CN111353962A - 用于减少伪影的方法、x射线设备和电子可读数据载体 - Google Patents
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Abstract
一种用于减少重建的三维图像数据组中的条纹伪影的方法，其中图像数据组具有与图像点相关联的图像值并且示出了具有通过图像值区间内的图像值映射的至少一个软组织区域的患者的拍摄区域，步骤是：通过将非线性低通滤波器应用于满足选择条件的图像点确定第一中间数据组，其中选择条件在图像点的图像值位于图像值区间内时选择该图像点；通过从图像数据组中逐图像点地减去第一中间数据组确定第二中间数据组；对第二中间数据组进行傅立叶变换以获得空间频率数据组；去除空间频率数据组中与伪影相关联的频率部分，对处理后的空间频率数据组进行傅立叶逆变换以获得第三中间数据组；通过将第三中间数据组与第一中间数据组相加确定伪影减少的结果数据组。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于减少根据X射线设备的投影图像重建的三维图像数据组中的条纹伪影的方法，其中图像数据组具有与图像点相关联的图像值，并且示出了具有至少一个软组织区域的患者的拍摄区域，所述软组织区域通过图像值区间内的图像值映射。此外，本发明还涉及一种X射线设备、一种计算机程序和一种电子可读数据载体。
背景技术
根据以不同拍摄几何、尤其是以不同投影角度拍摄的投影图像来重建三维图像数据组在医学X射线成像中是一种经常使用的技术，以获得高精度的、特别是适用于诊断的关于患者体内的信息。在此，为了确定三维图像数据组可以使用特别设置的计算机断层成像设备，然而其中，越来越多地使用其他X射线设备来拍摄三维图像数据组，例如在具有C形臂的X射线设备的情况下，在C形臂上相对地布置有X射线发射器和X射线探测器。这种类型的C形臂X射线设备(特别地，有时也可以将其设计为血管造影设备)也可以在外科手术、特别是微创手术的框架中进行使用，和/或当计算机断层成像设备由于不同的原因无法进行使用时。
在评估患者的重建的三维图像数据组时的问题在于所谓的条纹伪影。如果在重建的三维图像数据组中出现条纹伪影，则可靠地识别低对比度的细节，例如出血、肿瘤和/或梗塞区域可能对于诊断人员来说是有问题的。这尤其适用于在使用具有C形臂的X射线设备的情况下的锥形束计算机断层成像，因为特别是由于在外科手术的框架中规定的这种系统的用途，不存在对三维成像的实际优化，特别是关于患者安置，其例如可以包括床垫。此外，除了干预之外，然而特别是在相同的环境中，在拍摄区域中还可能存在患者外部的对象、例如电缆等，这与关于X射线设备的其他设计方案的缺陷一样也可能导致条纹伪影。此外，如果由于三维获取可能性不是最佳而使得投影图像的测量的投影角度的间距相对较大，例如如果必须为了减少拍摄时间而接受妥协，则也会形成条纹伪影。
在此，条纹伪影在通常表现为高频出现的、升高或降低的图像值的交替区域。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提出一种用于减少医学三维图像数据组的重要区域中的伪影、特别是条纹伪影的可能性。
该技术问题通过根据本发明的方法、X射线设备、计算机程序和电子可读数据载体来解决。本发明还给出了有利的设计方案。
根据本发明的开头所述类型的方法具有以下步骤：
-通过将非线性低通滤波器应用于满足对图像值进行评价的选择条件的图像点来确定第一中间数据组，其中选择条件在图像点的图像值位于图像值区间内时选择该图像点，
-通过从图像数据组中逐图像点地减去第一中间数据组来确定非线性高通滤波的第二中间数据组，
-对第二中间数据组进行傅立叶变换以获得空间频率数据组，
-去除空间频率数据组中与伪影相关联的频率部分，并且对处理后的空间频率数据组进行傅立叶逆变换以获得第三中间数据组，
-通过将第三中间数据组与第一中间数据组相加来确定伪影减少的结果数据组。
因此，本发明的思路在于，仅在图像数据组的示出软组织(soft tissue)的部分中通过巧妙的非线性滤波来确定第二中间数据组，该第二中间数据组包含条纹伪影、但不包含或仅包含极少份额的高对比度对象，对于第二中间数据组可以辨认出在频率空间中关于条纹伪影的份额，并且相应地可以进行去除，而在此也不会无意中去除重要的图像信息。换言之，有针对性地确定第二中间数据组，使得其基本上仅描述量子噪声和结构噪声、具体地因此描述图像数据组的软组织部分中的条纹，而在其之外的其他对象或材料类别没有或仅有很小的影响。以这种方式可以明显地抑制条纹伪影，而不会使空间分辨率变差和/或去除重要的图像信息、特别是对于诊断重要的部分和/或影响显示高对比度对象中和/或显示其他材料类别的区域中的图像质量。
在此，低通滤波器的非线性(以及因此也隐含地针对第二中间数据组构成的高通滤波器的非线性)非常重要，因为以这种方式，较强的边缘、尤其是延伸到其他材料类别(主要是高对比度对象)的边缘不受根据本发明的用于减少伪影的方法的影响。在本发明的具体的设计方案中例如可以规定，对于低通滤波，在所使用的滤波器掩模内位于所观察的图像点周围的图像点依据位于所观察的图像点周围的图像点的图像值与所观察的图像点的图像值的差进行评价，其中特别是偏差较大的图像值会导致较弱的加权，并且滤波过程依据评价进行；和/或作为低通滤波器使用双边滤波器和/或加权中值滤波器。这是基于以下知识：在条纹伪影的情况下，在软组织区域内通常没有非常强的对比度差，因为也可以将其伪影理解为结构噪声效果。在任何情况下，相对于其他结构、特别是诸如骨骼等的高对比度对象，图像值差更明显。如果相对于位于滤波器掩模内的另外的图像点的图像值差太大，则可以进行低的加权或者完全被实际的滤波过程排除。所提到的两个示例、即双边滤波器和加权中值滤波器总是使用这种类型的评估机制并且相应地进行参数化。
也就是，具体地在滤波器应用的非线性的框架内执行强度加权，该强度加权会惩罚相对于相邻值的过大的图像值差，例如明显超过主要由噪声给出的标准差的图像值差导致在低通滤波中不考虑相应的图像值或者导致显著减小的加权。以这种方式实现了：不会使包含软组织的体素变差，例如通过也由所使用的滤波器掩模采集的附近的毗邻的其他结构。由此避免了在得到的第二中间数据组中映射相对于这些其他结构的边缘，并且避免了可能受到针对条纹伪影的校正过程的影响。
在有利的扩展中，本发明还可以规定，特别是作为附加的选择条件，检测各个偏差的图像点，这些图像点位于图像值在图像值区间中的区域内，而这些图像点的图像值却位于图像值区间外部，并且同样地对各个偏差的图像点进行滤波。以这种方式可以实现一种针对各个偏差的体素的非特征点检测(Ausreiβerdetektion)，还可以将各个偏差的体素馈送给滤波。
在此，在这点上还要注意，第一中间数据组尽管如此却还包含未滤波的图像点和图像值，从而在从图像数据组中减去时去除了这些未滤波的图像点和图像值以确定第二中间数据组，因此如所解释的，第二中间数据组仅包含由低通滤波器产生的差，即结构噪声(条纹伪影)和量子噪声以及可能仍然存在的软组织的结构，从而在任何情况下都不影响位于软组织区域外部的图像内容。
在用于去除空间频率数据组中与伪影相关联的频率部分的具体的设计方案中，本发明规定，通过构建阈值来去除空间频率数据组中的伪影部分，其中去除空间频率数据组中的超过阈值的频率部分。这意味着，根据阈值在空间频率数据组内对指示明显高频的伪影结构的尖峰进行检测以及“削去”。也就是，尤其可以规定，高于阈值的所有空间频率数据通过阈值进行替换和/或“削去”尖峰值，即例如施加通常的噪声。该过程主要基于以下知识：实际存在的重要的图像信息、例如病变在软组织区域中通常是低频的，从而不会在空间频率数据组中产生对应于噪声功率谱(Noise-Power-Spektrum)的尖峰。但是，典型的条纹伪影形成了可以容易地确定和检测的、清晰的尖峰。例如，在将患者安置在床垫上的情况下，在空间频率数据组中示出了特别清晰的尖峰和在此形成的条纹伪影。
在此，优选地依据由空间频率数据组描述的频谱来进行阈值的确定。由此，例如可以规定，根据空间频率数据组来确定阈值，特别是确定为空间频率值的平均值的倍数、例如五倍至十五倍。也就是，最终根据频谱本身来定义阈值，例如定义为空间频率数据组的空间频率值的平均值的十倍。一般而言，必要时根据经验选择阈值，使得虽然可靠地消除了或至少显著地减少了伪影，但是不会无意中去除实际上存在的、特别是对于诊断重要的图像信息。
在本发明的特别有利的扩展中可以规定，图像数据组作为截面图像或层图像呈现，其中针对截面图像或层图像的至少一部分连续地进行对结果数据组的所属的结果图像的确定。对各个截面图像或层图像的这种观察为其带来了多个优点。一方面，在此描述的伪影减少可以减少至实际上确定了条纹伪影的截面图像或层图像，从而以这种方式已经可以实现对所需计算开销的减少。例如，在这种情况下可以想到，经由用户接口、例如X射线设备的输入装置来接受用户输入，该用户输入描述了待处理的截面图像或层图像。
对二维子数据组、即截面图像或层图像进行观察的另外的优点在于，观察了较小部分的图像值，因此减少了伪影效果相互抵消的概率。最后，作为对从相应的截面图像或层图像导出的二维的第二中间数据组的傅里叶变换可以使用二维傅里叶变换。相比于3D傅立叶变换，可以明显更快地并且以明显更少的计算开销执行2D傅立叶变换。
应当注意，在使用截面图像或层图像作为图像数据组的子数据组的情况下，当然原则上也可以在三个维度上进行低通滤波，即以三维的滤波器掩模进行低通滤波，因为已知也垂直于截面图像平面或层图像平面的相邻体素。然而，对于仅二维地在截面图像平面或层图像平面中执行的非线性低通滤波也达到了优异的结果。
为了减少量子噪声，附加地还可以利用另外的滤波器、特别是双边滤波器来对结果数据组进行滤波。在根据上述步骤减少条纹伪影之后，在根据本发明的框架下还可以争取进一步抑制量子噪声，例如通过应用相应参数化的双边滤波器，其中在此还适宜地不降低空间分辨率。
除了该方法之外，本发明还涉及一种X射线设备，该X射线设备具有设计用于执行根据本发明的方法的控制装置。关于根据本发明的方法的所有实施都可以类似地转用到根据本发明的X射线设备，因此利用根据本发明的X射线设备同样可以获得已经提到的优点。特别有利地，X射线设备是具有C形臂的X射线设备，在C形臂上相对地布置有X射线探测器和X射线发射器。特别有利地，特别是当移动地设计C形臂X射线设备时，可以更灵活地使用这种C形臂X射线设备，例如关于监视外科手术、尤其是微创手术，但是通常没有针对三维成像进行优化，从而可能出现条纹伪影，但是该条纹伪影借助本发明可以容易地减少，从而形成显著改善的图像质量。
控制装置可以具有至少一个处理器和存储部件。为了执行根据本发明的方法，除了如原则上已知地设置控制单元之外，在控制装置中还具有用于确定第一中间数据组的滤波器单元、用于确定第二中间数据组的减法单元、用于执行傅立叶变换的变换单元、用于去除空间频率数据组中与伪影相关联的频率部分的伪影减少单元以及用于确定伪影减少的结果数据组的确定单元。在此提到的全部或部分的功能单元可以作为图像处理器实现。
结果数据组可以经由例如包括相应的输出接口的输出单元进行输出。在此，例如可以在X射线设备的显示装置上进行对结果数据组的显示。当然，还可以存储结果数据组以供以后使用。
根据本发明的计算机程序例如可以直接加载到计算装置的存储器中、特别是X射线设备的控制装置的存储器中，并且具有程序部件，以便当在计算装置中执行计算机程序时，执行根据本发明的方法的步骤。计算机程序可以存储在根据本发明的电子可读数据载体上，根据本发明的电子可读数据载体因此包括在其上存储的电子可读控制信息，该电子可读控制信息包括至少一个根据本发明的计算机程序，并且将该电子可读控制信息设计为，在使用计算装置中、特别是X射线设备的控制装置中的数据载体时，该电子可读控制信息执行根据本发明的方法。数据载体优选地是非瞬态数据载体、特别是CD-ROM。
附图说明
根据下面描述的实施例并且参考附图得到本发明的其他优点和细节。附图中：
图1示出了根据本发明的方法的实施例的流程图，
图2示出了图像数据组的示意图，
图3示出了用于去除频率部分的概略图，
图4示出了结果数据组的示意图，
图5示出了根据本发明的X射线设备，和
图6示出了X射线设备的控制装置的功能结构。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的方法的实施例的流程图，其中在此要利用三维X射线成像来检查患者的头部、具体地检查作为软部分区域(软组织区域)的患者大脑，必要时在施用造影剂的情况下进行检查。为此，借助具有C形臂的X射线设备、例如血管造影设备，从不同的投影角度来拍摄作为拍摄区域的头部的投影图像，然后利用已知的方法根据二维投影图像来重建拍摄区域的三维图像数据组1，该三维图像数据组1构成了所描述的方法的起点。在此，原则上已知，图像数据组1中的软组织区域通常以哪些图像值(在此为HU值)映射。这些图像值由预先给定的图像值区间来描述。
图2示出了关于这种三维图像数据组1的内容的示意性概略图，概略图在此示例性示出了二维截面图像2。在此，包括大脑的软组织区域3由颅骨的骨骼区域4以及另外的高对比度的骨骼结构5和空气区域6包围。此外，以位于图像值区间外部的图像值示出的其他结构或对象还可以包括医学器械、造影剂等。
如从图2中可以看到的，在软组织区域3中存在高频的条纹伪影7，高频的条纹伪影例如可能由安置患者的床垫产生。尽管条纹伪影7关于其图像值并没有严重偏离其余的软组织区域3，但是条纹伪影却在寻找对于诊断重要的低对比度的细节时产生了干扰。图1中所示的根据本发明的方法的实施例致力于最大程度地去除这种条纹伪影7。在此，在步骤S1中，首先将非线性低通滤波器应用于图像数据组1，但仅应用于图像值位于预定义的图像值区间中的图像点，即仅应用于软组织区域3。在此，非线性低通滤波器是双边滤波器或加权中值滤波器，其中在滤波器掩模内对其图像值偏差过大的图像点(在此为体素)进行明显较小的加权或者在滤波时将其完全去掉，使得所进行的低通滤波因此不会作用于将软组织区域3相对于较高对比度的区域进行界定的边缘，而是仅作用于位于结构噪声和量子噪声的正常区域中的结构、例如条纹伪影7。这意味着，当检查图像点的图像值是否位于图像值区间内的选择条件遇到软组织区域3的边缘点时，位于软组织区域3外部的、其图像值严重偏差的图像点对滤波器结果没有贡献或仅有很小的贡献。在此，在这点上还要注意，附加的选择标准还可以处理软组织区域3内的个别的非特征点(Ausreiβer)，非特征点的图像值单独地位于图像值区间外部。
步骤S1的结果是第一中间数据组8，在该第一中间数据组中已经将非线性低通滤波器应用于软组织区域3内部的结构，但是不影响图像数据组1中的其他结构，特别是骨骼区域4、5、空气区域6、造影剂区域、医学设备的区域等。
在步骤S2中，从图像数据组1中减去第一中间数据组8，以获得第二中间数据组9，第二中间数据组因此在软组织区域3内是非线性高通滤波的并且仅包含这些结构，因此不包含骨头，空气等。
在步骤S3中对第二中间数据组9进行傅立叶变换，以获得频率空间数据组10，其最终反映第二中间数据组9的空间频谱。在图3中示意性示出这种频谱11。在该频谱11中，条纹伪影7以及可能的其他伪影结构作为可清楚看到的尖峰12示出，这些尖峰明显突出超过其他结构的频率部分。通过分析频谱11、即空间频率数据组10，可以对阈值13进行定义，例如定义为空间频率数据组10的空间频率值的平均值的十倍，其中可以检测突出超过阈值13的尖峰12作为与伪影结构相关联的频率部分。
这在步骤S4中被利用，以去除尖峰12的相应的频率部分，从而“削去”尖峰12，其中例如可以想到，在那里将空间频率值设置到阈值13，或者甚至完全降低到一般的噪声水平，如这例如通过图3中的虚线14表示的那样。
在步骤S4中还对由此清洁的空间频率数据组10进行傅里叶逆变换，以获得第三中间数据组15，在该第三中间数据组中去除了条纹伪影7或至少明显减少了条纹伪影7。
由此，通过将第三中间数据组15加到第一中间数据组8的步骤S5可以获得伪影减少的结果数据组16。
如图4中给出的，从伪影减少的结果数据组16的示意图(再次以截面图像17的形式，作为结果图像)中不再能看到条纹伪影7。
关于图1中的实施例还应注意，在那里描述的方法优选地连续地针对图像数据组1的二维子数据组、也就是尤其是截面图像2或层图像进行，这意味着，始终仅对一个二维截面图像2或层图像进行滤波、变换，并且获得一个结果图像、例如截面图像17作为结果数据组16的一部分。这在如下方面是特别有利的，即，例如在用户侧的选择之后，实际上仅须对实际上还显示相关条纹伪影7的图像数据组1的截面图像或层图像进行处理，其中此外由于能够比三维傅立叶变换更容易地执行二维傅立叶变换，还可以节省计算开销和计算时间。
例如可以对结果数据组16进行显示，特别是在X射线设备的显示装置上进行显示；和/或存储在内部或外部存储部件中，例如传输到另外的外部计算装置。
图5示出了根据本发明的X射线设备18的实施例，X射线设备在此具有C形臂19，在C形臂19上相对地布置有X射线发射器20和X射线探测器21。支架22被设计为可移动的，从而可以实现将X射线设备18应用在例如被设计为手术台的患者台23处。基于C形臂19的可移动性，可以从不同的投影方向拍摄投影图像。
X射线设备18的运行由控制装置24进行控制，控制装置也被设计为用于执行根据本发明的方法。可以使用显示装置25、例如监视器来显示结果数据组16；此外，还可以设置输入装置26，通过输入装置26例如可以选择图像数据组1的子数据组、特别是各个截面图像2，以按照根据本发明的方法进行伪影校正。
图6更准确地示出了控制装置24的功能结构。如原则上已知的，该控制装置首先具有拍摄单元27，拍摄单元对X射线设备18的拍摄运行进行控制，尤其还对投影图像的拍摄进行控制，由此，在按照现有技术充分已知的重建单元28中还可以重建三维图像数据组1。
为了执行根据本发明的方法，控制装置24还具有用于执行步骤S1的滤波器单元29、用于执行步骤S2的减法单元30、用于在步骤S3和S4中执行傅立叶变换的变换单元31、用于在步骤S4中去除与伪影相关联的频率部分的伪影减小单元32以及用于执行步骤S5的确定单元33。在此，功能单元29、30、32和33尤其可以是图像处理器。此外，控制装置24还可以具有输出单元34，特别地，输出单元由输出接口构成或包括输出接口。
虽然在细节上通过优选的实施例对本发明进行了详细的阐述和描述，但是本发明却不限于所公开的示例并且本领域技术人员可以从中导出其它变形方案，而不脱离本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于减少根据X射线设备(18)的投影图像重建的三维图像数据组(1)中的条纹伪影(7)的方法，其中所述图像数据组(1)具有与图像点相关联的图像值并且示出了具有至少一个软组织区域(3)的患者的拍摄区域，所述软组织区域通过图像值区间内的图像值映射，其特征在于以下步骤：
-通过将非线性低通滤波器应用于满足对图像值进行评价的选择条件的图像点来确定第一中间数据组(8)，其中所述选择条件在图像点的图像值位于图像值区间内时选择所述图像点，
-通过从所述图像数据组(1)中逐图像点地减去所述第一中间数据组(8)来确定非线性高通滤波的第二中间数据组(9)，
-对所述第二中间数据组(9)进行傅立叶变换以获得空间频率数据组(10)，
-去除所述空间频率数据组(10)中与伪影相关联的频率部分，并且对处理后的空间频率数据组(10)进行傅立叶逆变换以获得第三中间数据组(15)，
-通过将所述第三中间数据组(15)与所述第一中间数据组(8)相加来确定伪影减少的结果数据组(16)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于低通滤波，在所使用的滤波器掩模内位于所观察的图像点周围的图像点依据位于所观察的图像点周围的图像点的图像值与所观察的图像点的图像值的差进行评价，其中特别是偏差较大的图像值会导致较弱的加权，并且滤波过程依据评价进行；和/或作为低通滤波器使用双边滤波器和/或加权中值滤波器。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过构建阈值来去除所述空间频率数据组(10)中的伪影部分，其中去除所述空间频率数据组(10)中的超过阈值(13)的频率部分。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述空间频率数据组(10)来确定所述阈值(13)，特别是确定为空间频率值的平均值的倍数、特别是两倍至十五倍。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述图像数据组(1)作为截面图像(2)或层图像呈现，其中针对截面图像(2)或层图像的至少一部分，连续地进行对所述结果数据组(16)的所属的结果图像(17)的确定。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了减少量子噪声，总体上利用另外的滤波器、特别是双边滤波器来对所述结果数据组(16)进行滤波。
7.一种X射线设备(18)，其具有设计用于执行根据上述权利要求中任一项所述的方法的控制装置(24)。
8.一种计算机程序，当在计算装置上执行所述计算机程序时，所述计算机程序执行根据权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。
9.一种电子可读数据载体，在其上存储有根据权利要求8所述的计算机程序。
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