DE3832973A1 - Verfahren zum hervorheben von schwachen kontrasten in graphischen abbildungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die Steuerung einer elektronischen graphischen Anzeige und insbesondere auf eine kontrastreiche Farb-Überlagerung, die nach einem Histo­ gramm der graphischen Abbildung, insbesondere eines medizini­ schen diagnostischen Bildes, gesteuert wird.

Die verschiedenen Anwendungen von Video-Anzeigen und Hard­ copy -Darstellungen von Bildern haben zugenommen, als sich die Fähigkeiten von Computer-Grafiken verbessert haben. In einem interaktiven Grafiksystem erzeugt ein Prozessor ein Anzeige-File gemäß den Befehlen von einer Bedienungsperson. In einer üblichen Anordnung besteht ein dargestelltes Bild aus einer Anzahl von Pixeln, die in Reihen und Spalten ange­ ordnet sind. Das Pixel-File besteht aus einer Helligkeits­ größe (und möglicherweise einer Farbe) für jedes Pixel. Bei der Darstellung eines Bildes kann die Bedienungsperson ge­ wisse Bildparameter, beispielsweise Bildhelligkeit und/oder Kontrast, einstellen.

Die Einstellung derartiger Parameter kann in vielen Fällen kritisch sein, um gewisse Aspekte der Daten in dem Bild am besten sichtbar zu machen. Beispielsweise kann bei medizi­ nischen diagnostischen Abbildungsmodalitäten, beispielsweise Ultraschall, Röntgen, Nuklearmedizin, Computertomographie (CT) und Kern-Spin-Resonanz (NMR), ein Bild feine oder schwache (subtile) Gewebekontraste enthalten, die schwierig sichtbar zu machen sind. Weiterhin variiert die optimale Helligkeit und der optimale Kontrast üblicherweise in Abhängig­ keit von dem Gegenstand oder speziellen Parametern eines Ab­ bildungsexperiments.

Medizinische Diagnosesysteme verwenden üblicherweise Grauskala (d.h. Schwarz/Weiß)-Bilder, so daß die interessierenden ein­ stellbaren Charakteristiken in diesen Anwendungsfällen die Helligkeit (d.h. der Pegel) und der Kontrast (d.h. Fenster- oder Maximalabweichung vom Pegel) sind. Es sind farbliche Über­ lagerungen (Overlays) verwendet worden, um Informationen zu transportieren zusätzlich zu der gemessenen Hauptgröße eines medizinischen Bildes, wie beispielsweise bei Doppler-Ultra­ schall, wo eine Strömungsrichtung durch Farbe angegeben wird, die einem Grauskala-Ultraschall-Echobild überlagert wird.

Trotzdem verringert geringer Kontrast von klinisch signifikan­ ten Gewebemerkmalen weiter die Wirksamkeit von vielen Arten von quantitativen Bildmodalitäten. Dies liegt daran, daß die räumliche Lokalisierung von Gewebeflächen mit nahezu identi­ schen Charakteristiken entscheidend sein kann bei der Ermitt­ lung von pathologischen Zuständen, während der Unterschied im Erscheinungsbild zwischen der pathologischen Fläche und den "normalen" Flächen nicht deutlich erkennbar sein könnte. Bei­ spielsweise beträgt bei der Ultraschall-Rückstreuungs-Bilderzeu­ gung des Herzens der Signalkontrast zwischen einer normalen mittleren Muskelschicht der Herzwand (Myocardium) und sehr schlecht durchblutetem Myocardium üblicherweise etwa 5 dB in dem abgetasteten Rückwärtsstreuungssignal. Ein Problem bei der Echtzeitabbildung besteht darin, daß sich der Signalkontrast in Echtzeit ändert, wenn sich das Gewebe bewegt. Es ist wün­ schenswert, diese kleine Signaldifferenz und seine Änderungen in Echtzeit in ein Bild zu übertragen, in dem die Gewebearten deutlicher entscheidbar sind.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, die Sichtbarkeit von einen kleinen Kontrast aufweisenden Merkmalen in graphischen Abbildungen in interaktiver Weise zu verbessern. Weiterhin soll die räumliche Lokalisierung von Gewebecharakteristiken in medizinischen diagnostischen Abbildungen verbessert wer­ den. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung zu schaffen, um Gewebekontraste in Abbildungen deutlich sichtbar zu machen, die sich in Realzeit ändern.

Erfindungsgemäß wird ein graphisches Abbildungssystem geschaf­ fen, bei dem Bildpixel entsprechenden Intensitäten nach einem Abbildungsparameter zugeordnet sind. Schwache Kontraste zwi­ schen Pixeln werden dadurch hervorgehoben, daß ein Aufrufbe­ fehl bzw. Cue, z.B. Farbe, zu den Bildpixeln mit einer Inten­ sität innerhalb eines spezifizierten Bereiches hinzugefügt wird. Der Bereich wird in interaktiver Weise spezifiziert, wobei ein Histogramm verwendet wird, um die Identifizierung von Ände­ rungen in dem Bildparameter zu unterstützen. Ein Betrachter kann vorteilhafterweise ein Fenster (beispielsweise obere und untere Grenzen) auf dem Histogramm bezeichnen, um den Pixelbe­ reich zur Aufnahme des Aufruf- oder Übertragungsbefehls zu spe­ zifizieren.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung werden Echtzeitbilder dar­ gestellt wie die Histogramme, die jedem Rahmen des Echtzeit­ bildes entsprechen. Echtzeitänderungen des Histogramms von medizinischen diagnostischen Abbildungen liefern Anhaltspunk­ te für einen Arzt und führen zu Gewebecharakterisierungen über die mit einem Übertragungsbefehl versehenen Pixel, die in das Fensterhistogramm fallen.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispie­ len näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm von einem Graphiksystem, das zur Ausführung der Erfindung geeignet ist.

Fig. 2 ist ein Diagramm einer Anzeige mit zahlreichen Pixeln.

Fig. 3 ist ein Beispiel eines Histogramms von einem Bildan­ zeigefile.

Fig. 4 ist ein Fließbild und stellt ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung dar.

Fig. 5 zeigt eine Abbildungsvorrichtung mit einem Ultraschall­ sektorabtastbild von einem Herzen und verwendet die Erfindung, um die Darstellung einer krankhaften Verän­ derung zu verbessern.

Das in Fig. 1 gezeigte Graphiksystem enthält eine Datenerfassungs­ einrichtung 11 und einen Prozessor 12. Ein Benutzer-Interface 13 ist mit dem Prozessor 12 verbunden, damit ein Benutzer den Betrieb des Systems 10 steuern kann (beispielsweise den Pegel und die Breite des Histogrammfensters). Mit dem Ausgang des Prozessors 12 sind eine Videoanzeige 14 und eine Filmvorrich­ tung 15 verbunden. Bei medizinischen diagnostischen Anwen­ dungsfällen kann die Datenerfassungseinrichtung 11 ein bekanntes Ultraschallsystem, eine NMR-Einrichtung oder einen CT-Scanner aufweisen. Diese Systeme liefern Information von einem Ge­ genstand, die verarbeitet werden kann, um ein Bild zu lie­ fern.

Die Videoanzeige 14 wird vorzugsweise von einer Kathodenstrahl­ röhre (CRT) und zugehörigen elektronischen Einrichtungen ge­ bildet, um ein Bild entsprechend einem Ausgangssignal von dem Prozessor 12 darzustellen. Die Filmvorrichtung 15 könnte so aufgebaut sein, daß sie von der Videoanzeige 14 gelieferte Bilder aufzeichnet, oder sie könnte alternativ auch so auf­ gebaut sein, daß sie Hardcopy -Bilder erzeugt.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Abbildungen, die von der Videoanzeige 14 und der Filmvor­ richtung 15 dargestellt werden, von zahlreichen Pixeln 21 gebildet, die in einer Matrix 20 mit mehreren Reihen und Spal­ ten angeordnet sind, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Bei Meß­ daten von der Einrichtung 11 erzeugt der Prozessor 12 Bild­ daten entsprechend einem Abbildungsexperiment derart, daß je­ des Pixel in dem Bild eine zugeordnete Größe aufweist. Bei Ultraschalldarstellung beispielsweise kann das Pixel eine Größe in direktem Verhältnis zu dem Rückstreuungs-Querschnitt eines entsprechenden Gewebevolumens in Abhängigkeit von ab­ fragenden Ultraschallimpulsen zugeordnet sein. Bei der NMR- Bilderzeugung kann jede Größe eine Kernspindichte in einem be­ stimmten Volumen darstellen, die gemäß einer bestimmten Relaxations­ eigenschaft der Kerne gewichtet ist. Bei der Computer-Tomo­ graphie kann jede Größe die Röntgenschwächung eines bestimmten Teils eines Körpers darstellen.

Die Pixel der Videoanzeige 14 oder der Filmvorrichtung 15 könn­ ten ein Bild erzeugen, wobei jedes Pixel einen Wert annimmt, der diesen Pixelwerten direkt proportional ist. Bessere Er­ gebnisse könnten jedoch erhalten werden, wenn der das Experi­ ment durchführende Benutzer die Charakteristiken des angezeig­ ten Bildes einstellen könnte, um auf diese Weise eine interes­ sierende Struktur innerhalb des Bildes am besten sichtbar zu machen. Aber selbst wenn eine derartige Einstellung durch den Benutzer gestattet ist, können Gewebemerkmale undeutlich bleiben aufgrund des geringen Kontrastes in den ursprünglichen Pixelgrößen.

Zur Lösung bzw. Verkleinerung der vorgenannten Probleme schafft die Erfindung einen Betrachter-Rückführungsmechanismus, der es dem Betrachter gestattet, das Bild und gewählte Abschnitte des Bildes nach detaillierteren Kontrastdaten zu untersuchen. Im Betrieb verwendet das bevorzugte Ausführungsbeispiel ein Bildpixelhistogramm, von dem ein Beispiel in Fig. 3 gezeigt ist. Das Histogramm gemäß Fig. 3 stellt graphisch die Ge­ samtzahl der Pixel in den Bilddaten für ein bestimmtes Bild dar, das jeden möglichen Wert der Pixelgröße (als Bins be­ zeichnet) aufweist. Somit gibt es für jede Pixelgröße eine An­ zahl von Pixel mit dieser Größe, die als eine Linie 30 auf­ getragen werden kann. Die Verwendung eines Bildpixelhisto­ gramms erleichtert die Identifizierung von einen geringen Kon­ trast aufweisenden Gewebepopulationen gemäß Histogramm-Merk­ malen, wie beispielsweise einer Wölbung 31. Der Betrachter stellt den Pegel und die Breite eines Fensters 32 über das Benutzer-Interface ein. Das Fenster kann um ein spezielles Merkmal herum, wie beispielsweise der Wölbung 31, angeordnet werden oder der Benutzer kann alternativ das Histogramm über­ streichen, indem er das Fenster über das Histogramm schiebt, während das dargestellte Bild hinsichtlich verbesserter Ge­ webemerkmale beobachtet wird. Das Histogrammfenster wird vor­ zugsweise zusammen mit dem Histogramm abgebildet.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, beinhaltet ein bevorzugtes Ver­ fahren der Erfindung die statische oder Echtzeit-Darstel­ lung des Histogramms (in Abhängigkeit davon, ob das Hauptbild statisch oder in Echtzeit ist) in Schritt 40. In Schritt 41 wer­ den dann die Histogrammfenster-Position und die Breite ein­ gestellt gemäß einem bestimmten interessierenden Merkmal in dem Histogramm oder bei einer systematischen Suche durch das Bild. Indem wiederum das Beispiel eines Ultraschall-Rück­ streuungssystems angenommen wird, wie es zur Darstellung des Herzens verwendet wird, können Merkmale im Histogramm auftre­ ten, weil erstens eine Veränderung im Bild durch eine lokale Tasche von gleichförmigen Rückwärtsstreuungswerten charakteri­ siert sein könnte, die sich von umgebenden Geweben unterschei­ den, und zweitens sowohl nicht-durchblutetes als auch mit einem Infarkt behaftetes Myocardium ein stärkeres Rückstreu­ ungssignal geben kann als normales Myocardium. Die vorliegen­ de Erfindung schlägt weiterhin vor, daß der Betrachter einen interessierenden Bereich in dem Hauptbild spezifizieren kann, und dann das Histogramm nur für diesen Bereich aufbauen wird, so daß nur örtliche Merkmale sichtbar sind.

Im Schritt 42 wird ein Aufrufbefehl bzw. Cue hinzugefügt zu allen Pixeln mit einer Größe, die in den durch das Histogramm­ fenster spezifizierten Bereich fallen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Aufrufbefehl durch beispielsweise eine kontrastreiche Farbüberlagerung (Overlay) oder eine große Helligkeitsänderung gebildet. Somit können lokali­ sierte Taschen eines Bildes, die die gleiche Charakteristik im Unterschied zu einer global definierten Norm aufweisen, leicht sichtbar gemacht werden.

In der Realzeit- oder Echtzeit-Bilderzeugung ist die Darstel­ lung des Histogramms in Echtzeit entsprechend jedes Rahmens des Echtzeitbildes besonders vorteilhaft zur Unterstützung einer Identifizierung bestimmter zeitabhängiger Gewebecharak­ teristiken. Beispielsweise kann eine zyklische Änderung im Rückstreuungssignal bei einer Ultraschalluntersuchung eines normalen Herzens verschwinden, wenn erkranktes Herzge­ webe untersucht wird. Durch Anordnen des Histogrammfensters über einem unerwartet statischen Bereich des Histogramms wird das entsprechende erkrankte Gewebe hervorgehoben.

In Fig. 5 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine interaktive Anzeigevorrichtung 50 gezeigt, die eine Hauptbild­ anzeige 51, eine Histogramm- und Fensteranzeige 52 und eine Fenstereingangsvorrichtung 53 aufweist. Beispielsweise zeigt die Hauptanzeige 51 ein Ultraschall-Sektorabtastbild eines Herzens 54. Ein Benutzer kann interaktiv Abschnitte des Bil­ des hervorheben durch das Histogramm auf der Anzeige 52 und eine Eingangsvorrichtung 53, die beispielsweise ein Trackball sein kann. Durch Einstellen des Histogrammfensters auf einen bestimmten Abschnitt des Histogramms wird eine krankhafte Verän­ derung 55 im Herzen 54 durch eine Farbüberlagerung hervorgehoben. Der Trackball 53 kann ebenfalls verwendet werden, um einen inte­ ressierenden Bereich innerhalb des Bildes 51 zu definieren, um das Histogramm zu begrenzen und dieser Region einen Auf­ rufbefehl zu geben.

Die Erfindung verbessert die Sichtbarkeit von kontrastschwachen Merkmalen in Grafikbildern. In medizinischen Bilderzeugungs­ anwendungen werden lokalisierte Gewebebereiche in entweder statischen oder Echtzeit-Bildern detektiert.

Claims (11)

1. Graphische Anzeigeeinrichtung mit einer Videoanzeigeein­ richtung zum Darstellen eines Bildes mit zahlreichen Pixeln, wobei das Bild dadurch definiert ist, daß den Pixeln ent­ sprechende Intensitäten zugeordnet sind, gekennzeichnet durch :
eine Histogrammanzeigevorrichtung zum Darstellen eines Hi­ stogramm des Bildes, während das Bild dargestellt wird, eine Fenstereinstellvorrichtung zum Steuern der Breite und des Pegels eines Fensters zum Definieren eines Bereiches innerhalb eines Histogramms und
Aufrufbefehlmittel, die mit der Videoanzeigevorrichtung und der Fenstereinstellvorrichtung gekoppelt sind, zum Hinzufügen eines Aufrufbefehls zu jedem Pixel in dem Bild, das dem Bereich entspricht.

2. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Histo­ grammanzeigevorrichtung ferner die laufende Breite und den Pegel des Fensters darstellt.

3. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bild und das Histogramm zeitveränderlich sind gemäß den aufeinanderfolgend angeordneten Bildrahmen.

4. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufrufbefehl durch eine Farbüberlagerung gebildet ist, die den mit dem Aufrufbefehl versehenen Pixeln über­ lagert ist.

5. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fen­ stereinstellvorrichtung von einem Trackball gebildet ist.

6. Verfahren zum Verbessern der Sichtbarkeit von kontrast­ schwachen Merkmalen in einem graphischen Anzeigesystem, gekennzeichnet durch
Darstellen eines Bildes mit mehreren Pixeln, die jeweils eine entsprechende zugeordnete Intensität aufweisen,
Darstellen eines Histogramms entsprechend wenigstens einem Teil des Bildes,
Einstellen der Position und Breite des Fensters, um einen Bereich in dem Histogramm zu definieren, und
Hinzufügen eines Aufrufbefehls zu dem Bild an den Stel­ len von jedem der Pixel, die dem Bereich entsprechen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster dargestellt wird, das dem Histogramm überlagert ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster über das Histogramm geschwenkt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bild und das Histogramm zeitveränderlich sind, entspre­ chend aufeinanderfolgend dargestellten Bildrahmen.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den Aufrufbefehl eine farbliche Überlagerung verwendet wird, die den Pixeln entsprechend dem Bereich überlagert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein interessierender Bereich innerhalb des Bildes definiert wird und das Histogramm und der dem interessierenden Bereich hinzugefügte Auftragsbefehl begrenzt werden.