EP0612024B1 - Verfahren zur Erzeugung von Schichtbildern und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung von Schichtbildern und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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EP0612024B1
EP0612024B1 EP94200229A EP94200229A EP0612024B1 EP 0612024 B1 EP0612024 B1 EP 0612024B1 EP 94200229 A EP94200229 A EP 94200229A EP 94200229 A EP94200229 A EP 94200229A EP 0612024 B1 EP0612024 B1 EP 0612024B1
Authority
EP
European Patent Office
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image
slice
radiation source
images
values
Prior art date
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EP94200229A
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English (en)
French (fr)
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EP0612024A2 (de
EP0612024A3 (de
Inventor
Geoffrey Dr.- Harding
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Philips Patentverwaltung GmbH
Koninklijke Philips Electronics NV
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Publication date
Application filed by Philips Corporate Intellectual Property GmbH, Philips Patentverwaltung GmbH, Koninklijke Philips Electronics NV filed Critical Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Publication of EP0612024A2 publication Critical patent/EP0612024A2/de
Publication of EP0612024A3 publication Critical patent/EP0612024A3/de
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Publication of EP0612024B1 publication Critical patent/EP0612024B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05GX-RAY TECHNIQUE
    • H05G1/00X-ray apparatus involving X-ray tubes; Circuits therefor
    • H05G1/08Electrical details
    • H05G1/60Circuit arrangements for obtaining a series of X-ray photographs or for X-ray cinematography

Definitions

  • the invention relates to a method for generating layer images of a Examining area from a variety of radiation source positions for the purpose of generating separate individual images with X-rays is enforced, with image values being saved for each individual image correspond to the absorption in its pixels and where slice images are generated in the layer image values from the image values of the pixels of the individual images are derived from a layer pixel geometrically assigned.
  • a finite - preferably - is used as the pixel and in the following referred to as the square area of a single image, while as Layer image point, a corresponding area is designated in the layer image.
  • Such a method and such an arrangement are known, for example from U.S. Patent 3,499,146.
  • the individual images are created using a X-ray emitter, which is successively in different Radiation source positions is brought.
  • the radiation relief is from one Image converter, e.g. by an image intensifier, whose Output screen is scanned using a television camera.
  • the the video signal thus generated is digitized.
  • the emerging digital Data words correspond to the image values of the single image. You will be in one preferably stored digital storage device.
  • the layer image values for the different layer pixels are derived from the image values of Pixels derived, the geometrical layer pixel in question are assigned, that is to say from those pixels which are generated when the Layer image on the connecting line of the relevant layer pixel with the different radiation source positions.
  • Both methods require an intervention in the X-ray generator, which is the X-ray tube feeds, and assume that the current during a Layer recording can be regulated quickly enough.
  • the object of the present invention is a method of the beginning mentioned type so that without intervention in the X-ray generator the contrast reversal or the pseudo resolution in slice images can be at least partially eliminated, and an arrangement for To indicate implementation of the procedure.
  • the derivative of Slice image values are carried out by a weighted summation, in which the Weight with which the image values of the individual images are included in the summation, the smaller the distance between the radiation source position at the Generation of the relevant image from a medium one Radiation source position was.
  • the image processing unit is a Computing unit that uses the image values to generate slice images one from the radiation source position when generating the associated one Single image dependent weighting factor multiplied and the weighted Image values of the image elements geometrically assigned to a layer pixel summed up.
  • the Image processing unit contains a memory in which several of each other different sets of weighting factors are stored and that Selection means for - preferably interactive - selection of a set of Weighting factors are provided. The user can then each Choose set of weighting factors that make the most favorable compromise between reducing the undesirable effects on the one hand and the Blurring of details outside of the layer level on the other hand.
  • the layer recording device shown partly and purely schematically in FIG. 1 comprises an x-ray emitter 1 which has an x-ray beam 2 on it Input screen of an X-ray image intensifier 3 is emitted.
  • the X-ray emitter 1 and X-ray image intensifier 3 along parallel paths in opposite directions to one another a first solid line shown end position in a second Movable end position, which is indicated by dashed lines.
  • X-rays are switched on briefly and a single image generated.
  • the shift to the different radiation source positions takes place in such a way that the central rays of the beams 2 in all Cut positions in the same point 4. This can be done be ensured that X-ray tube 1 and image intensifier 3 by a Rod to be coupled to each other by one through point 4 horizontal axis perpendicular to the plane of the drawing is pivotable.
  • the one containing point 4 and parallel to the directions of movement Level EF is called the Fulcrum level.
  • the output image of the X-ray image intensifier 3 is obtained from a video camera 5 converted into an electrical signal by an analog-digital converter 6 digitized and stored in a memory 7, which is sufficient Has capacity to the digitized video signals of all frames to record.
  • Each frame can e.g. 256 x 256 or 512 x 512 pixels include.
  • the number of frames must be large enough; for one Swivel angle from -20 ° to + 20 ° (opposite the vertical) has one between 30 and 50 number of single images has been shown to be sufficient.
  • the memory 7 for each pixel of each frame digital form stores an image value that indicates the absorption of the X-ray radiation in the examination area that represents point 4 surrounds.
  • Fig. 2 shows the - for clarification compared to Fig. 1 - changed geometric relationships when recording the individual images.
  • Three radiation source positions are shown, the radiation source position P 0 being in the middle of the range of motion and the radiation source positions P -N and P + N being at the ends of the range of motion.
  • the individual images B 0 , B -N and B + N are generated in the three positions. For the sake of simplicity, it is assumed that each individual image contains only five pixels which (at their center) are connected to the associated radiation source position by straight lines.
  • the image values for each slice pixel must be superimposed by those pixels that are geometrically assigned to this slice pixel.
  • the slice image value for the slice pixel S 01 must be determined from the slice image value of the pixel on the far left in each of the individual images.
  • the other slice image values for the fulcrum level can be determined analogously.
  • it applies to this layer image plane that a layer image point with the coordinates x and y is assigned a layer image value S 0 (x, y) from the individual images the image values B n (x, y) of the image points with the coordinates x, y.
  • the value n ranges from -N to + N.
  • a different combination of image values from the other image values must be used for the other layers.
  • the image value of the left pixel in the individual image B -N the image value of the second image point from the left in the individual image B 0 and the image value of the central image point in the individual image B + N are used.
  • the layer image value S 1 (x, y) is composed of the image values B n (x + n, y) for a pixel with the coordinates x, y.
  • the coordinates x, y count from the straight line G which connects the central radiation source position P 0 to the center of the single image B 0 generated from this position. It is further assumed that the x-direction coincides with the direction of movement of the radiation sources and y represents the horizontal direction perpendicular thereto (perpendicular to that to the plane of the drawing in FIGS. 1 and 2).
  • the layer S -1 this is the first layer above the Fulcrum plane EF
  • its layer image values S -1 (x, y) are derived from the pixels B n (xn, y).
  • the layer image values S i (x, y) result from one another Derive image values B n (xi • n, y).
  • a layer image S i is generated from the individual images stored in the image memory 7 by an image processing unit 8 and displayed on a suitable display unit 9, for example a video monitor.
  • the user can on the one hand specify the position i of the layer S i to a suitable setting unit 10 and on the other hand set the extent to which he wants to eliminate contrast reversal and resolution effects.
  • the image processing unit 8 contains a computing and control unit 80, which determines the address for the calculation of layer image values of layer image points with the coordinates x, y in a layer i, under which the image value B n (x + i • n, y ) is saved.
  • This image value is called up from the memory 7 and fed to a multiplier 81.
  • the image value is multiplied by a weighting factor g j (n). This weighting factor is the same for all pixels of the single image B n .
  • the weighting factor is taken from a memory 82.
  • the image processing unit 8 further contains a layer image memory 83, in which - after the reconstruction of a layer image has been completed - the layer image values S i (x, y) are stored.
  • the computing and control unit 80 forms the address x, y of these slice image values and calls up the value stored under this address. At the beginning of the reconstruction, this value is zero. It is added to the value calculated by the multiplier 81 with an adder 84, and the sum thus formed is stored in the memory 83 at the previously called address.
  • the arithmetic and control unit 80 then calculates the addresses in the memories 7 and 83 for a different value of x until all x values of a layer image line have been processed.
  • the Multiplication and addition by hardware units 81 and 84 carried out.
  • the Image processing unit can contain a microcomputer that the Address calculations, multiplications and additions in software performs.
  • the described image processing method would lead to the same images that result from the method mentioned at the beginning, in which the image values of the various individual images geometrically assigned to a layer pixel are added to one another.
  • 5e has negative values, that is to say that the contrast is reversed (areas of strong absorptions are therefore imaged as if only a small absorption would take place there and vice versa).
  • the spatial frequency range between 2 and 3 there is again a normal contrast - although not as great as in the range between 0 and 1. Since the contrast is already zero at the local frequency 1, this course of the modulation transfer function leads to one in the spatial frequency range between two and three Pseudo resolution. In the spatial frequency range above three, the modulation transfer function shows further negative and positive vibrations, the amplitude of which is however becoming smaller and smaller.
  • Fig. 5e applies in principle to all layers outside of the Reconstruction of sharply rendered slice.
  • the limit of real Resolution shifts all the more to low values of the spatial frequency towards, the greater the distance of the respective structures from the sharp pictured layer is in the examination area. If you do that Takes into account that one varies the unit of the spatial frequency, 5e applies to all of these layers.
  • the weighting factors provided for the various images must depend on the radiation source position when the individual image in question is generated, so that the greater the distance between the radiation source position and the mean radiation source position (P 0 ), the smaller the weighting factor .
  • G j (n) 1 + a j1 • b 1 + a j2 • b 2
  • the index j is intended to indicate that there are several sets of weighting factors (with their own factors a j1 and a j2 ), one of which can be selected for a slice image .
  • FIG. 5a represents the modulation transfer function for a plane lying outside the sharply depicted layer plane if the layer image is created with this set of weighting factors. It can be seen on the one hand that there is no reversal of contrast and no pseudo resolution, because the contrast decreases monotonically as a function of the spatial frequency. However, it can also be seen that only structures above a spatial frequency of 2 no longer produce any contrast in the sharply imaged layer, that is to say the blurring effect is only about half as great as in the modulation transfer function according to FIG. 5e, where the spatial frequency 1 already Contrast disappears.
  • the curve (c) in FIG. 4 represents the associated envelope and FIG. 5c the modulation transfer function.
  • the blurring effect is stronger than, for example, in FIG. 5b, but phase reversal and pseudo-resolution effects can also be stronger - but not as strong as in FIG. 5e, which shows an even stronger blurring effect.
  • FIG. 5d shows a modulation transfer function in which the disturbing or desired effects are more pronounced than in FIG. 5c, but not yet as strong as in FIG. 5e.
  • a certain weighting factor set g j (n) can initially be provided by the setting unit 10 by presetting j, for example that according to curve (a) in FIG. 4 or according to equations (1) to (3).
  • This weighting factor set like the other possible weighting factor sets, is stored in the memory 82, and the weighting factor g j (n) that belongs to the respective individual image B n is called up by the computing and control unit.
  • the radiation source positions were symmetrical with respect to point 4 (FIG. 1) in the Fulcrum plane, their distance from one another was the same, and their number was odd. Although these requirements are expedient, they can be omitted individually or as a whole.
  • the "mean radiation source position" in the sense of the invention is then the geometric center between the two outer positions; this position does not have to be identical to one of the radiation source positions for the individual images.
  • the expression n / N in equation (2) must then be replaced by x / x o , where x denotes the distance of the respective radiation source position from the center and x o the center distance of the outer two radiation source positions .

Landscapes

  • Apparatus For Radiation Diagnosis (AREA)
  • Image Processing (AREA)
  • Image Analysis (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Schichtbildern eines Untersuchungsbereichs, der aus einer Vielzahl von Strahlenquellenpositionen zwecks Erzeugung voneinander getrennter Einzelbilder mit Röntgenstrahlung durchsetzt wird, wobei für jedes Einzelbild Bildwerte gespeichert werden, die der Absorption in seinen Bildpunkten entsprechen und wobei Schichtbilder erzeugt werden, in dem Schichtbildwerte aus den Bildwerten der Bildpunkte der Einzelbilder abgeleitet werden, die einem Schichtbildpunkt geometrisch zugeordnet sind.
Als Bildpunkt wird dabei und im folgenden ein endlicher - vorzugsweise quadratischer Bereich eines Einzelbildes bezeichnet, während als Schichtbildpunkt ein entsprechender Bereich im Schichtbild bezeichnet wird.
Ein solches Verfahren und eine solche Anordnung sind bekannt beispielsweise aus der US-PS 3,499,146. Die Einzelbilder werden dabei mit Hilfe eines Röntgenstrahlers erzeugt, der nacheinander in verschiedene Strahlenquellenpositionen gebracht wird. Das Strahlenrelief wird von einem Bildwandler, z.B. von einem Bildverstärker, aufgenommen, dessen Ausgangsleuchtschirmbild mit Hilfe einer Fernsehkamera abgetastet wird. Das so erzeugte Videosignal wird digitalisiert. Die entstehenden digitalen Datenworte entsprechen den Bildwerten des Einzelbildes. Sie werden in einer vorzugsweise digitalen Speicheranordnung gespeichert. Die Schichtbildwerte für die verschiedenen Schichtbildpunkte werden aus den Bildwerten von Bildpunkten abgeleitet, die dem betreffenden Schichtbildpunkt geometrisch zugeordnet sind, also von denjenigen Bildpunkten, die bei der Erzeugung des Schichtbildes auf der Verbindungslinie des betreffenden Schichtbildpunktes mit den verschiedenen Strahlenquellenpositionen liegen.
Es hat sich gezeigt, daß Bereiche innerhalb des Untersuchungsbereichs, die außerhalb der Schicht liegen, deren Details scharf wiedergegeben werden, in dem Schichtbild eine Kontrastumkehr bzw. eine Pseudoauflösung erfahren können, wenn die Strahlenquellenpositionen auf einer Geraden liegen bzw. auf einem Kreisbogen um eine horizontale Achse.
Es ist bekannt, daß derartige Effekte auch bei konventionellen Systemen für lineare Tomographie auftreten können, bei denen durch kontinuierliche Verschiebung zwischen einem Film und einem Röntgenstrahler eine Schichtaufnahme erzeugt wird. Es ist bekannt (vergl. Harding et al in Phys. Med. Biol., 1975, Vol. 20, No. 1, 144-149), daß man diese Effekte dadurch beseitigen kann, daß man während der Aufnahme den für Röntgenröhrenstrom dreieckförmig zu- und abnehmen läßt. Bei einer Verbesserung dieses Verfahrens (Phys. Med. Biol., 1977, Vol. 22, No. 4, Seiten 747 - 759) wird anstelle der dreieckförmigen Modulation eine glockenkurvenförmige Modulation verwandt, wobei sich ein besserer Kompromiß zwischen der Unterdrückung der unerwünschten Effekte und des Rückgangs der Verwischung von Einzelheiten außerhalb der Schicht ergibt.
Beide Verfahren erfordern einen Eingriff in den Röntgengenerator, der den Röntgenstrahler speist, und setzen voraus, daß der Strom während einer Schichtaufnahme genügend schnell geregelt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß ohne Eingriff in den Röntgengenerator die Kontrastumkehr bzw. die Pseudoauflösung bei Schichtaufnahmen wenigstens teilweise beseitigt werden kann, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ableitung der Schichtbildwerte durch eine gewichtete Summierung erfolgt, bei der das Gewicht, mit dem die Bildwerte der Einzelbilder in die Summierung eingehen, umso kleiner ist, je größer der Abstand der Strahlenquellenposition bei der Erzeugung des betreffenden Einzelbildes von einer mittleren Strahlenquellenposition war. Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Bildverarbeitungseinheit eine Recheneinheit umfaßt, die zur Erzeugung von Schichtbildern die Bildwerte mit einem von der Strahlenquellenposition bei der Erzeugung des zugehörigen Einzelbildes abhängigen Gewichtungsfaktor multipliziert und die so gewichteten Bildwerte der einem Schichtbildpunkt geometrisch zugeordneten Bildpunkte summiert.
Bei der Erfindung gemäß den vorliegenden Ansprüchen werden die erwähnten unerwünschten Effekte dadurch beseitigt, daß die Einzelbilder, aus denen eine Schicht (mit frei wählbarer Lage) rekonstruiert wird mit unterschiedlichem Gewicht in die Rekonstruktion eingehen. Ein Eingriff in den Röntgengenerator ist dabei nicht erforderlich.
Ebenso wie bei dem zuvor erwähnten bekannten Verfahren hat die Verringerung der Kontrastumkehr- bzw. Pseudoauflösungseffekte zur Folge, daß Objekte bzw. Details, die im Untersuchungsbereich außerhalb der durch die Schichtaufnahme scharf abgebildeten Schicht liegen, im Schichtbild weniger verwischt abgebildet werden, was die Diagnose ebenfalls beeinträchtigen kann. Andererseits können die Kontrastumkehr- und Pseudoauflösungseffekte in unterschiedlichen Aufnahmen mehr oder weniger stark auftreten. Die Gewichtung der Einzelbilder bei der Erzeugung einer Schichtaufnahme bewirkt aber auch in diesen Fällen, wo eine Beseitigung der erwähnten Effekte gar nicht erforderlich gewesen wäre, eine Verringerung der Verwischung.
Deshalb ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Bildverarbeitungseinheit einen Speicher enthält, in dem mehrere voneinander abweichende Sätze von Gewichtungsfaktoren gespeichert sind und daß Selektionsmittel zur - vorzugsweise interaktiven - Auswahl eines Satzes von Gewichtungsfaktoren vorgesehen sind. Der Benutzer kann dann jeweils den Satz von Gewichtungsfaktoren wählen, der den günstigsten Kompromiß zwischen der Verringerung der unerwünschten Effekte einerseits und der Verwischung von Details außerhalb der Schichtebene andererseits darstellt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
Teile eines Schichtaufnahmegerätes, mit dem die Erfindung ausführbar ist,
Fig. 2
die geometrischen Verhältnisse bei einer Schichtaufnahme,
Fig. 3
ein Blockschaltbild einer Einheit zur Durchführung des Verfahrens,
Fig. 4
die Abhängigkeit der Gewichtungsfaktoren von der Strahlenquellenposition bei verschiedenen Gewichtungsfaktorsätzen,
Fig. 5a bis 5e
die mit den verschiedenen Gewichtungsfaktorsätzen einhergehenden Modulatiosübertragungsfunktionen.
Das in Fig. 1 zum Teil und rein schematisch dargestellte Schichtaufnahmegerät umfaßt einen Röntgenstrahler 1, der ein Röntgenstrahlenbündel 2 auf den Eingangsschirm eines Röntgenbildverstärkers 3 emittiert. Wie durch die beiden Pfeile 200 und 300 angedeutet, sind der Röntgenstrahler 1 und der Röntgenbildverstärker 3 längs paralleler Bahnen gegensinnig zueinander von einer ersten ausgezogenen Linien dargestellten Endstellung in eine zweite Endstellung bewegbar, die mit gestrichelten Linien angedeutet ist. In jeder der beiden Strahlenquellenpositionen sowie in einer - vorzugsweise ungeraden - Anzahl von dazwischenliegenden Strahlenquellen- (und Bildverstärker) Positionen wird kurzzeitig Röntgenstrahlung eingeschaltet und ein Einzelbild erzeugt. Die Verschiebung in die verschiedenen Strahlenquellenpositionen erfolgt dabei derart, daß sich die Zentralstrahlen der Strahlenbündel 2 in allen Positionen in ein und demselben Punkt 4 schneiden. Dies kann dadurch sichergestellt werden, daß Röntgenstrahler 1 und Bildverstärker 3 durch eine Stange miteinander gekoppelt werden, die um eine durch den Punkt 4 verlaufende, zur Zeichenebene senkrechte horizontale Achse schwenkbar ist. Die den Punkt 4 enthaltende und zu den Bewegungsrichtungen parallele Ebene EF wird als Fulcrum-Ebene bezeichnet.
Das Ausgangsbild des Röntgenbildverstärkers 3 wird von einer Videokamera 5 in ein elektrisches Signal umgesetzt, das von einem Analog-Digital-Wandler 6 digitalisiert und in einem Speicher 7 gespeichert wird, der eine ausreichende Kapazität aufweist, um die digitalisierten Videosignale sämtlicher Einzelbilder aufzunehmen. Jedes Einzelbild kann z.B. 256 x 256 oder 512 x 512 Bildpunkte umfassen. Die Zahl der Einzelbilder muß genügend groß sein; für einen Schwenkwinkel von -20° bis +20° (gegenüber der Senkrechten) hat sich eine zwischen 30 und 50 liegende Zahl von Einzelbildern als ausreichend erwiesen. Somit ist in dem Speicher 7 für jeden Bildpunkt eines jeden Einzelbildes in digitaler Form ein Bildwert gespeichert, der die Absorption der Röntgenstrahlung in dem Untersuchungsbereich darstellt, der den Punkt 4 umgibt.
Fig. 2 zeigt die - zur Verdeutlichung gegenüber Fig. 1 geänderten - geometrischen Verhältnisse bei der Aufnahme der Einzelbilder. Es sind drei Strahlenquellenpositionen dargestellt, wobei die Strahlenquellenposition P0 in der Mitte des Bewegungsbereiches liegt und die Strahlenquellenpositionen P-N und P+N an den Enden des Bewegungsbereiches liegen. In den drei Positionen werden die Einzelbilder B0, B-N und B+N erzeugt. Der Einfachheit halber ist angenommen, daß jedes Einzelbild nur fünf Bildpunkte enthält, die (in ihrem Mittelpunkt) durch Geraden mit der zugehörigen Strahlenquellenposition verbunden sind.
Für die Erzeugung eines eine bestimmte Schicht scharf abbildenden Schichtbildes müssen für jeden Schichtbildpunkt die Bildwerte von denjenigen Bildpunkten überlagert werden, die diesem Schichtbildpunkt geometrisch zugeordnet sind. So muß für ein Schichtbild der Fulcrum-Ebene EF beispielsweise der Schichtbildwert für den Schichtbildpunkt S01 jeweils aus dem Schichtbildwert des in jedem der Einzelbilder ganz links liegenden Bildpunkt ermittelt werden. Analog dazu können die anderen Schichtbildwerte für die Fulcrum-Ebene bestimmt werden. Allgemein gilt für diese Schichtbildebene, daß einem Schichtbildpunkt mit den Koordinaten x und y ein Schichtbildwert S0 (x,y) aus den Einzelbildern die Bildwerte Bn (x,y) der Bildpunkte mit den Koordinaten x, y zugeordnet werden. Der Wert n reicht dabei von -N bis +N.
Für die anderen Schichten muß eine andere Kombination von Bildwerten aus den anderen Bildwerten herangezogen werden. Beispielsweise muß für den linken Schichtbildpunkt S11 der unterhalb der Fulcrum-Ebene liegenden Schicht S1 (in der sich ebenfalls die von den Strahlenquellenpositionen zu den Bildpunkten der Einzelbilder führenden Geraden schneiden) der Bildwert des linken Bildpunktes im Einzelbild B-N, der Bildwert des zweiten Bildpunktes von links im Einzelbild B0 und der Bildwert des mittleren Bildpunktes im Einzelbild B+N herangezogen werden. Allgemein gilt für diese Schicht, daß sich für einen Bildpunkt mit den Koordinaten x, y der Schichtbildwert S1 (x,y) aus den Bildwerten Bn (x+n, y) zusammensetzt. Dabei zählen die Koordinaten x, y von der Geraden G aus, die die mittlere Strahlenquellenposition P0 mit der Mitte des aus dieser Position erzeugten Einzelbildes B0 verbindet. Dabei ist weiter vorausgesetzt, daß die x-Richtung mit der Bewegungsrichtung der Strahlenquellen zusammenfällt und y die dazu senkrechte horizontale Richtung (senkrecht zu den zu der Zeichenebene der Figuren 1 bzw. 2) darstellt.
Analog dazu findet man für die Schicht S-1 (das ist die erste Schicht oberhalb der Fulcrum-Ebene EF), daß sich deren Schichtbildwerte S-1 (x, y) aus den Bildpunkten Bn (x-n, y) ableiten. Allgemein gilt für Bildpunkte in einer Schicht Si (wobei i eine positive oder negative ganze Zahl ist, die von der Schicht in der Fulcrum-Ebene aus die Lage dieser Schicht kennzeichnet), daß die Schichtbildwerte Si (x, y) sich aus den Bildwerten Bn (x-i•n, y) ableiten.
Fig. 3 stellt ein schematisches Blockschaltbild dar, mit dessen Hilfe aus den gespeicherten Einzelbildern Bilder einer Schicht Si erzeugt werden können. Die darin gespeicherten Bilder Bn mögen vorzugsweise in einer normierten Form abgespeichert sein in der Weise, daß für ein gleichmäßig dickes homogenes Objekt im Untersuchungsbereich alle Einzelbilder identisch sein mögen. Aus den in den Bildspeicher 7 gespeicherten Einzelbildern wird durch eine Bildverarbeitungseinheit 8 ein Schichtbild Si erzeugt und auf einer geeigneten Wiedergabeeinheit 9, beispielsweise einem Videomonitor, wiedergegeben. Der Benutzer kann dabei das einer geeigneten Einstelleinheit 10 einerseits die Lage i der Schicht Si vorgeben und andererseits eistellen, in welchem Maße er Kontrastumkehr- und Auflösungseffekte beseitigen will.
Die Bildverarbeitungseinheit 8 enthält eine Rechen- und Steuereinheit 80, die für die Berechnung von Schichtbildwerten von Schichtbildpunkten mit den Koordinaten x, y in einer Schicht i die Adresse bestimmt, unter der im Speicher 7 der Bildwert Bn (x+i•n, y) gespeichert ist. Dieser Bildwert wird aus dem Speicher 7 aufgerufen und einer Multiplizierstufe 81 zugeführt. In dieser Multiplizierstufe wird der Bildwert mit einem Gewichtungsfaktor gj(n) multipliziert. Dieser Gewichtungsfaktor ist für alle Bildpunkte des Einzelbildes Bn gleich groß. Der Gewichtungsfaktor wird einem Speicher 82 entnommen.
Die Bildverarbeitungseinheit 8 enthält weiter einen Schichtbildspeicher 83, in dem - nach Abschluß der Rekonstruktion eines Schichtbildes - liegen die Schichtbildwerte Si (x,y) gespeichert sind. Die Rechen- und Steuereinheit 80 bildet die Adresse x, y dieser Schichtbildwerte und ruft den unter dieser Adresse gespeicherten Wert auf. Zu Beginn der Rekonstruktion ist dieser Wert Null. Er wird mit einer Addiereinheit 84 zu dem von der Multiplizierstufe 81 berechneten Wert addiert, und die so gebildete Summe wird in dem Speicher 83 unter der zuvor aufgerufenen Adresse gespeichert. Danach berechnet die Rechen- und Steuereinheit 80 die Adressen in den Speichern 7 und 83 für einen anderen Wert von x, bis alle x-Werte einer Schichtbildzeile verarbeitet worden sind. Dies wiederholt sich dann für einen anderen Wert von y, bis auf diese Weise alle Beiträge eines Einzelbildes Bn zum Schichtbild ermittelt worden sind. Danach wird die beschriebene Prozedur für alle Einzelbilder wiederholt, wonach in dem Speicher 83 die Schichtbildwerte Si (x,y) zur Verfügung stehen. Das so berechnete Schichtbild wird auf einem Monitor 9 angezeigt.
Gemäß dem schematisch dargestellten Blockschaltbild der Fig. 3 werden die Multiplikation und die Addition durch die Hardwareeinheiten 81 und 84 durchgeführt. Für den Fachmann ist aber klar, daß die Bildverarbeitungseinheit einen Mikrocomputer enthalten kann, der die Adreßberechnungen, Multiplikationen und Additionen softwaremäßig durchführt.
Wenn die Gewichtungsfaktoren gj (n) alle den Wert 1 hätten, dann würde das beschriebene Bildverarbeitungsverfahren zu den gleichen Bildern führen, die sich bei dem eingangs erwähnten Verfahren ergeben, bei dem die geometrisch einem Schichtbildpunkt zugeordneten Bildwerte der verschiedenen Einzelbilder zueinander addiert werden. Dabei ergibt sich für Objekte, die im Untersuchungsbereich in einem definierten Abstand zu der scharf abgebildeten Schicht Si liegen, eine Modulationsübertragungsfunktion, die in Figur 5e dargestellt ist. Man erkennt, daß Ortsfrequenzen unterhalb des Wertes 1 umso besser übertragen werden, je dichter die Ortsfrequenz bei Null liegt. Im Bereich zwischen den Ortsfrequenzen 1 und 2 hat die Kurve von Fig. 5e negative Werte, d.h., daß der Kontrast umgekehrt wird (Bereiche starker Absorptionen werden also so abgebildet, als ob dort nur eine geringe Absorption stattfinden würde und umgekehrt). Im Ortsfrequenzbereich zwischen 2 und 3 ergibt sich wiederum ein normaler Kontrast - wenn auch nicht so groß wie im Bereich zwischen 0 und 1. Da bereits bei der Ortsfrequenz 1 der Kontrast Null ist, führt dieser Verlauf der Modulationsübertragungsfunktion im Ortsfrequenzbereich zwischen zwei und drei zu einer Pseudoauflösung. Im Ortsfrequenzbereich oberhalb von drei zeigt die Modulationsübertragungsfunktion noch weitere negative und positive Schwingungen, deren Amplitude allerdings immer kleiner wird.
Fig. 5e gilt im Prinzip für sämtliche Schichten außerhalb der durch die Rekonstruktion scharf wiedergegebenen Schicht. Die Grenze der realen Auflösung verschiebt sich umso mehr zu niedrigen Werten der Ortsfrequenz hin, je größer der Abstand der jeweiligen Strukturen von der scharf abgebildeten Schicht im Untersuchungsbereich ist. Wenn man dem dadurch Rechnung trägt, daß man die Einheit der Ortsfrequenz entsprechend variiert, gilt Fig. 5e für alle diese Schichten.
Wenn in den nicht scharf abgebildeten Schichten in nennenswertem Maße Strukturen vorhanden sind, die in den Ortsfrequenzbereich zwischen 1 und 2 oder 2 und 3 oder einen darüber liegenden Bereich fallen, dann ergeben sich in der Schichtaufnahme Kontrastumkehr- oder Pseudoauflösungseffekte, die die diagnostische Auswertung der Schichtaufnahme erschweren können. Um diese Effekte zu unterdrücken, müssen die für die verschiedenen Bilder vorgesehenen Gewichtungsfaktoren in der Weise von der Strahlenquellenposition bei der Erzeugung des betreffenden Einzelbildes abhängen, daß der Gewichtungsfaktor umso kleiner ist, je größer der Abstand der Strahlenquellenposition von der mittleren Strahlenquellenpostion (P0) ist.
Hier sind verschiedene Abhängigkeiten möglich. Ein besonders günstiger Kompromiß zwischen der Unterdrückung der erwähnten Effekte einerseits und der Verwischung von Details außerhalb der Schicht andererseits ergibt sich jedoch dann, wenn die folgende Gleichung erfüllt ist: gj(n) = 1 + aj1 • b1 + aj2 • b2 Der Index j soll andeuten, daß es mehrere Sätze von Gewichtungsfaktoren (mit eigenen Faktoren aj1 und aj2) gibt, von denen jeweils einer für ein Schichtbild ausgewählt werden kann. Für die Faktoren bk (mit k = 1,2) gilt dabei bk = √2 • cos (π • k • n/N) Dabei bezeichnet N die Zahl der Strahlenquellenposition links oder rechts von der Mitte und n gibt an, in der wievielten Strahlenquellenposition (von der Mitte aus gesehen) sich die Strahlenquelle bei der Erzeugung des Einzelbildes bn befand. Weiter gilt aj1 = 0,693; aj2 = 0,0267 (j = 1)
Wenn man die auf diese Weise berechneten Gewichtungsfaktoren gj (n) als Funktion des Wertes n/N aufträgt und diese Faktoren mit einer Umhüllenden miteinander verbindet, ergibt sich die Kurve (a) in Fig. 4. Fig. 5a stellt die Modulationsübertragungsfunktion für eine außerhalb der scharf abgebildeten Schichtebene liegende Ebene dar, wenn das Schichtbild mit diesem Satz von Gewichtungsfaktoren erstellt wird. Man erkennt einerseits, daß es hierbei keine Kontrastumkehr und auch keine Pseudoauflösung gibt, weil der Kontrast als Funktion der Ortsfrequenz monoton abnimmt. Man erkennt aber auch, daß nur Strukturen oberhalb einer Ortsfrequenz von 2 keinen Kontrast mehr in der scharf abgebildeten Schicht hervorrufen, d.h., der Verwischungseffekt ist nur noch etwa halb so groß wie bei der Modulationsübertragungsfunktion nach Fig. 5e, wo bereits bei der Ortsfrequenz 1 der Kontrast verschwindet.
Aus diesen Gründen ist es nur dann sinnvoll, die Einzelbilder mit dem Gewichtungsfaktorsatz gemäß den Gleichungen (1) bis (3) zu gewichten, wenn in einem Schichtbild relativ starke Kontrastumkehr- bzw. Pseudoauflösungseffekte bemerkbar werden. Wenn diese Effekte schwächer ausgeprägt sind, kann es sinnvoll sein, einen Satz von Gewichtungsfaktoren zu verwenden, der eine geringere Abhängigkeit von n aufweist, als der in Fig. 4 durch die Umhüllende (a) dargestellte Gewichtungsfaktorsatz. Ein solcher Gewichtungsfaktorsatz läßt sich mit den Gleichungen (1) und (2) berechnen, wenn aj1 und aj2 gewählt werden gemäß aj1 = 0,5358; aj2 = - 0,0316 (j = 2) Die Kurve (b) in Fig. 4a zeigt die zugehörige Umhüllende und Fig. 5b die resultierende Modulationsübertragungsfunktion. Man erkennt, daß der Verwischungseffekt günstiger ist als bei Fig. 5a, das jedoch u.U. leichte Phasenumkehr- oder Pseudoauflösungseffekte auftreten können.
Ein weiterer Gewichtungsfaktorsatz ergibt sich unter Verwendung von Gleichung (1) und Gleichung (2), wenn man aj1 und aj2 folgende Werte wählt: aj1 = 0,3248; aj2 = - 0,0494 (j = 3) Die Kurve (c) in Fig. 4 stellt die zugehörige Umhüllende dar und Fig. 5c die Modulationsübertragungsfunktion. Der Verwischungseffekt ist stärker als beispielsweise bei Fig. 5b, jedoch könnn auch Phasenumkehr- und Pseudoauflösungseffekte stärker sein - allerdings nicht so stark wie gemäß Fig. 5e, die einen noch stärkeren Verwischungseffekt zeigt.
Fig. 5d zeigt eine Modulationsübertragungsfunktion, bei der die störenden bzw. erwünschten Effekte ausgeprägter sind als bei Fig. 5c, jedoch noch nicht so stark wie bei Fig. 5e. Die zugehörige Umhüllende ist durch die Kurve (d) in Fig. 4 dargestellt und die zugehörigen Gewichtungsfaktoren berechnen sich aus den Gleichungen (1), (2) mit den Werten aj1 = 0,0814; aj2 = - 0,0182 (j = 4)
Bei einer tomographischen Untersuchung werden zunächst 2N + 1 Einzelbilder hergestellt und anschließend gibt der Benutzer über die Eingabeeinheit c den Parameter i vor, der angibt, welche Schicht das zu erzeugende Schichtbild scharf abbilden soll. Dabei kann durch die Einstelleinheit 10 - durch Vorgabe von j - zunächst ein bestimmter Gewichtungsfaktorsatz gj(n) vorgesehen sein, beispielsweise derjenige nach Kurve (a) in Fig. 4 bzw. gemäß Gleichung (1) bis (3). Dieser Gewichtungsfaktorsatz ist ebenso wie die anderen möglichen Gewichtungsfaktorsätze in dem Speicher 82 gespeichert, und es wird durch die Rechen- und Steuereinheit jeweils der Gewichtungsfaktor gj(n) aufgerufen, der zu dem jeweiligen Einzelbild Bn gehört.
Nachdem auf diese Weise ein Schichtbild erzeugt wird, kann der Benutzer einen stärkeren Verwischungseffekt hervorrufen, indem er einen anderen Gewichtungsfaktorsatz wählt, z.B. den nach Fig. 4 (b) mit der Modulationsübertragungsfunktion nach Fig. 5b (j = 2). Wenn auch dabei keine störenden Effekte auftreten, kann durch Wahl eines weiteren Gewichtungsfaktorsatzes die Verwischung weiter gesteigert werden, bis ein vernünftiger Kompromiß zwischen Verwischung einerseits und störenden Effekten andererseits erreicht ist. Gegebenenfalls kann es zweckmäßig sein, noch einen weiteren, in Fig. 4 bzw. 5 nicht erläuterten Satz von Gewichtungsfaktoren vorzusehen, bei dem die Gewichtungsfaktoren mit wachsendem Quotienten n/N zunehmen. Davon wird man aber nur Gebrauch machen, wenn selbst bei Gleichheit aller Gewichtungsfaktoren die störenden Effekte im Schichtbild nicht auftreten; die Verwischung ist dann noch ausgeprägter als bei Fig. 5e. - Bei der Erstellung von Schichtbildern anderer Schichten des Untersuchungsbereichs wird entsprechend verfahren.
Bei der in den Figuren 1 und 2 erläuterten Anordnung bewegen sich Röntgenstrahler 1 und Bildaufnahmeeinrichtung 3 auf Geraden gegensinnig zueinander. Die Erfindung ist aber auch bei Anordnungen anwendbar, bei denen Röntgenstrahler und Bildaufnahmeeinrichtung gegensinnig zueinander auf Kreisbahnen um eine horizontale Achse in der Fulcrum-Ebene bewegt werden. Auch eine Kombination (Kreisbahn des Strahlers und geradlinige Bahn der Bildaufnahmeeinrichtung) ist möglich. Allerdings ändert sich hierbei der Vergrößerungsfaktor, so daß die Bilder zunächst einer geometrischen Transformation unterzogen werden müssen, bevor sie addiert werden.
Bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel lagen die Strahlenquellenpositionen symmetrisch bezüglich des Punktes 4 (Fig. 1) in der Fulcrum-Ebene, ihr Abstand voneinander war gleich groß und ihre Zahl ungerade. Diese Voraussetzungen sind zwar zweckmäßig, doch können sie einzeln oder insgesamt entfallen. Als "mittlere Strahlenquellenposition" im Sinne der Erfindung gilt dann die geometrische Mitte zwischen den beiden äußeren Positionen; diese Position muß nicht mit einer der Strahlenquellenpositionen für die Einzelbilder identisch sein. Zur Berechnung der Gewichtungsfaktorsätze gemäß Gleichung (1) ff muß dann in Gleichung (2) der Ausdruck n/N ersetzt werden durch x/xo, wobei x den Abstand der jeweiligen Strahlenquellenposition von der Mitte und xo den Mittenabstand der äußeren beiden Strahlenquellenpositionen bezeichnen.

Claims (3)

  1. Verfahren zum Erzeugen von Schichtbildern eines Untersuchungsbereichs, der aus einer Vielzahl von Strahlenquellenpositionen zwecks Erzeugung voneinander getrennter Einzelbilder mit Röntgenstrahlung durchsetzt wird, wobei für jedes Einzelbild Bildwerte gespeichert werden, die der Absorption in seinen Bildpunkten entsprechen und wobei Schichtbilder erzeugt werden, in dem Schichtbildwerte aus den Bildwerten der Bildpunkte der Einzelbilder abgeleitet werden, die einem Schichtbildpunkt geometrisch zugeordnet sind,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung der Schichtbildwerte durch eine gewichtete Summierung erfolgt, bei der das Gewicht, mit dem die Bildwerte der Einzelbilder in die Summierung eingehen, umso kleiner ist, je größer der Abstand der Strahlenquellenposition bei der Erzeugung des betreffenden Einzelbildes von einer mittleren Strahlenquellenposition war.
  2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit wenigstens einem Röntgenstrahler zur Durchstrahlung eines Untersuchungsbereichs aus einer Vielzahl von in einer Ebene liegenden Strahlenquellenpositionen, einem Bildwandler zur Umsetzung der in den Strahlenquellenpositionen aufgenommenen Enzelbilder in Bildwerte, eine Bildspeicheranordnung zum Speichern der Bildwerte der Einzelbilder, eine Bildverarbeitungseinheit zur Erzeugung von Schichtbildern aus den Bildwerten der Einzelbilder,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Bildverarbeitungseinheit eine Recheneinheit umfaßt, die zur Erzeugung von Schichtbildern die Bildwerte mit einem von der Strahlenquellenposition bei der Erzeugung des zugehörigen Einzelbildes abhängigen Gewichtungsfaktor multipliziert und die so gewichteten Bildwerte der einem Schichtbildpunkt geometrisch zugeordneten Bildpunkte summiert.
  3. Anordnung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Bildverarbeitungseinheit einen Speicher enthält, in dem mehrere voneinander abweichende Sätze von Gewichtungsfaktoren gespeichert sind und daß Selektionsmittel zur - vorzugsweise interaktiven - Auswahl eines Satzes von Gewichtungsfaktoren vorgesehen sind.
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