DE102012205051A1 - Verfahren zur Reduzierung von Direct-Hit-Artefakten und Röntgeneinrichtung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Reduzierung von durch auf ein Messpixel (9) eines CMOS-Detektors (3) nach Durchqueren eines Szintillators (8) direkt auftreffende Röntgenstrahlung hervorgerufenen Artefakten, wobei für ein mit dem CMOS-Detektor (3) aufgenommenes Röntgenbild durch Anwendung eines Bilddaten von in der Nachbarschaft eines betrachteten Bildpunkts (29) liegenden Nachbarschaftsbildpunkten (30) auswertenden, lokalen, kantenerhaltenden Glättungsoperator und Vergleich mit dem Bild, auf das der Glättungsoperator angewendet wurde, Artefaktbildpunkte extrahiert und in ihrem Bilddatum korrigiert werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von durch auf ein Messpixel eines CMOS-Detektors nach Durchqueren eines Szintillators direkt auftreffender Röntgenstrahlung hervorgerufenen Artefakten, sowie eine entsprechende Röntgeneinrichtung.
• Auf CMOS-Technologie basierende Detektoren sind im Stand der Technik bereits bekannt. Sie umfassen meist eine Szintillationsschicht, beispielsweise aus Cäsiumjodid (CSI), in der auftreffende Röntgenstrahlung in niederenergetische Sekundärstrahlung umgewandelt werden soll. Die Sekundärstrahlung trifft dann auf eine unterhalb des Szintillators angeordnete Pixelmatrix mit einzelnen CMOS-Messpixeln, wo das Signal entsprechend ausgemessen werden kann. Häufig auf der Pixelmatrix selbst vorgesehen, aber auch als zusätzliche Komponenten realisierbar umfasst ein CMOS-Detektor auch Ansteuerungs- und Ausleseelektronikkomponenten, wobei häufig bereits eine erste Nachverarbeitung durchgeführt wird, beispielsweise eine Integration über die Messzeit und eine Verstärkung. Denkbar ist es zudem, dass ein CMOS-Detektor eine Komponente zur Normierung aufgenommener Röntgenbilder auf eine Standardhelligkeit aufweist. Weitere Einflüsse entstehen durch die Modulations- Transfer-Funktion (MTF) des Szintillators.
• Ein Nachteil von CMOS-Detektoren ist die Möglichkeit sogenannter „direct hits“. Dabei wird hochenergetische Röntgenstrahlung nicht durch den Szintillator in Sekundärstrahlung umgewandelt, sondern trifft unmittelbar auf ein Messpixel, so dass freie Ladungen erzeugt werden können. Diese führen zu einer gestörten Signalantwort des Pixels, so dass ein deutlich nach oben abweichender Messwert, mithin ein deutlich nach oben abweichendes Bilddatum, entsteht. Dabei können solche Störungen auf ein einziges Pixel bzw. einen einzigen dem Pixel zugeordneten Bildpunkt des zweidimensionalen Röntgenbildes beschränkt sein, es ist jedoch auch denkbar, dass mehrere benachbarte Pixel gestört sein können. Es entstehen mithin Artefakte, die sich beispielsweise als hellweiße Punkte im letztendlichen Röntgenbild äußern.
• Im Stand der Technik bekannte Korrekturmechanismen basieren dabei hauptsächlich auf der Verwendung von mehreren, zeitlich nacheinander aufgenommenen Bildern, wobei davon ausgegangen wird, dass die Fehler nur vereinzelt in einzelnen Bildern auftreten und mithin aus dem Bilddatum in einem anderen, zu einem anderen Zeitpunkt aufgenommenen Röntgenbilds darauf geschlossen werden kann, ob ein Artefakt vorliegt. Ein Korrekturverfahren, welches auch auf einem Einzelbild realisierbar ist, ist im Stand der Technik bislang nicht bekannt.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein auch für ein einzelnes Röntgenbild anwendbares Korrekturverfahren anzugeben, welches durch „direct hits“ hervorgerufene Bildartefakte deutlich reduzieren kann.
• Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass für ein mit dem CMOS-Detektor aufgenommenes Röntgenbild durch Anwendung eines Bilddaten von in der Nachbarschaft eines betrachteten Bildpunkts liegenden Nachbarschaftsbildpunkten auswertenden, lokalen, Kanten erhaltenden Glättungsoperator und Vergleich mit dem Bild, auf das der Glättungsoperator angewendet wurde, Artefaktbildpunkte extrahiert und in ihrem Bilddatum korrigiert werden.
• Die Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es also, jeden Bildpunkt zu betrachten und die Nachbarschaft des Bildpunkts dahingehend auszuwerten, ob eine deutliche Abweichung von dem Bilddatum an den betrachteten Nachbarschaftsbildpunkten vorliegt. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass Kanten und dergleichen erhalten bleiben. Wendet man auf einen betrachteten Bildpunkt den lokalen, Kanten erhaltenden Glättungsoperator an, der die Nachbarschaftsbildpunkte betrachtet, jedoch den Bildpunkt selber nur zum Zweck eines Vergleichs, werden mithin direct-hit-Bildpunkte, mithin einzelne Bildpunkte, die einen deutlich höheren Wert als die Bildpunkte in der Nachbarschaft aufweisen, „herausgeglättet“, während sonstige, durch Kanten beschriebene Strukturen erhalten bleiben. Wird nun ein Vergleich mit dem Ursprungsbild, beispielsweise durch Subtraktion, durchgeführt, werden als Unterschied Bildpunkte festgestellt werden, an denen ein massiv überhöhtes Bilddatum vorliegt, mithin mit größter Wahrscheinlichkeit Direct-Hit- Artefakte. Diese können dann, erst einmal extrahiert, korrigiert werden, beispielsweise, indem ihr Bilddatum abgesenkt wird. Wird beispielsweise, was erfindungsgemäß bevorzugt ist, ein Subtraktionsbild betrachtet, in dem dann nur noch, neben Rauscheffekten, Artefaktbildpunkte enthalten sind, lässt sich beispielsweise eine Beschränkung über das Subtraktionsbild insgesamt anwenden und somit eine Korrektur der Bilddaten der Artefaktbildpunkte erreichen. Wichtig ist dabei, wie bereits hervorgehoben, dass der Glättungsoperator kantenerhaltend ist, mithin sonstige Bildstrukturen erhalten bleiben und mithin beim Vergleich nicht aus Versehen als Artefaktbildpunkte angesehen werden.
• Dabei weist das erfindungsgemäße Vorgehen eine Vielzahl von Vorteilen auf. Zum einen ist es möglich, eine Reduzierung der Direct-Hit-Artefakte auch bei einzelnen Röntgenbildern zu ermöglichen, ohne dass mithin eine zeitbezogene Information erforderlich wäre. Zudem wird das ungestörte, artefaktfreie Signal durch das erfindungsgemäße Verfahren nicht verändert, das bedeutet, ein Eingriff wird nur an Artefaktbildpunkten vorgenommen. Mithin kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine deutlich verbesserte Bildqualität erreicht werden.
• Dabei kann in vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass als Glättungsoperator ein mit dem Inversen der Abweichung vom Bilddatum des betrachteten Bildpunkts gewichteter Mittelwert der Bilddaten der Nachbarschaftsbildpunkte bestimmt wird. Die Verwendung eines derartigen Glättungsoperators hat zur Folge, dass Bildpunkte der Nachbarschaft, die ein ähnlich hohes Bilddatum wie der gerade betrachtete Bildpunkt aufweisen, deutlich stärker in ein derart ermitteltes Zwischenbild eingehen, so dass mithin ein hoher Wert an dem betrachteten Bildpunkt nur dann erhalten wird, wenn in der Nachbarschaft, konkret den betrachteten Nachbarschaftsbildpunkten, wenigstens ein ähnlich hoher Wert vorliegt. Ist dies nicht der Fall, wie es beispielsweise bei einem von niedrigeren Bilddaten umgebenden hohen Bilddatum bei einem Direct-Hit-Artefakt der Fall wäre, so wird in dem durch Anwendung des Glättungsoperators entstehenden Zwischenbild dieser hohe Wert ausgeblendet, was bei dem Vergleich auffällt. Anders ist es jedoch bei Kanten von tatsächlich sichtbaren Strukturen, wo in jedem Fall gleichhohe Bilddaten in der Nachbarschaft eines Bildpunkts vorliegen.
• Dabei sei an dieser Stelle nochmals kurz darauf hingewiesen, dass die Nachbarschaftsbildpunkte nicht zwangsläufig einem betrachteten Bildpunkt unmittelbar benachbart sein müssen, wie im Hinblick auf den besonders vorteilhaften Multiskalen- Ansatz als Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung nochmals näher erläutert werden wird, der letztlich eine schrittweise Erhöhung des Abstands vorsieht.
• In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass als Ausgangspunkt für die Extraktion der Artefaktbildpunkte ein varianzstabilisierend transformiertes Röntgenbild verwendet wird, insbesondere ein Anscombe-transformiertes Röntgenbild. Die dieser Ausgestaltung zugrunde liegende Erkenntnis ist, dass die Artefaktbildpunkte von durch Rauscheffekte abweichenden Bildpunkten unterschieden werden müssen. Die Bilddaten des Röntgenbildes sind grundsätzlich, betrachtet man nur die Messung an sich, poissonverteilt, das bedeutet, das Rauschen ist bilddatumsabhängig, konkret grauwertabhängig, so dass ein Schwellwert zur Bestimmung eines Bildpunkts als Artefaktbildpunkt von dem Bilddatum abhängig wäre. Dies brächte eine erhöhte Komplexität des Verfahrens mit sich, insbesondere eine Verwendung von Look-Up-Tabellen oder aufwendigen Rechnungen, vor allem, wenn man dabei noch Eigenschaften des Detektors und der Nachverarbeitungsschritte bedenkt. Mithin wird vorgeschlagen, das Röntgenbild so zu transformieren, dass die Varianz, geht man von einer Poissonstatistik aus, bilddatumsunabhängig ist. Zusätzlich zu der Poissonstatistik noch auftretende Effekte, beispielsweise eine lineare Skalierung aufgrund einer Verstärkung, haben hierauf dann keinen weiteren Einfluss mehr oder sind vernachlässigbar klein, wie dies beispielsweise im Hinblick auf das elektrische Rauschen bei der Signalverarbeitung im Detektor und dergleichen gilt.
• Gerade im Hinblick einer Bilddatumsunabhängigkeit beim Ausgehen von einer Poissonstatistik bietet sich die sogenannte Anscombe-Transformation an. Dabei handelt es sich um eine varianzstabilisierende Transformation, die eine Zufallsvariable mit einer Poissonverteilung in eine mit einer annähernden Standard-Gauss-Verteilung transformiert. Die Anscombe- Transformation ist dabei gegeben durch

  

  wobei nach Korrektur der Artefaktbildpunkte dann selbstverständlich wieder die inverse Anscombe-Transformation y ↦ ( y / 2)² – 3 / 8 ,(2) anzuwenden ist. Dabei stehen x, y hier für die Bilddaten.
• In einer konkreten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass ausgehend von einem dem Röntgenbild entsprechenden oder aus dem Röntgenbild abgeleiteten nullten Zwischenbild in n Schritten mit n > 0 ein n-tes Zwischenbild und erste bis n-te Korrekturbilder ermittelt werden, wobei in jedem m-ten Schritt für jeden einem Messpixel entsprechenden, betrachteten Bildpunkt des (m – 1)-ten Zwischenbildes der Glättungsoperator mit um m von dem betrachteten Bildpunkt in Zeilenrichtung und/oder Spaltenrichtung beabstandeten Nachbarschaftsbildpunkten zur Ermittlung eines m-ten Zwischenbildes angewendet wird, woraufhin ein m-tes Differenzbild durch Subtraktion des m-ten Zwischenbildes von dem (m – 1)-ten Zwischenbild ermittelt wird und zur Ermittlung des m-ten Korrekturbildes die Bilddaten des m-ten Differenzbildes durch einen insbesondere varianzabhängigen Schwellwert nach oben begrenzt werden, wobei das korrigierte Röntgenbild als oder aus einer Summe des n-ten Zwischenbildes und der ersten bis n-ten Korrekturbilder ermittelt wird. Im einfachsten Fall der vorliegenden Erfindung wird mithin vorgeschlagen, von dem Röntgenbild selber (oder dem insbesondere varianzstabilisierend transformierten Röntgenbild) als nulltes Zwischenbild zunächst den Glättungsoperator auf dieses nullte Zwischenbild anzuwenden, und zwar für jeden Bildpunkt des nullten Zwischenbildes. Ergebnis ist ein erstes Zwischenbild. In diesem sind, wie bereits beschrieben wurde, zumindest die Direct-Hit-Artefakte herausgeglättet, die nur ein einziges Messpixel, mithin einen einzigen Bildpunkt, betreffen und somit in ihrer unmittelbaren Nachbarschaft keine ebenso hohen Bilddaten enthaltenden Bildpunkte aufweisen. Durch die Differenzbildung verbleibt ein Differenzbild, in dem neben Rauscheffekten nur noch diese einzelnen Artefaktbildpunkte enthalten sind. Hierfür wird nun ein Schwellwert vorgesehen, der die Bilddaten dieser Artefaktbildpunkte begrenzt, den Rest jedoch unangetastet lässt. Ergebnis ist das erste Korrekturbild. Ist nun n = 1, so erhält man durch Aufsummierung des ersten Zwischenbildes und des ersten Korrekturbildes mithin an allen Bildpunkten bis auf die so aufgefundenen Artefaktbildpunkte wieder die originalen Bilddaten des nullten Zwischenbildes, lediglich die durch Betrachtung der unmittelbaren Nachbarschaft jedes Bildpunktes aufgefundenen Artefaktbildpunkte weisen ein deutlich niedrigeres Bilddatum auf.
• Während das erfindungsgemäße Verfahren in einer Ausprägung mit n = 1 bereits gute Ergebnisse in der Verbesserung der Bildqualität liefert, wurde bereits eingangs darauf hingewiesen, dass häufig auch Direct-Hit-Artefakte auftreten, die zwei (oder seltener mehr) nebeneinander liegende Bildpunkte betreffen. Solche werden durch das erfindungsgemäße Verfahren bei n = 1 und Betrachtung nur der unmittelbar in den Zeilen und Spalten der Bildmatrix benachbarten Bildpunkten zunächst nicht aufgefunden, sind jedoch auch seltener. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann jedoch vorgesehen sein, dass der die unmittelbaren Nachbarn betreffende Vorgang nur ein erster Schritt einer Multiskalenanalyse des Röntgenbildes (bzw. daraus abgeleiteten Bildes) ist, mithin vorgesehen sein kann, dass n > 1 ist, insbesondere = 2 oder = 3 ist. In diesem Falle treten ein zweiter und gegebenenfalls weitere Schritte auf, in denen nun nicht mehr die unmittelbaren Nachbarn entlang der Zeilen und Spalten der Bildmatrix betrachtet werden, sondern weiter entfernt liegende Nachbarschaftsbildpunkte, insbesondere zunächst im zweiten Schritt übernächste Nachbarn und dergleichen. Während also in dem ersten Schritt bei m = 1 der kantenerhaltende Glättungsoperator in einer 3 × 3 -Umgebung auf die Bildmatrix des nullten Zwischenbildes angewendet wird, wird in einem zweiten Schritt, also bei m = 2, der kantenerhaltende Glättungsoperator auf das erste Zwischenbild in einer 5 × 5-Umgebung angewandt, wobei der Wirkungsbereich des Glättungsoperators für einen Bildpunkt durch das Einfügen von „Löchern“ vergrößert wird, das bedeutet, hier werden die unmittelbar nächsten Nachbarn nun nicht mehr betrachtet. Auf diese Weise ist es möglich, Strukturen auszuglätten, bei denen beispielsweise zwei unmittelbar benachbarte Bildpunkte deutlich überhöhte, auf einen direct-hit zurückzuführende Bilddaten aufweisen, und es tritt eine deutliche, weitere Verbesserung auf.
• Bei Experimenten zur Durchführung der Erfindung hat sich gezeigt, dass es üblicherweise zu einer äußerst deutlichen Verbesserung der Bildqualität schon ausreichend sein kann, n = 2 zu wählen, wobei es durchaus auch nützlich ist, n = 3 heranzuziehen, wobei dann der kantenerhaltende Glättungsoperator in dem dritten Schritt letztlich auf das zweite Zwischenbild in einer 7 × 7-Umgebung der Bildmatrix angewendet wird, wobei letztlich weitere „Löcher“ auftreten, da hier die nächsten und übernächsten Nachbarn nicht mehr betrachtet werden. Eine weitere Erhöhung von n ist zwar denkbar, jedoch nur bedingt zweckmäßig, nachdem mit größer werdenden Umgebungen auch das Risiko wächst, tatsächliche Bildstrukturen irrtümlich auszuschließen.
• Es sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchaus Konstellationen bzw. relative Anordnungen von Direct-Hit-Artefakten auftreten können, die von dem Algorithmus nicht erfasst werden; dies ist jedoch eine endliche Anzahl von auftretenden Sonderfällen, die der deutlichen Reduktion von Direct-Hit-Artefakten nicht entgegensteht.
• Bezüglich des zur Ermittlung des Korrekturbildes verwendeten Schwellwerts sind verschiedene Herangehensweisen denkbar. In einer empirischen Herangehensweise kann in einer ersten Alternative vorgesehen sein, dass der Schwellwert als ein Vielfaches der Varianz der Bilddaten in dem Differenzbild ermittelt wird, insbesondere als das drei- bis fünffache. In diesem Fall wird also davon ausgegangen, dass die aufgrund von Direct-Hit-Artefakten abweichenden Bilddaten eher selten sind, so dass mithin ein „Abschneiden“ aller Bilddaten oberhalb eines Schwellwertes, der der drei- bis fünffachen Varianz der Bilddaten in dem Differenzbild entspricht, eine deutliche Verbesserung mit sich bringt. Versuche haben gezeigt, dass diese recht einfache Herangehensweise bereits zu hervorragenden Ergebnissen bei gängigen CMOS-Detektoren führt. Dabei ist insbesondere zu beachten, dass diese hervorragende Wirkung insbesondere in Zusammenhang mit einer varianzstabilisierenden Transformation gegeben ist, mithin die Varianz nicht noch abhängig von den Bilddaten schwankend vorliegt. Bei dieser Ausgestaltung entfallen insbesondere weitere Rechenschritte, die notwendig wären, wenn der Schwellwert von einer Varianz im Röntgenbild bzw. nullten Zwischenbild abhängig gemacht würde.
• In einer zweiten alternativen Ausgestaltung ist es jedoch auch denkbar, als Schwellwert einen unter Berücksichtigung wenigstens einer Detektoreigenschaft und/oder eines Nachverarbeitungsschrittes bestimmten Schwellwert zu verwenden. Insbesondere dann, wenn eine varianzstabilisierende Transformation durchgeführt wurde, ist es durchaus denkbar, den Schwellwert auch abhängig von der Varianz in dem nullten Zwischenbild zu wählen, auch wenn die Poisson-Statistik durch Effekte des Detektors oder der Nachverarbeitung beeinträchtigt ist. Als hauptsächliche Einflussfaktoren sind hierbei eine meist im Detektor bereits vorgenommene Verstärkung, die zu einer linearen Skalierung führt, und eine Helligkeitsregelung auf eine Normhelligkeit, die eine zweite lineare Skalierung mit sich bringt, denkbar. Effekte wie die MTF des Detektors oder elektrisches Rauschen haben hingegen einen so geringen Einfluss, dass sie auch vernachlässigt werden können.
• In einer konkreten Formulierung des Glättungsoperators kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das m-te Zwischenbild L_m durch

  

  ermittelt wird, wobei der Gewichtungsfaktor w_ij durch

  

  gegeben ist, worin s_min eine nummerische Beschränkungsgröße ist, welche insbesondere kleiner als oder gleich 0,00001 gewählt wird. Dabei werden also die Bilddaten der Nachbarschaftsbildpunkte jeweils mit dem inversen Betrag ihres Abstands zu dem Bilddatum des betrachteten Bildpunkts gewichtet, wobei zum Vermeiden von Ausführungsproblemen bei einer Recheneinrichtung, die das erfindungsgemäße Verfahren ausführt, allerdings eine Beschränkung für die Höhe des Gewichtungsfaktors w_ij gegeben ist, insbesondere auch, um eine Division durch 0 zu vermeiden. Beispielsweise kann s_min als 0,00001 gewählt werden.
• In anderen Worten wird in dieser konkreten, durch die Formeln (3) und (4) gegebenen Ausgestaltung ein gewichteter Mittelwert der Bilddaten der Nachbarschaftsbildpunkte berechnet, wobei das Gewicht invers proportional zu dem Grauwertabstand des Nachbarschaftsbildpunkts zu dem zentralen Bildpunkt ist.
• Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung auch eine Röntgeneinrichtung mit einem CMOS-Detektor, aufweisend einen Szintillator und eine Pixelmatrix mit Messpixeln zum Empfang von in den Szintillator erzeugter Sekundärstrahlung, und eine Recheneinrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Röntgeneinrichtung übertragen, so dass auch mit dieser die Vorteile der vorliegenden Erfindung erhalten werden können.
• Eine solche Röntgeneinrichtung umfasst also neben einer geeigneten Röntgenstrahlungsquelle einen CMOS-Detektor, wobei dieser gegebenenfalls bereits wie beschrieben aufbereitete Röntgenbilder ausgibt. Dabei kann das durch die Recheneinrichtung vollständig automatisch durchgeführte erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise grundsätzlich als ein weiterer Nachverarbeitungsschritt aufgenommener Röntgenbilder hinzugefügt werden, nachdem insbesondere lediglich an Bildpunkten, die Direct-Hit-Artefakte aufweisen, Modifikationen vorgenommen werden. Auch eine benutzerseitige Aktivierbarkeit oder Deaktivierbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reduzierung von Direct-Hit-Artefakten ist selbstverständlich denkbar. Die Recheneinrichtung kann also Teil eines Bildrechners der Röntgeneinrichtung sein und durch Hardware- und/oder Softwarekomponenten das erfindungsgemäße Verfahren realisieren, wobei selbstverständlich auch nicht als Teil des Bildrechners vorgesehene Recheneinrichtungen mit der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens betraut werden können, insbesondere auch außerhalb von Röntgeneinrichtungen, beispielsweise an einer Nachbearbeitungs- oder Sichtstation.
• Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
• 1 eine erfindungsgemäße Röntgeneinrichtung,
• 2 eine Prinzipskizze des CMOS-Detektors der Röntgeneinrichtung gemäß 1,
• 3 einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens,
• 4 ein möglicher Bilddatenverlauf entlang einer Zeile in einem nullten Zwischenbild,
• 5 ein möglicher Bilddatenverlauf in einer Zeile entlang einem ersten Zwischenbild,
• 6 ein möglicher Pixelverlauf in einer Zeile in einem ersten Differenzbild, und
• 7 eine Skizze zur Bestimmung der Nachbarschaftsbildpunkte in einem zweiten Schritt einer Multiskalenanalyse.
• 1 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Röntgeneinrichtung 1. Diese weist als Aufnahmeanordnung einen Röntgenstrahler 2 und einen zum Empfang der Röntgenstrahlen des Röntgenstrahlers 2 angeordneten CMOS-Detektor 3 auf. Zwischen dem Röntgenstrahler 2 und dem CMOS-Detektor 3 kann ein aufzunehmendes Objekt 4 angeordnet werden.
• Der Betrieb der Röntgeneinrichtung 1 wird durch eine angedeutete Steuereinrichtung 5 gesteuert, welche vorliegend auch eine Recheneinrichtung 6 umfasst, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reduzierung von Direct-Hit- Artefakten ausgebildet ist.
• Der Röntgendetektor 3 soll nun anhand von 2 näher erklärt werden. Die Röntgenstrahlung trifft, durch einen Pfeil 7 angedeutet, zunächst auf einen Szintillatorblock 8, wo sie in niederenergetische Sekundärstrahlung umgewandelt werden soll. Der Szintillator 8 ist an einer Stelle aufgebrochen gezeigt, um Messpixel 9 zu zeigen, die die entstehende Sekundärstrahlung nach dem bekannten Prinzip von CMOS-Detektoren messen sollen. Ein Messpixel 9 ist in dem Ausschnitt 10 vergrößert gezeigt. Die Messpixel 9 sind matrixartig auf einer beispielsweise als Leiterplatte ausgebildeten Pixelmatrix 11 vorgesehen, die auch bereits Teile der Ansteuerungs- und Ausleseelektronik enthalten kann. Dabei markiert vorliegend der Pfeil 12 die Wirkung eines Zeilentreibers, der Pfeil 13 das Auslesen der Spalten.
• Nun kann es bei dem CMOS-Detektor 3 vorkommen, dass Röntgenstrahlung den Szintillator 8 durchquert, ohne in Sekundärstrahlung umgewandelt zu werden, so dass ein Röntgenquant direkt auf ein Messpixel 9 auftreffen kann. Bei einem solchen, sogenannten „direct hit“ resultiert ein falsches, stark überhöhtes Messsignal. Dies spiegelt sich an einem dem Messpixel 9 zugeordneten Bildpunkt auch in einem aufgenommenen Röntgenbild als störendes Artefakt wieder. Mithin geht es in dem durch die Recheneinrichtung 6 durchgeführten erfindungsgemäßen Verfahren um die möglichst weitgehende Eliminierung solcher aufgrund des stark überhöhten Bilddatums auffälligen Direct-Hit-Artefakte.
• Ein Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist 3 zu entnehmen. Dabei wird, zunächst grob zusammengefasst, eine Multiskalenanalyse durchgeführt, in der ein bestimmte Nachbarschaftsbildpunkte eines betrachteten Bildpunktes auswertender, lokaler, kantenerhaltender Glättungsoperator wiederholt angewandt wird, um Artefaktbildpunkte, an denen ein Direct-Hit-Artefakt vorliegt, zu extrahieren und durch Erniedrigung ihres Bilddatums korrigieren zu können.
• Dabei wird in einem Schritt 14 jedoch zunächst eine Anscombe- Transformation gemäß Formel (1) auf das zu korrigierende Röntgenbild angewandt, um als nulltes Zwischenbild, im Folgenden L₀, ein varianzstabilisierend tranformiertes Röntgenbild zu erhalten. Ausgehend von dem nullten Zwischenbild L₀ werden nun in mehreren Schritten, die sich jeweils auf andere Nachbarschaftsbildpunkte beziehen, Artefaktbildpunkte extrahiert und korrigiert. Dazu tritt das Verfahren in einem Schritt 15 in eine Schleife ein, in der ein Wert m für einen Schleifendurchlauf bis zu einem Wert n von im hier dargestellten Ausführungsbeispiel drei erhöht wird. Dabei wird in einem Schritt 16 durch Anwendung des Glättungsoperators aus dem (m – 1)-ten Zwischenbild ein m-tes Zwischenbild ermittelt, in einem Schritt 17 wird das m-te Zwischenbild von dem (m – 1)-ten Zwischenbild zur Ermittlung eines Differenzbildes abgezogen, woraufhin in einem Schritt 18 zur Ermittlung eines m-ten Korrekturbildes die Bilddaten des Differenzbildes auf Werte unterhalb des dreifachen der Varianz der Bilddaten in dem Differenzbild beschränkt wird. Hier werden also die überhöhten Bilddaten der Artefaktbildpunkte sozusagen „abgeschnitten“. In einem Schritt 19 wird sodann überprüft, ob der letzte (n-te) Schritt bereits durchlaufen wurde oder nicht. Wenn nicht, wird m um 1 erhöht und es erfolgt ein weiterer Durchlauf der Schritt 16–18 mit dem erhöhten m.
• In einem Schritt 20 wird dann ein korrigiertes Zwischenbild ermittelt, in dem zu dem n-ten Zwischenbild sämtliche Korrekturbilder, mithin das erste bis n-te Korrekturbild, wieder addiert werden.
• In einem Schritt 21 wird dann das korrigierte Röntgenbild durch Anwendung der inversen Anscombe-Transformation nach Formel (2) erhalten.
• Dabei sei der Schleifendurchlauf (Schritte 15–19) nun nochmals konkret näher erläutert, wobei insbesondere der erste Durchlauf (m = 1) anhand der 4–6 nochmals näher erläutert werden soll. Zwischenbilder werden dabei grundsätzlich mit L_m bezeichnet, Differenzbilder mit H_m und Korrekturbilder mit H'_m, wobei m = 1 ... n und n = 3.
• 4 zeigt nun einen beispielhaften Verlauf 22 von Bilddaten entlang einer Zeile, hier beschrieben durch die Bildkoordinate x, des nullten Zwischenbildes L₀. Ersichtlich ist an der Stelle 23 eine Kante zu erkennen, an der Stelle 24 ein deutlich nach oben abweichendes Bilddatum, welches vorliegend aufgrund eines „direct hit“ aufgetreten ist.
• Bei m = 1, also einem ersten Durchlauf der Schleife, ist nun vorgesehen, ein erstes Zwischenbild L₁ gemäß der folgenden Formeln (5) und (6) zu ermitteln, die für m = 1 aus den Formeln (3) und (4) folgen.

  
• Dabei wurde s_min hier als 0,000001 angesetzt. Es werden also in diesem Fall alle acht unmittelbaren Nachbarbildpunkte (Achter-Nachbarschaft bzw. Moore-Nachbarschaft) betrachtet, und von ihren Bilddaten wird der gewichtete Mittelwert gebildet, wobei sich der Gewichtungsfaktor w_ij als das Inverse des Abstands des Bilddatums des Nachbarschaftsbildpunkts zu dem des gerade betrachteten Bildpunkts ergibt. Die Auswirkung dieses Glättungsoperators ist in 5 zu sehen, welches den Verlauf 25 der Bilddaten entlang derselben Bildmatrix-Zeile im ersten Zwischenbild L₁ zeigt. Ersichtlich ist die Kante an der Stelle 23 weiterhin vorhanden, während jedoch um den betrachteten Bildpunkt an der Stelle 24 alle unmittelbaren Nachbarn kein so hohes Bilddatum aufweisen und mithin das eine, stark überhöhte Bilddatum gemäß 4 verschwunden ist.
• Berechnet man nun ein erstes Differenzbild H₁ als H₁ = L₀ – L₁ ,(7) so ergibt sich ein Verlauf 26, wie er der 6 zu entnehmen ist, die derselben Zeile wie 4 und 5 entspricht. Während sämtliche Bildstrukturen, beispielsweise die Kante an der Stelle 23, verschwunden sind, verbleibt prominent in dem ersten Differenzbild H₁ lediglich noch an der Stelle 24 der überhöhte Wert aus L₀. Ein Artefaktbildpunkt wurde mithin extrahiert und kann nun korrigiert werden. Dies geschieht, indem ein Schwellwert 27 verwendet wird, der vorliegend als das Dreifache der Varianz der Bilddaten in dem ersten Differenzbild H₁ gewählt wurde. In anderen Ausführungsbeispielen ist es jedoch auch denkbar, den Schwellwert 27 abhängig von der Varianz der Bilddaten in dem nullten Zwischenbild L₀ zu wählen, wobei Detektoreigenschaften und Nachverarbeitungsschritte berücksichtigt werden.
• Nachdem nun alle Bilddaten oberhalb des Schwellwerts 27 „abgeschnitten“ werden, mithin das Bilddatum an dem der Stelle 24 entsprechenden Bildpunkt auf den Schwellwert 27 gesetzt wird, ergibt sich in dem entstehenden ersten Korrekturbild H₁ der bei 28 angedeutete Verlauf.
• In diesem Durchlauf für m = 1 wurde eine 3 × 3-Umgebung jedes Bildpunkts von dem Operator betroffen. Jedoch kann es auch vorkommen, dass benachbart von einem „direct hit“ betroffene Messpixel 9 und somit Bildpunkte auftreten, weshalb nun im Rahmen der Multiskalenanalyse bei m = 2 übernächste Nachbarn betrachtet werden. Die Wirkung des Glättungsoperators ergibt sich dann als

  

  zur Ermittlung des zweiten Zwischenbildes L₂, wobei die dabei berücksichtigten Nachbarschaftsbildpunkte 30 eines gerade bearbeiteten Bildpunkts 29 in 7 zur Verdeutlichung schraffiert dargestellt sind. Es wird nun also eine 5 × 5-Umgebung betrachtet, wobei die Erweiterung des Glättungsoperators durch das Einfügen von „Löchern“ vorgenommen wurde.
• Nachdem unmittelbare nächste Nachbarn des gerade betrachteten Bildpunkts 29 nicht in die Mittelwertbildung eingehen, werden mithin zwei nebeneinander angeordnete, ein überhöhtes Bilddatum aufweisende Artefaktbildpunkte in der darauffolgenden Ermittlung des Differenzbildes H₂ = L₁ – L₂ (10) extrahiert und können, wie bereits bezüglich der 6 beschrieben, ebenso auf ein niedrigeres Bilddatum korrigiert werden, wobei alle anderen Bilddaten unbeeinflusst bleiben.
• Dieses Vorgehen wiederholt sich nun in einem dritten Durchlauf (m = 2) für eine 7 × 7-Umgebung, wobei nur über-übernächste Nachbarn betrachtet werden und liefert mithin neben einem dritten Zwischenbild L₃ ein drittes Korrekturbild H´_3.
• Ergebnis dieser drei Durchläufe sind mithin schlussendlich das dritte Zwischenbild L₃ und drei Korrekturbilder H´₁, H´₂, H´₃. Um nun ein korrigiertes Zwischenbild L_korr zu erhalten, wird (hier selbstverständlich für n = 3) die Formel

  

  ausgewertet. Wird auf das korrigierte Zwischenbild nun gemäß Schritt 21 in 3 die inverse Anscombe-Transformation angewendet, ergibt sich ein korrigiertes und artefaktreduziertes Röntgenbild.
• Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
• Bezugszeichenliste

1

Röntgeneinrichtung

2

Röntgenstrahler

3

CMOS-Detektor

4

Objekt

5

Steuereinrichtung

6

Recheneinrichtung

7

Pfeil

8

Szintillator

9

Messpixel

10

Ausschnitt

11

Pixelmatrix

12

Pfeil

13

Pfeil

14

Schritt

15

Schritt

16

Schritt

17

Schritt

18

Schritt

19

Schritt

20

Schritt

21

Schritt

22

Verlauf

23

Stelle

24

Stelle

25

Verlauf

26

Verlauf

27

Schwellwert

28

Verlauf

29

Bildpunkt

30

Nachbarschaftsbildpunkt

Claims (9)

1. Verfahren zur Reduzierung von durch auf ein Messpixel (9) eines CMOS-Detektors (3) nach Durchqueren eines Szintillators (8) direkt auftreffende Röntgenstrahlung hervorgerufenen Artefakten, dadurch gekennzeichnet, dass für ein mit dem CMOS-Detektor (3) aufgenommenes Röntgenbild durch Anwendung eines Bilddaten von in der Nachbarschaft eines betrachteten Bildpunkts (29) liegenden Nachbarschaftsbildpunkten (30) auswertenden, lokalen, kantenerhaltenden Glättungsoperator und Vergleich mit dem Bild, auf das der Glättungsoperator angewendet wurde, Artefaktbildpunkte extrahiert und in ihrem Bilddatum korrigiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Glättungsoperator ein den mit dem Inversen der Abweichung vom Bilddatum des betrachteten Bildpunkts (29) gewichteter Mittelwert der Bilddaten der Nachbarschaftsbildpunkte (30) bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangspunkt für die Extraktion der Artefaktbildpunkte ein varianzstabilisierend transformiertes Röntgenbild verwendet wird, insbesondere ein Anscombe-transformiertes Röntgenbild.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem dem Röntgenbild entsprechenden oder aus dem Röntgenbild abgeleiteten nullten Zwischenbild in n Schritten mit n > 0 ein n-tes Zwischenbild und erste bis n-te Korrekturbilder ermittelt werden, wobei in jedem m-ten Schritt für jeden einem Messpixel (9) entsprechenden, betrachteten Bildpunkt (29) des (m – 1)-ten Zwischenbildes der Glättungsoperator mit um m von dem betrachteten Bildpunkt (29) in Zeilenrichtung und/oder Spaltenrichtung beabstandeten Nachbarschaftsbildpunkten (30) zur Ermittlung eines m-ten Zwischenbildes angewendet wird, woraufhin ein m-tes Differenzbild durch Subtraktion des m-ten Zwischenbildes von dem (m – 1)-ten Zwischenbild ermittelt wird und zur Ermittlung des m-ten Korrekturbildes die Bilddaten des m-ten Differenzbildes durch einen insbesondere varianzabhängigen Schwellwert (27) nach oben begrenzt werden, wobei das korrigierte Röntgenbild als oder aus einer Summe des n-ten Zwischenbildes und der ersten bis n-ten Korrekturbilder ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass n größer als Eins ist, insbesondere gleich Zwei oder gleich Drei ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert (27) als ein Vielfaches der Varianz der Bilddaten in dem Differenzbild ermittelt wird, insbesondere das drei- bis fünffache.
7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Schwellwert ein unter Berücksichtigung wenigstens einer Detektoreigenschaft und/oder eines Nachverarbeitungsschrittes bestimmter Schwellwert verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das m-te Zwischenbild L_m durch

   

   ermittelt wird, wobei der Gewichtungsfaktor w_ij durch

   

   gegeben ist, worin s_min eine numerische Beschränkungsgröße ist, welche insbesondere kleiner als oder gleich 0,00001 gewählt wird.
9. Röntgeneinrichtung (1) mit einem CMOS-Detektor (3), aufweisend einen Szintillator (8) und eine Pixelmatrix (10) mit Messpixeln (9) zum Empfang von in dem Szintillator (8) erzeugter Sekundärstrahlung, und einer Recheneinrichtung (6), die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.

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