DE102018208610A1

DE102018208610A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Konditionierung von Bildaufnahmen eines Röntgenbildgebungssystems

Info

Publication number: DE102018208610A1
Application number: DE102018208610.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Hupfer; Stefan Schaffert; Bastian Schmidt
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2018-05-30
Filing date: 2018-05-30
Publication date: 2019-12-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung von Bildaufnahmen (B) eines Röntgenbildgebungssystems (1) umfassend die Schritte:- Bereitstellen eines mathematischen Modells (M) des Röntgenbildgebungssystems (1),- Erstellung oder Bereitstellung von Kalibrierdaten (B, D) in Form digitaler Daten (RD),- Bestimmung von Modellparametern (MP) des mathematischen Modells (M) basierend auf diesen Kalibrierdaten (B, D),- Konditionierung einer Bildaufnahme (B) des Röntgenbildgebungssystems (1) basierend auf dem mathematischen Modell (M) und den Modellparametern (MP).Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Vorrichtung, eine Steuereinrichtung und ein Röntgenbildgebungssystem.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Konditionierung von Bildaufnahmen eines Röntgenbildgebungssystems, insbesondere ein Kalibrierverfahren zur verbesserten Kalibrierung von Röntgenbildgebungssystemen, sowie eine Steuereinrichtung zur Steuerung eines Röntgenbildgebungssystems und ein solches Röntgenbildgebungssystem.
Die moderne Röntgenbildgebung ist ein unverzichtbares Instrument in der heutigen Medizin. Mittels mannigfaltiger Geräte, wie z.B. radiographischer Geräte („Röntgengeräte“) oder Geräte zur Röntgen-Computertomographie („CT“) werden Röntgenstrahlen verwendet, um Aufnahmen von Menschen, Tieren, Pflanzen oder Objekten anzufertigen. Wurden früher zumeist Aufnahmen auf photographischem Film erstellt, so werden heutzutage in der Regel digitale Bildgebungsdetektoren verwendet, welche die aufgenommene Röntgenstrahlung über elektrische Signale zu digitalen Daten, zumeist in Form von Pixeln oder Voxeln konvertieren.
Die in modernen Röntgensystemen eingesetzten Röntgenquellen zeigen jedoch in der Regel über den aufzunehmenden Bereich eine inhomogene Intensitätsverteilung. Diese Inhomogenitäten des Strahlungsfeldes der Röntgenröhre entstehen z.B. aufgrund des Heel-Effekts oder aufgrund geometrischer Randbedingungen. Die Korrektur dieser Inhomogenitäten wird auch als „Shading-Korrektur“ bezeichnet.
Aber nicht nur die Röntgenquellen weisen Inhomogenitäten auf, sondern auch die Bildgebungsdetektoren sind im Allgemeinen räumlich inhomogen in ihrer Sensitivität bzw. Verstärkung, so dass gleiche Strahlintensitäten an unterschiedlichen Detektorpositionen (i.a. „Pixelkoordinaten“) unterschiedlich starke Signale hervorrufen. Die Korrektur dieser Inhomogenitäten des Bildgebungsdetektors wird auch als „Gain-Korrektur“ bezeichnet.
Aufgrund der Inhomogenitäten der Elemente eines Röntgensystems ist eine Kalibrierung des jeweils verwendeten Systems notwendig um das gewünschte Bild z.B. zur medizinischen Bildgebung, in optimaler Qualität zu erhalten. Die Kalibrierung umfasst u.a. mindestens eine multiplikative Korrektur der Pixelintensitäten anhand einer gleichermaßen viele Pixel umfassenden Matrix. Diese Matrix wird anhand vieler Bilder errechnet, die zuvor im Rahmen der Kalibrierung des Systems aufgenommen worden sind.
Zur Shading-Korrektur sind heutzutage zwingend Röntgenbilder notwendig, wohingegen für direkt-konvertierende Detektoren durch Einspeisung einer Hochspannung bereits heute eine strahlungslose Gain-Kalibrierung möglich ist. Beide Schritte können aber auch in einer Korrekturtabelle kombiniert werden beispielsweise, aber nicht ausschließlich, für indirekt- konvertierende Röntgendetektoren.
Bei der Shading-Korrektur kann unter Umständen ausgenutzt werden, dass die Inhomogenitäten des Strahlungsfeldes nur schwach mit unterschiedlicher Beschleunigungsspannung und Röhrenlast variieren. Unter Inkaufnahme von Einbußen der Homogenität kann die Shading-Kalibrierung einer Kombination aus Beschleunigungsspannung und Röhrenlast variiert für viele unterschiedliche Parameter verwendet werden.
Für verschiedene Filter wird aber typischerweise eine entsprechende Kalibrierung notwendig. Eine veränderte Positionierung von Röhre zu Detektor, wie sie z.B. für tragbare Detektoren oder Tomosynthese in der Mammographie die Regel ist, modifiziert das Verhältnis des Strahlungsfeldes zum Detektor und macht in der Regel eine entsprechende Kalibrierung notwendig.
Nach aktuellem Stand wird dazu ein Röntgenbild ohne Objekt, ein sogenanntes „flat-field image“, aufgenommen. Es kann hierbei auch ein homogenes Kalibrierphantom verwendet werden, welches den gesamten Detektor abdeckt. Die Inhomogenitäten des Strahlungsfeldes enthalten vor allem niedrige Frequenzen. Um das Rauschen in der Kalibrierkarte zu verringern können die Bilder entsprechend gefiltert werden. Eine Eliminierung des Rauschens ist auf diese Weise aber nicht möglich.
Nach der Kalibrierung kann eine Konditionierung einer Bildaufnahme des Röntgenbildgebungssystems stattfinden. Bei der Konditionierung werden die aufgenommenen digitalen Daten („Rohdaten“) korrigiert und ggf. auch rekonstruiert (z.B. bei einem CT) und damit ein Bild erstellt.
Nachteil der bekannten Verfahren zur Kalibrierung und damit auch zur Konditionierung von Bildaufnahmen ist, dass stets Aufnahmen oder zumindest Testprozeduren vor einer Bildaufnahme benötigt werden. Bei Änderungen der Geometrie z.B. müssen diese stets aufs Neue vor Bildaufnahmen durchgeführt werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Konditionierung von Bildaufnahmen eines Röntgenbildgebungssystems, sowie eine Steuereinrichtung zur Steuerung eines Röntgenbildgebungssystems und ein solches Röntgenbildgebungssystem anzugeben, mit dem die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1, eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 10, eine Steuereinrichtung gemäß Patentanspruch 12 und ein Röntgenbildgebungssystem gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Konditionierung von Bildaufnahmen eines Röntgenbildgebungssystems, bzw. stellt es ein Kalibrierverfahren zur verbesserten Kalibrierung von Röntgenbildgebungssystemen dar. Zusammengefasst betrifft die Erfindung eine schnelle Kalibrierung unter Verwendung einer mathematischen Modellierung, mit dem sowohl eine Shading-Korrektur als auch eine Gain-Korrektur jeweils für sich oder in Kombination vorgenommen werden kann. Unter dem Begriff „Kalibrierung“ wird im Sinne der Erfindung eine Ausgestaltung verstanden, bei der Inhomogenitäten bei der Bildnahme kompensiert werden. Die praktische Kompensation wird bei der Konditionierung einer Bildaufnahme vorgenommen, in dem eine Korrektur der Rohdaten auf Basis der Kalibrierung erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Bereitstellen eines mathematischen Modells Dieses Modell, welches auch als „Grundmodell“ bezeichnet werden kann, beschreibt dabei das Röntgenbildgebungssystem auf mathematische Art und Weise. Dieses Modell umfasst dabei variable Werte (z.B. Koeffizienten), welche die Anpassung der Modellierung an das reale System beeinflussen. Mittels Parameter, sogenannter „Modellparameter“, können die Variablen des Modells mit (numerischen) Werten versehen werden und das Modell mittels dieser Parameter an ein bestimmtes Röntgenbildgebungssystem angepasst werden und dieses beschreiben. Beispielsweise kann die Intensität des Strahlungsfeldes eines Röntgensystems auf der Detektorfläche oder die Sensitivität eines flächigen Detektors in Form eines zweidimensionalen Polynoms n-ter Ordnung angegeben werden, dessen genaue Form mittels Parametern eingestellt werden kann, welche den Koeffizienten des Polynoms einen konkreten Wert zuweisen, bzw. welche den Koeffizienten entsprechen. Das mathematische Modell kann also als „parametrisiert“ oder „parametrisierbar“ bezeichnet werden. In der Praxis kann also z.B. das Strahlungsfeld des Röntgenbildgebungssystems mit einem geeigneten mathematischen Modell parametrisiert werden. Die einzelnen Eigenschaften des Systems können mit jeweils unabhängigen Ansätzen modelliert werden, so dass eine Gruppe von unterschiedlichen mathematischen Funktionen das Modell bildet. Die Eigenschaften können aber auch zusammen oder in Gruppen gebündelt in einer einzigen Funktion vorliegen.
- Erstellung oder Bereitstellung von Kalibrierdaten In diesem Rahmen werden digitale Kalibrierdaten für das Verfahren zur Verfügung gestellt. Diese Kalibrierdaten umfassen bevorzugt eine digitale Bildaufnahme des Röntgenbildgebungssystems, also eine aktuelle oder eine alte, also vorher aufgenommene, Bildaufnahme. Alternativ oder ergänzend können die Kalibrierdaten externe Daten umfassen, wie sie im Folgenden ausführlicher beschrieben werden. Besonders bevorzugt bestehen die Kalibrierdaten aus einer Bildaufnahme bzw. umfassen die Kalibrierdaten eine Bildaufnahme. Eine Bildaufnahme ist ein im weiteren Sinne vom Detektor erzeugtes Bild, z.B. eine Flatfield-Aufnahme oder eine Darkfield-Aufnahme d.h. ggf. auch ohne Strahlung (bei reiner Gain-Kalibrierung). Es kann als Bildaufnahme aber auch eine normale klinische Aufnahme verwendet werden, zumindest diejenigen Teile einer solchen Aufnahme, in denen kein Motiv zu sehen ist. Dabei ist es aus Zeitgründen besonders bevorzugt, dass nur eine einzige Bildaufnahme in diesem Schritt verwendet wird. Wohlgemerkt handelt es sich bei der Bildaufnahme selbst in dem Fall, dass eine klinische Aufnahme vorliegt, noch nicht um die fertig konditionierte Bildaufnahme und die digitalen Daten der Bildaufnahme könnten damit auch als „Rohdaten“ bezeichnet werden. Je nach Anwendungsfall können die digitalen Daten auch bereits mittels einer „Startkalibrierung“ korrigiert worden sein. Im Sinne der Erfindung müsste aber diese Startkalibrierung dann gemäß der folgenden Schritte angepasst und eine Konditionierung des Bildes gemäß der angepassten Modellparamerter erfolgen.
- Bestimmung von Modellparametern Basierend auf diesen Kalibrierdaten (z.B. der Bildaufnahme) erfolgt eine (numerische) Bestimmung von Modellparametern des mathematischen Modells. Dies kann mit Hilfe eines geeigneten mathematischen Optimierungsverfahrens erfolgen, z.B. mittels eines Gradientenabstiegsverfahrens oder eines Gauß-Newton-Verfahrens. Dabei kann sowohl ein völlig „leeres“ Modell, also ein Modell, bei dem die Parameter vorher nicht bekannt waren, mit Modellparametern ausgestattet werden, es können aber auch vorher bekannte Modellparameter (z.B. Startparameter) angepasst und damit optimiert werden. Theoretisch wäre es möglich, dass bei jeder neuen Bildaufnahme (die als Kalibrierdaten fungiert) eine Verbesserung der Modellparameter vorgenommen wird. Dieser Schritt entspricht der Kalibrierung des Röntgenbildgebungssystems (bzw. die Verbesserung einer bestehenden Kalibrierung), in dem die dazu notwendigen Parameter für das Modell ermittelt werden.
- Konditionierung einer Bildaufnahme In diesem Schritt wird nun eine Bildaufnahme des Röntgenbildgebungssystems, womit dabei die vorangehend genannte oder eine andere Bildaufnahme gemeint sein kann, basierend auf dem mathematischen Modell und den Modellparametern konditioniert. Es erfolgt dabei eine Anpassung bzw. Korrektur der digitalen Daten der Bildaufnahme gemäß der Kalibrierung des Röntgenbildgebungssystems, insbesondere zumeist in Verbindung mit einer Rekonstruktion der Bilddaten aus den Rohdaten (z.B. bei Computertomographieaufnahmen) .

Zuletzt kann noch eine Ausgabe der konditionierten Bildaufnahme erfolgen, z.B. auf einem Bildschirm eines Terminals oder in Form einer Speicherung als Datei in einer Datenbank.
Aufgrund der Nutzung des mathematischen Modells für die Kalibrierung wird der damit konditionierten (korrigierten) Bildaufnahme kein zusätzliches Pixelrauschen hinzugefügt. Dadurch erhöht sich die Bildqualität. Zusätzlich kann eine Shading-Korrektur bzw. Gain-Korrektur mit sehr wenigen, ggf. nur einer einzigen Bildaufnahme erreicht werden, was eine große Zeitersparnis darstellt.
Im Falle der Verfügbarkeit einer strahlungslosen Gain-Kalibrierung, ist die Erfindung von besonderem Vorteil, da hier bereits Detektoreffekte abgetrennt werden können und somit die Parametrisierung nur noch die langwellige Shading-Korrektur umfasst. Dies vereinfacht die Berechnung und ermöglicht ggf. eine Reduzierung der Bildaufnahmen.
Ein weiterer Vorteil, ist der reduzierte Speicherbedarf verglichen mit einer pixelaufgelösten Kalibrierung. Dies ermöglicht eine einfachere Übertragung, sowie die Aufzeichnung einer längeren Historie. Dadurch wird auch eine bessere Wartungsvorhersage ermöglicht.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Konditionierung von Bildaufnahmen eines Röntgenbildgebungssystems umfasst die folgenden Komponenten:

- Eine Speichereinheit umfassend Daten des oben beschriebenen mathematischen Modells, welches das Röntgenbildgebungssystem beschreibt.
- Eine Datenschnittstelle zum Empfang von Kalibrierdaten in Form digitaler Daten, z.B. einer Bildaufnahme des Röntgenbildgebungssystems (insbesondere deren Rohdaten).
- Eine Bestimmungseinheit ausgelegt zur Bestimmung der oben beschriebenen Modellparameter des mathematischen Modells basierend auf diesen Kalibrierdaten. In einem einfachen Fall können beispielsweise neue Modellparameter aus einer Bildaufnahme bestimmt werden.

Liegen jedoch bereits vorher bestimmte Modellparameter vor, so können diese mittels der aus den Kalibrierdaten ermittelten Kalibrierparametern angepasst werden, wobei die angepassten Parameter die Modellparameter zur Konditionierung darstellen. In diesem Fall erfolgt die Bestimmung der Modellparameter also durch Anpassung vorbekannter Parameter. Die Bestimmungseinheit kann in diesem Fall auch als „Anpassungseinheit“ bezeichnet werden.
Die Bestimmungseinheit kann also auch dazu ausgelegt sein, vorher bestehende Modellparameter (z.B. Startparameter) zu ersetzen und/oder ändern und/oder anderweitig zu optimieren bzw. überhaupt Modellparameter aus den digitalen Daten der Bildaufnahme zu erstellen.
- Eine Konditionierungseinheit ausgestaltet zur Konditionierung einer Bildaufnahme des Röntgenbildgebungssystems basierend auf dem mathematischen Modell und den Modellparametern.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung noch eine Ausgabeschnittstelle oder Ausgabeeinheit (z.B. ein Display) zur Ausgabe von konditionierten Bildaufnahmen.
Eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung zur Steuerung eines Röntgenbildgebungssystems ist zur Konditionierung von Bildaufnahmen des Röntgenbildgebungssystems gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren ausgestaltet ist und/oder umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
Ein erfindungsgemäßes Röntgenbildgebungssystem umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung.
Ein Großteil der zuvor genannten Komponenten der Vorrichtung bzw. der Steuereinrichtung, können ganz oder teilweise in Form von Softwaremodulen in einem Prozessor einer entsprechenden Vorrichtung bzw. Steuereinrichtung realisiert werden. Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Vorrichtungen bzw. Steuereinrichtungen auf einfache Weise durch ein Software-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in ein Rechensystem bzw. eine Speichereinrichtung einer Steuereinrichtung (z.B. eines Computertomographiesystems) ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in dem Rechensystem bzw. der Steuereinrichtung ausgeführt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile wie z. B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten auch Hardware-Komponenten, wie z.B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen
Zum Transport zum Rechensystem bzw. zur Steuereinrichtung und/oder zur Speicherung an oder in dem Rechensystem bzw. der Steuereinrichtung kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einem Rechensystem bzw. einer Rechnereinheit der Steuereinrichtung einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den Ansprüchen und Beschreibungsteilen zu einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.
Bevorzugt werden zu dem mathematischen Modell Modellparameter bereitgestellt, die bereits vorher bestimmt wurden. Die können beispielsweise Startparameter sein oder Modellparameter, die aus einer älteren Bildaufnahme bereits vorher ermittelt worden sind. Aus den Kalibrierdaten (z.B. einer Bildaufnahme) werden dann zur Kalibration zunächst Kalibrierungsparameter ermittelt, insbesondere aus einem Teilbereich, in dem keine relevanten Elemente abgebildet sind. Die vorher bestimmten Modellparameter werden danach mittels der Kalibrierparameter angepasst (z.B. Parameter geändert oder ersetzt, s.u.) und die angepassten Modellparameter zur (anschließenden) Konditionierung verwendet.
Bevorzugt wird aus den Abweichungen von Kalibrierparametern von vorher bestimmten Modellparametern eine geänderte Geometrie und/oder Strahleigenschaft und/oder Detektoreigenschaft des Röntgenbildgebungssystems ermittelt, z.B. eine andere Lage des Detektors zur Röhre. Dazu wird bevorzugt ermittelt, ob ein Teil der Kalibrierparameter sich gemäß eines vorher festgelegten Musters geändert hat. Aus dem Grad der Änderung dieses Teils der Modellparameter kann dann der Grad der Änderung der Geometrie bestimmt werden. Aus den Abweichungen zu einem Parametersatz kann also auf eine geänderte Systemgeometrie, z.B. bei einem Röntgengerät auf eine geänderte Lage des Detektors zur Röhre, rückgeschlossen werden.
Beispielsweise haben sich die Parameter, welche die Bildwiedergabe des Bildgebungsdetektors eines Röntgengeräts umfassen, systematisch so verändert wie es einer Verstellung des Röntgenstrahls entspricht. Daraus kann auf eine Verstellung des Röntgenstrahls geschlossen werden. Hierzu können aber auch zusätzlich externe Daten verwendet werden, wobei mit „extern“ gemeint ist, dass diese Daten nicht von der Bildaufnahme stammen, sondern z.B. von Positionsdetektoren. Die externen Daten können auch als „Hilfsdaten“ bezeichnet werden. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft für mobile Röntgenbildgebungssysteme. Ohne zusätzliche Messung kann anhand des Modells eine geänderte Geometrie oder Strahleigenschaft kompensiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht außerdem eine Extrapolation des Strahlenfelds auf eine andere Position des Bildgebungsdetektors und eine Korrektur in diesem Fall. Das Modell ist durch die Parametrisierung für veränderte Auflösungen oder Strahl-Geometrien direkt anwendbar.
Wurde eine Änderung der Geometrie und/oder Strahleigenschaft des Röntgenbildgebungssystems ermittelt, werden anschließend bevorzugt die vorher bestimmten Modellparameter mittels der Kalibrierparameter auf die geänderte Geometrie und/oder Strahleigenschaft des Röntgenbildgebungssystems angepasst. Anhand des mathematischen Modells und den auf diese Weise angepassten Modellparameter wird, insbesondere ohne zusätzliche Bildaufnahme zur Kalibrierung, eine Konditionierung einer Bildaufnahme durchgeführt.
Bevorzugt werden die Kalibrierparameter auf Plausibilität geprüft, wobei die Plausibilitätsprüfung bevorzugt eine Prüfung auf systeminhärente Konsistenz umfasst. Danach werden bevorzugt die Modellparameter basierend auf der Plausibilitätsprüfung der Kalibrierparameter angepasst.
Im Rahmen der Plausibilitätsprüfung ist alles Plausibel was im Rahmen der Systemgeometrie oder aufgrund physikalischer Eigenschaften möglich ist. Alles was in diesem Rahmen unmöglich ist, wird als Fehler angenommen und trägt nicht zur Anpassung der Modellparameter bei. Beispielsweise wird in dem Fall, dass der Abstand des Bildgebungsdetektors zur Röntgenquelle 0 bis 10 m betragen kann, eine Messung von 11 m als unplausibel eingestuft. Bevorzugt wird mit Hilfe der bestehenden Modellparameter eine neue Aufnahme auf Plausibilität geprüft.
Bevorzugt wird bei der Anpassung bevorzugt ein Teil der vorher bestimmten Modellparameter durch die entsprechenden Kalibrierparameter ersetzt oder ein angepasster Modellparameter aus einem vorher bestimmten Modellparameter und einem entsprechenden Kalibrierparameter mittels einer mathematischen Funktion berechnet, z.B. durch Mittelwertbildung. Es kann also anstelle einer neuen Kalibrierung mit vielen Parametern lediglich eine bestehende Kalibrierung um die neu gewonnenen Daten eines Bildes ergänzt und ggf. verbessert werden. Diese „Update-Kalibrierung“ hat den Vorteil, dass der Aufwand der Kalibrierung, d.h. der Umfang der aufzunehmenden Bilder bzw. Kalibrierparameter, verringert wird.
Bevorzugt ist die zur Kalibrierung verwendete Bildaufnahme (also die von den Kalibrierdaten umfasste Bildaufnahme) eine klinische Aufnahme eines Patienten oder Objekts, wobei basierend auf dieser Bildaufnahme Modellparameter bestimmt oder angepasst werden. Es ist dabei bevorzugt, dass im Rahmen der Konditionierung auch genau diese Bildaufnahme mittels des mathematischen Modells und der Modellparameter konditioniert wird. Die zu konditionierende Bildaufnahme trägt also selber zur Kalibrierung bei. Dabei werden insbesondere motivfreie Bereiche der Bildaufnahme zur Kalibrierung verwendet.
Bevorzugt umfasst das Röntgenbildgebungssystem eine Röntgenquelle und das mathematische Modell beschreibt das Strahlungsfeld dieser Röntgenquelle. Das Verfahren umfasst dann die Kalibrierung des Strahlungsfeldes der Röntgenquelle, also die Shading-Korrektur.
Insbesondere werden dabei einer oder mehrere der folgenden Aspekte berücksichtigt:

- Heel-Effekt,
- Abstand und Ausrichtung von Röntgenquelle zu einem Bildgebungsdetektor,
- Absorption in einem Filter.

Alternativ oder ergänzend umfasst das Röntgenbildgebungssystem einen Bildgebungsdetektor und das mathematische Modell beschreibt die Eigenschaften des Bildgebungsdetektors. Das Verfahren umfasst dann die Kalibrierung der Eigenschaften des Bildgebungsdetektors, also die Gain-Korrektur. Die Erfindung unterstützt im Besonderen verschiedene Arten von Detektoren. Beispielsweise können Flächendetektoren, gekachelte oder auch nur Liniendetektoren mit einem Kalibriermodell erfasst werden. Dadurch erstreckt sich die Erfindung auf eine Vielzahl von möglichen Geräte der Röntgenbildgebung.
Insbesondere werden dabei einer oder mehrere der folgenden Aspekte berücksichtigt:

- Sensitivitätsunterschiede in Pixeln,
- Sensitivitätsunterschiede in Zeilen,
- Sensitivitätsunterschiede in Spalten,
- Auslesemodalitäten,
- Unterteilung in verschiedene Segmente.

Bevorzugt werden zur Bestimmung von Modellparametern und/oder Kalibrierparametern externe Daten („Hilfsdaten“) bereitgestellt, die nicht von der Bildaufnahme stammen. Bevorzugt umfassen die Kalibrierdaten Daten von Sensoren, besonders bevorzugt Positionierungsdaten und/oder externe Daten, welche bereits Kalibrierparameter umfassen oder zumindest Parameter zu einem Bildgebungsdetektor und/oder dem Strahlungsfeld einer Röntgenquelle des Röntgensystems. Es müssen zur Kalibration also nicht unbedingt (zumindest nicht ausschließlich) Bilddaten vorliegen. Beispielsweise kann ein Modell auch mit Hilfe des physikalischen Verständnisses (alleine oder ergänzend) aus Hilfsdaten kalibriert werden. Mit der Erfindung wird es möglich, ohne das Aufnehmen von Bilddaten eine Kalibrierung durchzuführen. Liegt beispielsweise für einen Bildgebungsdetektor bereits eine Gainkarte vor (die nicht notwendigerweise aus einer Bildaufnahme erstellt wurde), so ist das Strahlungsfeld somit hinlänglich parametrisiert. Wird der Bildgebungsdetektor nur linear zur Röhre verfahren, sind im Grunde nur noch die geänderten Positionsdaten, also der Abstand zur Röhre, notwendig um eine Anpassung der Kalibrierung vorzunehmen und neue Bilddaten konditionieren zu können.
Es ist bevorzugt, dass verschiedene Sätze von Modellparametern im Zusammenhang mit externen Daten (z.B. Positionsdaten, Daten zur Röntgenquelle oder Daten zu sonstigen Konfigurationen oder Betriebsparametern des Röntgenbildgebungssystems) abgespeichert werden. Bei einer Kalibrierung werden dann bevorzugt nur derjenige Satz von Modellparametern angepasst welcher auch der bei der Bildaufnahme zur Kalibrierung vorliegenden Konfiguration des Röntgenbildgebungssystems entspricht. Beispielsweise liegen verschiedene Modellparameter für unterschiedliche geometrische Abstände von Röntgenröhre und Bildgebungsdetektor vor, so wird bei einer Aufnahme der zur Kalibrierung verwendeten Bildaufnahme nur diejenigen Modellparameter angepasst, die auch diesem Abstand entsprechen.
Eine Vorrichtung umfasst dazu bevorzugt zusätzlich eine (veränderbare bzw. wiederbeschreibbare) Datenbank mit Sätzen von vorher bestimmten Modellparametern, die bevorzugt mit unterschiedlichen Konfigurationen (z.B. Geometrien) des Röntgenbildgebungssystems verknüpft sind.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Die Figuren sind in der Regel nicht maßstäblich. Es zeigen:

1 eine grob schematische Darstellung eines Röntgenbildgebungssystems,
2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
4 ein Beispiel für ein mathematisches Modell.

1 zeigt eine grob schematische Darstellung eines Röntgenbildgebungssystems 1. Bei den folgenden Erläuterungen wird davon ausgegangen, dass es sich bei dem Röntgenbildgebungssystem um ein Radiographiegerät handelt. Grundsätzlich ist das Verfahren aber auch an anderen Röntgenbildgebungssystemen, z.B. Computertomographie-Systemen einsetzbar.
Das Röntgenbildgebungssystem 1 umfasst einen Tisch 2, auf dem das darzustellende Motiv, z.B. ein Patient, positioniert werden kann, eine Röntgenquelle 3, die in diesem Fall in Richtung der Pfeile bewegt werden kann und einem Bildgebungsdetektor 4, der die Bildaufnahme anfertigt, in dem er die eintreffende Röntgenstrahlung des Strahlungsfeldes 5 misst.
Mittels einer Steuereinrichtung 10 wird das Röntgenbildgebungssystem 1 angesteuert. Die Steuereinrichtung 10 kann dabei z.B. die Bewegung der Röntgenquelle 3 und deren Emissionseigenschaften, und damit auch die Ausformung des Strahlungsfeldes 5, ggf. eine Bewegung der Liege und eine Positionierung des Bildgebungsdetektors steuern. Zudem erfasst die Steuereinrichtung 10 hier auch die digitalen Rohdaten RD des Bildgebungsdetektors 4.
Die Steuereinrichtung 10 umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung 6 zur Konditionierung von Bildaufnahmen B des Röntgenbildgebungssystems 1, wie sie im Rahmen der 3 genauer beschrieben wird.
2 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Konditionierung von Bildaufnahmen B eines Röntgenbildgebungssystems 1 (s. z.B. 1) in Form eines Blockschaltbildes.
In Schritt I erfolgt eine Bereitstellung eines mathematischen Modells M des Röntgenbildgebungssystems 1. Dieses Modell beschreibt zumindest die für die Bildaufnahme relevanten Aspekte des Röntgenbildgebungssystems, wie z.B. Das Strahlungsfeld 5 oder die Bildaufnahmeeigenschaften der Pixel des Bildgebungsdetektors 4. Ein Beispiel für ein mathematisches Modell M der Bildaufnahmeeigenschaften der Pixel des Bildgebungsdetektors 4 ist in 4 dargestellt.
Im hier dargestellten Beispiel stehen bereits vorher bestimmte Modellparameter MP_V , z.B. Startparameter, zur Verfügung, die mit dem Modell M verknüpft sind, z.B. als Werte für Koeffizienten eines Polynoms, welches eine Eigenschaft des Röntgenbildgebungssystems beschreibt.
In Schritt II erfolgt eine Erstellung oder Bereitstellung digitaler Daten RD einer Bildaufnahme B des Röntgenbildgebungssystems 1 als Kalibrierdaten. Auch wenn diese Bildaufnahme hier aus Anschauungsgründen bereits als Bild einer Hand dargestellt ist, muss dies in der Praxis nicht unbedingt so sein. In dem Fall, dass das Röntgenbildgebungssystem ein CT ist, kann die Bildaufnahme B z.B. als nichtrekonstruierter Rohdatensatz vorliegen. Sie kann aber auch im Fall eines Röntgengerätes 1 durchaus bereits ein Motiv zeigen, allerdings noch nicht abschließend konditioniert. In dem hier vorliegenden Fall kann angenommen werden, dass die Bildaufnahme B in diesem Schritt die Rohdaten RD eines Bildgebungsdetektors 4 eines Röntgengerätes 1 repräsentiert.
In Schritt III werden aus der Bildaufnahme B, bzw. aus dem hier dargestellten Teilbereich TB um das Motiv (die Hand) herum, zunächst Kalibrierungsparameter KP ermittelt. Diese Ermittlung erfolgt mit Unterstützung von weiteren Kalibrierdaten, nämlich externen Daten D, wobei mit „extern“ gemeint ist, dass diese Daten D nicht von der Bildaufnahme B stammen, sondern z.B. von Positionsdetektoren, welche die relative Position von Röntgenquelle 3 und Bildgebungsdetektor 4 messen. Mittels dieser externen Daten können die Kalibrierungsparameter KP verbessert, überprüft und insbesondere eine Plausibilität der Kalibrierungsparameter KP getestet werden.
Die externen Daten könnten bereits in Schritt II bereitgestellt werden, so dass alle Kalibrierdaten auf einmal zur Verfügung stehen, sie können aber, wie hier durch das zusätzliche Kästchen dargestellt, getrennt von einer Bildaufnahme bereitgestellt werden, z.B. immer dann wenn eine Umpositionierung des Röntgengerätes erfolgt ist.
In Schritt IV erfolgt eine Bestimmung von Modellparametern MP des mathematischen Modells M, in dem die vorher bestimmten Modellparameter MP_V mittels der Kalibrierparameter KP angepasst werden. Die resultierenden Modellparameter MP ergeben sich in diesem Falle aus einer Kombination der vorher bestimmten Modellparameter MP_V und der Kalibrierparameter KP, wobei z.B. einzelne vorher bestimmten Modellparameter MP_V durch entsprechende Kalibrierparameter KP ersetzt werden, Mittelwerte aus einzelnen vorher bestimmten Modellparametern MP_V und entsprechenden Kalibrierparametern KP berechnet werden. Es können dabei aber auch einzelne vorher bestimmte Modellparameter MP_V einfach übernommen werden, z.B. wenn die Kalibrierparameter KP keine entsprechenden Informationen enthalten oder nicht plausibel sind und verworfen werden mussten.
In Schritt V erfolgt dann die Konditionierung einer Bildaufnahme B des Röntgenbildgebungssystems 1 basierend auf dem mathematischen Modell M und den in Schritt IV angepassten Modellparametern MP. Als Bildaufnahme B wird in dem hier dargestellten Fall diejenige Bildaufnahme B einer Hand verwendet, die bereits zur Kalibration diente.
In Schritt VI erfolgt zuletzt eine Ausgabe der konditionierten Bildaufnahme B, z.B. auf einem Bildschirm oder als Datei in eine Datenbank.
3 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 6 zur Konditionierung von Bildaufnahmen B eines Röntgenbildgebungssystems 1, Diese Vorrichtung 6 umfasst:
Eine Speichereinheit 7 mit Daten eines mathematischen Modells M, welches das Röntgenbildgebungssystem 1 beschreibt.
Eine Datenschnittstelle 8 zum Empfang von Konditionierungsdaten, z.B. digitaler Daten in Form von Rohdaten RD einer Bildaufnahme B des Röntgenbildgebungssystems 1 zur Kalibration. Diese Daten können beispielsweise nach einer erfolgten Bildaufnahme B der Vorrichtung 6 direkt vom Bildgebungsdetektor 4 zur Verfügung gestellt werden.
Eine Bestimmungseinheit 9 ausgelegt zur Bestimmung von Modellparametern MP des mathematischen Modells M basierend auf diesen Kalibrierdaten (z.B. der Bildaufnahme B). Diese Bestimmungseinheit 9 kann beispielsweise direkt aus den Rohdaten RD der Bildaufnahme B Modellparameter MP ermitteln. In dem hier dargestellten bevorzugten Fall, liegen Jedoch bereits vorher bestimmte Modellparameter MP_V in einer Datenbank 13 vor, so dass die Bestimmungseinheit 9 in diesem Fall auch als „Anpassungseinheit“ 9 bezeichnet werden kann.
Eine Konditionierungseinheit 11, welche zur Konditionierung einer Bildaufnahme B des Röntgenbildgebungssystems 1 ausgestaltet ist. Da die Konditionierung auf dem mathematischen Modell M und den Modellparametern MP basiert, hat diese Einheit Zugriff auf die oben beschriebene Speichereinheit 7 mit Daten des mathematischen Modells M. Die Konditionierungseinheit 11 kann auch als Bildrekonstruktionseinheit 11 ausgestaltet sein, z.B. im Falle eines Computertomographiesystems.
In dem hier dargestellten Fall umfasst die Vorrichtung noch eine Ausgabeschnittstelle 12 zur Ausgabe der konditionierten Bildaufnahme B.
4 stellt ein grafisches Beispiel für ein mathematisches Modell M für die Aufnahmeeigenschaften des Bildgebungsdetektors 4 dar, einmal mit vorbestimmten Modellparametern MP_V (unten) und einmal mit angepassten Modellparametern MP (oben).
Dargestellt ist als Beispiel ein zweidimensionales Polynom der Form I = I₀·r²/ (r²+ (x-x₀) ²Δ²) mit der Intensität I, der Eingangsintensität I₀ , dem Abstand r der Röntgenquelle 3 vom Bildgebungsdetektor 4, der Mittelpunktskoordinate x₀(X, Y) des Bildgebungsdetektors 4, dem Pixelabstand Δ des Bildgebungsdetektors 4 und dem Pixelindex x(X, Y). Dabei bezeichnen I₀ , r, x₀ und Δ die Modellparameter MP bzw. MP_V . MP enthält die nach einer Bildaufnahme B angepassten Werte, und das mathematische Modell M gibt nun beispielsweise den anzuwendenden Verstärkungsfaktor für die Intensität der einzelnen Pixel des Bildgebungsdetektors 4 wieder. Es wird angemerkt, dass in diesem Beispiel alle Parameter auch eine physikalische Bedeutung haben, was aber nicht notwendigerweise so sein muss.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Verfahren sowie bei dem dargestellten Röntgenbildgebungssystem 1 lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließen die Begriffe „Einheit“ und „Modul“ nicht aus, dass die betreffenden Komponenten aus mehreren zusammenwirkenden Teil-Komponenten bestehen, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.

Claims

Verfahren zur Konditionierung von Bildaufnahmen (B) eines Röntgenbildgebungssystems (1) umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines mathematischen Modells (M) des Röntgenbildgebungssystems (1), - Erstellung oder Bereitstellung von Kalibrierdaten (B, D) in Form digitaler Daten (RD), - Bestimmung von Modellparametern (MP) des mathematischen Modells (M) basierend auf diesen Kalibrierdaten (B, D), - Konditionierung einer Bildaufnahme (B) des Röntgenbildgebungssystems (1) basierend auf dem mathematischen Modell (M) und den Modellparametern (MP).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zu dem mathematischen Modell (M) vorher bestimmte Modellparameter (MP_V) bereitgestellt werden, aus den Kalibrierdaten (B, D) zunächst Kalibrierparameter (KP) ermittelt werden, die vorher bestimmten Modellparameter (MP_V) mittels der Kalibrierparameter (KP) angepasst werden und die angepassten Modellparameter (MP) zur Konditionierung verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei aus den Abweichungen von Kalibrierparametern (KP) von vorher bestimmten Modellparametern (MP_V) eine geänderte Geometrie und/oder Strahleigenschaft des Röntgenbildgebungssystems (1) ermittelt wird, wobei anschließend bevorzugt die vorher bestimmten Modellparameter (MP_V) mittels der Kalibrierparameter (KP) auf die geänderte Geometrie und/oder Strahleigenschaft und/oder Detektoreigenschaft des Röntgenbildgebungssystems (1) angepasst werden und anhand des mathematischen Modells (M) und den angepassten Modellparameter (MP) eine Konditionierung einer Bildaufnahme (B) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Kalibrierparameter (KP) auf Plausibilität geprüft werden, wobei die Plausibilitätsprüfung bevorzugt eine Prüfung auf systeminhärente Konsistenz umfasst, und bevorzugt die Modellparameter (MP) basierend auf der Plausibilitätsprüfung der Kalibrierparameter (KP) angepasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei bei der Anpassung bevorzugt ein Teil der vorher bestimmten Modellparameter (MP_V) durch die entsprechenden Kalibrierparameter (KP) ersetzt werden oder ein angepasster Modellparameter (MP) aus einem vorher bestimmten Modellparameter (MP_V) und einem entsprechenden Kalibrierparameter (KP) mittels einer mathematischen Funktion berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kalibrierdaten (B) eine Bildaufnahme (B) umfassen, bevorzugt eine klinische Aufnahme eines Patienten (P) oder Objekts, und basierend auf dieser Bildaufnahme (B) Modellparameter (MP) bestimmt oder angepasst werden, wobei bevorzugt diese Bildaufnahme (B) mittels des mathematischen Modells (M) und der Modellparameter (MP) konditioniert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Röntgenbildgebungssystem (1) eine Röntgenquelle (3) umfasst und das mathematische Modell (M) das Strahlungsfeld der Röntgenquelle (3) beschreibt, insbesondere unter Berücksichtigung eines oder mehrerer der folgenden Aspekte: - Heel-Effekt, - Abstand und Ausrichtung von Röntgenquelle (3) zu einem Bildgebungsdetektor (4), - Absorption in einem Filter.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Röntgenbildgebungssystem (1) einen Bildgebungsdetektor (4) umfasst und das mathematische Modell (M) die Eigenschaften des Bildgebungsdetektors (4) beschreibt, insbesondere unter Berücksichtigung eines oder mehrerer der folgenden Aspekte: - Sensitivitätsunterschiede in Pixeln, - Sensitivitätsunterschiede in Zeilen, - Sensitivitätsunterschiede in Spalten, - Auslesemodalitäten, - Unterteilung in verschiedene Segmente.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kalibrierdaten (D) externe Daten (D) umfassen, die insbesondere nicht von einer Bildaufnahme (B) stammen, bevorzugt externe Daten (D) von Sensoren, besonders bevorzugt Positionierungsdaten und/oder externe Daten (D), welche Kalibrierparameter (KP) umfassen oder zumindest Parameter zu dem Bildgebungsdetektor (4) und/oder dem Strahlungsfeld der Röntgenquelle (3).
Vorrichtung (6) zur Konditionierung von Bildaufnahmen (B) eines Röntgenbildgebungssystems (1) umfassend: - eine Speichereinheit (7) umfassend Daten eines mathematischen Modells (M), welches das Röntgenbildgebungssystem (1) beschreibt, - eine Datenschnittstelle (8) zum Empfang von Kalibrierdaten (B, D) in Form digitaler Daten (RD), - eine Bestimmungseinheit (9) ausgelegt zur Bestimmung von Modellparametern (MP) des mathematischen Modells (M) basierend auf diesen Kalibrierdaten (B, D), - eine Konditionierungseinheit (11) ausgestaltet zur Konditionierung einer Bildaufnahme (B) des Röntgenbildgebungssystems (1) basierend auf dem mathematischen Modell (M) und den Modellparametern (MP).
Vorrichtung (6) nach Anspruch 10, umfassend zusätzlich eine Datenbank (13) mit Sätzen von vorher bestimmten Modellparametern (MP_V), die bevorzugt mit unterschiedlichen Konfigurationen des Röntgenbildgebungssystems (1) verknüpft sind.
Steuereinrichtung (10) zur Steuerung eines Röntgenbildgebungssystems (1), welche zur Konditionierung von Bildaufnahmen (B) des Röntgenbildgebungssystems (1) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgestaltet ist und/oder eine Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 umfasst.
Röntgenbildgebungssystem (1) umfassend eine Vorrichtung (6) nach Anspruch 10 oder 11, insbesondere eine Steuereinrichtung (10) nach Anspruch 12.
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, welches direkt in eine Speichereinrichtung eines Rechensystems oder einer Steuereinrichtung (10) eines Röntgenbildgebungssystems (1) ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen, wenn das Computerprogramm in dem Rechensystem oder der Steuereinrichtung (10) ausgeführt wird.
Computerlesbares Medium, auf welchem von einer Rechnereinheit einlesbare und ausführbare Programmabschnitte gespeichert sind, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen, wenn die Programmabschnitte von der Rechnereinheit ausgeführt werden.