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Die Erfindung betrifft ein medizinisches Bildgebungsverfahren und Bildgebungssystem zum Generieren von Bildern aus medizinischen Bildaufnahmen.
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Die moderne medizinische Diagnostik stützt sich in erheblichem Maße auf eine medizinische Bildgebung, die z.B. auf radiologischen, angiographischen oder tomografischen Bildaufnahmen basiert. In der digitalen Radiologie werden z.B. Röntgenstrahlen von einer Röntgenquelle in Richtung eines digitalen Detektors emittiert. Ein zwischen der Röntgenquelle und dem digitalen Detektor befindlicher Körper oder Körperteil schwächt je nach innerer Struktur die Röntgenstrahlen in unterschiedlicher Weise, was von dem digitalen Detektor gemessen und in der Regel in eine Bildaufnahme umgesetzt wird. Die Unterschiede der gemessenen Abschwächung repräsentieren hierbei eine Projektion der Anatomie des Körpers oder Körperteils auf die Detektorebene.
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Für eine aussagekräftige Diagnose anhand derartiger Bildaufnahmen ist es wesentlich, dass die Röntgenquelle und der Detektor derart eingestellt sind, dass die diagnoserelevanten anatomischen Merkmale mit ausreichendem Kontrast dargestellt werden. Zu diesem Zweck wird in der Regel die Detektorverstärkung in einer Weise angepasst, dass der Kontrast der für die Diagnose relevanten Bildbereiche maximiert wird. Insbesondere bei Weichgewebeaufnahmen ist es jedoch nicht unüblich, dass die Bildaufnahme in Regionen geringer Gewebedichte überbelichtet und in Regionen hoher Gewebedichte, wie z.B. in Knochengewebe, unterbelichtet ist.
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Um ausreichenden Kontrast medizinischer Bildaufnahmen über einen weiten Bereich von Gewebedichten zu gewährleisten, wird vielfach eine dynamische Kompression der vom Detektor gelieferten Intensitätswerte durchgeführt. Auf diese Weise können Bildaufnahmen häufig über einen weiten Bereich von Gewebedichten in befriedigender Qualität erzeugt werden. Hierbei tritt jedoch nicht selten der Fall auf, dass ein für die Diagnose wichtiges Detail nicht optimal abgebildet ist und so weitere Bildaufnahmen erforderlich werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein medizinisches Bildgebungsverfahren und ein medizinisches Bildgebungssystem anzugeben, die es erlauben, Bilder mit höherer Qualität zu generieren.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein medizinisches Bildgebungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein medizinisches Bildgebungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 sowie durch ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
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Zum Generieren von Bildern aus medizinischen Bildaufnahmen wird eine erste Bildaufnahme eingelesen, aus der durch ein Mustererkennungsmodul phänotypische Merkmale extrahiert werden, anhand derer verschiedene Gewebetypen oder Organregionen erkannt werden. Gewebetypen können hierbei z.B. Knochen-, Muskel- oder Bindegewebe oder andere biologische Gewebe sein. Eine Organregion kann z.B. ein von einem Organ oder einem spezifischen Teil davon eingenommener Bereich sein. Weiterhin wird die erste Bildaufnahme in für die erkannten Gewebetypen oder Organregionen spezifische Bildsegmente segmentiert. Erfindungsgemäß wird ein jeweiliges Bildsegment durch ein Bildbearbeitungsmodul bearbeitet, wobei ein Kontrastumfang des jeweiligen Bildsegments abhängig vom Gewebetyp oder der Organregion des jeweiligen Bildsegments segmentindividuell eingestellt wird. Ein anhand der segmentindividuell bearbeiteten Bildsegmente generiertes Bild wird dann ausgegeben.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch die Segmentierung der ersten Bildaufnahme nach Gewebetypen oder Organregionen und die segmentindividuelle Bearbeitung der resultierenden Bildsegmente die erste Bildaufnahme für jeden enthaltenen Gewebetyp und/oder jede enthaltene Organregionen spezifisch verbessert werden kann. Beispielsweise kann so ein Bildsegment mit Knochengewebe, das in herkömmlichen Bildaufnahmen eher dunkel und kontrastarm erscheint, spezifisch aufgehellt und mit einem höheren Kontrastumfang versehen werden. Auf diese Weise kann in der Regel ein Bild generiert werden, das mehr medizinisch relevante Bildinformation erkennen lässt, als eine herkömmliche Bildaufnahme.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können die erste Bildaufnahme sowie eine weitere Bildaufnahme durch eine medizinische Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen werden, wobei die Aufnahmen jeweils abhängig von einem Aufnahmeparameter gesteuert werden und der Aufnahmeparameter der weiteren Bildaufnahme sich von dem Aufnahmeparameter der ersten Bildaufnahme unterscheidet. Das generierte Bild kann dann anhand der weiteren Bildaufnahme erzeugt werden. Insbesondere können auch mehrere weitere Bildaufnahmen mit unterschiedlichen Aufnahmeparametern durch die Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen werden. Durch den oder die Aufnahmeparameter können z.B. Belichtungszeit, Bestrahlungsintensität, Aufnahmebereich, Auflösung, Fokus und/oder Wellenlänge einer jeweiligen Bildaufnahme individuell gesteuert werden.
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Auf diese Weise können verschiedene Bildaufnahmen mit jeweils für bestimmte anatomische Bereiche oder diagnostische Zwecke optimierten Aufnahmeparametern erzeugt werden und zu einem medizinisch aussagekräftigen Bild kombiniert werden.
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Insbesondere kann der Aufnahmeparameter der weiteren Bildaufnahme abhängig vom Gewebetyp oder der Organregion eines Bildsegments der ersten Bildaufnahme eingestellt werden. Auf diese Weise kann die Erkennung der Gewebetypen und/oder Organregionen der ersten Bildaufnahme dazu verwendet werden, die Aufnahme der weiteren Bildaufnahme an die dargestellten anatomischen Bereiche anzupassen.
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Darüber hinaus kann der Aufnahmeparameter der weiteren Bildaufnahme adaptiv anhand des Aufnahmeparameters der ersten Bildaufnahme sowie eines Kontrastumfangs der ersten Bildaufnahme eingestellt werden.
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Weiterhin kann eine weitere Bildaufnahme eingelesen werden und ein Kontrastumfang eines Bildsegments der weiteren Bildaufnahme abhängig vom erkannten Gewebetyp oder der Organregion eines Bildsegments der ersten Bildaufnahme eingestellt werden. Auf diese Weise kann Information über die erkannten Gewebetypen oder Organregionen aus der ersten Bildaufnahme dazu verwendet werden, die weitere Bildaufnahme zu verbessern. Hierbei können korrespondierende Bildsegmente der ersten Bildaufnahme und der weiteren Bildaufnahme einander zugeordnet werden, um abhängig voneinander bearbeitet zu werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann der ersten und der weiteren Bildaufnahme jeweils ein Gewicht zugeordnet werden. Das generierte Bild kann dann mittels einer durch das jeweils zugeordnete Gewicht gewichteten Kombination der ersten und der weiteren Bildaufnahme erzeugt werden.
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Insbesondere kann die weitere Bildaufnahme in für erkannte Gewebetypen oder Organregionen spezifische Bildsegmente segmentiert werden, so dass einem Bildsegment der ersten und der weiteren Bildaufnahme jeweils ein lokales Gewicht zugeordnet werden kann. Das generierte Bild kann dann mittels einer durch das jeweils zugeordnete lokale Gewicht gewichteten Kombination von Bildsegmenten der ersten und der weiteren Bildaufnahme erzeugt werden.
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Insbesondere kann das lokale Gewicht eines Bildsegments abhängig vom Gewebetyp oder der Organregion dieses Bildsegments ermittelt werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann für ein jeweiliges Bildsegment ein segmentindividueller Darstellungsparameter abhängig vom Gewebetyp oder der Organregion dieses Bildsegments ermittelt werden. Die Einstellung des Kontrastumfangs dieses Bildsegments kann dann abhängig vom ermittelten Darstellungsparameter erfolgen. Derartige Darstellungsparameter können insbesondere einen Bildkontrast, einen Kontrastumfang, eine Bildhelligkeit, einen oder mehrere Bildfilter oder deren Filterparameter und/oder eine spezifische Bildbearbeitungstechnik wie Schärfen, Kantenhervorhebung oder andere Bildverbesserungstechniken betreffen.
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Vorzugsweise können für aneinandergrenzende Bildsegmente ermittelte Darstellungsparameter in einem Übergangsbereich zwischen den aneinandergrenzenden Bildsegmenten interpoliert werden. Auf diese Weise können Unstetigkeiten bei der Bilddarstellung im Übergangsbereich dieser Bildsegmente effektiv vermieden oder verringert werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Die Figur zeigt ein erfindungsgemäßes medizinisches Bildgebungssystem in schematischer Darstellung.
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In der Figur ist ein erfindungsgemäßes medizinisches Bildgebungssystem IMGS zum Generieren von Bildern aus medizinischen Bildaufnahmen PIC1, ..., PICN schematisch dargestellt. An das Bildgebungssystem IMGS ist über eine erste Schnittstelle I1 eine medizinische Bildaufnahmeeinrichtung XR angekoppelt. Die Bildaufnahmeeinrichtung XR kann z.B. eine Röntgenröhre, ein Magnetresonanztomograph, eine Ultraschallaufnahmeeinrichtung oder eine andere medizinische Aufnahmeeinrichtung sein, die Bildaufnahmen von einem Organ oder einer anderen Körperstruktur liefert.
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Die Bildaufnahmen PIC1, ..., PICN werden von der Bildaufnahmeeinrichtung XR vorzugsweise in Form von Bilddaten über die erste Schnittstelle I1 zu einem Segmentierungsmodul SM des Bildgebungssystems IMGS übermittelt. Die Bildaufnahmen PIC1, ..., PICN bilden vorzugsweise eine Aufnahmesequenz aus einer einzelnen Aufnahmesitzung. Alternativ oder zusätzlich können die Bildaufnahmen PIC1, ..., PICN auch Bildaufnahmen aus mehreren Aufnahmesitzungen umfassen, um z.B. einen zeitlichen Verlauf einer anatomischen Veränderung zu erkennen.
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Das Segmentierungsmodul SM dient zum Segmentieren einer jeweiligen Bildaufnahme PIC1, ... bzw. PICN in Bildsegmente, die für einen Gewebetyp, eine Organregion, eine Region mit einem bestimmten Gewebetyp oder allgemein für eine bestimmte anatomische Region spezifisch sind. Gewebetypen können hierbei Knochen-, Muskel- oder Bindegewebe oder andere biologische Gewebe sein. Eine Organregion kann ein von einem Organ oder einem spezifischen Teil davon eingenommener Bereich sein.
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Das Segmentierungsmodul SM verfügt über ein Mustererkennungsmodul PR zum Extrahieren von phänotypischen Merkmalen PT aus einer jeweiligen Bildaufnahme PIC1, ... bzw. PICN sowie zum Erkennen von verschiedenen Gewebetypen oder Organregionen, allgemein von anatomischen Regionen GO der jeweiligen Bildaufnahme PIC1, ... bzw. PICN anhand der extrahierten phänotypischen Merkmale PT. Die extrahierten phänotypischen Merkmale PT können hierbei insbesondere Helligkeit, Kontrast, Umriss und/oder Textur von Bildstrukturen umfassen. Eine Organregion wird insbesondere auch anhand ihrer Form und Lage im Körper erkannt.
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Im Folgenden wird die Bearbeitung der Bildaufnahmen PIC1, ..., PCIN anhand der Bearbeitung der ersten Bildaufnahme PIC1 stellvertretend beschrieben. In diesem Sinne werden für die erste Bildaufnahme PIC1 durch das Mustererkennungsmodul PR unterschiedliche Gewebetypen und Organregionen GO1, ..., GOK erkannt. Das Segmentierungsmodul SM segmentiert daraufhin die erste Bildaufnahme PIC1 in eine Vielzahl von Bildsegmenten S1, ..., SK, die jeweils einem einheitlichen Gewebetyp oder einer spezifischen Organregion GO1, ... bzw. GOK zugeordnet sind. Hierbei ist der Gewebetyp oder die Organregion GO1 dem Bildsegment S1, der Gewebetyp oder die Organregion GO2 dem Bildsegment S2 usw. zugeordnet.
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Die weiteren Bildaufnahmen PIC2, ..., PICN können jeweils auf gleiche Weise in korrespondierende Bildsegmente (nicht dargestellt) segmentiert werden. Bildsegmente verschiedener Bildaufnahmen PIC1, ..., PICN, aber gleichen Gewebetyps oder gleicher Organregion GO können hierbei einander zugeordnet werden, um z.B. verschiedene Bildaufnahmen einer bestimmten Organregion mit unterschiedlichen Belichtungszeiten, unterschiedlichen Wellenlängen und/oder aus unterschiedlichen Aufnahmerichtungen einander zuzuordnen.
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Die Bildsegmente S1, ..., SK werden zusammen mit den zugeordneten Gewebetypen bzw. Organregionen GO1, ..., GOK vom Segmentierungsmodul SM zu einem Bildbearbeitungsmodul IMP übertragen. Das Bildübertragungsmodul IMP dient zum Bearbeiten eines jeweiligen Bildsegments S1, ... bzw. SK durch segmentindividuelles Einstellen eines Kontrastumfangs und/oder anderer Darstellungsparameter des jeweiligen Bildsegments abhängig von dessen Gewebetyp bzw. dessen Organregion GO1, ... bzw. GOK.
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Zum segmentindividuellen Einstellen der Darstellungsparameter wird jedem Bildsegment S1, ..., SK ein segmentspezifischer Darstellungsparameter P1, ... bzw. PK durch das Bildbearbeitungsmodul IMP zugeordnet. Die Darstellungsparameter P1, ..., PK können beispielsweise einen Bildkontrast, einen Kontrastumfang, eine Bildhelligkeit, einen oder mehrere Bildfilter oder deren Filterparameter und/oder eine spezifische Bildbearbeitungstechnik wie Schärfen, Kantenhervorhebung oder andere Bildverbesserungstechniken angeben.
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Die Darstellungsparameter P1, ..., PK werden abhängig vom Gewebetyp oder der Organregion GO1, ... bzw. GOK des jeweils zugeordneten Bildsegments S1, ... bzw. SK segmentindividuell mittels einer Tabelle TAB ermittelt. Die Tabelle TAB, die z.B. mittels einer Datenbank implementiert sein kann, enthält vorzugsweise für eine Vielzahl von vorgegebenen Gewebetypen und/oder spezifischen Organregionen jeweils einen oder mehrere spezifisch zugeordnete Darstellungsparameter und/oder einen oder mehrere spezifische Aufnahmeparameter XPAR.
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Die Aufnahmeparameter XPAR dienen zum Ansteuern der Bildaufnahmeeinrichtung XR, um die Aufnahme einer jeweiligen Bildaufnahme PIC1, ... bzw. PICN individuell zu steuern. Hierbei kann z.B. eine Belichtungszeit, eine Bestrahlungsintensität, ein Aufnahmebereich, eine Auflösung, ein Fokus und/oder eine Wellenlänge einer jeweiligen Bildaufnahme PIC1, ... bzw. PICN gesteuert werden. Die in der Tabelle TAB zugeordneten Darstellungsparameter und Aufnahmeparameter können vorgegeben oder adaptiv während einer Bildaufnahmesequenz angepasst werden.
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Zur Ermittlung der Darstellungsparameter P1, ..., PK werden für die erkannten Gewebetypen oder Organregionen GO1, ..., GOK aus der Tabelle TAB die jeweils zugeordneten Darstellungsparameter P1, ..., PK extrahiert. Für jedes Bildsegment S1, ..., SK wird anschließend eine Bildbearbeitungsroutine IPR aufgerufen, der das jeweilige Bildsegment S1, ... bzw. SK sowie der diesem Bildsegment zugeordnete Darstellungsparameter P1, ... bzw. PK als Aufrufparameter übergeben werden. Die Bildbearbeitungsroutine IPR gibt jeweils ein segmentindividuell bearbeitetes Bildsegment SP1, ... bzw. SPK zurück.
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Auf diese Weise verbessert das Bildbearbeitungsmodul IMP die bildliche Darstellung der Bildaufnahmen PIC1, ..., PICN basierend auf der vorhergehenden Segmentierung dieser Bildaufnahmen nach anatomischen Regionen gefolgt von einer segmentspezifischen Verbesserung der Bildsegmente S1, ..., SK. Hierbei können segmentspezifisch unterschiedlich parametrisierte lokale und adaptive Bildverbesserungstechniken auf unterschiedliche Gewebetypen bzw. Organregionen angewandt werden. Beispielsweise kann so ein Bildsegment mit Knochengewebe, das in herkömmlichen Bildaufnahmen eher dunkel und kontrastarm erscheint, aufgehellt und mit einem höheren Kontrastumfang versehen werden als ein Weichgewebe eines anderen Bildsegments. Die Darstellungsparameter benachbarter Bildsegmente können vorzugsweise interpoliert werden um Unstetigkeiten im Übergangsbereich dieser Bildsegmente zu vermeiden.
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Auch die Aufnahmeparameter XPAR können vorzugsweise segmentindividuell, lokal und/oder regional ermittelt werden. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Detektor der Bildaufnahmeeinrichtung XR vorzugsweise segmentindividuell auf eine spezifische Belichtung, Wellenlänge und/oder Dynamikkompression eingestellt werden. Eine Röntgenröhre kann z.B. auf eine spezifische Intensität und/oder durch Variation ihrer Beschleunigungsspannung auf eine vorgebbare Wellenlänge eingestellt werden. Insbesondere können die Bildaufnahmen PIC1, ..., PICN mit unterschiedlichen Aufnahmeparametern XPAR, wie z.B. mit unterschiedlichen Beschleunigungsspannungen einer Röntgenröhre aufgenommen werden und die dadurch gewonnenen Multispektralaufnahmen geeignet kombiniert werden. Daneben kann eine Dynamikkompression für die verschiedenen Bildaufnahmen PIC1, ..., PICN unterschiedlich eingestellt werden, so dass der Dynamikbereich hinsichtlich eines maximalen Kontrastumfangs in den zu untersuchenden Organen optimiert wird. Die Aufnahmeparameter XPAR können auch abhängig von Bildeigenschaften vorangegangener Bildaufnahmen der Aufnahmesequenz PIC1, ..., PICN für die jeweils nächste Bildaufnahme adaptiv eingestellt oder nachgebessert werden. Die Aufnahmeparameter XPAR können dabei vorzugsweise hinsichtlich der Sichtbarkeit und Deutlichkeit von anatomischen Details optimiert werden.
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Die bearbeiteten Bildsegmente SP1, ..., SPK werden vom Bildbearbeitungsmodul IMP zusammen mit dem jeweils zugehörigen Gewebetyp oder der jeweils zugehörigen Organregion GO1, ... bzw. GOK zu einem Bildgenerator GEN übermittelt. Der Bildgenerator GEN dient zum Generieren eines Bildes IMG anhand der segmentindividuell bearbeiteten Bildsegment SP1, ..., SPK der verschiedenen Bildaufnahmen PIC1, ..., PICN. Die bearbeiteten Bildsegmente SP1, ..., SPK werden hierbei vorzugsweise durch segmentindividuelle, lokale Gewichte LW gewichtet und beispielsweise durch Addition der gewichteten bearbeiteten Bildsegmente SP1, ..., SPK, kombiniert. Die lokalen Gewichte LW können hierbei vorzugsweise abhängig vom Gewebetyp bzw. der Organregion GO1, ..., GOK des jeweiligen bearbeiteten Bildsegments SP1, ... bzw. SPK bestimmt werden.
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Auf diese Weise können Multispektralaufnahmen durch eine gewichtete Summe kombiniert werden, um ein Multispektralbild zu generieren. Durch die Verwendung lokaler Gewichte LW können die Multispektralaufnahmen auch gewebetypspezifisch bzw. organregionspezifisch kombiniert werden.
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Das generierte Bild IMG wird durch den Bildgenerator GEN zu einem Bildschirmterminal T übermittelt, das über eine zweite Schnittstelle I2 an das Bildgebungssystem IMGS angekoppelt ist. Das Bildschirmterminal T stellt das generierte Bild IMG optisch dar.
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Mittels der Erfindung können Methoden der medizinischen Bildanalyse bzw. Mustererkennung dazu verwendet werden, spezifisch zu untersuchende anatomische Bereiche in mehreren Bildaufnahmen einer Aufnahmesequenz PIC1, ..., PICN zu erkennen und letztere entsprechend zu segmentieren, um so lokal optimierte und adaptive Bildverbesserungstechniken segmentindividuell auf die Bildaufnahmen PIC1, ..., PICN anzuwenden. Die segmentindividuell bearbeiteten Bildaufnahmen können dann zu einem einzelnen generierten Bild IMG kombiniert werden, das erheblich mehr medizinisch relevante Bildinformation enthält als eine einzelne Bildaufnahme oder eine nicht segmentindividuell bearbeitete Bildaufnahme.
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Die Erfindung kann in einem weiten Feld medizinischer Bildgebung verwendet werden, wie z.B. digitaler Radiographie, Angiographie oder computergestützter Tomographie.
