DE102010043975A1

DE102010043975A1 - Verfahren zur Reduktion der verwendeten Strahlendosis im Rahmen einer bildgebenden Röntgenuntersuchung und CT-System

Info

Publication number: DE102010043975A1
Application number: DE102010043975A
Authority: DE
Inventors: Dr. Raupach Rainer; Dr. Bruder Herbert; Dr. Flohr Thomas
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2010-11-16
Filing date: 2010-11-16
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2030-11-17
Also published as: CN102525531B; DE102010043975B4; CN102525531A; US20120121148A1; US8615122B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Röntgensystem, insbesondere ein CT-System (C1), wobei zur Reduktion der verwendeten Strahlendosis im Rahmen einer bildgebenden Röntgenuntersuchung zu jedem Pixel eines aufgenommenen Bildes Strukturinformationen einer gegebenenfalls vorhandenen Struktur in einer vorgegebenen Entfernung um das untersuchte Pixel bestimmt werden und auf das jeweils untersuchte Pixel ein richtungsabhängiges Tiefpassfilter angewendet wird, dessen räumliche Reichweite kleiner ist als die vorgegebene Entfernung und das die morphologische Information einer gegebenenfalls vorhandenen Struktur mit einer richtungsabhängigen Wichtung des Tiefpassfilters berücksichtigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein CT-System zur Reduktion der verwendeten Strahlendosis im Rahmen einer bildgebenden Röntgenuntersuchung, insbesondere einer CT-Untersuchung, wobei eine Abtastung oder Durchleuchtung eines Patienten durch Röntgenstrahlung durchgeführt wird, ein projektives oder tomographisches Bild mit einer Vielzahl von Pixel erzeugt wird, und zur Verbesserung der Bildqualität eine Filterung des Bildes vorgenommen wird.
Im Wesentlichen lassen sich bekannte Algorithmen zur Rauschminderung auf zwei unterschiedliche und jeweils getrennt eingesetzte Prinzipien zurückführen, nämlich einerseits Diffusionsfilter und andererseits morphologisches beziehungsweise kantenerhaltendes Filtern.
Diffusionsfilter betrachten die Differenz von Pixelwerten in Relation zur statistischen Unsicherheit. Neben den einfachen Diffusionsfiltern gehören auch bilaterale Filter oder bei iterativen Rekonstruktionen benutzte Regularisierer entsprechend der Patentanmeldung DE 10 2009 039 987.9-35 zu dieser Klasse. Problematisch ist an diesem Filterprinzip die Tatsache, dass Differenzen zu den Nachbarwerten individuell betrachtet werden. Werden derartige Filter so gestaltet, dass sie kantenerhaltend sind, dann steigt auch die Gefahr der Erhaltung oder sogar Verstärkung von statistischen Ausreißern. Dazu gehören auch Ausfransungen von Kanten, die durch Rauschen verursacht werden. Insofern ist die maximal erreichbare Rauschreduktion bei gleichzeitiger Kantenerhaltung begrenzt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Reduktion der verwendeten Strahlendosis im Rahmen einer bildgebenden Röntgenuntersuchung, insbesondere bei einer CT-Untersuchung, durch eine verbesserte Bildfiltertechnik zu finden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
Die Erfinder haben Folgendes erkannt: Morphologische oder strukturelle Filter analysieren meist die strukturellen Eigenschaften der Umgebung und bestimmen insbesondere die Orientierung von Kanten. Dies kann mit Hilfe von geeigneten Operatoren geschehen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Alternativ kann dies auch durch die Berechnung von richtungsabhängigen Varianzwerten geschehen, wie es in den Druckschriften DE 10 2004 008 979 B4 und DE 10 2005 038 940 B4 gezeigt wird. Anschließend werden lokal adaptive Filter verwendet, die entsprechend der ermittelten Orientierung optimal angepasst sind. Da die zuverlässige Analyse der Morphologie eine gewisse räumliche Reichweite der verwendeten Operatoren voraussetzt, besteht die Gefahr, dass kleinere Strukturen bei der Filterung beeinträchtigt werden. Bei einer zu kurzer Reichweite ist die Analyse unsicher in dem Sinne, dass statistische Effekte die berechnete Orientierung beeinflussen und damit die durchgeführte Filterung nicht zur tatsächlichen Orientierung passt. Insofern sollte erfindungsgemäß bei morphologischen Filtern ein Kompromiss zwischen der Zuverlässigkeit der Orientierungsbestimmung und dem Schaden an kleinen Strukturen eingegangen werden, wozu Informationen aus intelligenten kantenerhaltenden Bildfiltern, die entweder direkt auf Bilddaten zur Qualitätsverbesserung oder im Rahmen von iterativen Verfahren als Regularisierungs-Schritt eingesetzt werden, genutzt werden können.
Das Ergebnis der Filterung und damit das Potential zur Rausch- und Dosisreduktion kann also dadurch verbessert werden, dass beide Prinzipien geschickt kombiniert werden. Auf diese Weise ist es möglich, kurzreichweitige und von Pixelwertdifferenzen abhängige Filter und Orientierungsanalysen auf größeren Längenskalen simultan einzusetzen. Ein konkretes Beispiel hierzu wird weiter unten ausführlich beschrieben.
Somit zeigt die Erfindung ein Verfahren und ein Röntgensystem, insbesondere ein CT-System, wobei zur Reduktion der verwendeten Strahlendosis im Rahmen einer bildgebenden Röntgenuntersuchung zu jedem Pixel eines aufgenommenen Bildes Strukturinformationen einer gegebenenfalls vorhandenen Struktur in einer vorgegebenen Entfernung um das untersuchte Pixel bestimmt werden und auf das jeweils untersuchte Pixel ein richtungsabhängiges Tiefpassfilter angewendet wird, dessen räumliche Reichweite kleiner ist als die vorgegebene Entfernung und das die morphologische Information einer gegebenenfalls vorhandenen Struktur mit einer richtungsabhängigen Wichtung des Tiefpassfilters berücksichtigt.
Entsprechend diesem Grundgedanken und dem weiter unten dargestellten konkreten Beispiel schlagen die Erfinder vor, das an sich bekannte Verfahren zur Reduktion der verwendeten Strahlendosis im Rahmen einer bildgebenden Röntgenuntersuchung, insbesondere einer CT-Untersuchung, mit den Verfahrensschritten:

– Abtastung oder Durchleuchtung eines Patienten durch Röntgenstrahlung,
– Erzeugung eines projektiven oder tomographischen Bildes mit einer Vielzahl von Pixeln, und
– Filterung des Bildes zur Verbesserung der Bildqualität.

Erfindungsgemäß wird dieses Verfahren dadurch verbessert, dass:

– zu jedem Pixel Strukturinformationen, einschließlich Richtungsinformationen einer gegebenenfalls gefundenen Struktur, in einem Umkreis mit einem ersten Radius um das untersuchte Pixel gesucht werden, und
– auf das untersuchte Pixel ein richtungsabhängiges Tiefpassfilter angewendet wird, wobei einerseits dessen räumliche Reichweite kleiner ist als der erste Radius und andererseits die Richtungsinformation einer gegebenenfalls gefundenen Struktur bei einer richtungsabhängigen Wichtung des Tiefpassfilters berücksichtigt wird.

Vorteilhaft können die Strukturinformationen durch Filterung mit mindestens einem morphologischen Filter, wie er im Stand der Technik bekannt ist, bestimmt werden.
Weiterhin kann als richtungsabhängiges Tiefpassfilter bevorzugt ein Diffusionsfilter verwendet werden.
Hierbei kann das Diffusionsfilter zum Beispiel durch die iterative Anwendung von lokalen Filterschritten realisiert werden.
In einer ersten besonderen Ausführungsvariante können die lokalen Filterschritte für einen Pixelwert V(p) an der Position p wie folgt definiert werden:
wobei:

– q die Nachbarpixel von p indiziert,
– g_q,p die Filterkoeffizienten im Ortsraum definiert und
– die Influenzfunktion H die Stärke der Filterung in Abhängigkeit vom lokalen Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis (CNR), |V(q) – V(p)|/σ bestimmt.

In einer zweiten besonderen Ausführungsvariante können die lokalen Filterschritte für einen Pixelwert V(p) an der Position p definiert werden mit der nachfolgenden Formel:
wobei:

– q die Nachbarpixel von p indiziert,
– g_q,p die Filterkoeffizienten im Ortsraum definiert,
– die Influenzfunktion H die Stärke der Filterung in Abhängigkeit vom lokalen Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis |V(q) – V(p)|/σ, mit einer lokalen Rauschamplitude σ, bestimmt, und
– der Korrekturfaktor h(ν_p,q) die Eigenschaft, dass er für kleine Varianzwerte kleiner als 1 ist und für große Varianzwerte größer als 1 ist.

Alternativ kann die Bewertung „klein” oder „groß” bezüglich der Varianzwerte durch Vergleich einer lokalen eindimensionalen Varianz ν_p,q in Richtung einer Verbindungslinie der Pixel q und p mit einer lokalen Rauschamplitude σ erfolgen.
Gemäß einer weiteren Variante kann die Bewertung „klein” oder „groß” bezüglich der Varianzwerte durch Vergleich der Varianzen aller Richtungen erfolgen, indem die minimale Varianz ν_p,min und maximale Varianz ν_p,max gemäß der Vorschriften: ν_p,min = min{ν_p,q|q ∊ Nachbarschaft von p} und ν_p,max = max{ν_p,q| q ∊ Nachbarschaft von p} bestimmt werden, wobei
unter der Bedingung ν_p,q ≈ ν_p,min ein Varianzwert als ”klein” und
unter der Bedingung ν_p,q ≈ ν_p,max ein Varianzwert als ”groß” bewertet wird.
Außerdem kann der Korrekturfaktor h(ν_p,q) mit
definiert werden, wobei der Parameter a die Stärke der Anpassung bestimmt und der Parameter b die Position des Neutralpunkts im Kurvenverlauf der H-Funktion festlegt.
Alternativ kann der Korrekturfaktor h(ν_p,q) auch mit der Gleichung
berechnet werden, wobei:

– der Parameter a die Stärke der Anpassung bestimmt,
– der Parameter b die Position des Neutralpunkts im Kurvenverlauf der H-Funktion festlegt und
– der Korrekturfaktor η_p berechnet wird mit:

η_p stellt ein Maß für die lokale Isotropie dar, d. h. η_p = 1 bei isotroper Umgebung (also ν_p,min = ν_p,max) und η_p → 0 bei beliebig anisotroper Umgebung (also ν_p,min « ν_p,max).
Schließlich können erfindungsgemäß auch die lokalen Filterschritte für einen Pixelwert V(p) an der Position p berechnet werden mit:
wobei eine Überblendung von zwei verschiedenen Influenzfunktionen H₁ und H₂ ausgeführt wird und:

– q die Nachbarpixel von p indiziert,
– g_q,p die Filterkoeffizienten im Ortsraum definiert,
– die Influenzfunktion H die Stärke der Filterung in Abhängigkeit vom lokalen Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis |V(q) – V(p)|/σ, mit einer lokalen Rauschamplitude σ, bestimmt, und
– c_p,q eine Gewichtungsfunktion oder Gewichtungsfaktor darstellt.

Bei der letztgenannten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann c_p,q die Gewichtungsfunktion c_p,q mit der Vorschrift
berechnet werden, wobei gilt:

σ²: = lokaler Varianzwert (Quadrat des lokalen Rauschwertes)
c: = Skalenparameter zur Definition der Anpassungsstärke an das lokale Rauschniveau.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren beanspruchen die Erfinder auch ein Computersystem zur Bearbeitung von Röntgen- und/oder CT-Bilddatensätzen mit einem Speicher und darin gespeicherten Computerprogrammen, wobei mindestens ein Computerprogramm gespeichert sein soll und im Betrieb ausgeführt werden soll, welches ein Verfahren mit den nachfolgenden Verfahrensschritten ausführt:

– Empfang von Röntgen- oder CT-Bilddatensätzen mit einer Vielzahl von Pixeln,
– zu jedem Pixel werden Strukturinformationen, einschließlich Richtungsinformationen einer gegebenenfalls gefundenen Struktur, in einem Umkreis mit einem ersten Radius um das untersuchte Pixel gesucht,
– auf das untersuchte Pixel wird ein richtungsabhängiges Tiefpassfilter angewendet, wobei einerseits dessen räumliche Reichweite kleiner ist als der erste Radius und andererseits die Richtungsinformation einer gegebenenfalls gefundenen Struktur bei einer richtungsabhängigen Wichtung des Tiefpassfilters berücksichtigt wird.

Dieses erfindungsgemäße Computersystem kann auch mindestens ein Computerprogramm aufweisen, welches im Betrieb die zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten ausführt.
Explizit wird darauf hingewiesen, dass das oben beschriebene Computersystem sowohl alleinstehend, als auch in einem Rechnernetzwerk, als auch in unmittelbarer Verbindung mit einem CT-System oder C-Bogen-System betrieben werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet: C1: CT-System; C2: erste Röntgenröhre; C3: erster Detektor; C4: zweite Röntgenröhre; C5: zweiter Detektor; C6: Gantrygehäuse/Antriebssystem; C7: C-Bogen; C8: Patientenliege; C9: Systemachse; C10: Regel- und Steuereinheit; P: Patient; Prg₁-Prg_n: Computerprogramme; 1.1: Verlauf einer H-Funktion für lineare Tiefpassfilterung; 1.2: Verlauf einer H-Funktion für kantenerhaltende Glättung; 1.3: Verlauf einer H-Funktion für kantenerhaltende Glättung mit Aufsteilung der Kante bei hohen CNR-Werten; 2: Verlauf des Korrekturfaktors h(ν_p,q); 3.1: ungefilterte CT-Aufnahme eines Patienten; 3.2: CT-Aufnahme mit Filterung gemäß dem Stand der Technik; 3.3: CT-Aufnahme mit erfindungsgemäßer Filterung.
Es zeigen im Einzelnen:
1 den Verlauf einer H-Funktion für lineare Tiefpassfilterung,
2 den Verlauf einer H-Funktion für kantenerhaltende Glättung,
3 den Verlauf einer H-Funktion für kantenerhaltende Glättung mit Aufsteilung der Kante bei hohen CNR-Werten,
4 den Verlauf des Korrekturfaktors h(ν_p,q),
5 eine ungefilterte CT-Aufnahme eines Patienten,
6 eine CT-Aufnahme aus 5 mit Filterung gemäß dem Stand der Technik,
7 eine CT-Aufnahme aus 5 mit erfindungsgemäßer Filterung,
8 ein CT-System mit einer Recheneinheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
9 ein C-Bogen-System mit einer Recheneinheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Anhand des nachfolgenden Beispiels einer erfindungsgemäßen Ergänzung eines Diffusionsfilters durch zusätzliche morphologische, also strukturelle, Informationen soll die Erfindung verdeutlicht werden.
Diffusionsfilter lassen sich durch die iterative Anwendung von lokalen Filterschritten realisieren. Ein Filterschritt für den Pixelwert V(p) an der Position p sieht dort allgemein wie folgt aus,
Dabei indiziert q die Nachbarpixel von p. g_q,p definiert die Filterkoeffizienten im Ortsraum, z. B. mit Koeffizienten, die invers proportional zum Abstand des Pixels q von p sind. α stellt eine geeignete Zahl dar, die der Fachmann so wählt, dass die Konvergenz bei der Iteration von Gleichung (1) gesichert ist. Die Influenzfunktion H bestimmt die Stärke der Filterung in Abhängigkeit vom lokalen Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis (CNR), |V(q) – V(p)|/σ. σ kann auf unterschiedliche Weise bestimmt werden. Eine Möglichkeit der Abschätzung von σ ist die Mittelung von ν_p,min über die Nachbarschaft des betrachteten Pixels oder sogar, d. h.
wobei p' entweder eine Nachbarschaft von p durchläuft, um einen pixelabhängigen Rauschwert σ_p zu berechnen, oder über alle Pixel, um einen globalen Rauschwert σ zu erhalten.
Die 1 bis 3 zeigen den Verlauf von drei verschiedenen H-Funktionen, die zu folgenden Eigenschaften der Filterung führen, wobei auf der Ordinate der Influenz-Wert H gegenüber dem lokalen CNR auf der Abszisse dargestellt ist. Die 1 zeigt den Verlauf 1.1 der H-Funktion, die zu einer linearen Tiefpassfilterung führt, 2 zeigt den Verlauf 1.2 der H-Funktion für eine kantenerhaltende Glättung und 3 zeigt den Verlauf 1.3 der H-Funktion für eine kantenerhaltende Glättung mit einer Aufsteilung der Kante bei hohen CNR-Werten.
Insbesondere bei einem Filter gemäß der 3 werden einzelne Pixel, deren CNR zur Nachbarschaft groß ist, als „Ausreißer” stehen, beziehungsweise werden sogar im Kontrast verstärkt. Dies geschieht besonders dann, wenn der Nulldurchgang der H-Funktion zu klein gewählt ist, also z. B. in der Nähe von 1 liegt. Andererseits ist bei diesem Filter, wenn die H-Funktion zu langsam abfällt, die Selektivität zwischen Rauschen und Kanten schlecht, so dass die Schärfe von Kanten durch die Filterung reduziert wird. Da alle Differenzen der Pixelwerte zum Zentralpixel separat ausgewertet werden, funktioniert die Filterung außerdem nur dann optimal, wenn das Rauschen weiß ist, d. h. Nachbarpixel hinsichtlich ihrer Statistik unkorreliert sind.
Die Probleme können durch das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren reduziert werden. Demnach wird vor dem Filterschritt zusätzlich zur Ermittlung des lokalen Rauschens eine Analyse der Morphologie der weiteren Pixelumgebung durchgeführt. Dies kann mit Hilfe der Bestimmung von eindimensionalen Varianzwerten geschehen, wie es z. B. in den bereits zitierten Druckschriften DE 10 2004 008 979 B4 und DE 10 2005 038 940 B4 beschrieben ist. Der Wert ν_p,q beschreibt dann die Varianz in Richtung der Verbindungslinie der Pixel q und p. Entscheidend hierbei ist, dass die Reichweite zur Untersuchung der Morphologie so gewählt wird, dass sie größer als die Rauschkorngröße beziehungsweise die Reichweite der dort beschriebenen Autokorrelationsfunktion ist. Sofern das Rauschen nicht weiß ist, werden nämlich benachbarte Pixel im Bezug auf ihre statistischen Schwankungen korreliert.
Die morphologische Information kann vorteilhaft verwendet werden, wenn beispielsweise das Argument der Influenzfunktion durch einen „effektiven” CNR-Wert ersetzt wird,
Der Korrekturfaktor h(ν_p,q) hat die Eigenschaft, dass er für kleine Varianzwerte kleiner als 1 ist, also ein kleineres CNR vorgibt und damit entsprechend der 2 beziehungsweise 3 zu einer stärkeren Glättung führt, umgekehrt jedoch für große Varianzwerte größer als 1 ist, d. h. zu einer geringeren Glättung beziehungsweise sogar zu einer stärkeren Aufsteilung führt. Die Bewertung „klein” oder „groß” kann entweder durch den Vergleich von ν_p,q mit der lokalen Rauschamplitude σ erfolgen, oder durch den Vergleich der Varianzen aller Richtungen. Im zweiten Fall werden zunächst die minimale und maximale Varianz definiert, ν_p,min = min{ν_p,q|q ∊ Nachbarschaft von p} (3a) und ν_p,max = max{ν_p,q|q ∊ Nachbarschaft von p} (3b)
Eine mögliche Funktion, deren Verlauf 2 in der 4 dargestellt ist, kann dann beispielsweise mit der nachfolgenden Formel definiert werden:
Der Parameter a bestimmt hier die Stärke der Anpassung, während b die Position des Neutralpunkts festlegt.
Allerdings sind auch andere Funktionen mit den geforderten elementaren Eigenschaften denkbar. Eine weitere Verbesserung ist eine Adaption an das lokale Maß der Isotropie,
in Form eines modifizierten Korrekturfaktors,
Dadurch wird der Korrekturmechanismus im Falle einer isotropen Umgebung abgeschwächt.
Eine alternative Möglichkeit der erfindungsgemäßen Verwendung der morphologischen Information stellt die Überblendung von zwei verschiedenen Influenzfunktionen H₁ und H₂ dar, die das CNR jeweils auf verschiedenen Längenskalen berücksichtigen gemäß:
Eine mögliche Gewichtungsfunktion kann wie folgt aussehen,
Die Influenzfunktion H₂ wird demnach mit hohem Gewicht verwendet, wenn gemäß Term I die Umgebung des Voxels p anisotrop ist, gleichzeitig gemäß Term II die minimale Varianz klein ist und gemäß Term III die Varianz in die betrachtete Richtung q in der Nähe des Minimums oder des Maximums der lokalen Varianzen liegt, z. B. durch die Wahl von b = 1/2. Der Parameter c dient der Einstellung der Abhängigkeit vom CNR²-Wert ν_p,min/σ², und a definiert die Größe des Gesamtgewichts bzw. das Maximalgewicht. Mit der in Gleichung (8) gewählten Gewichtsfunktion ist es sinnvoll, H₂ für die Situation zu optimieren, bei der ausgeprägte Tangentialflächen vorhanden sind, und H₁ für den entgegen gesetzten Fall.
Denkbar ist auch eine Kombination aus den Varianten der Gleichungen (2) und (7). Das vorgestellte Verfahren ist nicht beschränkt auf eine bestimmte Zahl von Dimensionen und kann auf 2D-Bild- oder Projektionsdaten, 3D-Bilddaten oder auch 4D-Daten angewendet werden, wobei als dritte oder vierte Dimension die Zeit in dynamischen Aufnahmen herangezogen werden kann.
Mit den 5 bis 7 ist ein Anwendungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Gleichung (7) bei extremer Filterstärke dargestellt. Das Ausgangsbild 3.1 in der 5 ist dabei zunächst gemäß Gleichung (1) gefiltert und mit seinem Ergebnisbild 3.2 in der 6 dargestellt worden. Die H-Funktion entspricht dabei dem Typ aus 4. Das Ergebnis einer Filterung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist auf dem Bild 3.3 in der 7 gezeigt, wobei H₁ vom Typ gemäß 4 und H₂ vom Typ gemäß 3 gewählt wurde. Es zeigt sich, dass einigen Kanten des Bildes in 6 die Konturen mit der ursprünglichen Methode durch die Form der Rauschkörner bestimmt wird, während bei dem Bild 3.3 aus 7, das mit dem erfindungsgemäß modifizierten Verfahren gefiltert wurde, „Unebenheiten” in der Größe der Rauschkörner entsprechend der Tangentialebenen auf einer größeren Längenskala entfernt werden. Durch die aufsteilende Wirkung von H₂ bei großen CNR-Werten sind die Kanten im Bild 3.3 der 7 jedoch orthogonal zu den Tangentialebenen zugleich schärfer als im Bild 3.2 der 6. Markante Stellen sind in den 6 und 7 mit Pfeilen markiert.
Die 8 zeigt beispielhaft ein CT-System 1, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Das CT-System C1 besteht aus einem Gantrygehäuse C6, bei dem sich auf der Gantry ein erstes Röhren-/Detektorsystem, bestehend aus einer ersten Röntgenröhre C2 und einem gegenüberliegenden ersten Detektor C3, befindet. Optional kann ein weiteres Röhren-/Detektorsystem vorgesehen sein, bestehend aus der zweiten Röntgenröhre C4 und dem gegenüberliegenden zweiten Detektor C5. Beide Röhren-/Detektorsysteme können während der Abtastung um ein Messfeld rotieren, welches hier durch eine Öffnung in dem Gantrygehäuse C6 beschrieben wird, während ein Patient P, der sich auf einer verfahrbaren Patientenliege C8 befindet, entlang einer Systemachse C9 durch das Messfeld geschoben wird. Die Bewegung des Patienten P kann hierbei sowohl kontinuierlich, als auch sequentiell erfolgen. Außerdem kann auch bei einer Untersuchung einer bestimmten Region ausschließlich diese bestimmte Region des Patienten ins Messfeld verbracht werden, auf der er dann stationär während der Abtastung verharrt.
Die Steuerung des CT-Systems 1 wird durch eine Regel- und Steuereinheit C10 übernommen, welche einen Speicher mit Computerprogrammen Prg₁ bis Prg_n aufweist, in denen die notwendigen Verfahren zur Steuerung des CT-Systems und zur Auswertung der empfangenen Detektordaten, einschließlich der Rekonstruktion entsprechender Bilddaten, gespeichert sind. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ebenfalls in einem Computerprogramm kodiert und im Programmspeicher der Steuer- und Regeleinheit C10, also einer Recheneinheit, implementiert sein, so dass dieses Verfahren im Betrieb des Systems in seinen Verfahrensschritten. abgearbeitet wird.
Die 9 zeigt ebenfalls ein CT-System in Gestalt eines C-Bogen-Systems C1, welches einen C-Bogen C7 aufweist, an dessen Enden sich eine Röntgenröhre C2 mit einem gegenüberliegenden Detektor C3 befinden. Dieser C-Bogen C7 kann mit Hilfe des Antriebsystems C6 rotatorisch um einen Patienten P bewegt werden, welcher sich auf einer Patientenliege C8 befindet. Aufgrund der Bauweise des C-Bogen-Systems C1 ist der Patient P während der Untersuchung leichter zugänglich.
Die Regelung und Steuerung des C-Bogen-Systems C1 wird durch eine Regel- und Steuereinheit C10 ausgeführt, welche Computerprogramme Prg₁ bis Prg_n aufweist, wobei auch hier Programmcode im Speicher dieser Regel- und Steuereinheit vorgesehen sein kann, welcher im Betrieb das erfindungsgemäße Verfahren durchführt.
Insgesamt wird also mit der Erfindung ein Verfahren und ein Röntgensystem, insbesondere ein CT-System, vorgestellt, wobei zur Reduktion der verwendeten Strahlendosis im Rahmen einer bildgebenden Röntgenuntersuchung zu jedem Pixel eines aufgenommenen Bildes Strukturinformationen einer gegebenenfalls vorhandenen Struktur in einer vorgegebenen Entfernung um das untersuchte Pixel bestimmt werden und auf das jeweils untersuchte Pixel ein richtungsabhängiges Tiefpassfilter angewendet wird, dessen räumliche Reichweite kleiner ist als die vorgegebene Entfernung und das die morphologische Information einer gegebenenfalls vorhandenen Struktur mit einer richtungsabhängigen Wichtung des Tiefpassfilters berücksichtigt.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009039987 [0003]
DE 102004008979 B4 [0006, 0042]
DE 102005038940 B4 [0006, 0042]

Claims

Verfahren zur Reduktion der verwendeten Strahlendosis im Rahmen einer bildgebenden Röntgenuntersuchung, insbesondere einer CT-Untersuchung, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte: 1.1. Abtastung oder Durchleuchtung eines Patienten (P) durch Röntgenstrahlung, 1.2. Erzeugung eines projektiven oder tomographischen Bildes (3.1) mit einer Vielzahl von Pixeln, und 1.3. Filterung des Bildes zur Verbesserung der Bildqualität, dadurch gekennzeichnet, dass 1.4. zu jedem Pixel Strukturinformationen, einschließlich Richtungsinformationen einer gegebenenfalls gefundenen Struktur, in einem Umkreis mit einem ersten Radius um das untersuchte Pixel gesucht werden, 1.5. auf das untersuchte Pixel ein richtungsabhängiges Tiefpassfilter angewendet wird, wobei einerseits dessen räumliche Reichweite kleiner ist als der erste Radius und andererseits die Richtungsinformation einer gegebenenfalls gefundenen Struktur bei einer richtungsabhängigen Wichtung des Tiefpassfilters berücksichtigt wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturinformationen durch Filterung mit mindestens einem morphologischen Filter bestimmt werden.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass als richtungsabhängiges Tiefpassfilter ein Diffusionsfilter eingesetzt wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Diffusionsfilter durch die iterative Anwendung von lokalen Filterschritten realisiert wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Filterschritte für einen Pixelwert V(p) an der Position p wie folgt definiert sind:
wobei: – q die Nachbarpixel von p indiziert, – g_q,p die Filterkoeffizienten im Ortsraum definiert und – die Influenzfunktion H die Stärke der Filterung in Abhängigkeit vom lokalen Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis (CNR), |V(q) – V(p)|/σ bestimmt.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Filterschritte für einen Pixelwert V(p) an der Position p wie folgt definiert sind:
wobei: – q die Nachbarpixel von p indiziert, – g_q,p die Filterkoeffizienten im Ortsraum definiert, – die Influenzfunktion H die Stärke der Filterung in Abhängigkeit vom lokalen Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis |V(q) – V(p)|/σ, mit einer lokalen Rauschamplitude σ, bestimmt, und – der Korrekturfaktor h(ν_p,q) die Eigenschaft besitzt, dass er für kleine Varianzwerte kleiner als 1 ist und für große Varianzwerte größer als 1 ist.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertung „klein” oder „groß” bezüglich der Varianzwerte durch Vergleich einer lokalen eindimensionalen Varianz ν_p,q in Richtung einer Verbindungslinie der Pixel q und p mit einer lokalen Rauschamplitude σ erfolgt.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertung „klein” oder „groß” bezüglich der Varianzwerte durch Vergleich der Varianzen aller Richtungen erfolgt, indem die minimale Varianz ν_p,min und maximale Varianz ν_p,max gemäß der Vorschriften: ν_p,min = min{ν_p,q|q ∊ Nachbarschaft von p} und ν_p,max = max{ν_p,q|q ∊ Nachbarschaft von p} bestimmt werden, wobei unter der Bedingung ν_p,q ≈ ν_p,min ein Varianzwert als ”klein” und unter der Bedingung ν_p,q ≈ ν_p,max ein Varianzwert als ”groß” bewertet wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturfaktor h(ν_p,q) definiert wird mit:
wobei der Parameter a die Stärke der Anpassung bestimmt und der Parameter b die Position des Neutralpunkts im Kurvenverlauf der H-Funktion festlegt.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturfaktor h(ν_p,q) definiert wird mit:
wobei: – der Parameter a die Stärke der Anpassung bestimmt, – der Parameter b die Position des Neutralpunkts im Kurvenverlauf der H-Funktion festlegt und – der Korrekturfaktor η_p berechnet wird mit:
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Filterschritte für einen Pixelwert V(p) an der Position p wie folgt definiert sind:
wobei eine Überblendung von zwei verschiedenen Influenzfunktionen H₁ und H₂ ausgeführt wird und: – q die Nachbarpixel von p indiziert, – g_q,p die Filterkoeffizienten im Ortsraum definiert, – die Influenzfunktion H die Stärke der Filterung in Abhängigkeit vom lokalen Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis |V(q) – V(p)|/σ, mit einer lokalen Rauschamplitude σ, bestimmt, und – c_p,q eine Gewichtungsfunktion oder Gewichtungsfaktor darstellt.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass c_p,q die Gewichtungsfunktion c_p,q berechnet wird mit:
Computersystem (C1) zur Bearbeitung von Röntgen- und/oder CT-Bilddatensätzen mit einem Speicher und darin gespeicherten Computerprogrammen (Prg₁–Prg_n), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Computerprogramm gespeichert ist und im Betrieb ausgeführt wird, welches ein Verfahren mit den nachfolgenden Verfahrensschritten ausführt: 13.1. Empfang von Röntgen- oder CT-Bilddatensätzen (3.1) mit einer Vielzahl von Pixel, 13.2. zu jedem Pixel werden Strukturinformationen, einschließlich Richtungsinformationen einer gegebenenfalls gefundenen Struktur, in einem Umkreis mit einem ersten Radius um das untersuchte Pixel gesucht, 13.3. auf das untersuchte Pixel ein richtungsabhängiges Tiefpassfilter angewendet wird, wobei einerseits dessen räumliche Reichweite kleiner ist als der erste Radius und andererseits die Richtungsinformation einer gegebenenfalls gefundenen Struktur bei einer richtungsabhängigen Wichtung des Tiefpassfilters berücksichtigt wird.
Computersystem (C1) gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Computerprogramm gespeichert ist, welches im Betrieb ein Verfahren mit dem Merkmalen eines der voranstehenden Verfahrensansprüche 2 bis 12 ausführt.