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~Vorrichtung zur Verminderung von Ring-
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artefakten in CT-Bildern" Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Verminderung von konzentrisch zum Zentrum des Untersuchungsbereichs eines Computertomographen
liegenden, ringförmigen Artefakten, die dem Rekonstruktionsbild des Computertomographen
überlagert sind.
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Computertomographiegeräte, welche mit einem fächerförmigen Strahlenbündel
und einem Array von Röntgendetektoren eine zu untersuch(rlde Körparschicht abtasten
und aus elen so gewonnenen Meßwerten ein Bild der Schicht rekonsturieren, sind allgemein
bekannt. Ein Merkmal dieser Geräte ist, daß die Meßwerte nach jeder Messung kalibriert
werden müssen, beispielsweise deswegen, weil zwar eine bekannte, aber nicht homogene
Intensitätsverteilung innerhalb des Strahlenbündels oder ein entsprechendes Detektorverhalten
o.dgl.
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vorhanden ist. Da die Kalibrierung (Eichung) mittels einer elektronischen
Kalibrierungseinheit nicht beliebig genau durchgeführt werden kann, bleiben die
Meßwerte durch Kalibrierungsfehler beeinträchtigt. Die Detektoren besitzen somit
quasi unterschiedliche Empfindlichkeiten, die zu ringförmigen Artefakten im rekonstruierten
Bild führen, z.B., wenn die Empfindlichkeit zweier benachbarter Detektoren verschieden
sind. Durch diese unterschiedlichen Empfindlichkeiten können scheinbar überhöhte
Absorptionswerte erhalten werden, die aufgrund der Drehung des Systems Strahlenquelle
- Detektoranordnung zu den genannten ringförmigen Artefakten führen.
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Die Empfindlichkeitsunterschiede werden u.a. auch noch dadurch hervorgerufen
bzw. verstärkt, daß die einzelnen Detektoren z.B. ein unterschiedliches strahlungs-
und temperaturabhängiges Verhalten aufweisen können.
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Aus der DE-OS 26 00 266 ist bereits ein Computertomograph bekannt,
bei dem zur Verminderung derartiger ringförmiger Artefakte im Rekonstruktionsbild
die Detektorzeile durch weitere in Zeilenrichtung angeordnete Detektoren ergänzt
ist.
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Während der Abtastung des Körpers wird die so verlängerte Detektorzeile
um ihren Krümmungsmittelpunkt seitlich ausgelenkt. Dadurch werden gleiche Körperstrukturen
von mehreren Detektoren gemessen,deren unterschledliche Empfindlichkeiten sich dann
weitgehend herausmitteln. Nachteilig bei diesem Computertomographen ist jedoch der
mechanische und damit relativ hohe Kosten verursachende Aufwand und die Tatsache,
daß bereits rekonstruierte Schichtbilder nachträglich nicht mehr korrigiert werden
können.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es dagegen, eine Vorrichtung zu schaffen,
mit der in bereits rekonstruierten Schichtbildern die in ihnen vorhandenen ringförmigen
Artefakte in einfacher Weise eliminiert werden können.
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Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Hauptanspruchs dadurch
gelöst, daß die Vorrichtung ein Filter besitzt, das die Bildwerte des Rekonstruktionsbildes
entlang von Geraden durch das Zentrum des Untersuchungsbereichs derart filtert,
daß am Ausgang des Filters Korrekturbildwerte erzeugt werden, die praktisch nur
noch solche Bildstrukturen mit einer radialen Breite repräsentieren, die der radialen
Breite der Artefakte entspricht, wobei sich die Amplituden der Korrekturbildwerte
aus den Bildwerten am Ort der Bildstrukturen, vermindert um die den jeweiligen Bilduntergrund
in der Umgebung der Bildstrukturen darstellenden Bildwerte,ergeben, und daß eine
erste Substraktionsstufe vorgesehen ist, die die Korrekturbildwerte von den Rekonstruktionsbildwerten
subtrahiert.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung ist somit in der Lage,
ohne
die Kenntis der bei der Abtastung des Körpers gemessenen Meßwerte, sondern lediglich
mittels der Bildwerte des Rekonstruktionsbildes, die ihm überlagerten Artefakte
zu eliminieren. Somit werden die Meßwerte fassung und die Bildrekonstruktion im
Computertomographen (Scanner) nicht unterbrochen oder sonstwie beeinträchtigt, so
daß die Vorrichtung auch als Zusatzeinrichtung zu bereits im Einsatz befindlichen
Scannern verwendet werden kann.
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Mittels der Vorrichtung wird also zunächst aus den Rekonstruktionsbildwerten
ein aus Korrekturbildwerten bestehendes Korrekturbild erzeugt, welches im wesentlichen
dem Muster der Ringartefakte entspricht.
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Dazu wird das Rekonstruktionsbild derart entlang einer Geraden durch
das Zentrum des Untersuchungsbereichs gefiltert, daß alle Bildstrukturen mit Ausnahme
von solchen unterdrückt werden, die in radialer Richtung eine schnell veränderliche
Amplitude aufweisen. Das so erzeugte Korrekturbild wird dann in einem weiteren Schritt
zur Verminderung der Ringartefakte im Rekonstruktionsbild von diesem subtrahiert,
d.h., es werden für alle Bildpunkte die Korrekturbildwerte von den jeweils zugeordneten
Rekonstruktionsbildwerten subtrahiert. Die Filterung kann beispielsweise durch lineare
Frequenzfilter (optische Hochpaßfilter) oder durch nichtlineare Filter, die nicht
so sehr das Frequenzspektrum, sondern vielmehr die Signalform filtern (digitale
Filter), erfolgen.
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Nach einer sehr vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist zusätzlich
eine Glättungseinrichtung vorgesehen, die die Bildwerte des Rekonstruktionsbildes
in azimutaler Richtung relativ zum Zentrum des Untersuchungsbereichs glättet und
die dem Filter vorgeschaltet ist. Hierdurch wird erreicht,
daß die
Ringartefakte im Rekonstruktionsbild stärker hervorgehoben werden, so daß die anschließende
radiale Filterung verbesserte Korrekturbilder liefert. Diese Glättung kann ebenfalls
auf digitalem oder optischem Wege (optische Tiefpaßfilterung) erfolgen. Im Falle
einer linearen optischen Ausführung können das Filter und die Glättungseinrichtung
in der Reihenfolge vertauscht werden. Bei elektronischer Ausführung wird die Glättung
z.-B. durch eine Mittelwertbildung jeweils mehrerer in azimutaler Richtung des Rekonstruktionsbildes
liegender Bildwerte vorgenommen.
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Selbstverständlich kann die Glättung der Bildwerte aber auch in anderer
geeigneter Weise erfolgen.
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Die Ringartefakte liegen grundsätzlich konzentrisch zum Zentrum des
Untersuchungsbereichs des Computertomographen bzw. konzentrisch zu seiner Rotationsachse.
Im allgemeinen liegen sie auch konzentrisch zum Bildzentrum des Rekonstruktionsbildes.
In den wenigen Fällen, in denen das nicht der Fall ist, läßt sich dies jedoch durch
eine einfache Translationsverschiebung des Bildes erreichen. Während sich die Ringamplituden
in azimutaler Richtung nur langsam ändern, variieren die Amplituden in radialer
Richtung sehr schnell und weisen manchmal alternierende Vorzeichen (bezogen auf
den Bilduntergrund (Bild ohne Artefakte)) auf.
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Die Artefakte besitzen daher üblicherweise Ringbreiten, die einem
bis zwei Bildpunkten entsprechen. Dies hängt von der Geometrie des Röntgenscanners
ab. Unter einem Bildpunkt ist jeweils ein Bereich (Element einer Bildmatrix) im
Rekonstruktionsbild zu verstehen, dem ein Bildwert zugeordnet ist, z.B. eine einen
Grauwert darstellende Signalspannung o.dgl. Die absoluten Amplituden sind im Mittel
kleiner als 100 Hounsfield-Einheiten (zum Vergleich: die Differenz zwischen Luft-
und Knochenabsorption beträgt 2000 Hounsfield-Einheiten). Das bedeutet, daß die
Amplituden des Korrkturhildcs von ki £inerer Größ enordnting sind als die
des
rekonstruierten Schichtbildes. Aus diesem Grund sind die Anforderungen an die Genauigkeit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht hoch, da ein Näherungsfehler nur entsprechend
dem Größenordnungsverhältnis in das korrigierte Schichtbild eingeht. Zur einfacheren
Durchführung der Korrektur des Rekonstruktionsbildes ist es zweckmäßig, vor Beginn
der Glättung und Filterung bzw. vor der Subtraktion des Korrekturbildes vom Rekonstruktionsbild
eine Koordinatentransformation von karthesischen zu polaren Koordinaten bzw. umgekehrt
vorzunehmen. Jedoch ist dies nicht erforderlich für Röntgenscanner, bei denen die
Schichtbilder bereits in Polarkoordinaten rekonsturiert worden sind. Im Falle der
Ausführungsbeispiele wird dics aber nicht angenommen, so daß zusätzliche Mittel
zur Kooidinatentransformation vorgesehen sind.
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Die ZerhnuqFn stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
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Es zeigen: Fig. 1 den mechanischen Aufbau eines bekannten Röntgenscanners,
Fig. 2 einen Röntgenscanner nach der Erfindung, Fig. 3 das Prinzip der Vorrichtung
zur Artefaktverminderung, Fig. 4 eine auf optischer Basis arbeitende Vorrichtung
zur Verminderung der Ringartefakte, Fig. 5 ein Organisationsschema einer auf elektronischer
Basis arbeitenden Vorrichtung zur Verminderung der Ringartefakte, Fig. 6 ein Blockschaltbild
zur Erläuterung der Wirkungsweise des in radialer Richtung zum Bildzentrum wirkenden
Filters, Fig. 7 eine Skizze zur Erläuterung eines Mittelwertfilters Fig. 8a-c Skizzen
zur Erläuterung von i?auschfiltern und
Fig. 9 ein Organisationsbild
der gesamten Vorrichtung zur Korrektur der Ringartefakte.
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Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein schematisch dargestelltes Röntgentomographiegerät
1, welches aus einer Strahlenquelle 2 zum Aussenden eines fächerförmigen Röntgenstrahlenbündels
3 besteht, das in der Schnittebene (Zeichenebene), die die Untersuchungsebene darstellt,
verläuft, und das mittels einer Blende 4 begrenzt ist. Das Röntgenstrahlenbündel
3 durchdringt einen zu untersuchenden Körper 5 und trifft auf eine Detektorreihe
6, welche aus einzelnen in der Untersuchungsebene nebeneinanderliegenden Strahlungsdetektoren
7 besteht. Das System Strahlenquelle 2 - Detektorreihe 6 ist um eine Zentralachse
8, die senkrecht zur Untersuchungsebene und durch den Ursprung eines in der Untersuchungsebene
liegenden, rechtwinkligen Koordinatensystems X, Y verläuft, drehbar angeordnet.
Der Ursprung des Koordinatensystems X, Y ist gleichzeitig Zentrum des Untersuchungsbereichs
9 des Röntgentomographiegerätes 1. Dies ist der in der Untersuchungsebene liegende
Bereich, der unter jeder Stellung des Systems Strahlenquelle - Detektorreihe vollständig
durchstrahlt wird. Die Detektorausgangssignale sind mit I bezeichnet und entsprechen
der Absorption der Strahlung entlang der Strahlenwege 10, wobei die Breite der Strahlenwege
10 durch die Breite der Detektoren 7 und die Ausdehnung des Brennflecks der Strahlenquelle
2 bestimmt ist.
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Zur Lagerung des zu untersuchenden Körpers 5 (gestrichelt gezeichnet),
der in einem den Untersuchungsbereich 9 konzentrisch umgebenden Lagerungsbereich
11 liegt, ist ein zur Untersuchungsebene verstellbarer Patiententisch 13 vorgesehen.
Seine mechanische Halterung ist der Übersicht wegen nicht dargestellt. Durch eine
Veränderung der Lage des Körpers 5 innerhalb des Lagerungsbereichs 11 kann zudem
erreicht
werden, daß der Untersuchungsbereich 9, der in seiner Größe durch Verstellen der
Blende 4 veränderbar ist, verschiedene zu diagnostizierende Bereiche innerhalb des
Körpers 5 überdeckt. Hierzu muß natürlich zwischen dem Körper 5 und dem Lagerungsbereich
11 genügend Zwischenraum sein.
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In der Fig. 2 ist ein Röntgenscanner nach der Erfindung dargestellt.
Die von der Detektorreihe 6 ermittelten Meßwerte I werden einer mit ihr verbundenen
elektronischen Einrichtung 14 zugeführt, damit diese kalibriert werden können. Die
Einrichtung 14 überträgt die kalibrierten Meßwerte an eine Recheneinheit 15, die
aus den so verarbeiteten Meßwerten ein Rekonstruktionsbild der durchstrahlten Körperschicht
errechnet. Die rekonstruierten Bildwerte/u(x, y), aus denen das Rekonstruktionsbild
aufgebaut ist, können anschließend in einem Bildspeicher 16 gespeichert oder einem
Bildsichtgerät 17 (z.B. Monitor) zur Darstellung des Rekonstruktionsbildes zugeführt
werden.
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Mit dem Bildspeicher 16 ist über die Datenleitungen L1, L2 eine Vorrichtung
18 verbunden, die zur Verminderung der im bereits rekonstruierten Schichtbild vorhandenen
Ringartefakte herangezogen wird. Die prinzipielle Wirkungsweise dieser Vorrichtung
18 ist nochmals in Fig. 3 näher erläutert. Sie besteht aus einer Ringerkennungsstufe
19, z.B. einem in radialer Bildrichtung wirkenden Filter, dem die rekonstruierten
Bildwerte /u(x, y) über die Datenleitung L1 zugeführt werden, und das ein praktisch
nur die Ringartefakte enthaltendes Korrekturbild erzeugt. Mit der Ringerkennungsstufe
16 ist eine erste Subtraktionsstufe 20 verbunden, die anschließend das Korrekturbild
vom ursprünglichen Rekonstruktionsbild subtrahiert, so daß ein korrigiertes Rekonstruktionsbild
entsteht, das praktisch frei von ringförmigen Artefakten ist.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel besitzt die Ringeliminierungsvorrichtung
18 (Fig. 4) eine Linsenoptik für die Bildglättung und Filterung. Die bereits weiter
oben erwähnte Koordinatentransformation von karthesischen - in Polarkoordinaten
und umgekehrt, wird mit Hilfe eines bekannten Scan-Konverters 21, der im wesentlichen
aus einer mit einem elektronischen Speichertarget versehenen Videoröhre und elektronischen
Abtasteinrictungen besteht, durch geführt. Das Rekonstruktionsbild wird dazu zeilenweise
vom (nicht dargestellten) Bildspeicher 16 über die Datenleitung L1 in einen Digital-Analog-Konverter
22 geladen und von dort in den Scan-Konverter 21. Anschließend wird das Bild entlang
von konzentrischen Kreisen wieder ausgelesen, aber zeilenweise über eine Datenleitung
L3 auf den Speichermonitor 23 geschrieben, der eine Titusröhre zur Bilddarstellung
besitzt. Die Titusröhre ist allgemein bekannt und besteht aus einer mit einem optischen
Speichertarget versehenen Videoröhre. Dabei weist das Speichertarget ein definiertes
optisches Beugungs- und Reflexionsverhalten auf, welches den Betrieb mit kohärenten
Lichtbündeln erlaubt.
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Jeder konzentrischen Kreislinie auf (lem Hiid des Scan-Konverters
21 entspricht genau einer Bildzeile auf dem Speichermonitor 23, während die Radien
der Kreisringe den Zeilennummern entsprechen. Dieser Vorgang wird weiter unten noch
näher erläutert. Die genannte Linsenoptik besteht aus zwei Linsaisystemen, welche
jeweils zwei Zylinderlinsen Z1, Z1'; Z2, Z2' und ein optisches Filter F1, F2,in
deren gemeinsamen Brennpunkt besitzen und auf einer gemeinsamen optischen Achse
24 angeordnet sind. Natürlich lassen sich beide Linsensysteme auch zu einem gemeinsamen
System kombinieren, jedoch kann das Verfahren mit Hilfe zweier getrennter Systeme
besser veranschaulicht und leichter optimiert werden.
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Das vollständige Rekonstruktionsbild auf dem Speichermonitor 23, das
mittels eines kohärenten, monochromatischen Licht-
bündels 25 (z.B.
Laserlicht) in Reflexion ausgelesen wird, wird von der ersten vertikal zu den Bildzeilen
stehenden Zylinderlinse Z1 fokussiert, in deren Brennebene ein erstes Filter Fi
angeordnet ist, welches Lichtstrahlung durch die Brennebene nur in einem mittleren
vertikalen Streifen S1 passieren läßt. Dies entspricht einer horizontalen Tiefpaß-Filterung
des Bildes auf dem Speichermonitor 23 und damit einer Tiefpaß-Filterung des ursprünglichen
Rekonstruktionsbildes entlang konzentrischer Kreise. Es muß erwähnt werden, daß
für eireeinwandfreie Tiefpaß-Filterung nach dieser Art die auf dem Speichermonitor
23 dargestellten Bildzeilen um einen Betrag verlängert werden müssen, der der Filterlänge
des Tiefpaß-Filters entspricht. Das bedeutet, daß das Bild auf dem Scan-Konverter
21 entlang von Kreisbögen ausgelesen werden muß, die über mehr als 3600 verlaufen,
also z.B.
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über 4000. Eine zweite vertikale Zylinderlinse Z1' bildet das geglättete
Bild auf das nächste Linsensystem ab, welches aus den beiden horizontal zu den Bildzeilen
liegenden Zylinderlinsen Z2 und Z2' und dem zweiten Filter F2 besteht.
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Dabei muß die Brennweite dieser horizontalen zlinderlinsen nicht notwendigerweise
mit der Brennweite der vertikalen Zylinderlinsen Z1, Z1' übereinstimmen. Im Unterschied
zum ersten Filter F1 blockiert das zweite Filter F2 das Licht in einem horizontal
zu den Bildzeilen liegenden mittleren Streifen S2. Dies entspricht einer vertikalen
Hochpaß-Filterung des Bildes auf dem Speichermonitor 23 und damit einer Hochpaß-Filterung
des ursprünglichen Bildes in radialer Richtung.
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Ringartefakte des rekonstruierten Schichtbildes stellen sich auf dem
Speichermonitor 23 als horizontale Streifen dar, werden mittels des ersten Linsensystems
Z1, Z1' und F1 gegenüber den anderen Bildstrukturen hervorgehoben und dann mittels
des zweiten Linsensystems Z2, Z2' und F2 von diesen Bildstrukturen getrennt, da
die Rillgartefaktc ntlr
hochfrequente Komponenten enthalten, während
die hochfrequenten Anteile der Bildstrukturen meist nicht auf konzentrischen Kreisringen
verlaufen.
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Die Kamera 26 nimmt das derart gefilterte Bild auf. Es wird zeilenweise
ausgelesen und über eine Datenleitung L4 zurück in den Scan-Konverter 21 auf konzentrische
Kreise geschrieben. Das bedeutet, daß jetzt der Scan-Konverter 21 das Ringmuster,
und damit das Korrekturbild in der üblichen karthesischen Darstellungsform, gespeichert
hat. Anschließend wird das Ringbild wieder zeilenweise ausgelesen und auf den einen
Eingang eines Subtrahierers 20 gegeben, während der andere Eingang mit den ursprünglichen
Bilddaten geladen wird. Am Ausgang des Subtrahierers 20 steht das korrigierte Bild
zur Verfügung, welches dann über einen Analog-Digital-Konverter 27 zurück in den
Bildspeicher 16 des Röntgenscanners 1 geladen wird.
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Die Funktionen der elektronischen Komponenten werden von einem nicht
näher dargestellten Mikroprozessor gesteuert. Das Prinzip und die Ansteuerung des
Scan-Konverters 21 sind allgemein bekannt. Das Bild wird auf das Target einer Speicherröhre
im Scan-Konverter 21 geschrieben. Diese Speicherröhre entspricht in ihrem Aufbau
weitgehend einer Video-Aufnahmeröhre. Die Adressierung der Bildpunkte auf dem zweidimensionalen
Röhrentarget erfolgt über zwei Steuerleitungen L , L mit Hilfe von Sägezahnspannungen.
Eine entsprechende y Ansteuerung wird auch für den Betrieb des Speichermonitors
23 und der Kamera 26 benötigt, was jedoch nicht näher dargestellt ist. Soll nun
ein Bild entlang von Kreisringen geschrieben oder ausgelesen werden, so muß der
Scan-Konverter 21 mit den folgenden Signalen angesteuert werden: U = U(r).sin (
?p ) und U = U(r).cos ( < )mit /-/(t), (1)
wobei U(r) eine Treppenspannung
ist. Nach jedem Kreisumlauf 0... 4000 und 4 4000 .7200 wird die Spannung U(r) um
ein festes Spannungsinkrement erhöht. Dabei wird der Lese-bzw. Schreibvorgang während
des zweiten Winkel intervalls 4000.. .7200 unterdrückt. Die Synchronisation des
Scan-Konverters 21 mit dem Speichermonitor 23 und der Kamera 26 kann in der Art
erfolgen, daß die Treppenspannung U(r) zur vertikalen Ablenkung in 23 und 26 herangezogen
wird und daß anstelle der Sinus- bzw. Cosinus-Signale ein Sägezahnsignal mit doppelter
Zeitperiode verwendet wird, um die Horizontal-Ablenkung in 23 und 26 zu steuern.
Die doppelte Zeitperiode entspricht der Zeit für zwei Umläufe im Scan-Konverter
21 (0...4000 und 4O00#72O0).
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Wenn das Korrekturbild auf dem Scan-Konverter 21 zuletzt ausgelesen
wird, ist zu beachten, daß das Bild auf der Kamera 26 seitenverkehrt abgebildet
worden ist. Dies kann bei der Ansteuerung des Scan-Konverters korrigiert werden,
indem die Vorzeichen der Steuersignale entsprechend umgekehrt werden, oder indem
zwischen der Linse Z2' und der Kamera 26 eine zusätzliche Linse (nicht dargestellt)
zur Bildumkehr angeordnet wird.
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In einer verbesserten Ausführungsform ist vorgesehen, die Filter F1
und F2 durch andere Filter F1' und F2' zu ersetzens deren Transmissionsfaktor kontinuierlich
von der Mittelachse aus abnimmt (F1') bzw. zunimmt (F2'). Durch die Wahl geeigneter
Transmissionsfunktionen (z.B. entsprechend einer Exp.Funktion) können damit die
Filter den Eigenschaften der Ringartefakte optimal angepaßt werden.
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Es sind auch andere Ausführungsformen vorgesehen, bei denen der Scan-Konverter
21 durch elektromechanische Geräte ersetzt ist, welche Bilder in karthesischen und
in polaren Koordinaten lesen bzw. schreiben können. Hierzu eignen sich Lese-
Schreib-Geräte,
die mit Photodetektoren zur Bildabtastung und mit Laserdioden zur Bildaufzeichnung
ausgerüstet sind.
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Ein vorteilhaftes Merkmal der Ausführung mit dem Scan-Konverter besteht
jedoch in der kurzen Verarbeitungszeit, die etwa dem Zeitbedarf von vier Video-Vollbildern
entspricht (etwa 200 msec).
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Im Gegensatz zur optischen Glättung bzw. Filterung können die Bildwerte
/u(x, y) aber auch auf rein elektronischem Wege geglättet bzw. gefiltert werden.
Die Fig. 5 zeigt hierzu ein Organisationsschema der entsprechenden elektronischen
Ringeliminierungsvorrichtung 18 aus den Fig.
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2 bzw. 3.
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Die Bildwerte /u(x, y) gelangen danach über die Datenleitung L1 vom
nicht näher dargestellten Bildspeicher 16 (Fig. 2) in einen ersten Zwischenspeicher
28 und von dort zu einem ersten Transformationsrechner 29. Dieser transformiert
die Bildwerte /t(x, y) gemäß den Gleichungen x = r.cos 9 (2) bzw. ( 9 (x2 +2)1/2
(3) y = r.sin # # #= arctang y/x vom karthesischen Ux, T in das polare Koordinatensystem
[r,"].
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Im folgenden sollen die Bezeichnungen /u(i, j) für /u(x, y)und /u(l,
m) für /u(r,# ) verwendet werden, wobei sich die i, j bzw. 1, m auf diskrete Bildpunkte
im karthesischen bzw. polaren Bildraster beziehen. Die Koordinatentransformation
erfolgt nach bekannten numerischen Verfahren, wobei die trigonometrischen Funktionen
in einem mit d Transformationsrechner verbundenen Tabellenspeicher 30 abgelegt sind,
um den Rechenaufwand zu reduzieren.
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Da die Bildwerte im Bildspeicher 16 in einem diskreten
Bildpunktraster
vorliegen und da das karthesische Raster nicht deckungsgleich mit dem polaren ist,
müssen zusätzlich im Transformationsrechner 29 Interpolationen ausgeführt werden.
Dabei hat sich herausgestellt, daß eine bilineare Interpolation, d.h. eine Interpolation
mit Abstandsge wichtsfaktoren in beiden Koordinatenrichtungen, ausreichend genau
ist.
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Die transformierten Bildwerte /u(l, m) werden zeilenweise in einem
zweiten Zwischenspeicher 31 abgelegt, wobei in einer Speicherzeile die Bildwerte
entlang eines konzentrischen Kreises des ursprünglichen karthesischen Bildes gespeichert
sind. Dies entspricht der Bildspeicherung des ersten Ausführungsbeispiels (Fig.
4) im Speichermonitor 23. Die Bildwerte /u(l, m) werden dann von einem Glättungsrechner
32 übernommen, der eine azimutale Glättung gemäß der Gleichung
vornimmt. (4) Dies entspricht in etwa der Tiefpaß-Filterung im ersten Ausführungsbeispiel
(Fig. 4). Auch hier ist zu beachten, daß die Filterung entsprechend der Filterlänge
M1 über den Rand der Bildzeile (im 2. Zwischenspeicher 31) hinausreicht. Dies kann
durch geeignete Adressen-Umrechnung erreicht werden, was jedoch nicht weiter erläutert
zu werden braucht, da solche numerischen Teilverfahren allgemein bekannt sind.
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Die derart geglätteten Bildwerte /u(l, m) werden vom 3. Zwischenspeicher
33 übernommen, welcher dieselbe Speicherorganisation wie der 2. Zwischenspeicher
31 aufweist. Die Filterlänge M1 des Glättungsrechners 32 kann je nach Stärke der
Artefakte 3 bis 7 Bildpunkte in azimutaler Bildrichtung
betragen,
worauf weiter unten noch näher eingegangen wird.
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Auch die Filterung der geglätteten (Rekonstruktions-)Bildwerte /u(l,
m) in zum Zentrum 8 des Untersuchungsbereichs 9 (vgl. Fig. 1) radialer Richtung
(bzw. entlang von Geraden durch das Zentrum) erfolgt auf elektronischem Wege. Die
Ringerkennungsstufe 19 (vgl. Fig. 2), die sich an den Glättungsrechner 32 unmittelbar
anschließt, besteht hier aus einem digitalen Median-Filter 34, dem eine zweite Subtraktionsstufe
35 nachgeschaltet ist, welche, ebenso wie das Median-Filter 34, mit dem 3. Zwischenspeicher
33 direkt verbunden ist.
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Zur Funktion dieser Ringerkennungsstufe 19 sei auf Fig. 6 verwiesen.
Ein am Eingang a dieser Stufe 19 anliegendes impulsförmiges Eingangssignal P1 wird
vom Median-Filter 34 nicht erkannt, so daß an dessen Ausgang b nur noch die den
Bilduntergrund repräsentierenden Bildwerte PO übrig bleiben. Werden die Bildwerte
PO von dem ursprünglichen Eingangssignal P1 mittels der zweiten Subtraktionsstufe
35 Bildpunkt für Bildpunkt subtrahiert,so wrd die impulsförmige Struktur P1-PO,
die z.B. eine Artefaktstruktur oder eine andere Bildstruktur sein kann, am Ausgang
c der Stufe 19 erzeugt.
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Liegt dagegen ein Signalsprung P2 mit nicht zu geringer Länge (bzw.
Anzahl von Bildpunkten in radialer Richtung) vor, so reproduziert das Median-Filter
34 diesen Signalsprung P2 (Ausgang b). Dieses Ergebnis der Subtraktion liefert praktisch
ein Nullsignal (Ausgang c).
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Ob das Median-Filter 34 derartige Signale Pl bzw. P2, die z.B. ringförmige
Artefakte (P1) bzw. Objektkanten (P2) darstellen, erkennt, hängt u.a. von der Filterlänge
M2 des Median-Filters 34 ab, d.h. von der Anzahl der
Bildpunkte,
die in radialer Richtung dem Filterprozeß unterzogen werden. Beträgt die Ringbreite
der Artefakte beispielsweise N Bildpunkte, so hat es sich als zweckmäßig erwiesen,
eine Filterlänge M2 von der Größe 2N+1 zu wählen. Die Bildwerte der innerhalb dieser
Filterlänge M2 liegenden Bildpunkte werden dann zunächst nach auf- oder absteigender
Folge sortiert. Danach wird der in der Mitte des Filterfensters M2' liegende Wert,
der Median-Wert M(1, m), ermittelt und vom ursprünglichen an dieser Stelle liegenden
Bildwert u(l, m) mittels der Subtraktionsstufe 35 subtrahiert. Auf diese Weise werden
für alle Rasterpositionen (1, m) Korrekturbildwerte R(1, m) = /u(l, m) - M(1, m)
(5) erhalten, die weitgehend nur noch die ringförmigen Artefakte darstellen, und
die im 4. Zwischenspeicher 36 gespeichert werden (Fig. 5).
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In einer vorteilhaften Ausführungsform enthält die Ringeliminierungsvorrichtung
18 eine erste Schwellwertstufe 37, die der zweiten Subtraktionsstufe 35 (Fig. 5)
nachgeschaltet ist. Diese erste Schwellwertstufe 37 setzt die Korrekturbildwerte
R(1, m) dann auf Null, wenn die Beziehung
gilt. Dabei wird ausgenutzt, daß die Amplituden der Ringartefakte einen gewissen
Schwellwert Rmax im allgemeinen nicht überschreiten, so daß ein Korrekturbildwert
R(1, m) mit einer Amplitude größer als Rmax wahrscheinlich nicht einem Ringartefakt,
sondern irgendwelchen Objektstrukturen, z.B. einer Knochenstruktur, entspricht.
Die Schwellwertstufe dient also dem Zweck, Störungen des Korrekturbildes durch
restliche
Objektstrukturen mit hohen Frequenzkomponenten zu beseitigen. Auf der anderen Seite
können Amplituden des Korrekturbildes, die kleiner als Rmin sind, unterdrückt werden,
da entsprechende Ringartefakte im Bildrauschen nicht erkennbar wären. Typische Werte
für Rmax liegen z.B.
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bei etwa 70 Hounsfield-Einheiten (HU) und für Rmin bei etwa 3 HU.
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Um das Korrekturbild weiter von störenden Objektstrukturen zu befreien,
ist parallel zu der Reihenschaltung der Stufen 19 und 37 eine Reihenschaltung aus
einem Mittelwertfilter 38, einer 3. Subtraktionsstufe 39 und einer zweiten Schwellwertstufe
40 angeordnet, wobei ein zweiter Eingang der dritten Subtraktionsstufe 39 mit dem
dritten Zwischenspeicher 33 verbunden ist. Sowohl der Ausgang der ersten als auch
der zweiten Schwellwertstufe 37 bzw. 40 sind dabei mit je einem Eingang einer Entscheidungsstufe
41 verbunden.
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Die Funktion des Mittelwertfilters 38, das wie das Median-Filter 34
in radialer Bildrichtung (radial zum Zentrum 8 des Untersuchungsbereichs 10) angewendet
wird, und die Funktion der Stufen 39, 40, 41 sei anhand der Fig. 7 genauer erläutert.
Das Mittelwertfilter 38, das eine Filterlänge M3 von z.B. drei bis fünf Bildpunkten
besitzt, bildet jeweils für den in der Mitte des Filterfensters f liegenden Bildpunkt
(l,m) einen Mittelwert#(l, m), indem es z.B. die im Filterfenster fl liegenden Bildwerte
/-u(l, m) aufsummiert und durch die Anzahl der entsprechenden Bildpunkte (M3) dividiert.
In der dritten Subtraktionsstufe 39 wird dann, ebenfalls an der jeweils in der Mitte
des Filterfensters fi liegenden Position, die Operation
durchgeftiltrt, deren Ergebnis V(1 m) in der zweiten Schwell-
wertstufe
40 mit einem Schwellwert umax(l, m) gemäß der Gleichung
verglichen wird. Ist diese Bedingung erfüllt, wird angenommen, daß im Korrekturbild
noch eine restliche Objektstruktur vorhanden ist, die eliminiert werden muß, da
daß Korrekturbild möglichst nur die Ringartefakte enthalten soll.
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Die Entscheidungsstufe 41 setzt daher alle von der ersten Schwellwertstufe
37 gelieferten Korrekturbildwerte R(1, m) auf Null, wenn die Bedingung (8) erfüllt
ist.
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Um für alle Bildpunkte (1, m) eine derartige Entscheidung treffen
zu können, wird das Filterfenster fl in radialer (r in Fig. 7) und azimutaler Richtung
verschoben. Es hat sich gezeigt, daß die Stufen 38-41 gerade dann sinnvoll sind,
wenn im ursprünglichen Rekonstruktionsbild konzentrisch zum Bildzentrum (bzw. Zentrum
8) liegende Objektstrukturen vorhanden sind, welche in radialer Richtung eine Querschnittsform
ähnlich der der Ringartefakte besitzen, jedoch mit einer größeren Amplitude und
einem breiteren Querschnitt.
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Die die Entscheidungsstufe 41 durchlaufenden Korrekturbildwerte R(1,
m) werden anschließend in einem mit ihr verbundenen fünften Zwischenspeicher 42
gespeichert.
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Zur Verminderung restlicher Objektstrukturen im Korrekturbild kann
ferner zwischen der Entscheidungsstufe 41 und dem zweiten Transformationsrechner
37 noch eine Rauschfilterstufe 43 (Noise-clean-Filter) vorgesehen sein, deren Ausgang
zusätzlich mit einem sechsten Zwischenspeicher 44 zur Zwischenspeicherung der sie
durchlaufenen Korrekturbildwerte verbunden ist.
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Dieses Rauschfilter 43 führt eine eindimensionale Filterung der Korrekturbildwerte
in azimutaler Richtung zum Bildzentrum (Zentrum 8) durch, d.h., das Filterfenster
f2 (vgl. Fig. 8a) besitzt eine radiale Breite entsprechend der Breite der Ringartefakte
rl und eine azimutale Filterlänge M4 von mehreren Bildpunkten, z.B. drei oder fünf.
Das Rauschfilter 43 ermittelt dann die Anzahl der innerhalb des Filterfensters f2
liegenden Bildpunkte, deren Korrekturbildwerte R(l, m) von Null verschieden sind.
Wenn diese Zahl einen vorgegebenen Schwellwert Nmin, der etwa einem Drittel der
Länge des Filterfensters f2 entspricht, nicht überschreitet, wird der Korrekturbildwert
R(1, m) in der Mitte des Filterfensters f2 auf Null gesetzt.
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Diese Filterung kann also als eine nichtlineare Glättung aufgefaßt
werden, da Korrekturbildwerte R(1, m), welche durch Bildrauschen oder durch Objektstrukturen
verursacht worden sind, meist nur vereinzelnd oder in Gruppen von wenigen Bildpunkten
in azimutaler Richtung (bezogen auf die karthesische Bilddarstellung) auftreten.
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Dagegen verändern sich die Ringartefakte in azimutaler Richtung kaum,
so daß sie das Rausch-Filter unbeeinflußt durchlaufen. Das Filter wird schrittweise
über das Bild verschoben, um alle Bildpunkte auf diese Weise zu filtern.
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Das Rauschfilter 43 kann aber auch ein Filterfenster f2' mit einer
zweidimensionalen Ausdehnung besitzen, dessen radiale Breite der Breite mehrerer
Ringartefakte, z.B.
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der Breite dreier Ringartefakte r1-r3 entspricht (siehe Fig. 8b).
Besitzen die Ringartefakte r1-r3 jeweils die Breite von einem Bildpunkt, so beträgt
die radiale Breite des Filterfensters f2' drei Bildpunkte. Bei dieser Filterung
wird ausgenutzt, daß die Ringartefakte häufig mit alternierenden Vorzeichen von
Ring zu Ring auftreten. Zur Prüfung der Frage, ob der in der Mitte des Filterfensters
f2' liegende
Korrekturbildwert R(l, m) untcrdriickt werden soll
oder nicht, werden zunächst die Vorzeichen der äußeren Ringe umgekehrt.
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Anschließend wird geprüft, ob die Zahl der Bildpunkte einen vorgegebenen
Schwellwert N'min erreicht oder nicht, wobei nur solche Bildpunkte gezählt werden,
deren Vorzeichen bzw.
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umgekehrte Vorzeichen demjenigen Vorzeichen entsprechen, welches der
in der Mitte des Filterfensters liegende Bildwert R(l, m) aufweist. Erreicht die
Zahl der Bildpunkte nicht den vorgegebenen Schwellwert, wird der in der Mitte des
Filterfensters f2' liegende Korrekturbildwert R(1, m) unterdrückt, da in diesem
Fall angenommen wird, daß kein Ringartefakt, sondern eine Objektstruktur vorliegt
und umgekehrt. Auf diese Weise werden alle Bildpunkte (1, m) untersucht.
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Der Schwellwert N'min entspricht auch hier etwa einem Drittel der
Anzahl aller im Filterfenster f2' liegenden Bildpunkte (1, m).
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Beträgt die jeweilige Breite der Ringartefakte r1-r3 mehr als einen
Bildpunkt, z.B. zwei Bildpunkte, so wird die obige zweidimensionale Operation in
einem ersten Schritt auf die innere Hälfte der jeweiligen Ringartefakte und in einem
zweiten Schritt auf die jeweils äußere Hälfte der einzelnen Ring artefakte angewendet
usw.
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Es können in azimutaler Richtung natürlich auch zwei derartige Filterfenster
f2" und f2' lt vorgesehen sein, die sich um z.B. eine Bildpunktbreite überschneiden.
Die Filterung wird dabei jeweils für den in der Mitte liegenden Bildpunkt R(1, m)
der von beiden Filterfenstern überdeckten Bildpunkte vorgenommen (Fig. 8c).
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In diesem Fall wird nur dann kein Artefaktring, sondern eine zu unterdrückende
Objektstruktur angenommen, wenn in beiden Filterfenstern f2", f2" ' jeweils der
Schwellwert unterschritten wurde. Auf diese Weise lassen sich die Ringarte-
fakte
und die Objektstrukturen an den Stellen besser trennen, an denen die Ringartefakte
in Objektstrukturen (z.B. Knochenstrukturen) hineinlaufen, in denen sie von einem
Betrachter ohnehin nicht mehr erkannt werden können.
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Die erwähnten Rauschfilteroperationen können selbstverständlich mit
einem einzigen Rauschfilter 43 durchgeführt werden. Ebenso können die ersten bis
sechsten Zwischenspeicher durch einen einzigen Speicher von geeigneter Speicherkapazität
ersetzt werden.
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Die das Rauschfilter 43 durchlaufenden Korrekturbildwerte R(l, m)
werden dem zweiten Transformationsrechner 37 zugeführt, der diese aus dem polaren
in das karthesische Koordinatensystem (R(i, j)) rücktransformiert. Auch der zweite
Transformationsrechner 37 kann mit dem Tabellenspeicher 30 für die erforderlichen
trigonometrischen Funktionen zur Koordinatentransformation verbunden sein (nicht
dargestellt).
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Die so transformierten Korrekturbildwerte R(i, j) werden der ersten
Subtraktionsstufe 20 (vgl. Fig. 3) zugeführt, die für alle Bildpunkte (i, j) die
Korrekturbildwerte R(i, j) von den ursprünglichen, im ersten Zwischenspeicher 28
gespeicherten Bildwerten /u(i, j) gemäß der Gleichung µ(i, j) =µ(i, j) - R(i, j)
(9) subtrahiert. Hierzu ist die erste Subtraktionsstufe 20 direkt über eine Datenleitung
L5 mit dem ersten Zwischenspeicher 28 verbunden. In dem aus den korrigierten Bildwerten
/u(i, j) aufgebauten Rekonstruktionsbild sind dann die ringförmigen Artefakte praktisch
weitgehend unterdrückt.
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In Fig. 5 sind die hauptsächlichsten Einheiten der Ringeliminierungsstufe
18 schraffiert gezeichnet. Alle Operationen
der Fig. 5 können z.B.
mittels eines programmierten Computers durchgeführt werden.
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Damit die Ringartefakte optimal im Rekonstruktionsbild unterdrückt
werden können, ist es erforderlich, der Ringeliminierungsstufe 18 geeignete Kombinationen
von Parametern, z.B. Informationen über die Ringbreiten, die von der Geometrie des
Röntgenscanners abhängen und daher bekannt sind, sowie obere und untere Schwellwerte
für die Schwellwertstufen bzw. die Größen der einzelnen Filterfenster und dgl. zuzuführen.
Die Fig.9 zeigt in diesem Zusammenhang ein Organisationsschema, das z.D. Grundlage
für den Aufbau einer Parameter-Vorgabevorrichtung sein kann.
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Zuerst müssen die jeweiligen Ringbreiten eingestellt werden (Stufe
45). Dabei seien drei Möglichkeiten A, B und C erwähnt mit Ringbreiten von 1, 1.5
und 2 Bildpunkten. Diese Ringbreiten sind bekannt bei gegebener Scannergeometrie
und vorgegebener Bildmatrix.
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Beträgt die Ringbreite einen Bildpunkt, so ist es zweckmäßig, das
Bild bzw. einen Bildausschnitt, z.B, das Zentrum des Bildes, um den Faktor zwei
zu vergrößern (Stufe 46).
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Anschließend wird die Ringbreite der Artefakte auf zwei Bildpunkte
festgesetzt (Stufe 47). In den Stufen 48 und 49 (B und C) werden die Ringbreiten
dagegen auf einen bzw.
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zwei Bildpunkte festgelegt. Außerdem werden die Amplituden der Bildwerte
mit einem Faktor größer 1 multipliziert, da bei der Transformation des Bildes von
karthesischen in polare Koordinaten aufgrund der Interpolation Amplitudenverluste
auftreten können. Es hat sich als geeignet erwiesen, für die Möglichkeiten A, B
die Bildwerte mit den Faktoren 2.0 und für die Möglichkeit C die Bildwerte mit dem
Faktor 1.7 zu multiplizieren.
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Danach wird anhand des Rekonstruktionsbildes die Bildklasse bestimmt
(Stufe 50). Die Eingruppierung des Rekonstruktionsbildes in die eine (D) oder die
andere Klasse (E) hängt im wesentlichen von der Stärke der Ringartefakte im Rekonstruktionsbild
ab. Für schwache Ringartefakte (Bildklasse D) bzw. starke Ringartefakte (Bildklasse
E) werden folgende Parameter mit Vorteil gewählt:
| Parameter D E |
| Oberer Schwellwert Rmax der 70 HU 250 HU |
| ersten Schwellwertstufe 37 |
| Oberer Schwellwert /umax der 100 HU 300 HU |
| zweiten Schwellwertstufe 40 |
| Schwellwert Nmin (N'min) des 0,35 oX3O |
| Rauschfilters 43 |
| Filterlänge Ml des Glättungs- 7 Bildpunkte 3 Bildpunkte |
| rechners 32 |
| Filterlänge M3 des Mittelwert- 5 Bildpunkte 3 Bildpunkte |
| filters 38 |
| Filterlänge M4 des Rausch- 7 Bildpunkte 5 Bildpunkte |
| filters 43 |
Die jeweiligen Parameter für die Klassen D bzw. E sind in Speichern 51, 52 gespeichert
und können der Ringeliminierungsstufe 18 zugeführt werden.
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Für den Fall, daß das Bildzentrum des Rekonstruktionsbildes, z.B.
die innersten 3 x 3 Bildpunkte oder dgl.' bei der Ring-
eliminierung
in der Stufe 18 nicht berücksichtigt wurden, können diese Bildpunkten Bildwerte
zugeordnet werden, die durch Interpolation aus den umliegenden korrigierten Bildwerten
erhalten werden. Hierzu ist die Interpolationsstufe 53 vorgesehen, die mit der Ringeliminierungsstufe
18 direkt verbunden ist. Die Interpolationsstufe 53 besitzt ferner zwei Ausgänge,
von denen einer mit einer Bild-Verkleinerungsstufe 54 und einer sich daran anschließenden
Bildeinfügungsstufe 55 verbunden ist, deren Ausgang, ebenso wie der zweite Ausgang
der Interpolationsstufe 53, über die Datenleitung L2 mit dem Bildspeicher 16 (Fig.
2 und 3) verbunden ist.
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Für den Fall, daß die Ringbreite der Breite eines Bildpunktes entspricht,
wird durch die Verkleinerungsstufe 54 die durch die Stufe 46 vorgenommene Bildvergrößerung
rückgängig gemacht. Der korrigierte Bildausschnitt wird dann in der Einfügungsstufe
55 wieder in das ursprüngliche Rekonstruktionsbild eingefügt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann zwischen dem ersten Transformationsrechner
29 und dem Glättungsrechner 32 zusätzlich eine weitere Schwellwertstufe (nicht gezeichnet)
vorgesehen sein, die die Bildamplituden des ursprünglichen Rekonstruktionsbildes
nach oben begrenzt. Auf diese Weise wird vermieden, daß zu große z.B. Knochenstrukturen
darstellende Bildwerte dem Verarbeitungsprozeß unterzogen werden. Artefakte imerhalb
dieser Knochenstrukturen können ohnehin nicht erkannt werden.
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