DE10106907C2 - Röntgendiagnostikeinrichtung mit Mitteln und Verfahren zur Korrektur von Kometenartefakten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgendiagnostikeinrichtung mit einem Röntgengerät zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, einem Röntgendetektor zur Erfassung der Röntgenstrahlung und Um­ wandlung in eine elektrische Signalfolge, einem Bildsystem zur Verarbeitung der elektrischen Signalfolge und einer Wie­ dergabevorrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Röntgendiagnostikeinrichtung zur Erzeugung von Röntgenbildern mittels eines Röntgengerätes, zur Verarbeitung der Röntgen­ bilder durch eine Recheneinheit und zur Darstellung der Rönt­ genbilder mittels einer Wiedergabevorrichtung.

In der Fig. 1 ist eine aus der DE 195 27 148 C1 bekannte Röntgendiagnostikeinrichtung mit einem ersten Stativ 1, an dem höhenverstellbar ein Röntgenstrahler 2 angebracht ist, der eine kegelförmige Röntgenstrahlung 3 erzeugt, und einem zweiten Stativ 4, an dem ein Röntgendetektor 5 derart befes­ tigt ist, dass er in seiner Höhe auf den Röntgenstrahler 2 ausgerichtet ist, dass die Röntgenstrahlung 3 auf den Rönt­ gendetektor 5 fällt. Das Ausgangssignal des Röntgendetektors 5 wird einem Bildrechner oder Bildsystem 6 zugeführt. Das Bildsystem 6 kann Rechner, Wandler, Bildspeicher und Verar­ beitungsschaltungen aufweisen. Es ist zur Wiedergabe der er­ fassten Röntgenbilder mit einem Kontrollmonitor 7 verbunden. Ein Hochspannungsgenerator 8 versorgt die Röntgenröhre des Röntgenstrahlers 2 mit Hoch- und Heizspannung. Das Bildsystem 6 ist über Steuer- und Datenleitungen 9 mit den übrigen Kom­ ponenten der Röntgendiagnostikeinrichtung verbunden.

In der Fig. 2 ist der Röntgendetektor 5 im perspektivischem Querschnitt dargestellt. Die Kernkomponente des Röntgendetek­ tors 5 besteht aus einer Festkörper-Pixelmatrix, Zeilentrei­ bern und Verstärkern. Die Festkörper-Pixelmatrix besteht z. B. aus einer Schicht mit einem Szintillator 11, beispielsweise bestehend aus Caesiumjodid (CsI), welche bei Bestrahlung durch die Röntgenstrahlung 3 sichtbare Photonen in eine Pi­ xelmatrix 12 aus amorphem Silizium einspeist, die ein sicht­ bares Röntgenbild ergeben. Jeder der Pixel oder Bildpunkte dieser Pixelmatrix 12 besteht, wie in Fig. 2 vergrößert dar­ gestellt ist, aus einer Photodiode 13 und einem Schalter 14, der mit Zeilen- 15 und Spaltenleitungen 16 verbunden ist. Die Pixelmatrix 12 ist auf einem Glassubstrat 10 aufgetragen.

Es werden jeweils alle Pixel einer Zeile gleichzeitig von den Zeilentreibern 17 adressiert und ausgelesen. Ein Bild wird im einfachsten Fall Zeile für Zeile progressiv ausgelesen. Die Signale werden einer Verarbeitungsschaltung 18 zugeführt, in der die Signale in einer Vielzahl von Verstärkern parallel verarbeitet, von Multiplexern zusammengeführt und in einem Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) in ein digitales Aus­ gangssignal zur weiteren digitalen Verarbeitung umgewandelt werden.

Durch diese, seit einigen Jahren entwickelte Festkörperdetek­ toren (FD) für die Röntgenbildgebung, die auf aktive Auslese­ matrizen, beispielsweise aus amorphem Silizium (a-Si) basie­ ren, wird die Bildinformation in einem Röntgenkonverter, bei­ spielsweise Cäsium Jodid (CsI), gewandelt, in den Photodioden der Matrix als elektrische Ladung gespeichert und anschlie­ ßend über ein aktives Schaltelement mit einer dedizierten E­ lektronik ausgelesen und analog-digital gewandelt.

Verwandte Technologien verwenden ebenfalls eine aktive Ausle­ sematrix aus amorphem Silizium, aber einen Konverter (bei­ spielsweise Selen) der direkt elektrische Ladungen generiert, die dann auf einer Elektrode gespeichert werden. Die gespei­ cherten Ladungen werden anschließend über aktive Schaltele­ mente mit einer dedizierten Elektronik ausgelesen und analog- digital gewandelt und vom Bildsystem weiterverarbeitet.

Ein einzelnes Bildelement (Pixel) repräsentiert die lokale Röntgenintensität und trägt damit zum Gesamtbild bei. Einzel­ ne Pixel oder auch Anhäufungen von Pixeln, beispielsweise Zeilen, Spalten oder Cluster, können aus verschiedenen Grün­ den keine oder eine fehlerhafte Bildinformation tragen, die nicht die lokale Röntgenverteilung repräsentiert.

Im allgemeinen sind die einzelnen Pixel unabhängig von einan­ der, so dass während des Ausleseprozesses das in einem Pixel gespeicherte Signal keinen Einfluss auf die Signale der Nach­ barpixel hat. Unter bestimmten Voraussetzungen kann es jedoch dazu kommen, dass das Signal eines Pixel oder die Signale ei­ ner Anhäufung von Pixeln die Signale der Nachbarpixel während des Ausleseprozesses beeinflusst und damit am Ende des Ausle­ seprozesses fehlerhafte Signale geliefert werden. Diese Sig­ nale sind nicht mehr direkt repräsentativ für die am jeweili­ gen Pixel angefallene Röntgenintensität.

In der Fig. 3 ist eine solche Konfiguration schematisch dar­ gestellt. Eine defekte Spalte 19, bei der kein Signal vorhan­ den ist, führt zu einer Signalstörung in den danebenliegenden Spalten über eine gewisse Länge. Je größer der Abstand der Spalten von der defekten Spalte 19 ist, desto geringer wird die Störung - sowohl in Länge als auch in der Amplitude der Signalstörung. Wegen der Form der Signalstörung wird sie als "Komet" 20 bezeichnet. Die Störung durch die Kometenartefak­ ten entsteht durch elektrisches Übersprechen des Signal in der defekten Spalte 19. Neben defekter Spalte 19 und dem Ko­ meten 20 sind auch einzelne defekte Pixel zu sehen.

In Fig. 5 ist eine Aufnahme eines Phantoms 22 dargestellt, in der mehrere derartige Kometen-Störungen 23 auftreten. Da­ bei handelt es sich um ein neues Phänomen, das in Zusammen­ hang mit dem elektrischen Ausleseprozess von Ladungen auf­ tritt, die in Festkörperdetektoren erzeugt werden. Da der ge­ störte Bereich bei einem Kometen 23 typischerweise derart großflächig ist, dass er mit üblichen Korrekturmöglichkeiten nicht korrigiert werden konnte, ließen sich Detektoren mit dieser Bildstörung nicht im medizinisch diagnostischen Be­ reich einsetzen. Eine Korrektur durch Interpolation mit Hilfe benachbarter ungestörter Pixel außerhalb des Kometen 23 ist wegen der großflächigen Störung nicht möglich, da solch eine Korrektur keine Detailinformation erhält. Detektoren bei de­ nen während des Produktionsprozesses oder aber während des Einsatzes im Feld Kometen entstehen, müssen daher verworfen werden.

In der WO 00/51341 A1 ist ein Verfahren zur Detektion defek­ ter Pixel eines Bildsensors beschrieben, bei dem die Orte de­ fekter Sensorelemente in einer Karte markiert werden, die auf einem als digitales Bildsystem fungierenden, von der Kamera abgesetzten Host-Rechner gespeichert wird.

Aus der DE 33 18 765 A1 ist eine Signalverarbeitungsschaltung für eine Fernsehkamera mit einem Matrixbilddetektor bekannt, die es ermöglicht, dauerhafte lokalisierte Fehlstellen des Sensors in der Weise zu eliminieren, dass anstelle eines feh­ lerhaften Punktes das von dem vorausgehenden Punkt abgeleite­ te Signal verwendet wird. Die Adressen fehlerhafter Spalten können abgespeichert werden, ohne dass die Adressen aller Punkte dieser Spalte gespeichert werden müssen.

Die DE 198 60 036 C1 betrifft ein Verfahren zum Reduzieren von spalten- und zeilenkorreliertem Rauschen bei einem digi­ talen Bildsensor mit einer Festkörper-Pixelmatrix, mit dem ohne Dunkelreferenzzone das Zeilenrauschen über die Zeile be­ liebig korrigiert werden kann sowie in Spaltenrichtung auch bisher nicht korrigierbares Streifenrauschen und Streifenar­ tefakte bearbeitet werden können.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine Röntgendiagnos­ tikeinrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Röntgen­ diagnostikeinrichtung derart auszubilden, dass eine Korrektur von Kometenartefakten erfolgt, so dass auch derart defekte Detektoren sich in der Medizintechnik verwenden lassen.

Die Aufgabe wird bei einer Röntgendiagnostikeinrichtung er­ findungsgemäß dadurch gelöst, dass das Bildsystem eine Vor­ richtung zur Korrektur von Kometenartefakten mit einer Aus­ wertevorrichtung aufweist, an der ein Sollwert-Estimator und ein Detail-Estimator angeschlossen sind, die an den Störstel­ len aus der elektrischen Signalfolge einen Sollwert und einen Detailwert ermitteln, und dass die Ausgangssignale der Esti­ matoren einer Korrekturstufe zugeführt werden, die die Signa­ le zusammensetzt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrun­ de, dass das gestörte Signal eine Restinformation enthält, so dass die ursprüngliche Signalinformation durch die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung restauriert werden kann.

Erfindungsgemäß kann der Sollwert-Estimator eine Interpolati­ onsstufe sein. In vorteilhafter Weise kann der Detail-Esti­ mator ein Hochpassfilter sein, das beispielsweise ein Tief­ passfilter und eine Subtraktionsstufe aufweist.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren erfindungsgemäß durch folgende Schritte gelöst:

• 1. i Durchführung einer geometrischen Analyse der Kometenarte­ fakten,
• 2. ii Ermitteln eines geschätzten Sollwertes aus dem Original­ signal unter Zuhilfenahme des Analyseergebnisses,
• 3. iii Ermitteln eines geschätzten Detailsignals aus dem Origi­ nalsignal unter Zuhilfenahme des Analyseergebnisses,
• 4. iv Korrektur aufgrund des geschätzten Sollwertes und des ge­ schätzten Detailsignals.

Mit dem hier beschriebenen Verfahren wird die Restinformation des Signals in dem durch den Kometen definierten Bildbereich verwendet und das Signal restauriert. Dadurch bleibt die dia­ gnostisch relevante Information in dem gestörten Bildbereich erhalten. Die Möglichkeit, Detektoren mit Kometen im Feld einzusetzen bedeutet daher einen erheblichen Vorteil.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Schritt i) ei­ ne allgemeine Identifikation des Kometen in einer Karte um­ fasst.

Erfindungsgemäß kann der Sollwert durch Interpolation aus un­ beschädigten Signalwerten außerhalb des Kometen geschätzt werden.

In vorteilhafter Weise kann das Detailsignal durch Tiefpass­ filterung des Originalsignals in die Vorzugsrichtung des Ko­ meten, in der die Störung verläuft, und der Subtraktion des tiefpassgefilterten Originalsignals vom Originalsignal gebil­ det werden.

Die Korrektur kann durch Addition des geschätzten Sollwertes und des geschätzten Detailsignals erfolgen.

Erfindungsgemäß kann die geometrische Analyse online oder im Rahmen einer Kalibrierung offline durchgeführt werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine bekannte Röntgendiagnostikeinrichtung mit ei­ nem Röntgendetektor,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines bekannten Rönt­ gendetektors,

Fig. 3 schematische Darstellung eines Teils der Bildmatrix mit einer defekten Spalte und mit Störungen in den benachbarten Spalten unterhalb einer bestimmten Stelle,

Fig. 4 eine aus der in Fig. 3 dargestellten defekte Bild­ matrix exarahierte Kometen-Map,

Fig. 5 unkorrigiertes Bild mit Kometen-Störungen,

Fig. 6 Bild gemäß Fig. 5 nach der Korrektur,

Fig. 7 eine erfindungsgemäße Korrekturvorrichtung und

Fig. 8 Übersicht über die Struktur des erfindungsgemäßen Kompensationsverfahrens.

Das Bildsystem 6 der Röntgendiagnostikeinrichtung gemäß Fig. 1 weist eine Analyseeinheit 24 auf, der das Originalsignal zugeführt wird. Die Analyseeinheit 24 ermittelt die gestörten Stellen im Röntgenbild, an denen eine Kometenstörung vor­ liegt. Die Orte werden als sogenannte Kometen-Map in einem Speicher 25 abgelegt. An dem Speicher 25 ist eine Interpola­ tionsstufe 26 angeschlossen, der auch das Originalsignal zu­ geführt wird. Der Speicher 25 ist weiterhin mit einem Tief­ passfilter 27 für das Originalsignal verbunden. Durch die Bildung der Differenz des Originalsignals mit dem gefilterten Signal des Tiefpassfilters 27 in einer Subtraktionsstufe 28 erhält man aus dem zu korrigierenden Originalsignal ein an den gestörten Stellen hochpassgefiltertes Detailsignal, das in einer Additionsstufe 29 mit dem Ausgangssignal der Inter­ polationsstufe 26 gemischt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kometen-Korrektur wird nachfolgend anhand der Fig. 8 näher erläutert. Das Original­ signal 30 wird einer geometrischen Analyse 31 unterworfen, aufgrund derer die gestörten Stellen im Bild ermittelt wer­ den. Dies kann online oder offline erfolgen. Im letzteren Fall ist die Analyse beispielsweise Bestandteil der Kalibrie­ rung. Beide Möglichkeiten liefern eine Karte (Map) 32, in der die gestörten Pixel identifiziert sind. Diese sogenannte Ko­ meten-Map 21 ist in Fig. 4 dargestellt. Nur an diesen Pixeln wird eine Kompensation durchgeführt. Alle anderen Pixel blei­ ben unverändert.

Des weiteren besteht das Verfahren aus einem Sollwert-Esti­ mator 33, der für ein gestörtes Pixel einen Schätzwert für die Korrektur liefert. Ein zweiter Detail-Estimator 34 lie­ fert einen Schätzwert für das nutzbringende Detailsignal in­ nerhalb des Kometen. Damit wird der erste Schätzwert des Sollwert-Estimators 33 verfeinert.

Für den Sollwert-Estimator 33 kann beispielsweise eine Inter­ polation aus den dem Kometen umgebenden guten Pixeln erfol­ gen. Der Detail-Estimator 34 kann aus einem Tiefpassfilter in Vorzugsrichtung des Kometen und Differenzbildung vom Origi­ nalsignal bestehen.

Die Korrekturen 35 können aus einer Addition des geschätzten Sollwertes und des geschätzten Detailsignals bestehen. Auf­ grund der Korrekturen 35 erhält man ein korrigiertes Signal 36, das beispielsweise auf dem Kontrollmonitor 7 wiedergege­ ben werden kann. Dieses Röntgenbild, das dem gestörten der Fig. 5 entspricht, ist in Fig. 6 dargestellt.

Das Verfahren zur Korrektur von Kometenartefakten im allge­ meinen nach Fig. 8 basiert auf einer Systemlösung innerhalb eines Röntgenaufnahmesystems gemäß Fig. 1 jedoch außerhalb des Detektors. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kometenkor­ rektur, bei dem das Restsignal restauriert wird, kann als Software oder Hardware auf dem Bildrechner realisiert werden.

Da das Auftreten der Kometen ein inhärenter Teil im Produkti­ onsprozess ist, bedeutet die Fähigkeit, Kometen zu korrigie­ ren, einen enormen Vorteil, da ohne die Möglichkeit einer Korrektur die betroffenen Detektoren verworfen werden müssen. Diese Kometenartefaktkorrektur dient also zur Qualitätssiche­ rung.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das zugehörige Korrekturverfahren wird man in die Lage versetzt, den durch einen Kometen gestörten Bildbereich unter Verwendung des Restsignals zu restaurieren. Dadurch können Detektoren, die die beschriebene Bildstörung aufweisen, im medizinisch dia­ gnostischen Bereich eingesetzt werden.

Claims (11)

1. Röntgendiagnostikeinrichtung mit einem Röntgengerät (1, 2) zur Erzeugung von Röntgenstrahlung (3), einem Röntgendetektor (5) zur Erfassung der Röntgenstrahlung (3) und Umwandlung in eine elektrische Signalfolge, einem Bildsystem (6) zur Verar­ beitung der elektrischen Signalfolge und einer Wiedergabevor­ richtung (7), dadurch gekennzeich­ net, dass das Bildsystem (6) eine Vorrichtung zur Kor­ rektur von Kometenartefakten mit einer Auswertevorrichtung (24, 25) aufweist, an der ein Sollwert-Estimator (26) und ein Detail-Estimator (27, 28) angeschlossen sind, die an den Störstellen aus der elektrischen Signalfolge einen Sollwert und einen Detailwert ermitteln, und dass die Ausgangssignale der Estimatoren (26 bis 28) einer Korrekturstufe (29) zuge­ führt werden, die die Signale zusammensetzt.

2. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, dass der Soll­ wert-Estimator eine Interpolationsstufe (26) ist.

3. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Detail-Estimator (27, 28) ein Hochpassfilter (27) ist.

4. Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Detail-Estimator (27, 28) ein Tiefpassfilter (27) und eine Subtraktionsstufe (28) aufweist.

5. Verfahren zum Betrieb einer Röntgendiagnostikeinrichtung zur Erzeugung von Röntgenbildern mittels eines Röntgengerä­ tes, zur Verarbeitung der Röntgenbilder mittels einer Rechen­ einheit und zur Darstellung der Röntgenbilder durch eine Wie­ dergabevorrichtung, gekennzeichnet durch folgende Schritte zur Korrektur von Kometenarte­ fakten:

• 1. i Durchführung einer geometrischen Analyse (31) der Kome­ tenartefakte,
• 2. ii Ermitteln eines geschätzten Sollwertes (33) aus dem Ori­ ginalsignal (30) unter Zuhilfenahme des Analyseergebnis­ ses,
• 3. iii Ermitteln eines geschätzten Detailsignals (34) aus dem Originalsignal (30) unter Zuhilfenahme des Analyseergeb­ nisses,
• 4. iv Korrektur (35) aufgrund des geschätzten Sollwertes (33) und des geschätzten Detailsignals.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Schritt i) eine allge­ meine Identifikation des Kometen in einer Karte (32) umfasst.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (33) durch Interpolation aus unbeschädigten Signalwerten außerhalb des Kometen geschätzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, dass das De­ tailsignal (34) durch Tiefpassfilterung des Originalsignals (30) in die Vorzugsrichtung des Kometen, in der die Störung verläuft, und der Subtraktion des tiefpassgefilterten Origi­ nalsignals (30) vom Originalsignal (30) gebildet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, dass die Kor­ rektur (35) durch Addition des geschätzten Sollwertes (33) und des geschätzten. Detailsignals (34) erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, dass die geo­ metrische Analyse (31) online durchgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, dass die geo­ metrische Analyse (31) offline im Rahmen einer Kalibrierung durchgeführt wird.