DE19730511A1 - Bildsystem zur Verarbeitung von medizinischen Bildern und Verfahren zur Erkennung von Objekten in medizinischen Bildern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Bildsystem für eine medizinische Diagnostikeinrichtung zur Verarbeitung von mittels der Dia­ gnostikeinrichtung erzeugten Bilder mit einem Bildspeicher zur bildpunktweisen Speicherung der von der Diagnostikein­ richtung erzeugten Bilder, mit einer Wiedergabevorrichtung und mit einer Recheneinheit und ein Verfahren zur Erkennung von Objekten in medizinischen Bildern aus dem digitalen Bild­ signal.

In der US-4,769,701 ist eine Röntgendiagnostikeinrichtung be­ schrieben, bei der ein Detektor in dem Videosignal anhand ei­ nes Bildmuster beispielsweise einer Punktionsnadel deren Kan­ ten erkennt und mit Hilfe einer PLL-Schaltung bei fehlendem Signal als eingeblendete Linie fortsetzt. Eine derartige De­ tektion kann jedoch bei verrauschten Bildern nicht mehr rich­ tig funktionieren, da kein für die Detektion erforderliches, genügend großes Signal/Rausch-Verhältnis (S/N) vorliegt.

In der Bildverarbeitung sind in den letzten Jahrzehnten meh­ rere Verfahren beschrieben worden, die Kanten oder allgemein Richtungen in Bildern bestimmen oder erkennen sollen, die beispielsweise auf Erkenntnissen basieren, die im Visuellen Cortex von Menschen und höheren Tieren gewonnen wurden. Sie versagen bei jedoch verrauschten medizinischen Bildern, wie sie zum Beispiel im Röntgen bei Verwendung sehr geringer Do­ sis alltäglich vorkommen. Je geringer die Dosis ist, umso schwieriger kann auch ein Mensch einen Katheter oder ein sehr kleines mit Kontrastmittel gefülltes Blutgefäß erkennen.

In der Fig. 3 ist als Beispiel ein Röntgenbild eines mensch­ lichen Beckens mit dünnen dunklen Linien dargestellt, die von Kathetern herrühren. Das "Rauschsignal" in diesem Bild ist erheblich größer als das "Nutzsignal" des Katheters, wie dies ein Fig. 4 dargestellter horizontaler Querschnitt aus Fig. 3 zeigt. Der Graph 15 stellt die horizontale Grauwertvertei­ lung dar. Die senkrechte Linie 16 gibt die Katheterposition an. Sie ist der Kreuzungspunkt der horizontalen und vertika­ len Linie und liegt auf dem Katheter. In diesem Graphen 15 ist der Katheter praktisch nicht zu sehen.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Bildsystem und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, daß ei­ ne Richtungserkennung von Strukturen in verrauschten medizi­ nischen Bildern ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Re­ cheneinheit zur Erkennung von Objekten in verrauschten medi­ zinischen Bildern eine erste Schaltungsanordnung, die eine normierte korrelierte Abstandsfunktion in mehreren Bildpunk­ ten bestimmt, und eine zweite Schaltungsanordnung aufweist, die aufgrund der Regression der Funktion den Winkel (Φ) der Richtung der Kante oder Linie der Objekte errechnet. Die Er­ fassung der Richtung ist eine wesentliche Voraussetzung für die Erkennung von Objekten in verrauschten medizinischen Bil­ dern. Dadurch wird es ermöglicht, die Strukturlinien des Ob­ jektes zu erkennen und auszuwerten.

Die Strukturen eines Objektes können in einer verrauschten Röntgenaufnahme besser erkannt werden, wenn eine Einblendvor­ richtung zwischen Bildspeicher und Wiedergabevorrichtung ge­ schaltet ist, die eine Verstärkung der Kanten oder Linien im Bild bewirkt.

Erfindungsgemäß kann das Bildsystem derart ausgebildet sein, daß als korrelierte Abstandsfunktion die Autokorrelations­ funktion (Σa.b) oder die Autodistanzfunktion (Σ|a-b|, Σ|a-b|²) ermittelt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch ein Verfahren zur Erkennung von Objekten in verrauschten medizinischen Bildern aus dem digitalen Bildsignal gelöst, bei dem eine Detektion der Richtung der Kante oder Linie der Objekte dadurch ermit­ telt wird, daß eine normierte korrelierte Abstandsfunktion in mehreren Bildpunkten bestimmt und aufgrund der Regression der Funktion der Winkel der Kante oder Linie errechnet wird.

In vorteilhafter Weise kann als korrelierte Abstandsfunktion die Autodistanzfunktion (Σ|a-b|, Σ|a-b|²) oder die Autokor­ relationsfunktion (Σa.b) ermittelt werden.

Erfindungsgemäß kann das Verfahren folgende Schritte aufwei­ sen:

• i) Auswahl eines Bildpunktes mit den Koordinaten x, y,
• ii) Auswahl von n.n Bildpunkten der Umgebung des Bildpunk­ tes x, y,
• iii) Bestimmung des Mittelwertes (M) der gewählten Menge der Bildpunkte,
• iv) Bestimmung der Standardabweichung der gewählten Menge der Umgebung,
• v) Normierung der Umgebung auf einen Mittelwert 0 und eine Standardabweichung 1,
• vi) Subtraktion des Mittelwertes (M) von jedem Bildpunkt der Umgebung,
• vii) Division des Ergebnisses durch die Standardabweichung,
• viii) Auswahl eines nächsten Bildpunktes [x, (y±n)] und/oder [(x±n), y],
• ix) Wiederholung der Schritte ii) bis viii),
• x) Bestimmung eines Faktors zwischen den zwei Flächen,
• xi) Bestimmung der Regression der Funktion und
• xii) Bestimmung des Winkels der Regression.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn als Faktor zwi­ schen den zwei Flächen der Euklidische Abstand der Grauwerte, die Autodistanzfunktion, bestimmt wird, der zwischen den bei­ den normierten Flächen gemäß folgender Formel berechnet wird:

wobei b_i die normierten Bildpunkte, u_i normierte Bildpunkte der Umgebung und n die Anzahl der Bildpunkte der Umgebung sind, oder wenn als Faktor zwischen den zwei Flächen das Ska­ larprodukt, die normierte Autokorrelationsfunktion, der bei­ den Flächen bestimmt wird.

Erfindungsgemäß kann mittels der Regression der Abstandsfunk­ tion mit einem zweidimensionalen Ellipsoid die Koeffizienten (a bis f) der Gleichung des Ellipsoids (E) ermittelt werden:

E (x,y) = a.x² + b.x + c.y² + d.y + e.x.y + f,

so daß der Winkel (Φ) dieses Ellipsoids bezüglich der x-Achse gemäß folgender Formel berechnet werden kann:

Φ = -0.5.Arc tan[2.0.e/(a-c)]

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine Röntgendiagnostikeinrichtung gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 die erfindungsgemäße Ausbildung des in Fig. 1 darge­ stellten Bildsystems,

Fig. 3 eine stark verrauschte Röntgenaufnahme,

Fig. 4 eine Querschnitt durch die Röntgenaufnahme gemäß Fig. 3,

Fig. 5 eine Autodistanzfunktion um einen Bildpunkt in ei­ nem verrauschten Bereich ohne Kanten und

Fig. 6 eine Autodistanzfunktion um einen Bildpunkt in ei­ nem verrauschten Bereich mit Kanten.

In der Fig. 1 ist der elektrische Aufbau einer Röntgendia­ gnostikeinrichtung dargestellt, die einen Hochspannungsgene­ rator 1 aufweist, der eine Röntgenröhre 2 speist, in deren Strahlengang 3 sich ein Patient 4 befindet. Ein im Strahlen­ gang 3 nachfolgender Röntgenbildverstärker 5 ist über eine Optik 6 mit einer Fernsehkamera 7 gekoppelt, deren Ausgangs­ signal einem Bildsystem 8 zugeführt ist. An dem Bildsystem 8 ist als Wiedergabevorrichtung ein Monitor 9 zur Darstellung der verarbeiteten Röntgenstrahlenbilder angeschlossen. An­ stelle des Monitors 9 lassen sich auch andere Wiedergabevor­ richtungen, wie beispielsweise Drucker an das Bildsystem an­ schließen.

Das Bildsystem 8 kann beispielsweise eine Verarbeitungsschal­ tung wie Subtraktionsvorrichtung, Integrationsstufe und Fen­ sterschaltung, die beispielsweise eine Fensterung der von der Fernsehkamera 5 gelieferten Bildsignale bewirkt, sowie Bild­ speicher und Wandler enthalten.

In der Fig. 2 ist nun die Ausbildung eines erfindungsgemäßen Bildsystems 8 dargestellt. Das durch A/D-Wandler digitali­ sierte Bildsignal wird beispielsweise einem Bildspeicher 10 zugeführt, an der eine Recheneinheit 11 angeschlossen ist, die zur Erkennung von Objekten in verrauschten medizinischen Bildern dient. Sie weist eine erste Schaltungsanordnung 12 auf, die eine normierte korrelierte Abstandsfunktion in meh­ reren Bildpunkten bestimmt. An diese erste Schaltungsanord­ nung 12 ist eine zweite Schaltungsanordnung 13 angeschlossen, die aufgrund der Regression der Funktion den Winkel Φ der Richtung der Kante oder Linie der Objekte errechnet. Der Aus­ gang der zweiten Schaltungsanordnung 13 ist mit einer zwi­ schen Bildspeicher 10 und Wiedergabevorrichtung 9 geschalte­ ten Einblendvorrichtung 14 verbunden, die in das Videosignal des Bildspeichers 10 Linien einblendet, so daß eine Verstär­ kung der Strukturen der Objekte im Bild bewirkt wird.

Das Rauschen in Bildern ist dadurch gekennzeichnet, daß der Grauwert eines Bildpunktes (Pixel) vom Grauwert seiner Nach­ barpunkte unabhängig ist. Bei einem Nutzsignal dagegen stehen die benachbarten Bildpunkte eines Bildpunktes entsprechend der geometrischen Form des Objekts in einer bestimmten Bezie­ hung zueinander. Bei einer dunklen Linie werden also die Nachbarbildpunkte in Richtung der Linie im Mittel ebenfalls dunkler sein, während sie senkrecht zur Richtung der Linie im Mittel heller sein werden. Genau diese Eigenschaft soll hier ausgenutzt werden.

Hierzu wird erfindungsgemäß als normierte korrelierte Ab­ standsfunktion die Autodistanzfunktion (ADF) eingeführt. Die Autodistanzfunktion kann für beliebig viele Dimensionen defi­ niert werden, bei Bildern, also zweidimensionalen Funktionen, ist sie ebenfalls zweidimensional.

Die erste Schaltungsanordnung 12 der Recheneinheit 11 ermit­ telt erfindungsgemäß die Autodistanzfunktion nach folgenden Schritten:

• 1. Zur Bestimmung der ADF in einem Bildpunkt wählt man eine kleine Umgebung eines Bildpunktes, beispielsweise ein Qua­ drat von n.n Bildpunkten, eine Kreisfläche mit Radius von n Bildpunkten oder eine Ellipse innerhalb eines Rechtecks von m.n Bildpunkten.
• 2. Für diese Umgebung werden die aus der Statistik bekannten Größen Mittelwert (M) und Standardabweichung berechnet.
• 3. Nun wird von jedem Bildpunkt der Umgebung der Mittelwert M subtrahiert und durch die Standardabweichung dividiert. Das bedeutet, daß die Umgebung auf einen Mittelwert M = 0 und eine Standardabweichung von STDV = 1 normiert wird.
• 4. Diese Umgebung wird nun jeweils um beispielsweise einen Bildpunkt in alle möglichen Richtungen verschoben.
• 5. Nach jeder Verschiebung wird die unter der Umgebung liegen­ de, gleich große Fläche des Bildes ebenfalls auf einen Mit­ telwert M = 0 und eine Standardabweichung von STDV = 1 normiert.
• 6. Zwischen den beiden so entstehenden, normierten Flächen wird nun der Euklidische Abstand A der Grauwerte bestimmt. Nennt man die normierten Bildpunkte b_i, die normierten Punkte der Umgebung u_i und n sei die Anzahl der Bildpunkte der Umgebung, so wird berechnet:
  
• 7. Da der Abstand A für jede Verschiebung berechnet wird, er­ gibt sich die ADF als die ortsrichtige Anordnung aller Ab­ stände A.

Für einen Bildausschnitt mit einer 15.15 Umgebung um einen Bildpunkt mit reinem Rauschen ist in Fig. 5 die zugehörige Autodistanzfunktion dargestellt. Die Fig. 6 zeigt ebenfalls einen Bildausschnitt mit einer 15.15 Umgebung um einen Bild­ punkt, der auf einem Katheter innerhalb desselben verrausch­ ten Bildes liegt. Die ADF entstand durch Verschiebung der ge­ wählten Umgebung um jeweils drei Bildpunkte in alle Richtun­ gen - sowohl nach links, rechts, oben, unten und diagonal.

Die Fig. 5 und 6 demonstrieren die Eigenschaft der zweidi­ mensionalen ADF. Bei reiner Rauschumgebung ist sie etwa punktsymmetrisch, während sie in Gebieten mit Bildobjekten eine ausgeprägte Richtungsinformation enthält. Der Mittel­ punkt der ADF ist in beiden Fällen schwarz und repräsentiert den Wert 0, da der Abstand eines Bildpunktes zu sich selbst stets 0 ist. Weiterhin fällt auf, daß die ADF eine sehr "glatte" Funktion ist, also vom Rauschen selbst kaum beein­ flußt ist.

Nach der Erkennung der Kante des Objektes erfolgt die Rich­ tungsbestimmung der detektierten Linie.

Hierfür ermittelt die zweite Schaltungsanordnung 13 der Re­ cheneinheit 11 erfindungsgemäß aus der Autodistanzfunktion die aus der Statistik bekannte Regression. Sie dient dazu Meßdaten in einen funktionalen Zusammenhang zu bringen, wes­ halb sie auch als Fitting bezeichnet wird.

Eine Regression der ADF mit einem zweidimensionalen Ellipsoid liefert die Koeffizienten (a. . .f) der Gleichung des Ellip­ soids E:

E (x,y) = a.x² + b.x + c.y² + d.y + e.x.y + f

Die Richtung, bzw. der Winkel Φ dieses Ellipsoids E bezüg­ lich der x-Achse ergibt sich aus der bekannten Formel:

Φ= -0.5.Arc tan[2.0.e/(a-c)]

An Hand der Vorzeichen der Koeffizienten a, c und e können noch die allgemein bekannten Fallunterscheidungen gemacht werden.

Durch dieses erfindungsgemäß ausgebildete Bildsystem läßt sich also auf einfache Weise und mit hoher Genauigkeit der Ort und die Richtung von Strukturen innerhalb einer ver­ rauschten Röntgenaufnahme bestimmen.

Anstelle der Autodistanzfunktion aufgrund des Euklidischen Ab­ stands, einer quadratische Autodistanzfunktion Σ|a-b|², kann eine lineare Autodistanzfunktion Σ|a-b| oder auch das Skalarprodukt der beiden Flächen berechnet werden. Es entsteht dann die normierte Autokorrelationsfunktion Σa.b.

Die Autodistanzfunktion kann auch verwendet werden, um direkt Rauschen zu detektieren und beispielsweise in Bildern zu un­ terdrücken, da die Wahrscheinlichkeit für Rauschen in einem Bildpunkt sehr groß ist, wenn in der auf Mittelwert = 0 und Standardabweichung = 1 normierten ADF die Differenz zwischen dem Mittelpunktswert und dem Mittelwert der ADF sehr groß ist (siehe Fig. 5).

Das erfindungsgemäße Bildsystem läßt sich auch hervorragend bei der 3D-Rekonsturktion von mit Kontrastmittel gefüllten Blutgefäßen einsetzen, da durch die Verstärkung der Struktu­ ren diese ohne Probleme sauber erkannt werden können. Durch diese Verdeutlichung sind die Strukturen mit weniger Fehlern behaftet als beispielsweise bei Verfahren, bei denen Filter zur Rauschreduktion eingesetzt werden.

Claims (13)

1. Bildsystem (8) für eine medizinische Diagnostikeinrichtung (1 bis 14) zur Verarbeitung von mittels der Diagnostikein­ richtung (1 bis 14) erzeugten Bilder mit einem Bildspei­ cher (10) zur bildpunktweisen Speicherung der von der Dia­ gnostikeinrichtung erzeugten Bilder, mit einer Wiedergabe­ vorrichtung (9) und mit einer Recheneinheit (11), die zur Erkennung von Objekten in verrauschten medizinischen Bil­ dern eine erste Schaltungsanordnung (12), die eine nor­ mierte korrelierte Abstandsfunktion in mehreren Bildpunk­ ten bestimmt, und eine zweite Schaltungsanordnung (13) aufweist, die aufgrund der Regression der Funktion den Winkel (Φ) der Richtung der Kante oder Linie der Objekte errechnet.

2. Bildsystem (8) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Einblendvorrichtung (14) zwischen Bildspeicher (10) und Wiedergabevorrichtung (9) geschaltet ist, die eine Verstärkung der Kanten oder Linien im Bild bewirkt.

3. Bildsystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bildsystem (8) derart ausgebildet ist, daß als korrelierte Abstandsfunktion die Autokorrelationsfunktion (Σa.b) ermittelt wird.

4. Bildsystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bildsystem (8) derart ausgebildet ist, daß als korrelierte Abstandsfunktion die Autodistanzfunktion (Σ|a-b|, Σ|a-b|²) ermittelt wird.

5. Verfahren zur Erkennung von Objekten in verrauschten medi­ zinischen Bildern aus dem digitalen Bildsignal, wobei eine Detektion der Richtung der Kante oder Linie der Objekte dadurch ermittelt wird, daß eine normierte korrelierte Ab­ standsfunktion in mehreren Bildpunkten bestimmt und auf­ grund der Regression der Funktion der Winkel der Kante oder Linie errechnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als korrelierte Abstands­ funktion die Autodistanzfunktion (Σ|a-b|, Σ|a-b|²) ermit­ telt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als korrelierte Abstands­ funktion die Autokorrelationsfunktion (Σa.b) ermittelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7 ge­ kennzeichnet durch folgende Schritte:

• i) Auswahl eines Bildpunktes mit den Koordinaten x, y,
• ii) Auswahl von n.n Bildpunkten der Umgebung des Bild­ punktes x, y,
• iii) Bestimmung des Mittelwertes (M) der gewählten Menge der Bildpunkte,
• iv) Bestimmung der Standardabweichung der gewählten Menge der Umgebung,
• v) Normierung der Umgebung auf einen Mittelwert 0 und eine Standardabweichung 1,
• vi) Subtraktion des Mittelwertes (M) von jedem Bild­ punkt der Umgebung,
• vii) Division des Ergebnisses durch die Standardabwei­ chung f
• viii) Auswahl eines nächsten Bildpunktes [x, (y±n)] und/oder [(x±n), y],
• ix) Wiederholung der Schritte ii) bis viii),
• x) Bestimmung eines Faktors zwischen den zwei Flächen,
• xi) Bestimmung der Regression der Funktion und
• xii) Bestimmung des Winkels der Regression.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Faktor zwischen den zwei Flächen der Euklidische Abstand der Grauwerte, die Au­ todistanzfunktion, bestimmt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Euklidischen Abstand der Grauwerte zwischen den beiden normierten Flächen gemäß folgender Formel berechnet wird:
wobei b_i die normierten Bildpunkte, u_i normierte Bildpunk­ te der Umgebung und n die Anzahl der Bildpunkte der Umge­ bung sind.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Faktor zwischen den zwei Flächen das Skalarprodukt, die normierte Autokorrela­ tionsfunktion, der beiden Flächen bestimmt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß mittels der Regression der Abstandsfunktion mit einem zweidimen­ sionalen Ellipsoid die Koeffizienten (a bis f) der Glei­ chung des Ellipsoids (E) ermittelt werden:
E(x,y) = a.x² + b.x + c.y² + d.y + e.x.y + f.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Winkel (Φ) dieses El­ lipsoids bezüglich der x-Achse gemäß folgender Formel be­ rechnet wird:
Φ= -0.5.Arc tan[2.0.e/(a-c)].