Die Computertomographie hat in den vergangenen Jahrzehnten die Stellung eines unverzichtbaren Werkzeugs in der medizinischen Diagnostik erlangt. Die schnellen Entwicklungen der Geräte-Hardware und der Datenverarbeitungstechnologie haben zu einem beeindruckenden Fortschritt in der tomographischen Bildgebung beigetragen. Der Bedarf, mehr Daten für die Bildrekonstruktion schneller zu sammeln, hat den Entwurf von Scanner-Geräten mit dem kegelförmigen Röntgenstrahl und mit dem Flächendetektor angeregt. Die Daten für die Bildrekonstruktion werden beim Scannen des Patienten gesammelt, ausgeführt üblicherweise für die isozentrische Kreisbahn. Dies bedeutet, dass die Röntgenquelle um ein festes Zentrum bei konstantem Abstand rotiert und dabei den Patienten bestrahlt. Sowohl die mathematischen Methoden der Bildrekonstruktion aus Projektionen als auch das Design der tomographischen Geräte sind für solche Aufnahmen optimiert. In diesem Zusammenhang ist es vom Interesse zu erfahren, welches Ergebnis die Bildrekonstruktion für eine nicht-isozentrische Aufnahmebahn hat. Eine solche Bahn kann als etwas eher verpflichtendes und einschränkendes dem räumlich begrenzten Zugang zum Patienten entspringen, es kann sich aber auch als vorteilhaft erweisen, wenn sie absichtlich in innovativen Verfahren für die selektive Bildrekonstruktion eines Bereiches verwendet wird. Um die Bildrekonstruktion für die nicht-isozentrische Aufnahmebahn zu untersuchen ist es nützlich, praktische Tests der gesamten Prozedur durchzuführen. Ein nicht standardisiertes tomographisches Gerät mit zusätzlichen Freiheitsgraden, welches eine beliebige Aufnahmebahn erlaubt, würde aber beträchtliche Kosten und zeitaufwändige Probleme des technischen Betriebs mit sich bringen. Der günstigere Zugang ist deshalb, die Funktionsweise eines tomographischen Gerätes am Computer zu simulieren. Eine Computersimulation des Scanners läuft bei nahezu Nullkosten ab und bietet eine einfache Anpassung aller technischen Eigenschaften des Scanners und der Form der Aufnahmebahn an. Zu diesem Zweck wurde das Programm CT IMRA 1.3 als die experimentelle Plattform für die simulierte Computertomographie entworfen und implementiert. Das Hauptziel ist es, die Leistung verschiedener Kegelstrahl-Bildrekonstruktionsverfahren in der nicht-isozentrischen Aufnahmebahn vergleichend zu beurteilen. Die Implementierung des Programms beinhaltet alle notwendigen Bestandteile für eine solche Aufgabe. Dies umfasst die Definition der digitalen Kopf-Phantome als Patientenersatz, die Auswahl der Scannerparameter und beliebiger Aufnahmebahnen, die Prozedur der Datenaufnahme beim Scannen, die Auswahl der Methoden für die Bildrekonstruktion aus aufgenommenen Projektionsdaten, die Auswahl der Bildverbesserungsfilter nach der Rekonstruktion, und den Bildvergleich mit der Referenz des Phantoms mittels Berechnung der Abweichungsmaße und Bildsubtraktion. Die Implementierung des Programms ist durch eine detaillierte Beschreibung der verwendeten Methoden und Verfahren dokumentiert. Die benötigten Aufnahmen für die Hauptuntersuchungen wurden mit drei digitalen Kopf-Phantomen und mit drei ausgewählten nicht-isozentrischen Aufnahmebahnen, jeweils in zwei Ausführungen mit unterschiedlicher Anzahl der Projektionen, simuliert. Die nachfolgenden Bildrekonstruktionen aus gesammelten Projektionsdaten wurden mit drei verschiedenen Methoden durchgeführt, woraus sich insgesamt 54 Versuche ergeben. Die Leistung der Bildrekonstruktionsverfahren wurde mittels Messung der Rekonstruktionsabweichungen beurteilt. Die mit CT IMRA 1.3 durchgeführten Messungen wurden mit ebensolchen unter Matlab ergänzt und zum Vergleich graphisch dargestellt. Die Ergebnisse der Erstuntersuchung erlauben es, eine Empfehlung für die Auswahl des für die nicht-isozentrischen Aufnahmebahnen geeigneten Bildrekonstruktionsverfahrens zu erteilen.
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The computed tomography has attained the status of an indispensable tool in medical diagnostics over the past decades. A rapid development of both the device specific hardware as well as the data processing technology in general has contributed to an impressive advance in tomographic imaging. The need for a faster acquisition of more data for the image reconstruction has motivated the design of scanner devices operating with a cone-shaped x-ray beam and a flat panel detector. The data for the image reconstruction is obtained in a scan of the patient, commonly performed for a circular isocentric trajectory. This means that the x-ray source rotates around a fixed center always keeping the same distance from it, and illuminates the patient. Both the mathematical methods of the image reconstruction from projections and the design of tomographic devices are optimized for such a scan. An issue of interest in this respect is the result of the image reconstruction in the case of a non-isocentric scan trajectory. This kind of a trajectory may arise from a spatially limited access to the patient as something rather mandatory and restrictive, or it may prove to be beneficial when deliberately used in an innovative procedure for a selective image reconstruction of a region of interest. In order to explore the image reconstruction for a non-isocentric trajectory it is advantageous to make practical tests of the whole procedure. However, a non-standard tomographic device with additional degrees of freedom to allow arbitrary trajectories would bring substantial costs and time-consuming issues of technical operation. Thus, a more favorable approach is to simulate the functionality of a tomographic device on a computer. A computer simulation of a scanner runs at near-zero costs and offers a simple adaptability of all technical characteristics of the scanner and the trajectory form. For this purpose, the software CT IMRA 1.3 has been designed and implemented as the experimental platform for the simulated computed tomography. The principal aim is to comparatively assess the performance of different cone-beam image reconstruction algorithms in a non-isocentric scan trajectory. The implementation of the software contains all necessary components for such a task. This includes the definition of digital head phantoms as patient surrogates, the selection of scanner parameters and arbitrary scan trajectories, the procedure of the data collection in a scan, the selection of methods for the image reconstruction from the collected projection data, the selection of image enhancement filters after the reconstruction, and the image comparison with the ground truth of the phantom by the means of distance measures calculation and image subtraction. The software implementation is documented through a detailed description of the methods and procedures used. For the main examinations, the requested scans have been simulated using three digital head phantoms with three selected non-isocentric trajectories, each one in two versions containing a different number of projections. The subsequent image reconstructions from the acquired projection data have been made with three different methods, yielding the total of 54 experiments. The performance of the image reconstruction algorithms was evaluated through the measurements of the reconstruction deviations. The measurements made with CT IMRA 1.3 are supplemented with the similar ones made with Matlab and displayed graphically for comparison. The results of the initial study allow a recommendation to be given concerning the selection of an image reconstruction method suitable for the use with non-isocentric scan trajectories.
