DE102005017491A1

DE102005017491A1 - Verfahren zum Erzeugen eines gainkorrigierten Röntgenbildes und Röntgenbildaufnahmesystem

Info

Publication number: DE102005017491A1
Application number: DE102005017491A
Authority: DE
Inventors: Mathias HÖRNIG
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-04-16
Also published as: US20060233305A1; US7404673B2; DE102005017491B4

Abstract

Bei einem Verfahren zum Erzeugen eines gainkorrigierten Röntgenbildes mit Hilfe eines Röntgen-Flachdetektors werden bei der Kalibrierung mehrere Gainbilder ermittelt, und zwar für verschiedene Messsituationen, die verschiedenen Einstellungen bestimmter Bildaufnahmegrößen wie etwa des Winkels des Röntgen-Flachdetektors zu einer Röntgenröhre, der Energie der verwendeten Röntgenstrahlung etc. entsprechen. Bei der Gainkorrektur wird dann anstelle eines üblichen Gainbildes für jedes Element des Detektors ein Gainwert verwendet, der sich aus einer Interpolation der entsprechenden Werte aus den mehreren Gainbildern ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines gainkorrigierten Röntgenbilds mit Hilfe eines Röntgen-Flachdetektors nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Röntgenbildaufnahmesystem nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 9.

Röntgen-Flachdetektoren werden zunehmend häufiger in Röntgenbildaufnahmesystemen verwendet. Ein Röntgen-Flachdetektor besteht aus 1000 mal 1000 bis etwa 3000 mal 3000 Detektorelementen unter einem Szintillator, wie z.B. Cäsiumjodid. Die vom Szintillator in Licht umgewandelten Röntgenstrahlen werden in den Detektorelementen gemessen und in einen Datenwert umgewandelt, der dann als Grauwert dargestellt wird, so dass sich die einzelnen Bildelemente zu einem Röntgenbild zusammensetzen lassen.

Ein Röntgen-Flachdetektor kann beispielsweise ein Festkörper-Röntgendetektor aus amorphem Silizium sein. Ein solcher Detektor hat die Eigenschaft, dass das Signalverhalten jedes Detektorelements individuell verschieden ist. Dies bedeutet, dass unterschiedliche Bereiche des Detektors unterschiedlich empfindlich gegenüber Röntgenstrahlung sind. Bei der Erzeugung eines Röntgenbilds erfolgt daher eine Gainkorrektur (Verstärkungskorrektur), bei der rein rechnerisch die Datenwerte korrigiert werden. Grundlage der Korrektur ist die vorherige Messung der jeweiligen Empfindlichkeit der einzelnen Detektorelemente. Diese Messung erfolgt durch Ermitteln eines so genannten Gainbildes, wobei das Gainbild in jedem Bildelement bzw. Bildpunkt einen Gainwert bereitstellt. Im Stand der Technik wird zur Kalibrierung eines Röntgenbildaufnahmesystems bei dessen Inbetriebnahme ein einziges Gainbild ermittelt. Unter „Ermitteln" eines Gainbildes wird hier verstanden, dass ein Gainbild durch mehrfache Bildaufnahme erhalten wird, und zwar erhält man ein Gainbild dadurch, dass man eine Vielzahl von Hellbildern aufnimmt, d.h. Bilder, bei denen die Röntgenstrahlung definiert und direkt auf dem Röntgen-Flachdetektor auftrifft, ohne dass ein Bildobjekt den Weg der Röntgenstrahlung stört. Es wird bei unveränderten Röntgenbildeinstellungen diese Mehrzahl von Hellbildern aufgenommen und anschließend eine Mehrzahl von Dunkelbildern. Über die Hellbilder wird dann gemittelt, d.h. es wird ein über die verschiedenen Bilder gemittelter Bildpunkt-Datenwert für jeden einzelnen Bildpunkt ermittelt. Die Dunkelbilder sind Bilder, die aufgenommen werden, ohne dass Röntgenstrahlung überhaupt abgegeben wird. Die Dunkelbilder entsprechen den Signalen der Detektorelemente, die diese ohnehin abgeben, d.h. einem Offset der Signale. Dieser Offset wird für jedes Detektorelement dann von dem zugehörigen gemittelten Datenwert für die Hellbilder abgezogen, und auf diese Weise wird ein Gainbild ermittelt. In der Regel wird der Datenwert aus dem Gainbild noch auf 1 normiert. Ein Bildeintrag für einen einzelnen Bildpunkt von 1,1 bedeutet beispielsweise, dass das entsprechende Detektorelement die Röntgenstrahlung um einen Faktor 1,1 verstärkt wiedergibt, so dass bei der Aufnahme eines Röntgenbildes der von diesem Detektorelement abgegebene Datenwert durch 1,1 geteilt werden muss, um so einen Datenwert zu erhalten, der einer Verstärkung von 1 entspricht. Ein Gainwert von 0,9 bedeutet umgekehrt, dass das Detektorelement etwas schwächer als im Durchschnitt ist, und dass ein entsprechender Datenwert eines Röntgenbildes durch 0,9 geteilt werden muss, um so einen etwas erhöhten Datenwert zu erhalten, der einem realistischen Datenwert für ein durchschnittliches Detektorelement entspricht.

Das auf diese Weise gainkorrigierte Röntgenbild ist daher ein Röntgenbild, bei dem der individuelle Einfluss der einzelnen Detektorelemente weitgehend ausgeschaltet ist.

Wie oben bereits erwähnt, wird im Stand der Technik ein einziges Gainbild in einer vordefinierten Position von Detektor zur Röntgenröhre ermittelt.

Bei modernen Röntgen-Flachdetektoren gibt es jedoch auch geometrische Effekte. Mit anderen Worten ist der individuelle Gainwert, der einem Detektorelement zugeordnet werden müsste, nicht unabhängig von der Winkelposition von Detektor zur Röntgenröhre. Hierzu trägt der so genannte Heel-Effekt bei. Bei Drehung des Röntgendetektors können ferner Randbereiche abgeschattet werden (Dome-Effekt).

Zusätzlich zu dieser geometrischen Abhängigkeit ist der individuelle Gain einzelner Detektorelemente durchaus auch von der verwendeten Dosis oder der Wellenlänge der verwendeten Röntgenstrahlung abhängig.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die einzelnen Abweichungen der Detektorelemente von der Norm besser zu erfassen, um somit die Qualität der Gainkorrektur verbessern zu können.

Die Erfindung stellt ein Verfahren nach Patentanspruch 1 sowie ein Röntgenbildaufnahmesystem nach Anspruch 9 bereit.

Grundsätzlich beruht die Erfindung darauf, dass mehr als ein einziges Gainbild ermittelt wird. Vielmehr bleibt es nicht dabei, dass nur ein Gainbild in einer vordefinierten Position von Detektor zur Röntgenröhre und bei einer vorgegebenen Röntgendosis und Röntgenwellenlänge ermittelt wird. Stattdessen werden zumindest zwei unterschiedliche Gainbilder in Abhängigkeit von einer Bildaufnahmegröße ermittelt. Diese Bildaufnahmegröße kann die Winkelstellung des Röntgenbild-Flachdetektors gegenüber einer Röntgenröhre, die Energie der verwendeten Röntgenstrahlung oder auch die Einstellung eines Filters zum Ausfiltern eines Teiles der Dosis aus der verwendeten Röntgenstrahlung umfassen.

Bevorzugt werden die Gainbilder in Abhängigkeit von derjenigen Bildaufnahmegröße aufgenommen, die am meisten und am ehesten geändert wird.

Bei der Aufnahme eines Röntgenbildes wird dann die jeweilige Einstellung betreffend die Bildaufnahmegröße ermittelt, d.h. ein Datenwert elektronisch zugeordnet und bei der Gainkorrektur verwendet. Die Verwendung bei der Gainkorrektur beruht darauf, dass eine Interpolation erfolgt. Die Interpolation ist im einfachsten Falle linear, kann aber auch eine Polynominterpolation sein. Die Interpolation erfolgt bevorzugt in Echtzeit (z.B. in einem 30 Hz-Takt)

Bevorzugt sind zumindest zwei der Gainbilder Bildaufnahmegrößen zugeordnet, welche Randwerten derselben entsprechen, d.h. bei denen die zugehörigen Einstellungen eher extrem sind. Grund hierfür ist, dass die Interpolation einfacher handhabbar ist, wenn es sich um eine so genannte innere Interpolation handelt. Mit anderen Worten befinden sich die Einstellungen bei einem real aufgenommenen Röntgenbild bevorzugt zwischen den Einstellungen, die zur Ermittlung der Gainbilder dienten, und nicht jenseits von diesen Einstellungen.

Zur Verarbeitung der größeren Zahl von Gainbildern muss die Bildverarbeitungseinheit entsprechend neu ausgelegt werden, wobei sowohl entsprechender Speicherplatz zur Verfügung gestellt sein muss als auch die Software entsprechend gestaltet sein muss, um die Vielzahl der Datenwerte für die Interpolation zu beherrschen und die Interpolation selbst vornehmen zu können. Wesentlich ist, dass eine Steuerung des Röntgenbildaufnahmesystems bevorzugt die Information betreffend die Einstellung der unterschiedlichen Bildaufnahmegrößen, welche für die Interpolation wesentlich sind, datenmäßig zur Verfügung stellt und insbesondere der Bildverarbeitungseinheit automatisch zuführt. Dies gilt sowohl bei der Aufnahme der zumindest zwei Gainbilder als auch bei der späteren Aufnahme von Röntgenbildern.

Es wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung nun unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 die Stellung eines Röntgen-Flachdetektors bezüglich einer Röntgenröhre in einer ersten Messsituation sowie schematisch ein zugehöriges Gainbild zeigt;
2 die Stellung eines Röntgen-Flachdetektors bezüglich einer Röntgenröhre in einer zweiten Messsituation sowie schematisch ein zugehöriges Gainbild zeigt;
3 die Stellung eines Röntgen-Flachdetektors bezüglich einer Röntgenröhre bei Aufnahme eines Röntgenbildes sowie schematisch ein hierzu durch Interpolation ermitteltes Gainbild zeigt;
4 eine Kurve zeigt, die die Abhängigkeit des Gains von der Wellenlänge der Röntgenstrahlung darstellt;
5 eine Kurve darstellt, die die Abhängigkeit des Gains von der Einstellung eines Filters anzeigt.
1 bis 3 veranschaulicht die Aufnahme verschiedener Gainbilder für verschiedene Winkelstellungen eines Röntgen-Flachdetektors gegenüber einer Röntgenröhre 12.
1 veranschaulicht eine Grundstellung, in der der Röntgen-Flachdetektor 10 in einem Winkel von 0° bezüglich der Röntgenröhre 12 steht.
Um ein in dieser Messsituation aufgenommenes Gainbild zu veranschaulichen, ist der Wert für ein hier quadratisch dargestelltes Bildelement angegeben, in diesem Falle 1,12. Das diesem Bildelement entsprechende Detektorelement 14 ist im oberen Abschnitt von 1 eingezeichnet dargestellt.
2 bezieht sich nun auf eine zweite Messsituation: Es wird ein weiteres Gainbild aufgenommen für die Situation, dass der Röntgen-Flachdetektor 10 um 90° gegenüber der Röntgenröhre gedreht ist. Im Gainbild, das im unteren Abschnitt von 2 schematisch angedeutet ist, ist die Position des Bildelements dieselbe, während sich das reale Detektorelement 14 gedreht hat. Durch geometrische Effekte bedingt beträgt der zugehörige Gainwert jedoch nicht mehr 1,12, sondern nur noch 1,09.
3 zeigt nun eine dritte Situation. In dieser dritten Situation ist der Röntgen-Flachdetektor 10 gegenüber der Röntgenröhre 12 um 30° gedreht.
Die geometrischen Effekte bedingen, dass nun weder der bezüglich der Messsituation aus 1 noch der bezüglich der Messsituation aus 2 ermittelte Gainwert der richtige ist. Man erhält angenähert einen realen Gainwert für das betreffende Detektorelement 14 durch Interpolation der Gainwerte aus den beiden Gainbildern. Da ein Winkel von 30° doppelt so nah an der Stellung von 0° wie an der Stellung von 90°, ergibt eine lineare Interpolation, dass zur Ermittlung eines geeigneten Gainwerts für die in 3 gezeigte Bildaufnahmesituation der Gainwert aus 1 mit zwei multipliziert und der Gainwert aus 2 mit 1 multipliziert werden muss, wobei die Summe dann durch 3 geteilt wird. Es ergibt sich durch lineare Interpolation somit bei einer Drehung um 30° ein Gainwert von 1,11. Bei einer Drehung von 60° würde sich entsprechend ein Gainwert von 1,10 ergeben. Hierdurch wird klar, dass die Interpolation tatsächlich eine lineare Interpolation ist.
Die in 1 und 2 angegebenen Gainwerte von 1,12 und 1,09 sind also durch Messung ermittelt, während der in 3 angezeigte Gainwert von 1,11 ausschließlich durch Interpolation ermittelt wurde.
Für eine lineare Interpolation gegenüber einer Winkeleinstellung genügt es, zwischen den Extremstellungen des Detektors zwei Gainbilder zu ermitteln. Da der Detektor nur zwischen 0° und 90° drehbar ist, empfiehlt sich eine Messung sowohl bei 0° als auch bei 90°. Bei einer etwas verbesserten Ausführungsform kann noch ein drittes Gainbild bei einem Winkel von 45° ermittelt werden, prinzipiell genügen jedoch zwei Gainbilder.
In analoger Art und Weise kann auch die Bildaufnahmegröße „Wellenlänge der Röntgenstrahlung" verändert werden. Diese wird durch die an der Röntgenröhre anliegende Spannung, hier in kV, vorgegeben.
4 zeigt eine Messwertkurve betreffend ein einziges Detektorelement, wobei der jeweilige Gain in Abhängigkeit von der Beschleunigungsspannung aufgetragen ist. Dargestellt sind drei Messpunkte 16, 18 und 20. Der Messwert 16 gibt den Gain bei einer Beschleunigungsspannung von 50 kV wieder, der Messwert 18 bei einer Beschleunigungsspannung von 70 kV und der Messwert 20 bei einer Beschleunigungsspannung von 90 kV. Gezeigt sind hier willkürliche Einheiten für den Gain, der ja bekanntlich ohnehin auf 1 normiert wird.
Vorgegeben sei nun die Situation, dass ein bestimmtes Röntgenbild bei einer Beschleunigungsspannung von 61 kV aufgenommen wird.
In vorteilhafter Weise ergibt sich ein Wert für den zugehörigen Gain für das hier in Rede stehende Detektorelement durch lineare Interpolation aus den Messwerten 16 und 18. Eingezeichnet ist (quadratisch symbolisiert) der Interpolationswert 22. Alternativ wäre auch eine Polynom-Interpolation möglich, bei der entsprechend der Messwert 20 auch berücksichtigt werden könnte.
5 beruht auf der Tatsache, dass der Gain auch in Abhängigkeit von der Einstellung eines Kupferfilters abhängig sein kann, welcher die Dosis der Röntgenleistung bestimmt. Der Gain ist also dosisabhängig. Dargestellt sind ein Messpunkt 24 für eine Einstellung, bei der der Filter 0,1 Anteile der Röntgenstrahlung durchlässt, und ein Messpunkt 26, bei dem der Filter 0,8 Anteile der Röntgenstrahlung durchlässt. Wird nun ein Röntgenbild bei einer Filtereinstellung betreffend den Filterdurchlass vorgenommen, bei der der Filter 0,2 Anteile an Röntgenstrahlung durchlässt, verwendet man den hier rautenförmig eingezeichneten Zwischenwert 28, um einen interpolierten Gainwert zu erhalten. Dies wird detektorelementsweise durchgeführt, also Bildpunkt für Bildpunkt der entsprechend zu den Bildpunkten 24 und 26 vorhandenen Gainbilder, so dass man ein interpoliertes Gainbild zugehörig zum Filterdurchlass 0,2 entsprechend den Punkten 28 pro Detektorelement erhält.
Vorliegend wurde dargestellt, dass jeweils zumindest zwei Gainbilder für unterschiedliche Winkeleinstellungen des Röntgen-Flachdetektors gegenüber der Röntgenröhre, unterschiedliche Beschleunigungsspannungen und unterschiedliche Filtereinstellungen vorgenommen werden können. Dies kann auch grundsätzlich miteinander kombiniert werden. Beispielsweise können die in 4 dargestellten Gainwerte entsprechend den Bildpunkten 16 und 20 bei einer Winkeleinstellung von 0° vorgenommen sein. Es kann dann eine zusätzliche Messung bei 90° Winkeleinstellung erfolgen, bei der ebenfalls für die beiden genannten Werte von 50 und 90 kV Beschleunigungsspannung jeweils ein Gainbild ermittelt wird, so dass insgesamt vier Gainbilder zur Verfügung stehen und zweidimensional, also in Abhängigkeit von zwei Parametern, interpoliert werden kann.
Die Interpolation kann durch Kenntnis der Ursachen der sich ändernden Gainwerte verbessert werden, beispielsweise können zur Interpolation bestimmte Formeln angefittet werden etc.

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines gainkorrigierten Röntgenbildes mit Hilfe eines Röntgen-Flachdetektors (10), bei dem – in einem Kalibrierungsschritt zumindest ein Gainbild für den Röntgenbild-Flachdetektor (10) ermittelt wird, das aus Gainwerten für jeden Bildpunkt zusammengesetzt ist, der jeweils einem Detektorelement (14) entspricht, – in einem Bildaufnahmeschritt einzelnen Detektorelementen (14) des Röntgen-Flachdetektors (10) ein Datenwert zugeordnet wird und – in einem Korrekturschritt bildpunktweise eine Gainkorrektur des jeweiligen Datenwerts aufgrund des dem Bildpunkt zugeordneten Gainwerts aus dem Gainbild erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass – in dem Kalibrierungsschritt in Abhängigkeit von einer Bildaufnahmegröße für unterschiedliche Bildaufnahmegrößeneinstellungen Gainbilder ermittelt werden, – in dem Bildaufnahmeschritt die jeweilige Einstellung betreffend diese Bildaufnahmegröße ermittelt wird, und – in dem Korrekturschritt Gainwerte verwendet werden, die aus den Gainwerten von zumindest zwei Gainbildern anhand der zugeordneten Bildaufnahmegröße interpoliert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahmegröße die Winkeleinstellung des Röntgen-Flachdetektors (10) zu einer Röntgenröhre (12) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Gainbilder für Winkeleinstellungen von 0° und 90° ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Gainbilder für Winkeleinstellungen von 0°, 45° und 90° ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahmegröße die Energie der verwendeten Röntgenstrahlung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahmegröße die Einstellung eines Filters zum Ausfiltern eines Teiles der Dosis aus der verwendeten Röntgenstrahlung umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Interpolation linear in Abhängigkeit von einem Bildaufnahmeparameter erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Polynominterpolation in Abhängigkeit von einem Bildaufnahmeparameter vorgenommen wird.
Röntgenbildaufnahmesystem mit – einem Röntgen-Flachdetektor (10) mit einer Vielzahl von Datenwerten aufnehmenden Detektorelementen (14), und – einer Bildverarbeitungseinheit, die in der Lage ist, ein Gainbild zu erzeugen und zu speichern, und Datenwerte von Detektorelementen (14) anhand von Gainwerten aus dem Gainbild zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass – die Bildverarbeitungseinheit dazu ausgelegt ist, eine Mehrzahl von Gainbildern (1 und 2) zu erzeugen und zu speichern, und Gainwerte für das jeweils selbe Detektorelement (14) aus mehreren Gainbildern zur Erzeugung eines einem bestimmten Bild zugeordneten Gainwerts für das jeweilige Bildelement, vorzugsweise in Echtzeit, zu interpolieren.
Röntgenbildaufnahmesystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungseinheit die Interpolation in Abhängigkeit von einer Bildaufnahmegröße vornimmt.
Röntgenbildaufnahmesystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Information betreffend die Einstellung der Bildaufnahmegröße der Bildverarbeitungseinheit beim Aufnehmen eines Röntgenbildes automatisch zugeführt wird.