DE2537333C3

DE2537333C3 - Verfahren zum Herstellen eines Körperschnittbildes aus der Absorptionsverteilung ionisierender Strahlen nach dem Faltungsverfahren und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2537333C3
Application number: DE2537333A
Authority: DE
Inventors: Wieland Dr. 8000 Muenchen Jass
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-08-21
Filing date: 1975-08-21
Publication date: 1982-10-28
Also published as: JPS6327010B2; JPS5242087A; FR2321726B1; DE2537333A1; GB1544131A; FR2321726A1; DE2537333B2; NL7605770A; US4149250A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Körperschnittbildes aus der Verteilung gemessener Gesamtabsorptionswerte ionisierender Strahlen, die den Körper in einer Schnittebene nacheinander in verschiedenen Richtungen durchsetzen, bei dem die Verteilung des Absorptionskoeffizienten bezüglich der Strahlen in der Schnittebene nach dem Faltungsverfahren durch Korrektür der Meßwerte einzelner Meßreihen, Faltung der Meßreihen mit einem Faltungskern, Rückprojektion und additive Überlagerung der gefalteten Meßreihen abgeleitet wird.

Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3.

Nach einem aus der DE-OS 25 04 560 bekannten Verfahren dieser Art können auch mehrere Faltungskerne verwendet werden. Wenn sich die Meßwerte in der Meßwertreihe stärker, & h. plötzlich und mit Spitzen ändern, verwendet man einen »groben« Faltungskern. Ein »feinerer« Faltungskern wird gewählt, wenn sich die ίο Meßwerte nur geringfügig ändern. Der Faltungskern wird somit so an die Meßreihe angepaßt, daß im herzustellenden Körperschnittbild das Rauschen unterdrückt und die örtliche Auflösung möglichst wenig verringert wird.

Aus der DE-OS 25 04 560 ist auch eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3 bekannt

Mit dem bekannten Verfahren und der bekannten Einrichtung erhält man 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, das bekannte Verfahren und die Einrichtung zum Herstellen von Körperschnittbildern so auszubilden, daß der Kontrastcharakter des Schnittbildes wählbar verändert werden kann.

Die genannte Aufgabe wird nun erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Faltungskern für die Faltung der Meßreihen aus mehreren gespeicherten einzelnen Faltungskernen durch Zuordnung verschiedener Gewichtsfaktoren zu den einzelnen Faltungskernen und additive Überlagerung der so gewichteten einzelnen Faltungskerne gebildet wird.

Mit diesem Verfahren kann nicht nur die Konturenschärfe der Einzelbereiche des Körperschnittbildes sondern zusätzlich auch die Helligkeitsunterschiede zwischen diesen Einzelbereichen verändert werden.
Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gem£ß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 3 ausgebildet.

Eine ganze Serie von eindimensionalen Faltungskernen iyird 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 näheren Erläuterung der Erfindung, die zu den neuen Bildeigenschaften führt, wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren F i g. 1 bis 5 die einzelnen Verfahrensschritte anhand grafischer Darstellungen erläutert sind. In F i g. 6 ist das Zustandekommen einer Bildimpulsantwortfunktion aus einem Faltungskern dargestellt. In den Fig.7 bis 11 ist die Wirkung der Faltungskerne mittels der zugehörigen Bildimpulsantwortfunktionen auf den Bildkontrast veranschaulicht. In F i g. 12 ist ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung in einem Blockschaltbild schematisch dargestellt

Nach F i g. 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 8 in der Fig.8 dargestellt ist Das Strahlenbündel 6 durchsetzt in der Körperschnittebene

den Körper 2, wird dort zum Teil absorbiert und trifft dann auf einen Detektor 10, 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 Parallelverschiebung der Strahlungsquelle 4 und des Detektors 10 aus der Stellung a jeweils schrittweise nacheinander über die Stellungen b,c,d,e, f.gbis zur Stellung h erhält man eine Meßwertreihe, aus der die Schwächungswerte der parallelen Strahlen in der Körperschnittebene 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 μ im Körperelement 12 angibt.

Zur Ermittlung der Verteilung des Strahlenschwächungskoeffizienten μ in der Körperschnittebene werden zunächst die Schwächungswerte f(i) der Strahlung für die einzelnen Stellunger a bis h der Meßvorrichtung gemessen und gegebenenfalls entsprechend der verwendeten Strahlung korrigiert In der Stellung d der Meßvorrichtung wird entlang eines 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 fn(j) ergibt Die Werte der gefaltenen Meßreihe werden entlang paralleler Streifen, die den durchstrahlten

a) Xl(O) = 1,X1(± Z) = --pe.

(2/-11(2/+I) b) K2(0) = l,K2[± 1) = --^ K2(±l) = 0,1 = 2,3,4

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 Oberlagerang aller den verschiedenen Meßrichtungen entsprechenden Zwischenbilder das Körperschnittbild.

In dem Diagramm nach F i g. 2 sind auf der Abszisse der Index / der Strahlpositionen a bis h der

ίο Strahlungsquelle 4 und des Strahlurgsempfängers 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 nach der Funktion

wobei / und j ganze Zahlen sind von 1 bis π und K(I) ein Kern der vorgesehenen Serie ist Die Kerne in der vorgesehenen Serie sind symmetrische diskrete Funktionen, d. h. es ist jeweils K(I) = K(— IJ. Als Ergebnis der Faltung mit den. Kern K für einen herausgegriffenen Meßwert f(d) erhält man nach dem Diagramm der Fig.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

c) K3(0) = 1,K3(± 1) = -■

2-1-=-

•s.
j.

mit

Q =

d) K 4(0) = 1,K4(± 1) = - A

wobei K1 der Faltungskern des bekannten Verfahrens ist Die Kerne K\ und £3 besitzen im Prinzip unendlich viele von Null verschiedene Werte, während die Kerne K₂ und Ka nur an 3 bzw. 5 Stellen von 0 verschieden sind. Bei der Verwendung mehrerer Kerne ist eine erhebliche Verminderung des Faltungsaufwandes gegenüber dem Faltungsverfahren mit dem Kern K1 möglich.

Durch Rückprojektion der gefalteten Meßreihe ίκΟ) über den Bildbereich erhält man ein Streifenbild 15, dessen abweichende Strahlenschwächung in Fig.4 durch unterschiedliche Schraffur der Streifen angedeutet ist Durch die Überlagerung aller Streifenbilder der verschiedenen Richtungen, von denen in. F i g. 5 nur vier angedeutet sind, erhält man den Schwächungskoeffi

zienten μ in dem Bildelement IZ Durch die Verwendung der gespeicherten weiteren Faltungskerne K 2 bis K 4 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 F i g. 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 Fig.6 in Verbindung mit den Fig.7 bis 10. Durch Rückprojektion aus dem Kern K entsteht ein Streifenbild nach F i g. 6 mit den Zahlenwerten in den einzelnen Streifen K{±1) = fa I = 0,1,2,3,... des symmetrischen Faltungskerns. Die Bildimpulsantwortfunktion B(r) ergibt sich in guter Näherung aus den durch /-dividierten Wegintegralen der Streifenbildfunktion entlang den konzentrischen Kreisen, deren Radien in der Figur mit r\ bis Γ5 bezeichnet sind. Der kleinste kreisförmige Integrationsweg mit dem Radius /o ist in der Figur nicht bezeichnet.

Der Verlauf der Bildimpulsantwortfunktion B \(r) für den Kern K1 ist in F i g. 7 dargestellt. Man erkennt den geringen negativen Anteil der Funktion beim Faltungskern Ki. Dieser negative Anteil wächst in der Bildimpulsantwortfunktion B2(r) nach Fig.8 und weiter bei der Bildimpulsantwortfunktion B3(r) und B4(r) nach den Fig.9 bzw. 10 mit den Faltungskernen K 3 bzw. K 4. Dieser wachsende negative Anteil bewirkt die zunehmende Differenzierung und damit den jeweiligen Kontrastcharakter des Schnittbildes.

Es können somit sowohl Konturen 42, 44, 46 und 48 verschiedener Bildbereiche 43, 45, 47 und 49 in einem Körperschnittbild 50 nach F i g. 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 Fig. 12, in der entsprechend F i g. 1 eine Strahlungsquelle 4, beispielsweise eine Röntgenröhre, und ein Detektor 10 gezeichnet 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 Detektor 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 Digital-Analogwandlers 32 in ein Bildsignal umgewandelt, das dann von einem 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

ίο Fig.2 eine beliebige lineare Kombination der fest gespeicherten Serie von Kernen wählen kann, also beispielsweise

Kp)-C₁ -Ki(I)₊C₁-Kl(I)

+ C₃- K 3(1)+ α· Κ 4(1),

wobei Ci bis &, wählbare Konstanten und KX bis K 4 die gewählten Faltungskerne sind. Die Gewichtsparameter c, können mit entsprechenden Wählknöpfen eingestellt werden, die in Fig. 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 Ki bis K 4 zugeordneten Bildimpulsantwortfunktionen Bi bis B 4 mit denselben Gewichtsparametern c, ist, also für das gegebene Beispiel

B(r)= c,

C₂- B2(r) + C₃ ■ B3(r)+ c · 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 Fig. 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 Bildbereichen, beispielsweise den Bildbereichen 43, 45, 47 und 49 des Körperschnittbildes 50 verwendet werden.

Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Körperschnittbildes aus der Verteilung gemessener Gesamtabsorptionswerte ionisierender Strahlen, die den Körper in einer Schnittebene nacheinandei in verschiedenen Richtungen durchsetzen, bei dem die Verteilung des Absorptionskoeffizienten bezüglich der Strahlen in der Schnittebene nach dem Faltungsverfahren durch Korrektur der Meßwerte einzelner Meßreihen, Faltung der Meßreihen mit einem Faltungskern, Rückprojektion und additive Überlagerung der gefalteten Meßreihen abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Faltungskern für die Faltung der Meßreihen aus mehreren gespeicherten einzelnen Faltungskernen durch Zuordnung verschiedener Gewichtsfaktoren ■zu den einzelnen Faltungskernen ui,d additive Überlagerung der so gewichteten einzelnen Faltungskerne gebildet wird

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Einstellung der Konturenschärfe und für die Einstellung der Helligkeitsunterschiede des Körperschnittbildes jeweils verschiedene Gewichtsfaktoren für die additive Überlagerung verwendet werden.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit Strahlungsdetektoren, denen ein Meßwertumsetzer, ein elektronisches Rechengerät, das Korrekturen der Meßwerte einzelner Meßreihen, Faltung der Meßreihen mit einem Faltungskern und additive Überlagerung der gefalteten Meßreihen durchführt und das einen Speicher für Faltungskerne aufweist, und ein Datenumsetzer für ein Anzeige- oder Druckgerät zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher des Rechengeräts (30) Speicherplätze für mehrere einzelne Faltungskerne (Ki bis K 4) und zur Aufnahme von Gewichtsfaktoren fo) enthält und daß das Rechengerät (30) mit einer Eingabevorrichtung (36) für die gewählten Gewichtsfaktoren (c,) versehen und so ausgebildet ist, daß es die Faltung mit einem aus der additiven Überlagerung der mit den gewählten Gewichtsfaktoren gewichteten einzelnen Faltungskernen gebildeten Faltungskern durchführt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß getrennte Eingabevorrichtungen (37, 38 bzw. 39, 40) für einerseits die Konturenschärfe und andererseits die Helligkeitsunterschiede des Körperschnittbildes bestimmende Gewichtsfaktoren vorgesehen sind.