DE69111932T2

DE69111932T2 - Tönungsskala-herstellungsverfahren und vorrichtung für digitale röntgenbilder.

Info

Publication number: DE69111932T2
Application number: DE69111932T
Authority: DE
Inventors: Isaac Ajewole; Ralph Schaetzing
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1990-02-06
Filing date: 1991-01-30
Publication date: 1996-04-11
Anticipated expiration: 2011-01-31
Also published as: US5046118A; WO1991012540A1; EP0466907A1; JPH04505228A; EP0466907B1; DE69111932D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf digitale Bildverarbeitung und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung der Grauwertskala eines Röntgendigitalbildes.
Jedes Röntgendiagnostik-Digitalabbildungssystem muß in der Lage sein, von digitalen Signalen eine Ausgabe in der Form eines sichtbaren Bilds auf einem Ausgabenedium zu erzeugen, z.B. auf fotografischem Film (harte Anzeige) oder an einem Bildschirm (weiche Anzeige). Bei der zur Erzeugung der digitalen Signale abgetasteten Eingabe kann es sich um Film (filmbasierendes System), Speicherleuchtstoffplatte (speicherleuchtstoffbasierendes System) oder verschiedene andere digitale Röntgensysteme handeln. Die digitalen Daten können auch aus einer direkten digitalen Eingabe kommen (z.B. Computertonographie). Bei jedem dieser Systeme muß das Ausgabebild von diagnostischer Qualität sein. Die folgende Besprechung konzentriert sich hauptsächlich auf filmbasierende und speicherleuchtstoffbasierende Systeme.
Das Haupthindernis zur durchgängigen Erzeugung hochwertiger Bilder aus einem der beiden Systeme besteht darin, daß der verfügbare Dynamikbereich im Ausgabemedium (weich oder hart) allgemein niedriger ist als der im Eingabebild vorhandene Dynamikbereich. Normalerweise liegt der Ansgabebereich bei ca. 2,6 Dichteeinheiten für das harte Medium und unter 2 Helligkeitsdekaden für das weiche Medium; wobei der Bereich der Graustufen in der Eingabe 4,5 Dichteeinheiten (Dekaden) betragen kann. Neben diesem unzureichenden Ausgabebereich hängt die Graustufenverteilung der Eingabe (insbesondere der Bereich des diagnostisch wichtigen Teils der Verteiliing) erheblich von den abgebildeten Körperteilen, der Belichtung, der Merkmalsmodifikation und dem Abbildungssystem ab. Die Graustufenverteilung der Eingabe muß daher optimal transformiert werden, um zum verfügbaren Ausgabebereich zu passen, während gleichzeitig eine für die Diagnose hohe Qualität erzeugt wird. Diese Transformation wird normalerweise als Graustufen- oder Gradationskorrektur-Transformation bezeichnet. Die ein Bild hoher diagnostischer Qualität erzeugende Graustufentransforiaation muß u.a. guten Kontrast in den bildwichtigen Bereichen, akzeptablen Kontrast in den übrigen Bildbereichen, kein Verkürzen an den unteren und oberen Enden der Graustufenskala und keine Bildstörungen sicherstellen.
Herkömmliche Berechnungsverfahren dieser Transformation benutzen einfache Merkmale (Varianz, Percentil usw.) des Eingabehistogramms. Dieser Ansatz erzeugt nicht immer akzeptablen Kontrast und schneidet bisweilen das obere Ende des Graustufenbereichs ab. Ein anderes Verfahren wurde in US-A- 4,302,672 beschrieben, in dem eine optimale Graustufentransformationsfunktion für das PA-Brustbild (posteroanterior) abgeleitet wird. Dies erfolgt durch Ermittlung der Rückgrat-, Herz- und Lungenfelder des Bildes und durch Zuweisung entsprechender Kontraste zu den drei verschiedenen Regionen. Das Lungenfeld erhält den höchsten Kontrast (da es der bildwichtigste Bereich ist), der Mediastinumbereich erhält den geringsten Kontrast. Um diesen Ansatz abzusichern, müßte eine ähnliche Ableitung für das Bild von jeder gängigen Sicht jedes Körperteils durchgeführt werden. Dies wäre zwar theoretisch nöglich, aber aufgrund der Abhängigkeit von Untersuchungsinformationen zur Verarbeitung jedes Bildes kein effizientes oder automatisches Verfahren.
Zur Umgehung dieses Problems wurde in US-A-4,641,267 ein anderes Verfahren zur Erzeugung einer Graustufentransformationsfunktion beschrieben. In diesem für die Computerradiografie entworfenen Verfahren werden einige Referenzgraustufentransformationsfunktionen erzeugt. Um die Graustufentransformationsfunktion für ein bestimmtes Eingangsbild zu erhalten, wird (abhängig von dem Körperteil) eine der Referenzfunktionen ausgewählt, und diese Funktion wird abhängig von der Belichtung und anderen Bildparametern verschoben und gedreht. Zwar wird durch dieses Verfahren die Erzeugung und Speicherung einer großen Zahl von Graustufentransformationsfunktionen a priori vermieden, aber dies ist (1) kein automatisches und völlig adaptives Verfahren, es ist (2) hinsichtlich verschiedener Abbildungssysteme und Belichtungen nicht robust und es kann (3) für andere Merkmalsmodifikationen als die der Computerradiografie völlig unanwendbar sein. Zudem ist ein gewisses Maß an Speicherung und an a priori Informationen weiterhin notwendig, um dieses Verfahren praktizieren zu können.
FR-A-2,450,471 beschreibt ein Verfahren zur Verarbeitung digitaler Röntgenbilder. In diesem Verfahren wird die maximale und minimale Dichte des Bildes ermittelt und gemäß dem Bereich des Aufzeichnungsmediums reproduziert. Zudem wird die tatsächliche Dichte jedes Pixels computergestützt modifiziert, um einen allmählichen Kontrastanstieg in Abhängigkeit vom Belichtungspegel zu erhalten. Es wird weder eine automatische Prozedur beschrieben, noch wird der Bildhintergrund berücksichtigt.
US-A-4,682,028 beschreibt ein Verfrahren zur Einstellung der Ablesezustände des Röntgenbildes. Dieses Verfahren umfaßt ein Histogramm der vom Empfänger empfangenen Strahlenmenge, um die maximale und minimale Dichte in Abhängigkeit vom bildwichtigen Bereich zu bestimmen. Zudem werden lineare Gradationszustände zur Anzeige jedes Pixels benutzt. Kein automatisches Verfahren wird zur Ermittlung des bildwichtigen Bereichs genannt.
Derzeit gibt es einen Bedarf nach einem automatischen Verfahren und einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Graustufentransformationsfunktion, die an Bilder und Abbildungssystemeanpaßbar ist. Das benötigte Verfahren sollte zudem hinsichtlich Abbildungssystemen und Belichtungen robust sein.
Aufgabe dieser Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur automatischen und adaptiven Erzeugung von Graustufentransformationsfunktionen, die mit Blick auf Abbildungssysteme, Belichtungszustände und Körperteile robust sind.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Erzeugung von Graustufentransformationsfunktionen, die auf die Notwendigkeit zur Speicherung einer Anzahl von Referenztransformationsfunktionen verzichten.
Die die Verwendung dieses Verfahrens umfassenden Schritte sind in Anspruch 1 aufgeführt.
Dieses Verfahren hängt vollständig von dem Histogramm des Eingangsbildes ab, somit ist es adaptiv und robust.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der Vorrichtung nach dem Stand der Technik zur Durchführung digitaler Bildverarbeitung;
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines typischen Systems zur Abtastung eines Röntgenbildes zur Erzeugung eines digitalen Bildes;
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines typischen Röntgenbilddrucksystems, in dem die erfindungsgemäße Graustufenanpassung durchgeführt wird;
Fig. 4 ein Blockschaltbild zur Darstellung des erfindungsgemäßen Graustufenanpassungsverfahrens;
Fig. 5 ein Histogramm eines typischen Röntgenprojektionsbiides;
Fig. 6 ein Blockschaltbild zur Darstellung der Schritte zur Auffindung der Hintergrundkomponente des Bildes entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 ein Blockschaltbild zur Darstellung der Schritte zur Ermittlung des bildwichtigen Bereichs (ROI = Region of Interest) eines Bildes entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 eine Kurve zur Darstellung einer typischen, erfindungsgemäß erzeugten Graustufentransformationsfunktion; und
Fig. 9 und 10 zur Beschreibung der Schritte zur Ermittlung des linearen Segments der Graustufentransformationsfunktion gemäß der vorliegenden Erfindung verwertbare Kurven.
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild zur Darstellung der Vorrichtung zur Durchführung digitaler Bildverarbeitung. Ein Eingabebild 12, bei dem es sich um ein herkömmliches Röntgenbild nach Art des von einem Film-/Schirm-Kombinationssystems erzeugten handeln kann, oder ein Latentbild der von einen speicherleuchtstoffbasierenden System erzeugten Art, wird auf einem Abtaster 14 zur Erzeugung eines Digitalbildes abgetastet, das in einem Digitalbildverarbeiter (DIP) 16 verarbeitet wird (z.B. Kantenhervorhebung, Rauschunterdrückung usw.). Die Ausgabe von DIP 16 wird dann an einen Drucker 18 geleitet, der das Ausgabebild 20 erzeugt.
Fig. 2 zeigt einen Abtaster 14 der Art, die auf ein speicherleuchtstoffbasierendes System anwendbar ist. Auf diesem Abtaster wird das latente Eingangsbild in einem Speicherleuchtstoffblatt 12 auf eine drehbare Trommel 22 aufgespannt, die von einem Laserstrahl von Laser 24 abgetastet wird, und das von Leuchtstoffblatt 12 abgegebene Licht wird durch eine Linse 25 auf einem Fotodetektor 26 abgebildet und durch den Fotodetektor 26 in ein elektrisches Signal S umgewandelt. Das Signal S wird von einem Verstärker 28 verstärkt und von einem A/D-Umsetzer 30 digitalisiert. Das resultierende Digitalbildsignal wird dann entweder gespeichert, z.B. auf einem Magnetband 32, oder direkt zur Verarbeitung an den Digitalbildverarbeiter (DIP) 16 gesendet. Ein Abtaster für ein filmbasierendes System ist dem zuvor beschriebenen ähnlich, mit der Ausnahme, daß das Licht durch den bildtragenden Film übertragen und von Fotodetektor 26 gesammelt wird.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild mit einem Drucker, in dem das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgeführt sind. Die Ausgabe des DIP 16, die auf einem Magnetband 32 gespeichert sein kann, wird an einen Graustufengenerator/-prozessor 36 übergeben, der eine Transformationstabelle erzeugt, die zur Transformation des Digitalbildes herangezogen wird. Das transformierte Digitalbild wird dann von einem D/A-Umsetzer 33 in ein Analogsignal umgesetzt. Dieses Analogsignal wird von einem Verstärker 40 verstärkt, der eine Aufzeichnungslichtquelle 42 ansteuert. Die Ausgabe der Lichtquelle 42 wird durch eine Linse 44 abgebildet, um ein lichtempfindliches Medium, wie einen auf einer Trommel 48 aufgespannten fotografischen Film 46, zu belichten, um das Ausgabebild 20 zu erzeugen. Der Filmdrucker in Fig. 3 wird nur in beispielhafter Ausführung gezeigt. Die vorliegende Erfindung kann auch mit anderen Arten von Druckern ausgeführt werden, etwa Thermodruckern oder elektrofotografischen Druckern.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren im Graustufenprozessor 36 praktiziert. Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild der in diesem Prozessor 36 implementierten Schritte. Der Graustufenprozessor kann sich physisch im DTP 16 oder im Drucker 18 befinden und ist vorzugsweise als programmierbarer Mikroprozessor ausgeführt. Im Betrieb wird ein Histogramm des verarbeiteten Bildes (d.b. DIP- Ausgabe) erzeugt 50, wie nach dem Stand der Technik bekannt ist. Aus diesem Histrogramm wird eine die Hintergrundgraustufe des Bildes darstellende Graustufe, XB, berechnet 52. Mit Hilfe des Histogramms und der Graustufe XB wird ein bildwichtiger Bereich (ROI) ermittelt. Eine Graustufentransformationskurve wird dann berechnet und in die Form einer Transformationstabelle (LUT = Look-Up Table) gebracht 56. Diese Schritte werden nachfolgend näher beschrieben:

1. Ermittlung der Hintergrundgraustufe XB

Eine genaue Ermittlung der den Hintergrund darstellenden Graustufe XB dient als Basis zur Ableitung der Graustufentransformationskurve. Aus dieser Untermenge von Graustufen wird die Graustufe ermittelt, hinter der alle anderen Graustufen bis zur höchsten Dichte gedruckt werden. Wenn diese Graustufe zu niedrig angesetzt ist, wird die Graustufenskala abgeschnitten; wenn sie zu hoch angesetzt ist, leidet der Kontrast am oberen Ende der Graustufenskala, und der Hintergrund weist möglicherweise nicht die höchste Dichte auf.
Fig. 5 zeigt ein Histogramm eines typischen medizinischen Diagnosebildes entweder von einem Schirm-Film-System oder einem speicherleuchtstoffbasierenden System. Der Bereich von Graustufe X&sub0; bis X&sub1; des Histogramms stellt den Bereich dar, wo sich die meisten Diagnoseinformationen befinden; Region X&sub1; bis XB stellt die Graustufenverteilung der Weichteilgewebe im Bild dar; der Bereich hinter XB stellt den Hintergrund oder den geringstabsorbierenden Teil des Bildes dar. Aufgabe der Auffindung des Hintergrundes ist die Bestimmung von XB.
Der erste Schritt zur Bestimmung von XB besteht in der ungefähren Schwellenwertbildung zwischen Bildvordergrund und -hintergrund unter Verwendung des Histrogramms. Das hierzu verwendete Verfahren nimmt an, daß das Histogramm aus zwei Modi besteht und ermittelt die Graustufe XB', die diese beiden Modi trennt, indem eine nach den Stand der Technik und in J. N. Kapur et al., "A new method for gray-level picture thresholding using the entropy of the histogram," Computer Vision, Graphics and Image Processing, 29 1985, Seite 273- 285, beschriebene, bekannte empirische Bildentropie maximiert wird. Dieses Verfahren wird nachfolgend kurz beschrieben. {pi, i = 0, ..., M-1} sei das normierte Histogramm des Bildes, wobei M die Gesamtzahl der Graustufen ist. Wenn XB' die Grenze zwischen Vordergrund und Hintergrund ist, sind die Entropien des Vorder- und Hintergrundes (HF und HB) wie folgt:
Die empirische Entropie HA bei gegebenen XB' ist
HA = HF + HB (5)
Das Verfahren wählt den Wert XB', der HA maximiert.
Die Graustufen hinter XB' stellen ungefähr die Hintergrundgraustufen dar. Dieser Bereich kann weiter verfeinert werden. Die weitere Verfeinerung erfolgt durch Manipulation der Graustufenverteilung zwischen XB' und M-1 als eine gleichmäßige Verteilung, wobei diese Manipulation zur Erzielung einer neuen Graustufenmenge für den Hintergrund und zur Fortsetzung dieses Prozesses benutzt wird, bis ein bestimmtes Kriterium, wie zuvor beschrieben, erfüllt wird. Diese erhaltene Verteilung wird so gewählt, daß die Entropie im wesentlichen gleich ist, d.h. gleich oder gleich wie ein fester Teil der Entropie der Hintergrundverteilung (d.h. HB). Die Entropie einer gleichmäßigen Verteilung der Breite W ist gegeben durch
HN = 1n W (6)
Somit ist
HN = H T W = exp (HB) (7)
Nachdem die Breite W der erhaltenen Verteilung berechnet worden ist, wird die Lage der Verteilung ermittelt. Das zur Plazierung dieser Verteilung verwendete Kriterium ist das der "maximalen Wahrscheinlichkeit innerhalb eines Fensters"; ,z.B. wird die Untermenge von W aufeinanderfolgenden Graustufen im Bereich (XB',M-1) mit der größten Anzahl Pixel gewählt. Aufgrund der Eigenschaft von Röntgenbildhistogrammen wird sich diese Lage entweder an unteren Ende oder am oberen Ende des Bereichs (XB',M-1) befinden. Eine Lage am oberen Ende stellt eine sehr gute Schätzung der Hintergrundgraustufen dar. Eine Lage am unteren Ende impliziert, daß diese Graustufenmenge mehr zum Vordergrund als zum Hintergrund gehört und daher aus der Berücksichtigung entfallen, sollte, um somit eine neue Menge von Hintergrundgraustufen (XB',M-1) zu erzeugen. Dieser Prozeß wird wiederholt, bis sich die Position der erhaltenen Verteilung entweder am oberen Ende des- Bereichs befindet, oder bis der Prozentsatz der Pixelanzahl innerhalb des Fensters kleiner als 0,1 ist. XB, die Graustufe hinter der alle Graustufen mit höchster Dichte gedruckt werden, wird als der Mittelwert der Graustufen innerhalb des letzten Fensters genommen.
Fig. 6 ist ein Blockschaltbild, das die zuvor beschriebene Schrittfolge zeigt. Zuerst wird die Schwelle XB' zwischen dem Vordergrund und dem Hintergrund berechnet 58. Als nächstes wird die Entropie HB für die Graustufen im Bereich (XB',M-1) berechnet 60. Die Breite W einer gleichmäßigen Verteilung entsprechend der Entropie HB wird berechnet 62. Dieses Fenster (der Breite W) befindet sich entweder am unteren oder oberen Ende des Bereichs (XB',M-1) 64. Falls es sich am oberen Ende befindet, wird der Fensterdurchschnitt (XB) als Mittelwert der Graustufen innerhalb des Fensters berechnet 66. Falls sich das Fenster am unteren Ende des Bereichs (XB',M-1) befindet, wird der Prozentsatz der Pixel mit Graustufen innerhalb des Fensters geprüft 68, und wenn der Prozentsatz kleiner als 0,5 ist, wird der Fenstermittelwert XB als der Mittelwert der Graustufen innerhalb des Fensters berechnet 66. Für den Fall, daß sich die Lage am unteren Ende des Prozentsatzes von Pixeln befindet, deren Graustufen innerhalb des Fensters größer als 0,5 sind, werden die Graustufen innerhalb des Fensters aus der Menge (XB',M-1) entfernt, um eine neue Menge (XB',M-1) der Hintergrundgraustufen 70 zu erzeugen. Der gesamte Prozeß, ausgehend von der Entropieerzeugung, wird jetzt mit den neuen Bereich (XB',M-1) wiederholt, bis der Fensterdurchschnittswert XB berechnet werden kann.

2. Erzeugung des bildwichtigen Bereichs (ROI = Region of Interest)

Nachdem die Hintergrundgraustufe XB ermittelt worden ist, wird der nachfolgend als bildwichtiger Bereich bezeichnete Bereich X&sub0; bis X&sub1; ermittelt. Der Prozeß zur Ermittlung dieses Bereichs ist im wesentlichen eine Schwellenwertoperation, die auf bestimmten Kriterien beruht.
Das verwendete Kriterium besteht darin, daß wenn der Hintergrundteil des Bildes verschwindet, der Schwellenwert die Vorlaufkante der Verteilung erreicht, da die meisten Informationen in diesem Fall diagnostisch relevant sein werden. Daraus folgt, daß die meisten herkömmlichen Ansätze zur Hintergrundschwellenwertbildung, wie in T. Pun, "Entropic Thresholding: A new approach," Computer Graphics and Image Processing 16, 1981 Seite 210-239, J. N. Kapur, et al., "A new method for gray-level picture thresholding using the entropy of the histogram," Computer Vision, Graphics and Image Processing 29, 1985, Seite 273-285, beschrieben, in diesem Fall nicht anwendbar sind, da sich der durch diese Techniken erhaltene Schwellenwert den Stützmittelpunkt des Histogramms bei verschwindenden Hintergrund nähert.
Andere wohlbekannte Techniken, die einfache Merkmale (z.B. Mittelwert, Varianz, Percentil usw.) zur Schwellenwertbildung des Bildes benutzen, arbeiten aufgrund der großen Vielfalt von Histogrammen, die sich aus verschiedenen Körperteilen und verschiedenen Abbildungssystemen ergeben können, nicht zufriedenstellend und robust.
Daher basiert das Kriterium zur erfindungsgenäßen Ermittlung des Schwellenwerts auf einen umfassenderen Merkmal des Histrogramms, und zwar dahingehend, daß der Schwellenwert dazu neigt, am Ende des Histogramms zu liegen, wenn der Hintergrund immer kleiner wird. Das Kriterium leitet sich aus der Art der Transformation ab, die über den bildwichtigen Bereich eingesetzt werden soll. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird über den bildwichtigen Bereich eine lineare Transformation ausgeführt, um die Ergebnisse jeglicher vorheriger Bildverarbeitung (z .B. Kantenhervorhebung, Rauschunterdrückung usw.) zu bewahren, die für das Bild aüsgeführt worden ist. Lineare Transformation ist die ideale Transformation, wenn es sich bei dem Histogramm des Bildes um eine gleichmäßige Verteilung handelt. Somit besteht der nächste Schritt nach der Hintergrundermittlung darin, das Bildhistogramm als ein gleichmäßiges Histogramm einer bestimmten Breite und eines bestimmten Mittelwertes anhand einiger statistischer Kriterien zu manipulieren. Die Kriterien berücksichtigen die Tatsache, daß der bildwichtige Bereich der am meisten belegte Bildbereich ist, nachdem der Hintergrund getrennt worden ist. Dies soll sicherstellen, daß die vorhandene Verteilung den diagnostisch wichtigen Bereich bezeichnet.
Ein mögliches Kriterium zur Manipulation des Histogramms ist der kleinste mittlere Fehler (MMSE = Minimum Mean Squared Error). Bei diesem Kriterium besteht das Ziel darin, eine Histogrammbreite w zu wählen und den mittleren Fehler zwischen der tatsächlichen kumulativen Verteilung und der vorhandenen Verteilung zu minimieren. Dies führt zwar zu zufriedenstellenden Ergebnissen, erfordert aber einen hohen Berechnungsaufwand.
Ein bevorzugter Ansatz nutzt die Entropie HI des Bildhistogramms zur Berechnung der Histogrammbreite. Das Ziel besteht darin, w, die Breite der vorhandenen gleichmäßigen Verteilung, so zu wählen, daß die mit dieser vorhandenen gleichmäßigen Verteilung-verbundene Entropie HN gleich H&sub1; ist, also der Entropie des Bildhistogramms. {pi, i = 0, ..., XB) sei das neu normierte Bildhistogramm im Bereich der Graustufen von 0 bis XB. Dann ist
die Breite w ermittelt sich durch HN = HI, d.h. w =exp(HI).
Um das Modell abzuschließen, wird ein Fenster der Breite w an der entsprechenden Position (nach einem bestimmten Kriterium) auf der Graustufenskala plaziert. Ahnlich dem zuvor beschriebenen Verfahren zur Ermittlung des Hintergrunds benutzen wir das Kriterium der größten Wahrscheinlichkeit innerhalb des Fensters, d.h. wir wählen die Position mit der größten Anzahl von Pixeln innerhalb des Fensters. Aufgrund der Eigenschaft des Histrogramms befindet sich diese Position entweder am unteren Ende oder am oberen Endes der Graustufenskala. Die Lage am unteren Ende stellt den bildwichtigen Bereich dar. Falls sich die Position am oberen Ende befindet, haben wir den mittleren Graustufenwert Xav innerhalb des Fensters ermittelt, und wiederholen den zuvor durch die Gleichungen (8) und (9) dargestellten Prozeß und setzen den Prozeß fort, bis sich das Fenster am unteren Ende der Graustufenskala befindet.
Fig. 7 ist ein Blockschaltbild zur Darstellung der Schritte zur Auffindung des bildwichtigen Bereichs. Zuerst wird die Entropie des Histogramms mit, Hilde der zuvor beschriebenen Bildgraustufen zwischen X&sub0;&sub0; und XB. berechnet 72, wobei wir folgendes definieren
X&sub0;&sub0; = min(100, X&sub1;&sub0;) (10)
X&sub1;&sub0; = zehntes Percentil des Histogramms
X'B = {XB im ersten Durchgang Xav in weiteren Durchgängen
Als nächstes wird die Breite w des bildwichtigen Bereichs ROI berechnet 74. Ein der Breite w entsprechendes Fenster wird aufgefunden. Wenn sich das Fenster am unteren Ende des Histogramms befindet, wird es als ROI betrachtet 78. Wenn sich das Fenster am oberen Ende des Histogramms befindet, wird der Mittelwert der Pixelwerte im Fenster gebildet, um einen neuen Mittelwert XB' zu bilden, und der Prozeß wird über den neuen Bereich (X&sub0;&sub0;T XB') wiederholt, bis sich das Fenster am unteren Ende des Histogramms befindet.
Das Ende des Fensters X&sub1; ergibt sich durch
X&sub1; = X&sub0;&sub0; + w (11)

Erzeugung der Ausgabe-Transformationstabelle

Die die Graustufentransformationsfunktion darstellende Ausgabe-Transformationstabelle w wird jetzt abgeleitet, und zwar basierend auf der Breite w und der Lage des bildwichtigen Bereichs ROI. Die erfindungsgemäß erzeugte Graustufentransformationsfunktion wird in Fig. 8 gezeigt, wo die ordinate die erforderliche Ausgabedichte darstellt und die Abszisse die Eingabegraustufe. Die Graustufentransformationsfunktion 82 besteht aus einem sich. im wesentlichen über den gesamten bildwichtigen Bereich erstreckenden linearen Segment 84. Das lineare Segment wird durch eine Linie zwischen Punkt P&sub1;, der den Beginn des bildwichtigen Bereichs an Dmin darstellt, und einem Punkt P&sub2; gezogen, der das Ende des bildwichtigen Bereichs an einer Dichte D&sub1; darstellt, die wie beschrieben ermittelt wird. Das lineare Segment 84 ist nahtlos mit einem ersten Segment 86 über einen Graustufenbereich verbunden, der an dem Beginn des Histogramms anfängt und nahtlos an Punkt 90 mit dem linearen Segment 84 bis innerhalb von Δ&sub1; ab dem Beginn des bildwichtigen Bereichs verbunden ist. Gleichermaßen wird ein Segment 88 nahtlos mit dem linearen Segment 84 an Punkt 92 innerhalb von Δ&sub2; des Endes des bildwichtigen Bereichs verbunden und erstreckt sich bis Dmax an der Hintergrundgraustufe XB. Segment 84 wurde als lineares Segment gewählt, um die Mikrostrukturen des Bildes zu bewahren, nachdem es durch DIP 16 verarbeitet wurde; Segmente 86 und 88 können linear oder nicht linear sein.
Die Breiten der Übergangsbereiche Δ&sub1; und Δ&sub2; hängen von der Art des Histogramms und der Bit-Tiefe des Eingabebildes ab. Wir haben festgestellt, daß praktikable Werte für medizinische Bilder auffolgende Weise erzielt werden können. Der Wert für Δ&sub1; und der Schnittpunkt der Geraden 84 X&sub0;. Allerdings empfiehlt sich eine gewisse Mindestbreite, um keine abrupten Kurvenverlaufsänderungen in der Grauskala zu erzeugen. Auf ähnliche Weise sollte der Wert für Δ&sub2; von dem Abstand zwischen X&sub1; und XB abhängen. Allerdings sollte diese Breite einen Mindestwert aufweisen, um keine abrupten Kurvenänderungen in der Grauskala zu erzeugen. Folgende Ausdrücke erfüllen diese Einschränkungen;
Δ&sub1; = MIN[M/20, X&sub0;-X&sub0;' /2]
Δ&sub2; = MIN[M/20, XB-X&sub1;' /2],
wobei M die Gesamtzahl der Graustufen im Bild ist, und die Funktion MIN als Ausgabe den Mindestwert ihrer Argumente erzeugt.
Der Kurvenverlauf des linearen Segments 84 und damit der Wert D&sub1; ermitteln, sich, indem man den Mittelwert und die Varianz der Ausgabebilddichte über den bildwichtigen Bereich ROI gleich einiger empirisch aus einer statistischen Untersuchung vieler Bilder mit zufriedenstellenden Tönen ermittelter Werte setzt. Der Wert D&sub1; wird wie folgt ermittelt. D(X) sei die Ausgabedichte als eine Funktion von x, der Eingabegraustufe. Dann ergibt sich für das lineare Modell (über den bildwichtigen Bereich)
wobei γ =
der Kurvenverlauf der Geraden ist,
Dmin ist die in Ausgabebild erzielbare Mindestdichte, und f&sub1;(X), f&sub2;(X) stellt die Segmente 86 bzw. 88 dar.
Die nicht linearen Funktionen f&sub1;(X) und f&sub2;(X) werden 50 gewählt, daß Funktion und Kurvenverlauf an den Knickpunkten 90 bzw. 92 fortlaufen. Die Funktion f&sub2;(X) hängt sowohl von D&sub1;, dem Dichtesollwert am Ende des bildwichtigen Bereichs ROI ab, sowie von Dmax, der im Ausgabebild erzielbaren maximalen Dichte, während die Funktion f&sub1;(X) von Dmin und den relativen Positionen von X&sub0; und X&sub0;' abhängt. Es gibt eine Anzahl bekannter Kurvenanpassungsfunktionen, die zur Erzeugung dieser nicht linearen Bereiche benutzt werden können. Da jede Funktion zwei grenzbedingungen in bezug auf ihren Wert und eine in bezug auf ihren Kurvenverlauf erfüllen muß, werden drei Parameter in der Anpassung benötigt. Somit kann eine allgemein quadratische Anpassung benutzt werden. Wir haben empirisch festgestellt, daß eine Parabel den besten visuellen Eindruck in den nach diesem Verfahren erzeugten Bild ergibt. Alternativ hierzu ist es ebenfalls möglich, eine Histogrammgleichung (siehe z.B. W. K. Pratt, Digital Image Processing, Addison Wesley, 1978) zur Erzeugung dieser Abschnitte zu benutzen.
Durch Einbeziehung des Mittelwerts und der Varianz der Gleichung (12) über den linearen Teil des bildwichtigen Bereichs ROI ergibt sich
Dav = γ(Xav - X'&sub0;) + Dmin (13)
Dva = γ Xva
wobei
Dav = mittlere Dichte des Ausgabebildes über den linearen Teil des bildwichtigen Bereichs ROI
Dvar = Varianz des Ausgabebildes über den linearen Teil des bildwichtigen Bereichs ROI
Xav = mittlere Graustufe des Eingabebildes über den linearen Teil des bildwichtigen Bereichs ROI
Xvar = Varianz der Graustufe des Eingabebildes über den linearen Teil des bildwichtigen Bereichs ROI
Gleichungen (13) und (14) stellen zwei Gleichungen mit vier Unbekannten dar. Durch Wahl von Sollwerten für Dav und Dvar, die auf statistischen Analysen einer großen Vielfalt von Bildern beruhen, können diese Gleichungen für γ und X&sub0;' gelöst werden:
Typischerweise liegt der Wert von Dav im Bereich von 0,7 - 0,8, wobei der Wert von Dvar im Bereich von 0,33 - 0,37 liegt. (Diese Lösungen sind nur Näherungen in dem Fall, wenn X'&sub0; < X&sub0;).
Es gibt für X'&sub0;:X'&sub0;< X&sub0; und X'&sub0;≥X&sub0; zwei Möglichkeiten. Der Fall X'&sub0;< X&sub0; wird in Fig. 9 gezeigt, in den die Ziffer 94 eine wie oben beschrieben erzielte Kurvenlinie r darstellt. Um sicherzustellen, daß Dmin im Ausgabebild reproduziert wird, wird der Kurvenverlauf dieser Linie 94 so um den Punkt P&sub2; angepaßt, so daß Punkt P&sub3; an X'&sub0; geschnitten wird, wie durch die Strichlinie 96 dargestellt. Der resultierende leichte Anstieg in der Varianz und Abfall der mittleren Dichte ist vernachlässigbar.
Fig. 10 stellt den Fall X'&sub0;≥X&sub0; dar. Linie 94 ist die wie oben beschrieben erzielte Gerade. Der Kurvenverlauf dieser Linie wird um Punkt P&sub2; angepaßt, so daß Punkt P&sub3; an X'&sub0; geschnitten wird, wie durch die Strichlinie 96 dargestellt, um sicherzustellen, daß Dmin im Ausgabebild reproduziert wird. Der etwas höhere Mittelwert und die geringere Varianz von den Sollwerten sind unerheblich.
Die vorliegende Erfindung ist in der digitalen Bildverarbeitung und insbesondere in der digitalen Verarbeitung medizinischer Röntgendiagnosebilder verwertbar. Die Erfindung ist insofern von Vorteil, als daß eine Graustufenskala eines Ausgabebildes automatisch für eine große Familie von Bildern angepaßt wird, ohne daß es erforderlich ist, eine Vielfalt von Graustufenfunktionen zu speichern, und ohne die Notwendigkeit, daß ein Bediener in die Auswahl der gewünschten Graustufenreproduktionsfunktion eingreift. Insbesondere paßt sich das Verarbeitungsverfahren automatisch an viele verschiedene Untersuchungstypen an, so wie Brust, Verdauungstrakt, Schädel und Extremitäten, ohne daß ein Bedienereingriff erforderlich ist.

Claims

1. Verfahren zum Verarbeiten eines Röntgendiagnostik- Digitalbildes mit folgenden Schritten:

(a) Bilden einer Graustufentransformationsfunktion in einem Digitalrechner durch

(i) Erzeugen eines Histogramms des Digitalbilds;

(ii) Aufteilen des Histogramms in einen bildwichtigen Bereich (ROI) und einen Hintergrundbereich;

(iii) Bilden einer Graustufentransformationsfunktion (82) mit einem im wesentlichen im bildwichtigen Bereich liegenden linearen Abschnitt (84), der nahtlos in einen sich vom Anfang des Histogramms bis zum linearen Abschnitt erstreckenden ersten Abschnitt (86) und einen sich vom linearen Abschnitt zum Beginn des Hintergrundbereichs erstreckenden zweiten Abschnitt übergeht; und

(b) Transformieren des Digitalbildes mittels der Graustufentransformationsfunktion;

dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (ii) der Histogrammaufteilung in einen bildwichtigen Bereich und einen Hintergrundbereich folgende Schritte umfaßt:

(1) Annehmen das Histogramm sei aus zwei Modi gebildet; und

(2) Bestimmen der die beiden Modi trennenden Graustufe (XB) durch Maximierung der empirischen Bildentropie durch

entweder

(a1) Manipulieren der Hintergrund-Graustufenverteilung als gleichmäßige Verteilung von im wesentlichen gleicher Entropie wie die Hintergrundverteilung, und Berechnen der Breite W der erhaltenen Verteilung;

(a2) Bestimmen der Lage eines Fensters von der Breite W und der größten Anzahl von Pixeln im Hintergrundbereich; und

(a3) Festlegen des Anfangs des Fensters als die Hintergrundschwelle, sofern das Fenster am oberen Ende der Hintergrundverteilung liegt, andernfalls Berechnen eines neuen Fensters basierend auf dem Mittelwert der Graustufen im Fenster, bis das Fenster am oberen Ende der Hintergrundverteilung liegt, und Festlegen des Anfangs des neuen Fensters als Hintergrundschwelle;

oder

(b1) Manipulieren des bildwichtigen Bereichs des Histogramms als gleichmäßige Verteilung von im wesentlichen gleicher Entropie wie der bildwichtige Bereich, und Berechnen der Breite W der erhaltenen Verteilung;

(b2) Bestimmen der Lage eines Fensters von der Breite W und der größten Anzahl von Pixeln im bildwichtigen Bereich; und

(b3) Festlegen des Fensters als den bildwichtigen Bereich, sofern das Fenster am unteren Ende des bildwichtigen Bereichs liegt, andernfalls Berechnen eines neuen Fensters basierend auf dem Mittelwert der Graustufen im Fenster, bis das Fenster am unteren Ende des bildwichtigen Bereichs liegt, und Festlegen des neuen Fensters als den bildwichtigen Bereich.

2. Verfahren nach Anspruch 1 mit folgendem Schritt:

- Verarbeiten des Bildes mittels eines Digitalbildprozessors (16), beispielsweise durch Kantenhervorhebung oder Rauschunterdrückung vor Durchführung der Transformation des Digitalbildes mittels der Graustufentrans formations funktion.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte der Bildung einer Graustufentransformationfunktion den zusätzlichen Schritt umfassen:

- Erzeugen des linearen Abschnitts der Funktion durch Festlegen eines Kurvenverlaufs, der bewirkt, daß mittlere Dichte und Varianz des Wiedergabebildes im bildwichtigen Bereich vorbestimmten Sollwerten entsprechen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmten Sollwerte für mittlere Dichte und Varianz im Bereich 0,7 - 0,85 bzw. 0,3 - 0,4 liegen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmten Sollwerte für mittlere Dichte und Varianz 0,78 bzw. 0,35 betragen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder zweite Abschnitt der Graustufentransformationsfunktion eine Parabel bildet bzw. bilden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder zweite Abschnitt der Graustufentransformationsfunktion eine Histogramm-Ausgleichsfunktion bildet bzw. bilden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder zweite Abschnitt der Graustufentransformationsfunktion eine Gerade bildet bzw. bilden, die über eine Parabel nahtlos in den linearen Abschnitt übergeht.

9. Vorrichtung zum Verarbeiten eines Röntgendiagnostik- Digitalbildes mit

(a) Mitteln zum Bilden einer Graustufentransformationsfunktion mit

(i) Mitteln (50) zum Erzeugen eines Histogramms des Digitalbilds;

(ii) Mitteln (52,54) zum Aufteilen des Histogramms in einen bildwichtigen Bereich und einen Hintergrundbereich;

(iii) Mitteln zum Erzeugen eines linearen Abschnitts der Graustufentransformationsfunktion, der sich iin wesentlichen über den bildwichtigen Bereich des Histogramms erstreckt, und eines ersten Abschnitts, der vom Anfang des Histogramms ausgeht und sich nahtlos an den linearen Abschnitt anschließt, und eines zweiten Abschnitts, der sich vom linearen Abschnitt bis zum Hintergrundbereich des Histogramms erstreckt;

(b) Mitteln (56) zum Erzeugen einer die Graustufentransformationsfunktion darstellenden Transformationstabelle; und

(c) Mitteln zum Verarbeiten des Digitalbildes durch Adressieren der Transformationstabelle;

dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (60)

zum Aufteilen des Histogramms zusätzlich Mittel zum Bestimmen der Graustufe (XB) aufweisen, die zwei Modi des Histogramms trennt, durch Maximierung der empirischen Bildentropie, wobei die Aufteilungsmittel folgende Komponenten aufweisen:

entweder

(a1) Mittel (62) zum Manipulieren der Hintergrund-Graustufenverteilung als gleichmäßige Verteilung mit im wesentlichen der gleichen Entropie wie die Hintergrundverteilung, und Berechnen der Breite W der erhaltenen Verteilung;

(a2) Mittel (64) zum Bestimmen der Lage eines Fensters von der Breite W und der größten Anzahl von Pixeln im Hintergrundbereich; und

(a3) Mittel (68) zum Festlegen des Anfangs des Fensters als der Hintergrundschwelle, sofern das Fenster am oberen Ende der Hintergrundverteilung liegt, andernfalls Berechnen eines neuen Fensters basierend auf dem Mittelwert der Graustufen im Fenster, bis das Fenster ain oberen Ende der Hintergrundverteilung liegt, und Festlegen des Anfangs des neuen Fensters als Hintergrundschwelle,

oder

(b1) Mittel zum Manipulieren des bildwichtigen Bereichs des Histogramms als gleichmäßige Verteilung von im wesentlichen gleicher Entropie wie der bildwichtige Bereich, und Berechnen der Breite W der erhaltenen Verteilung;

(b2) Mittel (76) zum Bestimmen der Lage eines Fensters von der Breite W und der größten Anzahl von Pixeln im bildwichtigen Bereich; und

(b3) Mittel (76) zum Festlegen des Fensters als den bildwichtigen Bereich, sofern das Fenster am unteren Ende des bildwichtigen Bereichs (78) liegt, andernfalls Berechnen eines neuen Fensters basierend auf dem Mittelwert der Graustufen im Fenster, bis das Fenster am unteren Ende des bildwichtigen Bereichs liegt, und Festlegen des neuen Fensters als den bildwichtigen Bereich.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Mittel zum Verarbeiten des Bildes mittels eines Digitalbildprozessors, beispielsweise durch Kantenhervorhebung oder Rauschunterdrückung, vor Durchführung der Transformation des Digitalbildes mittels der Graustufentransformationsfunktion.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen der Graustufentransformationsfunktion zusätzlich Mittel aufweisen zum Erzeugen des linearen Abschnitts der Funktion durch Festlegen eines Kurvenverlaufs, der bewirkt, daß mittlere Dichte und Varianz des Wiedergabebildes im bildwichtigen Bereich vorbestimmten Sollwerten entsprechen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmten Sollwerte für mittlere Dichte und Varianz im Bereich 0,7 - 0,85 bzw. 0,3 - 0,4 liegen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmten Sollwerte für mittlere Dichte und Varianz 0,78 bzw. 0,35 betragen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder zweite Abschnitt der Graustufentransformationsfunktion eine Parabel bildet bzw. bilden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder zweite Abschnitt der Graustufentransformationsfunktion eine Histogramm-Ausgleichsfunktion bildet bzw. bilden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder zweite Abschnitt der Graustufentransformationsfunktion eine Gerade bildet bzw. bilden, die über eine Parabel mit dem linearen Abschnitt verbunden ist.