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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Segmentierung
zumindest einer Substanz in einem Röntgenbild.
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Grundsätzlich sind
Verfahren zur Segmentierung von Röntgenbildern bekannt, mit denen
für eine Diagnose
Bildbereiche in einem Röntgenbild
identifiziert werden können,
in denen nur eine bestimmte Substanz, beispielsweise Knochen oder
Kontrastmittel, abgebildet ist. Die Segmentierung erfolgt üblicherweise
auf Basis eines modifizierten Bildes, welches dadurch gewonnen wird,
dass zu jedem Bildpunkt jeweils zwei Schwächungswerte zu zwei unterschiedlich
eingestellten Energien einer Röntgenstrahlung
ermittelt und anschließend
gewichtet voneinander subtrahiert werden. Aufgrund der von Substanz
zu Substanz unterschiedlichen Energieabhängigkeit der Absorptionskoeffizienten
sind durch dieses Vorgehen bei einer entsprechenden Wahl der Gewichtungskoeffizienten
nur diejenigen Bildpunkte in dem modifizierten Bild mit hohen Intensitätswerten belegt,
die einer speziellen Substanz zuzuordnen sind. Durch einen bildpunktbezogenen
Schwellwertvergleich der einzelnen Intensitätswerte mit einem Schwellwert,
werden die potenziell zu einer speziellen Substanz gehörigen Bildpunkte
segmentiert.
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In
vielen Situationen führt
jedoch ein derartiger Schwellwertvergleich zu einem fehlerhaften
Ergebnis, da die Schwächungswerte
durch Messrauschen verfälscht
sein können,
so dass trotz Vorliegen der Substanz das Schwellwertkriterium zur
Segmentierung eines Bildpunktes nicht erfüllt wird.
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Aus
der
US 6,754,298 B2 ist
ein Rekonstruktionsverfahren bekannt, bei dem aus einer Mehrzahl von
zu unterschiedlichen Energiespektren der Röntgenstrahlung erfassten Messungen
ein Bild berechnet wird, bei dem die Komponenten des Objektes bei gleichzeitig
reduziertem Rauschanteil dargestellt werden. Das Rekonstruktionsverfahren
basiert auf einem rechenzeitintensiven iterativen Rekonstruktionsalgorithmus,
der bei der Berechnung des Ergebnisbildes die Verschiedenheit der
zur Erfassung der Messungen verwendeten Energiespektren mit berücksichtigt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Segmentierung eines Röntgenbildes
anzugeben, mit dem eine stabile Segmentierung zumindest einer Substanz
in einem Röntgenbild
auf einfache Weise möglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Segmentierung zumindest einer
Substanz in einem Röntgenbild
gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung zur Segmentierung zumindest
einer Substanz in einem Röntgenbild
gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 13 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß Anspruch 1 sind jeweils Gegenstand
der Unteransprüche
1 bis 12.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass sich das Ergebnis der Segmentierung
in einem Röntgenbild verbessert,
wenn zur Segmentierung nicht nur ein einzelner Bildpunkt, sondern
mehrere Bildpunkte in einer dem Bildpunkt zugeordneten lokalen Bildumgebung
ausgewertet werden. Die Auswertung mehrerer Bildpunkte in einer
lokalen Umgebung ist von Vorteil, weil sich die zu segmentierenden
Bildstrukturen einer bestimmten Substanz über einen gewissen Bildbereich
hinweg ausdehnen, so dass mit einer hohen Wahrscheinlichkeit davon
auszugehen ist, dass benachbarte Bildpunkte derselben Substanz zugeordnet
sind. Durch die Einbeziehung einer Bildumgebung wird also die im
Röntgenbild
vorhandene räumliche
Beziehung der Bildpunkte mit berücksichtigt.
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Nach
der Erfindung umfasst das Verfahren zur Segmentierung zumindest
einer Substanz in einem Röntgenbild
Verfahrensschritte,
- – bei dem zu jedem Bildpunkt
des Röntgenbildes zwei
Schwächungswerte
zu unterschiedlichen Energien einer Röntgenstrahlung erfasst werden,
- – bei
dem auf der Grundlage der erfassten Schwächungswerte die Bildpunkte
des Röntgenbildes
in einen zweidimensionalen Merkmalsraum abgebildet werden, wobei
der Merkmalsraum zumindest einen ersten Klassifikationsbereich aufweist,
dem die zumindest eine Substanz eindeutig zugeordnet ist,
- – bei
dem aus der Abbildung einer den Bildpunkten jeweils zugeordneten
Bildumgebung des Röntgenbildes
in den Merkmalsraum die Anzahl derjenigen Bildpunkte als Bewertungsgröße ermittelt
wird, die in den Klassifikationsbereich abgebildet werden,
- – bei
dem ein segmentiertes Bild dadurch berechnet wird, dass auf der
Grundlage der Bewertungsgröße zu jedem
Bildpunkt ein Schwellwertvergleich mit einem Schwellwert durchgeführt wird.
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Die
Segmentierung umfasst also eine statistische Auswertung der Klassifikationsergebnisse
von lokal benachbarten Bildpunkten. Je mehr Bildpunkte durch eine
Abbildung in den Merkmalsraum in denselben Klassifikationsbereich
fallen bzw. je größer die
Bewertungsgröße für den Klassifikationsbereich ist
desto größer ist
die Wahrscheinlichkeit dafür,
dass der betrachtete Bildpunkt ebenfalls dem Klassifikationsbereich
und somit einer bestimmten Substanz angehört. Durch die Einbeziehung
der lokalen Bildumgebung ist es gewährleistet, dass Bildbereiche
einer bestimmten Substanz störungsfrei,
d.h. insbesondere ohne einzelne Fehlklassifikationen einzelner Bildpunkte
innerhalb des Bildbereichs, segmentiert werden können. Selbst wenn der betrachtete
einzelne Bildpunkt nicht innerhalb des Klassifikationsbereichs abgebildet
wird, ist es aufgrund der Gesamtbetrachtung der lokalen Bildumgebung
also möglich,
dass der Bildpunkt als zu der Substanz zugehörig klassifiziert wird.
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Das
Verfahren ist jedoch nicht auf die Segmentierung nur einer Substanz
beschränkt.
Es ist ebenfalls vorteilhaft denkbar, dass eine zweite Substanz
segmentiert wird, so dass der Merkmalsraum einen zweiten Klassifikationsbereich
aufweist, dem eine in dem Röntgenbild
vorhandene zweite Substanz eindeutig zugeordnet ist. In diesem Fall
werden zu jedem Bildpunkt auf der Grundlage der lokalen Nachbarschaft
zwei Bewertungsgrößen ermittelt,
die jeweils die Anzahl der in einen Klassifikationsbereich abgebildeten
Bildpunkte repräsentie ren.
Zur Segmentierung der beiden Substanzen ist es dann notwendig, für jede der
Bewertungsgröße einen Schwellwertvergleich
durchzuführen.
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Für den Fall,
dass in einem Röntgenbild
zwei Substanzen segmentiert werden, ist in dem Merkmalsraum vorteilhaft
ein dritter Klassifikationsbereich identifizierbar, bei dem keine
eindeutige Zuordnung einer Substanz möglich ist. Von den Bildpunkten, welche
in den dritten Klassifikationsbereich abgebildet werden, ist zwar
bekannt, dass sie einer der beiden Substanzen angehören. Aufgrund
der beiden erfassten Schwächungswerte
ist jedoch eine eindeutige Zuordnung nicht möglich. Darüber hinaus ist in dem Merkmalsraum
weiterhin ein vierter Klassifikationsbereich angebbar, dem keine
der beiden Substanzen zugeordnet ist. Bildpunkte, die in diesen Klassifikationsbereich
abgebildet werden, gehören eindeutig
nicht zu einer der beiden zu segmentierenden Substanzen. Die Einteilung
des Merkmalsraums in den dritten und vierten Klassifikationsbereich
hat den Vorteil, dass vor dem Schwellwertvergleich die Bewertungsgröße in Abhängigkeit
von der ermittelten Anzahl zumindest einer der in den dritten oder
vierten Klassifikationsbereich abgebildeten Bildpunkte der Bildumgebung
gewichtet werden kann. Mit einer entsprechenden Gewichtung der Bewertungsgröße ist gewährleistet,
dass im Randbereich der zu segmentierenden Substanz bzw. der mit
der Substanz verbundenen Bildstruktur, einige Bildpunkte der betrachteten
lokalen Nachbarschaft außerhalb
der Bildstruktur angeordnet sein können, so dass prinzipiell nicht sämtliche
Bildpunkte in den ersten oder zweiten Klassifikationsbereich fallen
müssen.
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Der
zumindest eine Klassifikationsbereich des Merkmalsraums ist vorteilhaft
durch eine Simulation dadurch ermittelbar, dass die beiden Schwächungswerte
der von der Röntgenstrahlung
durchstrahlten Substanz simuliert und in den Merkmalsraum abgebildet
werden. Zur Ermittlung der Ausdehnung des jeweiligen Klassifikationsbereichs
ist es dabei zweckmäßig, die
Simulation für
unterschiedliche Durchstrahlungsdicken und unter schiedliche Konzentrationen
der Substanz durchzuführen.
Durch die Simulation lässt
sich dabei ein weites Spektrum an unterschiedlichen Variationen
abdecken. Selbstverständlich
wäre es
aber ebenso denkbar, dass die Klassifikationsbereiche experimentell
ermittelt oder durch die experimentell gefundenen Ergebnisse entsprechend
nachgeregelt bzw. korrigiert werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Bewertungsgröße vor dem
Schwellwertvergleich mittels einer Transferfunktion in eine Wahrscheinlichkeit
umgerechnet, wobei die Transferfunktion den Zusammenhang zwischen
der Anzahl der abgebildeten Bildpunkte und der Wahrscheinlichkeit über das
Vorliegen der Substanz angibt. Dieses Vorgehen soll insbesondere
dem Sachverhalt Rechnung tragen, dass die Anzahl der abgebildeten
Bildpunkte in einen nichtlinearen Zusammenhang mit der Wahrscheinlichkeit über das
Vorliegen der Substanz stehen kann.
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Die
erste Substanz, für
die eine Segmentierung in dem Röntgenbild
vorgenommen wird, ist vorzugsweise Knochen. Die zweite Substanz
ist vorzugsweise ein Kontrastmittel. Mit Hilfe der beiden segmentierten
Substanzen sind die wesentlichen Bildstrukturen in einem Röntgenbild
leicht identifizierbar, die von einem Arzt bei einer Diagnose untersucht werden
müssen.
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Die
Energie der Röntgenstrahlung
kann auf einfache Weise über
die eingestellte Röhrenspannung
einer Röntgeneinrichtung
verändert
werden. Die erste Energie der Röntgenstrahlung
ist daher besonders einfach bei einstellter Röhrenspannung von 80 kV erzeugbar.
Eine dazu unterschiedliche zweite Energie der Röntgenstrahlung ist vorteilhaft
bei eingestellter Röhrenspannung
von 140 kV generierbar.
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Die
zu jedem Bildpunkt betrachtete Bildumgebung umfasst vorteilhaft
zumindest drei Bildpunkte in jeder Bilddimension, so dass durch
die statistische Auswertung der Klassifikationsergebnisse von mindestens
9 Bildpunkten eine ausreichend siche re Bewertung vorgenommen kann.
Bei der Wahl der Dimension einer lokalen Bildumgebung muss insbesondere
die Auflösung
der zu extrahierenden Bildstrukturen geachtet werden. So ist es
beispielsweise denkbar, die lokale Bildumgebung in Abhängigkeit der
anatomischen Verhältnisse
im Vorfeld der Segmentierung auszuwählen. Blutgefäße, die
eine wesentlich geringere Ausdehnung in dem Röntgenbild aufweisen, müssen beispielsweise
unter Verwendung einer im Vergleich zur Untersuchung von Knochen
wesentlich kleineren lokalen Bildumgebung segmentiert werden.
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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 in
teils perspektivischer, teils blockschaltartiger Darstellung ein
Computertomographiegerät,
welches zur Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Segmentierung zumindest einer Substanz in einem Röntgenbild
geeignet ist,
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2 das
Verfahren zur Segmentierung der Substanz in skizzierter Form,
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3 ein
zweidimensionaler Merkmalsraum, welcher unterschiedliche Klassifikationsbereiche
aufweist und in den Bildpunkte des Röntgenbildes abgebildet werden,
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4 ein
Diagram, in dem eine Transferfunktion zur Ermittlung einer Wahrscheinlichkeit über das
Vorliegen einer Substanz in Abhängigkeit
einer aus einer lokalen Bildumgebung ermittelten Bezugsgröße dargestellt
ist,
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5 ein
erstes segmentiertes Bild ohne Berücksichtigung eines Nachbarschaftskriteriums,
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6 ein
zweites segmentiertes Bild mit Berücksichtigung des Nachbarschaftskriteriums.
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Zur
Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Segmentierung zumindest einer Substanz in einem Röntgenbild 1 kann
eine an sich bekannte Röntgeneinrichtung
in Form eines Computertomographiegerätes 16 verwendet werden,
so wie sie in der 1 in teils perspektivischer,
teils blockschaltartiger Weise dargestellt ist. Ein solches Computertomographiegerät 16 verfügt über mindestens eine
Röntgenquelle,
hier in Form einer Röntgenröhre 17,
mit mindestens einem Fokus 18, welcher eine Röntgenstrahlung
erzeugt, welche durch ein Objekt 19 tritt und anschließend auf
einen gegenüberliegenden
Detektor 20 auftrifft. Der Detektor 20 umfasst eine
Mehrzahl von Detektorelementen 21, wovon nur eines mit
einem Bezugszeichen versehen ist. Jedes Detektorelement 21 erzeugt
eine von der Intensität der
geschwächten
Röntgenstrahlung
abhängigen Schwächungswert.
Eine Projektion des Objektes 19 wird durch einen Satz von
Schwächungswerten sämtlicher
Detektorelemente 21 an einer bestimmten Abtastposition
der Röntgenröhre 17 und
des Detektors 20 gebildet.
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Das
aus der Röntgenröhre 17 und
den Detektor 20 gebildete Aufnahmesystem ist auf einer nicht
dargestellten drehbaren Gantry angeordnet. Bei einer aus mehreren
möglichen
Betriebsarten rotiert das Aufnahmesystem um das Objekt 19,
beispielsweise um einen Patienten. Durch Rotation des Aufnahmesystems
werden eine Vielzahl von Projektionen aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen
erfasst, die zur Rekonstruktion eines Röntgenbildes 1 in Form
eines Schicht- oder Volumenbildes benötigt werden. Derartige zweidimensionale
oder dreidimensionale Bilder können
beispielsweise als Eingangsbild für das erfindungsgemäße Verfahren
darstellen. Durch einen kontinuierlichen Vorschub einer Tischplatte 22 entlang
der Systemachse 23 kann das Objekt 19 nicht nur
in einer Schicht, sondern in einem Volumen spiralförmig abgetastet
werden, welches größer als
die Ausdehnung des Detektors 20 ist. Eine einfache Variante
der spiralförmigen
Abtastung besteht darin, den Vor schub sequentiell durchzuführen, so
dass nach jeder 360°-Abtastung ein Vorschub stattfindet
und die eigentliche Abtastung im Ruhezustand des Objektes 19 vorgenommen
wird. Beide Varianten sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren anwendbar.
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Zu
jeder Projektion oder zu jedem Umlauf des Aufnahmesystems kann die
Röhrenspannung der
Röntgenröhre 17 mittels
einer Verstellvorrichtung 24 auf einen bestimmten Spannungswert
eingestellt werden. Auf diese Weise lassen sich Projektionen zu unterschiedlichen
Spektren der Röntgenstrahlung bzw.
zu unterschiedlichen Energien E1, E2 der Röntgenstrahlung erzeugen. Alternativ
dazu wäre
es selbstverständlich
auch denkbar, die Projektionen zu unterschiedlichen Energien E1,
E2 einer Röntgenstrahlung
mittels eines energieselektiven Detektors bei fest eingestellter
Röhrenspannung
zu erfassen. Dies hätte
den Vorteil, dass auf ein wechselseitiges Verstellen eines Betriebsparameters
des Computertomographiegerätes 16 verzichtet
werden kann. Es wird außerdem
darauf hingewiesen, dass sowohl Einzeilen- als auch Mehrzeilendetektoren
verwendet werden können.
Es können
darüber
hinaus auch eine oder mehrere Röntgenröhren mit
jeweils einem oder mehreren Foken mit wiederum einem einzigen oder mehreren
bewegten oder stillstehenden Detektor genutzt werden.
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Zur
Segmentierung der Substanz in einem Röntgenbild 1 werden
in diesem Ausführungsbeispiel durch
eine entsprechende wechselseitige Verstellung der Röhrenspannung,
bezogen auf dieselbe Projektionsrichtung, zu jedem Detektorelement 21 Schwächungswerte 3, 4 zu
zwei unterschiedlichen Energien E1, E2 der Röntgenstrahlung erzeugt. Die erste
Energie E1 der Röntgenstrahlung
kann beispielsweise bei eingestellter Röhrenspannung von 80 kV und
die zweite Energie E2 bei eingestellter Röhrenspannung von 140 kV erzeugt
werden. Prinzipiell ist aber jedes Paar von Röhrenspannungen zur Erzeugung
unterschiedlicher Energien der Röntgenstrahlung
wählbar,
bei dem der Unterschied der Absorption für die beiden erzeugten Energien
zwischen den Substanzen hinreichend groß ist.
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Die
erfassten Projektionen werden anschließend an eine Recheneinheit 25 weitergeleitet
und nach einem an sich bekannten Rekonstruktionsverfahren zu einem
Röntgenbild 1 rekonstruiert,
welches sich auf einer Anzeigeeinheit 26 darstellen lässt. Zu jedem
Bildpunkt 2 des Röntgenbildes 1 stehen
jeweils zwei, den beiden unterschiedlichen Energien E1, E2 der Röntgenstrahlung
zugeordneten Schwächungswerte 3, 4 zur
Verfügung.
Unterschiedliche Substanzen weisen gegenüber Röntgenstrahlung in Abhängigkeit
der Energie unterschiedliche Absorptionseigenschaften auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit
ist nur ein Bildpunkt des Röntgenbildes 1 mit einem
Bezugszeichen versehen worden.
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Bildpunkte 2,
die zur selben Substanz bzw. zur selben Bildstruktur gehören, werden
in einem Merkmalsraum 5, in den die beiden Schwächungswerte 3, 4 zu
unterschiedlichen Energien E1, E2 eingetragen werden, idealer Weise
auf denselben Punkt abgebildet. Berücksichtigt man den Sachverhalt, dass
die Substanz in unterschiedlichen Konzentrationen und in unterschiedlichen
Durchstrahlungsdicken im Objekt 19 vorliegt, so kann einer
Substanz in dem Merkmalsraum 5 nicht nur ein Punkt, sondern
ein Klassifikationsbereich 6 mit einer gewissen Ausdehnung
zugeordnet werden, durch den die Substanz eindeutig repräsentiert
wird.
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Durch
die Abbildung und Bewertung eines einzelnen Bildpunktes 2 des
Röntgenbildes 1 in
den Merkmalsraum ist unter idealen Voraussetzungen damit erkennbar,
ob der Bildpunkt 2 zu der Substanz gehört oder nicht. Als Ergebnis
der einzelnen bildpunktbezogenen Vergleiche würde man ein segmentiertes Röntgenbild 13 erhalten,
in dem die Substanz extrahiert ist. Die bildpunktbezogene Segmentierung führt jedoch
in der Praxis häufig
zu einem fehlerhaften Segmentierungsergebnis, da einzelne Schwächungswerte 3; 4 durch
Messrauschen oder Elektronikrauschen verfälscht sein können. Das
so gewonnen segmentierte Röntgenbild 13 weist
Störungen auf,
die eine Diagnose erheblich erschweren können.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass die Bildstörungen bzw. die Fehlklassifikationen 27 dann
erheblich vermindert werden können,
wenn bei der Segmentierung nicht nur das Klassifikationsergebnis
eines einzelnen Bildpunktes 2, sondern das Klassifikationsergebnis
einer lokalen Bildumgebung 10 des Bildpunktes 2 berücksichtigt
wird. Die erfindungsgemäße Segmentierung
umfasst im Wesentlichen die in 2 gezeigten
Schritte, die auf der Recheneinheit 25 ausführbar sind:
- Erster Schritt 28: Erfassen der zwei Schwächungswerte 3, 4 zu
unterschiedlichen Energien E1, E2 der Röntgenstrahlung zu jedem Bildpunkt 2 des
Röntgenbildes 1.
- Zweiter Schritt 29: Abbilden der Bildpunkte 2 in
den zweidimensionalen Merkmalsraum 5, wobei der Merkmalsraum 5 zumindest
den ersten Klassifikationsbereich 6 aufweist, dem zumindest
die eine Substanz eindeutig zugeordnet ist.
- Dritter Schritt 30: Ermitteln einer Bewertungsgröße 11 aus
der Anzahl derjenigen Bildpunkte einer lokalen Bildumgebung 10 des
betrachteten Bildpunktes 2, die in den Klassifikationsbereich 6 abgebildet
werden.
- Vierter Schritt 31: Berechnen eines segmentierten Bildes 14 dadurch,
dass auf der Grundlage der Bewertungsgröße 11 zu jedem Bildpunkt 2 ein
Schwellwertvergleich mit einem Schwellwert durchgeführt wird.
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Die
Segmentierung umfasst also einen Schwellwertvergleich für jeden
Bildpunkt. Der Vergleich findet auf der Grundlage der ermittelten
Bewertungsgröße 11 statt.
Im Unterschied zu einer bildpunktbezogenen Segmentierung des Röntgenbildes 1 wird
bei der vorliegenden Erfindung dabei die lokale Bildumgebung 10 berücksichtigt,
wobei die ermittelte Bewertungsgröße 11 eine topologische
Information darüber
enthält,
wie viele Bildpunkte in der lokalen Nachbarschaft dieselben Eigenschaften
aufweisen.
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Einzelne
und geringe Fehlklassifikationen 27 werden also durch die
Betrachtung der lokalen Nachbarschaft unterdrückt. Die Größe der zu jedem Bildpunkt 2 betrachteten
lokalen Bildumgebung 10 ist im Wesentlichen von der lokalen
Ausdehnung derjenigen Substanz bzw. Bildstruktur im Röntgenbild 1 abhängig, die
extrahiert werden soll. Prinzipiell ist bei kleinen Bildstrukturen
eine kleinere lokale Bildumgebung 10 zu wählen. So
kann beispielsweise zur Segmentierung eines Kontrastmittels, welches
durch kleine Blutgefäße strömt, eine
lokale Bildumgebung 10 von 3 × 3 Bildpunkten eingesetzt
werden. Der bei der Segmentierung jeweils betrachtete Bildpunkt 2 ist vorzugsweise
zentral relativ zu der lokalen Bildumgebung 10 angeordnet.
Die Auswahl einer lokalen Bildumgebung 10 könnte über eine
dafür vorgesehene Benutzerschnittstelle
erfolgen, so dass von Untersuchung zu Untersuchung die zu der Situation
passende Auswahl der lokalen Bildumgebung 10 erfolgen kann.
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Selbstverständlich ist
bei der vorliegenden Erfindung möglich,
dass nicht nur eine Substanz, sondern mehrere Substanzen in dem
Röntgenbild 1 gleichzeitig
segmentiert werden. 3 zeigt beispielhaft einen zweidimensionalen
Merkmalsraum 5, welcher unterschiedliche Klassifikationsbereiche 6, 7 zur Segmentierung
von zwei Substanzen aufweist. Die beiden Dimensionen des Merkmalsraums 5 entsprechen
den Schwächungswerten
zu unterschiedlich eingestellten Energien E1, E2 der Röntgenstrahlung. Es
können
folgenden Klassifikationsbereiche unterschieden werden, mit denen
folgende Zuordnung der Bildpunkte definiert werden:
- Erster
Klassifikationsbereich 6: Sicher die erste Substanz,
- Zweiter Klassifikationsbereich 7: Sicher die zweite Substanz,
- Dritter Klassifikationsbereich 8: Sicher eine der beiden
Substanzen, wobei ungewiss ist, ob die erste oder zweite Substanz
vorliegt,
- Vierter Klassifikationsbereich 9: Sicher keine der
beiden Substanzen.
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Die
Klassifikationsbereiche 6, 7, 8, 9 können dabei
im Vorfeld mittels einer Simulation bestimmt werden, wobei im Einzelnen
das von der Röntgenröhre 17 erzeugte
Spektrum der Röntgenstrahlung zu
der entsprechenden Energie E1; E2, die von der Substanz und der
Energie E1; E2 abhängige
Absorption der Röntgenstrahlung
und das im Detektor 20 umgesetzte Signal der einfallenden
Röntgenstrahlung
simuliert wird. Die Klassifikationsbereiche werden durch Variation
der Konzentration und der Durchstrahlungsdicke der betrachteten
Substanz gewonnen. Es wäre
aber ebenso denkbar, die Klassifikationsbereiche 6, 7, 8, 9 durch
ein Experiment zu ermitteln.
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Bildpunkte,
die in den vierten Klassifikationsbereich 9 abgebildet
werden, sind den Substanzen eindeutig nicht zugeordnet. Die Anzahl
der in diesen Klassifikationsbereich 9 abgebildeten Bildpunkte
der betrachteten Bildumgebung 10 ermöglichen es, dass vor dem Schwellwertvergleich
die Bewertungsgröße 11 gewichtet
werden kann. Mit einer entsprechenden Gewichtung der Bewertungsgröße 11 wird
dem Sachverhalt Rechnung getragen, dass im Randbereich der zu segmentierenden
Substanz bzw. der mit der Substanz verbundenen Bildstruktur einige
Bildpunkte der betrachteten lokalen Nachbarschaft außerhalb
der Bildstruktur angeordnet sein können. Wird beispielsweise festgestellt,
dass 4 von 9 möglichen
Bildpunkten eindeutig keine der beiden Substanzen darstellen, dann
ist mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit davon auszugehen, dass
es sich bei dem betrachteten Bildpunkt 2 um einen Randbildpunkt
handelt. In diesem Fall kann es zweckmäßig sein, die Bewertungsgröße 11 so
aufzuwerten, dass das Schwellwertkriterium erfüllt wird. Beispielsweise könnte ein
gewisser Prozentsatz, beispielsweise 50%, der in den vierten Klassifikationsbereich 9 fallenden
Bildpunkte zu der Bewertungsgröße 11 addiert
werden.
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Vor
dem Schwellwertvergleich ist es vorgesehen, dass die Bewertungsgröße 11 mittels
einer Transferfunktion 12 in eine Wahrscheinlichkeit 15 umgerechnet
wird. Die Transferfunktion 12 gibt dabei den Zusammenhang
zwischen der Anzahl der abge bildeten Bildpunkte und der Wahrscheinlichkeit 15 über das
Vorliegen der Substanz an. Die Transferfunktion 12 ist
beispielhaft in 4 gezeigt und kann durch den
Einbezug von Vorwissen bestimmt werden. Sollte die Erfahrung beispielsweise
zeigen, dass bei 20 in den ersten bzw. zweiten Klassifikationsbereich 6; 7 abgebildeten
Bildpunkten immer die Substanz vorliegt und dass bei 10 Bildpunkten
immer die Substanz nicht vorliegt, dann wird die Bezugsgröße auf eine
Skala projiziert, bei der Werte unter 10 in eine Null übergehen
und bei der Werte über
20 in eine Eins übergehen.
Zwischen den beiden Werten erzielt man beispielsweise unter Verwendung
einer Funktion, welche sich wie cos2(x) verhält, einen glatten Übergang.
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Eine
weitere Verbesserung des Segmentierungsergebnisses ist dann erzielbar,
wenn die Segmentierung unter Verwendung eines weiteren skalaren
Entscheidungskriteriums, so wie es beispielsweise in der nicht vorveröffentlichen
deutschen Anmeldung mit dem Aktenzeichen 102005 037367.4 mit dem
Titel, Verfahren für
eine Röntgeneinrichtung' beschrieben ist,
kombiniert wird. Durch die zusätzliche Verwendung
eines Eigenwertkriteriums wäre
es beispielsweise denkbar, dass bei der Segmentierung zusätzlich die
Information über
die lokale Homogenität
mit berücksichtigt
wird. So wäre
es beispielsweise denkbar, dass bei starker Inhomogenität die Segmentierung
empfindlicher eingestellt wird. Die Empfindlichkeit kann beispielsweise
dadurch geregelt werden, dass auf die Bewertungsgröße 11 bzw.
die Wahrscheinlichkeit 15 ein von der Homogenität abhängiger Wert
addiert wird.
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In
den 5 und 6 ist der Unterschied im Ergebnis
zwischen einer bildpunktbezogenen Segmentierung und einer bildumgebungsbezogenen Segmentierung
für zwei
Substanzen, nämlich
Knochen und Iod dargestellt. Knochen wird jeweils in einen mit dem
Bezugszeichen 32 versehenen Bildbereich und Iod in einen
mit den Bezugszeichen 33 versehenen Bildbereich abgebildet.
Wie der 5 entnehmbar, sind in dem segmentierten
Bild 13, welches durch eine bildpunktbezogene Segmentierung gewonnen
wird, Bildstörungen
vorhanden, welche durch Fehlklassifikationen 27 einzelner
Bildpunkte 2 entstehen, deren Schwächungswerte 3, 4 beispielsweise
durch Messrauschen oder Elektronikrauschen gestört sind. In der 6 ist
hingegen das Ergebnis einer Segmentierung in Form eines segmentierten Bildes 14 gezeigt,
bei welcher zu jedem Bildpunkt 2 jeweils eine diesem zugeordnete
lokale Bildumgebung 10 mit berücksichtigt wird. Durch die
Berücksichtigung
der topologischen Information bzw. der räumlichen Verteilung der Substanzen
in dem Röntgenbild 1 sind
Bildstörungen
weitgehend vermeidbar.
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Die
Erfindung kann wie folgt zusammengefasst werden: Die Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Segmentierung zumindest einer Substanz
in einem Röntgenbild 1,
bei dem zu jedem Bildpunkt 2 jeweils zwei Schwächungswerte 3, 4 zu unterschiedlichen
Energien E1, E2 einer Röntgenstrahlung
erfasst werden, bei dem auf der Grundlage der erfassten Schwächungswerte 3, 4 die
Bildpunkte 2 in einen zweidimensionalen Merkmalsraum 5 abgebildet
werden und bei dem anschließend
aus der Abbildung einer den Bildpunkten jeweils zugeordneten Bildumgebung 10 die
Anzahl derjenigen Bildpunkte als Bewertungsgröße 11 ermittelt wird,
die in einen der Substanz zugeordneten Klassifikationsbereich 6 fallen,
so dass auf der Grundlage der Bewertungsgröße 11 ein die Subtanz
enthaltendes segmentiertes Bild 14 auf einfach Weise berechnet
werden kann, in dem Fehlklassifikation durch Berücksichtung der Nachbarschaftsbeziehung
der Bildpunkte 2 weitgehend vermieden werden.