DE10145861B4 - A radiological method for determining the angular relationship between the object and the image receptor in the right-angle technique - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur quantitativen Auswertung von Transmissions-Röntgenaufnahmen, wobei:
– zwei oder
drei Kugeln (3) bekannter Dimension aus röntgenstrahlenabsorbierendem
Material am Objekt befestigt in eine zum Strahlengang exzentrische
Position gebracht werden,
– der
Zentralstrahl streng rechtwinklig auf den Bildrezeptor (4) orientiert
wird,
– bei
bekanntem Abstand zwischen Fokus (F) und Rezeptor (4) die Winkelbeziehung
(γ) einer
interessierenden Objektachse zu
einer interessierenden Rezeptorachse (z) und der Abstand der Kugeln
(3) vom Fokus (F) exakt quantitativ berechnet werden, wobei hierfür die exakte quantitative
Ermittlung der elliptischen Verzerrung des Röntgenschattens jeder Kugel
(3) sowie die Erfassung von deren räumlichen Positionen (Mi') relativ zum Auftreffpunkt (O') des Zentralstrahls
auf dem Rezeptor (4) die Grundlage bilden und die tatsächliche
Verzerrungslänge der Röntgenschatten
vom Auftreffpunkt (O') des Zentralstrahls auf dem Rezeptor (4) aus
betrachtet vermessen wird.Method for the quantitative evaluation of transmission X-ray images, wherein:
Two or three spheres (3) of known dimensions made of X-ray absorbing material attached to the object are brought into a position eccentric to the beam path,
The central ray is oriented strictly perpendicular to the image receptor (4),
- With known distance between focus (F) and receptor (4), the angular relationship (γ) of an object axis of interest to a receptor axis of interest (z) and the distance of the balls (3) from the focus (F) are calculated exactly quantitatively, for which the exact quantitative determination of the elliptical distortion of the X-ray shadow of each sphere (3) and the detection of their spatial positions (M i ') relative to the point of incidence (O') of the central ray on the receptor (4) form the basis and the actual distortion length the X-ray shadow is measured from the point of impact (O ') of the central ray on the receptor (4).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The The invention relates to a method according to the preamble of Claim 1.
Die
direkte quantitative Auswertung von (zahnärztlichen) Transmissions-Röntgenaufnahmen
wird häufig
angewandt (z. B. bei der Vermessung von Knochendimensionen). Sie
ist jedoch, bedingt durch eine unbekannte, sehr variable Projektionsgeometrie
und den daraus resultierenden Vergrößerungen/Verzerrungen stark
fehlerbehaftet, siehe Hausmann E: Radiographic and Digital Imaging
in Periodontal Practice; J Periodontol 2000; 71: 497-503. Die tatsächliche
Dimension eines Objektes ist daher nur sehr ungenau direkt abmessbar.
Zur genauen Vermessung linearer Messstrecken auf Röntgenbildern
muß daher
die Aufnahme entweder strikt standardisiert werden, was in der klinischen
Praxis häufig
nur sehr schwer möglich
ist, oder die zugrunde liegende Projektionsgeometrie muß bekannt
sein. Letzteres ist jedoch nur bei sehr wenigen, speziellen Röntgenaufnahmen
der Fall (z. B. Fernröntgenseitenaufnahmen),
nicht jedoch bei normalen intra-oralen (zahnärztlichen) und vielen anderen
medizinischen Röntgenaufnahmen.
Bei einer häufig
angewandten zahnmedizinischen Röntgentechnik,
der Rechtwinkeltechnik, wird mittels Filmhalter der Zentralstrahl
rechtwinklig zum Bildrezeptor orientiert, die Lage und Anwinkelung
des Objektes relativ zu beiden bleibt jedoch unbekannt. Verschiedene
Winkel des Objektes relativ zum Bildrezeptor haben auch in einem
solchen System teilweise klinisch relevante Auswirkungen auf die
abgebildete Länge
der interessierenden Strukturen, siehe Schulze R, d'Hoedt B: Mathematical
analysis of projection errors in "paralleling technique" with respect to
implant geometry; Clin Oral Impl Res 2001; 12: 364-371. Hinsichtlich
der Verwendung von Referenzobjekten ist aus der
Die Erfindung ist für die sog. Rechtwinkeltechnik entwickelt worden. Aufgabe der Erfindung ist es, die Projektionsgeometrie, unter welcher das temporär mit zwei oder drei kugelförmigen Referenzkörpern bestückte Objekt aufgenommen wurde, anhand von durch die Referenzkugeln erzeugten Abbildungsmerkmalen a posteriori zu berechnen.The Invention is for the so-called right-angle technique has been developed. Object of the invention it is, the projection geometry, under which temporarily with two or three spherical ones reference bodies stocked Object was recorded, based on by the reference balls generated To calculate imaging features a posteriori.
Die beschriebenen Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es wird aus der Aufnahme sowohl der Abstand jeder einzelnen Referenzkugel vom Röntgenfokus berechnet, als auch die Winkelbeziehung des Kugelsystems relativ zum Bildrezeptor. Durch die Erfindung werden Informationen bereit gestellt, mit denen über noch zu entwickelnde Algorithmen die tatsächlichen Dimensionen der Objekte, die mit dem Referenzsystem bestückt sind, genauer als mit den heute vorhandenen Methoden berechnet werden können. The described tasks are by a method with the features of claim 1. It is made recording both the distance of each individual reference sphere from the x-ray focus calculated, as well as the angular relationship of the spherical system relative to the image receptor. Information is provided by the invention posed with those over yet to be developed algorithms the actual dimensions of the objects, equipped with the reference system are calculated more accurately than with the methods available today can.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 7. advantageous Further developments are subject of the dependent claims 2 to 7.
Vorteile der Erfindung sind die relativ einfache Anwendbarkeit und Verfügbarkeit. Die Methode ist nicht an eine fixierte Projektionsgeometrie gebunden, sie kann mit geringgradig modifizierten Rechtwinkelfilmhaltern durchgeführt werden. Sie ist generell auf jede Röntgen-Aufnahmeart anwendbar, wenn die weiter unten erläuterten Voraussetzungen gegeben sind. Nach Integration der Rechenalgorithmen in eine Software ist die Methode sehr schnell anwendbar. Durch quantitative Bildanalyse werden Informationen über die der Aufnahme zugrunde liegende Projektionsgeometrie ermittelt, die mit keiner bis dato bekannten anderen Methode bereitgestellt werden können.advantages The invention is the relatively simple applicability and availability. The method is not bound to a fixed projection geometry, It can be carried out with slightly modified right-angle film holders. It is generally on any X-ray recording Applicable, if given the conditions explained below are. After integration of the computational algorithms into a software is the method very quickly applicable. Through quantitative image analysis Be informed about determines the projection geometry underlying the image, provided with no other method known to date can be.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.embodiments The invention are illustrated in the drawings and are in Following closer described.
Theoretischer HintergrundTheoretical background
Die Erfindung basiert – unter der Prämisse einer rechtwinkligen Orientierung des Zentralstrahls zum Bildrezeptor – auf der quantitativen Auswertung der elliptischen Verzerrung von Kugeln, die durch eine exzentrische Position im Strahlengang induziert wird. Nur wenn der Kugelmittelpunkt vom Zentralstrahl durchdrungen wird, resultiert als Abbildung eine kreisförmige Scheibe, bei jeder anderen Position hingegen eine elliptische Verzerrung. Hierbei ist das Ausmaß der Verzerrung eine Funktion von drei Parametern:
- 1. Abstand zwischen Kugel und Fokus
- 2. Abstand zwischen Kugel und Bildrezeptor
- 3. Abstand zwischen Kugel und Zentralstrahl (d)
- 1. Distance between ball and focus
- 2. Distance between sphere and image receptor
- 3. distance between ball and central jet (d)
Mathematische
Grundlage zur Ermittlung der tatsächlichen Kugelposition ist
die in
Die folgenden Annahmen werden für die Berechnung vorausgesetzt:
- 1. Der Fokus F(XF, 0, 0) wird durch einen Punkt approximiert und liegt auf der x-Achse des Koordinatensystems (X, Y, Z), wobei der Zentralstrahl mit dieser Achse zusammenfällt und in Punkt O'(0, 0, 0) auf der Bildauffangebene auftrifft.
- 2. Röntgenstrahlen werden als lineare Strahlen beschrieben.
- 3. y- und z-Achse definieren die horizontale bzw. vertikale Achse des Bildrezeptors.
- 4. Der Winkel γ wird zwischen der Achse die durch die zwei Kugelmittelpunkte (M1, M2) festgelegt wird, und einer interessierenden Rezeptorachse (im Beispiel vertikale Achse (z)) berechnet, wobei zwischen und dieser Achse ein seitlicher Neigungswinkel in einer Parallelebene zur Bildauffangebene (y-z-Ebene) ≤ 45° zu fordern ist.
- 5. Der Fokus-Rezeptor-Abstand
FO' ist bekannt. - 6. Fokus und Mittelpunkte der Referenzkugeln liegen nicht kolinear.
- 1. The focus F (X F , 0, 0) is approximated by a point and lies on the x-axis of the coordinate system (X, Y, Z), with the central ray coinciding with this axis and at point O '(0, 0, 0) impinges on the image capture plane.
- 2. X-rays are described as linear rays.
- 3. y and z axes define the horizontal and vertical axes of the image receptor.
- 4. The angle γ is between the axis which is determined by the two sphere centers (M 1 , M 2 ) and a receptor axis of interest (in the example vertical axis (z)), where between and this axis is to require a lateral inclination angle in a parallel plane to the image capture plane (yz plane) ≤ 45 °.
- 5. The Focus Receptor Distance
FO ' is known. - 6. Focus and centers of the reference spheres are not colinear.
Alle
Punkte und Strecken sind in
Anschließend wird der Abstand des Kugelmittelpunktes (Mi) vom Fokus (F) berechnet, indem man eine Hilfsebene aufgespannt durch und F einführt: wobei ri der Radius der Kugel i ist. Da wir den Abstand von Mi relativ zur interessierenden Rezeptorachse z wissen wollen, müssen wir die Projektion von Mi auf die durch x- und z-Achse definierte Ebene berechnen. Hierzu muß zuerst die Abbildung (Vi') von Vi durch das Ziehen des Lots durch Mi' auf z konstruiert werden. Wir erhalten den Winkel ϵ zwischen dem Strahl durch Mi und aus: bestimmt, mit erhält man durch Berechung aus der umgeformten Gleichung für lineare Funktionen: Then the distance of the sphere center (M i ) of the focus (F) calculated by an auxiliary plane spanned by and F introduces: where r i is the radius of the sphere i. Since we want to know the distance of M i relative to the receptor axis of interest z, we need the projection from M i to the plane defined by the x and z axes. To do this, first the map (V i ') of V i must be constructed by drawing the solder through M i ' to z. We obtain the angle ε between the ray through M i and out: certainly, with obtained by calculation from the transformed equation for linear functions:
Hierbei ist zu beachten, dass die vertikale Lage von Vi' relativ zu O' wichtig für die folgenden Berechnungen ist, was durch ein positives (Vi' ≥ 0) oder negatives (Vi' < 0) Vorzeichen zum Ausdruck gebracht wird. Aus den Koordinaten und kann nun der vorliegende Winkel zwischen dem Kugelsystem und z berechnet werden: γ erhält per definitionem ein positives Vorzeichen, wenn d. h. das Kugelsystem mit dem oberen Ende in Richtung Fokus geneigt ist. Umgekehrt ist γ negativ, wenn und damit mit seinem oberen Anteil (M1) in Richtung Bildauffangebene gekippt ist. Aus den Berechnungen ergeben sich damit die folgenden Informationen:
- – Abstand der Kugel zum Fokus
- – Winkel γ zwischen und der interessierenden Rezeptorachse (hier z).
- - distance of the ball to the focus
- - angle γ between and the receptor axis of interest (here z).
Experimentelle EvaluierungExperimental evaluation
Die
Verfahren wurde unter Verwendung des in
Mit
diesem Prototyp-Versuchsaufbau wurden je vier Winkeleinstellungen
mit jedem ZKS angefertigt und über
die in
- 1. Aufsuchen von O'(0, 0, 0).
- 2. Konstruktion der Tangenten von O' an jede Seite der Kugelabbildungen.
- 3. Konstruktion der Winkelhalbierenden zwischen den Tangenten einer Kugel.
- 4. Bestimmung der Punkte Ri' und Si', die jeweils den äußeren bzw. inneren Schnittpunkt zwischen der Winkelhalbierenden und dem Ellipsenumfang darstellen.
- 5. Vermessung von und
- 6. Halbierung von dies ergibt den Mittelpunkt Mi' der Abbildungsellipse
- 7. Fällung des Lots von Mi' auf eine Parallele zur interessierenden Rezeptorachse durch O', wobei der Schnittpunkt zwischen Lot und Parallele den Punkt Vi' markiert.
- 8. Vermessung der Strecke
- 1. Find O '(0, 0, 0).
- 2. Construction of the tangents of O 'on each side of the sphere images.
- 3. Construction of bisectors between the tangents of a sphere.
- 4. Determination of the points R i 'and S i ', which respectively represent the outer or inner intersection between the bisector and the ellipse circumference.
- 5. Surveying of and
- 6. Halving of this gives the center M i 'of the imaging ellipse
- 7. Precipitation of the lot of M i 'on a parallel to the receptor axis of interest by O', wherein the Point of intersection between perpendicular and parallel marks the point V i '.
- 8. Measurement of the route
Die unter 1. bis 8. beschriebenen Schritte wurden in einer Bildbearbeitungs-Software (Adobe Photoshop 5.0, Adobe Software Inc. Mountain View, Kalifornien, USA) für jedes so angefertigte Röntgenbild dreimal vermessen und über die Anwendung des oben beschriebenen Algorithmus jeweils γ ermittelt. Der Mittelwert der drei Messungen wird nachfolgend als errechneter Wert bezeichnet. Da zur Kalkulation von γ die Abstände der Referenzkugelmittelpunkte (Mi) zum Fokus (F) errechnet werden müssen, ist bei Anwendung der Methode außer der Winkelbeziehung auch noch der Abstand der Kugel (und damit des Objektes) zu Fokus und Rezeptor ableitbar. Zur Ermittlung der tatsächlich vorliegenden Winkelbeziehung wurde an die Rückwand der Holzbox Millimeterpapier angebracht, so dass die vertikalen Linien parallel zur Rezeptorvorderwand verlaufen. Mit Hilfe einer in einem Abstand von 100 cm zur Box aufgestellten Kamera wurde für jede Winkeleinstellung des ZKS eine digitale Fotoaufnahme vorgenommen, wobei die optische Achse der Kamera durch die Objektebene verlief, lotrecht zur Hinterwand der Box. Durch die Auszählung der vertikalen und horizontalen Millimeter ließ sich über den Tangenssatz der "tatsächliche Winkel γ" (Istwert) errechnen.The steps described under 1. to 8. were measured three times in an image processing software (Adobe Photoshop 5.0, Adobe Software Inc. Mountain View, California, USA) for each X-ray image thus prepared, and γ was determined in each case using the algorithm described above. The mean value of the three measurements is referred to below as the calculated value. Since for the calculation of γ the distances When the method other than the angular relationship is used, the distance of the sphere (and therefore of the object) to the focus and the receptor can be derived by applying the method to the reference sphere centers (M i ) to the focus (F). To determine the actual angular relationship, millimeter paper was attached to the back wall of the wooden box so that the vertical lines run parallel to the receptor front wall. Using a camera placed at a distance of 100 cm from the box, a digital photo was taken for each angle setting of the ZKS, with the optical axis of the camera passing through the object plane, perpendicular to the rear wall of the box. By counting the vertical and horizontal millimeters, the tangent set was used to calculate the "actual angle γ" (actual value).
ErgebnisseResults
Istwerte und errechnete Werte sind in Tabelle 1 dargestellt. Durchschnittlich überschätzten die errechneten Werte den Istwert um 0.9°. Die relativ hohe Standardabweichung von 3.5° zwischen Istwerten und errechneten Werten liegt an der Ungenauigkeit der prototypartigen Versuchsanordnung sowie des ebensolchen Auswertungsverfahrens.actual values and calculated values are shown in Table 1. On average, the overestimated calculated values the actual value by 0.9 °. The relatively high standard deviation from 3.5 ° between Actual values and calculated values is due to the inaccuracy of the Prototype-like experimental design and the same evaluation method.
Praktische AnwendungPractical use
Im
klinischen Ablauf kann die Methode mittels eines modifizierten Filmhalters
angewandt werden, der über
eine Koppelung mit dem Röntgentubus
eine streng rechtwinklige Orientierung des Zentralstrahls auf dem Bildrezeptor
garantiert. Diese Voraussetzung kann durch ein entsprechend starres
System erreicht werden. Zusätzlich
muß vom
Hersteller der Abstand des Fokus von der Tubusvorderkante genau
spezifiziert werden, so dass der Fokus-Rezeptor-Abstand (
In der Objektebene kann entweder ein einfaches ZKS temporär an dem zu untersuchenden Zahn/Implantat in Achsrichtung angeklebt werden, wenn lediglich Verzerrungen bzgl. dieser Achse zu erwarten sind. Sollen Winkeldivergenzen zwischen Objekt und Sensor in horizontaler und vertikaler Ebene quantifiziert werden, müssen zwei ZKS oder, einfacher, drei in Dreieckform in der Objektebene aufgeklebte Stahlkugeln (DKS) verwendet werden. Dabei sollten jeweils zwei Kugeln in der Parallelebene zur z-y-Ebene einigermaßen parallel zur jeweils interessierenden Achse (x, y) angebracht sein, um die Methodengenauigkeit zu erhöhen. Sowohl ZKS als auch DKS können vorgefertigt sein, z. B. durch Eingießen in kleine, durchsichtige Kunststoffzylinder (ZKS) oder -platten (DKS). Das temporäre Aufkleben auf dem Zahn zur Exposition könnte mit Hilfe eines Prothesenadhäsivs, mit Klebewachs oder ähnlichem, nicht toxischen Material erfolgen.In The object level can either be a simple ZKS temporarily on the To be examined tooth / implant are adhered in the axial direction, if only distortions with respect to this axis are to be expected. Should Angular divergences between object and sensor in horizontal and vertical level, two ZKS or, more simply, three steel balls (DKS) glued in triangular form in the object plane become. In each case two balls in the parallel plane to reasonably, z-y level be mounted parallel to the respective axis of interest (x, y), to increase the method accuracy. Both ZKS and DKS can be prefabricated, z. B. by pouring into small, transparent Plastic cylinder (ZKS) or plates (DKS). The temporary sticking on the tooth could for exposure with the help of a prosthesis adhesive, with sticky wax or the like, non-toxic material.
Das Verfahren ist nicht auf die beschriebenen intra-oralen Aufnahmen beschränkt, es kann prinzipiell für jede andere Transmissions-Röntgenaufnahme verwendet werden. Auch hierbei müssen die o. g. Voraussetzungen erfüllt sein.The Procedure is not based on the described intra-oral recordings limited, it can in principle for every other transmission x-ray be used. Also here have to the o. g. Requirements met be.
Tabelle 1: Vergleich Istwerte/errechnete Werte für γ für die beschriebene Bildserie von 8 Einzelaufnahmen (IX/2A-X/2D). Zur Verdeutlichung der Richtung der Abweichung ist in Spalte 4 jeweils die Differenz zwischen den absoluten Beträgen beider Werte angeführt. SD = Standard Abweichung. Table 1: Comparison of actual values / calculated values for γ for the described series of 8 individual images (IX / 2A-X / 2D). To clarify the direction of the deviation, column 4 shows the difference between the absolute values of both values. SD = standard deviation.
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Legal Events
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OAV | Publication of unexamined application with consent of applicant | ||
ON | Later submitted papers | ||
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
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