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WO1994004977A1 - Bildfolgen-referenzspeicherverfahren zur störsignalunterdrückung und ausfilterung bei medizinischen bildfolgen - Google Patents

Bildfolgen-referenzspeicherverfahren zur störsignalunterdrückung und ausfilterung bei medizinischen bildfolgen Download PDF

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WO1994004977A1
WO1994004977A1 PCT/DE1993/000702 DE9300702W WO9404977A1 WO 1994004977 A1 WO1994004977 A1 WO 1994004977A1 DE 9300702 W DE9300702 W DE 9300702W WO 9404977 A1 WO9404977 A1 WO 9404977A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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image sequence
image
sequences
filtering
heartbeat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE1993/000702
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Strobach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of WO1994004977A1 publication Critical patent/WO1994004977A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/54Control of apparatus or devices for radiation diagnosis
    • A61B6/541Control of apparatus or devices for radiation diagnosis involving acquisition triggered by a physiological signal
    • GPHYSICS
    • G16INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16HHEALTHCARE INFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR THE HANDLING OR PROCESSING OF MEDICAL OR HEALTHCARE DATA
    • G16H30/00ICT specially adapted for the handling or processing of medical images
    • G16H30/20ICT specially adapted for the handling or processing of medical images for handling medical images, e.g. DICOM, HL7 or PACS

Definitions

  • noise in X-ray image sequences increases with a decreasing X-ray dose. Therefore, efficient methods for noise filtering are required. They enable a reduction in the dose rate during the examination and thus a reduction in the radiation exposure to the patient and operating personnel.
  • Noise filtering of X-ray image sequences has already been intensively investigated in the literature.
  • the previously known methods for noise filtering are based on the one hand on a motion-compensated averaging of several images over time (TS Huang and YP Hsu, Image Sequence Enhancement, In TS Huang, ed., Image Sequence Analysis, pages 290-310, Springer Verlag, 1981), on non-linear filtering in the single image, or on the method of background extraction with a Kalmann filter (A. v. Brandt and KP Karmann, "A method for the detection and tracking of moving objects in image sequences with a stationary background", US patent 5034986).
  • no specific inistic knowledge of the type of object movements is included in the process approach.
  • the movement of objects of interest eg catheters
  • the image is essentially a result of a synchronous movement of the pulse of the
  • the invention is therefore based on the object of specifying a new method for noise filtering in medical image sequences in which synchronous movement sequences are visible to the heartbeat, which takes into account the sequence of object movements given by the deterministics of the heartbeat.
  • This object is achieved by a method for filtering noise in medical image sequences with movement sequences synchronous with the heartbeat with features according to claim 1.
  • an image sequence is recorded in which a movement sequence synchronous with the heartbeat is visible.
  • An electrocardiogram with R waves is recorded synchronously.
  • the image sequence is segmented according to the R waves of the electrocardiogram using a trigger method.
  • the images of a pulse period of the electrocardiogram are corrected for movement and accumulated in an R-wave synchronized manner in an image sequence reference memory.
  • the method is particularly suitable for use in the noise filtering of X-ray image sequences, in particular when recording the heart.
  • Fig. 1 shows the basic procedure for the execution of the method in a schematic representation.
  • Fig. 2 shows a signal flow diagram of the operations necessary to carry out the method for each picture in the picture sequence. The method is described in more detail below with the aid of a preferred exemplary embodiment and with the aid of the figures.
  • the objects of interest in the image sequence are subject to a rhythmic movement determined by the cardiac activity.
  • an efficient method for noise filtering can be developed.
  • the patient's EKG is recorded in sync with the actual image sequence. It provides information about the phase of the heartbeat associated with each image.
  • the image sequence is segmented according to the R waves of the EKG using a trigger procedure.
  • a motion-corrected and R-wave-synchronous accumulation of the images of a pulse period takes place in an image sequence reference memory.
  • a noise-compensated image sequence with the object movement typical for a heartbeat builds up in this reference memory. This noise-compensated image sequence is again periodically read out with the heartbeat and adapted to the current image sequence.
  • this method can be applied to all medical image sequences in which an object movement synchronous to the heartbeat takes place in the image area.
  • the method is particularly suitable for noise filtering of X-ray image sequences during examinations in the area of the
  • Disturbances in measurement signals separate the useful signal from the interference signal by estimating a sequence of trigger times from an auxiliary signal (blowout and an interference signal template from this measurement signal, in which a trigger-synchronous reference signal is also generated from this interference signal template, and this trigger-synchronous Re
  • the patient's EKG is recorded in sync with the actual image sequence. It provides information about the phase of the heartbeat associated with each image.
  • the image sequence is segmented according to the R waves of the EKG using a trigger procedure.
  • a motion-corrected and R-wave-synchronous accumulation of the images of a pulse period takes place in an image sequence reference memory.
  • a noise-compensated image sequence with the object movement typical for a heartbeat builds up in this reference memory.
  • This noise-compensated image sequence is then periodically read out with the blow and adapted to the current image sequence, which ultimately results in the actual noise-filtered output image sequence.
  • Fig. 1 shows the basic procedure for building the
  • Image sequence reference memory An ECG recorded synchronously to the image sequence is segmented according to the R waves. The images of a segment are entered in an image sequence reference memory. As soon as the next segment limit is reached, the frame counter of the frame sequence reference memory is reset. The images in the next segment are now added motion-compensated to the image content already in the image sequence reference memory.
  • a cumulative image in the image sequence reference memory is adapted by motion compensation to an image of an input image sequence that is segmented in phase with the ECG. Including an exponential forgetting factor, the input image and the movement-compensated cumulative image are now added.
  • the result of this operation is an object-oriented updated cumulative image which is again entered in the image sequence reference memory (which has been updated with it). At the same time, the updated cumulative images arrive at the exit of the method and form the result of the noise-compensated images there.

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Abstract

Bei der Erfassung von Röntgenbildfolgen im Bereich des Herzens unterliegen die interessierenden Objekte in der Bildfolge einer rhythmischen, von der Herzaktivität bestimmten Bewegung. Unter Nutzung dieser Vorkenntnis über den sich im wesentlichen synchron mit dem Puls des Patienten wiederholenden Bewegungsablaufs wird ein effizientes Verfahren zur Rauschfilterung derartiger Bildfolgen angegeben. Dieses Verfahren kann generell zur Rauschfilterung auch anderer medizinischer Bildfolgen verwendet werden in denen Bewegungsvorgänge ablaufen die synchron zum Herzschlag des Patienten stattfinden.

Description

Bildfolgen-Referenzspeicherverfahren zur Störsignalunter- drückung und Ausfilterung bei medizinischen Bildfolgen
Das Rauschen in Röntgenbildfolgen steigt mit abnehmender Röntgendosis an. Deshalb sind leistungsfähige Verfahren zur Rauschfilterung erforderlich. Sie ermöglichen eine Verminderung der Dosisleistung bei der Untersuchung und damit eine Verminderung der Strahlenbelastung von Patient und Bedienpersonal.
Die Rauschfilterung von Röntgenbildfolgen wurde in der Literatur bereits intensiv untersucht. Die bisher be¬ kannten Verfahren zur Rauschfilterung basieren zum einen auf einer bewegungskompensierten Mittelung mehrerer Bilder über die Zeit (T. S. Huang und Y. P. Hsu, Image Sequence Enhancement, In T. S. Huang, ed., Image Sequence Analysis, pages 290 - 310, Springer Verlag, 1981), auf nicht¬ linearer Filterung im Einzelbild, oder auf der Methode der Hintergrundextraktion mit einem Kalmann-Filter (A. v. Brandt und K. P. Karmann, "Eine Methode zur Erkennung und Verfolgung bewegter Objekte in Bildfolgen bei stationärem Hintergrund", US Patent 5034986). Bei all diesen Verfahren wird kein dete inistisches Vorwissen über die Art der Objektbewegungen in den Verfahrensansatz mit einbezogen. Bei Untersuchungen im Bereich des Herzens ist aber die Be¬ wegung von interessierenden Objekten (z. B. Katheter) im Bild wesentlich durch einen synchron vom Puls des
Patienten abhängigen Verlauf gekennzeichnet. Die daraus resultierende Deterministik im Ablauf der Objektbewegungen wird bisher in keinem der bekannten Verfahren zur Rausch¬ filterung von Röntgenbildfolgen berücksichtigt. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde ein neues Verfahren zur Rauschfilterung bei medizinischen Bildfolgen anzugeben, in denen zum Herzschlag synchrone Bewegungsab¬ läufe sichtbar sind, welches den durch die Deterministik des Herzschlages gegebenen Ablauf der Objektbewegungen be¬ rücksichtigt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Rauschfilterung bei medizinischen Bildfolgen mit zum Herzschlag synchronen Bewegungsabläufen mit Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.
Bei diesem Verfahren wird eine Bildfolge aufgezeichnet, in der ein zum Herzschlag synchroner Bewegungsablauf sichtbar ist. Synchron dazu wird ein Elektrokardiogramm mit R-Zacken aufgezeichnet. Mit einem Triggerverfahren wird die Bildfolge nach den R-Zacken des Elektrokardiogramms segmentiert. Die Bilder einer Pulsperiode des Elektrokar¬ diogramms werden bewegungskorrigiert und R-Zacken- synchronisiert in einem Bildfolgen-Referenzspeicher akku- muliert.
Das Verfahren eignet sich besonders zur Anwendung bei der Rauschfilterung von Röntgenbildfolgen, insbesondere bei Aufnahmen des Herzens.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Fig. 1 zeigt das prinzipielle Vorgehen beim Ablauf des Verfahrens in schematischer Darstellung.
Fig. 2 zeigt ein Signalflußdiagramm der zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Operationen für jedes Bild in der Bildfolge. Im folgenden wird das Verfahren anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und mit Hilfe der Figuren näher be¬ schrieben.
Bei der Erfassung von Röntgenbildfolgen im Bereich des Herzens unterliegen die interessierenden Objekte in der Bildfolge einer rythmischen, von der Herzaktivität be¬ stimmten Bewegung. Unter Nutzung dieser Vorkenntnis über den sich im wesentlichen synchron mit dem Puls des Patienten wiederholenden Bewegungsablauf kann ein effizientes Verfahren zur Rauschfilterung entwickelt werden. Dabei wird synchron zur eigentlichen Bi..dfolge das EKG des Patienten aufgezeichnet. Es liefert die Infor¬ mation über die jedem Bild zugehörige Phase des Herz- schlags. Mit einem Triggerverfahren wird die Bildfolge nach den R-Zacken des EKG segmentiert. Schließlich erfolgt eine bewegungskorrigierte und R-Zacken-synchrone Akku¬ mulation der Bilder einer Pulsperiode in einem Bildfolgen- Referenzspeicher. In diesem Referenzspeicher baut sich mit der Zeit eine rauschkompensierte Bildfolge mit der für einen Herzschlag typischen Objektbewegung auf. Diese rauschkompensierte Bildfolge wird nun wiederum periodisch mit dem Herzschlag ausgelesen und an die aktuelle Bild¬ folge angepaßt.
Dieses Verfahren kann prinzipiell auf alle medizinischen Bildfolgen angewendet werden, bei denen eine zum Herz¬ schlag synchrone Objektbewegung im Bildbereich stattfindet Das Verfahren eignet sich speziell zur Rauschfilterung von Röntgenbildfolgen bei Untersuchungen im Bereich des
Herzens unter spezieller Berücksichtigung von Objektbe¬ wegungen, welche durch die Herzaktivität verursacht werden.
Auf dem Gebiet der Interferenzkompensation biomedi- zinischer Signale ist unter Nutzung der Vorinformation über die Deterministik des Herzschlags ein leistungs¬ fähiges Verfahren entwickelt worden (Deutsche Patentan¬ meldung P AI 26 46 3.0). Bei dem Verfahren dieser Patent- an eldung wird zur Kompensation quasiperiodischer
Störungen in Meßsignalen das Nutzsignal vom Störsignal getrennt, indem aus einem Hilfssignal (Herschlag eine Folge von Triggerzeitpunkten und aus diesem Meßsignal ein Störsignal-Templat geschätzt wird, in dem weiterhin aus diesem Störsignal-Templat ein triggersynchrones Referenz¬ signal erzeugt wird, und dieses triggersynchrone Re¬ ferenzsignal zur Filterung des Meßsignals verwendet wird. Einige Prinzipien dieses Verfahrens können auf das Problem der Rauschfilterung von Röntgenbildfolgen und anderen medizinischen Bildfolgen übertragen werden. Dies führt zu dem erfindungsgemäßen Verfahren, welches durch zusätzliche Auswertungen des Elektrokardiogramms Patienten eine herz¬ schlagsynchrone Rauschfilterung und damit eine Einbe¬ ziehung der Deterministik der Objektbewegungen in den Rauschfilterungsprozeß ermöglicht.
Dabei wird synchron zur eigentlichen Bildfolge das EKG des Patienten mit aufgezeichnet. Es liefert die Information über die jedem Bild zugehörige Phase des Herzschlags. Mit einem Triggerverfahren wird die Bildfolge nach den R- Zacken des EKG segmentiert. Schließlich erfolgt eine be- wegungskorrigierte und R-Zacken-synchrone Akkumulation der Bilder einer Pulsperiode in einem Bildfolgen-Referenz¬ speicher. In diesem Referenzspeicher baut sich mit der Zeit eine rauschkompensierte Bildfolge mit der für einen Herzschlag typischen Objektbewegung auf. Diese rausch¬ kompensierte Bildfolge wird nun wiederum periodisch mit dem Herschlag ausgelesen und an die aktuelle Bildfolge angepaßt, wodurch sich schließlich die eigentliche rausch- gefilterte Ausgangsbildfolge ergibt. Fig. 1 zeigt das prinzipielle Vorgehen beim Aufbau des
Bildfolgen-Referenzspeichers: Ein synchron zur Bildfolge aufgezeichnetes EKG wird nach den R-Zacken segmentiert. Die Bilder eines Segments werden in einen Bildfolgen- Referenzspeicher eingetragen. Sobald die nächste Segment¬ grenze erreicht ist, wird der Bildzähler des Bildfolgen- Referenzspeichers zurückgesetzt. Die Bilder im nächsten Segment werden nun bewegungskompensiert zu den bereits in Bildfolgen-Referenzspeicher befindlichen Bildinhalten hinzuaddiert.
Fig. 2 zeigt ein Signalflußdiagramm der dabei erforder¬ lichen Operationen für jedes Bild in der Bildfclge. Ein kumulatives Bild im Bildfolgen-Referenzspeicher wird durch Bewegungskompensation einem EKG-phasenrichtig segmentierten Bild einer Eingangsbildfolge angepaßt. Unter Einbeziehung eines exponentiellen Vergessensfaktors er¬ folgt nun eine Addition von Eingangsbild und bewegungs- kompensiertem kumulativen Bild. Das Ergebnis dieser Operation ist ein objektorientiert nachgeführtes aktualisiertes kumulatives Bild, welches wieder in den (damit aktualisierten) Bildfolgen-Referenzspeicher einge¬ tragen wird. Gleichzeitig gelangen die aktualisierten kumulativen Bilder an den Ausgang des Verfahrens und bilden dort die Folge der rauschkompensierten Bilder.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Rauschfilterung bei medizinischen Bild¬ folgen mit zum Herzschlag synchronen Bewegungsabläufen mit folgenden Schritten:
a) es wird eine Bildfolge aufgezeichnet, in der ein zum Herzschlag synchroner Bewegungsablauf sichtbar ist;
b) synchron dazu wird ein Elektrokardiogramm mit R- Zacken aufgezeichnet;
c) mit einem Triggerverfahren wird die Bildfolge nach den R-Zacken des Elektrokardiogramms segmentiert;
d) die Bilder einer Pulsperiode des Elektrokardiogramms werden bewegungskorrigiert und R-Zacken-synchronisiert in einem Bildfolgen-Referenzspeicher akkumuliert.
2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Rauschfilterung bei medizinischen Röntgenbildfolgen.
3. Verfahren nach Anspruch 2 zur Rauschfilterung bei medizinischen Röntgenbildfolgen des Herzens.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die akkumulierten Bilder periodisch mit dem Herz¬ schlag aus dem Bildfolgen-Referenzspeicher ausgelesen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die ausgelesenen Bilder an eine aktuelle Bildfolge angepaßt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Bewegungskorrektur durch Objekt-Matching er¬ folgt.
PCT/DE1993/000702 1992-08-11 1993-08-06 Bildfolgen-referenzspeicherverfahren zur störsignalunterdrückung und ausfilterung bei medizinischen bildfolgen Ceased WO1994004977A1 (de)

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DE4226597 1992-08-11

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PCT/DE1993/000702 Ceased WO1994004977A1 (de) 1992-08-11 1993-08-06 Bildfolgen-referenzspeicherverfahren zur störsignalunterdrückung und ausfilterung bei medizinischen bildfolgen

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EP0193712A1 (de) * 1985-02-04 1986-09-10 Siemens Aktiengesellschaft Röntgendiagnostikeinrichtung für Subtraktionsangiographie
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EP0269147A2 (de) * 1986-10-22 1988-06-01 Philips Electronics North America Corporation Zeitgruppiertes Kodierungsgerät für Herz- und Atmungssignale und Methode zum Gruppieren derselben

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D.E.BOHNING ET AL: "PC-BASED SYSTEM FOR RETROSPECTIVE CARDIAC AND RESPIRATORY GATING OF NMR DATA", MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE, ACADEMIC PRESS INC., vol. 16, no. 2, November 1990 (1990-11-01), pages 303 - 316, XP000175911 *
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