DE19838264C2 - Bildverarbeitendes medizinisches Gerät - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein bildverarbeitendes medi­ zinisches Gerät mit einem Eingangsport zum Empfang einer Folge von zeitlich und/oder örtlich aufeinander folgenden Eingangs- Bilddatensätzen, wobei jeder Eingangs-Bilddatensatz aus einer zwei-dimensionalen Anordnung von Eingangs-Bildpunkten besteht, einer Bildverarbeitungsvorrichtung, in der die Folge von Ein­ gangs-Bilddatensätzen verarbeitet wird, um wenigstens ein in den Eingangs-Bilddatensätzen abgebildetes Objekt gegenüber den sonstigen Bilddaten abzugrenzen und in wenigstens einen Aus­ gangs-Bilddatensatz aus Ausgangs-Bildpunkten abzubilden, und einem Ausgangsport zur Ausgabe des wenigstens einen Ausgangs- Bilddatensatzes.

Derartige bildverarbeitende medizinische Geräte sind allgemein bekannt, beispielsweise auf dem Gebiet der Kernspin- Tomographie. Hierbei werden mittels einer vorliegend nicht nä­ her interessierenden Technik Schnittbilder durch lebende Körper erzeugt, wobei die Schnittebenen der Einzelbilder vorzugsweise relativ dicht aufeinander folgend parallel zueinander ausge­ richtet sind. Diese Schnittbilder werden in der Regel zeitlich hintereinander aufgenommen und als Folge von zeitlich und ört­ lich aufeinanderfolgenden Eingangs-Bilddatensätzen in das bild­ verarbeitende medizinische Gerät eingegeben. Die Eingangs- Bilddatensätze sind somit örtlich aufeinander folgend, da sie eine Reihe von benachbarten Schnittbildern darstellen. Sie sind ferner zeitlich aufeinander folgend, da sie in der Regel nach­ einander in die Bildverarbeitungsvorrichtung eingegeben werden.

Die Schnittbilder sind jeweils Bilddatensätze aus einer zwei­ dimensionalen Anordnung von Eingangs-Bildpunkten. Abgebildet sind bei einem Schnitt durch einen menschlichen Kopf beispiels­ weise Schädelbereiche, Gehirnbereiche und möglicherweise Tumor­ bereiche. Diese Bereiche unterscheiden sich in aller Regel durch unterschiedliche Grauwerte.

Um somit beispielsweise die Größe und Lage eines Tumors festzu­ stellen, wird bei dem bildverarbeitenden medizinischen Gerät des Standes der Technik jeder Eingangs-Bilddatensatz, entspre­ chend einem Schnittbild, auf die Grauwerte hin analysiert. Die Analyse beinhaltet meist die Anwendung einer Schwellenwertbe­ rechnung, so daß beispielsweise hellere, nicht interessierende Bereich ausgeblendet werden können. Nachdem das interessierende Objekt, z. B. die Lage und Größe eines Tumorschnittes in diesem Schnittbild, analysiert worden ist, wird der gleiche Vorgang für alle weiteren Schnittbilder wiederholt. Aus der Summe der Analysen wird anschließend über die vorgegebenen Abstände zwi­ schen den einzelnen Schnittbildern quer zur Schnittebene die Größe und Lage des Tumors bestimmt.

Problematisch hierbei ist, daß die Grauwerte von interessieren­ den Bereichen sich häufig nicht sehr stark von nicht interes­ sierenden Bereichen unterscheiden oder sogar ineinander überge­ hen. Insofern ist eine genaue Abgrenzung bzw. "Segmentierung" häufig nicht möglich oder fehlerhaft. Dies kann zu erheblichen Komplikationen führen, beispielsweise wenn aufgrund einer Dia­ gnose mittels des bildverarbeitenden medizinischen Gerätes eine Operation durchgeführt wird und sich dann herausstellt, daß die Diagnose fehlerhaft war.

Ähnliche Probleme bestehen bei der sogenannten Computertomogra­ phie, die im Unterschied zu der Kernspintomographie auf Rönt­ genstrahlen basiert.

Bei einer anderen Klasse von medizinischen bildgebenden Geräten wird generell ein bildgebender Sensor von Hand bewegt. Der Sen­ sor kann beispielsweise ein Endoskop sein, das an seinem vorde­ ren Ende mit einem CCD-Sensor versehen ist, oder ein Ultra­ schallkopf. Die mittels derartiger bildgebender medizinischer Sensoren erfaßten Bilder werden häufig "on-line" von einem Arzt ausgewertet. Anwendungsbeispiele sind minimal-invasive chirur­ gische Eingriffe oder Schwangerschaftsuntersuchungen. Auch hierbei besteht häufig das Problem, daß es auf der Grundlage der von diesen Sensoren erhaltenen Bilder für den Arzt schwie­ rig ist, zwischen Bildbereichen, die beispielsweise ein be­ stimmtes Organ oder den Fötus betreffen, und Hintergrund- Bildbereichen zu unterscheiden.

Sofern die von derartigen bildgebenden medizinischen Sensoren erhaltenen zeitlichen Bildfolgen überhaupt einer Bildverarbei­ tung vor ihrer Anzeige unterworfen werden, basiert diese wie­ derum allenfalls auf der reinen Grauwertanalyse.

Mit anderen Worten wurde bisher in der Regel mit Einheitlich­ keitskriterien segmentiert, die auf statischen zweidimen­ sionalen Grauwertverteilungen beruhen. Segmentierung bedeutet im vorliegenden Falle die Einteilung von Flächen- oder Volumen­ daten einer diskreten Grauwertfunktion in disjunkte, in sich geschlossenen Regionen nach einem festgelegten Einheitlich­ keitskriterium. Als Einheitlichkeitskriterien sind neben dem Schwellenwertkriterium das sogenannte Region-Growing-Verfahren, das Split-and-Merge-Verfahren, das Maskieren und die Dissektion bekannt.

Bei all diesen Verfahren werden Veränderungen zwischen aufein­ ander folgenden Bildern, seien sie durch Bewegung von Objekten oder durch Bewegung des Sensors hervorgerufen, als Störquellen verstanden, die durch geeignete Verfahren wie Mittelwertbildung möglichst zu eliminieren sind.

Verwiesen wird hierzu allgemein auf die Veröffentlichungen "Tissue Segmentation in MR 3D Datasets" von H. A. König und H.- M. Ehricke in P. Russo und H. Dickhaus, Editoren, Medical Informatics and Bioenginering, Seiten 240-251, Heidelberg 1988, und "Regelbasierte Segmentierung von 3D Datensätzen der Kernspinto­ mographie" von R. Auer und H.-M. Ehricke in R. E. Grosskopf, Editor, Mustererkennung 1990, Seiten 484-492, Berlin, Heidel­ berg, New York, 1990, Springer.)

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht somit darin, ein bildverarbeitendes medizinisches Gerät anzugeben, mit des­ sen Hilfe sich in einer Folge von Eingangs-Bilddatensätzen ab­ gebildete Objekte leichter, sicherer und genauer abgrenzen las­ sen.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten bildverarbeiten­ den medizinischen Gerät dadurch gelöst, daß die Bilddatenverar­ beitungsvorrichtung eine zwei-dimensionale Anordnung aus ele­ mentaren Bewegungsdetektoren vom Korrelationstyp aufweist.

Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Einheitlichkeitskriteri­ en ist es mittels einer zwei-dimensionalen Anordnung aus ele­ mentaren Bewegungsdetektoren vom Korrelationstyp möglich, in den Bilddaten in der Folge von Bilddatensätzen abgebildete Ob­ jekte auf der Grundlage von Bewegungsinformation zu segmentie­ ren. Diese Art der Segmentierung ist weitaus störungsunanfälli­ ger als die bisher verwendeten Kriterien.

Denn die bislang verwendeten Einheitlichkeitskriterien, die oben erwähnt wurden, identifizieren verrauschte Bilddaten nur unzuverlässig und vernachlässigen insbesondere die Tatsache, daß Bildverschiebungen in der Regel nicht als bloße Störung zu betrachten sind, sondern wesentliche Informationen über Objekt­ grenzen tragen. Zusammenhängende Regionen (z. B. Organe) werden daher oft unvollständig als solche erkannt oder mit angrenzen­ den Regionen (anderen Organen) verschmolzen.

Bisherige Versuche, dynamische Eigenschaften mitzuberücksichti­ gen, richteten sich im wesentlichen auf differenzielle Bildver­ arbeitung, wobei die Grauwerte eines bestimmten Eingangs- Bildpunktes in der Folge von Eingangs-Bilddatensätzen voneinan­ der abgezogen werden.

Verwiesen wird in diesem Zusammenhang beispielsweise auf die Veröffentlichung "Dense Non-Rigid Motion Estimation in Sequen­ ces of Medical Images Using Differential Constraints" von S. Benayoun und N. Ayache in International Journal of Computer Vi­ sion 26: Seiten 25-40 (1998).

Im Gegensatz zu diesen differenziellen Ansätzen ist es mit ele­ mentaren Bewegungsdetektoren vom Korrelationstyp möglich, rich­ tungsspezifische Informationen in die Bildverarbeitung mitein­ zubeziehen. Mit andern Worten wird die Relativbewegung bei der Segmentierung von Objekten, vor ihrem Hintergrund systematisch ausgenutzt. Die Bilddatenverarbeitungsvorrichtung kann alle un­ terschiedlichen Bewegungsrichtungen erfassen und mit ihren x-, y-Komponenten in einem orthogonalen Koordinatensystem abbilden.

Insgesamt werden Segmentierungsprozesse in Zeitreihen einfacher und zuverlässiger, Objektgrenzen sind leichter zu visualisie­ ren. Die von elementaren Bewegungsdetektoren vom Korrelation­ styp durchgeführten Algorithmen sind einfach, effizient und schnell, der Rechenaufwand ist im Vergleich zu der gewonnenen Information gering. Das bei dem erfindungsgemäßen medizinischen Gerät verwendete Verfahren zur Objektdetektion (z. B. Organer­ kennung) ist aufgrund der Einbeziehung der Bewegungsinformation sehr unanfällig gegen Rauschen, das gerade in medizinischen Da­ ten nur schwer zu unterdrücken oder zu reduzieren ist.

Der Begriff des elementaren Bewegungsdetektors vom Korrelation­ styp ist aus der Biologie zur Simulation von neurologischen Ab­ läufen seit langem bekannt (z. B. Reichardt W. (1961) Sensory Communication (Rosenblith W. A., ed.) Seiten 303-317, MIT Press.) Eine etwas aktuellere Übersicht über den Forschungs­ stand auf dem Gebiet der Bewegungswahrnehmung, wie sie von Tie­ ren durchgeführt wird, findet sich in "Principles of Visual Mo­ tion Detection" von Alexander Borst und M. Egelhaaf in TINS, Band 12, Nr. 8, 1989, Seiten 297-306.

In dieser letztgenannten Druckschrift ist auch beschrieben, daß elementare Bewegungsdetektoren vom Korrelationstyp generell drei Grundanforderungen erfüllen müssen. Zum einen müssen diese Bewegungsdetektoren zwei Eingänge besitzen; dann müssen sie ei­ ne nicht-lineare Interaktion zwischen den Eingangssignalen durchführen; ferner müssen die zwei Eingangssignale eines ele­ mentaren Bewegungsdetektors durch zeitliche Filterung asymme­ trisch verarbeitet werden.

Aus der Veröffentlichung "A Glimpse into Crabworld" von Jochen Zeil und Johannes M. Zanker (einem der vorliegenden Erfinder) in Vision Res. Band 37, Nr. 23, Seiten 3417-3426, 1997 wird ein Bewegungsdetektor-Netzwerk beschrieben, das aus sogenannten or­ thogonalen Paaren von elementaren Bewegungsdetektoren zusammen­ gesetzt ist. Bei diesem Aufsatz geht es um eine wissenschaftli­ che Arbeit, bei der Aufnahmen aus der Perspektive von einer be­ stimmten Spezies von Krabben aufgenommen wurden und diese Bild­ sequenzen anschließend mittels eines zwei-dimensionalen Netz­ werkes aus Bewegungsdetektoren analysiert wurden. Hierdurch sollte ermittelt werden, wie solche Krabben ihre Umwelt wahr­ nehmen.

Die letztgenannten Veröffentlichungen betreffen somit aus­ schließlich das sehr spezielle Gebiet der Forschung auf dem Ge­ biet der visuellen Systeme von Tieren, insbesondere niederen Tierarten wie Krabben, Fliegen, etc. Auch auf dem Gebiet der Psychophysik des Menschen sind bereits Arrays aus Bewegungsde­ tektoren nach dem Korrelationsprinzip zur Erklärung der Sehlei­ stung des Menschen eingesetzt worden (Zanker, J. M.: Of models and men: Mechanisms of human motion perception, early vision and beyond, editor T. Papathomas et al., MIT Press, Boston 1995, Seiten 156-165).

Es hat sich jedoch überraschenderweise gezeigt, daß ein zwei­ dimensionale Anordnung von elementaren Bewegungsdetektoren vom Korrelationstyp besonders vorteilhaft einsetzbar ist als Bild­ verarbeitungsvorrichtung eines bildverarbeitenden medizinischen Gerätes. Denn gerade auf dem Gebiet der Medizin werden häufig Bilder erhalten, die in starkem Maße verrauscht sind. Überra­ schenderweise hat sich gezeigt, daß die Anordnung aus elementa­ ren Bewegungs-Detektoren vom Korrelationstyp besonders geeignet ist, derartiges Rauschen herauszufiltern.

Somit lassen sich Objekte besser erkennen.

In diesem Zusammenhang muß zum Verständnis der vorliegenden Er­ findung noch folgendes erwähnt werden. Die Auswertung von bewe­ gungsspezifischer Information, wie sie durch die elementaren Bewegungsdetektoren vom Korrelationstyp durchgeführt wird, ent­ spricht vermutlich, z. B. in der Anwendung bei Ultraschall- Diagnosen, der vom Gehirn des die Ultraschall-Bilder "on-line" auswertenden Arztes durchgeführten Tätigkeit. In diesem Zusam­ manhang halte man sich vor Augen, daß ein Ultraschallbild als Standbild häufig nur sehr wenig aussagekräftig ist, wohingegen beim Betrachten der Bilder "on-line" sich nicht nur subjektiv sondern objektiv eine größere Information dadurch ergibt, daß der Arzt den Ultraschall-Sensorkopf leicht bewegt. Gleicherma­ ßen ergibt sich eine höhere Aussagekraft, wenn das untersuchte Objekt, also z. B. ein Embryo oder ein Organ, sich selbst be­ wegt.

Die vorliegende Erfindung kann somit dazu ausgenutzt werden, diese Art von intellektueller Bildverarbeitung durch den Arzt zu unterstützen oder aber auch vollkommen zu ersetzen. Denn es ist beispielsweise denkbar, einen bildgebenden medizinischen Sensor in Bezug auf ein interessierendes Objekt (Organ) mecha­ nisch zu bewegen, um dann mittels des erfindungsgemäßen bild­ verarbeitenden medizinischen Gerätes eine genaue Aussage über das Objekt treffen zu können.

Es versteht sich, daß die durch das bildverarbeitende medizini­ sche Gerät der vorliegenden Erfindung erhaltenen Ausgangs- Bilddatensätze modifiziert werden können, insbesondere durch Kontrastierung, durch Markierung, durch Einzeichnen von Umriß­ linien, etc. Allerdings ist es auch denkbar, aus einer Folge von Ausgangs-Bilddatensätzen planimetrische und/oder volumetri­ sche Daten abzuleiten oder 3D-Darstellungen zu erzeugen. Es versteht sich auch, daß die entsprechenden Daten "on-line" mit in die einzelnen Ausgangs-Bilddatensätze eingeblendet werden können.

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird auf diese Wei­ se vollkommen gelöst.

Vorzugsweise weist jeder elementare Bewegungsdetektor wenig­ stens zwei Eingänge auf, die mit wenigstens zwei vorzugsweise benachbarten Eingangs-Bildpunkten der Bilddatensätze gekoppelt sind, sowie wenigstens einen Ausgang, der mit wenigstens einem Ausgangs-Bildpunkt gekoppelt ist.

Auf diese Weise ist es möglich, durch die raumzeitliche Korre­ lation zwischen zwei Bildpunkten innerhalb jedes Bilddatensat­ zes die richtungsspezifische Information zu extrahieren. In diesem Zusammenhang denke man daran, daß ein einzelner Lichtde­ tektor nicht erkennen kann, aus welcher Richtung beispielsweise ein den Sensor abdunkelnder Gegenstand kommt. Bei einer Anord­ nung von zwei Sensoren kann aufgrund der zeitlichen Information die Aussage getroffen werden, ob ein solcher Gegenstand von der einen oder von der anderen Seite kommt, gesehen in Richtung der Verbindung der zwei Elemente.

Durch das Koppeln der Ausgänge der elementaren Bewegungsdetek­ toren mit jeweils einem Ausgangs-Bildpunkt kann eine Folge von Ausgangs-Bilddatensätzen erhalten werden, die direkt "on-line" betrachtet werden kann. Durch die Bildverarbeitung ist es dabei leichter, die relevanten Objekte zu erkennen. Andererseits ist es aber genauso möglich, daß die Eingangs-Bilddatensätze mit­ tels des erfindungsgemäßen bildverarbeitenden medizinischen Ge­ rätes "off-line" verarbeitet werden, beispielsweise zu Speiche­ rungszwecken. Hierbei ist es dann insbesondere möglich, statt der weitgehend nicht-aussagekräftigen Standbilder aus der er­ findungsgemäß erzeugten Ausgangs-Bilddatensatzfolge ein segmen­ tiertes 2D-Bild oder ein aussagekräftiges 3D-Bild zu erzeugen. Dieses kann mit dem gleichen Speicheraufwand abgespeichert wer­ den wie bisherige Bilder. Zusätzlich können gegebenenfalls aus den ermittelten Objekt-Daten planimetrische und/oder volumetri­ sche Daten berechnet und gleichzeitig mit abgespeichert werden.

Weiterhin ist es von besonderem Vorzug, wenn die zwei­ dimensionale Anordnung von elementaren Bewegungsdetektoren in Form eines Hardware-Arrays implementiert ist.

Natürlich ist es auch möglich, das erfindungsgemäße bildverar­ beitende medizinische Gerät durch Software zu implementieren. Die Hardwarelösung ist jedoch besonders effizient und schnell, was insbesondere bei der "on-line" Erkennung im medizinischen Bereich von Bedeutung ist. Denn bekanntermaßen ist die medizi­ nische Diagnostik in vielen Bereichen besonders zeitkritisch, beispielsweise während Operationen.

Falls der medizinische bildgebende Sensor nicht ebenfalls nach der Art eines Arrays organisiert ist, also die Sensordaten bei­ spielsweise in Form eines seriellen Datenstromes oder als Bit­ map-Bild zur Verfügung stellt, können diese Ausgangsdaten des Sensors beispielsweise zunächst Pixel für Pixel als Analogwert in ein Array aus analogen Speicherzellen abgelegt werden. Da­ nach können diese dann in Form eines Arrays organisierten Daten mit dem Hardware-Array aus elementaren Bewegungsdetektoren wei­ ter verarbeitet werden.

Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn der Hardware-Array aus den elementaren Bewegungsdetektoren direkt hinter einem CCD- Sensorarray aus CCD-Pixeln angeordnet ist.

Durch diese Maßnahme wird eine eigene Gattung von bildgebendem und gleichzeitig bildverarbeitendem medizinischem Gerät ge­ schaffen, das einerseits in an sich bekannter Weise Bilder mit­ tels eines CCD-Arrays aufnimmt und diese dann sofort der Bild­ verarbeitung durch die zwei-dimensionale Anordnung aus elemen­ taren Bewegungsdetektoren vom Korrelationstyp unterwirft. Der Ausgang eines solchen neuartigen Gerätes erlaubt bei einfach­ ster Handhabung besonders schnelle Diagnosen.

Vorzugsweise sind dabei der Hardware-Array aus den elementaren Bewegungsdetektoren und der CCD-Sensorarray aus den CCD-Pixeln auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet.

Die Anordnung auf einem Substrat ermöglicht die Herstellung ei­ nes solchen neuartigen medizinischen Gerätes in Form eines ein­ zelnen Microchips, der in beliebigen Anwendungen, insbesondere jedoch der Endoskoptechnik, aber auch bei der Objekterfassung und -archivierung eine bedeutende Rolle spielen kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Fol­ ge von Ausgangs-Bilddatensätzen aus der zwei-dimensionalen An­ ordnung aus elementaren Bewegungsdetektoren in eine zweite zwei-dimensionale Anordnung aus elementaren Bewegungsdetektoren vom Korrelationstyp eingegeben und dort verarbeitet, wobei die zweite zwei-dimensionale Anordnung aus den genannten Gründen vorzugsweise ebenfalls auf dem gemeinsamen Substrat angeordnet ist.

Mit einem solchen bildverarbeitenden medizinischen Gerät kann eine richtungsspezifische Analyse von bereits richtungsspezifi­ zierter Information erfolgen. Man könnte auch sagen, daß sich eine sehr effektive Kontrastverschärfung für bewegte Objekte ergibt. In diesem Zusammenhang wird verwiesen auf den Aufsatz "Theta-motion: A paradoxical stimulus to explore higher order motion extraction" von J. M. Zanker in Vision Res., Vol. 33, No. 4, 1993, Seiten 553-569.

Das erfindungsgemäße bildverarbeitende medizinische Gerät wird insbesondere als Teil einer medizinischen Bildverarbeitungsan­ lage mit einem bildgebenden Sensor und einem bilddarstellenden Gerät implementiert.

Das erfindungsgemäße bildverarbeitende medizinische Gerät läßt sich mit jeder Art von bildgebendem medizinischen Sensor kombi­ nieren, insbesondere mit den bereits erwähnten Kernspin- und Computertomographen, mit Röntgengeräten, Ultraschallgeräten, CCD-Sensoren. Auch die Gebiete, auf denen das bildverarbeitende medizinische Gerät einsetzbar ist, sind in keiner Weise einge­ schränkt. Beispielhaft seien genannt die Chirurgie, die Anato­ mie, die Radiologie, die Angiographie, als Operations-Trainer an anatomischen Daten.

Ferner versteht sich, daß die mittels des erfindungsgemäßen me­ dizinischen Gerätes erhaltenen Ausgangs-Bilddatensätze auf üb­ liche Weise bearbeitet werden können, insbesondere durch Mar­ kieren, Kontrastieren, Hervorheben, Einzeichnen von Umrißlini­ en, etc.

Es versteht sich auch, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in an­ derer Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, oh­ ne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung einer medizinischen Bildverarbei­ tungsanlage mit einer Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen bildverarbeitenden medizinischen Gerä­ tes in äußerst schematischer Darstellung;

Fig. 2 einen Draufsicht auf einen Eingangs-Bilddatensatz mit eingezeichneter Umriß-Linie;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines elementaren Be­ wegungsdetektors vom Korrelationstyp;

Fig. 4 einen Ausschnitt einer Ausführungsform der Bild­ datenverarbeitungsvorrichtung in perspektivischer, schematischer Form; und

Fig. 5 eine perspektivische schematische Darstellung eines Chips mit einem CCD-Array und einem Bewegungsdetek­ tor-Array in hintereinandergeschalteter Form.

In Fig. 1 ist ein bildverarbeitendes medizinisches Gerät in äu­ ßerst schematischer Form bei 10 dargestellt.

Das bildverarbeitende medizinische Gerät (im folgenden einfach nur "Gerät" genannt) 10 weist einen Eingangsport 12 auf, an den eine Eingangsbilddatenleitung 14 angeschlossen ist. Das Gerät 10 weist ferner einen Ausgangsport 16 auf, an den eine Aus­ gangsbilddatenleitung 18 angeschlossen ist.

Eine Bildverarbeitungsvorrichtung 20 des Gerätes 10 ist zwi­ schen dem Eingangsport 12 und dem Ausgangsport 16 angeschlos­ sen. Die Eingangsbilddatenleitung 14 ist in der Art eines Bus­ ses dargestellt, um zu zeigen, daß das Gerät 10 mit verschiede­ nen bildgebenden medizinischen Sensoren zusammen verwendbar ist.

In einem oberen Teil der Fig. 1 ist gezeigt, daß an die Ein­ gangsbilddatenleitung 14 eine Bilddatenleitung 22 angeschlossen ist, die mit einer herkömmlichen CCD-Kamera 24 verbunden ist.

Die CCD-Kamera 24 weist ein Blickfeld 26 auf, in dem in der Darstellung der Fig. 1 ein Objekt 28 (z. B. ein Organ eines Men­ schen) enthalten ist. Die Form, wie sich das Objekt 28 zu einem Zeitpunkt t_x darstellt, ist in Fig. 1 in durchgezogener Form zu sehen. Die Art und Weise, wie das Objekt 28 zu einem Zeitpunkt t_x-1 zu sehen war, ist in Fig. 1 gestrichelt dargestellt.

Schematisch ist ferner gezeigt, daß der Ausgang der CCD-Kamera 24 eine zeitlich aufeinanderfolgende Reihe oder Folge von Bild­ datensätzen 30 ist. In Fig. 1 sind insbesondere Bilddatensätze 30 (t₁), 30 (t₂) und 30 (t₃) gezeigt, die Aufnahmen mittels der CCD-Kamera zu Zeitpunkten t₁, t₂ bzw. t₃ sind.

Am Eingangsport 12 des Gerätes 10 stehen somit diese zeitlich aufeinander folgenden Eingangs-Bilddatensätze 30 an.

Bei 34 ist ferner in äußerst schematischer Form ein Kernspin- Tomograph gezeigt, der mittels einer Bilddatenleitung 32 mit der Eingangsbilddatenleitung 14 verbindbar ist.

In dem Kernspin-Tomographen 34 werden von einer Person 36 räum­ lich hintereinander liegende Schichtaufnahmen gemacht, die in Fig. 1 schematisch dargestellt sind durch 30 (x₁), 30 (x₂) bzw. 30 (x₃). Diese räumlich aufeinander folgenden Bilddatensätze werden üblicherweise zeitlich aufeinander folgend an den Ein­ gangsport 12 des Gerätes 10 übermittelt.

Die Folge von Eingangs-Bilddatensätzen 30 wird mittels der Bildverarbeitungsvorrichtung 20 in dem Gerät verarbeitet, um wenigstens ein in den Eingangs-Bilddatensätzen abgebildetes Ob­ jekt gegenüber den sonstigen Bilddaten (wie z. B. Rauschen oder andere Organe) abzugrenzen und in wenigstens einen Ausgangs- Bilddatensatz 37 abzubilden. Eine solche Folge von Ausgangs- Bilddatensätzen 37 ist in Fig. 1 ebenfalls in schematischer Form gezeigt, wobei durch die Indizes angezeigt wird, daß die einzelnen Ausgang-Bilddatensätze 37 Zeitpunkten t_y, t_y-1, t_y-2 entsprechen. Es versteht sich, daß in der Bildverarbeitungsvor­ richtung 20 integriert oder zusätzlich hierzu in dem Gerät 10 oder auch hinter dem Gerät 10 Mittel vorgesehen werden können, um die bildverarbeiteten Bilddatensätze einer Nachverarbeitung zu unterziehen. Die Nachverarbeitung kann beispielsweise in ei­ ner Mittelwertbildung, in einer Kontrastverschärfung, in einem üblichen Segmentierungsalgorythmus bestehen. Zu nennen sind weiterhin Farbwertverschiebungen, Einblenden von Daten etc.

Die Folge von Ausgangs-Bilddatensätzen 37, die auf der Aus­ gangs-Bilddatenleitung 18 ausgegeben wird, kann auf verschiede­ nen bilddarstellenden Geräten dargestellt werden, beispielswei­ se auf einem Bildschirm, der schematisch bei 38 gezeigt ist, oder auf einem ebenfalls schematisch dargestellten Drucker 40.

Bei 39 ist gezeigt, daß auf der Ausgangs-Bilddatenleitung auch Daten anderer Art (z. B. planimetrische oder sogar volumetrische Daten) anliegen können, die getrennt oder kombiniert (eingeblendet) mit den Bilddaten dargestellt werden können. Bei 39 ist schematisch gezeigt, daß das aufgenommene Objekt 28 ein Volumen von 3 cm³ besitzt.

In Fig. 1 ist ferner schematisch dargestellt, daß jeder Aus­ gangs-Bilddatensatz 37 aus einer zwei-dimensionalen Anordnung von Ausgangs-Bildpunkten 41 besteht.

In Fig. 2 ist ein Beispiel eines Eingangs-Bilddatensatzes 30 gezeigt, der aus einer zwei-dimensionalen Anordnung von Ein­ gangs-Bildpunkten 42 besteht, wie es schematisch angedeutet ist.

Der Eingangs-Bilddatensatz 30 weist eine Darstellung des Objek­ tes 28 auf sowie stochastisches Hintergrundrauschen 44. Außer Hintergrundrauschen können neben dem Objekt 28 auch Darstellun­ gen vorliegen, die sich aus einer anderen Bewegungsrichtung oder Geschwindigkeit ergeben.

Mittels der Bildverarbeitungsvorrichtung des Gerätes 20 des Ge­ rätes 10 läßt sich die Bildinformation in dem Eingangs- Bilddatensatz segmentieren, in das Hintergrundrauschen 44 ei­ nerseits und das Objekt 28 andererseits. Diese Segmentierung kann visualisiert werden beispielsweise durch eine Umrißlinie 46, wie sie schematisch in Fig. 2 angedeutet ist.

Wie nachstehend noch erläutert werden wird, erfolgt die Segmen­ tierung nicht allein anhand eines einzelnen Eingangs- Bilddatensatzes 30, sondern anhand der in einer Folge von Ein­ gangs-Bilddatensätzen enthaltenen Bewegungsinformation.

Zum Verständnis der Funktionsweise der Bildverarbeitungsvor­ richtung 20 des Gerätes 10 ist in Fig. 3 in schematischer Form ein elementarer Bewegungsdetektor 50 vom Korrelationstyp ge­ zeigt (im folgenden einfach "Bewegungsdetektor" genannt). Der Bewegungsdetektor 50 weist zwei Eingänge 52 auf. Jeder Eingang 52 ist mit einem Zeitfilter 54 (z. B. Verzögerungsglied mit Ver­ zögerungszeit τ) verbunden. Der Ausgang eines jeden Zeitfilters 54 ist mit einem jeweiligen nichtlinearen Interaktionsglied 56 (z. B. Multiplikator) verbunden. Ein zweiter Eingang von jedem der nichtlinearen Interaktionsglieder 56 ist mit dem jeweiligen anderen Eingang 52 verbunden. Die Ausgänge der zwei nichtlinea­ ren Interaktionsglieder 56 sind mit einem Subtrahierer 58 ver­ bunden, dessen Ausgang bei 60 dargestellt ist.

Dieser Bewegungsdetektor 50 wurde aus Experimenten an Insekten erhalten. Eine genauere Beschreibung diese Art von Bewegungsde­ tektor findet sich in dem oben erwähnten Aufsatz "Principles of Visual Motion Detection". Entscheidend ist, daß der Detektor zwei Eingänge besitzt, um eine richtungsspezifische Information gewinnen zu können. Ferner wird durch die Multiplikatoren 56 eine nicht-lineare Interaktion zwischen den Eingangssignalen hervorgerufen. Schließlich erhält jeder Multiplikator zwei Ein­ gangssignale, die zeitlich etwas versetzt und daher "asym­ metrisch" sind.

Es versteht sich, daß ein sich von einem Eingang 52 zu dem an­ deren Eingang 52 vorbei bewegender Gegenstand leicht detektie­ ren läßt; je nachdem, aus welcher Richtung der Gegenstand kommt, besitzt das Ausgangssignal 60 ein anderes Vorzeichen.

In der Bildverarbeitungsvorrichtung 20 ist nunmehr eine zwei­ dimensionale Anordnung aus solchen Bewegungsdetektoren 50 ent­ halten, wie es schematisch in Fig. 4 dargestellt ist. Bei der Ausführungsform der Fig. 4 ist - abgesehen von Randbereichen - jeder einzelne Eingang 52 gleichzeitig der Eingang von vier Be­ wegungsdetektoren 50. Denn die zwei-dimensionale Anordnung von Bewegungsdetektoren 50 ist mit einem Array aus im wesentlichen rechteckigen oder quadratischen Bildpunkten 52 verbunden, so daß jeder einzelne Bildpunkt 42 vier direkte Nachbarbildpunkte besitzt.

In Fig. 5 ist schließlich ein Chip 64 in schematischer Form dargestellt, der einen CCD-Array 66 aus CCD-Pixeln 68 aufweist. Hinter dem CCC-Array 66 ist ein Bewegungsdetektor-Array 70 aus Bewegungsdetektoren 50 angeordnet. Die beiden Arrays 66, 70 sind auf einem Substrat realisierbar.

In gestrichelter Form ist ein weiterer Bewegungsdetektor-Array 72 gezeigt, der hinter dem Bewegungsdetektor-Array 70 angeord­ net sein kann und eine Bildverarbeitung von bereits einmal bildverarbeitenden Bilddatensätzen ermöglicht. Ähnlich einer zweifachen Differenzierung gibt der zweite, optionale, eben­ falls auf dem Substrat realisierbare weitere Bewegungsdetektor- Array 72 Informationen ab, die einer Beschleunigung entspre­ chen. Tatsächlich handelt es sich aber nicht um eine Beschleu­ nigung; vielmehr findet sich am Ausgang des weiteren Bewegungs­ detektor-Arrays 72 Information direkt in Form von Umrißlinien nach der Art der Umrißlinie 46, die in Fig. 2 dargestellt ist.

Es versteht sich, daß sich aufgrund des optischen Systems des jeweiligen verwendeten bildgebenden Sensors 24, 34, sowie auf­ grund der Anzahl von Bewegungsdetektoren 50, des Abstandes der Eingänge 52 und des Wertes von τ der Verzögerungsglieder 54 be­ stimmte ideale Randbedingungen für den Betrieb des erfindungs­ gemäßen bildverarbeitenden medizinischen Gerätes ergeben. Erste Voraussetzung ist, daß die ankommenden Eingangs-Bilddatensätze 30 eine Bewegung reflektieren, sei sie durch eine Bewegung des Sensors hervorgerufen, wie durch räumlich nebeneinander liegen­ de Schnittbilder wie bei dem Kernspin-Tomographen 34, oder durch eine Bewegung des Objektes 28. Erst durch die Bewegung entfaltet die Bildverarbeitungsvorrichtung 20 ihre volle Wirk­ samkeit.

Claims (7)

1. Bildverarbeitendes medizinisches Gerät (10), mit

• - einem Eingangsport (12) zum Empfang einer Folge von zeitlich und/oder örtlich aufeinander folgenden Ein­ gangs-Bilddatensätzen (30), wobei jeder Eingangs- Bilddatensatz (30) aus einer zwei-dimensionalen An­ ordnung von Eingangs-Bildpunkten (42) besteht,
• - einer Bildverarbeitungsvorrichtung (20), in der die Folge von Eingangs-Bilddatensätzen (30) verarbeitet wird, um wenigstens ein in den Eingangs- Bilddatensätzen (30) abgebildetes Objekt (28) gegen­ über den sonstigen Bilddaten (44) abzugrenzen und in wenigstens einen Ausgangs-Bilddatensatz (37) aus Ausgangs-Bildpunkten (41) abzubilden, und
• - einem Ausgangsport (16) zur Ausgabe des wenigstens einen Ausgangs-Bilddatensatzes (37),

dadurch gekennzeichnet, daß die Bilddatenverarbeitungsvorrichtung (20) eine zwei­ dimensionale Anordnung (70) aus elementaren Bewegungsde­ tektoren (50) vom Korrelationstyp aufweist.

2. Bildverarbeitendes medizinisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder elementare Bewegungsde­ tektor (50) wenigstens zwei Eingänge (52) aufweist, die mit wenigstens zwei vorzugsweise benachbarten Eingangs- Bildpunkten (42) der Bilddatensätze (30) gekoppelt sind, und wenigstens einen Ausgang (60) aufweist, der mit wenig­ stens einem Ausgangs-Bildpunkt (41) gekoppelt ist.

3. Bildverarbeitendes medizinisches Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei-dimensionale Anordnung (70) von elementaren Bewegungsdetektoren (50) in Form eines Hardware-Arrays (70) implementiert ist.

4. Bildverarbeitendes medizinisches Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hardware-Array (70) aus elementaren Bewegungsdetektoren (50) direkt hinter einem CCD-Sensorarray (66) aus CCD-Pixeln (68) angeordnet ist.

5. Bildverarbeitendes medizinisches Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hardware-Array (70) aus elementaren Bewegungsdetektoren (50) mit dem CCD- Sensorarray (66) aus CCD-Pixeln (68) auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind.

6. Bildverarbeitendes medizinisches Gerät nach einem der An­ sprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folge von Ausgangs-Bilddatensätzen (37) mittels einer zweiten zwei­ dimensionalen Anordnung (72) aus elementaren Bewegungsde­ tektoren (50) vom Korrelationstyp verarbeitet wird, die vorzugsweise ebenfalls auf dem gemeinsamen Substrat angeordnet ist.

7. Medizinische Bildverarbeitungsanlage mit einem bildgeben­ den Sensor (24; 34), der über eine Bilddatenleitung (22; 32) mit einem bildverarbeitenden medizinischem Gerät (10) ver­ bunden ist, dessen Ausgangsport (18) über eine Ausgangs­ bilddatenleitung (18) mit einem bilddarstellenden Gerät (38; 40) verbunden ist, gekennzeichnet durch ein bildverar­ beitendes medizinisches Gerät nach einem der Ansprüche 1- 6.