DE2537333A1 - Verfahren zum herstellen eines koerperschnittbildes und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines koerperschnittbildes und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens

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DE2537333A1 DE19752537333 DE2537333A DE2537333A1 DE 2537333 A1 DE2537333 A1 DE 2537333A1 DE 19752537333 DE19752537333 DE 19752537333 DE 2537333 A DE2537333 A DE 2537333A DE 2537333 A1 DE2537333 A1 DE 2537333A1
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Description

Verfahren zum Herstellen eines Körperschnittbildes und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Körperschnittbildes aus der Verteilung der gemessenen Gesamtabsorptionswerte ionisierender Strahlen. Die stark gebündelten Strahlen durchsetzen den Körper in der Schnittebene derart, daß sich wenigstens einige Strahlen jeweils in einem Bildelement schneiden. Die Verteilung des Schwächungskoeffizienten in der Körperschnittebene wird nach dem Faltungsverfahren durch Korrektur der Meßwerte, Faltung der Meßreihen mit einem Faltungskern, Rückprojektion und additive Überlagerung der gefalteten Meßreihen abgeleitet. Die Meßwerte werden in elektrische Signale umgewandelt und in einem elektronischen Rechensystem ausgewertet. Anordnungen zur Durchführung dieses Verfahrens, bei denen der Körper durch Parallelverschiebung der Strahlungsquelle und des Strahlungsempfängers in der Körperschnittebene abgetastet wird, sind bekannt unter der Bezeichnung Scanner. Die Parallelverschiebung von Strahlungsquelle und Strahlungsempfänger entfällt, wenn ein fächerförmiges Strahlenbündel mit einer Vielzahl von Strahlungsempfängern verwendet wird.
Bei einem bekannten Verfahren zum Herstellen eines Körperschnittbildes liefert eine Rönxgen- oder Gammastrahlungsquelle ein Bündel nahezu paralleler Strahlen, das den zu untersuchenden Körper in der Schnittebene durchdringt und von dem Körper zu einem gewissen Teil absorbiert wird. Hinter dem zu untersuchenden Körper trifft die Strahlung auf einen Detektor. Durch schrittweise Parallelverschiebung der Strahlungsquelle und des Detektors wird der Körper in der Schnittebene nacheinander abgetastet. Anschließend werden Strahlungsquelle und Detektor in einem vor', e stimmt en Winkel zu einer senkrecht zur Schnittebene verlaufenden Achse geschwenkt und die Körperschnittebene wxrH wiederum durch Parallel-
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verschiebung auf den Detektor projiziert. Die einzelnen Bildelemente werden somit in einer anderen Richtung von der Strahlung durchsetzt. Wird dieser Vorgang mehrfach wiederholt, so wird jedes Körperelement in der Schnittebene so oft abgebildet, wie das System in einem vorbestimmten Winkel um die Achse geschwenkt wird. Die Umsetzung dieser verschiedenen Einzelaufnahmen der Körperelemente und deren Zuordnung zu dem entsprechenden Bildelement des herzustellenden Körperschnittbildes erhält man mit Hilfe eines elektronischen Rechners, dem dann beispielsweise 28 800 Gleichungen mit 6400 Variablen vorgegeben sind. Das Schnittbild wird zunächst von dem elektronischen Rechengerät als zweidimensionales Zahlenfeld berechnet und anschließend können die Zahlenwerte der einzelnen Bildelemente auf einem Sichtgerät in ein anschauliches Bild umgesetzt oder auch von einem Druckgerät ausgedruckt werden (deutsche Offenlegungsschrift 1 941 433).
Bei diesem bekannten Verfahren ist die numerische Rekonstruktion so eingerichtet, daß die hergestellten Bilder einem originalgetreuen Schnittbild ähnlich sind, d. h. die Zahlenwerte in den einzelnen Bildelementen geben bis auf Meß- oder Verfahrensfehler die unveränderten, jeweils über einen kleinen Bereich gemittelten Strahlenschwächungskoeffizienten in der Querschnittsebene des Objektes wieder.
Bei einer festen Durchstrahlungsrichtung durchlaufen die Strahlungsquelle und der Empfänger nacheinander diskrete Positionen, um das Objekt in der Schnittebene mit einem Satz paralleler Strahlenbündel abzutasten. Die Durchstrahlungsrichtung wird über einen Bereich von 180° in einzelnen Winkel schritt en von beispielsweise 1° verändert. Die Meßwerte der Strahlenschwächungen einer durch Parallelverschiebung ermittelten Einzelmeßreihe werden anschließend punktweise korrigiert. Nach dieser Korrektur gibt jeder Meßwert die Summe der Strahlenschwächungskoeffizienten über den vom Meßstrahl erfaßten Streifenbereich wieder. Im zweiten Schritt wird die korrigierte Einzelmeßreihe mit einem vorbestimmten festgespeicherten Faltungskern gefaltet. Im dritten Schritt wird aus der gefalteten Meßreihe durch Zurückprojizieren ein Zwisch inbild hergestellt. In der Rückprojektion ist jeder Wert der Reihe gleich-
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mäßig über den Streifenbereich in der Bildfläche der ihm von der Durchstrahlungsgeometrie her zugeordnet ist, verteilt. Im letzten Schritt werden die zu allen Durchstrahlungsrichtungen gehörenden Zwischenbilder durch einfache Überlagerung zu dem Körperschnittbild aufsummiert (IEEE Transactions on Nuclear Science, Juni 1974, Vol. NS-21 Nr. 3, Seiten 46 bis 49 und Seiten 59 bis 63).
Mit diesem bekannten Verfahren erhält man ebenfalls Körperschnittbilder mit bis auf Meß- und Verfahrensfehler originalgetreuen Zahlenwerten in den einzelnen Bildelementen. In der Praxis sind unter Umständen aber nicht nur solche originalgetreuen, sondern auch kontrastgefilterte Schnittbilder wünschenswert. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Körperschnittbildern anzugeben, mit dem der Kontrastcharakter des Schnittbildes wählbar verändert werden kann.
In Röntgenfernseheinrichtungen kann bekanntlich im Videokanal zwischen der das LeuchtSchirmbild abtastenden Fernsehkamera und dem Bildwiedergabegerät eine zusätzliche Vorrichtung zur Verstärkung der Kontraste kleiner Bilddetails durch Unterdrückung der großflächigen Bildbereiche vorgesehen sein. Man kann beispielsweise das Leuchtschirmbild mit Hilfe zweier Fernsehkameras abtasten, deren Videosignalfolgen einer subtraktiven Mischvorrichtung zugeführt werden. Mit dem dabei entstehenden Differenzsignal, das nur noch die wesentlichen Details enthält, wird die Bildwiedergaberöhre in bekannter Weise gesteuert. Man kann auch die von der Fernsehkamera erzeugte Videosignalfolge auf getrennte Kanäle aufteilen und die Signalfolge des einen Kanals mit einem Hilfssichtgerät erfassen, das von einer Hilfsfernsehkamera abgetastet wird. Außerdem kann die Vorrichtung zur "Harmonisierung" als Videohochpaßfilter ausgebildet und mit einer Bildaufnahmeröhre vom Ladungsspeichertyp versehen sein. In diesen bekannten Einrichtungen wird der KontrastCharakter des Röntgenbildes nachträglich verändert und dazu sind wesentliche zusätzliche Geräte erforderlich (Deutsche Offenlegungsschrift 1 224 352).
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Die genannte Aufgabe wird nun erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mehrere Faltungskerne zur wahlweisen Verwendung fest gespeichert werden. Als Faltungskerne werden symmetrische diskrete Funktionen gewählt. In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens können die Faltungskerne auch additiv überlagert werden. Durch die Wahl der einzelnen Faltungskerne, vorzugsweise einer ganzen Serie von Faltungskernen, kann der Kontrastcharakter des hergestellten Körperschnittbildes wählbar verändert werden. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß nicht nur die Konturenschärfe der Einzelbereiche des Körperschnittbildes, sondern zusätzlich auch die Helligkeitsunterschiede zwischen diesen Einzelbereichen verändert werden können.
Mit dem Verfahren nach der Erfindung wird eine ganze Serie von eindimensionalen Faltungskernen zur abrufbereiten Verwendung fest gespeichert. Die Kerne in dieser Serie werden so gewählt, daß sich Schnittbilder ergeben, die in wachsendem Maße differenziert sind. Bei Verwendung dieser Kerne ergeben sich Bildimpulsantwortfunktionen mit der Eigenschaft, zunehmend zu differenzieren.
Zur Erläuterung der Maßnahmen nach der Erfindung, die zu den neuen Bildeigenschaften führen, wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figuren 1 bis 5 die einzelnen Verfahrensschritte anhand grafischer Darstellungen erläutert sind. In Figur 6 ist das Zustandekommen einer Bildimpulsantwortfunktion aus einem Faltungskern dargestellt. In den Figuren 7 bis 11 ist die Wirkung der Faltungskerne mittels der zugehörigen Bildimpulsantwortfunktionen auf den Bildkontrast veranschaulicht. In Figur 12 ist ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung in einem Blockschaltbild schematisch dargestellt .
Nach Figur 1 ist auf der einen Seite eines Körpers 2, dessen Kontur strichpunktiert angedeutet ist, eine Strahlungsquelle 4 angeordnet, deren Strahlenbündel 6 den Körper 2 in einer Ebene durchsetzt, die als Körperschnitt dargestellt werden soll und deren Begrenzungslinie in der Figur mit 8 bezeichnet ist. Das Strahlenbündel 6 durchsetzt in der Körperschnitt-ebene den Körper 2, wird dort zum Teil absorbiert und trifft dann ruf einen Detektor 10,
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der einen Meßwert für die ankommende Strahlung liefert. Dieser Meßwert wird in einer in der Figur nicht dargestellten Elektronik in ein elektrisches Signal umgesetzt. Durch Parallelverschietnmg der Strahlungsquelle 4 und des Empfängers 10 aus der Stellung a jeweils schrittweise nacheinander über die Stellungen b, c, d, e, f, g bis zur Stellung h erhält man eine Meßwertreihe, aus der die Schwächungswerte der parallelen Strahlen in der Körperschnittebene 8 hervorgehen.
In der Figur ist die Durchstrahlungssituation für ein einzelnes herausgegriffenes Körperelement 12 dargestellt. Im oberen Teil der Figur ist die zum Körperelement 12 gehörige Bildimpulsfunktion 16 dargestellt, deren Höhe die Größe des Absorptionskoeffizienten M, im Körperelement 12 angibt.
Zur Ermittlung der Verteilung des Strahlenschwächungskoeffizienten Al in der Körperschnittebene werden zunächst die Schwächungswerte f(i) der Strahlung für die einzelnen Stellungen a, b, c ... h der Meßvorrichtung gemessen und gegebenenfalls entsprechend der verwendeten Strahlung korrigiert. In der Stellung d der Meßvorrichtung wird entlang des Körperteils 14, der von dem Strahl durchsetzt wird, Intensitätsschwächung auftreten. Anschließend wird auf die Reihe f (i) der Meßwerte ein Faltungskern K angewendet, woraus sich eine gefaltete Meßreihe fK(ö) ergibt. Die Werte der gefalteten Meßreihe werden entlang paralleler Streifen, die den durchstrahlten Körperteilen bei der Messung entsprechen, über den Bildbereich verteilt und ergeben ein Zwischenbild. Jeder Wert der gefalteten Meßreihe wird dabei über den zugehörigen Streifen konstant verteilt. Im letzten Schritt ergibt sich durch additive Überlagerung aller den verschiedenen Meßrichtungen entsprechenden Zwischenbilder das Körperschnittbild.
In dem Diagramm nach Figur 2 sind auf der Abszisse der Index i der Strahlpositionen a bis h der Strahlungsquelle 4 und des Strahlungsempfängers 10 und auf der Ordinate die zugehörigen korrigierten Meßwerte f(i) aufgetragen. In der Stellung d erscheint als Meßwert die Strahlungsintensität f(d). Die Werte der korrigierten und mit einem Faltungskern K gefalteten Einzelmeßreihe verlaufen
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nach der Punktion
U (d) - i K(j-i) · f (i) , *" i=1
wobei i und j ganze Zahlen sind von 1 bis η und K (£) ein Kern der vorgesehenen Serie ist. Die Kerne in der vorgesehenen Serie sind symmetrische diskrete Punktionen, d. h. es ist jeweils K (£) = K (-Ö. Als Ergebnis der Faltung mit dem Kern K für einen herausgegriffenen Meßwert f(d) erhält man nach dem Diagramm der Figur 3 den mit seinem Zentrum in die Position d versetzten Faltungskern multipliziert mit dem Meßwert f(d).
Ein numerisches Beispiel für eine Serie von 4 eindimensionalen Faltungskernen ist
a) K1 (0) = 1, K1 (+ g) = ■? ,£=1,2,3,....,
b) K2 (0) = 1, K2 (+1) = - 4 , K2 (+1) - 0, C= 2,3,4 ... ,
mm £^ ^m
c) K3 (0) =1, K3 (+1)
2 -
mit Q= 4
2- (ψ
d) K4 (O) =1, K4 (+1) = - |, K4 (+2) = \ , Κ4 (+£) = 0 ,
P - "=5 4 «5
wobei K1 der Faltungskern des bekannten Verfahrens ist. Die Kerne K^ und K, besitzen im Prinzip unendlich viele Werte ungleich Null, während die Kerne K2 und K^ nur an 3 bs.· . 5 Stellen von 0 ver-
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schieden sind. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, zur Faltungsoperation nur einen einzelnen dieser fest gespeicherten Kerne zu verwenden. Wird beispielsweise nur einer der Kerne K^ und K^ verwendet, so wird auch der FaItungsaufwand gegenüber einer Faltungsoperation mit dem Kern K^ wesentlich vermindert. Bei der Verwendung mehrerer Kerne ist deshalb eine erhebliche Verminderung des Faltungsaufwandes gegenüber dem Faltungsverfahren mit dem Kern K1 möglich.
Durch Rückprojektion der gefalteten Meßreihe fK(d) über den Bildbereich erhält man ein Streifenbild 15, dessen abweichende Strahlenschwächung in Figur 4 durch unterschiedliche Schraffur der Streifen angedeutet ist. Durch die Überlagerung aller Streifenbilder der verschiedenen Richtungen, von denen in Figur 5 nur 4 angedeutet sind, erhält man den Schwächungskoeffizienten m in dem Bildelement 12. Durch die Verwendung der gespeicherten weiteren Faltungskerne K2 bis K4 ergeben sich negative Werte für die rotationssymmetrische Ausbreitung der Bildimpulsantwortfunktion 17 des Bildelementes 12. Diese Bildimpulsantwortfunktion besteht aus einem zentralen Impuls 18 und einem rotationssymmetrischen Funktionsanteil, der in der Figur durch konzentrische Kreise 19 angedeutet ist. Die negativen Werte bewirken eine Differenzierung des Schnittbildes und führen damit zu einer Änderung des Kontrastcharakters .
In dem dargestellten Beispiel eines einzelnen herausgegriffenen Körperelements 12 entsprechend den Figuren 1 bis 5 ergibt sich speziell die zum Bildelement 12 und dem verwendeten Faltungskern K gehörige Bildimpulsantwortfunktion.
Den Zusammenhang zwischen einem einzelnen Faltungskern K und den Bildimpulsantwortfunktionen B (r) des herzustellenden Körperschnittbildes zeigt Figur 6 in Verbindung mit den Figuren 7 bis 10. Durch Rückprojektion aus dem Kern K entsteht ein Streifenbild nach Figur 6 mit den Zahlenwerten in den einzelnen Streifen K (+O = kg, C= 0,1, 2, 3, ... des symmetrischen Faltungskerns. Die Bildimpulsantwortfunktion B (r) ergibt sich in guter Näherung aus den durch r dividierten Wegintegralen der Strei:renbildfunktion entlang den konzentrischen Kreisen, deren Radien in der Figur mit r^ bis r^ bezeichnet sind. Der kleinste kreisförmige Integrations-
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weg mit dem Radius rQ ist in der Figur nicht bezeichnet. Der Verlauf der Bildimpulsantwortfunktion B1 (r) für den Kern K1 ist in Figur 7 dargestellt. Man erkennt den geringen negativen Anteil der Funktion "beim Faltungskern K1. Dieser negative Anteil wächst in der Bildimpulsantwortfunktion B2 (r) nach Figur 8 und weiter bei der Bildimpulsantwortfunktion B3 (r) und B4 (r) nach den Figuren 9 bzw. 10 mit den Faltungskernen K3 bzw. K4. Dieser wachsende negative Anteil bewirkt die zunehmende Differenzierung und damit den jeweiligen Kontrastcharakter des Schnittbildes.
Es können somit sowohl die Konturen 42, 44, 46 und 48 verschiedener Bildbereiche 43, 45, 47 und 49 in einem Körperschnitt 50 nach Figur 11 als auch die Helligkeitsunterschiede zwischen den einzelnen Bildbereichen wählbar eingestellt werden. Die Helligkeitsunterschiede sind in der Figur durch verschiedene Schraffuren angedeutet .
Die Verarbeitung der Meßwerte zu einem Schnittbild in einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung zeigt Figur 12, in der entsprechend Figur 1 eine Strahlungsquelle, beispielsweise eine Röntgenröhre, mit 4 und ein Strahlungsempfänger, beispielsweise ein Detektor, mit 10 bezeichnet sind.. Das Körperschnittbild soll beispielsweise vom Kopf 20 eines menschlichen Körpers hergestellt werden. Zu diesem Zweck ist der Kopf von einer wassergefüllten Haube 22 umgeben, die in einem Gehäuse 24 angeordnet ist und eine Verlagerung des Kopfes während der Vielzahl von Meßvorgängen verhindert. Die vom Strahlungsempfänger 10 als Meßwerte abgegebenen analogen elektrischen Signale werden mit Hilfe eines Analog-Digitalwandlers 26 digitalisiert und über einen Datenzwischenspeicher 28 einem elektronischen Rechengerät 30 vorgegeben. Dieses Gerät errechnet aus den Ergebnissen der Schwächungsmessungen eine der untersuchten Schicht entsprechende Schwächungskoeffizientenmatrix, die unmittelbar, beispielsweise mit einem elektronischen Drucker, ausgedruckt werden kann.
Ein solches Zahlenbild ist aber verhältnismäßig schwierig auszuwerten. Die in der Schwächungskoeffizientenmatrix enthaltene Information wird deshalb zweckmäßig mit Hilfe eines T? L git al -Analogwandlers 32 in ein Bildsignal umgewandelt, das dann von einem
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Sichtgerät 34 wiedergegeben und gegebenenfalls von dessen Bildschirm auch abfotografiert werden kann.
Diese bekannte Einrichtung wird nun mit einer zusätzlichen Eingabe 36 versehen, mit der man als Faltungskern der korrigierten Einzelmeßreihe nach Figur 2 eine beliebige lineare Kombination der fest gespeicherten Serie von Kernen wählen kann, also beispielsweise
K (1) = C1 - K1 (1) + C2 · K2 (1) + C3 · K3 (1) + C4 · K 4 (l),
wobei c. bis C4 wählbare Konstanten und K1 bis K4 die gewählten Faltungskerne sind. Die Gewichtsparameter c. können mit entsprechenden Wählknöpfen eingestellt werden, die in Figur 12 innerhalb des Blockes für die Eingabe 36 als Einstellknöpfe 37 bis 40 angedeutet sind.
Bei einem so eingestellten Faltungskern ergibt sich eine Bildimpulsantwortfunktion, die eine lineare Kombination der den Kernen K1 bis K4 zugeordneten Bildimpulsantwortfunktionen B1 bis B4 mit denselben Gewichtsparametern c^ ist, also für das gegebene Beispiel
B (r) = C1 · B1 (r) + C2 · B2 (r) + C3 · B3 (r) + C4 · B4 (r).
Das numerische Schnittbildrekonstruktionsverfahren hat nämlich bezüglich der Faltungskerne der korrigierten Einzelmeßreihe die Eigenschaft der ungestörten Superposition.
Durch die freie Wahl der Gewichtsparameter c. ist es deshalb möglich, eine Anzahl von Grundkontrastarten nicht nur einzustellen, sondern auch beliebig zu mischen.
Man kann auch mehrere Faltungskerne mit einem vorbestimmten Mischungsverhältnis einem einzelnen Bedienungsknopf zuordnen. Anstelle der Anordnung von 4 Bedienungsknöpfen nach Figur 12 kann dann beispielsweise ein Knopf zur Einstellung einer gewünschten Schärfe der Konturen 42, 44, 46 und 48 verschiedener Bildbereiche 43 bzw. 45 bzw. 47 bzw. 49 und ein weiterer Knopf zur Einstellung der Helligkeitsunterschiede zwischen den benachbarten Bildbereiche 43 bzw. 45 bzw. 47 bzw. 49 und ein weiterer Knopf zur Einstel-
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lung der Helligkeitsunterschiede zwischen den benachbarten Bildbereichen, beispielsweise den Bildbereichen 43» 45, 47 und dem Untergrund 49 des Schnittbildes 50 verwendet werden.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 12 ist ein Teil eines menschlichen Körpers zur Herstellung eines Körperschnittbildes gewählt, Mit dem Verfahren nach der Erfindung können aber auch Schnittbilder von beliebigen anderen Gegenständen hergestellt werden. Es ist beispielsweise auch geeignet zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung .
4 Patentansprüche
12 Figuren
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Claims (4)

  1. VPA 75 P 7125 BRD Patentansprüche
    iWVerfahren zum Herstellen eines Körperschnittbildes aus der Verteilung der gemessenen Gesamtabsorptionswerte ionisierender Strahlen, die den Körper in der Schnittebene durchsetzen und von denen sich wenigstens einige Strahlen in den Bildelementen schneiden, bei dem die Verteilung des Schwächungskoeffizienten in der Körperschnittebene nach dem Faltungsverfahren durch Korrektur der Meßwerte, Faltung der Meßreihen mit einem Faltungskern, Rückprojektion und additive Überlagerung der gefalteten Meßreihen abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Faltungskerne (K1 bis K4) zur wahlweisen Verwendung fest gespeichert werden.
  2. 2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faltungskerne (K1 bis K4) additiv überlagert werden.
  3. 3) Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 und 2, deren Strahlungsdetektoren eine Anordnung mit einem Meßwertumsetzer, einem elektronischen Rechengerät und ein Datenumsetzer für ein Anzeige- oder Druckgerät zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechengerät (30) mit einem Speicherplatz für Faltungskerne (K1 bis K4) und Gewichtsparameter (c.) enthält und daß das Rechengerät (30) mit einer Eingabevorrichtung (36) für die gewählten Gewichtsparameter (c.) versehen ist.
  4. 4) Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß getrennte Eingabevorrichtungen (37, 38 bzw. 39, 40) für den Gewichtsparameter der Konturenschärfe und den Gewichtsparameter der Helligkeitsunterschiede des Körperschnittbildes vorgesehen sind.
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DE2537333A 1975-08-21 1975-08-21 Verfahren zum Herstellen eines Körperschnittbildes aus der Absorptionsverteilung ionisierender Strahlen nach dem Faltungsverfahren und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens Expired DE2537333C3 (de)

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