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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rekonstruktion von Bildern, insbesondere von medizintechnischen Bildern, Bildern zur Materialprüfung oder allgemein für Rekonstruktionen, welche aus Einzelbildern mittels einer vollständigen (oder auch teilweisen) 3D Rekonstruktion ein Volumen rekonstruieren. Bevorzugt betrifft die Erfindung ein dynamisches und duales Filterkonzept für die Rekonstruktion von Tomosyntheseaufnahmen oder computertomographischen Aufnahmen.
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Einige medizinische Bildgebungsverfahren erzeugen Daten, aus denen sich dreidimensionale Bilder erstellen lassen. Beispiele dafür sind die Computertomographie oder die Tomosynthese. Die Bildaufnahmen werden in der Regel durch Relativbewegung eines Röntgendetektors und einer Röntgenröhre erzeugt, z.B. mit einem fixen Röntgendetektor und einer bewegten Röntgenröhre, oder mittels Bewegen, z.B. Rotieren beider Elemente.
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Bei der Rekonstruktion von Schichtbildern einer Tomosyntheseaufnahme, werden beispielsweise Bilder miteinander verrechnet, welche aufgrund der Aufnahmegeometrie (z.B. Schrägeinstrahlung von Röntgenstrahlen) bzw. der Aufnahmeparameter (z.B. Dauer der Belichtung, Dosis) unterschiedliche Bildcharakteristika besitzen. Hierdurch variiert die resultierende Ortsauflösung pro Schicht, woraus eine nicht-optimale Bildqualität resultiert.
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Des Weiteren wird bei herkömmlichen Rekonstruktionen ein bestimmter und fixer Bildeindruck erzeugt, welcher nicht durch den Benutzer konfigurierbar oder wechselbar ist oder für dessen Erzeugung zumindest eine neue Rekonstruktion vorgenommen werden muss.
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Bisher wurden die Projektionsaufnahmen vor der Rekonstruktion meist nur mit einem fixen Filterkern gefaltet und vorverarbeitet. Ein Ausgleich der unterschiedlichen Ortsauflösung in den rekonstruieren Schichtbildern findet ebenfalls nicht statt. Ein unterschiedlicher bzw. individueller Bildeindruck war bisher nicht vorgesehen und ist nur mit einer zweiten Rekonstruktion möglich.
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Aus der Druckschrift
US 2019 / 0 340 735 A1 ist eine Rekonstruktionsverarbeitungseinheit bekannt, welche eine Filtereinheit umfasst, die einen Filter zur Korrektur einer Bewegungsunschärfe anwendet, die auf eine Relativbewegung eines Bildaufnahmesystems und eines Objekts auf ein Übertragungsbild zurechenbar ist, wenn ein Pixel auf dem Übertragungsbild auf eine Zelle auf einem rekonstruierten Bild zurückprojiziert wird.
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Aus der Druckschrift
US 2012 / 0 045 108 A1 ist ein System zur Generierung eines Rekonstruktionsfilters für einen bildgebenden Scanner bekannt, welcher eine Modellbank umfasst, die ein Modell zur Generierung des Rekonstruktionsfilters enthält, ferner eine Filterkriterienbank umfasst, die Filterkriterien für die Generierung des Rekonstruktionsfilters enthält, und ferner einen Filtergenerator umfasst, der den Rekonstruktionsfilter basierend auf dem Filtermodell und den Filterkriterien generiert.
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Aus der Druckschrift
US 2009 / 0 034 818 A1 ist eine radiographische Vorrichtung bekannt, umfassend eine Rückprojektionsarithmetikeinheit, die bei Durchführung eines Rückprojektionsarithmetikverfahrens an Projektionsdaten, die von einem Flachbildschirm-Röntgendetektor zur Rekonstruktion eines Schnittbildes detektiert werden, das Bild mit Daten rekonstruiert, die aus einem Additionsmittelwert nach einer Breite, die durch einen Punkt bestimmt wird, abgeleitet wird.
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Aus der Druckschrift
JP H 07 - 385 A ist ein automatisches Steuerungssystem für einen Nachkorrekturprozess bestehend aus einem kumulativen Addierer, einem Vergleichstabellenspeicher, einem Komparator und einem Filtertabellenspeicher bekannt, wobei die von einem Fouriertransformator transformierten Daten dem kumulativen Addierer zugeführt werden, die vom Filtertabellenspeicher gewählte Matrixfilterfunktion wird an eine Bildfilterarithmetikeinheit gesendet, und ein Matrixfilter wird auf die Bilddaten angewendet.
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Aus der Druckschrift
US 2014 / 0 369 577 A1 ist eine Datenbank, welche Bildempfängerrekonstruktionsprofile speichert, die jeweils Bildrekonstruktionsparameterwerte enthalten.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Rekonstruktion von Bildern, insbesondere von medizintechnischen Bildern, Bildern zur Materialprüfung oder allgemein für Rekonstruktionen, welche aus Einzelbildern mittels einer vollständigen (oder auch teilweisen) 3D Rekonstruktion ein Volumen rekonstruieren, und insbesondere auch zur Steuerung eines Computertomographiesystems oder Tomosynthesesystems anzugeben, mit dem die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1, eine Vorfilter-Erzeugungseinheit gemäß Patentanspruch 9, eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 10 sowie durch eine Steuereinrichtung gemäß Patentanspruch 12 und ein Bildnahmesystem gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Rekonstruktion von (insbesondere medizintechnischen) Bildern aus Aufnahmedaten. Diese Aufnahmedaten können Rohdaten sein oder konditionierte Rohdaten, bei denen maschinenspezifische Effekte wie beispielsweise defekte Pixel, Nachleuchten oder eine ungleichmäßige Ausleuchtung bereits korrigiert wurde. Generell sind unter den „Aufnahmedaten“ nicht-rekonstruierte Bildaufnahmen zu verstehen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist prinzipiell für alle Arten von Rekonstruktionen anwendbar, welche aus Einzelbildern mittels einer vollständigen oder partiellen 3D Rekonstruktion ein Volumen rekonstruiert werden können. Solche Rekonstruktionen sind im Stand der Technik hinreichend bekannt und Standard bei der Erstellung von Bildern aus tomographischen Daten. Im Folgenden wird bezüglich des Aufnahmeverfahrens häufig beispielhaft die Tomosynthese genannt, ohne jedoch die allgemeine Anwendbarkeit auf andere Aufnahmeverfahren, z.B. computertomographische Verfahren, auszuschließen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- - Bereitstellung oder Messung von Aufnahmeparametern, mit denen die Aufnahmedaten erstellt worden sind.
Bei der Akquisition der Aufnahmedaten durch ein BildnahmeSystem (welche auch als Bildaufnahme-System bezeichnet werden könnte), z.B. ein CT-System oder ein Tomosynthesesystem, müssen Voreinstellungen getroffen werden wie z.B. Röhrenspannung, Strahlintensität oder Winkelgeschwindigkeit (siehe dazu auch die Ausführungen weiter unten). Dies sind die Aufnahmeparameter, die bereitgestellt werden können, z.B. durch Übernahme der Daten zur Voreinstellung, oder gemessen werden können. z.B. durch einen zusätzlichen Detektor, welcher die Strahlintensität misst. Die Aufnahmeparameter liegen in Form von Parameterwerten vor.
- - Erzeugung eines Vorverarbeitungs-Filters für die Aufnahmedaten basierend auf den Aufnahmeparametern.
Der prinzipielle Aufbau solcher Filter ist im Stand der Technik bekannt. Für diese Filter wird zuweilen auch der englische Ausdruck „Kernel“ verwendet, bzw. komplett englische Begriffe für die Filter verwendet. Im Folgenden wird der Begriff „Kern“ für „Kernel“ verwendet und die englischen Bezeichnungen in Klammern ergänzt. Beispiele für Filter wären „Basiskern“-Filter, „Geometriekern“-Filter oder Moiree Filter. da die Rekonstruktion in der Regel zumindest teilweise im Frequenzraum erfolgt, wirken viele Filter auf Frequenzen, in dem Sie unterschiedliche Frequenzen unterschiedlich verstärken (womit auch eine Abschwächung in Form einer negativen Verstärkung umfasst ist).
Eine Besonderheit der Erfindung ist, dass der Vorverarbeitungs-Filter dynamisch d.h. basierend auf den jeweiligen Aufnahmeparametern der Bildaufnahme erzeugt wird und nicht statisch, also fest vorgegeben, ist. Selbstverständlich können mehrere Vorverarbeitungs-Filter verwendet werden, von denen jedoch mindestens einer dynamisch erstellt worden sein muss.
- - Vorfilterung der Aufnahmedaten mit dem Vorverarbeitungs-Filter.
Die Vorfilterung ist im Stand der Technik hinreichend bekannt. Es werden jedoch hier die besonderen dynamischen Filter verwendet, deren Filterwirkung speziell auf die Aufnahmedaten angepasst ist, da sie basierend auf den jeweiligen Aufnahmeparametern erstellt worden sind. Bevorzugt findet die Vorfilterung im Frequenzraum statt.
- - Rekonstruktion eines Bildes aus den vorgefilterten Aufnahmedaten.
Die Rekonstruktion ist im Stand der Technik hinreichend bekannt und wird dort auch oft als „Rückprojektion“ bezeichnet. Durch die dynamische Erstellung der Filter erhält man jedoch nun einen vorteilhaften Basisbildeindruck.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren geht der Rekonstruktion also eine dynamische Erzeugung von Filterkernen (für die Vorverarbeitungs-Filter) voraus. Diese Vorverarbeitungs-Filter dienen zur Vorverarbeitung der Projektionsaufnahmen (deren Aufnahmedaten) basierend auf vorbestimmten oder gemessenen physikalischen Parametern (den Aufnahmeparametern). Die Rekonstruierten Bilder sind insbesondere Schichtbilder oder 3D-Bilder. Die Aufnahmedaten könnten auch als „Projektionsbilder“ bezeichnet werden, da sie jeweils Projektionen des Objekts darstellen.
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Da oftmals die Rekonstruktion von Bildern direkt in einem bildgebenden System vorgenommen wird, dient das Verfahren auch zur Steuerung eines bildgebenden Systems, nämlich dessen Rekonstruktionskomponenten.
Eine erfindungsgemäße Vorfilter-Erzeugungseinheit dient der Erzeugung eines Vorverarbeitungs-Filters und ist zur Verarbeitung von Aufnahmeparametern, mit denen Aufnahmedaten erstellt worden sind, und zur Erstellung von Vorverarbeitungs-Filtern für die Aufnahmedaten basierend auf den Aufnahmeparametern und insbesondere zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt.
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Generell werden die Vorverarbeitungs-Filter durch die Anwendung physikalischer Grundsätze der Röntgenstrahlung und mathematischer Grundsätze der Abbildungsgeometrie berechnet. Zusätzlich fließen weitere Parameter die u.a. die Ziel-Ortsauflösung und/oder das Rauschniveau beschreiben.
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Eine erfindungsgemäße Nachfilter-Erzeugungseinheit dient der Erzeugung eines Nachbearbeitungs-Filters und ist zur Erstellung von Nachbearbeitungs-Filtern für ein rekonstruiertes Bild basierend auf den Aufnahmedaten und/oder vorgegebenen Bildeindrücken ausgelegt. Insbesondere erzeugt die Nachfilter-Erzeugungseinheit Nachbearbeitungs-Filter für die Anpassung des Rauschens und/oder der Ortsauflösung in unterschiedlichen Schichten oder Schichtbereichen von rekonstruierten Bildern basierend auf den mathematischen Grundsätzen der Abbildungsgeometrie. Eine solche Nachfilter-Erzeugungseinheit kann als Softwaremodul vorliegen, erhält die erforderlichen Daten und erstellt daraus in Abhängigkeit von den Daten den oder die betreffenden Nachbearbeitungs-Filter.
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Eine Filter-Erzeugungseinheit kann bevorzugt so ausgestaltet sein, dass sie Vorverarbeitungs-Filter und Nachbearbeitungs-Filter erzeugen kann, also als Vorfilter-Erzeugungseinheit und als Nachfilter-Erzeugungseinheit.
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Ein Bildeindruck wird bevorzugt mittels eines Bildeindrucksfilterkerns („Flavor Kernel“) erzeugt. Ein solcher Bildeindrucksfilterkern basiert weniger auf physikalischen Parametern einer Bildaufnahme als vielmehr auf Vorgaben, die das menschliche Sehen und die menschliche Informationsverarbeitung betreffen. Unter Bildeindrucksfilterkernen werden also „Kernels“ verstanden, welche einen bestimmten, vorgegebenen Bildeindruck herstellen. Schichtbilder, welche durch Faltung mit einem Bildeindrucksfilterkern entstanden sind, bezeichnet man auch als „convolved flavored slices“. Der Bildeindrucksfilterkern ist bevorzugt mit einer Schichtauflösungskompensation ausgestaltet.
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Beispiele für Filter, die insbesondere auf Aufnahmeparametern basieren sind Basisfilter, Geometriefilter oder Moiree-Filter.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Rekonstruktion von (insbesondere medizintechnischen) Bildern aus Aufnahmedaten umfasst die folgenden Komponenten:
- - Eine Datenschnittstelle ausgelegt zum Empfang von Aufnahmedaten und von Aufnahmeparametern, mit denen die Aufnahmedaten erstellt worden sind. Die Aufnahmedaten können dabei in einer Speichervorrichtung vorliegen oder aber gemessen worden sein. Eine solche Datenschnittstelle ist bekannt.
- - Eine Vorfilter-Erzeugungseinheit, ausgelegt zur Erzeugung eines Vorverarbeitungs-Filters für die Aufnahmedaten basierend auf den Aufnahmeparametern.
Eine solche Vorfilter-Erzeugungseinheit kann als Softwaremodul vorliegen, erhält die bereitgestellten oder gemessenen Daten zu den Aufnahmeparametern und erstellt daraus in Abhängigkeit von den Daten den oder die betreffenden Vorverarbeitungs-Filter.
- - Eine Vorfiltereinheit, ausgelegt zur Vorfilterung der Aufnahmedaten mit dem Vorverarbeitungs-Filter.
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Eine solche Vorfiltereinheit ist bekannt.
- - Eine Rekonstruktionseinheit ausgelegt zur Rekonstruktion eines Bildes aus den vorgefilterten Aufnahmedaten.
Ebenso ist eine solche Rekonstruktionseinheit bekannt.
- - Optional eine Nachfilter-Erzeugungseinheit, ausgelegt zur Erzeugung eines Nachbearbeitungs-Filters für ein rekonstruiertes Bild basierend auf den Aufnahmedaten und/oder vorgegebenen Bildeindrücken (also den Daten zur Erzeugung dieser). Insbesondere ist die Nachfilter-Erzeugungseinheit zur Erzeugung von Nachbearbeitungs-Filtern für die Anpassung des Rauschens und/oder der Ortsauflösung von Bildern ausgelegt. Sie sind bevorzugt zur diesbezüglichen Anpassung in unterschiedlichen Schichten oder Schichtbereichen von rekonstruierten Bildern basierend auf den mathematischen Grundsätzen der Abbildungsgeometrie ausgelegt. Eine solche Nachfilter-Erzeugungseinheit kann als Softwaremodul vorliegen, erhält die erforderlichen Daten und erstellt daraus in Abhängigkeit von den Daten den oder die betreffenden Nachbearbeitungs-Filter.
- - Optional eine Nachfiltereinheit, ausgelegt zur Nachfilterung eines rekonstruierten Bildes mit dem Nachbearbeitungs-Filter, bevorzugt wobei die Bilder transformiert werden und die Faltung in einem Frequenzraum stattfindet.
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Eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung zur Steuerung eines (bevorzugt auf dem Prinzip der Tomographie beruhenden) Bildnahmesystems, insbesondere eines Tomosynthesesystems oder eines Computertomographiesystems, ist für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt und/oder umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Ein erfindungsgemäßes Bildnahmesystem beruht auf dem Prinzip der Tomographie (und ist insbesondere ein Tomosynthesesystem oder ein Computertomographiesystem) und umfasst eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung.
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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 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.
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Zum Transport zum Rechensystem bzw. zur Steuereinrichtung und/oder zur Speicherung an oder in dem Rechensystem bzw. der Steuereinrichtung kann ein computerlesbares Medium, z.B. 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.
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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.
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Gemäß einem bevorzugten Verfahren umfassen die Aufnahmeparameter Größen der Gruppe:
- - Pulsdauer,
- - Dosis,
- - Winkelgeschwindigkeit der Röntgenröhre während der Akquisition der Rohdaten zur Aufnahme
- - Winkelgeschwindigkeit des Detektors während der Akquisition der Rohdaten zur Aufnahme,
- - Aufnahmegeometrie, insbesondere Distanz zum Röntgendetektor und/oder Winkel der Strahlrichtung und Detektoreigenschaften und bevorzugt auch
- - Parameter zur Konditionierung von Rohdaten (zur Erstellung der Aufnahmedaten).
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Eine längere Röntgen-Pulsdauer bedeutet beispielsweise häufig eine stärkere Verschmierung in Bewegungsrichtung und damit geringere Ortsauflösung bei gleichzeitig höherer Dosis und somit weniger Rauschen. Eine niedrige Dosis erhöht das Rauschen. Die Distanz zum Detektor beeinflusst Unterschiede in der Ortsauflösung. Parameter zur Konditionierung können systematische Veränderungen des Bildes nach sich ziehen.
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Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird im Rahmen der Erzeugung des Vorverarbeitungs-Filters dieser dazu ausgelegt, physikalische Faktoren der Akquisition und/oder Konditionierung der Aufnahmedaten anhand der Aufnahmeparameter auszugleichen. Dabei ist bevorzugt einen Vorverarbeitungs-Filter so zu erzeugen, dass eine Vereinheitlichung der resultierenden Ortsauflösung und/oder eine Vereinheitlichung des Rauschens in den Aufnahmedaten erreicht wird. Rauschen kann besonders gut mit einem Filterkern basierend auf der applizierten Dosis (als Aufnahmeparameter) vereinheitlicht werden, z.B. gemessen über den Röhrenstrom oder die Messkammer. Eine Ortsauflösung kann besonders gut basierend auf der (ggf. gemessenen) Winkelposition (von Röhre und/oder Detektor) in Kombination mit weiteren relevanten Informationen über die Position von Röhre, Detektor und Objekt (als Aufnahmeparameter) vereinheitlicht werden.
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Erfindungsgemäß wird im Rahmen der Erzeugung des Vorverarbeitungs-Filters eine Anzahl von Filtermatrizen basierend auf den Aufnahmeparametern berechnet und/oder aus einer Manipulation vorbekannter Filtermatrizen basierend auf den Aufnahmeparametern erstellt. Wohlgemerkt können auch mehrere Vorverarbeitungs-Filter im Rahmen des Verfahrens angewandt werden, wobei jeder Vorverarbeitungs-Filter einer dieser Filtermatrizen entsprechen kann. Es kann aber vorteilhaft (insbesondere für die Rechenzeit) sein, einen einzigen Vorverarbeitungs-Filter aus mehreren Filtermatrizen zu erstellen.
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In dieser Hinsicht ist bevorzugt, dass mindestens zwei Filtermatrizen basierend auf unterschiedlichen Aufnahmeparametern erzeugt werden und diese miteinander zu dem Vorverarbeitungs-Filter, bevorzugt mittels einer Faltung, kombiniert werden. Dies ist sowohl für Filtermatrizen in einer Raumdimension (x- oder y-Richtung) als auch in 2D (x- und y-Richtung) möglich.
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Gemäß einem bevorzugten Verfahren umfasst der Vorverarbeitungs-Filter, insbesondere mindestens eine zur Erzeugung der Vorverarbeitungs-Filter erstellte Filtermatrize, einen Frequenzfilter. Bevorzugte Frequenzfilter sind Tiefpassfilter, Bandpassfilter, Filter zur Anhebung von Frequenzbereichen oder Filter zur Verstärkung von vorbestimmten Frequenzbereichen (wobei „Verstärkung“ wie bereits gesagt auch negativ sein kann und damit eine Abschwächung erreicht).
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Wie gesagt bedeutet eine längere Röntgen-Pulsdauer häufig eine Bewegungsunschärfe bei weniger Rauschen. Bei kürzeren Pulsen erhält man eine bessere Auflösung bei höherem Rauschen. In Abhängigkeit von einer Zielauflösung werden beispielsweise die Bilder von kurzen Pulsen geglättet (Tiefpass Filter) während bei langen Pulsen bestimmte Frequenzen noch verstärkt werden.
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Die Erfindung hat den besonderen Vorteil, dass eine Trennung von Bildeindruck und Adaption der Bilddaten an physikalische Einflüsse (Winkel, Dosis, Detektor usw.) erreicht werden kann. Wurde bisher die Adaption der Bilddaten an physikalische Einflüsse thematisiert, so betreffen die nachfolgenden Ausführungsformen die Erzeugung eines besonderen Bildeindrucks.
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Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird nach der Rekonstruktion eine Nachbearbeitung, insbesondere eine Faltung eines rekonstruierten Bildes mittels eines Nachbearbeitungs-Filters durchgeführt. Bevorzugt werden dabei im Rahmen der Nachbearbeitung Bildbereiche nach einem vorbestimmten Schema betont oder reduziert, bzw. unterschiedlich verstärkt (positiv bzw. negativ). Dabei ist bevorzugt, dass die Bilder transformiert werden und die Nachbearbeitung (z.B. die Faltung) in einem Frequenzraum stattfindet.
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Eine bevorzugte Vorrichtung umfasst dazu eine Nachbearbeitungs-Einheit ausgelegt zur Nachbearbeitung des rekonstruierten Bildes mittels eines Nachbearbeitungs-Filters, bevorzugt wobei die Bilder transformiert werden und die Nachbearbeitung (z.B. die Faltung) in einem Frequenzraum stattfindet.
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Es sei angemerkt, dass (wie oben bereits angedeutet wurde) die Nachbearbeitungs-Filter basierend auf den mathematischen Grundsätzen der Abbildungsgeometrie berechnet werden. Die Berechnungen können dabei Daten zu den Aufnahmeparametern umfassen, aus denen sich z.B. Informationen zum Rauschen oder zur Ortsauflösung ableiten lassen, oder Daten zu voreingestellten Bildeindrücken, die ein Betrachter wüscht. Bevorzugt werden die Nachbearbeitungs-Filter für eine Anpassung des Rauschens und/oder eine Anpassung der Ortsauflösung in einem rekonstruierten Bild berechnet. Zu beachten ist hier, dass insbesondere im medizinischen Fall 3D-Bilder oftmals in Form eines Stapels („Stack“) von Schichten („Slices“) vorliegen und die Naschbearbeitungs-Filter daher bevorzugt so berechnet werden, dass sie auf diese unterschiedlichen Schichten oder auf Schichtbereiche wirken können.
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Die Daten zu den Bildeindrücken können fest vorgegeben sein und ein Benutzer wählt bevorzugt gewünschte Bildeindrücke aus, sie können aber auch individuell von einem Benutzer im Vorfeld erstellt worden sein. Die Hauptsache ist, dass sie dem Verfahren zur Verfügung stehen. Da die Nachbearbeitung nach der Rekonstruktion erfolgt, können die Daten zu Bildeindrücken auch erst nach der Rekonstruktion vorliegen. Ein Benutzer kann sogar eine Nachbearbeitung vornehmen, schauen ob das Ergebnis wunschgemäß war und gegebenenfalls neue Daten zur Berechnung eines Nachbearbeitungs-Filters vorgeben und eine weitere Nachbearbeitung vornehmen.
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In dieser Hinsicht ist bevorzugt, dass mindestens zwei Filtermatrizen basierend auf unterschiedlichen Aufnahmeparametern oder Bildeindrücken erzeugt werden und diese miteinander zu dem Nachbearbeitungs-Filter, bevorzugt mittels einer Faltung, kombiniert werden. Dies ist sowohl für Filtermatrizen in einer Raumdimension (x- oder y-Richtung) als auch in 2D (x- und y-Richtung) möglich.
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Gemäß einem bevorzugten Verfahren umfasst der Nachbearbeitungs-Filter, insbesondere mindestens ein zur Erzeugung der Nachbearbeitungs-Filter erstellter Filterkern (dies ist eine Filtermatrix), einen Frequenzfilter. Bevorzugte Frequenzfilter sind Tiefpassfilter, Bandpassfilter, Filter zur Anhebung von Frequenzbereichen oder Filter zur Verstärkung von vorbestimmten Frequenzbereichen (wobei „Verstärkung“ wie bereits gesagt auch negativ sein kann und damit eine Abschwächung erreicht) .
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Generell ist für die Vorverarbeitung und/oder für die Nachbearbeitung bevorzugt, dass eine Filterung im Frequenzraum erfolgt. Geeignete Transformationen der Aufnahmedaten bzw. Bilddaten sind dem Fachmann bekannt, z.B. eine (Fast) Fouriertransformation, eine Wavelet Transformation oder eine Transformation basierend auf einer Gauß-Laplace-Pyramide.
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Gemäß einem bevorzugten Verfahren werden im Rahmen der Nachbearbeitung (z.B. der Faltung) unterschiedliche Ortsauflösungen in unterschiedlichen Bereichen des (rekonstruierten) Bildes angepasst, insbesondere dann, wenn sich diese nicht durch eine Faltung der Projektionsbilder ausgleichen lassen. Dies geschieht bevorzugt mittels eines vom Vergrößerungsfaktor abhängigen Tiefpassfilters, wobei der Filter bevorzugt so beschaffen ist, einen relativen Ausgleich der Ortsauflösung und insbesondere auch des Rauschens zu erreichen.
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Bei der Tomosynthese haben z.B. prinzipbedingt die rekonstruierten Schichten in Abhängigkeit von der Distanz zu Röhre und Detektor (= Vergrößerungsfaktor) eine unterschiedliche Ortsauflösung. Dies kann beispielsweise auch durch einen vom Vergrößerungsfaktor abhängigen leichten Tiefpassfilter (als Nachbearbeitungs-Filter) ausgeglichen werden, damit die Schichten beim Betrachten eine möglichst einheitliche Ortsauflösung sowie gleichmäßiges Rauschen aufweisen. Hier wird tendenziell ein relativer Ausgleich gemacht, aber auch ein absoluter Ausgleich kann sinnvoll sein. Dies wäre beispielsweise der Fall, wenn die rekonstruierten Schichten noch als Quelle für weitere Schritte wie eine synthetische 2D Bilderzeugung verwendet werden und dabei eine möglichst gute (oder zumindest höhere) Ortsauflösung erreicht werden soll.
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Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird im Rahmen der Nachbearbeitung ein vorbestimmter Bildeindruck erzeugt wird. Im Bereich der digitalen 2D Radiographie/Mammographie sowie auch der Tomosynthese sind unterschiedliche Bildeindrücke die Regel, d.h. es gibt nicht das genormte Standardbild, sondern Frequenzbereiche werden individuell betont oder reduziert und die Dynamik im Bild wird für einen menschlichen Betrachter angepasst. Dieser Bildeindruck variiert zwischen Herstellen, Länderregionen, Kliniken und kann auch auf die diagnostische Fragestellung oder Körperregion angepasst sein. Bevorzugt wird dazu ein vorbestimmter Nachbearbeitungs-Filter angewandt, jedoch besonders bevorzugt mehrere vorbestimmte Nachbearbeitungs-Filter verwendet und damit mehrere (unterschiedliche) Bilder erzeugt.
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Es sollte beachtet werden, dass die resultierenden (rekonstruierten) Bilddaten ohne „Bildeindruck“ für einen menschlichen Betrachter nicht optimal sind, da das menschliche Sehen beispielsweise nur eine begrenzte Anzahl an Grauwerten unterscheiden kann und bestimmte Eigenschaften (unabhängig vom Informationsgehalt) als angenehm oder unangenehm empfindet. Über den Bildeindruck wird versucht das „rohe“ Bild für den Menschen besser verständlich zu machen. Da dies auch von Gewohnheiten und persönlichem Geschmack abhängt, so gibt es in der Regel mehrere unterschiedliche Bildeindrücke zur Auswahl.
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Die Bildeindrücke werden in der Regel von Spezialisten des Herstellers, der Klinik oder auch von Anwendern von Hand entworfen oder angepasst. Potenziell kann in diesem Prozess aber auch explizites Wissen über die menschliche Wahrnehmung in Form eines Algorithmus zur Erzeugung der Filter mit einflie-ßen. Alle Bildeindrücke basieren auf Daten (die auch als „Bildeindrucksparameter“ bezeichnet werden können). Diese Bildeindrucksparameter sind diejenigen Daten, auf denen ein Nachbearbeitungs-Filter basiert, wenn er für einen bestimmten Bildeindruck ausgelegt ist bzw. auf einem Bildeindruck basiert. Die generelle Technik zur Berechnung eines Filters für die Erzeugung eines vorgegebenen Bildeindrucks ist dem Fachmann bekannt.
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Insbesondere ist das Verfahren von Vorteil für die Erzeugung synthetischer Projektionen, insbesondere Mammogramme (z.B. maximum intensity projection „MIP“ oder average intensity projection „AIP“). Die Bilder (nach der Rekonstruktion) sind unabhängig vom finalen Bildeindruck, der mit den Nachbearbeitungs-Filtern erzeugt wird und können daher auch als „Basisbilder“ bezeichnet werden. MIPs bzw. AIPs sind Projektionsbilder, welche entweder alleine oder miteinander oder mit den gemessenen Projektionsdaten kombiniert werden können. Anschließend können diese entweder roh oder mit einem oder mehreren Bildeindrücken versehen werden oder erneut zu einem Volumendatensatz rekonstruiert und weiterverarbeitet werden. Bevorzugt ist der Einsatz von KI-basierten Verfahren (KI: „Künstliche Intelligenz“) für das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere zur Erstellung der Filter oder der Filterung. Eine künstliche Intelligenz basiert auf dem Prinzip des maschinenbasierten Lernens, und wird in der Regel mit einem lernfähigen Algorithmus durchgeführt der entsprechend trainiert worden ist. Für maschinenbasiertes Lernen wird häufig der englische Ausdruck „Machine Learning“ verwendet, wobei hier auch das Prinzip des „Deep Learning“ mit umfasst wird. Beispielsweise wird ein Deep Convolutional Neural Network (DCNN) darauf trainiert, Bilder zu filtern oder Filtermatrizen aus Aufnahmeparametern zu erstellen.
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Bevorzugt liegen Komponenten der Erfindung als ein „Cloud-Dienst“ vor. Ein solcher Cloud-Dienst dient der Bearbeitung von Daten, insbesondere mittels einer künstlichen Intelligenz, kann aber auch ein Dienst basierend auf herkömmlichen Algorithmen sein oder ein Dienst, bei dem im Hintergrund eine Auswertung durch Menschen stattfindet. Generell ist ein Cloud-Dienst (im Folgenden auch kurz als „Cloud“ bezeichnet) eine IT-Infrastruktur, bei der über ein Netzwerk z.B. Speicherplatz oder Rechenleistung und/oder eine Anwendungssoftware zur Verfügung gestellt wird. Die Kommunikation zwischen dem Anwender und der Cloud erfolgt dabei mittels Datenschnittstellen und/oder Datenübertragungs-protokollen. Im hier vorliegenden Fall ist besonders bevorzugt, dass der Cloud-Dienst sowohl Rechenleistung als auch Anwendungssoftware zur Verfügung stellt.
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Im Rahmen eines bevorzugten Verfahrens erfolgt eine Bereitstellung von Aufnahmedaten und Aufnahmeparametern über das Netzwerk an den Cloud-Dienst. Dieser umfasst ein Rechensystem, z.B. einen Computercluster, das in der Regel nicht den lokalen Rechner des Benutzers umfasst. Diese Cloud kann insbesondere durch die medizinische Einrichtung, die auch die medizintechnischen Systeme bereitstellt, zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise werden die Daten einer Bildaufnahme über ein RIS (Radiologieinformationssystem) oder PACS an ein (Remote-) Rechnersystem (die Cloud) gesendet. Bevorzugt stellen das Rechensystem der Cloud, das Netzwerk sowie das medizintechnische System einen Verbund im datentechnischen Sinne dar. Das Verfahren kann dabei mittels einer Befehlskonstellation in dem Netzwerk realisiert werden. Die in der Cloud berechneten Daten („Ergebnisdaten“) werden später wieder über das Netzwerk zu dem lokalen Rechner des Anwenders gesendet.
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Vorteilhaft ist, dass durch das vorgeschlagene Verfahren physikalische Effekte bezüglich Bildauflösung und Bildrauschen weitgehend in der Vorverarbeitung kompensiert werden können. Verbleibende geometrische Effekte können auf den rekonstruierten Schichtbildern ausgeglichen werden, was zu einer gleichmäßigen Ortsauflösung bzw. Rauschtextur führt. Bei den bisher verwendeten Methoden wurden die Effekte nur teilweise kompensiert, was zu höheren Abweichungen in der Bildqualität führte. Eine Trennung von Basisbildeindruck (durch die Vorfilterung) und finalem Bildeindruck (durch die Nachfilterung) erlaubt die Anwendung mehrerer Bildeindrücke ohne die Rekonstruktion selbst wiederholen zu müssen. Dies ermöglicht die Erstellung mehrerer individueller Bildeindrücke mit nur sehr geringem zusätzlichen Rechenaufwand für beispielsweise unterschiedliche menschliche oder maschinelle Befunder. Weiterhin können Daten für die Erzeugung synthetischer Projektionen, insbesondere von Mammogrammen (MIPs bzw. AIPs) unabhängig vom finalen Bildeindruck ohne zusätzlichen Rechenaufwand erzeugt werden.
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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 bevorzugten Tomosynthesesystems mit einer bevorzugten Vorrichtung,
- 2 die Erzeugung eines Vorverarbeitungs-Filters und von Aufnahmedaten,
- 3 einen Ablaufplan für einen möglichen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 4 mögliche Ergebnisse eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Bei den folgenden Erläuterungen wird davon ausgegangen, dass es sich bei der bildgebenden Anlage um ein Tomosynthesesystem handelt. Grundsätzlich ist das Verfahren aber auch an anderen bildgebenden Anlagen einsetzbar, z.B. an einem Computertomographiesystem.
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In 1 ist beispielhaft und grob schematisch ein Tomosynthesesystem 1 gezeigt. Relative Richtungsangaben wie „oben“, „und“ etc. beziehen sich auf ein bestimmungsgemäß für den Betrieb aufgestelltes Tomosynthesesystem 1. Das Tomosynthesesystem 1 umfasst ein Tomosynthesegerät 2 und ein Rechnersystem 20. Das Tomosynthesegerät 2 weist eine Standsäule 17 und eine Quelle-Detektor-Anordnung 3 auf, die wiederum eine Röntgenstrahlungsquelle 4 und einen Detektor 5 mit einer Detektorfläche 5.1 umfassen. Die Standsäule 17 steht im Betrieb auf dem Untergrund. Mit ihr ist die Quelle-Detektor-Anordnung 3 verschiebbar verbunden, sodass die Höhe der Detektorfläche 5.1, also der Abstand zum Untergrund, auf eine Brusthöhe einer Patientin eingestellt werden kann.
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Eine Brust 0 der Patientin (hier schematisch dargestellt) liegt als Untersuchungsobjekt O für eine Untersuchung oberseitig auf der Detektorfläche 5.1 auf. Über der Brust 0 und der Detektorfläche 5.1 ist eine Platte 6 angeordnet, die verschiebbar mit der Quelle-Detektor-Anordnung 3 verbunden ist. Für die Untersuchung wird die Brust 0 komprimiert und zugleich fixiert, indem die Platte 6 auf sie herabgesenkt wird, sodass auf die Brust O zwischen Platte 6 und Detektorfläche 5.1 ein Druck ausgeübt wird.
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Die Röntgenstrahlungsquelle 4 ist dem Detektor 5 gegenüberliegend so angeordnet und ausgebildet, dass der Detektor 5 von ihr emittierte Röntgenstrahlung erfasst, nachdem zumindest ein Teil der Röntgenstrahlung die Brust 0 der Patientin durchdrungen hat. Es werden also Projektionen der Brust O als Projektionsdaten in Projektionsdatensätzen erfasst. Dabei ist die Röntgenstrahlungsquelle 4 relativ zum Detektor 5 mittels eines Dreharms 18 in einem Bereich von ± 50° um eine Grundstellung schwenkbar, in der sie senkrecht über der Detektorfläche 5.1 steht.
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Das Rechnersystem 20 umfasst eine Bildsequenz-Erzeugungseinrichtung 12 (eine Recheneinheit) und jeweils damit verbunden eine Maus 13, eine Tastatur 14 sowie einen Bildschirm 15. Der Bildschirm 15 dient hier als Anzeigeeinheit 15, Maus 13 und Tastatur 14 dienen jeweils als Eingabegerät. Die Bildsequenz-Erzeugungseinrichtung 12 umfasst eine Datenschnittstelle 11 und eine erfindungsgemäße Vorrichtung 7 (hier schematisch als Blöcke dargestellt) sowie ein Laufwerk 16 zum Einlesen von CD bzw. DVD. Dabei können die Datenschnittstelle 11 und die Vorrichtung 7 gemeinsam Komponenten der Bildsequenz-Erzeugungseinrichtung 12 nutzen, wie z. B. Speicher, Prozessoren und dergleichen. Das Rechnersystem 20 kann in demselben Raum wie das Tomosynthesegerät 2 angeordnet sein, es kann sich aber auch in einem angrenzenden Kontrollraum oder in einer noch weiteren räumlichen Entfernung befinden.
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Die Bildsequenz-Erzeugungseinrichtung 12 ist in diesem Beispiel zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt (s. z.B. folgende Figuren) und umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung 7 zur Rekonstruktion von medizintechnischen Bildern B aus Aufnahmedaten A (die in diesem Beispiel den Rohdaten RD entsprechen. Die Vorrichtung umfasst eine Datenschnittstelle 11 zum Empfang der Rohdaten RD als Aufnahmedaten A und der Aufnahmeparameter P mit denen die Aufnahmedaten A erstellt worden sind. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung eine Vorfilter-Erzeugungseinheit 9, welche in diesem Beispiel in einer Vorfiltereinheit 8 enthalten ist. Die Vorverarbeitungs-Filter VF zur Vorverarbeitung werden also hier innerhalb der Vorfiltereinheit 8 durch die Vorfilter-Erzeugungseinheit 9 erzeugt. Die von der Vorfiltereinheit 8 vorgefilterten Bilder B werden mittels einer Rekonstruktionseinheit 19 rekonstruiert und danach in diesem Beispiel von einer (optionalen) Nachfiltereinheit 10 nachbearbeitet, z.B. um individuelle Bildeindrücke B1, B2 zu erhalten. Die Nachfiltereinheit (10) umfasst hier eine Nachfilter-Erzeugungseinheit 10.1, die dynamisch Nachfilter NF erzeugen kann.
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2 zeigt die Erzeugung eines Vorverarbeitungs-Filters VF durch eine bevorzugte Vorfilter-Erzeugungseinheit 9 und von Aufnahmedaten A. Eine Bildnahme wird mit den Aufnahmeparametern P durchgeführt und damit Rohdaten RD erzeugt. Diese Aufnahmeparameter P können in dem Bildnahmegerät 1 als Daten vorliegen und einfach abgerufen werden, sie (bzw. ein Teil der Aufnahmeparameter P) können aber auch gemessen werden, z.B. die Intensität des Strahls mit dem Detektor 5 aus 1, bzw. einem freien Teil der Detektorfläche 5.1.
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Die Rohdaten RD können nun unverändert als Aufnahmedaten A verwendet werden, sie können aber auch mittels Konditionierungsparametern KP konditioniert werden, z.B. eine Pixelkalibration oder eine Kompensation defekter Pixel durchgeführt werden. Diese Konditionierungsparameter KP können auch in die Aufnahmeparameter P übernommen werden. Die konditionierten Rohdaten RD sind dann die Aufnahmedaten A.
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Basierend auf den Aufnahmeparametern P werden in diesem Beispiel drei Filtermatrizen FM1, FM2, FM3 (oder „Filterkerne“ sog. „Kernels“) erstellt. Beispielsweise ist die erste Filtermatrize FM1 ein Basisfilterkern, die zweite Filtermatrize FM2 ein Geometriefilterkern und die dritte Filtermatrize FM3 ein Moiree-Filter. Auch wenn jeder einzelne dieser Filtermatrizen FM1, FM2, FM3 als ein Vorverarbeitungs-Filter VF dienen kann, werden sie hier zu einem Vorverarbeitungs-Filter VF zusammengefasst, bevorzugt mittels einer Faltung.
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Die x-Achse der Filter bezieht sich auf ein Maß bezüglich der Pixel bzw. des Bildes, z.B. eine Frequenz oder ein Pixelabstand, die y-Achse auf einen Verstärkungsfaktor der Intensität, z.B. des Grauwertes (wobei auch Faktoren <1 möglich sind, die eine Abschwächung bewirken).
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Der Vorverarbeitungs-Filter VF wirkt im Rahmen des Verfahrens auf die Aufnahmedaten A was durch den gestrichelten Pfeil angedeutet wird.
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3 zeigt einen Ablaufplan für einen möglichen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Rekonstruktion von (insbesondere medizintechnischen) Bildern B aus Aufnahmedaten A.
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In Schritt I erfolgt eine Bereitstellung von Aufnahmedaten, die hier konditionierte Rohdaten sind und von Aufnahmeparametern P, mit denen die Aufnahmedaten A erstellt worden sind. Unten ist ein Beispiel für die Aufnahmedaten A angezeigt. Die Aufnahmeparameter P können Parameter umfassen wie z.B. Pulsdauer, Dosis, Winkelgeschwindigkeit von Röntgenröhre 4 bzw. Detektor 5, Aufnahmegeometrie, und bevorzugt Konditionierungsparameter KP.
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In Schritt II erfolgt die Erzeugung eines Vorverarbeitungs-Filters VF basierend auf den Aufnahmeparametern P wie z.B. in 2 gezeigt wurde. Der Vorverarbeitungs-Filter VF sollte dazu ausgelegt sein, dass physikalische Faktoren der Akquisition und/oder Konditionierung der Aufnahmedaten A anhand der Aufnahmeparameter P ausgeglichen werden. Bevorzugt erreicht der Vorverarbeitungs-Filter VF eine Vereinheitlichung des Rauschens oder der resultierenden Ortsauflösung.
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In Schritt III erfolgt eine Vorfilterung der Aufnahmedaten A mit dem Vorverarbeitungs-Filter VF.
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In Schritt IV erfolgt eine Rekonstruktion eines Bildes B aus den vorgefilterten Aufnahmedaten (A'). Aus den rekonstruierten Bildern B können z.B. in einem weiteren Schritt synthetische Projektionsbilder erstellt werden, wie durch den Pfeil zwischen den Bildern unter dem Kasten angedeutet wird.
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In Schritt V erfolgt eine Nachbearbeitung, insbesondere eine Faltung, des rekonstruierten Bildes B mittels eines Nachbearbeitungs-Filters NF. Dabei werden die Bilder B bevorzugt transformiert und die Nachbearbeitung findet in einem Frequenzraum statt. Im Rahmen der Nachbearbeitung werden bevorzugt unterschiedliche Ortsauflösungen in unterschiedlichen Bereichen des Bildes B angepasst und hier noch zusätzlich zwei vorbestimmte Bildeindrücke B1, B2 erzeugt (siehe die beiden Bilder unter dem Kasten).
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Einer der Bildeindrücke B1 kann beispielsweise „convolved flavored“ Schichten enthalten, ein anderer Bildeindruck B2 dynamisch komprimierte Schichten. Dies kann z.B. mittels Bildeindrucksfilterkernen („Flavor Kernels“) mit einer Schichtauflösungskompensation als Nachbearbeitungs-Filter NF erreicht werden.
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4 zeigt mögliche Ergebnisse eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Links ist dabei das Bild B nach der Rekonstruktion (Rückprojektion) gezeigt. Es hat damit bereits die Vorverarbeitung durchlaufen und stellt ein Basisbild dar, welches nun beliebig nachbearbeitet werden kann. Die gesamte Rechenzeit, die zur Rekonstruktion benötigt wird, muss zur Nachbearbeitung nicht mehr aufgewandt werden.
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Rechts neben dem Basisbild sind vier unterschiedliche Bildeindrücke B1, B2, B3, B4 dargestellt, die mit minimalem Rechenaufwand erzeugt werden konnten, da sie alle direkt aus dem Basisbild erstellt werden konnten.
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Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Verfahren sowie bei den dargestellten Vorrichtungen 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.
