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Die Erfindung bezieht sich auf Röntgen-Bildgebung
zur Untersuchung und insbesondere auf die Erfassung von Bildhelligkeit
für digitale
Röntgen-Bildgeber.
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Wenn untersuchende Röntgen-Bildgebungsvorrichtungen
in einem Realzeitmodus (z. B. Durchleuchtung) betrieben werden,
erfordern sie ein System, um die Röntgenstrahlung zum Detektor
und die dargestellte Bildhelligkeit bei optimalen Werten zu halten.
Ein derartiges System gestattet, dass die Helligkeit von einem Bild
relativ konstant bleibt trotz der Tatsache, dass die Dichte und
Dicke der Gewebe, die abgebildet werden, variieren. Dieses System
erfordert einen Helligkeitsdetektor, der den Signalpegel in dem
Bild abtastet und diese Information benutzt, um die Röntgenstrahlung
und die dargestellte Helligkeit zu steuern.
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Übliche
Röntgen-Bildgebungssysteme,
wie sie beispielsweise in US-A-5 012 504 beschrieben sind, die auf
einem Bildverstärker
und einer Videokamera basieren, führen eine Helligkeitsdetektion
entweder durch Verwendung eines kleinflächigen Fotosensors am Ausgang
von dem Bildverstärker
oder durch Verwendung des analogen Videosignals aus der Kamera aus.
Diese Information aus dem Helligkeitsdetektor wird zu dem Röntgengenerator
zurückgeführt, um
die Spannung und den Strom von der Röntgenröhre einzustellen. Die Einstellung
von Spannung und Strom der Röntgenröhre steuert
die Röntgenstrahlung
zum Bildgeber und hält
normalerweise eine recht konstante Helligkeit bei. Um die optimale
Helligkeit bei Umständen
beizubehalten, wo die gewünschte
Bestrahlung nicht erreicht werden kann, ist jedoch eine getrennte
Signalpegelsteuerung, unabhängig
von der Bestrahlung, erforderlich. In üblichen Systemen wird diese
zusätzliche
Steuerung dadurch bereitgestellt, dass eine Öffnung in der Bildblende (Bild-Gate)
eingestellt und/oder die Verstärkung
der Videokamera verändert
wird.
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Gegenwärtig werden in der Röntgentechnik großflächige Festkörper-Detektoren
entwickelt. In diesen Detektoren sind übliche analoge Helligkeits-Detektionsverfahren
nicht anwendbar. Anders als bei einem Bildverstärker gibt es kein verkleinertes Lichtbild
in einem derartigen Detektor. Deshalb können Verfahren, die einen kleinflächigen Fotosensor verwenden,
nicht direkt angepasst werden. Es würden entweder ein großflächiger Sensor
oder ein Mittel zum Konzentrieren von Licht von einer großen Fläche in eine
kleine Fläche
erforderlich sein. Vom Standpunkt der Paketbildung und der Kosten
ist keine dieser Lösungen
attraktiv. Weiterhin ist für
einen großflächigen Festkörper-Bildgeber
ein analoges Signal, das zu dem Videosignal in einem Bildverstärker/Videokamerasystem äquivalent
ist, nicht einfach zugänglich.
Stattdessen sind die einfach verfügbaren Signale in digitaler
Form.
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Da die üblichen Helligkeits-Detektionsverfahren
ungeeignet für
einen voll digitalen Detektor sind, würde es wünschenswert sein, einen digitalen Helligkeitsdetektor
mit erhöhter
Flexibilität
und zusätzlichen
Merkmalen im Vergleich zu üblichen
Lösungen
zur Verfügung
zu haben. Ein derartiges System würde bei jedem System vorteilhaft
sein, einschließlich
auf einem Bildverstärker
basierenden Systemen, in denen das Bild in digitaler Form zur Verfügung steht.
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Die vorliegende Erfindung löst das Problem des
Ausführens
einer Helligkeitserfasssung in einem Röntgenuntersuchungs-Bildgebungssystem
dadurch, dass ein großflächiger Festkörper-Röntgendetektor
verwendet wird. Zusätzlich
hat das verwendete digitale Verfahren eine erhöhte Flexibilität und Gelegenheit
für zusätzliche
Merkmale im Vergleich zu üblichen
Verfahren. Diese Vorteile macht es in jedem System brauchbar, in
dem das Röntgenbild
in digitaler Form existiert.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung
wird ein Helligkeitsdetektor verwendet, um die Röntgenbestrahlung und den dargestellten
Bildpegel in einem Röntgenuntersuchungs-Bildgebungssystem
zu steuern. Zunächst
wird ein Bereich von Interesse von einem Bild spezifiziert. Der
durchschnittliche Pixelwert in dem spezifizierten Bereich von Interesse
des Bildes wird dann gefunden, indem Bereiche mit hoher Helligkeit
in der Berechnung berücksichtigt
und Bereiche ignoriert werden, die unter einem vorgewählten kleinen
Signalpegel-Schwellenwert liegen. Schließlich wird der durchschnittliche
Pixelwert zu dem Röntgengenerator
zurückgeführt, um
die Röntgenbestrahlung
zu steuern bzw. zu regeln. Der durchschnittliche Pixelwert wird
auch verwendet, um einen Skalierungsfaktor zu ermitteln. Dieser
Faktor wird an das Bild angelegt, um einen optimalen Helligkeitswert
in Situationen beizubehalten, wo die gewünschte Bestrahlung nicht erreicht
werden kann. Das Verfahren gemäß der Erfindung
ist in Anspruch 1 angegeben.
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Dementsprechend dient die vorliegende
Erfindung dazu, eine automatische Helligkeitserfassung für einen
digitalen Röntgen-Bildgeber
bereitzustellen. Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden
aus der folgenden Beschreibung, den beigefügten Zeichnungen und den angehängten Ansprüchen deutlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein funktionales Blockdiagramm von einem digitalen Helligkeitsdetektor
gemäß der Erfindung;
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2 stellt
ein Diagramm von einem Maskenspeicher dar, der definiert, welche
Pixel in einem Bild beim Berechnen der durchschnittlichen Helligkeit verwendet
werden;
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3A, 3B, 4A und 4B sind
grafische Darstellungen von den Übertragungsfunktionen,
durch die ein Bild für
eine Eingabe in den Histogramm/Akkumulierungspufter kartiert wird,
und
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5 ist
eine grafische Darstellung von dem Ergebnis, das in dem Histogramm/Akkumulierungspuffer
nach dem Helligkeitserfassungsvorgang erhalten wird.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Ein digitaler Helligkeitsdetektor,
der für
alle Merkmale sorgt, die in üblichen
Lösungen
verfügbar sind,
ist notwendig zur Venrvendung in Röntgenuntersuchungs-Bildgebungssystemen,
die großflächige Festkörper-Röntgendetektoren
verwenden. Die Erfindung löst
das Problem des Ausführens
einer Helligkeitserfassung in einem Röntgenuntersuchungs-Bildgebungssystem,
das einen großflächigen Festkörper-Röntgendetektor verwendet. Zusätzlich hat
das verwendete digitale Verfahren eine erhöhte Flexibilität und Möglichkeit
für zusätzliche
Merkmale im Vergleich zu üblichen
Verfahren. Diese Vorteile macht es in jedem System brauchbar, in
dem das Röntgenbild
in digitaler Form existiert.
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Die vorliegende Erfindung offenbart
ein Verfahren, das die digitalen Daten von dem Detektor verwendet,
um die Helligkeitsfunktion auszuführen. Eine Schwierigkeit mit
der digitalen Lösung
besteht darin, dass man ein durchschnittliches bzw. mittleres Helligkeitssignal
aus Millionen von Pixelwerten in einer Zeitperiode von nur wenigen Millisekunden
ermitteln muss. Jede praxisgerechte Lösung muss deshalb die erforderlichen
Berechnungen sehr rasch ausführen und
mit vernünftigen
Kosten und angemessener Komplexität.
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Der digitale Helligkeitsdetektor
muss auch für
alle Merkmale sorgen, die mit üblichen
Lösungen erhalten
werden. Diese Merkmale umfassen einen Ablauf als Antwort bei hohen
Signalwerten und einen Prozess, Signale mit niedrigem Pegel auszusortieren.
Das verringerte Ansprechen bei großen Signalpegeln vermindert
die Wirkung von Flächen
hoher Helligkeit in der Berechnung des mittleren Helligkeitspegels
des Bildes. Ein Prozess zum Aussortieren von kleinen Signalpegeln
ist notwendig, so dass Objekte, wie beispielsweise ein Bleihandschuh
oder ein Kollimatorblatt, die nicht als Teil des Bildes, dessen
Helligkeit gesteuert wird, betrachtet werden, die Berechnung der
mittleren Helligkeit nicht beeinflusst.
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Eine voll digitale Lösung sorgt
für erhöhte Flexibilität und Gelegenheiten
für zusätzliche
Merkmale im Vergleich zu üblichen
Systemen. Beispielsweise kann die Fläche des Bildes, die für die Berechnung
der mittleren Helligkeit verwendet wird, mit digitalen Methoden
viel präziser
definiert werden. Diese Fläche
kann eine gut definierte Größe und Form
haben und kann sogar aus vielen unverbundenen Bereichen bestehen.
Zusätzlich
sorgt die digitale Lösung
für die
Möglichkeit,
unterschiedliche Flächen
innerhalb des interessierenden Bereiches unterschiedlich zu gewichten.
Dieses Merkmal gestattet, dass der digitale Helligkeitsdetektor
die „Fuzzy-Ränder" emuliert, die in
analogen Fotosensoren vorhanden sind, aber die Steuerung dieser
Gewichtung kann in dem digitalen System präziser sein. Durch sorgfältiges Ausgestalten
der Gewichtung können
Instabilitäten
in dem Helligkeitssignal, die hervorgerufen werden, wenn die Grenze
des interessierenden Bereiches des Helligkeitsdetektors Bereiche
unterschiedlicher Gewebedicke oder -dichte kreuzt, minimiert werden.
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Ein Blockdiagramm, das ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt, ist in 1 gezeigt. 1 zeigt drei Hauptblöcke 10, 12, 14,
die die Funktionen des Steuerns des interessierenden Bereiches,
Gamma- und Schwellenwert- und Realzeitberechnung von dem durchschnittlichen
Pixelwert ausführen.
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Sowohl die Größe als auch die Position von dem
Helligkeitsbereich von Interesse (ROI von Region von Interesse)
und die spezielle Gewichtung von unterschiedlichen Teilen des ROI
werden durch Verwendung des 1-Bit Maskenspeichers 10 gesteuert, der
eine Maskenwahl über
den Eingang 16 empfängt. Die
Maske definiert, welche Pixel innerhalb des Bildes beim Berechnen
des Mittelwertes verwendet werden. Wenn ein Pixel von der Maske „freigegeben bzw:
eingeschaltet" ist,
wie es durch die Ausgangsgröße 18 des
Maskenspeichers 10 angegeben ist, wird das Pixel, das der
gleichen Position in dem ursprünglichen
Bild entspricht, über
den Eingang 20 beim Berechnen des mittleren Helligkeitswertes
verwendet. Die eingeschalteten Pixel des eingegebenen Bildes werden
durch die Eingangs-Übertragungsfunktion-Nachschlagetabellen
(LUTS) 12 kartiert und zu den Pixeleingangs- 21 und
Dateneingangs-Bussen 22 von
dem Histogramm/Akkumulierungspuffer 14 geleitet. Die Maske
benötigt
nicht notwendigerweise die gleiche räumliche Auflösung wie
das Bild, das analysiert werden soll. Deshalb kann sie mit gröberer Auflösung definiert
sein. In diesem Fall entspricht jedes Pixel in der Maske einem Block
von Pixeln in dem ursprünglichen
Bild. Eine derartige Implementation verkleinert den Speicherbedarf
der Maske.
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Man kann einen interessierenden Bereich definieren,
indem unterschiedliche Teile des Bildes unterschiedlich gewichtet
werden durch einen „halb-tönenden" Algorithmus. Das
heißt,
es wird eine größere Dichte
von Pixeln in Bereichen des Bildes verwendet, die schwerer zu gewichten
sind, und eine kleinere Dichte von Pixeln wird in Bereichen verwendet,
die weniger schwer zu gewichten sind. Dies ist in 2 schematisch dargestellt. In diesem
Beispiel ist die Dichte der eingeschalteten Pixel 24 in
der Mitte größer als
an den Rändern,
so dass die mittlere Helligkeit mehr von der Helligkeit an der Mitte
des Bildes abhängt
als von der Helligkeit an den Rändern.
Da unterschiedliche Typen von Bildgebung unterschiedlich angeordnete
und in der Größe bemessene
ROI's erfordern,
stellt 1 dar, dass mehrere
unterschiedliche Maskenspeicher in der Hardware enthalten sein können. Der
geeignete Maskenspeicher kann auf der Basis des Bildgebungsverfahrens
gewählt
werden.
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Eine Übertragungsfunktion, die durch
Verwendung einer Nachschlagetabelle implementiert ist, bewirkt den
Ablauf der Antwort bei hohen Signalpegeln und sortiert Signale mit
niedrigem Pegel aus. Die Verwendung der Nachschlagetabelle zum Aus führen dieser
Funktionen wird in der detaillierten Implementation, die nachfolgend
erläutert
wird, beschrieben.
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Die Berechnung der mittleren bzw.
durchschnittlichen Helligkeit muss für jedes Halbbild (Rahmen), üblicherweise
bei 30 Halbbildern pro Sekunde, ausgeführt werden und muss zeitlich
abgeschlossen sein für
das Ergebnis, das an das nächste
Halbbild angelegt werden soll. Üblicherweise
beträgt
die Zeit, die zwischen Halbbildern für die Berechnung zur Verfügung steht,
nur wenige msek. Die erforderliche Berechnung wird unter Verwendung
eines Histogramm/Akkumulierungs-Puffervorrichtung ausgeführt.
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Der Histogramm/Akkumulierungspuffer
wird verwendet, um zwei Zahlen zu berechnen: eine gewichtete Summe
von Pixelwerten innerhalb des Helligkeits-Erfassungs-ROI und oberhalb
eines kleinen Signalpegel-Schwellenwerts und die Gesamtzahl von
Pixeln außerhalb
des ROI oder unterhalb des Schwellenwerts. Aus diesen zwei Zahlen
kann der erforderliche gewichtete Mittelwert von Pixelwerten innerhalb
des ROI berechnet werden. Die detaillierte Implementation wird nachfolgend
beschrieben.
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Für
Zwecke der vorliegenden Anwendung wird der Histogramm/Akkumulierungspuffer
im „Bin Akkumulierungs"-Modus betrieben.
In diesem Modus werden Pixelwerte von einem ankommenden Bild 20 durch
Nachschlagetabellen 12 zu der Vorrichtung an den zwei Bussen
geleitet, die Pixeleingangsbus 21 und Dateneingangsbus 22 genannt
sind. Die Daten auf dem Pixeleingangsbus definieren eine Histogramm-Binärzahl, zu
der Daten auf dem Dateneingangsbus hinzuaddiert werden. Pixel innerhalb
des Helligkeitserfassungs-ROI, wie er durch die Maske definiert
ist, die freigegebene bzw. eingeschaltete Pixel genannt werden,
werden anders behandelt als die Pixel außerhalb des ROI, die nicht-eingeschaltete
Pixel genannt werden. Der Pixelwert von einem nicht-eingeschalteten
Pixel wird durch die in 3A gezeigte Übertragungsfunktion
zu dem Pixeleingangsbus kartiert und durch die in 3B gezeigte Übertragungsfunktion 28 zu
dem Dateneingangsbus. Die Übertragungsfunktion
in 3A kartiert jeden Eingangspixelwert
zu 0, während
die Übertragungsfunktion
in 3B jeden Pixelwert
zu 1 kartiert. Das Ergebnis ist dann, dass die Binärzahl 0
um 1 inkrementiert wird für
jedes Pixel, das nicht eingeschaltet ist.
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Für
eingeschaltete Pixel sind die entsprechenden Übertragungsfunktionen 30 und 32 für den Pixeleingangsbus
und den Dateneingangsbus in den 4A bzw. 4B gezeigt. Diese Übertragungsfunktionen 30 und 32 werden
verwendet, um den kleinen Signalpegel-Schwellenwert und den Ablauf
der Antwort bei großen
Signalpegeln zu implementieren. Für Pixel unterhalb eines Schwellenwertes
T sind die Übertragungsfunktionen 30 und 32 identisch
mit denjenigen für
nicht-eingeschaltete Pixel, und der Vorgang ist der gleiche: Bin
0 des Histogramms wird um 1 inkrementiert für jedes eingeschaltete Pixel,
dessen Wert unterhalb des Schwellenwertes ist. Für Pixel mit Werten gleich oder über dem
Schwellenwert zeigt 4A,
dass Bin 1, anstatt Bin 0, aktualisiert wird. Die zu diesem Bin
hinzuaddierte Zahl hängt
von dem ankommenden Pixelwert ab, wie es in 4B gezeigt ist. Die Funktion, die den
Eingangspixelwert zu dem Histogramm-Datenwert kartiert, nimmt mit
dem Pixelwert zu. Der maximale Histogramm-Datenwert kann in geeigneter
Weise begrenzt sein, um einen Überlauf
des Histogramm-Akkumulators zu verhindern. Die Übertragungsfunktion kann linear,
linear mit einem Schnitt oberhalb eines speziellen Eingangspegels
oder nicht-linear sein, was von den gewünschten Eigenschaften des Mittelwertes
abhängt,
den man berechnet. Beispielsweise hat die gezeigte Kurve eine kleinere
Steigung für
größere ankommende
Pixelwerte. Die Wirkung davon ist, eine Antwort bei großen Signalpegeln
abzurollen, d. h. hellere Flächen des
Bildes tragen zu einem kleineren Bruchteil von ihrem Signal zu dem
Mittelwert bei als dunklere Flächen.
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Nachdem alle Pixel von einem Bild
verarbeitet worden sind, wie es oben beschrieben ist, enthält der Histogramm/Akkumulierungspuffer
Werte in zwei Binärzahlen,
Bin 0 und Bin 1, wie es in 5 gezeigt ist.
Der Wert NT, wie er als Zahl 34 bezeichnet ist, in Bin
0 ist die Zahl von Pixeln außerhalb
des Helligkeitserfassungs-ROI plus der Zahl von Pixeln innerhalb
des ROI, deren Werte unter den Schwellenwert fallen. Der Wert S,
der als Zahl 36 bezeichnet ist, in Bin 1 ist eine gewichtete
Summe der Werte der Pixel innerhalb des ROI und gleich oder oberhalb
des Schwellenwertes. Die Gesamtzahl von Pixeln, die zu dieser Summe
beitragen, ist die Gesamtzahl von Pixeln in dem Bild N minus NT,
dem Wert, der in Bin 0 enthalten ist. Das Helligkeitssignal ist
somit definiert als Durchschnittliche Helligkeit
= S/(N – NT).
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Dieser Wert wird zu dem Röntgengenerator zurückgeführt, um
die Röntgenbestrahlung
zu regeln. Er wird auch verwendet zum Aktualisieren eines digitalen
Skalierungsfaktors, der eine konstante Helligkeit in Situationen
beibehält,
wo die gewünschte Röntgenbestrahlung
nicht erreicht wird.