DE102004004603A1

DE102004004603A1 - Verfahren und Bildgebungseinrichtung zur Kompensation von Patientenbewegungen bei Serienaufnahmen in der medizinischen Bildgebung auf Basis eines 3D-Bilddatensatzes

Info

Publication number: DE102004004603A1
Application number: DE200410004603
Authority: DE
Inventors: Jan Dr. Boese; Benno Heigl; Norbert Rahn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2005-08-18
Also published as: CN1647758A; US7630751B2; CN100544673C; US20050203373A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Patientenbewegungen bei Serienaufnahmen in der medizinischen Bildgebung, bei der in zeitlichen Abständen mehrere Bilder eines Untersuchungsbereiches eines Patienten (17) mit einem Bildgebungssystem (1) aufgezeichnet und zueinander in Beziehung gesetzt werden. Die Erfindung betrifft auch ein Bildgebungssystem (1) für die Durchführung des Verfahrens. Bei dem Verfahren wird vor Beginn der Serienaufnahmen durch eine 3-D-Aufnahme des Untersuchungsbereiches ein 3-D-Bilddatensatz aufgezeichnet, der ein Bezugssystem festlegt. Anschließend wird eine erste räumliche Lage des Untersuchungsbereiches im Bezugssystem entweder durch Aufzeichnung eines ersten Bildes der Serienaufnahmen und Registrierung mit dem 3-D-Bilddatensatz erhalten oder aus einer bekannten Kalibrierung des Bildgebungssystems (1) errechnet. Jedes weitere Bild der Serienaufnahmen wird unmittelbar nach der Aufzeichnung mit dem 3-D-Bilddatensatz registriert, um eine momentane räumliche Lage des Untersuchungsbereiches im Bezugssystem zu erhalten. Schließlich wird eine Abweichung von der ersten räumlichen Lage bestimmt und zumindest ein Teil der Abweichung durch Verändern geometrischer Verhältnisse des Bildgebungssystems (1) in zeitlicher Nähe zur Registrierung zumindest annähernd kompensiert. Das Verfahren ermöglicht die Kompensation von Patientenbewegungen ohne Interaktion des Benutzers des Bildgebungssystems.

Description

Verfahren und Bildgebungssystem zur Kompensation von Patientenbewegungen bei Serienaufnahmen in der medizinischen Bildgebung auf Basis eines 3D-Bilddatensatzes

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Patientenbewegungen bei Serienaufnahmen in der medizinischen Bildgebung, bei der in zeitlichen Abständen mehrere Bilder eines Untersuchungsbereiches eines Patienten mit einem Bildgebungssystem aufgezeichnet und zueinander in Beziehung gesetzt werden, insbesondere zur Bewegungskompensation bei der digitalen Subtraktionsangiographie oder bei der Pfadfindertechnik. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bildgebungssystem mit Strahlungsquelle, Detektor und Patiententisch sowie Steuer-, Bildverarbeitungs- und Bilddarstellungseinheit, das zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist.

Auf einem Hauptanwendungsgebiet des vorliegenden Verfahrens, dem Gebiet der digitalen Subtraktions-Angiographie, werden Blutgefäße des menschlichen Körpers mit dem Bildgebungssystem, in diesem Fall einer Röntgenanlage, erfasst und dargestellt. Bei dieser Methode werden Serien von Röntgenbildern des interessierenden Untersuchungsbereiches des Patienten aufgezeichnet, während ein Kontrastmittel zur Hervorhebung der Gefäße injiziert wird (Füllungs-Bilder). Weiterhin wird ein Bild des Untersuchungsbereiches ohne Injizierung eines Kontrastmittels aufgenommen (Masken-Bild). Durch digitale Subtraktion des Masken-Bildes von den jeweiligen Füllungsbildern werden Subtraktions-Bilder erhalten, auf denen nur die Gefäße zu erkennen sind, während Überlagerungen von anderen röntgenabsorbierenden Strukturen wie bspw. Knochen durch die Subtraktion verschwunden sind.

Die Subtraktion der Bilder setzt allerdings voraus, dass diese unter den gleichen geometrischen Bedingungen aufgezeichnet wurden, so dass sie deckungsgleich sind. Aufgrund von Bewe gungen der abgebildeten Strukturen zwischen den einzelnen Aufnahmen kann es zu störenden Bewegungsartefakten in den subtrahierten Bildern kommen. Diese können durch Bewegungen des Patienten zwischen der Aufnahme des Masken-Bildes und den Aufnahmen der Füllungs-Bilder hervorgerufen werden. Eine Folge dieser Bewegungen kann sein, dass das resultierende Subtraktions-Bild nicht mehr für die Diagnose verwendet werden kann. So kann es in der Praxis vorkommen, dass durch derartige Bewegungsartefakte gestörte Subtraktions-Bilder wiederholt werden müssen. Dies ist mit zusätzlichem Aufwand an Zeit und Kontrastmittel sowie mit zusätzlicher Strahlenexposition des Patienten verbunden.

Eine mit der digitalen Subtraktions-Angiographie verwandte Methode ist die sog. Pfadfinder-Technik, auch als Roadmapping bezeichnet. Diese Technik wird für die selektive Katheterisierung von Gefäßen bei der interventionellen Therapie angewendet. Bei solchen Gefäß-Interventionen wird die aktuelle Position eines röntgenabsorbierenden Katheters durch Röntgen-Durchleuchtung (Fluoroskopie) in einem zweidimensionalen Bild dargestellt. Um zusätzlich das Blutgefäß als sog. Roadmap erkennen zu können, wird zu Beginn der Intervention ein Bild aufgezeichnet, bei dem eine geringe Menge an Kontrastmittel injiziert wurde. Dieses Bild wird als Masken-Bild festgehalten. Die folgenden, ohne Injektion eines Kontrastmittels erhaltenen Fluoroskopie-Bilder werden jeweils vom Masken-Bild subtrahiert. Auf diese Weise werden Subtraktions-Bilder erhalten, auf denen der Katheter hell über dem dunklen Blutgefäß erkennbar ist und der Hintergrund durch die Subtraktion eliminiert wurde.

Auch das Roadmapping wird in gleiche Weise wie die digitale Subtraktions-Angiographie durch Bewegungen der abgebildeten Strukturen während der Serienaufnahmen gestört. Bei Bewegungen zwischen der Aufnahme des Masken-Bildes und dem jeweiligen Fluoroskopie-Bild treten hier allerdings zwei Probleme auf. Zum einen wird der Hintergrund nicht mehr richtig sub trahiert, so dass Bildartefakte entstehen. Zum anderen kann es vorkommen, dass die durch das Bild vermittelte Position des Katheters relativ zum dargestellten Blutgefäß nicht korrekt ist. Dieser schwerwiegende Fehler kann bspw. dazu führen, dass sich der Katheter in dem Bild außerhalb des Gefäßes darstellt, obwohl er sich tatsächlich innerhalb des Gefäßes befindet. Im Extremfall können solche falschen Darstellungen zu Fehlern bei der Kathetersteuerung führen und Gefäßverletzungen zur Folge haben. Bei einer Bewegung des Patienten während der Intervention muss daher häufig die Roadmap durch eine erneute Aufnahme eines Masken-Bildes aufgefrischt werden. Dies erfordert zusätzlichen Zeitaufwand und Kontrastmittelverbrauch und ist mit einer erhöhten Strahlendosis für den Patienten verbunden.

Zur Vermeidung oder Verminderung dieser Problematik sind derzeit unterschiedliche Lösungen bekannt. So lassen sich im Wesentlichen die folgenden 3 Typen von Lösungsansätzen unterscheiden.

Patientenbezogene Lösungen zielen darauf ab, Patienten-Bewegungen bei der Aufnahme zu vermeiden. So kann bei Thorax-Untersuchungen bspw. der Patient dahingehend trainiert werden, während der Durchführung der Serienaufnahmen den Atem anzuhalten. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, durch eine Vollnarkose einige Quellen von Bewegungsartefakten zu vermeiden. Ein Nachteil der patientenbezogenen Verfahren besteht darin, dass sie entweder nur teilweise wirksam oder nicht immer einsetzbar sind. Eine Vollnarkose ist bspw. mit vielen Risiken verbunden und daher bei vielen Anwendungen für digitale Subtraktions-Angiographie medizinisch nicht indiziert. Andererseits bleiben selbst bei Vollnarkose einige Quellen für Bewegungsartefakte, wie bspw. die Atembewegung, erhalten.

Bei den auf die Bildaufnahme bezogenen Lösungen wird die Bildaufnahme so durchgeführt, dass Bewegungsartefakte mini miert werden. Bisher sind hierfür vor allem sog. Gating-Verfahren bekannt, bei denen die Aufnahme mit einer physiologischen Messung gekoppelt wird. So werden bspw. beim EKG-Gating jeweils nur in einer bestimmten Herzphase Bilder akquiriert, so dass die Herzbewegung kompensiert wird. Gating-Verfahren sind allerdings nur für wenige spezielle Anwendungen einsetzbar und können nur von bestimmten Quellen verursachte Bewegungsartefakten vermeiden, für die physiologische Signale gemessen werden können.

Ein weiterer Lösungsansatz zur Verminderung von Bewegungsartefakten besteht in der retrospektiven Bildverarbeitung der aufgezeichneten Bilder. Bei diesen Techniken wird angestrebt, durch geeignete Bildverarbeitung eine bessere Übereinstimmung von Maskenbild und Füllungsbild zu erhalten. Die einfachste eingesetzte Technik ist das sog. Pixel-Shifting oder Subpixel-Shifting, bei der der Benutzer das Masken-Bild gegenüber dem Füllungs-Bild manuell solange in zwei Dimensionen verschiebt, bis eine Minimierung der Bewegungsartefakte im Subtraktions-Bild erreicht ist. Dieses Verfahren ist in allen kommerziellen Angiographie-Systemen implementiert. Auch automatische Verfahren, die die beste Übereinstimmung anhand von quantifizierbaren Ähnlichkeitsmaßen festlegen, sind in einigen kommerziellen Angiographie-Systemen vorhanden. Aufwendigere Verfahren verwenden kein globales Pixel-Shifting über dem gesamten Bildbereich, sondern optimieren lokale Bereiche des Bildes getrennt voneinander, wie dies beispielsweise in der US 4,870,692 A beschrieben ist. Weiterhin werden in der wissenschaftlichen Literatur zahlreiche aufwendigere Verfahren zur Bewegungskorrektur vorgeschlagen. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um Optimierungsverfahren, bei denen versucht wird, die Transformation zwischen Masken-Bild und Füllungs-Bild zu finden, die die geringsten Bewegungsartefakte zur Folge hat. Weitere Beispiele für retrospektive Bildverarbeitung sind den Veröffentlichungen "Motion-compensated digital subraction angiography", Magnus Hemmendorff et al., SPIE 99, San Diego USA, Proceedings of SPIE's International Sym posium on Medical Imaging 1999, Volume 3661, Image Processing, February 1999, pp. 1396-1405; Meijering E.H. et al., "Reduction of patient motion artefacts in digital subtraction angiography: evaluation of a fast and fully automatic technique", Radiology, 2001 Apr, 219(1): 288-293; oder "Retrospective Motion Correction in Digital Subtraction Rngiography: A Review", Erik H. W. Meijering et al., IEEE Transactions on Medical Imaging, Vol. 18, No. 1, January 1999, pp. 2–21 zu entnehmen.

Retrospektive Bildverarbeitung kann die Bewegungen jedoch nur näherungsweise kompensieren. Beliebige Bewegungen können nicht korrigiert werden. Selbst bei Beschränkung auf eine Korrektur von 6 Freiheitsgraden entsprechend der Rotation und Translation eines starren Körpers kann die Bewegung nicht eindeutig aus den zweidimensionalen Bildern bestimmt werden. Weiterhin sind die komplizierteren Bildverarbeitungsverfahren sehr rechenzeitaufwendig und daher nur schwer in Echtzeit implementierbar. Manuelle Verfahren zur Bildverarbeitung (Pixel-Shifting) benötigen Benutzerinteraktion und können einen erheblichen Zeitaufwand erfordern. Sie sind zudem grundsätzlich nur für die nachträgliche Verbesserung von DSA-Aufnahmen einsetzbar, da beim Roadmapping kaum Zeit für eine Interaktion bleibt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren sowie ein zugehöriges Bildgebungssystem zur Kompensation von Patientenbewegungen bei Serienaufnahmen in der medizinischen Bildgebung anzugeben, mit denen sich Bewegungen des Patienten während der Bildaufnahmen ohne zeitaufwendige Benutzerinteraktion kompensieren lassen, wobei sich das Verfahren in Echtzeit implementieren lässt. Das Verfahren und das zugehörige Bildgebungssystem sollen insbesondere Bildergebnisse bei der digitalen Subtraktions-Angiographie und dem Roadmapping bei geringst möglichtem Zeitaufwand für den Bediener verbessern.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie dem Bildgebungssystem gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie des Bildgebungssystems sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Bei dem vorliegenden Verfahren zur Kompensation von Patientenbewegungen bei Serienaufnahmen in der medizinischen Bildgebung, bei der in zeitlichen Abständen mehrere Bilder eines Untersuchungsbereiches eines Patienten mit einem Bildgebungssystem aufgezeichnet und zueinander in Beziehung gesetzt werden, wird vor Beginn der Serienaufnahmen durch eine 3D-Aufnahme des Untersuchungsbereiches ein 3D-Bilddatensatz aufgezeichnet, der ein Bezugssystem festlegt. Dies kann entweder vorab mit einer anderen 3D-Bildgebungsmodalität erfolgen – im Falle von Röntgenserienaufnahmen mit einem C-Bogen-Gerät bspw. durch CT, MR oder 3D-Angiographie – oder mit dem gleichen Bildgebungssystem, mit dem auch die Serienaufnahmen durchgeführt werden. Schließlich wird eine erste räumliche Lage des Untersuchungsbereiches im Bezugssystem entweder durch Aufzeichnung eines ersten Bildes der Serienaufnahmen und Registrierung mit dem 3D-Bilddatensatz erhalten oder aus einer bekannten Kalibrierung des Bildgebungssystems errechnet. Letzteres ist nur bei der Aufzeichnung des 3D-Bilddatensatzes mit dem gleichen Bildgebungssystem möglich. Jedes weitere Bild der Serienaufnahmen wird anschließend unmittelbar nach der Aufzeichnung mit dem 3D-Bilddatensatz registriert, um eine momentane räumliche Lage des Untersuchungsbereiches im Bezugssystem zu erhalten. Eine Abweichung dieser momentanen räumlichen Lage von der ersten räumlichen Lage wird bestimmt und zumindest ein Teil der Abweichung durch Verändern geometrischer Verhältnisse des Bildgebungssystems in zeitlicher Nähe zur Registrierung, vorzugsweise in Echtzeit, zumindest annähernd kompensiert.

Das Verfahren setzt somit die Technik der Registrierung, insbesondere der 2D/3D-Registrierung ein, um Lageänderungen des Patienten bzw. des Untersuchungsbereiches, d.h. Änderungen in der Position und Orientierung dieses Untersuchungsbereiches, während der Durchführung der Serienaufnahmen zu ermitteln. Auf Basis der ermittelten Abweichungen wird die Patientenbewegung dann durch Steuerung der geometrischen Verhältnisse des Bildgebungssystems, vorzugsweise durch Echtzeitsteuerung, zumindest teilweise kompensiert. Die Kompensation kann dabei je nach angesteuerten Komponenten des Bildgebungssystems vollständig durch diese Änderung der geometrischen Verhältnisse erfolgen. Einzelne Freiheitsgrade können jedoch auch durch Anpassung, insbesondere Rotation oder Translation, des Bildinhaltes des jeweiligen Bildes, bei dem die Abweichung ermittelt wurde, kompensiert werden. Auf diese Weise werden Einzelbilder der Serienaufnahmen erhalten, die den Untersuchungsbereich jeweils in der annähernd identischen Position und Orientierung zeigen. Bei alleiniger Kompensation der Bewegungen des Patienten bzw. des Untersuchungsbereiches durch die Veränderung der geometrischen Verhältnisse des Bildgebungssystems werden die verstellbaren Komponenten des Bildgebungssystems so gesteuert, dass die relative Beziehung zwischen dem abzubildenden Untersuchungsbereich und dem Aufnahmesystem während der Durchführung der Serienaufnahmen annähernd konstant bleibt.

Geeignete Techniken für die Registrierung, insbesondere die 2D/3D-Registrierung sind dem Fachmann bekannt. Hierbei kommen insbesondere bildbasierte Verfahren in Frage, die einen Zusammenhang zwischen den Koordinatensystemen des 3D-Datensatzes sowie des jeweiligen 2D-Bilddatensatzes herstellen. Beispiele für die 2D/3D-Registrierung können beispielsweise den Veröffentlichungen von J. Weese et al., "2D/3D Registration and Motion Tracking for Surgical Interventions", Philips Journal of Research 51 (1998), 299-316, und von G.P. Penney et al., "Validation of a two- to three-dimensional registration algorithm for aligning preoperative CT images and intra operative fluoroscopy images", Med. Phys. 28 (6), June 2001, 1024-1032, entnommen werden.

Das vorliegende Verfahren lässt sich insbesondere zur Bewegungskompensation bei der digitalen Subtraktions-Angiographie oder bei der Pfadfinder-Technik einsetzen, um möglichst deckungsgleiche Einzelbilder für die Subtraktion zu erhalten. Mit dem Verfahren werden daher bereits bei der Bildaufnahme Bewegungen des Patienten oder des ins Auge gefassten Untersuchungsbereiches des Patienten durch eine Echtzeit-Steuerung der geometrischen Verhältnisse des Bildgebungssystems, gegebenenfalls in Kombination mit der geometrischen Anpassung des Bildinhaltes, kompensiert.

Das vorliegende Verfahren kommt im Gegensatz zu den meisten bisher bekannten Verfahren der Bewegungskorrektur ohne Interaktion mit dem Bediener aus. Die bisherigen Verfahren zur retrospektiven Bildverarbeitung arbeiten prinzipbedingt nur näherungsweise. Große Bewegungen lassen sich mit diesen Verfahren kaum korrigieren, kleine Bewegungen nur näherungsweise. Das vorgeschlagene Verfahren arbeitet insbesondere auch bei großen Bewegungen mit hoher Genauigkeit, so dass die Notwendigkeit einer mehrmaligen Aufnahme eines Masken-Bildes vermieden wird. Dies spart Zeit, Kontrastmittel und reduziert die applizierte Röntgendosis im Falle von Röntgenaufnahmen. Das vorliegende Verfahren ermöglicht auch, in bestimmten Fällen auf eine Seduerung oder Narkose des Patienten nur zum Zweck der Minimierung von Bewegungsartefakten zu verzichten.

Für die Kompensation der Abweichungen aufgrund der Patientenbewegung durch Anpassen der geometrischen Verhältnisse des Bildgebungssystems können unterschiedliche Komponenten des Bildgebungssystems herangezogen werden. Vorzugsweise erfolgt diese Anpassung durch eine Translation und/oder Rotation des Patiententisches in 1–3 Freiheitsgraden. Der Patiententisch ist gerade bei C-Bogen-Geräten für Angiographie-Anwendungen bereits motorisch zumindest in den 3 Translationsfreiheitsgraden bewegbar.

Weiterhin lassen sich die Abweichungen durch eine Rotation des C-Bogens in RAO/LAO bzw. Cranio/Caudaler Richtung in 2 Freiheitsgraden anpassen. In einer weiteren Ausgestaltung wird ein Detektor eingesetzt, der in 1–3 Freiheitsgraden rotiert werden kann, so dass auch durch Bewegung des Detektors bestimmte Abweichungen kompensiert werden können.

Für eine Kompensation der detektierten Abweichungen ist es weiterhin möglich, die Bildinhalte der aufgezeichneten Bilder geometrisch zu verändern. Dies betrifft insbesondere eine Rotation des Bildinhaltes um eine Achse senkrecht zur Bildebene sowie die Translation in den beiden Translationsfreiheitsgraden der zweidimensionalen Bildaufnahme. Weiterhin besteht die Möglichkeit einer Skalierung des Bildes. Je nach Art der Patientenbewegung kann auch eine Kombination der beiden Kompensationstechniken, d. h. der Änderung der geometrischen Verhältnisse des Bildgebungssystems und der geometrischen Anpassung des Bildinhalts, von Vorteil sein.

Selbstverständlich lassen sich beim vorliegenden Verfahren nach der zumindest näherungsweisen Kompensation der Bewegung auch zusätzlich retrospektive Bildverarbeitungsverfahren anwenden, um die Bildergebnisse noch weiter zu verbessern. Die näherungsweise Kompensation durch die Änderung der geometrischen Verhältnisse des Bildgebungssystems kann dabei für die Kompensation grober Bewegungen eingesetzt werden, während verbleibende kleine Fehler durch retrospektive Bildverarbeitung behoben werden.

Das vorliegende Bildgebungssystem umfasst zumindest eine Strahlungsquelle und einen Detektor, eine Patientenliege, eine Steuereinheit, eine Bildverarbeitungs- und eine Bildanzeigeeinheit. Die geometrischen Verhältnisse zur Bildaufnahme sind durch motorisch gesteuerte Bewegung der Patientenliege sowie der Bildaufnahmeeinheit, bestehend aus Strahlungsquelle und gegenüberliegendem Detektor, veränderbar. Das Bildgebungssystem zeichnet sich dadurch aus, dass eine Kompensationseinheit vorgesehen ist, die in Echtzeit jedes aufgezeichnete Bild eines Patienten unmittelbar nach der Aufzeichnung mit einem abgespeicherten 3D-Bilddatensatz registriert, aus der Registrierung eine zwischenzeitliche Bewegung des Patienten ermittelt und über die Steuereinheit ein oder mehrere der in der Lage veränderbaren Komponenten zur Veränderung der geometrischen Verhältnisse des Bildgebungssystems so ansteuert, dass zumindest ein Teil der ermittelten Bewegung des Patienten zumindest annähernd kompensiert wird. Das Bildgebungssystem ist hierbei vorzugsweise in Form eines C-Bogen-Gerätes ausgebildet, wobei als bewegliche Komponenten vorzugsweise der Patiententisch sowie der C-Bogen in ihren Stellungen verändert werden.

Das vorliegende Verfahren sowie das zugehörige Bildgebungssystem werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für ein C-Bogen-Gerät als Bildgebungssystem zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens;
2 ein Beispiel für die Aufzeichnung eines 3D-Bilddatensatzes bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens; und
3 ein Beispiel für die Kompensation der Patientenbewegung während der Durchführung der Serienaufnahmen.
Im Folgenden wird das vorliegende Verfahren anhand einer Röntgen-Angiographieanlage für Anwendungen in der Neuro-Radiologie beschrieben. Das Verfahren kann selbstverständlich auch auf anderen Gebieten, bei denen die digitale Subtraktions-Angiographie und/oder Roadmapping eingesetzt werden, angewendet werden. Auch bei anderen Techniken der medizinischen Bildgebung, bei denen Serienaufnahmen gemacht und miteinander in Beziehung gesetzt werden müssen, lässt sich das vorliegende Verfahren einsetzen.
Beim nachfolgenden Beispiel beschränken sich die Ausführungen auf den Fall der Korrektur von Kopfbewegungen eines Patienten. Da der Kopf näherungsweise als starrer Körper angesehen werden kann, beschränkt sich die Bewegungskorrektur auf die sechs Freiheitsgrade der Translation und der Rotation eines starren Körpers im dreidimensionalen Raum.
Für die Bildaufnahmen wird eine Röntgen-Angiographieanlage 1 für die Neuro-Radiologie eingesetzt, die schematisch in der 1 dargestellt ist. Die Röntgen-Angiographieanlage 1 besteht u. a. aus einem um zwei Achsen rotierbaren C-Bogen 1a, an dem eine Röntgenröhre 10 und ein der Röntgenröhre gegenüberliegender Detektor 11 befestigt sind, einer Bildverarbeitungseinheit 12 und einer Bildanzeigeeinheit 13. Weiterhin umfasst diese Anlage den motorisch in den drei Translationsfreiheitsgraden (Höhe, Seite, Länge) verstellbaren Patiententisch 16, eine Steuereinheit 14 für die Bildaufnahmesteuerung sowie die Kompensationseinheit 15. Durch Rotation des C-Bogens 1a lassen sich unterschiedliche Projektionen des Untersuchungsbereiches des während der Untersuchung eines auf dem Patiententisch 16 gelagerten Patienten als zweidimensionale Bilder aufzeichnen. Das dargestellte Röntgen-Angiographiesystem 1 besitzt auch die Möglichkeit, Rotationsangiographie-Aufnahmen durchzuführen und 3D-Bilder zu erzeugen.
2 zeigt ein Beispiel für die ersten Verfahrensschritte bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens mit dem Röntgen-Angiographiesystem 1. Vor der Durchführung der digitalen Subtraktionsangiographie oder der Aufzeichnung der Roadmap-Aufnahmen wird hierbei einmalig ein 3D-Angiographie- Bilddatensatz des Untersuchungsbereiches des Patienten (17) aquiriert (1b) und abgespeichert (abgespeicherter 3D-Bilddatensatz 2).
Bei Beginn der Serienaufnahmen wird automatisch direkt nach der Aufnahme des Maskenbildes (Schritt 3) eine 2D/3D-Registrierung 5 des Maskenbildes mit dem vorher aufgezeichneten und abgespeicherten 3D-Bilddatensatz 2 durchgeführt (3). Als Ergebnis dieser Registrierung wird eine Transformation A erhalten, die die Lage des Kopfes des Patienten im Bezugssystem des abgespeicherten 3D-Bilddatensatzes 2 repräsentiert.
Die weiteren Bilder, die so genannten Füllungsbilder, werden nach der 2D-Bildaufnahme 4 ebenfalls kontinuierlich mit dem 3D-Bilddatensatz 2 durch eine 2D/3D-Registrierung 6 registriert. Aus jeder dieser Registrierungen ergibt sich eine Transformation B. Aus dem Unterschied zwischen Transformation A und Transformation B wird in Schritt 7 die Patientenbewegung bestimmt. Dies erfolgt unmittelbar nach Aufzeichnung jedes 2D-Bildes in Echtzeit. Ebenfalls in Echtzeit wird der Unterschied zwischen den beiden Transformationen, der der Lageänderung des Kopfes entspricht, zur Berechnung 8 der neuen Aufnahmeparameter und Bildverarbeitungsparameter benutzt, um in einer Regelschleife die Unterschiede zwischen den Transformationen A und B zu minimieren. Durch Steuerung 9 des Patiententisches 16, des C-Bogens 1a und der Bildverarbeitung werden die Aufnahmegeometrie und die Bildverarbeitung so angepasst, dass die Patientenbewegung im Wesentlichen kompensiert wird.
Im vorliegenden Beispiel wird Änderung der Aufnahmeparameter durch Ansteuerung des Patiententisches 16 in den drei Translationsfreiheitsgraden sowie des C-Bogens 1a in den beiden Rotationsfreiheitsgraden durchgeführt. Der verbleibende Rotationsfreiheitsgrad wird über die Bildverarbeitung durch Drehung des Bildinhaltes um eine Achse senkrecht zur Bildebene erreicht. Neben der Steuerung dieser Komponenten lässt sich die Aufnahmegeometrie bei einem Angiographiesystem beispielsweise auch durch Rotation des Patiententisches 16 in ein bis drei Rotationsfreiheitsgraden oder durch Rotation des Detektors in ein bis drei Rotationsfreiheitsgraden realisieren. Weiterhin besteht die Möglichkeit, den Bildinhalt auch in zwei Translationsfreiheitsgraden zu verschieben oder zu skalieren.
Die Transformationen A und B beschreiben bei dem vorliegenden Beispiel die Registrierung zwischen einem 2D- und einem 3D-Koordinatensystem und beinhalten im allgemeinen 11 Parameter, 6 für Rotation und Translation des 3D-Bilddatensatzes und 5 für die Projektionsgeometrie der Anlage 1. Falls sich der C-Bogen 1a reproduzierbar bewegt, kann die Projektionsgeometrie durch Kalibrierung ermittelt werden, so dass nur noch sechs Freiheitsgrade durch die 2D/3D-Registrierung bestimmt werden.
Selbstverständlich lässt sich die im vorliegenden Beispiel dargestellte Kompensation der Patientenbewegung auch zusätzlich mit einem retrospektiven Bildverarbeitungsverfahren kombinieren. So können grobe Bewegungen mittels der beschriebenen Nachführung des Aufnahmesystems kompensiert werden, während verbleibende kleine Fehler durch retrospektive Bildverarbeitung behoben werden.

Claims

Verfahren zur Kompensation von Patientenbewegungen bei Serienaufnahmen in der medizinischen Bildgebung, bei der in zeitlichen Abständen mehrere Bilder eines Untersuchungsbereiches eines Patienten (17) mit einem Bildgebungssystem (1) aufgezeichnet und zueinander in Beziehung gesetzt werden, insbesondere zur Bewegungskompensation bei der digitalen Subtraktionsangiographie oder bei der Pfadfindertechnik, bei dem – vor Beginn der Serienaufnahmen durch eine 3D-Aufnahme des Untersuchungsbereiches ein 3D-Bilddatensatz aufgezeichnet wird, der ein Bezugssystem festlegt, – eine erste räumliche Lage des Untersuchungsbereiches im Bezugssystem entweder durch Aufzeichnung eines ersten Bildes der Serienaufnahmen und Registrierung mit dem 3D-Bilddatensatz erhalten oder aus einer bekannten Kalibrierung des Bildgebungssystems (1) errechnet wird, – jedes weitere Bild der Serienaufnahmen unmittelbar nach der Aufzeichnung mit dem 3D-Bilddatensatz registriert wird, um eine momentane räumliche Lage des Untersuchungsbereiches im Bezugssystem zu erhalten, und – eine Abweichung von der ersten räumlichen Lage bestimmt und zumindest ein Teil der Abweichung durch Verändern geometrischer Verhältnisse des Bildgebungssystems (1) in zeitlicher Nähe zur Registrierung zumindest annähernd kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der 3D-Bilddatensatz mit dem gleichen Bildgebungssystem (1) aufgezeichnet wird, mit dem die Bilder der Serienaufnahmen aufgezeichnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein verbleibender Teil der Abweichung von der ersten räumlichen Lage durch geometrische Anpassung eines Bildinhal tes des jeweils weiteren Bildes zumindest annähernd kompensiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der geometrischen Verhältnisse des Bildgebungssystems (1) eine Translation eines Patiententisches (16) des Bildgebungssystems (1) in ein, zwei oder drei Translationsfreiheitsgraden umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der geometrischen Verhältnisse des Bildgebungssystems (1) eine Rotation eines Patiententisches (16) des Bildgebungssystems (1) in ein, zwei oder drei Rotationsfreiheitsgraden umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der geometrischen Verhältnisse des Bildgebungssystems (1) eine Rotation eines Detektors (11) für die Bildaufzeichnung in ein, zwei oder drei Rotationsfreiheitsgraden umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der geometrischen Verhältnisse des Bildgebungssystems (1) bei Einsatz eines C-Bogen Gerätes eine Rotation eines C-Bogens (1a) in ein oder zwei Freiheitsgraden umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Anpassung des Bildinhaltes des aufgezeichneten Bildes eine Translation in ein oder zwei Translationsfreiheitsgraden umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Anpassung des Bildinhaltes des aufgezeichneten Bildes eine Skalierung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein retrospektives Bildverarbeitungsverfahren zur Korrektur von verbleibenden Abweichungen auf die aufgezeichneten Bilder angewendet wird.
Bildgebungssystem, zumindest bestehend aus einer Strahlungsquelle (10), einem Strahlungsdetektor (11), einem motorisch verstellbaren Patiententisch (16), einer Steuereinheit (14) für eine Bildaufnahmesteuerung, einer Bildverarbeitungseinheit (12) und einer Bildanzeigeeinheit (13), wobei die Strahlungsquelle (10), der Strahlungsdetektor (11) und der Patiententisch (16) in der Lage veränderbare Komponenten darstellen, durch deren gegenseitige Lage geometrische Verhältnisse des Bildgebungssystems (1) vorgeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kompensationseinheit (15) vorgesehen ist, die in Echtzeit jedes aufgezeichnete Bild eines Patienten (17) unmittelbar nach der Aufzeichnung mit einem abgespeicherten 3D-Bilddatensatz registriert, aus der Registrierung eine zwischenzeitliche Bewegung des Patienten (17) ermittelt und über die Steuereinheit (14) ein oder mehrere der in der Lage veränderbaren Komponenten zur Veränderung der geometrischen Verhältnisse des Bildgebungssystems (1) so ansteuert, dass zumindest ein Teil der ermittelten Bewegung des Patienten (17) zumindest annähernd kompensiert wird.
Bildgebungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinheit (15) so ausgebildet ist, dass sie die Bildverarbeitungseinheit (12) zur geometrischen Anpassung eines Bildinhaltes des jeweils gerade aufgezeichneten Bildes so ansteuert, dass ein verbleibender Teil der ermittelten Bewegung des Patienten (17) zumindest annähernd kompensiert wird.
Bildgebungssystem nach Anspruch 11 oder 12, das als Röntgen-C-Bogen-Gerät ausgebildet ist.