DE68911072T2

DE68911072T2 - Verfahren und Anordnung zur Korrektur von Streustrahlungseffekten in Röntgenbildern.

Info

Publication number: DE68911072T2
Application number: DE68911072T
Authority: DE
Inventors: Herman Stegehuis
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1988-09-05
Filing date: 1989-09-01
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2009-09-02
Also published as: EP0358268B1; JP3112455B2; JP2000102526A; EP0358268A1; JPH02108375A; JP3110026B2; DE68911072D1; US5270925A; NL8802184A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Korrigieren von Streustrahlungseffekten in einem Röntgenbild, mit dem ein digitales Bildsignal aus einem Röntgensystem in eine Bildmatrix von Intensitätswerten umgewandelt wird, die in eine transformierte Bildmatrix durch Faltung des Bildsignals mit einer Punktverwaschungsfunktion transformiert wird, wobei eine Streubildmatrix durch Multiplikation jedes Matrixelements der transformierten Bildmatrix mit einem Gewichtungsfaktor gebildet wird, und eine korrigierte Bildmatrix durch Subtraktion von Matrixelementen der Streubildmatrix aus entsprechenden Matrixelementen der Bildmatrix gebildet wird.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Einrichtung zum Korrigieren von Streustrahlungseffekten in einem Röntgenbild, mit einer Röntgenquelle, einem Röntgendetektor zum Umsetzen eines bildtragenden Röntgenbündels in ein Videosignal, einem Analog/Digital-Wandler, dessen Eingangssignal durch das Videosignal gebildet wird und dessen Ausgangssignal ein digitales Bildsignal ist, mit einer Transformationseinrichtung zur Bildung einer Bildmatrix von Intensitätswerten aus dem digitalen Bildsignal und zum Transformieren der Bildmatrix in eine transformierte Bildmatrix durch Faltung mit einer Punktverwaschungsfunktion, mit einer Speichereinrichtung zum Bestimmen eines Gewichtungsfaktors, der von einem örtlichen Intensitätswert abhängig ist und mit einer Einrichtung zum Subtrahieren des durch Gewichtungsfaktoren gewogenen transformierten Bildes von der Bildmatrix.
Ein Verfahren dieser Art ist aus Med. Phys., Vol. 14, Nr. 3, Mai/Juni 1987, S. 330...334 bekannt.
In dieser Veröffentlichung ist ein Verarbeitungsverfahren für ein Röntgenbild durch Schätzung eines Streustrahlungsfelds aus einer räumlichen Intensitätsverteilung eines geschwächten Röntgenbündels beschrieben. Dieses Verfahren dient zum Umkonstruieren eines korrigierten Bildes mit einem größeren Kontrast durch Subtraktion eines Streustrahlungsbildes aus der gemessenen Intensitätsverteilung von einem Ursprungsbild, das durch eine nicht abbildende Komponente "kontaminiert" wurde, die als eine Trübung im Bild in Erscheinung tritt. Bei Abwesenheit von Streustrahlung besteht ein lineares Verhältnis zwischen einem Intensitätslogarithmus und dem Abstand in einer Bestrahlungsrichtung. Durch die Korrektur der Streustrahlung wird die quantitative Genauigkeit in Densitometrie größer, wobei verhältnismäßige Dickenunterschiede aus einem Bild berechnet werden. Eine räumliche Intensitätsverteilung eines von einem Objekt geschwächten Röntgenbündels enthält eine Komponente, die nicht zum Abbilden beiträgt, u.a. dadurch, daß bei der Abschwächung des Röntgenbündels in der Fortpflanzungsrichtung auch Streuung an Elektronen aus dem schwächenden Objekt auftritt. Die Intensitätsverteilung der gestreuten Röntgenstrahlen kann als eine Faltung eines einfallenden Primärbündels mit einer sog. Punktverwaschungsfunktion beschrieben werden. Die detektierte Intensität wird als eine Schätzung für die Primärintensität genommen. Jedes praktische Bild eines Objekts wird durch eine Punktverwaschungsfunktion räumlich gestreut. Da ein Verhältnis von Streustrahlung in bezug auf Primärstrahlung hinter einem dicken Objekt bei Bestrahlung mit einem Röntgenbündel größer ist als das Verhältnis hinter einem dünnen Objekt bei der Schätzung der Streustrahlung aus dem Primärbündel muß das gefaltete Primärbündel auch durch einen Gewichtungsfaktor gewogen werden, der von der örtlichen Transmission abhängig ist. Die Genauigkeit einer Schätzung des Streustrahlungsfeldes ist u.a. von der Genauigkeit abhängig, mit der der örtliche Gewichtungsfaktor bestimmt werden kann. In der erwähnten Veröffentlichung wird der örtliche Gewichtungsfaktor mit einer festen Einstellung einer Röhrenspannung einer Röntgenröhre und mit einem festen Abstand zwischen Brennpunkt und Detektor gemessen. In einer Korrekturschaltung werden die örtlichen Gewichtungsfaktoren in eine Tabelle eingetragen. In Abhängigkeit von einem Intensitätswert eines Elements in der Bildmatrix des detektierten Röntgenbildes wird ein örtlicher Gewichtungsfaktor gewählt, wobei ein entsprechendes Matrixelement der gefalteten Bildmatrix multipliziert wird.
Ein Verfahren dieser Art hat den Nachteil, daß der örtliche Gewichtungsfaktor nur auf einen festen Einstellwert der Abbildungsparameter anwendbar ist. Wenn eine Röhrenspannung, ein Röhrenstrom, eine Stellung des Röntgenbrennpunkts, der Patientenuntersuchungstisch, ein Abstand zwischen dem Patienten und dem Bildverstärker, ein aktiver Querschnitt eines Eintrittsschirms eines Bildverstärkers usw. geändert wird, ist eine neue Variation des örtlichen Gewichtungsfaktors zu messen. Weiter können bei der Bestimmung des örtlichen Gewichtungsfaktors aus dem detektierten Bild, das sprunghafte Übergänge in der Helligkeit aufweisen kann, die Gewichtungsfaktoren sich über eine kurze Strecke im Bild verhältnismäßig stark ändern. Dies verursacht Gradienten im geschätzten Streustrahlungsbild. Dies ist eine ungenaue Annäherung eines wirklichen Streustrahlungsbildes, die sich abhängig von der Stellung nur langsam ändert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Korrigieren von Streustrahlungseffekten in einem Röntgenbild anzugeben, das diese Nachteile beseitigt.
Um dies zu erreichen ist ein erfindungsgemäßes Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die Wähl des Gewichtungsfaktors für ein Bildelement der transformierten Bildmatrix durch einen Intensitätswert des Matrixelements der transformierten Bildmatrix bestimmt wird.
Die transformierte Bildmatrix ist eine Streuungsform der Bildmatrix, aus der verhältnismäßig hohe Frequenzen durch Mittelung entfernt sind. Wenn ein einem Bildelement der transformierten Bildmatrix zugeordneter Gewichtungsfaktor aus einer Tabelle gewählt wird, die Zahlenpaare enthält, die durch Intensitätswerte der transformierten Bildmatrix und den zugeordneten Gewichtungsfaktor gebildet werden, ist die räumliche Auswahl der Gewichtungsfaktoren verhältnismäßig klein.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Verstellung des Gewichtungsfaktors abhängig von der Intensität durch Einstellwerte von Abbildungsparametern des Röntgensystems mitbestimmt wird. Automatischer Angleich des Gewichtungsfaktors an die Einstellwerte der Abbildungsparameter verkleinert die Notwendigkeit, jedesmal erneut den Gewichtungsfaktor zu bestimmen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Vertikalversatz des Gewichtungsfaktors abhängig von der Intensität sich linear mit einer Mittelbildintensität ändert.
Für eine abnehmende Dicke eines bestrahlten Objekts ist bekannt, daß der Gewichtungsfaktor mit dem örtlichen Intensitätsverhältnis der Streustrahlungskomponente zur gefalteten Primärintensität abnimmt. Ein Vertikalversatz der Verstellung des Gewichtungsfaktors mit der Intensität wird weitgehend durch eine normale Einstellung, und bei Impulsbetrieb durch die Pulsdauer der Röhrenspannung und des Röhrenstroms einer Röntgenröhre, durch einen Abstand zwischen einem zu bestrahlenden Objekt und einem Eintrittsschirm eines Röntgendetektors, beispielsweise eines Röntgenbildverstärkers, durch die Anwesenheit eines Streustrahlungsgitters und durch den Oberflächenbereich einer Detektorfläche bestimmt. Die Einstellung oder Impulsdauer der Spannung und des Stroms der Röntgenröhre ist von der Dicke des Patienten abhängig, wobei die Streustrählungskomponente auch davon abhängig ist. Für Röhrenspannungen zwischen 50 kV und 70 kV und bei einem Abstand von 5 bis 20 cm zwischen dem zu bestrahlenden Objekt und einem Eintrittsschirm eines Röntgendetektors kann der Vertikalversatz als eine im wesentlichen lineare Funktion der Mittelwertbildintensität beschrieben werden. Der Effekt von Änderungen in der Bildintensität um die Mittelwertbildintensitat herum auf den Vertikalversatz kann nach Bedarf als ein Effekt höherer Ordnung berücksichtigt werden. Ein Streustrahlungsgitter hat eine Auswirkung auf den Vertikalversatz, der höher ist, wenn kein Streustrahlungsgitter vorhanden ist. Für einen Eintrittschirm eines Röntgendetektors mit einem verhältnismäßig geringen Durchmesser und für das zugeordnete zu einem schmalen Bündel kollimierte Röntgenbündel ist der Vertikalversatz geringer als für einen Eintrittsschirm mit einem verhältnismäßig großen Durchmesser und dem zugeordneten breiteren Röntgenbündel, da ein schmaleres Röntgenbündel weniger Streustrahlung erzeugt.
Wenn ein homogenes Objekt mit verhältnismäßig großen Querabmessungen bestrahlt wird, ist der Gewichtungsfaktor nicht konstant, sondern ändert sich über eine Bildebene. Dies geschieht durch eine Anzahl von Effekten. Ein Streustrählungsgitter ist normalerweise an den Rändern wirksamer als in der Mitte. Jedoch wird ein wesentlicher Beitrag zur Änderung der Bildhelligkeit dadurch erhalten, daß ein Punkt an einem Rand einer Bildebene im wesentlichen weniger Streustrahlung empfängt als in einem Punkt, der sich näher bei der Mitte der Bildebene befindet. Durch die Bündelgeometrie und die Krümmung des Eintrittsschirms des Detektors ist der von den Röntgenstrahlen zwischen einem zu untersuchenden Objekt und dem Röntgendetektor zurückgelegte Weg länger an den Rändern des Bildes als in der Mitte des Bildes, so daß der relative Beitrag der Streustrahlung an den Rändern kleiner ist als in der Mitte. Durch die Form einer Anode einer Röntgenröhre ändern sich die Intensität und die Härte der Strahlung von einer Seite des Bildes zum anderen (der sog. "heel- Effekt"). Dadurch ändert sich der verhältnismäßige Beitrag der Streustrahlung. Durch Multiplikation der Elemente der Streubildmatrix mit entsprechenden Elementen der räumlichen Korrekturmatrix kann Bildkorrektur ausgeführt werden, um die auf diese Weise entstandenen Bildinhomogenitäten zu verringern.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß bei der Faltung mit der Punktverwaschungsfunktion eines Bildabschnitts, der sich in einem Abstand gleich einer halben Breite der Punktverwaschungsfunktion von einem Bildrand eines bildtragenden Bildes befindet, wird unrichtige Mittelung des Bildabschnitts im wesentlichen durch Multiplikation von Elementen der Streubildmatrix mit entsprechenden Elementen einer räumlichen Korrekturmatrix ausgeglichen.
Beim Falten des Bildsignals mit dem Punktverwaschungsfunktion, so daß der Intensitätswert in jedem Bildpunkt durch ein gewichtetes Mittel mit Intensitätswerten benachbarter Bildpunkte erhalten wird, bekommen die Bildpunkte, die sich innerhalb einer halben Breite des Punktverwaschungsfunktions vom Bildrand befinden, einen unrichtigen Wert. Dies wird dadurch verursacht, daß Mittelung mit Bildpunkten erfolgt, die sich außerhalb des Bildrandes befinden, und deren Intensitätswert einen beliebigen Wert gegeben werden kann. Unter Verwendung einer räumlichen Korrektur können diese Bildpunkte auf einen richtigen Mittelwert einskaliert werden. Dies ist beispielsweise durch Faltung eines ganz weißen Bildes mit der Punktverwaschungsfunktion und mit den Intensitätswerten verwirklichbar, die nicht gleich Null sind wie der Skalenwert. Wenn die Streubildmatrix mit einer Korrekturmatrix multipliziert wird, die durch die invertierten Skalenwerte gebildet ist, werden die Randpunkte wieder auf ihren Ursprungsmittelwert zurückskaliert. Die Korrekturmatrix kann in die räumliche Korrekturmatrix aufgenommen werden.
Einige Ausführungsbeispiele eines effindungsgemäßen Verfahrens werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Röntgenuntersuchungsapparat zur Durchführung des Verfahrens zum Korrigieren von Streustrählungseffekten in einem Röntgenbild,
Fig. 2 den Gewichtungsfaktor abhängig von der Bildintensität,
Fig. 3 eine räumliche Korrektur entlang zwei gegenseitig senkrecht verlaufender Bildlinien, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Korrekturschaltung.
In Fig. 1 ist eine Röntgenröhre 1 mit einer Drehanode 3 dargestellt. Die Anode 3 emittiert ein Röntgenbündel 5, das von einem Kollimator 7 kollimiert wird und in einer Röntgenbildverstärkerröhre 9 nach dem Bestrählen eines Objekts 8 detektiert ist. Ein Eintrittsschirm 11 der Röntgenbildverstärkerröhre 9 enthält ein Streustrählungsgitter 10, das einen Teil der Röntgenstrahlen mit einer Fortpflanzungsrichtung einüängt, die von der Bestrahlungsrichtung abweicht. In der Röntgenbildverstarkerröhre wird ein bildtragendes Röntgenbündel 5 in ein bildtragendes Lichtbündel 13 umgewandelt. Ein halbdurchlässiger Spiegel 15 teilt das Lichtbündel 13 in ein Teilbündel, das auf einem photographischen Film mit Hilfe einer Photokamera 17 abgebildet wird, und in ein Teilbündel, das durch eine Fernsehkameraeinrtchtung 19 in ein Videosignal umgewandelt wird. Das Videosignal wird von einem ADC 21 digitalisiert. In einer Korrekturschaltung 22 wird das Videosignal zum Beseitigen der Streustrahlungseffekte durch das Röntgenbild korrigiert. Die Korrekturschaltung 22 empfängt Einstellwerte für Bildparameter aus einer Leseeinheit 23, beispielsweise Spannung und Strom der Röntgenröhre 1 und den Abstand zwischen dem Objekt 8 und dem Eintrittsschirm 11 uws. Das korrigierte Bildsignal kann an einem Fernsehmonitor 25 wiedergegeben werden.
In Fig. 2 ist die Verstellung des Gewichtungsfaktors abhängig von der Bildintensität dargestellt. Der Vertikalversatz der Kurve wird mit durch die Dicke des Objekts 8 bestimmt, für das die Einstellwerte von Strom und Spannung der Röntgenröhre 1 ein Mäß sind.
In Fig. 3a ist eine Kurve a dargestellt, die die Verteilung der Korrekturwerte für eine Zeile von Matrixelementen der räumlichen Korrekturmatrix darstellt. Die Streustrahlung liefert einen größten Beitrag nahe bei der Mitte dieser Zeile und ihr Effekt schwächt in der Richtung der Ränder entsprechend der Kurve b ab. Durch den "heel"-Effekt werden die Korrekturwerte durch die Überlagerung einer Kurve b und einer Kurve c mit einer Verteilung dargestellt, die von einem Bildrand zu einem gegenüberliegenden Bildrand abnimmt.
In Fig. 3b ist die Verteilung der Korrekturwerte für eine Spalte von Matrixelementen der räumlichen Korrekturmatrix dargestellt. Der Heel-Effekt verstellt in nur einer Richtung und ist für Spalten der Korrekturmatrix (Kurve c) konstant.
In Fig. 4 ist der ADC 21 dargestellt, in dem ein Videosignal digitalisiert wird. In einer Mittelwertbestimmungseinrichtung 30 wird eine Mittelwertbildintensitat bestimmt, die zusammen mit Einstellwerten der Abbildungsparameter und mit den Systemvariablen verwendet wird, die einer Leseeinheit 23 entstammen, um einen Gewichtungsfaktorfunktion in einer ALU-Einheit 34 zu erzeugen. In einer Speichereinheit 36 werden Zahlenpaare, die durch Gesamtintensitätswerte und durch den zugeordneten Intensitätswert der Streustrahlung gebildet werden, in Form einer Tabelle gespeichert. Für jedes Element der in der Transformationseinheit 32 bestimmten transformierten Bildmatrix wird eine Streustrählungsintensität bestimmt. Nach der Multiplikation der Elemente der Streubildmatrix durch entsprechende Elemente einer räumlichen Korrekturmatrix in einer räumlichen Korrektureinheit 38 wird die korrigierte Bildmatrix von der Ursprungsbildmatrix subträhiert. Das korrigierte Bildsignal kann in ein analoges Signal von einem DAC 40 für Wiedergabe an einem Fernsehmonitor umgewandelt werden.

Claims

1. Verfahren zum Korrigieren von Streustrahlungseffekten in einem Röntgenbild, mit dem ein digitales Bildsignal aus einem Röntgensystem in eine Bildmatrix von Intensitätswerten umgewandelt wird, die in eine transformierte Bildmatrix durch Faltung des Bildsignals mit einer Punktverwaschungsfunktion transformiert wird, wobei eine Streubildmatrix durch Multiplikation jedes Matrixelements der transformierten Bildmatrix mit einem Gewichtungsfaktor gebildet wird, und eine korrigierte Bildmatrix durch Subtraktion von Matrixelementen der Streubildmatrix aus entsprechenden Matrixelementen der Bildmatrix gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wahl des Gewichtungsfaktors für ein Bildelement der transformierten Bildmatrix durch einen Intensitätswert des Matrixelements der transformierten Bildmatrix bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewichtungsfaktor abhängig von der Intensität mit durch Einstellwerte von Abbildungsparametern des Röntgensystems bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in dem der Gewichtungsfaktor abhängig von der Intensität durch einen monoton ab fallenden Funktion für Intensitäten höher als eine Intensität I&sub0; gegeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vertikalversatz der Funktion sich mit einer Mittelwertbildintensität linear ändert.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente der Streubildmatrix durch entsprechende Elemente einer räumlichen Korrekturmatrix multipliziert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Matrixelemente in einer Zeile der räumlichen Korrekturmatrix eine Intensitätswertverteilung aufweisen, die durch eine Funktion gebildet wird, die über eine Bildbreite monoton abfällt und einer Intensitätswertverteilung überlagert ist, die kleiner ist bei den Bildrändern als in der Bildmitte, Matrixelemente in einer Spalte der räumlichen Korrekturmatrix eine Intensitätswertverteilung aufweisen, die an den Rändern des Bildes kleiner ist als in der Mitte des Bildes.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Falten mit der Punktverwaschungsfunktion eines Bildabschnitts, der sich in einem Abstand gleich einer halben Breite der Punktverwaschungsfunktion von einem Bildrand eines bildtragenden Bildes befindet, unrichtige Mittelung des Bildabschnitts im wesentlichen durch Multiplikation von Elementen der Streubildmatrix durch entsprechende Elemente einer räumlichen Korrekturmatrix ausgeglichen wird.

7. Einrichtung zum Korrigieren von Streustrahlungseffekten in einem Röntgenbild, mit einer Röntgenquelle und einem Röntgenstrahlungsdetektor zum Umsetzen eines bildtragenden Röntgenbündels in ein Videosignal, mit einem Analog/Digital-Wandler, dessen Eingangssignal durch das Videosignal gebildet wird und dessen Ausgangssignal ein digitales Bildsignal ist, mit einer Transformationseinrichtung zur Bildung einer Bildmatrix von Intensitätswerten aus dem digitalen Bildsignal und zum Transformieren der Bildmatrix in eine durch Faltung mit einer Punktverwaschungsfunktion transformierte Bildmatrix, eine Speichereinrichtung zum Bestimmen eines Gewichtungsfaktors, der von einem örtlichen Intensitätswert abhängig ist, und mit einer Einrichtung zum Subtrahieren der durch Gewichtungsfaktoren gewogenen transformierten Bildmatrix von der Bildmatrix, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine Mittelwertbestimmungseinrichtung zum Bestimmen der Mittelwertbildintensität aus dem digitalen Bildsignal und weiter eine arithmetische Einrichtung enthält, deren Eingangssignal durch die Mittelwertbildintensität zur Bildung einer Tabelle mit Zahlenpaaren der Intensität und des zugeordneten Gewichtungsfaktors in der Speichereinrichtung für die Wähl des Gewichtungsfaktors für ein Element der transformierten Bildmatrix unter der Steuerung eines Intensitätswerts des Elements der transformierten Bildmatrix gebildet wird.

8. Einrichtung zum Korrigieren von Streustrahlungseffekten in einem Röntgenbild nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingangssignal für die arithmetische und Speichereinrichtung Einstellwerte für die Abbildungsparameter zum Berechnen der Gewichtungsfaktoren enthält.

9. Einrichtung zum Korrigieren von Streustrahlungseffekten in einem Röntgenbild nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine Einrichtung zum Multiplizieren der Elemente der transformierten Bildmatrix mit entsprechenden Matrixelementen einer räumlichen Korrekturmatrix enthält.