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Die
Erfindung betrifft eine Röntgendiagnostikeinrichtung
zur Durchführung
von cephalometrischen, dentalen oder orthopädischen Untersuchungen eines
sitzenden oder stehenden Patienten.
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Dentale
und orthopädische
Erkrankungen sind sehr häufig,
bei diesen Erkrankungen ist eine schnelle und sichere Diagnose und
eine sofort eingeleitete Therapie für den Genesungsprozess von
besonderer Bedeutung.
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Die
Diagnose derartiger Erkrankungen wird durch bildgebende Verfahren
unterstützt,
häufig
wird dazu eine Röntgenuntersuchung
oder eine CT-Untersuchung durchgeführt. Nachteilig ist jedoch,
dass CT-Untersuchungen nur am liegenden Patienten durchgeführt werden
können,
darüber
hinaus ist ein CT-Gerät
eine vergleichsweise teuere Untersuchungsmodalität, die einen hohen Platzbedarf
hat.
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Für Untersuchungen
am Schädel,
den Zähnen
und für
orthopädische
Untersuchungen existieren bereits Röntgengeräte, die eine Untersuchung am
sitzenden oder stehenden Patienten ermöglichen. Diese Geräte erlauben
die Aufnahme von mehreren Projektionen in einer Rotationsebene und
fügen die
aufgenommenen Bilder zu einer Panoramadarstellung zusammen. Bei
anderen Ausführungen werden
mit diesen Vorrichtungen so genannte Schichtaufnahmen durchgeführt, indem
durch eine Rotationsbewegung eines Strahlers und eines Röntgendetektors
ein Summationsbild des untersuchten Objekts erstellt wird. Beispiele
für bekannte
Systeme finden sich in der
EP
1 443 858 B1 , der
EP
1 259 162 B1 und der
EP 1 452 137 B1 .
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Es
ist auch bekannt, angiographische 3D-Aufnahmen mit Hilfe eines Röntgengerätes mit einem
C-Bogen durchzuführen.
Dabei ist es jedoch immer erforderlich, in das zu untersuchende
Ge fäß Kontrastmittel
zu injizieren. Alle bekannten Lösungen leiden
darunter, dass keine gute Darstellung von Weichteilgewebe („soft tissue") möglich ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röntgendiagnostikeinrichtung
anzugeben, die eine verbesserte Darstellung von Weichteilgewebe ermöglicht.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist eine Röntgendiagnostikeinrichtung
der eingangs genannten Art mit den folgenden Merkmalen vorgesehen:
- – einen
Röntgenstrahler
und einen als Flachdetektor ausgebildeten Bilddetektor, die einander gegenüberliegend
an einer entlang einer Kreisbahn bewegbaren Halterung angeordnet
sind;
- – ein
Mittel zur Höhenverstellung
des Röntgenstrahlers
und des Bilddetektors;
- – ein
digitales Bildsystem zur Aufnahme eines Projektionsbilds durch Rotationsangiographie;
- – eine
Vorrichtung zur Bildverarbeitung zur Rekonstruktion des Projektionsbilds
zu einem 3D-Volumenbild; und
- – eine
Vorrichtung zur Korrektur physikalischer Effekte oder Artefakte
zur Weichteildarstellung des Projektionsbilds und des daraus rekonstruierten 3D-Volumenbilds.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglicht
cephalometrische, dentale und orthopädische Untersuchungen am sitzenden
oder stehenden Patienten und erzielt eine besonders gute Darstellung von
Weichteilgewebe ohne dass ein Kontrastmittel benötigt wird.
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Das
von der erfindungsgemäßen Röntgendiagnostikeinrichtung
durchgeführte
Verfahren ist den für
CT-Systeme bekannten Verfahren ähnlich,
allerdings rotieren bei den CT-Systemen Röntgenstrahler und Röntgendetektor
in einer geschlossenen ringförmigen
Gantry. Der Einsatz der erfindungsgemäß vorgesehenen Halterung, an
der der Röntgenstrahler und
der Flachdetektor angebracht sind, erfordert zusätzliche Bildprozessoren und spezielle
Anpassungen und Erweiterungen der bekannten Bildprozessoren.
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Bei
der erfindungsgemäßen Röntgendiagnostikeinrichtung
ist ein Mittel zur Höhenverstellung des
Röntgenstrahlers
und des Bilddetektors vorgesehen, das einen an einem Stativ angebrachten,
vertikal bewegbaren Tragarm umfassen kann. Das Stativ kann als Bodenstativ
oder als Deckenstativ ausgebildet sein.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann es bei der erfindungsgemäßen Röntgendiagnostikeinrichtung vorgesehen
sein, dass das Mittel zur Höhenverstellung
einen wenigstens ein Gelenk, vorzugsweise mehrere Gelenke, aufweisenden
Roboterarm umfasst.
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Die
Vorrichtung zur Korrektur physikalischer Effekte oder Artefakte
kann so ausgebildet sein, dass sie wenigstens eine Korrektur aus
der Gruppe von Truncation-Korrektur, Streustrahlungs-Korrektur, Überstrahlungs-Korrektur,
Ringartefakt-Korrektur, Korrektur der Strahlaufhärtung und des Low Frequency
Drop durchführt.
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Erfindungsgemäß kann die
Vorrichtung zur Korrektur einen getrennten Korrekturprozessor aufweisen.
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In
vorteilhafter Weise kann die Vorrichtung zur Korrektur derart ausgebildet
sein, dass sie eine Kalibrierung des Bildaufnahmesystems bewirkt,
beispielsweise eine Geometrie-, Entzerrungs-, Intensitäts- und/oder
Gain-Kalibration.
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Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Vorrichtung zur Korrektur
derart ausgebildet ist, dass sie eine Korrektur von Bewegungen des
Patienten und/oder von Organbewegungen des Patienten bewirkt.
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Bei
der erfindungsgemäßen Röntgendiagnostikeinrichtung
kann die Halterung einen C-Bogen umfassen, wobei der Röntgenstrah ler
und der Bilddetektor an den Enden des C-Bogens angeordnet sind.
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Der
Flachdetektor kann auf der Basis von amorphem Silizium, auf der
Basis von Selen oder aus organischen Photodioden oder Phototransistoren hergestellt
sein. Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Röntgendiagnostikeinrichtung
ein Ergometer, insbesondere ein Fahrradergometer oder ein Laufband
umfassen.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert.
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Die
Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Röntgendiagnostikeinrichtung;
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Röntgendiagnostikeinrichtung;
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Röntgendiagnostikeinrichtung; und
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4 die
wesentlichen Bestandteile der erfindungsgemäßen Röntgendiagnostikeinrichtung.
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Die
in 1 gezeigte Röntgendiagnostikeinrichtung 1 umfasst
ein Stativ 2, das als Bodenstativ ausgebildet ist und an
dem ein höhenverstellbarer Tragarm 3 angebracht
ist. Der Tragarm 3 ist als Ausleger ausgebildet, an ihm
ist ein zweiter Tragarm 4 angebracht. Der zweite Tragarm 4 ist
um eine vertikale Achse 5 drehbar. An einem Ende des Tragarms 4 ist
ein Bilddetektor, der als Flachdetektor 6 ausgebildet ist,
angebracht. An dem anderen Ende des Tragarms 4 ist ein
Röntgenstrahler 7 angebracht.
Der Röntgenstrahler 7 bzw.
die Strahlereinheit umfasst eine Röntgenröhre, eine Blende und einen
Filter. Wie in 1 gezeigt ist, kann mit der
Röntgendiagnostikeinrichtung 1 der
Schädel
eines Patienten 8 untersucht werden, ebenso sind dentale
oder orthopädische
Untersuchungen an einem sitzenden oder liegenden Patienten möglich. Während der
Untersuchung rotieren der Tragarm 4 und damit der Flachdetektor 6 und
der Röntgenstrahler 7,
sodass in schneller Folge Projektionsbilder aus verschiedenen Projektionen
aufgenommen werden.
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2 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel einer
Röntgendiagnostikeinrichtung,
wobei übereinstimmende
Komponenten mit denselben Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet
sind. Die in 2 gezeigte Röntgendiagnostikeinrichtung 9 umfasst
ein Stativ 2, an dem ein höhenverstellbarer Tragarm 10 angeordnet
ist. Der Flachdetektor 6 und der Röntgenstrahler 7 sind
an einer als C-Bogen 11 ausgebildeten Halterung angebracht.
Während
der Untersuchung führt
der C-Bogen 11 eine Rotationsbewegung um den Kopf des Patienten 8 oder
einen anderen zu untersuchenden Körperteil durch. Bestandteil
der Röntgendiagnostikeinrichtung 9 ist
auch eine schematisch darstellte, optionale Preprozessing- und Interfaceeinheit 12, über die
die aufgenommenen Messdaten weitergeleitet werden.
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3 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
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Die
Röntgendiagnostikeinrichtung 13 umfasst
einen Grundkörper 14,
an dem ein mehrteiliger Tragarm 15 angebracht ist. Der
Tragarm 15 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
drei Tragarmabschnitte 16, 17, 18, die
wie bei einem Roboterarm gelenkig miteinander bzw. mit dem Grundkörper 14 verbunden
sind. Am Ende des äußersten
Tragarmabschnitts 18 befindet sich der C-Bogen 11 mit dem
Flachdetektor 6 und dem Röntgenstrahler 7. Die Röntgendiagnostikeinrichtung 13 ist
durch die mehreren Gelenke besonders flexibel und kann exakt auf den
zu untersuchenden Bereich eines Patienten eingestellt werden. Die
Rotationsrichtung des C-Bogens wird durch den Pfeil 19 angedeutet,
die Höhenverstellbarkeit
durch den Doppelpfeil 20. Auch das zwischen Tragarmabschnitt 18 und
dem C-Bogen 11 angeordnete Gelenk ermöglicht das Kippen und Neigen des
C-Bogens 11.
Wie bei den anderen Ausführungsbeispielen
ist eine Preprozessingeinheit 12 für den Datenaustausch vorgesehen.
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4 zeigt
die wesentlichen Bestandteile der Röntgendiagnostikeinrichtung.
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Die
Röntgendiagnostikeinrichtung
weist einen Flachdetektor 6 und einen Röntgenstrahler 7 auf, die
an dem C-Bogen 11 angeordnet sind, der in 4 lediglich
schematisch dargestellt ist. Der Flachdetektor 6 ist ein
flacher rechteckiger oder quadratischer Halbleiterdetektor, der
aus amorphem Silizium (aSi) hergestellt ist.
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Ein
Hochspannungsgenerator 21 ist an einer Systemsteuerung 22 angeschlossen
und treibt den Röntgenstrahler 7.
Die Systemsteuerung 22 ist weiterhin mit dem Flachdetektor 6 zur
synchronen Steuerung des Röntgenstrahlers 7 verbunden,
wenn der Flachdetektor 6 aufnahmebereit ist. Die Systemsteuerung 22 steuert
ebenfalls an dem Stativ bzw. dem Tragarm angebrachte Motoren des
C-Bogens 11 und erfasst die Rückmeldung der Position des
C-Bogens 11.
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Die
aus dem Flachdetektor 6 ausgelesenen Bilddaten werden in
der Preprozessingeinheit 12 verarbeitet und einem Datenbus 23 zur
weiteren Verteilung zugeführt.
Die Systemsteuerung 22 und die Preprozessingeinheit 12 können Teil
eines Bildsystems sein. Sie können
weiterhin als getrennte Hardware oder Software realisiert sein.
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Wenn
sich ein Patient im Strahlengang des Röntgenstrahlers 7 befindet,
führt dies
entsprechend der Röntgenstrahlentransparenz
zu einer Abschwächung
der Röntgenstrahlen,
die von dem Flachdetektor 6 erfasst werden.
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An
dem Patienten können
physiologische Sensoren angebracht sein, beispielsweise EKG-Elektroden
und/oder Respirationssensoren. Diese EKG-Elektroden sind mit einer
physiologischen Signalverarbeitung 24 verbunden. Eine Spannungsversorgungseinheit 25 vorsorgt
die einzelnen Vorrichtungen mit den für sie erforderlichen Spannungen.
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Die
Bilddaten der durch die Preprozessingeinheit 12 verarbeiteten
Signale des Flachdetektors 6 werden einer Bildverarbeitungseinheit 26 für Röntgenbilder
zugeführt.
Diese ist zum einen über
eine 2D-Verarbeitung 27 mit einer 2D-3D-Displayeinheit 28 verbunden.
Diese 2D-3D-Displayeinheit 28 bildet mit einer Eingabeeinheit 29 (User
I/O) und einer 3D-Displayansteuerung 30 eine
Wiedergabeeinheit.
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Um
Bewegungen des Patienten während
der Untersuchung berücksichtigen
zu können,
ist ein Sensor 31 vorgesehen, der die Patientenbewegungen
erfasst, dieser wird am Patienten oder in dessen Nähe angeordnet.
Der Sensor 31 wirkt mit einem Empfänger 32 für die Patientenbewegung
zusammen, der mit der 3D-Displayansteuerung 30 gekoppelt
ist.
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Die
Bildverarbeitungseinheit 26 ist weiterhin mit einer Korrekturvorrichtung 33 für Bildartefakte und
Bilder verbunden. Die Ausgangssignale dieser Korrekturvorrichtung 33 werden über eine
3D-Bildrekonstruktion 34 der 2D-3D-Displayeinheit 28 zur
dreidimensionalen Wiedergabe zugeführt.
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An
dem Datenbus 23 ist auch eine Kalibrationseinheit 35 und
ein Positionssensorinterface 36 angeschlossen, das mit
einem Empfänger 37 verbunden
ist, der Signale des Sensors 31 für die Patientenbewegung empfängt. Der
Sensor 31 kann Bewegungen des Patienten beispielsweise
mittels Ultraschall erkennen und leitet diese beispielsweise per Funk
an den Empfänger 37 weiter.
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An
den Datenbus 23 ist zur Kommunikation nach außen ein
DICOM-Interface 38 angeschlossen, das über Datenleitungen mit dem
HIS (Hospital Information System) 39 Patientendaten und über weitere Datenleitungen 40 mittels
des Intranets des Krankenhauses oder über das Internet Bilddaten
austauscht.
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Das
DICOM-Interface 38 kann die MPPS-Funktion (Modality Performed
Procedure Step) aufweisen.
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Weiterhin
ist an den Datenbus 23 ein Bilddatenspeicher 41 angeschlossen,
der eine Zwischenspeicherung der von der Preprozessingeinheit 12 gelieferten
Bilddaten durchführt,
damit sie anschließend von
der Bildverarbeitungseinheit 26 abgerufen und/oder über das
DICOM-Interface 38 weitergeleitet werden können.
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Sämtliche
Prozessoren können
als getrennte Hardware oder Software realisiert und in dem Bildsystem
integriert sein.
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Es
ist also eine Röntgendiagnostikeinrichtung
zur Durchführung
von cephalometrischen, dentalen oder orthopädischen Untersuchungen eines
sitzenden oder stehenden Patienten vorgesehen, die einen Röntgenstrahler 7 und
einen als Flachdetektor 6 ausgebildeten Bilddetektor umfasst,
wobei der Röntgenstrahler 7 und
der Flachdetektor 6 einander gegenüberliegend an einer entlang
einer Kreisbahn bewegbaren Halterung angeordnet sind. Die Halterung
ist vorzugsweise als C-Bogen 11 ausgebildet. Der Röntgenstrahler 7 und
der Flachdetektor 6 sind höhenverstellbar. Ein digitales
Bildsystem zur Aufnahme eines Projektionsbilds durch Rotationsangiographie
wird eingesetzt. Daneben kommt eine Bildverarbeitungseinheit 26 zur
Rekonstruktion des Projektionsbilds zu einem 3D-Volumenbild zum
Einsatz. Erfindungsgemäß ist eine
Korrekturvorrichtung 33 zur Kompensation oder Unterdrückung physikalischer
Effekte oder Artefakte zur Weichteildarstellung des Projektionsbilds
und des daraus rekonstruierten 3D-Volumenbilds vorgesehen, die von
der 2D-Verarbeitung 27, der 3D-Bildrekonstruktion 34,
der Kalibrationseinheit 35 und dem Positionssensorinterface 36 unterstützt wird.
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Während der
Untersuchung wird der C-Bogen 11 mit Flachdetektor 6 und
Röntgenstrahler 7 vorzugsweise
wenigstens um einen Winkelbereich von 180° plus Fächerwinkel gedreht, wobei der Flachdetektor 6 in
schneller Folge Projektionsbilder aus ver schiedenen Projektionen
aufnimmt. Die Rekonstruktion kann auch nur aus einem Teilbereich dieser
aufgenommenen Daten erfolgen.
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Zur
3D-Rekonstruktion werden mit dem C-Bogen 11 während eines
Teilkreisumlaufs zweidimensionale (2D) Kegelstrahlprojektionen eines
dreidimensionalen (3D) Objektes aufgenommen. Aus diesem Satz an
2D-Projektionen lässt
sich z.B. mit dem Feldkamp-Algorithmus, der in "Practical cone-beam reconstruction," von L. A. Feldkamp,
L. C. Davis, and J. W. Kress, in J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 1, No.6,
Seiten 612 bis 619, 1984, beschrieben ist, die zugrunde liegende
3D-Objektfunktion berechnen oder abschätzen. Mit diesem Verfahren,
das auf dem Prinzip "filtered
backprojection" beruht,
kann man allerdings höchstens
eine Schicht mathematisch exakt berechnen, nämlich diejenige, welche im
Orbit des Kreisumlaufs liegt, die Mittenebene. Schichten, die außerhalb
der Mittenebene liegen, lassen sich nur approximativ berechnen.
Dies rührt
daher, dass bei einem Kreisumlauf nicht alle Daten gesammelt werden
können,
die man benötigt,
um Schichten außerhalb
der Mittenebene exakt zu berechnen. Trotz dieser Einschränkung bietet
der Feldkamp-Algorithmus derzeit einen attraktiven Kompromiss zwischen
Rechenaufwand und Ergebnis. Aus mathematischer Sicht genauere Ergebnisse
lassen sich mit exakten 3D-Rekonstruktionsverfahren
erzielen. Besonders interessant sind dabei effiziente, exakte 3D-Rekonstruktionsverfahren,
die ebenfalls auf gefilterter Rückprojektion
beruhen, wie sie beispielsweise aus "A general scheme for constructing Inversion
algorithms for cone beam CT," von
A. Katsevich, aus Int. J. Math. Math. Sci. 21, Seiten 1305 bis 1321,
2003, bekannt sind.
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Die
3D-Bildrekonstruktion wird beispielsweise mit dem Feldkamp-Algorithmus
durchgeführt.
Andere Algorithmen für
die Rekonstruktion können ebenfalls
eingesetzt werden, z.B. die 3D Radon Inversion (Grangeat's Algorithmus), die
Defrise-Clack Filtered Back Projection, Fourier Verfahren oder iterative
Verfahren, wie sie beispielsweise in „Mathematical Methods in Image
Reconstruction",
von F. Natterer und F. Wübbeling
in Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia
2001, beschrieben ist.
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Dabei
müssen
allerdings zusätzlich
die nicht-ideale Fokus- und
Detektorbahntrajektorien berücksichtigt
werden. Ein Rekonstruktionsverfahren, welches die nicht-ideale C-Bogen-Geometrie und den
Teilkreisumlauf mit einbezieht, ist von K. Wiesent et al. in „Enhanced
3-D Reconstruction Algorithm for C-Arm Systems Suitable for Interventional
Procedures", IEEE
Trans. Med. Imaging, Vol. 19, No. 5, Mai 2000, Seiten 391 bis 403,
beschrieben. Alternativ können
andere analytische Kegelstrahlverfahren, algebraische und/oder statistische
Rekonstruktionsverfahren verwendet werden.
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Die
Artefakt- und Korrektur-Prozessoren bestehen aus mehreren Teilprozessoren,
die als Hardware, Software oder aus einer Kombination von Hardware
und Software bestehen können.
Die jeweiligen Prozessoren sind einzeln abschaltbar. Die Reihenfolge,
mit der diese Korrekturen durchgeführt werden, ist wählbar und
in ihren Parametern konfigurierbar, so dass verschiedene Untersuchungsarten mit
unterschiedlichen Parametern abgespeichert und durch Eingabe des
Untersuchungsnamens aktiviert werden können und die gesamte Röntgenanlage
einschließlich
der Bildverarbeitung und Bild-/Datenverteilung über das Netzwerk parametriert
und voreingestellt wird.
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Als
Korrekturvorrichtung 33 für Bildartefakte und Bilder
kommen folgende Artefakt- und Korrektur-Prozessoren zum Einsatz:
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Prozessoren zur Kalibrierung
des Aufnahmesystems
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Die
zu Beginn durchzuführende
Kalibrierung des Aufnahmesystems besteht aus mehreren Teilen:
- 1. Geometrie-Kalibrierung:
Mit der Geometrie-Kalibrierung
wird die Röntgenoptik,
d.h. die Position des Röntgen-Fokus
sowie die Position und Orientierung des Flachdetektors 6,
für jede
Projektion be stimmt. Dies ist wichtig, um Rekonstruktionen mit hoher
räumlicher
Auflösung
und frei von Artefakten erzielen zu können, da ein C-Bogen-Röntgensystem
bedingt durch Instabilitäten
Abweichungen von der idealen Kreisbahn aufweisen kann.
- 2. Entzerrung nur für
Röntgenbildverstärker, nicht nötig für Flachdetektoren:
Die
Projektionsbilder des Röntgenbildverstärkers weisen
Verzerrungen auf, die zum Teil durch das Erdmagnetfeld, zum Teil
durch Unzulänglichkeiten
der Elektronenoptik entstehen. Diese Verzerrungen werden in einem
Korrekturverfahren eliminiert.
- 3. Intensitäts-Kalibration:
Mit
der Intensitäts-Kalibration
wird jedem Grauwert im Projektionsbild eine Intensität I und
(nach Bestimmung der Intensität
I0 ohne Objekt) ein Linienintegral p = ln(I0/I) zugeordnet. Diese Linienintegrale sind
der Input für
den jeweiligen Rekonstruktionsalgorithmus.
- 4. Gain-Kalibration:
Mithilfe eines so genannten „Flat Field
Image" wird eine
Gain-Kalibration des Flachdetektors 6 gemacht. Diese Gain-Kalibration ist wichtig,
um Fixed Pattern Noise zu unterdrücken, die Artefakte im rekonstruierten
Bild verursacht (z.B. Ring Artefakte). Dazu wird jede gemessene
Projektion mit dem „Flat
Field Image" korrigiert.
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Truncation-Korrektur
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Jedes
praktische Röntgenaufnahmegerät hat einen
Röntgenbilddetektor
endlicher Größe. Objekte,
deren Projektion die Abmessungen des Röntgenbilddetektors übersteigt,
können
daher nicht mehr vollständig
erfasst werden und es entstehen sog. abgeschnittene Projektionen.
Eine exakte Rekonstruktion einer 3D-Objektfunktion aus abgeschnittenen
Projektionen ist im Allgemeinen nicht möglich, selbst dann nicht, wenn
der zugrunde liegende Algorithmus dies im Prinzip bei vollständig aufgenommenen
Projektionen ermöglicht.
Extrapolationsverfahren sind bekannt, mit denen man die Qualität eines rekonstruierten
3D-Volumens verbessern kann, wie dies beispielsweise von B. Ohnesorge,
T. Flohr, K. Schwarz, J. P. Heiken, and K. T. Bae in "Efficient correction
for CT image artifacts caused by objects extending outside the scan
field of view," Med
Phys, vol. 1, Seiten 39 bis 46, 2000, beschrieben ist. Strebt man genauere
Lösungen
an, ist man in der Regel auf apriori-Information angewiesen, z.B.
einen CT-Datensatz (siehe K. Ramamurthi, J. L. Prince, "Tomographic Reconstruction
for Truncated Cone Beam Data Using Prior CT Information, "MICCAI (2), 134 bis
141, 2003).
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Streustrahlungs-Korrektur
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Im
Gegensatz zur Radiographie führt
Streustrahlung („Scatter") bei CT-Rekonstruktion
nicht nur zu einer Verschlechterung des Signal/Rausch-Verhältnisses,
sondern zusätzlich
zu objektabhängigen Grauwertverfälschungen,
wie „Cupping" sowie Balken- oder
Schattenartefakte, die sowohl die quantitative Genauigkeit als auch
die Erkennbarkeit von niedrigen Kontrasten stark beeinträchtigen
können.
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Bei
konventionellen CT-Geräten
mit Detektorarrays aus einer oder mehreren Zeilen kann die Streustrahlung
mittels schlitzförmiger
Kollimatoren so weit reduziert werden, dass sie praktisch nicht mehr
bildwirksam wird. Bei CT mit Flächendetektor fungiert
aber der gesamte durchstrahlte Körperquerschnitt
als Streustrahlungsquelle, wobei die Intensität der den Flächendetektor
erreichenden Streustrahlung die der ungeschwächten Primärstrahlung sogar überschreiten
kann. Durch Verwendung eines Streustrahlenrasters kann der Anteil
der Streustrahlung zwar selektiv reduziert werden, ist jedoch immer
noch bildwirksam und daher nicht vernachlässigbar (Scatter-Fraction ca.
25 % bei Schädelaufnahmen,
bis über
50 % bei Thorax-, Becken- oder Abdomen-Aufnahmen).
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Streustrahlungskorrekturverfahren
bestehen aus zwei Komponenten, einem Verfahren zur Schätzung der
Streustrahlungsvertei lung in der Detektorebene und einem Korrekturalgorithmus.
Zur Schätzung
der Streustrahlung ist beispielsweise von R. Ning, X. Tang, D. L.
Conover. in "X-ray
scatter suppression algorithm for cone beam volume CT". Proc.SPIE, Vol.4682,
2002, Seiten 774 bis 781, ein Messverfahren mit der bekannten Beamstop-Methode
vorgeschlagen worden, das sich aber aus Gründen der Handhabbarkeit für den klinischen
Workflow kaum empfiehlt. Andere Verfahren basieren auf Rechenmodellen,
die sich mit hinreichender Genauigkeit an Messungen und/oder Monte-Carlo-Simulationsrechnungen
adaptieren lassen und zu wesentlichen Bildverbesserungen führen. Es
gibt Rechenmodelle, die direkt auf Projektionsbildern operieren
und beispielsweise aus der
US
5,666,391 bekannt sind, oder iterative Verfahren, die auch
Informationen aus der Volumenrekonstruktion zu nutzen gestatten
in der
DE 10 2004
029 009 A1 beschrieben sind.
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Überstrahlungs-Korrektur
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Die
Bittiefe der bei C-Bogen-Systemen eingesetzten Röntgenbilddetektoren ist momentan
relativ klein gegenüber
modernen CT-Detektoren (12 bit für
CCD-Kamera und 14 bit für
Flachdetektor gegenüber
18 bis 20 bit bei CT-Detektoren). Es kommt deswegen in den Projektionen öfters zu Überstrahlungen,
die wiederum zu Artefakten in der Rekonstruktion führen. Diese Überstrahlungs-Artefakte
können durch
Extrapolation der Projektionswerte unter Vermeidung des Clipping
reduziert werden.
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Low Frequency Drop
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Durch
Streulicht im Röntgenbilddetektor kommt
es zu einem Untergrund in den Projektionsbildern, der mathematisch
einer Faltung mit einer Point Spread Function entspricht. Dieser
Untergrund führt zu
Artefakten im rekonstruierten Bild (ähnlich wie Streustrahlung)
und kann durch eine entsprechende Dekonvolution der Projektionsdaten
korrigiert werden.
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Ringartefakt-Korrektur
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Selbst
bei sorgfältiger
Kalibrierung des Röntgenbilddetektors 4 beinhalten
die Messdaten einzelner Detektorpixel Messfehler und Schwankungen. Diese
Fehler führen
zu Ringartefakten in den rekonstruierten Bildern. Durch Anwendung
geeigneter (radial und zirkular wirkender) Filter ist es möglich, ein Ringbild
vom Objektbild zu trennen. Zunächst
wird vorzugsweise durch radiale Medianfilterung des Orginalbildes
und anschließende
Subtraktion die Ringstruktur detektiert. Andere radiale glättende Filterungen
können
ebenfalls genutzt werden. Durch eine Glättung dieses Bildes in zirkularer
Richtung wird der darin enthaltene Rauschanteil eliminiert. Das
so erhaltene Ringbild wird abschließend vom Originalbild subtrahiert.
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Korrektur der Strahlaufhärtung („Beam Hardening")
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Die
Aufhärtung
der Röntgenstrahlung
bei der Durchdringung eines absorbierenden Objektes nach H. Barrett,
W. Swindell in "Radiological
Imaging", Vol.2,
Kap. 7, Seiten 375 bis 464, bewirkt, dass in Axialbildern die Bildelemente
zur Bildmitte hin mit geringer werdenden Grauwerten rekonstruiert
werden. Dieser so genannte Schüsseleffekt
verhindert einen homogenen Bildeindruck. Der Schüsseleffekt wird vermieden,
wenn die Projektionsdaten auf eine gedachte monoenergetische Röntgenstrahlung
umgerechnet werden. Diese Umrechnung erfolgt für Weichteilgewebe in einem
prärekonstruktiven
und für dichtere
Objekte wie beispielsweise Knochen und Metall in einem postrekonstruktiven
Schritt mit anschließender
zweiter Bildrekonstruktion.
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Prozessor zur Bewegungskorrektur
von Patientenbewegungen
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Diese
Lösung
kann auf der Berechnung der Bewegung aus den vorhandenen 2D-Aufnahmen
basieren oder über
einen am Patienten angebrachten Sensor kann die Bewegung ermittelt
und zur Bildkorrektur herangezogen werden. Aus der
US 6,233,476 und der US 2001/0031919
sind Bewegungsdetektoren zur Kompensation von Patientenbewegungen
im Zusammenhang mit der elektromagnetischen Ortung von medizinischen
Instrumenten bekannt. Der an den Patienten angebrachte, als Bewegungsdetektor dienende
Sensor
31 wird vorzugsweise kabellos, z.B. mit „Blue-tooth", realisiert.
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Korrektur von Organbewegungen
durch das schlagende Herz („ECG-Gating")
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Dazu
wird das EKG des Patienten aufgezeichnet und der Korrektureinheit
des Bildsystems zugeführt.
Durch entsprechende Korrekturalgorithmen lassen sich Bewegungsartefakte
aus der Bildrekonstruktion herausrechnen.
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Prozessor zur Beseitigung
von durch Atmung hervorgerufene Bewegungsartefakte
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Zur
Beseitigung der Atmungsartefakte kann ein an die Signalverarbeitung 24 angeschlossenes Brustband
genutzt werden, dass über
entsprechende Sensoren die Atemamplitude und die Frequenz ermittelt
und in der Bildverarbeitungseinheit Korrekturrechnungen einleitet,
welche die Bewegungsartefakte aus den Bildinformationen herausrechnet.
Alternativ können
die Amplitude und die Frequenz aus der Hüllkurve des EKG-Signals berechnet
werden und der Korrekturvorrichtung 33 der Bildverarbeitungseinheit
zugeführt
werden. Durch entsprechende Berechnungen lassen sich die Bewegungsartefakte
aus der Bildrekonstruktion herausrechnen.
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Der
Untersuchungsablauf der Röntgendiagnostikeinrichtung
besteht aus folgenden Schritten:
- a) Eingang:
Anmelden,
Identifizieren und Registrieren des Patienten, entweder manuell
oder über
eine Datenschnittstelle, z.B. DICOM.
- b) Positionierung:
Positionieren des Patienten
- c) Aufnahme:
Aufnahme einer Rotationsangiographie von mindestens
180° mit
mindestens zwei Projektionsaufnahmen (Eine Erhöhung der Anzahl von Projektionen
und des Winkelbereiches verbessert die Bildqualität)
- d) Korrektur:
Artefaktkorrektur durch die Korrekturprozessoren
- e) 3D-Rekonstruktion:
Rekonstruktion des 3D-Volumenbildes
- f) 3D-Darstellung:
Darstellung des 3D-Volumenbildes auf
einem Display oder Projektionsvorrichtung
- g) Therapie:
Durchführung
der Therapiemaßnahme,
vorzugsweise minimalinvasiv
- h) Therapie erfolgreich?:
Überprüfen der Therapiemaßnahme durch
Wiederholen der Schritte c) bis f)
- i) Dokumentation:
Dokumentation der Diagnose und Therapie
auf einer integrierten Recheneinheit
- j) Ausgang:
Entlassen des Patienten, Versenden und Archivieren
der dokumentierten Diagnose und Therapiedaten, vorzugsweise über ein
medizinisches Datennetzwerk (z.B. DICOM-MPPS).
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Als
alternative Ausführung
für Anwendungen mit
reduzierten Anforderungen an die Auflösung wird vorgeschlagen, dass
die Röntgenbilder
mit Methoden der Diskreten Tomographie aus wenigen Projektionen
erzeugt werden. Insbesondere nachdem ein erster 3D-Bilddatensatz
mit hoher Auflösung
erzeugt wurde. Ein Verfahren zur Diskreten Tomographie ist beispielsweise
in
DE 102 24 011 A1 beschrieben. Dies
hat den Vorteil, dass der Patient und das klinische Personal lediglich
einer geringen Strahlenbelastung ausgesetzt werden.
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Diese
Aufnahmen können
zusätzlich
durch die Gabe von Kontrastmittel unterstützt werden. Wahlweise können die
Aufnahmen im DSA-Modus oder ohne DSA durchgeführt werden.
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Das
Bildsystem enthält
zur Darstellung von 3D-Aufnahmen ein 3D-Display, vorzugsweise einen Flachbildschirm.
Diese Lösung
erlaubt die dreidimensionale Betrachtung ohne Hilfsmittel, wie beispielsweise
3D-Brillen.
- – Zusätzlich kann der Betrachter
ein Kopfband oder eine normale Brille mit Positionssensoren tragen,
so dass über
entsprechende Prozessoren die Blickrichtung des Betrachters mit
der Betrachtungsrichtung des 3D-Objektes synchronisiert wird. Ein
Beispiel für
die Bestimmung der Blickrichtung eines Betrachters und der Verfolgung
eines Bildobjektes ist in der US
5,646,525 beschrieben.
- – Alternativ
oder zusätzlich
können
die 2D- bzw. 3D-Aufnahmen
durch eine Projektionsvorrichtung („Beamer") in 2D- oder 3D-Darstellung auf eine Projektionsfläche, beispielsweise
eine Wand des Untersuchungsraums, projiziert werden, wie das in
der DE 100 36 143
C2 beschrieben ist.
-
Die
Untersuchungsvorrichtung enthält
ein DICOM-Interface 38 einschließlich MPPS (Modality Performed
Procedure Step), das alle Bildinformationen und Patientendaten verarbeiten
kann.
-
Mit
der Vorrichtung lassen sich neben normalen 2D-Röntgenuntersuchungen
3D-Rekonstruktionen erstellen.
-
Es
ist zweckmäßig, einen
Kontrastmittelinjektor beispielsweise von den Firmen Medrad und Tyco
Healthcare zu integrieren.
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Weiterhin
kann ein Patienten-Monitoringsystem zur Überwachung der Vitalfunktionen
eines Patienten integriert sein. Damit kann ein Alarm ausgelöst werden,
wenn bestimmte Grenzen der Vitalparameter eines Patienten unter/oder überschritten
werden. Auch kann ein Subsystem zur Applikation einer Narkose, z.B.
ein Narkoseventilator, eingefügt
sein.
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Die
vorgeschlagene Lösung
hat den Vorteil, dass die heutzutage mit mehreren medizinischen Geräten durchgeführten Diagnosen
und Therapien mit einem einzigen System wesentlich sicherer und schneller
durchgeführt
werden. Mit dieser Lösung
ist die Planung, Führung
und Kontrolle der Behandlung mit einer Vorrichtung möglich.
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Anstelle
eines Flachdetektors 6 als Röntgenbilddetektor kann auch
beispielsweise ein Röntgenbildverstärker mit
einer angekoppelten CCD-Kamera Verwendung finden. Die erfindungsgemäße Rotationsangiographie
lässt sich
damit zwar schwieriger durchführen,
da beim Röntgenbildverstärker ein kreisförmiges Bild
erstellt wird, welches zusätzlich noch
Verzerrungen am kreisförmigen
Bildrand aufgrund geometrischer Verzerrungen am Röntgenbildverstärker aufweist.
Dies würde
eine Anpassung der Algorithmen zur Bildkonstruktion notwendig machen und
eine zusätzliche
Verzerrungskorrektur erfordern.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
verbessert die diagnostischen Möglichkeiten
einer angiographischen Untersuchung durch die Anwendung der Angiographischen
Computer Tomographie (ACT) mit einer angiographischen Röntgendiagnostikeinrichtung.
Damit können
CT-ähnliche
Bilder während einer
angiographischen Prozedur erzeugt werden.
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Neurovaskuläre Behandlungen
tragen immer das Risiko von Komplikationen. Lokale Blutungen aufgrund
von aneurysmischen Brüchen
können durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung
bei angiographischen Untersuchungen visualisiert werden. Außerdem lässt sich
das ventrikulare System des Gehirns zur Diagnoseunterstützung pathologischer Prozesse
darstellen. Auch werden die Führung
sowie die Beobachtung von Platzierungen während Drainage Prozeduren ermöglicht.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
erlaubt bei abdominalen Prozeduren eine ausgezeichnete Diagnostik
und interventionelle Unterstützung
auch bei Punkturen und Drainagen.
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Für onkologische
Anwendungen ermöglicht die
erfindungsgemäße Vorrichtung
die Visualisierung von Tumoren innerhalb aller Körperteile, so dass vollständig neue
Methoden zur Durchführung
von Biopsien oder Behandlungen von Tumoren, wie beispielsweise Embolien
oder Ablationen, realisiert werden können.