DE69922983T2

DE69922983T2 - Bildgebungssystem und-verfahren

Info

Publication number: DE69922983T2
Application number: DE69922983T
Authority: DE
Inventors: Kui Ming Uxbridge Chui
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-10-15
Filing date: 1999-10-15
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2019-10-16
Also published as: ATE286283T1; GB2346028A; EP1121663A1; CA2346852A1; DE69922983D1; US6928182B1; GB9924530D0; GB2346028B; JP4309062B2; JP2002527834A; EP1121663B1; AU6350399A; AU768756B2; WO2000022573A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Bildgebungs- oder Abbildungsprozesse und insbesondere Verfahren und Systeme für eine Bildverbesserung (Image Enhancement), in denen ein Entfaltungsprozeß bezüglich der Bildkantenstreufunktion (Image Edge Response Function) im Bildbereich eines oder jedes von mehreren abgetasteten Objektunstetigkeiten oder -diskontinuitäten ausgeführt wird, um das Profil der jeweiligen Punkt- oder Linienverwaschungsfunktion zu erhalten, und die Halbwertsbreite des erhaltenen Profils bestimmt wird.
Bildgebungsprozesse beinhalten eine Transformation vom Objektbereich in den Bildbereich, aber aufgrund einschränkender Faktoren, z.B. der endlichen Größe einer Energiequelle, der Detektorgröße, der Abtastfrequenz, der Display- oder Darstellungsdichte, der Software-Filterfunktion und möglicher Partialvolumeneffekte, die bei einigen Abbildungs- oder Bildgebungsgeräten auftreten, kann eine unendlich feine Deltafunktion im Objektbereich im Bildbereich nicht getreu reproduziert werden. Stattdessen wird ein verschmiertes Bild oder eine Punktverwaschungsfunktion (PSF) beobachtet. Ähnlicherweise wird eine unendlich scharfe Kantenstreufunktion (ERF) im Objektbereich im Bildbereich zu einem verschmierten ERF-Profil. Der Verschmierungseffekt wird umso intensiver, je näher benachbarte ERF-Funktionen von Diskontinuitäten oder Kontrastprofilen beieinander liegen.
Ein Bildgebungsverfahren und -system des vorstehend dargestellten Typs, das zum Korrigieren von durch einen Li nearbechleuniger erzeugten Detektorgrößeneffekten im Bild verwendet wird, ist durch einen Artikel von Charland P. et al. mit dem Titel "THE USE OF DECONVOLUTION AND TOTAL LEAST SQUARES IN RECOVERING A RADIATION DETECTOR LINE SPREAD FUNCTION", Medical Physics, USA, American Institute of Physics, New York, Band 25, Nr. 2, Februar 1998 (1998-02), Seiten 152-160, XP000833821, ISSN: 0094-2404, bekannt. In diesem Dokument wird ein Entfaltungsprozeß auf ein Bildprofil angewendet, um die Linienverwaschungsfunktion (LSF) eines Densitometer-Strahlungsdetektors der Beschleunigereinrichtung zu bestimmen. Die Halbwertsbreite (FWHM) dieses Profils wird gemessen, und das Meßergebnis und die erhaltene Funktion werden für eine Detektorgrößenkorrektur zum Verbessern der räumlichen Auflösung des erzeugten Bildes verwendet, wobei das Verfahren jedoch Grenzen hinsichtlich seiner praktischen Anwendungen aufweist, insbesondere dann, wenn eine matrixförmige digitale Darstellung verwendet wird.
Ein anderes Bildgebungsverfahren, in dem die Linienverwaschungsfunktion (LSF) des Bildgebungssystems berücksichtigt wird, ist in einem Artikel von Alperin N. et al. mit dem Titel "AUTOMATED ANALYSIS OF CORONARY LESIONS FROM CINEANGIOGRAMS USING VESSEL TRACKING AND ITERATIVE DECONVOLUTION TECHNIQUES", Proceedings of Computers in Cardiology Meeting, Washington, USA, IEEE Computer Society Press, Meeting 16. Oktober 1989 (1089-10), Seiten 153-156, XP000147033, ISBN: 0-8186-2144-1 beschrieben. Gemäß diesem Verfahren wird der Entfaltungsprozeß zum Bestimmen einer Blutgefäßgröße jedoch nicht basierend auf einer Verbesserung der räumlichen Auflösung verwendet. Das Bildprofil des Gefäßes wird mit theoretischen Profilen verglichen, die durch Falten der Linienverwaschungsfunktion (LSF) des Bildgebungssystems mit Zylindern verschiedener Größe erzeugt werden, bis die beste Anpassung erzielt wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Bildgebungsverfahren und ein verbessertes Bildgebungssystem des vorstehend spezifizierten Typs bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Bildgebungsverfahren des vorstehend spezifizierten Typs bereitgestellt, wobei ein Entfaltungsprozeß mit einer Teil- oder Subpixelabtastung der Bildkantenstreufunktion ausgeführt wird, das erhaltene Profil mit dem Bildbereichprofil der jeweiligen Kantenstreufunktion korreliert wird, die Position im Bildbereich der jeweiligen Diskontinuität anhand des Mittelpunkts der Halbwertsbreite der erhaltenen Linienverwaschungsfunktion bestimmt wird, und Subpixel innerhalb des Bildbereichprofils der Kantenstreufunktion von einer zur anderen Seite der Position übertragen werden, um die räumliche Auflösung der Bildkante oder des Bildrandes an der Diskontinuität zu verbessern.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System wird die Position der Diskontinuität im Bildbereich vorteilhaft direkt basierend auf dem Bildbereichprofil der jeweiligen Punkt- oder Linienverwaschungsfunktion bestimmt. Dadurch wird die Genauigkeit verbessert, weil nicht nur die Punkt- oder Linienverwaschungsfunktion des Bildgebungssystems selbst berücksichtigt wird, sondern darüber hinaus auch die Kontrastpegel- und Partialvolumeneffekte und statistisches Rauschen sowie (z.B. durch eine Filterverarbeitung auftretendes) Überschwingungeffekte, die in der Bildkantenstreufunktion auftreten. Durch Übertragen von Subpixeln von einer zur anderen Seite der bestimmten Position der jeweiligen Diskontinuität wird ein empirisches Verfahren zum Verbessern der räumlichen Auflösung der Bildkante an der Diskontinuität bereitgestellt. Auf diese Weise kann durch das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemä ße System ein Verlust oder Verminderung der räumlichen Auflösung in der Bildgebung kompensiert werden, ohne daß Kompromisse bei anderen Eigenschaften gemacht werden müssen, wobei dies insbesondere ohne eine Erhöhung des Rauschens im erhaltenen Bild erreicht wird. Das ursprüngliche hochaufgelöste 'Stufenfunktions'-Merkmal an der Diskontinuität wird tatsächlich ohne Erhöhung des Rauschens wiedergewonnen, und das Nichtvorhandensein von erhöhtem Rauschen ist zum Bereitstellen einer exakten Bilddefinition ohne jegliche Verschmierung besonders wichtig.
Der Entfaltungsprozeß des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Systems kann unter Verwendung eines Least-Squares-Running-Filter-Prozesses ausgeführt werden, und es kann ein kontrastarmer Filtervorgang verwendet werden, um Neben- oder Störkanten im Bildbereich zu entfernen.
Eine Kantenkontur des abgetasteten Objekts kann im Bildbereich durch Verbessern von Kantenbilddefinitionen der Bilder mehrerer abgetasteter Objektdiskontinuitäten definiert werden. Es können die Fläche und/oder das Volumen und/oder die Intensität des Objektbildes innerhalb der Kantenkontur bestimmt werden.
Nachstehend werden ein erfindungsgemäßes Bildgebungsverfahren und ein erfindungsgemäßes Bildgebungssystem unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Systems;
2 Merkmale einer im erfindungsgemäßen Verfahren und im erfindungsgemäßen System von 1 ausgeführten Verarbeitung;
3 durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Systems von 1 erhaltene Ergebnisse;
4 einen Querschnitt der Kontur eines in 2 dargestellten Bildprofils im vergrößerten Maßstab;
5 und 6 eine Draufsicht und eine Querschnitt-Endansicht einer im erfindungsgemäßen Verfahren und im erfindungsgemäßen System von 1 verwendeten Liegen-Oberseite; und
7 eine Faltungsoperation als Basis für ein mathematisches Modell einer Entfaltungsverarbeitung im erfindungsgemäßen Verfahren und im erfindungsgemäßen System.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System werden nachstehend unter Bezug auf 1 in Verbindung mit einem Magnetresonanz- (MR) Abtast- oder Scanverfahren für eine medizinische Diagnose- und Behandlungsplanung beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System können im Prinzip und gemäß den beschriebenen allgemeinen Techniken auch in anderen Anwendungen eines MR-Abtastverfahrens und auch in Fällen verwendet werden, in denen andere Abtasttechniken verwendet werden. Außerdem werden das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System, obwohl sowohl die Struktur als auch die Funktion in 1 durch diskrete 'Blöcke' 1 bis 19 dargestellt sind, im wesentlichen durch programmierte digitale Datenverarbeitungen implementiert.
Gemäß 1 werden durch einen herkömmlichen Betrieb eines MR-Scanners 1 erhaltene Daten in einem Prozessor 2 für Bildgebungszwecke verarbeitet. Durch das Ausgangssignal des Prozessors 2 wird eine Darstellung 3 bereitgestellt, die dann einer Bildnachbearbeitung 4 unterzogen wird. In der Bildnachbearbeitung 4 kann ein Bereich der Darstellung 3 für eine detailliertere und nähere Untersuchung oder Prüfung ausgewählt werden.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung haben das Bildgebungsverfahren und -systems von 1 eine herkömmliche Konfiguration, durch eine Weiterverarbeitung 5 der Bilddaten des durch die Bildnachbearbeitung 4 erhaltenen ausgewählten Bereiches von Interesse wird jedoch zuzüglich zu den bekannten Schritten ein weiterer Arbeitsschritt ausgeführt. D.h., die Weiterverarbeitung 5 dient zum deutlicheren Definieren der wahren Kanten oder Grenzen einer Bildkontur (von Bildkonturen) im ausgewählten Bereich von Interesse und zum Erhöhen der Genauigkeit in der Bildgebung dieser Konturen.
Die Definition und die Genauigkeit der Übertragung von Merkmalen vom durch den Scanner 1 abgetasteten Objektbereich in den Bildbereich durch die Bildnachbearbeitung 4 Sind durch viele Faktoren begrenzt. Die Grenzen ergeben sich durch den Scanner 1 selbst (insbesondere durch die endliche Größe der Energiequelle), durch die durch den Prozessor 2 ausgeführte Verarbeitung und durch die Darstellung 3; Grenzen ergeben sich beispielsweise durch die verwendete Datenabtastfrequenz und die verwendete Darstellungsdichte und außerdem durch die Filterfunktion der verwendeten Software. D.h., gemäß 2 wird eine unendlich feine Deltafunktion 20 im Objektbereich im Bildbereich nicht exakt reproduziert. Stattdessen führt die durch einen Pfeil 21 dargestellte Transformation zu einer Punktverwaschungsfunktion (PS F) oder einem verschmierten Bild 22 im Bildbereich. Ähnlicherweise wird eine unendlich scharfe Kantenstreufunktion (ERF) oder eine Stufe 23 im Objektbereich durch die durch einen Pfeil 24 dargestellte Transformation zu einem durch Maßpfeile 26 dargestellten verschmierten Übergang 25 im Bildbereich. Wenn zwei ERF-Bildprofile dicht beieinander liegen, verlaufen die Verschmierungseffekte ineinander. Die dadurch erhaltene Ver schlechterung der räumlichen Auflösung wird häufig durch den prozentualen Kontrast- oder Modulationsübergang angezeigt, der durch das als Prozentanteil dargestellte Verhältnis der Amplitude der Modulation im Bildbereich zu derjenigen im Objektbereich gegeben ist.
Der Verschmierungseffekt wird stärker, wenn benachbarte ERF-Funktionen von Diskontinuitäten oder Kontrastprofile näher zueinander angeordnet sind (oder wenn die räumliche Frequenz der Modulation höher wird); dadurch wird auch die Profilhöhe vermindert. Die Verminderung oder der Verlust der räumlichen Auflösung (d.h. des Teils, der durch den Verschmierungseffekt am Rand der ERF-Funktion dargestellt wird) kann auch durch erneutes Abtasten des Bildes durch ein digitales Abtast- oder Scannersystem mit ultrahoher Auflösung nicht und auch nicht teilweise wiedergewonnen werden.
Durch die Weiterverarbeitung 5 wird erfindungsgemäß eine exakte Kantenbilddefinition und -position bereitgestellt, und die räumliche Auflösung in der Bildgebung wird verbessert. Insbesondere wird in Verbindung mit 2 die der Diskontinuität oder der Stufe 23 der Objekt-ERF-Funktion entsprechende Kantenposition im Bildbereich vom Mittelpunkt der Halbwertsbreite (FWHM) der Bild-PSF-Funktion genau ermittelt; die genaue Ermittlung erfolgt mit Subpixelgenauigkeit für das ERF-Bildprofil. Es werden eine 'kontrastarme' und eine 'Flächen'-Filterfunktion verwendet, um 'Neben- oder Störkanten' zu entfernen, und eine Subpixelabtastung, um eine Detektion zu ermöglichen, die detaillierter ist als es der Auflösung der Einzelpixelmodulation entspricht. Die Diskontinuität oder die Stufe 23 der ERF-Funktion wird dann innerhalb des Bildbereichs durch Entfernen der Subpixelwerte außerhalb der optimalen Kantenposition wiederhergestellt, um die innerhalb der Kantenposition liegenden Subpixelwerte zu kompensieren. Die Subpixel werden dann in der Darstellung zu Pixeln, und die realisierte Verbesserung entspricht der Funktion eines Bildübertragungssystems mit extrem hoher Auflösung.
Wie in 2 durch Pfeile 27 und 28 dargestellt ist, kann das ERF-Bildprofil 25 einer unendlich scharfen Stufe 23 durch Falten der Bild-PSF-Funktion 22 mit der Objekt-ERF-Funktion 23 erzeugt werden. Erfindungsgemäß wird durch Entfalten des ERF-Bildprofils 25 unter Verwendung einer Subpixelabtastung, wie durch den Pfeil 29 dargestellt ist, die Bild-PSF-Funktion 22 in einem Entfaltungsraum als Bild-PSF-Funktion 22' reproduziert. Das ERF-Bildprofil 25 wird der PSF-Funktion 22' innerhalb dieses Raums als ERF-Bildprofil 25' überlagert, und die optimale Kantenposition 30 wird basierend auf dem Mittelpunkt der Halbwertsbreite (FWHM) der Bild-PSF-Funktion 22' bestimmt und mit einer Subpixelgenauigkeit ermittelt.
Für eindimensionale Fälle ist die erfindungsgemäße Verarbeitung relativ einfach, weil lediglich entweder das x- oder das y-Profil, d.h. eine Linienverwaschungsfunktion LSF betrachtet werden. Für zweidimensionale Verarbeitungen können jedoch sowohl das x- als auch das y-Profil und gegebenenfalls auch xy-Diagonalprofile verwendet werden, um jegliche mögliche Streifenbildung im Bild zu eliminieren; in diesem Fall wird ein geeignetes Gewichtungsschema erforderlich sein, um das Bild zu rekonstruieren.
Wenn das durch die Objekt-ERF-Funktion 23 dargestellte ursprüngliche Merkmal der scharfen Kante durch die Weiterverarbeitung 5 genau ermittelt wird, kann das Merkmal durch eine zusätzliche Verarbeitung 6 (1) wiedergewonnen werden. Bei der zusätzlichen Verarbeitung 6 werden die 'außerhalb' der optimalen Kantenposition 30 auftretenden Subpixelwerte übertragen, um die 'innerhalb' der Kantenposition liegenden Subpixelwerte zu kompensieren. Dies ist in 2 durch einen Pfeil 31 dargestellt, der die Übertragung von Subpixelblöcken 32 von einer Position hinter dem Punkt 30 im ERF-Bildprofil 25' zu einer Position davor anzeigt. Die Rekonstruktion des ERF-Bildprofils 25' in das ERF-Bildprofil 33, das bezüglich der Konfiguration der Objekt-ERF-Funktion optimal entspricht, ist durch einen Pfeil 34 dargestellt. Das Bildprofil 33 wird in der Darstellung 7 (1) vergrößert dargestellt.
Diese Techniken ermöglichen im wesentlichen eine Wiedergewinnung des Verlusts der räumlichen Auflösung in der Bildgebungsverarbeitung, ohne daß Kompromisse bei anderen Eigenschaften gemacht werden müssen, z.B. beim Bildrauschen. Außerdem wird durch die Verbesserung der räumlichen Auflösung in der Darstellung 7 der von der Darstellung 3 ausgewählte Bereich von Interesse reproduziert, ohne daß Trübungen (oder Stufen) am Profilrand auftreten.
3 zeigt einige kontrastarme Ergebnisse, die in der Praxis durch eine MR-Abtastung eines Schweinehirns in Fluid erhalten werden. Die Kurve A zeigt das erzeugte ERF-Bildprofil, während Kurve B die Linienverwaschungsfunktion (LSF) darstellt, die durch die in der Verarbeitung 5 ausgeführte Entfaltung der Kurve A erhalten wird. Die optimale Kantenposition wird vom Mittelpunkt C der Halbwertsbreite der Kurve B ermittelt, und in der zusätzlichen Verarbeitung 6 wird eine Subpixelübertragung ausgeführt, um die Kurve A zu rekonstruieren, die im wesentlichen mit dem Kantenmerkmal übereinstimmt, von dem sie in der Darstellung 7 erzeugt worden ist.
Während die Kurve A Stufen aufweist, ist die Kurve B glatt, und ihr Mittelpunkt C ist mit einer Subpixelgenauigkeit festgelegt. Außerdem zeigt die Kurve B eine Empfindlichkeit von mehr als 8:1 zwischen der Profilhöhe und dem Untergrundrauschen an.
Gemäß 2 wird das vollständige Profil 35 eines Bildes innerhalb des aus der Darstellung 3 ausgewählten Bereichs von Interesse wie durch einen Pfeil 36 dargestellt basierend auf durch die Verarbeitung 5 erhaltenen Kantenpositionsdaten aufgebaut. Diese Daten identifizieren die Position des Punkts 30 und die Positionen aller entsprechenden Punkte, die durch Abtasten der mehreren x- oder y-Profile des ausgewählten Bereichs von Interesse bestimmt werden. Der Aufbau und die Darstellung dieser Punkte von den Daten finden in der Darstellung 8 statt, so daß eine im wesentlichen wahre Kontur 37 für das Profil 35 definiert wird. Die Schärfe der wahren Kontur 37 steht im Gegensatz zur verschmierten Kontur, die ohne Entfaltung durch die (durch die Pfeile 26 dargestellte) Verwaschung der relevanten ERF-Bildprofile 25 erhalten worden wäre.
Ein kleiner Abschnitt der Kontur 37 ist in 4 vergrößert dargestellt und als optimal angepaßte Linie zwischen optimalen Kantenpositionen definiert, die vom x- bzw. y-Profil erhalten werden; die x-Profil-Positionen sind durch ausgefüllte und die y-Profil-Positionen durch offene Kreise dargestellt. Die unmittelbare Nähe der entsprechenden Positionen im x- und im y-Profil zeigt an, daß eine Genauigkeit auf Subpixelniveau erreicht wurde. Die Verschmierung, die sich in der Bildprofilkontur zeigen würde, wenn die Entfaltungstechnik nicht verwendet würde, würde sich über den gesamten Bereich erstrecken, der durch die gestrichelten Linien 38 und 39 begrenzt ist; diese Grenzen sind in der gestrichelten Linie in der Darstellung des Profils 35 in 2 dargestellt.
Die exakte Definition der in der Darstellung 8 erhaltenen Bildkontur 37 ermöglicht eine entsprechende Bestimmung bei der Berechnung 9 der Fläche innerhalb dieser Kontur; das entsprechende Volumen kann ebenfalls von aufeinanderfolgend abgetasteten Scheibenelementen bestimmt werden. Die Bestimmung der Fläche und des Volumens ist insbesondere für Diagnosezwecke und eine genaue Abschätzung 10 der Größe eines Tumors oder einer Wunde vor und nach einer Behandlung nützlich. Sie ist ähnlicherweise auch zur Abschätzung von Arterienabmessungen bei einer Angiographie nützlich.
Außerdem ist die exakte Definition der in der Darstellung 8 erhaltenen Bildkontur 37 besonders nützlich zum Segmentieren anatomischer Strukturen für eine Diagnose- und eine Behandlungsplanung 11. Außerdem wird durch die Verarbeitung 12 das Verhältnis der Intensitäten zweier Abtastungen bestimmt, um Werte von Relaxations- oder Erholungszeiten T₁ und T₂ und eine Protonendichte zu bestimmen. Die Werte werden dann in der Darstellung 13 innerhalb der Grenzen der Bildkontur unter Verwendung von im Scanner 1 verwendeten Normierungsdaten dargestellt, die von der Liegenoberseite 14 erhalten werden. Die Liegenoberseite 14, die auch Orientierungspunkte zum Bestimmen von Positionskoordinaten bereitstellt, hat die in den 5 und 6 dargestellte Form und wird nachstehend beschrieben.
Gemäß den 5 und 6 hat die Liegenoberseite 40, die aus Polystyrol-Blasenschaumstoff besteht, die Form einer flachen Matte und wird durch eine gekrümmte Schaumstoffbasis 41 getragen, die auf den Scannertisch der MR-Vorrichtung paßt. Zwei zickzackförmig verlegte Rohrleitungen 42 sind in der Oberseite 40 eingebettet und erstrecken sich entlang der Länge der Liege an beiden Seiten einer mittig eingebetteten geraden Rohrleitung 43.
Die sich jeweils zickzackförmig erstreckenden Rohrleitungen 42 haben einen rechteckigen Querschnitt mit einer Doppelöffnung, während die Rohrleitung 43 einen Querschnitt mit Einzelöffnung aufweist. Die durch die Anordnung der Rohrleitungen 42 und 43 definierten fünf Öffnungen können für Normierungs- und Kalibrierungszwecke jeweils mit in Tabelle I dargestellten fünf MR-Lösungen S₀ bis S₄ gefüllt werden. Die vier MnCl₂·4H₂O-Lösungen S₁ bis S₄ decken den vollen Bereich von Werten T₁ und T₂ für anatomische Gewebe ab, und die fünfte Lösung S₀ aus CuSO₄·5H₂O ist nominell äquivalent zu "schwach gebundenem Wasser".
Tabelle I
Die durch T₁, T₂ dargestellten Gewebetypen und die Protonendichtewerte in der Darstellung 13 werden durch die Verarbeitung 15 basierend auf Lookup-Tabellen bestimmt, und die Gewebedichten werden innerhalb der Bildkonturgrenzen in der Darstellung 16 zugewiesen. Die Bilder der Darstellung 16 werden außerdem hinsichtlich einer Geometrieverzerrung gemäß von einem Speicher 17 zugeführten Daten empirisch korrigiert. Die im Speicher 17 gespeicherten Daten werden unter Verwendung eines Drum-Phantom-Satzes mit einer Spinnennetzform hergeleitet, und eine Korrektur hinsichtlich einer Geometrieverzerrung ist aufgrund der Genauigkeit und der räumlichen Auflösung, mit denen Bildkonturen definiert sind, prinzipiell effektiv.
Die den korrigierten Bildern zugewiesenen Gewebebilder werden in der Darstellung durch das von Richard A., Geise et al., Radiology, 124:133-141, Juli 1977 beschriebene Bulk He terogeneity-Korrekturverfahren verwendet, um für jedes Bild einen normierten Gewebedichtewert zu erhalten; die hierfür verwendete aktualisierbare Lookup-Tabelle ist in einem Speicher 18 gespeichert. Daher werden in der Darstellung 16, wenn sie in Schritt 19 in Verbindung mit Positionsdatenelementen verwendet wird, die basierend auf der Liege 14 hergeleitet werden, alle Gewebekonturen mit ihren jeweiligen Gewebedichten und -Positionen exakt abgebildet. Dadurch wird eine exakte und leicht verwendbare eigenständige Basis für eine Diagnose- und Behandlungsplanung bereitgestellt, und kann eine genaue dreidimensionale Bewertung und ein dreidimesionaler Plan erstellt werden, wenn sowohl orthogonale als auch schräge MR-Bilder verwendet werden.
Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System vorstehend im medizinischen Kontext beschrieben worden sind, können sie in einem breiteren Anwendungsbereich, z.B. im Ingenieurwesen oder Maschinenbau, im physikalisch wissenschaftlichen Bereich und für Meßtechniken allgemein angewendet werden. Außerdem sind das Verfahren und das System nicht auf MR-Bildgebungen beschränkt, sondern können auch für andersartige Bildgebungsprozesse verwendet werden. Die in 1 durch "Blöcke" 1 bis 11 dargestellten Schritte und Strukturen sind nicht nur auf eine MR-Bildgebung, sondern auch auf eine computerunterstützte Tomographie (CT) anwendbar. Beispiele andersartiger Bildgebungs- oder Abbildungsprozesse, auf die die Erfindung anwendbar ist, sind Röntgenradiografie, Film- oder Druckbildumwandlung in ein digitales Format, digitale Röntgenfluorografie, Ultraschallabbildung, Nuklearmedizin, Positronenemissionstomographie (PET) und andere kamera-basierte Bildgebungs- oder Abbildungsprozesse. Die Technik ist insbesondere zur Verwendung in der digitalen Röntgenfluorografie geeignet, bei der zu untersuchende kleine Strukturen durch Einspritzen von Kontrastflüssigkeiten hervorgehoben werden; die kleinen Strukturen können auch unter Verwendung eines Bildsubtraktionsverfahrens von Störeffekten in der Umgebung isoliert werden.
Die inhärenten Auflösungen der Röntgenradiografie, der Ultraschallabbildung, der Nuklearmedizin und der PET-Abtastung sind relativ gering, und einige dieser Techniken werden für Echtzeituntersuchungen verwendet. Nur die individuellen Einzelrahmen- oder Hardcopy-Bilder können weiterverarbeitet werden.
In Verbindung mit Anwendungen im Ingenieurwesen oder Maschinenbau, im physikalisch wissenschaftlichen Bereich und bei Meßtechniken ist die Erfindung auf eindimensionale Abbildungen anwendbar, die beispielsweise für Strichcodemuster, das Spektrum einer DNA-Analyse, Irismuster von Augen (z.B. zur Identifizierung im kommerziellen Bankwesen), zur Fingerabdruckidentifizierung und bei der Emissionsspektroskopie verwendet werden. Die Erfindung ist außerdem auf zweidimensionale Abbildungen anwendbar, z.B. in Verbindung mit Bildern, die durch Satelliten oder Mustererkennung oder von einer Überwachungskamera oder während eines Laborexperiments erhalten werden. Die Erfindung ist allgemein dort anwendbar, wo die Kantenposition in einem Bild als Funktion der wahren Objektkantenposition, z.B. zum Messen eines Positionsversatzes zwischen einem Objekt und einem Bild, für eine Verzerrungskorrektur und in einer Fertigungssteuerung, exakt bestimmt werden muß.
Nachstehend wird ein weiteres Beispiel der Anwendung der vorliegenden Erfindung beschrieben, in denen ein Verfahren und ein System, in denen eine CT- und eine MR-Bildgebung in Kombination verwendet werden.
Der Hauptbeitrag zum Magnetresonanz(MR)signal stammt von dem großen Protonenanteil von Wassermolekülen und Prote in. Es tritt ein Quantenprozeß bei der dem verwendeten Magnetfeld entsprechenden Larmorfrequenz auf. Durch die 'T₁-gewichteten' und 'T₂-gewichteten' MR-Signale von Protonen werden relativ skalierte Kontrastzahlen bereitgestellt, während in der Computertomographie (CT) die Röntgenabsorption ein polychromatischer Dämpfungsprozeß ist, der durch die Elektronendichten aller im Röntgenstrahl vorhandenen Atome beeinflußt wird. Es existiert keine Gleichung zum Korrellieren der CT-Zahl (oder des linearen Dämpfungskoeffizienten, der Elektronendichte oder der Gewebedichte) mit den MR-Kontrastzahlen; so daß keine direkte Kalibrierung zwischen den beiden Signaltypen möglich ist. Dieses Fehlen einer Korrelation wird durch Betrachten von Knochen und Luft, die entgegengesetzten Enden der (absoluten) CT-Kontrastskala zugeordnet sind, unter Verwendung von Wasser als Basislinie bestätigt, wobei Knochen und Luft aufgrund ihrer gemeinsamen niedrigen Protonenzahl jedoch am gleichen Ende der (relativen) MR-Bildkontrastskala angeordnet sind.
Das Fehlen einer Korrelation zwischen den CT- und den MR-Signalen wirkt ihrer kombinierten Verwendung für Bildgebungszwecke entgegen, durch die vorliegende Erfindung werden jedoch ein Verfahren und ein System bereitgestellt, durch die die Vorteile jeder dieser Techniken genutzt werden können, um die Bildauflösung und die Kontrastinformation zu verbessern.
Hinsichtlich der Kontrastinformation wird durch die CT-Technik eine hohe räumliche Auflösung nur bezüglich einer Betrachtung senkrecht zu einem sich in Querrichtung erstreckenden Scheibenelement bereitgestellt. Die Auflösung für alle rekonstruierten, sich nicht in Querrichtung erstreckenden Ebenen ist dagegen aufgrund der Erfordernis der Verwendung länglicher Voxel zum Verbessern des Signal/Rausch-Verhältnisses oder Störabstands schlecht. Außerdem kann der Partialvolumeneffekt bei der Verwendung länglicher Voxel zu Detektionsfehlern am dünnen Rand eines Kontrastprofils einer Wunde führen. Durch ein Magnetresonanz(MR)verfahren kann dagegen senkrecht zu einer beliebigen Bildscheibenebene die gleiche hohe räumliche Auflösung erhalten werden, und kann außerdem eine isotrope Auflösung mit einer Volumenabbildung mit kubischen Voxeln bereitgestellt werden.
Zu diesem Zweck werden über einen Querschnitt eines Volumens von Interesse in einem Patienten oder einem anderen Subjekt mehrere scheibenförmige CT-Abtastbilder in Querrichtung gespeichert. Außerdem werden für das gleiche Volumen entsprechend mehrere scheibenförmigen MR-Abtastbilder in Querrichtung gespeichert. Die Scheibendicke der MR-Abtastbilder kann die Hälfte oder weniger der Dicke der CT-Scheiben entsprechen und zwei- oder dreidimensional gespeichert werden. Der abgetastete oder gescannte Patient oder das andere Subjekt werden während des gesamten Abtastprozesses auf einer Liege begrenzt gehalten, durch die Orientierungspunkte einer Bezugskoordinatenanordnung auf der Liegenoberseite bereitgestellt werden. Dies dient dazu, die Reproduzierbarkeit z.B. von anatomischen Positionen und Merkmalen in einer Genauigkeit erster Ordnung für die entsprechenden CT- und MT-Abtastungen und möglicherweise für eine durchzuführende Strahlungsbehandlung zu gewährleisten.
Die jeweiligen Querebenen der CT- und MR-Bilder werden im Verfahren individuell verarbeitet und in einem entfalteten Raum für die CT- und MR-Bilder aneinander angepaßt. Die beiden Sätze entfalteter Bilder werden dann zu einer Genauigkeit zweiter Ordnung miteinander kombiniert, damit die CT-Zahlen übertragen werden können, um die entsprechenden MR-Kontrastzahlen zu ersetzen. Nachdem dies durchgeführt wurde, können von den zweidimensionalen MR-Bildern oder von einer Umordnung der entsprechenden Voxel der dreidimensionalen Vo lumenbilder sich nicht in Querrichtung erstreckende (oder schräge) Ebenen erhalten werden; wobei, wenn ein zweidimensionaler MR-Prozeß verwendet wird, gegebenenfalls ein weiterer Kontrastumwandlungsschritt erforderlich ist.
Die jeweiligen Querebenen der CT- und MR-Bilder werden unter Verwendung von 'Grenz'- oder 'Fingerabdruck'-Anpaßtechniken in einem Entfaltungsraum für die CT- und MR-Bilder individuell verarbeitet. In diesen Bild-Querebenen können, insbesondere bei einer medizinischen Anwendung, am besten die Hautkonturmerkmale entlang der Seiten des Patienten für eine Ausrichtung und Anpassung mit einer Genauigkeit zweiter Ordnung verwendet werden, weil sie durch Bewegungen des Patienten in geringerem Maße beeinflußt werden. Übertragungsfehler können bezüglich den Koordinatenpositionen eines in der Liegenoberseite eingebetteten rechteckigen Rohrleitungssystems (wie beispielsweise vorstehend unter Bezug auf die 5 und 6 beschrieben wurde) leicht korrigiert werden. Die verarbeiteten Daten können dann in einem "Diagnose- und Statistik-Programmpaket' für einen Vergleich des CT-Bildes mit dem MR-Bild hinsichtlich ihrer sich exakt entsprechenden Querscheibe(n) und in einem zugeordneten "Statistik-Programmpaket" zum exakten Berechnen der 'wahren' Fläche und des 'wahren' Volumens eines Wund- oder Gewebeprofils oder einer Wund- oder Gewebekontur verwendet werden.
Die beiden Sätze entfalteter Bilder werden dann zu einer Genauigkeit zweiter Ordnung miteinander kombiniert, damit die CT-Zahlen übertragen werden können, um die entsprechenden MR-Kontrastzahlen zu ersetzen. Nachdem dies durchgeführt wurde, werden sich nicht in Querrichtung erstreckende (oder schräge) Ebenen von dem zweidimensionalen Bild oder von einer Umordnung der entsprechenden Voxel des dreidimensionalen Volumens erhalten; wobei, wenn ein zweidimensionaler MR-Prozeß verwendet wird, gegebenenfalls ein weiterer Kontrastumwandlungsschritt erforderlich ist. Die übertragenen Kontrastdaten können dann in einem Programmpaket zum Planen einer dreidimensionalen Radiotherapiebehandlung für ein pseudo-dreidimensionales In-plane-Schrägbild-Verfahren unter Verwendung von MR-Bildern verwendet werden.
Die für die erfindungsgemäße Entfaltungsverarbeitung von Bilddaten erforderliche Software kann in Verbindung mit einem Least-Squares-Kurvenanpassungsverfahren implementiert werden. Ein mathematisches Modell des Verfahrens, auf dem basierend die erforderliche Software entwickelt werden kann, wird nachstehend unter Bezug auf 7 dargestellt, die die Faltung einer LSF-Funktion L(x) mit einer Stufenfunktion SF mit einer nach unten abgestuften Kante SDE zum Erzeugen eines ERF-Bildprofils E(x) darstellt. Es werden die Werte E(x) betrachtet, die durch die Faltung an Punkten x = 1 bis x = n der Funktion SF erhalten werden:
Für die Entfaltung, d.h., um basierend auf der ERF- Funktion E(x) die LSF-Funktion L(x) zu erhalten, gilt
Daher wird durch den Entfaltungsprozeß die gleiche Form der LSF-Funktion unabhängig vom Sinn der ERF-Funktion wiedergewonnen; es ist egal, ob eine steigende oder fallende ERF-Funktion eines positiven oder negativen Kontrastprofils vorliegt. Dies ist eine wichtige Eigenschaft, weil eine positive Kontrastkontur an beiden Enden eine steigende ERF-Funktion (mit Funktionswerten von niedrigen zu hohen Werten) aufweisen wird, während eine negative Kontrastkontur an beiden Enden eine fallende ERF-Funktion (mit Funktionswerten von hohen zu niedrigen Werten) aufweisen wird.
In der praktischen Anwendung wird die LSF-Funktion von der ERF-Funktion durch einen Entfaltungsprozeß unter Verwendung eines Running-Filters erhalten. Dadurch wird die Genauigkeit des Verfahrens verbessert, indem das Problem des Rauschens, das die digitalisierten Pixelwerte des Bildes beeinflußt, gelöst wird. Es wird eine Least-Squares-Fitfunktion eines Satzes von Datenpunkten ausgeführt, die sich entlang der gesamten Länge der Funktion von einem Punkt zum nächsten fortsetzt.
Es wird vorausgesetzt, daß y = a₀ + a₁x + a₂x² die ERF-Kurve darstellt und eine Fünf- oder Sieben-Punkt-Anpassung verwendet wird und die normale Gleichung dargestellt wird durch:
wobei i = 1 + n, ... 5 + n; ... bis m – 5, ... m
oder
i = 1 + n, ... 7 + n; ...bis m – 7, ... m
n = 0, 1, 2, ...; und
1, ... m die Spannbreite des ERF-Profils ist.
Die Lösung kann entweder hergeleitet werden von:
Damit beide Gleichungen gültig sind, gilt:
Der Gradient bei dy/dx_(3+n) oder dy/dx_(4+n) kann dann bestimmt und für das LSF-Profil gegen x geplottet werden.
Durch den Graphen von dy/dx als Funktion von x wird das LSF-Profil erhalten. Der Spitzenwert dieses Profils ist bezüglich der Mittelpunkte der steigenden und fallenden Abschnitte des Graphen mittig angeordnet. Diese Punkte definieren die Extrema der Halbwertsbreite (FWHM) des Profils, und der Mittelpunkt des Profils wird aufgrund des 'Mittelungs'effekts mit einer Subpixelgenauigkeit bestimmt.
Die Punktverwaschungsfunktion (PSF) ist das zweidimensionale Profil, das in der Praxis von den zwei entsprechenden, innerhalb einer Bildebene orthogonal zueinander angeordneten LSF-Funktionen erhalten werden kann. Die Spitzenpo sition des PSF-Profils bezieht sich daher auf den 'Mittelwert' oder 'Übergangs- oder Kreuzungspunkt' der beiden Spitzenwerte oder der beiden LSF-Profile. Die PSF-Funktion wird in der Praxis von zwei orthogonalen Achsen in einer zweidimensionalen Ebene erhalten.
Die Erzeugung der LSF- (oder PSF-) Funktion ist nach einer Phasenumkehrkorrektur vom steigenden oder fallenden Verlauf der ERF-Funktionen an den Rändern der Kontrastkontur abhängig. D.h., sie ist unabhängig vom Sinn und vom Absolutwert der Kontrastzahlen innerhalb der Kontur. Die Spitzenposition der LSF- (oder PSF-) Funktion entspricht einem Punkt in der Mitte am halben Maximum (50%) der steigenden oder fallenden ERF-Funktion, was der optimalen Position für die wahre Kantendefinition entspricht.

Claims

Bildgebendes Verfahren, wobei ein Entfaltungsprozeß (29) an der Bildkanten-Antwortfunktion (25) in der Bilddomäne jeweils einer oder mehrerer abgetasteter Gegenstandsdiskontinuitäten (23) ausgeführt wird, um das Profil (22') der jeweiligen Punkt- oder Linienspreizfunk-tion abzuleiten, und die Halbhöhenspitzenbreite (FWHM) des abgeleiteten Profils (22') identifiziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Entfaltungsprozeß (29) mit einer Teilpixelabtastung der Bildkanten-Antwortfunktion (25) ausgeführt wird, daß das abgeleitete Profil (22') mit dem Bilddomänenprofil (25') der jeweiligen Kanten-Antwortfunktion korreliert wird, daß der Ort in der Bilddomäne der jeweiligen Diskontinuität vom Mittelpunkt (30) der Halbhöhenspitzenbreite (FWHM) der abgeleiteten Linienspreizfunktion bestimmt wird, und daß zum Verbessern der räumlichen Auflösung der Bildkante an der Diskontinuität Teilpixel (32) innerhalb des Bilddomänenprofils der Kanten-Antwortfunktion (25') von einer Seite zur anderen des Ortes übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Entfaltungsprozeß (29) durch eine Teilpixelabtastung durchgeführt wird, wobei eine Lauffilterung mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Weichfilterung verwendet wird, um störende Kanten in der Bilddomäne zu entfernen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Kantenumriß (37) des abgetasteten Gegenstands in der Bilddomäne bestimmt wird, indem Kantenbilddefinitionen, wie obenerwähnt, der Bilder einer Vielzahl der abgetasteten Gegenstandsdiskontinuitäten verbessert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Fläche und/oder das Volumen und/oder die Intensität des Gegenstandbildes im Kantenumriß (37) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Gegenstandsabtastung eine Magnetresonanz- (MR)-Abtastung ist, wobei Werte für Relaxationszeiten T₁ und T₂ für das Gegenstandsbild im Umriß abgeleitet werden, und diese Werte verwendet werden, um aus den gespeicherten Daten Arten des Gewebes oder eines anderen Materials zu identifizieren, das im abgetasteten Gegenstand enthalten ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei Dichtewerte für die identifizierte Arten des Gewebes oder anderen Materials aus weiteren gespeicherten Daten abgeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei eine geometrische Korrektur auf die Bildaufbereitung, die aus der MR-Abtastung abgeleitet wird, gemäß gespeicherter Daten angewendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das auf Kanten- Antwortfunktionen in den Bilddomänen von Magnetresonanz- (MR)- und Computertomographie- (CT)-Abtastungen desselben Teils eines Gegenstands angewendet wird, und wobei die verstärkten Bildkanten der beiden Abtastungen miteinander bezüglich des Teils korreliert werden, und wobei die Bildgebung des Teils des Gegenstands gemäß dem verbesserten MR-Abtastungsbild bereitgestellt wird, das in Abhängigkeit von den CT-Kontrastzahlen modifiziert wird, die auf entsprechende, korrelierte Positionen in der CT-Abtastung anwendbar sind.
Bildgebungssystem, wobei ein Entfaltungsprozeß (29) an der Bildkanten-Antwortfunktion (25) in der Bilddomäne jeweils einer oder mehrerer abgetasteter Gegenstandsdiskontinuitäten (23) ausgeführt wird, um das Profil (22') der jeweiligen Punkt- oder Linienspreizfunktion abzuleiten, und die Halbhöhenspitzenbreite (FWHM) des abgeleiteten Profils (22') identifiziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Einrichtung (5) zur Ausführung des Entfaltungsprozesses (29) mit einer Teilpixelabtastung der Bildkanten-Antwortfunktion (25) und zur Korrelation des abgeleiteten Profils (22') mit dem Bilddomänenprofil (25') der jeweiligen Kanten-Antwortfunktion aufweist, wobei der Ort in der Bilddomäne der jeweiligen Diskontinuität vom Mittelpunkt (30) der Halbhöhenspitzenbreite (FWHM) der abgeleiteten Linienspreizfunktion bestimmt wird, und daß das System außerdem eine Einrichtung (6) zur Übertragung (31) von Teilpixeln (32) innerhalb des Bilddomänenprofils (25') der Kanten-Antwortfunktion von einer Seite zur anderen des Ortes zum Verbessern der räumlichen Auflösung des Bildkante an der Diskontinuität aufweist.
System nach Anspruch 10, wobei der Entfaltungsprozeß (29) durch eine Teilpixelabtastung durchgeführt wird, wobei eine Lauffilterung mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate verwendet wird.
System nach Anspruch 10 oder 11, das eine Einrichtung (8) zur Definition eines Kantenumrisses (37) des abgetasteten Gegenstands in der Bilddomäne durch Verbessern von Kantenbilddefinitionen, wie obenerwähnt, der Bilder einer Vielzahl der abgetasteten Gegenstandsdiskontinuitäten aufweist.
System nach Anspruch 12, das eine Einrichtung zur Bestimmung der Fläche und/oder des Volumens und/oder der Intensität des Gegenstandbilds innerhalb des Kantenumrisses (37) aufweist.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Gegenstandsabtastung eine Magnetresonanz- (MR)-Abtastung ist.
System nach Anspruch 14, wobei eine geometrische Korrektur auf die Bildgebung, die aus der MR-Abtastung abgeleitet wird, gemäß gespeicherter Daten angewendet wird.