DE4342476C2 - Röntgendiagnostikeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgendiagnostikeinrichtung mit einem Röntgengerät zur Einstellung von Aufnahmeparametern der Röntgendiagnostikeinrichtung und einer Röntgenbildverstärker- Fernsehkette, die eine an einer Fernsehaufnahmeeinrichtung angeschlossene Verarbeitungsschaltung mit Bewegungsdetektor aufweist, der Parameter einer Filterstufe zur zeitlichen Fil­ terung des Videosignales steuert. Derartige Röntgendiagno­ stikeinrichtungen bewirken im Röntgenbild eine Reduzierung des Quanten- und anderen zeitlichen Rauschens, wie beispiels­ weise des elektrischen Rauschens.

Bei derartigen Röntgendiagnostikeinrichtungen wird aus Grün­ den des Strahlenschutzes mit möglichst geringer Dosis gear­ beitet. Dadurch tritt aber das Quantenrauschen als unvermeid­ bare physikalische Grenze der Systeme in Erscheinung. Um dieses Quantenrauschen zu vermindern, wird bei der Aufnahme von Bildsequenzen eine zeitliche Tiefpaßfilterung oder zeit­ liche Mittelung eingesetzt, wie dies beispielsweise in der DE-A-34 26 830 beschrieben ist. Aufgrund einer Schwellwert­ schaltung wird dabei detektiert, ob zeitliche Änderungen innerhalb des Videosignales, d. h. Differenzen im Subtrak­ tionsbild, aufgetreten sind. Durch diese Schaltung werden dann bildpunktweise Parameter der Filterschaltung, beispiels­ weise die Zeitkonstante, verändert, so daß bewegte Bildteile mit geringer Tiefpaßwirkung, aber verrauschte, unbewegliche Bildteile dagegen mit hoher Tiefpaßfilterung und damit rauschreduziert wiedergegeben werden.

Für eine optimale Bildqualität auch bei zeitlichen Vorgängen, wie beispielsweise bei schnellen Bewegungen, muß ein Kompro­ miß zwischen der Dosis, den Bewegungsdarstellungen und der zeitlichen Filterung getroffen werden.

Problematisch hierbei ist jedoch, daß eine Unterscheidung zwischen der durch Rauschen und der durch Bewegung bedingten Differenz sehr schwierig ist, so daß eine einwandfreie, für die einzelnen Pixel unterschiedliche zeitliche Filterung nur schlecht steuerbar ist.

Die DE-A-31 21 597 betrifft ein System zur Verminderung des Rauschens in Videosignalen, das einen Bewegungsdetektor auf­ weist, der die Bewertung des aktuellen und des verzögerten Fernsehsignales bewirkt. Zur Erzeugung des Bewegungssignales ist eine Schaltungsanordnung einer Subtraktionsstufe nachge­ schaltet, die durch eine aus dem Fernsehsignal abgeleitete, die Amplitude des Rauschens darstellende Steuerspannung steu­ erbar ist.

In der DE-A-42 40 215 ist ein automatisches Bildqualitäts- Ausgleichsverfahren und eine Vorrichtung dazu beschrieben, die eine Fuzzy-Logik zur Verbesserung der Bildqualität und unter anderem des Signal-Rausch-Verhältnisses einsetzt. Hier­ zu werden die Helligkeit und die Schärfe des Bildinhaltes so­ wie das Signal-Rausch-Verhältnis im Videosignal mittels der Fuzzy-Logik analysiert und kompensiert.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine Röntgendiagno­ stikeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die zu einer deutlichen Rauschreduzierung führt, ohne bewegte Objekte zu verschleifen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Bewegungsdetektor mit dem Röntgengerät verbunden und derart ausgebildet ist, daß er eine Steuerung der Filterstufe in Abhängigkeit von den die Aufnahme kennzeichnenden, an dem Röntgengerät eingestellten Aufnahmeparametern bewirkt. Da­ durch wird erreicht, daß das Objekt auch bei einem verrausch­ ten Bild sicher erkannt wird, so daß bei einer Bewegung des Objektes pixelweise eine unterschiedliche Filterung einge­ stellt werden kann.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß sich der Bewegungs­ detektor automatisch an die jeweiligen Aufnahmeparameter anpaßt, wenn die Steuerung der Filterstufe durch den Bewe­ gungsdetektor in Abhängigkeit von dem Signalpegel, von der Röhrenspannung (kV) oder von der Dosis (mA) erfolgt. Bei einer Röntgendiagnostikeinrichtung mit einstellbarem Abbil­ dungsformat des Röntgenbildverstärkers kann die Steuerung der Filterstufe in Abhängigkeit von dem Abbildungsformat des Röntgenbildverstärkers erfolgen. Weitere Aufnahmeparameter, die eine automatische Anpassung des Bewegungsdetektors zur Folge haben, sind Abtastmodi des Bildsensors, der Verstär­ kungsfaktor der Belichtungsregelung, die Systemkennlinie (γ-Kurve) und die Bewegung des Patiententisches bzw. der Gantry.

Ein vorteilhafter Aufbau ergibt sich, wenn der Bewegungs­ detektor einen ersten örtlichen Tiefpaß aufweist, dem die Differenz des aktuellen und eines gespeicherten Videosignales zugeführt wird, und wenn an dem Tiefpaß eine Betragsstufe angeschlossen ist, die mit einem Tabellenspeicher für den k-Faktor verbunden ist, dessen Ausgangssignal die Parameter der Filterstufe steuert.

Eine einfache pegelabhängige Steuerung der Filterstufe erhält man, wenn der Bewegungsdetektor einen zweiten örtlichen Tief­ paß aufweist, dem das aktuelle Videosignal zugeführt wird, wenn an dem zweiten Tiefpaß ein Tabellenspeicher für einen Schwellwert angeschlossen ist und wenn deren Ausgangssignal in einer Additionsstufe mit dem Ausgangssignal der Betrags­ stufe überlagert wird. Der mit dem pegelabhängigen Schwell­ wert derart verknüpfte Differenzbetrag steuert dann über einen weiteren Tabellenspeicher die zeitliche Tiefpaßfilte­ rung. Eine Steuerung in Abhängigkeit von den Aufnahmepara­ metern wie beispielsweise der Röhrenspannung und/oder der Dosis der Filterstufe erhält man, wenn die Tabellenspeicher veränderlich sind.

Eine Anpassung an unterschiedliche Größen von bewegten Objek­ ten wird erreicht, wenn die örtlichen Tiefpässe in ihrer Bandbreite beispielsweise durch einen mit den Tiefpässen zur Einstellung deren Bandbreite verbundenen Wahlschalter ein­ stellbar sind. Eine Veränderung der Größe von bewegten Objek­ ten aufgrund eines einstellbaren Abbildungsformates des Rönt­ genbildverstärkers kann erreicht werden, wenn eine System­ steuerung mit den Tiefpässen zur Einstellung deren Bandbreite verbunden ist.

Erfindungsgemäß kann der Bewegungsdetektor nach den Regeln der unscharfen Logik eine Bewertung durchführen und eine Steuerung der Filterstufe zur zeitlichen Filterung des Videosignales aufgrund von Regeln der unscharfen Logik bewirken.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Bewegungsde­ tektor seine Detektion und/oder Steuerung nach den Regeln der Fuzzy-Logik bewirkt und neuronal aufgebaute Netze zur Verbes­ serung der Detektion und Steuerung, insbesondere unter Be­ rücksichtigung von Expertenwissen, enthält. Gerade die Ob­ jekterkennung vor verrauschtem Hintergrund ist eine prädesti­ nierte Anwendung für die Fuzzy-Logik.

Ebenso soll die Steuerung der zeitlichen Filterung nach den Regeln der Fuzzy-Logik durchgeführt werden, weil durch den Wegfall von starren Schaltschwellen besser ein störungsfreier Übergang der Zonen mit starker und schwacher zeitlicher Fil­ terung erreicht werden kann. Unnatürlich starke Rauschspitzen können so vermieden werden.

Steuerungen nach den Regeln der Fuzzy-Logik durchzuführen ist beispielsweise aus dem in der Zeitschrift mc, März 1991, Sei­ ten 50-63, erschienenen Artikel "Das Fuzzy-Mobil" bekannt, in dem anhand eines sogenannten Fuzzy-Mobils die Regeln der Fuzzy-Steuerung für Fahrzeuge erläutert wird. Dort ist be­ schrieben, was unter unscharfer Logik zu verstehen ist und welche Regeln für eine Steuerung aufzustellen sind.

Neuro-Computer und ihre Softwarestruktur sind ebenfalls be­ reits allgemein bekannt. Als Beispiel mögen der Aufsatz "Networks for Aproximation and Learning", Proceedings of the IEEE, Vol. 78, No. 9, September 1990, oder der Aufsatz "Fast Learning in Networks of Locally-Tuned Processing Units", Neu­ ro-Computation 1, Seiten 281-294, Massachusetts Institute of Technology, 1989, genannt werden. In diesen Aufsätzen werden gleichzeitig Selbstlernmöglichkeiten neuronaler Netze be­ schrieben, die es erlauben, die tatsächlichen Verhältnisse in einer Anlage in bisher nicht möglicher Art regelungstechnisch zu berücksichtigen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Röntgendiagnostikeinrichtung und

Fig. 2 eine in der Verarbeitungsschaltung der Röntgendiagno­ stikeinrichtung gemäß Fig. 1 vorgesehene erfindungs­ gemäße Filterschaltung mit Bewegungsdetektor.

In der Fig. 1 ist eine Röntgendiagnostikeinrichtung be­ schrieben, die eine durch einen Röntgengenerator 1 betriebene Röntgenröhre 2 aufweist, die ein Röntgenstrahlenbündel 3 aus­ sendet, das einen Patienten 4 durchdringt. Das durch den Patienten 4 entsprechend seiner Transparenz geschwächte Rönt­ genstrahlenbild fällt auf den Eingangsleuchtschirm eines Röntgenbildverstärkers 5, der das Röntgenstrahlenbild in ein sichtbares Röntgenbild umwandelt. Das auf dem Ausgangsleucht­ schirm des Röntgenbildverstärkers 5 entstandene sichtbare Röntgenbild wird von einer Fernsehkamera 6 aufgenommen, die mit einer Verarbeitungsschaltung 7 verbunden ist. Der Ausgang der Verarbeitungsschaltung 7 ist zur Wiedergabe des Röntgen­ bildes an einem Monitor 8 angeschlossen. Eine Systemsteuerung 9 ist mit dem Röntgengenerator 1, dem Röntgenbildverstärker 5, der Fernsehkamera 6, der Verarbeitungsschaltung 7 und dem Monitor 8 zur Steuerung und Taktung verbunden.

An einem Röntgengerät 25 lassen sich über Wahlschalter 22 bis 24 Aufnahmeparameter, beispielsweise die Röhrenspannung (kV), die Dosis (mA), das Abbildungsformat des Röntgenbildverstär­ kers, Abtastmodi des Bildsensors, der Verstärkungsfaktor der Belichtungsregelung, die Systemkennlinie (γ-Kurve) und die Bewegung des Patiententisches bzw. der Gantry, einstellen. In dem dargestellten Beispiel sind der Einfachheit halber nur die Aufnahmeparameter Röhrenspannung (kV), Dosis (mA) und das Abbildungsformat des Röntgenbildverstärkers beschrieben.

In der Fig. 2 ist eine digitale Eingangsschaltung 10 der erfindungsgemäßen Verarbeitungsschaltung 7 dargestellt, die einen Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler 11) aufweist, der das von der Fernsehkamera 6 gelieferte Videosignal digita­ lisiert. Das digitale Ausgangssignal wird einer Filterstufe 12 zugeführt, die mit einem Bildspeicher 13, beispielsweise einem Framebuffer, verbunden ist.

Zur Filterung wird das aktuelle Videosignal vom A/D-Wandler 11 und das in einem Bildspeicher 13 gespeicherte vorher­ gehende Videosignal in bekannter Weise beispielsweise durch gleitende gewichtete Mittelwertbildung bildpunktweise auf in­ tegriert, wobei die Anteilsfaktoren des aktuellen und des gespeicherten Videosignales in Abhängigkeit von einem Steu­ ersignal verändert werden können, so daß sich das Mischungs­ verhältnis der Videosignale einstellen läßt. Dazu wird der Anteilsfaktor k des aktuellen Videosignales und der Anteils­ faktor 1-k des gespeicherten Videosignales in Abhängigkeit von einer Bewegung verändert.

An einem Ausgang der Filterstufe 12, an dem ein Videosignal liegt, das der Differenz des aktuellen und des vorhergehenden Videosignales in einem Bildpunkt entspricht, ist ein erster örtlicher Tiefpaß 14 angeschlossen, der den Mittelwert über mehrere Pixel bildet. An dem Tiefpaß 14 ist eine Schaltung 15 zur Betragsbildung angeschlossen, die mit einem ersten Ein­ gang einer Additionsstufe 16 verbunden ist.

An dem Ausgang des A/D-Wandlers 11 ist weiterhin ein zweiter örtlicher Tiefpaß 17 angeschlossen, der ebenfalls den Mittel­ wert über mehrere Bildpunkte ermittelt. Das Ausgangssignal des Tiefpasses 17 (Pegel) wird einem Tabellenspeicher 18 (LUT) für Schwellwerte zugeführt, der das Ausgangssignal in einen ihm zugehörigen Schwellwert umsetzt. Diese Schwellwerte werden dem zweiten Eingang der Additionsstufe 16 zugeführt und dem Betrag des Differenzsignales überlagert. Die an dem Ausgang der Additionsstufe 16 anliegende Summe wird einem weiteren Tabellenspeicher 19 (LUT) für den k-Faktor zuge­ führt, der das Summensignal in einen entsprechenden Wert umsetzt und damit den k-Faktor der Filterstufe 12 zur glei­ tenden gewichteten Mittelwertbildung steuert.

Durch die Auswertung des Differenzsignales durch den ersten Tiefpaß 14 und die Betragsstufe 15 erfolgt eine Bewegungs­ detektion. Je größer das Signal ist, desto wahrscheinlicher liegt eine Bewegung vor und desto mehr wird der k-Faktor erhöht, so daß das aktuelle Videosignal in bezug auf das gespeicherte Videosignal stärker bewertet wird.

Durch die Verknüpfung des Differenzbetrages mit dem pegel­ abhängigen Schwellwert wird die Unterscheidung zwischen Rau­ schen und Bewegung vom Signalpegel der jeweiligen Bildpunkt­ umgebung abhängig gemacht. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, daß das Kontrast/Rauschverhältnis des zu detektie­ renden bewegten Objektes an Stellen hoher Röntgendosis besser ist als an Stellen mit niedriger Röntgendosis.

An den Tiefpässen 14 und 17 ist ein Wahlschalter 20 ange­ schlossen, durch den die Bandbreite der Tiefpässe, d. h. die Größe der Tiefpaßmaske (X*X Pixel), manuell eingestellt wer­ den kann. Dabei kann vorzugsweise ein Wert von 3×3 bis 7×7 Pixel gewählt werden.

Da sich durch die Veränderung des Vergrößerungsfaktors des Röntgenbildverstärkers 5, dem zoomen, auch die Größe der bewegten Objekte ändert, beispielsweise die Größe einer Kathederspitze, kann die Filterwirkung der Tiefpässe 14 und 17 auch beispielsweise mit dem Zoomwähler 22 der Systemsteu­ erung 9 derart gekoppelt sein, daß bei Vergrößerung des Zoomfaktors auch die für die Tiefpässe 14 und 17 herangezo­ gene Fläche der Tiefpaßmaske entsprechend vergrößert wird.

Ebenfalls kann die Systemsteuerung 9 entsprechend den aktuel­ len Aufnahmeparametern wie beispielsweise die durch die an dem Röntgengerät 25 angebrachten Wählschalter 23 und 24 anwählbaren Röhrenspannungs- (kV) und Dosiswerte (mA) auf die Tabellenspeicher 18 und 19 einwirken, daß entsprechend ver­ schiedene Kurven entweder aufgerufen oder aus einem nicht dargestellten Hauptspeicher neu geladen werden. Dadurch wird die Bewegungsdetektion automatisch an das von unterschied­ lichen Aufnahmebedingungen abhängigen Signal/Rausch-Verhält­ nis (S/N) angepaßt.

An dem Ausgang der Filterstufe 12 bzw. dem Eingang des Bild­ speichers 13 kann das gemittelte Videosignal abgegriffen und durch die weiteren Schaltstufen der Verarbeitungsschaltung 7 bearbeitet werden. Es kann aber auch direkt über ein D/A- Wandler 21 auf den Monitor 8 zur Kontrolle als Röntgenbild wiedergegeben werden.

Aufgrund dieser Bewegungsdetektion werden bildpunktweise die Parameter der Filterstufe 12 derart verändert, daß in weniger bewegten Bildbereichen eine starke Filterung und in stark bewegten Bildbereichen eine geringere Filterung erfolgt. Dadurch wird in dem unbewegten Teil und dem Hintergrundteil des Röntgenbildes eine starke Rauschreduktion erreicht, wäh­ rend im interessierenden Bereich Bewegungsunschärfen vermie­ den werden.

Da bei geringen Bewegungen eine starke Rauschreduktion durch die Verarbeitungsschaltung 9 erfolgt, kann im Durchleuch­ tungsbetrieb mit geringer Röntgendosisleistung gefahren wer­ den. Bei starken Bewegungen dagegen ist es vorteilhaft, die Röntgendosisleistung zu erhöhen, damit das Quantenrauschen nicht stört. Gleichzeitig muß aber beispielsweise eine der Fernsehkamera 6 vorgeordnete Irisblende den Lichtfluß verringern, damit eine Übersteuerung vermieden wird und das mittlere Videosignal konstant bleibt. Ein derartiges Steuersignal kann durch eine an dem Tabellenspeicher 19 angeschlossene Summenschaltung 26 erzeugt werden, die ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Summe der k-Faktoren die Dosis steuert.

Claims (14)

1. Röntgendiagnostikeinrichtung mit einem Röntgengerät (25) zur Einstellung von Aufnahmeparametern der Röntgendiagnostik­ einrichtung und einer Röntgenbildverstärker-Fernsehkette (5 bis 9), die eine an einer Fernsehaufnahmeeinrichtung (6) angeschlossene Verarbeitungsschaltung (7) mit Bewegungsdetek­ tor (14 bis 19) aufweist, der Parameter einer Filterstufe (12) zur zeitlichen Filterung des Videosignales steuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsdetektor (14 bis 19) mit dem Röntgengerät (25) ver­ bunden und derart ausgebildet ist, daß er eine Steuerung der Filterstufe (12) in Abhängigkeit von den die Aufnahme kenn­ zeichnenden, an dem Röntgengerät (25) eingestellten Aufnahme­ parametern bewirkt.

2. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Steu­ erung der Filterstufe (12) durch den Bewegungsdetektor (14 bis 19) in Abhängigkeit von dem Signalpegel erfolgt.

3. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Filterstufe (12) durch den Bewegungsdetektor (14 bis 19) in Abhängigkeit von der Röhrenspannung (kV) erfolgt.

4. Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Filterstufe (12) durch den Bewegungs­ detektor (14 bis 19) in Abhängigkeit von der Dosis (mA) erfolgt.

5. Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Abbildungsformat des Röntgenbildverstärker (5) einstellbar ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerung der Filterstufe (12) durch den Bewegungsdetektor (14 bis 19) in Abhängigkeit von dem Abbildungsformat des Röntgenbildverstärkers (5) erfolgt.

6. Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsdetektor (14 bis 19) einen ersten örtlichen Tiefpaß (14) aufweist, dem die Differenz des aktuellen und eines gespeicherten Videosignales zugeführt wird, und daß an dem Tiefpaß (14) eine Betragsstufe (15) angeschlossen ist, die mit einem Tabellenspeicher (19) für den k-Faktor ver­ bunden ist, dessen Ausgangssignal die Parameter der Filter­ stufe (12) steuert.

7. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Bewegungsdetektor (14 bis 19) einen zweiten örtlichen Tiefpaß (17) aufweist, dem das aktuelle Videosignal zugeführt wird, daß an dem zweiten Tiefpaß (17) ein Tabellenspeicher (18) für einen Schwellwert angeschlossen ist und daß deren Ausgangs­ signal in einer Additionsstufe (16) mit dem Ausgangssignal der Betragsstufe (15) überlagert wird.

8. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Tabellenspeicher (17) und/oder der Tabellenspeicher (19) in Abhängigkeit von der Röhrenspannung (kV) und/oder der Dosis (mA) und/oder anderer Aufnahmeparametern veränderlich ist.

9. Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Tiefpaß (14) und/oder der zweite Tiefpaß (17) in seiner Bandbreite einstellbar ist.

10. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 9, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Wahl­ schalter (20) mit den Tiefpässen (14, 17) zur Einstellung deren Bandbreite verbunden ist.

11. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Systemsteuerung (9) mit den Tiefpässen (14, 17) zur Einstel­ lung deren Bandbreite verbunden ist.

12. Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsdetektor (14 bis 19) nach den Regeln der unscharfen Logik eine Bewertung durchführt und eine Steuerung der Filterstufe (12) zur zeitlichen Filterung des Video­ signales aufgrund von Regeln der unscharfen Logik bewirkt.

13. Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsdetektor (14 bis 19) seine Detektion und/oder Steuerung nach den Regeln der Fuzzy-Logik bewirkt.

14. Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsdetektor (14 bis 19) neuronal aufgebaute Netze zur Verbesserung der Steuerung, insbesondere unter Berücksichtigung von Expertenwissen, enthält.