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Die Erfindung betrifft eine Röntgeneinrichtung mit einer Strahlungsquelle und einer Bildverstärker-Fernsehkette mit einer dem Bildverstärker nachgeschalteten Kamera, wobei die Kamera zwischen einer hohen und einer niedrigen Auflösung schaltbar ist, und wobei der Bildverstärker ein von der einfallenden Röntgenstrahlung abhängiges Bild auf einem Ausgangsschirm darstellt, das von der Kamera aufgenommen wird. Eine derartige Röntgeneinrichtung ist aus der Druckschrift
DE 35 26 687 A1 bekannt.
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Röntgeneinrichtungen mit kameraseitig umschaltbarer Auflösung kommen bevorzugt für die Aufnahme des Herzens oder herznaher Bereiche zur Anwendung Kameraseitig besteht in der Regel die Möglichkeit, zwischen einer Pixelmatrix mit hoher Auflösung von z. B. 1024×1024 Pixel, und einer Matrix mit niedriger Auflösung von z. B. 512×512 Pixel umzuschalten, wobei die Auflösungsreduzierung durch Pixelbinning erfolgt. Der Vorteil dieser Umschaltbarkeit liegt zum einen darin, dass bei hoher Bildrate eine Reduzierung der erfassten Datenmenge infolge der Auflösungsreduzierung im Vergleich zur hochaufgelösten Matrix möglich ist, wobei man dabei natürlich einen Verlust an Auflösung in Kauf nimmt. Ein weiterer Vorteil ist das gegenüber der hohen Auflösung geringere Rauschen, das heißt, der Rauschanteil bzw. das Quantenrauschen ist bei der niedrig aufgelösten Matrix geringer.
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Gleichwohl aber stellt der Rauschanteil auch bei eingestellter niedriger Auflösung ein Problem dar, das insbesondere dem das aufgenommene Bild betrachtenden Arzt Schwierigkeiten bereitet, da das Bild verrauscht und unruhig ist.
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Röntgeneinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die diesbezüglich verbessert ist.
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Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Röntgeneinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen vorgesehen, dass das Abbildungsverhalten des Bildverstärkers und damit die Schärfe des am Ausgangsschirm dargestellten Bilds je nach eingestellter Auflösung der Kamera unterschiedlich ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Röntgeneinrichtung ist nicht nur die Auflösung der Kamera variabel, sondern auch das Abbildungsverhalten des Bildverstärkers und damit einhergehend die Schärfe des am Ausgangsschirm dargestellten und von der Kamera aufgenommenen Bildes, wobei das Abbildungsverhalten abhängig von der eingestellten Kameraauflösung ist. Es wird also eine umschaltbare Schärfeabbildung auf den Ausgangsschirm des Fensters angegeben, die der gewählten Kameraauflösung angepasst ist.
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Durch den hierüber beim Umschalten von der hoch aufgelösten auf die niedrig aufgelöste Matrix infolge der Schärfeumschaltung am Bildverstärker bewusst verursachten Schärfeverlust wird vorteilhaft erreicht, dass bei gleicher Dosis pro Bild das Rauschen in der niedriger aufgelösten Matrix reduziert werden kann und dem Arzt somit insgesamt ein ruhigeres Bild für seine interventionellen Untersuchungstechniken angeboten wird. Das Rauschen wird also reduziert, der Rauscheindruck wird an die jeweils eingestellte Bildmatrix angepasst.
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Die Umschaltung des Abbildungsverhaltens erfolgt bei einem Röntgenbildverstärker durch entsprechende Steuerung der Elektronenoptik, über die die am Eingangsschirm von der einfallenden Röntgenstrahlung erzeugten Elektronen auf den Ausgangsschirm beschleunigt und damit abgebildet werden.
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Ein weiteres sich bei bekannten Röntgeneinrichtungen der in Rede stehenden Art ergebendes Problem mit umschaltbarer Kameraauflösung liegt darin, dass es beim Umschalten auf die niedrig aufgelöste Matrix aufgrund der niedrigen Dosisleistung bzw. Dosis pro Bild zu störenden sogenannten Aliasing-Effekten kommt bzw. die vorhandenen Aliasing-Effekte verstärkt und deutlich sichtbar werden. Aliasing-Effekte treten zumeist auf, sind aber bei niedriger Dosis stärker ausgeprägt als bei Aufnahmen mit höherer Dosis. Alaising-Effekte sind Bildartefakte, die durch Rückfaltung höher frequenter Signalanteile einschließlich eines Rauschanteils aus einem Ortsfrequenzbereich, der über der sogenannten Nyquist-Rate oder Nyquist-Frequenz liegt, verursacht werden. Erfüllt ein Abtastsystem – um ein solches handelt es sich bei einem Bildverstärker-Kamera-System – die sogenannte Nyquist-Bedingung, so kann durch nachgeschaltete Signalverarbeitung das ursprüngliche Eingangssignal fehlerfrei wiedergewonnen werden, das heißt, das ursprünglich am Eingangsschirm eingehende Bildsignal wird insofern fehlerfrei und ohne rückfaltungsbedingte Artefakte wiedergegeben. Die Nyquist-Bedingung sowie die physikalischen Zusammenhänge sind an sich bekannt und bedürfen keiner näheren Erläuterung.
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Wird nun bei den bekannten Röntgeneinrichtungen mit schaltbarer Kameraauflösung von der hoch auflösenden Pixelmatrix, bezüglich welcher das Abbildungsverhalten des Bildverstärkers per se optimiert ist, auf die niedrig aufgelöste Pixelmatrix umgeschalten, ergeben sich die beschriebenen beachtlichen Rückfaltungseffekte, da die Nyquist-Bedingung des Röntgenbildverstärkers bezogen auf das Auflösungsvermögen der Kamera nicht angepasst ist, mithin also auch die Nyquist-Bedingung nicht mehr erfüllt ist.
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Eine Verbesserung ergibt sich durch die erfindungsgemäß vorgesehene Änderung des Abbildungsverhaltens des Röntgenbildverstärkers und die damit gezielt einhergehende Unschärfeeinstellung, wobei mit dieser gezielten Änderung der Abbildungsschärfe bekanntermaßen auch die Modulationstransferfunktion (MTF) des Bildverstärkers beeinflusst, nämlich abgesenkt wird. Hierüber kann der überhaupt durch Rückfaltung unerwünscht eingebrachte Signalanteil bereits deutlich reduziert werden. Eine weitergehende Verbesserung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Abbildungsverhalten des Bildverstärkers bei eingestellter niedriger Auflösung derart ist, dass die durch die Änderung des Abbildungsverhaltens und damit der Abbildungsschärfe beeinflusste Modulationstransferfunktion des Bildverstärkers eine weitgehende artefaktfreie Abbildung bis oberhalb der Nyquist-Grenze der gewählten Auflösung zulässt, jedoch höher frequente Signalanteile nur bis zu einer Frequenz abgebildet werden, die im Wesentlichen der niedrigsten Frequenz rückgefalteter Signalanteile entspricht. Das heißt, der abbildbare Nutzsignalbereich wird auf einen Frequenzbereich beschränkt, der bis an den Frequenzbereich reicht innerhalb welchem rückgefaltete Signalanteile liegen, die folglich nicht übertragen werden. Das heißt, die Unschärfe wird derart gewählt und damit auch die Modulationstransferfunktion derart eingestellt und optimiert, dass Objekte bis zur Nyquist-Grenze oder Nyquist-Frequenz der niedrig auflösenden Matrix, also z. B. der 512-er Matrix noch übertragen werden, höher frequentere Anteile werden nicht mehr übertragen einschließlich rückgefalteter Anteile.
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Insgesamt erhält man durch das erfindungsgemäße Umschalten sowie die erfindungsgemäß vorgeschlagene Wahl des Umschaltpunktes bzw. des Abbildungsverhaltens eine deutlich rauschärmere und weitestgehend artefaktfreie Darstellung des Bildes mit der niedrig aufgelösten Matrix.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Einstellung des erforderlichen Abbildungsverhaltens des Bildverstärkers automatisch bei Auswahl der gewünschten Kameraauflösung erfolgt. Das heißt, das Abbildungsverhalten des Bildverstärkers wird automatisch der gewählten Kameraauflösung angepasst und eingestellt, das heißt, zu den zwei definierten Auflösungen sind zwei definierte Abbildungsfunktionen gegeben, die automatisch eingestellt werden.
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An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass selbstverständlich die Pixelmatrix nicht nur zwischen zwei Auflösungen, sondern auch gegebenenfalls mehreren Auflösungen geschaltet werden kann. In diesem Fall sind zweckmäßigerweise zu allen Auflösungseinstellungen entsprechende Abbildungsfunktionen bzw. definierte Abbildungsparameter seitens des Röntgenbildverstärkers definiert, die automatisch eingestellt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Röntgeneinrichtung, und
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2 ein Diagramm zur Darstellung der sich ändernden Modulationstransferfunktion des Bildverstärkers durch Änderung der Schärfeeinstellung.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Röntgeneinrichtung 1 umfassend eine zentrale, den Betrieb der relevanten Komponenten steuernde Steuerungseinrichtung 2, über die ein Generator 3 gesteuert wird, der eine Röntgenstrahlenquelle 4 betreibt. Diese emittiert Röntgenstrahlung, die ein Objekt 5 durchdringt. Die transmittierte Röntgenstrahlung trifft auf einen Röntgenbildverstärker 6, wo sie am Eingangsschirm 7 in Elektronen gewandelt wird, die über eine im Röntgenbildverstärker integrierte Elektronenoptik 8 gebündelt und auf einen Ausgangsschirm 9 beschleunigt werden, wo sie wiederum in sichtbares Licht gewandelt werden. Es wird also am Ausgangsschirm 9 ein von der einfallenden Röntgenstrahlung abhängiges Bild dargestellt. Dieses wird über eine digitale Kamera 10, nämlich eine CCD-Kamera, mit einer Pixelmatrix aufgenommen. Das aufgenommene Kamerabild wird über eine Bildverarbeitungseinrichtung 11 verarbeitet und kann an einem Monitor 12 ausgegeben werden.
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Die Pixelmatrix der CCD-Kamera kann vorzugsweise zwischen zwei Auflösungen geschaltet werden, beispielsweise von einer 1024×1024-Pixelmatrix zu einer eine niedrigere Auflösung aufweisenden 512×512-Matrix, was durch geeignetes Pixelbinning erfolgt. Dies wird über die Steuerungseinrichtung 2 gesteuert.
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Die Steuerungseinrichtung 2 steuert neben der Kameraauflösung auch das Abbildungsverhalten des Röntgenbildverstärkers 6 und damit den Betrieb der Elektronenoptik 8, über die das am Ausgangsschirm 9 dargestellte Bild beeinflusst werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Röntgeneinrichtung 1 ist jeder Auflösungseinstellung der Kamera 10 ein definiertes Abbildungsverhalten des Röntgenbildverstärkers 6 bzw. ein bestimmter Betriebsparametersatz der Elektronenoptik 8 zugeordnet, das heißt, das Abbildungsverhalten ist abhängig von der eingestellten Kameraauflösung unterschiedlich. Grundsätzlich ist das Abbildungsverhalten der hohen Kameraauflösung, also z. B. der 1024×1024-Pixelmatrix angepasst, das heißt, es wird mit optimaler Schärfeeinstellung bezüglich der hohen Auflösung gearbeitet. Der Röntgenbildverstärker bildet also optimal scharf ab.
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Wird nun vom Bediener initiiert auf die Matrix mit niedriger Auflösung umgeschalten, so wird automatisch über die Steuerungseinrichtung 2 der entsprechende Betriebsparametersatz für das geänderte Bildverstärkerabbildungsverhalten gewählt und das Abbildungsverhalten automatisch umgestellt, und zwar derart, dass eine bewusste Unscharfe des am Ausgangsschirm 9 dargestellten Bildes eingestellt wird, was mehrere Vorteile hat. Zum einen nimmt dadurch bei gleicher Dosis pro aufgenommenen Bild das Rauschen innerhalb der niedrig auflösenden Matrix ab, dem Arzt wird ein ruhigeres, deutlich weniger verrauschtes Bild am Monitor 12 dargestellt. Zum anderen kann durch entsprechende Wahl des Abbildungsverhaltens und damit der hierüber beeinflussten Modulationstransferfrequenz verhindert werden, dass Spiegelprodukte, sogenannte Artefakte, die oberhalb der Nyquist-Grenze der hoch auflösenden Matrix liegen, in den Nutzsignalbereich hineingespiegelt werden und zusätzlich das Rauschen im Bild, aufgenommen mit der niedrig auflösenden Matrix, erhöhen.
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Diese Funktion ergibt sich aus 2. Gezeigt ist ein Diagramm, in dem längs der Ordinate der Übertragungsfaktor K und längs der Abszisse die Ortsfrequenz F bzw. die Nyquist-Frequenzen fNy der unterschiedlichen eingestellten Matrizes aufgetragen sind.
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Gezeigt sind zwei Modulationstransferfunktionen MTF I und MTF II. Die Modulationstransferfunktion MTF I gibt die Funktion bei optimaler Schärfeeinstellung des Röntgenbildverstärkers 6 bezogen auf den üblichen Arbeitsbetrieb mit eingestellter hoher Kameraauflösung wieder. Die Modulationsübertragungsfunktion erstreckt sich in einen Ortsfrequenzbereich, der deutlich oberhalb der Nyquist-Grenze oder Nyquist-Frequenz fNy1024 für die hoch aufgelöste Kameraeinstellung (ausgehend von einer Pixelmatrix 1024×1024) liegt.
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Wird nun die Kameraauflösung umgeschalten auf eine 512×512-Matrix, und wird das Abbildungsverhalten und damit die Modulationsübertragungsfunktion des Röntgenbildverstärkers 6 nicht geändert (es bleibt also bei der Kurve gemäß MTF I), so kommt es – nachdem die Nyquist-Grenze oder Nyquist-Frequenz fNy512 der niedrig auflösenden 512×512-Matrix deutlich unterhalb der entsprechenden Nyquist-Frequenz der hoch auflösenden 1024×1024-Matrix liegt zu unerwünschten Rückfaltungen derjenigen Ortsfrequenzanteile, die oberhalb der Nyquist-Frequenz der 1024×1024-Matrix liegen. Dies ist durch die gestrichelte Linie R dargestellt, die den rückgefalteten Signalanteil zeigt. Dieser rückgefaltete Signalanteil führt zu unerwünschten Bildartefakten, er ruft den sogenannten Aliasing-Effekt hervor.
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Bei der erfindungsgemäßen Röntgeneinrichtung 1 wird nun wie bereits beschrieben das Abbildungsverhalten des Röntgenbildverstärkers 6 geändert, und zwar derart, dass die Modulationstransferfunktion MTF erniedrigt und so gewählt wird, dass Signalanteile bis zur Nyquist-Frequenz der niedrig aufgelösten 512×512-Matrix und darüber hinaus übertragen werden, höher frequente Bildanteile und damit auch rückgefaltete Anteile werden jedoch nicht mehr übertragen. Diese Modulationstransferfunktion ist in 2 durch die Kurve MTF II dargestellt. Dort, wo die MTF II die Abszisse schneidet, liegt die Grenzfrequenz fGrenz, bis zu welcher Signale übertragen werden, höher frequente Anteile werden nicht übertragen. Es wird also durch eine gezielte Schärfeeinstellung bzw. ein gezieltes unschärferes Abbilden auf dem Ausgangsschirm zum einen der Rauschanteil reduziert, zum anderen wird durch die optimierte Anpassung der Modulationstransferfunktion an das Auflösungsvermögen der 512×512-Matrix auch das Auftreten von Rückfaltungseffekten, also das Hineinspiegeln von höher frequenten Signalanteilen in den Nutzsignalbereich vermieden. Dies ist anhand der Linie R ersichtlich, die nicht in den Bereich unterhalb der MTF II läuft.
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Dieses Umschalten erfolgt automatisch seitens der Steuerungseinrichtung 2 dann, wenn das Auflösungsvermögen der Kamera 10 geändert wird, so dass also stets mit dem für das jeweilige Auflösungsvermögen der Kamera optimierten Abbildungsverhalten bzw. der optimierten Modulationsübertragungsfunktion gearbeitet wird.