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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines p-Quantils für die Bildpunktwertstufen,
insbesondere Grauwertstufen eines digitalen Bildes.
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In
der vorangemeldeten, aber nachveröffentlichten Patentanmeldung
mit dem amtlichen Aktenzeichen 10 2005 017 489.2 wird als Ist-Wert
für die Dosis
oder Dosisleistung in einem Röntgenbild
der dem p-Quantil des Bildes zugeordnete Dosisdatenwert herangezogen.
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Ein
p-Quantil ist ein Wert, der einer Häufigkeitsverteilung entnommen
wird. Auszugehen ist hierbei von einer Häufigkeitsverteilung, bei der
eine Mehrzahl von Werten einer bestimmten Größe eine bestimmte Häufigkeit
zugeordnet ist. Hat die Häufigkeitsverteilung
insgesamt n Einträge,
so ist das p-Quantil (mit 0 < p < 1) derjenige Wert,
bei dem n·p Einträge in der
Häufigkeitsverteilung
Einträge
für einen
kleineren (oder gleichen) Wert sind, und (1 – p)·n Einträge gehören zu Werten, die größer als
das p-Quantil sind.
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Sucht
man nach dem p-Quantil, dann sucht man also nach einem Wert, der
die Häufigkeitsverteilung
in ein bestimmtes Verhältnis
teilt.
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In
Röntgensystemen
gemäß dem Stand
der Technik erfolgt nun in aller Regel nicht eine Bildauswertung
des Bildes als Ganzem.
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Stattdessen
ist das Bild in disjunkte Bildbereiche geteilt, typischerweise in
vier disjunkte Bildbereiche. Jedem dieser Bildbereiche ist ein (digitaler) Signalprozessor
zugeordnet. Die Signalprozessoren ermöglichen die parallele Verarbeitung
von Bildpunktdaten aus den jeweiligen Bildbereichen, so dass ein
Zentralprozessor lediglich Daten von den Signalprozessoren erhält, aufgrund
von deren er die Bildauswertung „abschließen" kann. Mit anderen Worten erfolgt entweder
die Vorbereitung für
die Bildauswertung oder bereits ein Teil der Bildauswertung in den
Signalprozessoren, und die Zusammenfassung der von den Signalprozessoren
gewonnenen Daten obliegt dann einem Zentralprozessor (LCPU, Local
Central Processing Unit).
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Diese
in modernen Röntgengeräten aufzufindende
Arbeitsteilung durch verschiedene Signalprozessoren ist jedoch bei
der Ermittlung eines p-Quantils a priori hinderlich. Da das p-Quantil
kein rechnerisch ermittelter Wert ist, sondern ein statistisch ermittelter
Wert, bedarf es Informationen über die
Häufigkeitsverteilung.
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Für gewöhnlich würde man
in einem ersten Ansatzpunkt durch die einzelnen Signalprozessoren jeweils
eine Häufigkeitstabelle
erzeugen lassen, in der für
das digitale Bild jeder Bildpunktwertstufe die Häufigkeit ihres Vorkommens in
dem dem Signalprozessor zugehörigen
Bildbereich zugeordnet ist.
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Man
würde diese
Häufigkeitstabellen
dann zu einer Gesamt-Häufigkeitstabelle
zusammenfassen. Da die Bildpunktwertstufen als solche vorgegeben
sind, muss nur jeweils der zugeordnete Tabelleneintrag aufaddiert
werden.
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Der
Grund für
hierbei auftretende Probleme ist, dass moderne Röntgenbildgebungssysteme eine hohe
Anzahl von möglichen
Graustufen (welche Dosiswertstufen entsprechen) bereitstellen. Typischerweise
werden 16 Bit für
die Graustufen verwendet. Auch in anderen bildgewinnenden Systemen
ist die Zahl der Bildpunktwertstufen (dies können auch Farbwertstufen sein)
sehr hoch.
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16
Bit bedeuten, dass es 216 Grauwertstufen gibt,
also ca. 64000 Grauwertstufen.
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Dies
bedeutet jedoch, dass die Häufigkeitstabelle
auch 64000 Einträge
hat.
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Soll
die Häufigkeitstabelle
von den Signalprozessoren an den Zentralprozessor übermittelt werden,
so müssen
vier mal 64000 Wertzuordnungen übermittelt
werden. Jede einzelne Datenübermittlung
benötigt
jedoch ca. drei Takte. Soll die Datenauswertung mit der Bestimmung
des p-Quantils in Echtzeit erfolgen, so ist dies in Röntgensystemen
kritisch, in denen z.B. 30 Bilder pro Sekunde erzeugt werden. Aufgrund
der großen
Zahl der für
die Häufigkeitstabelle
zu übermittelnden
Dateneinträge
ist eine Echtzeitauswertung nicht mehr gewährleistet.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie ein p-Quantil
auch bei einer großen Anzahl
von Bildpunktwertstufen rasch, möglichst
in Echtzeit zusammen mit der Erzeugung der Bilder, ermittelt werden
kann.
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Zur
Lösung
der Aufgabe schlägt
die Erfindung ein Verfahren gemäß Patentanspruch
1 vor.
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Zum
erfindungsgemäßen Verfahren
gehört, dass
die Signalprozessoren jeweils aus der Häufigkeitstabelle eine Summenhäufigkeitstabelle
berechnen. Eine Summenhäufigkeitstabelle
ist eine Tabelle, in der für
das digitale Bild jeder Bildpunktwertstufe die Summe der Häufigkeiten
des Vorkommens von ihr selbst und von niedrigeren Bildpunktwertstufen
zugeordnet ist. Die Summenhäufigkeitstabelle
bereitet das Auffinden eines p-Quantils vor.
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Kernpunkt
der Erfindung ist nun, dass nicht sämtliche Einträge in der
Summenhäufigkeitstabelle für jede Bildpunktstufe
aus den einzelnen Signalprozessoren addiert werden müssen. Vielmehr
fragt der Zentralprozessor gezielt einzelne Einträge in der Summenhäufigkeitstabelle
ab. Hierzu sucht er einzelne Bildpunktwertstufen aus und fragt nur
für die ausgesuchten
Bildpunktwertstufen die Einträge
in der Summenhäufigkeitsta belle
ab. Diese werden aufsummiert. Aufgrund der aufsummierten Einträge kann
zu jedem Eintrag ermittelt werden, ob man sich nah an dem p-Quantil
befindet oder nicht. Mit anderen Worten erfolgt das Aussuchen der
Bildpunktwertstufen derart, dass sich der Zentralprozessor sukzessive
einer Bildpunktwertstufe nähert,
die dem p-Quantil entspricht und so schließlich das p-Quantil auffindet.
Unter „sukzessive" ist hier zu verstehen, dass
ein bestimmtes Verfahren bereitgestellt ist, das das Aussuchen vorgibt,
und wobei durch das Verfahren gewährleistet ist, dass irgendwann
eine Annäherung
an das p-Quantil stattfindet. „Sukzessive" schließt nicht
aus, dass zwei zeitlich aufeinander folgende Abfragen einmal näher an dem
p-Quantil liegen und einmal etwas entfernt von diesem, solange gewährleistet
ist, dass zeitlich nachfolgend irgendwann eine Annäherung an
das p-Quantil erfolgt.
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Das
genannte Verfahren zum Aussuchen kann insbesondere eine Intervallschachtelung
verwenden.
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Bevorzugt
werden hier zwei Intervalle verwendet. Mit anderen Worten teilt
der Zentralprozessor bei der Intervallschachtelung jeweils ein Bildpunktwertintervall
in ein niedriges und ein höheres
Intervall. (Zu Anfang geht er in aller Regel von dem gesamten Intervall
von Bildpunktwerten aus). Jeweils für den höchsten Bildpunktwert des niedrigeren
Intervalls oder den niedrigsten Bildpunktwert des höheren Intervalls
fragt er die einzelnen Summenhäufigkeiten ab
und summiert diese auf, um die Gesamtbildsummenhäufigkeit für den jeweiligen Bildpunktwert
zu erhalten. Der Zentralprozessor führt dann einen Vergleich der
Gesamtbildsummenhäufigkeit
mit n·p durch.
Hierbei berücksichtigt
er gegebenenfalls auch die zuvor ermittelten Gesamtbildsummenhäufigkeiten
um zu ermitteln, ob er sich dem p-Quantil annähert oder nicht. Mit anderen
prüft er,
ob er das p-Quantil bereits gefunden hat. Ist dies nicht der Fall, führt er die
Intervallschachtelung mit dem niedrigeren oder dem höheren Intervall
als zu teilendem Bildpunktwertintervall fort.
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Er
wird hierbei das niedrigere Intervall dann wählen, wenn die zuletzt ermittelte
Gesamtbildsummenhäufigkeit
größer ist
als n·p,
d.h. der zugehörige Bildpunktwert über dem
p-Quantil liegt. Er wird das höhere
Bildpunktwertintervall wählen,
wenn die zuletzt ermittelte Gesamtbild-Summenhäufigkeit kleiner als n·p ist.
Er wird aufgrund eines Vergleichs mit bisher ermittelten Gesamtbild-Summenhäufigkeiten
erkennen, dass er das p-Quantil bereits gefunden hat, wenn er für einen
bestimmten Bildpunktwert einen Wert von größer als n·p auffindet und für den benachbarten
kleineren Bildpunktwert einen Wert von kleiner als n·p. Dann
liegt das p-Quantil quasi „innerhalb" der Gesamt-Summenhäufigkeit
für den
Bildpunktwert, und das gesuchte p-Quantil ist der höhere der
beiden genannten benachbarten Bildpunktwerte.
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Die
Erfindung wird nun unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben,
in der
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1 eine
grafische Darstellung einer Häufigkeitstabelle
ist, wobei es sich um eine Häufigkeitstabelle
der Art handelt, wie sie bei der vorliegenden Erfindung verwendet
wird, und
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2 eine
grafische Darstellung einer Summenhäufigkeitstabelle ist, wobei
es sich um eine Summenhäufigkeitstabelle
der Art handelt, wie sie bei der vorliegenden Erfindung verwendet
wird.
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1 zeigt
eine grafische Darstellung einer Häufigkeitsverteilung, welche
man als Histogramm bezeichnet. Aufgetragen ist jeweils die Bildpunktanzahl über einer
Bildpunktwertstufe. Die Bildpunktwertstufe ist eine Größe, die
in diskreten Werten q1 bis q10 angegeben wird. Aufgetragen ist in 1 die Bildpunktanzahl
zugehörend
zu der Bildpunktwertstufe in einem bestimmten Bildbereich. Beispielsweise
handelt es sich bei dem Bildbereich um ein Viertel des Gesamtbildes,
wenn das Bild, wie im Stand der Technik üblich, in vier disjunkte Bildbereiche
aufgeteilt ist, denen jeweils ein digitaler Signalprozessor (DSP)
zugeordnet ist.
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In
jedem digitalen Signalprozessor wird eine Häufigkeitstabelle betreffend
die Bildpunktanzahl in Abhängigkeit
der Bildpunktwertstufe zu dem jeweils zugehörigen Bildbereich erzeugt,
welche grafisch so darstellbar ist, wie es in 1 gezeigt
ist.
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Zwar
ist ein p-Quantil für
die einem Bildbereich zugeordnete gezeigte Häufigkeitsverteilung ermittelbar.
Aus den p-Quantilen für
einzelne Bildbereiche lässt
sich jedoch nicht das p-Quantil für das Gesamtbild zurückschließen. Insbesondere
ist – anders als
bei Durchschnittswerten – eine
rechnerische Auswertung der einzelnen p-Quantile zur Ermittlung
des Gesamt-p-Quantils nicht möglich.
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Die
Erfindung schlägt
nun vor, für
jeden Bildbereich eine weitere Tabelle aufzustellen, in der jeder Bildpunktwertstufe
die Summe der Häufigkeiten
der jeweiligen Bildpunktanzahl für
die Bildpunktwertstufe und für
niedrigere Bildpunktwertstufen zugeordnet wird. Eine grafische Darstellung
einer solchen Tabelle ist in 2 gezeigt.
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So
ist der niedrigsten Bildpunktwertstufe q1 nach wie vor die Bildpunktanzahl
n1 zugeordnet.
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Der
Bildpunktwertstufe q2 ist nun die eigene Bildpunktwertanzahl n2
zugeordnet und die Bildpunktwertanzahl n1 für die niedrigere Bildpunktwertstufe
q1.
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Entsprechend
sind der Bildpunktwertstufe q3 die Bildpunktanzahl n3 für die eigene
Bildpunktwertstufe und die Bildpunktanzahlen n1 und n2 für die niedrigeren
Werte q1 und q2 zugeordnet. Die Summe muss nicht jedes Mal neu ermittelt
werden, sondern es kann zu der einer bestimmten Bildpunktwertstufe ermittelten
Summenhäufigkeit
der Wert aus der Häufigkeitstabelle
für die
nächst
höhere
Bildpunktwertstufe hinzuaddiert werden, um für diese nächst höhere Bildpunktwertstufe die
neue Summenhäufigkeit
zu erhalten. So muss zu der Bildpunktanzahl n1 + n2 + n3 + n4, welche
in dem Summenhäufigkeitsdiagramm
gemäß 2 der
Bildpunktstufe q4 zugeordnet ist, lediglich die Bildpunktanzahl
n5 aus dem Diagramm gemäß 1 hinzuaddiert
werden, um die Bildpunktanzahl für
diese nächst
höhere
Stufe q5 zu erhalten.
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Die
Verwendung von Summenhäufigkeiten bereitet
das Auffinden eines p-Quantils vor. Als p-Quantil gilt diejenige
Bildpunktwertstufe unterhalb von der n·p Bildpunkte liegen. In Grauwerten
wäre beispielsweise
q1 die Farbe Schwarz und q10 die Farbe weiß. Würde man q7 als p-Quantil ermitteln,
so würde
dies bedeuten, dass n·p
der Bildpunkte dunkler als die Graustufe q7 oder gleich dieser sind.
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Auch
wenn die Darstellung gemäß 2 das Auffinden
eines p-Quantils
vorbereitet, so sei darauf hingewiesen, dass bisher die Summenhäufigkeitstabelle
jeweils für
verschiedene Bildbereiche einzeln erzeugt worden ist, dass es aber
keine Summenhäufigkeitstabelle
für das
Gesamtbild gibt.
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Es
wäre zwar
möglich,
eine Summenhäufigkeitstabelle
für das
Gesamtbild dadurch zu erzeugen, dass die einzelnen Einträgen zu den
Bildpunktwertstufen q1 bis q10 aus den einzelnen Summenhäufigkeitstabellen
aufaddiert werden würden,
die Zahl der hierbei zu übermittelnden
Daten ist jedoch für
eine Behandlung in Echtzeit zu hoch. Zwar sind beispielhaft nur
zehn Bildpunktwertstufen q1 bis q10 gezeigt, in der Realität kann es
jedoch bis zu 64000 Bildpunktwertstufen geben.
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Ein
p-Quantil kann nun praktisch durch das Gewinnen von Stichproben
ermittelt werden. Mit anderen Worten fragt der Zentralprozessor
bestimmte Einträge
in den einzelnen Tabellen, welch jeweils zu bestimmten Bildbereichen
gehören,
ab und summiert diese. Dann kann er erkennen, ob die jeweilige Bildpunktwertstufe
zu hoch oder zu niedrig ist, d.h. ob man zum Auffinden des p-Quantils
eher weiter nach unten gehen muss oder eher weiter nach oben.
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Bevorzugt
ist hierbei das Verfahren der Intervallschachtelung.
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Beispielsweise
wird die Gesamtzahl der Bildpunktwertstufen q1 bis q10 in zwei Teile
geteilt, nämlich
in ein erstes Intervall q1 bis q5 und in ein zweites Intervall von
q6 bis q10. Nun muss an der Grenze zwischen den Intervallen festgestellt
werden, ob diese Grenze höher
als das p-Quantil liegt oder niedriger, oder ob das p-Quantil getroffen
wurde. Beispielsweise verwendet man den niedrigsten Bildpunktwert des
höheren
Intervalls, den Bildpunktwert q6. Der Zentralprozessor fragt nun
die einzelnen digitalen Signalprozessoren nur nach dem Eintrag für q6 ab.
Er erhält
vier Größen, die
er aufsummiert. Damit erhält er
den Eintragswert N6ges. für die Gesamtbild-Summenhäufigkeitstabelle.
Es wird nun geprüft,
ob N6ges. kleiner als n·p ist. Bekanntlich ist als
p-Quantil diejenige Bildwertstufe definiert, bei der in der Summe
n·p Werte
geringer sind als die jeweilige Bildwertstufe (oder gleich ihr sind).
Ist nun N6ges. kleiner als n·p so bedeutet
dies, dass das p-Quantil rechts von q6 liegt, d.h. in dem rechten
Intervall q6 bis q10. Bei der beschriebenen Intervallschachtelung
wird daher eine erneute Teilung des Intervalls q6 bis q10 vorgenommen.
Es wird in zwei Intervalle geteilt, beispielsweise von q6 bis q8
und q9 bis q10. Da das niedrigere Intervall nun drei Bildpunktwerte
enthält
und das höhere
nur zwei Bildpunktwerte, wird im nächsten Schritt die Gesamtbild-Summenhäufigkeit
für den
Bildpunktwert q8 ermittelt. Hierzu werden jeweils wieder die Einträge aus den
Summenhäufigkeitstabellen
für die vier
einzelnen Bildbereiche von den einzelnen digitalen Signalprozessoren
abgefragt. Dann werden sie aufsummiert, und man erhält somit
den Wert N8ges..
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Nachfolgend
wird nun geprüft,
ob N8ges. größer oder kleiner als n·p ist.
Es sei vorliegend so, dass N8ges. größer als
n·p ist.
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Das
p-Quantil ist daher noch nicht sicher aufgefunden.
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Das
Intervall von q6 bis q8 wird nun abermals in zwei Intervalle geteilt,
nämlich
in das niedrigere Intervall q6 bis q7 und das höhere Intervall, welches lediglich
q8 umfasst.
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Da
das niedrige Intervall zwei Bildpunktwertstufen enthält, wird
von der Bildpunktwertstufe für das
niedrigere Intervall ausgegangen. Es fehlte ja auch bisher der Wert
für q7.
Nun wird von dem zentralen Prozessor bei den digitalen Signalprozessoren nach
den Werten für
q7 gefragt, die einzelnen Einträge
in den Summenhäufigkeitstabellen
gemäß 2 werden
dem Zentralprozessor zugeführt,
und sie werden aufsummiert. Man erhält so den Wert N7ges.. Es
wird nun abermals geprüft,
ob N7ges. größer oder kleiner als n·p ist.
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Es
sei nun so, dass N7ges. kleiner als n·p ist.
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Da
N8ges. größer als n·p war, befindet sich das
p-Quantil eigentlich genau dazwischen. Das p-Quantil entspricht
einem Bildpunkt, der somit die höhere
Bildpunktwertstufe q8 hat, weil dann n·p Bildpunkte dunkler als
der jeweilige Bildpunkt sind oder gleich sind (bzw. in Dosisdatenwert
ausgedrückt
dieselbe Dosis oder eine niedrigere Dosis als dieser Bildpunkt haben).
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Bei
der Intervallschachtelung wurden also sukzessive die Größen N6ges., N8ges. und
N7ges. ermittelt. Der vorletzte Wert hat
sich als Wert herausgestellt, der dem p-Quantil (maximal) zugeordnet
ist.
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Bei
der vorliegenden Intervallschachtelung wurde von zehn Bildpunktwertstufen
ausgegangen.
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Üblicherweise
ist im Stand der Technik die Zahl von Bildpunktwertstufen eine Potenz
von 2, beispielsweise gibt es 216 Bildpunktwertstufen.
Es ist dann möglich,
die Bildpunktwert intervall jeweils von Schritt zu Schritt exakt
in zwei gleichgroße
Bildpunktwertintervalle zu teilen, bis man wieder auf zwei benachbarte
Bildpunktwertstufen stößt. Die
Anzahl der Schritte ist dann gleich der Potenz von 2, die die Zahl der
Bildpunktwertstufen angibt. Bei 216 Bildpunktwertstufen
sind also 16 Teilungen erforderlich.
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Entsprechend
wird 16 mal eine Anfrage an die digitalen Signalprozessoren gesandt,
und 16 mal werden vier Bildpunktwerte übermittelt. Die Gesamtzahl
von 64 übermittelten
Bildpunktwerten ist relativ übersichtlich.
Insbesondere müssen
nicht sämtliche 216 Tabelleneinträge von jedem der vier Signalprozessoren übermittelt
werden. Dadurch ist eine Gewinnung des p-Quantils in Echtzeit möglich, wobei Echtzeit
hier bedeutet, dass ein Röntgenangiographiesystem
z.B. 30 Bilder pro Sekunde aufnimmt und zugehörig das p-Quantil für die 30
Bilder ohne Verzögerungen
ermittelt wird. Die Erfindung ist nicht auf die Bildauswertung in
Röntgensystemen
beschränkt.
Sie findet Anwendung immer dann, wenn das Bild in disjunkte Bildbereiche
geteilt wird und eine Voraufbereitung der Bildpunktdaten in den
einzelnen Bildbereichen zeitlich parallel durch jeweils einem Bildbereich zugeordnete
Signalprozessoren erfolgt, wobei ein Zentralprozessor dann die Bildauswertung
nur noch abschließt.