DE102004012057A1

DE102004012057A1 - Röntgendurchleuchtungsgerät sowie Verfahren zur Kalibrierung

Info

Publication number: DE102004012057A1
Application number: DE102004012057A
Authority: DE
Inventors: Benno Heigl; Alois Nöttling
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2005-09-29
Also published as: US20050203386A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Röntgendurchleuchtungsgerät sowie ein Verfahren zur Kalibrierung. Bei dem Verfahren zur Kalibrierung des Röntgendurchleuchtungsgerätes mit zumindest zwei getrennten, für unterschiedliche Aufnahmeebenen angeordneten Aufnahmesystemen (1 bis 4) wird während einer Intervention mit einem Instrument (8) bei beliebigen unterschiedlichen Positionen des Instruments (8) mit beiden Aufnahmesystemen (1 bis 4) zeitgleich oder in unmittelbarer zeitlicher Nähe jeweils ein 2-D-Durchleuchtungsbild (9, 10) eines Untersuchungsbereiches aufgenommen, um mehrere Bildpaare zu erhalten. Aus den 2-D-Durchleuchtungsbildern (9, 10) wird mit einem Bildverarbeitungsalgorithmus ein markanter Punkt (5) des in den 2-D-Durchleuchtungsbildern (9, 10) erkennbaren Instruments (8) extrahiert. Die Bildkoordinaten der extrahierten Punkte (5) jedes Bildpaars werden einander zugeordnet und aus den Zuordnungen wird eine relative Abbildungsgeometrie der beiden Aufnahmesysteme (1 bis 4) berechnet. Das vorliegende Verfahren kommt ohne zusätzliche Hilfsmittel aus und lässt sich auch während der Intervention durchführen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Röntgendurchleuchtungsgerät sowie ein Verfahren zur Kalibrierung des Röntgendurchleuchtungsgerätes, das zumindest zwei getrennte, für unterschiedliche Aufnahmeebenen angeordnete Aufnahmesysteme zur Aufzeichnung von 2D-Durchleuchtungsbildern eines Untersuchungsbereiches sowie eine Auswerte- und Steuereinheit zur Ansteuerung der Aufnahmesysteme und Auswertung der von den Aufnahmesystemen erhaltenen Bilddaten aufweist.

Röntgendurchleuchtungsgeräte mit zwei getrennten, für unterschiedliche Aufnahmeebenen angeordneten Aufnahmesystemen sind vor allem als so genannte Biplan-Geräte im Einsatz. Derartige Biplan-Geräte weisen zwei unter einem Winkel zueinander stehende C-Bogen auf, an denen jeweils zumindest eine Röntgenquelle und ein Röntgendetektor sich gegenüberliegend befestigt sind. Durch Verschieben des jeweiligen aus Röntgenquelle und Röntgendetektor gebildeten Aufnahmesystems eines C-Bogens auf der durch den C-Bogen vorgegebenen Bahn lassen sich unterschiedliche Projektionsrichtungen des Untersuchungsbereiches als 2D-Durchleuchtungsbilder aufzeichnen. Die beiden getrennten C-Bogen mit den jeweils zugehörigen Aufnahmesystemen ermöglichen dabei eine simultane Aufzeichnung in zwei unterschiedlichen Aufnahmeebenen.

Biplan-Geräte eignen sich unter anderem für die Bildgebung bei chirurgischen oder interventionellen Eingriffen, um die Position eines medizinischen Instrumentes innerhalb des Untersuchungsbereiches während der Intervention auf den gleichzeitig aufgezeichneten 2D-Durchleuchtungsbildern zu lokalisieren. So werden insbesondere bei intravaskulären Untersuchungen mit Hilfe von Kathetern die gleichzeitig aufgenommenen und an einem Monitor dargestellten Durchleuchtungsbilder für die Navigation des Katheters benötigt.

In vielen Fällen sind für die Vergleichbarkeit der mit den beiden Aufnahmesystemen aufgenommenen 2D-Durchleuchtungsbilder die genauen geometrischen Abbildungseigenschaften der Aufnahmesysteme erforderlich. Diese werden beispielsweise für die Berechnung von Biplan-Angiogrammen im Bereich der angiographischen Aufnahmetechniken benötigt. Die Abbildungseigenschaften der beiden Aufnahmesysteme in Relation zueinander können durch eine Kalibrierung bestimmt werden.

In der Regel wird bisher zur Kalibrierung eines Biplan-Gerätes ein Kalibrierobjekt mit bekannter Geometrie so innerhalb des Aufnahmebereichs platziert, dass es in den Durchleuchtungsbildern der beiden Aufnahmesystem der C-Bogen vollständig sichtbar ist. In den 2D-Durchleuchtungsbildern werden dann die Merkmale des Kalibrierobjektes extrahiert und eindeutig den 3D-Strukturen des Kalibrierobjekts zugeordnet. Durch diese Zuordnung kann die Projektionsgeometrie jedes Aufnahmesystems in Bezug auf das Kalibrierobjekt eindeutig berechnet werden. Diese Kalibrierungsschritte erfolgen in der Regel vor der Durchführung der eigentlichen Intervention.

Für eine Kalibrierung des Biplan-Gerätes während der Intervention ist es auch bekannt, am Patienten Marker anzubringen, die die gleiche Funktion wie die Merkmale des Kalibrierobjekts erfüllen sollen. Auch die Verwendung von Markern am Katheter ist bekannt, wobei dann der Katheter an bestimmte vorgegebene Positionen innerhalb des Untersuchungsbereiches geführt werden muss, um die für die Kalibrierung erforderliche Zuordnung zu erhalten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Kalibrierung eines Röntgendurchleuchtungsgerätes sowie ein für diese Kalibrierung ausgebildetes Röntgendurchleuchtungsgerät anzugeben, mit denen die Kalibrierung auf einfache Weise und ohne zusätzliche Hilfsmittel für die Bedienperson des Röntgendurchleuchtungsgerätes durchführbar ist.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie dem Röntgendurchleuchtungsgerät gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie des Röntgendurchleuchtungsgerätes sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.

Bei dem vorliegenden Verfahren zur Kalibrierung eines Röntgendurchleuchtungsgerätes, insbesondere eines Biplan-Gerätes, mit zumindest zwei getrennten, für unterschiedliche Aufnahmeebenen angeordneten Aufnahmesystemen, wird während einer Intervention mit einem bspw. endoluminalen Instrument, insbesondere einem Katheter, bei beliebigen unterschiedlichen Positionen des Instruments mit beiden Aufnahmesystemen zeitgleich oder in unmittelbarer zeitlicher Nähe jeweils ein 2D-Durchleuchtungsbild eines Untersuchungsbereiches aufgenommen. Jedes 2D-Durchleuchtungsbild, das mit dem einen der beiden Aufnahmesysteme aufgezeichnet wurde, bildet dabei mit dem zeitgleich oder in unmittelbarer zeitlicher Nähe mit dem anderen Aufnahmesystem aufgezeichneten 2D-Durchleuchtungsbild ein Bildpaar. Aus den beiden 2D-Durchleuchtungsbildern jedes dieser Bildpaare werden mit einem Bildverarbeitungsalgorithmus ein oder mehrere markante Punkte des in den 2D-Durchleuchtungsbildern erkennbaren Instruments extrahiert. Die Bildkoordinaten dieser extrahierten Punkte werden einander zugeordnet. Aus diesen Zuordnungen kann dann eine relative Abbildungsgeometrie der beiden Aufnahmesysteme berechnet werden, so dass die Kalibrierung der beiden Aufnahmesysteme abgeschlossen ist. Die Extrahierung mehrerer markanter Punkte des Instruments lässt sich bspw. bei Mapping-Kathetern ohne weiteres realisieren.

Im Folgenden wird das Verfahren speziell unter Bezug auf ein endoluminales Instrument beschrieben. Es ist jedoch selbst verständlich auch mit anderen Instrumenten, bspw. einer Biopsienadel, durchführbar.

Für die Berechnung der relativen Abbildungsgeometrie sind verschiedene Bildpaare erforderlich, die bei unterschiedlichen räumlichen Positionen des endoluminalen Instruments innerhalb des Untersuchungsbereiches und identischen Aufnahmepositionen aufgezeichnet wurden. Hierbei ist lediglich darauf zu achten, dass diese unterschiedlichen Positionen des Instruments nicht nur auf einer geraden Linie oder in einer Ebene liegen, sondern dreidimensional räumlich verteilt sind. Besonders vorteilhaft lässt sich die vorliegende Kalibrierung daher bei Anwendungen in Herzkammern durchführen, da dabei der Katheter innerhalb des Ventrikels frei bewegt werden kann.

Die Berechnung der relativen Abbildungsgeometrie der beiden Aufnahmesysteme aus den erhaltenen Punktkorrespondenzen kann mit Techniken erfolgen, wie sie aus dem Bereich der Computer Vision bekannt sind. Ein derartiges Verfahren zeigt beispielsweise die Veröffentlichung von Z. Zhang, Determining the Epipolar Geometry and its Uncertainty: A Review, 1998, IJCV 27(2), Seiten 161 bis 198, die die Bestimmung von Projektionsparametern zweier zentral perspektivischer Abbildungssysteme relativ zueinander aus Punktkorrespondenzen beschreibt. Bei diesem auf dem optischen Gebiet liegenden Verfahren werden ähnliche Oberflächenstrukturen einer optischen Abbildung eines Objektes automatisch aus zwei Bildern extrahiert und zueinander in Korrespondenz gesetzt. Jedem Merkmal aus einem der Bilder wird ein korrespondierendes Merkmal im zweiten Bild zugeordnet. Für die Berechnung der relativen Abbildungsgeometrie sind mindestens sieben derartiger Korrespondenzen erforderlich. Eine direkte Übertragung der auf diesem optischen Gebiet offenbarten Verfahren auf die Röntgendurchleuchtungstechnik ist jedoch nicht möglich, da im Gegensatz zu optischen Bildern in Röntgenbildern Strukturen grundsätzlich überlappen und somit eine automatische Extraktion von natürlichen Landmarken bei Röntgenbildern verhindert wird.

Bei Verwendung von mehr als zwei Aufnahmesystemen mit unterschiedlichen Aufnahmeebenen kann für die Berechnung der relativen Abbildungsgeometrien zwischen den unterschiedlichen Systemen ein Verfahren eingesetzt werden, wie es bspw. in B. Triggs, "Factorization Methods for Projective Structure and Motion", CVPR'96, Seiten 845–851, oder der darin verwiesenen Literatur beschrieben ist.

Bei dem vorliegenden Verfahren werden demgegenüber die erforderlichen Punktkorrespondenzen durch Bewegung des endoluminalen Instrumentes erhalten. Verfahren zur automatischen Extraktion von markanten Stellen eines derartigen Instrumentes aus dem 2D-Durchleuchtungsbild sind dem Fachmann bekannt. So zeigt beispielsweise die Veröffentlichung von I. H. de Boer et al., Methods for determination of electrode positions in tomographic images, International Journal of Bioelectromagnetism, Number 2, Volume 2, Sept. 2000, ISSN 1456–7865, ein Verfahren zur automatischen Extraktion einer Katheterspitze aus einem 2D-Durchleuchtungsbild.

Wird der Katheter nun vom Arzt frei bewegt, so können simultan in beiden Aufnahmeebenen des Gerätes Röntgenaufnahmen gemacht und die Katheterspitze jeweils extrahiert werden. Aus jedem einzelnen Paar von Aufnahmen erhält man somit eine Punktkorrespondenz. Durch sukzessive Akquisition neuer Aufnahmen können binnen kürzester Zeit beliebig viele Punktkorrespondenzen robust ermittelt werden, ohne spezielle Vorkehrungen für die Kalibrierung treffen zu müssen. Das Verfahren kommt somit ohne Kalibrierobjekt oder zusätzliche Marker aus.

Werden die 2D-Durchleuchtungsbilder bzw. Projektionsbilder der beiden Aufnahmeebenen nicht simultan, also exakt zum gleichen Zeitpunkt, sondern alternierend aufgenommen, um negativen Einfluss von Streustrahlung zu vermeiden, so wird in einer Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens die Position der markanten Stelle in dem 2D-Durchleuchtungsbild einer der beiden Aufnahmeebenen geeignet interpoliert. Dies kann unter Einbeziehung einer oder mehrerer zeitlich benachbarter Aufnahmen in der gleichen Aufnahmeebene erfolgen. Durch die Interpolation kann der Einfluss von Patientenbewegungen auf die Kalibrierung reduziert werden.

Das Röntgendurchleuchtungsgerät, das für die Kalibrierung gemäß dem vorliegenden Verfahren ausgebildet ist, weist in bekannter Weise zumindest zwei Aufnahmesysteme zur Aufzeichnung von 2D-Durchleuchtungsbildern eines Untersuchungsbereiches in unterschiedlichen Aufnahmeebenen sowie eine Auswerte- und Steuereinheit zur Ansteuerung der Aufnahmesysteme und Auswertung der von den Aufnahmesystemen erhaltenen Bilddaten auf. Das Röntgendurchleuchtungsgerät zeichnet sich dadurch aus, dass die Auswerte- und Steuereinheit ein Kalibrierungsmodul umfasst, das aus Bildpaaren, die sich aus jeweils einem ersten mit einem der Aufnahmesysteme aufgenommenen 2D-Durchleuchtungsbild und einem zweiten zeitgleich oder in unmittelbarer zeitlicher Nähe mit dem anderen Aufnahmesystem aufgenommenen 2D-Durchleuchtungsbild zusammensetzen, einen markanten Punkt eines in den 2D-Durchleuchtungsbildern erkennbaren Instrumentes extrahiert, Bildkoordinaten der extrahierten Punkte jedes Bildpaars einander zuordnet und aus den Zuordnungen eine relative Abbildungsgeometrie der beiden Aufnahmesysteme berechnet und speichert. Mit diesem Röntgendurchleuchtungsgerät wird somit über einen in dem Kalibrierungsmodul enthaltenen Bildverarbeitungsalgorithmus automatisch nach Erhalt der ersten Bildpaare eine Kalibrierung der beiden Aufnahmesysteme vorgenommen. Die Extrahierung der markanten Punkte aus den 2D-Durchleuchtungsbildern sowie die nachfolgenden Berechnungen können hierbei in Echtzeit erfolgen.

Der Kalibrierablauf beim vorliegenden Verfahren ist sehr einfach und kann vom Arzt während der Intervention ohne zusätzlichen Aufwand durchgeführt werden. Für die Kalibrierung muss in der bevorzugten Ausgestaltung lediglich auf dem Akquisitionssystem, d. h. in der Auswerte- und Steuereinheit, eine Software für die Kalibrierung gestartet werden und der Katheter anschließend wenige Sekunden frei im Untersuchungsbereich bewegt werden. Die Kalibrierung kann hierbei sowohl vor der Intervention als auch während der Intervention erfolgen. Vor der Intervention ist es auch möglich, die Kalibrierung ohne Patienten durch alleinige Bewegung des Katheters innerhalb des von den Aufnahmesystemen erfassten Aufnahmevolumens durchzuführen. Durch eine Kalibrierung während der Intervention wird vermieden, dass die Genauigkeit der Kalibrierung von der Reproduzierbarkeit der Positionierung der C-Bögen abhängt. Ein besonderer Vorteil des vorliegenden Verfahrens besteht weiterhin darin, dass keine zusätzlichen Hilfsmittel am Patienten oder am Katheter angebracht werden müssen, um die Online-Kalibrierung durchzuführen. Vielmehr wird die Kalibrierung rein auf Basis der Bilddaten mit bekannten Verfahren zur Extraktion eines markanten Punktes des Instrumentes, insbesondere zur Extraktion der Katheterspitze, durchgeführt.

Das vorliegende Röntgendurchleuchtungsgerät sowie das Verfahren zur Kalibrierung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für ein Biplan-Gerät, das gemäß der vorliegende Erfindung ausgebildet ist;
2 eine Veranschaulichung der Extraktion und Zuordnung markanter Punkte des endoluminalen Instrumentes in den 2D-Durchleuchtungsbildern; und
3 einen Überblick über die Verfahrensschritte zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens.
1 zeigt beispielhaft ein Biplan-Gerät mit zwei C-Bogen-Systemen 11, 12, die im vorliegenden Beispiel unter einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind. Jedes der beiden C-Bogen-Systeme 11, 12 umfasst ein Aufnahmesystem mit jeweils einer Röntgenröhre 1, 3 sowie einem der Röntgenröhre gegenüberliegenden Röntgendetektor 2, 4. Mit den beiden Aufnahmesystemen 1 bis 4 können von einem Untersuchungsbereich eines Patienten 13, der auf einer Patientenliege 14 gelagert ist, 2D-Durchleuchtungsbilder quasi simultan in zwei unterschiedlichen Aufnahmeebenen erhalten werden. Die Steuerung der C-Bogen 11, 12 sowie der Aufnahmesysteme 1 bis 4 erfolgt über die Steuer- und Auswerteeinrichtung 6, in der auch die Auswertung der Bilddaten für deren Darstellung auf einem Monitor 15 durchgeführt wird. Die Auswerte- und Steuereinheit 6 umfasst auch ein Kalibrierungsmodul 7, über das die Kalibrierung der beiden Aufnahmesysteme 1 bis 4 gemäß dem nachfolgend beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Der prinzipielle Verfahrensablauf ist anhand der 3 zu erkennen. Für die Kalibrierung bewegt der Arzt im vorliegenden Beispiel einen Katheter an verschiedene räumliche Positionen innerhalb des Untersuchungsbereiches. An den unterschiedlichen Positionen wird nahezu zeitgleich mit beiden Aufnahmesystemen jeweils ein 2D-Durchleuchtungsbild des Untersuchungsbereiches aufgenommen, in dem die Katheterspitze erkennbar ist. Anschließend erfolgt in beiden aufgezeichneten Bildern eine Extraktion der Katheterspitze mit einem Bildverarbeitungsalgorithmus. Die hierdurch in den beiden Bildern erhaltenen Punkte bzw. Koordinaten werden einander zugeordnet. Sind bereits genügend Zuordnungen von unterschiedlichen Positionen des Katheters vorhanden, so erfolgt die Berechnung der relativen Abbildungsgeometrie der beiden Aufnahmesysteme aus den mehreren Zuordnungen sowie die Speicherung dieser relativen Abbildungsgeometrie. Zur eindeutigen Berechnung der relativen Abbildungsgeometrie sind zumindest sieben Zuordnungen an unterschiedlichen räumlich verteilten Positionen des Katheters erforderlich. Liegen noch nicht genügend Zuordnungen vor, so erfolgt eine weitere Bewegung des Katheters mit dem entsprechend beschriebenen Verfahrensablauf.
2 zeigt beispielhaft und stark schematisiert die Extraktion und Zuordnung der Katheterspitze aus den beiden 2D-Durchleuchtungsbildern eines einzelnen Bildpaars. In der Figur sind die Projektionszentren 16 sowie die Detektorebenen 17 zu erkennen, die durch die Anordnung der Röntgenröhren 1, 3 und Detektoren 2, 4 der beiden Aufnahmesysteme und die jeweilige Stellung der beiden C-Bogen 11, 12 gegeben sind. In der Mitte des Bildes ist im Untersuchungsbereich ein Katheter 8 dargestellt, der durch die Aufnahmen aus den beiden unterschiedlichen Perspektiven mit den beiden Aufnahmesystemen in die Detektorebenen 17 projiziert wird. In den Detektorebenen 17 werden somit entsprechende 2D-Durchleuchtungsbilder 9, 10 erhalten, in denen der Katheter 8 sichtbar ist. Die Projektion der Katheterspitze 5 auf diese Detektorebenen, d.h. die Position der Katheterspitze in den 2D-Durchleuchtungsbildern, ist in der Figur mit den Kreuzen angedeutet. Diese Spitze wird durch einen Bildverarbeitungsalgorithmus aus den 2D-Durchleuchtungsbildern 9, 10 extrahiert und die zugehörigen Bildkoordinaten werden einander zugeordnet.
Die gleiche Prozedur wird für mehrere Positionen des Katheters innerhalb des Untersuchungsbereiches durchgeführt, von denen durch die gestrichelten Linien zwei weitere in der 2 angedeutet sind. Durch die dadurch erhaltenen Punktkorrespondenzen kann die relative Abbildungsgeometrie zwischen den beiden Aufnahmesystemen berechnet werden, insbesondere der relative Abbildungsmaßstab sowie der Winkel der Aufnahmeebenen zueinander.

Claims

Verfahren zur Kalibrierung eines Röntgendurchleuchtungsgerätes, insbesondere eines Biplan-Gerätes, mit zumindest zwei getrennten, für unterschiedliche Aufnahmeebenen angeordneten Aufnahmesystemen (1 bis 4), bei dem während einer Intervention mit einem Instrument (8) bei beliebigen unterschiedlichen Positionen des Instruments (8) mit beiden Aufnahmesystemen (1 bis 4) zeitgleich oder in unmittelbarer zeitlicher Nähe jeweils ein 2D-Durchleuchtungsbild (9, 10) eines Untersuchungsbereiches aufgenommen wird, um mehrere Bildpaare zu erhalten, aus den 2D-Durchleuchtungsbildern (9, 10) mit einem Bildverarbeitungsalgorithmus zumindest ein markanter Punkt (5) des in den 2D-Durchleuchtungsbildern (9, 10) erkennbaren Instruments (8) extrahiert wird, Bildkoordinaten der extrahierten Punkte (5) jedes Bildpaars einander zugeordnet werden und aus den Zuordnungen eine relative Abbildungsgeometrie der beiden Aufnahmesysteme berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze des Instrumentes als markanter Punkt (5) extrahiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Extrahierung des markanten Punktes (5) des Instrumentes (8) und die nachfolgenden Berechnungen in Echtzeit erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer zeitlich versetzten Aufzeichnung der 2D-Durchleuchtungsbilder (9, 10) jedes Bildpaars in einem der 2D-Durchleuchtungsbilder (9, 10) des Bildpaars die Bildkoordinaten des markanten Punktes (5) interpoliert werden.
Röntgendurchleuchtungsgerät, insbesondere Biplan-Gerät, mit zumindest zwei Aufnahmesystemen (1 bis 4) zur Aufzeichnung von 2D-Durchleuchtungsbildern eines Untersuchungsbereiches in unterschiedlichen Aufnahmeebenen, einer Auswerte- und Steuereinheit (6) zur Ansteuerung der Aufnahmesysteme (1 bis 4) und Auswertung der von den Aufnahmesystemen (1 bis 4) erhaltenen Bilddaten, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (6) ein Kalibrierungsmodul (7) umfasst, das aus Bildpaaren, die sich aus jeweils einem ersten mit einem der Aufnahmesysteme aufgenommenen 2D-Durchleuchtungsbild (9) und einem zweiten zeitgleich oder in unmittelbarer zeitlicher Nähe mit dem anderen Aufnahmesystem (1 bis 4) aufgenommenen 2D-Durchleuchtungsbild (10) zusammensetzen, zumindest einen markanten Punkt (5) eines in den 2D-Durchleuchtungsbildern erkennbaren Instrumentes (8) extrahiert, Bildkoordinaten der extrahierten Punkte (5) jedes Bildpaars einander zuordnet und aus den Zuordnungen eine relative Abbildungsgeometrie der beiden Aufnahmesysteme (1 bis 4) berechnet und speichert.