DE19742152B4

DE19742152B4 - Verfahren zur gefensterten Darstellung von medizinischen Bildern

Info

Publication number: DE19742152B4
Application number: DE19742152A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. Finkler (FH)
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-09-24
Filing date: 1997-09-24
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2017-09-25
Also published as: DE19742152A1

Abstract

Verfahren zur gefensterten Darstellung von medizinischen Bildern mittels einer Wiedergabevorrichtung (9), bei dem die erzeugten Bildsignale der Bilder, deren relevanter Bildbereich außerhalb der durch eine geradlinige Blende erfolgten Einblendungen liegt, einer Transformation von Grauwerten unterzogen werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
a) grobe Detektion von Bildbereichen mit Einblendungen zur Ermittelung der relevanten Bildbereichen, durch
i. Bildung mehrerer nebeneinanderliegender Auswertefelder (45) zur Erkennung der Einblendungen von einem Startpunkt an wenigstens einem Bildrand,
ii. Ermittelung eines Minimalwertes (MIN1) innerhalb des Auswertefeldes (45),
iii. schrittweise Vergrößerung der Auswertefelder (46) zur Bildmitte,
iv. Ermittelung eines neuen Minimalwertes (MIN2) innerhalb des Auswertefeldes (46),
v. Subtraktion des neuen Minimalwertes (MIN2) vom vorhergehenden Minimalwert (MIN1),
vi. Vergleich der Differenz mit einem bestimmten posi- tiven Schwellwert,
vii. liegt die Differenz der Minimalwerte unterhalb des Schwellwertes, Wiederholung ab Schritt iii.,
viii. Markierung der Auswertefelder (46) als Blende,
b) Korrektur der...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gefensterten Darstellung von medizinischen Bildern mittels einer Wiedergabevorrichtung, bei dem die erzeugten Bildsignale der Bilder, deren relevanter Bildbereich außerhalb der durch eine geradlinige Blende erfolgten Einblendungen liegt einer Transformation von Grauwerten unterzogen werden.
Der Erfindung liegt das Problem der automatischen Grauwertfensterung bei der Visualisierung von digitalisierten medizinischen Bildern zugrunde, beispielsweise von Röntgenbildern in der digitalen Radiografie. Grauwertfensterung ist die Transformation eines Grauwertebereiches eines im Bildspeicher vorliegenden Röntgenbildes in einen anderen Grauwertebereich. Zweck der Grauwertfensterung ist die Dynamikanpassung des digitalisierten Bildes an das Ausgabemedium wie Monitor oder Laserprinter. Sinnvollerweise geschieht die Dynamikanpassung nicht für das gesamte Bild, sondern nur für den relevanten, objektenthaltenden Bildteil.
Derartige Bildsysteme können beispielsweise bei Röntgendiagnostikeinrichtungen Verwendung finden, die einen Bildwandler zur Umwandlung des Röntgenbildes in eine elektrische analoge Signalfolge, ein Bild- oder Videosignal, aufweisen. Ein derartiger Bildwandler kann beispielsweise eine Fernsehkamera oder eine Speicherfolie sein. Derartige Bildsysteme lassen sich aber auch in der Computertomographie (CT) oder Magnetresonanz (MR) einsetzen, die digitale Ausgangssignale aufweisen.
Da medizinische Bildsysteme im allgemeinen digital ausgebildet sind, werden die analogen Bildsignale der Röntgendiagno stikeinrichtung in einem Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) dadurch in digitale Werte umgesetzt, daß das Röntgenbild in verschiedene Bildpunkte (Pixel) zerlegt wird, denen verschiedene digitale Grauwerte zugeordnet werden.
In einem digitalen Bildsystem kann das digitale Bildsignal verarbeitet werden und über einen Digital/Analog-Wandler (D/A-Wandler) auf einem Monitor als sichtbares Bild wiedergegeben werden.

Digitale medizinische Bilder der Computertomographie (CT), Magnetresonanz (MR) oder Röntgen (DFR, DSA) können mit einer Genauigkeit von beispielsweise 10 Bit pro Bildpunkt (Pixel) erzeugt werden. Diese Bilder werden üblicherweise dem Benutzer zur Beurteilung und Diagnosefindung auf einem Fernseh-Bildschirm als Graubilder dargestellt. Derartige medizinische Bilder weisen in vielen Fällen eine andere Dynamik als die maximale Dynamik des Ausgabemediums auf.

Dies wird nun anhand eines Beispieles in Verbindung mit der 4 näher erläutert. Es wird angenommen, daß in dem bildrelevanten Teil des Röntgenbildes die eigentliche Objektdynamik eines mit 10 Bit (0...1023) digitalisierten Röntgenbildes sich nur über die Grauwerte von 341 (Minimalwert = untere Fenstergrenze) bis 853 (Maximalwert = obere Fenstergrenze) erstreckt. Weiterhin wird angenommen, daß das Ausgabemedium Grauwerte von 0 bis maximal 1023 (10 Bit) darstellen kann. Durch eine optimale Grauwertfensterung wird erreicht, daß dieser Grauwertebereich von 341 bis 853 durch die Schaltung zur Transformation von Grauwerten des Bildsignales, deren Eingang die Videosignale zugeführt werden, auf den Grauwertebereich von 0 bis 1023 gespreizt wird, wodurch nun das Objekt die maximal mögliche Dynamik des Ausgabemediums voll ausnützt. Der transformierte Grauwertebereich liegt dann am Ausgang dieser Schaltung.

Bisher wird in den meisten Fällen die Grauwertfensterung von Hand mittels Stellglieder und interaktiv, d.h. unter gleichzeitiger Beobachtung des Monitorbildes, durchgeführt. In der US-A-4,827,492 ist eine derartige Vorrichtung zur manuellen Fensterung beschrieben, bei der zwei Bedienelemente zur Einstellung des Fensters vorgesehen sind. Dabei wird mit dem einen Bedienelement die Fensterbreite und mit dem anderen die Fenstermitte, die obere oder die untere Fenstergrenze eingestellt. Um im klinischen Routinebetrieb Zeit und Kosten zu sparen, wird jedoch eine automatische Grauwertfensterung gewünscht.

Das Hauptproblem für eine Automatik dabei ist, die relevanten, interessierenden Bildteile von den restlichen Bildbereichen wie beispielsweise Einblendungen und Überstrahlungen, wie sie häufig in Röntgenbildern vorkommen, zu separieren. Minimaler (untere Fenstergrenze) und maximaler Grauwert (obere Fenstergrenze) des separierten, relevanten Bildbereiches können dann als Parameter für eine optimale Grauwertfensterung verwendet werden. Falls die Separierung nur ungenügend funktioniert, wird entweder durch die Einbeziehung von Einblendung und Überstrahlung bei der Grauwertfensterung fälschlicherweise eine zu hohe Objektdynamik (im obigen Beispiel kleiner 341 bis größer 853) angenommen, was zu schwachen Kontrasten im Objekt führt, oder interessierende Bildbereiche werden als nicht relevant eingestuft, so daß es zu Abschneidungen im Objekt kommt. Im ersten Fall spricht man von einem zu weiten Fenster, im zweiten Fall von einem zu engen Fenster.

Eine weit verbreitete Methode zur automatischen Fensterung bei Röntgensystemen ist die Benutzung von sogenannten Organtasten. Hier wird von der Voraussetzung ausgegangen, daß gleiche Aufnahmearten wie beispielsweise Lunge-, Hand- oder Schulter-Aufnahmen auch in etwa gleiche Objektdynamik ergeben. Der Benutzer betätigt also vor einer Aufnahme die entsprechende Organtaste und teilt so dem System die zu erwar tende Objektdynamik mit. Die Grauwertfensterung geschieht hier durch voreingestellte, auf jede Aufnahmeart abgestimmte, empirisch ermittelte Parameter.

Als nachteilig erweist sich hierbei der hohe Bedienaufwand durch Organtasten. Auch bleiben durch die vorher festgelegten Parameter individuell unterschiedliche Aufnahmebedingungen unberücksichtigt, so daß derartige Grauwertfensterungen nicht optimal sein können.

In der US-A-5,351,306 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem durch Ermittelung statistischer Parameter in langgestreckten, parallel zum Bildrand angeordneten Auswertefeldern die Lage von Einblendungen gefunden werden kann. Dadurch, daß Überstrahlungen unberücksichtigt bleiben und gedrehte Einblendungen nicht erkannt werden können, erhält man mit einer derartigen Fensterung nicht immer optimale Ergebnisse.

Aus der US-A-5,150,421 ist ein Verfahren bekannt, bei dem der in der Literatur beschriebene und allgemein bekannte Histogrammausgleich (Grauwerteequalisation, Gleichverteilung der Grauwerte) in etwas modifizierter Form durchgeführt wird. Bei dieser nichtlinearen Grauwertetransformation ist aber auch eine Beschränkung auf den relevanten Bildbereich notwendig. Dies wird durch unterschiedliche Gewichtung der einzelnen Pixel gelöst. Es wird vorausgesetzt, daß Einblendung und Überstrahlung extrem hell oder dunkel sind, sowie hauptsächlich an den Bildrändern zu finden sind. Pixel nahe am Bildrand sowie mit extremen Grauwerten werden also für den Histogrammausgleich geringer gewichtet als solche, die näher zur Bildmitte liegen oder die weniger extreme Grauwerte haben. Desweiteren wird eine Objektkonturerkennung vorgeschlagen, die auf der Detektion von großen Grauwertänderungen im Bild basieren.

Ein derartiges Verfahren weist die Nachteile auf, daß diese nichtlineare Grauwerttransformation den Bildcharakter verän dert. Weiterhin trifft die Annahme nicht immer zu, daß relevante Bildbereiche immer in der Nähe der Bildmitte liegen sowie keine extremen Grauwerte besitzen. Außerdem lassen sich Einblendungen durch eine Objektkonturerkennung allein durch Detektion von großen Grauwertänderungen im Bild ohne weitere Maßnahmen nicht zuverlässig erkennen.

Eine weitere Möglichkeit einer Automatik ist die Meldung der Lage der Einblendungen von dem Röntgengerät an das verarbeitende Bildsystem. Dies bedingt jedoch einen höheren technischen Aufwand. Weiterhin funktioniert es nur bei Bildsystemen, die direkt mit dem Röntgengerät verbunden sind, und die die Meldung der Blendenlage verarbeiten können. Wird dagegen das Bild über Netzwerke an andere Bildsysteme geschickt, so kann dieses Verfahren nicht eingesetzt werden. Außerdem werden mögliche Überstrahlungen nicht berücksichtigt.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das es ermöglicht, eine optimale Grauwertfensterung des gesamten Bildes automatisch durchzuführen, ohne das wesentliche Details verloren gehen können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit folgenden Schritten gelöst:

a) grobe Detektion von Bildbereichen mit Einblendungen zur Ermittelung von relevanten Bildbereichen, durch
i. Bildung mehrerer nebeneinanderliegender Auswertefelder zur Erkennung der Einblendungen von einem Startpunkt an wenigstens einem Bildrand,
ii. Ermittelung eines Minimalwertes innerhalb des Auswertefeldes,
iii. schrittweise Vergrößerung der Auswertefelder zur Bildmitte,
iv. Ermittelung eines neuen Minimalwertes innerhalb des Auswertefeldes,
v. Subtraktion des neuen Minimalwertes vom vorhergehenden Minimalwert,
vi. Vergleich der Differenz mit einem bestimmten positiven Schwellwert,
vii. liegt die Differenz der Minimalwerte unterhalb des Schwellwertes, Wiederholung ab Schritt iii.,
viii. Markierung der Auswertefelder (46) als Blende,
b) Korrektur der Bildbereiche mit Einblendungen zur Ermittelung der relevanten Bildbereiche, durch
i. Median-Filterung der wie eine eindimensionale Funktion behandelten groben Kontur,
ii. Bildung des Histogrammes der Median-gefilterten Kontur und Ermittlung des Maximums HMAX,
iii. Ermittlung, ob HMAX größer als ein Schwellwert ist und wenn ja Bestimmung von HMAX als Abstand der zum Rande des medizinischen Bildes parallelen Kontur,
iv. Filterung mit zweiter Ableitung, wenn HMAX kleiner als der Schwellwert ist,
v. Summierung der Vorzeichenwechsel der ersten Ableitung,
vi. Vergleich der Summe mit einem zweiten Schwellwert, wobei im Falle, daß die Summe kleiner als der Schwellwert ist, die gefilterte Kontur den Verlauf der gedrehten Blende angibt,
c) Extraktion der außerhalb der detektierten Kontur liegenden Bereiche als relevante Bildbereiche,
d) Ermittelung der Minimal- und/oder Maximalwerte in den relevanten Bildbereichen,
e) Festsetzung der Minimal- und/oder Maximalwerte als die Fenstergrenze(n) des Grauwertbereiches und
f) Wiedergabe der Bilder nach Transformation der Grauwerte des Bildsignales.

In vorteilhafter Weise können die nebeneinanderliegenden Auswertefelder an den Stellen am Bildrand gebildet werden, an denen die Grauwerte über einem Schwellwert liegen, wobei die nebeneinanderliegenden Auswertefelder eine Breite von acht Pixeln aufweisen können.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die schrittweise Vergrößerung der Auswertefelder zur Bildmitte mit einer Schrittweite von acht Pixeln erfolgt.

Um alle Überstrahlungen zu Erfassen kann der Schritt viii. noch Verlängerungen der Auswertefenster um einen Sicherheitsbetrag umfassen, die ebenfalls als Blende markiert werden.

Objekte werden sicher nicht als Blende erkannt, wenn die Differenzen mit einem negativen, betragsmäßig über dem Rauschen liegenden Schwellwert detektiert die Pixel in diesem Auswertefenster nicht als Blende markiert werden.

Eine Glättung der Blendenkontur ergibt sich, wenn die Ränder der Auswertefelder als Funktion der Blendenkontur durch Medianfilterung gefiltert werden, wobei bei einer Unstetigkeit der Funktion der mediangefilterten Blendenkontur (50) mit einer 2. Ableitung von ungleich Null die Unstetigkeit durch einen aus zwei benachbarten Werten linear interpolierten Wert ersetzt werden kann.

Folgende weitere Schritte können erfindungsgemäß durchgeführt werden:

i. Unterteilung des Bildes in schachbrettartig angeordnete Rasterelemente,
ii. Ermittelung der Mittelwerte und Standardabweichungen aller Rasterelemente,
iii. Vergleich aller Mittelwerte und Standardabweichungen mit je einem Schwellwert,
iv. Aussortierung aller Pixel, die in Rasterelementen liegen, deren Mittelwerte und und deren Standardabweichungen die Schwellwerte unterschreiten.

Erfindungsgemäß können neben den aussortierten Rasterelementen die benachbarten Rasterelemente aussortiert werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Röntgendiagnostikeinrichtung gemäß dem Stand der Technik,
2 ein Teil der erfindungsgemäßen Ausbildung des in 1 dargestellten Bildsystems zur Erkennung von Überstrahlungen,
3 ein weiterer Teil der erfindungsgemäßen Ausbildung des in 1 dargestellten Bildsystems zur Erkennung von Einblendungen,
4 eine Fensterkennlinie zur Erläuterung der Erfindung,
5 einen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens,
6 ein Röntgenbild mit einem Objekt und Überstrahlungen,
7 und 8 Erläuterungen zu in 6 dargestellten Elementen zur Erkennung von Überstrahlungen,
9 Erläuterungen zur prizipiellen Vorgehensweise bei der Erkennung von Einblendungen,
10 reales Beispiel eines Röntgenbildes,
11 Ergebnis der Blendenkontursuche bei dem in 10 dargestellten Beispiel,
12 eindimensionale Funktionen der Blendenkontur für jedes der vier Bildränder,
13 Blendenkontur ohne Medianfilterung,
14 Blendenkontur mit Medianfilterung,
15 beispielhafter Kurvenverlauf einer mediangefilterten Blendenkontur,
16 Histogrammanalyse der mediangefilterten Blendenkontur gemäß 15,
17 detailiertes Beispiel der Medianfilterung und Histogrammanalyse einer Blendenkontur,
18 Beispiel der Interpolation einer 2. Ableitung der Funktion einer Blendenkontur und
19 ein Flußdiagramm der erfindungsgemäßen Erkennung der Blendenkontur.
In der 1 ist der elektrische Aufbau einer Röntgendiagnostikeinrichtung dargestellt, die einen Hochspannungsgenerator 1 aufweist, der eine Röntgenröhre 2 speist, in derem Strahlengang 3 sich ein Patient 4 befindet. Ein im Strahlengang 3 nachfolgender Röntgenbildverstärker 5 ist über eine Optik 6 mit einer Fernsehkamera 7 gekoppelt, deren Ausgangssignal einem Bildsystem 8 zugeführt ist. An dem Bildsystem 8 ist als Wiedergabevorrichtung ein Monitor 9 zur Darstellung der verarbeiteten Röntgenstrahlenbilder angeschlossen. Parallel zum Monitor 9 lassen sich auch andere Wiedergabevorrichtungen, wie beispielsweise Drucker an das Bildsystem 8 anschließen.
Das Bildsystem 8 kann beispielsweise Verarbeitungsschaltungen wie Subtraktionsvorrichtung, Integrationsstufe und Fensterschaltung, die beispielsweise eine Fensterung der von der Fernsehkamera 5 gelieferten Bildsignale bewirkt, sowie Bildspeicher und Wandler enthalten.
In der 2 ist nun die Ausbildung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur automatischen Fensterung von Grauwerten eines Bildsignales des Bildsystems 8 dargestellt. Das durch A/D-Wandler digitalisierte Bildsignal wird beispielsweise einem Bildspeicher 10 zugeführt, an der eine Fensterschaltung 11 zur Transformation von Grauwerten eines Bildsignales angeschlossen ist, die zur Wiedergabe der gefensterten Videosignale mit dem Monitor 9 verbunden ist.
An dem Bildspeicher 10 ist weiterhin eine Auswerteschaltung 12 angeschlossen, die Bildbereiche mit Einblendungen und Überstrahlungen detektiert und extrahiert. Die Auswerteschaltung 12 ist mit einer statistischen Rechenschaltung 13 zur Bestimmung der Mittelwerte M aller Pixel und deren Standardabweichungen σ verbunden. An der statistischen Rechenschaltung 13 sind zwei Schwellwertschaltungen 14 und 15 angeschlossen. Die Schwellwertschaltungen 14 und 15 vergleichen die Mittelwerte M und Standardabweichungen σ mit vorgegebenen Schwellwerten. Liegen sowohl die Mittelwerte M als auch die Standardabweichungen σ unterhalb ihrer Schwellwerte, so werden Ausgangssignale erzeugt, die durch ein UND-Glied 16 zusammengefaßt einer Steuervorrichtung 17 zugeführt werden, die die entsprechenden Pixel des Bildes markiert, so daß sie von der Auswerteschaltung 12 nicht mehr berücksichtigt und ausgeblendet werden.
An der Auswerteschaltung 12 ist weiterhin eine Rechenschaltung 18 angeschlossen, die die Minimal- und Maximalwerte in den relevanten Bildteilen ermittelt und als Fenstergrenzen der Schaltung 11 zur Transformation von Grauwerten zuführt.
Anstelle oder parallel zu der Schaltungsanordnung 13 bis 16 können erfindungsgemäß noch die in 3 dargestellten Schaltungsanordnungen zur Erkennung von Einblendungen vorgesehen sein. Hierzu ist an der Auswerteschaltung 12 ein Minimalwert-Detektor 19 angeschlossen, der mit einer Subtraktionsstufe 20 verbunden ist. Die Auswerteschaltung 12 bildet an den Rändern des Bildes Startfelder, in denen der Minimalwert-Detektor 19 einen ersten Minimalwert MIN1 bildet. danach verlängert die Auswerteschaltung 12 die Startfelder, so daß sich rechteckförmige Auswertefelder ergeben, in denen ein neuer Minimalwert MIN2 ermittelt wird. Dieser neue Minimalwert MIN2 wird vom alten Minimalwert MIN1 in der Subtraktionsstufe 20 subtrahiert. Über eine Schwellwertschaltung 21 ist die Subtraktionsstufe 20 mit der Steuervorrichtung 17, die die Verlängerung der Auswertefelder in der Auswerteschaltung 12 steuert, so daß nach Beendigung der Auswertung eine grobe Blendenkontur vorliegt.
Parallel zu diesem Schaltungszweig ist an der Auswerteschaltung 12 ein Median-Filter 22 angeschlossen, die mit einer Histogramm-Schaltung 23 verbunden ist, deren Ausgangssignal der Steuervorrichtung 17 zugeführt wird. Durch diese Schaltungsanordnung läßt sich feststellen, ob die Blende gerade oder gedreht ist. Bei gerader Blende erhält man den genauen Verlauf ihrer Kontur.
Ist dagegen die Blende gedreht, so werden durch Differenzierglieder 24 und 25 die 1. und die 2. Ableitung gebildet. Die 2. Ableitung wird der Steuervorrichtung 17 zugeführt, die ermittelt, ob diese Null beträgt. Ist ihr Wert ≠ 0, so interpoliert die Auswerteschaltung 12 die Kurve aus zwei benachbarten Werten.
Da eine Fehldetektion der Blendenkontur, die durch die Struktur eines Objektes hervorgerufen sein kann, bei der 1. Ableitung zu einem wiederholten Vorzeichenwechsel führt, werden diese Wechsel durch die Summenschaltung 26 registriert. Durch eine daran angeschlossene Schwellwertschaltung 27 werden diese Stellen dann markiert, wenn sie einen Schwellwertes von beispielsweise fünf überschreiten, so daß die derart detektierten Stellen nicht als Blende betrachtet werden.
In der 5 ist der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion von Überstrahlungen dargestellt. Es werden zunächst aus dem Originalbild 30 durch eine Auswertung 31 die Bildbereiche mit Einblendungen und Überstrahlungen detektiert und extrahiert, so daß man ein Auswertebild 32 erhält. Somit werden bei der anschließenden Ermittelung der Minimal- und Maximalwerte durch eine Berechnung 33 nur die relevanten Bildbereiche berücksichtigt. Durch eine Fensterung 34, deren untere und obere Fenstergrenze durch das Ergebnis der Berechnung 33 einstellbar ist, erhält man ein gefenstertes Röntgenbild 35, das auf dem Monitor 9 betrachtet werden kann.
Da die Detektion von Einblendung und Überstrahlung unterschiedlich abläuft, wird für die weitere Beschreibung vereinbart, daß Bereiche mit hoher Röntgenabsorbtion, wie beispielsweise Knochen oder Einblendungen, hell, d.h. mit hohen Grauwerten, und Bereiche mit niedriger Röntgenabsorbtion, wie beispielsweise Weichteile oder Überstrahlungen neben den Untersuchungsobjekten, dunkel, d.h. mit niedrigen Grauwerten, dargestellt werden. Dies ist in der digitalen Radiografie so üblich, um den gleichen Bildeindruck wie bei Filmaufnahmen zu erhalten, bei denen eine hohe Strahlungsintensität eine hohe Filmschwärzung bedeuten.
Zur Erkennung der Überstrahlungen wird das in 6 dargestellte Röntgenbild mit einem Objekt 36 schachbrettartig in kleine Rasterelemente 37 aufgeteilt, die, wie der 7 zu entnehmen ist, beispielsweise eine Größe von 8·8 Pixel 38 aufweisen. In überstrahlten Bildbereichen 39 sind niedrige Grauwerte und wenig Textur zu erwarten, da kein Objekt 36 und damit eine gleichmäßig hohe Strahlungsintensität vorliegt.
Unterschreiten die Mittelwerte M aller Pixel eines Rasterelementes einen ersten Schwellwert und deren Standardabweichungen σ gleichzeitig einen anderen Schwellwert, so werden diese Rasterelemente 40 aussortiert.
Wie aus 6 zu entnehmen ist, bleiben immer noch Rasterelemente 41 mit Überstrahlungen übrig, die teilweise Objekt 36 und teilweise Überstrahlung 39 enthalten. Durch ihre Randlage besitzen diese sowohl eine hohe Standardabweichung σ als auch einen hohen Mittelwert M. Eine Grauwertfensterung mit dem Minimalwert der Pixel dieser übriggebliebenen Rasterelemente 41 würde einen zu großen Fensterbereich ergeben, da ja immer noch Pixel mit Überstrahlung berücksichtigt werden. Deshalb müssen auch die Pixel innerhalb dieser Randlagenraster aussortiert werden. Dies geschieht dadurch, daß nicht nur die Pixel in den Rasterelementen, die oben beschriebene statistischen Eigenschaften besitzen, aussortiert werden, sondern auch die Pixel in den unmittelbaren Nachbarrastererelementen. Durch diese Maßnahme werden alle Pixel mit Überstrahlung gefunden.
Daß dadurch auch Pixel des Objekts 36 aussortiert werden, ist nicht störend, da es sich hierbei um Haut handelt, die nicht von diagnostischem Interesse ist.
Durch das Verfahren werden also der Reihe nach alle Rasterelemente auf ihre Mittelwerte M und Standardabweichungen σ durchsucht. Sobald ein Rasterelement 42 beide Schwellwertkriterien erfüllt, werden die Pixel dieses Rasterelementes 42 und die Pixel seiner unmittelbar acht Nachbarrasterelemente 43 zusätzlich aussortiert, wie dies die 8 zeigt.
Falls noch mehr vom Randbereich des Objektes 36, die meistens die Haut betreffen, bei der Fensterung unberücksichtigt bleiben soll, können auch Pixel in noch weiter entfernten Nachbarrastern aussortiert werden.
Für die Erkennung von Einblendungen eignet sich die Standardabweichung als Kriterium nicht. Zwar ist auch hier wenig Textur (homogenes Gebiet) vorhanden. Überstrahlungseffekte vom nicht eingeblendeten Bereich bewirken jedoch einen Gradienten der Grauwerte, was zur Folge hat, daß sich die Standardabweichung nicht signifikant von der im Objekt unterscheidet.
Um die Konturen einer Blende 44 aufgrund einer Konturerkennung durch große Grauwertänderungen zu finden, werden zunächst alle Pixel in einem Startfeld 45 an den Bildrändern ausgewählt, deren Grauwerte über einem Schwellwert liegen, wie dies in 9 dargestellt ist. Von diesen Startfeldern 45 ausgehend werden nebeneinanderliegende langestreckte Auswertefelder 46, die beispielsweise acht Pixel breit sein können, schrittweise, beispielsweise mit einer Schrittweite von acht Pixeln, zur Bildmitte hin vergrößert. Nach jeder Verlängerung wird ein neuer Minimalwert MIN2 innerhalb des Auswertefeldes ermittelt und vom alten Minimalwert MIN1 subtrahiert. Sobald diese Differenz einen bestimmten positiven Schwellwert überschreitet, wird das Auswertefeld 46 noch um einen Sicherheitsbetrag 47 verlängert und alle Pixel des Auswertefeldes 46 werden als Blende markiert.
Sollte vorher eine Differenz mit einem negativen, betragsmäßig über dem Rauschen liegenden Wert, auftreten, so kann mit hoher Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, daß sich hier keine Einblendung, sondern ein relevantes Objekt befindet. In diesem Fall werden alle Pixel in diesem Auswertefenster 46 nicht als Blende markiert.
Die praktische Ausführung an medizinischen Bildern bringt meist etwas abweichende Ergebnisse als die idealisierte Darstellung in 9. 11 zeigt das Ergebnis der Konturerkennung an einem in 10 dargestellten realen Beispiel, an einem Originalbild 30 mit Einblendungen 48. Deutlich ist zu erkennen, daß auch Kanten im medizinischen Objekt 49 zur Erzeugung von Blendenkonturen (oben und unten) führen können.
Um eine möglichst originalgetreue Nachbildung der Einblendung zu erhalten, wird im Folgenden die gefundene Blendenkontur wie eine eindimensionale Funktion behandelt. Wie in 12 dargestellt erhält man für jeden der vier Bildränder eine Funktion, auf die folgenden Verarbeitungsschritte getrennt angewendet werden. Die Kurvenverläufe neben der detektierten Blendenkontur geben als Funktionen den Abstand der gefundenen Kontur zum Bildrand an.
Bei den Fehlerkennungen der Blendenkontur handelt es sich größtenteils um einzelne, isolierte Werte, sogenannte Ausreißer, und deshalb wird zur ersten Glättung der Blendenkontur das aus der Literatur bekannte Medianfilter verwendet. Hierbei handelt es sich um ein nichtlineares Filter, das besonders einzelne, sprunghafte Änderungen beseitigt, ohne die restliche Struktur zu verändern. Dies ist den 12 und 13 zu entnehmen, bei denen die Blendenkontur ohne (13) und mit Medianfilterung dargestellt ist (14).
Falls die Blende nicht gedreht sein sollte wie bei dem in 10 dargestellten Beispiel (in 9 ist sie gedreht), führt eine Histogrammanalyse der mediangefilterten Blendenkontur, die aus den Endpunkten der Auswertefelder in x-oder y-Koordinaten beschrieben gebildet werden, zur idealen Glättung der Blendenkontur. Ein derartiges Beispiel einer einfachen Blendenkontur 50 ist in der 15 dargestellt. In diesem Fall überschreitet das Maximum des in 16 dargestellten Histogramms 51 einen bestimmten Schwellwert 52, und es läßt sich daraus eine parallele Ausrichtung der Blendenkante zum Bildrand ableiten, deren Abstand vom Bildrand gleich dem Wert im Histogramm entspricht, an dem das Maximum auftritt. Im Beispiel von 16 liegt das Maximum bei drei, wie auch unschwer aus der 15 direkt abzuleiten ist.
Ein weiteres, genaueres Beispiel ist anhand der 17 erläutert. Von einem Röntgenbild 53 wird ein Teil durch eine Blende 54 überdeckt. Von dem linken Rand der Blende 54 wird die Blendenkontur ermittelt, so daß sich für die linke Blendenkontur die Kurve 55 ergibt. Das Histogramm 56 der linken Blendenkontur hat sein Maximum bei dem Wert 64. Da bei nichtgedrehten Blenden 54 im Histogramm 56 der Kontur ein signifikantes Maximum an der Stelle auftritt, die dem Abstand der Kontur vom Bildrand entspricht, beträgt dieser den Wert 64.
Bleibt das Maximum des Histogramms 56 unterhalb des Schwellwertes, so muß von einer gedrehten Blende ausgegangen werden.
Da die reale Blendenkontur immer geradlinig ist, kann als weiteres Kriterium für die gefundene Blendenkontur die 2. Ableitung verwendet werden. Es werden also nur die Stellen der gefundenen Blendenkontur akzeptiert, in deren näheren Umgebung die 2. Ableitung gleich Null ist, d.h., daß die Funktion keine Krümmung aufweist. Die Stellen, an denen die 2. Ableitung ungleich Null ist, dies kann aufgrund einer Krümmung oder einer Fehldetektion sein, wird die Funktion linear zwischen den Stellen mit einer 2. Ableitung gleich Null interpoliert, wie dies die 18 zeigt, in der die mediangefilterte Blendenkontur 57 wiedergegeben ist. An den markierten Punkten 58 ist die 2. Ableitung der mediangefilterten Blendenkontur 57 ungleich Null.
Wie in 9 dargestellt ist, existiert bei gedrehter Blende eine Stelle 59, an der trotz korrekter Detektion die 2. Ableitung ungleich Null ist, während an den anderen Konturen 60 die 2. Ableitung gleich Null ist. Die durch den Algorithmus hervorgerufene, an dieser Stelle falsche Interpolation verfälscht aber das Endergebnis nur vernachlässigbar gering. Dagegen werden Fehldetektionen, bei denen die 2. Ableitung ungleich Null ist und die zu erheblichen Verfälschungen im Endergebnis führen würden, nahezu ideal durch in 18 dargestellte Interpolationen 59 korrigiert.
Wie aus den 9 und 11 zu ersehen ist, handelt es sich nur dann um eine wirkliche Blendenkontur, wenn höchstens 2 Richtungswechsel vorhanden sind. Dies wird durch eine Summierung der Vorzeichenwechsel der 1. Ableitung der mediangefilterten Blendenkontur überprüft. Ist die Summe klein, d.h. sie liegt zwischen 2 bis 5, wird die mediangefilterte Blendenkontur verwendet. Bei einer größeren Summe wird von Fehlerkennungen ausgegangen, und es wird keine Blende berücksichtigt.
Somit setzt sich die Erkennung der Einblendung durch folgende Operationen zusammen, wobei außer der ersten auch eine oder mehrere weggelassen werden können:

– Blendenkontursuche, jeweils getrennt von links, rechts, oben und unten
– Glättung der Blendenkontur durch Medianfilterung
– Histogrammanalyse der Blendenkontur
– Filterung mit 2. Ableitung
– Summierung der Vorzeichenwechsel der 1. Ableitung der Blendenkontur

Dieses erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch durch das in 19 dargestellte Flußdiagramm zur Blendenkonturerkennung beschreiben. Es weist folgende Schritte auf:

i. Grobe Konturermittlung durch Suchen nach extremen Grauwertänderungen im medizinischen Bild,
ii. Median-Filterung der groben Kontur,
iii. Bildung des Histogrammes der Median-gefilterten Kontur und Ermittlung des Maximums HMAX,
iv. Ermittlung, ob HMAX größer als ein Schwellwert ist und Bestimmung von HMAX als Abstand der zum Rande des medizinischen Bildes parallelen Kontur,
v. Filterung mit zweiter Ableitung, wenn HMAX kleiner als der Schwellwert ist,
vi. Summierung der Vorzeichenwechsel der ersten Ableitung,
vii. Vergleich der Summe mit einem zweiten Schwellwert, wobei im Falle, daß die Summe kleiner als der Schwellwert ist, die gefilterte Kontur den Verlauf der gedrehten Blende angibt.

Claims

Verfahren zur gefensterten Darstellung von medizinischen Bildern mittels einer Wiedergabevorrichtung (9), bei dem die erzeugten Bildsignale der Bilder, deren relevanter Bildbereich außerhalb der durch eine geradlinige Blende erfolgten Einblendungen liegt, einer Transformation von Grauwerten unterzogen werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) grobe Detektion von Bildbereichen mit Einblendungen zur Ermittelung der relevanten Bildbereichen, durch i. Bildung mehrerer nebeneinanderliegender Auswertefelder (45) zur Erkennung der Einblendungen von einem Startpunkt an wenigstens einem Bildrand, ii. Ermittelung eines Minimalwertes (MIN1) innerhalb des Auswertefeldes (45), iii. schrittweise Vergrößerung der Auswertefelder (46) zur Bildmitte, iv. Ermittelung eines neuen Minimalwertes (MIN2) innerhalb des Auswertefeldes (46), v. Subtraktion des neuen Minimalwertes (MIN2) vom vorhergehenden Minimalwert (MIN1), vi. Vergleich der Differenz mit einem bestimmten posi- tiven Schwellwert, vii. liegt die Differenz der Minimalwerte unterhalb des Schwellwertes, Wiederholung ab Schritt iii., viii. Markierung der Auswertefelder (46) als Blende, b) Korrektur der Bildbereiche mit Einblendungen zur Ermittelung der relevanten Bildbereiche, durch i. Median-Filterung der wie eine eindimensionale Funktion behandelten groben Kontur, ii. Bildung des Histogrammes der Median-gefilterten Kontur und Ermittlung des Maximums HMAX, iii. Ermittlung, ob HMAX größer als ein Schwellwert ist und wenn ja Bestimmung von HMAX als Abstand der zum Rande des medizinischen Bildes parallelen Kontur, iv. Filterung mit zweiter Ableitung, wenn HMAX kleiner als der Schwellwert ist, v. Summierung der Vorzeichenwechsel der ersten Ableitung, vi. Vergleich der Summe mit einem zweiten Schwellwert, wobei im Falle, daß die Summe kleiner als der Schwellwert ist, die gefilterte Kontur den Verlauf der gedrehten Blende angibt, c) Extraktion der außerhalb der detektierten Kontur liegenden Bereiche als relevante Bildbereiche, d) Ermittelung der Minimal- und/oder Maximalwerte in den relevanten Bildbereichen, e) Festsetzung der Minimal- und/oder Maximalwerte als die Fenstergrenze(n) des wiederzugebenden Grauwertbereiches und f) Wiedergabe der Bilder nach Transformation der Grauwerte des Bildsignales.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nebeneinanderliegenden Auswertefelder (45) an den Stellen am Bildrand gebildet werden, an denen die Grauwerte über einem Schwellwert liegen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nebeneinanderliegenden Auswertefelder (45, 46) eine Breite von acht Pixeln aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schrittweise Vergrößerung der Auswertefelder (45, 46) zur Bildmitte mit einer Schrittweite von acht Pixeln erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt a) viii. noch Verlängerungen der Auswertefenster (46) um einen Sicherheitsbetrag umfaßt, die ebenfalls als Blende markiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Detektion einer Differenz mit einem negativen, betragsmäßig über dem Rauschen liegenden Schwellwert die Pixel in diesem Auswertefenster (46) nicht als Blende markiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der Auswertefelder (45, 46) als Funktion der Blendenkontur (50) durch Medianfilterung gefiltert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Unstetigkeit der Funktion der mediangefilterten Blendenkontur (50) mit einer 2. Ableitung von ungleich Null die Unstetigkeit durch einen aus zwei benachbarten Werten linear interpolierten Wert ersetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte: i. Unterteilung des Bildes in schachbrettartig angeordnete Rasterelemente (37), ii. Ermittelung der Mittelwerte (M) und Standardabweichungen (σ) aller Rasterelemente (37), iii. Vergleich aller Mittelwerte (M) und Standardabweichungen (σ) mit je einem Schwellwert, iv. Aussortierung aller Pixel, die in Rasterelementen (40) liegen, deren Mittelwerte (M) und deren Standardabweichungen (σ) die Schwellwerte unterschreiten.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß neben den aussortierten Ras terelementen (40) die benachbarten Rasterelemente (43) aussortiert werden.