CT Bildrekonstruktion

Transkript

1 CT Bildrekonstruktion Strålning & Teknik I Mikael Gunnarsson Sjukhusfysiker Strålningsfysik, SuS Malmö 1

2 Bildrekonstruktion Principer Filtrerad bakåtprojektion Iterativa rekonstruktionsalgoritmer (2010) 2 Mats Nilsson 2009

3 Lite fysik 3

4 Lite problem Divergerande geometri Parallell geometri 4

5 Enkelt exempel A + B = 7 A B 7 A + C = 6 A + D = C D 7 B + C = 9 B + D = C + D = 7 Problem Metod Lösning 5

6 Svårare exempel I 0 µ 6 I 1 µ 7 I 2 I 0 µ 1 µ 2 µ 3 µ 4 µ 5 I 1 =I 0 e -(µ1+µ2 +µ3 +µ4 +µ5 +µ6) x I 2 =.. I 3 =.. : Mha alla dessa ekvationer kan man beräkna alla µ och varje voxel kan tilldelas ett gråskalevärde. Med en matris på och flera hundra projektioner blir det många ekvationer. Istället för att lösa alla dessa ekvationer används en teknik som kallas bakåtprojektion eller filtrerad bakåtprojektion. 6

7 Bakåtprojektion Transmissionprofilerna räknas om och bakåtprojiceras (smetas ut) längs samma väg strålningen kom ifrån. Ett band av siffervärden genereras i bildmatrisen. Flera projektioner medför att flera band skär varandra och detaljer byggs upp i matrisen. 7

8 Enkelt exempel, bakåtprojektion A B 7 A B = =24 C D 7 C D = = Problem Metod Lösning 8

9 Filtrerad bakåtprojektion Nackdelen med vanlig bakåtprojektion är att detaljerna blir suddiga. Lösningen är filtrerad bakåtprojektion. Tänk dig endast en attenuerande detalj i centrum. Om man bakåtprojicerar alla profiler får man ett stjärnmönster i bildmatrisen. Detaljen återges i centrum men resten av matrisen återges av felaktiga värden och bilden blir suddig. 9

10 Exempel Tänk dig en stav i centrum Bakåtprojektion Felaktiga värden omkring detaljen. Filtrerad bakåtprojektion Felaktiga värden runt detaljen neutraliseras. 10

11 Filtrerad bakåtprojektion Denna utsuddningseffekt kan korrigeras med hjälp av ett filter (kernel) som appliceras på insamlade data i varje projektion innan de bakåtprojiceras. Processen kallas filtrerad bakåtprojektion. Filtreringsoperationen görs med en speciell matematisk operation som kallas faltning 11

12 Rekonstruktion 12

13 Filtrerad bakåtprojektion Bakåtprojicerad bild utan filtrering Bakåtprojicerad bild med filtrering 13

14 Filtrerad bakåtprojektion 14

15 Princip för bildtagning 15

16 Bildtagning Översiktsbild Sekvens scan Spiral scan Översiktsbild sk scout view 16

17 Spiral CT Föreslogs av Willi Kalender Slip rings för kontinuerlig gantryrotation. Röntgenrör med stor värmekapacitet. Kontinuerlig britsförflyttning genom strålfältet. Datainsamlingen bildar ett spiralformat mönster, därav namnet. 17

18 Grundläggande idé med spiralscanning Att från den insamlade volymen generera ett dataset för rekonstruktion som är så likt som möjligt det dataset som skulle producerats om patienten inte rört sig utan legat i samma position. Detta dataset stoppas in i den vanliga FBP-processen. 18

19 Spiral CT Fördelar Färre rörelseartefakter. Kortare us-tider. Minskar partiella volymseffekter. Multiplanara bilder. Nackdelar Ökad brus. Minskad upplösning i z-led vid ökad pitch. Ökad behandlingstid av bilder då det rör sig om mkt mer data. 19

20 Spiral CT.. Pitch: p = d / M * S d = Bordsrörelse (mm/s) M = Antal samtidiga scan S = Snittjocklek (mm) 20

21 Pitch. exempel 21

22 Axial Spiral 22

23 Pitch Pitch = 1,0 betyder att snitten kommer kant i kant. Pitch < 1,0 betyder överlapp mellan snitten och samtidigt högre patientdos. Pitch > 1,0 ger mindre information men samtidigt lägre patientdos. 23

24 Multislice CT I jakten på ännu snabbare CT tillkom multislice. 2 eller fler detektorer i rad. Flera snitt tas per rotationsvarv. Mindre rörelseartefakter. Använder sig av 3:e gen. teknologi. mindre spridd strålning till detektorerna behövs färre detektorer (än 4:e gen.) 24

25 Skillnad single-multislice 25

26 MSCT Den stora skillnaden från single sliceinsamling är att insamlingsplanen inte längre sammanfaller med rotationsplanet. Konvinkeln kan försummas upp till cirka 20 mm, men därefter måste rekonstruktionsalgoritmerna ta hänsyn till den avvikande insamlingsgeometrin. 20 mm 26

27 Varför skall man köra spiral CT? 27

28 Multislice CT 16 detektorrader, detektorrader, detektorrader, , 64 resp. 320 snitt kan avbildas per rot. Rotationstid ner till 0,3 sekund. Mycket korta undersökningstider. Exempel: 16 cm / rotation (0,3 s) = ca 50 cm/s Scannar av hela kroppen från topp till tå på ca 3,5 s! Åksjukepåse till patienten..? 28

29 Multislicedetektorer 29

30 Parametrar och termer Översiktsbild Exponeringsparametrar (kv, ma, s, mas) Snittjocklek Field of View (FOV) Inkrement Rekonstruktionsfilter Region of Interest (ROI) CT Dos Index (CTDI) Dos Längd Produkt (DLP) Gantry tilt 30

31 Översiktsbild Röntgenrör och detektorer står stilla samtidigt som britsen rör sig. AP/PA 2D röntgenbild Från översiktsbilden ställer man in området man vill undersöka. Tillverkarna har olika namn. Scout View GE Topogram Siemens Scanogram Philips Pilot View - Toshiba 31

32 Exponeringsparametrar Rörspänningen (kv) bestämmer fotonenergin man vill ha. T.ex. 80, 100, 120, 140 kv. Rörström (ma) bestämmer mängden strålning per tidsenhet. Hög ma ger mindre brus men högre patientdos. Exponeringstid (s) är tiden man strålar. 32

33 Snittjocklek Definieras som Full Width at Half Maximum (FWHM) av känslighetsprofilen i rotationscentrum. Ofta mellan 0,6-10 mm Tunna snitt => liten mängd strålning till detektorerna vilket ger brusiga bilder. 33

34 FOV Maximal diameter i den rekonstruerade bilden. Vanligtvis cm. Litet FOV ger hög spatiell upplösning men mera brus. Stort FOV gör att fler områden ryms i bilden men ger samtidigt sämre upplösning. Om rådatan sparats kan man rekonstruera i efterhand med olika FOV. 34

35 Inkrement Bestämmer överlapp eller mellanrum mellan de rekonstruerade bilderna. Snittjocklek = 10 mm Inkrement = 10 mm Snittjocklek = 10 mm Inkrement = 5 mm Snittjocklek = 10 mm Inkrement = 15 mm 35

36 Rekonstruktionsfilter Man kan rekonstruera bilder med olika slags filter. Mjuka filter ger mindre brus och framhäver lågkontrasten. Skarpa filter ger mer brus men framhäver den spatiella upplösningen. 36

37 ROI (Region Of Interest) Väljer ut ett visst område i bilden man är intresserad av. Information om bl.a. medelvärdet av HU inom området, standardavvikelsen och arean. 37

38 Iterativa rekonstruktionsalgoritmer GE: ASIR (Adaptive Statistical Iterative Reconstruction) Siemens: IRIS (Iterative Reconstruction in Image Space), SAFIRE Philips: idose Toshiba: QDS (Quantum denoising software) 38

39 Princip: Bearbetning i bildrummet raw data domain image domain noise detection & subtraction hypothesis testing 39

40 Princip: Bearbetning i rå-data och bildrummet raw data domain image domain noise detection & subtraction hypothesis testing model based forward projection & comparison 40

41 Iterativ Rekonstruktion introduction of a correction loop raw data domain image domain CT raw data + - W(F)BP correction image forward projection CT image (n) + + CT image (n-1) simulation of a CT scan from the images modeling of system features (focus, detector, ) validation of the reconstructed images 41

42 Noise Reduction with SAFIRE WFBP SAFIRE (5 iterations) *) 42 courtesy of University of Erlangen, Germany

43 Advantages of SAFIRE versus Linear Noise Reduction σ = 53 HU σ = 21 HU σ = 21 HU WFBP SAFIRE, 5 iterations WFBP, soft kernel (=WFBP2) Diff (SAFIRE WFBP) Diff (WFBP2 WFBP) 43

44 Standard Reconstruction versus IRIS VA34 versus SAFIRE VA40 σ = 26.8 HU up to 55% less noise 30% less noise σ = 17.6 HU σ = 12.3 HU σ = 7.8 HU slice 0.75 mm W = 250 C = 40 plain FBP Siemens-standard reconstruction IRIS VA34 SAFIRE VA40 44

45 Representation av bildmatrisen Den slutgiltiga summationsbilden består av siffror i en matris som är svår att analysera. Därför återges bilden i form av en gråskalebild där varje voxelvärde kan konverteras till ett visst gråskalevärde. Ljusa nyanser (höga µ), t.ex. ben. Mörka nyanser (låga µ), t.ex. lunga. 45

46 Hounsfieldskalan För att varje voxelvärde ska ge rätt gråskalevärde behövs en skalfaktor. Vanligast använda skalan är Hounsfieldskalan. Enheterna i Hounsfieldskalan kallas Hounsfield Unit (HU) I dagligt tal säger man också CT-nr. Där representeras luft av HU vatten av 0 HU ben av till HU 46

47 Hounsfieldskalan 47

48 Vad visas i en CT-bild egentligen? 48

49 Hounsfieldskalan 49

50 Hounsfieldskalan 50

51 Fönstersättning Ögat kan endast uppfatta mellan gråtoner samtidigt beroende på granskningsförhållanden. Fönsternivån (window level/center): bestämmer kring vilket HU gråskalan ska centreras (ljusstyrka). Fönsterbredd (window width): bestämmer hur stort område av Hounsfieldskalan som visas. 51

52 Fönsterinställning/fönstring Gråskalan anpassas efter täthetsvärdet för organen vi vill se 52

53 Fönstersättning 53