DE102005038892A1 - Verfahren zum Erzeugen von 3-D-Röntgenbilddaten eines Objekts - Google Patents

Verfahren zum Erzeugen von 3-D-Röntgenbilddaten eines Objekts Download PDF

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Erzeugen von 3-D-Röntgenbilddaten (30) eines Objekts (14) werden eine Vielzahl von ersten 2-D-Röntgenbildern (26a-d) des Objekts aus verschiedenen Blickrichtungen (24a-d) aufgenommen, werden jeweils mindestens zwei erste 2-D-Röntgenbilder (26a-d) miteinander zur Rauschfilterung zu einem zweiten rauschgefilterten 2-D-Röntgenbild (28a-d) kombiniert und werden die 3-D-Röntgenbilddaten (30) aus den zweiten 2-D-Röntgenbildern (28a-d) erzeugt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von 3D-Röntgenbilddaten eines Objekts.
  • Röntgenbildgebung wird in vielen Bereichen der Technik und Medizin verwendet, um Informationen über das von außen nicht sichtbare Innere eines Objekts zu gewinnen. Insbesondere in der Medizin werden als Objekte Patienten mit Röntgenstrahlen durchleuchtet, wobei die Patienten in der Regel lebende Menschen oder Tiere sind. Gerade in der Medizin gewinnt neben der Anfertigung herkömmlicher 2D-Röntgenbilder zunehmend die Anfertigung von 3D-Bilddatensätzen an Bedeutung.
  • 3D-Bilddatensätze werden als Rekonstruktionen aus einer Vielzahl von im Wesentlichen herkömmlich aufgenommenen 2D-Röntgenbildern erzeugt. Für die Erstellung solcher 3D-Rekonstruktinen bzw. 3D-Bilddatensätze werden heute sowohl mobile als auch stationäre C-Bogen-Systeme verwendet.
  • Bei beiden Systemen wird eine Sequenz von 2D-Röntgenbildern entlang einer vorgegebenen Trajektorie aufgezeichnet. Z.B. werden bei einem stationären C-Bogen-Angio-System einige hundert 2D-Röntgenbilder von einem Patienten während eines 180°-Orbitalscans aufgenommen. Bei einem derartigen Orbitalscan kreisen Röntgenquelle und Röntgenbildempfänger des Angio-Systems isozentrisch auf einer Orbitalbahn um die interessierende Körperregion des Patienten.
  • Aufgrund der geometrischen Kalibrierung derartiger Röntgensysteme, welche meist im „offline"-Betrieb, d.h. z.B. direkt nach der Fertigung, also nicht im regulären Betrieb, durchgeführt wird, ist die Lage jedes einzelnen aufgenommenen 2D-Röntgenbildes relativ zum Isozentrum des Systems bekannt. Die so ermittelten Blickwinkel, Entfernungen und sonstige Geometrieparameter werden hierbei in so genannten, dem Röntgensystem eigenen Projektionsmatrizen niedergelegt bzw. gespeichert.
  • Durch geeignete Verfahren, wie z.B. der so genannten Rückprojektion wird aus der Vielzahl der 2D-Röntgenbilder ein 3D-Rekonstruktionsvolumen berechnet. Hierbei werden die Projektionsmatrizen des Systems benutzt.
  • Um eine hochqualitative 3D-Rekonstruktion zu erhalten, werden zunächst hochqualitative 2D-Röntgenbilder benötigt, welche Eingang in das entsprechende Rückprojektionsverfahren finden. Entscheidende Qualitätsparameter für die 2D-Röntgenbilder sind hierbei z.B. deren Kontrastauflösung, Ortsauflösung und das Vorhandensein von Artefakten. Eine hohe Kontrastauflösung dient dazu, verschiedene Organe anhand ihrer Helligkeit im Röntgenbild unterscheiden zu können. Artefakte sind z.B. Kissen- oder Tonnen-Verzerrungen des Bildes oder Streifen-Artefakte, z.B. verursacht durch sich während der Aufnahme bewegenden Rippen oder ähnlichem.
  • Gerade die Qualität der Kontrastauflösung wird wesentlich durch das Rauschen in den 2D-Röntgenbildern bestimmt. Ursache dieses Rauschens sind unter anderem das Quantenrauschen der Röntgenstrahlung, Streustrahlung, spektrale Empfindlichkeiten, ausgelöst beispielsweise durch den „Beam-Hardening-Effekt" und das Detektorrauschen im Röntgenbildempfänger.
  • Um eine hochqualitative Rückprojektion bzw. einen hochqualitativen 3D-Bilddatensatz zu erhalten, ist es deshalb besonders wichtig, eine effektive Rauschreduktion in den 2D-Röntgenbildern durchzuführen.
  • Hierfür sind verschiedene Verfahren bekannt: Rauschen kann z.B. durch eine höhere Röntgendosis minimiert werden. In der Praxis wird dies so weit wie möglich vermieden, um den Patienten vor allem bei der Vielzahl der zu erstellenden 2D-Röntgenaufnahmen mit einer möglichst geringen Röntgendosis zu bestrahlen.
  • Weiterhin ist es bekannt, eine Vielzahl von Filterverfahren für 2D-Bilder, insbesondere für 2D-Röntgenbilder, in diesem Zusammenhang anzuwenden. Beispiele hierfür sind z.B. Zeilen- oder Flächenfilter, morphologische Operatoren, Frequenzfilter, Medianfilter, Sigma-Lee-Filter.
  • Aus [K. Wiesent et al., "Enhanced 3D-Reconstruction Algorithm for C-Arm Systems Suitable for Interventional Procedures", IEEE Trans. on Med. Im., V.19, N.5, May 2000] ist es z.B. bekannt, die einzelnen 2D-Röntgenbilder zusammen mit der inversen Punktbildtransformation der Rückprojektion zu filtern.
  • Außerdem sind Filteralgorithmen bekannt, welche nach erfolgter 3D-Rekonstruktion, also direkt am 3D-Bilddatensatz, durchgeführt werden. Hier gibt es im Bereich der MPR-Visualisierung z.B. Filterverfahren wie die Thick-MPR oder das De-Streaking.
  • Ziel jeglicher Rauschunterdrückung ist hierbei idealerweise die Entfernung des Rauschens aus dem 2D- oder 3D-Röntgenbild, ohne dabei Bildinformation zu zerstören. Die entsprechenden Filterverfahren, welche jeweils auf ein einzelnes 2D-Röntgenbild oder den 3D-Bilddatensatz angewendet werden, führen letztendlich zu einer mehr oder weiniger guten Rauschreduktion in den 3D-Röntgenbilddaten.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Erzeugung von 3D-Röntgenbilddaten eines Objekts hinsichtlich der Rauschunterdrückung weiter zu verbessern.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen von 3D-Röntgenbilddaten eines Objektes, bei dem eine Vielzahl von ersten 2D-Röntgenbildern des Objekts aus verschiedenen Blickrichtungen aufgenommen werden, jeweils mindestens zwei erste 2D-Röntgenbilder miteinander zur Rauschfilterung zu einem zweiten rauschgefilterten 2D-Röntgenbild kombiniert werden, und die 3D-Röntgenbilddaten aus den zweiten 2D-Röntgenbildern erzeugt werden.
  • Erfindungsgemäß wird also zur Rauschfilterung ein Filterverfahren bzw. ein Rauschfilter verwendet, an dessen Eingang anstelle eines einzigen zu filternden 2D-Röntgenbildes zwei 2D-Röntgenbilder eingespeist werden. Am Ausgang des entsprechenden Rauschfilters wird wie bisher ein einziges rauschgefiltertes 2D-Röntgenbild ausgegeben.
  • Im Allgemeinen sind Filterverfahren bzw. Filter, welche ein gefiltertes Signal aus zwei miteinander korrelierten Eingangssignalen bilden, denen überlegen, welche ein Ausgangssignal aus einem einzigen Eingangssignal erzeugen. Im vorliegenden Fall stellt die Abbildung des selben Objekts in zwei verschiedenen ersten 2D-Röntgenbildern die Korrelation zwischen den beiden Bildern dar. Der Nutzinhalt, also die Bildinformation in den beiden ersten 2D-Röntgenbildern ist somit korreliert.
  • Die zweiten 2D-Röntgenbilder im erfindungsgemäßen Verfahren als Ausgangsgrößen des Rauschfilters weisen daher weniger Rauschen auf als Bilder, welche bisher für die 3D-Rekonstruktion von 3D-Röntgenbilddaten verwendet wurden, da diese stets aus einem einzigen 2D-Röntgenbild erzeugt wurden.
  • Da die 3D-Röntgenbilddaten somit aus gegenüber bisher bekannten Verfahren besser rauschgefilterten 2D-Röntgenbildern erzeugt werden, weisen auch die 3D-Röntgenbilddaten weniger Rauschen auf.
  • Als die miteinander zu kombinierenden ersten 2D-Röntgenbilder können solche aus der Vielzahl der ersten 2D-Röntgenbilder gewählt werden, die aus benachbarten Blickrichtungen bezüglich des Objekts aufgenommen wurden.
  • Filteralgorithmen, welche zwei Eingangsgrößen zu einer rauschgefilterten Ausgangsgröße kombinieren, sind um so effektiver, je mehr die Nutzinformationen der Eingangsgrößen miteinander korreliert sind, so dass sich die Eingangsgrößen nur in ihrem Rauschgehalt unterscheiden.
  • Werden deshalb die als Eingangsgrößen zur Rauschfilterung gewählten ersten 2D-Röntgenbilder aus direkt benachbarten Blickrichtungen aufgenommen, so weisen diese nahezu identischen Informationsgehalt auf, die Nutzinformation in den Bildern ist also sehr stark korreliert. Sie unterscheiden sich nahezu lediglich durch das in den jeweiligen Bildern vorhandene Bildrauschen. Vor allem in den medizinischen Anwendungen der 3D-Bilddatenerzeugung werden oft 2D-Röntgenbilder erzeugt, welche sich in ihren Blickrichtungen nur um Winkel im Bereich unter 1° unterscheiden. Der Informationsgehalt von derartigen bezüglich ihrer Blickrichtung benachbarten Bildern ist damit nahezu gleich, lediglich das Bildrauschen unterschiedlich.
  • Als gefiltertes zweites 2D-Röntgenbild entsteht somit ein Bild, dessen Nutzinformation nahezu vollständig erhalten ist und dabei gleichzeitig dessen Bildrauschen deutlich besser unterdrückt ist, als bei der Verwendung von weniger stark miteinander korrelierten ersten 2D-Röntgenbildern als Eingangssignale für die Rauschfilterung.
  • Die geometrischen Lagen der Blickrichtungen der zu kombinierenden ersten 2D-Röntgenbilder zumindest relativ zueinander können ermittelt werden. Sind die Blickrichtungen unterschiedlich, so ist auch die im Bild vorhandene Nutzinformation unterschiedlich, obschon miteinander korreliert. Ist jedoch bekannt, in welcher geometrischen Weise die beiden Blickrichtungen voneinander abweichen, z.B. deren Winkel zueinander und der Schnittpunkt der Blickrichtungen, so können die in den beiden ersten 2D-Röntgenbildern vorhandenen Nutzinformationen aufeinander abgebildet werden. Die Nutzinformationen sind dann in bekannter Weise zueinander korreliert, was bei der Rauschfilterung berücksichtigt werden kann. Die Nutzinformation der ersten 2D-Röntgenbilder kann so besser im zweiten 2D-Röntgenbild erhalten bleiben bzw. das Bildrauschen noch besser entfernt werden.
  • Ist dazu noch Wissen über die Nutzinformation vorhanden, z.B. in Form von Information über das abgebildete Objekt, welches die Nutzinformation darstellt, so können die Nutzinformationen beider erster 2D-Röntgenbilder oft direkt ineinander überführt werden. Im Ausgangsbild, also dem gefilterten 2D-Röntgenbild, ist somit nochmals mehr Nutzinformation erhalten, was wiederum die Qualität des zweiten 2D-Röntgenbildes und damit der Röntgenbildrekonstruktionen in den 3D-Bilddaten weiter verbessert.
  • Somit ist zwar die Kenntnis der relativen Lage der Blickrichtungen zueinander bereits vorteilhaft, wobei eine Kenntnis der absoluten Lage der Blickrichtungen, z.B. auch bezüglich des Objekts, noch bessere Korrelationen des Nutzinformationsgehaltes der beiden ersten 2D-Röntgebilder erlaubt, und somit noch dienlicher ist, um die Qualität der 3D-Rekonstruktion zu verbessern.
  • Zur Aufnahme der ersten 2D-Röntgenbilder kann eine Röntgenquelle und/oder ein Röntgenbildaufnehmer entlang einer vorgegebenen Trajektorie relativ zum Objekt verfahren werden.
  • Durch die Verfahrbewegung auf der vorgegebenen Trajektorie sind für jedes der ersten 2D-Röntgenbilder die Positionen von Röntgenquelle und/oder Röntgenbildaufnehmer und somit auch die Blickrichtungen sowie die relative Lage der 2D- Röntgenbilder zueinander sowie zum Objekt besonders leicht ermittelbar. Z.B. können derartige Informationen vor Beginn der Erzeugung der ersten 2D-Röntgenbilder, z.B. bei der Installation bzw. Herstellung der entsprechenden Anlage, durch eine entsprechende Geometriekalibrierung ermittelt werden. Die oben erwähnten Relativ- bzw. Absolutpositionen z.B. der Blickrichtungen der 2D-Röntgenbilder sind damit bekannt.
  • Die ersten 2D-Röntgenbilder können während eines Orbitalscans um das Objekt im Rahmen einer Computertomographie aufgenommen werden. Insbesondere bei der Computertomographie werden z.B. bis zu mehrere hundert erste 2D-Röntgenbilder während eines Orbitalscans von ca. 180° aufgenommen. Die Blickrichtungen zweier benachbarter 2D-Röntgenbilder unterscheiden sich somit um deutlich weniger als 1°. Die Korrelationen der Nutzinhalte dieser Bilder sind somit besonders groß, was zu den oben genannten Vorteilen führt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit für die Computertomographie besonders geeignet.
  • Die ersten 2D-Röntgenbilder können mit Hilfe eines auf Frequenztransformationen und Diskrepanzoperatoren beruhenden Verfahrens miteinander zum zweiten 2D-Röntgenbild kombiniert werden.
  • Ein derartiges Verfahren ist z.B. aus der DE-OS 103 05 221 A1 bekannt. Dieses eignet sich besonders für die Rauschfilterung unter Kombination von zwei Bildern als Eingangsgrößen, welche dasselbe Objekt abbilden und unter in definierter Weise geänderten geometrischen Bedingungen aufgenommen wurden. Ein derartiges Verfahren eignet sich damit, wie erwähnt, besonders im Rahmen der oben genannten Computertomographie.
    •
  • Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigt, in einer schematischen Prinzipskizze:
  • 1 die Erzeugung von 3D-Röntgenbilddaten des Herzens eines Patienten im Rahmen einer Computertomographie.
  • 1 zeigt ein Röntgenbildgebungssystem 2 mit einem Patienten 4. Das Röntgenbildgebungssystem 2 umfasst als Röntgenanlage ein C-Bogensystem 6 und ein Bildverarbeitungssystem 8, welches ein Rauschfilter 10 und einen Rekonstruktionsrechner 12 umfasst.
  • Der Patient 4 ist so auf einer nicht dargestellten Patientenliege platziert, dass sein Herz 14 im Isozentrum 16 des C-Bogensystems 6 liegt.
  • Zur Röntgenbildgebung umkreisen eine Röntgenquelle 18 und ein Flachdetektor 20 des C-Bogensystems 6 das Isozentrum 16 bzw. den Patienten 4 in Richtung des Pfeils 22. Während dieser Orbitalfahrt werden in vier Blickrichtungen, angedeutet durch die Pfeile 24a–d, vier herkömmliche zweidimensionale Röntgenbilder 26a–d vom C-Bogensystems 6 aufgenommen. Jedes Röntgenbild 26a–d zeigt hierbei eine Darstellung des Herzens 14 in Blickrichtung der Pfeile 24a–d. Neben dieser Objektinformation enthält jedes der vier Röntgenbilder 26a–d ein nicht dargestelltes Störsignal in Form von Bildrauschen, welches die Bildqualität der Röntgenbilder 26a–d beeinträchtigt.
  • Um dieses Bildrauschen aus den Röntgenbildern 26a–d weitestmöglich zu entfernen, werden diese vom Rauschfilter 10 jeweils paarweise als Eingangsbilder bearbeitet, um je ein gefiltertes Röntgenbild 28a–d als Ausgangsbild zu erhalten, angedeutet durch die Pfeile in 1. Die Auswahl der jeweils zwei Eingangsbilder aus der Gruppe der Röntgenbilder 26a–d für das Rauschfilter 10 erfolgt hierbei so, dass jeweils zwei Röntgenbilder 26a–d gewählt werden, welche bezüglich ihrer Blickrichtungen, also der Richtungen der Pfeile 24a–d, unmittelbar benachbart sind. So werden zum Beispiel zur Erzeugung des rauschgefilterten herkömmlichen zweidimensionalen Röntgenbildes 28a als Ausgangsbild des Rauschfilters 10 die beiden Eingangsbilder 26a und 26b als Eingangsbilder benutzt, deren Blickrichtung in Richtung der Pfeile 24a und 24b unmittelbar benachbart sind.
  • Im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung entsprechen die Röntgenbilder 26a d den ersten 2D-Röntgenbildern und die Röntgenbilder 28a d den zweiten 2D-Röntgenbildern.
  • Die Rauschfilterung im Rauschfilter 10 wird derart durchgeführt, dass das Röntgenbild 28a die gleiche Blickrichtung in Richtung des Pfeils 24a des Röntgenbildes 26a aufweist. Das Röntgenbild 26b wird also zusammen mit diesem zwar zur Rauschfilterung benutzt, jedoch schlägt sich dessen Blickrichtung 24b nicht im Röntgenbild 28a nieder. Zur Erzeugung des rauschgefilterten Ausgangsbildes 28d wird z.B. das Röntgenbild 26d zu Grunde gelegt, wobei die Information bzw. das Röntgenbild 26c als Hilfsbild zur Rauschfilterung mit benutzt wird. Das Röntgenbild 28d hat dann wieder dir Blickrichtung in Richtung des Pfeils 24d, wie das Röntgenbild 26d.
  • In einem abschließenden Schritt wird mit Hilfe des Rekonstruktionsrechners 12 aus den Röntgenbildern 28a–d ein dreidimensionales Rekonstruktionsvolumen 30 errechnet, welches die 3D-Bilddaten des Herzens 14 bildet.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Erzeugen von 3D-Röntgenbilddaten (30) eines Objekts (14), bei dem: – eine Vielzahl von ersten 2D-Röntgenbildern (26a–d) des Objekts aus verschiedenen Blickrichtungen (24a–d) aufgenommen werden, – jeweils mindestens zwei erste 2D-Röntgenbilder (26a–d) miteinander zur Rauschfilterung zu einem zweiten rauschgefilterten 2D-Röntgenbild (28a–d) kombiniert werden, – die 3D-Röntgenbilddaten (30) aus den zweiten 2D-Röntgenbildern (28a–d) erzeugt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als die miteinander zu kombinierenden ersten 2D-Röntgenbilder (26a, b) solche aus der Vielzahl der ersten 2D-Röntgenbilder (26a–d) gewählt werden, die aus benachbarten Blickrichtungen (24a–d) bezüglich des Objekts (14) aufgenommen wurden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die geometrischen Lagen der Blickrichtungen der zu kombinierenden ersten 2D-Röntgenbilder (26a, b) zumindest relativ zueinander ermittelt werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Aufnahme der ersten 2D-Röntgenbilder (26a–d) eine Röntgenquelle (18) und/oder ein Röntgenbildaufnehmer (20) entlang einer vorgegebenen Trajektorie (22) relativ zum Objekt (14) verfahren werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die ersten 2D-Röntgenbilder (26a–d) während eines Orbitalscans um das Objekt (14) im Rahmen einer Computertomographie aufgenommen werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die ersten 2D-Röntgenbilder (26a–d) mit Hilfe eines auf Frequenztransformationen und Diskrepanzoperatoren beruhenden Verfahrens miteinander zum zweiten 2D-Röntgenbild (28a–d) kombiniert werden.
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