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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Übereinstimmungsgrades
zwischen mindestens zwei aus einem medizinischen Bilddatensatz generierten
Extraktionsbildern eines Objektes mit mindestens zwei Objektbildern
des Objektes, wobei ein Ähnlichkeitsmaß für jeden
Extraktionsbild/Objektbild-Vergleich
ermittelt wird. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur
Positionierung eines Patienten relativ zu einer radiologischen Bestrahlungsvorrichtung
unter Verwendung des erfindungsgemäßen Bildvergleichsverfahrens
und Vorrichtungen zur Durchführung
der Verfahren.
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In
der Medizin unterstützen
bilderzeugende und bildverarbeitende Systeme den Arzt bei der Diagnose
und Therapie von Krankheiten. Häufige
Anwendungsfelder dieser Bildsysteme sind visuelle Vergleiche zwischen
berechneten oder bestehenden Bildern der zu betrachtenden Körperregion
und Kontroll- bzw. Referenzbildern, die zumeist in einem zeitlichen
Abstand zu den vorhandenen Bildern aufgenommen sind. Bildverarbeitende
Verfahren unterstützen
den Arzt beim visuellen Vergleich dieser Bilder. Gleichzeitig stellen
diese Verfahren dem Arzt einen Übereinstimmungsgrad
der miteinander verglichenen Bilder zur Verfügung, der ein Maß für die jeweilige
Abweichung der Bilder bei der Bildaufnahme der jeweiligen Bilder
ist. So beeinflussen eine nicht vollständig übereinstimmende Abbildungsgeometrien des
bilderzeugenden Gerätes,
unterschiedliche Winkelpositionen bei den Bildaufnahmen oder Bewegungen
des Patienten, z.B. Atmungsbewegungen oder leichte Rotationen zwischen
einzelnen Aufnahmen, die Darstellung derselben Körperregion durch zwei unterschiedliche
Bilder in einem erheblichen Umfang. Mittels derzeit bekannter computergestützter Verfahren
wird der Grad der Abweichung zwischen zwei medizinischen Bildern
festgestellt.
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In
der radiologischen Diagnostik und Therapie, insbesondere der Strahlen-
und Partikeltherapie, wird häufig
die vom Patienten einzunehmende Position relativ zur Bestrahlungsvorrichtung
auf der Grundlage eines so genannten Bestrahlungsplanungsplanes
ermittelt. Auf der Basis eines medizinischen Bilddatensatzes, häufig aus
einer Computertomographie (CT) abgeleitet, wird in Abhängigkeit
der Strahlungsart, der optimalen Dosisverteilung in der zu bestrahlenden
Körperregion,
der Patientenanatomie sowie einer Vielzahl weiterer Parameter der
Bestrahlungsplan für
jeden Patienten individuell erstellt. In Verbindung mit dem CT wird
mit dem Bestrahlungsplan ein Bestrahlungsplanung-CT erzeugt, in dem
die unterschiedlichen Abbildungsgeometrien sowohl für das CT-bilderzeugende
Gerät als
auch für die
Bestrahlungsvorrichtung, sowie die unterschiedlichen Strahlungsenergien
bei der CT-Bildaufnahme und bei der Bestrahlung – bezogen auf das Koordinatensystem
der Bestrahlungsvorrichtung – berücksichtigt
sind. Aus dem Bestrahlungsplanung-CT kann damit die vorausberechnete
optimale Patientenposition relativ zur Bestrahlungsquelle ermittelt
werden, die bei jeder Bestrahlung durch den Patienten eingenommen
werden sollte.
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Zur
Kontrolle der Patientenposition unmittelbar vor einer Bestrahlung
werden üblicherweise
Kontrollbilder von der zu bestrahlenden Körperregion aufgenommen und
mit der optimalen Position der Körperregion
relativ zur Bestrahlungsvorrichtung aus dem Bestrahlungsplan visuell
verglichen. Gleiches gilt für
die Unterstützung
eines Chirurgen bei einem medizinischen Eingriff, bei dem Kontrollbilder
den tatsächlichen
Operationsverlauf auf der Grundlage einer vorher ermittelten Optimalposition
der zu behandelnden Körperregion
abbilden.
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Mittels
des visuellen Vergleiches von aus dem Bestrahlungsplanung-CT extrahierter
Bilder mit den Kontrollbildern können – unter
Berücksichtigung der
Abbildungsgeometrien, Strahlungsenergien und weiterer Parameter
der bilderzeugenden Geräte – die Abweichungen
der aktuellen Patientenposition von der optimalen Patientenposition
ermittelt und entsprechend korrigiert werden. Die Berechnung eines Ähnlichkeitsmaßes für jeden
Vergleich eines Extraktionsbildes aus dem Bestrahlungsplanung-CT
mit einem korrespondierenden Kontrollbild gibt ein Maß für die relative
Abweichung der miteinander verglichenen Bilder an. Bei Berücksichtigung
aller bildverzerrender Aspekte für
den Bildervergleich, wie unterschiedliche Aufnahmewinkel, unterschiedliche
Strahlungsenergien bei den Aufnahmen etc., kann aus den Abweichungen
der Bilder auf die Abweichung der tatsächlichen Patientenposition
im Vergleich zur optimalen Patientenposition geschlossen werden.
Die aktuelle Patientenposition relativ zur Bestrahlungsvorrichtung
wird anschließend
entsprechend korrigiert, so dass während der Bestrahlung jederzeit
die Einnahme der optimalen Patientenposition durch den Patienten
gewährleistet
ist. Hierdurch verbessern sich die Heilungschancen der bestrahlten
Körperregion,
da das umliegende Gewebe durch die Bestrahlung nicht mehr als notwendig
geschädigt
wird und die maximale Strahlendosis – entsprechend dem Bestrahlungsplanung-CT – hochdosiert
in der zu bestrahlenden Körperregion
einwirkt.
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Herkömmlicherweise
erfolgt die Kontrolle der Patientenposition dadurch, dass aus dem
Bestrahlungsplanung-CT ein so genanntes digital rekonstruiertes
Radiogramm (DRR) als Extraktionsbild extrahiert und mit einem aktuellen
Röntgenbild
der zu bestrahlenden Körperregion
verglichen wird. Als Referenzen in den Bildern dienen entweder anatomische Merkmale,
wie z.B. eine markante Knochenstruktur (feature-based) oder Intensitätsverteilungen
von Bildpunkten in den jeweiligen Bildern (intensity-based), die
z.B. mittels eines Intensitäthistogrammes
in Verbindung mit geeigneten Filterfunktionen ausgewertet werden.
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Darüber hinaus
ist bekannt, eine Serie von Röntgenbildern
aus unterschiedlichen Aufnahmepositionen zur Erzeugung eines medizinischen
Bilddatensatzes mittels der Strahl-Kegel-Computertomographie zu
nutzen und mit dem Bestrahlungsplanung-CT zu vergleichen. Hierfür ist ein
zusätzliches bilderzeugendes
Gerät,
insbesondere eine um den Patienten rotierbar angeordnete Röntgenquelle
mit einem gegenüberliegenden
Detektor, in die Bestrahlungsvorrichtung integriert ("Flat-panel cone-beam computed
tomography for image-guided radiation therapy", D.A. Jaffray, J.H. Siewerdsen, J.W.
Wong, A.A. Matrinez; Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys. Vol.
53, No. 5, Seite 1337–1349,
2002).
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Die
Extrahierung eines Extraktionsbildes aus dem Bestrahlungsplanung-CT
kann entweder zeitlich vor der Bestrahlungsbehandlung erfolgen oder
in Verbindung mit dem aktuell aufgenommenen korrespondierenden Röntgenkontrollbild
unter Beachtung der Abbildungsgeometrie während der Aufnahme des Röntgenbildes
direkt aus dem Bestrahlungsplanung-CT extrahiert werden.
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Auf
der Grundlage der festgelegten Referenzen werden die Bildabweichungen
festgestellt und als Ähnlichkeitsmaß des so
betrachteten Extraktionsbild/Röntgenbild-Vergleiches
ermittelt. Anschließend wird
ein Korrekturvektor auf der Grundlage des Ähnlichkeitsmaßes berechnet
und zur Positionierung des Patienten relativ zur Bestrahlungseinrichtung
verwendet.
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So
beschreibt die
DE
10 2004 028 035 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Kompensation von Bewegungen eines Zielvolumens wahrend einer Ionenstrahl-Bestrahlung.
Gemäß der dortigen
Erfindung werden mittels einer Rasterscanvorrichtung transversale
Bewegungen, mittels eines Tiefenmodulators longitudinale Bewegungen
und zusätzlich
die das Zielvolumen bedeckende Gewebestruktur mittels Bewegungsmessungen
erfasst. Diese Daten werden als Tabelle gespeichert und zur Positionierung
des Patienten relativ zur Bestrahlungsvorrichtung verwendet. Nachteilig
ist hierbei jedoch, dass eine Vielzahl von Geräten gesteuert und zeitgleich
eine longitudinale und eine transversale Komponente ausgewertet
werden müssen,
was einen hohen technischen Aufwand erfordert.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein System bereitzustellen, dass
die oben genannten Nachteile im Stand der Technik nicht aufweist
und ein einfache Methode bereitstellt, bei der selbst bei nicht vollständig dreidimensionaler
Bildabdeckung eines abgebildeten Objektes, die aktuelle Objektlage
relativ zu einer Ideallage des Objektes verifiziert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass zur Ermittlung des Übereinstimmungsgrades
zwischen mindestens zwei aus einem medizinischen Bilddatensatz generierten
Extraktionsbildern eines Objektes und von mindestens zwei korrespondierenden
Objektbildern des Objektes unter Berücksichtigung der jeweiligen
Abbildungsgeometrien, zuerst die in den Extraktionsbildern und korrespondierenden
Objektbildern übereinstimmenden
Merkmale festgelegt werden, die als Referenzen für die Bestimmung der Bildübereinstimmungen
dienen. Diese Festlegung kann entweder manuell oder durch ein entsprechend
automatisiertes Bilderfassungsverfahren erfolgen. Anschließend wird
ein Ähnlichkeitsmaß zwischen
jedem Extraktionsbild und dem jeweils korrespondierenden Objektbild
durch Vergleich der Referenzen in jedem Extraktionsbild mit jedem
jeweils korrespondierenden Objektbild ermittelt und die relativen
Abweichungen für
jedes so betrachtete Bildpaar bestimmt. Die so erzeugten einzelnen Ähnlichkeitsmaße werden
zu einem Gesamtähnlichkeitsmaß als Bestimmung
des Übereinstimmungsgrades
zwischen den Extraktionsbildern und den korrespondierenden Objektbildern
kumuliert.
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Im
Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein medizinischer Bilddatensatz
entweder eine Zusammenstellung von einzelnen Bildaufnahmen oder
eine Volumenabbildung eines Objektes, wie z.B. ein CT. Ein Extraktionsbild
im Sinne der Erfindung ist entweder eine im medizinischen Bilddatensatz
hinterlegte Bildaufnahme oder ein aus einer Volumenabbildung abgeleitetes
zweidimensionales Ebenenbild, z.B. als Schnittebenenbild der dreidimensionalen
Volumenabbildung oder mittels einer oder mehrerer auf die Volumenabbildung
bezogener zweidimensionaler Projektionen. Ein Objektbild im Sinne
der vorliegenden Erfindung ist entweder eine zweidimensionale Bildaufnahme
des Objektes mit derselben oder einer anderen bilderzeugenden Vorrichtung
wie für
den medizinischen Bilddatensatz oder ein aus einer Volumenabbildung,
wie z.B. einem CT, abgeleitetes Schnitt- bzw. Projektionsebenenbild.
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Vorzugsweise
wird der medizinische Bilddatensatz aufgrund einer Computertomographie
(CT) und/oder aufgrund einer Strahl-Kegel-Computertomographie (Cone-Beam-CT)
und/oder aufgrund einer abgeleiteten Bestrahlungsplanung-Computertomographie
(Bestrahlungsplanung-CT) und/oder aufgrund einer Kernspintomographie
(MRI-CT) erzeugt. Mittels der Strahl-Kegel-Computertomographie (Cone-Beam-CT)
ist es möglich,
aus einer Serie von Bildaufnahmen aus unterschiedlichen Winkeln
bei Kenntnis der Abbildungsgeometrie für jede Bildaufnahme eine Volumenabbildung
des aufgenommenen Objektes zu erzeugen. Eine Bestrahlungsplanung-Computertomographie
(Bestrahlungsplanung-CT) basiert zumeist auf einem CT-Bilddatensatz
unter Berücksichtigung
der Abbildungsgeometrien und Strahlungsenergien des radiologischen
Behandlungsstrahles bezogen auf das Koordinatensystem der radiologischen
Bestrahlungsvorrichtung.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens sind die Objektbilder
Röntgenbilder
und/oder Portfilme und/oder aus einem medizinischen Bilddatensatz
abgeleitete Objektbilder. Die Aufnahme der Objektbilder als Röntgenbilder
erfordert zumeist ein eignes Röntgenbildaufnahmesystem
zusätzlich
zur bestehenden Strahlungsquelle. Als Portfilme – auch Electronic Portal Imaging
Device (EPID) genannt- werden Bildaufnahmen des Patienten mit dem
Behandlungsstrahl bezeichnet. Dazu wird aus Sicht der Bestrahlungsquelle
hinter dem Patienten ein Strahlendetektor zur Bildaufnahme angeordnet.
Aufgrund der wesentlich höheren
Strahlungsenergien während der
Bestrahlung im Vergleich zu einer Röntgenquelle, können gleiche
Strukturen in den EPIDs im Vergleich zu Röntgenbildaufnahmen andere Helligkeitskontraste
aufweisen und damit einen Intensitätsbildvergleich erschweren.
Alternativ werden die Objektbilder aus einem medizinischen Bilddatensatz
abgeleitet, wie z.B. aus einem CT-Bilddatensatz oder einem Cone-Beam-CT-Bilddatensatz.
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Vorteilhafterweise
sind die Objektbilder unabhängig
von der Erstellung des medizinischen Bilddatensatz und/oder in einem
zeitlichen Abstand zum Zeitpunkt der Erstellung des medizinischen
Bilddatensatzes aufgenommen. Bevorzugt bilden die einzelnen Objektbilder
das Objekt aus unterschiedlichen Winkeln und/oder unterschiedlichen
Entfernungen zum Objekt und/oder unterschiedlichen Abbildungsgeometrien
während
der Bildaufnahme ab.
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Vorteilhafterweise
wird das Ähnlichkeitsmaß zwischen
dem Extraktionsbild und den jeweils korrespondierenden Objektbildern
mittels Quadratsummenbildung und/oder mittels Bestimmung von Korrelationkoffizienten
und/oder mittels gewichteter Korrekationskoeffizienten ermittelt.
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Bevorzugt
ist das aus einem medizinischen Bilddatensatz extrahierte Extraktionsbild
und/oder ein abgeleitetes Objektbild ein digital rekonstruiertes Radiogramm
(DRR). Ein DRR ist die Erzeugung einer künstlichen Projektion eines
3D CT-Volumen auf eine 2D-Abbildungsebene. Hierzu werden – zumeist abgeleitet
von der bekannten oder angenommenen Position der realen Röntgenquelle – virtuellen
Röntgenstrahlen
einer virtuellen Röntgenquelle
durch das als medizinischer Datensatz vorliegende CT-Volumen berechnet
und auf einer Bildebene projiziert. Die durch den jeweiligen virtuellen
Röntgenstrahlver lauf betroffenen
Volumenelemente des CT-Volumens gehen in die Berechnung eines virtuellen
Röntgenbildes in
der Projektionsebene nach dem Röntgenschwächungsgesetz
ein. Bei der Berechung eines DRR aus einem medizinischen Bilddatensatz,
insbesondere auf einer Grundlage eines CT, ist es wichtig, das die Helligkeiten
und der Kontrastverlauf des DRR mit dem realen Röntgenbild übereinstimmen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Kumulierung der einzelnen Ähnlichkeitsmaße zu einem
Gesamtähnlichkeitsmaß mittels
einer Addition oder einer gewichteten Addition oder einer ortsabhängigen Integration
der einzelnen Ähnlichkeitsmaße erfolgt.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird ein zweiter
medizinischer Bilddatensatz aus einer Serie von Bildaufnahmen als
dreidimensionale Abbildung des Objektes erzeugt. Aus dem ersten
medizinischen Bilddatensatz werden multiple Extraktionsbilder extrahiert
und mit korrespondierenden, aus dem zweiten medizinischen Bilddatensatz abgeleiteten
Objektbildern bezüglich
vorher festgelegter Referenzen einzeln verglichen und die so gebildeten Ähnlichkeitsmaße zu einem
Gesamtähnlichkeitsmaß kumuliert.
Das Gesamtähnlichkeitsmaß ist dann
ein Maß für die Übereinstimmung
des ersten medizinischen Bilddatensatzes mit dem zweiten medizinischen
Bilddatensatz. Vorteilhafterweise kann hierdurch ein Bestrahlungsplanungs-CT
als erster medizinischer Bilddatensatz mittels extrahierter Extraktionsbilder
mit einem Cone-Beam-CT als zweiter medizinischer Bilddatensatz mit
hieraus abgeleiteten Objektbildern verglichen werden. Alternativ
können die
dem Cone-Beam-CT zugrunde liegende Röntgenbilder direkt als Objektbilder
mit den entsprechenden Extraktionsbildern verglichen werden.
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Vorzugsweise
werden die Abbildungsgeometrien und Bildaufnahmepositionen während der Aufnahmen
der einzelnen Objektbilder für
die Erzeugung des jeweils korrespondierenden Extraktionsbildes aus
dem medizinischen Bilddatensatz berücksichtigt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Generierung eines Extraktionsbildes aus einem medizinischen
Bilddatensatz und/oder die Ableitung eines Objektbildes aus einem
medizinischen Bilddatensatz bezogen auf korrespondierende Schnittebenen
und/oder korrespondierende zweidimensionale Projektionsebenen in
den jeweiligen medizinischen Bilddatensätzen erfolgt. Insbesondere
für die
Nutzung von unterschiedlichen Bilddatensätzen, wie z.B. ein Planung-CT
als erster medizinischer Bilddatensatz und ein Cone-Beam-CT als
zweiter medizinischer Bilddatensatz, können die Extraktionsbilder und
korrespondierenden Objektbilder bezogen auf identische Schnittebenen
der jeweiligen Volumenabbildungen erzeugt werden. Gleiches gilt
für die
Ableitung von DRRs aus den unterschiedlichen CTs und deren anschließender Vergleich
bezüglich
gleicher Projektionsebenen.
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Erfindungsgemäß wird zur
Positionierung eines Patienten relativ zu einer radiologischen Bestrahlungsvorrichtung
zuerst die optimale Patientenposition relativ zur radiologischen
Bestrahlungsvorrichtung mittels eines die zu bestrahlende Körperregion
abbildenden medizinischen Bilddatensatzes unter Berücksichtigung
der Abbildungsgeometrie der radiologischen Bestrahlungsvorrichtung
bestimmt. Bevorzugt ist der medizinische Bilddatensatz ein Bestrahlungsplanung-CT.
Nach der Bestimmung der optimalen Patientenposition relativ zur
Bestrahlungsvorrichtung werden vor der Bestrahlung des Patienten
mindestens zwei Objektbilder von der zu bestrahlenden Körperregion
aufgenommen. Daraufhin wird ein Ähnlichkeitsmaß als Grad
der Übereinstimmung zwischen
mindestens zwei aus dem medizinischen Bilddatensatz extrahierter
Extraktionsbilder und den korrespondierenden Objektbildern anhand
von vorher festgelegten Referenzen bestimmt. Anschließend wird
ein Gesamtähnlichkeitsmaß aus allen Ähnlichkeitsmaßen als
Grad der Übereinstimmung zwischen
den Extraktionsbildern und den korrespondierenden Objektbildern
gebildet. Auf der Grundlage des ermittelten Gesamtähnlichkeitsmaßes wird
der medizinische Bilddatensatz aufgrund des bestimmten Gesamtähnlichkeitsmaßes mittels
einer Transformation so geändert,
dass ein verbesser tes Gesamtähnlichkeitsmaß für die aus
dem den geänderten medizinischen
Bilddatensatz extrahierten Extraktionsbilder mit den korrespondierenden
Objektbildern zu erwarten ist. Nach der Transformation des medizinischen
Bilddatensatzes werden mindestens zwei Extraktionsbilder aus dem
transformierten medizinischen Bilddatensatz abgeleitet, mit den
korrespondierenden Objektbildern jeweils verglichen, erneut ein Ähnlichkeitsmaß für jeden
Bildpaarvergleich gebildet und die Ähnlichkeitsmaße zu einem
neuen Gesamtähnlichkeitsmaß kumuliert.
Dieser Prozess wird so lange iterativ fortgesetzt, bis ein optimales
Gesamtähnlichkeitsmaß vorliegt.
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Das
optimale Gesamtähnlichkeitsmaß kann mit
gängigen
Optimierungsverfahren wie beispielsweise mittels des Best-Neighbor-Algorithmus oder mit
dem Powell-Brent-Verfahren ermittelt werden. Bei dem Vorliegen eines
optimalen Gesamtähnlichkeitsmaßes dient
die damit verbundene Transformation des medizinischen Bilddatensatzes
zur Korrektur der Patientenposition vor der Bestrahlung relativ
zur Bestrahlungsvorrichtung. Aus der mit dem optimalen Gesamtähnlichkeitsmaß verknüpften Transformation können die
erforderlichen Translationen und die gegebenenfalls notwendigen
Rotationen des Patienten von der aktuellen in die optimale Patientenposition abgeleitet
werden.
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Die
Korrespondenz der Extraktionsbilder mit den korrespondierenden Objektbildern
wird dadurch gewährleistet,
dass entweder die Extraktionsbilder vorher aus dem medizinischen
Bilddatensatz ausgewählt
und die Objektbilder gemäß der Projektionsebenen
und Abbildungsgeometrien der zugrunde liegenden Extraktionsbilder
aufgenommen werden. Bei der Nutzung von hohen Rechenkapazitäten der
Bildbearbeitungssysteme ist es ebenfalls möglich, die Objektbilder aufzunehmen
und die den Objektbildern zugrunde liegenden Abbildungsgeometrien
und Projektionsebenen zu Generierung der Extraktionsbilder aus dem
medizinischen Bilddatensatz zu verwenden.
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Im
Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst die Bezeichnung "Patient" sowohl einen Mensch
als auch ein Tier.
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In
einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des
Verfahrens ist die Transformation des medizinischen Bilddatensatzes
eine geometrische Transformation und/oder eine Änderung der Projektionsrichtungen
und Projektionsabstände
relativ zum zugrunde liegenden Koordinatensystem des medizinischen Bilddatensatzes.
Die geometrische Transformation umfasst dabei insbesondere Rotationen,
Skalierungen, Translationen, Spiegelungen, Scherungen und/oder Stauchungen.
Alternativ können
als Transformation die Projektionsrichtungen versetzt und/oder gedreht,
sowie die Projektionsabstände zwischen
der Aufnahmeebene und dem Objekt – bei festen Projektionsachsen – variiert
werden.
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Vorteilhafterweise
wird vor der Transformation des medizinischen Bilddatensatzes die
zu betrachtende Körperregion
segmentiert und nicht zu betrachtende Körperregionen aus dem zu transformierenden
medizinischen Bilddatensatz entfernt. So ist sichergestellt, dass
ausschließlich
die zu betrachtende Körperregion
transformiert und auf nicht interessierende Körperregionen die Transformation
nicht angewendet wird.
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Erfindungsgemäß wird zur
intra-operativen Überwachung
der Lage einer Körperregion
bei einem medizinischen Eingriff vorab die optimale Lage der Körperregion
bestimmt. Während
des medizinischen Eingriffs werden mindestens zwei Objektbilder
von der zu betrachtenden Körperregion
erzeugt. Anschließend
wird ein Ähnlichkeitsmaß als Grad
der Übereinstimmung
zwischen mindestens zwei aus einem medizinischen Bilddatensatz extrahierte
Extraktionsbilder und den korrespondierenden Objektbildern bestimmt.
Ein Gesamtähnlichkeitsmaß wird aus allen Ähnlichkeitsmaßen als
Grad der Übereinstimmung
zwischen den Extraktionsbildern und den korrespondierende Objektbildern
gebildet. Der medizinische Bilddatensatz wird aufgrund des Gesamtähnlichkeitsmaßes so transformiert,
dass ein verbessertes Gesamtähnlichkeitsmaß für die auf
den geänderten
medizinischen Bilddatensatz basierenden Extraktionsbildern mit den
korrespondierenden Objektbildern zu erwarten ist. Mindestens zwei
Extraktionsbilder werden aus dem transformierten medizinischen Bilddatensatz
abgeleitet, mit den korrespondierenden Objektbildern erneut ein Ähnlichkeitsmaß aufgrund
eines Bildvergleiches gebildet und zu einem neuen Gesamtähnlichkeitsmaß kumuliert.
Dieser Prozess wird so lange iterativ durchgeführt, bis ein optimales Gesamtähnlichkeitsmaß vorliegt.
Bei dem Vorliegen eines optimalen Gesamtähnlichkeitsmaßes werden
aus dem transformierten medizinischen Bilddatensatz die entsprechenden
Extraktionsbilder visualisiert.
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Erfindungsgemäß ist eine
Vorrichtung zur Positionierung eines Patienten relativ zu einer
radiologischen Bestrahlungsvorrichtung vorgesehen, wobei die Vorrichtung
die auf der Grundlage einer zuvor aus einem medizinischen Bilddatensatz
ermittelten optimalen Patientenposition mit der aktuellen Patientenposition
anhand von mindestens zwei korrespondierenden Objektbildern einer
bilderzeugenden Vorrichtung vergleicht. Aus dem medizinischen Bilddatensatz
generiert eine Grafikeinheit mindestens zwei Extraktionsbilder und
vergleicht vorher bestimmte Referenzen in den Extraktionsbildern
und den korrespondierenden Objektbildern und fasst die Abweichungen
zu einem Ähnlichkeitsmaß für jedes
so verglichene Bildpaar zusammen. Eine Recheneinheit kumuliert alle Ähnlichkeitsmaße zu einen
Gesamtähnlichkeitsmaß und transformiert
in Verbindung mit der Grafikeinheit iterativ in Abhängigkeit
des ermittelten Gesamtähnlichkeitsmaßes den
medizinische Bilddatensatz so lange, bis ein optimales Gesamtähnlichkeitsmaß in der
Rechen einheit vorliegt. Die zugrunde liegende Transformation des
medizinischen Bilddatensatzes dient dann als Grundlage für die Veränderung
der aktuellen Positionierung des Patienten in die zuvor ermittelte
optimale Patientenposition.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen,
dass die bilderzeugende Vorrichtung Bilder aus unterschiedlichen
Richtungen aufnimmt, wobei ein Bildbearbeitungssystem die Bilder
zu einem zweiten medizinischen Bilddatensatz zusammenfasst und aus
diesem so gebildeten zweiten medizinischen Bilddatensatz mindestens
zwei Objektbilder generiert.
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Die
Transformation des medizinischen Bilddatensatzes dient zur Positionierung
der radiologischen Bestrahlungsvorrichtung im Hinblick auf die aktuelle
Patientenposition. Alternativ erfolgt die Patientenpositionierung
mittels eines bewegbaren Patiententisches in die optimale Patientenposition
relativ zur radiologischen Bestrahlungsvorrichtung. Vorteilhaft
ist, dass die bilderzeugende Vorrichtung eine Röntgenquelle mit einem korrespondierend
angeordneten Detektionssensor ist.
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Erfindungsgemäß ist eine
Vorrichtung mit mindestens einer bilderzeugenden Vorrichtung, einer Grafikeinheit
und einer Recheneinheit, sowie einer Visualisierungsvorrichtung
vorgesehen, wobei die Grafikeinheit erfindungsgemäß Ähnlichkeitsmaße zwischen
mindestens zwei aus einem medizinischen Bilddatensatz extrahierten
Extraktionsbildern mit mindestens zwei korrespondierenden Objektbildern ermittelt.
Eine Recheneinheit berechnet erfindungsgemäß ein Gesamtähnlichkeitsmaß aufgrund
der Ähnlichkeitsmaße und die
Visualisierungsvorrichtung visualisiert die mit dem optimalen Gesamtähnlichkeitsmaß verbundenen
Extraktionsbilder des transformierten medizinischen Bilddatensatzes.
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Weitere
vorteilhafte Maßnahmen
sind in den übrigen
Unteransprüchen
beschrieben; die Erfindung wird anhand von Ausfüh rungsbeispielen und den nachfolgenden
Figuren näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 ist
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Ermittlung des Übereinstimmungsgrades
zwischen einem Extraktionsbild und zwei Objektbildern gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht;
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2 ist
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Positionierung eines Patienten
relativ zu einer radiologischen Bestrahlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht;
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3 ist
ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Positionierung eines Patienten relativ zu einer radiologischen Bestrahlungsvorrichtung
mittels der Betrachtung eines Gesamtähnlichkeitsmaßes über alle
Bildvergleiche von zu vergleichenden Bildern.
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In
den Figuren sind sinngemäß gleiche
Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Ermittlung des Übereinstimmungsgrades
zwischen mindestens zwei Extraktionsbildern und mindestens zwei
korrespondierenden Objektbildern darstellt. Nach der Generierung
eines Bestrahlungsplanung-CT – in
den Figuren als Planung-CT benannt- werden aus dem Planung-CT zwei
DRRs als Extraktionsbilder extrahiert. Hierfür werden entweder vorab berechnete
virtuelle Röntgenquellen
zur Berechnung der DRRs verwendet oder die Position der realen Röntgenquelle
bei der Aufnahme der zu vergleichenden Röntgenbildern als Objektbilder
für eine
Onlineberechnung der DRRs aus dem Planung-CT verwendet.
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Anhand
von Referenzen, wie z.B. anatomischer Merkmale oder Intensitätswerte
in den DRRs und den Röntgenaufnahmen,
werden für
jedes DRR/Röntgenbild-Bildpaar
die Bildübereinstimmungen
bestimmt. Anschließend
wird aus dem Grad der Übereinstimmung
ein Ähnlichkeitsmaß berechnet. Diese
einzelnen Ähnlichkeitsmaße werden
zu einem Gesamtähnlichkeitsmaß kumuliert.
Die Kumulierung kann beispielhafterweise eine Addition der einzelnen Ähnlichkeitsmaße sein
oder mittels einer ortsabhängigen
Integration und/oder ortsabhängigen
Gewichtung der Ähnlichkeitsmaße erfolgen.
Das so ermittelte Gesamtähnlichkeitsmaß wird hinsichtlich
eines Optimums betrachtet. Die Ermittelung des Optimums erfolgt
mit bekannten Bildvergleichsoptimierungsverfahren, wie z.B. dem
Powell-Brent-Verfahren. Für den
Fall, dass kein optimales Gesamtähnlichkeitsmaß vorliegt,
wird eine geometrische Transformation des Planung-CT berechnet und
auf der Grundlage der geometrischen Transformation ein neues Planung-CT
generiert. Die geometrische Transformation umfasst beispielsweise
Rotationen, Skalierungen, Translationen, Spiegelungen, Scherungen
und/oder Stauchungen des Planung-CT. Idealerweise ist die geometrische
Transformation bezüglich
Art und Umfang abhängig
vom zuvor ermittelten Gesamtähnlichkeitsmaß. Bei dem
Vorliegen eines optimalen Gesamtähnlichkeitsmaßes ist
eine maximal mögliche Übereinstimmung
der DRRs und der korrespondierenden Röntgenbilder gegeben.
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Die 2 zeigt
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Positionierung eines Patienten
relativ zu einer radiologischen Bestrahlungsvorrichtung mittels
der erfindungsgemäßen Ermittlung
eines Gesamtähnlichkeitsmaßes zwischen
unterschiedlichen Bildpaaren darstellt. Aus einem Planung-CT wird
die optimale Patientenposition relativ zu einer Bestrahlungsvorrichtung
(nicht dargestellt) ermittelt. Aus dem Planung-CT werden mindestens
zwei DRRs extrahiert und mit mindestens zwei aus dem Cone-Beam-CT
abgeleiteten, korrespondierenden Objektbildern verglichen. Das Cone-Beam-CT
basiert auf der Berechnung eines dreidimensionalen CT-Volumens auf
der Grundlage einer Serie von Röntgenaufnahmen
aus unterschiedlichen Aufnahmenwinkeln und ggf. Abbildungsgeometrien.
Aufgrund der bekannten Positi onen der Röntgenquelle zum Zeitpunkt der
einzelnen Röntgenbildaufnahmen
kann aus der Abbildungsgeometrie jedes Röntgenbildes und der bekannten
relativen Beziehung zwischen den einzelnen Röntgenbildern das aufgenommene Objekt
dreidimensional abgebildet werden (Strahl-Kegel-Berechnung). Aus
diesem Cone-Beam-CT können
entweder Schnittebenen aus der so berechneten Volumenabbildung,
DRRs oder die ursprünglichen
Röntgenaufnahmen
zur Berechnungsgrundlage des Cone-Beam-CT als korrespondierende
Objektbilder für
den Bildvergleich genutzt werden. Aus dem Planung-CT werden mindestens zwei
DRRs als Extraktionsbilder extrahiert. Alternativ kann auch eine
Schnittebene des Planung-CT mit einer Schnittebene des Cone-Beam-CT oder mit
zwei aus dem Cone-Beam-CT abgeleiteten DRRs verglichen werden. Im
vorliegenden Falle werden die DRRs des Planung-CT als Extraktionsbilder
mit den korrespondierenden Röntgenbildern
des daraus abgeleiteten Cone-Beam-CT bezüglich festgelegter Referenzen
verglichen und der Grad der Übereinstimmung
mit einem Ähnlichkeitsmaß bestimmt.
Die Ähnlichkeitsmaße werden
zu einer Gesamtähnlichkeitsmaß kumuliert.
Das Gesamtähnlichkeitsmaß wird hinsichtlich
eines Optimums untersucht, wobei für den Fall eines nicht optimalen
Gesamtähnlichkeitsmaßes eine
geometrische Transformation für
das Planung-CT berechnet und das Planung-CT unter Berücksichtigung
der Transformation neu generiert wird. Aus dem geänderten
Planung-CT werden mindestens zwei DRRs neu extrahiert und mit den
korrespondierenden Röntgenbildern
erneut verglichen. Dieser Vorgang wird iterativ so lange fortgesetzt,
bis ein optimales Gesamtähnlichkeitsmaß gefunden wird.
Anschließend
wird die zugrunde liegende geometrische Transformation zur Berechung
der Abweichung zwischen realer und optimaler Patientenposition verwendet
und entsprechend korrigiert. Die Korrektur der Patientenposition
kann entweder manuell, durch Verschiebung des Patiententisches (nicht
dargestellt) oder durch Verschiebung der Bestrahlungsvorrichtung
(nicht dargestellt) erfolgen.
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Die 3 ist
ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Positionierung eines Patienten relativ zu einer radiologischen
Bestrahlungsvorrichtung mittels der Betrachtung eines Gesamtähnlichkeitsmaßes über alle
Bildvergleiche von zu vergleichenden Bildern. Mit Hilfe einer Computertomographie
(CT) 10 wird durch ein Bildbearbeitungssystem 11a – unter
Beachtung des Bestrahlungsplanes – ein Planung-CT erzeugt und hieraus
die optimale Patientenposition während
der Bestrahlung abgeleitet. Vor der Bestrahlung werden mittels eines
Röntgenbildaufnahmesystems 12 Röntgenbilder
der zu bestrahlenden Körperregion
aufgenommen und mit einem Bildbearbeitungssystem 11b überarbeitet,
z.B. als Cone-Beamt-CT
aufbereitet. Vorteilhafterweise kann die Bildbearbeitung des Planung-CT
als medizinischer Bilddatensatz und der Röntgenbilder als korrespondierende
Objektbilder in einem einzigen Bildbearbeitungssystem 11a erfolgen.
Das Planung-CT wird in einem ersten Dateisystem 13a und
die Röntgenbilder
in einem zweiten Dateisystem 13b abgelegt. Alternativ sind
alle zu vergleichenden Bilder in einem Dateisystem 13a ablegbar.
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Eine
Grafikeinheit 14 extrahiert aus dem Planung-CT aus dem
ersten Dateisystem 13a mindestens zwei DRRs auf der Grundlage
der von dem Röntgenbildaufnahmesystem 12 bekannten
Abbildungsgeometrien während
der Röntgenbildaufnahmen.
Die Grafikeinheit 14 vergleicht die so extrahierten DRRs
aus dem Planung-CT mit den korrespondierenden Röntgenbildern bezüglich vorher
festgelegter Referenzen, wie z.B. den Graustufenintensitäten. Der
Grad der Übereinstimmung
jedes DRR/Röntgenbild-Vergleiches stellt
das jeweilige Ähnlichkeitsmaß dar. Diese Ähnlichkeitsmaße werden
an eine Recheneinheit 15 übergeben, die die Ähnlichkeitsmaße zu einer
Gesamtähnlichkeit
addiert. Die Recheneinheit 15 ermittelt, ob ein optimales Gesamtähnlichkeitsmaß vorliegt.
Falls kein optimales Gesamtähnlichkeitsmaß vorliegt,
berechnet die Recheneinheit eine Transformation für das Planung-CT
und übermittelt
die Transformation an die Grafikeinheit 14. Die Grafikeinheit 14 generiert
daraufhin ein neues Planung-CT und erzeugt mindestens zwei neue DRRs
aus dem geänderten
Planung-CT. Anschließend
berechnet die Grafikeinheit 14 erneut für jeden DRR-Röntgenbild-Vergleich
ein neues Ähnlichkeitsmaß. Die neu
generierten DRRs müssen
nicht notwendigerweise bezüglicher
ihrer Projektionsebenen mit den zuvor aus dem medizinischen Bilddatensatz
extrahierten DRRs der zuvor berechneten Ähnlichkeitsmaße übereinstimmen.
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Die
neuen Ähnlichkeitsmaße werden
erneut zu einem Gesamtähnlichkeitsmaß in der
Recheneinheit 15 addiert. Dieser iterative Prozess erfolgt
so lange, bis ein optimales Gesamtähnlichkeitsmaß gefunden
ist. Die diesem optimalen Gesamtähnlichkeitsmaß zugrunde
liegende geometrische Transformation dient zur Berechnung des Verschiebungs-
und Rotationsvektors der aktuellen Patientenposition zur optimalen
Patientenposition. Diese Abweichung kann mittels einer Anzeige 16a angezeigt,
zur Positionierung des Patienten mittels eines Patiententisches 16b und/oder
zur Verschiebung der Bestrahlungsvorrichtung 16c genutzt
werden.