-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildkorrektur bei
der Bildaufzeichnung mit digitalen Festkörperdetektoren, bei dem Messsignale jedes
Detektorelementes des Festkörperdetektors korrigiert
werden, um über
den Dynamikbereich Unterschiede in der Abhängigkeit der Messsignale der Detektorelemente
von der Intensität
einfallender Strahlung zu verringern. Die Erfindung betrifft auch eine
entsprechende Vorrichtung zur Bildkorrektur. Das Verfahren und die
Vorrichtung eignen sich insbesondere für die Flatfieldkorrektur bei
der Aufzeichnung von Röntgenbildern
mit digitalen Festkörperdetektoren.
-
Seit
Jahren verändern
digitale Röntgendetektoren
die klassische Radiographie bzw. Fluoroskopie, Angiographie und
Kardangiographie. Zu den hierbei eingesetzten Technologien zählen u.a.
Bildverstärker-Kamerasysteme,
basierend auf Fernseh- oder
CCD-Kameras, Speicherfoliensysteme mit integrierter oder externer
Ausleseeinheit, Systeme mit optischer Ankopplung der Konverterfolie
an CCD- oder CMOS-Chips und Festkörperdetektoren mit direkter
oder indirekter Konversion der Röntgenstrahlung.
-
Die
neuartigen Festkörperdetektoren
für die digitale
Röntgenbildgebung
weisen aktive Auslesematrizen auf, beispielsweise aus amorphen Silizium (a-Si).
Die Bildinformation wird in einem Röntgenkonverter, beispielsweise
aus Cäsiumjodid
(CsI), zunächst
in sichtbare Strahlung und in den Photodioden der Auslesematrix
schließlich
in elektrische Ladung gewandelt und dort gespeichert. Eine verwandte Technologie
verwendet ebenfalls eine aktive Auslesematrix aus amorphem Silizium,
jedoch einen Konverter, der direkt elektrische Ladung generiert
(z.B. aus Selen), die dann auf einer Elektrode gespeichert wird.
Die gespeicherte Ladung wird anschließend über ein aktives Schaltelement
mit einer dedizierten Elektronik ausgelesen, analog-digital gewandelt
und vom Bildsystem weiter verarbeitet. Weitere Technologien, die
letztendlich digitale Röntgenbilder
liefern, basieren auf CCDs (CCD: Charge Coupled Device), APS (APS:
Active Pixel Sensor) oder großflächigen CMOS-Chips.
Beispiele für
derartige digitale Röntgendetektoren
finden sich auch in Spahn et al., Digitale Röntgendetektoren in der Röntgendiagnostik, Radiologie
43 (2003), Seiten 340 bis 350.
-
Festkörperdetektoren,
auch als Flachdetektoren bezeichnet, erfordern sog. Flatfieldkorrekturen, die
dafür sorgen,
dass über
den gesamten Dynamikbereich des Detektors artefaktfreie homogene
Bilder entstehen. Bei homogener Bestrahlung des Detektors wird erwartet,
dass nach der Flatfieldkorrektur alle Detektorelemente oder Pixel
bis auf Quanten- und elektrisches Rauschen sowie evtl. strahlenqualitätsabhängige Abweichungen
dasselbe Signal erzeugen. Die Flatfieldkorrekturen umfassen bisher
vor allem lineare Korrekturen. Hierbei wird zunächst der Offset vom Messsignal
des jeweiligen Detektorelementes subtrahiert und anschließend eine
Gainkorrektur (Multiplikation) durchgeführt. Falls nötig, werden
u.U. noch Defektkorrekturen oder andere spezifische Korrekturen
durchgeführt.
-
In
der Realität
sind Festkörperdetektoren über ihren
großen
Dynamikbereich allerdings nicht vollkommen linear, da Detektoren
mit perfekter Linearität über den
großen
Dynamikbereich praktisch nicht herzustellen sind. Gerade bei sehr
hohen oder sehr niedrigen Röntgendosen,
die sich stark von der Kalibrierdosis unterscheiden, bei der das
so genannte Gainbild für
die Gainkorrektur aufgezeichnet wird, können daher durch leicht unterschiedliche
Abweichungen der einzelnen Detektorelemente von der Linearität künstliche
Strukturen im korrigierten Bild entstehen. Die unterschiedlichen
Abweichungen können beispielsweise
durch differenzielle Nichtlinearitäten der Hardware verursacht
werden. Bei den bisher angewendeten linearen Korrekturen wird in
Kauf genommen, dass sich noch immer Nichtlinearitäten im korrigierten
Bild ergeben. Komplexere Korrekturen sind wegen des erforderlichen
Rechenaufwandes, insbesondere bei Anwendungen mit hohen Bildraten, wie
beispielsweise Fluoroskopie oder Angiographie, nicht realisierbar
oder zu kostenaufwändig.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Bildkorrektur bei der Bildaufzeichnung
mit digitalen Festkörperdetektoren
anzugeben, die zu geringeren Artefakten in den Bildern führt und
auch für
Anwendungen mit hohen Bildraten einsetzbar ist.
-
Die
Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 9
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung
sind Gegenstand der Unteransprüche
oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
-
Bei
dem vorliegenden Verfahren zur Bildkorrektur bei der Bildaufzeichnung
mit digitalen Festkörperdetektoren
werden die Messsignale jedes Detektorelementes des Festkörperdetektors
korrigiert, um über
den Dynamikbereich der Detektorelemente Unterschiede in der Abhängigkeit
der Messsignale der Detektorelemente von der Intensität einfallender Strahlung
zu verringern. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der
Dynamikbereich jedes Detektorelementes in mehrere Abschnitte unterteilt
und für jeden
Abschnitt eine von den anderen Abschnitten unabhängige Korrektur der Messsignale
durchgeführt
wird.
-
Die
Korrektur erfolgt dabei durch Korrekturfunktionen, die vorzugsweise
Korrekturpolynome erster und/oder höherer Ordnung umfassen. Bei
dem vorliegenden Verfahren wird somit – bezogen auf die pixelweise,
d.h. je Detektorelement, applizierte Strahlungsdosis bzw. das daraus
resultierende Messsignal – abschnittsweise
linear oder auch mit einem Polynom höherer Ordnung korrigiert. Durch
die Unterteilung in einzelne Abschnitte können in der Regel einfachere
Korrekturpolynome für
eine Korrektur innerhalb des jeweiligen Abschnittes gefunden werden,
als dies für
eine vergleichbar gute Korrektur eines den gesamten Dynamikbereich
umfassenden Abschnittes möglich
wäre. Dadurch
lässt sich
die Rechenzeit für
eine gute Korrektur verkürzen.
Weiterhin kann durch die Unterteilung des Dynamikbereiches in mehrere
Abschnitte auch mit jeweils linearen Korrekturfunktionen eine gute
Korrektur des Messsignals über
den gesamten Dynamikbereich erreicht werden.
-
Die
Abschnitte können
hierbei für
jedes Pixel bzw. Detektorelement eines Detektors identisch gewählt werden.
Weiterhin ist es möglich,
für jedes
Detektorelement oder für
unterschiedliche lokale Bereiche des Detektors, die mehrere zusammenhängende Detektorelemente
umfassen, unterschiedliche Abschnitte zu wählen. Die lokalen Bereiche
können
beispielsweise durch die Flächen,
die von jeweils einem Auslesechip des Detektors adressiert werden,
oder – im
Falle von zusammengesetzten Plates – die durch die Plates definierten
Flächen
sein.
-
Die
Abschnitte werden vorzugsweise so gewählt, dass für jeden Abschnitt eine möglichst
einfache Korrekturfunktion genutzt werden kann. Die Korrekturfunktionen
jeweils zweier aneinander grenzender Abschnitte unterscheiden sich
dadurch in der Regel. Hierbei soll selbstverständlich ein Korrekturergebnis
erreicht werden, das gegenüber
einer linearen Korrektur eines den gesamten Dynamikbereich umfassenden
Abschnittes verbessert ist.
-
In
der bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird für jedes
Detektorelement oder für
jede Gruppe aus mehreren Detektorelementen jeweils eine Kennlinientabelle,
eine sog. Look-up-Tabelle (LUT), bereitgestellt, in der jeder möglichen
Signalhöhe
des Messsignals ein Index für eine
Matrix aus Korrekturfunktionen zugeordnet ist. In dieser Matrix
ist für
jeden Index eine Korrekturfunktion angegeben. Für das jeweilige Messsignal
wird dann der Index aus der zu dem Detektorelement gehörigen Kennlinientabelle
ausgelesen und die Korrektur mit der für den Index angegebenen Korrekturfunktion
durchgeführt.
Die Bereitstellung der Kennlinientabellen verhindert zeitintensive
Vergleichsoperationen (if-Abfragen), mit denen bestimmt werden müsste, in
welchem Abschnitt das jeweilige Messsignal liegt und mit welchem
Polynom bzw. welcher Korrekturfunktion korrigiert werden muss. Stattdessen wird
unter Umgehung derartiger rechenaufwändiger und zeitintensiver Vergleichsoperationen über die Kennlinientabelle
direkt der Index für
die Matrix aus Korrekturfunktionen geliefert. Dies erfolgt Pixel
für Pixel
bzw. Detektorelement für
Detektorelement.
-
Mit
dem vorliegenden Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung wird eine
verbesserte Korrektur der Messsignale durch abschnittsweise definierte Korrekturfunktionen
erreicht. Der zusätzliche
Einsatz der Kennlinientabellen ermöglicht eine schnelle Implementierung
auch komplexerer Korrekturen ohne zeitintensive Vergleichsoperationen.
-
Die
Kennlinientabellen werden ebenso wie die Matrix aus Korrekturfunktionen
bereits während der
Kalibrierung des Festkörperdetektors
angelegt. Dabei können
beispielsweise für
alle Röntgensysteme,
die einen bestimmten Flachdetektortyp verwenden, die selben lokalen
Bereiche und/oder die selben Abschnitte für die abschnittsweise definierten
bzw. in der Kalibrierung ermittelten Funktionen gelten. Bei Bedarf
können
selbstverständlich
auch die lokalen Bereiche und/oder die Abschnitte als Teil des Kalibrierprozesses
bestimmt werden, um detektorspezifische Kennlinientabellen anzulegen.
-
Die
Vorrichtung zur Bildkorrektur umfasst entsprechend dem vorangehend
beschriebenen Verfahren zumindest einen Festkörperdetektor, der mehrere Detektorelemente
umfasst und mit einer Recheneinheit verbunden ist, die ein Korrekturmodul zur
Korrektur der Messsignale der Detektorelemente aufweist. Das Korrekturmodul
ist dabei so ausgebildet, dass es für unterschiedliche vorgegebene
Abschnitte des Dynamikbereiches jedes Detektorelementes eine von
den anderen Abschnitten unabhängi ge
Korrektur der Messsignale durchführt.
In der Recheneinheit sind dabei auch die in einer bevorzugten Ausgestaltung
des Verfahrens erzeugten Kennlinientabellen sowie die Matrix aus
Korrekturfunktionen abgespeichert, so dass das Korrekturmodul auf
diese Daten zugreifen kann.
-
Das
Verfahren und die Vorrichtung eignen sich vor allem zur Flatfieldkorrektur
bei digitalen Flachdetektoren, wie sie in Röntgensystemen, insbesondere
in medizinischen Röntgensystemen,
eingesetzt werden. Die bei dem Verfahren durchgeführten Korrekturen
sind Teil der gesamten Bildverarbeitungskette des Röntgensystems
und werden dabei vorzugsweise im Bildrechner des Röntgensystems integriert.
Dasselbe gilt für
die Kalibrierverfahren, die aufgrund der hohen Anforderungen an
Rechenleistung und Speicherkapazität als Teil der System-Serviceroutine
eines Röntgensystems
verfügbar
gemacht werden können.
-
Das
vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen
Schutzbereichs nochmals kurz erläutert.
Hierbei zeigen:
-
1 ein
Beispiel für
den Aufbau eines Festkörperdetektors
in schematischer Ansicht;
-
2 ein
Beispiel für
die digitalen Ausgangssignale zweier Detektorelemente als Funktion eines
Röntgeneingangssignals;
-
3 ein
Beispiel für
die korrigierten Messsignale der beiden Detektorelemente der 2 nach einer
Offset- und einer Gainkorrektur gemäß dem Stand der Technik;
-
4 ein
Beispiel für
die korrigierten Messsignale der beiden Detektorelemente der 2 nach einer
Korrektur gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
-
5 ein
Beispiel für
ein Ablaufdiagramm bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens.
-
1 zeigt
ein Beispiel für
den Aufbau eines Röntgen-Festkörperdetektors
in schematischer Ansicht, wie er beispielsweise in medizinischen
Röntgensystemen
zum Einsatz kommen kann. Der Festkörperdetektor umfasst einen
Auslesechip 1 mit mehreren in einer Matrix angeordneten
Photodioden 2, die über
Schalter 3 mit entsprechenden Ansteuer- bzw. Auswerteleitungen 4 verbunden
sind. Jede dieser Photodioden 2 stellt ein Detektorelement 5 bzw. Pixel
des Detektors dar, das bei an dieser Stelle auf den Detektor auftreffender
Röntgenstrahlung 6 ein Messsignal
liefert. Über
dem Auslesechip 1 mit den Detektorelementen 5 ist
ein Cäsiumjodid-Kristall 7 angeordnet,
der die einfallende Röntgenstrahlung 6 in
sichtbare Strahlung konvertiert, die von den Photodioden 2 erfasst
wird. Das Auslesen des Detektors erfolgt über eine nicht dargestellte
Ansteuerelektronik 8 und Ausleseelektronik 9,
die über
die Ansteuer- bzw. Ausleseleitungen 4 die einzelnen Detektorelemente 5 adressieren
können.
-
Die
einzelnen Detektorelemente 5 eines derartigen Festkörperdetektors
lassen sich jedoch nicht so herstellen, dass sie exakt die gleiche
Abhängigkeit ihres
Messsignals von der einfallenden Röntgenstrahlung 6 aufweisen. 2 zeigt
hierzu ein Beispiel für
das digitale Ausgangssignal (in "digital
units": du) zweier
Detektorelemente 5 als Funktion des Röntgeneingangssignals. Detektorelement
m hat in diesem Beispiel einen geringeren Offset als Detektorelement
n, aber eine etwas höhere
Sensitivität (du/μGy). In einem
großen
Bereich bis etwa zur eingezeichneten Schwelle lassen sich lineare
Korrekturen, insbesondere Offset-Subtraktion und Gain-Korrektur,
mit den Antwortkurven 10, 11 der beiden Detektorelemente
m, n durchführen,
so dass beide Detektorelemente bei gleichem Eingangssignal auch das
gleiche korrigierte Ausgangssignal liefern. Dies ist aus 3 ersichtlich,
die jeweils die kor rigierten Antwortkurven 12, 13 der
beiden Detektorelemente m, n zeigt.
-
Eine
derartige Flatfieldkorrektur gemäß dem Stand
der Technik erfolgt nach folgender Formel: I(x,
Y) = G(x, Y)·(R(x,
Y) – O(x,
Y)).
-
Dabei
stellen R das Röntgenrohbild,
O das Offsetbild, G das Gainbild und I das korrigierte Röntgenbild
nach Flatfieldkorrektur dar. Offset- und Gainbilder können gemittelte,
d.h. aus mehreren Einzelbildern erzeugte Bilder sein. Die Variablen
x und y bezeichnen die Position der einzelnen Detektorelemente bzw.
Pixel der zweidimensionalen Pixelmatrix des Detektors, d.h. sie
identifizieren das jeweilige Detektorelement.
-
Wie
aus der 3 ersichtlich ist, zeigen beide
Detektorelemente nach der Offset- und Gain-Korrektur gemäß dem Stand
der Technik bis zum Bereich der Schwelle das gleiche Antwortverhalten,
so dass eine Flatfieldkorrektur in diesem Bereich möglich ist.
Oberhalb der Schwelle wird durch das unterschiedliche nichtlineare
Verhalten der beiden Detektorelemente die Korrektur fehlerhaft.
Beide Detektorelemente zeigen nicht mehr das gleiche Antwortverhalten
bei gleicher Einfallsröntgendosis.
Eine Flatfieldkorrektur ist hier nicht mehr möglich. Es entstehen dabei möglicherweise
flächenhafte
Strukturen in den Bildern, beispielsweise entsprechend den durch die
Auslesechips definierten Flächen,
wenn mehrere Pixel und somit größere Areale
von Pixeln betrachtet werden.
-
Beim
vorliegenden Verfahren wird nun der Dynamikbereich in mehrere Abschnitte
unterteilt, wobei dann für
die einzelnen Abschnitte auch eine nichtlineare Korrektur möglich ist.
Eine nichtlineare Korrektur ist im Allgemeinen beschrieben durch: I(x, y) = f(R(x, Y), O(x, Y)).
-
Ein
Beispiel für
eine Korrektur mit einem Polynom zweiten Grades wäre I(x, Y) = a(x, Y)·(R(x, Y) – O(x, Y))2 +
b(x, Y)·(R(x,
y) – O(x,
Y)) + c(x, Y)
-
Dabei
stellen wieder O das Offsetbild und R das Röntgenrohbild dar. Die Parameter
a, b, c sind Kalibrierbilder, die – in diesem Beispiel – das Polynom
zweiten Grades definieren.
-
Nun
wird die Korrektur (linear oder nichtlinear) abschnittsweise definiert: I(x, Y) = fk(x, Y, R(x,
Y),O(x, Y)) mit k = 1,..K
-
Beispielsweise
werden für
3 Dosisbereiche jeweils lineare Korrekturen definiert, wie dies
in 4 veranschaulicht ist, d. h. I(x,
y) = a1(x, y)·(R(x, y) – O(x, y)) für Bereich
1 (x, y) = a2(x,
y)·(R(x,
y) – O(x,
y)) + b2(x, y) für Bereich 2 (x,
y) = a3(x, y)·(R(x, y) – O(x, y)) + b3(x,
y) für
Bereich 2oder I(x, Y) = A(k, x, Y)·(R(x,
Y) - O(x, Y)) + B(k, x, y) k = 1,.. 3
-
Die
drei Bereiche sind in der 4 ersichtlich,
die die korrigierten Antwortkurven 14, 15 für beide
Detektorelemente m, n zeigt. Durch die abschnittsweise lineare oder
höher polynominale
Korrektur können
Flatfieldkorrekturen über
einen größeren dynamischen
Bereich durchgeführt
werden. Mit Hilfe der beiden dargestellten Schwellen werden hier die
drei Bereiche k = 1, 2, 3 definiert, in denen jeweils andere Korrekturfunktionen
fk bzw. A(k) und B(k) für jedes Detektorelement vorgegeben
sind. Die Figur zeigt hierbei sehr gut, dass hierdurch im vorliegenden Beispiel
keine Artefakte erzeugende Unterschiede in den Antwortkurven der
beiden Detektorelemente verbleiben.
-
5 zeigt
schließlich
ein Beispiel für
ein Ablaufdiagramm der beim vorliegenden Verfahren durchgeführten abschnittsweise
definierten Korrektur mit Kennlinientabellen, in diesem Beispiel
als Korrekturindextabellen bezeichnet, zum schnellen Auffinden der
korrekten Korrekturfunktion für
den betreffenden Abschnitt. Die Korrekturindextabellen liefern direkt
aus dem Rohsignal oder einem bereits Offset-korrigierten Rohwert
eines jeden Detektorelementes den entsprechenden Index k der für diesen Abschnitt
optimalen Korrekturfunktion.
-
Für das in 4 dargestellte
Beispiel einer linearen Korrektur für drei unterschiedliche Abschnitte könnte beispielsweise
für alle
Grauwerte eines beispielsweise 14bit-wandelnden Detektors zwischen
1 du und 7000 du auf den Index k = 1, für Werte von 7001 bis 9000 du
auf den Index k = 2 und für
Werte oberhalb von 9001 bis 16384 du auf den Index k = 3 verwiesen
werden. Mit Hilfe des Index k = 1, 2, 3 wird dann sofort für jedes
Pixel x, y auf die korrekte Korrekturfunktion fk(x, y) (allgemeiner
Fall) oder z.B. A (k, x, y) und B (k, x, y) (abschnittsweise linearer
Fall) verwiesen.
-
Im
Beispiel der 5 wird hierbei mit den Messsignalen
des Röntgenrohbildes
R(x, y) zunächst
eine Offset-Subtraktion mit dem bei der Kalibrierung bestimmten
Offset-Bild O(x, y) durchgeführt. Die
Werte des Offset-korrigierten Röntgenbildes
R(x, y) = R(x, y) – O(x,
y) werden dann hergenommen, um in der Korrekturindextabelle den
Index k auszulesen, der dem jeweiligen Wert des Offset-korrigierten
Bildes zugeordnet ist. Mit dem Index k wird in der Matrix der Korrekturfunktionen
die dem Index k zugeordnete Korrekturfunktion fk((x, y), R(x, y),
O(x, y)) ausgewählt,
mit der anschließend
die Korrektur des einzelnen Messsignals durchgeführt wird. Im Ergebnis wird dadurch
das Flatfield-korrigierte Bild I(x, y) erhalten. Diese Vorgänge laufen
im Korrekturmodul 16 einer mit dem Detektor verbundenen
Recheneinheit ab, das das korrigierte Bild ausgibt.
-
In
diesem Beispiel wurde die Offset-Subtraktion vor der Bestimmung
der Korrekturfunktion durchgeführt.
Selbstverständlich
ist es jedoch auch möglich,
die Offset-Korrektur bereits in die Korrekturfunktion einzubeziehen
oder die Offsetverschiebung bereits in der Korrekturindextabelle
zu berücksichtigen.
-
Die
Korrekturfunktionen fk(x, y, R(x, y), O(x, y)) werden im jeweiligen
durch eine untere und eine obere Schwelle bestimmten Abschnitt k
vorzugsweise mit Hilfe folgender alternativer Methoden bestimmt.
Bei einer ersten Methode erfolgt die Berechnung der Funktionsvariablen
(z.B. ak und bk im
Falle einer Geraden bzw. einer linearen Funktion) durch entsprechend
viele unabhängige
Messpunkte in diesem Abschnitt, beispielsweise zwei x, y-Paare im
Falle einer Geraden. Bei einer zweiten Methode erfolgt ein Fit der
Funktionsvariablen. Dazu ist mindestens ein Messpunkt mehr nötig als
die Funktion freie Parameter hat, d.h. im Beispiel einer linearen
Funktion zumindest drei Messpunkte. Als dritte beispielhafte Methode
kann beispielsweise ein sog. Spline genutzt werden.
-
Durch
die Unterteilung des Dynamikbereiches der einzelnen Detektorelemente
in einzelne Abschnitte und die abschnittsweise Definition und Anwendung
von Korrekturfunktionen wird eine verbesserte Korrektur des Bildes
eines Festkörperdetektors erreicht.
Der zusätzliche
Einsatz von Korrekturindextabellen vermeidet zeitintensive Vergleichsoperationen
und beschleunigt das Verfahren zusätzlich, so dass sich dieses
auch bei Anwendungen mit hohen Bildraten, wie beispielsweise in
der Fluoroskopie oder Angiographie, einsetzen lässt.