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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kompensieren eines Sättigungseffekts in einer digitalen Röntgenaufnahme eines Körpers. Ein Verfahren der genannten Art ist aus der
US 2010/0254585 A1 bekannt.
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Zum Erstellen digitaler Röntgenaufnahmen werden beispielsweise bei Röntgen-C-Bogen-Tomographiesystemen digitale Röntgenaufnahmen erstellt, indem eine Röntgenquelle Röntgenstrahlen durch einen Körper hindurch auf ein Sensorfeld strahlt. Das Sensorfeld weist eine Zeile oder eine zweidimensionale Matrix aus einzelnen Röntgensensoren auf. Jeder dieser Röntgensensoren stellt ein Pixel (Picture Element - Bildelement) der Röntgenaufnahme dar und ist in der Lage, unterschiedliche Intensitätsstufen der einfallenden Röntgenstrahlung zu unterscheiden. Sein Signal legt den Pixelwert des Pixels fest.
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Wenn die Strahlungsintensität ein bestimmtes Maß überschreitet, gibt der Sensor nur noch einen Höchstwert aus. Unterschiede in der Strahlungsintensität, die über diesem Höchstwert liegen, kann der Sensor nicht mehr unterscheiden. Dieser Effekt wird Sättigung genannt. Bei einer Röntgenaufnahme eines Körpers kann diese Sättigung vorkommen, wenn auf den Sensor Röntgenstrahlung trifft, die nur einen verhältnismäßig kurzen Weg durch den Körper zurückgelegt hat und deshalb nur geringfügig durch Körpergewebe gedämpft worden ist. Insbesondere in Randbereichen des Körpers, wo die Röntgenstrahlung nur durch eine Strecke von wenigen Millimetern bis zu 1cm durch die Haut des Körpers und ansonsten nur durch Luft zurücklegt, kann es deshalb zu einem Sättigungseffekt kommen. Der Rand des Körpers ist dann in der Röntgenaufnahme nicht mehr von der Umgebung des Körpers unterscheidbar. Denn erst recht in der angrenzenden Umgebung kommt es zu Sättigungseffekten, da hier die Röntgenstrahlen ausschließlich durch die Luft und deshalb nahezu ungedämpft von der Röntgenquelle zu dem Detektor gelangt sind. Solche Sättigungseffekte einer Röntgenaufnahme im Randbereich eines Körpers möchte man rückgängig machen.
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In der oben genannten
US 2010/0254585 A1 wird hierzu in einer solchen digitalen Röntgenaufnahme der Grauwertverlauf der Röntgenaufnahme in einem Randbereich des Körpers extrapoliert, der aufgrund eines Sättigungseffekts nicht mehr von der Umgebung unterscheidbar ist. Mit anderen Worten werden durch eine Extrapolationsfunktion die Pixelwerte im Randbereich des Körpers aus Pixelwerten rekonstruiert, die in einem ungesättigten Bereich liegen, in welchem ein Teil des Körpers ohne Sättigungseffekt abgebildet ist. Ausgehend von diesem ungesättigten Bereich geht man dabei davon aus, dass auch in dem angrenzenden gesättigten Bereich Gewebe desselben Typs vorhanden war und lediglich die Länge des Wegs, welchen die Röntgenstrahlung durch dieses Gewebe hindurch zurückgelegt hat, zum Rand des Körpers hin kürzer war. An der eigentlichen Randlinie des Körpers wird dann in der Röntgenaufnahme durch die Extrapolationsfunktion der Pixelwert für eine Strahlungsintensität gesetzt, wie er sich für einen Röntgenstrahl ergibt, der den Körper gerade nicht mehr berührt, der also lediglich durch die Luft außerhalb des Körpers von der Röntgenquelle zum Detektor gelangt ist.
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In einer extrapolierten Röntgenaufnahme kann ein Betrachter dann den ganzen abgebildeten Ausschnitt des Körpers und auch dessen Rand erkennen. Mit anderen Worten wird der Sättigungseffekt in der Röntgenaufnahme kompensiert.
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Der Extrapolationsfunktion muss allerdings der Verlauf des Körper-Rands in dem gesättigten Bereich der Röntgenaufnahme vorgegeben werden. Gemäß der genannten Druckschrift wird die Lage des Rands festgelegt, indem eine geometrische Annahme über die Form des Körpers getroffen wird. Gemäß dieser Annahme weist der Rand des Körpers die Form einer Ellipse auf. In Bezug auf die Dämpfungseigenschaften des Gewebes wird davon ausgegangen, dass sich innerhalb der Ellipse ein Material mit den Dämpfungseigenschaften von Wasser befindet.
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Auch aus der
US 2007/0116173 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem zum Extrapolieren von Röntgendaten in einem gesättigten Bereich eine bezüglich der Körpermittelachse verschobene Kugelform oder eine Ellipsenform zugrundegelegt wird. Die Verwendung der verschobenen Kugelform wird als Line-Fix-Methode und die Verwendung der Ellipse als Elliptical-Fix-Methode bezeichnet. Eine weitere Methode ist die Curve-Fix-Methode, bei welcher ein CT-Sinogramm verwendet wird.
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Diese Annahmen zum Festlegen des Rands für die Extrapolation sind sehr pauschal und berücksichtigen nicht die individuelle Körperform der Person bzw. des Tieres.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das beschriebene Extrapolationsverfahren für digitale Röntgenaufnahmen zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, den Verlauf des Rands, d. h. dessen Lage in einer Röntgenaufnahme innerhalb eines gesättigten Bereichs, für jeden Körper individuell zu schätzen. Hierzu wird zusätzlich zu der ersten, zu extrapolierenden Röntgenaufnahme zumindest eine weitere Röntgenaufnahme des Körpers bereitgestellt, wobei diese aber aus einer anderen Aufnahmeeinrichtung aufgenommen worden sein muss als diejenige erste Röntgenaufnahme, in welcher der Sättigungseffekt durch die beschriebene Extrapolation kompensiert werden soll. Solche Aufnahmen stehen beispielsweise im Rahmen der Erstellung einer herkömmlichen Tomographie oder einer herkömmlichen 3-D-Rekonstruktion (3-D-Modellierung) von Organen des Körpers in der Regel sowieso zur Verfügung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht nun vor, diese weiteren Röntgenaufnahmen auch dazu zu nutzen, die Lage des Rands in der ersten Röntgenaufnahme zu ermitteln. Indem die Röntgenaufnahmen aus einer anderen Aufnahmeeinrichtung aufgenommen wurden, ist in diesen Röntgenaufnahmen diejenige Region, die in der ersten, zu extrapolierenden Röntgenaufnahme aufgrund des Sättigungseffekts nicht mehr erkennbar ist, darin ohne Sättigungseffekt abgebildet. Somit lässt sich also aus den weiteren Röntgenaufnahmen die Information über die Lage des Rands und die Beschaffenheit des dort befindlichen Körpergewebes in vorteilhafter Weise extrahieren.
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Um eine Lage des Rands mittels der weiteren Röntgenaufnahme zu ermitteln, kann beispielsweise eine solche Röntgenaufnahme verwendet werden, deren Aufnahmerichtung im Vergleich zur Aufnahmerichtung der zu extrapolierenden Röntgenaufnahme nur soweit verschwenkt ist, dass der Sättigungseffekt in der fraglichen Bildregion gerade nicht mehr auftritt. Der Winkel zwischen den beiden Aufnahmerichtungen gibt dann Aufschluss darüber, wo der Rand des Körpers in der ersten, zu extrapolierenden Röntgenaufnahme verlaufen muss.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Lage des Rands aber ermittelt, indem eine Tomographie oder eine 3-D-Rekonstruktion des Körpers auf der Grundlage der zumindest einen weiteren Röntgenaufnahme erzeugt wird. Anschließend kann dann in der Tomographie bzw. der 3-D-Rekonstruktion zunächst eine Außenkontur des Körpers detektiert werden, also etwa der Verlauf der Hautoberfläche. Unter einer Tomographie ist hier eine zweidimensionale Schnittbildrekonstruktion des Körpers zu verstehen. Eine Tomographie und eine 3-D-Rekonstruktion weisen den Vorteil auf, dass sowohl die Außenkontur des Körpers als auch nahe der Außenkontur befindliche Unregelmäßigkeiten im Gewebe des Körpers erkannt und bei der Extrapolation berücksichtigt werden können.
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Bevorzugt wird beim Ermitteln des Verlaufs des Rands anhand der Außenkontur noch überprüft, wie plausibel der ermittelte Verlauf ist. Hierzu wird gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens die Lage des Rands in Abhängigkeit von einem Stetigkeitskriterium ermittelt, nach welchem die Außenkontur des Körpers stetig und/oder stetig differenzierbar sein muss. Mit anderen Worten wird sichergestellt, dass der ermittelte Rand keine „Ecken“ aufweist, wie ja auch z. B. die Haut des Körpers keine Ecken aufweist. Die 3-D-Rekonstruktion weist hierbei gegenüber der Tomographie den besonderen Vorteil auf, dass das Stetigkeitskriterium in einem Punkt entlang zweier senkrecht zueinander stehender Richtungen überprüft werden kann.
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Hat man nun die Außenkontur in der Tomographie bzw. der 3-D-Rekonstruktion ermittelt, so kann auf verschiedene Weise auf die Lage des Rands in dem gesättigten Bereich in der ersten Röntgenaufnahme rückgeschlossen werden. Beispielsweise kann ein mathematisches Modell verwendet werden. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht jedoch vor, die Außenkontur in eine Bildebene der ersten Röntgenaufnahme zu projizieren und anhand der Projektion die Lage des Rands in der ersten Röntgenaufnahme festzulegen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass automatisch eine perspektivische Verzerrung mit berücksichtigt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht zusätzlich vor, dass für eine weitere Verbesserung der Schätzung der Lage des Rands im gesättigten Bereich die Lage des Rands iterativ ermittelt wird, oder dass als ein weiteres Optimierungskriterium zum (gegebenenfalls iterativen) Ermitteln des Rands ein die Extrapolation steuernder Parameter dahingehend verändert wird, dass im extrapolierten Bereich eine Gesamtvarianz der Pixelwerte minimiert oder zumindest verringert wird.
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Durch iterative Ermittlung ist es möglich, schrittweise ein oder mehrere Optimierungsmaße zu verbessern. Durch Verringerung einer Gesamtvarianz der Pixelwerte im extrapolierten Bereich ergeben sich in vorteilhafter Weise in der extrapolierten Röntgenaufnahme kontinuierliche Grauwertverläufe, wie sie für natürliches Körpergewebe zu erwarten sind. Mit einem die Extrapolation steuernden Parameter ist gemeint, dass ein Verlauf der Extrapolationsfunktion durch den Wert des Parameters festgelegt ist.
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So ist es gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens möglich, das bereits beschriebene Stetigkeitskriterium durch iteratives Schätzen des Rands zu erfüllen.
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Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, auf der Grundlage einer durch das Extrapolieren erzeugten extrapolierten Röntgenaufnahme eine Tomographie oder eine 3-D-Rekonstruktion zu erzeugen und hieraus wiederum zumindest zwei unterschiedliche künstliche Projektionen zu berechnen. Solche Projektionen müssen ein so genanntes Konsistenzkriterium erfüllen. Dieses besteht darin, dass die Summe aller Dämpfungswerte, wie sie in der Projektion durch Aufsummieren der Pixelwerte berechnet werden können, für alle Projektionen gleich sein müssen. Diese Bedingung gilt, wenn jede der Projektionen jeweils denselben Ausschnitt des Körpers darstellt. Details zu dem Konsistenzkriterium können beispielsweise aus einem Artikel von Sourbelle et al., Reconstruction from truncated projections in CT using adaptive detruncation, European Radiology 2005, Vol. 15, No. 5, Seiten 1008 bis 1014, entnommen werden. Die Weiterbildung des Verfahrens nutzt nun die Erkenntnis, dass das Konsistenzkriterium bei einem Fehler in der Extrapolation oder bei einer verbleibenden Sättigung nicht erfüllt ist. Das Verfahren sieht daher vor, die Dämpfungssummenwerte der zumindest zwei künstlichen Projektionen zu berechnen und bei einer Ungleichheit der Dämpfungssummenwerte einen die Extrapolation steuernden Parameter zu verändern. Welcher Parameter hierbei zweckmäßigerweise verändert wird, ist von der konkret verwendeten Extrapolationsfunktion abhängig. Allgemein gilt hier, dass eine beliebige, aus dem Stand der Technik für das Extrapolieren von Röntgenaufnahmen bekannte Extrapolationsfunktion verwendet werden kann. Entsprechend ist dann bei dieser Extrapolationsfunktion ein Parameter zu verändern, durch welchen auf den Dämpfungssummenwert Einfluss genommen werden kann.
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Als besonders robust hat sich hierbei die Parameterkorrektur erwiesen, wenn man versucht, die Dämpfungssummenwerte dem größten der Dämpfungssummenwerte anzunähern. Hierzu wird aus den verglichenen Dämpfungssummenwerten zunächst der größte Dämpfungssummenwert ermittelt und dann durch das Verändern des Parameters bewirkt, dass sich nach einer erneuten Extrapolation eine extrapolierte Röntgenaufnahme ergibt, bei welcher sich die von den daraus berechneten Projektionen dem größten Dämpfungssummenwert annähern. Wie ein gewählter Parameter hierzu zu verändern ist, kann in einfachen Versuchen ermittelt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln der Lage des Rands im gesättigten Bereich ist sehr robust. Es lässt sich deshalb die Lage des Rands auch zuverlässig ermitteln, wenn hierbei zwischendurch berechnete vorläufige Tomographien oder vorläufige 3-D-Rekonstruktionen lediglich mit einer reduzierten Auflösung berechnet werden. Dies ergibt dann den Vorteil, dass die Extrapolation in einer entsprechend kurzen Zeit möglich ist.
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Für den klinischen Einsatz geeignete Extrapolationen lassen sich erzielen, wenn Pixelwerte entlang einer Strecke extrapoliert werden, die eine Länge in einem Bereich von 5 bis 30 Pixeln aufweist.
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Wie bereits erwähnt gehört zu der Erfindung auch eine Vorrichtung zum Kompensieren der Sättigungseffekte. Die Vorrichtung ist dazu ausgelegt, eine Tomographie und/oder eine Rekonstruktion eines Körpers aus mehreren digitalen Röntgenaufnahmen des Körpers zu erzeugen, welche aus unterschiedlichen Aufnahmerichtungen aufgenommen wurden. Zum Empfangen von digitalen Pixelwerten der Röntgenaufnahme weist die Vorrichtung eine Empfangseinrichtung auf, also beispielsweise einen Netzwerkanschluss zum Empfangen von Daten aus einem Datennetzwerk oder ein Datenlaufwerk zum Lesen von Datenspeichern. Die Empfangseinrichtung kann aber auch direkt einen Röntgendetektor aufweisen. Des Weiteren ist eine Verarbeitungseinrichtung vorgesehen, welche dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
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Die beschriebenen Sättigungseffekte tauchen insbesondere im Zusammenhang mit Röntgen-Flachdetektoren auf, deren Röntgensensoren in der Regel einen verhältnismäßig geringen Dynamikbereich aufweisen. Entsprechend wird die Vorrichtung bevorzugt im Zusammenhang mit einem Röntgen-Flachdetektor verwendet.
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Im Folgenden ist die Erfindung noch einmal genauer anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dazu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Röntgen-Flachdetektor, und
- 2 ein schematisiertes Röntgenbild, bei welchem ein Sättigungseffekt durch eine Extrapolation gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kompensiert wird.
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Bei dem im Folgenden beschriebenen Beispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Vorrichtung und die beschriebenen Schritte des Verfahrens jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In 1 ist ein Tomographiesystem 10 gezeigt, bei welchem eine Röntgenquelle 12 und ein Röntgendetektor 14 um einen Körper 16 eines Patienten herum geschwenkt werden. Die Verschwenkrichtungen 18 der Röntgenquelle 12 und des Röntgendetektors 14 sind in 1 durch Pfeile angedeutet. Bei dem Röntgendetektor 14 kann es sich um einen Röntgen-Flachdetektor handeln. Im Verlauf des Verschwenkens werden die Röntgenquelle 12 und der Röntgendetektor 14 in mehreren unterschiedlichen Winkelstellungen angehalten, und es wird jeweils eine Röntgenaufnahme gemacht. Hierdurch ergeben sich digitale Röntgenaufnahmen auf unterschiedlichen Aufnahmerichtungen 20, 22, wobei in 1 nur für zwei Aufnahmerichtungen ein Bezugszeichen vergeben ist. Eine digitale Röntgenaufnahme umfasst hierbei einen Datensatz von Pixelwerten, der entweder eine einzelne Reihe von Pixeln, wie sie durch einen Tomographen gewonnen werden, oder ein zweidimensionales Feld von Pixeln darstellt, wie sie durch flächige Detektoren wie den hier gezeigten Flachdetektor gewonnen werden.
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Die Pixelwerte jeder Röntgenaufnahme werden durch eine Verarbeitungseinrichtung 24 aus dem Röntgendetektor 14 empfangen. Die Verarbeitungseinrichtung 24 kann beispielsweise ein Computer oder eine Anlage aus mehreren Computern sein. Die Verarbeitungseinrichtung 24 verarbeitet die Bilddaten der Röntgenaufnahmen und stellt auf einer Anzeigeeinrichtung 26, beispielsweise einem Bildschirm, die einzelnen Röntgenaufnahmen, eine daraus konstruierte Schnittbildanzeige (Tomogramm) oder auch eine 3-D-Rekonstruktion des mittels des Tomographiesystems 10 durchleuchteten Teils des Körpers 16 dar.
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Im Folgenden ist das Aufnehmen einer Röntgenaufnahme aus der Aufnahmerichtung 20 anhand von 1 und 2 noch einmal näher erläutert. Hierzu sei angenommen, dass es sich bei dem mittels des Tomographiesystems 10 abgebildeten Bereichs des Körpers 16 um den Bauraum eines menschlichen Patienten handelt. Zur besseren Orientierung ist dazu in 1 eine Wirbelsäule 28 sowie das hintere, untere Rippenpaar 30 in dem Körper 16 gezeigt. In 2 ist veranschaulicht, welche Pixelwerte sich in eine Röntgenaufnahmen R des Röntgendetektors 14 ergeben, wenn der Röntgendetektor 14 mit der Röntgenquelle 12 aus der Aufnahmerichtung 20 bestrahlt wird. Die in 2 gezeigte Darstellung kann beispielsweise durch die Verarbeitungseinrichtung 24 auf der Anzeigeeinrichtung 26 dargestellt werden.
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Gezeigt sind das sich ergebende Abbild 28' und 30' der Wirbelsäule 28 bzw. des Rippenpaares 30. Der Rand 32, 34 der des Körpers 16 befindet sich in einem gesättigten Bereich 36 der Röntgenaufnahme R. In dem gesättigten Bereich weisen alle Pixel den maximal möglichen Wert auf, welchen die Röntgensensoren des Röntgendetektors 14 ausgeben können. In 2 ist der gesättigte Bereich 36 durch eine Schraffierung angedeutet. Grund für die Sättigung ist, dass die von der Röntgenquelle 12 ausgestrahlten Röntgenstrahlen 38, 40 am Rand des Körpers 16 nur verhältnismäßig kurze Strecken durch den Körper 16 zurückgelegt haben. In 1 ist gezeigt, dass der Röntgenstrahl 40 den Körper 16 an einer Stelle T sogar nur tangiert, d.h. nur wenige Millimeter durch die Haut im Bereich des Bauchraumes zurückgelegt hat. Deshalb war der Röntgenstrahl 40 im Vergleich vielen anderen Röntgenstrahlen 38 so gering gedämpft, dass der Röntgensensor des Röntgendetektors 14, auf welchen der Röntgenstrahl 40 traf, eine hohe Strahlungsintensität registrierte und entsprechend den maximalen Wert ausgab. Die Röntgenstrahlen 38, die den Bauchraum entlang einer Strecke von mehreren Zentimetern durchdrungen haben, sind derart stark gedämpft worden, dass sich in der Röntgenaufnahme R ein ungesättigter Bereich 42 ergeben hat, in welchem der Körper 16 ohne Sättigungseffekt abgebildet ist.
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Um in der Röntgenaufnahme R die Sättigung im gesättigten Bereich 36 zu kompensieren und damit die des Körpers 16 auch im Bereich der Ränder 32, 34 mit Pixelwerten zu ergänzen, die kleiner als der maximale Pixelwert sind, werden in der Röntgenaufnahme R im gesättigten Bereich 36 zeilenweise entlang einer x-Richtung mittels einer Extrapolationsfunktion E(x) Pixelwerte extrapoliert. Die Extrapolation E(x) ermittelt Grauwertverläufe für die Pixel im Bereich 36 ausgehend von dem ungesättigten Bereich 42, d.h. in welchem die des Körpers 16 aus Pixelwerten besteht, die kleiner als der maximal mögliche Pixelwert sind.
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Bei der Extrapolationsfunktion E(x) kann es sich beispielsweise um die in dem eingangs erwähnten Artikel beschriebene Extrapolationsfunktion handeln. Auch jede andere, aus dem Stand der Technik bekannte Extrapolationsfunktion ist hier geeignet. Die Extrapolationsfunktion E(x) hat die Eigenschaft, dass sie an den Rändern 32, 34 als extrapolierten Wert wieder denjenigen Pixelwert ausgibt, welcher einen ungedämpften Röntgenstahl anzeigen soll. Dies liegt darin begründet, dass von den Rändern 32, 34 aus in der Röntgenaufnahme R alle Pixel außerhalb der des Körpers 16 sämtlich als Pixelwerte für ungedämpfte Röntgenstrahlung dargestellt werden sollen, da in diesem Bereich die Röntgenstrahlen nur durch die in dem Röntgenaufnahmegerät befindliche Luft von der Röntgenquelle 12 zu dem Röntgendetektor 14 gelangt sind.
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Die Lage der Ränder 32, 34 in der Röntgenaufnahme R müssen durch die Verarbeitungseinrichtung 24 geschätzt werden. Hierzu führt die Verarbeitungseinrichtung 24 ein Verfahren aus, welches die Größe der des Körpers 16 in der Bildebene der Röntgenaufnahme R schätzt und hierzu zunächst in einer an sich bekannten Weise eine 3-D-Rekonstruktion des Körpers 16 als mathematisches Modell erzeugt, beispielsweise mittels einer Rückprojektion. Auf Grundlage dieses Modells werden dann die Ränder 32, 34 ermittelt, woraus sich jeweils entsprechende Werte für Parameter der Extrapolationsfunktion E(x) betreffend den Rand oder auch betreffend Grauwerte im extrapolierten Bereich ergeben.
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Neben der eigentlichen 3-D-Rekonstruktion zum Ermitteln der Ränder 32, 34 können auch weitere Randbedingungen bei der iterativen Ermittlung berücksichtigt werden. Im Einzelnen kann das Verfahren die folgenden Schritte umfassen, von denen einige als optionale Schritte auch ausgelassen werden können.
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In der Röntgenaufnahme R wird in einem ersten Schritt der gesättigte Bereich 36 detektiert. Der gesättigte Bereich 36 wird daran erkannt, dass dessen Pixel den Grauwert g0 aufweisen, welcher den maximal von den Röntgendetektoren erzeugbaren Wert aufweisen. In einem zweiten Schritt wird eine 3-D-Rekonstruktion aus der Röntgenaufnahme R und den übrigen, aus den anderen Aufnahmerichtungen 22 erzeugten Röntgenaufnahmen berechnet, so dass ein dreidimensionales Volumenmodell des Körpers 16 in der Verarbeitungseinrichtung 24 vorliegt. Das Volumenmodell kann auch mit einer verringerten Auflösung berechnet werden, so dass es beispielsweise in jede Raumrichtung 128 Voxel (Volume Elements - Volumenelemente) lang ist. Obwohl dieses 3-D-Volumenmodell auch mittels der Röntgenaufnahme R berechnet wird und damit der gesättigte Bereich 36 in die Berechnung eingeht, ergibt sich durch Bildinformationen aus den übrigen, aus den anderen Aufnahmerichtungen 22 aufgenommenen Röntgenaufnahmen in den 3-D-Volumenmodell durch die Überlagerung sämtlicher Bildinformationen auch in dem Bereich T des 3-D-Volumenmodells ein Verlauf der Intensitätswerte der Voxel, in welchem eine Außenkontur A des Körpers 16 im Bereich der Stelle T nicht aufgrund der Sättigungseffekte im gesättigten Bereich 36 der Aufnahme R unkenntlich ist.
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Um dies nachzuvollziehen, ist in 1 für die Aufnahmerichtung 22 noch einmal ein Verlauf eines Röntgenstrahls 44 gezeigt, der ebenfalls durch die Stelle T hindurchgetreten und dann auf den Röntgendetektor 14 in der dann eingenommenen (nicht dargestellten) Stellung getroffen ist. Da der Röntgenstrahl 44 diagonal durch den Körper 16 durchgetreten und daher sehr viel stärker gedämpft worden ist als der Röntgenstrahl 40, hat sich für den Röntgenstrahl 44 kein Sättigungseffekt auf dem Röntgenstrahldetektor 14 ergeben. Gleiches gilt für die übrigen, aus den anderen Aufnahmerichtungen erzeugten Röntgenaufnahmen. In dem 3-D-Volumenmodell sind die Informationen sämtlicher Röntgenaufnahmen überlagert, so dass der Sättigungseffekt im gesättigten Bereich 36 der Röntgenaufnahme R also ausgeglichen wird.
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Der Verlauf der Außenkontur A in dem 3-D-Volumenmodell kann beispielsweise mittels einer binären Segmentierung extrahiert werden, bei welcher Voxel, die zum Körper 16 gehörig erkannt werden, einem Binärwert zugeordnet werden und Voxel, die der Umgebung des Körpers 16 zugeordnet werden, dem anderen Binärwert. Beim Detektieren der Außenkontur A kann zusätzlich das beschriebene Kontinuitätskriterium zugrunde gelegt werden, d.h. bei der Segmentierung wird stets überprüft, ob sich durch die Segmentierung auch eine glatte Außenkontur A ergibt. Dies entspricht dem zu erwartenden Verlauf einer Hautoberfläche der Körpers 16.
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In einem weiteren Schritt kann aus der detektierten Außenkontur A durch eine Vorwärtsprojektion auf die Bildebene der Röntgenaufnahme R der Verlauf der Ränder 32, 34 in der Bildebene konstruiert werden. Für jede Zeile in x-Richtung ergeben sich so ein Anfangspunkt E0 und ein Endpunkt E1 des linken bzw. rechten Rands des Körpers in der Zeile. In 2 ist dies beispielhaft für eine Zeile angegeben. Die Projektion der detektierten Außenkontur A auf die Bildebene erfolgt insbesondere perspektivisch, um den trichterförmigen Verlauf des Strahlenbündels aus den Röntgenstrahlen 38, 40 zu berücksichtigen.
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Die Punkte E0 und E1 in jeder Zeile geben an, wo die Extrapolation zum Rand 32, 34 der
hin enden soll, wo also ein Pixelwert für Luft vorgegeben werden soll, wie er sich ohne Sättigungseffekt ergeben würde, wenn ein Röntgenstrahl ausschließlich durch Luft, und nicht durch den Körper 16 von der Röntgenquelle 12 zum Röntgendetektor 14 gelangt. Auch alle Werte der aktuellen Zeile jenseits der Endpunkte E0 und E1 außerhalb der
werden auf den Wert für Luft gesetzt. Ausgehend von dem ungesättigten Bereich 42 wird dann mittels der Extrapolationsfunktion E(x) der Bereich zwischen dem ungesättigten Bereich 42 und dem Rand 32 bzw. 64 in einer an sich bekannten Weise extrapoliert, beispielsweise mit der Extrapolationsfunktion aus der oben genannten
US 2010/0254585 A1 . Der Zeilenabschnitt, über welchen aus den vom ungesättigten Bereich 42 zu jedem Rand 32, 34 hin extrapoliert wird, ist ungefähr 5 bis 30 Pixel lang.
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Die Extrapolation kann auch iterativ erfolgen, indem zunächst in einem ersten Iterationsschritt mittels der Extrapolationsfunktion E(x) und für diese in Abhängigkeit von den ermittelten Rändern 32, 34 vorgegebenen Parameter eine erste extrapolierte Röntgenaufnahme berechnet wird und anschließend aus dieser und den übrigen Röntgenaufnahmen wieder ein Volumenmodell berechnet wird. An diesem neu berechneten 3-D-Volumenmodell kann dann beispielsweise überprüft werden, ob sich mit der vorangegangenen Extrapolation wieder eine Außenkontur ergibt, die beispielsweise das Stetigkeitskriterium erfüllt. Ist dies nicht der Fall, so können die Endpunkte E0 und E1 entsprechend dem Stetigkeitskriterium verändert werden, d.h. aus dem veränderten, optimierten 3-D-Volumenmodell korrigierte Ränder 32, 34 festgelegt werden und die Extrapolation wiederholt werden.
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Weitere Optimierungskriterien, die im Verlauf der Iterationen überprüft werden können, sind z.B. die folgenden:
- Es kann auch ein Konsistenzkriterium überprüft werden, nach welchem zwei oder mehr aus dem 3-D-Volumenmodel erzeugte Projektionen die gleichen Dämpfungssummenwerte aufweisen sollten, wie es in dem Artikel von Sourbelle beschrieben ist. Da sich aufgrund noch verbleibender Sättigungen einzelner Pixel die Dämpfungssummenwerte unterscheiden können, kann beispielsweise festgelegt werden, dass entsprechende Parameter der Extrapolationsfunktion E(x) dahingehend verändert werden, dass bei der nächsten Iteration in den Projektionen sich die Dämpfungssummenwerte dem größten Dämpfungssummenwert annähern.
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Ein weiteres Optimierungskriterium besteht in der Minimierung der Varianz der Grauwerte im Bereich 36, der ursprünglich gesättigt ist. Des Weiteren kann natürlich vorgesehen sein, stets auch das Kontinuitätskriterium zu überwachen.
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Eine Beschleunigung des iterativen Verfahrens wird erreicht, wenn nicht für jeden Iterationsschritt das gesamte 3-D-Volumenmodell berechnet wird, sondern nur einzelne Scheiben aus dem 3-D-Volumenmodell, also Schnittbilder. Dies bietet sich insbesondere an, wenn, wie vorliegend beschrieben, eine zeilenweise Verarbeitung der Röntgenaufnahme R durchgeführt wird.
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Natürlich muss sich die Extrapolation nicht auf die einzelne Röntgenaufnahme R beschränken. Auch in den übrigen Röntgenaufnahmen kann durch Extrapolation ein Sättigungseffekt kompensiert werden. In jeder der Röntgenaufnahmen ergibt sich dabei ein Sättigungseffekt für einen anderen Bereich der Außenkontur A des Körpers 16. Daher beeinflussen sich die einzelnen Extrapolationen nicht.
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Insgesamt ist durch das Beispiel gezeigt, wie sich durch die Erfindung die folgenden zahlreichen Vorteile realisieren lassen. Es ist nun nicht mehr nötig, zahlreiche Annahmen bezüglich der Form des Körpers 16 zu machen, um die Lage der Ränder 32, 34 in der gesättigten Röntgenaufnahme R zu schätzen. Gemäß dem Stand der Technik wird hier stets die Größe des Körpers 16, dessen Form (elliptisch) und dessen Beschaffenheit (Dämpfungswert von Wasser) unabhängig von den tatsächlich vorliegenden Verhältnissen vorgegeben. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Verlauf des Randes 32, 34 stattdessen individuell für jeden Patienten geschätzt. Damit ergibt sich auch eine patientenspezifische Extrapolation der Pixelwerte. Hierzu wird der beschriebene neue Verfahrensablauf (workflow) zur Detektion und Korrektur des gesättigten Bereichs 36 verwendet. Durch die zusätzlichen Randbedingungen kann auch die Konsistenz mit physikalischen Gegebenheiten, wie eine kontinuierliche Außenkontur A, konstante Dämpfungssummenwerte und graduelle Übergänge der Grauwerte, als Plausibilitätsüberprüfung bei der Extrapolation mitberücksichtigt werden. Auch eine iterative Verbesserung zur besseren Ausnutzung der in den einzelnen Röntgenaufnahmen enthaltenen Informationen ist nun ermöglicht. Der Rechenaufwand kann ebenfalls an die verfügbaren Rechenressourcen angepasst werden, indem verringerte Auflösungen (subsampling) beim Berechnen des 3-D-Volumenmodells oder der Schnittbilder verwendet werden. Zugleich ist das erfindungsgemäße Verfahren aber auch sehr flexibel, da eine Vielzahl von parametrischen Extrapolationsfunktionen E(x) einsetzbar ist. Durch das Verfahren werden ja im Wesentlichen nur die Randpunkte E0, E1 für die Extrapolation patientenspezifisch geschätzt. Schließlich besteht ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, dass es sich auch einfach mit weiteren Verfahren der Röntgenbildverarbeitung kombinieren lässt, indem sich aus den extrapolierten Röntgenaufnahmen beispielsweise ein 3-D-Volumenmodell berechnen lässt, das als Grundlage für eine Reduktion von Metall-Artefakten oder für eine Verarbeitung durch andere Rekonstruktionsalgorithmen dienen kann.
