-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entzerrung
von Röntgenbildern,
die mit einer Röntgenaufnahmevorrichtung,
bestehend aus wenigstens einer Röntgenstrahlenquelle
und wenigstens einem gegenüberliegend
angeordnetem Röntgenbildverstärker, erstellt
werden.
-
Röntgenaufnahmen,
wie sie mit einem Röntgendurchleuchter
oder Fluoroskop gemacht werden, weisen geometrische Verzerrungen
auf, welche keinen direkten Rückschluss
aus dem Röntgenbild
auf die tatsächlich
durchleuchteten Geometrien zulässt. Diese
Verzerrungen werden zum größten Anteil durch
die Projektion auf einen gekrümmten
Eingangsleuchtschirm des Röntgenbildverstärkers erzeugt;
ein weiterer, nicht unwesentlicher Anteil der Verzerrungen, wird
durch Magnetfelder in der Umgebung des Bildverstärkers verursacht.
-
Ein
Röntgenbildverstärker beinhaltet
eine Elektronenröhre,
mit Hilfe derer ein nur sehr schwach leuchtendes Bild am Eingang
des Bildverstärkers
in ein stark leuchtendes Bild am Ausgang des Bildverstärkers umgewandelt
wird. Am Eingang des Bildverstärkers
werden durch das schwach leuchtende Bild Elektronen aus der Kathode
der Elektronenröhre
herausgelöst.
Durch eine Beschleunigung innerhalb der Elektronenröhre wird
die Energie der Elektronen und somit auch die Leuchtkraft des Bildes
am Ausgangsleuchtschirm des Bildverstärkers erhöht. Während der Verstärkung im
Bildverstärker
werden die Elektronen durch Magnetfelder von ihren tatsächlichen Bahnen
abgelenkt und verzerren somit das Bild am Ausgang des Bildverstärkers.
-
Derzeit
bekannte Verfahren zur Entzerrung von Röntgenbildern, wie zum Beispiel
in den europäischen
Patentschriften
EP
0 479 618 A2 und
EP
0 623 884 A2 , basieren darauf, dass ein Kalibrierobjekt mit
röntgendichten
Referenzmarkern, die sich an bekannten Positionen befinden, in den
Röntgenstrahlengang
während
einer Aufnahme eingebracht wird. So erhält man ein Bild des durchleuchteten
Objekts, das mit den Projektionen dieser Marker überlagert ist. Mit den Positionen
der Abbildungen im Bild sowie den tatsächlichen Abmaßen des
Kalibrierobjektes kann nun eine Abbildungsvorschrift generiert werden,
mit der die Koordinaten eines verzerrten Bildes in die eines entzerrten
umgerechnet werden können.
-
Da
die Verzerrung durch Magnetfelder ortsabhängig ist, kann für verschiedene
Positionen und Orientierungen der Röntgenaufnahmeeinrichtung eine
betriebsortabhänge
Entzerrung ermittelt werden. Ein solches Verfahren ist in der deutschen
Patentschrift
DE 199
26 098 C2 offenbart.
-
Für viele
Anwendungen, wie z.B. für
Röntgenbildbasierte
Navigationssysteme für
die Computerunterstützte
Chirurgie, ist es wünschenswert,
dass das Bild nicht mit Markern überlagert
ist, da diese einerseits den Kontrast des Bildes einschränken und evtl.
wichtige Details im Bild verdecken können.
-
In
der deutschen Patentschrift
DE 198 07 884 C2 ist ein Verfahren offenbart,
welches eine Entzerrung von Röntgenbildern
ermöglicht,
indem vor dem Einsatz der Aufnahmevorrichtung ein ortsabhängiges Kalibriermodell
erstellt wird, welches während
des Einsatzes der Aufnahmevorrichtung mit ganz oder teilweise entferntem
Kalibrierkörper
eine Entzerrung an denjenigen Orten erlaubt, an denen bereits vorher
Kalibrierparameter ermittelt wurden. Wenn eine Aufnahme von einem
bislang nicht kalibrierten Ort aus gemacht wird, werden die entsprechenden
Kalibrierparameter interpoliert. So können die überlagernden Marker ganz oder
teilweise vermieden werden.
-
Da
die magnetfeldabhängige
Verzerrung von Richtung und Amplitude des Magnetfeldes abhängt, ist
eine ortsabhängige
Entzerrung nicht ausreichend. In der US-amerikanischen Patentschrift
US 4 945 223 ist ein Verfahren
offenbart, welches mit Hilfe von Hall-Sensoren die zweidimensionale
Magnetfeldkomponente in der Eingangsebene des Bildverstärkers misst
und mit einer elektronischen Schaltung eine entzerrende Bildkorrektur
direkt in der das Bild erzeugenden Hardware des Bildverstärkers vornimmt.
Wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist, dass für den Einsatz
dieser Schaltung der Aufbau des Bildverstärkers bekannt sein muss und
direkt in das Gerät
eingegriffen werden muss.
-
Aufgabe der
Erfindung
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur magnetfeldabhängigen Entzerrung
von Röntgenbilder
derart auszuführen, dass
es universell für
Bildverstärker
unterschiedlicher Bauart einsetzbar ist und durch eine Kalibrierung
an den jeweiligen Bildverstärker
angepasst werden kann. Das Verfahren unterscheidet sich von rein ortsabhängigen Verfahren
dadurch, dass es eine Entzerrungsfunktion enthält, welche eine Entzerrung von
Röntgenbildern
abhängig
von Richtung und Amplitude des Magnetfeldes in der Umgebung des
Bildverstärkers
ermöglicht.
Es wird keine Datenbank mit ortsabhängigen Parameters für die Entzerrung
erstellt, sondern das Verfahren soll vielmehr eine kontinuierliche
Funktion zur Verfügung
stellen, die für
jede beliebige Magnetfeldrichtung und -amplitude entsprechende Korrekturparameter
für eine
Entzerrung zur Verfügung
stellt, ohne dass hierfür
nach erfolgter Kalibrierung noch Marker bzw. Abbildungen von Körpern bekannter
Geometrie benötigt
werden. Es sollen somit magnetfeldbedingte Verzerrungen des Röntgenbildes
einer Röntgenaufnahmeeinrichtung mit
Bildverstärker
ortsunabhängig
kompensiert werden, ohne hierfür
in die jeweilige Röntgenaufnahmeeinrichtung
eingreifen zu müssen
oder deren physikalischen Aufbau im Detail zu kennen. Nach erfolgter Kalibrierung
sollen im Bild keine Marker mehr notwendig sein.
-
Beschreibung
der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren, welches durch Messen des Magnetfeldes
in Amplitude und Orientierung im Bereich des Röntgenbildverstärkers und
mit Hilfe eines magnetfeldabhängigen
mathematischen Models die verzerrenden Eigenschaften des Röntgenbildverstärkers nachbildet.
Es ist so konzipiert, dass es durch eine Kalibrierung an Röntgenbildverstärker mit
unterschiedlichem Aufbau und unterschiedlichen Verzerrungseigenschaften
angepasst werden kann. Hierzu ist kein Wissen über den Aufbau des Bildverstärkers notwendig.
-
Für die Kalibrierung
des Verfahrens werden ein oder mehrere Röntgenaufnahmen eines Referenzobjektes
bekannter Geometrie aufgenommen, wobei die Aufnahmen in Amplitude
und Orientierung eine unterschiedliche Ausrichtung des Magnetfeldes relativ
zum Bildverstärker
haben können.
-
Das
durch diese Erfindung beschriebene Verfahren zur Entzerrung von
Röntgenbildern
basiert auf einem magnetfeldabhängigen
mathematischen Model, das gerätespezifische
Parameter enthält. Sind
die gerätespezifischen
Parameter durch die Kalibrierung einmal bestimmt, kann später jede
Aufnahme, die mit dem gleichen Bildverstärker gemacht wird, entzerrt
werden.
-
Während der
Kalibrierung werden die gerätespezifischen
Parameter so eingestellt, dass das Model in Abhängigkeit der zum jeweiligen
Bild gemessenen Magnetfeldrichtung und -amplitude die Verzerrung
des Röntgenbildes
bestmöglichst
voraussagt. Diese simulierte Verzerrung wird nun verwendet, um die
tatsächliche
Verzerrung zu kompensieren. Da das kalibrierte Model nur noch die
jeweiligen Magnetfeldwerte benötigt,
werden keine Projektionen mehr von Referenzmarkern im Bild benötigt.
-
Die
Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
-
In 1 ist
eine mögliche
Anordnung einer Röntgenaufnahmevorrichtung
zu sehen. An einem auf Rollen fahrbaren Gerätewagen 1 ist in Form
eines C-Bogens 2 eine verschiebbare und drehbare bewegliche
Halterung für
eine Röntgenstrahlenquelle 3 und
einen Röntgenbildverstärker 4 befestigt.
Die Anordnung von der Röntgenstrahlenquelle 3 und
dem Röntgenbildverstärker 4 ist
so gewählt,
dass sich dazwischen befindliche Untersuchungsobjekte 5 durch Röntgenstrahlen 6 ganz
oder teilweise auf den Röntgenbildverstärker 4 abgebildet
werden.
-
2 zeigt
einen vereinfachten Aufbau eines Röntgenbildverstärkers 4.
Er besteht aus einem Gehäuse 7 sowie
einer Vakuumröhre 8.
Trifft auf den Eingangsleuchtschirm 9 Röntgenstrahlung, so werden durch
dessen Leuchtkraft in Abhängigkeit
der Energie der Auftreffenden Strahlung Elektronen 10 aus
der Kathode 11 freigesetzt. Die freien Elektronen werden
durch die Beschleunigungsspannung U von der Kathode 11 zur
Anode 12 beschleunigt. Das von dem Ausgangsleuchtschirm 13 erzeugte
leuchtende Bild wird nach einer Umwandlung in ein analoges oder
digitales Videobild als Ausgangangsbild zur Verfügung gestellt. Die Elektronen 10 bewegen
sich auf der Originalbahn der Elektronen 14, wenn kein
Magnetfeld 16 vorhanden ist. Durch ein vorhandenes Magnetfeld 16 werden
die Elektronen 10 von ihrer Originalbahn 14 durch
die Lorentzkraft abgelenkt und bewegen sich auf einer abgelenkten
Bahn 18. Da für
jeden Bildpunkt die Originalbahn 14 des Elektrons 10 in unterschiedlicher
Weise durch das Magnetfeld B abgelenkt wird, entsteht ein verzerrtes
Bild. Am Ausgangsleuchtschirm 13. Durch einen oder mehrere Magnetfeldsensoren 17,
die eine bekannte Zuordnung zum Röntgenbildverstärker 4 haben,
wird das Feld in der Umgebung des Röntgenbildverstärkers 4 in
Amplitude und Orientierung gemessen.
-
In 3 ist
ein mögliches
Model für
eine stark vereinfachte mathematische Beschreibung der Abbildungsvorgänge im Röntgenbildverstärker 4 gegeben.
Der Eingangsleuchtschirm 11 ist so gekrümmt, dass er auf einer Kugeloberfläche mit
dem Radius R um den Mittelpunkt M liegt. In einem Abstand d zu dem
Eingangsleuchtschirm 11 befindet sich der Ausgangsleuchtschirm 13,
der gleichzeitig die Anode 12 darstellt. Die Elektronen 10 bewegen sich,
sofern sie nicht durch ein Magnetfeld 16 abgelenkt werden,
auf der Originalbahn 14. Durch ein vorhandenes Magnetfeld
werden sie abgelenkt und bewegen sich auf der abgelenkten Bahn 15.
Durch Variation des Kugelradius R ändert sich die Originalbahn 14 der
Elektronen 10 und somit auch die abgelenkte Bahn 15.
Somit ändert
sich auch die Verzerrung im Bild durch eine Variation des Kugelradius
R.
-
- 1
- Gerätewagen
- 2
- C-Bogen
- 3
- Röntgenstrahlenquelle
- 4
- Röntgenstrahlenempfänger
- 5
- Untersuchungsobjekt
- 6
- Röntgenstrahl
- 7
- Gehäuse
- 8
- Vakuumröhre
- 9
- Eingangsleuchtschrim
- 10
- Elektron
- 11
- Kathode
- 12
- Anode
- 13
- Ausgangsleuchtschirm
- 14
- Originalbahn
- 15
- verzerrte
Bahn
- 16
- Magnetfeld
- 17
- Magnetfeldsensor
-
Beispiele
-
Im
Folgenden ist ein Anwendungsbeispiel der Erfindung gegeben. Ein
dreidimensionaler Magnetfeldsensor 17 wird mit bekannter
Orientierung und Position am Röntgenbildverstärker 4 befestigt.
-
Es
wird ein mathematisches Model herangezogen, welches vom Magnetfeld 16 sowie
von dem Krümmungsradius
R des Eingangsleuchtschirms des Bildverstärkers abhängt (siehe 3).
Der Krümmungsradius
R ist ein gerätespezifischer
Parameter, der durch eine Kalibrierung bestmöglich ermittelt werden muss.
Während
der Kalibrierung wird eine Röntgenaufnahme
einer mit röntgendichten
Markern versehenen Platte gemacht und gleichzeitig mit dem Magnetfeldsensor 17 das
Feld in Amplitude und Orientierung gemessen.
-
Es
wird angenommen, dass die Krümmung eine
Kugelkappe um den Mittelpunkt M ist, und dass alle Elektronen, die
durch das Bild am Eingangsleuchtschirm herausgeschlagen werden,
auf geraden Bahnen durch diesen Mittelpunkt M fliegen, bis sie auf
den Ausgangsleuchtschirm 13 treffen, der den Abstand d
zum Eingangsleuchtschirm 9 hat. Die Geschwindigkeit der
Elektronen wird im Beispiel so angenommen, dass sie von 0 m/s am
Eingangsleuchtschirm 9 auf 90 * 106 m/s
am Ausgangsleuchtschirm 13 beschleunigt wird. Der Abstand
d wird frei gewählt und
liegt für
dieses Beispiel bei 300 mm. Mit Hilfe der Lorentzkraft F = q*V x
8 läßt sich
nun für
jede Elektronenbahn diejenige Bahn errechnen oder annähern, die
das Elektron unter Einfluß das
Magnetfeldes 16 fliegt. So erhält man am Ausgangsleuchtschirm 13 ein
verzerrtes Bild, das vom Radius R des Eingangsleuchtschirms 9 und
von dem mit dem Sensor 17 gemessenen Magnetfeld 16 abhängt.
-
Vergleicht
man das so enstandene, simulierte verzerrte Bild mit dem tatsächlich verzerrten
Bild, und berechnet für
ein oder mehrere korrespondierende Punkte die Differenzvektoren
und addiert die Beträge,
so läßt sich
eine Funktion des Fehlers in Abhängigkeit
von dem gerätespezifischen
Parameter R angeben. Wird diese Funktion minimiert, so erhält man deinen
Wert für
R, für
den das Model für
beliebige Magnetfeldrichtungen und -amplituden eine Verzerrung vorhersagt
und somit die Möglichkeit
einer Kompensation gibt.
-
Die
Kompensation der Verzerrung erfolgt, indem beliebig viele Bildpunkte
mit Hilfe des Models berechnet werden und auf die zugehörigen Positionen
ohne Verzerrung abgebildet werden.