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IRIS CT-Dosisreduktion durch iterative Rekonstruktion Dr. Stefan Ulzheimer Siemens AG Healthcare Forchheim
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14. Fortbildungsseminar der Arbeitsgemeinschaft Physik und Technik Münster 18. – 19.6. 2010
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Übersicht
Konventionelle CT-Bildrekonstruktion und deren Limitationen Prinzip der iterative Rekonstruktion (IR) Artefakt-, Rausch- und Dosisreduktion mit IR Iterative Rekonstruktion im Bildraum (IRIS)
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CT Messprinzip
Ι0
Ι
μ
I=I0 ·exp(- ∫ μ ds) Intensitäts-Messung
„Linien-Integral”
L = ∫ μ ds = - ln(I/ I0)
Schwächungskoeffizient = “CT-Wert”
θ
p
Quelle: Kalender, „Computertomografie“
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CT Messung
CT-Rohdaten („Sinogramm”)
- ln(I/ I0) = ∫ μ ds
Intensitäts-Profil
I
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Bildrekonstruktion: gefilterte Rückprojektion
.
.
- ln(I/ I0) = ∫ μ ds μ (= CT-Bild) gefilterte Rückprojektion
Filtered Backprojection (FBP)
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Filterung bei der FBP
Filter ist intrinsischer Bestandteil der inversen Radon-Transformation (RamLak- bzw. Shepp-Logan-Kern)
Filter/Faltungs-Kern kann zur Justage der Bildschärfe benutzt werden
„scharfer“ Kern „weicher“ Kern
Limitationen von FBP: Kompromiss von Schärfe gegen Rauschen Strahlungsdosis kann nicht beliebig reduziert werden
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Rekonstruktion bei Kegelstrahl-Geometrie
Weighted Filtered Backprojection (WFBP)*
Mit wachsender Zeilenzahl des CT-Detektors nimmt der Kegel-Winkel der Strahlen zu Vernachlässigung des Kegel-Winkels führt zu Bildartefakten Bildqualitätsverbesserung durch die Verwendung von Rekonstruktionen mit Kegelstrahl-Korrektur Standard-Verfahren ist WFBP
gute Dosisnutzung approximativ (im math. Sinne) beschränkt auf moderate Kegelwinkel
* K. Stierstorfer, A. Rauscher, J. Boese, H. Bruder, S. Schaller, T. Flohr; ‘Weighted FBP-a simple approximate 3D FBP algorithm for multislice spiral CT with good dose usage for arbitrary pitch’, Phys. Med. Biol. 49 (2004) 2209-2218
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CT-Rohdaten WFBP
Iterative Rekonstruktion
Standard CT-Rekonstruktion Rohdatenraum Bildraum
CT-Bild
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CT-Rohdaten W(F)BP
CT-Bild (n)
Iterative Rekonstruktion
+
Vorwärts- Projektion
Einführung einer Korrektur-Schleife
-
Rohdatenraum Bildraum
Korrektur- bild
CT-Bild (n-1)
+ +
Simulation des CT-Scans auf den Bilddaten Modellierung von Systemeigenschaften
(Fokus, Detektor, …) Validierung der rekonstruierten Bilder
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Artefaktreduktion durch iterative Rekonstruktion
axia
l co
rona
l
axia
l sa
gitta
l co
rona
l
WFBP I-WFBP, 2 Iterationen
WFBP
I-WFBP 2 Iterationen
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CT-Rohdaten W(F)BP
CT-Bild (n)
Iterative Rekonstruktion (I-WFBP)
+
Vorwärts- Projektion
Korrektur-Schleife und Regularisierung
-
Rohdatenraum Bildraum
Korrektur- bild
CT-Bild (n-1)
+ +
Regularisierung
-
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Regularisierung / Prior Knowledge-Bild
Regularisierung … sichert die Konvergenz der iterativen Rekonstruktion ist der entscheidende Mechanismus zur Rausch- bzw. Dosisreduktion!
CT-Bild (n-1)
+ +
Regularisierung
-
Prinzip Modellierung des (lokalen) Rauschens im CT-Bild Separation von Information und Rauschen auf Basis der statistischen Signifikanz (Kontrast zu Rauschen) Subtraktion des ermittelten Rauschanteils
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Regularisierung / Prior Knowledge-Bild
CT-Bild (n-1)
+ +
Regularisierung
-
CT-Bild (n)
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Rauschreduktion mit I-WFBP
I-WFBP, 5 Iterationen WFBP
*) courtesy of University of Erlangen, Germany
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Vorteile von I-WFBP gegenüber linearer Rauschreduktion
I-WFBP, 5 Iterationen WFBP
σ = 53 HU σ = 21 HU
Diff (I-WFBP – WFBP)
σ = 21 HU
Diff (WFBP2 – WFBP)
WFBP, weicher Kern (=WFBP2)
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CT-Rohdaten W(F)BP
CT-Bild (n)
Iterative Rekonstruktion (I-WFBP)
+
Vorwärts- Projektion
-
Rohdatenraum Bildraum
Korrektur- bild
CT-Bild (n-1)
+ +
Regularisierung
-
komplexester Anteil der iterativen Rekonstruktion
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Bestandsaufnahme
Braucht man die Vorwärtsprojektion bei der IR unbedingt? Vergleich der Daten im Rohdatenraum ist nicht notwendig für die Rausch- bzw. Dosisreduktion WFBP ist „hinreichend exakt“ für die aktuelle Scanner-Generation mit einer Detektor-Abdeckung von ≤ 4 cm, d.h. verbleibende Kegelstrahl-Artefakte sind in der Praxis irrelevant Für typische klinische Anwendungen stellt die mit WFBP erreichbare Maximalauflösung keine Begrenzung dar
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CT-Rohdaten Master- WFBP
CT-Bild (n)
Iterative Rekonstruktion im Bildraum
+
Iterative Reconstruction in Image Space (IRIS)
-
Rohdatenraum Bildraum
Korrektur- bild
CT-Bild (n-1)
+ +
Regularisierung
-
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Headline
Rausch- und Dosisreduktion mit IRIS
IRIS, 5 Iterationen
WFBP
IRIS
WFBP
1 – (σIRIS/σWFBP)2 = 85%
*) courtesy of University of Erlangen, Germany
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Page 20 Juni 2010 H IM CT CRM MK-SC Dr. S. Ulzheimer
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Headline
Rausch- und Dosisreduktion mit IRIS
IRIS, 5 Iterationen WFBP
1 – (σIRIS/σWFBP)2 = 70%
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Röntgen-Röhre 1
Detektor 1
Detektor 2
Röntgen-Röhre 2
- 128 Schichten/Rotation - Rotationszeit: 0,28 s - Ortsauflösung: bis 0,2 mm
CT mit zwei Röhren und zwei Detektoren (Dual Source CT)
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Page 22 Juni 2010 H IM CT CRM MK-SC Dr. S. Ulzheimer
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Headline
Rausch- und Dosisreduktion mit IRIS
WFBP (volle Dosis =
Dual Source A+B)
WFBP (halbe Dosis = Dual Source A)
σ = 14.1 HU
IRIS (halbe Dosis = Dual Source A)
σ = 13.4 HU σ = 21.2 HU
*) courtesy of Dr. M. Lell, University of Erlangen, Germany
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Page 23 Juni 2010 H IM CT CRM MK-SC Dr. S. Ulzheimer
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Headline
Erhöhung der Auflösung bei gleichem Rauschen mit IRIS
WFBP IRIS, 5 Iterationen
Reduktion von „calcium blooming“
Stenose
*) courtesy of Mayo Clinic Rochester/MN, US
*) *)
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