DE10325632A1 - X ray image structure recognition improvement process uses Fourier transform for user selected Gaussian or other weighting filter in frequency domain - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Erkennbarkeit von unterschiedlichen Strukturen auf Durchstrahlungsbildern sowie eine hierfür geeignete Bildverarbeitungsvorrichtung.The The invention relates to a method for improving the recognizability of different structures on radiographs as well one for this suitable image processing device.
In der medizinischen Diagnostik ist die Auswertung von Durchstrahlungsbildern wie z.B. Röntgenbildern von großer Bedeutung. Knochen, Implantate oder ähnliche Strukturen heben sich im allgemeinen von umgebenden Weichteilgeweben deutlich ab und sind deswegen gut erkennbar. Umgekehrt sind Weichteilgewebestrukturen, etwa Sehnen oder Blutgefäße, in der Regel nur sehr undeutlich auf Durchstrahlungsbildern wiedergegeben. Bei zahlreichen Krankheitsbildern kommt es aber auch oder gerade auf die Erkennbarkeit der Weichteilgewebestrukturen an. Darüber hinaus ist es häufig schwierig, gleichartiges Gewebe voneinander zu unterscheiden. So sind z.B. kleinere Knochen, die auf einem Durchstrahlungsbild über einem größeren Knochen abgebildet sind, oft kaum mit bloßem Auge auszumachen; entsprechendes gilt für Weichteilgewebestrukturen. Ärzte können in derartigen Fällen deswegen allein auf der Grundlage der Durchstrahlungsbilder oft keine oder nur eine recht unzuverlässige Diagnose stellen.In Medical diagnostics is the evaluation of radiographic images such as. X-ray images of great Importance. Bones, implants or similar structures rise up generally clearly and are from surrounding soft tissue therefore easily recognizable. Conversely, soft tissue structures are such as tendons or blood vessels in which Usually only reproduced very clearly on radiographs. With numerous clinical pictures, however, it also or precisely occurs on the recognizability of the soft tissue structures. Furthermore it is common difficult to differentiate between similar tissues. So are e.g. smaller bones on a radiograph over a bigger bones are often depicted with the naked eye; corresponding applies to Soft tissue structures. doctors can in such cases therefore often based solely on the radiographs make no or only a rather unreliable diagnosis.
Eine gewisse Verbesserung hat die Digitalisierung von Durchstrahlungsbildern geschaffen. Durch bekannte Methoden der Bildverarbeitung, etwa der Kontrastverstärkung innerhalb ausgewählter Bildausschnitte, können z.B. Weichteilgewebestrukturen unter Umständen deutlicher hervorgehoben werden. Damit gelingt es aber in der Regel nicht, eine über einem Knochen liegende Sehne erkennbar werden zu lassen. Die kleineren Schwankungen des Signalpegels von Bildsignalanteilen, welche die Sehne repräsentieren, können nämlich vor dem hohen Hintergrund-Signalpegel des Knochens nicht signifikant hervortreten. Ein zur Anzeige verwendeter Bildschirm gibt die geringen Schwankungen des Signalpegels zwar günstigstenfalls noch als Intensitätsschwankungen wieder, doch sind diese meist so gering, daß sie kaum noch für das bloße Auge erkennbar sind.A The digitization of radiographic images has some improvement created. By known methods of image processing, such as the contrast enhancement within selected Image sections, can e.g. Soft tissue structures may be highlighted more clearly become. However, this usually does not succeed, one over one To show the tendon lying on the bone. The smaller fluctuations the signal level of image signal components which represent the chord, can namely before the high background signal level of the bone is not significant emerge. A screen used for the display gives the small ones Fluctuations in the signal level are at best still as intensity fluctuations again, but these are usually so small that they are hardly visible to the naked eye are recognizable.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der Erkennbarkeit von Strukturen unterschiedlicher Art auf Durchstrahlungsbildern anzugeben.task the invention is therefore a method and an apparatus for Improving the recognizability of different structures Specify type on radiographs.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.Is solved this task by a method with the features of the claim 1 and by a device with the features of the claim 9th
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich in den meisten Fällen die Strukturen, deren Erkennbarkeit verbessert werden soll, hinsichtlich ihrer Größe und Feinheit von den übrigen auf dem Durchstrahlungsbild abgebildeten Strukturen mehr oder weniger deutlich unterscheiden. Da kleinere und feinere Strukturen im Fourierspektrum durch höhere Frequenzen wiedergegeben werden als große grobe Strukturen, kann durch eine Veränderung der Gewichtung zwischen hochfrequenten und niedrigfrequenten Bildsignalanteilen im Fourierspektrum eine Verstärkung des Bildkontrastes entweder für kleine feine oder für große grobe Strukturen erzielt werden. Je nachdem, ob die schwer erkennbaren Strukturen feiner oder gröber sind als die gut erkennbaren Strukturen, wird die Gewichtung der Bildsignalanteile im Frequenzraum entweder zugunsten der hochfrequenten oder der niedrigfrequenten Bildsignalanteile verändert.The Invention is based on the knowledge that in most cases Structures whose recognizability should be improved with regard to their size and delicacy from the rest Structures depicted on the radiograph more or less distinguish clearly. Because smaller and finer structures in the Fourier spectrum by higher Frequencies can be reproduced as large rough structures, by a change the weighting between high-frequency and low-frequency image signal components in the Fourier spectrum an amplification the image contrast either for small fine or for size rough structures can be achieved. Depending on whether the hard to see Structures finer or coarser are as the well recognizable structures, the weighting of the Image signal components in the frequency domain either in favor of the high-frequency or the low-frequency image signal components changed.
Besonders deutlich treten die zunächst schwer erkennbaren Strukturen hervor, wenn die zu gewichtenden Bildsignalanteile gemäß Patentanspruch 2 festgelegt werden.Especially they kick clearly at first structures that are difficult to see when the image signal components to be weighted according to claim 2 can be set.
Bei der besonders einfachen Filterung nach Patentanspruch 3 wird die Frequenzraum-Intensitätsverteilung lediglich mit einer Filterfunktion multipliziert.at the particularly simple filtering according to claim 3 is the Frequency-space intensity distribution just multiplied by a filter function.
Durch Verwendung von Frequenz-Zentralwerten und Profilfunktionen zur Festlegung der zu gewichtenden Frequenzbereiche nach den Patentansprüchen 4 und 5 läßt sich mit relativ wenigen Parametern die Filterung gezielt beeinflussen.By Use of frequency central values and profile functions for the definition the frequency ranges to be weighted according to claims 4 and 5 can selectively influence the filtering with relatively few parameters.
Besonders geeignet als Profilfunktion ist gemäß Patentanspruch 6 eine Gaußfunktion, da diese die Eigenschaft hat, auch bei der Fourier-Rücktransformation eine Gaußfunktion zu bleiben. Die Filterung läßt sich dann im Ortsraum als Faltung der Intentsitätsverteilung mit einer Gaußfunktion darstellen. Dadurch wird verhindert, daß es durch die Filterung zu einem Auseinanderfließen von Stellen im Bild kommt, an denen die Intensitätsverteilung sich abrupt ändert und die somit einen besonders hohen Kontrast haben.Especially suitable as a profile function according to claim 6 is a Gaussian function, since this has the property, also with the Fourier inverse transformation a Gaussian function too stay. The filtering can then in space as a convolution of the distribution of intentions with a Gaussian function represent. This prevents it from filtering too a flow apart comes from places in the picture where the intensity distribution changes abruptly and which therefore have a particularly high contrast.
Welche Frequenzen oder Frequenzbereiche in ihrer Gewichtung verändert werden, bestimmt sich nach der mittleren Strukturgröße der Strukturen, deren Erkennbarkeit verbessert werden soll. Die mittlere Strukturgröße oder entsprechende Frequenzbereiche können entweder fest vorgegeben oder gemäß Patentanspruch 7 mit Hilfe von Stellgliedern an der Bildverarbeitungsvorrichtung oder über eine Bedienoberfläche eines übergeordneten Rechners frei wählbar sein. Durch Verändern der maßgeblichen Filterparameter kann ein behandelnder Arzt somit bei unterschiedlichsten Durchleuchtungsbildern gezielt die Erkennbarkeit der ihn interessierenden Strukturen verbessern.Which frequencies or frequency ranges are changed in their weighting is determined by the average structure size of the structures, the recognizability of which is to be improved. The average structure size or corresponding frequency ranges can either be fixed or according to godparents Claim 7 can be freely selected with the help of actuators on the image processing device or via a user interface of a higher-level computer. By changing the relevant filter parameters, a treating doctor can specifically improve the recognizability of the structures that interest him in the most varied of fluoroscopic images.
Darüber hinaus kommt auch eine automatische Bestimmung der Frequenzbereiche im Wege eines adaptiven Verfahrens nach Patentanspruch 8 in Betracht.Furthermore there is also an automatic determination of the frequency ranges in the Way of an adaptive method according to claim 8 into consideration.
Die Auswahl der Strukturen, deren Erkennbarkeit verbessert werden soll, kann dabei z.B. wie in den Patentansprüche 9 oder 10 angeben erfolgen.The Selection of the structures whose recognizability should be improved can e.g. as stated in claims 9 or 10.
Eine zusätzliche Hochfrequenzfilterung nach Patentanspruch 11, z.B. mit einem Gaußfilter nach Patentanspruch 12, führt zu einer Erhöhung des Signal-Rausch-Abstands, da Bildstrukturen wiedergebende Bildsignalanteile gegenüber einem hochfrequenten Untergrundrauschen verstärkt werden. Eine solche Filterung trägt der Tatsache Rechnung, daß bei den in der Praxis häufig darzustellenden Bildern die Fourier-Amplituden mit zunehmender Frequenz f abnehmen.A additional High frequency filtering according to claim 11, e.g. with a Gaussian filter according to claim 12, leads to an increase of the signal-to-noise ratio, since image structures represent image signal components across from high-frequency background noise. Such filtering bears the fact Bill that at often in practice the Fourier amplitudes with increasing frequency f decrease.
Die vorstehend zu dem Verfahren angeführten vorteilhaften Ausgestaltungen und Vorteile gelten sinngemäß auch für die erfindungsgemäße Bildbearbeitungsvorrichtung.The Advantageous embodiments mentioned above for the method and advantages apply mutatis mutandis to the image processing device according to the invention.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Darin zeigen:Further Features and advantages of the invention result from the following Description of an embodiment based on the drawing. In it show:
Selbst
wenn das herkömmlich
aufgenommene Röntgenbild
Um
die Erkennbarkeit der Weichteilgewebestrukturen
Der Speicher MEM ist mit einer Fourier-Transformationseinheit FT verbunden, mit der sich aus dem Speicher MEM ausgelesene digitale Bilddaten einer Fourier-Transformation unterziehen lassen. Die von der Fourier-Transformationseinheit FT erzeugte Frequenzraum-Intensitätsverteilung F(fx, fy) ist eine komplexe Funktion über dem durch die Koordinaten fx und fy aufgespannten Frequenzraum und hat anschaulich die Bedeutung eines Amplitudendichtespektrums.The memory MEM is connected to a Fourier transformation unit FT, with which digital image data read out from the memory MEM can be subjected to a Fourier transformation. The frequency space intensity distribution F (f x , f y ) generated by the Fourier transformation unit FT is a complex function over the frequency space spanned by the coordinates f x and f y and clearly has the meaning of an amplitude density spectrum.
Die
Bildverarbeitungsvorrichtung
Schließlich weist
die Bildverarbeitungsvorrichtung
Die
Filterung des Frequenzraum-Intensitätsverteilung F(fx,
fy) in der Filtereinheit wird im folgenden
anhand der
Wie
in
Die
Filterung der Frequenzraum-Intensitätsverteilung F(x) wird nun
so durchgeführt,
daß die
Amplituden der Beitrage mit dem Frequenzbetrag f1 verringert
und die Amplituden der Beiträge
mit dem Frequenzbetrag f2 vergrößert werden.
Dies kann z.B. durch die folgenden Operationen erzielt werden: wobei
r1 und r2 Verstärkungsfaktoren
mit r1 > 1
und r2 < 1
sind. Die durch die Filterung erhaltene gefilterte Frequenzraum-Intensitätsverteilung
F'(f) ist in
Das vorstehend geschilderte Beispiel stellt durch seine Beschränkung auf kosinusförmige Strukturen in nur einer Dimension eine sehr grobe Vereinfachung dar, aus der das Wesen der Filterung aber besonders anschaulich hervorgeht. In realen Bildern haben die abgebildeten Strukturen hingegen einen in weiten Grenzen beliebigen Verlauf, weswegen die durch Fourier-Transformation erhaltene Frequenzraum-Intensitätsverteilung eine in der Frequenz kontinuierliche Funktion darstellt. Würden dann lediglich die Amplituden einzelner Frequenzen angehoben oder abgesenkt, wie dies in dem vorstehend geschilderten Beispiel der Fall ist, so wirkte sich dies auf das resultierende gefilterte Bild nur unmerklich aus.The The example described above is based on its limitation cosine Structures in only one dimension are a very rough simplification from which the essence of filtering is particularly vivid evident. In real pictures, the structures shown have on the other hand an arbitrary course within wide limits, which is why the Frequency space intensity distribution obtained by Fourier transform represents a continuous function in frequency. Would then only the amplitudes of individual frequencies are raised or lowered, as is the case in the example described above, so this had an imperceptible effect on the resulting filtered image out.
Aus diesem Grunde erfolgt die Gewichtung der Bildsignalanteile vorzugsweise nicht nur für einzelne diskrete Frequen zen, sondern für Frequenzbänder. Jedes Frequenzband, das in seiner Gewichtung verändert werden soll, wird mit Hilfe einer Profilfunktion festgelegt. Besonders geeignet als Profilfunktion ist eine Gaußfunktion, da diese die Eigenschaft hat, auch nach der Fourier-Rücktransformation die Gestalt einer Gaußfunktion beizubehalten. Eine Gewichtung der Bildsignalanteile durch Multiplikation der Frequenzraum-Intensitätsverteilung mit einer Gaußfunktion entspricht somit im Ortsraum einer Faltung der Intensitätsverteilung I(x, y) mit einer Gaußfunktion. Dies hat wiederum zur Folge, daß Stellen, an denen die Intensitätsverteilung sich abrupt ändert und die somit einen besonders hohen Kontrast haben, nach der Filterung nicht räumlich auseinanderzufließen scheinen.Out for this reason, the weighting of the image signal components is preferably carried out not only for individual discrete frequencies, but for frequency bands. Any frequency band that its weighting can be changed is determined using a profile function. Especially A Gaussian function is suitable as a profile function, since this is the property has, even after the Fourier inverse transformation the shape of a Gaussian function maintain. A weighting of the image signal components by multiplication the frequency space intensity distribution with a Gaussian function corresponds to a convolution of the intensity distribution in the local space I (x, y) with a Gaussian function. This in turn means that positions where the intensity distribution changes abruptly and thus have a particularly high contrast after filtering not spatially auseinanderzufließen seem to be.
Im
Einzelnen erfolgt die Filterung der Frequenzraum-Intensitätsverteilung F(f) dabei gemäß der Gleichung
Die Verstärkungskoeffizienten r1 und r2 geben dabei an, wie stark die Fourier-Amplituden innerhalb der durch die Profilfunktionen vorgegebenen Frequenzbereiche verändert werden sollen. Im dargestellten Beispiel ist r1 > 0, da die Fourier-Amplituden um die kleinere Frequenz fZ1 herum angehoben werden sollen. Für den Verstärkungskoeffizienten r2 gilt hingegeben r2 < 0, was zu einer Verringerung der Fourier-Amplituden führt.The gain coefficients r 1 and r 2 indicate how strongly the Fourier amplitudes are to be changed within the frequency ranges specified by the profile functions. In the example shown, r 1 > 0, since the Fourier amplitudes are to be increased around the smaller frequency f Z1 . For the gain coefficient r 2 there applies r 2 <0, which leads to a reduction in the Fourier amplitudes.
Die
Auswirkungen der in
Aus
den Gleichungen (2) bis (4) geht hervor, daß die Filterung der Frequenzraum-Intensitätsverteilungn
F(f) mit Hilfe der Profilfunktionen in dem dargestellten Beispiel
durch die Wertepaare (fZj, wj)
bestimmt wird. Die Zentralwerte fZj sind
dabei vorzugsweise wie auch in dem oben anhand der
Die
in ihrer Gewichtung zu verändernden
Bildsignalanteile können
alternativ hierzu auch von der Bildverarbeitungsvorrichtung
Die
Bildverarbeitungseinrichtung
Bei den bislang beschriebenen Beispielen wurde davon ausgegangen, daß durch die Filterung in lediglich einem Frequenzbereich die Fourier-Amplituden vergrößert und in lediglich einem Frequenzbereich die Fourier-Amplituden verkleinert werden. Zur Verbesserung der Erkennbarkeit kommt es jedoch nur auf das Amplitudenverhältnis an, so daß prin zipiell auch eine der genannten Maßnahmen zur Verbesserung der Erkennbarkeit genügt. Andererseits kann es auch zweckmäßig sein, in mehr als zwei Frequenzbereichen Fourier-Amplituden zu verändern, um die gewünschte Verbesserung der Darstellung zu erzielen. Für den Zähler j in den Gleichungen (2), (3) und (4) bedeutet dies, daß er nicht nur die Werte 1 und 2, sondern auch größere Werte annehmen kann.at the examples described so far have been assumed that by the filtering in only one frequency range the Fourier amplitudes enlarged and the Fourier amplitudes are reduced in only one frequency range become. However, it only improves the recognizability the amplitude ratio so that in principle also one of the measures mentioned suffice to improve recognizability. On the other hand, it can be appropriate change Fourier amplitudes in more than two frequency ranges to achieve the desired improvement to achieve the representation. For the counter j in equations (2), (3) and (4) this means that it is not can only assume the values 1 and 2, but also larger values.
Das
vorstehend im Zusammenhang mit den
Die Filterfunktion Tf(fx, fy) kann außerdem noch mit einer weiteren Profilfunktion multipliziert werden, um den Signal-Rausch-Abstand zu verbessern. Handelt es sich bei dieser Profilfunktion z.B. um eine Gaußfunktion mit der Zentralfrequenz fZ = 0 und einer Breite w, die der Frequenz entspricht, bei der der hochfrequente Bildsignalanteil im Rauschen untergeht, so werden die Bildsignalanteile gegenüber einem Untergrundrauschen verstärkt. Diese Wahl der Profilfunktion trägt der Tatsache Rechnung, daß bei den in der Praxis häufig darzustellenden Bildern die Fourier- Amplituden mit zunehmender Frequenz f abnehmen, so daß bei hohen Frequenzen meist ein stets vorhandenes Rauschsignal überwiegt.The filter function T f (f x , f y ) can also be multiplied by another profile function in order to improve the signal-to-noise ratio. If this profile function is, for example, a Gaussian function with the central frequency f Z = 0 and a width w which corresponds to the frequency at which the high-frequency image signal component is lost in noise, the image signal components are amplified against background noise. This choice of the profile function takes into account the fact that the Fourier amplitudes decrease with increasing frequency f in the images that are frequently to be displayed in practice, so that at high frequencies an always present noise signal predominates.
Es versteht sich, daß die vorstehenden Ausführungen und Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels nur beispielhaft und insbesondere nicht auf die Verbesserung der Erkennbarkeit von Weichteilgewebestrukturen beschränkt sind. Wie eingangs erläutert, können in der vorstehend beschriebenen Weise nicht nur Weichteilgewebestrukturen von Hartgewebestrukturen wie etwa Knochen, sondern auch gleichartige Gewebestrukturen besser voneinander unterschieden werden, sofern sie sich in ihrer Größe voneinander unterscheiden.It it is understood that the above statements and explanations one embodiment only exemplary and in particular not on the improvement of recognizability are limited by soft tissue structures. As explained at the beginning, in in the manner described above, not just soft tissue structures of hard tissue structures such as bones, but also similar ones Tissue structures can be better distinguished from one another, provided they differ in size differ.
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