DE69825845T2

DE69825845T2 - Verfahren zum Zusammensetzen des Strahlungsbildes eines Körpers aus Strahlungsteilbildern

Info

Publication number: DE69825845T2
Application number: DE69825845T
Authority: DE
Inventors: Piet Dewaele; Piet Vuylsteke
Original assignee: Agfa Gevaert NV
Current assignee: Agfa HealthCare NV
Priority date: 1997-12-01
Filing date: 1998-11-17
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2018-11-18
Also published as: US6269177B1; JP4526134B2; DE69733689D1; JPH11244269A; EP0919856B1; DE69733689T2; JPH11244270A; DE69825845D1; EP0919856A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Rekonstruktion eines Strahlungsbilds eines Körpers aus Teilstrahlungsbildern, die jeweils einen Teil des Strahlungsbilds des Körpers umfassen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Bei der Röntgendurchleuchtung mit flacher Projektion existieren Untersuchungsarten, die darauf zielen, einen größeren Teil des Körpers abzubilden, als auf einen Film einer einzigen oder selbst der größten Bildkassette passt.
Derartige Abbildungserfordernisse bestehen bei sogenannten Untersuchungen eines ganzen Beins oder einer ganzen Wirbelsäule, bei denen die klinische Indikation es erfordert, dass z. B. die ganze Wirbelsäule oder das ganze Bein auf einmal untersucht wird, um eine Diagnose möglich zu machen oder sie zu quantifizieren.
Analog zur herkömmlichen, auf Röntgenfilmen beruhenden Röntgendurchleuchtung erfolgen bei Bildaufnahmen mit Speicherleuchtstoffen, bei denen ein Strahlungsbild vorübergehend in einem photostimulierbaren Leuchtstoffschirm gespeichert wird, derartige Untersuchungen durch das Füllen einer größeren Kassette mit einer Mehrzahl von Speicherleuchtstofffilmen, die im Allgemeinen miteinander so überlappen, dass sie die längere langgestreckte Kassette vollständig bedecken (eine Ausführungsform, die als Ausführungsform mit überlappenden Filmen bezeichnet wird).
Derartige langgestreckte Kassetten haben typischerweise Maße von 35×05 cm für Untersuchungen eines ganzen Beins und von 30×90 cm für Untersuchungen einer ganzen Wirbelsäule. Bei der Ausführungsform mit überlappenden Filmen misst die größte Einzelfilmkassette 35×43 cm und ist damit ungeeignet für die Abbildung der Wirbelsäule oder eines Beins. Typischerweise werden 4 Filme verwendet, z. B. werden 4 (24×30 cm) Filme in einer Kassette mit 30×90 cm angeordnet, was offensichtlich in einer überlappenden Konfiguration resultiert. Daher wird der Teil des Bildes, der dem Überlappungsbereich entspricht, weniger belichtet werden.
Alternativ kann die Situation von nicht überlappenden Bildern auftreten, z. B. auch bei einer Konfiguration von 3 (35×35 cm) Abbildungsfilmen in einer 35×105 cm Kassette, die zu 3 paarweise berührenden, aber ansonsten nicht überlappenden Bildern führt.
Während der Aufnahme ist zugleich ein festes Gitter im Weg des Röntgenstrahls vorhanden, das zu einem Bild eines Rasters aus horizontalen und vertikalen, parallelen dünnen Linien führt, die dem Strahlungsbild des langgestreckten Körpers überlagert sind. Diese Linien unterstützen den Radiologen oder Operator beim Rekonstruieren der ursprünglichen Geometrie des Körpers, da Linien auf dem Bild notwendigerweise kontinuierlich und nahtlos in Linien des vorhergehenden Bildes und des nächsten Bildes laufen müssen.
In der Europäischen Patentanmeldung 97 200 857.7, die der EP-A-0 866 342 entspricht, und in der US Ser.09/035.528 ist ein Verfahren zum Aufnehmen eines Strahlungsbildes eines langgestreckten Körpers durch Verwendung einer Sequenz von Aufzeichnungselementen in teilweise überlappender Anordnung offenbart.
Das Bildaufnahmeverfahren nimmt die Verwendung einer langgestreckten Kassette an, in der eine Folge von stimulierbaren Leuchtstofffilmen in überlappender Weise so angeordnet sind, dass die Kassette vollständig abgedeckt ist.
Nach der Aufnahme wird die langgestreckte Kassette geöffnet, die einzelnen Filme aus der Kassette entnommen und in eine kleinere Kassette einer Größe verbracht, die den Abmessungen eines individuellen Films entsprechen. Dann werden die Kassetten nacheinander in eine spezielle Auslesevorrichtung eingeführt, wo die Kassette wieder geöffnet wird, der Film aus der Kassette genommen und mittels stimulierender Strahlung abgetastet wird. Das bildartig modulierte Licht, das nach der Stimulierung emittiert wird, wird erfasst und in eine digitale Bilddarstellung eines Teils des langgestreckten Körpers umgewandelt. Als nächstes werden die digitalen Bilddarstellungen, die aus jeder der Kassetten ausgelesen wurden, rekombiniert, um ein Bild des ganzen langgestreckten Körpers zu erzeugen.
Diese Patentanmeldung betrifft auch ein Verfahren zum Erzielen eines einzelnen 'zusammengefügten' Bildes eines langgestreckten Körpers, das die aus jedem dieser Aufzeichnungselemente ausgelesenen Bilder verwendet.
Die Patentanmeldungen 97 200 857.7, die der EP-A-0 866 342 entspricht, und US Ser. 09/035,528 offenbaren ferner ein Verfahren zum Erzielen eines 'zusammengefügten' Bilds des langgestreckten Körpers, d. h. es ist ein Verfahren zum Rekombinieren der aus jeder der Kassetten ausgelesenen Bilddarstellungen zu einem kompletten Bild des langgestreckten Körpers offenbart.
Das Verfahren verwendet das Bild eines periodischen Gitters, das im Weg der Röntgenstrahlung auf der langgestreckten Kassette platziert ist, so dass es die ganze Länge der Kassette kontinuierlich abdeckt. Das Bild des Gitters wurde somit dem Bild des langgestreckten Körpers überlagert, das auf den überlappenden Aufzeichnungselementen aufgezeichnet wurde. Da das Gitter die ganze Länge der Kassette (oder des langgestreckten Körpers) kontinuierlich abdeckt, sollte sein Bild auch in der resultierenden, rerekonstruierten Bildzusammensetzung in kontinuierlicher Weise vorhanden sein. Diese Kenntnis wurde dazu verwendet, die Ausrichtung und das Zusammenfügung der Bilder relativ zu einander zu ermöglichen.
Das in den obigen Patentanmeldungen offenbarte Zusammenfügungsverfahren hängt von zwei Basisalgorithmen ab: (1) Erfassen und Modellieren des periodischen Gitters und (2) Kreuzkorrelation überlappender Bildteile. Das offenbarte Zusammenfügungsverfahren berücksichtigt Korrekturen von Bildverzerrungen aufgrund von Verschiebung, Überlappung und Drehung eines Unterbilds relativ zum vorhergehenden und nächsten Unterbild.
Es kann jedoch vorkommen, dass das Bild des schwächenden Gitters oder ein Teil davon auf einem Aufzeichnungselement relativ zur ursprünglichen Form des Gitters verformt ist. Dies bedeutet, dass Teile des Bildes des Kalibrierungsgitters nicht kongruent zu dem ursprünglichen physischen Gitter sind. Da das Bild des Gitters als Führung zur Rekonstruktion des vollständigen Bildes des langgestreckten Körpers aus den aus den individuellen Aufzeichnungselementen ausgelesenen Teilbildern verwendet wird, ist eine derartige Verformung inakzeptabel, weil sie zu einer fehlerhaften Zusammenfügung führen könnte.
Derartige Probleme wurden im bisherigen Stand der Technik nicht behandelt.
Beispiele für herkömmliche Verfahren zur Rekonstruktion eines Strahlungsbildes eines Körpers sind auch in der US-A-3 744 045 und der EP-A-0 618 719 beschrieben.
AUFGABEN DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zum Rekonstruieren eines Strahlungsbilds eines Körpers aus Strahlungsteilbildern bereitzustellen, das Zusammenfügungsprobleme überwindet, die ihren Ursprung in der geometrischen Verformung der Teilbilder haben.
Weitere Aufgaben der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung hervorgehen.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die obengenannten Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Rekonstruktion eines Strahlungsbilds eines Körpers aus ursprünglichen Strahlungsteilbildern nach Anspruch 1 gelöst.
Bei einer spezifischen Ausführungsform werden geometrisch korrigierte Teilbilder dadurch erhalten, dass die ursprünglichen Teilbilder einer geometrischen Transformation unterworfen werden, so dass für die Teile des Strahlungsbilds des geometrischen Kalibrierungsgitters die Geometrie des geometrischen Kalibrierungsgitters wiederhergestellt wird und gleichzeitig für die Teile des Strahlungsbilds des Körpers die Geometrie der ursprünglichen Teile des Strahlungsbilds wiederhergestellt wird.
Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden unter Bezug auf eine spezifische Ausführungsform beschrieben werden, wobei ein Bild eines langgestreckten Körpers wie beispielsweise ein Bild eines ganzen Beins – einer ganzen Wirbelsäule aus Teilbildern rekonstruiert wird, die jeweils einen Teil des langgestreckten Körpers repräsentieren. Die Teilbilder werden aus separaten Aufzeichnungselementen ausgelesen, die jeweils in einer separaten Kassette transportiert werden, wobei diese separaten Kassetten zu einer der unten beschriebenen Anordnungen zusammengesetzt sind. Die Aufzeichnungselemente sind zum Beispiel photostimulierbare Leuchtstofffilme, aber andere Ausführungsformen, wie beispielsweise filmverstärkende Filmkombinationen sind vorstellbar.
Durch die Verwendung von Kassetten müssen individuellen Filme nicht länger unter Dunkelraumbedingungen gehandhabt werden und das Risiko einer zufälligen Beschädigung der Filme oder einer Kontaminierung durch Staub ist beseitigt, da die Filme nicht länger aus den Kassetten genommen werden.
Da derartige Kassetten jedoch eine Dicke aufweisen, die nicht vernachlässigbar ist, und da Kassetten sich in einer verkippten Position befinden können, könnte das Bild eines Kalibrierungsgitters, das auf der Anordnung platziert ist, geometrisch relativ zu der Form des physischen Gitters verformt sein. Derartige Verformungsprobleme werden durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung gelöst.
Es versteht sich, dass diese Erfindung weder auf die Rekonstruktion eines Bildes eines langgestreckten Körpers, noch auf die weiter oben beschriebenen Aufzeichnungsmedien, noch auf eine Anordnung begrenzt ist, bei der Aufzeichnungsmedien in individuellen Kassetten transportiert werden, die zu einer Kassettenanordnung zusammengesetzt sind.
Die vorliegende Erfindung ist auf alle Arten von Bildern anwendbar, die aus einer Anzahl von Teilbildern rekonstruiert werden (z. B. solche, die mittels einer zweidimensionalen Anordnung von (überlappenden) Kassetten aufgenommen werden).
Um in der Lage zu sein, das ganze Bild eines Körpers exakt aus Teilbildern zu rekonstruieren, wird ein Muster von Referenzmarken, das im Folgenden als 'geometrisches Kalibrierungsgitter' bezeichnet wird, auf die strahlungssensitiven Aufzeichnungselemente zusätzlich zu dem Bild des Körpers aufgezeichnet.
Ein geometrisches Kalibrierungsgitter kann verschiedene Formen annehmen. Es kann zum Beispiel aus einer Anordnung von Referenzmarken bestehen, deren relative Position bekannt ist. Ein aus äquidistanten Linien aus die Strahlung schwächendem Material hergestelltes Gitter, das die ganze Länge der Kassettenanordnung abdeckt, wird jedoch zur Erleichterung der Manipulation, der Erfassung und der Wiederzusammensetzung bevorzugt.
Während der Aufnahme ist das Gitter im Weg des Röntgenstrahls vorhanden und führt zu einem Bild eines Rasters von horizontalen und vertikalen, parallelen, dünnen Linien, das dem Strahlungsbild des langgestreckten Körpers überlagert wird. Die Linien in dem Bild müssen notwendigerweise kontinuierlich und nahtlos in Linien des vorhergehenden Bildes und des nächsten Bildes laufen. Das Bild des Gitters kann auf diese Weise den Radiologen beim Rekonstruieren des Bildes anleiten, wie im Weiteren erläutert werden wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Weitere Vorteile und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung offenbar werden, die mittels der folgenden Zeichnungen veranschaulicht wird:
1 zeigt einen mechanischen Aufbau für die Aufnahme eines Bildes eines langgestreckten Körpers unter Verwendung einer Mehrzahl von Kassetten regelmäßiger Größe in einer alternierend überlappenden Anordnung,
2 zeigt einen mechanischen Aufbau für die Aufnahme eines Bildes eines langgestreckten Körpers unter Verwendung eines Stapels von Kassetten regelmäßiger Größe in einer treppenartig überlappenden Anordnung,
3 zeigt einen mechanischen Aufbau für die Aufnahme eines Bildes eines langgestreckten Körpers unter Verwendung eines Stapels von Kassetten regelmäßiger Größe in einer schräg überlappenden Anordnung,
4 zeigt einen Gitteraufdruck (durchgezogene Linien) in einem der aufgenommenen Unterbilder, das durch das Verfahren der schräg überlappenden Anordnung erhalten wird. Jede der überlappenden Kassetten erzeugt eine geometrische Verzerrung, wodurch ein nicht kongruentes vierseitiges Polygon erzeugt wird. Andere Verformungen können vorhanden sein, z. B. kann das Gitter außerdem relativ zu den Bildgrenzen aufgrund der Verdrehung des Films in der Kassette regelmäßiger Größe oder der Verdrehung des Films relativ zu der Abtastachse in der Auslesevorrichtung oder aufgrund einer Kombination der genannten Fehlausrichtungen verdreht sein. Die gestrichelten Linien (---) bezeichnen eine Unterteilung in rechtwinklige, vertikale und horizontale Blöcke zur Profilberechnung und die gepunkteten Linien (...) bezeichnen Mittellinien der entsprechenden Blöcke. Die Lochmarken (o) bezeichnen die Positionen der vertikalen Gitterlinien in den horizontalen Profilen und die Kreuzmarken (x) bezeichnen die Positionen der horizontalen Gitterlinien in den vertikalen Profilen.
5 ist ein Blockdiagramm, das die verschiedenen Schritte des Algorithmus veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Obschon die vorliegende Erfindung nachfolgend in Verbindung mit einer bevorzugten Ausführungsformen beschrieben werden wird, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt sein soll.
Die vorliegende Erfindung wird anhand einer Ausführungsform veranschaulicht, wobei ein Röntgenbild von z. B. einer ganzen Wirbelsäule eines Patienten auf einer Anzahl von photostimulierbaren Leuchtstofffilmen aufgezeichnet wird. Auf jedem dieser Filme wird ein anderer Teil des Bildes der Wirbelsäule aufgezeichnet.
Jeder der Filme wird in einer Kassette regelmäßiger Größe transportiert, deren Abmessungen den Abmessungen des individuellen Films entsprechen.
Die Filme sind in einer gestaffelten Anordnung, in diesem Beispiel einer teilweise überlappend gestaffelter Anordnung, gehaltert, so dass die Längsabmessung der Anordnung der Kassetten zumindest so lang wie die Längsabmessung (die Länge) des langgestreckten Körpers ist.
Auf diese Weise kann ein Röntgenbild des langgestreckten Körpers in einer einzigen Aufnahme auf den Aufzeichnungselementen in der Kassettenanordnung aufgenommen werden.
Die 1, 2, 3 zeigen verschiedene Konfigurationen einer Anordnung aus einer Mehrzahl von Z Kassetten, wobei jede Kassette ein Aufzeichnungselement enthält. Diese Figuren zeigen auch einen mechanischen Aufbau zur Halterung einer derartigen Anordnung.
Eine Anordnung umfasst einen starren Träger 3. Mehrere Kassetten 4 können an dem Träger 3 angebracht oder in ihn eingesetzt werden, so dass jede Kassette teilweise mit ihrer Vorgänger- und/oder Nachfolgerkassette überlappt.
Eine Anordnung kann eine Frontplatte 6 an der Röhrenseite des Trägers umfassen. Eine derartige Frontplatte kann ein dichteschwächendes (rechtwinkliges) Gitter und/oder ein Antistreugitter tragen, die beide schematisch durch die vertikale Linie 7 angedeutet sind.
Die Vorderseite der Frontplatte 6 (die zu der Röntgenröhre gerichtete Seite, die schematisch durch das Bezugszeichen 5 angezeigt ist) besteht aus einem für den Röntgenstrahl durchlässigen Material, damit keine Strahlung absorbiert wird.
In diesen Figuren ist eine standardmäßige Wandrasterröntgenaufzeichnungsvorrichtung 1 gezeigt, die für das Aufzeichnen eines Strahlungsbilds eines Patienten verwendet wird.
Der starre Träger 3 ist für vertikale Patientenlagen in der vertikalen Position an der Rasterhalterung angebracht. Der Träger kann durch den Haken 8 in die Wandrasterröntgenaufzeichnungsvorrichtung eingehängt werden.
Alternativ kann der die Kassetten tragende Träger für horizontale Lagen horizontal positioniert werden (auf einem Aufnahmetisch oder auf dem Boden).
Die exakte Anordnung der Kassetten auf dem Träger wird im Folgenden offenbart.
Auch die Konsequenzen aus der Verwendung von Kassetten anstelle von Aufzeichnungselementen in gestaffelter Anordnung werden. erläutert.
Im Gegensatz zu der in der Patentanmeldung 97 200 857.7, die der EP-A-0 866 342 entspricht, und in der US Ser. 09/035,528 offenbarten Situation, bei der eine einzelne langgestreckte Kassette für die Bildaufzeichnung verwendet wird, wobei die Kassette eine Anzahl von teilweise überlappenden Aufzeichnungselementen wie beispielsweise photostimulierbare Leuchtstofffilme oder Leuchtstofffilm-Röntgenfilm-Kombinationen beinhaltet, und bei der die Dicke der individuellen Aufzeichnungselemente gering und vernachlässigbar ist, ist die Dicke der individuellen Kassetten in dieser Erfindung hinsichtlich der Verformungen eines Bilds des schwächenden (rechtwinkligen) Gitters nicht vernachlässigbar.
Dieses Bild des schwächenden rechtwinkligen Gitters wird als Führung zur Rekonstruktion des ganzen Bilds des langgestreckten Körpers aus den Teilbildern verwendet, die aus den individuellen Aufzeichnungselementen ausgelesen werden und die jeweils einen Teil des Bilds des langgestreckten Körpers tragen.
Weil die Aufzeichnungselemente nicht koplanar sind, ist die Projektion der Rechtecke des schwächenden Gitters für jeden Film unterschiedlich und durch Gleichungen der dreidimensionalen projektiven Geometrie bestimmt.
Aus Gründen der Klarheit wird ein Weltkoordinatensystem (x, y, z) definiert, so dass die x-Achse und y-Achse in die vertikale und horizontale Richtung und die z-Achse in die Richtung senkrecht zu der Bildebene (parallel zu dem Weg des Röntgenstrahleinfalls) zeigen.
Im Kontext dieser Erfindung werden drei ausführbare Anordnungen betrachtet; es sind andere Kombinationen denkbar, ohne vom Ziel und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Bei der ersten Anordnung, die in 1 dargestellt ist, sind die Aufzeichnungselemente perfekt parallel zu der Ebene des schwächenden Gitters angeordnet und ihr Abstand von der Ebene des Schwächungsgitters alterniert zwischen aufeinanderfolgenden Aufzeichnungselementen. Je größer der Abstand zwischen einem Aufzeichnungselement und dem schwächenden Gitter, um so größer wird die Vergrößerung der projizierten Gitterrechtecke sein. Es tritt jedoch keine Projektionsverzerrung auf (die projizierten Gitterlinien bleiben parallel).
Um den ganzen langgestreckten Körper abzudecken, wird eine Mehrzahl von Kassetten in überlappender Anordnung verwendet.
Die Situation ist in den 1b, 2b, und 3b gezeigt. Verborgene Grenzen von Unterbildern (Unterbilder oder Teilbilder sind Bilder eines Teils des langgestreckten Körpers, die auf einem Aufzeichnungselement in einer individuellen Kassette aufgezeichnet sind) sind durch eine gestrichelte Linie dargestellt, sichtbare Unterbildgrenzen durch eine durchgängige Linie.
Wegen eines alternierenden Zoomfaktors zwischen ungerade und gerade nummerierten Aufzeichnungselementen, wird diese Situation als alternierend überlappende Anordnung bezeichnet.
Die zweite Anordnung, die in 2 dargestellt ist, zeigt eine treppenartige Anordnung überlappender Aufzeichnungselemente. Die Situation unterscheidet sich von der vorhergehenden dadurch, dass mit Ausnahme des letzten Unterbilds, der untere Teil jedes Unterbilds durch das nächste Aufzeichnungselement geschwächt wird. Daher kann der Überlappungsbereich durch den Bildzusammensetzungsprozess hindurch in uniformer Weise behandelt werden. Der durch den schrittweise erhöhten Abstand zwischen den Aufzeichnungselementen und der Ebene des schwächenden Gitters bedingte Zoomfaktor ist für jedes Aufzeichnungselement unterschiedlich; die durch die fernsten Aufzeichnungselemente aufgenommenen Unterbilder können daher ein vergleichsweise signifikantes Hinein-Zoomen erfordern, oder umgekehrt können die durch die nächsten Aufzeichnungselemente aufgenommenen Unterbilder ein vergleichsweise signifikantes Heraus-Zoomen erfordern. Dieser Fall wird als treppenartig überlappende Anordnung bezeichnet.
Der dritte Fall, der in 3 dargestellt ist, ist ein Kompromiss zwischen den Nachteilen der vorhergehenden zwei Fälle. Er zeigt eine Folge von geringfügig verkippten Aufzeichnungselementen, wobei der Verkippungswinkel in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Aufzeichnungselementdicke zur -höhe definiert ist, so dass die resultierende Anordnung in ein minimales und perfekt vertikales Gehäuse passt. Diese Anordnung zeigt sowohl eine gleichförmige Überlappkonfiguration für jedes Aufzeichnungselement als auch eine identische projektive Verzerrungsgeometrie. Die projektive Verzerrungsgeometrie unterscheidet sich jedoch von einem einfachen Zoomen (Vergrößerung oder Verkleinerung). Von oben nach unten gehend, unterliegt der vertikale Abstand zwischen Linien abhängig davon, ob der Kippwinkel positiv beziehungsweise negativ ist, einem linearen zunehmenden oder abnehmenden Zoomen. Diese Projektionsverzerrung ist jedoch für alle Abbildungsfilme gleich. Für den in 3 dargestellten Anordnungsfall nimmt der Abstand zwischen Linien von oben nach unten Distanz wie in 4 skizziert ab. Diese Aufnahmemodalität wird als schräg überlappende Anordnung bezeichnet.
Für alle vorgestellten Fälle sind die Aufzeichnungselemente in einem zerlegbaren mechanischen Aufbau montiert, an dem das Schwächungsgitter und das Antistreugitter befestigt werden können; dies ermöglicht es, das Ganze für horizontale Lagen auf einen Aufnahmetisch oder auf den Boden zu setzen. Die entsprechenden horizontalen Anordnungen sind in 1c, 2c, 3c dargestellt.
Alle in 1, 2, 3 gezeigten Anordnungen weisen überlappende Kassetten auf. Anordnungen mit berührenden oder separaten, nicht überlappenden Kassetten sind gleichermaßen denkbar. Sie sind sub-optimale Lösungen, weil selbst im Falle einer berührenden Anordnung die Dicke des Gehäuses des Aufzeichnungselements verhindert, dass der Diagnostikbereich vollständig durch die Fläche des Aufzeichnungselements abgedeckt wird.
Zusätzlich zu den dreidimensionalen projektiven Geometrieverzerrungen, die durch die dreidimensionale physische Anordnung der Filme relativ zu dem schwächendem Gitter bedingt sind, bleiben die Verzerrungen, die in der Patentanmeldung 97 200 857.7, die der EP-A-0 866 342 entspricht, und in US Ser.09/035.528 behandelt werden, gleichwohl präsent.
Aus Gründen der Klarheit werden diese klassischen Verzerrungen unten zusammengefasst:

– Verschiebung (y-Achsenversatz) eines Unterbilds relativ zum nächsten oder vorhergehenden Unterbild,
– Überlappen (in der x-Achse) eines Unterbildes relativ zum nächsten oder vorhergehenden Unterbild,
– Drehung des Gitters eines Unterbilds relativ zu dem Gitter des nächsten oder vorhergehenden Unterbilds,

Um das vorgenannte, in den 1, 2, 3 dargestellte Aufzeichnungsverfahren zu verwenden, ist daher ein geeignetes Bildverarbeitungsverfahren erforderlich, um nicht nur die projektiven Geometrieverzerrungen, sondern auch die klassischen Verzerrungen zu kompensieren, die in der Patentanmeldung 97 200 857.7, die der EP-A-0 866 342 entspricht, und in der US Ser. 09/035.528 behandelt werden.
4 zeigt eine schematische Darstellung des auf einem der Unterbilder aufgezeichneten Gitters mit der Definition von Koordinatenachsen und Schlüsselgrößen. Das Bild wurde durch das Verfahren mit einer schräg überlappenden Anordnung von Aufzeichnungselementen aufgenommen und daher verengt sich der Abstand zwischen Linien von vertikal verlaufenden Gitterlinien von oben nach unten. Der Abstand zwischen Linien von horizontal verlaufenden Gitterlinien bleibt konstant. Der nachstehend offenbarte Algorithmus ist jedoch in der Lage, gleichzeitig mit Verformungen von Gitterlinien aus der perfekt vertikalen und der perfekt horizontalen Lage umzugehen. Der Ursprung des Koordinatensystems liegt in der oberen linken Ecke, wobei die Koordinate m innerhalb einer Zeile von Links nach Rechts entlang unterschiedlichen Spalten (in der horizontalen Richtung) verläuft und die Koordinate n von oben nach unten entlang von unterschiedlichen Zeilen (in der vertikalen Richtung) verläuft. Die durchgezogenen Linien geben den Abdruck des schwächenden Gitters auf dem Bild wieder. Das durch die Gitterlinien geformte Raster kann um einen Winkel α^h relativ zu der horizontalen Achse verkippt sein. Die Drehung beruht auf einer verdrehten Position des Aufzeichnungselements (z. B. einem Abbildungsfilm) relativ zu den physischen Kassettengrenzen, oder auf einer nicht perfekt geraden Hindurchführung des Films durch die Digitalisierungsvorrichtung oder einer Kombination von beiden. Der resultierende Drehwinkel α^h ist offensichtlich klein.
Grundlegend für die Vorgänge ist die Erfassung und Charakterisierung des Kontrast gebenden Gitters, das ein rechtwinkliges Muster von weniger belichteten Bildpunkten in jedem der Unterbilder S_z,z = 1..Z erzeugt. Z ist die Gesamtzahl von zusammenzufügenden Bildern und beträgt typischerweise 3 oder 4. Das Verfahren lässt sich jedoch auf eine beliebige tatsächliche Zahl von Unterbildern verallgemeinern. Das durch das Gitter in Unterbild S_z gebildete Muster ist vollständig gekennzeichnet durch die Kenntnis von (1) der Periode P z / h und P z / v zwischen den Gitterlinien in horizontaler beziehungsweise vertikaler Richtung, (2) Geradengleichungen der individuellen horizontalen und vertikalen Gitterlinien, wie sie durch die vorliegende Erfindung offenbart werden, und (3) den Versatz O h / z und O v / z von horizontalen und vertikalen Gitterlinien relativ zu der horizontalen Bildgrenze beziehungsweise der vertikalen Bildgrenze. Die Kenntnis der Sätze dieser Parameter ist eine notwendige und hinreichende Bedingung für die Rekonstruktion des Gitters in den Unterbildern und zum Ausbilden eines zusammengesetzten Gesamtbilds eines langgestreckten Körperteils durch Bildzusammenfügung.
Im Folgenden bezeichnen (i,j), (m,n) oder (x,y) Bildkoordinaten, (M,N) bezeichnen die Bildabmessungen. Ohne Verzicht auf Allgemeinheit wird angenommen, dass alle Unterbilder gleiche Abmessungen haben.
5 zeigt den allgemeinen Ablauf von Operationen, deren Schritte im Weiteren kommentiert werden.
Extraktion der Gitterlinienmatrix
Dieser Schritt umfasst alle Vorgänge einfacher Art, wie sie in der Patentanmeldung 97 200 857.7, die der EP-A-0 866 342 entspricht, und in der US Ser. 09/035.528 offenbart sind, um die Positionen von Gitterlinien in Blöcken von integrierten Linienprofilen zu extrahieren. Das Ergebnis dieses Schritts ist eine Folge von m beziehungsweise n Koordinaten, die die Positionen der Kreise beziehungsweise Kreuze in 4 bezeichnen.
Gitterlinienanpassung
Als Resultat des in der Patentanmeldung 97 200 857.7, die der EP-A-0 866 342 entspricht, und in der US Ser. 09/035.528 offenbarten Verfahrens, werden zwei Gittermatrizen erhalten, g^h für die horizontale beziehungsweise g^v für die vertikale Richtung, die die Indizes aller erfassten Gitterlinien so speichern, dass die resultierende Anordnung der von Null verschiedenen Einträge in einer Spalte von g^h beziehungsweise einer Zeile von g^v alle den Zeilenbeziehungsweise den Spaltenorten der gleichen physischen Gitterlinie entsprechen. Wenn man mit Q_h und Q_v die Zahl der Blöcke in der horizontalen beziehungsweise vertikalen Richtung bezeichnet und die Zahl der erfassten Gitterlinien in den Abfolgen G^h und G^v mit
beziehungsweise
bezeichnet, sind die Dimensionen von g^h beziehungsweise
beziehungsweise
so dass
horizontal orientierte Gitterlinien und
vertikal orientierte Gitterlinien erfasst werden. Die Abfolgen von Gitterlinien koordinaten werden in einen Schritt zum Anpassen einer Geraden eingegeben, um jede Gitterlinie mit der Gleichung einer Geraden zu modellieren. Hierzu werden die Zeilen- beziehungsweise Spaltenkoordinaten der Gittermatrizen g^h und g^v einer linearen Regression unterzogen, die im Stand der Technik, wie beispielsweise in T. Pavlidis, Algorithms for Graphics and Image Processing, Computer Science Press, 1982, Seiten 281-292, Polygonal Approximations, allgemein bekannt ist. Jede lineare Regression ergibt für die einer Gitterlinie entsprechende Anpassungsgerade einen Achsenabschnitt und eine Steigung. Für die
horizontal orientierten Gitterlinien gibt es Q_h Datenpunkte, an die eine Gerade anzupassen ist und für die
vertikal orientierten Gitterlinien gibt es Q_v für die Anpassung verfügbare Datenpunkte. Die Gleichungen für die resultierenden horizontal beziehungsweise vertikal orientierten Anpassungsgeraden sind
wobei die Koeffizienten α und β die Steigung und der Achsenabschnitt der Anpassungsgeraden sind. Offensichtlich könnte abhängig von der Art der projektiven Geometrieverzerrung jede andere parametrisierbare Kurve die Gitterlinien modellieren. Wegen der punktquellenförmigen Röntgenbeleuchtung und der planaren geometrischen Anordnung des Aufzeichnungselements relativ zur Gitterebene bleiben gerade Linien in der Projektion jedoch gerade Linien, so dass das Anpassen einer Geraden die Gitterliniendatenpunkte effizient modelliert.
Gitterkalibrierung und Verformungsmessung
Die Geradengleichungen der Gitterlinien in jedem Unterbild dienen als Input für das Ermitteln der endgültigen Position der Gitterlinie in dem zusammengefügten Bild. Jede horizontal verlaufende Gitterlinie wird entzerrt, so dass sie perfekt horizontal wird; ihre Position wird in diesem Schritt bestimmt.
Analog wird jede vertikal verlaufende Gitterlinie entzerrt werden, so dass sie perfekt vertikal ist; ihre Position wird in diesem Schritt bestimmt.
Außerdem wird für alle horizontal und vertikal verlaufenden Gitterlinien in den Unterbildern der Abstand zwischen Linien gleich dem Periodizitätsabstand gemacht. Der Periodizitätsabstand wird in dem Schritt "Extraktion der Gitterlinienmatrix" abgeleitet.
Das Ergebnis des Gitterkalibirierungsschritts besteht darin, dass alle zuvor aufgelisteten Verformungen des idealen, rechtwinkligen Gitters in einem zugehörigen Satz von Versatzlinien-Gleichungen erfasst werden, die sich in dem Schritt "Gitterlinienanpassung" ergeben. Die korrigierten Verformungen umfassen: Verschiebung von einem Unterbild relativ zu den anderen Unterbildern, Drehung von einem Unterbild relativ zu den anderen Unterbildern, Variieren des Abstands zwischen Linien aufgrund des Zoomeffekts, der durch unterschiedliche Abstände zwischen Abbildungsfilm und schwächendem Gitter bedingt ist, und projektive Geometrieverzerrungen, die durch nicht parallel Film-Gitter-Konfigurationen bedingt sind.
Die Größe P^v bezeichnet insbesondere das Minimum aller Periodizitätsvektoren zwischen vertikal verlaufenden Gitterlinien aller eingegebenen Z Unterbilder Pv = min (Pvz ) z = 1..Zund wird zur Normierung des Abstands zwischen vertikal verlaufenden Gitterlinien verwendet werden. Für ein quadratisches, physisches Gitter wird P^v dazu verwendet werden, ebenso den Abstand zwischen horizontal verlaufenden Gitterlinien zu normieren, so dass nach dem Abschluss des Wölbungsprozesses ein perfekt quadratisches Gitter rekonstruiert ist. Für ein rechtwinkliges Gitter bezeichnet eine ähnliche Größe P^h das Minimum aller Periodizitätsvektoren zwischen horizontal verlaufenden Gitterlinien aller eingegebenen Z Unterbilder Ph = min (Phz ) z = 1..Z
Wenn man das Minimum des Satzes von Periodizitätsvektoren verwendet, gewährleistet dies, dass jedes gewölbte Unterbild der ursprünglichen Unterbildgröße entspricht, so dass keine diagnostische Information verloren geht.
Die Position
der ersten vertikal gewölbten Gitterlinie und die Positionen des verbleibenden Satzes von vertikal gewölbten Gitterlinien werden wie folgt bestimmt
diese Positionen sind für alle Unterbilder S_z,z = 1..Z unterschiedlich.
Die Position
der ersten horizontal gewölbten Gitterlinie und die Positionen des verbleibenden Satzes von horizontal gewölbten Gitterlinien werden wie folgt bestimmt
diese Positionen sind für alle Unterbilder S_z,z = 1..Z unterschiedlich.
Die Versatzwerte für die horizontal beziehungsweise vertikal orientierten Gitterlinien sind gegeben durch
für alle Unterbilder S_z,z = 1..Z.
Die zweidimensionalen Wölbungsmatrizen werden für die horizontalen beziehungsweise vertikalen Entzerrungsoperation durch lineares Interpolieren der Versatzwerte für alle Positionen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Gitterlinien definiert
für alle Unterbilder S_z,z = 1..Z.
Unterbildwölben durch stückweises linear trennbares Entzerren
Dieses Modul wird das Unterbild so transformieren, dass (1) jede vertikale, angepasste Gitterlinie zu der perfekt vertikalen Solllinie entzerrt wird und die Gesamtheit aller vertikalen Solllinien äquidistant ist; (2) jede horizontale, angepasste Gitterlinie zu der perfekt horizontalen Solllinie entzerrt wird und die Gesamtheit aller horizontalen Solllinien äquidistant ist; (3) der auf jeden Bildpunkt zwischen den vertikalen Solllinien (beziehungsweise horizontalen Solllinien) angewandte Versatz wird durch linear Interpolation des Versatzes erhalten, der mit der linken (oberen) Anpassungslinie und der rechten (unteren) Anpassungslinie verknüpft ist. Der gesamte Vorgang wird daher als Bildwölben bezeichnet, da die lokalen Verschiebungen ortsabhängig sind und durch stückweises lineares Entzerren durchgeführt werden, wobei die Versatzwerte stückweise linear entlang der Versatzrichtung variieren und ihre Kontrollpunkte durch die Versatzwerte definiert werden, die mit den Gitteranpassungslinien verknüpft sind.
Da die Versatzwerte Fließkommawerte sind, muss das Problem der Bildneuabtastung auf einem diskreten Gitter angegangen werden. Interpolation ist der Prozess des Bestimmens der Werte einer Funktion an Positionen, die zwischen ihren Abtastwerten liegen. Da die Interpolation das in dem Abtastvorgang verlorene Signal rekonstruiert, indem sie die Abtastdaten mit der Interpolationsfunktion glättet, besteht ein wichtiger Gesichtspunkt darin, wie eine maximale Bildschärfe beibehalten werden kann. Das Leistungsvermögen der Interpolation in dem Durchlass- und Sperrbereich, die numerische Genauigkeit und der Rechenaufwand der Interpolationsalgorithmen hängen daher vom Interpolationskern ab. Zusätzlich zu der Wahl des Interpolationsalgorithmus wurde ein Berechnungsschema entwickelt, um den Interpolationsprozess in den vorgenannten Entzerrungsvorgang zu integrieren. Die Abtasttheorie lehrt, dass die Sinc-Funktion der ideale Interpolationskern ist. Obschon dieses Interpolationsfilter exakt ist, ist es nicht praktisch, da es ein IIR-Filter ist, das durch eine langsam konvergierende unendliche Summe definiert ist. Als nächstoptimaler Interpolationskern mit lokaler Ausdehnung über 4 Punkte bietet sich die kubische B-Spline-Interpolation an. Der interpolierte Datenwert wird für den horizontalen Entzerrungsvorgang wie folgt erhalten
wobei der kubische B-Spline-Interpolationskern h durch die folgenden stückweisen, kubischen Polynome gegeben ist, die manchmal als das Parzen-Fenster bezeichnet werden:
wobei Δ^h(m,n) die oben definierte horizontale zweidimensionale Versatzmatrix ist. Die Matrix T h / z(m,n) wird durch Lösen des folgenden Satzes von N Gleichungen erhalten, wobei ein Satz für jede Zeile n durch eine tridiagonale Matrix definiert ist
Der Entzerrungsvorgang wird unabhängig in der horizontalen und vertikalen Richtung ausgeführt. Das Ergebnis der horizontalen Entzerrung Ŝ h / z(m,n) wird in den vertikalen Entzerrungsvorgang eingegeben, der den gleichen Entzerrungsalgorithmus verwendet, um das endgültige, gedrehte Bild zu erzeugen Ŝ_z(m,n) = Ŝ hv / z(m,n). Das resultierende Bild wird das verformte, geometrisch in seine ursprüngliche Form korrigierte Gitter zeigen, das heißt zwei Sätze von wechselseitig orthogonalen, gleich beabstandeten, perfekt geraden und parallelen Linien. Da der Versatz (Distanz zur Bildgrenze) der ersten vertikalen Gitterlinie zudem für alle Unterbilder gleich ist, gewährleistet der Vorgang die perfekte Kontinuität (Kollinearität) der vertikal orientierten, entzerrten Gitterlinien in der Bildzusammensetzung. Analog wird die perfekte Kontinuität der Periodizität der horizontalen, korrigierten Gitterlinien durch Einschränkungen gewährleistet, die bei der Überlappberechnung und -bestimmung vorgegebenen werden, wie in der Patentanmeldung 97 200 857.7, die der EP-A-0 866 342 entspricht, und in der US Ser. 09/035.528 offenbart ist.
Es sind andere auf dem Stand der Technik basierende Bildinterpolationschemata vorstellbar, wie beispielsweise das in z. B. G. Wolberg, Digital Image Warping, IEEE Computer Society Press Monograph, 1990 vorgestellte.
Zum Beispiel kann bilineare Interpolation oder separate lineare Interpolation in zwei Richtungen angewandt werden. Dieses Interpolationsverfahren liefert eine schnellere Implementierung als die B-Spline-Interpolation. B-Spline-Interpolation ist hinsichtlich des Rechenaufwands aufwendiger, sorgt aber für ein genaueres Ergebnis.
Überlappbildkorrelation
Dieser Schritt erfolgt, wie in der Patentanmeldung 97 200 857.7, die der EP-A-0 866 342 entspricht, und in der US Ser. 09/035.528 offenbart, unter Verwendung der gewölbten Unterbilder und der Gittermodellparameter als Input für das Verfahren.
Bildzusammenfügung
Dieser Schritt erfolgt, wie in der Patentanmeldung 97 200 857.7, die der EP-A-0 866 342 entspricht, und in der US Ser. 09/035.528 offenbart, unter Verwendung der gewölbten Unterbilder und der Überlappwerte als Input für das Verfahren.

Claims

Verfahren zur Rekonstruktion eines Strahlungsbilds eines Körpers aus ursprünglichen Strahlungsteilbildern, die jeweils einen Teil des Strahlungsbilds des Körpers und einen Teil eines Strahlungsbilds eines geometrischen Kalibrierungsgitters umfassen, das dem Strahlungsbild des Körpers überlagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die ursprünglichen Strahlungsteilbilder geometrisch korrigiert werden, um geometrisch korrigierte Teilbilder zu erhalten, – die geometrisch korrigierten Teilbilder aneinandergefügt werden, um das Strahlungsbild des Körpers zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei geometrisch korrigierte Teilbilder dadurch erhalten werden, dass die ursprünglichen Teilbilder einer geometrischen Transformation unterworfen werden, so dass für die Teile des Strahlungsbilds des geometrischen Kalibrierungsgitters die Geometrie des geometrischen Kalibrierungsgitters wiederhergestellt wird und gleichzeitig für die Teile des Strahlungsbilds des Körpers die Geometrie der ursprünglichen Teile des Strahlungsbilds wiederhergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die geometrische Transformation eine zweidimensionale Wölbungstransformation für jeden Bildpunkt ist, die durch einen vom Bildpunkt abhängigen räumlichen Verschiebungswert und ein Interpolationsschema definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das geometrische Kalibrierungsgitter ein geometrisches, kartesisches Gitter ist, das aus regelmäßig beabstandeten, äquidistanten, horizontalen und vertikalen Gitterlinien besteht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die vom Bildpunkt abhängigen Verschiebungswerte, die mit transformierten Bildpunkten verknüpft sind, durch räumliche Unterschiede zwischen dem Strahlungsbild des Teils des geometrischen Kalibrierungsgitters und einem zu dem geometrischen Kalibrierungsgitter kongruenten Sollgitter bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein interpolierter Wert eines transformierten Sollbildpunkts durch kubische B-Spline-Interpolation einer Umgebung von eingegebenen Bildpunktgrauwerten erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein interpolierter Wert eines transformierten Sollbildpunkts durch lineare Interpolation einer Umgebung von eingegebenen Bildpunktgrauwerten erhalten wird.