DE102010039807A1

DE102010039807A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Filterung in Röntgenbildern

Info

Publication number: DE102010039807A1
Application number: DE102010039807A
Authority: DE
Inventors: Sandra Knoth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2012-03-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Filterung in Röntgenbildern, sowie ein entsprechendes Bildsystem und ein entsprechendes Computerprogrammprodukt. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Filterungs-Methode anzugeben, bei der die Erzeugung artifizieller Strukturen veht verschmiert oder verunschärft werden. Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Filtermethode, die die örtlichen Gradientenstärken für unterschiedlich große Kantenfilter berechnet. Dann werden die Gradientenstärken miteinander verglichen und der Kantenfilter gewählt, der zur größten Gradientenstärke führt. Dabei bedeutet örtlich, dass der Vergleich der Gradientenstärken jeweils für jedes einzelne Pixel ausgeführt wird. Abhängig von dem Kantenfilter mit größter Gradientenstärke werden die Größe und die Form (isotrop oder anisotrop) der Filtermaske für die örtliche (Richtungs-)Filterung gewählt. Die Zuordnung von Filtermaske zu Kantenfilter wird dabei so gesteuert, dass bei großen Objekten große Filtermasken und bei kleinen Objekten, auch wenn sie kontrastreich sind, kleine Filtermasken gewählt werden. Die Größe und Form der Filtermaske passen sich also adaptiv an den Bildinhalt an. Zusätzliche Parameter, die die Wahl der Filtermaske betreffen, werden bei dieser Methode nicht benötigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Filterung in Röntgenbildern, sowie ein entsprechendes Bildsystem und ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
In interventionellen Röntgenbildsystemen beispielsweise für die Angiographie werden fluoroskopische Röntgenbilder mit niedriger Dosis zum Navigieren von Führungsdrähten, Kathetern, Stents sowie zur Gefäßbildgebung verwendet. Dabei werden möglichst niedrige Röntgendosen (in der Größenordnung von 32 nGy bis 240 nGy pro Bild) benutzt. Durch die niedrige Dosis ergibt sich ein sehr niedriges Signal-Rausch-Verhältnis. Um die Bildqualität zu verbessern, werden daher zeitliche oder örtliche Filterungen durchgeführt. Nachteile der zeitlichen Bildintegration sind Bewegungsunschärfe und Geistbilder. Nachteile der örtlichen Tiefpassfilterung sind Verunschärfung der Objekte, z. B. der Gefäßkanten.
Aus der Druckschrift DE 103 09 166 A1 ist ein Röntgenbildsystem bekannt, das in einzelnen Röntgenbildern vorhandene Kanten detektiert und entlang dieser Kanten filtert. Bei der Filterung wird eine Mittelwertbildung über mehrere Bildpunkte mittels einer gerichteten Filtermaske durchgeführt. Bei der Kantendetektion erfolgt eine Varianzmessung und anschließende Bestimmung des Minimums der Varianzen zur Ermittlung der optimalen Richtung. Zudem werden bei der Kantendetektion die Pixelwerte eines diskreten Pixelrasters zur Erzeugung eines Sub-Pixelrasters bei der Richtungsbestimmung interpoliert. Die Bestimmung von Richtungsfeldern der Filtermaske erfolgt auf einer reduzierten Bildpunktanzahl. Der Filterkern wird beibehalten. Ein Problem einer solchen Richtungsfilterung mit festem Filterkern sind artifizielle Strukturen in homogenen Bildbereichen (z. B. sogenannte Swirls oder Wurmfäden). Deshalb können nur Filter in begrenzter Stärke verwendet werden.
Aus der Druckschrift DE 10 2007 058 498 A1 ist ein Röntgenbildsystem bekannt, bei dem zunächst eine Messung der Gradientenstärke eines jeden Bildpixels erfolgt. Abhängig von der Gradientenstärke wird eine geeignete Filtermaske zur Rauschunterdrückung gewählt. Dazu wird der Wert der Gradientenstärke mit einem Schwellwert verglichen. Es wird also je Bildpixel entschieden, welche Filtermaske zur Filterung verwendet wird. Dabei kann zwischen Filtermasken verschiedener Größe bzw. zwischen isotropen und anisotropen und/oder gerichteten Filtermasken gewählt werden. Dabei werden alle Grauwerte einer Filtermaske gleich gewichtet. Ein Problem dieser gleichen Gewichtung besteht darin, dass beispielsweise bei kleinen, kontrastreichen Objekten oder am Rand kontrastreicher Objekte Kanten und Strukturen „verschmiert” werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Röntgenbildsystem anzugeben, bei dem die Erzeugung artifizieller Strukturen vermieden ist, und bei dem Kanten und Strukturen nicht verschmiert oder verunschärft werden.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Filtermethode, die die örtlichen Gradientenstärken für unterschiedlich große Kantenfilter und/oder unterschiedliche Typen von Kantenfiltern berechnet. Dabei bedeutet örtlich, dass der Vergleich der Gradientenstärken jeweils für jedes einzelne Pixel ausgeführt wird. Anschließend werden die Gradientenstärken miteinander vergleichen und der Kantenfilter gewählt, der zur größten Gradientenstärke führt. In einer alternativen Ausführungsform kann auch der Kantenfilter gewählt werden, der zur kleinsten örtlichen Gradientenstärke führt.
Als Kantenfilter kann beispielsweise ein Sobel-Operator eingesetzt werden, oder es können andere Kantenfiltertypen eingesetzt werden. Von Bedeutung ist dabei die Mittelung über die zur Berechnung verwendeten Grauwerte. Wichtig ist dass dem Kantenfilter entweder eine geeignete Mittelung vorgeschaltet ist oder der Kantenfilter selbst eine geeignete Mittelung beinhaltet.
Abhängig von dem Kantenfilter mit größter oder alternativ kleinster Gradientenstärke werden die Größe und die Form (isotrop oder anisotrop) der Filtermaske für die örtliche (Richtungs-)Filterung gewählt. Die Größe und Form der Filtermaske passt sich also adaptiv an den Bildinhalt an. Zusätzliche Parameter, die die Wahl der Filtermaske betreffen, werden bei dieser Methode nicht benötigt.
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht in einem Verfahren, das die nachfolgenden Schritte umfasst. Zunächst wird ein Bildpixel ausgewählt. Dann werden mehrere Kantenfilter bereitgestellt und für das Bildpixel jeweils für jeden der Kantenfilter die Gradientenstärke gemessen. Abhängig von der gemessenen Gradientenstärke wird ein Kantenfilter gewählt und wiederum abhängig von dem Kantenfilter wird eine Filtermaske gewählt. Dann erfolgt die Filterung des Bildpixels.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass zwischen Kantenfiltern unterschiedlicher Größe gewählt wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass zwischen Kantenfiltern unterschiedlichen Typs gewählt wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass in Abhängigkeit vom Kantenfilter die Eigenschaften der Filtermaske, z. B. Größe, Form, isotrop/anisotrop, gewählt werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Wahl des Kantenfilters abhängig von der größten gemessenen Gradientenstärke erfolgt, d. h. dass der Kantenfilter gewählt wird, der die größte Gradientenstärke ergibt. Alternativ dazu kann der Kantenfilter auch abhängig von der kleinsten gemessenen Gradientenstärke gewählt werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass Filtermasken derart zu Kantenfiltern zugeordnet sind, dass bei großen Bild-Objektstrukturen große Filtermasken, vorzugsweise anisotrop, gewählt werden, und dass bei kleine Bild-Objektstrukturen kleine Filtermasken gewählt werden. Bei einer derartigen Zuweisung von Filtermasken zu Kantenfiltern kann dadurch erreicht werden, dass große Objektstrukturen mit großen Filtermasken (vorzugsweise anisotrop) geglättet werden und kleine Objektstrukturen mit kleinen Filtermasken (isotrop oder anisotrop). Dadurch können Verunschärfungen von kleinen Objektstrukturen vermieden werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Stärke der Filterung jeweils für jede gewählte Filtermaske eingestellt werden kann.
Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung besteht in einem Bildsystem zur Verwendung in der medizinischen Diagnostik, das eine Einrichtung zur Messung der Gradientenstärke eines Bildpixels, eine Einrichtung zur Wahl eines Kantenfilters, und eine Einrichtung zur Wahl einer Filtermaske umfasst. Das Bildsystem ist so ausgebildet, dass es das vorangehend erläuterte Filterungs-Verfahren ausführen kann.
Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung besteht in einer Vorrichtung zur medizinischen Diagnostik, insbesondere in einer Röntgendiagnostikeinrichtung, die ein Bildsystem umfasst. Das Bildsystem ist so ausgebildet, dass es das vorangehend erläuterte Filterungs-Verfahren ausführen kann.
Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung besteht in einem Computerprogrammprodukt, insbesondere zum Einsatz in einem Bildsystems zur Verwendung in der medizinischen Diagnostik, das (6) nach Anspruch 8, das dazu ausgebildet ist, das das vorangehend erläuterte Filterungs-Verfahren ausführen kann.
Weitere Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und Figuren. Es zeigen:
1 eine Röntgendiagnostikeinrichtung,
2 eine schematische Darstellung eines Filterverfahrens
3–8 Kantenfilter verschiedener Größe und
9 Filtermasken.
In der 1 ist eine 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 befestigt ist, dass er in seiner Höhe auf den Röntgenstrahler 2 ausgerichtet ist, dass die Röntgenstrahlung 3 auf den Röntgendetektor 5 fällt. Das Ausgangssignal des Röntgendetektors 5 wird einem Bildrechner oder Bildsystem 6 zugeführt. Das Bildsystem 6 kann Rechner, Wandler, Bildspeicher und Verarbeitungsschaltungen aufweisen. Es ist zur Wiedergabe der erfassten Röntgenbilder mit einer Wiedergabevorrichtung z. B. 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 Komponenten der Röntgendiagnostikeinrichtung verbunden. Das Bildsystem 6 der Röntgendiagnostikeinrichtung umfasst eine Einrichtung zur Filterung von Röntgenbildern auf, die nachfolgend erläutert werden.
In 2 ist ein Filterverfahren schematisch dargestellt. Dem Eingang 10 wird ein Eingangssignal zugeführt, das eine Vielzahl von Bildpixeln umfasst. In der Einrichtung 11 erfolgt eine Mittelung über die zur Berechnung verwendeten Grauwerte.
Vom Eingang 10 wird außerdem durch ein Signal mit einer Einrichtung 14 eine Vorverarbeitung wie z. B. das Einlesen bzw. Scannen eines Bildpixels eines aufgenommenen Röntgenbildes bzw. einer Bildserie initiiert. Dabei wird ein Bildpixel nach dem anderen z. B. zeilenweise bzw. spaltenweise gescannt.
Des Weiteren wird in der Einrichtung 15 die Gradientenstärke des jeweils gescannten Bildpixels unter Verwendung von Kantenfiltern mit verschiedenen Kantenfiltergrößen und/oder Kantenfiltertypen gemessen. Kantenfiltertypen zur Bestimmung eines Gradientenbildes beispielsweise lassen sich beispielsweise durch den sogenannten Sobel-Operator, Roberts-Operator, Laplace-Filter, Prewitt-Operator, Kirsch-Operator, Kompass-Operator, Canny-Operator bzw. Robinson-Operator darstellen bzw. ausdrücken.
In den 3 bis 8 sind Sobel-Operatoren verschiedener Größe beispielhaft dargestellt.
3: 3 × 3 Operator mit 0° Ausrichtung
4: 3 × 3 Operator mit 45° (optional) Ausrichtung
5: 3 × 3 Operator mit 90° Ausrichtung
6: 3 × 3 Operator mit 135° (optional) Ausrichtung
7: 5 × 5 Operator mit 0° Ausrichtung
8: 7 × 7 Operator mit 0° Ausrichtung
Die verschiedenen Kantenfilter, im Beispiel Sobel-Operatoren, wirken sich auf unterschiedliche Bildelemente unterschiedlich aus. Beispielsweise in Rauschbereichen ergibt ein 3 × 3 Sobel-Operator eine höhere Gradientenstärke als ein 7 × 7 oder 9 × 9 Sobel-Operator. Beim 9 × 9 Sobel-Operator wird über mehrere Werte gemittelt als beim 3 × 3 Operator. Dadurch ergibt sich eine kleinere Gradientenstärke (statistisch begründet). Bei kleinen Objekten und an den Ecken großer Objekte ergibt ein 3 × 3 Sobel-Operator ebenfalls eine höhere Gradientenstärke aufgrund der Objektgröße. An Kanten von großen Objekten ergibt ein 3 × 3 Sobel-Operator eine kleinere Gradientenstärke als ein 9 × 9 Sobel-Operator, da hier wieder die Mittelung greift.
In der Einrichtung 16 wird abhängig von der ermittelten Gradientenstärke eines Pixels der Kantenfilter gewählt, der die größte Gradientenstärke ergibt. Alternativ dazu könnte auch der Kantenfilter gewählt werden, der die kleinste Gradientenstärke ergibt. Die Auswahl erfolgt jeweils bezüglich Größe und/oder bezüglich Typ des Kantenfilters.
Mit einer Einrichtung 17 zur Wahl einer Filtermaske wird abhängig von dem vorangehend gewählten Kantenfilter eine Filtermaske gewählt. Zu diesem Zweck sind den verschiedenen Kantenfiltern jeweils geeignete Filtermasken zur örtlichen Filterung zugewiesen. Die Filtermaske wird jeweils für jedes Pixel gewählt. Sie kann z. B. in Form einer isotropen, anisotropen bzw. gerichteten Filtermaske ausgestaltet sein.
In 9 sind beispielhaft Filtermasken mit neun Bildpixeln. dargestellt. Es sind Richtungsfelder 18 bis 25 der Filtermasken für acht verschiedene Richtungen dargestellt. Es sind jedoch auch noch andere und mehr unterschiedliche Richtungen sowie höhere Anzahlen von zu mittelnden Bildpunkten möglich.
Je nach Filterform bzw. Filtergröße (= Kernelcharakteristik bzw. -größe) können weitere bildqualitätsrelevante Einflussgrößen wie beispielsweise die Filterstärke (Überblendungsfaktor zum Original, Gewichtung des Gradientenbildes) auf einem User Interface eingestellt werden.
In Einrichtung 18 erfolgt die Filterung unter Verwendung der vorangehend gewählten Filtermaske. Nach Durchlaufen des Verfahrens für alle Bildpixel steht das gefilterte Bild bzw. die gefilterten Bildpixel abschließend am Ausgang 19 zur Verfügung.
Das beschriebene Verfahren bzw. Vorrichtung kann auch als Software bzw. als Computerprogrammprodukt, das auf einem Speichermedium (z. B. DVD) speicherbar ist, auf einem digitalen Signalprozessor (DSP) derart implementiert sein, dass er die Echtzeitbildverarbeitung ermöglicht und in einem Bildsystem (z. B. Bildsystem 6 in 1) eingesetzt werden kann.
Ein Grundgedanke der Erfindung lässt sich wie folgt zusammenfassen: Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Filterung in Röntgenbildern, sowie ein entsprechendes Bildsystem 6 und ein entsprechendes Computerprogrammprodukt. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Filterungs-Methode anzugeben, bei der die Erzeugung artifizieller Strukturen vermieden ist, und bei der Kanten und Strukturen nicht verschmiert oder verunschärft werden. Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Filtermethode, die die örtlichen Gradientenstärken für unterschiedlich große Kantenfilter berechnet. Dann werden die Gradientenstärken miteinander vergleichen und der Kantenfilter gewählt, der zur größten Gradientenstärke führt. Dabei bedeutet örtlich, dass der Vergleich der Gradientenstärken jeweils für jedes einzelne Pixel ausgeführt werden. Abhängig von dem Kantenfilter mit größter Gradientenstärke werden die Größe und die Form (isotrop oder anisotrop) der Filtermaske 17 für die örtliche (Richtungs-)Filterung gewählt. Die Zuordnung von Filtermaske zu Kantenfilter wird dabei so gesteuert, dass bei großen Objekten große Filtermasken und bei kleinen Objekten, auch wenn sie kontrastreich sind, kleine Filtermasken gewählt werden. Die Größe und Form der Filtermaske 17 passt sich also adaptiv an den Bildinhalt an. Zusätzlichen Parameter, die die Wahl der Filtermaske 17 betreffen, werden bei dieser Methode nicht benötigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10309166 A1 [0003]
DE 102007058498 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Filterung in medizinischen Bildern, umfassend die Schritte: a) Auswahl eines Bildpixels, b) Bereitstellen von mindestens zwei Kantenfiltern, c) Messen der Gradientenstärke (15) eines Bildpixels jeweils für jeden der Kantenfilter, d) Wahl eines der Kantenfilter abhängig von der gemessenen Gradientenstärke, e) Wahl einer Filtermaske abhängig von dem gewählten Kantenfilter und f) Filterung (12) des Bildpixels.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zwischen Kantenfiltern unterschiedlicher Größe gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen Kantenfiltern unterschiedlichen Typs gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften der Filtermaske gewählt wird bzw. werden: Größe, Form, isotrop/anisotrop.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wahl des Kantenfilters abhängig von der größten gemessenen Gradientenstärke erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Wahl des Kantenfilters abhängig von der kleinsten gemessenen Gradientenstärke erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Zuordnung der Filtermaske zum Kantenfilter derart erfolgt, dass bei großen Bild-Objektstrukturen große Filtermasken, vorzugsweise anisotrop, gewählt werden, und dass bei kleine Bild-Objektstrukturen kleine Filtermasken gewählt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein weiterer Bildpixel ausgewählt wird, bei dem die Schritte b) bis f) wiederholt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei je gewählter Filtermaske die Stärke der Filterung eingestellt werden kann.
Bildsystem (6) zur Verwendung in der medizinischen Diagnostik, umfassend eine Einrichtung zur Messung der Gradientenstärke (15) eines Bildpixels, eine Einrichtung zur Wahl eines Kantenfilters, und eine Einrichtung zur Wahl einer Filtermaske (17), das dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
Vorrichtung zur medizinischen Diagnostik, insbesondere Röntgendiagnostikeinrichtung, umfassend ein Bildsystem (6) nach Anspruch 10.
Computerprogrammprodukt, insbesondere zum Einsatz in einem Bildsystems (6) nach Anspruch 10, das dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
Speichermedium, insbesondere DVD-Datenträger, aufweisend ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 12.