 793 347 A2 ), das Einführen voxelabhängiger, in jedem Iterationsschritt adaptierter Gewichtsfunktionen ( US 2008/205729 A1 ), das Filtern und/oder Glätten von Messwerten und/oder Hervorheben von ähnlichen Messwertbereichen in den einzelnen Projektionen beim Erstellen des Startmodells der Iteration ( US 6,707,878 B2 und US 6,973,157 B2 ) oder auch das selektive Iterieren nur einer ”region of interest”, die nach einer ersten, schnell berechneten Darstellung des Startmodells vom Anwender zur näheren – rechenintensiven – Auswertung festzulegen ist ( US 2008/187090 A1 ).To further accelerate and / or improve the iterative reconstruction, the prior art knows, for example, the Fourier transform of the measured values and system matrices and the subsequent iteration in the Fourier space (FIG. EP 1 793 347 A2 ), the introduction of voxel-dependent weight functions adapted in each iteration step ( US 2008/205729 A1 ), filtering and / or smoothing of measured values and / or highlighting similar ranges of measurements in the individual projections when creating the start model of the iteration ( US 6,707,878 B2 and US 6,973,157 B2 ) or the selective iteration of only one "region of interest ", which is to be determined by the user after a first, quickly calculated representation of the start model for the more intensive - intensive evaluation ( US 2008/187090 A1 ).

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 US 2003/072478 A1 offenbart, dass es zweckmäßig sein kann, nach der Rückprojektion aller Messdaten (Vektor G) auf die Voxel des Objektraumes Ω nicht sofort das Startmodell gemäß Gleichung (4) zu errechnen, sondern vielmehr die Matrixmultiplikation in (4) vor der Summation über die Perspektiven abzubrechen und stattdessen die Beiträge aller Perspektiven zu jedem einzelnen Voxel jeweils als Ensemble einem nichtlinearen Operator zu unterwerfen. Beispielsweise kann dies der Minimum-Operator sein, d. h. jedem Voxel wird der kleinste Beitrag aller Perspektiven zugewiesen, der ihm im Zuge der Rückprojektion zugeordnet werden kann.The US 2003/072478 A1 discloses that it may be expedient, after the backprojection of all measured data (vector G ) on the voxels of the object space Ω not immediately calculate the starting model according to equation (4), but rather cancel the matrix multiplication in (4) before the summation on the perspectives and instead submit the contributions of all perspectives to each voxel as an ensemble to a nonlinear operator. For example, this may be the minimum operator, ie each voxel is assigned the smallest contribution of all perspectives that can be assigned to it during the backprojection.

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 US 2003/072478 A1 sieht aber auch andere Möglichkeiten für den nicht-linearen Operator vor, beispielsweise Maximum, Median oder eine Filterung für einen vorgegebenen Schwellenwert. Die Gesamtheit der den Voxeln durch den nicht-linearen Operator zugewiesenen Werte wird entweder als Resultat der Rekonstruktion oder ggf. als Startmodell einer Iteration genutzt.The US 2003/072478 A1 but also provides other possibilities for the non-linear operator, such as maximum, median or filtering for a given threshold. The totality of the values assigned to the voxels by the non-linear operator is used either as a result of the reconstruction or possibly as the starting model of an iteration.

Die US 2009/060310 A1 argumentiert in ähnlicher Weise, wenn sie für jeden Voxel des Modells die Übereinstimmung der Rückprojektionen der verschiedenen Perspektiven fordert (”consistency requirement of the backprojection process”, Abs. 0006) und durch Eingriff in die Daten herbeiführt. Der Eingriff erfolgt nach der Rückprojektion der gemessenen Grauwerte in den Objektraum, indem zu jedem Voxel j (j = 1, ..., M) zunächst die Beiträge der Perspektiven B(j) k (k = 1, ..., P) berechnet werden, hiernach eine Sortierung und Bewertung des Ensembles B (j) für jedes feste j erfolgt und dann solche Ensemblewerte B(j) k, die vorgegebenen Signifikanzbedingungen (”criteria of significance”, A1) genügen, identifiziert und durch andere Werte ersetzt werden. Die Signifikanzbedingungen sind dabei so erklärt, dass sie das Abweichen einzelner Ensemblewerte von der Mehrheit des (ggf. übrigen) Ensembles B (j) bestimmen und begrenzen, beispielsweise den Abstand zum Mittelwert oder die Position relativ zur Verteilungsbreite. Kurz gesagt zielt das Verfahren darauf ab, in den Ensembles B (j) Außenseiter zu erkennen und aus der weiteren Berechnung zur Rekonstruktion des Objektmodells auszuschließen.The US 2009/060310 A1 similarly, it argues that for each voxel of the model, it requires the consistency of the backprojection of the different perspectives ("consistency requirement of the backprojection process", para. 0006) and causes it to interfere with the data. The intervention takes place after the back-projection of the measured gray values into the object space, by first adding to each voxel j (j = 1, ..., M) the contributions of the perspectives B (j) k (k = 1, ..., P). after which a sorting and evaluation of the ensemble B (j) is performed for each fixed j and then such ensemble values B (j) k satisfying the given criteria of significance (A1) are identified and replaced by other values , The significance conditions are explained in such a way that they determine and limit the deviation of individual ensemble values from the majority of the (possibly remaining) ensemble B (j) , for example the distance to the mean value or the position relative to the distribution width. In short, the method aims to detect outsiders in the ensembles B (j) and to exclude them from the further calculation for the reconstruction of the object model.

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,
dadurch gekennzeichnet, dass nach der Rückprojektion der detektierten Grauwerte der Projektionen für alle Perspektiven in den Objektraum für jeden Voxel wenigstens eine die Unähnlichkeit des Ensembles der in den Voxel für alle Perspektiven zurückprojizierten Grauwerte indizierende Maßzahl berechnet wird und weiterhin jeder Maßzahl durch eine stetige, streng monoton fallende Funktion ein Wert zugeordnet wird, mit dem der Relaxationsparameter bei der Durchführung der Aktualisierung in Schritt d. wenigstens für jeden der Voxel separat initialisiert wird. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.The object is achieved by a method for artifact avoidance in the iterative reconstruction of an object illuminated by X-ray object in an object space, wherein an object function is determined on a the object space dividing set of voxels from at least one flat X-ray detector under different perspectives measured gray value images of the projections of the object , with the steps:
  • 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,
characterized in that after the back projection of the detected gray values of the projections for all perspectives into the object space for each voxel at least one of the dissimilarity of the ensemble of the in the Voxel is calculated for all perspectives backprojected gray scale indicative index and further each measure is assigned by a continuous, strictly monotonically decreasing function a value with which the relaxation parameter when performing the update in step d. at least for each of the voxels is initialized separately. The dependent claims indicate advantageous embodiments.

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

1a) Fotographie eines mit Metallnadeln präparierten Apfels, wobei die Nadeln im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind, die den Apfel mittig schneidet; b) Schnittbild (in Nadelebene) des Resultats einer DT-Rekonstruktion aus Röntgenbildern des Apfels nach dem Stand der Technik; 1a) A photograph of an apple prepared with metal needles, wherein the needles are arranged substantially in a plane which cuts the apple in the middle; b) sectional image (in needle plane) of the result of a DT reconstruction from X-ray images of the apple according to the prior art;

2 Schnittbilder des Apfels analog zu 1b) rekonstruiert nach dem Verfahren der Erfindung; 2 Sectional images of the apple analogous to 1b) reconstructed according to the method of the invention;

3 DT-Rekonstruktion einer menschlichen Hand (ausgewählte Schnittebene) nach dem Stand der Technik; 3 DT reconstruction of a human hand (selected section plane) according to the prior art;

4 DT-Rekonstruktionen der Hand aus 3 aus denselben Röntgenaufnahmen nach dem Verfahren der Erfindung. 4 DT reconstructions of the hand 3 from the same X-ray images according to the method of the invention.

Die Erfindung geht von der US 2009/060310 A1 als nächstkommendem Stand der Technik aus und macht sich insbesondere den Gedanken zu eigen, dass bei der voxelweisen Rekonstruktion des gesuchten Objektmodells nach der Rückprojektion – wenigstens für das Startmodell, vorzugsweise aber auch bei späteren Iterationsschritten – die Beiträge der P Perspektiven in Form von Ensembles B (j) für jeden einzelnen Voxel j notiert und hinsichtlich der Ähnlichkeit ihrer Komponenten untersucht werden sollen.The invention is based on US 2009/060310 A1 as the closest prior art and makes particular the idea that the contributions of the P perspectives in the form of ensembles B ( in the voxelwise reconstruction of the searched object model after the backprojection - at least for the start model, but preferably also in later iteration steps) j) should be noted for each voxel j and examined for the similarity of their components.

Im Unterschied zur US 2009/060310 A1 soll jedoch nicht in die Daten eingegriffen werden.In contrast to US 2009/060310 A1 should not be intervened in the data.

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:

Figure 00100001
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:
Figure 00100001

Schreibt man die Abweichungen analog zu Gleichung (5) aus, so ergibt sich:

Figure 00110001
If one writes the deviations analogously to equation (5), the result is:
Figure 00110001

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 λj = ψ(D(j)), (9) wobei D(j) eine Maßzahl für die Unähnlichkeit des Ensembles B(j) bezeichnet. Bevorzugt ist ψ eine Funktion mit den Eigenschaften ψ: [0, 1] → [0, 1] mit ψ(0) = 1 und ψ(1) = 0.The dissimilarity of the ensemble values (abbreviated as D in the following) is mapped according to the invention via a continuous, strictly monotonically decreasing function ψ, and finally one identifies λ j = ψ (D (j) ), (9) where D ( j) denotes a measure of the dissimilarity of the ensemble B (j) . Preferably ψ is a function with the properties ψ: [0, 1] → [0, 1] with ψ (0) = 1 and ψ (1) = 0.

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

Figure 00120001
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
Figure 00120001

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

Figure 00120002
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
Figure 00130001
der folglich auch aus dem Intervall [0, 1] stammt, wobei der Wert Eins offenbar nie angenommen werden kann.For example, you calculate
Figure 00120002
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
Figure 00130001
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 ψ(x) = 1 – x (13) festgelegt. Manchmal ist es aber vorteilhaft, wenn ψ schneller als linear abfällt, so dass beispielsweise auch ψ(x) = 1 – x / 1 + x (14) in Betracht kommt. Dabei hat sich sogar als besonders vorteilhaft erwiesen, einen Drosselfaktor α einzuführen, der für α > 1 einen noch stärkeren Abfall von ψ erzwingt, und diesen Drosselfaktor u. a. auch von der Verteilung der d(j) k aus Gleichung (12) abhängig zu machen. ψ(x) = ( 1 – x / 1 + αx)α (15) The calculation of the voxel-dependent relaxation parameters according to equation (9) uses the results of equation (12). The strictly monotonically decreasing function ψ is in the simplest case as ψ (x) = 1 - x (13) established. Sometimes, however, it is advantageous if ψ falls faster than linear, so that, for example, too ψ (x) = 1 - x / 1 + x (14) comes into consideration. It has even proved to be particularly advantageous to introduce a throttle factor α, which enforces an even greater decrease of ψ for α> 1, and to make this throttling factor inter alia also dependent on the distribution of d (j) k from equation (12). ψ (x) = (1 - x / 1 + αx) α (15)

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.

Figure 00140001
Figure 00140001

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

Figure 00150001
und ein erfindungsgemäß zweckmäßiger Drosselfaktor ergibt sich gemäß
Figure 00150002
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
Figure 00150001
and an appropriate throttle factor according to the invention results according to
Figure 00150002
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 λk (j) = ψ(dk (j)), (18) welche an die Stelle von Gleichung (9) tritt. Die Aussagen der Gleichungen (11) und (13) bis (17) bleiben dabei unberührt.Furthermore, it may be advantageous to set a separate set of relaxation parameters for each individual perspective. This is an option if the iteration is designed in such a way that the object model should be updated in each iteration step with only one perspective (ie one of the P x-ray images). Suitable relaxation parameters are obtained by λ k (j) = ψ (d k (j) ), (18) which takes the place of equation (9). The statements of equations (11) and (13) to (17) remain unaffected.

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 1a) gezeigt. Röntgenbilder des so präparierten Apfels werden unter verschiedenen Perspektiven aufgezeichnet, wobei die Röntgenquelle in allen gezeigten Bildern von links nach rechts bewegt wird.In the first example, an apple is spiked with metal needles by hand so that the needles penetrate approximately centrally into the apple and all lie approximately in one plane (needle level), as in 1a) shown. X-ray images of the thus prepared apple are recorded from different perspectives, with the X-ray source being moved from left to right in all the images shown.

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 1b) ist das Ergebnis der Rekonstruktion nach dem Stand der Technik in Ebene 29 zu sehen. Einige Nadeln – z. B. hervorgehoben durch Ellipsen im Bild – liegen genau in der Nadelebene, währende andere eindeutig einer anderen Ebene zuzuordnen sind und manche offenbar auch einen Winkel gegenüber der Nadelebene aufweisen. Das Bild zeigt typische DT-Artefakte, auf die mit Pfeilen hingewiesen wird: Schattenartefakte in der Umgebung der unteren Nadel, Geisterkopien der oberen Nadeln, nadelförmige Schatten an den seitlichen Nadeln und schließlich recht ausgeprägte Konturartefakte um den gesamten Apfel.The voxelization of the object space is such that 60 slices, each 1 millimeter thick, are modeled parallel to the (anticipated) needle plane. In 1b) is the result of the prior art reconstruction in level 29. Some needles - z. B. highlighted by ellipses in the picture - are exactly in the needle level, while others are clearly assigned to another level and some apparently also have an angle with respect to the needle plane. The image shows typical DT artefacts that are indicated by arrows: Shadow artifacts in the lower needle environment, ghost copies of the upper needles, needle-shaped shadows on the side needles, and finally quite pronounced contour artifacts around the entire apple.

Die Rekonstruktion derselben Röntgenaufnahmen mit SART und dem erfindungsgemäßen Verfahren führt auf die Bilder in 2. Dargestellt sind auch hier jeweils die berechneten Ebenen 29, und die Markierungen (Pfeile, Ellipsen) sind zum leichteren Vergleich aus 1b) übertragen worden. Zur Berechnung von 2 werden Relaxationsparameter für jeden Voxel und für jede Perspektive gemäß den Gleichungen (11) und (18) initialisiert, wobei bei 2a) die lineare Funktion nach Gleichung (13) und bei 2b) die konvexe Funktion nach Gleichung (15) mit α = 2 verwendet wird.The reconstruction of the same X-ray images with SART and the method according to the invention leads to the images in 2 , Also shown here are the calculated planes 29, and the markings (arrows, ellipses) are for easier comparison 1b) Have been transferred. For the calculation of 2 Relaxation parameters are initialized for each voxel and for each perspective according to equations (11) and (18), where 2a) the linear function according to equation (13) and in 2 B) the convex function of equation (15) with α = 2 is used.

Es ist durch Vergleich der 2 mit 1b) ohne Weiteres ersichtlich, dass die DT-Artefakte deutlich verringert und z. T. praktisch beseitigt sind. Die Verwendung der konvexen Funktion aus Gleichung (15) scheint etwas bessere Ergebnisse zu liefern, wenn metallische Objekte Ursache der Artefakte sind.It is by comparing the 2 With 1b) readily apparent that the DT artifacts are significantly reduced and z. T. are virtually eliminated. The use of the convex function of Eq. (15) seems to give somewhat better results if metallic objects are the cause of the artifacts.

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 3 zu sehen. Auch hier weisen Pfeile auf Bereiche mit ausgeprägten Artefakten hin. The second example is the reconstruction of a human hand, for which an object model of 44 levels according to the state of the art (also SART) is first created. A plane of this model, in which the proximal phalanges of the middle three fingers, the metacarpal bone of the little finger and the carpal bones, are focused (marked by ellipses), is in 3 to see. Again, arrows point to areas with pronounced artifacts.

4 schließlich zeigt die Ergebnisse der erfindungsgemäßen Rekonstruktion mit deutlich verringerten Artefakten. Auch hier werden die Relaxationsparameter für jeden Voxel und jede Perspektive initialisiert, wobei für 4a) die Funktion nach Gleichung (13) und für 4b) die nach Gleichung (14) benutzt wird. Beides liefert hier sehr ähnliche Resultate. 4 Finally, the results of the reconstruction according to the invention show markedly reduced artifacts. Again, the relaxation parameters are initialized for each voxel and each perspective, where for 4a) the function according to equation (13) and for 4b) which is used according to equation (14). Both provide very similar results here.

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.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • US 2008/205729 A1 [0012] US 2008/205729 A1 [0012]
  • US 6707878 B2 [0012] US 6,707,878 B2 [0012]
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  • US 2003/072478 A1 [0014, 0016] US 2003/072478 A1 [0014, 0016]
  • US 2009/060310 A1 [0017, 0026, 0027] US 2009/060310 A1 [0017, 0026, 0027]

Claims (10)

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, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Rückprojektion der detektierten Grauwerte der Projektionen für alle Perspektiven in den Objektraum für jeden Voxel wenigstens eine die Unähnlichkeit des Ensembles der in den Voxel für alle Perspektiven zurückprojizierten Grauwerte indizierende Maßzahl bestimmt wird und weiterhin jeder Maßzahl durch eine stetige, streng monoton fallende Funktion ein Wert zugeordnet wird, mit dem der Relaxationsparameter bei der Durchführung der Aktualisierung in Schritt d. wenigstens für jeden der Voxel separat initialisiert wird.A method of artifact avoidance in the iterative reconstruction of an X-ray illuminated object in an object space, wherein an object function is determined on an object space dividing set of voxels from gray level images of the object's projections measured with at least one X-ray area detector under different perspectives, comprising the steps of: a , Determining a start model of the object function by backprojecting 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 with 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 to d until convergence, characterized in that after the backprojection of the detected gray values of the projections for all perspectives into the object space for each voxel, at least one measure indicating the dissimilarity of the ensemble of the gray values projected back into the voxel for all perspectives is determined and further assigning to each measure a value by a continuous, strictly monotonically decreasing function, with which the relaxation parameter in performing the update in step d. at least for each of the voxels is initialized separately. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine für jeden Voxel berechnete Maßzahl aus dem Intervall [0, 1] bestimmt wird und die stetige, streng monoton fallende Funktion jede Maßzahl aus dem Intervall [0, 1] in das Intervall [0, 1] abbildet.Method according to claim 1, characterized in that the at least one measure calculated for each voxel is determined from the interval [0, 1] and the continuous, strictly monotonically decreasing function assigns each measure from the interval [0, 1] to the interval [0 , 1] depicts. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stetige, streng monoton fallende Funktion durch ψ(x) = 1 – x gegeben ist.A method according to claim 2, characterized in that the continuous, strictly monotonically decreasing function by ψ (x) = 1 - x is given. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stetige, streng monoton fallende Funktion durch ψ(x) = ( 1-x / 1+αx)α mit einem Drosselfaktor α > 1 gegeben ist.A method according to claim 2, characterized in that the continuous, strictly monotonically decreasing function by ψ (x) = (1-x / 1 + αx) α given with a throttle factor α> 1. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßzahl für die Unähnlichkeit des Ensembles der in einen Voxel zurückprojizierten Grauwerte als eine durch den größten Ensemblewert dividierte und über das Ensemble gemittelte Norm der Differenzen der Ensemblewerte zu einem das Ensemble repräsentierenden Wert berechnet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the measure for the dissimilarity of the ensemble of the gray values projected back into a voxel is calculated as a norm of the differences of the ensemble values representing the ensemble value, divided by the largest ensemble value and averaged over the ensemble. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte b. bis d. in einem vorbestimmten Iterationsschritt mit einer vorbestimmten Projektion zu einer vorbestimmten Perspektive durchgeführt werden und dass für jeden Voxel und für jede Perspektive eine die Unähnlichkeit des Ensembles der in den Voxel für alle Perspektiven zurückprojizierten Grauwerte indizierenden Maßzahl berechnet wird und weiterhin jeder Maßzahl durch eine stetige, streng monoton fallende Funktion ein Wert zugeordnet wird, mit dem der Relaxationsparameter bei der Durchführung der Aktualisierung in Schritt d. im vorbestimmten Iterationsschritt für jeden der Voxel und für die vorbestimmte Perspektive separat initialisiert wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the steps b. to d. in a predetermined iteration step with a predetermined projection to a predetermined perspective, and that for each voxel and for each perspective a difference in the ensemble of the gray values indicative of the voxel for all perspectives is calculated, and furthermore each measure is represented by a continuous, strict monotonically decreasing function is assigned a value with which the relaxation parameter in the implementation of the update in step d. is initialized separately in the predetermined iteration step for each of the voxels and for the predetermined perspective. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die für eine vorbestimmte Perspektive die Unähnlichkeit des Ensembles der in einen Voxel für alle Perspektiven zurückprojizierten Grauwerte indizierenden Maßzahl als die durch den größten Ensemblewert dividierte Norm der Differenz des der vorbestimmten Perspektive zuzuordnenden Ensemblewertes zu einem das Ensemble repräsentierenden Wert berechnet wird.Method according to one of claims 1 to 4 or 6, characterized in that the for a predetermined perspective, the dissimilarity of the ensemble of gray scale indicative of the voxel backprojected for all perspectives as the divided by the largest ensemble value norm of the difference of the predetermined perspective assigning Ensemble value is calculated to a value representing the ensemble. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der das Ensemble repräsentierende Wert aus einer der folgenden Möglichkeiten ausgewählt wird: das Maximum, das Minimum, der Median oder der arithmetische Mittelwert der Ensemblewerte.Method according to one of claims 5 or 7, characterized in that the value representing the ensemble is selected from one of the following options: the maximum, the minimum, the median or the arithmetic mean of the ensemble values. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die die Unähnlichkeit des Ensembles indizierenden Maßzahlen für alle Perspektiven und für alle Voxel nach ihrer Größe geordnet vorbestimmten Intervallen zugewiesen werden, wobei jede Maßzahl genau einmal einem der Intervalle zugewiesen wird und die Anzahlen der Maßzahlzuweisungen für alle Intervalle als Größenverteilung der Maßzahlen bestimmt wird.A method according to claim 7, characterized in that the measures indicating the dissimilarity of the ensemble are assigned to predetermined intervals for all perspectives and for all voxels according to their size, each measure being assigned exactly once to one of the intervals and the numbers of measure assignments for all intervals is determined as the size distribution of the measures. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselfaktor dem Verhältnis aus dem Schwerpunkt der Größenverteilung der die Unähnlichkeit des Ensembles indizierenden Maßzahlen und dem mittleren Kontrast der Grauwertbilder proportional ist. A method according to claims 4 and 9, characterized in that the throttle factor is proportional to the ratio of the centroid of the size distribution of the measure indicating the dissimilarity of the ensemble and the mean contrast of the gray scale images.
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