DE19912854A1

DE19912854A1 - Verfahren zur Korrektur des Vergrößerungsfaktors bei digitalen Röntgenaufnahmen

Info

Publication number: DE19912854A1
Application number: DE19912854A
Authority: DE
Inventors: Michael Doebert; Roland Bonk
Original assignee: Sirona Dental Systems GmbH
Current assignee: Sirona Dental Systems GmbH
Priority date: 1999-03-22
Filing date: 1999-03-22
Publication date: 2000-10-05
Also published as: US6570953B1; EP1164935B1; EP1164935A1; WO2000056217A1; ATE376802T1; DE50014743D1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Korrektur des Vergrößerungsfaktors bei Röntgenaufnahmen, wobei eine Bildebene (6) in ein Array von x,y-Pixeln aufgeteilt ist. Mit einer digitalen Röntgenaufnahme (21) mit Vergrößerung eines Objektes (4) wird ein Korrekturbereich definiert, danach erfolgt die Umrechnung jedes beleuchteten x,y-Pixels der Bildebene (6) für eine vorgegebene Schichtlage (18, 18.1, 18.2) der Fokalebene (5). Schließlich wird jedes aus der Bildebene (6) umgerechnete x,y-Pixel in der Größe, in der das Objekt (4) in der Fokalebene (5) vorliegt, abgebildet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Korrektur des Vergrößerungsfaktors bei der Abbildung von Röntgenstrahlung auf einem digitalen Aufnahmesystem.

Bei Röntgenaufnahmen, auch bei digitalen Röntgenaufnahmen, verläuft der Strahlengang ausgehend von einer Strahlenquelle, der Fokusebene, durch das zu durchstrahlende Objekt, in dem die Fokalkurve liegt, beispielsweise Ober- oder Unterkieferbereiche, bevor die Strahlen auf die Sensorebene treffen, in der das Objekt abgebildet wird. Der Abstand zwischen der Fokalebene und der Sensor- oder Empfangsebene ergibt sich in der Regel aus den Abmessungen des zu durchstrahlenden Objekts.

Der Strahlengang von der Strahlenquellen durch die Fokalebene in die die Strahlung empfangende Ebene folgt den Gesetzmäßigkeiten des Strahlensatzes. Ausgehend von der Strahlungsquelle verläuft das Strahlenbündel durch die Fokalebene, die sich in dem abzubildenden Objekt befindet. In der Fokalebene hat das Objekt die wahre Größe, im Maßstab von 1 : 1. Von der Objektebene aus verläuft das Strahlenbündel - nunmehr in Stärke und Kontrast durch das Objekt beeinflußt - weiter im Winkel ansteigend, wodurch das Objekt der Fokalebene in vertikaler und horizontaler Richtung abhängig vom Abstand der Fokalebene von der Sensor- oder Empfangsebene vergrößert und damit verzerrt wird. Das Objekt, beispielsweise einzelne Zähne oder ganze Partien von Ober- bzw. Unterkiefer, werden in der Empfangsebene um einen zwischen 1,05 und 1,24 liegenden Faktor in vertikale Richtung gesehen, vergrößert abgebildet. Ohne Korrektur entsteht bei Röntgenaufnahmen, auch bei digitalen Röntgenaufnahmen, eine verzerrte Darstellung des Objekts auf der Abbildungsebene.

Bei der Diagnose eines solchen Röntgenbildes und der Auswertung von sich ergebenden Besonderheiten auf dem Röntgenbild, muß der vertikalen und horizontalen Verzerrung einzelner Bereiche des Röntgenbildes Rechnung getragen werden; zum Erreichen maßstabsgerechter Verhältnisse auf dem Röntgenbild müssen die verzerrten Bereiche des Röntgenbildes visuell interpoliert werden. Dies kann zu Fehlern bei der Interpretation führen, insbesondere aus der oft schwer einschätzbaren räumlichen Zuordnung.

Bisher hat man sich damit beholfen, die tatsächlichen Größenverhältnisse des zu diagnostizierenden Bereiches aus dem Film oder aus dem Ausdruck bei digitalen Röntgenaufnahmen mit Hilfe von Rückrechnungen, Schablonen oder aus dem Strahlensatz bei bekanntem Vergrößerungsfaktor zwischen Objekt und Empfangsebene zu bestimmen. In eine solche Rückrechnung aus einem Röntgenbild oder einem digitalen Ausdruck können jedoch die tatsächlichen anatomischen und geometrischen Verhältnisse nicht eingehen, somit bleibt eine solche Modifikation immer mit einer Unsicherheit behaftet, die eine sichere Diagnose nicht oder nicht immer zuläßt.

Ausgehend von den bisher bekannten Abhilfemöglichkeiten zur Korrektur des Vergrößerungsfaktors, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, welches unter Berücksichtigung der anatomischen und geometrischen Verhältnisse eine maßstabsgetreue Abbildung des Objekts in der Bildebene erlaubt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht mit einer Vielzahl von Vorteilen einher. Die Aussagefähigkeit von digitalen Röntgenaufnahmen kann mit dem Verfahren erheblich verbessert werden, da geometrische Verhältnisse aufeinander abgestimmt werden können und bei Rückrechnungen und durch Schätzung einfließende Unsicherheitsfaktoren ausgeschlossen sind. Mittels der Korrektur des Vergrößerungsfaktors auf die in der Objektebene herrschende maßstabsgetreue Größe von 1 : 1 kann ein addiertes Gesamtbild in dreidimensionalen Abbildungen generiert und auf dem Bildschirm in vielfältigen Darstellungen wiedergegeben werden.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine digitale Abbildung in der Bildebene von einem Sensor mit in Zeilen und Spalten als Array angeordneten Pixeln aufgenommen werden. Dabei erfolgt der Aufbau der digitalen Abbildung während der Drehung eines Fokus' um ein Zentrum durch spaltenweises Auslesen der Pixel aus dem Sensor. Während der Drehung des Fokus' um das Zentrum entlang der Fokalkurve wird das aufgenommene Objekt einer definierten Schichtlage zugeordnet. Diese Zuordnung von Objekt und Schichtlage wird jeweils abgespeichert; auf diese Information kann wieder zugegriffen werden.

Eine Korrektur des Vergrößerungsfaktors erfolgt dann dergestalt, daß jedes in der Empfangs- oder Bildebene beleuchtete Pixel für eine vorgegebene Schichtlage in seiner Höhe auf die Pixelhöhe reduziert wird, die in der Fokalebene, also beispielsweise des abzubildenden Ober- oder Unterkiefers, herrscht. In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gedankens können die in der Bildebene liegenden beleuchteten Pixel für jede vorgegebene Schichtlage auch in der Breite umgerechnet werden. Die auf die Höhe der Objektebene, also der Fokalebene, umgerechneten Pixel können dann so korrigiert in der Bildebene abgebildet werden oder auf einem Monitor eines Bildschirmes im Maßstab 1 : 1 maßstabsgerecht ohne Verzerrung abgebildet werden. Die auf diese durch Umrechnung der Pixelgröße erhaltene maßstabsgerechte Abbildung ohne Verzerrung kann anschließend in vielfältiger Weise weiterverarbeitet werden.

Das erfindungsgemäße Korrekturverfahren ist besonders vorteilhaft innerhalb einer Auswerteeinheit an einem Röntgengerät zur Aufnahme digitaler Röntgenaufnahmen einsetzbar, bei dem ein Fokus entlang einer Fokalkurve um ein Zentrum bewegbar ist, wobei ein Sensor in der Bildebene liegt, der als Schieberegister ausgebildet ist und aus dem die Bildinformationen pro Takt spaltenweise auslesbar sind.

Anhand einer Zeichnung sei die Erfindung nachstehend im Detail erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 den Strahlengang vom Fokus durch die Fokalebene auf eine Sensorebene,

Fig. 2 eine vollständige Schichtlagenaufnahme,

Fig. 3 eine Auswerteeinheit zur Korrektur des Vergrößerungsfaktors in der Abbildung,

Fig. 1 zeigt den Strahlengang ausgehend vom Fokus durch die Fokalebene auf eine Sensorebene.

Aus der schematischen Skizze geht hervor, daß eine Fokus 1 beispielsweise eine Röntgenquelle, ein Röntgenstrahlenbündel 3 aussendet. Das Strahlenbündel 3 fächert sich wie in Fig. 1 dargestellt auf und durchdringt ein Objekt in einer Fokalebene 5, die sich im Abstand h' vom Fokus 1 befindet. Im vorliegenden Falle gemäß Fig. 1 liegen in der Fokalkurve 5 die Zähne in Ober- und Unterkiefer, die von dem Strahlenbündel 3 durchdrungen werden. Das durch Absorption beeinflußte Strahlungsbündel 7 fällt in der Empfangs- oder Bildebene 6 auf einen dort angeordneten Sensor 10. Aufgrund der Gesetzmäßigkeiten des Strahlensatzes werden die Objekte der Fokalebene 5 statt in ihrer maßstabsgerechten (M 1 : 1) Größe 9 mit einem Vergrößerungsfaktor, der sich zwischen 1,05 und 1,24 bewegt, mit der Höhe 8 in der Bildebene 6 abgebildet. Die strahlungsempfindliche Oberfläche (Bildebene 6) des Sensors 10 ist im Abstand von h" von der Fokalebene 5 angeordnet, mit a ist die Verzerrung des Abbildes in vertikale Richtung gekennzeichnet, die die vertikale Erstreckung der Abbildung nicht maßstabsgerecht erscheinen läßt.

Ein in der Bildebene 6 angeordneter Sensor weist strahlungsempfindliche Pixel auf seiner Oberfläche auf. Die Pixel sind jeweils symmetrisch zur Mitte der strahlungsempfindlichen Fläche verteilt angeordnet. Die strahlungsempfindliche Oberfläche des Sensors kann 66 und mehr sich in vertikaler Richtung erstreckende Spalten aufweisen, von denen jede wiederum in 1500 und mehr Zeilen unterteilt sein kann. Ein Pixel läßt sich genau einer Zeile und einer Spalte zuordnen, wodurch jedes Pixel auf der Oberfläche des Sensors eindeutig adressierbar ist. Pro TDI-Impuls, mit der die Röntgenaufnahme gemacht wird, wird eine komplette Pixelspalte aus dem beispielsweise als Schieberegister fungierenden Sensor per Signalausgang ausgelesen, während gleichzeitig die dadurch in Aufnahmerichtung nächstliegende Spalte wieder neu belichtet wird; somit entsteht die Röntgenaufnahme spaltenweise, während gleichzeitig die Schichtlage identifiziert und abgespeichert wird, für welche die aufgenommene spaltenweise Pixelspalte gerade ausgelesen wurde. So wird eine Zuordnung zwischen Pixelspalte und Sensor und zugehöriger Schichtlage - beispielsweise im Ober- oder Unterkiefer - sichergestellt (vgl. Fig. 2).

In Fig. 3 ist eine vollständige Schichtlagenaufnahme mit stilisierter Einzeichnung des scharf abgebildeten Kieferbereiches dargestellt.

Während des Aufhahmezyklus der Röntgenaufnahme, d. h. des Umlaufes des Fokus 1 um einen Drehpunkt wird der gesamte die Fokalkurve 5 bildende Kiefer abgefahren und jede hier durch Striche 18 dargestellte Schichtlage abgebildet. Mit 18.1 ist eine Schichtlage bezeichnet, die im Backenzahnbereich liegt, in dem der Kiefer etwas dicker ausgebildet ist. Verglichen mit der Schichtlage 1 ist die den Schneidezahnbereich an Ober- und Unterkiefer durchdringende Schichtlage 18.2 wesentlich dünner ausgeprägt. Die Schichtlagen 18 schließen die Fokalebene 5 jeweils ein und stellen die Bereiche dar, in denen die Objekte 4 scharf abgebildet sind. Die Schichtlagendicken kann je nach Kieferanatomie dicker oder dünner sein.

Um während des Aufbaus der Röntgenaufnahme eine definierte, die Aussagefähigkeit des Röntgenbildes erhöhende Position von Ober- und Unterkiefer zueinander zu gewährleisten, ist ein Aufbiß 17 eingezeichnet, welcher Ober- und Unterkiefer des Patienten zueinander ausrichtet.

In Fig. 3 ist eine Auswertelinie dargestellt, welche zur Korrektur des Vergrößerungsfaktors in der Röntgenabbildung dient.

Das Strahlenbündel 3, 7 trifft nach Durchdringung der Fokalkurve 5 auf den Pixeln des Sensors auf, welcher die erhaltenen Bilddaten spaltenweise zur Digitalisierung einem A/D-Wandler 19 zuführt. Im AID-Wandler 19 werden die analog vorliegenden Bilddaten für jedes beleuchtete Pixel digitalisiert und einem Speicher 20 zugeführt. Aus dem per Umlauf erhaltenen spaltenweise anfallenden Bilddaten wird das gesamte Röntgenbild 21 aufgebaut, welches um einen Objektvergrößerungsfaktor zwischen 1,05 : 1 und 1,24 : 1 überhöht ist und daher der Korrektur bedarf. Da in der Speichereinheit 22 jedes Pixel mit seinen Koordinaten x, y adressierbar ist, kann die Höhe 9 des Pixels für die Objektebene vorgewählt werden, so daß das Pixel 35 nicht seine gestreckte Höhe 8 in der Empfangsebene 6 sondern seine Höhe 9, die maßstabsgerechte Höhe, annimmt. In einem Schichtlagespeicher 23 sind während der Röntgenaufnahme alle durchdrungenen Schichtlagen 18 abgespeichert, die sich nunmehr, beispielsweise pixelspaltenweise, mit den korngierten Höhen 9 der Pixel verknüpfen lassen. Aus der Verknüpfung der korrigierten Pixelhöhe 9 mit der jeweiligen Schichtlage 18 läßt sich eine Abb. 25 aufbauen, die in Objektgröße im Maßstab 1 : 1 ausgegeben werden kann. In der Recheneinheit 24 erfolgt ein Neuaufbau der digitalisierten Röntgenaufnahme, wobei durch die Bestimmung der Pixelhöhe 9 für jede Pixeispalte auch entlang der Fokalebene unterschiedlichen Vergrößerungsfaktoren Rechnung getragen werden kann. Alle auf den Maßstab von 1 : 1 umgerechneten Schichtlagen 18 können zu einem Gesamtbild addiert und auch bei Bedarf aus diesem subtrahiert werden. Neben der Umrechnung der Schichtlagen 18 auf den Maßstab 1 : 1 können diese auch in beliebige andere Maßstäbe umgerechnet werden. In der Auswerteeinheit gemäß Fig. 3 lassen sich mithin die spaltenweise vorliegenden Bildinformationen mit den dazugehörigen Vergrößerungsfaktoren korrigieren, so daß sowohl eine Röntgenaufnahme im Maßstab 1 : 1 als auch eine bewußt in Breite und/oder Höhe verzerrte Röntgenbildaufnahme 25 entsteht.

Die umgerechten Schichten 18 können in dreidimensionale Abbildungen überführt und auf einem Monitor in vielfältiger Weise dargestellt werden, auch eine Ausgabe auf einem Drucker oder auf einem anderen Medium wäre denkbar. Neben der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf mit Sensoren erfaßbare digitale Aufnahmen lassen sich auch bei Filmaufnahmen, die in digitaler Form überführt wurden, die Fokalparameter dem digitalisierten Bild je nach Anwendungszweck des Anwenders zuordnen und aufbereiten.

An einem Ringträger sind ein Fokus 1 und ein Sensor einander gegenüberliegend angeordnet. Der Fokus 1 und der Sensor sind mechanisch miteinander gekoppelt und auf diese Weise gemeinsam um eine Ringmitte drehbar. Der einen Tragring umgebende Ringträger läßt sich mittels zweier Aktuatoren um einen Schwenkmittelpunkt verschwenken, so daß eine genaue Einstellung auf die Anatomie des Patienten gewährleistet ist. Beide Komponenten vermögen sich so nur gemeinsam um den Drehpunkt zu bewegen, so daß die das Objekt entlang der Fokalebene 5 durchdringende Röntgenstrahlung immer auf den Sensor fällt und von diesem aufgefangen und verarbeitet werden kann. Durch die Zwangskopplung von Fokus 1 mit dem Sensor bewegt sich der Sensor immer entgegen der Bewegungsrichtung des Fokus 1 während der Aufnahme. Aufgrund der Kieferanatomie verändert sich während der Aufnahme des Röntgenbildes der Abstand h' zwischen Fokus 1 und dem in der Fokalebene 5 liegenden Objekt 4. Dadurch ändert sich auch der Abstand h" zwischen Objekt 4 und der Bildempfangsebene 6 während der Aufnahme des Röntgenbildes. Die Umlaufgeschwindigkeit der miteinander verbundenen Komponenten Fokus 1 und Sensor ist so bemessen, daß pro Strahlungszyklus des Fokus' 1 eine Spalte am Sensor über den Signalausgang ausgelesen werden kann, wodurch die in den vorhergehenden Pixelspalten gespeicherten Informationen entsprechend des Taktes eine Spalte weiter Richtung Signalausgang verschoben werden, wodurch eine neue Pixelspalte zur Aufnahme der Röntgenstrahlung frei wird.

Bezugszeichenliste

1

Fokus

2

Fokusebene

3

Strahlenbündel

4

Objekt

5

Fokalebene, Maßstab 1 : 1

6

Empfangsebene

7

Strahlenbündel

8

Abbildungsgröße Bildebene

9

korrigierte Abbildungsgröße

17

Aufbiß

18

Schichtlage

18.1

erste Schichtdicke

18.2

zweite Schichtdicke

19

AID-Wandler

20

Speicher

21

digitales Röntgenbild Bildebene

22

Pixeldefinition (x, y)

23

Schichtlagenspeicher

24

Recheneinheit

25

Röntgenaufnahme in Objektgröße 1 : 1

Claims

1. Verfahren zur Korrektur des Vergrößerungsfaktors bei Röntgenaufnahmen, wobei eine Bildebene (6) in ein Array von Pixeln aufgeteilt ist, mit nachfolgenden Verfahrensschritten:

- dem Definieren eines Korrekturbereiches in eiher Abbildung (21) mit Vergrößerung des Objektes (4),
- dem Umrechnen jedes beleuchteten Pixels (35) der Bildebene (6) für eine vorgegebene Schichtlage (18, 18.1, 18.2) und
- dem Abbilden jedes aus der Bildebene (6) umgerechneten Pixels in der Größe, in der das Objekt (4) in der Fokalebene (5) vorliegt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abbildung (21) in der Bildebene (6) von einem Sensor mit Pixeln, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind, aufgenommen wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau der Abbildung (21) während der Drehung des Fokus (1) um ein Zentrum durch spaltenweises Auslesen aus einem Sensor (10) erfolgt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß während der Drehung des Fokus (1) um das Zentrum entlang der Fokalebene (5) die Schichtlagen (18) dem aufgenommenen Objekt (4) zugeordnet wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Koordinaten der Schichtlage (18) der jeweils aufgenommenen Objekte (4) abgespeichert werden oder schon in gespeicherter Form vorliegen.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes beleuchtete Pixel für eine vorgegebene Schichtlage (18) in der Höhe (8) auf die Höhe (9) der Fokalebene (5) umgerechnet wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes beleuchtete Pixel für eine vorgegebene Schichtlage (18) in der Breite umgerechnet wird.

8. Verfahren gemäß der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beleuchteten Pixel auf die Höhe (9) der Fokalebene (5) umgerechnet, in der Bildebene (6) abgebildet werden.

9. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das für die ausgewählte Schichtlage (18) umgerechnete aus Pixeln bestehende Bild auf einem Monitor ausgegeben wird.

10. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das für die ausgewählte Schichtlage (18) umgerechnete aus Pixeln bestehende Bild ausgedruckt wird.

11. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus allen umgerechneten Schichtlagen (18) eine maßstabsgerechte (M 1 : 1) Gesamtabbildung (25) berechnet wird.

12. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus allen umgerechneten Schichtlagen (18) eine Gesamtabbildung (25) in beliebigem Maßstab berechnet wird.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bildebene (6) ein als horizontales Schieberegister ausgebildeter Sensor (10) zum Auslesen von Pixelspalten angeordnet ist.

14. Röntgengerät zur Aufnahme digitaler Röntgenaufnahmen mit einem entlang einer Fokalkurve (5) um ein Zentrum bewegbaren Fokus (1) mit einem in der Bildebene (6) liegenden Sensor (10), der als Schieberegister ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsgröße (8) der in der Bildebene (6) liegenden Pixel für vorgegebene Schichtlagen (18) auf eine korrigierte Abbildungsgröße (9) der Objekte (4) in der Fokalkurve (5) umgerechnet wird.