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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren für eine Röntgeneinrichtung zur Ermittlung
einer Kenngröße sowie
ein Verfahren für
eine derartige Röntgeneinrichtung
zur Segmentierung einer Substanz in einem von der Röntgeneinrichtung
erfassten Bild.
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Unterschiedliche
Substanzen weisen gegenüber
Röntgenstrahlung
in Abhängigkeit
der Energie der Röntgenstrahlung
unterschiedliche Absorptionseigenschaften auf. Durch eine gewichtete
Subtraktion eines Hochenergie-Röntgenbildes
von einem Niedrigenergie-Röntgenbild
ist es aufgrund der unterschiedlichen Absorptionseigenschaften möglich, ein
Bild zu berechnen, in dem im Wesentlichen nur noch eine einzige
Substanz sichtbar ist.
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Aus
FujiFilm Co, Technical review no. 12, "Upright image reader that supports energy
subtraction processing software" ist
beispielsweise ein derartiges Verfahren bekannt. Das Niedrigenergie-Röntgenbild
und das Hochenergie-Röntgenbild
werden mittels eines energieselektiven Detektors erfasst und zu
einem Ergebnisbild verrechnet werden, in welchem im Wesentlichen
entweder Knochen- oder Weichteilgewebe vorhanden ist. Die Berechnung
des Ergebnisbildes erfolgt auf der Ebene einzelner Bildelemente,
wobei die Schwächungswerte
jeweils korrespondierender Bildelemente der beiden Röntgenbilder
unter Berücksichtigung
von substanzspezifischen Gewichten voneinander subtrahiert werden.
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Derartige
bildelementbezogene Subtraktionsverfahren zur Ermittlung von unterschiedlichen Komponenten
im Bild sind weiterhin aus der
DE 103 53 882 A1 , der
US 6,343,111 B1 und der
US 2003/0095630 A1 bekannt. Die materialspezifische Zerlegung des
Bildes erfolgt dabei in jedem Fall mittels einer bildelementbezogenen
gewichteten Subtraktion der beiden Energiebilder. Bei dem aus der
DE 103 53 882 A1 bekannten
Verfahren findet die Subtraktion in einem speziellen Ausführungsbeispiel darüber hinaus
auf der Basis von Mittelwerten statt, die zu jedem Bildelement des
jeweiligen Energiebildes aus einem lokalen Bildbereich ermittelt
werden. Die Qualität
des Ergebnisbildes wird zusätzlich
dadurch gesteigert, dass zur Identifizierung von Bildbereichen einer
speziellen Komponente auf das so erzeugte Bild zusätzlich ein
Segmentierungsverfahren angewendet wird.
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Bei
der substanzspezifischen Gewichtung wird generell dem Sachverhalt
Rechnung getragen, dass für
die Substanz bei zwei unterschiedlichen Energien der Röntgenstrahlung
unter idealen Randbedingungen zu jedem Bildelement des Ergebnisbildes ein
definiertes Paar an Schwächungswerten
erzeugt wird. Betrachtet man die beiden Schwächungswerte zu den unterschiedlichen
Energien der Röntgenstrahlung
als Messwertpaar eines zweidimensionalen Merkmalsraumes, dann werden
die Messwertpaare einer Substanz also jeweils an demselben Punkt
in dem Merkmalsraum abgebildet.
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Aus
der
DE 103 47 961
A1 ist weiterhin ein Verfahren bekannt, bei dem ein Niedrigenergie-
und ein Hochenergie-Röntgenbild
auf der Ebene einzelner Bildelemente derart voneinander dividiert
werden, dass ein erhöhter
Kontrast zwischen einem Objekt und einem in dem Objekt vorhandenen
Kontrastmittel erzielt wird.
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Die
auf einzelne Bildelemente bezogene Berechnung eines Ergebnisbildes,
beispielsweise eines segmentierten Bildes, führt in vielen Situationen jedoch
zu einem fehlerhaften Ergebnis. Ein wesentlicher Grund ist darin
zu sehen, dass das Segmentierungskriterium, mit dem über das
Vorliegen der Substanz entschieden wird, auf der Annahme beruht, dass
die beiden Schwächungswerte
aufgrund einer definierten Zusammensetzung der Substanz erzeugt werden.
In vielen Situationen weicht jedoch die tatsächlich vorhandene Zusammensetzung
der Substanz von der idealer Weise angenommenen Zusammensetzung erheblich
ab. Darüber
hinaus werden die Schwächungswerte
durch Messrauschen verfälscht.
Messwertpaare einer Substanz werden dann nicht auf einen Punkt in
dem Merkmalsraum abgebildet.
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Unterschiedliche
Substanzen können
unter realen Untersuchungsbedingungen auf Gebiete in dem Merkmalsraum
abgebildet werden, die eine Schnittmenge aufweisen. So werden beispielsweise Messwertpaare
der zwei unterschiedlichen Substanzen Knochen und Iodlösung, welche
bei einer eingestellten Spannung von 80 und 140 kV erzeugt werden,
auf Gebiete mit einer Schnittmenge in dem Bereich zwischen etwa
100 HU (Hounsfield Units) und 200 HU abgebildet. Eine eindeutige
Zuordnung dieser Messwertpaare zu einer Substanz ist auf der Grundlage
einer Auswertung nur der beiden Schwächungswerte korrespondierender
Bildelemente prinzipiell nicht möglich.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren für eine Röntgeneinrichtung
anzugeben, mit dem eine Segmentierung einer Substanz auf der Grundlage
von zumindest zwei zu unterschiedlichen Energien einer Röntgenstrahlung
erfassten Röntgenbildern
verbessert wird.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren für eine Röntgeneinrichtung zur Ermittlung
einer Kenngröße gemäß den Verfahrens schritten
des unabhängigen
Anspruchs 1 und durch ein Verfahren für eine Röntgeneinrichtung zur Segmentierung
einer Substanz in einem von der Röntgeneinrichtung erfassten Bild
gemäß den Verfahrensschritten
des unabhängigen
Anspruchs 13 gelöst;
vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens zur Ermittlung der Kenngröße gemäß dem Anspruch
1 sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 12.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass eine Segmentierung einer Substanz in
einem von der Röntgeneinrichtung
erfassten Röntgenbild
verbessert werden kann, wenn die zu unterschiedlichen Energien einer
Röntgenstrahlung
erfassten Schwächungswerte
nicht nur für
ein einzelnes Bildelement, sondern für Bildelemente einer lokalen
Nachbarschaft ausgewertet werden. Die Auswertung in einem Bildbereich
bietet den Vorteil, dass sich aus einer statistischen Verteilung
der aus den Schwächungswerten gebildeten
Messwertpaare eine Kenngröße berechnen
lässt,
die ein Maß für die Homogenität der Substanz
darstellt. Die so ermittelte Kenngröße stellt ein zusätzliches
Segmentierungskriterium dar, mit dem die Segmentierung der Substanz
in einem Bild verbessert werden kann.
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Messwertpaare,
die beispielsweise in die Schnittmenge von Punktwolken von zwei
unterschiedlichen Substanzen fallen und daher auf der Grundlage
einer reinen pixelbasierten Auswertung der Schwächungswerte nicht eindeutig
zugeordnet werden können,
sind aufgrund der ermittelten Kenngröße für die Homogenität der Substanz
und einem entsprechenden Vorwissen über die Verteilung der Substanz
in dem Objekt in verbesserter Weise klassifizierbar.
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Entsprechend
wird in der vorliegenden Erfindung ein Verfahren für die Röntgeneinrichtung
zur Ermittlung der Kenngröße in einem
Bildbereich als Maß der
Homogenität
der Substanz in dem Objekt vorgeschlagen, bei dem
- a)
für zumindest
zwei unterschiedliche Energien einer Röntgenstrahlung zwei Röntgenbilder
erfasst werden, welche Schwä chungswerte
aufweisen, die eine Schwächung
der durch das Objekt tretenden Röntgenstrahlung
darstellen,
- b) bei dem in dem Bildbereich aus den Schwächungswerten des zu der ersten
Energie der Röntgenstrahlung
erfassten Röntgenbildes
und aus den Schwächungswerten
des zu der zweiten Energie der Röntgenstrahlung
erfassten Röntgenbildes
für korrespondierende
Bildelemente Messwertpaare gebildet werden und
- c) bei dem durch eine Auswertung der statistischen Verteilung
der Messwertpaare in dem Bildbereich die Kenngröße als Maß der Homogenität der Substanz
des Objektes ermittelt wird.
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Die
Auswertung der statistischen Verteilung umfasst vorteilhaft eine
Hauptachsentransformation zur Berechnung von zwei Hauptachsen der
Verteilung, so dass eine von der Messsituation unabhängige Ermittlung
der Kenngröße gewährleistet
ist. Die Berechnung der Kenngröße ist mit
der Hauptachsentransformation insbesondere gegenüber Abbildungsmaßstäben der
Substanz, einem Messrauschen und dem Ort des betrachteten Bildelementes
invariant, so dass keine zusätzlichen
von der Messsituation abhängigen
Normierungen der Kenngröße erforderlich sind.
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Die
Kenngröße wird
vorzugsweise aus einem Quotienten der beiden Hauptachsen berechnet, wobei
der Quotient dadurch gebildet wird, dass im Zähler die kleinere und im Nenner
die größere der beiden
Hauptachsen steht. Durch den Quotienten der beiden Hauptachsen wird
in einfacher Weise die Vorzugsrichtung der räumlichen Ausdehnung der Verteilung
erfasst.
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Die
Güte, mit
der die Homogenität
der Substanz ermittelt werden kann, hängt von der Anzahl der zur
Berechnung der Kenngröße verwendeten
Bildelemente in der lokalen Nachbarschaft ab. Je mehr Bildelemente
bei der Berechnung berücksichtigt
werden, desto geringer ist der Einfluss von Messrauschen auf die
Ermittlung der Kenngröße. Der
Bildbereich, der zur Be rechnung herangezogen wird, erstreckt sich
deshalb vorteilhaft in jeder Bilddimension mindestens über 5 Bildelemente.
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Die
erfassten Röntgenbilder
sind vorteilhaft Volumenbilder des Objektes, so dass jedem Bildelement
ein Voxel eines dreidimensionalen Bildes entspricht. Es ist aber
ebenso denkbar, dass die Röntgenbilder
Schichtbilder des Objektes sind, wobei in diesem Fall jedem Bildelement
ein Bildpunkt eines zweidimensionalen Volumenbildes entspricht.
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Die
zu unterschiedlichen Energien einer Röntgenstrahlung erfassten Röntgenbilder
können
in einfacher Weise mit einer konventionellen Röntgeneinrichtung mit einer
Röntgenquelle
in Form einer Röntgenröhre aufgenommen
werden, wobei das erste Röntgenbild
bei einer eingestellten Röntgenspannung
von 80 kV und das zweite Röntgenbild
bei einer eingestellten Röntgenspannung
von 140 kV erfasst werden. Der Unterschied der Energien der Röntgenstrahlung
aufgrund der unterschiedlichen Röntgenspannung
ist bei der Erfassung der beiden Röntgenbilder dabei so groß, dass
sich die Substanzen aufgrund ihrer unterschiedlichen Absorptionseigenschaften
durch Auswertung der Schwächungswerte besonders
gut segmentieren lassen.
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Die
Kenngröße ist vorteilhaft
von einem Offset der Schwächungswerte
dann unabhängig,
wenn vor dem Verfahrensschritt b), bei dem die statische Verteilung
der Messwertpaare ermittelt wird, die Schwächungswerte der beiden Röntgenbilder
in dem Bildbereich jeweils dadurch normiert werden, dass von dem
jeweiligen Schwächungswert
ein in dem Bildbereich des jeweiligen Röntgenbildes berechneter mittlerer
Schwächungswert
subtrahiert wird.
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Störungen bei
der Berechnung der Kenngröße durch
Messwertpaare, die in dem Bildbereich nicht von Substanz stammen,
werden vorteilhaft weitgehend dadurch vermieden, dass vor dem Verfahrensschritt
b) diejenigen Schwächungswerte
in einer Vorverarbeitungsstufe identifiziert und entfernt werden,
die nicht zur Substanz gehören.
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Die
Identifizierung von nicht zur Substanz gehörenden Schwächungswerten kann vorteilhaft dadurch
erfolgen, dass die Schwächungswerte
korrespondierender Bildelemente miteinander verrechnet und mit einem
Schwellwert verglichen werden.
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Die
Substanz, für
die die Kenngröße berechnet
wird, kann vorteilhaft Knochen sein. Ebenso wäre es auch denkbar eine beliebige
andere Substanz, bei Kontrastmitteluntersuchung beispielsweise vorzugsweise
das im Kontrastmittel vorhandene Iod, zur Berechnung der Kenngröße auszuwählen.
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Die
Aufgabe wird außerdem
auch von einem Verfahren für
eine Röntgeneinrichtung
zur Segmentierung einer Substanz in einem von der Röntgeneinrichtung
erfassten Bild gelöst,
welches ein Segmentierungskriterium als Bestandteil hat, bei dem
eine Kenngröße in einem
Bildbereich als Maß einer
Homogenität
der Substanz nach dem eben beschriebenen Verfahren berechnet wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Unteransprüchen sind
in den folgenden schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
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1 Eine
Röntgeneinrichtung
in einer teils perspektivischen und teils blockartigen Darstellung, mit
der das erfindungsgemäße Verfahren
zur Ermittlung einer Kenngröße als Maß für eine Homogenität einer
Substanz in einem Bildbereich ausgeführt werden kann,
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2 eine
statistische Verteilung von Messwertpaaren, welche jeweils aus zwei
zu unterschiedlichen Energien erfassten Schwächungswerten korrespondierender
Bildelemente gebildet sind,
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3 das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Berechnung der Kenngröße als Maß für die Homogenität der Substanz
in dem Bildbereich,
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4 ein
aus den zwei Röntgenbildern
berechnetes Ausgangsbild einer Segmentierung der Substanz, in dem
Knochen und Gefäße sichtbar
sind,
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5 ein
erstes Ergebnisbild einer vorläufigen
Segmentierung, bei dem die segmentierten Bildelemente durch ein
erstes Segmentierungskriterium gewonnen werden, welches die beiden
Schwächungswerte
jeweils an der Position eines einzelnen Bildelementes berücksichtigt,
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6 die
Kenngrößen sämtlicher
Bildelemente als Maß für die Homogenität der Substanz
in dem jeweiligen Bildbereich in einer bildhaften Darstellung,
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7 ein
zweites Ergebnisbild einer verbesserten Segmentierung, bei dem die
segmentierten Bildelemente durch ein zusätzliches zweites Segmentierungskriterium
gewonnen werden, welches die Kenngröße der Homogenität in einem
Bildbereich berücksichtigt.
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Zur
Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Ermittlung einer Kenngröße H als Maß für die Homogenität einer
Substanz in einem Bildbereich kann eine an sich bekannte Röntgeneinrichtung,
in diesem Beispiel ein Computertomographiegerät, so wie es in der 1 in
teils perspektivisch, teils blockschaltartig dargestellt ist, verwendet werden.
Ein solches Computertomographiegerät verfügt über mindestens eine Röntgenquelle,
hier in Form einer Röntgenröhre 8,
mit mindestens einem Fokus 9, welcher eine Röntgenstrahlung
erzeugt, die auf einen gegenüberliegenden
Detektor 10 auftrifft. Röntgenröhre 8 und Detektor 10 sind
Teil eines Aufnahmesystems des Computertomographiegerätes, welches
auf einer nicht dargestellten drehbaren Gantry angeordnet ist. In
der hier ge zeigten Ausführung des
Computertomographiegerätes
bewegt sich das Aufnahmesystem kreisförmig um ein Objekt 4,
beispielsweise um einen Patienten, und tastet hierbei das Objekt
mit der Röntgenstrahlung
ab.
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Die
Absorption der Röntgenstrahlung
wird im Detektor 10 durch eine Vielzahl von Detektorelementen 11 in
Form von Schwächungswerten
gemessen und in eine Recheneinheit 12 übertragen, wo sie anschließend gespeichert
und verarbeitet werden. Eine Anzeigeeinheit 23 dient zur
Visualisierung von Röntgenbildern.
Eine Projektion des Objektes 4 wird durch einen Satz von
Schwächungswerten
sämtlicher
Detektorelemente 11 bei einer Messung an einer bestimmten
Abtastposition des Aufnahmesystems gebildet. Durch die Rotation
des Aufnahmesystems können
eine Vielzahl von Projektionen aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen
erfasst werden, die zur Rekonstruktion eines Bildes in Form eines
Schicht- oder Volumenbildes benötigt
werden.
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Durch
einen kontinuierlichen Vorschub der Patientenliege 13 entlang
der Systemachse 14 kann das Objekt 4 nicht nur
in einer Schicht, sondern über ein
Volumen spiralförmig
abgetastet werden, das größer als
die Ausdehnung des Detektors 10 ist. Eine einfache Variante
der spiralförmigen
Abtastung besteht darin, den Vorschub sequentiell durchzuführen, so
dass nach jeder 360°-Abtastung
ein Vorschub stattfindet und die eigentliche Abtastung im Ruhezustand
des Objektes 4 vorgenommen wird. Beide Varianten sind bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren anwendbar.
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Die
Röntgenspannung
der Röntgenröhre 8 kann
mittels einer Verstellvorrichtung 15 wechselseitig zwischen
unterschiedlichen Spannungswerten verstellt werden, so dass unterschiedliche
Energien einer Röntgenstrahlung
erzeugt werden. Zur Ermittlung einer Kenngröße H als Maß für die Homogenität eines
Substanz 2; 3 in einem Bildbereich 1 werden beispielsweise
zu jeder Abtastposition durch ein wechselseitiges Verstellen der
Röntgenspannung zwischen
beispielsweise 80 kV und 140 kV Pro jektionen für zumindest zwei unterschiedliche
Energien E1, E2 einer Röntgenstrahlung
erfasst. Ein Wechsel der Röntgenspannung
kann je nach Betriebsart des Computertomographiegerätes entweder
an jeder Abtastposition oder auch, beispielsweise im Falle eines sequentiellen
Vorschubs, nach einer vollen Umlauf des Aufnahmesystems erfolgen.
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Alternativ
zu dem hier beschriebenen Aufnahmesystem wäre es auch denkbar, die Projektionen
zu unterschiedlichen Energien einer Röntgenstrahlung mittels eines
energieselektiven Detektors bei fest eingestellter Röntgenspannung
zu erfassen. Dies hätte
den Vorteil, dass auf ein wechselseitiges Verstellen der Röntgenstrahlung
verzichtet werden kann.
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Es
wird außerdem
darauf hingewiesen, dass sowohl Einzeilenals auch Mehrzeilendetektoren
verwendet werden können.
Es können
eine oder mehrere Röntgenröhren mit
jeweils einem oder mehreren Foken mit wiederum einem einzigen oder
mehreren bewegten oder stillstehenden Detektor genutzt werden. Wesentlich
für das
Verfahren ist lediglich, dass ein fächerförmig ausgebildetes Strahlenbündel das Objekt 4 in
einer Rotationsbewegung um die Systemachse 14 abtastet.
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Die
erfassten Projektionen werden auf der Recheneinheit 12 zu
zwei Röntgenbildern 5, 6 verrechnet,
wobei das jeweilige Röntgenbild 5; 6 aus den
Projektionen nur einer bestimmten Energie der Röntgenstrahlung rekonstruiert
wird.
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Der
Schwächungswert
Di(E1) des zu der ersten Energie E1 der Röntgenstrahlung rekonstruierten Röntgenbildes 5 und
ein Schwächungswert
Di(E2) des zu der zweiten Energie E2 der Röntgenstrahlung erfassten Röntgenbildes 6 bilden
dabei für
korrespondierende Bildelemente der beiden Röntgenbilder 5, 6,
so wie in der 2 gezeigt, jeweils ein Messwertpaar
(Di(E1), Di(E2)) eines zweidimensionalen Merkmalsraumes mit den
beiden Raumachsen HUE1 und HUE2.
In dem gezeigten Beispiel werden zwei unterschiedliche Substanzen 2, 3,
nämlich
Knochen und Iod, auf zwei unterschiedliche Regionen 16, 17 in den
bei den Röntgenbildern 5, 6 abgebildet.
In dem Merkmalraum sind die Messwertpaare des Bildbereichs 1 an
den Positionen von zwei unterschiedlichen Bildelementen 20, 21 abgebildet,
wobei der Bildbereich 1 an der Position des ersten Bildelementes 20 in
der Region 16 von der ersten Substanz 2 Knochen
und an der Position des zweiten Bildelementes 21 in der
Region 17 von der zweiten Substanz 3 Iod liegt.
So wie in der 2 dargestellt, werden die beiden
Substanzen 2, 3 zum Teil in dasselbe Gebiet 22 des
Merkmalsraums abgebildet, so dass die Bildelemente auf der Grundlage
des einzelnen Messwertpaares (Di(E1), Di(E2)) nicht immer eindeutig
einer Substanz 2; 3 zugeordnet werden können. Insbesondere
in diesem Gebiet 22 des Merkmalsraums wird ein zusätzliches
Segmentierungskriterium benötigt,
mit dem eine verbesserte Klassifikation von Bildelementen durchgeführt werden
kann. Ein solches zusätzliches
Segmentierungskriterium lässt sich
auf der Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung
der Kenngröße H als
Maß für die Homogenität einer
Substanz in einem Bildbereich formulieren.
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Die
beiden Substanzen 2, 3 weisen gegenüber Röntgenstrahlung
in Abhängigkeit
der Energie E1; E2 unterschiedliche Absorptionseigenschaften auf.
Aus diesem Grund sollten die Messwertpaare (Di(E1), Di(E2)) idealer
Weise unter der Annahme einer homogenen Verteilung der Substanz 2; 3 an
zwei unterschiedliche Punkte im Merkmalsraum abgebildet werden,
so dass eine eindeutige Abbildung jederzeit gewährleistet wäre.
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Bei
der Untersuchung eines Patienten sind die Substanzen jedoch aufgrund
von anatomischen Gegebenheiten in einem Bildbereich ganz unterschiedlich
verteilt und weisen daher in Wirklichkeit untereinander erhebliche
Unterschiede in der Homogenität
auf.
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Knochen
setzt sich beispielsweise aus einem festen kortikalen und einem
trabekelhaften fein strukturierten spongiosen Gewebe zusammen, wobei
das spongiose Gewebe mit Blut bzw. Knochenmark durchsetzt ist. Darüber hinaus
sind Variationen in der Knochenzusammensetzung, Variationen im Knochenmark
und Hohlräume
in dem Knochen zu berücksichtigen.
Aufgrund der Inhomogenität
der ersten Substanz 2 Knochen werden die Messwertpaare
des Bildbereichs 1 um das erste Bildelement 20,
so wie in der 2 gezeigt, nicht in einem Kreis 19,
sondern in eine Ellipse 18 mit einer Vorzugsrichtung in
dem Merkmalsraum abgebildet.
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Iod,
das bei Untersuchungen ebenfalls mit Blut vermischt ist und als
Kontrastmittel zur Visualisierung von Gefäßen eingesetzt wird, ist im
Gegensatz dazu in dem Bildbereich 1 um das zweite Bildelement 21 nahezu
homogen verteilt. Messwertpaare (Di(E1), Di(E2)) der zweiten Substanz 3 Iod
werden aus diesem Grund in dem Kreis 19 in dem Merkmalsraum
abgebildet.
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Durch
Auswertung der statistischen Verteilung der Messwertpaare (Di(E1),
Di(E2)) in dem lokalen Bildbereich 1 ist es daher möglich, eine
Aussage darüber
zu treffen, ob die Substanz 2; 3 homogen oder
inhomogen verteilt ist. Die Kenngröße H als Maß der Homogenität, die aus
dem Bildbereich 1 des an der Position des jeweiligen Bildelementes 20, 21 ermittelt
wird, kann als zusätzliches
Entscheidungskriterium bei der Segmentierung eingesetzt werden.
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In 3 sind
die einzelnen Verfahrensschritte zur Berechnung der Kenngröße H als
Maß für die Homogenität der Substanz 2; 3 in
dem Bildbereich 1 dargestellt:
Bei einem ersten Verfahrensschritt
A werden für
zumindest zwei unterschiedliche Energien E1, E2 einer Röntgenstrahlung
die zwei Röntgenbilder 5, 6 erfasst.
Die Röntgenbilder 5, 6 enthalten
jeweils Schwächungswerte
Di(E1), Di(E2) mit i = 1, ..., N, die eine Schwächung der durch das Objekt
tretenden Röntgenstrahlung
darstellen, wobei N die Anzahl der in dem Bildbereich 1 vorhandenen
Bildelemente darstellt.
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Anschließend werden
bei einem zweiten Verfahrensschritt B aus den Schwächungswerten Di(E1)
des zu der ersten Energie E1 der Röntgenstrahlung erfassten Röntgenbildes 5 und
aus den Schwächungswerten
Di(E2) des zu der zweiten Energie E2 der Röntgenstrahlung erfassten Röntgenbildes 6 für korrespondierende
Bildelemente Messwertpaare (D1(E1), D1(E2)), ..., (DN(E1), DN(E2))
gebildet.
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Aus
der statistischen Verteilung der Messwertpaare (D1(E1), D1(E2)),
..., (DN(E1), DN(E2)) in dem Bildbereich 1 wird in einem
dritten Verfahrensschritt C die Kenngröße H an der Position des Bildelementes 20; 21 als
Maß für die Homogenität berechnet.
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Zur
Ermittlung der statistischen Verteilung können die Schwächungswerte
der Messwertpaare getrennt für
die beiden unterschiedlichen Energien der Röntgenstrahlung jeweils in einen
Vektor geschrieben werden:
VE1 = (D1(E1),
D2(E1), ..., DN(E1))
VE2 = (D1(E2),
D2(E2), ..., DN(E2)),
wobei VE1 und
VE2 die beiden Vektoren der Schwächungswerte
zu unterschiedlichen Energien E1, E2 der Röntgenstrahlung sind, Di(E1)
bzw. Di(E2) der bei 80 kV bzw. 140 kV erfasste Schwächungswert des
i-ten Bildelementes des Bildbereich 1 ist und N die Anzahl
der Bildelemente ist, die dem Bildbereich 1 vorhanden sind.
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Durch
einen Schwellwertvergleich werden die Schwächungswerte Di(E1), Di(E2)
vor der Berechnung identifiziert und entfernt, die nicht zu der
in Frage kommenden Substanz 2; 3, nämlich Knochen und
Iod, gehören.
Störende
Schwächungswerte
können
beispielsweise dadurch entfernt werden, dass ihr jeweiliger Wert
auf Null gesetzt wird.
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Anschließend werden
die Schwächungswerte
Di(E1), Di(E2) dadurch mittelwertkorrigiert, dass ein Mittelwert
D1M und D2M der Schwächungswerte getrennt
für die
Energien E1 und E2 von einander berechnet und der berechnete Mittelwert
von den Vektorkomponenten abgezogen wird:
V'E1 = (D1(E1)-D1M,
D2(E1)-D1M, ..., DN(E1)-D1M)
V'E2 = (D1(E2)-D2M,
D2(E2)-D2M, ..., DN(E2)-D2M),
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Die
beiden modifizierten Vektoren V'
E1 und V'
E2 beschreiben anschließend die schwerpunktskorrigierten
Koordinaten der Verteilung. Die Kovarianzmatrix, die die Exzentrität der Verteilung
wiedergibt, lässt
sich analog zum Trägheitsmoment
in der klassischen Mechanik angeben:
wobei M die aus den Vektoren
V'
E1 und
V'
E2 gebildete Kovarianzmatrix
ist.
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Mit
einer nach beispielsweise dem Jacobi-Verfahren durchgeführten Hauptachsentransformation
sind die beiden Eigenwerte EV1, EV2 der Kovarianzmatrix ermittelbar.
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Aus
der Information über
die beiden Eigenwerte EV1, EV2 der Hauptachsen wird das zusätzliche
Segmentierungskriterium gewonnen, welches zur verbesserten Segmentierung
einer Substanz 2; 3 in einem Röntgenbild benötigt wird.
Bei homogener Verteilung der zweiten Substanz Iod 3 in
dem Bildbereich 1, so wie es beispielsweise bei dem Kontrastmittel
in Form von Iod in einem Gefäß der Fall
ist, werden sich die beiden Eigenwerte EV1, EV2 nur gering voneinander
unterscheiden. Unter der Annahme eines unkorrelierten Messrauschens
sich die Messwertpaare Di(E1)Di(E2) in einem Kreis um einen Punkt
im Merkmalsraum verteilt.
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Bei
inhomogener Verteilung von der ersten Substanz 3 Knochen,
werden sich die beiden Hauptachsen wesentlich deutlicher unterscheiden.
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Das
folgende Verhältnis
der beiden Eigenwerte EV1, EV2 liefert daher eine skalare Kenngröße H, die
als Maß für die Homogenität der Substanz
als zusätzliches
Entscheidungskriterium verwendet werden kann:
H = Min(EV1,
EV2)/Max(EV1, EV2),
wobei EV1 und EV2 die beiden Eigenwerte
der Hauptachsen der Verteilung sind und H die Kenngröße der Homogenität der Substanz
in dem Bildbereich darstellt.
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Je
größer die
Kenngröße H ist,
desto größer ist
also die Homogenität
der Substanz in dem Bildbereich.
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Das
verbesserte Ergebnis einer Segmentierung einer Substanz bei der
als zusätzliches
Entscheidungskriterium die Kenngröße H der Homogenität verwendet
wird, soll beispielhaft an den folgenden Bildern dargestellt werden:
In 4 ist
zunächst
ein aus den zwei Röntgenbildern
berechnetes Ausgangsbild einer Segmentierung dargestellt, welches
modifizierte Schwächungswerte
aufweist. Es sind zwei unterschiedliche Regionen 16, 17 zu
sehen. In der ersten Region 16 ist die ersten Substanz 2 Knochen
und in der zweiten Region 17 die zweite Substanz 3 Iod
abgebildet.
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Die
modifizierten Schwächungswerte
sind dabei aus einer gewichteten Summe der beiden Schwächungswerte
Di(E1), Di(E2) jeweils korrespondierender Bildelemente der beiden
Röntgenbilder 5, 6 berechnet
worden.
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5 zeigt
ein erstes Ergebnisbild einer Segmentierung von der ersten Substanz 2 Knochen und
der zweiten Substanz 3 Iod, wobei die Segmentierung durch
eine pixelbezogenen Klassifikation in einem zweidimensionalen Merkmalsraum
gewonnen, wobei den beiden Dimensionen des Merkmalsraums jeweils
Schwächungswerte
Di(E1); Di(E2) einer bestimmten Energie E1; E2 der Röntgenstrahlung
zugeordnet sind. Es kommt zu Fehlklassifikatio nen 7 im
Knochen, da die Schwächungswerte
Di(E1), Di(E2) einiger Bildelemente im Bereich der ersten Substanz 2 Knochens ähnliche
Werte wie die zweite Substanz 3 Iod aufweisen.
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In 6 ist
das Ergebnis der Berechnung der Kenngrößen der Homogenität für sämtliche
Bildelemente bildhaft dargestellt, wobei die Kenngrößen H aus
dem Quotienten der beiden Eigenwerte EV1, Ev2 berechnet wird. Dunkle
Bereiche stehen in dem speziellen Fall dieser Darstellung für hohe Werte
der Kenngröße H und
somit auch für
ein hohes Maß an Homogenität. Es wird
deutlich, dass im Wesentlichen nur in dem Bereich der zweiten Substanz 3 Iod,
die als Kontrastmittel zur Untersuchung von Gefäßen verwendet wird, eine homogene
Verteilung vorhanden ist.
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Die 7 zeigt
ein zweites Ergebnisbild einer verbesserten Segmentierung, bei dem
die Kenngröße H als
Maß für die Homogenität zusätzlich zu dem
in 5 verwendeten Segmentierungskriterium verwendet
wurde. Fehlklassifikationen werden im Wesentlichen dadurch vermieden,
dass jedes als zweite Substanz 3 Iod klassifiziertes Bildelement auch
eine entsprechend hohe Homogenität
aufweisen muss.
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Zusammenfassend
kann der Erfindungsgedanke wie folgt zusammengefasst werden:
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Kenngröße H in
einem Bildbereich 1 als Maß einer Homogenität einer
Substanz 2; 3 in einem Objekt 4 und ein
Verfahren zur Segmentierung einer Substanz 2; 3 in
einem Bild welches die Kenngröße H als zusätzliches
Segmentierungskriterium verwendet, bei dem zumindest zwei Röntgenbilder 5, 6 zu
unterschiedlichen Energien E1, E2 einer Röntgenstrahlung erfasst werden
und bei dem die Kenngröße H aus
der statistischen Verteilung von Schwächungswerten Di(E1), Di(E2)
mit i = 1, ..., N in dem Bildbereich 1 ermittelt wird,
so dass auf einfache Weise Fehlklassifikationen 7 bei der
Segmentierung vermieden werden können.