DE19503364C2 - Röntgenbildaufnahmesystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Röntgenbildaufnahmesystem mit einem a-Si : H-Detektor, wie es auch aus "Nucl. Instr. and Methods in Physics Research, A310 (1991), S. 460-464" bekannt ist.

Bei gerasterten Bilddetektoren (a-Si : H-Matrix) muß dafür ge­ sorgt werden, daß keine Signalfrequenzen jenseits der Eindeu­ tigkeitsgrenze (Nyquist-Frequenz) ortsquantisiert werden, um Artefakte (neue Frequenzen durch den nichtlinearen Prozeß der Abtastung) zu vermeiden. Dies gilt auch für hochfrequente Rauschanteile.

In der Röntgentechnik mit einem Szintillator vor dem Bild­ detektor geschieht dies durch Wahl der Modulations-Transfer- Funktion (MTF) oder Modulations-Übertragungsfunktion (MÜF) des Szintillators. Da hier keine bis zur Nyquistgrenze an­ nähernd rechteckförmige Tiefpaßcharakteristik erreichbar ist, wird ein Kompromiß gewählt, der einen raschen Abfall zu hohen Frequenzen beinhaltet und eine nahe der Sichtbarkeitsgrenze liegende Übertragung hoher Ortsfrequenzen an der Nyquist­ grenze mit sich bringt (z. B. 4%). Würde hier ein höherer Übertragungsfaktor gewählt, würden verstärkt Artefakte mit unterhalb der Nyquistgrenze liegenden Frequenzen auftreten, die aus darüber liegenden Spektralanteilen der Nutzinforma­ tion und des Rauschens (einschließlich Streustrahlenraster) gebildet worden sind.

Diese Situation eines nicht angepaßten Szintillators findet man z. B. unvermeidlich vor, wenn zur Beschleunigung der Bild­ wechselfrequenzen Teilmatritzen geringer Auflösung (mit oder ohne vorheriges Grouping) ausgelesen werden. Die MTF des Szintillators ist dann auf die hohe Auflösung der feinen (nicht gruppierten) Matrix abgestimmt und es gibt keine Tech­ nik zur Veränderung des Übertragungsverhaltens. (Grouping = Zusammenfassung von Daten benachbarter Pixel).

Auf entsprechende Probleme bei der digitalen Bildgewinnung wird auch in "Medizinelektronik, 8, Heft 1 (1994), S. 16-18" hingewiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Möglichkeit anzugeben, wie zumindest die aus den Nutzsignalen (einschließlich Streustrahlenraster) herrührenden Aliasing- Artefakte bei Real-Time-Bildern unterdrückt werden können.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruches. Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Grundidee der Erfindung besteht darin, in schnell aufein­ anderfolgenden Bildern die Aliasing-Artefakte mit unter­ schiedlicher Polarität zu präsentieren, so daß über die Mit­ telung durch die Trägheit des Auges eine scheinbare Aus­ löschung erreicht wird, sofern die Nutzinformation nicht zu schnell bewegt ist.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 bis 7 Kurvenverläufe zur Erläuterung des Erfindungs­ gedankens, und

Fig. 8 bis 14 schematische Darstellungen eines Detektors und dessen Abtastung nach der Erfindung.

Die Fig. 1 behandelt zunächst für nur eine Richtung (y, d. h. quer zu den Zeilen) die Signalverarbeitung bei Abtastung mit der feinsten Rasterung des Detektors. Dem Ortsraum ist immer der Fourierraum in Fig. 2 zugeordnet. Eine sinusförmige Hel­ ligkeitsverteilung in y-Richtung ist Ausgangspunkt in Zeile a. Sie wird räumlich beschnitten (endliche Detektorgröße; Zeile b), was nach einer Faltung zum Spektrum in Zeile c (Fig. 2) führt. Die Wirkung der endlichen Pixeldimensionen berücksichtigt die Faltung mit einer Rechteckfunktion der Breite eines Pixel im Ortsraum. Dem entspricht die Multipli­ kation mit der sinc-Funktion im Spektrum (Zeile d) mit dem Ergebnis einer Dämpfung in Zeile e. Nachdem die endliche Aus­ dehnung der Pixel berücksichtigt ist, kann die Vielfachab­ tastung als Idealabtastung an diskreten Punkten mittels mathematischer Deltafunktionen im Schwerpunkt der Pixel be­ trachtet werden. Die Abtastung an acht Stellen pro Periode im Abstand sp (Zeile f; Abtastfrequenz 1/sp) führt nach Faltung auf das Spektrum in Zeile g. Die Abtastung führt zu höherfre­ quenten Spektralanteilen, die zur eindeutigen Rekonstruktion des ursprünglichen Signalverlaufes (Zeile i) mit einem Tief­ paß (Zeile h) höchstens der Eckfrequenz 1/2 sp (Nyquist-Fre­ quenz) weggefiltert werden können. Der Filterung (unendlicher Steilheit) entspricht eine Faltung mit der sinc-Funktion (Faltungskern) im Ortsbereich.

Den Übergang von endlich ausgedehnten Pixeln zu den Abtast- Deltafunktionen im Schwerpunkt bei Abtastung mit voller Auf­ lösung (Zeilen a, b) und für die zwei möglichen Formen des Zweier-Grouping zeigt Fig. 3 (Zeilen c, d). Das Grouping nach Zeile c entsteht durch Addition der Signale der Pixel 1 + 2, 3 + 4, usw. Es wird daher als gerade/ungerade bzw. ungerade/­ gerade bezeichnet.

Der größere (doppelte) Abstand der Abtastpunkte bei Grouping hat eine niedriger liegende Nyquist-Frequenz zur Folge. Es gibt daher Ortsfrequenzen, die bei voller Feinheit der Ab­ tastung noch innerhalb des Eindeutigkeitsbereiches liegen, im Bild mit Zweier-Grouping aber bereits jenseits der dann nied­ riger liegenden Nyquist-Grenze.

Eine solche Frequenz ist in den Fig. 4 und 5 bei gerade/- ungerade-Grouping behandelt. Das Prinzip der Betrachtung ist unverändert. Die Eingangsfrequenz ist verdreifacht, die Abtast- und Nyquist-Frequenzen sind halbiert. Die vergrößerte Pixel-Abmessung führt zu einer stärkeren Dämpfung der Ein­ gangsfrequenz (Zeilen d, e). Eine vollständige Unterdrückung findet aber nicht statt. Die Rekonstruktion des Originals aus der abgetasteten Funktion durch Tiefpaß liefert trotz Halbie­ rung auch der Tiefpaß-Eckfrequenz eine falsche, niederfre­ quentere Antwortschwingung (Zeile i). Dies liegt daran, daß das Spektrum von Zeile e bei der Faltung mit der Komponente bei 1/2 sp die niedrigste Differenzfrequenz findet und damit an eine andere Stelle im Spektrum gespiegelt wird.

Die Fig. 6 und 7 zeigen das Gegenbeispiel der Abtastung mit der ungerade/geradzahligen Gruppierung. Das Ergebnis ist eine Schwingung von der gleichen falschen Frequenz, aber umgekehr­ ter Polarität. Die Gegenphasigkeit gilt auch für andere Arte­ faktfrequenzen.

Frequenzen unterhalb der neuen, niedrigeren Nyquist-Grenze führen zwar je nach Gruppierungsart zu unterschiedlichen Ab­ tastwerten, nach Rekonstruktion aber zu gleichen Ausgangs­ schwingungen der richtigen Frequenz.

Da der geschilderte Artefakt gerade dann auftritt, wenn schnell wechselnde Bilder durch Grouping erzeugt werden, kann man mit dem Mittelungseffekt durch die Trägheit des mensch­ lichen Auges rechnen, wenn die Zeilen nicht mehr einzeln ge­ sehen werden. Eine abwechselnde Präsentation der beiden Typen von Grouping-Bildern wird dann zur scheinbaren Kompensation der Frequenzkomponenten des Nutzsignals führen, die nicht durch Bewegung des Objektes zwischen den Bildern verändert sind. Das Rauschen als nicht stationärer Vorgang wird aller­ dings nicht herausgemittelt. Der räumliche Versatz der beiden Bildarten gegeneinander ist bei der Wiedergabe natürlich zu berücksichtigen, d. h. die Wiedergabe muß auf einem Monitor der vollen Auflösung geschehen.

Der einfache Fall eines eindimensionalen Gruppierens von Nachbarzeilen ist in den Fig. 8 bis 10 dargestellt. Die Fig. 8 zeigt beim a-Si : H-Detektor D die normale hochauflösen­ de Auslesung mit den Schwerpunkten P der Pixel. Für jedes Pixel ist ein Bildpunkt auf dem Monitor vorgesehen. Die Fig. 9 zeigt die ungerade/gerade Zeilengruppierung mit den Auslese-Schwerpunkten Pg.

In der Darstellung auf dem Monitor sind folgende Zuordnungen sinnvoll:

• a) Nur eine Bildzeile (z. B. Nr. 1) wird mit der gemittelten Information (von Zeile 1 + 2) beschrieben. Die andere wird jeweils dunkel gelassen. Damit sinkt die effektive Bild­ wechselfrequenz, so daß das Bild dunkler als normal er­ scheint und die Gefahr des Flimmerns gegeben ist. Bezogen auf zwei aufeinanderfolgende Bilder erscheint die Nyquist- Grenze auf den Wert bei Vollabtastung bei halber Abtast­ rate des Objektes erhöht, so daß die Artefakte verschwin­ den. Bei Last Image Hold (LIH) erhält man ein Bild halber Zeilenzahl ohne Artefaktminderung.
• b) Nur eine Bildzeile (z. B. Nr. 1) wird wie unter a) mit der gemittelten Information beschrieben. Die andere behält je­ weils die Information des vorherigen Bildes. Beurteilung wie a), jedoch kein Helligkeitsverlust. Das LIH-Bild hat die volle Zeilenzahl und ist bei großem Betrachtungsab­ stand (Zeilen werden vom Auge nicht aufgelöst = Rekon­ struktions-Tiefpaß) artefaktfrei. Das Objekt ist aber effektiv mit nur halber Abtastrate aufgenommen.
• c) Zusammengefaßte Pixel (z. B. 1 + 2) werden pro Bild auf zwei Zeilen (Zeile 1 + 2) mit gleicher Information dargestellt. Damit bleiben sowohl die Bildhelligkeit als auch die Ob­ jekt-Abtastrate erhalten. Die Kompensation bei zwei auf­ einanderfolgenden Bildern ist weniger perfekt als bei a) oder b). Dies liegt daran, daß um +sp/2 ortsverschobene Helligkeitswerte mit um -sp/2 verschobenen aufaddiert wer­ den. Das LIH-Bild enthält keine Artefakt-Unterdrückung.
• d) wie c), jedoch werden zwischen Nachbarzeilen interpolierte Werte anstelle von Kopien übernommen. Der Vorteil ist darin zu sehen, daß die Betrachtungsentfernung kleiner sein kann, weil die Rasterstruktur feiner wird. Die Anfor­ derungen an den Rechner sind allerdings bei Real-Time-Bil­ dern extrem hoch.

Die Variante c) hat keine Nachteile im Durchleuchtungsbild gegenüber der konventionellen Lösung (Objekt-Abtastrate, Hel­ ligkeit). Lediglich die Artefaktunterdrückung leidet im Real- Time-Bild bzw. ist im LIH nicht vorhanden. (Für LIH kann aber durch Mittelung mit dem vorletzten Bild eine Korrektur ange­ boten werden).

Die gleichzeitige Auslesung von zwei benachbarten Zeilen muß von der Hardware her vorgesehen sein (a-Si : H-Panel). Mit einer reinen Softwarelösung wäre kein Zeitgewinn zu machen.

Mit der bisher geschilderten Vorgehensweise können nur Fre­ quenzkomponenten in y-Richtung (quer zu den Zeilen) kompen­ siert werden. Eine zweidimensionale Lösung für Komponenten beliebiger Richtung muß vier aufeinanderfolgende Bilder un­ terschiedlicher Gruppierung schnell nacheinander darstellen. Die vier Abtastungen sind in den Fig. 11 bis 14 dargestellt. Der Punkt Pg kennzeichnet als Schwerpunkt die Pixel, deren Signale gemittelt werden. Nach Variante c) kennzeichnen sie auch die Pixel des Monitors, die mit gleicher Information an­ gesteuert werden. Mit allen vier Bildern belegen die Schwer­ punkte PG das hochauflösende Gitternetz, so daß die Kompensa­ tion richtungsunabhängig wird.

Die Reihenfolge der Bilder bestimmt die effektive Bildwech­ selfrequenz je Komponente der Störfrequenz. Bei der Reihen­ folge entsprechend der Bildnummern 11, 12, 13, 14 ist für die senkrechte y-Komponente die Wechselfrequenz gleich der Fre­ quenz, die für die ungestörte Bildinformation wirksam ist (Nominalfrequenz: 25 Hz). Für die Horizontalkomponente x ist ein Bild zwischengeschoben, so daß sich 1/2 der Nominalfre­ quenz ergibt (12,5 Hz). Entsprechendes gilt z. B. für die bei­ den orthogonalen Diagonalkomponenten.

Das Vorgehen kann sinngemäß auf höhere Gruppierungen (z. B. Dreier-Gruppierung) angewendet werden, wo Aliasing-Artefakte mit steigender Zahl zusammengefaßter Pixel immer wahrschein­ licher werden. Allerdings müssen hier neun unterschiedlich gruppierte Bilder nacheinander präsentiert werden, was die Bildwechselfrequenz bezüglich der Artefakte sehr senkt.

Das Grundprinzip kann auch bei Einzelbildern angewendet wer­ den. Eine Möglichkeit ergibt sich, wenn das Einzelbild aus zwei, vier, neun usw. Teilbildern mit unterschiedlicher (Hardware-)Gruppierung anschließend durch Addition (softwaremäßig) zusammengesetzt wird. Eine andere Möglichkeit besteht, wenn die feine Matrix vollständig (ohne Gruppierung) ausgelesen und anschließend softwaremäßig gruppiert wird. Die angegebene Technik ist nicht nur bei Gruppierung von Interesse, sondern generell bei Anwendungen, bei denen z. B. zur Vermeidung einer Orts-Hochpaßfilterung mit besonders hochauflösendem Szintillator gearbeitet wird.

Claims (7)

1. Röntgenbildaufnahmesystem mit einem a-Si : H-Detektor (D), dessen Bildinformationen für die Pixel einer Pixelmatrix bei der Auslesung zeitlich nacheinander in unterschiedlichen Gruppen zusammengefaßt und wiedergegeben werden, derart, daß Aliasing-Artefakte in schnell aufeinanderfolgenden Auslesun­ gen mit unterschiedlicher Polarität vorliegen.

2. Röntgenbildaufnahmesystem nach Anspruch 1, bei dem die Schwerpunkte der zeitlich nacheinander gruppierten Pixel ört­ lich gegeneinander verlagert sind.

3. Röntgenbildaufnahmesystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Zusammenfassung der Bildinformationen in Gruppen in einem Rechner zur Auslöschung der gegenpoligen Artefakte der Ein­ zelbilder erfolgt.

4. Röntgenbildaufnahmesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Gruppenbildung eindimensional erfolgt.

5. Röntgenbildaufnahmesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Gruppenbildung zweidimensional erfolgt.

6. Röntgenbildaufnahmesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zusammengefaßte Pixel pro Bild auf zwei Zeilen mit gleicher Information dargestellt werden.

7. Röntgenbildaufnahmesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zwischen Nachbarzeilen interpolierte Werte über­ nommen werden.