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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum
Erzeugen eines Röntgenbildes von
einem Untersuchungsobjekt.
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Die
diagnostische Verwertbarkeit eines Röntgenbildes, d.h. die Erkennbarkeit
von Strukturen innerhalb des Untersuchungsobjektes, wird von zwei
Faktoren wesentlich beeinflusst. Dies ist einerseits – neben anderen
apparativ bedingten Aufnahmeparametern wie beispielsweise Anoden/Filter-Kombination
der verwendeten Röntgenröhre – die korrekte
Belichtung und andererseits die Art und Weise, mit der das Röntgenbild auf
einem Wiedergabemedium dargestellt wird.
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Zur
Belichtungs- oder Dosissteuerung, d.h. zur Steuerung der für ein Röntgenbild
erforderlichen Röntgendosis,
ist es insbesondere bei der Durchführung diagnostischer oder therapeutischer
Verfahren bekannt, beispielsweise bei der Bildunterstützung eines
operativen Eingriffes, bei denen es erforderlich ist, in kurzen Zeitabständen vom
Untersuchungsobjekt eine Vielzahl von Röntgenbildern zu erzeugen, ein
erstes, bereits diagnostisch verwertbares vollständiges Röntgenbild mit einer aufgrund
von Erfahrungswerten geschätzten
Dosis aufzunehmen. In einem im zentralen Bildbereich liegenden Messfeld
dieses Röntgenbildes
wird dann beispielsweise der arithmetische Mittelwert der Intensität bzw. der
Helligkeit berechnet. Dieser Mittelwert wird mit einem gespeicherten
Sollwert verglichen. Mit Hilfe dieses Vergleiches wird für die Aufnahme
des nächsten Röntgenbildes
die Dosis so eingestellt, dass der Istwert der Intensität oder Helligkeit
möglichst
gut mit dem Sollwert übereinstimmt.
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Das
für die
Ermittlung des Istwertes verwendete Messfeld ist bezüglich seiner
Lage, Form und Größe statisch,
d.h. bei al len Aufnahmen immer gleich. Ein solches statisches Messfeld
kann jedoch in ungünstigen Fällen zu
einer reduzierten Bildqualität
aufgrund nicht optimaler Röntgendosis
führen.
Eine der Hauptursachen hierfür
ist im Messfeld ankommende Direktstrahlung, bei der es sich um Röntgenstrahlen
handelt, die das Untersuchungsobjekt nicht durchquert haben und
somit ungeschwächt
sind. Durch diese Direktstrahlung wird der Istwert der über das
Messfeld gemittelten Intensität
angehoben. Dies führt
dazu, dass die Röntgendosis
für die folgende
Aufnahme so lange reduziert wird bis der Sollwert erreicht wird.
Die Folge ist ein unterbelichtetes Röntgenbild.
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Ursache
für eine
solche Direktstrahlung im Messfeld ist beispielsweise eine schlechte
Positionierung des Untersuchungsobjektes während der Bildgebung oder die
Tatsache, dass die zu untersuchenden Untersuchungsobjekte kleiner
als das tatsächliche,
statisch definierte Messfeld sind.
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Für die korrekte
Funktionsfähigkeit
der Dosissteuerung, insbesondere bei mobilen C-Bogen-Röntgengeräten, ist
es deshalb notwendig, dass der Benutzer, der Arzt oder medizinisch
technisches Hilfspersonal, den Patienten, d.h. das Untersuchungsobjekt
so positioniert, dass möglichst
keine Direktstrahlung auf das zentrale Messfeld treffen kann. Mit
anderen Worten: Das zentrale Messfeld muss möglichst komplett vom Patienten
abgedeckt werden. Die Praxis zeigt aber, dass eine solche ideale
Positionierung des Patienten für
die Bildgebung nicht immer sichergestellt bzw. möglich ist. Um in solchen Fällen dennoch
qualitativ gute Röntgenbilder zu
erhalten, besteht grundsätzlich
die Möglichkeit,
die automatische Dosissteuerung zu deaktivieren und die Aufnahmeparameter
manuell zu steuern. Im Hinblick auf die Praxis stellt dies jedoch
keine zufrieden stellende Lösung
dar.
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Zusätzlich zu
einer optimalen Dosissteuerung ist auch bei der Wiedergabe von Röntgenbildern
anzustreben, dass die für
den Arzt diagnostisch relevanten Bildbereiche am Monitor oder bei der
Archivierung als Hardcopy (Film, Folie) mit optimaler Qualität dargestellt
sind. Dieser diagnostisch relevante Bildbereich wird durch den Bereich
des Bildfeldes gebildet, in dem sich das Bild des Objektes – des Patienten – befindet.
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Optimale
Qualität
bedeutet, dass die Grauwerte innerhalb des Objektbildbereiches eine
möglichst
differenzierte, kontrastreiche und somit gut erkennbare und damit
diagnostisch verwertbare Wiedergabe von Strukturen innerhalb dieses
Objektbildbereichs ermöglichen.
Die restlichen Bildbereiche sollen dagegen so wiedergegeben werden,
dass sie den Betrachter nicht beeinträchtigen. Ein Hauptproblem bei
der Wiedergabe der Röntgenbilder
sind dabei die im Röntgenbild
mit großer
Helligkeit auftretenden Direktstrahlungsbereiche.
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Die
am Ausgang eines Röntgenempfängers anliegenden
und bereits einer Vorbearbeitung unterzogenen Bilddaten, d.h. die
gemessene Intensität
I der Röntgenstrahlung
als Funktion der Bildkoordinate (x, y) liegen in der Regel mit einer
Auflösung,
beispielsweise 4096 Intensitätsstufen,
vor, die im Wiedergabemedium, beispielsweise ein Monitor mit 256
Graustufen, nicht genutzt werden kann.
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Um
eine möglichst
optimale Bilddarstellung zu erzielen, müssen diese Intensitätswerte
mit geeigneten Transformationsvorschriften (Lookup-Kennlinien oder
Lookup-Tabellen) auf die im Wiedergabemedium darstellbaren Grauwerte
abgebildet werden. Mit anderen Worten: Den zu den einzelnen Bildpunkten
gehörenden Intensitäten werden
die für
die Bilddarstellung verwendeten Grauwerte zugeordnet. Für die Ermittlung
dieser Grauwerte wird bei den bekannten Röntgeneinrichtungen stets das
gesamte Röntgenbild
ausgewertet, da insbesondere das Vorhandensein oder die Lage von
Direktstrahlungsbereichen im Röntgenbild
von vornherein nicht bekannt ist. Dies hat zur Folge, dass die Grauwerte
im Objektbildbereich nicht mehr mit der bestmöglichen Kontrastauflösung des
Monitors, d.h. nicht mehr unter Ausnutzung des maximal möglichen
Grauwert- oder Graustu fenbereiches mit beispielsweise 256 Grauwert
sondern mit weniger Grauwert dargestellt werden, da bei der Transformation
die Extremwerte (Blendenbereich und Direktstrahlungsbereich) der
vom Röntgenempfänger gemessenen
Intensitäten
den für
den Objektbildbereich bei der Transformation verbleibenden Grauwertbereich
erheblich einschränken.
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Darüber hinaus
können
im Röntgenbild
vorliegende Direktstrahlungsbereiche den Betrachter blenden. Dadurch
reduziert sich das Kontrastauflösungsvermögen des
Auges und feine Kontrastdetails im Objektbildbereich werden auch
dann, wenn sie am Monitor wiedergegeben sind, nicht erkannt. Außerdem ist
eine Blendung immer unangenehm und sollte schon aus diesem Grund
weitgehend vermieden werden.
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Zwar
besteht grundsätzlich
die Möglichkeit,
die Direktstrahlungsbereiche durch Blenden (X-Irisblenden oder Filterblenden)
zu minimieren. Von dieser Möglichkeit
wird aber in der Praxis häufig
nicht Gebrauch gemacht, da eine korrekte Einstellung der Blenden
insbesondere bei der Aufnahme einer Vielzahl von Röntgenaufnahmen
aus unterschiedlichen Richtungen einerseits zeitaufwendig ist. Andererseits
ist eine solche, Direktstrahlungsbereiche vermeidende Einstellung
der Blenden wegen einer komplexen geometrischen Form des Untersuchungsobjekts
ohne Verlust an diagnostischer Information nicht in allen Fällen möglich.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Erzeugen
eines Röntgenbildes
von einem Untersuchungsobjekt anzugeben, bei dem die erzielbare
Bildqualität
verbessert ist. Außerdem
liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung zur
Durchführung
des Verfahrens anzugeben.
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Hinsichtlich
des Verfahrens wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einem
Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen
Merkmalen wird im Bildfeld eines ersten vollständigen Röntgenbildes ein ausschließlich das
Un tersuchungsobjekt wiedergebender Objektbildbereich identifiziert,
indem von einem das gesamte Bildfeld erfassenden und vom ersten
Röntgenbild
durch digitale Bildbearbeitung abgeleiteten Zwischenbild ein Grauwertbereich
identifiziert wird, und alle Bildpunkte, deren Grauwert im Zwischenbild
innerhalb dieses Grauwertbereiches liegen, dem Objektbildbereich
zugeordnet werden. Da eine solche Grauwert-Analyse nicht unmittelbar
am ersten Röntgenbild
sondern an einem mit Verfahren der digitalen Bildbearbeitung bearbeiteten,
nachfolgend als Zwischenbild bezeichneten Röntgenbild durchgeführt wird,
ist eine sichere Identifikation des tatsächlich das Untersuchungsobjekt
wiedergebenden Objektbildbereiches möglich.
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Wenn
in einem vorhergehenden Schritt in Abwesenheit eines Untersuchungsobjektes
ein Kalibrierbild erzeugt und gespeichert wird, mit dem aus dem
ersten Röntgenbild
ein kalibriertes zweites Röntgenbild
berechnet wird, aus dem das Zwischenbild abgeleitet wird, können apparativ
bedingte Einflüsse,
beispielsweise eine Vignettierung bei der Verwendung eines Röntgenbildverstärkers, weitgehend
eliminiert werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird als
Zwischenbild ein kantenreduziertes Röntgenbild verwendet, das durch
Bearbeiten des ersten bzw. des kalibrierten zweiten Röntgenbildes mit
einem Kantenfilter und anschließendes
Löschen
der auf diese Weise ermittelten Kantenbereiche im ersten bzw. kalibrierten
zweiten Röntgenbild
erzeugt wird. Auf diese Weise ist es möglich, die eindeutig dem Objektbildbereich
zugehörigen
Bildpunkte von den übrigen
Bildpunkten zu trennen, da die Bildpunkte in den von den Objektkanten
gebildeten Übergangszonen
keine Grauwerte mehr aufweisen, die zwischen den Grauwert des Objektbildbereiches
und den Grauwert eines daneben befindlichen Direktstrahlungsbereiches
liegen. Mit anderen Worten: Der durch den Objektbildbereich gebildete
Grauwertbereich ist deutlicher von Grauwertbereichen, die nicht
dem Objektbildbereich zugehören,
getrennt.
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Vorzugsweise
wird ein Grauwert-Histogramm des Zwischenbildes erzeugt, und es
wird allen Grauwerten, deren Häufigkeit
im Grauwert-Histogramm einen vorgegebenen ersten Schwellwert unterschreitet,
die Häufigkeit
Null zugeordnet. Dadurch wird der für die Bildbearbeitung erforderliche
Rechenaufwand verringert.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens wird ausgehend von einem maximalen
gemessenen aktuellen Grauwert, der kleiner als der maximal mögliche Grauwert
ist, in einem ersten Suchintervall ein mit der maximalen Häufigkeit
vorkommender Grauwert identifiziert, wobei anschließend ausgehend
von diesem Grauwert in einem daran angrenzenden zweiten Suchintervall
analysiert wird, ob die Häufigkeit
der Grauwerte einen vorgegebenen zweiten Schwellwert unterschreiten,
und es wird der Grauwert, bei dem dieser Schwellwert unterschritten
wird, als erster oberer Grauwert eines einen ersten Objektbildbereich
wiedergebenden ersten Grauwertbereiches identifiziert. Diese Vorgehensweise
ermöglicht
eine sichere Detektion des Grauwertbereiches des Objektbildbereiches,
wenn der verfügbare
Dynamikbereich im ersten Röntgenbild
nicht überschritten
ist.
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Alternativ
hierzu, d.h. in einer Situation, in der der Dynamikbereich überschritten
ist, wird ausgehend von einem maximalen aktuellen Grauwert, der
gleich dem maximal möglichen
Grauwert ist, in einem vorgegebenen dritten Suchintervall, dessen
oberer Grenzwert durch den maximal möglichen Grauwert gebildet ist, analysiert,
ob die Häufigkeit
der Grauwerte einen vorgegebenen zweiten Schwellwert unterschreiten,
und der Grauwert, bei dem dieser Schwellwert unterschritten wird,
wird als erster oberer Grauwert eines einen ersten Objektbildbereich
wiedergebenden ersten Grauwertbereiches identifiziert.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird
ausgehend vom ersten oberen Grauwert des Objektbildbereiches ein
Grauwert ermittelt, an dem der zweite Schwellwert überschritten
wird, und dieser als zweiter oberer Grauwert eines einen zweiten
Objektbildbereich wiedergebenden zweiten Grauwertbereiches identifiziert
wird. Mit anderen Worten: Bis auf diejenigen Bildpunkte mit den
Grauwerten Null werden alle Bildpunkte, deren Grauwerte kleiner
sind als der zweite obere Grauwert, dem Objektbildbereich zugeordnet.
Dadurch sind die aufgehellten Bereiche an der Grenze des Objektbildbereiches
zum Direktstrahlungsbereich aus dem Objektbildbereich eliminiert.
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Wenn
zur Steuerung der Dosis eines anschließend aufzunehmenden Röntgenbildes
ein mittlerer Grauwert des Objektbildbereiches bestimmt und herangezogen
wird, ist eine korrekte Belichtung des Röntgenbildes sichergestellt.
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Eine
für den
Betrachter optimierte Darstellung wird ermöglicht, wenn zur Wiedergabe
eines Röntgenbildes,
die Bildbereiche des Röntgenbildes,
deren Grauwerte außerhalb
des Grauwertbereiches des Objektbildbereiches liegen, als virtuelle
Blenden durch eine einheitliche Darstellung gekennzeichnet werden.
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Eine
weitere Verbesserung der Wiedergabequalität wird erzielt, wenn ausschließlich aus
dem Grauwertbereich des Objektbildbereiches die Grauwerte für die Bildwiedergabe
ermittelt werden.
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Hinsichtlich
der Einrichtung wird die Aufgabe gemäß der Erfindung mit einer Einrichtung
mit den Merkmale des Patentanspruches 12 gelöst, dessen Vorteile sich je
nach Ausgestaltung sinngemäß ebenso
wie die Vorteile der zugehörigen
Unteransprüche
aus den Vorteilen der jeweils zugehörigen Verfahrensansprüche ergeben.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel
der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
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1 ein
Leer- oder Direktstrahlungsbild,
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2a, 3a und 4b ein
erstes, kalibriertes zweites bzw. ein kantenreduziertes Röntgenbild,
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2b, 3b und 4b jeweils
zugehörige
Grauwert-Histogramme, in denen die Häufigkeit, mit der im jeweiligen
Röntgenbild
ein Grauwert auftritt gegen den Grauwert aufgetragen ist,
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5 ein
Grauwert-Histogramm eines kantenreduzierten Röntgenbildes, in dem weder Direktstrahlung
auftritt noch der Dynamikbereich überschritten ist,
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6 ein
Grauwert-Histogramm eines kantenreduzierten Röntgenbildes, in dem Direktstrahlung
auftritt, der Dynamikbereich jedoch nicht überschritten ist,
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7 ein
kantenreduziertes Röntgenbild,
in dem sowohl Direktstrahlung auftritt als auch der Dynamikbereich überschritten
ist,
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8 einen
vergrößerten Ausschnitt
aus dem Grauwert-Histogramm der 7,
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9 ein
Grauwert-Histogramm eines aus einem überdosierten primären Röntgenbild
erzeugten kantenreduzierten Röntgenbildes,
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10 die
vergrößerte Darstellung
eines Teilbereiches des Grauwert-Histogramms nach 9,
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11 eine
ausschließlich
den Objektbildbereich erfassende Objektmaske,
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12 eine
Einrichtung gemäß der Erfindung
in einer schematischen Prinzipdarstellung.
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Gem. 1 wird
in einem ersten Schritt mit einem vorgegebenen Satz von Aufnahmeparametern
in Abwesenheit eines Untersuchungsobjektes ein Leer- oder Direktstrahlungsbild 2 erzeugt.
Dieses Direktstrahlungsbild 2 besteht bei der Verwendung
eines Röntgenbildverstärkers als
Röntgendetektor
aus einem annähernd
kreisförmigen,
hell ausgeleuchteten Bildfeld 4, das von einem durch eine
Blende, beispielsweise eine statische Lochblende, eine X-Irisblende
oder eine Filterblende oder durch eine bei der digitalen Bildverarbeitung
verwendete Maske erzeugten Randbereich 6 umgeben ist. Dieser
Randbereich 6 ist in der Figur durch eine Schraffur wiedergegeben
und wird in den folgenden, zur Ermittlung des Messfeldes erläuterten
Schritten nicht berücksichtigt.
Jedem Bildpunkt (x, y) des Direktstrahlungsbildes 2 ist
ein Grauwert G(x, y) zugeordnet.
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In
der Figur ist außerdem
das Direktstrahlungsbild 2 mit einer Kreuzschraffur dargestellt,
mit der veranschaulicht werden soll, dass in der Praxis die Intensität der Direktstrahlung
im Bildfeld 4 nicht konstant und überdies von Gerät zu Gerät verschieden
ist. Ursache hierfür
können
beispielsweise eine Vignettierung, d.h. eine zum Bildrand zunehmende
Verdunklung sein, wenn als Röntgenempfänger ein
Röntgenbildverstärker verwendet
wird. Das in der Regel kreisförmige
Bild eines solchen Röntgenbildempfängers wird
im Beispiel der Figur durch Blenden 7 begrenzt. Weitere
Ursachen für
im Direktstrahlungsbild 2 auftretende Inhomogenitäten können außerdem eine
Inhomogenität
der Strahlfilter, eine Inhomogenität der von der Röntgenquelle
emittierten Röntgenstrahlung
(Heel-Effekt) oder auch externe Störquellen sein.
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Das
Direktstrahlungsbild 2 kann zur Verminderung des Bildrauschens
und zur Verbesserung seiner Bildqualität zusätzlich durch digitale Bildverarbeitungsverfahren
bearbeitet sein. Die Aufnahmeparameter für das Direktstrahlungsbild 2 sollten außerdem derart
gewählt
sein, dass ein möglichst
gutes Signal/Rauschverhältnis
gegeben ist und an keiner Stelle im Bild eine Überstrahlung auftritt.
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Aus
dem auf diese Weise erzeugten Direktstrahlungsbild 2 wird
nun durch Normierung seiner Grauwerte auf den Wertebereich [0,0...1,0]
(alle Grauwerte werden durch den maximalen Grauwert dividiert) ein
Kalibrierbild erzeugt, bei dem jedem Bildpunkt (x, y) ein normierter
Grauwert GK(x, y) zugeordnet ist. Grundsätzlich kann
es auch von Vorteil sein, mehrere Direktstrahlungsbilder 2 zu
einem gemittelten Kalibrierbild zusammenzusetzen. weiter kann es
von Vorteil sein, das gemittelte Kalibrierbild aus Direktstrahlungsbildern 2 zu
berechnen, die bei unterschiedlichen räumlichen Orientierungen eines
Röntgen-C-Bogens
gemessen worden sind, falls als Röntgenempfänger ein Bildverstärker-Detektor
benutzt wird Eine Änderung
der Orientierung des Bildverstärker-Detektors
führt nämlich zu
einer leichten Bilddrehung und Bildverschiebung, da der Bildverstärker-Detektor
durch das Erdmagnetfeld beeinflusst wird. Diese Änderungen werden dadurch weggemittelt.
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Die
Erzeugung des Kalibrierbildes wird dabei vorzugsweise vor der Auslieferung
der Röntgenanlage im
Werk durchgeführt
und das Kalibrierbild wird permanent in der Röntgenanlage gespeichert. Aufgrund
von unvermeidbaren Alterungseffekten kann es jedoch zweckmäßig sein,
die Kalibrierung von Zeit zu Zeit, beispielsweise nach ein oder
zwei Jahren, zu aktualisieren.
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In
einem zweiten Schritt wird nun gemäß 2a ein
erstes vollständiges
Röntgenbild 8-1 in
Anwesenheit eines Untersuchungsobjektes erzeugt. In der Figur ist
zu erkennen, dass dieses Untersuchungsobjekt nur einen Objektbildbereich 10 des
innerhalb des abgeblendeten Randbereiches 6 liegenden nutzbaren
Bildfeldes 4 einnimmt, der kleiner ist als das Bildfeld 4.
Im Bildfeld 4 befinden sich aufgrund der geringen Ausmaße des Untersuchungsobjektes
neben diesem Objektbildbereich 10 noch Direktstrahlungsbereiche 12,
die das Bildfeld 4 aufhellen. Diese würden beispielsweise bei einer
Dosissteuerung, bei der das Messfeld signifikant über den
Objektbildbereich 10 hinausragt, zu einer Unterbelichtung
des Objektbildbereiches 10 führen. Darüber hinaus würde auch
ein statisches Messfeld, das signifikant kleiner ist als der Objektbildbereich 10 und
beispielsweise in der Mitte des Bildfeldes 4 liegt, nicht
zu einer korrekten Dosissteuerung führen, da in diesem Fall ein im
dargestellten Beispiel den Knochen umgebendes Weichteilgewebe überbelichtet
wäre.
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Darüber hinaus
stören
die im Röntgenbild 8-1 vorhandenen
Direktstrahlungsbereiche 12 den Betrachter und vermindern
subjektiv die Erkennbarkeit von im Objektbildbereich 10 vorhandenen
Strukturen. Durch die relativ hellen Direktstrahlungsbereiche 12,
die noch die anhand von 1 erläuterten und durch eine Kreuzschraffur
veranschaulichte Vignettierung aufweisen, würde außerdem auch der für die Bildwiedergabe an
sich vorhandene Dynamikbereich nicht optimal genutzt werden.
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In 2b ist
ein Grauwert-Histogramm des in 2a dargestellten
Röntgenbildes
gezeigt. Das in dieser Figur dargestellte Histogramm ist ebenso,
wie die in den folgenden Fig. dargestellten Histogramme außerdem beispielsweise
durch eine Medianfilterung geglättet.
Diesem Grauwert-Histogramm ist nun zu entnehmen, dass das Röntgenbild
nicht überbelichtet
ist, da der vorhandene Grauwert-Bereich (256 Graustufen von 0 bis
255 bei 8-Bit Bilddaten) nicht ausgenutzt ist. In diesem Diagramm
ist die Anzahl oder Häufigkeit
H der Bildpunkte in Abhängigkeit
vom Grauwert GR aufgetragen. Die Bildpunkte
im Randbereich 6 haben den Grauwert 0, so dass im Histogramm
ein in der Fig. nicht dargestellter δ-förmiger Peak auftritt. In dieser
Figur ist nun zu erkennen, dass die Grauwerte, die dem Direktstrahlungsbereich
zuzuordnen sind und durch den rechten Peak D repräsentiert
werden, noch nicht ausreichend von den Grauwerten, wie sie im Objektbildbereich 10 vorliegen,
separiert werden können.
Mit anderen Worten: Es kann nicht eindeutig eine obere Grenze des
bei einem Grauwert von etwa 25 beginnenden Objektbildbereiches 10 festgelegt
werden, da der Übergang
zwischen Objektbildbereich 10 und Direktstrahlungsbereich 12 unscharf
ist. Ursache hierfür
ist, dass die von den Röntgenstrahlen
durch das Untersuchungsobjekt zurückgelegte Wegstrecke und damit
auch deren Extinktion zur Objektkante hin kontinuierlich abnimmt
und damit die Intensität
ansteigt.
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Mit
Hilfe des dem vorangegangen Schritt erzeugten Kalibrierbildes wird
nun rechnerisch ein kalibriertes zweites Röntgenbild 8-2 erzeugt,
in dem der Grauwert GR(x, y) eines jeden
Bildpunktes (x, y) des ersten Röntgenbildes 8-1 durch
den Grauwert GK des betreffenden Bildpunktes
(x, y) des Kalibrierbildes dividiert wird. Die Grauwerte GRk des kalibrierten Röntgenbildes ergeben sich somit
durch die Beziehung GRK(x, y) = GR(x, y)/GK(x, y).
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Durch
die Kalibrierung ist es möglich,
dass der Grauwert einzelner Bildpunkte den Dynamikbereich überschreitet
(d.h. bei 8-Bit Bilddaten können
Bildpunkte durch die Kalibrierung einen Wert größer als 255 erhalten). Ohne
Nachteile können
alle diese Pixel auf den maximal erlaubten Grauwert zurückgesetzt
werden (bei 8-Bit Bilddaten auf den maximalen Grauwert 255.
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Auf
diese Weise entsteht als Zwischenbild ein kalibriertes zweites Röntgenbild 8-2,
wie es in 3a dargestellt ist, und in dem
die Direktstrahlungsbereiche 12 homogener, d.h. mit annähernd konstantem
Grauwert vorliegen, wie es in der Fig. durch das Fehlen der Kreuzschraffur
veranschaulicht ist.
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Im
zugehörigen
Histogramm gemäß 3b ist
deutlicher zu erkennen, dass bereits nach diesem Bildbearbeitungsschritt
der Direktstrahlungsbereich 12 vom Objektbildbereich 10 getrennt
ist. Ein Vergleich der 3b und 2b zeigt
außerdem,
dass durch die Kalibrierung auch die Kurvenform bei niedrigeren
Graustufen verändert
ist. Dennoch ist auch in diesem Histogramm eine exakte Festlegung
der Grenze zwischen dem Ob jektbildbereich 10 und dem Direktstrahlungsbereich 12 noch
nicht eindeutig möglich,
wie es durch den Doppelpfeil 14 veranschaulicht ist.
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Um
einen Kantenbereich 16 des Untersuchungsobjektes deutlicher
hervorzuheben und vom Direktstrahlungsbereich 12 abzugrenzen,
wird deshalb in einem nächsten
Schritt das kalibrierte Röntgenbild 8-2 einer
Kantenfilterung unterzogen, in dem beispielsweise vom kalibrierten
Röntgenbild 8-2 ein
so genanntes Varianzbild erzeugt wird. Bei dieser Filtermethode
wird für
jeden Bildpunkt (x, y) eine Größe (Varianz)
berechnet, die angibt, wie stark der Grauwert in der Umgebung variiert.
Im Ausführungsbeispiel
werden für
eine Fenstergröße von 3 × 3 Bildpunkten
(x, y) die quadratische Abweichung der Grauwerte von einem Mittelwert
in diesem Fenster bestimmt. Dieser ist die Varianz des Bildpunktes
in der Fenstermitte. Im kalibrierten Röntgenbild 8-2 werden
dann alle Bildpunkte (x, y) gelöscht,
d.h. dem Grauwert 0 zugeordnet, die eine Varianz aufweisen, die einen
definierten Schwellwert überschreitet.
Es werden also alle Bildpunkte gelöscht, die an einer Kante liegen. Der
Schwellwert kann abhängig
sein vom lokalen Grauwert GRK(x, y) des
kalibrierten Patientenbildes 8-2. Beispielsweise kann der
Schwellwert S(x, y) durch die Beziehung S(x, y) = αGRk(x, y) gegeben sein, wobei α eine Konstante
ist, die empirisch bestimmt werden kann und unter anderem von der
Bildgröße und von
der Kontrastauflösung
des bildgebenden Röntgensystems
abhängig
ist.
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Anstelle
einer solchen Varianzfilterung sind auch andere Kantenfilter geeignet,
mit denen die Bildkanten identifiziert werden können.
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In 4a ist
nun ein auf diese Weise entstehenden kalibriertes kantenreduziertes
Röntgenbild 8-3 dargestellt.
In diesem kalibrierten kantenreduzierten Röntgenbild 8-3 sind
nun deutlich die vorhandenen Kantenbereiche 16 als schwarze
Linien zu erkennen. Diese befinden sich sowohl an der Grenze von
Strukturen innerhalb des Objektbildbereiches 10 als auch
an der Grenze zwischen Objektbildbereich 10 und Direktstrahlungsbereich 12.
Dieses kalibrierte, kantenreduzierte Röntgenbild 8-3 dient
nun als Zwischenbild, in dem ein dem Objektbildbereich 10 zugeordneter
Grauwertbereich identifiziert wird.
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4b zeigt
nun das Grauwert-Histogramm des kantenreduzierten Röntgenbildes 8-3,
in dem nunmehr zu erkennen ist, dass sich die dem Direktstrahlungsbereich 12 zugeordneten
Grauwerte signifikant von den dem Objektbildbereich 10 zugeordneten
Grauwerte abgrenzen. Mit anderen Worten: Zwischen den Grauwerten
des Direktstrahlungsbereiches 12 und den Grauwerten des
Objektbildbereiches 10 entsteht ein deutlich ausgeprägter Zwischenraum 17.
Darüber
hinaus können
alle Grauwerte GRKred im Histogramm, die
selten vorkommen, gelöscht
werden. Mit anderen Worten: Jedem Bildpunkt (x, y) zu dem ein Grauwert
GRKred(x, y) zugeordnet ist, der im Grauwert-Histogramm des kalibrierten,
kantenreduzierten Röntgenbildes 8-3 in
einer geringeren Häufigkeit
als ein erster Schwellwert H1 vorkommt,
wird in diesem Fall der Grauwert 0 zugeordnet. Der Schwellwert H1 muss für
jeden Anlagentyp durch geeignete Verfahren ermittelt werden. Er
hängt von
der Bildgröße ab (Zahl
der Bildpunkte) und von der physikalischen Bildqualität. Je größer der
Rauschanteil im Bild ist, um so höher muss der Schwellwert H1 gesetzt werden. Als unterer Grauwert GU des Objektbildbereiches 10 wird
der Grauwert festgelegt, bei dem ausgehend von Grauwert b > 0 der erste Schwellwert
H1 überschritten wird.
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Anhand
des auf diese Weise erzeugten Grauwert-Histogramms werden nun die
Direktstrahlungsbereiche bzw. der Objektbereich segmentiert, d.h.
festgelegt. Dabei ergeben sich im Röntgenbild 8-3 verschiedene
Szenarien I–VI
die sich in zwei Cluster A und B einteilen lassen und in der folgenden
Tabelle wiedergegeben sind.
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Cluster
A wird durch kalibrierte, kantenreduzierte Röntgenbilder gebildet, bei denen
kein Bildpunkt bzw. weniger als H1 Bildpunkte,
mit seinem Grauwert den vorhandenen Dynamikbereich 0 bis 255 überschreitet
bzw. überschreiten.
Mit anderen Worten: Bei einem Bild mit 8-Bit Kontrastauflösungen ist
der maximal vorhandene Grauwert kleiner als 255, unabhängig davon
ob Direktstrahlung im kalibrierten, kantenreduzierten Röntgenbild
vorhanden ist oder nicht.
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In
Cluster B sind Szenarien II, IV, V und VI zusammengefasst, deren
gemeinsames Merkmal ist, dass im kalibrierten, kantenreduzierten
Röntgenbild
der Dynamikbereich überschritten
ist. Mit anderen Worten: Bei einem kalibrierten, kantenreduzierten
Röntgenbild
mit 8-Bit Kontrastauflösung
gibt es wenigstens einen Bildpunkt bzw. wenigstens H1 Bildpunkte,
der bzw. die einen Grauwert von wenigstens 255 hat bzw. haben.
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5 zeigt
nun ein Grauwert-Histogramm eines kalibrierten, kantenreduzierten
Röntgenbildes
in dem, anders als in den in 2a, 3a und 4a jeweils
dargestellten Röntgenbildern 8-1, 8-2 bzw. 8-3,
keine Direktstrahlung auftritt. Das Fehlen eines Direktstrahlungsbereiches
bzw. die Tatsache, dass der Objektbildbereich das gesamte Bildfeld
ausfüllt,
wird nun dadurch erkannt, dass in einem ersten Schritt der maximale
aktuelle Grauwert Gmax im Histogramm ermittelt
wird, der mit einer Häufigkeit
H > H1 vorkommt.
Ausgehend von diesem Grauwert Gmax wird
nun innerhalb eines vorgegebenen ersten Suchintervalls I1, das beispielsweise 1/10
des Dynamikbereiches d.h. bei einer Auflösung von 8-Bit etwa 25 Graustufen
umfasst, der Grauwert M bestimmt, der in diesem ersten Suchintervall
I1 am häufigsten
vorkommt. Ausgehend von diesem Maximum wird nun in einem zweiten
Suchintervall I2, das sich an das Suchintervall I1 anschließt oder
wie im dargestellten Beispiel dieses teilweise überschneidet, der Grauwert
gesucht, an dem das Histogramm einen vorgegebenen zweiten Schwellwert
H2 unterschreitet. In der 5 ist
nun zu erkennen, dass alle Grauwerte, die größer sind als etwa 190 im Grauwert-Histogramm
nur mit einer Häufigkeit
vorkommen, die unterhalb des ersten Schwellwertes H1 liegt.
werden diese Grauwerte wie vorstehend erläutert gelöscht, so beginnt die Suche
nach dem häufigsten
Grauwert M bei einem Grauwert von etwa 190. Ein solches Maximum
wird nun etwa bei einem Grauwert G = 170 festgestellt. Ausgehend
von diesem häufigsten
Grauwert M wird nun im zweiten Suchintervall I2 der Grauwert gesucht,
bei dem der zweite Schwellwert H2 erneut
unterschritten wird. Der 5 ist nun zu entnehmen, dass
ein solcher Grauwert nicht existiert. Dies ist Indiz dafür, dass
im Röntgenbild
keine Direktstrahlung auftritt (Cluster A, Szenario I). In diesem
Fall erstreckt sich der dem Objektbildbereich 10 zuzuordnende
Grauwertbereich ΔG
von GU bis Gmax.
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Eine
andere Situation ergibt sich gemäß 6 im
Grauwert-Histogramm
des kalibrierten, kantenreduzierten Röntgenbil des 8-3, wie
es bereits in 4b dargestellt ist (Cluster
A, Szenario III). Dort wird ausgehend vom maximalen Grauwert Gmax, der in der Fig. bei etwa 200 liegt,
im ersten Suchintervall I1 ein Maximum M bei einem Grauwert von
etwa 195 identifiziert. Ausgehend von diesem Maximum M wird nun
im Suchintervall I2 der Grauwert gesucht, an dem der zweite Schwellwert
H2 unterschritten wird. Dies ist im Beispiel
der Figur ein Grauwert von etwa 185, der als erster unterer Grauwert
GD1 (erste Direktstrahlungsuntergrenze)
eines ersten Direktstrahlungsbereiches 12-1 identifiziert
wird. Dieser ist zugleich erster oberer Grauwert G01 eines
ersten Objektbildbereiches 10-1, der somit durch Bildpunkte
repräsentiert
wird, die einen Grauwert G(x, y) aufweisen, der kleiner als der
Grauwert GD1 an der Untergrenze des ersten
Direktstrahlungsbereiches 12-1 ist. Unterer Grauwert GU und erster oberer Grauwert G01 legen
einen ersten Grauwertbereich ΔG-1
des ersten Objektbildbereiches 10-1 fest.
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Alle
Bildpunkte am Rand des Untersuchungsobjektes weisen aufgrund der
dort vorliegenden geringen Gewebedicke sehr hohe Grauwerte auf,
da die Röntgenstrahlung
in diesem Bereich wenig bis kaum geschwächt wird. Der aus dem Objektbereich
berechnete Hell-Ist-Wert wird durch die hellen Randpunkte damit angehoben.
Um den Einfluss der Randzone des Objektbildbereiches zu reduzieren,
ist es zweckmäßig, einen zweiten
unteren Grauwert GD2 eines zweiten Direktstrahlungsbereiches 12-2 an
eine Grauwertposition zu setzen, an der das Histogramm den zweiten
Schwellwert H2 erneut nach oben überschreitet.
Dieser zweite untere Grauwert GD2 der Direktstrahlung
ist zugleich zweiter oberer Grauwert G02 eines
zweiten, eingeschränkten
Objektbildbereiches 10-2. Mit anderen Worten: Der dem Rand
des Untersuchungsobjektes zugeordnete und zwischen dem ersten unteren
Grauwert GD1 und dem zweiten unteren Grauwert
GD2 liegende Grauwertbereich wird dem zweiten
Direktstrahlungsbereich 12-2 zugeordnet. Der zweite Objektbildbereich 10-2 ist
durch den zweiten Grauwertbereich ΔG-2 gebildet.
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Im
Histogramm des kalibrierten, kantenreduzierten Röntgenbildes gem. 7 ist
eine Situation dargestellt, bei der bei korrekter Belichtung des
Objektbildbereiches 10 der Dynamikbereich durch das Auftreten von
Direktstrahlung überschritten
ist. Dies ist daran erkennbar, dass der Objektbildbereich 10 und
der Direktstrahlungsbereich 12 durch eine deutlich ausgeprägte Grauwertzone
getrennt ist (Cluster B, Szenario V), und die Direktstrahlung fast
nur den Grauwert 255 belegt.
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Der
obere Grauwertbereich der 7 ist in 8 vergrößert dargestellt.
In dieser Fig. ist nun zu erkennen, dass der Dynamikbereich durch
die Direktstrahlung in der Weise überschritten ist, dass die
Obergrenze des Dynamikbereiches zugleich dem maximalen Grauwert
Gmax und dem Maximum M der Direktstrahlung im
Grauwert-Histogramm entspricht. In diesem Fall wird ausgehend von
der Obergrenze des Dynamikbereiches ein drittes Suchintervall I3
festgelegt, das im Beispiel etwa 20% des Dynamikbereiches d.h. etwa
50 Graustufen umfasst. Ausgehend von diesem Maximum wird ebenso
wie anhand von 6 erläutert, als erster unterer Grauwert
GD1 des Direktstrahlungsbereiches 12,
der Grauwert ermittelt, bei dem die Häufigkeit, mit der Bildpunkte
(x, y) mit diesem Grauwert auftreten einen vorgegebenen zweiten
Schwellwert H2 unterschreitet. Der von der
Objektkante befreite Rand des zweiten Objektbildbereiches 10-2 wird
durch einen zweiten unteren oder oberen Grauwert GD2 bzw.
G02 gebildet, bei dem der zweite Schwellwert
H2 erneut überschritten wird. In der Fig.
ist dies bei einem Grauwert von etwa 220 der Fall.
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9 zeigt
nun ein Grauwert-Histogramm eines kantenreduzierten Röntgenbildes,
bei dem das Untersuchungsobjekt überstrahlt
ist, d.h. mit einer zu hohen Dosis aufgenommen worden ist (Cluster
B, Szenario VI). Wie in der vergrößerten Teildarstellung der 10 erkennbar,
wird in diesem Fall der zweite Schwellwert H2 im
Suchintervall I3 nicht unterschritten. In einer solchen Situation
werden alle Bildpunkte mit dem maximalen Grauwert (255) als Direktstrahlung
klassi fiziert. Erster und zweiter oberer Grauwert G01 bzw.
G02 fallen zusammen, und es gilt G01 = G02 = 254.
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Gemäß 11 werden
nun der durch den ersten oder zweiten oberen Grauwert G01 bzw.
G02 des ersten bzw. zweiten Objektbildbereiches 10-1 bzw. 10-2 festgelegte
Grauwertbereich als Grundlage für
die Berechnung einer Objektmaske verwendet, indem alle Bildpunkte
(x, y) des kalibrierten, kantenreduzierten Röntgenbildes 8-2, die
einen Grauwert GRKred(x, y) > GU und
GRKred(x, y) < G01 bzw. < G02 aufweisen,
in der Objektmaske den Wert 1 erhalten. Den übrigen Bildpunkten (x, y) in
der Objektmaske wird der Wert 0 zugeordnet. Mit anderen Worten:
Es wird eine Objektmaske M(x, y) berechnet, für die die Beziehung M(x, y)
= 1
für
alle Bildpunkte (x, y) mit GU ≤ GRKred(x, y) < G01 oder < G02 und
M(x,
y) = 0
für
alle Bildpunkte (x, y) mit anderen Grauwerten gilt.
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Der
durch M(x, y) = 0 definierte Bildbereich 18 setzt sich
dann im Wesentlichen zusammen aus dem Direktstrahlungsbereich 12 (12-1, 12-2)
und dem Blendenbereich 6.
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Aus
der Kenntnis des Grauwertbereiches [Gu,
G01 (G02)] des Objekts
kann der aktuelle Hell-Ist-Wert für die Dosissteuerung direkt
aus dem Histogramm berechnet werden. Dieser Hell-Ist-Wert wird beispielsweise durch
den arithmetischen Mittelwert der Grauwerte des Objektbereiches
gebildet.
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Die
Objektmaske M(x, y) kann verwendet werden, um die Wiedergabe des
Röntgenbildes
zu optimieren, indem beispielsweise alle Gebiete, die außerhalb
dieser Objektmaske M(x, y) liegen, durch eine modifizierte Darstellung
wiedergegeben werden. Modifizierte Darstellung kann z.B. bedeuten,
dass die Objektmaske M(x, y) dem Röntgenbild derart überlagert
wird, dass Bereiche außerhalb
des Objektes (M(x, y) = 0) farblich dargestellt werden oder abgedunkelt
werden (virtuelle Blende).
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Aus
der Kenntnis des Grauwertbereiches des Objektes kann die Darstellung
des Röntgenbildes
z.B. am Monitor verbessert werden, indem der im Objektbildbereich 10 vorliegende
Grauwertbereich optimal auf den Grauwertbereich z.B. des Monitors
abgebildet wird.
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In
Abwandlung der vorstehend erläuterten
Vorgehensweise, bei der als Zwischenbild zur Identifikation des
Objektbildbereiches ein kalibriertes, kantenreduziertes Röntgenbild
verwendet wird, ist es in einer vereinfachten Vorgehensweise auch
möglich,
als Zwischenbild unmittelbar das erste unkalibrierte Röntgenbild,
das kalibrierte Röntgenbild
oder ein vom ersten Röntgenbild
unmittelbar erzeugtes unkalibriertes, kantenreduziertes Röntgenbild
zu verwenden.
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Gemäß 12 umfasst
die Einrichtung gemäß der Erfindung
eine Röntgenquelle 30 und
einen Röntgenempfänger 32 zwischen
denen sich ein Untersuchungsobjekt 100 befindet. Die vom
Röntgenempfänger 32 bereitgestellten
Bilddaten B werden in einer Auswerteeinrichtung 34 mit
einer darin implementierten Software zum Durchführen der vorstehend erläuterten
Verfahrensschritte ausgewertet. Die Röntgenquelle 30 ist
an eine Steuereinrichtung 36 angeschlossen, in der der
Istwert einer mittleren Intensität
eines innerhalb des Objektbildbereiches liegenden Messfeldes, wie
oben erläutert,
mit einem gespeicherten Sollwert verglichen wird, und die abhängig von
dem Vergleichsergebnis die von der Röntgenquelle 30 emittierte
Röntgendosis
steuert.
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In
einer Bildverarbeitungseinrichtung 38 wird außerdem die
nach den vorstehend erläuterten
Verfahren erzeugte Objektmaske dazu benutzt, die Bildbereiche des
Röntgenbildes,
die außerhalb
des Objektbildbereiches liegen, als virtuelle Blenden durch eine
einheitliche Darstellung in einer Wiedergabeeinrichtung 40,
im Beispiel ein Monitor, zu kennzeichnen, wie dies in der Figur
durch eine Schraffur symbolisch dargestellt ist.