DE102010063435A1

DE102010063435A1 - Verfahren zur Transformation von Eingangsdaten sowie medizintechnisches Gerät

Info

Publication number: DE102010063435A1
Application number: DE102010063435A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kraft Edgar; Dr. Kappler Steffen; Dr. Niederlöhner Daniel; Helmut Winkelmann; Thomas Reichel; Dr. Stierstorfer Karl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2030-12-18
Also published as: US9078625B2; CN102525532A; US20120158811A1; DE102010063435B4; CN102525532B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Messdaten von einem Sendersystem (32) zu einem Empfängersystem (33) über eine Übertragungsstrecke (34) eines medizintechnischen Geräts, insbesondere eines CT-Systems (1), bei dem die Messdaten als Eingangsdaten (S) eines Transformationsverfahrens zu Ausgangswerten (T) transformiert und nach Übertragen über die Übertragungsstrecke (34) wieder rücktransformiert werden, wobei die Werte der Eingangsdaten (S) zwischen einem Maximalwert (Max) und einem Minimalwert (Min) liegen, und zum Komprimieren eine Zuordnungsfunktion verwendet wird, um jedem Wert der Eingangsdaten (S) einen Ausgangswert (T) zuzuweisen. Erfindungsgemäß wird als Zuordnungsfunktion für wenigstens einen Teil der Werte zwischen dem Minimalwert und dem Maximalwert eine Wurzelfunktion (SQR) verwendet. Die Erfindung betrifft ferner ein medizintechnisches Gerät (1) zur Durchführung des Transformationsverfahrens und zur Rücktransformation dieser Daten sowie in das Sendersystem (32) und das Empfängersystem (33) ladbare Computerprogrammprodukte zur Transformation und Rücktransformation der Daten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Messdaten von einem Sendersystem zu einem Empfängersystem über eine Übertragungsstrecke eines medizintechnischen Geräts, insbesondere eines Röntgen-Systems, bei dem die Messdaten als Eingangsdaten eines Tranformationsverfahrens zu Ausgangswerten transformiert und nach Übertragen über die Übertragungsstrecke wieder rücktransformiert werden, wobei die Werte der Eingangsdaten zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert liegen, und zum Transformieren eine Zuordnungsfunktion verwendet wird, um jedem Wert der Eingangsdaten einen Ausgangswert zuzuweisen. Ferner betrifft die Erfindung ein medizintechnisches Gerät sowie Computerprogrammprodukte, welche direkt in den Speicher des Sendesystems oder des Empfängersystems eines medizintechnischen Geräts ladbar sind.
Während der Durchführung von Untersuchungen mit medizintechnischen Geräten, wie z. B. CT-Systemen, werden mit dem rotierenden Detektor in sehr kurzer Zeit große Datenmengen generiert, da der Detektor eine Vielzahl von Kanälen aufweist, die während einer Untersuchung in kurzen Abtastintervallen ausgelesen werden. Diese Daten müssen vom rotierenden Teil, der Gantry des CT-Systems, bzw. vom Detektor über eine Übertragungsstrecke zum nicht-rotierenden Teil des CT-Systems, d. h. zur Bildrekonstruktionseinrichtung, übertragen werden, die aus diesen Daten die zu rekonstruierenden Bilder erstellt. Diese Übertragung soll möglichst schnell ablaufen, gleichzeitig sollten aber möglichst keine Verluste in der Signalqualität der Daten, z. B. ein erhöhtes Rauschen durch den Übertragungsvorgang der Daten auftreten. Um die Schleifringe aufweisende Übertragungsstrecke zwischen dem rotierenden Teil und dem nicht-rotierenden Teil seitens der Bandbreite und Kapazität möglichst kostengünstig auszulegen, ist eine Reduzierung der Datenmenge, z. B. durch Komprimierungsalgorithmen, notwendig.
Zurzeit werden die Daten für die Übertragung von der Gantry zur Datenverarbeitung so vorverarbeitet, dass von den ursprünglichen 20-Bit-Daten des Analog/Digital-Umsetzers ein Offset-Wert subtrahiert wird. Das Ergebnis wird durch eine Transformation logarithmiert und dadurch in einen 16-Bit-Datenraum skaliert. Durch diesen Vorgang wird die Datenmenge bereits deutlich reduziert, es kommt jedoch zu einem Abschneiden (dem sogenannten Clipping) negativer Werte. Bei hohen Datenraten, z. B. bei kurzen Abtastzeiten oder voller Detektorausnutzung, wird ein zusätzlicher Komprimierungsalgorithmus angewandt, um die Daten weiter zu komprimieren, so dass die Kapazität der zur Verfügung stehenden Übertragungsstrecke, d. h. der Schleifringe, ausreicht, um die Daten während der Untersuchung Schritt haltend zu übertragen. Auf der Empfängerseite wird diese zusätzliche Komprimierung zunächst in einem sogenannten Receiver wieder rückgängig gemacht, der der Datenverarbeitung vorgeschaltet ist. Anschließend werden die Daten im logarithmierten Datenformat zur Datenverarbeitung weitergeleitet. Dort werden die Daten anschließend entweder in logarithmischer Form weiterverarbeitet oder auf die ursprüngliche lineare Skala rücktransformiert, d. h delogarithmiert (exponenziert).
Obwohl die Bereitstellung logarithmischer Daten gut auf die weitere Verarbeitung, d. h. Bildrekonstruktion, zugeschnitten ist, weist dieses Vorgehen folgende Nachteile auf:

1. Durch Rauschen können bei niedrigem Eingangssignal negative Messwerte auftreten. Da für Zahlen kleiner oder gleich Null kein reeller Logarithmus definiert ist werden solche Werte auf einen festen Wert > Null gesetzt (Clipping). Die Folge ist, dass bei nachträglichem Fusing (= Kombination mehrer benachbarter Pixel im Rahmen der Bildrekonstruktion) eine nur unbefriedigende Rauschreduktion erzielt werden kann.
2. Es gibt spezielle Korrektur-Algorithmen, wie z. B. Streustrahl-Korrektur, EFS-Filter etc., in denen zusätzlich zu den logarithmischen Daten auch die Repräsentation der Daten auf einer linearen Intensitätsskala, d. h. lineare Daten, benötigt wird. Das zusätzliche Transformieren der logarithmierten zu linearen Daten verursacht einen unerwünschten zusätzlichen Zeitaufwand.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Transformieren von Eingangsdaten bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird zum einen durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1, durch ein medizintechnisches Gerät gemäß Anspruch 11 und durch Computerprogrammprodukte gemäß den Ansprüchen 13 und 14 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Eingangsdaten, die mittels eines medizintechnischen Geräts, wie z. B. eines CT-Systems, gewonnen wurden, mittels einer Zuordnungsfunktion transformiert, die jedem Wert der Eingangsdaten einen Ausgangswert zuweist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass für wenigstens einen Teilbereich der Werte, die zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert liegen können, eine Wurzelfunktion verwendet wird.
Entsprechend weist ein medizintechnisches Gerät, insbesondere ein Röntgen-System, besonders bevorzugt ein CT-System, ein durch eine Übertragungsstrecke zur Übertragung von Messdaten miteinander verbundenes Sendersystem und Empfängersystem auf, das die Messdaten als Eingangsdaten einer Transformation zu Ausgangswerten transformiert und nach Übertragen über die Übertragungsstrecke wieder rücktransformiert. Die Werte der Eingangsdaten liegen zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert, und zur Transformation wird eine Zuordnungsfunktion verwendet, um jedem Wert der Eingangsdaten einen Ausgangswert zuzuweisen, wobei erfindungsgemäß als Zuordnungsfunktion für wenigstens einen Teil der Werte zwischen dem Minimalwert und dem Maximalwert eine Wurzelfunktion verwendet wird.
Ein Computerprogrammprodukt, welches direkt in den Speicher des Sendesystems ladbar ist, weist Programmcodeabschnitte auf, um eine Transformation von Eingangsdaten unter Verwendung einer Wurzelfunktion durchzuführen.
Ein zweites Computerprogrammprodukt, welches direkt in den Speicher des Empfängersystems ladbar ist, weist Programmcodeabschnitte auf, um eine Rücktransformation der transformierten Eingangsdaten auszuführen und/oder wahlweise linearisierte Daten und/oder logarithmierte Daten an eine Datenverarbeitung, wie z. B. einer Bildrekonstruktionsseinrichtung, auszugeben.
Durch die Wahl einer Wurzelfunktion als zumindest ein Teil der Zuordnungsfunktion ist eine Anpassung an die Rauschcharakteristik und damit an den Informationsgehalt des Signals des Detektors möglich, da das Signal/Rausch-Verhältnis in weitem Bereich vom photonischen Rauschen dominiert wird und daher wurzelförmig von der Signalgröße abhängt. Somit bleibt der Informationsgehalt nahezu unverändert, aber die erforderliche Bandbreite zur Übertragung wird reduziert und damit eine Anpassung an die Kanalkapazität der Übertragungsstrecke bewirkt. Die Umsetzung der Daten ist mittels programmierbarer Logik, wie z. B. ein Field Programmable Gate Array (FPGA), einfach zu implementieren. Das unerwünschte Abschneiden von Werten (Clipping) der Daten wird durch ein weiteres erfinderisches Merkmal, nämlich die untransformierte Übertragung von Messwerten unterhalb einer definierten Schwelle, vermieden. Die Reduktion des zu übertragenden Datenvolumens durch die Transformationsfunktion ermöglicht durch die bessere Nutzung bestehender Übertragungskapazitäten weitere Einsparmöglichkeiten im medizintechnischen Gerät. Dies erlaubt es z. B. auch, medizintechnische Geräte mit besonders großen Detektoren zu realisieren, da so auch die sich ergebenden größeren Datenmengen problemlos übertragen werden können. Ferner eignet sich dieses Verfahren vor allem auch für quantenzählende Detektoren, da insbesondere im unteren Ansteuerungsbereich, d. h. für niedrige Messwerte, verlustfrei (untransformiert) übertragen wird.
Ein besonderer Vorteil der Wurzelfunktion ist, dass sich die Genauigkeit der transformierten Daten optimal an den Informationsgehalt des Eingangssignals anpassen lässt. Dies ermöglicht eine reduzierte Wortbreite der zu übertragenden Daten, pro Abtastwert z. B. 12 Bit/Pixel statt bisher 16 Bit/Pixel. In Kombination mit einer anschließenden weiteren Komprimierung der Daten kann diese Reduzierung im ersten Schritt eine überproportionale Reduzierung der tatsächlich zu übertragenden Daten bewirken. Der Grund hierfür liegt im Verhalten des Komprimierers: Verhält er sich derart, dass seine Einsparung (in Bit/Pixel) in guter Näherung nur von dem konkreten Signal, nicht jedoch von der Wortbreite der komprimierten Daten abhängt, lässt sich das Volumen der zu übertragenden Daten überproportional verringern. Beträgt die Kompressionseinsparung im konkreten Fall beispielsweise 5 Bit/Pixel, verringert sich die das Datenvolumen bei logarithmischer Transformation von 16 Bit/Pixel auf 11 Bit/Pixel (69% des Ausgangsvolumens), bei erfindungsgemäßer Transformation hingegen von 12 Bit/Pixel auf 7 Bit/Pixel (58% des Ausgangsvolumens).
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung. Dabei können das Röntgen-System oder die Computerprogrammprodukte auch analog zu den abhängigen Verfahrensansprüchen weitergebildet sein.
Es können Wurzelfunktionen beliebigen Grades, z. B. dritten oder vierten Grades, verwendet werden. Vorzugsweise wird eine Quadratwurzelfunktion verwendet, da das Signal-Rausch-Verhältnis quadratwurzelförmig von der Zahl der Röntgenquanten abhängt und die Transformation somit ideal an das Quantenrauschen angepasst ist. Es werden also keine rauschbedingten Signalabweichungen überproportional durch die Transformation verstärkt.
Vorzugsweise kann (neben der Wurzelfunktion als einer ersten Zuordnungsfunktion) für wenigstens einen zweiten Teil der Werte zwischen dem Minimalwert und dem Maximalwert als Zuordnungsfunktion eine von der ersten Zuordnungsfunktion verschiedene zweite Zuordnungsfunktion verwendet werden. Als zweite Zuordnungsfunktion kann eine Wurzelfunktion eines anderen Grades oder ein geeignetes Polynom verwendet werden. So kann beispielsweise in einer vorteilhaften Weiterbildung als zweite Zuordnungsfunktion eine lineare Funktion verwendet werden. Dabei kann die lineare Funktion für einen Abschnitt der Eingangswerte verwendet werden, die niedriger sind als die Eingangswerte, für die die Wurzelfunktion verwendet wird. Somit wird erreicht, dass die komprimierten Ausgangswerte, insbesondere für kleine Werte, klein bleiben, woraus ein entscheidender Gewinn im Transformationsfaktor resultiert. D. h. es wird vorzugsweise bezüglich der Eingangsdaten ein Umschaltpunkt zwischen den beiden Übertragungsfunktionen festgelegt, unterhalb dessen die Eingangsdaten nach der zweiten Zuordnungsfunktion transformiert werden und oberhalb dessen sie nach der ersten Zuordnungsfunktion transformiert werden.
Um negative Werte, die bei der Offset-Korrektur nach einer Analog/Digital-Umwandlung der Eingangsrohdaten entstehen können, zu vermeiden, wird bei der zweiten Zuordnungsfunktion, insbesondere linearen Funktion, vorzugsweise ein Bias-Wert hinzuaddiert, der größer als Null gewählt ist. Der Wert des Bias-Werts orientiert sich vorteilhafterweise an der Stärke des Rauschens der Rohdaten und ist so groß gewählt, dass negative Werte nur mit geringer, d. h. vernachlässigbarer Wahrscheinlichkeit auftreten können. Tritt ein solcher Fall tatsächlich ein, wird statt einem negativen Wert der Wert Null übertragen, was bei ausreichend großem Bias-Wert einen vernachlässigbaren Einfluss hat. Somit wird durch Addition eines geeigneten Bias-Werts das Clipping negativer Werte vermieden, ohne dass ein Vorzeichen-Bit erforderlich ist, das fast die Hälfte des Dynamikbereiches verschwenden würde. Somit wird die Transformation bei Rauschen deutlich verbessert.
Insbesondere bei der Wurzelfunktion können vor oder nach dem Anwenden dieser Zuordnungsfunktion die Werte mit einem Skalierungsfaktor multipliziert werden, dessen Wert größer Null gewählt ist. So bewirkt der Skalierungsfaktor, dass die Transformation bei einer gewählten Bit-Breite den verfügbaren dynamischen Bereich maximal ausnutzt. Vorteilhaft sind dabei die elektronisch sehr einfach berechenbaren Zweierpotenzen. Es kann vorzugsweise der Wert des Skalierungsfaktors α in Abhängigkeit vom Maximal- und/oder Minimalwert der Eingangsdaten gewählt werden. Z. B. kann der Skalierungsfaktor α derart bestimmt werden, dass ein maximaler Detektormesswert nach der Transformation z. B. einem 12 Bit Wert entspricht. In diesem Fall erfolgt also eine Bestimmung des Skalierungsfaktors α nur anhand von möglichen Maximalwerten. Alternativ ist es aber auch möglich, zur Bestimmung des Skalierungsfaktors α den Minimalwert oder anderen Werte zwischen dem Minimal- oder Maximalwert heranzuziehen. Dies erlaubt eine Anpassung an die Werteverteilung der Eingangsdaten, insbesondere wenn wesentliche Teile der Eingangsdaten niedrige Werte aufweisen. Liegt beispielsweise der zu erwartende maximale Eingangswert bei einem Viertel des Wertes bei maximaler Strahlintensität, so kann der Skalierungsfaktor entsprechend erhöht werden. In diesem Fall kann neben dem Clipping stark negativer Eingangsdaten auch ein Clipping zu große Werte eingesetzt werden, bei dem alle Werte jenseits der Abschneideschwelle auf einen gleichen Wert gesetzt werden.
Es werden also vorzugsweise die konkreten Werte für den Umschaltpunkt zwischen beiden Übertragungsfunktionen und für den Skalierungsfaktor in Abhängigkeit von der gewünschten Bit-Breite pro Pixel, dem maximal möglichen Messwert der Eingangsrohdaten und dem gewählten Bias-Wert bestimmt.
Um einen stetigen Übergang zwischen den beiden Zuordnungsfunktionen zu erreichen ist vorzugsweise vorgesehen, dass auf die Werte oder von den Werten der Eingangsdaten vor dem Anwenden der ersten Zuordnungsfunktion, d. h. der Wurzelfunktion, ein definierter, konstanter Verschiebe-Wert addiert oder subtrahiert wird. Der Verschiebe-Wert kann einen positiven oder negativen Wert aufweisen. So kann die erste Zuordnungsfunktion gewissermaßen entlang einer ersten Achse verschoben werden.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass nach dem Anwenden der ersten Zuordnungsfunktion auf die Werte oder von den Werten der Eingangsdaten ein Verschiebe-Wert addiert oder subtrahiert wird. Der Verschiebe-Wert kann einen positiven oder negativen Wert aufweisen. Dies erlaubt es, die erste Zuordnungsfunktion entlang einer zweiten Achse zu verschieben, die senkrecht zur ersten Achse verläuft. Somit kann durch die beiden Verschiebe-Werte die erste Zuordnungsfunktion in zwei Richtungen in der Ebene so verschoben werden, dass der Übergang zwischen den beiden Zuordnungsfunktionen stetig ist. Somit ist im Übergangspunkt eine eindeutige Zuordnung der Eingangs- zu den Ausgangswerten ohne Unstetigkeiten gegeben.
Vorzugsweise sollte der Übergang zwischen der ersten und der zweiten Zuordnungsfunktion nicht nur stetig sondern auch stetig differenzierbar sein. Die Werte für die Verschiebewerte werden hierzu vorzugsweise derart gewählt, dass im Übergangspunkt von der ersten Zuordnungsfunktion zur zweiten Zuordnungsfunktion die Ableitung der ersten Zuordnungsfunktion und der zweiten Zuordnungsfunktion gleich sind. Wenn also z. B. die zweite Zuordnungsfunktion eine lineare Funktion mit der Steigung 1 ist, wird die Wurzelfunktion so mittels der Verschiebewerte variiert, dass die Steigung der skalierten Wurzelfunktion am Umschaltpunkt ebenfalls gleich 1 ist.
Bei den Werten für den Bias-Wert, den Skalierungsfaktor, den Verschiebewerten und den Grad der Wurzelfunktion kann es sich um festgelegte, unveränderliche Werte handeln, die für eine so genannte statische Transformation bei allen Untersuchungen gleich bleiben. Anstelle einer derartigen statischen Transformation kann eine dynamische Transformation Verwendung finden, bei der die Werte für einen oder alle der oben genannten Werte bei jeder Untersuchung neu bestimmt und festgelegt wird. Dies ermöglicht eine verbesserte Ausnutzung der Kanalkapazität der Übertragungsstrecke. Bei der dynamischen Transformation wird z. B. von der Steuerung des CT-Systems bei der Konfiguration des Aufnahme-Modus z. B. der optimierte Skalierungsfaktor und/oder der Umschaltpunkt oder ein äquivalenter Konfigurationsparameter an das Datenvorverarbeitungssystem und den Receiver des medizintechnischen Gerätes, wie z. B eines CT-Systems übermittelt. Die Bit-Breite pro Pixel wird dabei nicht verändert.
Werden beispielsweise bei konstantem Skalierungsfaktor und einem durch die Verschiebewerte festgelegten Umschaltpunkt für eine ausreichende Qualität bei hoher Intensität 14 Bit/Pixel, bei mittlerer Intensität 13 Bit/Pixel und bei niedriger Intensität 12 Bit/Pixel benötigt, so müsste z. B. das Röntgen-System bzw. CT-System nach bisherigem Konzept auf 14 Bit/Pixel ausgelegt werden. Mit der Erfindung kann jedoch eine ausreichende Qualität bereits mit 12 oder 13 Bit erreicht werden, was bei knapp dimensionierter Datenübertragungskapazität der Übertragungsstrecke den Verzicht auf Datenkomprimierung ermöglicht.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beiliegenden Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Röntgen-Computertomographiesystems mit einer Bildrekonstruktionseinrichtung,
2 eine schematische Darstellung des Transformations- und Rücktransformationsvorgangs,
3 eine Darstellung der zusammengesetzten Zuordnungsfunktion, und
4 ein Ablaufdiagramm des Transformationsvorgangs.
In 1 ist zunächst schematisch ein medizintechnisches Gerät, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein CT-System 1 mit einer Bildrekonstruktionseinrichtung 21 dargestellt.
Das CT-System 1 als Beispiel für ein Röntgen-System besteht dabei im Wesentlichen aus einem üblichen Scanner 10, in welchem an einer Gantry 11 ein Detektorsystem 5 mit einem rotierenden Detektor 16 und einer dem Detektor 16 gegenüberliegenden Röntgenquelle 15 einen Messraum 12 umläuft. Vor dem Scanner 10 befindet sich eine Patientenlagerungseinrichtung 3 bzw. ein Patiententisch 3, dessen oberer Teil 2 mit einem darauf befindlichen Patienten O zum Scanner 10 verschoben werden kann, um den Patienten O durch den Messraum 12 hindurch relativ zum Detektorsystem 16 zu bewegen. Angesteuert werden der Scanner 10 und der Patiententisch 3 durch eine Steuereinrichtung 20, von der aus über eine übliche Steuerschnittstelle 24 Akquisitionssteuersignale AS kommen, um das gesamte System gemäß vorgegebener Messprotokolle in der herkömmlichen Weise anzusteuern. Durch die Bewegung des Patienten O entlang der z-Richtung, welche der Systemachse z längs durch den Messraum 12 entspricht, und den gleichzeitigen Umlauf der Röntgenquelle 15 ergibt sich für die Röntgenquelle 15 relativ zum Patienten O während der Messung eine Helixbahn. Parallel läuft dabei immer gegenüber der Röntgenquelle 15 der Detektor 16 mit, um als Eingangsrohdaten E Messdaten des Patienten O zu erfassen, die dann zur Rekonstruktion von Volumenbilddaten genutzt werden. Ebenso kann auch ein sequenzielles Messverfahren durchgeführt werden, bei dem eine feste Position in z-Richtung angefahren wird und dann während eines Umlaufs, eines Teilumlaufs oder mehrerer Umläufe an der betreffenden z-Position die erforderlichen Eingangsrohdaten E erfasst werden, um ein Schnittbild an dieser z-Position zu rekonstruieren oder um aus den Eingangsrohdaten E mehrere z-Position-Volumenbilddaten zu rekonstruieren. Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich auch an anderen medizintechnischen Geräten, wie z. B. CT-Systemen mit mehreren Röntgenquellen und/oder Detektoren und/oder mit einem einen vollständigen Ring bildenden Detektor, einsetzbar.
Es wird nun zusätzlich auf die 2 Bezug genommen.
Die vom Detektor 16 erfassten Eingangsrohdaten E werden einem Datenvorverarbeitungssystem 32 des CT-Systems 1 zugeführt, das eine Vorverarbeitung, Transformation und Komprimierung der Daten durchführt.
Zur Vorverarbeitung der Eingangsrohdaten E weist das Datenvorverarbeitungssystem 32 einen AD-Wandler und eine Einheit zur Offsetkorrektur 36 auf, die die Eingangsrohdaten E in linearisierte Eingangsdaten S mit einem 20 Bit/Pixel-Format wandelt.
Zur Durchführung einer Transformation weist das Datenvorverarbeitungssystem 32 einen ersten Transformierer 37 zur Transformation der Eingangsdaten S zu transformierten Daten T gemäß der Erfindung auf. Hierzu kann der erste Transformierer 37 einen Prozessor mit einer programmierbaren Logik (FPGA) aufweisen.
Ein Verfahren zur erfindungsgemäßen Transformation, gemäß dem der Transformierer 37 bevorzugt arbeitet, wird nun an einem Beispiel anhand von 3 erläutert.
Bei der Transformation wird bei diesem Beispiel ein niederwertiger Teil D1 der Eingangsdaten S gemäß der nachfolgenden Gleichung (1) transformiert, während die höherwertigen Daten D2 gemäß Gleichung (2) transformiert werden: T = S + O_A für S < P (1)
Für ein solches Transformationsverfahren werden also folgende Parameter benötigt:

– ein Bias-Wert O_A für die Transformation der niederwertigen Daten D1,
– zwei Verschiebe-Werte O_B, O_C, ein Skalierungsfaktor α und der Grad n der Wurzelfunktion und für die Transformation der höherwertigen Daten D2,
– ein Wert P, durch den der Umschaltpunkt zwischen den beiden Gleichungen (1) und (2) festgelegt.

Dabei werden zuerst der Grad n der Wurzelfunktion und der Skalierungsfaktor α bestimmt. Hierzu werden der maximale zu erwartende Wert und die gewünschte Bitgröße der komprimierten Daten T herangezogen, z. B. 12 Bit/Pixel, und daraus z. B. bei Verwendung einer Quadratwurzelfunktion die Größe des Skalierungsfaktors α bestimmt. Es können auch Wurzelfunktionen höherer Ordnung verwendet werden, um einen höheren Transformationsgrad zu erreichen.
Es wird dann der Umschaltpunkt P bestimmt, an dem für Werte der Eingangsdaten S von einer ersten Zuordnungsfunktion SQR auf eine zweite Zuordnungsfunktion LIN gewechselt wird. Hierzu wird das Rauschen von Auswerteschaltungen herangezogen, aufgrund dessen die Eingangsdaten negative Werte aufweisen können. Für die Rauschcharakteristik kann eine Gaußverteilung mit einer Standardabweichung angenommen werden. Es wird für den Umschaltpunkt P ein Wert gewählt, der ausreichend groß in Bezug auf die Standardabweichung ist. Möchte man beispielsweise sicherstellen, dass mindestens 99% der Rauschverteilung im linearen Funktionsteil liegen, würde man P mindestens so groß wie das Dreifache der Standardabweichung wählen. So wird sichergestellt, dass die Rauschsignale nur gemäß der linearen Zuordnungsfunktion transformiert werden, aber nicht mit der zweiten Zuordnungsfunktion SQR. So kann eine nicht-lineare Verzerrung von Rauschsignalen durch die zweite Zuordnungsfunktion SQR verhindert werden.
Parallel zum Umschaltpunkt P wird der Bias-Wert O_A bestimmt. Er wird vorzugsweise so gewählt, dass sein Wert genauso groß wie der Wert des Umschaltpunktes P ist, so dass die Rauschverteilung symmetrisch im linearen Anteil liegt. In einer alternativen vorteilhaften Ausführung wird O_A verschieden von P derart gewählt, dass die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Messwerten S mit einem Wert < –O_A akzeptabel gering ist (beispielsweise könnte O_A ein Vierfaches der Standardabweichung sein).
Schließlich werden die beiden Verschiebe-Werte O_B, O_C bestimmt. Sie werden so gewählt, dass im Übergangspunkt zwischen den beiden Zuordnungsfunktionen LIN und SQR die Steigungen, d. h. die Ableitungen gleich sind, d. h. ein stetig differenzierbarer Übergang zwischen Funktionsteilen gegeben ist.
In dem in 3 konkret dargestellten Ausführungsbeispiel wird zur Transformation der höherwertigen Daten D2 eine (bevorzugte) Quadratwurzelfunktion genutzt. Somit kann die allgemeine Gleichung (2) vorteilhaft wie folgt geschrieben werden:
Für den Skalierungsfaktor α wurde hierbei α = 2^m gesetzt, wobei m derart angepasst ist, dass der Transformationswert T_max des höchstmöglichen Messwerts S_max kleiner als der mit der gewünschten Bitzahl maximal darstellbare Wert ist (bei 12 Bit also T_max < 4095 = 2¹² – 1).
Bei der in 3 dargestellten Zuordnungsfunktionen LIN und SQR ist im Bereich D1 der Eingangsdaten S die Steigung größer als im Bereich D2 der Wurzelfunktion SQR. Somit wird für niedrige Werte, d. h. im Bereich D1, der Eingangsdaten S durch die lineare Funktion eine verfälschungfreie Transformation mit maximaler Genauigkeit erreicht, während im Bereich der höherwertigen Eingangsdaten S, d. h. im Bereich D2, die Steigung der Wurzelfunktion SQR geringer ist als die der linearen Funktion LIN und so dass hohe Werte mit großen Wortlängen durch die Wurzelfunktion SQR zunehmend stark komprimiert werden.
Der Transformierer 37 kann so realisiert sein, dass er eine statische Transformation durchführt, bei der der Bias-Wert O_A, die Verschiebewert O_B, O_C und gegebenenfalls der Skalierungsfaktor α sowie der Grad n der Wurzelfunktion (im allgemeinen Fall nach Gleichung (2) im Vorfeld festgelegt wurden und dann nicht mehr verändert werden. D. h. es handelt sich um Fixwerte, die für alle Untersuchungen gleich bleiben. Alternativ kann auch eine dynamische Transformation erfolgen, bei der der Bias-Wert O_A, der Skalierungsfaktor α und die Verschiebewerte O_B, O_C oder einzelne dieser genannten Werte für jede Untersuchung neu bestimmt werden.
Es wird nun wieder auf 2 Bezug genommen.
Das Datenvorverarbeitungssystem 32 weist einen Komprimierer 38 auf, der eine Komprimierung der transformierten Daten T durchführt, so dass nach der Komprimierung transformierte und komprimierte Daten T' mit einem Datenvolumen von nur noch beispielsweise 5–8 Bit/Pixel vorliegen.
Vom als Sendersystem wirkenden Datenvorverarbeitungssystem 32 werden dann die transformierten und komprimierten Daten T' über eine Datenübertragungsstrecke 34 zu einer Steuereinrichtung 20 übertragen, die hierzu einen als Empfängersystem dienenden Receiver 33 aufweist. Es erfolgt also eine Datenübertragung von transformierten und komprimierten Daten T' vom Datenvorverarbeitungssystem 32 als Sender über die Datenübertragungsstrecke 34 zu einem Empfänger (Receiver) 33.
Der Receiver 33 führt eine Dekomprimierung der transformierten und komprimierten Daten T' durch. Hierzu weist der Receiver 33 einen Dekomprimierer 39 auf, der die transformierten und komprimierten Daten T' in transformierte Daten T dekomprimiert, so dass sie wieder in einem 12-Bit/Pixel-Format vorliegen. Hierzu kann der Dekomprimierer 39 einen Prozessor mit einer programmierbaren. Logik (FPGA) aufweisen.
Für eine Rücktransformation der gemäß der Erfindung transformierten Daten T ist ein Rücktransformierer 40 vorgesehen, der das Verfahren zur Transformation der Eingangsdaten S invers durchführt, so dass wieder linearisierte Daten SD in dem ursprünglichen 20-Bit/Pixel-Format vorliegen. Ferner kann der Rücktransformierer 40 zur Bereitstellung rücktransformierter, logarithmierter Daten SD' ausgebildet sein. Hierzu kann der Rücktansformierer 40 einen Prozessor mit einer programmierbaren Logik (FPGA) aufweisen. Alternativ kann auch die Dekomprimierung und Rücktransformation von einem Prozessor durchgeführt werden.
Dem Receiver 33 ist eine Bildrekonstruktionseinrichtung 21 nachgeschaltet, die in diesem Ausführungsbeispiel in der Steuereinrichtung 20 in Form von Software auf einem Prozessor realisiert ist.
Die von der Bildrekonstruktionseinrichtung 21 rekonstruierten Bilder werden dann in einem Speicher 22 der Steuereinrichtung 20 hinterlegt und/oder in üblicher Weise auf einen Bildschirm 35 der Steuereinrichtung 20 ausgegeben. Sie können auch über eine in 1 nicht dargestellte Schnittstelle in ein an das CT-System 1 angeschlossenes Netz, beispielsweise ein radiologisches Informationssystem (RIS), eingespeist und in einem dort zugänglichen Massenspeicher hinterlegt oder auf dort angeschlossenen Druckern oder Filming-Stationen als Bilder ausgegeben werden. Die Daten können so beliebig weiterverarbeitet und dann gespeichert oder ausgegeben werden.
Im Folgenden wird anhand der 4 der Vorgang der Transformation erläutert.
Zuerst erfolgt in einem ersten Schritt I eine Vorverarbeitung der Eingangsrohdaten E. Nach einer Analog-Digital-Wandlung erfolgt eine Offset-Korrektur durch Subtraktion eines vorher ermittelten Offset-Werts. Als Ergebnis liegen lineare, offset-korrigerte Eingangsdaten S in einem 20-Bit/Pixel-Format vor.
Es folgt die Transformation der Eingangsdaten S unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Für eine statische Transformation gemäß den Gleichungen (1) und (2a) werden in einem Schritt IIa die festgelegten Werte für den Bias-Wert O_A, den Skalierungsfaktor α und die Verschiebewerte O_B, O_C sowie der Umschaltpunkt P aus einem Speicher (nicht dargestellt) geladen. Wenn eine dynamische Transformation durchgeführt wird, werden in einem Schritt IIb der Skalierungsfaktor α, der Umschaltpunkt P und der Bias-Wert O_A, die Verschiebewerte O_B, O_C und der Grad n der Wurzelfunktion bestimmt.
In einem dritten Schritt III werden dann die Eingangsdaten S im vorliegenden Ausführungsbeispiel beim Wert P in einen ersten Bereich D1 und einen zweiten Bereich D2 geteilt. Dabei sind die Werte der Eingangsdaten S im Bereich D1 niedriger als die der Eingangsdaten S im Bereich D2.
Von den höherwertigen Eingangsdaten im Bereich D2 wird in einem vierten Schritt IV der Verschiebe-Wert O_B subtrahiert und die resultierenden Daten werden danach in einem fünften Schritt V gemäß einer Quadratwurzelfunktion SQR transformiert und damit komprimiert.
In einem weiteren, sechsten Schritt VI wird der Bias-Wert O_A auf die Werte des Bereichs D1 aufaddiert und außerdem werden die radizierten Werte des Bereichs D2 mit dem Skalierungsfaktor α multipliziert. Anschließend wird zu den Werten des Bereichs D2 in einem siebten Schritt VII der Verschiebewert O_C addiert.
Die beiden Bereiche D1 und D2 werden nun in einem achten Schritt VIII wieder zusammengeführt und bilden die transformierten Daten T. Als Ergebnis ist das Volumen der Eingangsdaten S durch die Zuordnungsfunktion von 20 Bit/Pixeln auf 12 Bit/Pixel (Daten T) reduziert worden.
Es folgt in einem neunten Schritt IX die Datenkomprimierung, wie sie schon bei derzeit üblichen medizintechnischen Geräten, wie z. B. CT-Systemen 1 Verwendung findet. So werden aus den transformierten Daten T in einem 12-Bit/Pixel Format transformierte und komprimierte Daten T' in einem Format mit einem Volumen von beispielsweise 5- bis 8-Bit/Pixel. Hierbei bezeichnet der angegebene Bereich der Bitzahl pro Pixel nur ein typisches angenommenes Ergebnis der Komprimierung und ist nicht einschränkend zu verstehen. Es können in den komprimierten Daten T' also sehr wohl auch Werte mit einer Bandbreite von 4 Bit/Pixel oder 11 Bit/Pixel auftreten. Im Folgenden wird dieser Umstand vereinfachend nicht immer erneut erwähnt.
Zurückkommend auf 2 erfolgt anschließend die Datenübertragung über die Übertragungsstrecke 34, insbesondere über die Schleifringe 30, zum Receiver 33.
Dort erfolgt eine Dekomprimierung der im 5- bis 8-Bit/Pixel-Format vorliegenden Daten T', so dass aus den 5- bis 8-Bit-Daten wieder 12-Bit-Daten T werden. Diese Umkehr der Komprimierung erfolgt in einem Prozessor/FPGA des Receivers 33.
In einem weiteren, zweiten Schritt werden die transformierten 12-Bit-Daten T wieder rücktransformiert, d. h. das erfindungsgemäße Transformierungsverfahren wird invers angewendet. Hierbei werden die Daten T wieder in den ursprünglichen linearen Raum überführt (Daten SD) und/oder logarithmiert (SD'). Danach können die Daten SD, SD' auf die Speichermedien 22 der Datenverarbeitung 21 abgespeichert werden.
Der Receiver 33 ist ausgebildet, um an die Bildrekonstruktionseinrichtung 21 lineare Daten oder logarithmische Daten SD, SD' zu liefern. So ist es möglich, dass in der Bildrekonstruktionseinrichtung 21 Filteroperationen direkt mit linearen Daten SD durchgeführt werden können, z. B. mit Hilfe von adaptiven Filtern. Somit wird eine Rückrechnung vom logarithmischen in den linearen Datenraum überflüssig. Die Umrechnung der Daten kann komplett gekapselt in einem Prozessor/FPGA des Receivers 33 stattfinden, was der Bildrekonstruktionseinrichtung 21 erlaubt, direkt mit linearen Daten SD zu arbeiten. Alternativ kann der Receiver 33 die linearen Daten SD auf bisher bekannte Weise logarithmieren, so dass die an die Bildrekonstruktionseinrichtung 21 gelieferten Daten dem bisher üblichen logarithmischen Format SD' entsprechen. Das Logarithmieren kann unter Verwendung von Look-Up-Tabellen erfolgen, was den Rechenaufwand und damit Zeitbedarf deutlich reduziert. Dies stellt eine Abwärtskompatibilität zu bisherigen Systemen her. Also ist der Receiver 33 zur Erzeugung linearer Daten SD und logarithmischer Daten SD' ausgebildet.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den zuvor beschriebenen detaillierten Verfahren und Aufbauten um Ausführungsbeispiele handelt und dass das Grundprinzip auch in weiten Bereichen vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein” bzw. „eine” nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.

Claims

Verfahren zur Übertragung von Messdaten von einem Sendersystem (32) zu einem Empfängersystem (31) über eine Übertragungsstrecke (34) eines medizintechnischen Geräts, insbesondere eines Röntgen-Systems (1), bei dem die Messdaten als Eingangsdaten (S) eines Transformationsverfahrens zu Ausgangswerten (T) transformiert und nach Übertragen über die Übertragungsstrecke (34) wieder rücktransformiert werden, wobei die Werte der Eingangsdaten (S) zwischen einem Maximalwert (Max) und einem Minimalwert (Min) liegen, und zum Transformieren eine Zuordnungsfunktion verwendet wird, um jedem Wert der Eingangsdaten (S) einen Ausgangswert (T) zuzuweisen, dadurch gekennzeichnet, dass als Zuordnungsfunktion für wenigstens einen Teil der Werte zwischen dem Minimalwert und dem Maximalwert eine Wurzelfunktion (SQR) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Quadratwurzelfunktion (SQR) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswerte (T) vor oder nach dem Anwenden der Zuordnungsfunktion (SQR) mit einem Skalierungsfaktor (α) größer Null multipliziert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für wenigstens einen zweiten Teil der Werte zwischen dem Minimalwert (Min) und dem Maximalwert (Max) als Zuordnungsfunktion eine von der ersten Zuordnungsfunktion (SQR) verschiedene zweite Zuordnungsfunktion (LIN) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als zweite Zuordnungsfunktion (LIN) eine lineare Funktion (LIN) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zuordnungsfunktion (LIN) mit einem Bias-Wert (O_A) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf die oder von den Werten der Eingangsdaten (S) vor dem Anwenden der ersten Zuordnungsfunktion (SQR) ein definierter, konstanter Verschiebe-Wert (O_B) addiert oder subtrahiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Anwenden der ersten Zuordnungsfunktion (SQR) auf die oder von den Werten der Eingangsdaten (S) ein Verschiebe-Wert (O_C) addiert oder subtrahiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebe-Werte (O_B, O_C) derart gewählt werden, dass im Übergangspunkt (P) von der ersten Zuordnungsfunktion (SQR) zur zweiten Zuordnungsfunktion (LIN) die Ableitungen der ersten Zuordnungsfunktion (SQR) und der zweiten Zuordnungsfunktion (LIN) gleich sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Skalierungsfaktors (α) in Abhängigkeit vom Maximalwert (Max) und/oder Minimalwert (Min) gewählt wird.
Medizintechnisches Gerät, insbesondere Röntgen-System (1), mit durch eine Übertragungsstrecke (34) zur Übertragung von Messdaten miteinander verbundenen Sendersystem (32) und Empfängersystem (31), das die Messdaten als Eingangsdaten (S) eines Transformationsverfahrens zu Ausgangswerten (T) transformiert und nach Übertragen über die Übertragungsstrecke (34) wieder rücktransformiert, wobei die Werte der Eingangsdaten (S) zwischen einem Maximalwert (Max) und einem Minimalwert (Min) liegen, und zum Transformieren eine Zuordnungsfunktion verwendet wird, um jedem Wert der Eingangsdaten (S) einen Ausgangswert (T) zuzuweisen, dadurch gekennzeichnet, dass als Zuordnungsfunktion für wenigstens einen Teil der Werte zwischen dem Minimalwert und dem Maximalwert eine Wurzelfunktion (SQR) verwendet wird.
Medizintechnisches Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfängersystem (31) des medizintechnischen Geräts (1) zur Rücktransformation der transformierten Eingangsdaten (S) ausgebildet ist.
Computerprogrammprodukt, welches direkt in einen Speicher des Sendersystems (32) ladbar ist, mit Programmcodeabschnitten, um eine Transformation von Eingangsdaten (S) nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.
Computerprogrammprodukt, welches direkt in einen Speicher des Empfängersystems (33) ladbar ist, mit Programmcodeabschnitten, um eine Rücktransformation der nach einem der Ansprüche 1 bis 10 transformierten Eingangsdaten (S) auszuführen und/oder wahlweise lineare Daten (SD) oder logarithmische Daten (SD') an eine Datenverarbeitung (21) auszugeben.