DE3826288C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenbildern eines Untersuchungsobjektes.

Aus der Zeitschrift "Radiology", Vol. 161, Nr. 2 (November 1986), S. 513-518 ist eine derartige Vorrichtung bekannt. Sie dient dazu, Streustrahlen und Schleierbildung zu verhindern und den Kontrast und die räumliche Auflösung bei den dargestellten rekonstruierten Bildern zu verbessern.

Streustrahlung von Fremdgegenständen kann die Bildqualität von Röntgenbildern wesentlich herabsetzen. Es hat sich gezeigt, daß das Auffächern eines Röntgenstrahls, wenn der Strahl nur durch eine einzige Blende oder Schlitz geleitet wird, ein wirksames Verfahren zur Entfernung von Streustrahlung darstellt, wodurch die Kontrastempfindlichkeit des erhaltenen Bildes erhöht wird. Dieses Verfahren erfordert jedoch lange Belichtungszeiten, so daß der Röntgenstrahl nur sehr schlecht ausgenützt wird. Diese Nachteile lassen sich durch ein röntgenographisches Verfahren ausgleichen, bei dem eine Vielschlitzanordnung verwendet wird. Obgleich Studien mit Vielschlitzstrahlen zunächst mit bekannten Filmsystemen durchgeführt wurden, werden diese Verfahren nun auf digitale Abbildungssysteme angewendet. Dazu wird in der Regel eine Kombination von Bildverstärker und Fernsehkamera als Detektor verwendet. Die erhaltenen Daten werden digitalisiert. Es kommt dabei jedoch zu Schleierbildung aufgrund der Phosphorkathode, dem optischen System oder der TV-Kamera. Letzteres verschlechtert die Bildqualität. Außerdem wird der Kontrast herabgesetzt und quantitative Messungen wie zum Beispiel der Jodgehalt sind video-densitometrisch undurchführbar.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenbildern mit geringem Schleier und verbessertem Kontrast zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild von einem Röntgenabbildungssystem mit einem mehrfachen Schlitz mit Bildverstärker und Videokamera;

Fig. 2 eine Impulsdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Rekonstruktion eines Bildes basierend auf der Strahlungshauptkomponente, die auf die Erkennungsvorrichtung fällt, wobei für jedes Pixel die als über dem Schwellenwert für Streuung und Schleier liegend erkannten Signale zur Bildung der Hauptkomponente summiert werden;

Fig. 3 ein Schemablockschaltbild eines Bildrekonstruktionsverfahrens;

Fig. 4 ein Anteil der Streustrahlung und des Schleiers in Abhängigkeit vom Durchmesser einer Bleischeibe, und zwar auf bekannte Weise mit einem breiten Röntgenstrahl und auf erfindungsgemäße Weise mit einem Schlitzstrahl;

Fig. 5 ein Impulsdiagramm, welches Artefaktzeilen aufgrund von Abtastbewegungsfehlern angibt;

Fig. 6 ein Impulsdiagramm über einen erkannten Artefakt in einem digitalen Bildsignal, bei dem Zeilenartefakte erst nachdem ein Analogsignal durch die Abfrageöffnung getreten und in ein digitales Signal umgewandelt wurde, beobachtet werden;

Fig. 7 ein Moiremuster aufgrund von Untersuchung des Bildsignals, wobei das Moiremuster durch Interferenz von zwei unterschiedlichen Raumfrequenzen gebildet ist, die in der Mehrschlitzanalyse und der Datenabfrage eingeschlossen sind;

Fig. 8 ein Impulsdiagramm, welches zeigt, daß durch die Überlappungsabtastung mit der Mehrschlitzanordnung MSA die Größe der Zeilenartefakte aufgrund der MSA-Schlitzbreite, der vorderen Abstandsbreite oder dem Abtastbewegungsfehler reduziert werden kann, wobei der Zeilenartefakt auf 1/2 durch Überlappungsabtastung reduziert ist;

Fig. 9 ein Impulsdiagramm über das Verfahren zur Verbesserung der räumlichen Auflösung eines rekonstruierten Bildes;

Fig. 10 ein schematisches Blockdiagramm des Bildrekonstruktionssystems für das in Fig. 9 dargestellte Verfahren; und

Fig. 11a-d schematische Darstellungen des Status der Bildrekonstruktion an ausgewählten Stellen in Fig. 10.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Röntgensystems mit einer Mehrschlitzanordnung (MSA) 10 zeigt, die zwischen einer Röntgenröhre 12 und einem Körper 14 angeordnet ist. Ein Bildverstärker 16 wirft ein Bild auf eine Videokamera 18, die zusammen einen Detektor 20 bilden. Ein Antistreugitter mit 40 Linien/cm und einem Papierabstand von 12 : 1 wurde verwendet, ohne daß dies dargestellt wäre. Die Linien des Gitters wurden senkrecht zu den Schlitzöffnungen der MSA 10 und dem Antistreugitter angeordnet. Ein digitales Subtraktionsangiographiesystem 22 wurde an einen nicht dargestellten Generator angeschlossen, um eine Echtzeit und die digitale Bildaufnahme zu erhalten. Das Bild wurde mit einem 10 Bit Analog/Digital-Wandler nach logarithmischer Verstärkung digitalisiert. Die Matrixgröße des digitalisierten Bildes betrug 512 × 512. Die MSA 10 wurde mechanisch mit einem Schrittschaltmotor 26 abgetastet, der von einem Mikrocomputer 24 gesteuert und mit einer pulsierenden Röntgenstrahlung synchronisiert war, um die MSA 10 in die nächste Position zwischen den Durchleuchtungen zu führen. Die von den MSA-Bildern erhaltenen digitalen Daten wurden mittels Magnetband von dem digitalen Subtraktionsangiographiesystem 22 in einen DEC VAX Computer 28 übertragen, der an ein nicht dargestelltes Bildprozessorsystem angeschlossen war. Die zur Bildrekonstruktion erforderlichen Rechenvorgänge wurden von dem VAX-System 28 durchgeführt.

Die Konfiguration der MSA 10 ist ähnlich wie die für das Antistreugitter und besteht aus Blei-Abstandsstücken und Aluminiumfolien, die Schlitzöffnungen entsprechen. Diese mechanische Struktur macht es möglich, die MSAs genau zu bauen, und zwar selbst dann, wenn die Schlitzbreite und das Blei-Abstandsstück sehr schmal sind. Die Schlitzöffnungen werden auf den Brennpunkt der Röntgenröhre fokussiert. Die Dicke der MSA ist etwa 2 mm.

Originalbilder, die so bezeichnet werden, weil von ihnen andere Bilder gemacht werden können, weisen helle Linien auf, die den Schlitzöffnungen entsprechen und die Primärkomponente enthalten, und zwar zusammen mit etwas Streustrahlung und Schleier, während dunkle Bereiche zwischen den hellen Linien ebenfalls Streustrahlung und Schleierkomponenten aufweisen, die von den Röntgenstrahlen stammen, die durch die Schlitzöffnungen gelassen wurden. Ein verstärktes Bild, das hauptsächlich aus der Primärkomponente besteht, wird von einer Gruppe ähnlicher MSA-Bilder rekonstruiert, wobei die Summierung ein Bild liefern kann, das dem äquivalent ist, das mit einem bekannten breiten Strahl erhalten werden kann.

Das erfindungsgemäße Bildkonstruktionsverfahren ist schematisch in Fig. 2 dargestellt, bei dem fünf Bilder als erforderlich angenommen sind. Fig. 3 zeigt schematisch die Verarbeitung bei der Bildrekonstruktion nach der Erfindung. In Fig. 2 sind Bildprofile und Abfrageöffnungen senkrecht zu den Schlitzöffnungen dargestellt.

In den Fig. 2 und 3 wird eine Bildeingabeeinrichtung (Block 100), beispielsweise wie in Fig. 1 gezeigt, verwendet, die n Bilder der originalen MSA-Bilddaten erzeugt und in einem Bildspeicher (Block 104) speichert. In Fig. 2 erkennt das schraffierte Pixel den schraffierten Anteil des originalen MSA-Bildsignals in jedem Bild. Für jedes Pixel des BV-TV-Systems 20 wird eine minimal erkannte Signalintensität I_min für die n Bilder der Bilddaten im Block 106 bestimmt. Danach wird ein Schwellenwert I_cutoff bestimmt (Block 108). Der I_cutoff-Wert für jedes Pixel wird in einem Ebenenspeicher (Block 110) gespeichert. Danach werden die Schwellenwerte, die in dem Ebenenspeicher (Block 110) gespeichert sind, synchron ausgelesen und an die Schwellenwerteinrichtung (Block 112) gelegt, während die n Bilder der Bilddaten, die im Speicher (Block 104) gespeichert sind, an die Schwellenwerteinrichtung (Block 112) gelegt werden. Nach dem Erkennen, welche Pixel der n Bilder der Bilddaten größer als die jeweiligen Schwellenwerte sind, und zwar mit Hilfe der Schwellenwerteinrichtung, werden die über dem Schwellenwert liegenden Signale summiert, um die Hauptkomponente (Block 113) zu ergeben, wobei die Streuung und Schleier entfernt sind. Der Schwellenwert I_cutoff wird empirisch als minimale Signalintensität plus vorgegebene Menge, d. h. 0,25 mal der Quadratwurzel der minimalen Signalintensität ermittelt, welche dem kleinsten Wert unter den fünf Bildern entspricht. Somit ist in Block 108

worin k eine vorgegebene Konstante von kleiner als 1 ist. Wenn die gewählte Schwelle zu klein ist, dann enthält das endgültige rekonstruierte Bild etwas Streustrahlung und Schleier. Wenn andererseits der Schwellenwert zu hoch ist, dann werden die Hauptkomponenten verloren und dies kann zu dunklen Linienartefakten kommen. Die Berechnung zur Bildrekonstruktion wird in Form von relativer Röntgenintensität durchgeführt, die aus dem Pixelwert durch Verwendung der charakteristischen Kurve für das BV-TV-System 20 umgewandelt wird. Die rekonstruierten Bilddaten werden auf die maximale Signalintensität normiert und dann wieder zurückumgewandelt, um das Bild anzuzeigen und zu speichern, und zwar in Pixelwerte durch Verwendung der Charakteristikkurve, worauf sie ausgegeben werden (Block 115). Bei tatsächlich durchgeführten Versuchen war es klar, daß der Kontrast und die Schärfe des rekonstruierten MSA-Bildes denen für bekannte BV-TV-Bilder überlegen war. Der Vorteil des rekonstruierten Bildes liegt auf der Reduktion von Streuung und Schleier, wie dies weiter unten näher erläutert wird.

Um den einzigartigen Vorteil der MSA-Abbildungstechnik im Hinblick auf Unterdrückung von Streuung und Schleierkomponenten zu erläutern, wurde der Anteil der Streuungen und Schleier nach dem Bleischeibenverfahren gemessen, das von K. Doi et al. in Radiology, Vol. 161, Nr. 2, S. 513-518 (1986) beschrieben wurde. Ein Plexiglasphantom von 15 mm Dicke wurde verwendet. Die 3 mm dicken Bleischeiben, deren Durchmesser, 2,25, 2,5, 3, 5, 8, 10 und 15 mm betrugen, wurden auf die Röntgenröhrenseite des Phantoms aufgebracht. Der Anteil der Streustrahlung und des Schleiers wurde durch das Verhältnis der Röntgenintensität hinter der Bleischeibe und außerhalb der Scheibe ermittelt. Die Anteile wurden durch bekannte breite Strahlbilder und für rekonstruierte MSA-Bilder gemessen, die mit und ohne Gitter erhalten wurden.

Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen den gemessenen Bruchteilen und dem Durchmesser der Bleischeibe. Es ist klar, daß Streuung und Schleier wesentlich reduziert sind, wenn man die erfindungsgemäße MSA-Abbildungstechnik verwendet. Die Reduktion dieser Anteile in Bildern ohne Gitter ist wesentlich größer als in denen mit Gitter. In originalen MSA-Bildern ist jedoch Streuung und Schleier wesentlich größer ohne Gitter als mit Gitter und daher ist die Menge an Streuung und Schleier, die in Bereichen hinter den Bleiabstandstücken liegt, im allgemeinen als zu groß eingeschätzt, wenn das Gitter nicht verwendet wird. Daher werden der Anteil an Streuung und Schleier, die in dem rekonstruierten Bild verbleiben, kleiner als wenn ein Gitter vorhanden wäre.

Fig. 5 zeigt einen Zeilenartefakt aufgrund eines Fehlers bei der Abtastbewegung. Es wird angenommen, daß die Position der MSA in Bild 3 aufgrund dieses Fehlers inkorrekt ist. Dies führt zu einer Verschiebung des zugehörigen Schlitzbildes, so daß eine Seite des Bildes bei dieser Aufnahme von dem Schlitzbild der vorhergehenden Aufnahme beabstandet ist und daß eine andere Seite des Schlitzbildes jenes in der nächsten Aufnahme teilweise überlappt. Daher erscheint ein Paar von hellen und dunklen Zeilenartefakten in dem rekonstruierten Bild.

Die Abtastbewegungs-Zeilenartefakte, die gerade beschrieben wurden, sowie andere Artefakte werden in dem BV-TV-System 20 erst nach der Umwandlung des Analogsignals in ein Digitalsignal durch eine Abfrageöffnung (oder Pixelgröße) gemäß Fig. 6 beobachtet. Wenn ein kleiner, dunkler Zeilenartefakt über einem gleichmäßigen Signal erscheint, dann ist das über diesem Artefakt erkannte Signal proportional zu dem gesamten analogen Signal, das über die Abfrageöffnung gemittelt wurde. Daher wird die fraktionelle Variation in dem digitalen Bild (ΔI/I) aufgrund dieses Artefaktes durch das Verhältnis der Artefaktgröße (E) zur Öffnungsgröße (S) angegeben, d. h. ΔI/I = E/S. Somit ist die Größe des erkannten Artefakts in digitalen Bildern nicht nur der tatsächlichen Größe des Artefaktes, sondern auch der Größe der Abfrageöffnung zugeordnet.

Tabelle 1 zeigt die berechnete fraktionelle Variation im digitalen Bild aufgrund der verschiedenen Größen der Zeilenartefakte für verschiedene Pixelgrößen, die mit drei Bildverstärker- Eingabemodi erhalten wurde. Es ist klar, daß sich der erkannte Artefakt vergrößert, wenn die Pixelgröße abnimmt und daher erfordert die Verwendung einer kleinen Pixelgröße eine hohe mechanische Genauigkeit für die MSA- Einrichtung und auch für die Abtastbewegung. Da die Schlitzbilder üblicherweise durch die Unschärfe des Abbildungssystems verschwommen sind, nimmt man an, daß die fraktionelle Schwankung aufgrund der Artefakte kleiner als die in Tabelle 1 aufgelisteten Variationen oder Schwankungen ist. Daher können die in Tabelle 1 angegebenen berechneten Werte als obere Grenzen für diese Artefakte angegeben werden.

Tabelle 1

Wenn der Abfrageabstand (oder die Pixelgröße) für die Digitalisierung von MSA-Originalbilder groß ist, dann können die Signale zu wenig oft abgefragt werden, was zu einem Moire-Muster führen kann, das in den aufgenommenen Signalen gemäß Fig. 7 erscheint. Der obere Teil zeigt das eindimensionale Profil eines originalen MSA-Bildes. Wenn das MSA- Bild zu wenig genau abgefragt wird, dann erscheint das Moire-Muster in dem aufgenommenen Signal als Interferenz zwischen zwei unterschiedlichen räumlichen Frequenzen, die in der MSA und der Datenabfrage auftreten. Das Moire-Muster verbleibt in dem rekonstruierten Bild. Da die Frequenz des Moire-Musters durch die Differenz zwischen den zwei räumlichen Frequenzen bestimmt werden kann, hat das Moire-Muster eine niederfrequente Struktur, die leicht erkennbar und häufig irritierend ist.

Versuche mit der MSA und mit Schlitzen von 0,2 mm Breite und 0,8 mm Bleiabstandsstücken sowie 25 cm Bildverstärkermodus haben gezeigt, daß rekonstruierte Bilder zwei leicht unterschiedliche Moirestrukturen hatten, wenn die Anfangsposition der MSA um eine halbe Schlitzbreite verschoben war, und zwar resultierte das rekonstruierte Bild aus einem gegenphasigen Moire-Muster. Wenn also das endgültig rekonstruierte Bild aus der Summe dieser zwei Bilder hergestellt wurde, d. h. wenn die MSA-Originalbilder aus einer "überlappten" Abtastung durch Verschieben der MSA um einen Distanzschritt von einer halben Schlitzbreite erhalten werden, dann kann das Moire-Muster ausgeschaltet werden.

Die Überlappungsabtastung der MSA kann auch die Größe der Zeilenartefakte reduzieren, die von der MSA selbst oder durch einen Abtastbewegungsfehler gemäß Fig. 8 hervorgerufen sind. Bei der Überlappungsabtastung überlappen sich die Strahlbreiten für benachbarte Bilder um etwa 50%, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist. Der Zeilenartefakt, der auf diesen Abtastbewegungsfehler zurückzuführen ist, wird durch die Überlappungsabtastung um die Hälfte reduziert. Wenn eine MSA mit einer schrittweisen Erhöhung von einem Viertel der Schlitzbreite abgetastet wird, dann kann die Größe des Zeilenartefaktes weiter auf ein Viertel reduziert werden. Man nimmt an, daß im Falle der Erhöhung der Zahl der Überlappungen in den aufgenommenen MSA-Bildern die Größe dieser Artefakte abnimmt. Tabelle 2 faßt die Artefakte zusammen, die der MSA-Abbildungstechnik zugeordnet sind. Die Artefakte können auf Ungenauigkeit der Schlitzbreite, der Bleiabstandsstück-Breite und der Abtastbewegung der MSA sowie auf ungenügende Abfrage zurückzuführen sein. Bei einem tatsächlichen Abbildungssystem ist es wahrscheinlich, daß die Artefakte auf eine Kombination all dieser Faktoren zurückzuführen sind.

Tabelle 2

Es hat sich gezeigt, daß Einflüsse durch Streuung und Schleier mit dem erfindungsgemäßen Bildrekonstruktionsverfahren wesentlich reduziert werden können. Es werden aber nicht nur Kontrast und Schärfe der Bilder verbessert, sondern auch das Signal/Rausch-Verhältnis und der dynamische Bereich des rekonstruierten Bildes werden verbessert. Ein Nachteil der MSA-Abbildungstechnik besteht in der langen Belichtungszeit, die zur Erstellung einer Anzahl von Aufnahmen erforderlich ist, gegenüber den bekannten Röntgenverfahren mit breitem Strahl. Die gesamte Bestrahlungszeit bei der pulsierenden Bestrahlung liegt in der Größenordnung von wenigen Sekunden, da eine mechanische Abtastung der MSA erfolgt. Die gesamte Bestrahlungszeit kann jedoch auf einen Wert verringert werden, der für zahlreiche praktische Situationen bei klinischen Studien vertretbar ist. Hierzu kann beispielsweise die Röntgenröhre abgetastet werden, so daß eine mechanische Abtastung der MSA überflüssig ist. Die schnelle Folge der pulsierenden oder kontinuierlichen Bestrahlungen von der Röntgenröhre liefert eine Anzahl von Aufnahmen, die für die Bildrekonstruktion verwendbar sind. Andererseits kann auch die MSA kontinuierlich mit konstanter, hoher Geschwindigkeit bewegt werden, während die Bestrahlung kontinuierlich erfolgt, was ebenfalls eine Anzahl von Aufnahmen mit hoher Aufnahmerate liefert, die bis in die Größenordnung der Bildwechselrate bei TV-Geräten liegt. In einer Ausführungsform werden 60 Bilder/Sekunde geliefert, so daß 10 Aufnahmen je 0,167 Sekunden erhältlich sind, was für klinische Fälle ausreichend sein dürfte.

Die verwendeten MSAs erforderten eine verhältnismäßig große Zahl von Bildaufnahmen, nämlich mindestens 5, 10 oder sogar 20. Eine derart große Anzahl von Aufnahmen reduziert normalerweise das Streuen und den Schleier, aufgrund der verhältnismäßig breiten Bleiabstandsstücke in der MSA; es ist jedoch eine lange Bestrahlungszeit erforderlich. Für kurze Bestrahlungen können MSAs mit einer kleinen Anzahl von Aufnahmen, nämlich 2, 3 oder 4 verwendet werden. Ein zusätzlicher Vorteil von solchen MSAs ist die verbesserte Röntgenstrahlausnutzung und daher die geringere Anforderung an die Röntgenröhren-Ausgangsleistung.

Eine wesentliche Überlegung bei der MSA-Abbildungstechnik betrifft die richtige Auswahl der Schlitzbreite, der Bleiabstandsstückbreite und/oder der Mindestanzahl von Aufnahmen, die für die Rekonstruktion erforderlich sind. Es ist jedoch schwierig, eine "optimale" Kombination zu finden, da die Abbildungseigenschaften und einige der praktischen Faktoren in Veränderungen zahlreicher Parameter auf sehr komplizierte Weise zugeordnet sind. Beispielsweise kann die große Zahl der Aufnahmen, die für eine Rekonstruktion erforderlich ist, den Bruchteil der Streuungen und des Schleiers in originalen MSA-Bildern reduzieren, während eine kleine Anzahl von Bildaufnahmen die gesamte Bestrahlungszeit vermindern und den Wirkungsgrad der Röntgenstrahlungsausnutzung verbessern. Ein breiter Schlitz neigt dazu, den Anteil der Streuung und des Schleiers in den originalen MSA-Bildern herabzusetzen, während ein schmaler Schlitz den Streuungsanteil und den Schlitzanteil in dem rekonstruierten Bild zu vermindern neigt. Ein breiter Abstandsblock aus Blei reduziert den Anteil der Streuung und Verschleierung auf den originalen MSA-Bildern, während ein schmaler Abstandsblock aus Blei eine gute Abschätzung für eine kleinwinkelige, lokalisierte Streuungs- und Schleierverteilung ergibt, was zu einem verstärkten Bild führt.

Faßt man das obige zusammen, so umfaßt ein erstes Verfahren zur Bildrekonstruktion das Entfernen von Streuung und Schleier aus den ursprünglich aufgenommenen originalen MSA-Bildern. Die Mindeströntgenstrahlungsintensität (oder der Signalpegel) für jedes Pixel wird aus einer Gruppe von originalen MSA-Bildern bestimmt. Dann wird der Schwellenwert, der Streuung und Schleier entfernen soll, empirisch als Mindestintensität plus ein konstantes Mal der Quadratwurzel der Mindestintensität empirisch bestimmt (wobei mit k = 1/4 hervorragende Resultate erhalten wurden). Durch Subtraktion der Schwellenwerte bei jedem Pixel aus den originalen MSA-Bildern kann eine Gruppe von Schlitzbildern mit der gleichen Matrixgröße wie in dem BV-TV-System erhalten werden, die hauptsächlich Hauptkomponenten enthalten. Diese Rechnungen werden in bezug auf relative Röntgenstrahlungsintensität vorgenommen, die aus Pixelwerten umgewandelt ist, welche die Charakteristikkurve des BV-TV-Digitalsystems verwendet (vgl. Fujita H, Doi K, Giger ML, Chan H-P in Med. Phys 13 ab Seite 13, 1986).

Ein zweites Verfahren, das in Verbindung mit der obigen Technik verwendet werden kann, betrifft insbesondere die Verbesserung der räumlichen Auflösung durch Verwendung einer MSA mit einer schmalen Schlitzbreite. Wenn die Schlitzbreite der MSA schmaler als die Pixelgröße des BV-TV-Digitalsystems ist, dann erkennt ein Pixel mindestens zwei Signale aus unterschiedlichen MSA Plazierungen in unterschiedlichen Bildaufnahmen. Die aufgenommenen Signale der Schlitzbilder werden einer großen Matrix zugeordnet. Die räumliche Auflösung senkrecht zu den Schlitzöffnungen kann somit zusammen mit dem erhöhten Kontrast und N-R verbessert werden, während ebenfalls Streuung und Schleier entfernt werden.

Bei dem ersten Verfahren wurden die Berechnungen für die Bildrekonstruktion für jedes Pixel in dem BV-TV-System durchgeführt. Daher wurden die rekonstruierten Bilder in der gleichen Matrixgröße wie für das BV-TV-System erhalten. Die Matrixgröße für derartige BV-TV-Digitalsysteme, die für die digitale Substraktionsangiographie (DSA) verwendet werden, ist 512 × 512, es ist jedoch auch eine große Matrix von 1024 × 1024 erhältlich. Diese Matrixgrößen sind jedoch nicht groß genug, um eine so hohe Auflösung wie bei bekannten Röntgenfilmen zu erhalten. Um in diese Größenordnung zu kommen, werden gemäß Erfindung die Hauptkomponenten, die den Schlitzöffnungen in jeder Bildaufnahme entsprechen, bestimmten Stellen in der großen Matrix gemäß Fig. 9 zugeordnet. Gemäß Fig. 9 kann ein projiziertes Schlitzbild von einem tatsächlichen BV-TV-System über zwei oder mehrere Pixel verteilt werden. Um die Hauptkomponente für einen bestimmten Schlitz in jeder Bildaufnahme zu ermitteln, wird das entsprechende Schlitzbildprofil senkrecht zu den Schlitzöffnungen identifiziert und die über benachbarte Pixel aufgrund einer Schlitzöffnung verteilte relative Röntgenstrahlintensitäten werden als Hauptkomponente aufsummiert. Somit erhält man Hauptkomponenten entsprechend den Schlitzöffnungen für jede Aufnahme und ordnet sie dann den richtigen Pixeln in der vergrößerten Matrix senkrecht zu den Schlitzöffnungen zu. In der anderen orthogonalen Richtung parallel zu den Schlitzöffnungen bleibt die Matrix gleich groß wie für den Detektor. Um das Bildverhältnis jedoch auszugleichen, wird die Matrix in Richtung parallel zu den Schlitzöffnungen aufgeweitet und die entsprechenden Pixelwerte in der aufgeweiteten Matrix werden durch lineare Interpolation bestimmt.

Fig. 10 zeigt ein System zur Durchführung der Bildrekonstruktionstechnik mit erhöhter Auflösung von Fig. 9.

In Fig. 10 werden aus einer Bildeingabeeinrichtung (Block 100) n Aufnahmen der originalen MSA-Bilddaten erhalten (Block 102). Die n Aufnahmen der originalen MSA-Bilddaten werden in einem Bildspeicher (Block 104) gespeichert. Hierauf wird die Mindestpixelintensität (I_min) für jedes Pixel für die n Aufnahmen der gespeicherten Bilddaten (Block 106) und ein Schwellenwert zur Entfernung von Streuung und Schleier (Block 108) bestimmt. Die festgelegten Schwellenwerte für jedes Pixel werden dann in einem Ebenenspeicher (Block 110) gespeichert. Danach werden die in dem Bildspeicher gespeicherten Bilddaten aus dem Bildspeicher ausgelesen und einem Schwellenwertvergleich mit jeweiligen Schwellenwerten unterworfen, die in dem Ebenenspeicher (Block 110) gespeichert sind. Die n Aufnahmen des Bildspeichers enthalten keine Streuung und keinen Schleier mehr, da diese durch die Schwellenwertlegung im Block 112 entfernt wurden, so daß sie in einem Hauptbildspeicher (Block 114) gespeichert werden können.

In den Blöcken 116-122 gemäß Fig. 10 erfolgt eine Pixelzuordnung senkrecht zu der Schlitzbreite in der expandierten Matrix. Ehe diese Blöcke beschrieben werden, wird jedoch auf die Fig. 11a und 11b Bezug genommen. Fig. 11a zeigt drei Aufnahmen von Bilddaten, die im Block 102 erhalten wurden, während Fig. 11b das Hauptbild für diese drei Rahmen auf einer beliebigen Linie m senkrecht zu dem Abtastschlitz zeigt, der in Fig. 11a für jede Aufnahme dargestellt ist. Mit anderen Worten verdeutlicht Fig. 11b schematisch die Schlitzbildprofile entlang der Linien m von jeder der Aufnahmen 1-3 in Fig. 11a, wobei Einwirkungen von Streuung und Schleier ausgeschaltet sind.

Aufgrund der Signalverbreiterung in der Bildaufnahme (Block 102), und zwar obgleich die Strahlbreite für jeden MSA- Schlitz schmaler als eine Pixelgröße ist, verbreitert sich das Bildprofil, das entlang irgendeiner Linie m (Block 114) erhalten wurde, über mehrere Pixel. Beim Aufbau einer aufgeweiteten Bildmatrix wird das Schlitzbildprofil von jedem Schlitz der MSA zunächst bestimmt und dann benachbarten Pixeln in der aufgeweiteten Bildmatrix senkrecht zu dem Abtaststrahl in Übereinstimmung mit der Abtastbewegung der MSA zugeordnet.

Die obige Matrixausdehnung wird im folgenden anhand der Blöcke (116)-(122) gemäß Fig. 10 beschrieben. Im Block 116 wird eine Bildaufnahme ausgewählt, beispielsweise die erste Aufnahme. Dann wird für jede Linie, beispielsweise die Linie m in Fig. 11a, das Schlitzprofil für jeden Strahl dieser Aufnahme im Block 118 identifiziert. Im Block 118 wird die ausgewählte Aufnahme, deren Pixel entlang der Linie eine maximale Signalintensität haben, ermittelt. Dann wird im Block 120 das Schlitzbildprofil definiert, indem der Pixelwert desjenigen Pixels, das im Schritt oder Block 118 identifiziert wurde, den Pixelwerten von benachbarten Pixeln an jeder Seite davon hinzugefügt wird. Im Block 122 wird das Ergebnis der Summierung in einer großen, rechteckigen Matrix gemäß Fig. 11c gespeichert.

Für das rekonstruierte Bild in der expandierten Matrix entlang der Linie m in Fig. 11c wird das erste Pixel in dem expandierten Bild dem Pixelwert zugeordnet, der aus dem Schlitzbildprofil I_{m 1}¹ erhalten wird. Das zweite Pixel in der expandierten Matrix entlang der Linie m wird der Summierung für das Schlitzbildprofil der zweiten Aufnahme I_{m 1}² zugeordnet, und zwar wieder entlang der Linie m, die von dem ersten Abtaststrahl erhalten wird. In ähnlicher Weise wird dem dritten Pixel der aufgeweiteten Matrix ein Wert basierend auf dem Schlitzbildprofil I_{m 1}³ zugeordnet, das aus dem ersten Strahl in der dritten Aufnahme stammt. Die Gesamtgeometrie wird so gewählt, daß das Schlitzbildprofil des ersten Strahls der ersten Aufnahme dem Pixel in der vergrößerten Bildmatrix unmittelbar benachbart dem Pixel zugeordnet wird, dem der Wert des Schlitzbildprofils des zweiten Strahls in der ersten Aufnahme der Bilddaten zugeordnet ist, usw. Auf diese Weise wird jede Zeile der expandierten Bildmatrix, d. h. die in Richtung senkrecht zum Schlitz der Abtaststrahlen aufgeweitet ist, bestimmt.

Nachdem man die in einer Richtung aufgeweitete Bildmatrix gemäß Fig. 11c erhalten hat, wird die expandierte Matrix in Richtung parallel zum Schlitz des Abtaststrahls durch Interpolation der Pixelwerte aufgeweitet, die senkrecht zum Schlitz des Abtaststrahls zugeordnet sind. Dabei wird eine lineare Interpolation bevorzugt, obgleich auch andere Interpolationstechniken denkbar sind. Auf diese Weise wird das Erscheinungsverhältnis des rekonstruierten Bildes im Block 124 gemäß Fig. 10 ausgeglichen. Anschließend wird im Block oder Schritt 126 von Fig. 10 das hoch aufgelöste, rekonstruierte Bild ausgegeben.

Anstelle der Interpolation zum Ausgleich des Erscheinungsverhältnisses des rekonstruierten Bildes sind auch andere Verfahren zur Erhöhung der Auflösung denkbar. Beispielsweise kann nach Abschluß der in dem Schritt 124 durchgeführten Verarbeitungsschritte die Position der MSA 10 um 90° gedreht werden. Dann werden die bereits beschriebenen Abtast- und Bildverarbeitungsschritte wiederholt, indem die um 90° gedrehte MSA abgetastet wird, um ein zweites rekonstruiertes Bild zu erhalten, dessen Auflösung senkrecht zu der des ersten rekonstruierten Bildes verbessert ist. Dann können die Pixelwerte der ersten und zweiten Bilder einfach addiert werden, um ein rekonstruiertes Bild zu erhalten, aus dem Streuung und Schleier entfernt sind und die Auflösung in zwei Richtungen verbessert ist.

Ein anderes Verfahren zur Verbesserung einer zweidimensionalen Auflösung besteht darin, zwei MSAs 10 senkrecht zueinander zwischen der Röntgenröhre 12 und dem Körper 14 anzuordnen. In diesem Fall würde eine der MSAs 10 schneller als die andere abgetastet werden, um einen Rastereffekt zu erhalten.

Es wurden Versuche mit dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau vorgenommen, wobei die MSA 10 einen Schlitz von 0,2 mm Breite mit 1,8 mm Bleizwischenstücken hatte. Die MSA 10 wurde zwischen die Röntgenröhre 12 und den Körper 14 gesetzt. Der Abstand zwischen dem Brennpunkt der Röntgenröhre und der MSA 10 betrug 63 cm und der Abstand zwischen dem Brennpunkt der Röntgenröhre und dem Eingangsfenster des Bildverstärkers betrug 87 cm. Ein Antistreugitter (das nicht dargestellt ist) mit 40 Linien/cm und einem 12 : 1 Verhältnis wurde verwendet. Das BV-TV-System hatte 1024 Zeilen. Die Aufnahmematrix hatte eine Größe von 512 × 512 Punkten. Eine kontinuierliche Bestrahlung wurde vorgenommen, wobei das DSA-System 22 zwei benachbarte Rasterlinien integriert hat, um die abgetasteten 1024 Zeilen auf 512 Zeilen zu reduzieren. Das Eingangsfenster des Bildverstärkers hatte einen Durchmesser von 25 cm, was zu einer effektiven Pixelgröße von 0,55 mm führte. Daher war die projizierte Schlitzbreite auf dem Eingangsfenster des Bildverstärkers etwa die Hälfte der Pixelgröße. Die MSA 10 wurde von einem Schrittschaltmotor mit einer Geschwindigkeit von 3,0 mm/sec bewegt und die Bildwechselrate bei der Bildaufnahme betrug 15 Aufnahmen/Sekunde. Dabei wurde die MSA zwischen den Bildaufnahmen und 0,2 mm verschoben, was der Schlitzbreite entsprach. Die aufgenommenen MSA-Bilddaten wurden über Magnetband in einen DEC VAX 11/750 Computer 28 eingegeben. Die gesamte Bildrekonstruktion erfolgte in dem Computer 28.

Die durchgeführten Versuche bestätigten, daß ein Mehrfachschlitz- Strahlabbildungsverfahren mit schmalen Schlitzöffnungen und mit der erfindungsgemäßen Bildrekonstruktion die räumliche Auflösung von Bildern verbessern kann, die mit dem BV-TV-Digitalsystem aufgenommen wurden, wobei außerdem der Kontrast und das S/R durch Reduktion von Streuung und Schleierbildung verbessert waren. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die verbesserte Auflösung hauptsächlich in einer Richtung erfolgte, nämlich in Richtung senkrecht zu den Schlitzöffnungen, wenn Pixelwerte in paralleler Richtung unter Verwendung von Interpolation zugeordnet werden.

Es ist im Prinzip möglich, eine räumliche Auflösung in einer Richtung durch Verwendung eines sehr schmalen Schlitzes mit viel weniger als der Pixelgröße des Systems zu verwenden, die viel kleiner als die bei dieser Studie verwendete Schlitzbreite ist. Die praktische Bedeutung der erhaltenen Gesamtverbesserung und die Grenzen von solchen anisotropen Bildern sind jedoch bekannt. Um die Wirkung der anisotropen Auflösung auf die Gesamtbildqualität zu untersuchen, wurde eine Simulationsstudie durchgeführt. Aus diesen Ergebnissen scheint eine Matrixgröße, die in einer Richtung doppelt so groß wie in der anderen Richtung ist, eine akzeptable Verbesserung in der Gesamtbildqualität zu bewirken. Daher ist die Auswahl der Schlitzbreite für eine halbe Pixelgröße für eine Auflösungsverbesserung passend, die mit einem Strahlabbildungsverfahren mit mehreren schmalen Schlitzen erreicht werden kann.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Erzeugen von Röntgenbildern eines Untersuchungsobjektes (14), mit

• a) einer Röntgenstrahlungsquelle (12),
• b) einer Mehrschlitzanordnung MSA (10) mit einer Maske, die eine Anzahl von parallelen Schlitzen aufweist und zwischen der Röntgenstrahlungsquelle (12) und dem Untersuchungsobjekt (14) angeordnet ist,
• c) Antriebsmitteln (26), die eine Relativbewegung zwischen dem Untersuchungsobjekt (14) und der MSA (10) senkrecht zur Schlitzrichtung und parallel zur Ebene der MSA (10) erzeugen,
• d) einer Bildaufnahmevorrichtung (20, 100, 102, 104), die die von der MSA (10) und dem Untersuchungsobjekt (14) hindurchgelassene Röntgenstrahlungsintensität ortsaufgelöst detektiert und in Bildsignaldaten umwandelt und diese Bildsignaldaten als n aufeinanderfolgende, jeweils aus einer Vielzahl von Bildsignaldaten bestehende Bildaufnahmen speichert, von denen jede einer jeweils zugehörigen Position der MSA (10) zugeordnet ist, wobei jedes Bildsignaldatum einer jeweiligen Bildaufnahme einem jeweils zugehörigen Pixel der Bildaufnahmevorrichtung (20, 100, 102, 104) zugeordnet ist,
• e) ersten Mitteln (106, 108, 110, 112, 113), die für jede Pixelposition einen Minimalwert I_min der n jeweils zugehörigen, während der n Bildaufnahmen erhaltenen Bildsignaldaten und nach der Gleichung einen jeweils zugehörigen Schwellenwert I_cutoff ermitteln, die Bildsignaldaten mit dem jeweils zugehörigen Schwellenwert I_cutoff vergleichen und jeweils nur diejenigen zugehörigen Bildsignaldaten zu einem rekonstruierten Bildsignaldatum aufsummieren, die über ihrem zugehörigen Schwellenwert I_cutoff liegen, und
• f) zweiten Mitteln (115; 126), die die rekonstruierten Bldsignaldaten zu einem Bild zusammensetzen und anzeigen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schlitzstrahlbreite, die größer als eine Pixelgröße der Bioldaufnahmevorrichtung (20, 100, 102, 104) ist, wobei die Relativbewegung über einen Distanzschritt vorgenommen wird, der kleiner als die Schlitzstrahlbreite ist, so daß sich die Strahlen aus der MSA (10) während aufeinanderfolgender Bildaufnahmeschritte überlappen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schlitzstrahlbreite, die schmaler als eine Pixelgröße in der Bildebene der Bildaufnahmevorrichtung (10, 100, 102, 104) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß sie eine Reihe von Bildsignaldaten sammelt, die aus der Röntgenstrahlung abgeleitet sind, welche durch einen gemeinsamen Schlitz der MSA (10) in aufeinanderfolgenden Bildaufnahmeschritten tritt, und
daß sie eine vergrößerte Matrix bildet, indem sie die Reihe der Bildsignaldaten jeweiligen benachbarten Reihen von Pixeln in der vergrößerten Matrix zuordnet, in der die benachbarten Reihen von Pixeln in einer Richtung senkrecht zur Schlitzrichtung angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Bildaspektverhältnis der vergrößerten Matrix abgleicht, indem sie Bildsignaldaten mit linearer Interpolation den ausgewählten Pixeln der vergrößerten Matrix in einer Richtung parallel zur Schlitzrichtung zuordnet.