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Dokumentenidentifikation DE69924587T2 02.03.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001006370
Titel Verfahren zur Bildrekonstruktion für Tomographie
Anmelder Koninklijke Philips Electronics N.V., Eindhoven, NL
Erfinder Hawkins, William G., Shaker Heights, Ohio 44122, US;
Gagnon, Daniel, Twinsburg, Ohio 44087-2953, US
Vertreter Volmer, G., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 52066 Aachen
DE-Aktenzeichen 69924587
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 23.11.1999
EP-Aktenzeichen 993093368
EP-Offenlegungsdatum 07.06.2000
EP date of grant 06.04.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.03.2006
IPC-Hauptklasse G01T 1/29(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Bildgebung mit Hilfe der Bildrekonstruktion von Emissionsdaten. Sie findet besondere Anwendung in Zusammenhang mit der Einzelphotonen-Emissionscomputertomographie (Single Photon Emission Computed Tomography, SPECT) und Nuklearkameras und wird mit besonderem Bezug hierauf beschrieben. Es ist jedoch zu beachten, dass die vorliegende Erfindung auch für andere ähnliche Anwendungen geeignet ist, die die Positronenemissionstomographie (PET) und die Ultraschalltomographie einschließen, jedoch nicht darauf beschränkt ist.

Die Abschwächungskorrektur ist heutzutage ein Bestandteil der Bildrekonstruktion in der Nuklearmedizin. Mehrere Verfahren von einfachen analytischen Filtern bis hin zu komplizierten Transmissionseinrichtungen wurden in den letzten Jahren eingeführt, um eine objektabhängige Abschwächungskarte zu erhalten. Bei der analytischen Korrektur sind die Annahmen häufig zu restriktiv um realistisch zu sein. Die lediglich auf Emissionsdaten basierende objektabhängige Abschwächungskorrektur stellt eine attraktive und theoretisch vernünftige Alternative dar, ist jedoch für den Einsatz im großen Maßstab nicht geeignet. Schließlich sind Verfahren, die auf einer Abschwächungskarte basieren, die aus gemessenen Transmissionsprojektionsdaten konstruiert wird, zwar ein beliebter Ansatz, leiden jedoch unter sehr schlechter statistischer Qualität. Außerdem sind die aktuellen Verfahren zur Rekonstruktion der Emissionsdaten rauschempfindlich. Ferner sind die erfassten Transmissionsprojektionsdaten oft abgehackt. Ein Prozess zur Durchführung von Emissionskartographie eines Körpers ist in dem Dokument US 5 814 817 dargelegt.

Die hier dargelegten Ansätze weichen von den bisher verfügbaren Verfahren ab. Um den Unterschied deutlich zu machen ist es hilfreich, die bisherigen Verfahren zu untersuchen.

Es ist allgemein bekannt, dass iterative Verfahren leicht dazu neigen, zusätzliche Korrekturfaktoren wie Abschwächung einzuführen. Bezug nehmend auf 1 besteht das grundlegende Konzept, das sich hinter iterativen Verfahren, wie beispielsweise der Rekonstruktion mittels Maximum-Likelihood-Erwartungsmaximierung (ML-EM), verbirgt, darin, das Objekt (d.h. das Bild oder die Emissionskarte) zu finden, für das eine mathematische Projektion Ergebnisse erzeugt, die mit dem Satz gemessener Emissionsprojektionen vergleichbar sind. Der ML-EM-Rekonstruktionsalgorithmus ist ein derartiges Verfahren, das es ermöglicht, das Bild wirksam zu ermitteln. Ausgehend von einer anfänglichen Schätzung oder Annahme wird von einem Projektor künstlich ein Satz Projektionen erzeugt, wobei ein Projektionsmodell verwendet wird. Diese Projektionen werden mit dem „echten" oder gemessenen Satz verglichen. Wenn bestimmte Bedingungen erfüllt werden (d.h. wenn die Projektionen der Emissionskarte den gemessenen Emissionsprojektionen nahe genug kommen), hält das iterative Verfahren an, und das aktuelle Bild ist die bestmögliche Darstellung des Objekts, andernfalls wird die anfängliche Schätzung aktualisiert und ein neuer Satz Projektionen erzeugt. Natürlich ist das verwendete Projektionsmodell ein wichtiger Bestandteil des Projektionsvorgangs. Ein genaues Projektionsmodell kann jedoch komplex sein und viele Details aufweisen.

Bezug nehmend auf 2 besteht eine Art, die „Wirklichkeitsnähe" des Projektionsmodells zu verbessern oder die Vorgänge zu aktualisieren darin, a priori Informationen, d.h. bereits Bekanntes über das Objekt (beispielsweise seine Kontur, seine Struktur usw.), einzuschließen. Im Allgemeinen ist dies ein leistungsfähiges Werkzeug, das eine erhebliche Verbesserung der Rekonstruktion bietet. Ein Nachteil besteht jedoch darin, dass diese Informationen echt sein müssen. Mit anderen Worten: Wenn a priori Informationen wahr oder genau sind, sind sie für die Rekonstruktion nützlich. Andererseits führt Ungenauigkeit zu einer ungeeigneten Vorbelastung der Rekonstruktion oder zur Einführung unerwünschter Artefakte. Außerdem ist es in der Praxis schwierig, nicht belanglose Merkmale des abzubildenden Objekts zu finden, die genau sind.

Bezug nehmend auf 3 ist die Abschwächungskarte sicherlich ein Element, das bei der Rekonstruktion von Nutzen sein kann. Informationen, die zu Abschwächungsmerkmalen gehören, können für einfache Situationen (beispielsweise gleichmäßige Abschwächung, symmetrische Abschwächung usw.) künstlich erzeugt werden. Im Allgemeinen können sich jedoch Ungenauigkeiten einschleichen, wenn Abschwächungsmerkmale angenommen werden, die nicht wahr bzw. nicht objektspezifisch sind.

Bezug nehmend auf 4 ist es wesentlich vorteilhafter, wenn die Abschwächungskarte für jedes Objekt konstruiert und direkt bei der Rekonstruktion verwendet wird. Die Abschwächungskarte wird häufig von gemessenen Transmissionsprojektionsdaten abgeleitet. Dies ist die Grundlage der meisten modernen nicht-einheitlichen Abschwächungskorrekturvorrichtungen. Das Problem bei diesem Ansatz ist jedoch die Statistik. Typischerweise werden zur Bestimmung einer nützlichen und verwendbaren Abschwächungskarte viele Zählwerte benötigt. In der Praxis ist die Bestimmung der Abschwächungskarte jedoch zählwertmäßig begrenzt und das damit verbundene Eigenrauschen wird in die Rekonstruktion der Emissionskarte mit eingebracht. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Transmissionsprojektionsdaten, die zur Ableitung der Abschwächungskarte verwendet werden, oft abgehackt sind, wodurch sich eine schlechtere Abschwächungskarte ergibt. Mit anderen Worten: eine schlechte Abschwächungskarte kann in der Tat das Bild verschlechtern, das sie verbessern soll, da Zählwerte fehlen bzw. der Transmissionsdatensatz unvollständig ist.

Diese Einschränkungen bei der Erfassung der gemessenen Abschwächungskarteen haben dazu motiviert, nach anderen Verfahren zu suchen. Es ist allgemein bekannt, dass die Emissionsdaten Informationen enthalten, aus denen die Abschwächungskarte theoretisch rekonstruiert werden kann. Derartige Rekonstruktionsverfahren werden als quellenlos bezeichnet. Tatsächlich kann jeder Punkt in dem Objekt als ein Sendequelle angesehen werden, und die beobachtete Intensität an einem gegebenen Punkt auf dem Detektor kann mit der erwarteten Intensität ohne Abschwächung verglichen werden. Unglücklicherweise kann aufgrund von Einschränkungen, wie beispielsweise der begrenzten Anzahl von Zählwerten in der Emissionskarte, das Verhältnis zwischen der Emissions- und der Abschwächungskarte nur teilweise hergestellt werden. Außerdem ist der Prozess selbst nicht in der Lage, zwischen einer Bedingung mit geringer Aktivität und geringer Abschwächung und einer Bedingung mit hoher Aktivität und hoher Abschwächung zu unterscheiden.

Ein weiterer Nachteil der bisherigen Verfahren besteht darin, dass sie dazu neigen, nur ein lineares Projektionsmodell einzusetzen. Dies heißt, dass sie lediglich die Ereignisse berücksichtigen, die auf einem singulären Pfad oder einer singulären Linie von der Erkennungdatengruppe zur Aktivität liegen. Derartige Projektionsmodelle sind nicht dafür geeignet, Streuung oder Kollimatorauflösung zu berücksichtigen, die es einer speziellen Detektordatengruppe ermöglicht, Photonen von Quellen zu erkennen, die außerhalb der Linie liegen.

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem neuen Verfahren zum Schaffen einer Abschwächungskorrektur in der Emissionscomputertomographie.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren der ML-EM-Bildrekonstruktion geschaffen, das in Verbindung mit einem Bildgebungsgerät für Diagnosezwecke eingesetzt wird, das Projektionsdaten erzeugt. Das Verfahren beinhaltet die Erfassung von Projektionsdaten, die gemessene Emissionsprojektionsdaten enthalten. Die anfänglichen Emissions- und Abschwächungskarten werden angenommen und iterativ aktualisiert. Bei jeder Iteration wird die Emissionskarte neu berechnet, indem eine vorherige Emissionskarte genommen und angepasst wird auf der Grundlage: (i) der gemessenen Emissionsprojektionsdaten; (ii) einer Reprojektion der vorhergehenden Emissionskarte, die mit einem mehrdimensionalen Projektionsmodell durchgeführt wird; und (iii) einer Reprojektion der Abschwächungskarte. Bei jeder Iteration wird ferner die Abschwächungskarte neu berechnet, indem eine vorherige Abschwächungskarte genommen und angepasst wird auf der Grundlage: (i) der gemessenen Emissionsprojektionsdaten; und (ii) der Reprojektion der vorhergehenden Emissionskarte, die mit dem mehrdimensionalen Projektionsmodell durchgeführt wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein medizinisches Bildgebungsgerät für Diagnosezwecke zur Rekonstruktion von Bilddarstellungen eines mit ihm untersuchten Objekts geschaffen. Es umfasst einen Emissionsspeicher, der gemessene Emissionsprojektionsdaten des Objekts speichert. Ein Bildspeicher speichert Emissionskarten und ein Abschwächungskartenspeicher speichert Abschwächungskarten. Ein erster Projektor erzeugt Emissionskartenprojektionen über die Vorwärtsprojektion der Emissionskarten aus dem Bildspeicher. In gleicher Weise erzeugt ein zweiter Projektor Abschwächungskartenprojektionen über die Vorwärtsprojektion der Abschwächungskarten aus dem Abschwächungskartenspeicher. Der erste und der zweite Projektor nutzen erste bzw. zweite mehrdimensionale Projektionsmodelle. Ein erster Datenprozessor tastet den Emissionsspeicher ab, und der erste Projektor aktualisiert demgemäß die in dem Abschwächungskartenspeicher gespeicherten Abschwächungskarten. Ein zweiter Datenprozessor tastet den Emissionsspeicher ab, und der erste und der zweite Projektor aktualisieren demgemäß die in dem Bildspeicher gespeicherten Emissionskarten. Zum Schluss gibt eine für den Menschen sichtbare Anzeige rekonstruierte Bilddarstellungen des Objekts aus den Emissionskarten wieder.

Möglichkeiten zur Ausführung der Erfindung werden im Folgenden anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

1 ein Ablaufdiagramm, das die Funktionsweise eines typischen ML-EM-Rekonstruktionsverfahrens gemäß dem Stand der Technik darstellt;

2 ein Ablaufdiagramm, das die Funktionsweise eines typischen ML-EM-Rekonstruktionsverfahrens unter Verwendung von a priori Informationen gemäß dem Stand der Technik darstellt;

3 ein Ablaufdiagramm, das die Funktionsweise eines typischen ML-EM-Rekonstruktionsverfahrens unter Verwendung einer künstlich erzeugten Abschwächungskarte gemäß dem Stand der Technik darstellt;

4 ein Ablaufdiagramm, das die Funktionsweise eines typischen ML-EM-Rekonstruktionsverfahrens unter Verwendung einer von gemessenen Transmissionsprojektionsdaten abgeleiteten Abschwächungskarte gemäß dem Stand der Technik darstellt;

5 ein Ablaufdiagramm, das die quellenlose ML-EM-Rekonstruktion gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung darstellt;

6 ein Ablaufdiagramm, das die quellengestützte ML-EM-Rekonstruktion gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung darstellt;

7 ein Diagramm eines nuklearen Bildgebungsgerätes für Diagnosezwecke, das einen Bildprozessor verwendet, der die ML-EM-Rekonstruktion gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung durchführt; und

8 eine graphische Darstellung des Pixelsatzes, der bei der Rekonstruktion von SPECT-Daten gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Bezug nehmend auf 5 ist der grundlegende Ablauf einer quellenlosen ML-EM-Rekonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Ein medizinisches Bildgebungsgerät für Diagnosezwecke 10 (wird später genauer beschrieben) erzeugt Emissionsprojektionsdaten. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Transmissionskarte nur aus Emissionsdaten rekonstruiert. Das Fehlen einer Transmissionsabtastung reduziert die Strahlenbelastung des Patienten. Außerdem schafft in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein mehrdimensionales Projektionsmodell eine genauere Reprojektion der Emissionskarte. Bezug nehmend auf 6 zeigt diese den grundlegenden Ablauf einer quellengestützten Rekonstruktion, die eine weitere Anpassung der quellenlosen Rekonstruktion darstellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel erzeugt das medizinische Bildgebungsgerät für Diagnosezwecke 10 auch Transmissionsprojektionen. Die quellengestützte Abschwächungskorrektur kombiniert den Vorteil der echten Transmissionsmessungen mit der Stabilität des analytischen quellenlosen Ansatzes. Bei diesem Ansatz werden die gemessenen Transmissionsprojektionen, auch wenn sie statistisch von schlechter Qualität bzw. abgehackt sind, dazu verwendet, den analytischen Ansatz zu stabilisieren und die Abschwächungskarte und die Emissionskarte dazu zu bringen, unabhängig zu sein. Die Transmissionsinformationen und die Emissionszählwerte werden so kombiniert, dass sie ein Bild der Abschwächungskarte ergeben. Das Ergebnis ist eine verbesserte Qualität der Abschwächungskarte, weil die Emissionsdaten dazu verwendet werden, ihre Rekonstruktion zu „unterstützen". Dadurch wird wiederum die Rekonstruktion der Emissionskarte bezüglich der quantitativen Genauigkeit verbessert.

Das medizinische Bildgebungsgerät für Diagnosezwecke 10 ist im Allgemeinen jeder nuklearmedizinische Scanner, der Szintigraphiebilder erzeugt, beispielsweise SPECT-Scanner oder PET-Scanner. Eine geeignete Vorrichtung erkennt und zeichnet die räumlichen, zeitlichen bzw. weitere Merkmale emittierter Photonen auf.

Im Besonderen ist Bezug nehmend auf 7 das nukleare Bildgebungsgerät oder der Scanner für Diagnosezwecke 10 bei einem Ausführungsbeispiel eine Gammakamera oder ein SPECT-Scanner mit einer Objektauflagefläche 12, beispielsweise einem Tisch oder einer Liege, die ein zu untersuchendes bzw. abzubildendes Objekt, beispielsweise ein Phantom oder einen Patienten, innerhalb einer Aufnahmeöffnung 18 trägt und positioniert. Dem Objekt werden ein oder mehrere Radiopharmaka oder Radioisotope injiziert, so dass eine Emissionsstrahlung emittiert wird. Eine erste Gantry 14 hält eine eingebaute rotierende Gantry 16. Die rotierende Gantry 16 bestimmt die Aufnahmeöffnung 18. Einer oder mehrere Detektorköpfe 20 sind einstellbar in der rotierenden Gantry 16 mit unterschiedlichen Bewegungsfreiheitsgraden montiert. Da die Detektorköpfe 20 an der rotierenden Gantry 16 montiert sind, drehen sie sich mit der Drehung der rotierenden Gantry 16 um die Aufnahmeöffnung 18 (und das sich darin befindende Objekt). Im Betrieb drehen sich die Detektorköpfe 20 um das Objekt oder werden um dieses indexiert, um die Strahlung aus einer Vielzahl von Richtungen zu überwachen und eine Vielzahl von Ansichten aus unterschiedlichen Blickwinkeln zu erhalten.

Jeder der Detektorköpfe 20 besitzt eine Strahlungsempfangsfläche, die zu der Aufnahmeöffnung 18 ausgerichtet ist und einen Szintillationskristall, beispielsweise einen großen dotierten Natriumjodidkristall, umfasst, der als Reaktion auf einfallende Strahlung einen Licht- oder Photonenblitz aussendet. Eine Anordnung aus Photovervielfacherröhren empfängt das Licht und wandelt es in elektrische Signale um. Eine Koordinatenwandlerschaltung ermittelt die x-, y-Koordinaten jedes Lichtblitzes und die Energie der einfallenden Strahlung. Dies bedeutet, dass Strahlung auf den Szintillationskristall fällt, wodurch er szintilliert, d.h. in Reaktion auf die Strahlung Lichtphotonen emittiert. Die Photonen werden zu den Photovervielfacherröhren gelenkt. Die relativen Ausgangssignale der Photovervielfacherröhren werden verarbeitet und korrigiert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das (1) eine Positionskoordinate auf dem Detektorkopf angibt, an der jedes Strahlungsereignis empfangen wird, und (2) eine Energie jedes Ereignisses angibt. Die Energie wird dazu verwendet, zwischen verschiedenen Strahlungsarten, wie mehrfache Emissionsstrahlungsquellen, Streu- und Sekundäremissionsstrahlung sowie Transmissionsstrahlung, zu unterscheiden, und Rauschen zu eliminieren. Durch die an jeder Koordinate empfangenen Strahlungsdaten wird eine Bilddarstellung definiert. Die Strahlungsdaten werden dann zu einer Bilddarstellung der interessierenden Region rekonstruiert.

Als Option umfassen die Detektorköpfe 20 mechanische Kollimatoren 24, die abnehmbar an den Strahlungsempfangsflächen der Detektorköpfe 20 montiert sind. Die Kollimatoren 24 umfassen vorzugsweise eine Anordnung oder ein Raster aus Blei oder anderen Strahlung absorbierenden Flächen, die die Detektorköpfe 20 daran hindern, Strahlung zu empfangen, die sich nicht auf ausgewählten Strahlengängen gemäß der erfassten Datenart (d.h. paralleles Strahlenbündel, fächerförmiges Strahlenbündel bzw. kegelförmiges Strahlenbündel) fortpflanzt. Alternativ können beispielsweise beim Betrieb im Koinzidenzmodus die Kollimatoren 24 weggelassen werden.

Eine oder mehrere Strahlungsquellen 30 sind in der Aufnahmeöffnung 18 gegenüber den Detektorköpfen 20 montiert. Als Option sind sie zwischen den Detektorköpfen 20 oder an den Strahlungsempfangsflächen sich gegenüber liegender Detektorköpfe 20 montiert, so dass die Transmissionsstrahlung von den Strahlungsquellen 30 zu den entsprechenden Detektorköpfen 20 auf der gegenüber liegenden Seite der Aufnahmeöffnung 18 gelenkt und von ihnen empfangen wird. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Transmissionsstrahlung von den auf den Detektorköpfen 20 genutzten Kollimatoren 24 wirksam kollimiert. Das bedeutet, dass die Kollimatoren 24 die Detektorköpfe 20 daran hindern, diejenigen Anteile der Transmissionsstrahlung zu empfangen, die sich nicht auf Strahlengängen senkrecht (bei Konfigurationen mit parallelem Strahlenbündel) zu den Strahlungsempfangsflächen der Detektorköpfe 20 fortpflanzen. Alternativ werden andere Kollimationsgeometrien genutzt bzw. kann die Kollimation bei der Quelle stattfinden.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Strahlungsquellen 30 bewegliche Punktquellen, von denen jeder die Länge der ihnen entsprechenden Detektorköpfe 20 durchquert. Alternativ werden Linienquellen eingesetzt, wie beispielsweise dünne Stahlröhren, die mit Radionukliden gefüllt und an ihren Enden versiegelt sind. Bei anderen Ausführungsbeispielen sind die Strahlungsquellen 30 Stabquellen, Punktquellen, flache rechteckige Quellen, scheibenförmige Quellen, Breitstrahlerquellen, eine Röhre oder ein Behälter, die/der mit Radionukliden gefüllt ist, oder aktive Strahlungsgeneratoren, wie Röntgenröhren. Alternativ können eine oder mehrere Punktquellen für Transmissionsstrahlung verwendet werden.

Erneut Bezug nehmend auf 7 umfasst der Ablauf eines Bildgebungsvorgangs ein iteratives ML-EM-Rekonstruktionsverfahren, bei dem Emissionsprojektionsdaten über einen Bildprozessor 100 zu einer Bilddarstellung der Verteilung von radioaktivem Material im Patienten rekonstruiert wird. Natürlich variiert das implementierte Rekonstruktionsverfahren leicht entsprechend den erfassten Strahlungsarten, der Art der verwendeten Kollimatoren (d.h. Fächer-, Kegel-, Parallelstrahlenbündel bzw. andere Modi) und dem verwendeten Bildgebungsgerät für Diagnosezwecke. In jedem Fall wird die Emissionsstrahlung vom Patienten beispielsweise von den Detektorköpfen 20 des SPECT-Scanners empfangen, und es werden gemessene Emissionsprojektionsdaten erzeugt. Die gemessenen Emissionsprojektionsdaten enthalten normalerweise Ungenauigkeiten, die durch die unterschiedlichen Absorptions- oder Abschwächungsmerkmale der Anatomie des Patienten verursacht werden. Als Option wird auch eine Transmissionsabtastung derart durchgeführt, dass die Transmissionsstrahlung von einer oder mehreren Transmissionsstrahlungsquellen 30 ebenfalls empfangen wird, beispielsweise von den Detektorköpfen 20 des SPECT-Scanners, und gemessene Transmissionsprojektionsdaten erzeugt werden. Die gemessenen Transmissionsprojektionsdaten sind jedoch oft verrauscht bzw. abgehackt. Wenn eine Transmissionsabtastung durchgeführt wird, sortiert ein Sortierer 200 die gemessenen Emissions- und Transmissionsprojektionsdaten auf der Grundlage ihrer relativen Energien. Die Daten werden einem Speicher für gemessene Projektionsansichten 110, insbesondere in einem entsprechenden Emissionsspeicher 112 und einem Transmissionsspeicher 114 gespeichert.

In denjenigen Fällen, in denen Transmissionsprojektionsdaten erfasst werden, wird vor der Abtastung ein Blinddurchlauf durchgeführt, um einen Grundwert oder eine Referenz zu ermitteln, mit der die gemessenen Transmissionsprojektionsdaten ausgewertet bzw. verglichen werden. Bei dem Blinddurchlauf wird der Scanner dafür verwendet, eine Transmissionsabtastung durchzuführen, ohne dass das Objekt vorhanden ist, so dass ein Blindsatz von Transmissionsprojektionsdaten erfasst wird. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden diese Daten in einem Referenzspeicher 120 gespeichert.

Bei der Vorbereitung für die erste Iteration des Rekonstruktionsprozesses werden ein Abschwächungskartenspeicher 130 und ein Bildspeicher 140 initialisiert, indem sie mit angenommenen Werten oder ersten Schätzwerten der Abschwächungskarte bzw. der Emissionskarte geladen werden. Der erste Schätzwert für die Abschwächungskarte ist optional durch einen einheitlichen Abschwächungswert im Inneren einer vorher festgelegten Kontur, die das Objekt enthält, und den Wert Null außerhalb der Kontur gekennzeichnet. In ähnlicher Weise ist der erste Schätzwert für die Emissionskarte optional durch einen einheitlichen Wert im Inneren der Kontur und den Wert Null außerhalb der Kontur gekennzeichnet. Als Alternative ermöglicht die Verfügbarkeit von zusätzlichen a priori Informationen genauere erste Schätzwerte.

Bei jeder Iteration des Rekonstruktionsprozesses reprojiziert bzw. vorwärtsprojiziert ein erster Projektor 150 die in dem Bildspeicher 140 gespeicherte geschätzte Emissionskarte, um Projektionsansichten hiervon zu erhalten. In ähnlicher Weise reprojiziert bzw. vorwärtsprojiziert ein zweiter Projektor 152 die in dem Abschwächungskartenspeicher 130 gespeicherte Abschwächungskarte, um Projektionsansichten hiervon zu erhalten. Die Projektionen werden mit Hilfe mehrdimensionaler Projektionsmodelle durchgeführt. Das heißt, dass die mehrdimensionalen Projektionsmodelle im Gegensatz zu lediglich linearen Modellen, die nur Strahlung in einer einzigen Richtung berücksichtigen, Strahlung aus verschiedenen Richtungen berücksichtigen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel berücksichtigen die Projektionsmodelle eines oder mehrere der folgenden Merkmale: Streuung, die zu dem Bildgebungsgerät gehörende geometrische Punktreaktion (Auflösung), Zufälligkeitskorrekturen, die bei PET-Anwendungen die zufällige gleichzeitige Photonenerkennung berücksichtigen, die nicht von demselben Annihilationsereignis herrührt, bzw. Nebensprechen aufgrund sich ändernder Photonenenergien. Bei mindestens einem Ausführungsbeispiel sind die von dem ersten und dem zweiten Projektor 150 und 152 genutzten Projektionsmodelle nicht dieselben. Alternativ werden bei einigen Anwendungen identische Projektionsmodelle verwendet.

Ein erster Datenprozessor 160 aktualisiert bei jeder Iteration die Abschwächungskarten im Abschwächungskartenspeicher 130, und ein zweiter Datenprozessor 170 aktualisiert bei jeder Iteration die Emissionskarten im Bildspeicher 140.

Der erste Datenprozessor 160 berechnet erneut die Abschwächungskarte, indem er eine zuvor gespeicherte Abschwächungskarte aus dem Abschwächungskartenspeicher 130 nimmt und sie basierend auf einer Anzahl von Faktoren anpasst. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem die so genannte quellenlose Rekonstruktion angewendet wird, sind dies folgende Faktoren: (i) die gemessenen Emissionsprojektionsdaten aus dem Emissionsspeicher 112 und (ii) eine Reprojektion der in dem Bildspeicher 140 gespeicherten vorhergehenden Emissionskarte, die über den Projektor 150 erneut projiziert wird. Im Besonderen tastet der erste Datenprozessor 160 den Emissionsspeicher 112 und die ausgegebenen Projektionsansichten vom Projektor 150 ab, um jede Aktualisierung der Abschwächungskarte zu vervollständigen, die dann wieder in den Abschwächungskartenspeicher 130 geladen wird. Bei der quellenlosen Rekonstruktion werden keine gemessenen Transmissionsprojektionsdaten genutzt. An sich wird bevorzugt, dass Transmissionsprojektionsdaten nicht ermittelt werden, um dadurch die Strahlungsbelastung zu minimieren und die mechanische Komplexität zu reduzieren. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel, bei dem die so genannte quellengestützte Rekonstruktion angewendet wird, werden zusätzlich zu dem Obengenannten die gemessenen Transmissionsprojektionsdaten (eventuell abgehackt) auch bei jeder Aktualisierung der Abschwächungskarte eingeschlossen. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die gemessenen Transmissionsprojektionen aus dem Transmissionsspeicher 114 ebenfalls für jede Aktualisierung oder erneute Berechnung von dem ersten Datenprozessor 160 abgetastet. Zusätzlich werden auch die Grundwert- oder Referenztransmissionsprojektionen aus dem Referenzspeicher 120 berücksichtigt. Eine ausführliche Erläuterung der Funktionsweise des ersten Datenprozessors wird weiter unten in mathematischer Schreibweise gegeben.

Sowohl bei der quellenlosen als auch bei der quellengestützten Rekonstruktion aktualisiert der zweite Datenprozessor 170 die Emissionskarte auf der Grundlage derselben Faktoren. Diese Faktoren umfassen (i) die gemessenen Emissionsprojektionsdaten; (ii) eine Reprojektion der vorherigen Emissionskarte; und (iii) eine Reprojektion der Abschwächungskarte. Insbesondere tastet der zweite Datenprozessor 170 bei jeder Iteration den Emissionsspeicher 112, den ersten Projektor 150 und den zweiten Projektor 152 ab. Auf der Grundlage der erfassten Daten berechnet der zweite Datenprozessor 170 die Emissionskarte erneut und lädt die aktualisierte Emissionskarte wieder in den Bildspeicher 140. Eine ausführliche Erläuterung der Funktionsweise des zweiten Datenprozessors wird wiederum weiter unten in mathematischer Schreibweise gegeben.

Nach Beendigung der letzten Iteration extrahiert oder empfängt auf andere Weise ein Videoprozessor 300 Daten vom Bildspeicher 140, die eine Rekonstruktion der Radionuklidverteilung im interessierenden Bereich darstellen. Der Videoprozessor 300 formatiert sie dann in Bilddarstellungen des Objekts zur Ansicht auf einer für den Menschen sichtbaren Anzeige, wie beispielsweise einem Videomonitor 310 oder einer anderen geeigneten Wiedergabevorrichtung.

In mathematischer Schreibweise stellt sich die Funktionsweise des Bildprozessors 100 wie folgt dar. Die iterative ML-EM-Rekonstruktion ist eine iterative Lösungsstrategie für ein lineares Gleichungssystem. Sie bietet eine Rekonstruktionsrobustheit, die von anderen Rekonstruktionsverfahren basierend auf der Lösung von linearen Systemen schwer zu erreichen ist. Ein wichtiges Merkmal des ML-EM-Algorithmus besteht darin, dass er bei bestimmten gegebenen geringen Einschränkungen, die für die Emissionsbildgebung in der Nuklearmedizin geeignet sind, auf jedes lineare Gleichungssystem angewendet werden kann, ob es nun über- oder unterbestimmt, konsistent oder inkonsistent ist. Auf jeden Fall konvergiert der ML-EM-Algorithmus nach einer Anzahl von Iterationen zu einer Lösung, die angesichts der Originaldaten diejenige mit der höchsten Wahrscheinlichkeit ist.

Eine der ansprechendsten Eigenschaften dieses iterativen Algorithmus besteht darin, dass ein allgemeines Wahrscheinlichkeitsmodell der Erkennung verwendet wird. Die zugrunde liegende Radionuklidverteilung ist kontinuierlich, das Signal oder die Projektion wird jedoch bei einer diskreten Anzahl von Datengruppen oder Abtastpositionen erkannt. Im Folgenden stellt Pi die gesamten erkannten Photonen an der i-ten Detektorposition dar (d. h. die gemessenen Emissionsprojektionsdaten). Es existieren M Detektorpositionen. Außerdem wird die Radionuklidverteilung als eine diskrete Sammlung von Basisfunktionen dargestellt. Die Basisfunktion für die Emissionsverteilung ist das Voxel. Fk stellt den Mittelwert der kontinuierlichen Radionuklidverteilung in dem k-ten Bildvoxel dar. Es existieren K Bildvoxel. Der Transfermatrixkoeffizient mki (d.h. das Projektionsmodell) ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein im Voxel k pro Zeiteinheit emittiertes Photon an der Detektorposition i erkannt wird. Da jede Messung verrauscht sein kann, wird das zu jeder Messung gehörende Rauschen mit ni bezeichnet. Es ist im Allgemeinen jedoch genug über das Bildgebungssystem bekannt, um die statistischen Eigenschaften des Rauschens genau zu modellieren. Somit ist die Gesamtphotonenzahl an der i-ten Detektorposition die Summe aller Voxel, die zu dieser Detektorposition beitragen. Dies wird mathematisch folgendermaßen ausgedrückt:

wobei &Dgr;ti die Bildgebungszeit für die i-te Projektion ist.

Dieses lineare Gleichungssystem ist dann das grundlegende Bildgebungsmodell. Bezeichnet man fk(h) (d.h. das k-te Voxel der Emissionskarte) als den Schätzwert der Aktivität Fk im Voxel k bei der h-ten Iteration der ML-EM-Rekonstruktion, ergibt sich der ML-EM-Schätzwert für die (h + 1)-te Iteration aus:

Mit diesem Verfahren können die Streuung, die Auflösung und die Abschwächung in das Modell mki aufgenommen werden. Die Einbeziehung der Abschwächung und der Streuung in die Transfermatrix nutzt jedoch die a priori Kenntnis der Abschwächungskarte.

Quellenlose Rekonstruktion bei einem PET-Ausführungsbeispiel

Da in diesem Fall keine Abschwächungskarte für die Emissionsbildgebung existiert, ergibt sich eine neue Formel, die nun die unbekannte Abschwächungskarte einschließt. Das vorliegende Problem wird dann wie folgt ausgedrückt:

wobei &mgr;j der lineare Abschwächungskoeffizient des j-ten Pixels der Abschwächungskarte und cji die wirksame Abschwächungslänge von &mgr;j ist. Der Satz Pixel Nki ergibt sich aus: Nki = {Pixel j|mji ≠ 0, für das Quelle-Detektor-Paar (Fk, Pi)}. Geometrisch ist der Satz Nki der Satz Pixel, der die Reaktionslinie i schneidet und überdeckt, die das Quellenpixel k enthält. Der Schätzwert (fk, uj) der Unbekannten (Fk, &mgr;j) ergibt sich aus:
für die Emissionskarte, die über den zweiten Datenprozessor 170 aktualisiert wird; und
für die Abschwächungskarte, die über den ersten Datenprozessor 160 aktualisiert wird. Dies bedeutet, dass bei diesem Ausführungsbeispiel (d.h. der quellenlosen Rekonstruktion mit PET-Daten) der zweite Datenprozessor 170 und der erste Datenprozessor 160 die ersteren und die letzteren Berechnungen aus den Gleichungen (4) bzw. (5) durchführen.

Quellenlose Rekonstruktion bei einem SPECT-Ausführungsbeispiel

Bei der SPECT wird ein ähnlicher Satz Algorithmen entwickelt. Das vorliegende Problem ist in diesem Fall wiederum:

Bei der SPECT ist der Satz Nki jedoch anders definiert, wie es in 8 dargestellt ist. Der Satz Nki ist der Satz Pixel, der das Abschwächungslinienintegral von dem Quellenpixel k bis zur Projektionsdatengruppe i abdeckt. Dies führt zu einer Veränderung des Algorithmus. Bei diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich die Emissionsaktualisierung aus:

und die Transmissionsbildaktualisierung ergibt sich aus:

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel (d.h. der quellenlosen Rekonstruktion mit SPECT-Daten) führen der zweite Datenprozessor 170 und der erste Datenprozessor 160 die ersteren und die letzteren Berechnungen aus den Gleichungen (7) bzw. (8) durch.

Quellengestützte Rekonstruktion bei einem PET-Ausführungsbeispiel

Die quellengestützte Rekonstruktion nutzt die gemessenen Transmissionsdaten, dargestellt durch Tn, und die Blindabtastung, dargestellt durch En, um die quellenlose Rekonstruktion zu stabilisieren. Sie erzielt dies durch die Einbeziehung der Transmissionsabtastwerte als a priori Informationen in die Wahrscheinlichkeitsfunktion. Das Ergebnis ist eine andere Aktualisierung lediglich für die Transmissionskarte. Bei der PET ergibt sich die Transmissionsaktualisierung nun aus:

wobei &Dgr;ti die Abtastzeit pro Projektion für die Emissionsdaten und &Dgr;n eine Normalisierungskonstante ist, die das Verhältnis der Emissionsabtastzeit zur Transmissionsabtastzeit darstellt. Die Koeffizienten c^jn messen den Beitrag des j-ten Voxel der Abschwächungskarte zu der n-ten Transmissionsmessung und entsprechen nicht immer den oben definierten Koeffizienten cji. Sie hängen von der speziellen Ausführung des verwendeten Scanners ab.

Quellengestützte Rekonstruktion bei einem SPECT-Ausführungsbeispiel

Die Aktualisierungsregel für die Emissionskarte in der quellengestützten SPECT entspricht der Aktualisierungsregel für die quellenlose SPECT. Es ändert sich lediglich die Aktualisierungsregel für der Transmissionskarte folgendermaßen:

Optional werden die Funktionen des ersten und des zweiten Datenprozessors 160 und 170 sowie der anderen Komponenten als Hardware-, Software- oder Kombinationen von Hardware- und Softwarekonfigurationen ausgeführt.

Ein Vorteil der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele mit quellengestützter Abschwächungskorrektur für die Emissionscomputertomographie ist eine Verbesserung der Abschwächungskarten für die ML-EM-Rekonstruktion. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Strahlenbelastung des Patienten durch die quellenlose ML-EM-Rekonstruktion verringert wird. Noch ein weiterer Vorteil liegt in der Verwendung mehrdimensionaler Projektionsmodelle, die die tatsächlichen Bedingungen genauer widerspiegeln. Ein weiterer Vorteil ist die geringere Wahrscheinlichkeit, dass sich in der endgültigen Rekonstruktion über die Abschwächungskarte Rauschen einschleicht. Noch ein Vorteil besteht darin, dass eine genaue Rekonstruktion auch dann möglich ist, wenn die Transmissionsdaten abgehackt sind. TEXT IN DER ZEICHNUNG Figur 1 Prior art Stand der Technik Object Objekt Measured emission data gemessene Emissionsdaten Close enough? Yes/no nahe genug? ja/nein Reconstructed emission data rekonstruierte Emissionsdaten Model & projector Modell & Projektor Update rules Aktualisierungsregeln
Figur 2 Prior art Stand der Technik Object Objekt Measured emission data gemessene Emissionsdaten Close enough? Yes/no nahe genug? ja/nein Reconstructed emission data rekonstruierte Emissionsdaten Model & projector Modell & Projektor Update rules Aktualisierungsregeln Prior info a priori Informationen Contour Kontur Texture Struktur
Figur 3 Prior art Stand der Technik Object Objekt Measured emission data gemessene Emissionsdaten Close enough? Yes/no nahe genug? ja/nein Reconstructed emission data rekonstruierte Emissionsdaten Model & projector Modell & Projektor Update rules Aktualisierungsregeln Synthetic attenuation map künstliche Abschwächungskarte
Prior info a priori Informationen Contour Kontur Texture Struktur
Figur 4 Prior art Stand der Technik Object Objekt Measured emission data gemessene Emissionsdaten Close enough? Yes/no nahe genug? ja/nein Reconstructed emission data rekonstruierte Emissionsdaten Model & projector Modell & Projektor Update rules Aktualisierungsregeln Reconstruction attenuation map Rekonstruktion Abschwächungskarte Measured transmission gemessene Transmission
Figur 5 Object Objekt Measured emission data gemessene Emissionsdaten Close enough? Yes/no nahe genug? ja/nein Reconstructed emission data rekonstruierte Emissionsdaten Model & projector Modell & Projektor Update rules Aktualisierungsregeln Reconstruction attenuation map Rekonstruktion Abschwächungskarte
Figur 6 Object Objekt Measured emission data gemessene Emissionsdaten Close enough? Yes/no nahe genug? ja/nein Reconstructed emission data rekonstruierte Emissionsdaten Model & projector Modell & Projektor Update rules Aktualisierungsregeln Reconstruction attenuation map Rekonstruktion Abschwächungskarte Measured transmission gemessene Transmission
Figur 7 Sort Sortieren Reference memory Referenzspeicher Transmission memory Transmissionsspeicher Emission memory Emissionsspeicher Data processor Datenprozessor Attn. Map memory Abschwächungskartenspeicher Projector Projektor Image memory Bildspeicher Video processor Videoprozessor
Figur 8 Projection bin Projektionsdatengruppe


Anspruch[de]
  1. Verfahren der ML-EM-Bildrekonstruktion zum Einsatz in Verbindung mit einem Projektionsdaten erzeugenden Bildgebungsgerät für Diagnosezwecke, das Folgendes umfasst:

    (a) Erfassen von Projektionsdaten einschließlich gemessener Emissionsprojektionsdaten;

    (b) Annehmen einer anfänglichen Emissionskarte;

    (c) Annehmen einer anfänglichen Abschwächungskarte;

    (d) iteratives Aktualisieren der Emissionskarte und der Abschwächungskarte;

    (e) bei jeder Iteration erneutes Berechnen der Emissionskarte durch Verwenden einer vorhergehenden Emissionskarte und deren Anpassen auf der Grundlage: (i) der gemessenen Emissionsprojektionsdaten; (ii) einer Reprojektion der vorhergehenden Emissionskarte, die mit einem mehrdimensionalen Projektionsmodell durchgeführt wird; und (iii) einer Reprojektion der Abschwächungskarte; und

    (f) bei jeder Iteration erneutes Berechnen der Abschwächungskarte durch Verwenden einer vorhergehenden Abschwächungskarte und deren Anpassen auf der Grundlage: (i) der gemessenen Emissionsprojektionsdaten; und (ii) der Reprojektion der vorhergehenden Emissionskarte, die mit dem mehrdimensionalen Projektionsmodell durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erfassens der Projektionsdaten ferner die Erfassung gemessener Transmissionsprojektionsdaten umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Anpassung der vorhergehenden-Abschwächungskarte in dem Schritt der erneuten Berechnung auch auf der Grundlage der gemessenen Transmissionsprojektionsdaten durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Schritt des Erfassens der Projektionsdaten ferner das Erfassen eines Blindsatzes von Transmissionsprojektionsdaten umfasst, der erfasst wird, ohne dass sich ein Objekt im Bildgebungsgerät für Diagnosezwecke befindet, und die Anpassung der vorhergehenden Abschwächungskarte in dem Schritt der erneuten Berechnung auf der Grundlage des Blindsatzes von Transmissionsprojektionsdaten durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die gemessenen Transmissionsprojektionsdaten abgehackt sind.
  6. Medizinisches Bildgebungsgerät zum Rekonstruieren von Bilddarstellungen eines untersuchten Objekts, das Folgendes umfasst: einen Emissionsspeicher (112), der so ausgelegt ist, dass er gemessene Emissionsprojektionsdaten von dem Objekt speichert; einen Bildspeicher (140), der so ausgelegt ist, dass er Emissionskarten speichert; einen Abschwächungskartenspeicher (130), der so ausgelegt ist, dass er Abschwächungskarten speichert; einen ersten Projektor (150), der so ausgelegt ist, dass er Emissionskartenprojektionen über Vorwärtsprojektion der Emissionskarten aus dem Bildspeicher (140) erzeugt, wobei der genannte Projektor (150) ein erstes mehrdimensionales Projektionsmodell verwendet; einen zweiten Projektor (152), der so ausgelegt ist, dass er Abschwächungskartenprojektionen über Vorwärtsprojektion der Abschwächungskarten aus dem Abschwächungskartenspeicher (130) erzeugt, wobei der genannte Projektor (152) ein zweites mehrdimensionales Projektionsmodell verwendet; einen ersten Datenprozessor (160), der so ausgelegt ist, dass er den Emissionsspeicher (112) und den ersten Projektor (150) abtastet und demgemäß so ausgelegt ist, dass er die in dem Abschwächungskartenspeicher (130) gespeicherten Abschwächungskarten aktualisiert; einen zweiten Datenprozessor (170), der so ausgelegt ist, dass er den Emissionsspeicher (112), den ersten Projektor (150) und den zweiten Projektor (152) abtastet und demgemäß so ausgelegt ist, dass er die in dem Bildspeicher (140) gespeicherten Emissionskarten aktualisiert; und eine für den Menschen sichtbare Anzeige (310), die so ausgelegt ist, dass sie aus den Emissionskarten rekonstruierte Bilddarstellungen des Objekts wiedergibt.
  7. Medizinisches Bildgebungsgerät nach Anspruch 6, das ferner Folgendes umfasst: ein medizinisches Bildgebungsgerät (10) für Diagnosezwecke, einen Transmissionsspeicher (114), der so ausgelegt ist, dass er gemessene Transmissionsprojektionsdaten von dem Objekt speichert, wobei das medizinische Bildgebungsgerät (10) für Diagnosezwecke so ausgelegt ist, dass es die genannten Transmissionsprojektionsdaten erfasst.
  8. Medizinisches Bildgebungsgerät nach Anspruch 7, wobei der erste Datenprozessor (160) so ausgelegt ist, dass er den Transmissionsspeicher (114) abtastet, wenn er die in dem Abschwächungskartenspeicher (130) gespeicherten Abschwächungskarten aktualisiert, so dass die Aktualisierung auch demgemäß durchgeführt wird.
  9. Medizinisches Bildgebungsgerät nach Anspruch 7 oder 8, das ferner Folgendes umfasst: einen Referenzspeicher (120), der so ausgelegt ist, dass er Transmissionsprojektionsdaten von einem Blinddurchlauf speichert, der durchgeführt wird, ohne dass sich das Objekt in dem medizinischen Bildgebungsgerät (10) für Diagnosezwecke befindet, wobei der erste Datenprozessor (160) auch so ausgelegt ist, dass er den Referenzspeicher (120) abtastet, wenn er die in dem Abschwächungskartenspeicher (130) gespeicherten Abschwächungskarten aktualisiert, so dass die Aktualisierung demgemäß durchgeführt wird.
  10. Medizinisches Bildgebungsgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die in dem Transmissionsspeicher (114) gespeicherten gemessenen Transmissionsprojektionsdaten von dem Objekt abgehackt sind.
Es folgen 8 Blatt Zeichnungen






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