DE19903235A1

DE19903235A1 - Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Ausblendung bei der peripheren Röntgenabbildung

Info

Publication number: DE19903235A1
Application number: DE19903235A
Authority: DE
Inventors: Sreerama K Murthy; Jianzhong Qian
Original assignee: Siemens Corporate Research Inc
Current assignee: Siemens Corporate Research Inc
Priority date: 1998-01-29
Filing date: 1999-01-27
Publication date: 1999-08-12
Anticipated expiration: 2019-01-28
Also published as: US6055295A; JP4149598B2; DE19903235B4; JPH11276462A

Description

Bereich der Erfindung

Diese Erfindung betrifft die Röntgenabbildung und im besonde ren ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Segmentieren einer peripheren Röntgenabbildung in Körperteil- und Nicht-Körper teilbereiche zur Aufnahmezeit und das Verwenden dieser Infor mation zum automatischen Einstellen des Kollimators (collimator) eines Röntgenabbildungssystems.

Hintergrund der Erfindung

Radiologische Verfahren, wie die Röntgendurchleuchtung (x-ray fluoroscopy), werden verwendet zum Diagnostizieren oder Be handeln vieler Krankheiten. Diese radiologischen Verfahren werden im allgemeinen mit computerisierten Röntgenabbildungs systemen durchgeführt. Die meisten Röntgenabbildungssysteme umfassen üblicherweise eine Röntgenquelle, einen Abbildungs verstärker und ein Aufzeichnungsmedium.

Ein wesentliches Besorgnis bei diesen Verfahren betrifft das Verhindern direkter Bestrahlung und daß gestreute Röntgen strahlen den Abbildungsverstärker oder die Abbildungsauf zeichnungsmedien des Röntgenabbildungssystems erreichen. Di rekte Bestrahlung des Abbildungsverstärkers mit Röntgenstrah len kann die Vorrichtung beschädigen und diagnostisch un brauchbare Abbildungen erzeugen. Die gestreuten Röntgenstrah len sind außerdem ein gesundheitliches Besorgnis für das me dizinische Personal, das diese Verfahren durchführt. Diesen Besorgnissen wird durch einen Kollimator begegnet, der den Röntgenstrahl bis auf ein zur Abbildung des interessierenden Objekts minimal erforderliches Maß ausblendet (collimates) Die Ausblendung eliminiert im wesentlichen die gestreute Strahlung und verbessert die Abbildungsqualität des interes sierenden Objekts.

Während des Röntgenabbildungsverfahrens muß der Kollimator jedesmal, wenn eine Abbildung gemacht wird, eingestellt wer den, um Teile der Abbildung, in denen kein Körperteil ist, optimal abzudecken. Bei einem typischen Röntgenabbildungsver fahren, wie der peripheren Angiographie der Beine, wird ein Kontrastmittel in den Patienten injiziert und mit der Abbil dungsvorrichtung verfolgt. Die Abbildungsvorrichtung folgt dem Kontrastmittel durch Aufnehmen von Abbildungen an mehre ren Stationen entlang der Beine. Bei einer typischen periphe ren Untersuchung der Beine können es bis zu 5-7 Stationen sein. Der Kollimator muß manuell an jeder dieser Stationen eingestellt werden, bevor die Abbildung aufgenommen werden kann. Dies umfaßt das manuelle Einstellen des Kollimators an jeder Station vor einem Maskenlauf (mask run), Speichern der Einstellungen und deren Abrufen aus einer Nachschlagetabelle während der eigentlichen Abbildungsaufnahme.

Das manuelle Einstellen des Kollimators steigert die Zeit und die Dosis der Bestrahlung, der der Patient und der Arzt aus gesetzt sind. Darüber hinaus können der Fähigkeitsgrad des Arztes und andere menschliche Faktoren zu schlechten Abbil dungen führen. Am wichtigsten ist, während der Arzt mit der wichtigen Tätigkeit, sich um den Patienten zu kümmern, be schäftigt ist, sollte er vorzugsweise so wenig wie möglich monotone Ablenkungen haben.

Die automatische Ausblendung ist eine wichtige Anwendung der intelligenten Abbildungsaufnahme (smart image acquisition), welche eine neue Technologie mit vielen möglichen Vorteilen für das diagnostische Abbilden ist. Periphere Röntgenabbil dungsuntersuchungen können von der Durchführung automatischer Ausblendungsverfahren- und techniken erheblich profitieren.

Dementsprechend gibt es einen Bedarf für ein Verfahren und ein System zur Bereitstellung einer zuverlässigen automati schen Ausblendung, die schnell genug ist, während der Abbil dungsaufnahme durchgeführt zu werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Verfahren zum automatischen Einstellen des Kollimators eines Röntgenabbildungssystems zur Abbildungsaufnahmezeit um faßt das Empfangen schneller Aufklärungsbilder (rapid scout images) an einer Abbildungsstation. Die Lage von Körperberei chen in einer der Abbildungen wird dann automatisch detek tiert. Die detektierte Lage der Körperbereiche wird verwen det, um automatisch Einstellungen für den Kollimator zu er zeugen. Die Einstellungen werden verwendet, um den Kollimator einzustellen, um im wesentlichen Nicht-Körperbereiche abzu decken.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfaßt ein Röntgen abbildungssystem zur peripheren Röntgenabbildung eine Rönt genquelle, einen einstellbaren Kollimator, einen Abbildungs verstärker, Aufzeichnungsmedien und automatische Ausblen dungsmittel (collimation means) zum automatischen Einstellen des Kollimators während der Abbildungsaufnahme (image acqui sition). Die automatischen Ausblendungsmittel umfassen Be reichsgrenzenabschätzungsmittel zum Unterteilen des Bildes in Bereiche basierend auf Negativkrümmungsextrema von mehrdirek tionalen Pixelintensitätslinienprofilen, die aus der Abbil dung erhalten werden, Merkmalberechnungsmittel zum Bestimmen von entsprechenden Globalmerkmalen (global features), die zu jedem der Bereiche gehören; Klassifizierungsmittel zum Fest legen jedes der Bereiche als einen der Körper- oder Nicht- Körperbereiche unter Verwendung der Globalerkmale; und Mittel zur Erzeugung von Einstellungen für den Kollimator um im we sentlichen alle Nicht-Körperbereiche abzudecken.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Vorteile, die Beschaffenheit und verschiedene zusätzliche Merkmale der Erfindung erscheinen vollständiger bei Betrach tung der verdeutlichenden Ausbildungsformen, die nun im De tail in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen erläutert werden. In den Zeichnungen:

stellt Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform eines compute risierten Röntgenabbildungsystems dar, das eine Vorrichtung zur Ermöglichung automatischer Ausblendung gemäß der vorlie genden Erfindung verwendet;

ist Fig. 2 ein Flußdiagramm, das die Schritte des automati schen Ausblendungsverfahrens der vorliegenden Erfindung dar stellt;

stellt Fig. 3A eine periphere Röntgenabbildung mit Weichgewe begrenzen mit niedrigem Kontrast in der Nähe des Knöchels dar;

stellt Fig. 3B ein Intensitätsprofil entlang einer horizonta len Linie, die durch den interessierenden Bereich geht, dar;

stellt Fig. 3C eine Abbildung der Linienprofilkrümmungen dar;

stellt Fig. 4A eine Intensitätsabbildung dar;

stellt Fig. 4B eine verrauschte Linienprofilnegativkrümmungs abbildung korrespondierend zu Fig. 4A dar;

stellt Fig. 4C die Negativkrümmungsabbildung von Fig. 4B nach adaptiver Entfernung des Rauschens dar;

stellt Fig. 5A eine Intensitätsabbildung dar;

stellt Fig. 5B die Bereichsgrenzen für die in Fig. 5A gezeig te Abbildung dar;

stellen die Fig. 6A-6C die Homogenität und repräsentative In tensitätsmerkmalswerte für eine typische Abbildung nach Fort pflanzung (propagation) dar; und

stellt Fig. 7 eine graphische Benutzerschnittstelle dar, die durch die automatische Ausblendungsvorrichtung eingeblendet werden kann.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 stellt schematisch eine mögliche Ausführungsform eines computerisierten Röntgenabbildungssystems 10 dar, welches ei ne Vorrichtung 3B zur Ermöglichung einer automatischen Aus blendung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Das Röntgenabbildungssystem wird verwendet für diagnostische Ab bildungsuntersuchungen der Extremitäten (peripherals) (z. B. Beine, Arme, Hals und Kopf). Das Röntgensystem 10 weist eine computerisierte Abbildungseinrichtung 12 auf, die eine Rönt genquelle 14 und einen Kollimator 16 umfaßt. Die Röntgenquel le erzeugt einen Röntgenstrahl 18, der durch den Kollimator 16 ausgeblendet wird. Der Kollimator kann einer von verschie denen Arten von Kollimatoren sein, die im allgemeinen für Röntgenuntersuchungen der Extremitäten verwendet werden. Der Kollimator 16 kann zum Beispiel ein Block-, Mehrblatt oder Fingerkollimator (block, multileaf or finger collimator) sein. Der ausgeblendete Röntgenstrahl 20 durchquert den in teressierenden Bereich 24 des Körpers 22 und trifft auf einen Röntgenabbildungsverstärker 26. Bei anderen Ausführungsformen des Röntgenabbildungssystems kann der Kollimator unmittelbar vor dem Abbildungsverstärker angeordnet sein.

Der Abbildungsverstärker 26 verarbeitet den Röntgenstrahl 20 so daß dieser durch Aufzeichnungsmedien 28, wie einen Film oder einen Bildschirm (CRT), aufgezeichnet werden kann. Die Abbildungseinrichtung 12 ist horizontal in Richtung des Pfeils 30 bewegbar so daß Röntgenabbildungen der Extremitäten an einer Vielzahl von Abbildungsstationen aufgenommen werden können. Beinuntersuchungen können typischerweise 5-7 Statio nen umfassen. Die Horizontalbewegung der Abbildungseinrich tung 12 wird durch einen Schrittmotor 32 ermöglicht, der durch einen Schrittregler 34 gesteuert wird. Eine Kontrast mittelinjektionseinrichtung 36 steht zur Verfügung zum Inji zieren eines Kontrastmittels in den Patienten 22 kurz vor dem diagnostischen Abbilden. Da röntgendiagnostisches Abbilden mittels Röntgenstrahlen wohlbekannt ist und weithin verwendet wird, brauchen die Einzelheiten dieser Komponenten hier nicht weiter in größeren Details ausgeführt werden.

Die automatische Ausblendungsvorrichtung 38 hat eine Schnitt stelle mit dem Kollimator 16 des Systems 10. Die automatische Ausblendungseinrichtung 38 führt ein Verfahren durch, bei welchem eine Röntgenabbildung der Extremitäten in Körperbe reiche und Nicht-Körperbereiche segmentiert wird. Das Verfah ren nutzt diese Informationen, um dem Kollimator 16 geeignete Kollimatoreinstellungen während der Abbildungsaufnahme zur Verfügung zu stellen. Die Einstellungen werden von dem Kolli mator 16 benutzt, um sich selbst einzustellen, um so viel von dem Nicht-Körperbereich und so wenig von dem Körperbereich wie möglich, bei den gegebenen Hardwarebeschränkungen des Kollimators, abzudecken.

Die Aufgabe, den Körper in einer Röntgendurchleuchtungsabbil dung zu lokalisieren ist aus einer Reihe von Gründen schwie rig. Erstens sollte die Segmentation stattfinden ohne zu wis sen, welcher Bereich des Körpers betrachtet wird. Da, zwei tens, Röntgendurchleuchtungsuntersuchungen geringe Strah lungsdosen verwenden, haben die Abbildungen im allgemeinen niedrige Signal-Stör-Abstände (signal to noise ratios). Drit tens haben Weichgewebegrenzen oft einen sehr geringen Kon trast. Wegen der geringen Kontrasterscheinungen scheitern herkömmliche Randdetektionsalgorithmen (edge detection algo rithms) darin, diese Grenzen zu detektieren. Viertens machen die bestehende Ausblendung und Rauschen lokale Intensitäts charakterisika an einem Pixel ungeeignet um zu bestimmen, ob er zu dem Körper gehört. Schließlich müssen die Segmentation und die automatische Ausblendung zur Zeit der Abbildungsauf nahme erfolgen. Dies erlegt der Komplexität- von Bildverarbei tungsoperatoren (image processing operators), die verwendet werden können, enge Beschränkungen auf.

Das Verfahren, das durch die automatische Ausblendungsvor richtung 38 durchgeführt wird, überwindet diese Schwierigkei ten erfolgreich. Wenn das Verfahren als Software implemen tiert ist, arbeitet es stabil und effizient bei verrauschten, geringen Kontrast aufweisenden, möglicherweise vor-ausgeblen deten (pre-collimated) Röntgendurchleuchtungsabbildungen. Im Vergleich zur manuellen Segmentation in Körperbereiche be sitzt das Verfahren eine sehr hohe (<95%) Empfindlichkeit und Genauigkeit. In einem anschaulichen Beispiel des Verfahrens, das effizient als Software implementiert ist, läuft das Ver fahren in weniger als 500 Millisekunden, oder weniger, pro Station auf einem herkömmlichen 200 MHz Pentium Pro PC, der unter Windows NT 4.0 läuft. Durch die Verwendung von Paralle lität und Hardwarebeschleunigern kann die Laufzeit weiter verbessert werden.

Fig. 2 ist ein Flußdiagramm, das die Schritte des automati schen Ausblendungsverfahrens der vorliegenden Erfindung dar stellt. Das Verfahren trennt die Körperbereiche in einer Röntgenabbildung der Extremitäten vom Hintergrund (bei beste hende Ausblendung, direkter Bestrahlung). Die Information darüber, wo der Körper in einer bestehenden Abbildung ist, wird verwendet um Einstellungen für den Kollimator 16 des in Fig. 1 gezeigten Röntgenabbildungssystems zur Verfügung zu stellen.

In Schritt A des Blockdiagramms von Fig. 2 wird die Röntgen quelle des Röntgenabbildungssystems eingestellt, um eine ge eignete Niedrigdosis-Durchleuchtung zu liefern, und der Kol limator wird auf vorbestimmte Standardeinstellungen für die Ausblendung eingestellt. Dieser Schritt wird an jeder Station wiederholt.

In Schritt B wird eine der ankommenden Abbildungen bei jeder Station durch Verkleinern und Glätten der Abbildung vorbear beitet. Diese Vorbearbeitungsschritte sind in der Technik wohlbekannt und weitverbreitet, eine weitere Ausarbeitung ist daher hier nicht erforderlich.

Schritt C umfaßt das Erkennen von Weichgewebegrenzen unter Verwendung gerichteter Krümmungen (directional curvatures) von Intensitätsprofilen. Das genaue Finden der Weichgewebe grenzen ist kritisch, da die nachfolgenden Schritte der Her ausarbeitung und Klassifizierung der Globalmerkmale auf die ser Information beruhen. Randerkennungsverfahren nach dem Stand der Technik scheitern oft daran, die Weichgewebegrenzen in Röntgenabbildungen zu detektieren, da diese Grenzen häufig einen sehr geringen Kontrast aufweisen und unüblich ausge prägte Intensitätsverteilungen haben.

Weichgewebegrenzen werden bei der vorliegenden Erfindung de tektiert durch Bestimmen von Punkten negativer Krümmung ent lang Linienprofilen der Intensität (line profiles of intensi ty) in verschieden gewählten Abtastrichtungen. Diese stellen einen zuverlässigen Indikator für Niedrigkontrastgrenzen, wie Weichgewebe dar. Sogar für einen niedrigen Kontrast aufwei sende oder verschwommene Weichgewebegrenzen existieren gut ausgeprägte Punkte von negativer Krümmung in den Linienprofi len der Intensität. Dies ist in den Fig. 3A-3C dargestellt. Fig. 3A stellt eine periphere Röntgenabbildung mit Niedrig kontrast-Weichgewebegrenzen in der Nähe des Knöchels dar. Ein Intensitätsprofil entlang einer horizontalen Linie, die den interessierenden Bereich durchquert, besitzt Punkte mit nega tiver Krümmung die mit diesen Weichgewebegrenzen, wie in Fig. 3B gezeigt, korrespondieren. Bei einer histogrammentzerrten (histogram equalized) Abbildung der Linienprofilkrümmungen (line profile curvatures) werden Grenzen mit sehr geringem Kontrast in der Negativkrümmungsabbildung von Fig. 3C klar beibehalten. Die Krümmungen von Linienprofilen der Intensität werden wie folgt mit den folgenden Formeln berechnet:

I(i,j) ist definiert als die normalisierte Intensität im Pi xel (i,j), w definiert einen Parameter, der auf die Fenster breite bezogen ist der abhängig ist von der Eingangsabbil dungsgröße, und atan ist die Arcustangensfunktion. Die obige Berechnung ist für horizontale Krümmungen von Linienprofilen der Intensität, ähnliche Berechnungen können für vertikale oder anders gerichtete Krümmungen von Linienprofilen der In tensität durchgeführt werden. Bei der vorliegenden Erfindung werden alle positiven Krümmungswerte ignoriert und daher durch zu Null setzen der positiven Krümmungswerte entfernt. Es wurde herausgefunden, daß Weichgewebegrenzen durch Beach ten nur negativer Krümmungen besser erfaßt werden können. Die Krümmungswerte, die in Fig. 3C gezeigt sind, sind eine Kombi nation negativer horizontaler und vertikaler Krümmungen. Der kombinierte Krümmungswert bei einem Pixel ist das Minimum der horizontalen und vertikale Krümmungen.

Obwohl die Negativkrümmungsabbildung in Fig. 3C zuverlässig alle Weichgewebegrenzen anzeigt, enthält sie immer noch zahl reiche falsche Grenzen. Die Krümmung ist eine Maßzahl (statistic) zweiter Ordnung und ist daher rauschbehaftet.

Damit die Negativkrümmungen brauchbar sind, müssen die fal schen Grenzpixel zuverlässig entfernt werden, während alle wichtigen Grenzen der Weichgewebe beibehalten werden. Dement sprechend wird in Schritt D des Blockdiagramms von Fig. 2 das Rauschen in der Negativkrümmungsabbildung unter Verwendung der Größen- und Ausrichtungsinformation adaptiv entfernt. Die Größeninformation wird nicht allein verwendet, da dies sehr schwache Weichgewebegrenzen entfernen kann, die zu lokalisie ren erwünscht ist. Das Rauschen wird von der Negativkrüm mungsabbildung adaptiv entfernt durch Verstärken gut ausge richteter (well aligned) Krümmungspixel und dann durch Finden einer adaptiven Schwelle basierend auf dem kumulativen Histo gramm von Krümmungswerten in der Abbildung. Die Fig. 4A-4C zeigen die adaptive Rauschentfernung von Negativkrümmungsab bildungen. Fig. 4A zeigt eine Intensitätsabbildung (Röntgen abbildung) und Fig. 4B zeigt eine entsprechende verrauschte Linienprofil-Negativkrümmungsabbildung. Fig. 4C stellt die Negativkrümmungsabbildung von Fig. 4B nach adaptivem Entfer nen des Rauschens dar. Die Abbildungen in Fig. 4B und 4C sind histogrammentzerrt, um Einzelheiten zu zeigen.

Schritt E des in Fig. 2 dargestellten Verfahrens betrifft das Unterteilen der Abbildung in "Bereiche". Dies wird erreicht durch Darstellen der Grenzen von signifikanten Bereichen in der Abbildung mit einer Ein-Pixel-Darstellung der bereinigten Negativkrümmungen. Die Ein-Pixel-Darstellung wird erhalten durch Finden der lokalen Extrema in horizontalen und vertika len Richtungen, Kombinieren derselben und Durchführen einer einfachen Rauschentfernung unter Verwendung herkömmlicher Techniken zur Analyse verbundener Komponenten (connected com ponent analysis).

Die Bereichsinformation dient zum nachfolgenden Gewinnen von Globalmerkmalswerten, die wiederum zur Einteilung verwendet werden, wie im folgenden mehr im Detail erläutert wird. Fig. 5B zeigt die Bereichsgrenzen für die in Fig. 5A gezeigte Ab bildung.

In Schritt F des Blockdiagramms von Fig. 2 werden geeignete Merkmale, wie Wertebereiche von Intensitätswerten, Größe, etc., entlang horizontaler und vertikaler Linien innerhalb jedes in Schritt E erzeugten Bereiches berechnet. Das Verfah ren der Erfindung verwendet vorzugsweise drei Merkmale für die Segmentation. Diese Merkmale sind Homogenität, darstel lende Intensität und Stationsnummer. Homogenität ist das mi nimale Ausmaß an Intensitätsänderung entlang gewählter Rich tungen pro Bildpunkt innerhalb eines Bereiches. Die darstel lende Intensität ist die mittlere Intensität in einem Be reich. Die Stationsnummer ist die Nummer der augenblicklichen Station in Bezug auf eine vollständige Beinuntersuchung. Die Stationsnummern beginnen bei 0 am Beckenbereich.

Durch Laufzeitbeschränkungen ist es erforderlich, daß diese Merkmale einfach sind. Zusätzliche Merkmale, wie die Größe eines Bereichs, die Position eines Bereiches in Bezug auf die Station und in bezug auf eine vollständige Beinuntersuchung, die Varianz von Intensitäten in dem Bereich, etc., wurden un tersucht. Allerdings zeigen überwachte Entscheidungsbaumver fahren (supervised decision tree methods), die bei der vor liegenden Erfindung zur Klassifizierung verwendet werden, vorteilhaft welche Merkmale am brauchbarsten für die Unter scheidung sind. Diese und herkömmliche Merkmalauswahlverfah ren haben gezeigt, daß keine Verbesserung in den Klassifizie rungsergebnissen durch Hinzufügen von mehr Merkmalen zu der oben genannten Gruppe von drei erzielt werden.

Schritt G des Verfahrens betrifft die Zwischenbereichs- und Innerbereichsfortpflanzung (inter-region and intra-region propagation) der Merkmale. Die Merkmale werden zuerst entlang von Abtastlinien in gewählten Richtungen in der Abbildung be rechnet und dann effizient über ganze Bereiche fortgepflanzt (propagated). Wohlbekannte adaptive Glättungsverfahren werden hierbei zur Merkmalswertfortpflanzung verwendet. Die Fig. 6A-6C zeigen die Homogenitäts- und Darstellungsintensitätsmerk malswerte für eine typische Abbildung nach der Fortpflanzung.

In Schritt H des Blockdiagramms von Fig. 2 wird jedes Pixel in der Abbildung basierend auf seinen Merkmalswerten unter Verwendung eines Entscheidungsbaumes in Körperbereich oder Nicht-Körperbereich klassifiziert. Dies Bedarf des Erstellens einer Gruppe von Regeln, die es ermöglichen, daß Körperberei che und Nicht-Körperbereiche auf Basis der Merkmalswerte be stimmt werden. Diese Regeln werden erstellt unter Verwendung überwachten Lernens (supervised learning) und werden deshalb hier als automatisch gelernte Klassifizierer (automatic learned classifiers) bezeichnet. Automatisch gelernte Klassi fizierer verbessern sich vorteilhafterweise im Laufe der Zeit automatisch, wenn neue Daten eingehen. Binäre Entscheidungs bäume werden als spezielle Klassifizierer bei der vorliegen den Erfindung verwendet. Binäre Entscheidungsbäume sind ein fach zu verstehen und zu analysieren und machen die Untertei lung sehr schnell, da wenn/sonst-Feststellungen (if/else sta tements) verwendet werden. Manuell gefundene und festprogram mierte Regeln, die üblicherweise bei Klassifikationen nach dem Stand der Technik verwendet werden, werden bei der vor liegenden Erfindung nicht verwendet, da sie möglicherweise nicht gut verallgemeinern und da die Regeln überarbeitet wer den müssen, wenn neue Daten eintreffen.

Eine vorgegebene Anzahl von Datenpunkten (Pixeln in den Ab bildungen) werden zufällig als Trainingsgruppe ausgewählt. Die Trainingsgruppe wird dann in einem herkömmlichen Ent scheidungsbaumverfahren oder -algorithmus verwendet, um auto matisch den binären Entscheidungsbaum zu erstellen. Das be vorzugt verwendete Entscheidungsbaumverfahren ist ein her kömmliches Klassifizierungs- und Regressionsbaumverfahren (classification and regression tree method) (CART). Dieses Verfahren ist beschrieben durch Breiman et al., Classificati on and Regression Trees, Chapman and Hall Publishers, 1984 (Software erhältlich von Salford Systems, Inc.). Da das CART- Verfahren wohlbekannt ist, braucht es hier nicht in größeren Details ausgeführt werden. Allerdings werden einige der wich tigeren Punkte dieses Verfahrens nun beschrieben.

Das CART-Verfahren nimmt als Eingabe eine Ansammlung von mar kierten Trainingseinheiten, wobei jede dieser Einheiten eini ge Attribute (attributes) und eine Klassenmarkierung (class label) aufweist und als Ausgabe einen hierarchischen Ent scheidungsbaum erzeugt. Bei der vorliegenden Erfindung sind die Einheiten einzelne Bildpunkte, die Attribute sind die oben berechneten Merkmale und die Klassenmarkierungen sind Körperbereich (1) und Nicht-Körperbereich (0). CART wird dann verwendet, um aus den Daten binäre Entscheidungsbäume zu er stellen. Für jede Stufe analysiert CART die Trainingsgruppe um den Test ("Attribut<=Wert") zu bestimmen, der am besten, basierend auf einem Merkmalsbewertungskriterium, zwischen den Klassen unterscheidet. Die Trainingsgruppe wird dann basie rend auf dem Test in zwei Untergruppen geteilt. Das Baum wachstum schreitet rekursiv fort, bis keine Knoten mehr er zeugt werden können. Sobald ein vollständiger Baum erstellt ist, kürzt CART den Baum auf der Basis eines Teils der Trai ningseinheit, die für diesen Zweck reserviert ist, um Rausch anpassungsknoten und/oder nur wenig nützliche Knoten zu ent fernen.

Der bevorzugte binäre Entscheidungsbaum, der bei der vorlie genden Erfindung benutzt wird, ist relativ klein und besitzt lediglich 160 Endknoten. Einen kleinen Baum zu haben ist wichtig, da dies zeigt, daß die gewählten Merkmale geeignet sind für die Klassifizierungsaufgabe und daß der Baum eine hohe Wahrscheinlichkeit aufweist, ungesehene Daten korrekt zu klassifizieren. Wenn beispielsweise die ausgewählte Anzahl von Datenpunkten 95.000 Datenpunkte umfaßt, kann theoretisch ein Baum mit 95.000 Endknoten erstellt werden. Ein 160-Kno ten-Baum, der eine hohe Genauigkeit besitzt für Hunderttausen de von ungesehenen Punkten, deutet darauf hin, daß die be nutzten Merkmale geeignet sind für die Klassifizierung.

Bei der Verwendung des binären Baums für die Klassifizierung werden die Merkmalsvektoren für jedes Pixel den Entschei dungsbaum "hinunterfallen gelassen" ("dropped down" the deci sion tree) bis ein Endknoten erreicht ist. Die Markierung an dem Knoten wird dann dem Pixel zugeordnet.

Obwohl das CART-Verfahren bevorzugt wird, können selbstver ständlich andere Entscheidungsbaumverfahren oder -algorithmen verwendet werden, wenn dies angestrebt ist.

In Schritt I des Blockdiagramms von Fig. 2 wird das Klassifi zierungsergebnis nachbearbeitet, um das Rauschen zu entfer nen. Dies beinhaltet, die Markierungen über die Bereiche zu glätten und eine Analyse verbundener Komponenten (connected components analysis) durchzuführen. Derartige Bildverarbei tungsoperatoren sind in der Technik wohlbekannt und bedürfen keiner weiteren Beschreibung.

In Schritt J wird eine Einstellung für den Kollimator automa tisch aus dem Klassifizierungsergebnis von Schritt I be stimmt. Die Kollimatoreinstellung ist gewählt, um so viel von dem Nicht-Körperbereich wie möglich abzudecken während so viel von dem Körperbereich wie möglich nicht abgedeckt gelas sen wird. Die Kollimatoreinstellungen sind automatisch auf die Beschränkungen des jeweils benutzten Kollimators, zum Beispiel durch Berücksichtigen der Anzahl der Blätter (leafs), der Freiheitsgrade, etc., zugeschnitten.

In Schritt k zeichnet das Abbildungssystem die automatisch berechneten Kollimatoreinstellungsparameter auf, die nachfol gend von dem Kollimator verwendet werden.

In Schritt 1 wird die Röntgenquelle zu der nächsten Station bewegt und das Verfahren wird wiederholt bis alle Stationen bearbeitet sind und die Kollimatoreinstellungen durch das Ab bildungssystem aufgezeichnet sind.

Fig. 7 stellt eine grafische Benutzerschnittstelle dar, die durch die automatische Ausblendungsvorrichtung eingeblendet werden kann. Die dargestellten Abbildungen sind für eine vollständige Beinuntersuchung. Man beachte, daß auch andere periphere Untersuchungen verwendet werden können. Die Schnittstelle blendet ein: Eingangsabbildungen 40 für mehrere Stationen für das gesamte Bein, die Eingangsabbildung einer einzelnen Station 42, das Unterteilungsergebnis für die eine Station 44 und Ergebnisse für das gesamte Bein 46.

Selbstverständlich stellen die oben beschriebenen Ausfüh rungsformen nur wenige der vielen speziellen Möglichkeiten dar, die Anwendungen der Prinzipien der Erfindung repräsen tieren. Zum Beispiel kann eine menschliche Übergehungsmög lichkeit vorgesehen werden, die es dem Arzt oder Bediener er laubt, die automatisch gewählten Kollimatoreinstellungen zu übergehen, wenn dies gewünscht ist. Diese und zahlreiche an dere Modifikationen und Änderungen können durch Fachleute vorgenommen werden, ohne die Idee und den Umfang der Erfin dung zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zum automatischen Einstellen eines Kollimators eines Röntgenabbildungssystems während der Abbildungsaufnahm me, welches die Schritte aufweist:

(a) Empfangen schneller Aufklärungsbilder an einer Abbil dungsstation;
(b) automatisches Detektieren der Lage von Körperbereichen in einer der Abbildungen; und
(c) automatisches Erzeugen von Einstellungen für den Kolli mator basierend auf der detektierten Lage der Körperbereiche, wobei diese Einstellungen zum automatischen Einstellen des Kollimators sind, um im wesentlichen Nicht-Körperbereiche ab zudecken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des automa tischen Detektierens die Schritte umfaßt:
Unterteilen der Abbildung in Bereiche basierend auf Negativ krümmungsextrema von mehrdirektionalen Pixelintensitätslini enprofilen, die aus der Abbildung erhalten werden;
Bestimmen von entsprechenden Globalmerkmalen zu jedem der Be reiche; und
Klassifizieren jedes der Bereiche als einen der Körperberei che oder Nicht-Körperbereiche unter Verwendung der Global merkmale.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Schritt des Unter teilens die Schritte umfaßt:
Erhalten von mehrdirektionalen Pixelintensitätslinienprofilen aus der Abbildung;
Detektieren lokaler Extrema der Negativkrümmung in den Pixel intensitätslinienprofilen;
Kombinieren der Negativkrümmungsextrema, um eine Negativkrüm mungsabbildung zu erzeugen; und
Unterteilen der Negativkrümmungsabbildung in eine Vielzahl von Bereichen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Schritt des Unter teilens weiterhin den Schritt umfaßt, vor dem Schritt des Kombinierens Rauschen von den Negativkrümmungsextremapixeln zu entfernen.

5. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Schritt des Detek tierens den Schritt umfaßt, Rauschen von den Negativkrümmun gen der Pixelintensitätsprofile, die aus der Abbildung erhal ten werden, zu entfernen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Schritt des Entfer nens des Rauschens die Schritte umfaßt:
Verstärken gut ausgerichteter Krümmungspixel in den Negativ krümmungen der Pixelintensitätslinienprofile;
Bestimmen eines adaptiven Schwellenwertes um Pixel zu identi fizieren, die Rauschen in den Negativkrümmungen der Pixelin tensitätslinienprofile darstellen; und
Entfernen von Pixeln, die als Rauschen identifiziert wurden, von den Negativkrümmungen der Pixelintensitätslinienprofile.

7. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Merkmale minimale Intensitätsänderungen pro Pixel entlang gewählter Richtungen innerhalb jedes der Bereiche, die mittlere Intensität in je dem der Bereiche und die Seriennummer der Abbildungsstation enthalten.

8. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Schritt des Bestim mens die Schritte aufweist:
Bestimmen von Merkmalen entlang von Linien in gewählten Rich tungen;
Fortpflanzen von Merkmalen innerhalb jedes der Bereiche; und
Fortpflanzen von Merkmalen über die Bereiche.

9. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Schritt des Klassi fizierens die Schritte umfaßt:
Bereitstellen eines hierarchischen Entscheidungsbaums, der aus einer Ansammlung von Trainingspixeln erstellt wurde, wo bei jedes der Pixel die Merkmale aufweist und als eines aus dem Körperbereich oder Nicht-Körperbereich markiert ist; und
Klassifizieren jedes Pixel entsprechend der Merkmalswerte als eines aus dem Körperbereich oder Nicht-Körperbereich unter Verwendung des Entscheidungsbaums.

10. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Schritt des Klas sifizierens den Schritt umfaßt, Rauschen von den klassifi zierten Bereichen vor dem Schritt des Erzeugens zu entfernen.

11. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Abbildungsstation eine aus einer Vielzahl von Abbildungsstationen ist und das weiterhin die Schritte aufweist:
Empfangen schneller Aufklärungsbilder an jeder der Abbil dungsstationen und Wiederholen der Schritte (b)-(c) für eine ausgewählte der Abbildungen an jeder der Abbildungsstationen; Speichern der Einstellungen, die an den Stationen erhalten werden; und
Einstellen des Kollimators an jeder der Stationen auf die entsprechenden gespeicherten Einstellungen während der dia gnostischen Abbildungsaufnahme.

12. Verfahren zum automatischen Segmentieren einer Röntgenab bildung in Körperbereiche und Nicht-Körperbereiche, das die Schritte aufweist:

(a) Empfangen schneller Aufklärungsbilder an einer Abbil dungsstation;
(b) Unterteilen einer der Abbildungen in Bereiche basierend auf Negativkrümmungsextrema von mehrdirektionalen Pixelinten sitätslinienprofilen, die aus der einen Abbildung erhalten werden,
(c) Bestimmen von entsprechenden Globalmerkmalen zu jedem der Bereiche; und
(d) Klassifizieren jedes der Bereiche als einen Körperbereich oder Nicht-Körperbereich unter Verwendung der Globalmerkmale.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Un terteilens die Schritte umfaßt:
Erhalten mehrdirektionaler Pixelintensitätslinienprofile aus der Abbildung;
Detektieren lokaler Extrema der Negativkrümmung aus den Pixe lintensitätslinienprofilen;
Kombinieren der Negativkrümmungsextrema um eine Negativkrüm mungsabbildung zu erstellen; und
Unterteilen der Negativkrümmungsabbildung in eine Vielzahl von Bereichen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Schritt des Un terteilens weiterhin den Schritt umfaßt, vor dem Schritt des Kombinierens Rauschen von den Negativkrümmungsextremapixeln zu entfernen.

15. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Schritt des Be stimmens den Schritt umfaßt, Rauschen von den Negativkrümmun gen der Pixelintensitätsprofile, die aus der Abbildung erhal ten werden, zu entfernen.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Schritt des Ent fernens des Rauschens die Schritte umfaßt:
Verstärken ausgerichteter Krümmungspixel in den Negativkrüm mungen der Pixelintensitätslinienprofile;
Bestimmen eines adaptiven Schwellenwertes um Pixel zu identi fizieren, die Rauschen in den Negativkrümmungen der Pixelin tensitätslinienprofile darstellen; und
Entfernen von Pixeln, die als Rauschen identifiziert wurden, von den Negativkrümmungen der Pixelintensitätslinienprofile.

17. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Merkmale minimale Intensitätsänderungen pro Pixel entlang gewählter Richtungen innerhalb jedes der Bereiche, die mittlere Intensität in je dem der Bereiche und die Seriennummer der Abbildungsstation enthalten.

18. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Be stimmens die Schritte aufweist:
Bestimmen von Merkmalen entlang von Linien in gewählten Rich tungen;
Fortpflanzen von Merkmalen innerhalb jedes der Bereiche; und
Fortpflanzen von Merkmalen über die Bereiche.

19. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Klas sifizierens die Schritte umfaßt:
Bereitstellen eines hierarchischen Entscheidungsbaums, der aus einer Ansammlung von Trainingspixeln erstellt wurde, wo bei jedes der Pixel die Merkmale aufweist und als eines aus dem Körperbereich oder Nicht-Körperbereich markiert ist; und
Klassifizieren jedes Pixels entsprechend der Merkmale als ei nes aus dem Körperbereich oder Nicht-Körperbereich unter Ver wendung des Entscheidungsbaums.

20. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Klas sifizierens den Schritt umfaßt, Rauschen von den klassifi zierten Bereichen vor dem Schritt des Erzeugens zu entfernen.

21. Röntgenabbildungssystem, das zur peripheren Röntgenabbil dung verwendet wird, aufweisend:
eine Röntgenquelle zum Erzeugen von Röntgenstrahlung;
einen einstellbaren Kollimator, um im wesentlichen die Rönt genbestrahlung von Nicht-Körperbereichen zu verhindern wäh rend im wesentlichen die Röntgenbestrahlung von Körperberei chen erlaubt wird;
einen Abbildungsverstärker zum Empfangen der Röntgenstrahlung nachdem sie einen interessierenden Bereich durchquert hat und Umwandeln der empfangenen Röntgenstrahlung in eine Röntgenab bildung, die aufgezeichnet werden kann;
Aufzeichnungsmedien zum Aufzeichnen der Röntgenabbildung; und
automatische Ausblendungsmittel zum automatischen Einstellen des Kollimators während der Abbildungsaufnahme, wobei die au tomatischen Ausblendungsmittel umfassen:
ein Bereichsgrenzenabschätzungsmittel zum Unterteilen der Ab bildung in Regionen basierend auf Negativkrümmungsextrema von mehrdirektionalen Pixelintensitätslinienprofilen, die aus der Abbildung erhalten werden,
ein Merkmalsberechnungsmittel zum Bestimmen von entsprechen den Globalmerkmalen zu jedem der Bereiche;
ein Klassifizierungsmittel zum Festlegen jedes der Bereiche als einen der Körperbereiche oder Nicht-Körperbereiche unter Verwendung der Globalmerkmale; und
ein Mittel zum Erzeugen von Einstellungen für den Kollimator basierend auf der Klassifizierung, um im wesentlichen die Nicht-Körperbereiche abzudecken.

22. System nach Anspruch 21, bei dem das Bereichsgrenzenab schätzungsmittel umfaßt: ein Mittel zum Erhalten mehrdirek tionaler Pixelintensitätslinienprofile aus der Abbildung;
ein Mittel zum Detektieren lokaler Extrema der Negativkrüm mungen aus den Pixelintensitätslinienprofilen;
ein Mittel zum Kombinieren der Extrema der Negativkrümmungs pixel um eine Negativkrümmungsabbildung zu erzeugen; und
ein Mittel zum Unterteilen der Negativkrümmungsabbildung in eine Vielzahl von Bereichen.

23. System nach Anspruch 22, bei dem das Bereichsgrenzenab schätzungsmittel weiterhin ein Mittel zum Entfernen von Rau schen von den Pixeln der lokalen Extrema der Negativkrümmun gen vor dem Kombinieren der lokalen Extrema der Negativkrüm mungen umfaßt.

24. System nach Anspruch 22, bei dem das Mittel zur Detektion lokaler Extrema der Negativkrümmung ein Mittel zum Entfernen von Rauschen von den Negativkrümmungen der aus der Abbildung erhaltenen Pixelintensitätsprofile umfaßt.

25. System nach Anspruch 24, bei dem das Rauschentfernungs mittel gut ausgerichtete Krümmungspixel in der Negativkrüm mung des Pixelintensitätsprofils verstärkt, einen adaptiven Schwellenwert bestimmt, um Pixel zu identifizieren, die Rau schen in den Negativkrümmungen der Pixelintensitätsprofile darstellen, und Pixel aus den Negativkrümmungen der Pixelin tensitätslinienprofile entfernt, die als Rauschen identifi ziert wurden.

26. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Merkmale minimale Intensitätsänderungen pro Pixel entlang gewählter Richtungen innerhalb jedes der Bereiche, die mittlere Intensität in je dem der Bereiche und die Seriennummer der Abbildungsstation enthalten.

27. System nach Anspruch 21, bei dem das Merkmalsberechnungs mittel ein Mittel zum Bestimmen von Merkmalen entlang Linien in gewählten Richtungen, ein Mittel zum Fortpflanzen der Merkmale innerhalb jeder der Bereiche und ein Mittel zum Fortpflanzen der Merkmale über die Bereiche umfaßt.

28. System nach Anspruch 21, bei dem das Klassifizierungsmit tel aufweist:
ein Mittel zum Erstellen eines hierarchischen Entscheidungs baums aus einer Ansammlung von Trainingspixeln, wobei jedes Pixel die Merkmale aufweist und als eines aus dem Körperbe reich oder Nicht-Körperbereich markiert ist; und
ein Mittel zum Klassifizieren der Pixel entsprechend ihrer Merkmalswerte als eines aus den Körperbereichen oder Nicht- Körperbereichen unter Verwendung des Entscheidungsbaums.

29. System nach Anspruch 21, bei dem das automatische Aus blendungsmittel ein Mittel zum Entfernen von Rauschen aus den klassifizierten Bereichen aufweist.

30. System nach Anspruch 21, bei dem das Mittel zum Erzeugen der Einstellungen beim Erzeugen der Einstellungen die Be schränkungen des Kollimators berücksichtigt.