Accurate Cone-Beam Image Reconstruction in C-Arm Computed Tomography

Exakte Kegelstrahl-Bildrekonstruktion für die C-Bogen Computertomographie

  • The goal of this thesis is the robust implementation of an accurate cone-beam image reconstruction algorithm such that it is able to process real C-arm data from a circle-plus-arc trajectory. This trajectory is complete and especially well suited for C-arm systems, since it can be performed purely by rotating the C-arm around the patient without the need to move the patient table. We observed two major challenges: i) non-ideal acquisition geometry and ii) data truncation. To account for deviations from the ideal description of the data acquisition geometry, we developed a novel calibration procedure for the circle-plus-arc trajectory. For the second problem, we developed two novel truncationThe goal of this thesis is the robust implementation of an accurate cone-beam image reconstruction algorithm such that it is able to process real C-arm data from a circle-plus-arc trajectory. This trajectory is complete and especially well suited for C-arm systems, since it can be performed purely by rotating the C-arm around the patient without the need to move the patient table. We observed two major challenges: i) non-ideal acquisition geometry and ii) data truncation. To account for deviations from the ideal description of the data acquisition geometry, we developed a novel calibration procedure for the circle-plus-arc trajectory. For the second problem, we developed two novel truncation correction methods that approximately but effectively handle data truncation problems. For image reconstruction, we adapted the accurate M-line algorithm. In particular, we applied a novel and numerically stable technique to compute the view dependent derivative with respect to the source trajectory parameter and we developed an efficient way to compute the PI-line backprojection intervals via a polygonal weighting mask. We have chosen the M-line algorithm, since it does not presume an ideal description of the data acquisition geometry. We acquired projection data of a physical phantom of a human thorax on a medical C-arm scanner. Reconstructed images exhibit strong cone-beam artifacts along the bones of the spine when applying the conventional Feldkamp algorithm. These results are compared to those obtained with our implementation of the M-line algorithm. As our ultimate goal, we demonstrate that cone-beam artifacts can be completely eliminated by applying the M-line algorithm to a Tuy complete set of data.show moreshow less
  • Das Ziel dieser Arbeit ist eine robuste Implementierung eines exakten Rekonstruktionsverfahrens für die Kegelstrahl-Computertomografie, welche im Stande sein muss, reale Daten, die mit Hilfe einer C-Bogen Anlage entlang einer Teilkreis-und-Kreisbogen Abtastbahn aufgenommen wurden, zu verarbeiten. Die Teilkreis-und-Kreisbogen Abtastbahn ist eine sog. vollständige Abtastbahn und eignet sich in besonderer Weise für C-Bogen Anlagen, da lediglich der C-Bogen um den Patienten rotieren muss, ohne zusätzlich den Patiententisch zu bewegen. Zwei Hauptprobleme sind zu beachten: i) nicht-ideale Aufnahmegeometrie und ii) Datentrunkierung. Um Abweichungen von der Idealgeometrie zu berücksichtigen, wurde eDas Ziel dieser Arbeit ist eine robuste Implementierung eines exakten Rekonstruktionsverfahrens für die Kegelstrahl-Computertomografie, welche im Stande sein muss, reale Daten, die mit Hilfe einer C-Bogen Anlage entlang einer Teilkreis-und-Kreisbogen Abtastbahn aufgenommen wurden, zu verarbeiten. Die Teilkreis-und-Kreisbogen Abtastbahn ist eine sog. vollständige Abtastbahn und eignet sich in besonderer Weise für C-Bogen Anlagen, da lediglich der C-Bogen um den Patienten rotieren muss, ohne zusätzlich den Patiententisch zu bewegen. Zwei Hauptprobleme sind zu beachten: i) nicht-ideale Aufnahmegeometrie und ii) Datentrunkierung. Um Abweichungen von der Idealgeometrie zu berücksichtigen, wurde eine neuartige Kalibrierung für die Teilkreis-und-Kreisbogen Abtastbahn entwickelt. Für trunkierte Daten wurden zwei neuartige Trunkierungskorrekturverfahren entwickelt, welche approximativ, jedoch effectiv Trunkierungsprobleme lösen. Für die Bildrekonstruktion wurde der exakte M-line Algorithmus implementiert. Hierbei wurde ein neuartiges und numerisch stabiles Verfahren zur Berechnung der blickrichtungsabhängigen Ableitung entlang des Quellentrajektorienparameters angewandt, sowie außerdem eine effiziente Möglichkeit entwickelt die PI-Linien Rückprojektionsintervalle mit Hilfe einer polygonalen Gewichtungsmaske zu berechnen. Entscheidend für den Einsatz des M-line Algorithmus war, dass dieser keine ideale Beschreibung der Datenaufnahmegeometrie voraussetzt. Die Datenaufnahme erfolgte anhand eines physikalischen Phantoms des menschlichen Thorax mit einer medizinischen C-Bogen Anlage. Die Rekonstruktionen zeigen starke Kegelstrahlartefakte entlang der Knochen des Rückrades, wenn die Rekonstruktion mit einem herkömmlichen Feldkamp Algorithmus erfolgt. Vergleiche mit M-line Rekonstruktionen zeigen, dass die Kegelstrahlartefakte vollständig eliminiert werden können, wenn der M-line Algorithmus auf einen Datensatz angewandt wird, der Tuy's Vollständigkeitsbedingung erfüllt.show moreshow less

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Metadaten
Author:Stefan Hoppe
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-13064
Advisor:Joachim Hornegger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2008
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2008/12/04
Release Date:2009/05/12
Tag:Kegelstrahl
Accurate; C-arm; Computed Tomography; Cone-Beam; Image Reconstruction
SWD-Keyword:Bildrekonstruktion; C-Bogen; Computertomographie; exakt
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / Informatik, Wissen, Systeme / Datenverarbeitung; Informatik
open_access (DINI-Set):open_access

$Rev: 13581 $