Verfahren und Röntgenbildgebungsgerät zur automatischen Regelung der Belichtung bei einer Rontgenbildgebung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Röntgenbildgebungsgerät zur automatischen Belichtungsregelung bei der Rontgenbildgebung von sich bewegenden und zu durchstrahlenden Objekten. Die Erfindung betrifft auch ein zugehöriges digitales Speichermedium.

Hintergrund der Erfindung

Geräte zur Rontgenbildgebung weisen eine automatische Belichtungssteuerung auf. Dadurch wird sichergestellt, dass stets eine adäquate Signalstärke am Eingang eines Rontgendetektors vorhanden ist. Dies wird durch eine Einstellung von verschie- denen Röntgenparametern erreicht, vor allem durch eine Anpassung der Röhrenspannung, des Röhrenstroms, des Röntgenvorfil - ters und der Pulsweite der Röntgenstrahlung.

Verändert sich also das Absorptionsverhalten des zu untersu- chenden bzw. zu durchstrahlenden Objekts, beispielsweise durch eine Veränderung des Durchleuchtungswinkels, werden automatisch die vorgenannten Rontgenparameter angepasst, wodurch eine konstante Signalstärke am Eingang des Rontgendetektors gewährleistet wird.

Jede Änderung der Rontgenparameter ist aber auch mit Nachteilen verbunden, die eine Rontgenbildgebung negativ beeinflussen, wie beispielsweise: - ein geringerer Bildkontrast bei einer Signalanhebung durch eine höhere Röhrenspannung, ein größerer Röntgenfokus und somit eine geringere Ortsauflösung durch eine Signalanhebung durch einen höheren Röhrenstrom

eine höhere Hautdosis durch eine Signalanhebung durch eine geringere Röntgenvorfilterung sowie

eine geringere Zeitauflösung durch eine Signalanhebung durch eine längere Pulsweite der Röntgenstrahlung.

Die Anpassung der Röntgenparameter unterliegt in der Regel einem fest eingestellten Schema, das als Grundlage für die Regelung der Röntgenparameter angewendet wird. Spezifische Anforderungen an das Regelverhalten, beispielsweise eine kurze Pulsweite bei einer kardiologischen Anwendung, werden lediglich durch entsprechende Grenzwerte berücksichtigt, wie zum Beispiel eine Pulsweite kleiner 10 ms. Bei der Änderung der Röntgenparameter wird dieser Grenzwert nicht überschritten und die anwendungsspezifische Anforderung an die Röntgenbilder ist sichergestellt, wie beispielsweis eine hohe zeitliche Auflösung bei einer kardiologischen Anwendung.

Durch derartige feste Grenzwerte ist aber nur eine allgemeingültige anwendungsspezifische Anpassung der Pulsweite möglich, eine tatsächliche patientenspezifische Situation kann nicht berücksichtigt werden. Gerade während einer kardiologi- sehen Anwendung, bei der kurzzeitig keine hohe Zeitauflösung erforderlich ist, führt dies zu suboptimalen Bedingungen. Es erfolgt zum Beispiel auch dann eine Signalanhebung auf Basis der übrigen Röntgenparameter, obwohl eine längere Pulsweite durchaus eine akzeptable Bildqualität bereitgestellt hätte.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren, ein Röntgenbild- gebungsgerät und ein digitales Speichermedium zur automati- sehen Regelung der Belichtung bei der Röntgenbildgebung anzugeben . Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit den Verfahren, dem Röntgenbildgebungsgerät und dem digitalen Speichermedium der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben .

Erfindungsgemäß wird die Belichtung bei der Rontgenbildgebung mit einer automatischen Regelung der Pulsweite der Röntgenstrahlung optimiert, wobei der örtliche oder der zeitliche Intensitätsverlauf eines Pixels einer sich bewegenden Kante eines sich bewegenden Bildbereichs analysiert wird. In Abhängigkeit der Analyse wird die Pulsweite verändert.

Die Erfindung bietet den Vorteil, eine optimale Bildqualität sicherzustellen und negative Einflüsse einer suboptimalen Parameterwahl zu reduzieren, wie zum Beispiel ein Kontrastverlust durch eine zu hohe Röhrenspannung.

Die Erfindung beansprucht ein Verfahren zur automatischen Belichtungsregelung bei einer Rontgenbildgebung eines sich bewegenden, zu durchstrahlenden Objekts. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

1) Erzeugung von Röntgenbildern zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit einer vorgebbaren Pulsweite einer Röntgenstrahlung,

2) Ermittlung mindestens eines sich bewegenden Bildbereichs aus mindestens zwei der erzeugten Röntgenbilder,

3) Ermittlung mindestens einer sich bewegenden Kante des

sich bewegenden Bildbereichs,

4) Auswahl mindestens eines Pixels der Kante,

5) Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der Intensität des Pixels aus den erzeugten Röntgenbildern,

6) Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Intensität und

7 ) Änderung der Pulsweite in Abhängigkeit der Auswertung.

Die Kantendetektion (englisch edge detection) ist Teil einer Segmentierung von Elementen in der Bildverarbeitung. Sie ver- _Λ

sucht, flächige Bereiche in einem digitalen Bild voneinander zu trennen, wenn sie sich entlang gerader oder gekrümmter Linien ausreichend in Färb- oder Grauwert, Helligkeit oder Textur unterscheiden. Spezielle Kantenoperatoren erkennen die Übergänge zwischen diesen Bereichen und markieren diese als Kanten .

In einer Weiterbildung kann der Verfahrensschritt 6) durch folgende Schritte ersetzt werden:

6a) Fouriertransformation des zeitlichen Verlaufs der Intensität und

6b) Auswertung des Frequenzverlaufs des

fouriertransformierten zeitlichen Verlaufs der Intensität .

In einer weiteren Ausgestaltung kann im Verfahrensschritt 6b) eine Grenzfrequenz ermittelt werden und im Verfahrensschritt 7) in Abhängigkeit der Grenzfrequenz die Pulsweite verändert werden.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Grenzfrequenz als 3 dB Grenzfrequenz oder als 6 dB Grenzfrequenz ermittelt werden .

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann die Pulsweite invers proportional der Grenzfrequenz sein.

In einer Weiterbildung können zeitliche Verläufe der Intensi- tät mehrerer Pixel ermittelt und daraus ein durchschnittlicher zeitlicher Verlauf ermittelt werden, wobei mit der Mittelung die daran anschließende Auswertung erfolgt. Dadurch können unerwünschte Einflüsse des Bildrauschens verringert werden .

Die Erfindung beansprucht auch ein Verfahren zur automatischen Belichtungsregelung bei einer Röntgenbildgebung eines sich bewegenden, zu durchstrahlenden Objekts. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

Erzeugung von Röntgenbildern zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit einer vorgebbaren Pulsweite einer Röntgenstrahlung,

Ermittlung mindestens eines sich bewegenden Bildbereichs aus mindestens zwei der erzeugten Röntgenbilder,

Ermittlung mindestens einer sich bewegenden Kante des sich bewegenden Bildbereichs,

Auswahl mindestens eines Pixels der Kante,

Ermittlung des örtlichen Verlaufs der Intensität entlang einer Strecke durch das Pixel aus einem der erzeugten

Röntgenbilder,

Auswertung des örtlichen Verlaufs der Intensität,

Änderung der Pulsweite in Abhängigkeit der Auswertung.

In einer Weiterbildung des Verfahrens kann die Strecke derart gewählt werden, dass sie in der Bildebene senkrecht auf der Kante steht.

In einer weiteren Ausführungsform kann bei der Auswertung des örtlichen Verlaufs der Intensität die Halbwertsbreite ermittelt und die Pulsweite in Abhängigkeit der Halbwertsbreite geändert werden.

Die Halbwertsbreite einer Funktion mit einem Maximum ist die Differenz zwischen den beiden Argumentwerten, für die die Funktionswerte auf die Hälfte des Maximums abgesunken sind, anschaulich also die „Breite bei halber Höhe". Entsprechend ist im Englischen und in der Technik für die Halbwertsbreite auch die Bezeichnung FWHM (Füll Width at Half Maximum) gebräuchlich .

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann die Pulsweite indirekt proportional zur Halbwertsbreite sein. In einer weiteren Ausführungsform können örtliche Verläufe der Intensität mehrerer Pixel ermittelt und daraus ein durchschnittlicher örtlicher Verlauf ermittelt werden, der für die weitere Auswertung bzw. Analyse verwendet wird. Dadurch kön- nen unerwünschte Einflüsse des Signalrauschens reduziert werden .

Die Erfindung beansprucht auch ein Röntgenbildgebungsgerät mit einem Röntgenstrahler und einem Röntgendetektor, bei- spielsweise ein C-Bogen Röntgengerät, wobei in einer Rechen- und Steuereinheit das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird .

Außerdem beansprucht die Erfindung ein digitales Speicherme- dium mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen, die so mit der programmierbaren Rechen-und Steuereinheit zusammenwirken, dass das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.

Es zeigen: Fig. 1: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur automatischen Belichtungsregelung mit einer Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Intensität,

Fig. 2: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur automatischen Belichtungsregelung mit einer Auswertung des örtlichen Verlaufs der Intensität und

Fig. 3: ein C-Bogen Röntgengerät mit einer automatischen

Belichtungssteuerung . Detaillierte Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur automatischen Belichtungsregelung bei der Röntgenbildgebung eines sich bewegenden Objekts. Das Verfahren zeichnet sich durch eine spezifische Analyse von akquirierten Bilddaten (= Röntgenbilder) aus, deren Auswerteergebnis innerhalb der Belichtungsregelung adäquat berücksichtigt wird. Diese spezifische Analyse beschränkt sich ausschließlich auf der Auswertung der Zeitauflösung der Röntgenbilder, die im Wesentlichen durch die Dauer des Röntgenpulses (= Pulsweite der Röntgenstrahlung) beeinflusst ist.

Hierzu werden in dem Verfahrensschritt 100 durch ein Röntgen- bildgebungsgerät akquirierte 2D-Bilddaten PD eines sich bewegenden Objekts an drei Softwaremodule einer Rechen-und Steuereinheit 1 übergeben, und zwar an folgende Module:

1. ein Motion Detection Modul,

2. ein Edge Detection Modul und

3. ein Profile Selection Mosul .

Im Verfahrensschritt 101 wird innerhalb des Motion Detection Moduls eine Motion Map MM (= Bewegungskarte) erzeugt. Die Mo- tion Map MM zeigt an, welche Bildbereiche zu einer Objekt- Bewegung korrespondieren. Die erforderlich Bildauswertung kann dabei über eine partielle Ableitung in Zeitrichtung erfolgen, wobei hierbei die Röntgenbilder mit der Intensität I(x,y,t) analysiert werden.

Im Verfahrensschritt 102 wird auf Basis des aktuellen Röntgenbildes mit der Intensität I(x,y) und unter Berücksichtigung der Motion Map MM eine Edge Map EM (= Kantenkarte) im Edge Detection Modul erzeugt. Die Edge Map EM stellt sich be- wegende Kanten des sich bewegenden Objekts dar, beispielswese eines Gefäßes . Hierzu kann eine lokalbegrenze Anwendung eines Kantendetektionsfilters , zum Beispiel ein Sobel-Operator, erfolgen. Es werden dabei nur solche Kanten detektiert bzw. be- rücksichtigt, die auch zu einem sich bewegenden Bildbereich innerhalb der Motion Map MM korrespondieren.

Entsprechend der Kanteninformation in der Edge Map EM wird im Verfahrensschritt 103 im Bildraum ein eindimensionales Intensitätsprofil (= Absorptionsprofil) mit dem Profile Selection Mosul erstellt. Dieses Profil erstreckt sich in Zeitrichtung t, d.h. es stellt den zeitlichen Intensitätsverlauf tl eines einzelnen Pixels mit der Intensität I (x=konst . , y=konst . , t) dar. Das einzelne Pixel korrespondiert zu einer sich bewegenden Kante innerhalb der Edge Map EM.

Im Verfahrensschritt 104 wird der eindimensionale zeitliche Intensitätsverlauf tl in den Fourierraum transformiert. Somit wird eine Art von zeitlicher MTF (= Modulationstransferfunktion) erzeugt.

Der fouriertransformierte zeitliche Intensitätsverlauf fl wird in einem unabhängigen Softwaremodul im Verfahrensschritt 105 hinsichtlich charakteristischer Parameter ausgewertet.

Beispielsweise wird die 3 dB- oder 6 dB-Grenzfrequenz ermittelt. Das Ergebnis dieser Auswertung wird an die Belichtungssteuerung übergeben, und innerhalb der Parameter-Regelung mit einer Änderung der Pulsweite PW berücksichtigt.

Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines weiteren Verfahrens zur automatischen Belichtungsregelung bei der Rontgenbildgebung eines sich bewegenden Objekts. In den Verfahrensschritten 101 bis 102 wird gemäß dem Verfahren nach Fig. 1 eine Edge Map EM erzeugt.

Im Verfahrensschritt 203 wird entsprechend der Kanteninformation der Edge Map EM im Bildraum ein eindimensionales Intensitätsprofil (= Absorptionsprofil) ausgelesen. Das Profil er- streckt sich jedoch innerhalb eines einzelnen Bildes PD mit der Intensität I (x, y, t=konst . ) , d.h. es stellt den örtlichen Intensitätsverlauf sl zu einem festen Zeitpunkt entlang einer Strecke dar. Dazu wird eine repräsentatives Strecke durch das Pixel im Bild PD gewählt, so dass eine adäquate Auswertung möglich ist. Beispielsweise wird die Strecke senkrecht zentriert bezüglich einer Kante innerhalb der Edge Map EM. Im anschließenden Verfahrensschritt 205 wird der eindimensionale örtliche Intensitätsverlauf sl unmittelbar verwendet, um spezifische Charakteristika auszuwerten. Beispielsweise wird der Intensitätsverlauf abgeleitet und die Halbwertsbreite ermittelt. Das Ergebnis der Profil -Auswertung wird an die Be- lichtungssteuerung übergeben und innerhalb der Parameter- Regelung zur Änderung der Pulsweite PW berücksichtigt.

In einer weiteren Ausgestaltung obiger Verfahren werden mehrere Intensitätsprofile erzeugt. Dadurch werden mehrere Pro- file innerhalb einer ROI (region-of -interest) erzeugt. Die Wahl der ROI basiert ebenfalls auf der Edge Map EM. Die gemeinsame Auswertung der Profile erfolgt entweder unabhängig voneinander, wobei die Einzelergebnisse anschließen kombiniert werden. Beispielsweise wird ein Mittelwert der ermit- telten Pulsweiten PW gebildet. Oder es erfolgt eine Kombination, beispielsweise eine Mittelung, der unterschiedlichen Profile und daraus die Bestimmung der Pulsweite PW.

In einer weiteren Ausführungsform können die Verfahren nach Fig. 1 und Fig. 2 kombiniert werden. Beispielsweise wird ein Mittelwert der nach den Verfahren bestimmten Pulsweiten PW gebildet .

Fig. 3 zeigt ein C-Bogen Röntgengerät mit einer automatischen Belichtungsregelung. An einem C-Bogen 4 sind einander gegenüberliegend ein Röntgenstrahler 2 und ein Röntgendetektor 3 angeordnet. In einer Rechen- und Steuereinheit 1 werden obige Verfahren zur Belichtungssteuerung ausgeführt. Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und ande- re Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1 Rechen-und Steuereinheit

2 Röntgenstrahler

3 Röntgendetektor

4 C-Bogen

EM Edge Map

f Frequenz

fl fouriertransformierter zeitlicher Intensitätsverlauf

I Intensität eines Pixels

MM Motion Map

PD Bilddaten bzw. Bild

sl Örtlicher Intensitätsverlauf

t Zeit

tl zeitlicher Verlauf der Intensität I

x, y Koordinaten

100 Akquirierung und Weitergabe von 2D-Röntgenbildern

101 Erkennung einer Bewegung und Erzeugung einer Motion

Map MM

102 Erkennung von bewegten Kanten und Erzeugung einer Edge Map EM

103 Erzeugen eines zeitlichen Verlaufs der Intensität I eines Pixels

104 Fouriertransformation

105 Analyse des fouriertransformierten zeitlichen Intensitätsverlaufs fl

203 Erzeugen eines örtlichen Verlaufs der Intensität I eines Pixels eines Bildes

205 Analyse des örtlichen Intensitätsverlaufs sl