DE102016205603A1 - Verfahren zum Entrauschen von Zeitserienbildern einer bewegten Struktur für medizinische Geräte - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren (1) zum Entrauschen von Zeitserienbildern (3, 4, 5) einer bewegten Struktur (9) für ein medizinisches Gerät wobei ein Bewegungsdetektor (2) die bewegte Struktur erfasst, der Bewegungsdetektor (2) ein Maß für die Ähnlichkeit von Bildern, die jeweils ein und denselben Abschnitt der bewegten Struktur (9) darstellen, gewinnt, wobei die beiden Bilder aus zwei unterschiedlichen der Zeitserienbilder (3, 4, 5) stammen, und in Abhängigkeit von dem Maß für die Ähnlichkeit ein Verhältnis zwischen einem räumlichen (6) und zeitlichen (7) Entrauschen für den Abschnitt festgelegt wird.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entrauschen von Zeitserienbildern einer bewegten Struktur für medizinische Geräte. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Zeitserienbilder von Röntgengeräten.
- In bestimmten medizinischen Anwendungen werden Bilder zeitlich gemittelt, um die Bildqualität zu erhöhen. Bei dieser zeitlichen Mittelung handelt es sich um ein Verfahren, bei welchem Bilder von einem gleichen Abschnitt übereinander gelegt werden. Durch das Übereinanderlegen der unterschiedlichen Zeitserienbilder eines gleichen Abschnittes kommt es zur Überlagerung von einzelnen Bildpunkten, sodass dort eine Verstärkung stattfinden kann, was wiederum zu einer Verbesserung des Kontrast-zu-Rauschverhältnisses führt. Die Dies trägt wiederum zur Erhöhung der Bildqualität bei. Eine Erhöhung des Kontrast-zu-Rauschverhältnisses kann nur bei Zeitserienbildern realisiert werden, bei welchen zwischen den einzelnen Aufnahmen keine Bewegung stattgefunden hat. Mit anderen Worten kann eine Erhöhung des Kontrast-zu-Rauschverhältnisses nur dann stattfinden, wenn ein Bildpunkt in einem ersten Zeitserienbild sich am gleichen Ort befindet wie beim zweiten Zeitserienbild. Sobald sich bewegte Strukturen innerhalb der Zeitserienbilder befinden und eine Mittelung über diese Zeitserienbilder stattfindet, führt dies zu einem Kontrastverlust innerhalb der Bereiche der bewegten Struktur.
- Beim heutigen Stand der Technik wird hierzu ein Bewegungsdetektor eingesetzt, welcher die Bereiche erfasst, bei denen eine Bewegung stattfindet. Um eine Unschärfe bei einer Bewegung im Bild zu kompensieren, wird über den Bereich der bewegten Struktur eine Mittelung reduziert bzw. gänzlich ausgeschaltet. Dies wiederum führt dazu, dass Strukturen, die sich bewegt haben, in der Sichtbarkeit, insbesondere im Kontrast-zu-Rauschverhältnis, nicht verbessert werden. Des Weiteren kann es durch die verringerte Mittelung in den bewegten Bereichen zu lokalen Unterschieden im Rauscheindruck, also unterschiedliche Artefakte kommen. Die heutigen Verfahren zum Entrauschen von Zeitserienbildern nutzen entweder eine feste Mittelung oder ein Verfahren mit Bewegungsdetektor, welcher den Grad der Mittelung der Bewegung anpasst.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zu entwickeln, sowohl statische als auch bewegte Strukturen besser und mit einem möglichst hohen Kontrast-zu-Rauschverhältnis darstellen zu können.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Entrauschen von Zeitserienbildern einer bewegten Struktur für ein medizinisches Gerät, wobei ein Bewegungsdetektor die bewegte Struktur erfasst, der Bewegungsdetektor ein Maß für die Ähnlichkeit von Bildern, die jeweils ein und denselben Abschnitt der bewegten Struktur darstellen, gewinnt, wobei die beiden Bilder aus zwei unterschiedlichen der Zeitserienbilder stammen, und in Abhängigkeit von dem Maß ein Verhältnis zwischen einem räumlichen und zeitlichen Entrauschen für den Abschnitt festgelegt wird.
- Darüber hinaus wird bereitgestellt eine Vorrichtung zum Entrauschen von Zeitserienbildern einer bewegten Struktur für ein medizinisches Gerät mit einer Entrauschungseinrichtung und einem Bewegungsdetektor, der dazu ausgebildet ist, die bewegte Struktur zu erfassen und ein Maß für die Ähnlichkeit von Bildern, die jeweils ein und denselben Abschnitt der bewegten Struktur darstellen, zu gewinnen, wobei die beiden Bilder aus zwei unterschiedlichen der Zeitserienbilder stammen, und der ferner dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem Maß ein Verhältnis zwischen einem räumlichen und zeitlichen Entrauschen für die Entrauschungseinrichtung festzulegen.
- In vorteilhafter Weise kann für das Verfahren ein multiskalarer Ansatz verwendet werden. Dies hat den Grund darin, dass das Rauschen, insbesondere in Röntgengeräten, poissonverteilt ist und mit der Systemmodulationsübertragungsfunktion gefaltet ist. Somit können Signal und Rauschen in unterschiedliche Ortsfrequenzen analysiert und verarbeitet werden. Um die Sichtbarkeit, insbesondere das Kontrastverhältnis, bewegter Strukturen verbessern zu können, wird vorzugsweise multiskalar eine Zeitreihenanalyse, insbesondere der Zeitserienbilder, angewendet. Um nun die bewegte Struktur zu erfassen ist ein Bewegungsdetektor vorgesehen. Dieser Bewegungsdetektor legt mittels mindestens zwei unterschiedlichen Zeitserienbildern, indem er ein Maß für die Ähnlichkeit der Bilder gewinnt, das Verhältnis zwischen einem räumlichen und einem zeitlichen Entrauschen fest. Dieser Bewegungsdetektor kann auf mehrere Abschnitte angewendet werden. Mittels des Bewegungsdetektors wird der Grad einer Mittelung adaptiert.
- Bei einer starken Bewegung und im daraus folgenden geringen Grad der zeitlichen Mittelung kann es zu einem erhöhten lokalen Rauschen kommen, wobei für diese Bereiche dann ein lokaler Entrauscher verwendet werden kann.
- In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Zeitserienbilder in mindestens zwei Bandpasssignale zerlegt. Die Bildzerlegung in Bandpasssignale hat den Vorteil, dass Bandpasssignale eine Mittelwertsfreiheit besitzen, was bedeutet, dass eine Frequenz innerhalb des Bandpasses einen Erwartungswert von 0 hat. Nach der Zerlegung in Bandpasssignale in einer Zerlegungsebene können einzelne Entrauschungen an diesen durchgeführt werden. Nach dem Entrauschen werden die entrauschten Bandpasssignale wiederum zu einem Bild zusammengefügt, welches damit entrauscht ist.
- Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Zerlegen mittels einer Laplacezerlegung oder einer A-Trous-Zerlegung erfolgt. Bei beiden Zerlegungen handelt es sich um einen Filtermethode zur Kantendetektion bei Frequenzanalysen. Hierbei können entsprechende Kanten detektiert werden, die beispielsweise nicht mit entrauscht werden sollen, und somit nur ein Entrauschen in den gewünschten Frequenzbereichen auf einfache Weise durchgeführt wird.
- Es hat sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, wenn die Zerlegung mittels eines kantenerhaltenden Kernels erfolgt. Mittels des kantenerhaltenden Kernels kann ebenfalls eine Kontrasterhöhung realisiert werden, wobei gleichzeitig störende Signale gefiltert werden können.
- In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform kann das Maß der Ähnlichkeit anhand eines Vergleichs von jeweiligen Ausgangssignalen eines der Bandpässe für zwei der Zeitserienilder gewonnen werden. Durch den Vergleich zweier (Teil-)Bilder der Zeitserienbilder kann der Bewegungsdetektor ein Maß für die Ähnlichkeit erstellen und somit anhand einer Entscheidungsgröße das Verhältnis zwischen einem räumlichen und zeitlichen Entrauschen festlegen. Weiterhin möglich ist, wenn das Maß für die Ähnlichkeit aus mehr als zwei Zeitserienbildern, insbesondere aus drei der Zeitserienbildern gewonnen wird. Durch den Vergleich von mehreren Zeitserienbildern kann sichergestellt werden, dass eine Bewegung detektiert wird, und das Maß der Ähnlichkeit sicherer bestimmt wird.
- Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn das Verhältnis zwischen räumlichen und zeitlichen Entrauschen entsprechend der Formel:
BP_filtered(T)xy = (1 – αxy)·BP_denoise_spatial(T)xy + αxy·BP_filtered(T – n)x+dx,y+dy - Bei dem Wert BP_denoise_spatial(T)x,y handelt es sich um ein räumlich entrauschtes Bandpasssignal, welches vor dem eigentlichen Verfahren entrauscht wird und entspricht damit dem BP_smoothed(T, x, y). Bei BP_filtered(T – n)x+dx,y+dy handelt es sich um ein Bandpasssignal ähnlich wie BP_filtered(T)x,y mit dem Unterschied, dass BP_filtered(T – n)x+dx,y+dy ein Bandpasssignal der Vergangenheit ist, und zum Vergleich herangezogen wird. So wird die Ähnlichkeit der Bandpasssignale festgestellt und entsprechend ein α ermittelt.
- In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform kann das Maß der Ähnlichkeit anhand eines Vergleichs von jeweiligen Ausgangssignalen von mindestens zwei Tiefpässen für zwei der Bilder gewonnen werden. Mittels des weiteren Einsatzes von Tiefpässen kann eine weitere Erhöhung der Genauigkeit der Bewegungsdetektion realisiert werden, sodass dies wiederum zur Bildqualität beitragen kann.
- Es hat sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, wenn es sich bei der Überblendungsfunktion um eine lineare und/oder eine Arkustangens Funktion handelt. Es können unterschiedliche Überblendungsfunktionen genutzt werden, sodass eine auf die bewegte Struktur abgestimmte Entrauschung realisiert werden kann.
- In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform handelt es sich bei dem medizinischen Gerät um ein Röntgengerät oder ein Infrarotaufnahmegerät. Insbesondere bei Röntgen- und Infrarotaufnahmegeräten kann es häufig zu Aufnahmen von größeren Bereichen mit bewegten Strukturen kommen. Das oben beschriebene Verfahren kann insbesondere bei Röntgen- und/oder Infrarotaufnahmegeräten für eine Verbesserung der Bildqualität sorgen.
- Die oben genannten Verfahrensmerkmale des Verfahrens lassen sich auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung als entsprechende funktionelle Merkmale übertragen.
- Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
-
1 ein Blockschaltbild des Verfahrens; -
2 einen detaillierten Abschnitt von1 ; und -
3 einen Funktionsverlauf für den Wert α. - Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Dabei ist zu beachten, dass die einzelnen Merkmale nicht nur in den geschilderten Kombinationen, sondern auch in Alleinstellung oder in anderen technisch sinnvollen Kombinationen realisierbar sind.
-
1 zeigt dabei beispielhaft für das Verfahren1 ein Blockschaltbild, wie aus einem Bild einer bewegten Struktur9 mittels des Verfahrens1 ein entrauschtes Zeitserienbild3 ,4 ,5 realisiert wird. Das Verfahren korrespondiert mit einer entsprechenden Vorrichtung mit Entrauschungseinrichtung und Bewegungsdetektor. Die bewegte Struktur9 kann in Bandpasssignale8 zerlegt werden. Dies geschieht insbesondere durch eine Laplacezerlegung oder durch die Anwendung einer A-Trous Zerlegung mittels eines adaptiv kantenerhaltenden Kernels. Der Vorteil einer Bandpasszerlegung liegt hierbei in der Mittelwertfreiheit bei Bandpasssignalen8 . Eine Zerlegung in einer Zerlegungsebene10 in Bandpasssignale8 hat den Hintergrund, dass Rauschen, insbesondere bei Röntgensystemen, poissonverteilt ist und mit der Systemmodulationsübertragungsfunktion gefaltet ist. Somit können das Rauschen, aber auch andere Signale, in unterschiedlichen Ortsfrequenzen analysiert und verarbeitet werden, sodass hier Bandpässe zum Einsatz kommen können. In1 wird beispielhaft das Verfahren an nur einem Bandpasssignal8 durchgeführt. Das Verfahren kann zusätzlich oder alternativ auch auf die anderen Bandpassignal8 angewendet werden. Als Alternative zu der Zerlegung in Bandpasssignale8 kann auch in Tiefpasssignale zerlegt werden. Nach der Zerlegung der bewegten Struktur9 in verschiedene Bandpasssignale8 findet vorzugsweise mittels eines lokalen Entrauschers6 eine Vorentrauschung in einer spatialen Entrauschungsebene17 statt. Das so erhaltene räumlich entrauschte Bandpasssignal12 kann beispielsweise durch eine Messung der lokalen Varianz in dem Bandpasssignal8 , dem Vergleich dieser Messung mit der erwarteten Varianz des Rauschens und der Verkleinerung des lokalen Koeffizienten in dem Bandpasssignal entstehen. - Das spatial bzw. räumlich entrauschte bzw. geglättete Bandpasssignal
12 wird nun mittels des Verfahrens1 zur Bewegungskompensation und/oder Bewegungsdetektion weiter gefiltert.2 beschreibt dabei ebenfalls in einem Blockschaltbild das Verfahren1 näher. Ein Bewegungsdetektor2 erfasst hierbei die bewegte Struktur9 aus dem spatial entrauschten Bandpasssignal12 , indem er das von einem Bildsignal14 , welches aus einem Bildpuffer stammt, spatial entrauschte Bandpasssignal12 zum Zeitpunkt T = T0 (mit T als ganze Zahl) mit einem Vergangenheitsbandpasssignal11a zum Zeitpunkt T = T0 – 1, welches von einem Bildsignal15 zum Zeitpunkt T = T0 – 1 aus dem Bildpuffer stammt, vergleicht. Hierbei entstehen Verschiebevektoren, welche wiederum für eine Entscheidungsgröße21 (vgl.3 ) herangezogen werden können. Ein Maß für die Ähnlichkeit zwischen dem spatial entrauschten Bandpasssignal12 zum Zeitpunkt T = T0 und dem Vergangenheitsbandpasssignal11a zum Zeitpunkt T = T0 – 1 kann beispielsweise durch die Summe absoluter Differenzen berechnet werden. Beim Beispiel als Maß für die Ähnlichkeit, dass die Summe der absoluten Differenzen herangezogen wird, wäre dann der Verschiebevektor durch ein Minimum entsprechender Maße für die Ähnlichkeit der Bildpunkte einer Umgebung des jeweiligen Bildpunkts gegeben. Um eine weitere Qualitätssteigerung zu gewährleisten, können die Verschiebevektoren auch zuerst auf niederfrequenten Bandpasssignalen8 gesucht werden. - Nachdem der Bewegungsdetektor
2 anhand der Entscheidungsgröße21 einen Zumischungsgrad α23 eines räumlichen Entrauschens6 zum zeitlichen Entrauschen7 berechnet hat, erfolgt die Ausgabe eines entrauschten Bandpasssignals11 zum Zeitpunkt T = T014 . Der Wert von α23 kann dabei zwischen 0 oder 1 liegen und wird in3 beispielsweise als linearer Übergang näher beschrieben. - Bei dem in
1 gezeigten Ausführungsbeispiel werden beim Verfahren1 zum entrauschten Vergangenheitsbandpasssignal11a auch weitere entrauschte Vergangenheitsbandpasssignale11b aus der Vergangenheit T = T0 – n16 herangezogen. Das Heranziehen von mehreren entrauschten Vergangenheitsbandpasssignalen11b dient einer Erhöhung der Genauigkeit der Bewegungsdetektion und gleichzeitig einer Verbesserung der Entrauschung. - Um nun ein entrauschtes Zeitserienbild
3 zu erhalten, werden die einzelnen, zum Teil entrauschten Bandpasssignale11 beim Zusammenfügen in einer spatio-temporalen Entrauschungsebene18 zu einem Bild zusammengefügt. -
3 zeigt einen Graphen, welcher beispielhaft beschreibt, wie der Bewegungsdetektor anhand der Ähnlichkeit der Abschnitte der bewegten Struktur9 eine Entscheidungsgröße21 fällt und das Verhältnis zwischen räumlichem Entrauschen6 und zeitlichem Entrauschen7 , sprich den Wert α23 , berechnet. Dabei ist insbesondere auf der Abszisse der Wert α23 zwischen 0 und 1 angezeichnet, wobei 0 dem Ursprung entspricht. Auf der Ordinate ist die Entscheidungsgröße21 zu finden, die beispielsweise aus den Summen der absoluten Differenzen von einer Verschiebung eines Bildpunktes des spatialen entrauschten Bandpasssignals12 mit dem Vergangenheitsbandpasssignal11a entsteht. Dabei ist hier beispielhaft der Verlauf von α23 als Graph22 eingezeichnet, der sich in diesem Fall linear verhält. Insbesondere ist hier bei einer geringen Differenz zwischen dem spatial entrauschten Bandpasssignal12 und dem Vergangenheitsbandpasssignal11a ein kleiner Wert zu finden, womit α bei 1 liegt. Dies bedeutet, dass der Zumischungsgrad eines räumlichen Entrauschens6 sehr gering, insbesondere bei 0 ist. Somit findet ein rein zeitliches Entrauschen statt. Bei einer hohen absoluten Differenz ist α sehr niedrig, insbesondere (nahe) 0, wodurch ein hohes zeitliches Entrauschen7 nicht angewendet wird. In der in3 dargestellten Entscheidungsgröße21 , wird die Summe der absoluten Differenzen dargestellt, es sind aber auch andere Abstandsmaße möglich. Des Weiteren sind auch andere Funktionen die nicht linear sind, beispielsweise eine Arkustangens Funktion als Graph22 möglich. Zur näheren Beschreibung des Graphen22 dient zum Einen der Übergangspunkt19 (z.B. Schwellwert), der z.B. ein α 23 von 0,5 darstellt, der zum Unterscheiden dient, ab welchem Abstandsmaß ein eher räumliches Entrauschen6 oder ein eher zeitliches Entrauschen7 angewendet wird. Die Steilheit des Übergangs20 beschreibt dabei den Größenbereich, bei welchem eine Mischung sowohl von dem zeitlichen Entrauscher7 als auch dem räumlichen Entrauschers6 stattfindet und bei welchem α23 ungleich 1 und ungleich 0 ist.
Claims (10)
- Verfahren (
1 ) zum Entrauschen von Zeitserienbildern (3 ,4 ,5 ) einer bewegten Struktur (9 ) für ein medizinisches Gerät dadurch gekennzeichnet, dass ein Bewegungsdetektor (2 ) die bewegte Struktur erfasst, der Bewegungsdetektor (2 ) ein Maß für die Ähnlichkeit von Bildern, die jeweils ein und denselben Abschnitt der bewegten Struktur (9 ) darstellen, gewinnt, wobei die beiden Bilder aus zwei unterschiedlichen der Zeitserienbilder (3 ,4 ,5 ) stammen, und in Abhängigkeit von dem Maß für die Ähnlichkeit ein Verhältnis zwischen einem räumlichen (6 ) und zeitlichen (7 ) Entrauschen für den Abschnitt festgelegt wird. - Verfahren (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilder vor dem Gewinnen des Maßes für die Ähnlichkeit von mindestens zwei Bandpässen zerlegt werden, .... - Verfahren (
1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerlegen (10 ) mittels einer Laplacezerlegung oder einer A-Trous Zerlegung erfolgt. - Verfahren (
1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass, ein kantenerhaltender Kernel eingesetzt wird. - Verfahren (
1 ) nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß der Ähnlichkeit anhand eines Vergleichs von jeweiligen Bandpasssignalen (8 ) eines der Bandpässe für zwei der Bilder gewonnen wird. - Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen räumlichen (
6 ) und zeitlichen (7 ) Entrauschen entsprechend der FormelBP_filtered(T)x,y = (1 – αx,y)·BP_denoise_spatial(T)x,y + αx,y·BP_filtered(T – n)x+dx,y+dy 23 ) ein Wert zwischen 0 und 1 ist und das Verhältnis zwischen räumlichem (6 ) und zeitlichem (7 ) Entrauschen wiedergibt, wobei der Wert 1 ausschließlich zeitliches Entrauschen (7 ) bedeutet und der Wert 0 ausschließlich räumliches Entrauschen (6 ) bedeutet, BP_denoise_spatial(T)x,y ein räumlich entrauschtes Bandpasssignal darstellt und BP_filtered(T – n)x+dx,y+dy ein gefiltertes Vergangenheitsbandpasssignal (11a ) eines dem ersten vorangehenden zweiten der Zeitserienbilder (4 ,5 ) ist. - Verfahren (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß der Ähnlichkeit anhand eines Vergleichs von jeweiligen Ausgangssignalen von mindestens zwei Tiefpässen (13 ) für zwei der Bilder gewonnen wird. - Verfahren (
1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei einer Überblendungsfunktion um eine lineare und/oder eine Arkustangens Funktion handelt. - Verfahren (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem medizinischen Gerät um ein Röntgengerät oder ein Infrarotaufnahmegerät handelt. - Vorrichtung zum Entrauschen von Zeitserienbildern (
3 ,4 ,5 ) einer bewegten Struktur (9 ) für ein medizinisches Gerät mit einer Entrauschungseinrichtung und einem Bewegungsdetektor (2 ), der dazu ausgebildet ist, die bewegte Struktur (9 ) zu erfassen und ein Maß für die Ähnlichkeit von Bildern, die jeweils ein und denselben Abschnitt der bewegten Struktur (9 ) darstellen, zu gewinnen, wobei die beiden Bilder aus zwei unterschiedlichen der Zeitserienbilder (3 ,4 ,5 ) stammen, und der ferner dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem Maß ein Verhältnis zwischen einem räumlichen (6 ) und zeitlichen Entrauschen (7 ) für die Entrauschungseinrichtung festzulegen.
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DE102019122667A1 (de) * | 2019-08-22 | 2021-02-25 | Schölly Fiberoptic GmbH | Verfahren zur Unterdrückung von Bildrauschen in einem Videobildstrom, sowie zugehöriges medizinisches Bildaufnahmesystem und Computerprogrammprodukt |
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US11350881B2 (en) | 2019-08-22 | 2022-06-07 | Scholly Fiberoptic Gmbh | Method for suppressing image noise in a video image stream, and associated medical image recording system and computer program product |
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