DE60208970T2 - Verfahren zur Kontrastverbesserung digitaler Portalbilder - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung eines Bildes, das aus zwei oder mehr Bereichen mit unterschiedlichen Graustufenkonzentrationen zusammengesetzt ist, und insbesondere ein Verfahren zur visuellen Verbesserung anatomischer Details von Portalbildern, die mehrere Röntgenbelichtungsfelder umfassen.
  • Nach einer Schätzung der American Cancer Society würden im Jahr 2000 mehr als 1,2 Millionen neuer Fälle an invasiven Krebserkrankungen in den USA diagnostiziert werden. Nach dieser Schätzung verdoppelt sich im Abstand von jeweils 15 Jahren die Zahl der Krebserkrankungen. In der Strahlentherapie von Krebspatienten ist die Portalbebilderung ein wichtiges Instrument zur Optimierung der Behandlung. Derzeit werden digitale Bebilderungsverfahren, wie beispielsweise die Computerradiographie (CR) verwendet, um digitale Portalbilder der Strahlentherapie zu erhalten. In diesem Fall können digitale Verarbeitungsverfahren benutzt werden, um die resultierenden Portalbilder optimal anzuzeigen.
  • Portalbilder dienen dazu, die Position des Strahlenbündels und die Anordnung der Röntgenstrahlenabschirmblöcke in Bezug zur Anatomie des Patienten zu beurteilen. Wenn Portalbilder vor der Behandlung aufgenommen werden, haben Radioonkologen die Möglichkeit, geringfügige Positionierungsfehler der Patienten zu korrigieren. Wenn Portalbilder während der Behandlung aufgenommen werden, können sie der Überwachung der Bewegung des Patienten dienen. Ein Portalbild kann mit zwei (oder mehr) Strahlenaufnahmen erfasst werden.
  • Die erste Aufnahme wird nur mit montiertem Kollimator aufgenommen. Die Abschirmungsblöcke werden vor dem Kollimator angeordnet, bevor die zweite (oder folgende) Aufnahme gemacht wird. Innerhalb der Abschirmungsblöcke befindet sich das Behandlungsfeld, das auch als Strahlungsfeld bezeichnet wird. Das Kollimatorfeld stellt das Innere des Kollimators dar, an dem die betreffende Anatomie des Patienten aufgezeichnet wird. Außerhalb des Kollimationsfeldes befinden sich keine Behandlungsinformationen. Wegen der unterschiedlichen Strahlendosen, die innerhalb und außerhalb des Strahlungsfeldes angewandt werden, weisen die Bildteile innerhalb und außerhalb des Strahlungsfeldes unterschiedliche Graustufenkonzentrationen auf. Die Kanten des Strahlungsfeldes erscheinen daher relativ deutlich und zeigen die Anordnung der Abschirmungsblöcke. Wegen der hohen Energiedichte der Strahlung weisen digitale Portalbilder allerdings einen systemisch bedingten niedrigen Kontrast auf.
  • Es ist wünschenswert, den Kontrast einer Patientenanatomie innerhalb und außerhalb des Strahlungsfeldes zu erhöhen. Weiter ist es wünschenswert, die Differenzen der Graustufendarstellungen innerhalb und außerhalb des Strahlungsfeldes so zu verringern, dass die Bilddetails innerhalb und außerhalb des Strahlungsfeldes mit dem vollen Dynamikumfang des Ausgabemediums angezeigt werden, also beispielsweise auf Film oder an einem hochauflösenden Monitor. Die Kanten des Strahlungsfeldes sollten erhalten bleiben oder sogar hervorgehoben werden. Anhand der verarbeiteten Portalbilder können Radioonkologen die Behandlungseinrichtung genau überprüfen und Positionierungsfehler reduzieren.
  • Einige Verfahren zur Verbesserung von Portalbildern wurden von der Gruppe um Pizer sowie von Shalev und seinen Mitarbeitern entwickelt (siehe S. M. Pizer, E. P. Amburn, J. D. Austin, et al. "Adaptive histogram equalization and its variations", Computer Vision, Graphic, and Image Processing, 39, Seite 355–368, 1987; G. W. Sherous, J. Rosenman, H. McMurry et al. "Automatic digital contrast enhancement of radiotherapy films", Int J Radiation Oncology Biol Phys, Band 13, Seite 801–806, 1987; J. Rosenman, C. A. Roe, R. Cromartie et al. "Portal film enhancement: technique and clinical utility", Int J Radiation Oncology Biol Phys, Band 25, Seite 333–338, 1993; K. W. Leszczynski, S. Shalev, and N. S. Cosby, "The enhancement of radiotherapy verification images by an automated edge detection technique", Medical Physics, Band 19, Nr. 3, Seite 611–612, 1992). Diese Verfahren beruhen auf der Histogrammgleichsetzung und den Unschärfemaskierungstechniken. Ein entscheidender Nachteil der Histogrammverebnung (Histogram Equalization) ist der Schärfeverlust an den Kanten des Strahlenfeldes. Die Unschärfemaskierung ist nachteilig, weil sie die Kanteninformationen verschlechtert, indem sie einen Kantenstreifeneffekt an den Kanten des Strahlenfeldes erzeugt. Shalev et al. entwickelten ein Verfahren zur Delinearisierung des Strahlenfeldes unter Verwendung des Histogrammverebnungsverfahrens. Das Bild innerhalb und außerhalb des Strahlenfeldes enthält jedoch weiter unterschiedliche Graustufenkonzentrationen. Die Bildkontrastverbesserung bei Darstellung auf einem Ausgabemedium war daher begrenzt.
  • Ein weiteres Verfahren zur Verbesserung des Kontrasts eines Portalbildes wird von Cheng beschrieben (siehe US-A-6,094,152, "Algorithm for A/D window control for electronic portal image acquisition in a radiotherapy system", 25. Juli 2000, F. T. Cheng). Dieses Verfahren ist darauf ausgelegt, den Störabstand der Portalbilder während der Bilderfassungsstufe zu erhöhen. Dies ist zwar eine wichtige Operation, aber sie unterscheidet sich von der erfindungsgemäßen digitalen Bildverarbeitungstechnik, die den Bildkontrast nach der Bilderfassung verbessert.
  • Crooks et al. beschreiben ein Kontrastverbesserungsverfahren in "Contrast enhancement of portal images by selective histogram equalization" in Medical Physics, Band 20, Nr. 1, 1993, Seite 199–204.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Lösung der vorstehend besprochenen Probleme nach dem Stand der Technik bereit.
  • Nach einem Merkmal der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verbesserung des Bildkontrasts digitaler Portalbilder für die Darstellung auf einem Ausgabemittel mit folgenden Schritten bereitgestellt: Bereitstellen eines digitalen Portaleingabebildes mit Strahlungs- und Kollimationsfeldern; Lokalisieren und Beschriften der Strahlungs- und Kollimationsfelder zur Erstellung beschrifteter Strahlungs- und beschrifteter Kollimationsfeldbilder; Entwerfen einer Tonwertkurve zur Anzeige des Bildes innerhalb des Strahlungsfeldes unter Verwendung des vollen Dynamikbereichs des Ausgabemittels; Anwenden der Tonwertkurve auf das digitale Portaleingabebild zur Erstellung eines tonwertabgestuften Strahlungsfeldbildes; Entwerfen einer Tonwertkurve zur Anzeige des Bildes außerhalb des Strahlungsfeldes unter Verwendung des vollen Dynamikbereichs des Ausgabemittels; Anwenden der Tonwertkurve auf das digitale Portaleingabebild zur Erstellung eines tonwertabgestuften Kollimationsfeldbildes; Kombinieren des tonwertabgestuften Strahlungsfeldbildes und des tonwertabgestuften Kollimationsfeldbildes unter Verwendung der beschrifteten Strahlungs- und Kollimationsfeldbilder; Schwarzumfassen des Kollimationsfeldes zur Erstellung eines kontrastverbesserten Ausgabebildes, das auf dem Ausgabemittel darstellbar ist.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein allgemeines Verfahren zur Verbesserung des Bildkontrasts in einem digitalen Portalbild bereit, ohne die Kantenstreifenartefakte um Kanten mit hohem Kontrast zu erzeugen. Die Erfindung weist folgende Vorteile auf:
    • 1. Die Bilddetails der Patientenanatomie sowohl innerhalb als auch außerhalb des Strahlungsfelds werden verbessert.
    • 2. Die Bilddetails der Patientenanatomie innerhalb und außerhalb des Strahlungsfeldes werden mithilfe des vollen Dynamikumfangs des Ausgabemediums angezeigt.
    • 3. Die Kanten des Strahlungsfeldes bleiben erhalten, ohne eine Verschlechterung in das ausgegebene digitale Portalbild einzuführen.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ein Blockdiagramm eines Elements der Erfindung aus 1, und zwar den Algorithmus zur Lokalisierung und Beschriftung der Strahlungs- und Kollimationsfelder.
  • 3 ein Blockdiagramm eines weiteren Elements der Erfindung aus 1, und zwar die Konstruktion der Tonwertkurven.
  • 4a–4c grafische Ansichten zur Darstellung eines Beispiels der selektiven Skalierung der eingegebenen Tonwertkurve zur Anpassung an den Dynamikumfang des Ausgabemediums.
  • 5a eine grafische Ansicht zur Darstellung eines Vergleichs der neuen, kontrastabgestimmten Tonwertkurve (durchgehende Linien) mit der originalen Tonwertkurve (Strichlinie).
  • 5b eine grafische Ansicht zur Darstellung eines Vergleichs der neuen, verschobenen Tonwertkurve (durchgehende Linien) mit der originalen Tonwertkurve (Strichlinie).
  • 6 ein Blockdiagramm zur Ermittlung der Empfindlichkeitspunkte für die Strahlungs- und Kollimationstonwertkurven.
  • 7 eine grafische Ansicht zur Darstellung eines Beispiels der Strahlungs- und Kollimationstonwertkurven, die auf die Verwendung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ausgelegt sind.
  • 8 ein Blockdiagramm des Kontrastverbesserungsalgorithmus des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
  • 9 ein Blockdiagramm zur Erzeugung des Ausgabebildes des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
  • 10 ein Blockdiagramm eines Systems zur Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • 11 und 12 schematische Ansichten zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung.
  • Im Allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung eines Bereichs bereit, der aus zwei oder mehr Bereichen mit verschiedenen Graustufenkonzentrationen zusammengesetzt ist. Das Verfahren ist insbesondere auf die visuelle Verbesserung anatomischer Details in digitalen Portalbildern anwendbar, die mehrere Röntgenbelichtungsfelder umfassen. 10 zeigt ein System zur Ausführung der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, umfasst das System 100 eine Eingabebildquelle 102, einen Bildprozessor 104 und eine Ausgabe 106. Die Eingabebildquelle 102 stellt ein digitales Eingabebild bereit, das aus zwei oder mehr Bereichen mit unterschiedlichen Graustufenkonzentrationen zusammengesetzt ist. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Eingabebildquelle 102 eine Quelle eines digitalen Portalbildes, das mehrere Röntgenbelichtungsfelder umfasst. Die Eingabebildquelle 102 kann beispielsweise ein direktdigitales Röntgensystem sein, das ein Röntgen bild direkt in ein digitales Röntgenbild umwandelt. Die Eingabebildquelle 102 kann zudem ein berechnetes Radiographiesystem sein, in dem ein Röntgenbild in einer Speicherleuchtstoffplatte aufgezeichnet wird, wenn diese ausgelesen wird, um ein digitales Röntgeneingabebild zu erzeugen.
  • Der Bildprozessor 104 führt das erfindungsgemäße Verfahren aus und kann ein digitaler Computer sein. Der Bildprozessor 104 kann zudem entsprechende Firmware und/oder Hardware zur Ausführung der digitalen Bildverarbeitung umfassen.
  • Die Ausgabe 106 kann ein hochaufgelöstes elektronisches Display sein, wie beispielsweise ein Computermonitor oder ein Drucker, der eine dauerhafte Kopie des verarbeiteten digitalen Röntgenbildes auf einem Ausgabemedium, wie beispielsweise Film oder Papier, erzeugt.
  • 11 zeigt eine schematische Ansicht eines Röntgenprojektionssystems zur Darstellung einer Eingabebildquelle. Wie gezeigt, umfasst das System 110 eine Röntgenstrahlenquelle 112 mit einem Röntgenstrahl 114, die zur Strahlenbehandlung eines Patienten 116 verwendbar ist. Die Kollimatorblenden 118 sind zur Formung des Röntgenstrahls 114 abgestimmt. Die Abschirmblöcke 120 sind vor der Kollimatorblende 118 angeordnet, um den Patienten 116 vor Strahlung abzuschirmen. Die Abschirmblöcke 120 reduzieren die Größe des Röntgenstrahls 114 auf einen Strahl 122, der den zu behandelnden Bereich des Patienten bestrahlt.
  • Das Röntgenbild wird von der Vorrichtung 124 erfasst, die eine CR-Platte oder eine direktdigitale Erfassungsvorrichtung sein kann, beispielsweise eine elektronische Szintillator-Bebilderungsvorrichtung.
  • 12 zeigt eine schematische Ansicht zur Darstellung des von der Vorrichtung 124 erfassten Röntgenbildes. Das Bild 130 umfasst einen mittleren Bereich 132 zur Darstellung des Strahlungsfeldes, einen Bereich 134 außerhalb des Bereichs 132 zur Darstellung des Kollimationsfeldbereichs, der von den Abschirmblöcken 120 abgeschirmt wird, und einen Bereich 136 zur Darstellung des von den Kollimatorblenden 118 abgeschirmten Bereichs.
  • Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Bild in den Bereichen 132 und 134 zu verbessern, ohne Kantenstreifenartefakte um kontrastreiche Kanten hinzuzufügen. Der Bereich 136 ist geschwärzt, um ein kontrastverbessertes Ausgabebild zu erzeugen.
  • Unter Bezugnahme auf 1 erfolgt eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Wie gezeigt, wird ein digitales Eingabebild aus einer Eingabebildquelle bereitgestellt.
  • Das eingegebene Digitalbild 10 wird an einem Algorithmus zur Lokalisierung und Beschriftung der Strahlungs- und Kollimationsfelder 12 übergeben. Diese Operation wird durchgeführt, um das beschriftete Strahlungsfeldbild und das beschriftete Kollimationsfeldbild zu erzeugen. Das beschriftete Strahlungsfeldbild ist ein binäres Bild, dessen Pixel innerhalb und außerhalb des Strahlungsfeldes 1 bzw. 0 sind. Das beschriftete Kollimationsfeldbild ist ein binäres Bild, dessen Pixel innerhalb und außerhalb des Strahlungsfeldes 1 bzw. 0 sind.
  • Sobald die Innen- und Außenbereiche des Strahlungsfeldes identifiziert sind, besteht der nächste Schritt darin, ein optimales Verfahren zur Anzeige dieser Regionen mithilfe eines Tonwert- und Kontrastverbesserungsalgorithmus zu entwickeln. Die Hauptfunktion eines Tonwertalgorithmus besteht darin, den Dynamikumfang des Eingabebildes in einen Dynamikumfang des Ausgabemediums so zu dehnen oder zu komprimieren, dass das Ausgabemedium das Bild effektiv wiedergeben kann. Das Ziel, das digitale Portalbild effektiv wiederzugeben besteht darin, das Bild innerhalb und außerhalb des Strahlungsfeldes mit dem vollen Dynamikumfang des Ausgabemediums anzuzeigen. Diese Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Umformung der gegebenen Eingabetonwertkurve in die geeigneten Tonwertkurven zur effektiven Anzeige des digitalen Portalbildes. Es wird eine Tonwertkurve, die als Strahlungstonwertkurve bezeichnet wird, entworfen, die das Bild innerhalb des Strahlungsfeldes auf den vollen Dynamikumfang des Ausgabemediums 14 abbildet. Darüber hinaus wird eine andere Tonwertkurve, die als Kollimationstonwertkurve bezeichnet wird, entworfen, die das Bild außerhalb des Strahlungsfeldes auf den vollen Dynamikumfang des Ausgabemediums 16 abbildet.
  • Der Kontrastverbesserungsalgorithmus wird dann auf das tonwertkurvenverbesserte Bild sowohl innerhalb als auch außerhalb des Strahlungsfeldes 18, 20 angewandt. Die wichtigen Bilddetails, die Radioonkologen zur Prüfung der Behandlungseinrichtung verwenden, sind die kontrastreichen Kanten auf einer groben Stufe, bei der feine Bilddetails geglättet worden sind. In der vorliegenden Erfindung wird zu diesem Zweck ein Instrument verwendet (siehe: Docket 82297/WFN, US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/824,602, eingereicht am 2. April 2001 unter dem Titel "Method for improving breast cancer diagnosis using mountain-view and contrast-enhancement presentation of mammograph" von Susan S. Young), das als Kontrastverbesserungsdarstellung auf Basis von Kantenwellenfiltern bezeichnet wird.
  • Das Ausgabebild ist die Kombination der verbesserten Bilder, die über die geeigneten Strahlungs- und Kollimationstonwertkurven verfügen 22. Die Bilddetails innerhalb des Strahlungsfeldes werden dadurch verbessert und mit dem vollen Dynamikumfang des Ausgabemediums angezeigt, während die Bilddetails außerhalb des Strahlungsfeldes, aber innerhalb des Kollimationsfeldes ebenfalls verbessert und mit dem vollen Dynamikumfang des Ausgabemediums angezeigt werden. In der letzten Stufe werden die Pixel außerhalb des Kollimationsfeldes durch einen einheitlichen Wert ersetzt, so dass sie als schwarz dargestellt werden 24.
  • Die eingegebenen digitalen Portalbilder können mit verschiedenen Bebilderungsvorrichtungen erfasst und digitalisiert werden. Wichtig ist, dass das Digitalbild auf die gewünschte Metrik kalibriert wird. In der folgenden Beschreibung der Erfindung werden alle Bilder auf die relative logarithmische Röntgenbelichtung kalibriert. Zum besseren Verständnis wird die relative logarithmische Röntgenbelichtung um einen Faktor 1000 skaliert, so dass man ausschließlich ganzzahlige Werte zur Darstellung der Ein- und Ausgabebilder verwenden kann. Die Zwischenergebnisse aus den verschiedenen Filtern werden als Gleitkommazahlen dargestellt, so dass stets die richtige Genauigkeit erhalten bleibt.
  • Die detaillierten Prozeduren der vorliegenden Erfindung werden in den folgenden vier Abschnitten beschrieben:
    • • Lokalisieren und Beschriften der Strahlungs- und Kollimationsfelder
    • • Konstruktion der Tonwertkurven
    • • Kontrastverbesserung
    • • Erstellung des Ausgabebildes
  • 1. Lokalisieren und Beschriften der Strahlungs- und Kollimationsfelder
  • In der vorliegenden Erfindung werden die Strahlungs- und Kollimatonsfelder zunächst lokalisiert und dann beschriftet. Dann kann die entsprechende Tonwert- und Kontrastverbesserung auf jedes Feld angewandt werden. Die Bilddetails in beiden Feldern können mithilfe des vollen Dynamikumfangs des Ausgabemediums angezeigt werden.
  • 2 ist ein Blockdiagramm eines Verfahrens zur Lokalisierung und Beschriftung der Strahlungs- und Kollimationsfelder. Das Eingabebild I wird dann an zwei Filter FN-1, und FN 30, 32 übergeben, um die Kanteninformationen in der horizontalen und vertikalen Richtung in der gröbsten Auflösung N/2 zu erzeugen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist N/2 = 4. Die in dieser Erfindung verwendeten Filter haben folgendes Ansprechverhalten (ωx und ωy sind die Raumwinkelfrequenz in Richtung x und y):
    Figure 00090001
    Fk(ωx, ωy) = U(k-1)/2(ωx, ωy)R(2(k-1)/2ωx),k = 1, 3, ..., N – 1 (k ist eine ungerade Zahl) Fk(ωx, ωy) = U(k-2)/2(ωx, ωy)R(2(k-2)/2ωy),k = 2, 4, ..., N (k ist eine gerade Zahl)
    wobei
  • Figure 00090002
  • Der Algorithmus berechnet den Kantengradienten aus den Filterausgaben IN-1 und IN 34. Die Kantengradientenamplitude wird anhand der Quadratwurzel der Summe des Quadrats von IN-1 und des Quadrats von IN berechnet. Dann berechnet der Algorithmus die Kantenanordnung 36, indem er den lokalen, größten Gradienten in Gradientenrichtung sucht. Die Kantenanordnung ist ein binäres Bild, wobei der Pixelwert 1 für die lokalen, maximalen Gradientenpixel und der Pixelwert 0 für andere Pixel steht. Der Algorithmus bestimmt dann die betreffenden Stellen der Kollimations- und Strahlungsfelder, indem er einen Schwellenwert auf den lokalen, maximalen Gradientenpixeln 38 setzt. Da die Kanten der Strahlungs- und Kollimationsfelder wesentlich stärker als die Kanten der übrigen anatomischen Strukturen in den digitalen Portalbildern sind, werden die kleinen Kanten entfernt, indem die lokalen, maximalen Gradientenpixel in der gröbsten Auflösung einer Schwellenwertoperation unterzogen werden. Dadurch gehen keine Pixel an den Kanten der Strahlungs- und Kollimationsfelder verloren, und die kleinen Kanten werden zur Vereinfachung der weiteren Analyse entfernt.
  • Ein digitales Portalbild kann weitere Objekte mit starken Kanten enthalten, beispielsweise Bleimarkierungen, Etiketten usw. Die Gradientenamplitudenwerte an diesen Objekten können mit der Gradientenamplitude an den Kanten der Kollimations- und Strahlungsfelder vergleichbar sein. Die betreffenden Lagen der Kollimations- und Strahlungsfelder können diese Objekte enthalten. Um die Lage der Kollimations- und Strahlungsfelder zu bestimmen, werden die größten und die zweitgrößten verbundenen Objekte in dem nächsten Schritt 40, 42 berechnet. Das Kollimationsfeld umschreibt stets das Strahlungsfeld. Das Kollimationsfeld wird durch die Lage des größten verbundenen Objekts 44 bestimmt. Das Kollimationsfeld wird durch die Lage des größten verbundenen Objekts 46 bestimmt.
  • Der letzte Schritt ist die Beschriftung der Strahlungs- und Kollimationsfelder 48, 50. Das ausgegebene binäre Bild Ic(x, y) ist 1, wenn es innerhalb des Kollimationsfeldes liegt, andernfalls ist es 0. Das ausgegebene binäre Bild Ir(x, y) ist 1, wenn es innerhalb des Strahlungsfeldes liegt, andernfalls ist es 0.
  • 2. Entwurf der Tonwertkurven
  • Üblicherweise ist die Tonwertkurve als die Kurve der Schwärzung zum Logarithmus der einwirkenden Lichtmenge (logE) definiert. Die horizontale Achse einer Tonwertkurve stellt in dieser Erfindung die logarithmischen Belichtungscodewerte dar. Die vertikale Achse der Tonwertkurve stellt die Dichtecodewerte dar, die in linearer Beziehung zur Ausgabedichte stehen. 3 zeigt ein Diagramm zum Entwurf der Tonwertkurven. Eine Eingabetonwertkurve ti wird wahlweise skaliert, um ts zu erstellen und dem Dynamikumfang des Ausgabemittels zu entsprechen 52. Die Eingabetonwertkurve könnte eine Kurve sein, die durch das visuell optimierte Verfahren berechnet ist, oder sie könnte eine für einen bestimmten Filmtyp entworfene Kurve sein. Normalerweise ist eine bestimmte Tonwertkurve nicht auf ein neues Ausgabemedium abgestimmt; z.B. könnte ein neues Druckersystem einen größeren oder kleineren Dynamikbereich aufweisen als die Tonwertkurve. Der Algorithmus in dieser Erfindung skaliert die Tonwertkurve selektiv und nicht linear, um dem Dynamikumfang des Ausgabemediums zu entsprechen. Dies ermöglicht die effektive Anzeige des Bildes auf dem vorgesehenen Ausgabemedium. ts wird dann auf Kontrast abgestimmt, um tsc zu erzeugen 54. Dann wird der Empfindlichkeitspunkt sp(es, ds) bestimmt (56), der Ausgangspunkt sp(eo, ds) 58, und die vorverarbeitete Eingabetonwertkurve tsc wird von sp(eo, ds) nach sp(es, ds) verschoben, um die Ausgabetonwertkurve to 60 zu erzeugen.
  • 4a–4c zeigen Beispiele zur selektiven Skalierung der eingegebenen Tonwertkurve zur Anpassung an den Dynamikumfang des Ausgabemediums. In 4a umfasst die ursprüngliche Kurve D-LogE (Strichlinie) den Dynamikbereich von 0,21 bis 3,0 Dichteeinheiten, während die neu entworfene Kurve D-LogE einen Dichtebereich von 0,21 bis 3,5 aufweist. Die neue Kurve D-LogE (durchgezogene Linie) wird selektiv derart skaliert, dass die Tonwertkurve die gleiche wie die des Originals ist und einen Bereich von 0,21 bis 3 umfasst und mit einer Glättungsfunktion auf 3,5 Dichteeinheiten erweitert wird. Diese Operation stimmt das Ansprechverhalten des Druckers für den unteren Dichtebereich auf den ursprünglichen Wert ab und nutzt den höheren Dichtebereich des neuen Druckersystems. 4b zeigt die lineare Beziehung zwischen der Ausgabedichte und den Dichtecodewerten für den ursprünglichen (Strichlinien) und den neuen (durchgezogene Linie) Dichtebereich. 4c zeigt die ursprüngliche (Strichlinie) und die selektiv skalierte (durchgehende Linie) Tonwertkurve.
  • Im nächsten Entwurfsschritt wird der Kontrast der skalierten Tonwertkurve angepasst (3, 54). Für bestimmte Anwendungen ist der Kontrast der Eingabetonwertkurve möglicherweise nicht für das Eingabebild geeignet. Beispielsweise wird für ein digitales Portalbild eine Tonwertkurve mit einem höheren Kontrast benötigt, um das Eingabebild auf das Ausgabemedium wirksam abzustimmen. Der kritische Punkt bei der Einstellung des Kontrasts einer Tonwert kurve ist die Wahl eines Stützpunktes. An diesem Stützpunkt bleibt der Kontrast unverändert. Der Stützpunkt ist als Punktepaar pp(ep, dp) definiert, wobei ep für den logarithmischen Belichtungscodewert steht und dp für den Dichtecodewert. In dieser Erfindung wird der Stützpunkt derart bestimmt, dass dp als unveränderter Dichtecodewert ausgewählt wird und dass ep der entsprechende logarithmische Belichtungscodewert ist, der sich aus der umgekehrten Tonwertkurve ergibt. Die kontrastabgestimmte Eingabetonwertkurve tsc wird wie nachstehend beschrieben erstellt. Im Falle einer Kontrastanhebung werden die Dichtecodewerte für die Punkte oberhalb von dp um einen Kontrastfaktor erhöht, während die Dichtecodewerte für die Punkte unterhalb von dp um einen Kontrastfaktor reduziert werden. Im Falle der Kontrastverringerung erfolgt eine entgegengesetzte Operation. 5a zeigt dieses Phänomen.
  • Der unveränderte Dichtecodewert kann direkt aus dem Ausgabedichtewert berechnet werden. Der unveränderte Dichtewert kann zwischen dem Minimum und dem Maximum des Ausgabemediums gewählt werden. Für einen Laserdrucker mit einer Minimaldichte von 0,21 und einer Maximaldichte von 3,5 liegt der mittlere Dichtepunkt bei ca. 1,6. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der unveränderte Dichtepunkt für die Kollimations-Tonwertkurve mit 1,6 und für die Strahlungstonwertkurve mit 1,3 gewählt. Weil der Bildbereich innerhalb des Strahlungsfeldes mit einer höheren Strahlung erfasst wird, erscheint er in dem digitalen Portalbild dunkler. Durch Auswahl des unveränderten Dichtepunktes bei niedrigerer Dichte bildet die Tonwertskala den größten Teil des Bildes innerhalb des Strahlungsfeldes auf eine niedrigere Dichte ab. Das Bild innerhalb des Strahlungsfeldes erscheint sogar heller als das Bild außerhalb des Strahlungsfeldes. 5b zeigt diese Situation.
  • 6 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Ermittlung der Empfindlichkeitspunkte für die Strahlungs- und Kollimationstonwertkurven tsc. Zunächst wird das Histogramm der Pixel innerhalb des Strahlungsfeldes berechnet, das als Strahlungshistogramm bezeichnet wird 62. Der Empfindlichkeitspunkt für die Strahlungstonwertkurve spr(er, dr) wird aus dem Spitzenwert des Strahlungshistogramms er und dem unveränderten Dichtecodewert dr ermittelt. Die skalierte und kontrastabgestimmte Eingabetonwertkurve tsc wird auf den gewählten Empfindlichkeitspunkt verschoben, um die Strahlungstonwertkurve tr auszugeben 74. Das Histogramm der Pixel außerhalb des Strahlungsfeldes, aber innerhalb des Kollimationsfeldes, wird berechnet und als Kollimationshistogramm bezeichnet 64. Der Empfindlichkeitspunkt der Kollimationstonwertkurve spc(ec, dc) wird aus dem Spitzenwert des Kollimationshistogramms ec und dem unveränderten Dichtecodewert dc bestimmt 68, 72. Die Kollimationstonwertkurve tc wird durch Verschieben der skalierten und kontrast-abgestimmten Tonwertkurve tsc auf den gewählten Empfindlichkeitspunkt spc(ec, dc) erstellt 76. 7 zeigt ein Beispiel der Strahlungstonwertkurve (durchgehende Linie) und der Kollimationstonwertkurve (Strichlinie), die mithilfe der vorliegenden Erfindung entworfen wurden.
  • 3. Kontrastverbesserung
  • 8 zeigt das Diagramm des erfindungsgemäßen Kontrastverbesserungsverfahrens. Das Eingabebild I wird mithilfe einer Tonwertskala 80 verarbeitet, bevor es durch Filter UN/2 82 geführt wird, um die Variante mit der niedrigsten Auflösung des tonwertskalierten Bildes
    Figure 00130001
    zu erstellen. Auf einem anderen Pfad tritt das Eingabebild I durch die Zerlegungsfilterbank 84, um Id zu erzeugen. Der Kontrastgewicht-Steuerungsmechanismus 86 erzeugt die gewünschten Gewichtungsfaktoren für die Ausgabe aus der Zerlegungsfilterbank Id, um Iw zu erzeugen. Das Ausgabebild wird mithilfe einer Rekonstruktionsfilterbank 88 derart rekonstruiert, das aus Iw,
    Figure 00130002
    wird. Weil die Kanteninformationen im groben Maßstab ermittelt und bei jedem Maßstab abgestimmt werden, bevor sie an die Rekonstruktionsfilterbank übergeben werden, enthält das ausgegebene, rekonstruierte Bild Icep verwendbare, verbesserte Bilddetails sowie den richtigen Dynamikumfang, um dem vorgesehenen Ausgabemedium zu entsprechen. (Die Einzelheiten dieses Instruments wurden in US-Patentanmeldung S.N. 09/824,602 vom 2. April 2001, Docket 82297/WFN, "Method for improving breast cancer diagnosis using mountain-view and contrast-enhancement presentation of mammograph", von Susan S. Young beschrieben).
  • In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel und bei Verwendung der Strahlungstonwertkurve tr ist das Ausgabebild das kontrastverbesserte Strahlungsfeldbild Icep,r. Wenn die Kollimations tonwertkurve tc verwendet wird, ist das Ausgabebild das kontrastverbesserte Kollimationsfeldbild Icep,c.
  • 4. Erzeugung des Ausgabebildes
  • 9 zeigt das Diagramm zur Kombination der Bilder Icep,r und Icep,c zur Erstellung des fertigen Ausgabebildes Icep,o. Die Kombination kann durch Software, Firmware oder Hardware mithilfe von Multiplikatoren 90, 92, 95, 96 und Addierern 94, 98 durchgeführt werden, wie in der Abbildung gezeigt. Zunächst wird das Zwischenbild I1 durch die Summe der beiden Signale Icep,r × Ir und Icep,c × (1 – Ir) erzeugt, wobei Ir das beschriftete Strahlungsfeldbild ist. Dieses Zwischenbild I1 stellt das Bild innerhalb des Strahlungsfeldes unter Verwendung des verbesserten Strahlungsfeldbildes Icep,r und das Bild außerhalb des Strahlungsfeldes unter Verwendung des verbesserten Kollimationsfeldbildes Icep,c dar. In der letzten Stufe wird das das Kollimationsfeld umgebende Schwarz durch Summenbildung von zwei Signalen vervollständigt, nämlich I1 × Ic und V × (1 – Ic), wobei Ic das beschriftete Kollimationsfeldbild ist und V ein konstanter Wert. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird für ein 12-Bit-Eingabebild für V der Wert 4095 gewählt, um die Pixel außerhalb des Kollimationsfeldes schwarz erscheinen zu lassen.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Verbesserung des Bildkontrasts digitaler Portalbilder für die Darstellung auf einem Ausgabemittel mit folgenden Schritten: Bereitstellen (10) eines digitalen Portaleingabebildes mit Strahlungs- und Kollimationsfeldern; Lokalisieren und Beschriften (12) der Strahlungs- und Kollimationsfelder zur Erstellung beschrifteter Strahlungs- und beschrifteter Kollimationsfeldbilder; Entwerfen (14) einer Tonwertkurve zur Anzeige des Bildes innerhalb des Strahlungsfeldes unter Verwendung des vollen Dynamikbereichs des Ausgabemittels; Anwenden (14) der Tonwertkurve auf das digitale Portaleingabebild zur Erstellung eines tonwertabgestuften Strahlungsfeldbildes; Entwerfen (16) einer Tonwertkurve zur Anzeige des Bildes außerhalb des Strahlungsfeldes unter Verwendung des vollen Dynamikbereichs des Ausgabemittels; Anwenden (16) der Tonwertkurve auf das digitale Portaleingabebild zur Erstellung eines tonwertabgestuften Kollimationsfeldbildes; Kombinieren (22) des tonwertabgestuften Strahlungsfeldbildes und des tonwertabgestuften Kollimationsfeldbildes unter Verwendung der beschrifteten Strahlungs- und Kollimationsfeldbilder; Schwarzumfassen (24) des Kollimationsfeldes zur Erstellung eines kontrastverbesserten Ausgabebildes, das auf dem Ausgabemittel darstellbar ist; worin der Schritt des Lokalisierens und Beschriftens der Strahlungs- und Kollimationsfelder folgendes umfasst: Bereitstellen eines digitalen Portaleingabebildes; Berechnen (36) eines Kantenanordnungsbildes; Bestimmen (38) der betreffenden Stellen der Kollimations- und Strahlungsfelder aus dem Kantenanordnungsbild; Berechnen (40) des größten verbundenen Objekts; Bestimmen (44) der Lage des Kollimationsfeldes als Lage des größten verbundenen Objekts; Berechnen (42) des zweitgrößten verbundenen Objekts; Bestimmen (46) der Lage des Kollimationsfeldes als Lage des zweitgrößten verbundenen Objekts; Beschriften (48) der Pixel innerhalb des Kollimationsfeldes zur Erstellung des beschrifteten Kollimationsfeldbildes; und Beschriften (50) der Pixel innerhalb des Strahlungsfeldes zur Erstellung des beschrifteten Strahlungsfeldbildes.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Entwerfen einer Tonwertkurve folgendes umfasst: Bereitstellen einer Eingabetonwertkurve; ausgewähltes Skalieren (52) der Eingabetonwertkurve zur Übereinstimmung mit dem Dynamikbereich des Ausgabemittels zur Erstellung der skalierten Tonwertkurve; Abstimmen (54) des Kontrasts der skalierten Eingabetonwertskala zur Erstellung der skalierten und kontrastabgestimmten Tonwertkurve; Bestimmen (56) des Empfindlichkeitspunktes; Bestimmen (58) des Ausgangspunktes; und Verschieben (60) der skalierten und kontrastabgestimmten Tonwertkurve von dem Ausgangspunkt zum Empfindlichkeitspunkt zur Erstellung der Tonwertausgabekurve.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, worin das Bestimmen des Empfindlichkeitspunkts folgendes umfasst: Berechnen (62) des Histogramms der Pixel innerhalb des Strahlungsfeldes; Bestimmen (66) von er aus dem Spitzenwert des Strahlungshistogramms; Bestimmen (70) von dr aus dem unveränderten Dichtepunkt; Ausgeben des Empfindlichkeitspunkts spr(er, dr) der Strahlungstonwertkurve; Berechnen (64) des Histogramms der Pixel außerhalb des Strahlungsfeldes aber innerhalb des Kollimationsfeldes; Bestimmen (68) von ec aus dem Spitzenwert des Kollimationshistogramms; Bestimmen (72) von dc aus dem unveränderten Dichtepunkt; und Ausgeben des Empfindlichkeitspunkts spc(ec, dc) der Kollimationstonwertkurve.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Kombinationsschritt folgende Schritte umfasst: Verbessern des Bildkontrasts des tonwertabgestuften Strahlungsfeldbildes und des tonwertabgestuften Kollimationsfeldbildes; und Kombinieren der verbesserten Bilder mithilfe der beschrifteten Strahlungs- und Kollimationsfeldbilder.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, worin das Verbessern des Bildkontrasts folgendes umfasst: Anwenden der Tonwertkurve auf das Portaleingabebild zur Erstellung eines tonwertabgestuften Bildes; Anwenden einer Zerlegungsfilterbank auf das Portaleingabebild; Anwenden einer Zerlegungsfilterbank auf das tonwertabgestufte Bild; Erzeugen von Kontrastgewichtungs-Steuersignalen aus dem digitalen Portaleingabebild durch Extrahieren der hohen Kontrastkantensignale an der Grobskala; Abstimmen der Zerlegungsausgaben aus dem Eingabebild gemäß den Kontrastgewichtungs-Steuersignalen; und Anwenden einer Rekonstruktionsfilterbank auf die abgestimmten Signale und die tonwertabgestuften Signale zur Erstellung eines kontrastverbesserten Ausgabebildes.
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