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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Parameters zur Rauschunterdrückung bei Röntgenbildgebung, wobei ein Parametergrundwert zur Rauschunterdrückung bereitgestellt wird. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Röntgenbildgebungsverfahren mit einem derartigen Einstellverfahren sowie ein Computerprogramm, einen elektronisch lesbaren Datenträger, eine Steuervorrichtung und eine Röntgenbildgebungsvorrichtung.
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Die Rauschunterdrückung bei Röntgenbildern ist nach wie vor ein integraler Bestandteil von röntgengeführten medizinischen Verfahren, insbesondere von solchen, die im Niedrigdosisbereich durchgeführt werden. Auch wenn klassische Rauschunterdrückungstechniken für Standarddosen insgesamt zufriedenstellende Ergebnisse liefern, ist die Unterdrückungsleistung bei niedrigen Dosen oft unzureichend. In jüngster Zeit wurde diese Leistungslücke durch die Einführung von lernbasierten Rauschunterdrückungsverfahren geschlossen, die zum Beispiel auf simulierten Paaren verrauschter Bilder in der Trainingsphase basieren. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise im folgenden Artikel veröffentlicht: S.G. Hariharan, C. Kaethner et al.: „Learning-Based X-Ray Image Denoising Utilizing Model-Based Image Simulations“, MICCAI 2019, Seiten 549 bis 557.
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Obwohl es Möglichkeiten gibt, den Grad der Rauschunterdrückung bei der Verwendung von lernbasierten Rauschunterdrückungstechniken anzupassen, bleibt es eine Herausforderung, einen konstanten Bildqualitätseindruck zu gewährleisten. Insbesondere gilt es, Unschärfe und Artefakte zu vermeiden, während die Rauschunterdrückung angepasst wird, speziell wenn man einen vortrainierten Algorithmus über mehrere Dosisstufen hinweg anwendet.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, trotz Variierbarkeit der Rauschunterdrückung eine möglichst konstante Bildqualität bei der Röntgenbildgebung gewährleisten zu können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch Verfahren und Vorrichtungen entsprechend den unabhängigen Ansprüchen. Darüber hinaus ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung aus den Unteransprüchen.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird demnach ein Verfahren zum Einstellen eines Parameters zur Rauschunterdrückung bei Röntgenbildgebung vorgeschlagen. Eine derartige Röntgenbildgebung kann nicht nur auf dem medizinischen Sektor, sondern auch bei industriellen Anwendungen genutzt werden. So ergeben sich beispielsweise Anwendungen bei der spezifischen Untersuchung von Organen eines Patienten, aber auch bei der zerstörungsfreien Analyse von technischen Objekten. Die entsprechend gewonnenen Röntgenbilder sind oftmals verrauscht, sodass es für den Anwender schwierig ist, die gewünschten Details zu erkennen. Daher werden die Röntgenbilder einer entsprechenden Rauschunterdrückung unterzogen. Hierzu werden in der Regel bekannte Rauschunterdrückungsalgorithmen beziehungsweise -filter eingesetzt. Diese Algorithmen beziehungsweise Filter weisen meist einen oder mehrere Parameter auf, die veränderbar, das heißt einstellbar, sind.
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In einem ersten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Bereitstellen eines Parametergrundwerts zur Rauschunterdrückung. Für die Rauschunterdrückung wird also ein Parametergrundwert als Ausgangswert beziehungsweise Basis für die Filterung zur Verfügung gestellt. Das Bereitstellen kann beispielsweise in einer festen Speichereinrichtung vonstattengehen. Das Bereitstellen kann aber auch beispielsweise mittels einer Look-up-Tabelle erfolgen. Gegebenenfalls kann das Bereitstellen auch weitere Verfahrensschritte beinhalten, deren Resultat der gewünschte Parametergrundwert ist, wie etwa computerimplementiertes Lernen.
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Erfindungsgemäß erfolgt weiter ein Ermitteln je einer Qualitätsfunktion eines Qualitätsmaßes eines Röntgenbilds in Abhängigkeit von einer Veränderung des Parameters zur Rauschunterdrückung gegenüber dem Parametergrundwert für mehrere Röntgendosen. Ein derartiges Qualitätsmaß kann auch als Qualitätsmetrik oder Gütemaß bezeichnet sein. Insbesondere kann dieses Qualitätsmaß strukturelle Eigenschaften des Bildes oder auch Signal-Rausch-Verhältnisse betreffen. Speziell kann das Qualitätsmaß eine relative Größe in Bezug auf ein Referenzbild sein. Das Referenzbild kann beispielsweise durch Optimierungsverfahren, automatisierte Lernverfahren und dergleichen gewonnen werden.
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Das Ermitteln der Qualitätsfunktionen erfolgt üblicherweise automatisch. Dabei wird eine Auswirkung einer Änderung des Parameters zur Rauschunterdrückung analysiert. Speziell wird beispielsweise die Änderung der Größe eines Filters untersucht. Die Qualitätsfunktion stellt dann das Qualitätsmaß beziehungsweise Gütemaß in Abhängigkeit von einer Änderung des Parameters dar. Mit anderen Worten wird das Qualitätsmaß über der Parameterveränderung aufgetragen. Ein typischer Funktionswert wäre die Qualität des Röntgenbilds bei einer Veränderung des Parameters zur Rauschunterdrückung von z.B. 60 Prozent.
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Es werden mehrere Qualitätsfunktionen für mehrere Röntgendosen ermittelt. Es ergibt sich dadurch eine Funktionenschar mit der Röntgendosis als weiteren Parameter. Dabei kann eine Qualitätsfunktion das Resultat einer oder mehrerer Unterqualitätsfunktionen sein, die gegebenenfalls gewichtet miteinander verknüpft werden. Eine solche Unterqualitätsfunktion gibt z.B. ein oben genanntes Qualitätsmaß wieder und kann als Vorstufe zum Erstellen der Qualitätsfunktion dienen.
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Weiterhin erfolgt ein Festlegen je eines Maximalwerts der Veränderung des Parameters zur Rauschunterdrückung gegenüber dem Parametergrundwert für jede Qualitätsfunktion, wobei ein entsprechend der jeweiligen Qualitätsfunktion dem jeweiligen Maximalwert zugeordneter Qualitätswert kleiner oder gleich einem vorgegebenen Schwellwert ist. Es soll also beispielsweise festgelegt werden, wie weit der Parameter zur Rauschunterdrückung maximal verändert werden kann. Ein Kriterium dafür kann die Bildqualität sein. Beispielsweise kann der Maximalwert so festgelegt werden, dass gerade noch keine Artefakte wahrgenommen werden können. Alternativ kann der Maximalwert auch so festgelegt werden, dass noch kein Verschwimmen des Röntgenbilds durch den Betrachter wahrgenommen werden kann. Dabei kann ein Maximalwert für jede Qualitätsfunktion, d.h. für jede Röntgendosis, festgelegt werden. Speziell kann es hilfreich sein, den Maximalwert in vorgegebenen Stufen festzulegen. Beispielsweise ist es günstig, den Maximalwert in Stufen von 5 oder 10 Prozent einer Veränderung gegenüber dem Parametergrundwert festzulegen. Hierbei kann der Maximalwert auch unter dem Parametergrundwert liegen. Wenn in diesem Fall der Maximalwert die Einstellbarkeit begrenzt, liegt der Parametergrundwert außerhalb des wählbaren Einstellbereichs.
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Der Maximalwert kann durch einen vorgegebenen Schwellwert gefunden werden. Dabei stellt der Schwellwert beispielsweise eine maximal zulässige Veränderung gegenüber einem Referenzbild dar. So kann etwa der Schwellwert bei einem Variationskoeffizienten bezogen auf einen SSIM-Wert (Structural Similarity) von 50 Prozent gewählt werden. Als Maximalwert könnte dann derjenige Punkt der Qualitätsfunktion gewählt werden, bei dem die Qualitätsfunktion den Schwellwert schneidet. Im Spezialfall kann der Maximalwert aber auch derjenige sein, dessen Qualitätsmaß bei einem ganzzahligen Vielfachten von 5 oder 10 Prozent des Veränderungsbereichs des Parameters zur Rauschunterdrückung noch unterhalb des Schwellwerts liegt. Schwellwerte könnten in Vorabstudien mit Anwendern bestimmt werden, um die Rauschunterdrückung bzw. die Bildqualität einzuschätzen, oder auch in Vorgaben/Empfehlungen basierend auf einer trainierten Funktion.
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Schließlich ist ein Begrenzen einer Veränderbarkeit des Parameters zur Rauschunterdrückung in Abhängigkeit von der Röntgendosis bis zu dem jeweiligen Maximalwert vorgesehen. Dies bedeutet beispielsweise, dass der Nutzer beim Einstellen der Rauschunterdrückung den Parameter bei einer bestimmten Röntgendosis nur bis zu dem zugehörigen Maximalwert verändern kann. Darüber hinaus lässt beispielsweise die Röntgenbildgebungsvorrichtung eine Veränderung des Parameters nicht zu. Damit ist gewährleistet, dass die Bildqualität immer ein gewisses Niveau beibehält, auch wenn der Nutzer den Parameter zur Rauschunterdrückung individuell einstellt beziehungsweise verändert. Dieses Begrenzen der Veränderbarkeit kann mittels Software oder auch mittels Hardware erfolgen. Beispielsweise ändert sich der Parameter nicht mehr, auch wenn ein Stellrad oder dergleichen weitergedreht/weitergestellt wird. Alternativ kann ein Anschlag eines Stellrads aber auch in Abhängigkeit von der Röntgendosis variiert werden, sodass der Parameter mit dem Stellrad also nur bis zum jeweiligen Anschlag verändert werden kann.
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Alternativ kann auch ein Bewerten einer aktuellen Veränderung des Parameters zur Rauschunterdrückung in Bezug auf den jeweiligen Maximalwert in Abhängigkeit von der Röntgendosis erfolgen. Dies bedeutet, dass der Nutzer den Parameter zur Rauschunterdrückung grundsätzlich unabhängig von dem Maximalwert einstellen kann. Falls aber beispielsweise der Maximalwert überschritten wird, könnte der gewählte beziehungsweise eingestellte Parameter in einer anderen Farbe, wie etwa Rot, dargestellt werden. Unterhalb des Maximalwerts wird der gewählte Parameter beispielsweise grün dargestellt. So erhält der Nutzer einen unmittelbaren Hinweis auf die Bildqualität, denn oberhalb des Maximalwerts ist beispielsweise mit entsprechenden Artefakten beziehungsweise Verschmierungen (blurring) zu rechnen. Die aktuelle Veränderung des Parameters wird im vorliegenden Beispiel also optisch bewertet. Das Bewerten kann aber auch auf andere Art und Weise beispielsweise akustisch oder haptisch erfolgen. So kann etwa ein Warnton abgegeben werden, wenn der Parameter jenseits des Maximalwerts eingestellt wird. Ebenso kann eine Vibration die Einstellung des Parameters jenseits des Maximalwerts signalisieren.
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Der besondere Vorteil des Einstellungsverfahrens, wie es oben beschrieben ist, besteht darin, dass die Qualität des Röntgenbilds durch die Verwendung der Maximalwerte beispielsweise im Rahmen der Wahrnehmbarkeit konstant gehalten werden kann. So sind vorzugsweise Änderungen des Parameters zur Rauschunterdrückung unterhalb des Maximalwerts nicht wahrnehmbar. Erst Parameteränderungen beziehungsweise -einstellungen jenseits des Maximalwerts führen zu sichtbaren Artefakten beziehungsweise Verschmierungen.
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In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Qualitätsmaß um ein Strukturähnlichkeitsmaß oder ein Rauschverhältnismaß. Das Strukturähnlichkeitsmaß kann beispielsweise SSIM (Structural Similarity Index Method) oder ein darauf basierender Wert sein. So kann beispielsweise ein Variationskoeffizient, der auf SSIM basiert, als Strukturähnlichkeitsmaß eingesetzt werden. Alternativ kann das Qualitätsmaß beziehungsweise Gütemaß ein Rauschverhältnismaß z.B. PSNR (Peak-Signal-to-Noise Ratio) sein. Dabei dienen dann die maximalen Rauschspitzen als Gütemaß.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Parameter zur Rauschunterdrückung ein Filterparameter eines Rauschunterdrückungsalgorithmus ist. Ein solcher Filterparameter kann beispielsweise die Größe des Filters sein. So kann beispielsweise anstelle eines 2x2-Filters ein 3x3-Filter oder ein 4x4-Filter verwendet werden. Ein anderer Filterparameter kann die Gewichtung einzelner Pixel betreffen. Bei einem Filter kann es sich auch um eine Verteilungsfunktion, etwa eine Normalverteilung, handeln. Diese kann man dann entsprechend einstellen, bei der Normalverteilung beispielsweise über die Parameterwerte Mittelwert und Standardabweichung. Insbesondere können diese Filter auch einen Bezug zum Bildgebungssystem haben oder einen Teil der Verarbeitungskette ab- bzw. nachbilden. Mit den Filterparametern lassen sich unterschiedlichste Filterfunktionen realisieren.
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Bei einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die mehreren Röntgendosen eine vorgegebene Standarddosis und eine oder mehrere Bruchteile der Standarddosis, insbesondere zwischen 50 Prozent und 10 Prozent der Standarddosis, beinhalten. So kann beispielsweise eine Qualitätsfunktion für die einfache Standarddosis SD, also 100 Prozent SD, ermittelt werden. Darüber hinaus wird beispielsweise eine Qualitätsfunktion für 50 Prozent SD, 30 Prozent SD und 15 Prozent SD ermittelt. In einem anderen Beispiel wird neben der Qualitätsfunktion für die Standarddosis 100 Prozent SD nur eine einzige weitere Qualitätsfunktion etwa bei 20 Prozent SD gewonnen. In einem noch anderen Beispiel können drei Qualitätsfunktionen beispielsweise bei 100 Prozent SD, 50 Prozent SD und 10 Prozent SD Verwendung finden. Die Anzahl der zu verwendenden Bruchteile der Standarddosis und die Gewinnung entsprechend vieler Qualitätsfunktionen kann auf die Typen der zu untersuchenden Objekte abgestimmt werden. Zusätzlich bzw. alternativ können die Berechnungen nur für bestimmte Bruchteile vorgenommen und entsprechend für diese die Maximalwerte bestimmt werden. Für andere Bruchteile die zwischen den gewählten liegen, kann entsprechend ein Ergebnis, also die Maximalwerte, via Interpolation bestimmt werden.
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Als weitere Option kann vorgesehen sein, dass der Schwellwert in Abhängigkeit von einem Typ eines Objekts, auf das die Röntgenbildgebung angewendet wird, vorgegeben wird. So kann beispielsweise der Schwellwert bei einer medizinischen Röntgenuntersuchung abhängig vom Typ des zu untersuchenden Organs gewählt werden. Es kann also beispielsweise der Schwellwert, unterhalb dessen sich die Bildqualität nicht beziehungsweise kaum wahrnehmbar verändert, bei einer zu untersuchenden Leber anders liegen als bei zu untersuchenden Knochen. Ein noch anderer Schwellwert kann bei der Darstellung von Gefäßen günstig sein. Auch bei der industriellen Fehleruntersuchung mittels Röntgenbildgebung sollte der Schwellwert an den Objekttyp angepasst werden. So ist es sicher notwendig, den Schwellwert bei der Untersuchung von Turbinenflügeln anders zu wählen als bei der Untersuchung von Flügeln einer Windkraftanlage.
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Des Weiteren kann auch vorgesehen sein, dass der Schwellwert individuell vorgegeben wird. Dies bedeutet, dass der Schwellwert beispielsweise spezifisch für einen Nutzer eingegeben werden kann. Dementsprechend ist eine Schnittstelle vorzusehen, mit der der Nutzer seinen eigenen Schwellwert wählen kann. In einem konkreten Beispiel wählt ein Radiologe einen anderen Schwellwert als sein Kollege. So ist es beispielsweise möglich, dass ein Radiologe auf einem Röntgenbild gesuchte Strukturen auch dann noch gut erkennen kann, wenn das Bild starke Artefakte zeigt. Dies kann für den Patienten von Vorteil sein, wenn er hierdurch eine geringere Strahlenbelastung erfährt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass jeder Maximalwert für das Begrenzen der Einstellbarkeit oder für das Bewerten der aktuellen Einstellung des Parameters zur Rauschunterdrückung in Bezug auf mathematisch positive Werte und ein korrespondierender Minimalwert gleichen Betrags für das Begrenzen der Einstellbarkeit oder für das Bewerten der aktuellen Einstellung des Parameters zur Rauschunterdrückung in Bezug auf mathematisch negative Werte verwendet wird. Beispielsweise ist der Parameter für die Rauschunterdrückung ausgehend von dem Parametergrundwert in positiver Richtung und in negativer Richtung veränderbar. So kann etwa ein Filter, der eine Verteilungsfunktion ist, entsprechend breiter (positive Richtung) oder schmaler (negative Richtung) gemacht werden. In positiver Richtung legt der Maximalwert die Begrenzung beziehungsweise die Bewertung fest. In negativer Richtung legt nun auch der Minimalwert die Begrenzung beziehungsweise die Bewertung fest. Maximalwert und Minimalwert besitzen vorzugsweise den gleichen Abstand zum Parametergrundwert. Prinzipiell können die Abstände der beiden Extremwerte zum Parametergrundwert aber auch unterschiedlich sein, wobei eine separate Berechnung erfolgen kann.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens basiert das Bereitstellen des Parametergrundwerts zur Rauschunterdrückung auf computerimplementiertem Lernen. Bei dem Parametergrundwert handelt es sich demnach im vorliegenden Beispiel um einen durch Lernen optimierten Parameterwert. Die Grundeinstellung für die Röntgenbildgebung basiert also auf einem automatisierten Lernprozess und stellt eine optimierte Einstellung dar. Ausgehend von dieser optimierten Einstellung kann der Nutzer nun beispielsweise wegen des zu untersuchenden Objekttyps oder wegen individueller Vorlieben den Parameter zur Rauschunterdrückung verändern. Unabhängig von dem computerimplementierten Lernen (Maschinenlernen) kann das Verfahren aber auch auf mehrere unterschiedliche Parameter zur Rauschunterdrückung angewandt werden. In diesem Fall geht man eben von mehreren Parametergrundwerten aus, die entsprechend veränderbar sind.
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Erfindungsgemäß wird auch bereitgestellt ein Röntgenbildgebungsverfahren mit einem Verfahren zum Einstellen eines Parameters zur Rauschunterdrückung bei Röntgenbildgebung, wie es oben beschrieben wurde. Bei diesem Röntgenbildgebungsverfahren wird also die gewählte Einstellung genutzt, um entsprechend entrauschte Röntgenbilder zu gewinnen. Das Entrauschen beziehungsweise die Rauschunterdrückung erfolgt entsprechend dem gewählten Parameter beziehungsweise entsprechend den gewählten Parametern.
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Weiterhin kann ein Computerprogramm bereitgestellt werden, welches direkt in einen Speicher einer Steuereinrichtung einer Röntgenbildgebungsvorrichtung ladbar ist mit Programm-Mitteln, um die Schritte des oben genannten Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in der Steuereinrichtung der Röntgenbildgebungsvorrichtung ausgeführt wird. Die vorliegende Erfindung kann also die Form eines Computerprogrammprodukts annehmen, das Programmmodule umfasst, auf die von einem computerverwendbaren oder computerlesbaren Medium zugegriffen werden kann, welches Programmcode zur Verwendung durch oder in Verbindung mit einem oder mehreren Computern, Prozessoren oder einem Befehlsausführungssystem speichert. Für die Zwecke dieser Beschreibung kann ein computerverwendbares oder computerlesbares Medium jedes Gerät sein, das das Programm zur Verwendung durch oder in Verbindung mit dem Befehlsausführungssystem, -apparat oder -gerät enthalten, speichern, kommunizieren, weitergeben oder transportieren kann. Das Medium kann ein elektronisches, magnetisches, optisches, elektromagnetisches, infrarotes oder Halbleitersystem (oder ein Gerät oder eine Vorrichtung) sein oder ein Ausbreitungsmedium an und für sich als Signalträger. Das Medium kann einen Halbleiter- oder Festkörperspeicher, ein Magnetband, eine austauschbare Computerdiskette, einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Festwertspeicher (ROM), eine starre Magnetplatte und eine optische Platte wie Compact Disc Festwertspeicher (CD-ROM), Compact Disc lesen/schreiben und DVD. Sowohl die Prozessoren als auch der Programmcode zur Implementierung der einzelnen Aspekte der Technologie können zentralisiert oder verteilt sein (oder eine Kombination davon).
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Während die vorliegende Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. In Anbetracht der vorliegenden Offenbarung sind viele Modifikationen und Variationen für den einschlägigen Fachmann denkbar. Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist daher durch die folgenden Ansprüche und nicht durch die vorangehende Beschreibung angegeben. Alle Änderungen, Modifikationen und Variationen, die in den Sinn und in den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sind innerhalb des Schutzumfangs zu betrachten. Alle vorteilhaften Ausführungsformen, die in den Verfahrensansprüchen beansprucht werden, können auch auf die System-/Vorrichtungsansprüche angewendet werden.
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Konkret wird also auch ein elektronisch lesbarer Datenträger mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen bereitgestellt, welche zumindest ein oben genanntes Computerprogramm umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in einer Steuereinrichtung einer Röntgenbildgebungsvorrichtung ein oben geschildertes Verfahren durchführen.
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Die oben genannt Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch eine Steuervorrichtung zum Einstellen eines Parameters zur Rauschunterdrückung bei Röntgenbildgebung mit
- - einer Speichereinrichtung zum Bereitstellen eines Parametergrundwerts zur Rauschunterdrückung,
- - einer Recheneinrichtung zum Ermitteln je einer Qualitätsfunktion eines Qualitätsmaßes eines Röntgenbilds in Abhängigkeit von einer Veränderung des Parameters zur Rauschunterdrückung gegenüber dem Parametergrundwert für mehrere Röntgendosen,
- - einer Einstelleinrichtung zum Festlegen je eines Maximalwerts der Veränderung des Parameters zur Rauschunterdrückung für jede Qualitätsfunktion, wobei ein entsprechend der jeweiligen Qualitätsfunktion dem jeweiligen Maximalwert zugeordneter Qualitätswert kleiner oder gleich einem vorgebbaren Schwellwert ist, und
- - einem Steuerelement zum Begrenzen einer Einstellbarkeit des Parameters zur Rauschunterdrückung in Abhängigkeit von der Röntgendosis bis zu dem jeweiligen Maximalwert oder einer Auswerteeinrichtung zum Bewerten einer aktuellen Einstellung des Parameters zur Rauschunterdrückung in Bezug auf den jeweiligen Maximalwert in Abhängigkeit von der Röntgendosis.
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Die Speichereinrichtung der Steuervorrichtung speichert also einen oder mehrere Parametergrundwerte und stellt sie für die weitere Datenverarbeitung zur Verfügung. Die Recheneinrichtung, die beispielsweise einen Prozessor aufweist, ermittelt die jeweiligen Qualitätsfunktionen und besitzt dazu nicht nur eine Datenverbindung zur Speichereinrichtung, sondern gegebenenfalls auch zu anderen Speichereinrichtungen, die Röntgenbilder mit unterschiedlichen Rauschunterdrückungswerten abspeichern. Die Einstelleinrichtung steht wiederum mit der Recheneinrichtung in Verbindung, um die benötigte Veränderung des Parameters bewirken zu können. Dabei kann die Einstelleinrichtung auf der Basis von Software und/oder Hardware agieren. Schließlich ist ein Steuerelement vorgesehen, das wiederum mit der Einstelleinrichtung in Wirkverbindung steht. Dieses Steuerelement sorgt mittels Hardware oder Software für das Begrenzen der Einstellbarkeit. Alternativ kann auch eine Auswerteeinrichtung vorgesehen sein, die ebenfalls mit der Einstelleinrichtung in Wirkverbindung steht, um das Bewerten der aktuellen Einstellung mittels entsprechender Hardware oder Software zu bewirken.
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Schließlich kann entsprechend der vorliegenden Erfindung auch eine Röntgenbildgebungsvorrichtung bereitgestellt werden, die die oben genannte Steuereinrichtung aufweist. Die Röntgenbildgebung kann somit durch eine Rauschunterdrückung realisiert werden, welche mittels der Steuereinrichtung einstellbar ist.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
- 1 zehn beispielhafte Röntgenbilder zur Visualisierung unterschiedlicher Rauschunterdrückungen;
- 2 die Rauschunterdrückung bei unterschiedlichen Röntgendosen basierend auf SSIM;
- 3 den Variationskoeffizienten auf der Basis von SSIM-Werten von 2;
- 4 das Bestimmen von Maximalwerten anhand einer ersten Schwelle mit Bezug auf 3;
- 5 Parametereinstellbereiche abhängig von den Maximalwerten von 4;
- 6 das Bestimmen von Maximalwerten in Abhängigkeit von einem zweiten Schwellwert basierend auf den Änderungskoeffizienten von 3; und
- 7 Einstellbereiche für die Rauschunterdrückung auf der Basis der Maximalwerte von 6.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, die derzeitigen technischen Einschränkungen insbesondere des lernbasierten Rauschunterdrückungsverfahrens dadurch zu überwinden, dass dosisspezifische Anpassungsbereiche bereitgestellt werden, in denen eine konstante Bildqualität gewährleistet werden kann. Innerhalb eines solchen Einstellbereichs kann die Stärke der Rauschunterdrückung variiert werden, z.B. basierend auf einer Benutzerpräferenz oder auch zur Anpassung an eine bestimmte Situation, ohne dass die Bildqualität darunter leidet. Da das Ausmaß und bis zu einem gewissen Grad auch die Eigenschaften des Rauschens stark von der gewählten Röntgendosis abhängen, ist es von entscheidender Bedeutung, dass das Einstellen der Rauschunterdrückung dosisabhängig ist, insbesondere da bei sehr niedrigen Röntgendosen bei der Rauschunterdrückung regelmäßig Artefakte oder Bildverschlechterungen wie Unschärfe hervorgerufen werden.
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Ein Beispiel für dosisabhängige Effekte eines einstellbaren Rauschunterdrückungsverfahrens ist in 1 dargestellt. 1 zeigt zehn Röntgenbilder in zwei Reihen. Die untere Reihe wurde mit einer Standardröntgendosis, also 100 Prozent SD, aufgenommen. Die obere Reihe wurde mit einer verminderten Dosis von 15 Prozent der Standarddosis, also 15 Prozent SD, aufgenommen. Bei beiden Bildreihen ist ein Systemparameter δ für die Rauschunterdrückung beziehungsweise den Rauschunterdrückungsalgorithmus, verändert beziehungsweise unterschiedlich eingestellt. Ein gewünschter Wert für den Systemparameter zur Rauschunterdrückung wird beispielsweise durch computerimplementiertes Lernen ermittelt und stellt einen Parametergrundwert dar. In 1 ist die Anwendung dieses Parametergrundwerts in der mittleren Spalte bei 5 = 0 Prozent dargestellt. Hier erfolgt keine Abweichung von dem Parametergrundwert. Nach links und rechts sind nun in 1 Röntgenbilder dargestellt, bei denen der Parameterwert um +/-30 Prozent beziehungsweise +/- 60 Prozent von dem Parametergrundwert abweicht. Aus den Röntgenbildern der oberen Reihe bei 15 Prozent SD ist der Einfluss der Parameteränderung deutlich zu entnehmen. Bei starken negativen Abweichungen (δ = -60 Prozent und 5 = -30 Prozent) ergibt sich ein Verschmieren der Strukturdetails. Speziell können die feinen Gefäße bei 5 = -60 Prozent kaum mehr erkannt werden gegenüber der optimalen Rauschunterdrückung bei 5 = 0 Prozent, die gelernt beziehungsweise trainiert oder anderweitig vorgegeben wurde. Bei positiver Veränderung des Systemparameters (δ = +30 Prozent und δ = +60 Prozent) erscheinen in den Bildern umso mehr Artefakte, je größer die Abweichung von dem Parametergrundwert ist.
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In der unteren Bildreihe bei 100 Prozent SD fallen die Verschmierungen bei δ = -60 Prozent und die Artefakte bei δ = +60 Prozent weniger auf. Dies zeigt die Bedeutung, dass unter dem Gesichtspunkt der Erhaltung der Bildqualität die Anpassbereiche des Systemparameters beziehungsweise der Systemparameter zur Rauschunterdrückung dosisabhängig sein sollten.
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Als Voraussetzung für das vorgeschlagene Verfahren kann beispielsweise ein neuronales Netz zur Rauschunterdrückung für bestimmte Dosiswerte oder einen definierten Bereich von Dosiswerten trainiert werden. Außerdem sollte der gewählte Rauschunterdrückungsansatz in Bezug auf den Grad der Rauschunterdrückung angepasst werden können.
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Vor der Anwendung eines trainierten neuronalen Netzes zur Rauschunterdrückung kann eine Test- und Evaluierungsphase mit typischen klinischen Bildern oder auch mit einer Mischung aus Phantomaufnahmen und klinischen Bildern durchgeführt werden, die die zu erwartenden Bildgebungsszenarien und die entsprechenden Dosisstufen abdecken. Ein integraler Bestandteil dieses Prozesses ist gegebenenfalls die Durchführung einer breiten Palette von Anpassungen der verwendeten Rauschunterdrückungstechnik, d.h. des Rauschunterdrückungsgrades, an die jeweiligen Szenen und Dosisstufen, um die möglichen Variationen abzudecken. Für jede interessierende Kombination kann die Berechnung der jeweiligen Bildqualität unter Verwendung geeigneter Bildmetriken erfolgen, die die allgemeine Rauschunterdrückungsleistung, z.B. PSNR (Peak Signal to Noise Ratio), und den Einfluss auf die Strukturinformationen, z.B. SSIM (Structural Similarity), betreffen. Anstelle der Verwendung dedizierter Bildqualitätsmetriken beziehungsweise Gütemaße könnte auch ein lernbasierter Ansatz verwendet werden, der auf die jeweilige Aufgabe zugeschnitten ist, d.h. die Identifizierung von Schwankungen in der Rauschunterdrückungsleistung, die Artefakte, die Unschärfe und dergleichen.
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Ein Beispiel für die Rauschunterdrückungsleistung für Röntgenbilder, die bei verschiedenen Dosisstufen auf der Basis von SSIM aufgenommen wurden, ist in 2 mit einem weiten Bereich von Anpassungen des Rauschunterdrückungsgrads zu sehen. Dabei ist die strukturelle Ähnlichkeit SSIM über der Veränderung δ des Rauschunterdrückungsparameters für die Röntgendosen 15 Prozent SD, 30 Prozent SD, 50 Prozent SD und 100 Prozent SD aufgetragen. Je niedriger die Röntgendosis ist, desto niedriger die Werte der strukturellen Ähnlichkeit. Gerade bei den niedrigen Dosen ergibt sich ein jeweiliges Maximum der strukturellen Ähnlichkeit bei keiner Abweichung (δ = 0 Prozent) von dem optimalen, z.B. gelernten Parametergrundwert. Abweichungen δ in positiver Richtung deuten auf Artefakte hin. Diese nehmen mit steigender Abweichung zu, sodass die strukturelle Ähnlichkeit entsprechend sinkt. Bei einer Röntgendosis von 100 Prozent SD machen sich die Artefakte jedoch kaum bemerkbar.
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Bei negativer Abweichung von dem Parametergrundwert, d.h. in 2 nach links, ergeben sich mit steigendem Betrag der Abweichung immer mehr Verschmierungen. Dementsprechend sinkt die strukturelle Ähnlichkeit auch mit der Größe der Abweichung von dem Parametergrundwert.
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Basierend auf den ermittelten Bildqualitätswerten für die jeweiligen Dosisstufen und Anpassungen kann eine Bestimmung der Varianz über die Anpassungen für die jeweiligen Dosisstufen, z.B. durch Verwendung eines Variationskoeffizienten (CV), durchgeführt werden. Dazu kann beispielsweise der beabsichtigte Grad der Rauschunterdrückung (zum Beispiel gemäß dem Training des Algorithmus) als Basislinie beziehungsweise Parametergrundwert betrachtet und die Variation in Bezug auf die Bildqualität innerhalb eines wachsenden Bereichs um diesen Basiswert berechnet werden.
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Ein Beispiel für die resultierenden CV-Werte ist in 3 dargestellt. Hier ist der Variationskoeffizient über einem Änderungsmaß e für die Dosen 15 Prozent SD, 30 Prozent SD, 50 Prozent SD und 100 Prozent SD dargestellt. Das Änderungsmaß e ist hier lediglich betragsmäßig in positiver Richtung dargestellt. Bei dem Änderungsmaß e kann es sich auch beispielsweise um das Änderungsmaß δ aus 2 handeln. Aus 3 ist zu erkennen, dass der Variationskoeffizient bei hohen Röntgendosen mit zunehmender Änderung e nur geringfügig ansteigt. Bei niedrigen Dosen hingegen steigt der Variationskoeffizient CV mit zunehmender Änderung e jedoch stark an. Gegebenenfalls kann man eine entsprechende Figur auch mit einem positiven Achsenabschnitt, Änderung in positive Richtung, und einem negativen Achsenabschnitt, Änderung in negative Richtung, nutzen. Dies ist dann hilfreich, wenn man die Bestimmung der Maximalwerte getrennt für positive/negative Werte durchführen möchte.
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Basierend auf den gemäß 3 berechneten Werten kann ein Schwellwert S1 (vergleiche 4) festgelegt werden, um eine akzeptable Abweichung in Bezug auf die Bildqualität zu definieren. Dies kann entweder manuell oder auf automatisierte Weise erfolgen, wobei der Schwellwert S1 von zusätzlichen Informationen beispielsweise über das klinische Szenario und die potentiell akzeptable Bildverschlechterung abhängen kann. So wird üblicherweise bei der Fluoroskopie eine geringere Röntgendosis verwendet. Es kann als zusätzliche Information aber auch beispielsweise berücksichtigt werden, dass ein bestimmter Arzt eher geglättete Bilder erhalten will als dies üblich ist.
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Beide Möglichkeiten zur Bestimmung eines Schwellwerts oder anpassbarer Schwellwerte können durch eine Beobachterstudie oder einen trainierten Algorithmus unterstützt werden, der Konzepte der visuellen Wahrnehmung einbezieht. Basierend auf den Schwellwerten kann der maximale Variationsbereich um den Parametergrundwert beziehungsweise die trainierte Einstellung zur Rauschunterdrückung (vergleiche 1 und 2) in Bezug auf die Bildqualität für jede Dosisstufe bestimmt werden, der die Schwellwert-Bedingung erfüllt.
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Ein Beispiel für die Einstellung eines solchen Schwellwerts S1 und die daraus resultierenden Maximalwerte M11, M12, M13 und M14 für jede Dosisstufe (15 Prozent SD, 30 Prozent SD, 50 Prozent SD und 100 Prozent SD) ist in 4 zu sehen. Hier ist ein Schwellwert S1 bestimmt beziehungsweise automatisch ermittelt, der einen Variationskoeffizienten CV (basierend auf SSIM) mit einem Wert von 0,5 besitzt. Für jede Röntgendosis (15 Prozent SD, 30 Prozent SD, 50 Prozent SD und 100 Prozent SD) ist eine entsprechende Qualitätsfunktion aufgetragen, die das Qualitätsmaß (hier CV) über dem Betrag der Parameterveränderung e wiedergibt. Prinzipiell könnten die Schnittpunkte dieser Qualitätsfunktionen mit dem Schwellwert S1 als Maximalwerte für die Parameteränderung bestimmt werden. Im vorliegenden Beispiel jedoch soll auf Vielfache von 10 Prozent der Parameteränderung e abgestellt werden, bei denen der Schwellwert S1 gerade noch nicht überschritten ist. Im konkreten Beispiel von 4 wird als Maximalwert M11, d.h. als maximaler relativer Parameteränderungswert, für die Dosis 15 Prozent SD der Wert 30 Prozent bestimmt, da die Qualitätsfunktion hier noch unter dem Schwellwert S1 liegt, während sie bei 40 Prozent bereits darüber liegt. In ähnlicher Weise wird für die Dosis 30 Prozent SD der Maximalwert M12 = 40 Prozent, für die Dosis 50 Prozent SD der Maximalwert M13 = 50 Prozent und für die Dosis 100 Prozent SD der Maximalwert M14 = 60 Prozent bestimmt.
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Als Ergebnis der Schwellwertanwendung kann ein entsprechender Anpassungskorridor bezüglich der Parameteranpassung des Rauschunterdrückungsansatzes um den vorgegebenen Rauschunterdrückungsparametergrundwert (z.B. durch Training gewonnen) abgeleitet und später einem potentiellen Anwender zur Verfügung gestellt werden.
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Ein Beispiel für einen solchen Anpassungskorridor des Rauschunterdrückers für jede Dosisstufe ist in 5 dargestellt. Hier sind zu jeder Dosis 15 Prozent SD, 30 Prozent SD, 50 Prozent SD und 100 Prozent SD jeweilige Ähnlichkeitsfunktionen über der relativen Parameteränderung e (z.B. e = δ) aufgetragen. Als Qualitätsmaß beziehungsweise Gütemaß ist auf der Ordinate die strukturelle Ähnlichkeit SSIM wie in 3 genutzt. Die Ähnlichkeitsfunktionen entsprechen denjenigen von 3. Auf den Ähnlichkeitskurven sind die korrespondierenden Maximalwerte M11, M12, M13 und M14 dargestellt, wobei der jeweilige Maximalwert dem Abszissenwert entspricht, d.h. M11 = 30 Prozent, M12 = 40 Prozent, M13 = 50 Prozent und M 14 = 60 Prozent.
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Der Parameter zur Rauschunterdrückung kann auch in negativer Richtung verändert beziehungsweise eingestellt werden. Als weitestmögliche Einstellbarkeit wird daher ein entsprechender Minimalwert m11, m12, m13 und m14 festgelegt. Jeder dieser Minimalwerte besitzt den gleichen Abstand zum Parametergrundwert PG wie der korrespondierende Maximalwert. Wiederum repräsentieren die Minimalwerte lediglich die korrespondierenden Abszissenwerte, nämlich m11 = -30 Prozent, m12 = - 40 Prozent, m13 = -50 Prozent und m14 = -60 Prozent. Damit kann die Rauschunterdrückung bei einer Dosis 100 Prozent SD zwischen -60 Prozent und +60 Prozent verändert werden, ohne dass die Bildqualität sich über ein Maß hinaus, z.B. wahrnehmbar, verändert. Bei einer Dosis von 50 Prozent SD kann der Parameter zwischen -50 Prozent und +50 Prozent, bei einer Dosis von 30 Prozent SD zwischen -40 Prozent und +40 Prozent und bei einer Dosis von 15 Prozent SD zwischen -30 Prozent und +30 Prozent verändert werden ohne wahrnehmbare Qualitätsschwankungen.
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Bei einer Ausführungsform kann die Veränderbarkeit des Parameters dosisabhängig fest begrenzt werden. Eine Veränderung ausgehend von dem Parametergrundwert über den Minimalwert beziehungsweise Maximalwert hinaus ist hier nicht möglich. Bei einer alternativen Ausführungsform kann eine Veränderung über diese Extremwerte hinaus zwar möglich sein, aber sobald die Veränderung über diesen Extremwert hinausgeht, erhält der Nutzer eine entsprechende Rückkopplung. Beispielsweise wird er optisch, akustisch oder haptisch darüber informiert, dass sich die Veränderung jenseits des Extremwerts befindet. In diesem Fall wird also die Veränderung anhand des jeweiligen Extremwerts bewertet und dementsprechend ein Rückkopplungssignal erzeugt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist im Zusammenhang mit den 6 und 7 dargestellt. 6 zeigt die gleichen Qualitätsfunktionen wie 4 und 7 zeigt die gleichen Ähnlichkeitsfunktionen wie 5. Es wurde in 6 lediglich ein tieferer Schwellwert S2 bei CV = 0,25 gewählt. In analoger Anwendung der Logik von 4 ergeben sich gemäß 6 die folgenden Maximalwerte: M21 = 20 Prozent, M22 = 30 Prozent, M23 = 40 Prozent und M24 = 50 Prozent. Wiederum analog zu 5 ergeben sich die Minimalwerte m21 = -20 Prozent, m22 = - 30 Prozent, m23 = -40 Prozent und m24 = -50 Prozent. Aufgrund des geringeren Schwellwerts S2 ist demnach der Rauschunterdrückungsparameter für die Dosis 100 Prozent SD nur zwischen -50 Prozent und +50 Prozent, für die Dosis 50 Prozent SD nur zwischen -40 Prozent und +40 Prozent, für die Dosis 30 Prozent SD nur zwischen -30 Prozent und +30 Prozent und für die Dosis 15 Prozent SD nur zwischen -20 Prozent und +20 Prozent ohne wahrnehmbare Qualitätsänderung veränderbar.
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Während der Anwendung der Rauschunterdrückung mit der Möglichkeit der Anpassung der Rauschunterdrückungsleistung kann der abgeleitete Anpassbereich dem Anwender etwa als harte Randbedingungen oder als Hilfestellung bei der Wahl des Rauschunterdrückungsgrads zur Verfügung gestellt werden. Darüber hinaus könnte ein solcher Ansatz auch in ein fallabhängiges, automatisches Bildanpassungskonzept einfließen, das es ermöglicht, dem Anwender eine konstante Bildqualität ohne manuelle Anpassung zur Verfügung zu stellen.
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Abhängig vom Anwendungsszenario ist es auch möglich, individuelle Einstellbereiche oder Empfehlungen für die Anpassung der Rauschunterdrückungsleistung für bestimmte Regionen, eine bestimmte Anatomie, zum Beispiel ein Organ, oder Strukturen, wie Katheter oder Gefäße, bereitzustellen.
