DE19742152A1 - Bildsystem für eine medizinische Diagnostikeinrichtung und Verfahren zur gefensterten Darstellung von medizinischen Bildern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Bildsystem für eine medizinische Diagnostikeinrichtung zur Darstellung von medizinischen Bil­ dern mittels einer Wiedergabevorrichtung mit einem Bildspei­ cher zur bildpunktweisen Speicherung der von der Diagnosti­ keinrichtung erzeugten Bildsignale der Bilder und mit einer Schaltung zur Transformation von Grauwerten des Bildsignales, an der die Wiedergabevorrichtung angeschlossen ist, sowie ein Verfahren zur gefensterten Darstellung von medizinischen Bil­ dern.

Der Erfindung liegt das Problem der automatischen Grauwert­ fensterung bei der Visualisierung von digitalisierten medizi­ nischen Bildern zugrunde, beispielsweise von Röntgenbildern in der digitalen Radiografie. Grauwertfensterung ist die Transformation eines Grauwertebereiches eines im Bildspeicher vorliegenden Röntgenbildes in einen anderen Grauwertebereich. Zweck der Grauwertfensterung ist die Dynamikanpassung des di­ gitalisierten Bildes an das Ausgabemedium wie Monitor oder Laserprinter. Sinnvollerweise geschieht die Dynamikanpassung nicht für das gesamte Bild, sondern nur für den relevanten, objektenthaltenden Bildteil.

Derartige Bildsysteme können beispielsweise bei Röntgendia­ gnostikeinrichtungen Verwendung finden, die einen Bildwandler zur Umwandlung des Röntgenbildes in eine elektrische analoge Signalfolge, ein Bild- oder Videosignal, aufweisen. Ein der­ artiger Bildwandler kann beispielsweise eine Fernsehkamera oder eine Speicherfolie sein. Derartige Bildsysteme lassen sich aber auch in der Computertomographie (CT) oder Magnet­ resonanz (MR) einsetzen, die digitale Ausgangssignale auf­ weisen.

Da medizinische Bildsysteme im allgemeinen digital ausgebil­ det sind, werden die analogen Bildsignale der Röntgendiagno­ stikeinrichtung in einem Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) dadurch in digitale Werte umgesetzt, daß das Röntgenbild in verschiedene Bildpunkte (Pixel) zerlegt wird, denen verschie­ dene digitale Grauwerte zugeordnet werden.

In einem digitalen Bildsystem kann das digitale Bildsignal verarbeitet werden und über einen Digital/Analog-Wandler (D/A-Wandler) auf einem Monitor als sichtbares Bild wiederge­ geben werden.

Digitale medizinische Bilder der Computertomographie (CT), Magnetresonanz (MR) oder Röntgen (DFR, DSA) können mit einer Genauigkeit von beispielsweise 10 Bit pro Bildpunkt (Pixel) erzeugt werden. Diese Bilder werden üblicherweise dem Benut­ zer zur Beurteilung und Diagnosefindung auf einem Fernseh- Bildschirm als Graubilder dargestellt. Derartige medizinische Bilder weisen in vielen Fällen eine andere Dynamik als die maximale Dynamik des Ausgabemediums auf.

Dies wird nun anhand eines Beispieles in Verbindung mit der Fig. 4 näher erläutert. Es wird angenommen, daß in dem bild­ relevanten Teil des Röntgenbildes die eigentliche Objektdyna­ mik eines mit 10 Bit (0. . .1023) digitalisierten Röntgenbildes sich nur über die Grauwerte von 341 (Minimalwert = untere Fenstergrenze) bis 853 (Maximalwert = obere Fenstergrenze) erstreckt. Weiterhin wird angenommen, daß das Ausgabemedium Grauwerte von 0 bis maximal 1023 (10 Bit) darstellen kann. Durch eine optimale Grauwertfensterung wird erreicht, daß dieser Grauwertebereich von 341 bis 853 durch die Schaltung zur Transformation von Grauwerten des Bildsignales, deren Eingang die Videosignale zugeführt werden, auf den Grauwerte­ bereich von 0 bis 1023 gespreizt wird, wodurch nun das Objekt die maximal mögliche Dynamik des Ausgabemediums voll aus­ nützt. Der transformierte Grauwertebereich liegt dann am Aus­ gang dieser Schaltung.

Bisher wird in den meisten Fällen die Grauwertfensterung von Hand mittels Stellglieder und interaktiv, d. h. unter gleich­ zeitiger Beobachtung des Monitorbildes, durchgeführt. In der US-A-4,827,492 ist eine derartige Vorrichtung zur manuellen Fensterung beschrieben, bei der zwei Bedienelemente zur Ein­ stellung des Fensters vorgesehen sind. Dabei wird mit dem ei­ nen Bedienelement die Fensterbreite und mit dem anderen die Fenstermitte, die obere oder die untere Fenstergrenze einge­ stellt. Um im klinischen Routinebetrieb Zeit und Kosten zu sparen, wird jedoch eine automatische Grauwertfensterung ge­ wünscht.

Das Hauptproblem für eine Automatik dabei ist, die relevan­ ten, interessierenden Bildteile von den restlichen Bildbe­ reichen wie beispielsweise Einblendungen und Überstrahlungen, wie sie häufig in Röntgenbildern vorkommen, zu separieren. Minimaler (untere Fenstergrenze) und maximaler Grauwert (obere Fenstergrenze) des separierten, relevanten Bildbe­ reiches können dann als Parameter für eine optimale Grauwert­ fensterung verwendet werden. Falls die Separierung nur unge­ nügend funktioniert, wird entweder durch die Einbeziehung von Einblendung und Überstrahlung bei der Grauwertfensterung fälschlicherweise eine zu hohe Objektdynamik (im obigen Bei­ spiel kleiner 341 bis größer 853) angenommen, was zu schwa­ chen Kontrasten im Objekt führt, oder interessierende Bildbe­ reiche werden als nicht relevant eingestuft, so daß es zu Ab­ schneidungen im Objekt kommt. Im ersten Fall spricht man von einem zu weiten Fenster, im zweiten Fall von einem zu engen Fenster.

Eine weit verbreitete Methode zur automatischen Fensterung bei Röntgensystemen ist die Benutzung von sogenannten Organ­ tasten. Hier wird von der Voraussetzung ausgegangen, daß gleiche Aufnahmearten wie beispielsweise Lunge-, Hand- oder Schulter-Aufnahmen auch in etwa gleiche Objektdynamik erge­ ben. Der Benutzer betätigt also vor einer Aufnahme die ent­ sprechende Organtaste und teilt so dem System die zu erwar­ tende Objektdynamik mit. Die Grauwertfensterung geschieht hier durch voreingestellte, auf jede Aufnahmeart abgestimmte, empirisch ermittelte Parameter.

Als nachteilig erweist sich hierbei der hohe Bedienaufwand durch Organtasten. Auch bleiben durch die vorher festgelegten Parameter individuell unterschiedliche Aufnahmebedingungen unberücksichtigt, so daß derartige Grauwertfensterungen nicht optimal sein können.

In der US-A-5,351,306 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem durch Ermittelung statistischer Parameter in langgestreckten, parallel zum Bildrand angeordneten Auswertefeldern die Lage von Einblendungen gefunden werden kann. Dadurch, daß Über­ strahlungen unberücksichtigt bleiben und gedrehte Einblendun­ gen nicht erkannt werden können, erhält man mit einer derar­ tigen Fensterung nicht immer optimale Ergebnisse.

Aus der US-A-5,150,421 ist ein Verfahren bekannt, bei dem der in der Literatur beschriebene und allgemein bekannte Histo­ grammausgleich (Grauwerteequalisation, Gleichverteilung der Grauwerte) in etwas modifizierter Form durchgeführt wird. Bei dieser nichtlinearen Grauwertetransformation ist aber auch eine Beschränkung auf den relevanten Bildbereich notwendig. Dies wird durch unterschiedliche Gewichtung der einzelnen Pi­ xel gelöst. Es wird vorausgesetzt, daß Einblendung und Über­ strahlung extrem hell oder dunkel sind, sowie hauptsächlich an den Bildrändern zu finden sind. Pixel nahe am Bildrand so­ wie mit extremen Grauwerten werden also für den Histogramm­ ausgleich geringer gewichtet als solche, die näher zur Bild­ mitte liegen oder die weniger extreme Grauwerte haben. Des­ weiteren wird eine Objektkonturerkennung vorgeschlagen, die auf der Detektion von großen Grauwertänderungen im Bild ba­ sieren.

Ein derartiges Verfahren weist die Nachteile auf, daß diese nichtlineare Grauwerttransformation den Bildcharakter verän­ dert. Weiterhin trifft die Annahme nicht immer zu, daß rele­ vante Bildbereiche immer in der Nähe der Bildmitte liegen so­ wie keine extremen Grauwerte besitzen. Außerdem lassen sich Einblendungen durch eine Objektkonturerkennung allein durch Detektion von großen Grauwertänderungen im Bild ohne weitere Maßnahmen nicht zuverlässig erkennen.

Eine weitere Möglichkeit einer Automatik ist die Meldung der Lage der Einblendungen von dem Röntgengerät an das verarbei­ tende Bildsystem. Dies bedingt jedoch einen höheren techni­ schen Aufwand. Weiterhin funktioniert es nur bei Bildsyste­ men, die direkt mit dem Röntgengerät verbunden sind, und die die Meldung der Blendenlage verarbeiten können. Wird dagegen das Bild über Netzwerke an andere Bildsysteme geschickt, so kann dieses Verfahren nicht eingesetzt werden. Außerdem wer­ den mögliche Überstrahlungen nicht berücksichtigt.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Bildsystem und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das es ermöglicht, eine optimale Grauwertfensterung des gesamten Bildes automatisch durchzuführen, ohne das wesentliche De­ tails verloren gehen können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der­ art gelöst, daß das Bildsystem eine Schaltungsanordnung zur Ermittelung ausgewählter Bereiche durch Erkennung von Über­ strahlungen und/oder Einblendungen und eine Rechenschaltung zur Bestimmung der Minimal- und Maximalwerte der ausgewählten Bereiche aufweist, die als Fenstergrenzen der Schaltung zur Transformation von Grauwerten zugeführt werden. Dadurch wird erreicht, daß nur die bildrelevanten Teile erfaßt werden, in­ nerhalb derer sich nun durch die Ermittelung der Minimal- und Maximalwerte problemlos die Fenstergrenzen bestimmen lassen.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn an dem Bildspei­ cher eine Auswerteschaltung angeschlossen ist, die mit der Rechenschaltung verbunden ist, wenn die Auswerteschaltung mit einer statistischen Rechenschaltung zur Bestimmung der Mit­ telwerte aller Pixel und deren Standardabweichungen verbunden ist, an der zwei Schwellwertschaltungen zum Vergleich mit vorgegebenen Schwellwerten angeschlossen sind, und wenn die Ausgangssignale der Schwellwertschaltungen durch ein UND-Glied zusammengefaßt einer Steuervorrichtung zugeführt wer­ den, die mit der Auswerteschaltung zur Ausblendung von detek­ tierten Pixeln verbunden ist.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn an dem Bildspei­ cher eine Auswerteschaltung zur Bildung von Auswertefeldern angeschlossen ist, die mit der Rechenschaltung verbunden ist, wenn an der Auswerteschaltung ein Minimalwert-Detektor ange­ schlossen ist, der mit einer Subtraktionsstufe verbunden ist, die zwei aufeinanderfolgende Minimalwerte subtrahiert, und wenn eine an der Subtraktionsstufe angeschlossene Schwell­ wertschaltung mit der Steuervorrichtung verbunden ist, die eine Vergrößerung der Auswertefelder in der Auswerteschaltung steuert.

Es läßt sich feststellen, ob die Blende gerade oder gedreht ist, wenn an der Auswerteschaltung ein Median-Filter ange­ schlossen ist, die mit einer Histogramm-Schaltung verbunden ist, deren Ausgangssignal der Steuervorrichtung zugeführt wird. Bei gerader Blende erhält man den genauen Verlauf ihrer Kontur.

In vorteilhafter Weise können an der Auswerteschaltung zwei Differenzierglieder in Reihe angeschlossen sein, deren Aus­ gangssignal der Steuervorrichtung zugeführt wird, die bei ei­ ner Unstetigkeit mit einer 2. Ableitung von ungleich Null die Auswerteschaltung derart ansteuert, daß diese die Unstetig­ keit durch einen aus zwei benachbarten Werten interpolierten Wert ersetzt.

Eine Blendenkontur läßt sicherer erkennen, wenn an dem ersten Differenzierglied eine Summenschaltung angeschlossen ist, die einen wiederholten Vorzeichenwechsel der 1. Ableitung erfaßt, und wenn die Summenschaltung über eine Schwellwertschaltung mit der Steuervorrichtung verbunden ist, die derart ausgebil­ det ist, daß bei Überschreiten des Schwellwertes die derart detektierten Stellen nicht als Blende betrachtet werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit fol­ genden Schritten gelöst:

• i. Detektion der Bildbereiche mit Einblendungen und/oder Überstrahlungen zur Ermittelung von relevanten Bildbe­ reichen,
• ii. Extraktion der detektierten Bildbereiche,
• iii. Ermittelung der Minimal- und/oder Maximalwerte in den relevanten Bildbereichen,
• iv. Festsetzung der Minimal- und/oder Maximalwerte als die Fenstergrenze (n) des Grauwertbereiches.

Erfolgen in medizinischen Bildern Einblendungen durch eine Blende so haben sich erfolgende Schritte als zweckmäßig er­ wiesen:

• i. Bildung mehrerer nebeneinanderliegender Auswertefelder zur Erkennung der Einblendungen von einem Startpunkt an wenigstens einem Bildrand,
• ii. Ermittelung eines Minimalwertes innerhalb des Auswerte­ feldes,
• iii. schrittweise Vergrößerung der Auswertefelder zur Bild­ mitte,
• iv. Ermittelung eines neuen Minimalwertes innerhalb des Aus­ wertefeldes,
• v. Subtraktion des neuen Minimalwertes vom vorhergehenden Minimalwert,
• vi. Vergleich der Differenz mit einem bestimmten positiven Schwellwert,
• vii. liegt die Differenz der Minimalwerte unterhalb des Schwellwertes, Wiederholung ab Schritt iii.,
• viii. Markierung der Auswertefelder als Blende und
• ix. Bestimmung von Minimal- und Maximalwerten außerhalb der Auswertefelder als die Fenstergrenzen des Grauwertberei­ ches bei Differenzen, die größer als der Schwellwert sind.

In vorteilhafter Weise können die nebeneinanderliegenden Aus­ wertefelder an den Stellen am Bildrand gebildet werden, an denen die Grauwerte über einem Schwellwert liegen, wobei die nebeneinanderliegenden Auswertefelder eine Breite von acht Pixeln aufweisen können.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die schrittweise Vergrößerung der Auswertefelder zur Bildmitte mit einer Schrittweite von acht Pixeln erfolgt.

Um alle Überstrahlungen zu Erfassen kann der Schritt viii. noch Verlängerungen der Auswertefenster um einen Sicherheits­ betrag umfassen, die ebenfalls als Blende markiert werden.

Objekte werden sicher nicht als Blende erkannt, wenn die Dif­ ferenzen mit einem negativen, betragsmäßig über dem Rauschen liegenden Schwellwert detektiert die Pixel in diesem Auswer­ tefenster nicht als Blende markiert werden.

Eine Glättung der Blendenkontur ergibt sich, wenn die Ränder der Auswertefelder als Funktion der Blendenkontur durch Me­ dianfilterung gefiltert werden, wobei von der gefilterten Funktion der Blendenkontur ein Histogramm ermittelt werden kann.

Die Erkennung einer Blendenkontur kann sicherer sein, wenn die zweite Ableitung der gefilterten Funktion der Blendenkon­ tur gebildet wird und/oder die Vorzeichenwechsel der ersten Ableitung der gefilterten Funktion der Blendenkontur summiert werden.

Folgende Schritte können erfindungsgemäß durchgeführt werden:

• i. Ermittelung der Blendenkontur,
• ii. Glättung der Blendenkontur,
• iii. Histogrammanalyse der Blendenkontur,
• iv. Filterung mit 2. Ableitung und
• v. Summierung der Vorzeichenwechsel der 1. Ableitung der Blendenkontur,
  wobei noch weitere Schritte folgen können:
• i. Unterteilung des Bildes in schachbrettartig angeordnete Rasterelemente,
• ii. Ermittelung der Mittelwerte und Standardabweichungen al­ ler Rasterelemente,
• iii. Vergleich aller Mittelwerte und Standardabweichungen mit je einem Schwellwert,
• iv. Aussortierung aller Pixel, die in Rasterelementen lie­ gen, deren Mittelwerte und und deren Standardabweichun­ gen die Schwellwerte unterschreiten.

Erfindungsgemäß können neben den aussortierten Rasterelemen­ ten die benachbarten Rasterelemente aussortiert werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch ein Verfahren zur gefensterten Darstellung von medizinischen Bildern mit fol­ genden Schritten gelöst:

• i. Grobe Konturermittlung durch Suchen nach extremen Grau­ wertänderungen im medizinischen Bild,
• ii. Median-Filterung der groben Kontur,
• iii. Bildung des Histogrammes der Median-gefilterten Kontur und Ermittlung des Maximums HMAX,
• iv. Ermittlung, ob HMAX größer als ein Schwellwert ist und Bestimmung von HMAX als Abstand der zum Rande des medi­ zinischen Bildes parallelen Kontur,
• v. Filterung mit zweiter Ableitung, wenn HMAX kleiner als der Schwellwert ist,
• vi. Summierung der Vorzeichenwechsel der ersten Ableitung,
• vii. Vergleich der Summe mit einem zweiten Schwellwert, wobei im Falle, daß die Summe kleiner als der Schwellwert ist, die gefilterte Kontur den Verlauf der gedrehten Blende angibt.

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 ein Teil der erfindungsgemäßen Ausbildung des in Fig. 1 dargestellten Bildsystems zur Erkennung von Überstrahlungen,

Fig. 3 ein weiterer Teil der erfindungsgemäßen Ausbil­ dung des in Fig. 1 dargestellten Bildsystems zur Erkennung von Einblendungen,

Fig. 4 eine Fensterkennlinie zur Erläuterung der Erfin­ dung,

Fig. 5 einen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 6 ein Röntgenbild mit einem Objekt und Überstrah­ lungen,

Fig. 7 und 8 Erläuterungen zu in Fig. 6 dargestellten Elemen­ ten zur Erkennung von Überstrahlungen,

Fig. 9 Erläuterungen zur prinzipiellen Vorgehensweise bei der Erkennung von Einblendungen,

Fig. 10 reales Beispiel eines Röntgenbildes,

Fig. 11 Ergebnis der Blendenkontursuche bei dem in Fig. 10 dargestellten Beispiel,

Fig. 12 eindimensionale Funktionen der Blendenkontur für jedes der vier Bildränder,

Fig. 13 Blendenkontur ohne Medianfilterung,

Fig. 14 Blendenkontur mit Medianfilterung,

Fig. 15 beispielhafter Kurvenverlauf einer mediangefil­ terten Blendenkontur,

Fig. 16 Histogrammanalyse der mediangefilterten Blenden­ kontur gemäß Fig. 15,

Fig. 17 detailliertes Beispiel der Medianfilterung und Hi­ stogrammanalyse einer Blendenkontur,

Fig. 18 Beispiel der Interpolation einer 2. Ableitung der Funktion einer Blendenkontur und

Fig. 19 ein Flußdiagramm der erfindungsgemäßen Erkennung der Blendenkontur.

In der Fig. 1 ist der elektrische Aufbau einer Röntgendia­ gnostikeinrichtung dargestellt, die einen Hochspannungsgene­ rator 1 aufweist, der eine Röntgenröhre 2 speist, in derem 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. Paral­ lel zum Monitor 9 lassen sich auch andere Wiedergabevorrich­ tungen, wie beispielsweise Drucker an das Bildsystem 8 an­ schließen.

Das Bildsystem 8 kann beispielsweise Verarbeitungsschaltungen wie Subtraktionsvorrichtung, Integrationsstufe und Fenster­ schaltung, 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 einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur automatischen Fensterung von Grauwer­ ten eines Bildsignales des Bildsystems 8 dargestellt. Das durch A/D-Wandler digitalisierte Bildsignal wird beispiels­ weise einem Bildspeicher 10 zugeführt, an der eine Fenster­ schaltung 11 zur Transformation von Grauwerten eines Bildsi­ gnales angeschlossen ist, die zur Wiedergabe der gefensterten Videosignale mit dem Monitor 9 verbunden ist.

An dem Bildspeicher 10 ist weiterhin eine Auswerteschaltung 12 angeschlossen, die Bildbereiche mit Einblendungen und Überstrahlungen detektiert und extrahiert. Die Auswerteschal­ tung 12 ist mit einer statistischen Rechenschaltung 13 zur Bestimmung der Mittelwerte M aller Pixel und deren Standar­ dabweichungen σ verbunden. An der statistischen Rechen­ schaltung 13 sind zwei Schwellwertschaltungen 14 und 15 ange­ schlossen. Die Schwellwertschaltungen 14 und 15 vergleichen die Mittelwerte M und Standardabweichungen σ mit vorgegebe­ nen Schwellwerten. Liegen sowohl die Mittelwerte M als auch die Standardabweichungen σ unterhalb ihrer Schwellwerte, so werden Ausgangssignale erzeugt, die durch ein UND-Glied 16 zusammengefaßt einer Steuervorrichtung 17 zugeführt werden, die die entsprechenden Pixel des Bildes markiert, so daß sie von der Auswerteschaltung 12 nicht mehr berücksichtigt und ausgeblendet werden.

An der Auswerteschaltung 12 ist weiterhin eine Rechenschal­ tung 18 angeschlossen, die die Minimal- und Maximalwerte in den relevanten Bildteilen ermittelt und als Fenstergrenzen der Schaltung 11 zur Transformation von Grauwerten zuführt.

Anstelle oder parallel zu der Schaltungsanordnung 13 bis 16 können erfindungsgemäß noch die in Fig. 3 dargestellten Schaltungsanordnungen zur Erkennung von Einblendungen vorge­ sehen sein. Hierzu ist an der Auswerteschaltung 12 ein Mini­ malwert-Detektor 19 angeschlossen, der mit einer Subtrakti­ onsstufe 20 verbunden ist. Die Auswerteschaltung 12 bildet an den Rändern des Bildes Startfelder, in denen der Minimalwert- Detektor 19 einen ersten Minimalwert MIN1 bildet. Danach ver­ längert die Auswerteschaltung 12 die Startfelder, so daß sich rechteckförmige Auswertefelder ergeben, in denen ein neuer Minimalwert MIN2 ermittelt wird. Dieser neue Minimalwert MIN2 wird vom alten Minimalwert MIN1 in der Subtraktionsstufe 20 subtrahiert. Über eine Schwellwertschaltung 21 ist die Sub­ traktionsstufe 20 mit der Steuervorrichtung 17, die die Ver­ längerung der Auswertefelder in der Auswerteschaltung 12 steuert, so daß nach Beendigung der Auswertung eine grobe Blendenkontur vorliegt.

Parallel zu diesem Schaltungszweig ist an der Auswerteschal­ tung 12 ein Median-Filter 22 angeschlossen, die mit einer Hi­ stogramm-Schaltung 23 verbunden ist, deren Ausgangssignal der Steuervorrichtung 17 zugeführt wird. Durch diese Schaltungs­ anordnung läßt sich feststellen, ob die Blende gerade oder gedreht ist. Bei gerader Blende erhält man den genauen Ver­ lauf ihrer Kontur.

Ist dagegen die Blende gedreht, so werden durch Differenzier­ glieder 24 und 25 die 1. und die 2. Ableitung gebildet. Die 2. Ableitung wird der Steuervorrichtung 17 zugeführt, die er­ mittelt, ob diese Null beträgt. Ist ihr Wert ≠ 0, so inter­ poliert die Auswerteschaltung 12 die Kurve aus zwei benach­ barten Werten.

Da eine Fehldetektion der Blendenkontur, die durch die Struk­ tur eines Objektes hervorgerufen sein kann, bei der 1. Ablei­ tung zu einem wiederholten Vorzeichenwechsel führt, werden diese Wechsel durch die Summenschaltung 26 registriert. Durch eine daran angeschlossene Schwellwertschaltung 27 werden die­ se Stellen dann markiert, wenn sie einen Schwellwertes von beispielsweise fünf überschreiten, so daß die derart detek­ tierten Stellen nicht als Blende betrachtet werden.

In der Fig. 5 ist der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfah­ rens zur Detektion von Überstrahlungen dargestellt. Es werden zunächst aus dem Originalbild 30 durch eine Auswertung 31 die Bildbereiche mit Einblendungen und Überstrahlungen detektiert und extrahiert, so daß man ein Auswertebild 32 erhält. Somit werden bei der anschließenden Ermittelung der Minimal- und Maximalwerte durch eine Berechnung 33 nur die relevanten Bildbereiche berücksichtigt. Durch eine Fensterung 34, deren untere und obere Fenstergrenze durch das Ergebnis der Berech­ nung 33 einstellbar ist, erhält man ein gefenstertes Röntgen­ bild 35, das auf dem Monitor 9 betrachtet werden kann.

Da die Detektion von Einblendung und Überstrahlung unter­ schiedlich abläuft, wird für die weitere Beschreibung verein­ bart, daß Bereiche mit hoher Röntgenabsorbtion, wie bei­ spielsweise Knochen oder Einblendungen, hell, d. h. mit hohen Grauwerten, und Bereiche mit niedriger Röntgenabsorbtion, wie beispielsweise Weichteile oder Überstrahlungen neben den Un­ tersuchungsobjekten, dunkel, d. h. mit niedrigen Grauwerten, dargestellt werden. Dies ist in der digitalen Radiografie so üblich, um den gleichen Bildeindruck wie bei Filmaufnahmen zu erhalten, bei denen eine hohe Strahlungsintensität eine hohe Filmschwärzung bedeuten.

Zur Erkennung der Überstrahlungen wird das in Fig. 6 darge­ stellte Röntgenbild mit einem Objekt 36 schachbrettartig in kleine Rasterelemente 37 aufgeteilt, die, wie der Fig. 7 zu entnehmen ist, beispielsweise eine Größe von 8.8 Pixel 38 aufweisen. In überstrahlten Bildbereichen 39 sind niedrige Grauwerte und wenig Textur zu erwarten, da kein Objekt 36 und damit eine gleichmäßig hohe Strahlungsintensität vorliegt.

Unterschreiten die Mittelwerte M aller Pixel eines Rastere­ lementes einen ersten Schwellwert und deren Standardabwei­ chungen σ gleichzeitig einen anderen Schwellwert, so werden diese Rasterelemente 40 aussortiert.

Wie aus Fig. 6 zu entnehmen ist, bleiben immer noch Rastere­ lemente 41 mit Überstrahlungen übrig, die teilweise Objekt 36 und teilweise Überstrahlung 39 enthalten. Durch ihre Randlage besitzen diese sowohl eine hohe Standardabweichung σ als auch einen hohen Mittelwert M. Eine Grauwertfensterung mit dem Minimalwert der Pixel dieser übriggebliebenen Rasterele­ mente 41 würde einen zu großen Fensterbereich ergeben, da ja immer noch Pixel mit Überstrahlung berücksichtigt werden. Deshalb müssen auch die Pixel innerhalb dieser Randlagenra­ ster aussortiert werden. Dies geschieht dadurch, daß nicht nur die Pixel in den Rasterelementen, die oben beschriebene statistischen Eigenschaften besitzen, aussortiert werden, sondern auch die Pixel in den unmittelbaren Nachbarrasterere­ lementen. Durch diese Maßnahme werden alle Pixel mit Über­ strahlung gefunden.

Daß dadurch auch Pixel des Objekts 36 aussortiert werden, ist nicht störend, da es sich hierbei um Haut handelt, die nicht von diagnostischem Interesse ist.

Durch das Verfahren werden also der Reihe nach alle Rastere­ lemente auf ihre Mittelwerte M und Standardabweichungen σ durchsucht. Sobald ein Rasterelement 42 beide Schwellwertkri­ terien erfüllt, werden die Pixel dieses Rasterelementes 42 und die Pixel seiner unmittelbar acht Nachbarrasterelemente 43 zusätzlich aussortiert, wie dies die Fig. 8 zeigt.

Falls noch mehr vom Randbereich des Objektes 36, die meistens die Haut betreffen, bei der Fensterung unberücksichtigt blei­ ben soll, können auch Pixel in noch weiter entfernten Nach­ barrastern aussortiert werden.

Für die Erkennung von Einblendungen eignet sich die Standard­ abweichung als Kriterium nicht. Zwar ist auch hier wenig Tex­ tur (homogenes Gebiet) vorhanden. Überstrahlungseffekte vom nicht eingeblendeten Bereich bewirken jedoch einen Gradienten der Grauwerte, was zur Folge hat, daß sich die Standardabwei­ chung nicht signifikant von der im Objekt unterscheidet.

Um die Konturen einer Blende 44 aufgrund einer Konturerken­ nung durch große Grauwertänderungen zu finden, werden zu­ nächst alle Pixel in einem Startfeld 45 an den Bildrändern ausgewählt, deren Grauwerte über einem Schwellwert liegen, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Von diesen Startfeldern 45 ausgehend werden nebeneinanderliegende langgestreckte Aus­ wertefelder 46, die beispielsweise acht Pixel breit sein kön­ nen, schrittweise, beispielsweise mit einer Schrittweite von acht Pixeln, zur Bildmitte hin vergrößert. Nach jeder Verlän­ gerung wird ein neuer Minimalwert MIN2 innerhalb des Auswer­ tefeldes ermittelt und vom alten Minimalwert MIN1 subtra­ hiert. Sobald diese Differenz einen bestimmten positiven Schwellwert überschreitet, wird das Auswertefeld 46 noch um einen Sicherheitsbetrag 47 verlängert und alle Pixel des Aus­ wertefeldes 46 werden als Blende markiert.

Sollte vorher eine Differenz mit einem negativen, betragsmä­ ßig über dem Rauschen liegenden Wert, auftreten, so kann mit hoher Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, daß sich hier keine Einblendung, sondern ein relevantes Objekt befin­ det. In diesem Fall werden alle Pixel in diesem Auswertefen­ ster 46 nicht als Blende markiert.

Die praktische Ausführung an medizinischen Bildern bringt meist etwas abweichende Ergebnisse als die idealisierte Dar­ stellung in Fig. 9. Fig. 11 zeigt das Ergebnis der Kontu­ rerkennung an einem in Fig. 10 dargestellten realen Bei­ spiel, an einem Originalbild 30 mit Einblendungen 48. Deut­ lich ist zu erkennen, daß auch Kanten im medizinischen Objekt 49 zur Erzeugung von Blendenkonturen (oben und unten) führen können.

Um eine möglichst originalgetreue Nachbildung der Einblendung zu erhalten, wird im Folgenden die gefundene Blendenkontur wie eine eindimensionale Funktion behandelt. Wie in Fig. 12 dargestellt erhält man für jeden der vier Bildränder eine Funktion, auf die folgenden Verarbeitungsschritte getrennt angewendet werden. Die Kurvenverläufe neben der detektierten Blendenkontur geben als Funktionen den Abstand der gefundenen Kontur zum Bildrand an.

Bei den Fehlerkennungen der Blendenkontur handelt es sich größtenteils um einzelne, isolierte Werte, sogenannte Ausrei­ ßer, und deshalb wird zur ersten Glättung der Blendenkontur das aus der Literatur bekannte Medianfilter verwendet. Hier­ bei handelt es sich um ein nichtlineares Filter, das beson­ ders einzelne, sprunghafte Änderungen beseitigt, ohne die restliche Struktur zu verändern. Dies ist den Fig. 12 und 13 zu entnehmen, bei denen die Blendenkontur ohne (Fig. 13) und mit Medianfilterung dargestellt ist (Fig. 14).

Falls die Blende nicht gedreht sein sollte wie bei dem in Fig. 10 dargestellten Beispiel (in Fig. 9 ist sie gedreht), führt eine Histogrammanalyse der mediangefilterten Blenden­ kontur, die aus den Endpunkten der Auswertefelder in x-oder y-Koordinaten beschrieben gebildet werden, zur idealen Glät­ tung der Blendenkontur. Ein derartiges Beispiel einer einfa­ chen Blendenkontur 50 ist in der Fig. 15 dargestellt. In diesem Fall überschreitet das Maximum des in Fig. 16 darge­ stellten Histogramms 51 einen bestimmten Schwellwert 52, und es läßt sich daraus eine parallele Ausrichtung der Blen­ denkante zum Bildrand ableiten, deren Abstand vom Bildrand gleich dem Wert im Histogramm entspricht, an dem das Maximum auftritt. Im Beispiel von Fig. 16 liegt das Maximum bei drei, wie auch unschwer aus der Fig. 15 direkt abzuleiten ist.

Ein weiteres, genaueres Beispiel ist anhand der Fig. 17 er­ läutert. Von einem Röntgenbild 53 wird ein Teil durch eine Blende 54 überdeckt. Von dem linken Rand der Blende 54 wird die Blendenkontur ermittelt, so daß sich für die linke Blen­ denkontur die Kurve 55 ergibt. Das Histogramm 56 der linken Blendenkontur hat sein Maximum bei dem Wert 64. Da bei nicht­ gedrehten Blenden 54 im Histogramm 56 der Kontur ein signifi­ kantes Maximum an der Stelle auftritt, die dem Abstand der Kontur vom Bildrand entspricht, beträgt dieser den Wert 64.

Bleibt das Maximum des Histogramms 56 unterhalb des Schwell­ wertes, so muß von einer gedrehten Blende ausgegangen werden.

Da die reale Blendenkontur immer geradlinig ist, kann als weiteres Kriterium für die gefundene Blendenkontur die 2. Ab­ leitung verwendet werden. Es werden also nur die Stellen der gefundenen Blendenkontur akzeptiert, in deren näheren Umge­ bung die 2. Ableitung gleich Null ist, d. h., daß die Funktion keine Krümmung aufweist. Die Stellen, an denen die 2. Ablei­ tung ungleich Null ist, dies kann aufgrund einer Krümmung oder einer Fehldetektion sein, wird die Funktion linear zwi­ schen den Stellen mit einer 2. Ableitung gleich Null interpo­ liert, wie dies die Fig. 18 zeigt, in der die mediangefil­ terte Blendenkontur 57 wiedergegeben ist. An den markierten Punkten 58 ist die 2. Ableitung der mediangefilterten Blen­ denkontur 57 ungleich Null.

Wie in Fig. 9 dargestellt ist, existiert bei gedrehter Blen­ de eine Stelle 59, an der trotz korrekter Detektion die 2. Ableitung ungleich Null ist, während an den anderen Konturen 60 die 2. Ableitung gleich Null ist. Die durch den Algorith­ mus hervorgerufene, an dieser Stelle falsche Interpolation verfälscht aber das Endergebnis nur vernachlässigbar gering. Dagegen werden Fehldetektionen, bei denen die 2. Ableitung ungleich Null ist und die zu erheblichen Verfälschungen im Endergebnis führen würden, nahezu ideal durch in Fig. 18 dargestellte Interpolationen 59 korrigiert.

Wie aus den Fig. 9 und 11 zu ersehen ist, handelt es sich nur dann um eine wirkliche Blendenkontur, wenn höchstens 2 Richtungswechsel vorhanden sind. Dies wird durch eine Summie­ rung der Vorzeichenwechsel der 1. Ableitung der mediangefil­ terten Blendenkontur überprüft. Ist die Summe klein, d. h. sie liegt zwischen 2 bis 5, wird die mediangefilterte Blendenkon­ tur verwendet. Bei einer größeren Summe wird von Fehlerken­ nungen ausgegangen, und es wird keine Blende berücksichtigt.

Somit setzt sich die Erkennung der Einblendung durch folgende Operationen zusammen, wobei außer der ersten auch eine oder mehrere weggelassen werden können:

• - Blendenkontursuche, jeweils getrennt von links, rechts, oben und unten
• - Glättung der Blendenkontur durch Medianfilterung
• - Histogrammanalyse der Blendenkontur
• - Filterung mit 2. Ableitung
• - Summierung der Vorzeichenwechsel der 1. Ableitung der Blen­ denkontur

Dieses erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch durch das in

Fig.

19 dargestellte Flußdiagramm zur Blendenkonturerkennung beschreiben. Es weist folgende Schritte auf:

• i. Grobe Konturermittlung durch Suchen nach extremen Grau­ wertänderungen im medizinischen Bild,
• ii. Median-Filterung der groben Kontur,
• iii. Bildung des Histogrammes der Median-gefilterten Kontur und Ermittlung des Maximums HMAX,
• iv. Ermittlung, ob HMAX größer als ein Schwellwert ist und Bestimmung von HMAX als Abstand der zum Rande des medi­ zinischen Bildes parallelen Kontur,
• v. Filterung mit zweiter Ableitung, wenn HMAX kleiner als der Schwellwert ist,
• vi. Summierung der Vorzeichenwechsel der ersten Ableitung,
• vii. Vergleich der Summe mit einem zweiten Schwellwert, wobei im Falle, daß die Summe kleiner als der Schwellwert ist, die gefilterte Kontur den Verlauf der gedrehten Blende angibt.

Claims (21)

1. Bildsystem (8) für eine medizinische Diagnostikeinrich­ tung (1 bis 9) zur Darstellung von medizinischen Bildern mit­ tels einer Wiedergabevorrichtung (9) mit einem Bildspeicher (10) zur bildpunktweisen Speicherung der von der Diagnostik­ einrichtung (1 bis 9) erzeugten Bildsignale der Bilder und mit einer Schaltung (11) zur Transformation von Grauwerten des Bildsignales, an der die Wiedergabevorrichtung (9) ange­ schlossen ist, dadurch gekennzeich­ net, daß das Bildsystem (8) eine Schaltungsanordnung (13 bis 26) zur Ermittelung ausgewählter Bereiche durch Er­ kennung von Überstrahlungen und/oder Einblendungen und eine Rechenschaltung (18) zur Bestimmung der Minimal- und Maximal­ werte der ausgewählten Bereiche aufweist, die als Fenster­ grenzen der Schaltung (11) zur Transformation von Grauwerten zugeführt werden.

2. Bildsystem (8) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an dem Bildspeicher (10) ei­ ne Auswerteschaltung (12) angeschlossen ist, die mit der Re­ chenschaltung (18) verbunden ist, daß die Auswerteschaltung (12) mit einer statistischen Rechenschaltung (13) zur Bestim­ mung der Mittelwerte (M) aller Pixel und deren Standardab­ weichungen (σ) verbunden ist, an der zwei Schwellwertschal­ tungen (14, 15) zum Vergleich mit vorgegebenen Schwellwerten angeschlossen sind, und daß die Ausgangssignale der Schwell­ wertschaltungen (14, 15) durch ein UND-Glied (16) zusammenge­ faßt einer Steuervorrichtung (17) zugeführt werden, die mit der Auswerteschaltung (12) zur Ausblendung von detektierten Pixeln verbunden ist.

3. Bildsystem (8) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Bildspeicher (10) eine Auswerteschaltung (12) zur Bildung von Auswertefeldern (45, 46) angeschlossen ist, die mit der Rechenschaltung (18) verbunden ist, daß an der Auswerteschaltung (12) ein Minimal­ wert-Detektor (19) angeschlossen ist, der mit einer Subtrak­ tionsstufe (20) verbunden ist, die zwei aufeinanderfolgende Minimalwerte (MIN2, MIN1) subtrahiert, und daß eine an der Subtraktionsstufe (20) angeschlossene Schwellwertschaltung (21) mit der Steuervorrichtung (17) verbunden ist, die eine Vergrößerung der Auswertefelder in der Auswerteschaltung (12) steuert.

4. Bildsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß an der Aus­ werteschaltung (12) ein Median-Filter (22) angeschlossen ist, die mit einer Histogramm-Schaltung (23) verbunden ist, deren Ausgangssignal der Steuervorrichtung (17) zugeführt wird.

5. Bildsystem nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an der Auswerteschaltung (12) zwei Differenzierglieder (24, 25) in Reihe angeschlossen sind, deren Ausgangssignal der Steuervorrichtung (17) zuge­ führt wird, die bei einer Unstetigkeit mit einer 2. Ableitung von ungleich Null die Auswerteschaltung (12) derart ansteu­ ert, daß diese die Unstetigkeit durch einen aus zwei benach­ barten Werten interpolierten Wert ersetzt.

6. Bildsystem nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an dem ersten Differenzier­ glied (24) eine Summenschaltung (26) angeschlossen ist, die einen wiederholten Vorzeichenwechsel der 1. Ableitung erfaßt, und daß die Summenschaltung (26) über eine Schwellwertschal­ tung (27) mit der Steuervorrichtung (17) verbunden ist, die derart ausgebildet ist, daß bei Überschreiten des Schwellwer­ tes die derart detektierten Stellen nicht als Blende betrach­ tet werden.

7. Verfahren zur gefensterten Darstellung von medizinischen Bildern, gekennzeichnet durch fol­ gende Schritte:

• i. Detektion der Bildbereiche mit Einblendungen und/oder Überstrahlungen zur Ermittelung von relevanten Bildbe­ reichen,
• ii. Extraktion der detektierten Bildbereiche,
• iii. Ermittelung der Minimal- und/oder Maximalwerte in den relevanten Bildbereichen,
• iv. Festsetzung der Minimal- und/oder Maximalwerte als die Fenstergrenze (n) des Grauwertbereiches.

8. Verfahren zur gefensterten Darstellung von medizinischen Bildern nach Anspruch 7, in denen Einblendungen durch eine Blende erfolgen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• i. Bildung mehrerer nebeneinanderliegender Auswertefelder (45) zur Erkennung der Einblendungen von einem Start­ punkt an wenigstens einem Bildrand,
• ii. Ermittelung eines Minimalwertes (MIN1) innerhalb des Auswertefeldes (45),
• iii. schrittweise Vergrößerung der Auswertefelder (46) zur Bildmitte,
• iv. Ermittelung eines neuen Minimalwertes (MIN2) innerhalb des Auswertefeldes (46),
• v. Subtraktion des neuen Minimalwertes (MIN2) vom vorherge­ henden Minimalwert (MIN1),
• vi. Vergleich der Differenz mit einem bestimmten positiven Schwellwert,
• vii. liegt die Differenz der Minimalwerte unterhalb des Schwellwertes, Wiederholung ab Schritt iii.,
• viii. Markierung der Auswertefelder (46) als Blende und
• ix. Bestimmung von Minimal- und Maximalwerten außerhalb der Auswertefelder (46) als die Fenstergrenzen des Grauwert­ bereiches bei Differenzen, die größer als der Schwell­ wert sind.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die nebeneinanderliegenden Auswertefelder (45) an den Stellen am Bildrand gebildet wer­ den, an denen die Grauwerte über einem Schwellwert liegen.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die nebeneinanderliegen­ den Auswertefelder (45, 46) eine Breite von acht Pixeln auf­ weisen.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die schrittweise Vergrößerung der Auswertefelder (45, 46) zur Bildmitte mit einer Schrittweite von acht Pixeln erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schritt viii. noch Verlängerungen der Auswertefenster (46) um einen Sicherheitsbetrag umfaßt, die ebenfalls als Blende markiert werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Diffe­ renzen mit einem negativen, betragsmäßig über dem Rauschen liegenden Schwellwert detektiert die Pixel in diesem Auswer­ tefenster (46) nicht als Blende markiert werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ränder der Auswertefelder (45, 46) als Funktion der Blendenkontur (50) durch Medianfilterung gefiltert werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß von der gefilterten Funktion der Blendenkontur (50) ein Histogramm (51) ermittelt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ableitung der gefilterten Funktion der Blendenkontur (50) gebildet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß die Vorzei­ chenwechsel der ersten Ableitung der gefilterten Funktion der Blendenkontur (50) summiert werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 17, ge­ kennzeichnet durch folgende Schritte:

• i. Ermittelung der Blendenkontur,
• ii. Glättung der Blendenkontur,
• iii. Histogrammanalyse der Blendenkontur,
• iv. Filterung mit 2. Ableitung und
• v. Summierung der Vorzeichenwechsel der 1. Ableitung der Blendenkontur.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 18, ge­ kennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

• i. Unterteilung des Bildes in schachbrettartig angeordnete Rasterelemente (37),
• ii. Ermittelung der Mittelwerte (M) und Standardabweichun­ gen (σ) aller Rasterelemente (37),
• iii. Vergleich aller Mittelwerte (M) und Standardabweichun­ gen (σ) mit je einem Schwellwert,
• iv. Aussortierung aller Pixel, die in Rasterelementen (40) liegen, deren Mittelwerte (M) und und deren Standardab­ weichungen (σ) die Schwellwerte unterschreiten.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß neben den aussortierten Ra­ sterelementen (40) die benachbarten Rasterelemente (43) aus­ sortiert werden.

21. Verfahren zur gefensterten Darstellung von medizinischen Bildern, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• i. Grobe Konturermittlung durch Suchen nach extremen Grau­ wertänderungen im medizinischen Bild,
• ii. Median-Filterung der groben Kontur,
• iii. Bildung des Histogrammes der Median-gefilterten Kontur und Ermittlung des Maximums HMAX,
• iv. Ermittlung, ob HMAX größer als ein Schwellwert ist und Bestimmung von HMAX als Abstand der zum Rande des medi­ zinischen Bildes parallelen Kontur,
• v. Filterung mit zweiter Ableitung, wenn HMAX kleiner als der Schwellwert ist,
• vi. Summierung der Vorzeichenwechsel der ersten Ableitung,
• vii. Vergleich der Summe mit einem zweiten Schwellwert, wobei im Falle, daß die Summe kleiner als der Schwellwert ist, die gefilterte Kontur den Verlauf der gedrehten Blende angibt.