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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine
Vorrichtung zum Visualisieren von Objekten, insbesondere von nicht
starren Objekten. Das Verfahren und die Vorrichtung sind besonders
geeignet für
die Visualisierung von dreidimensionalen Objekten bei medizinischen
Eingriffen.
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Heutzutage
ist die angiographischen Darstellung der Herzkranzgefäße (Koronarien)
und die Berechnung von Durchmesser, Anzahl und Länge dieser Arterien eine der
wichtigsten diagnostischen Hilfsmittel in der Kardiologie. Zusätzliche
funktionale Informationen wie die Myokardperfusion oder die Bestimmung
der Flussgeschwindigkeit sind weitere Informationen, die prinzipiell
mit der Angiographie gewonnen werden können.
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Es
ist ein Verfahren zur röntgenprojektionsbasierten
Perfusionsbildgebung bekannt. Im Prinzip wird eine Serie von Bildern
erstellt, die zeitlich nacheinander aufgenommen werden. Dieses Verfahren ist
prinzipiell auch für
jedes perfundierte Gewebe in anderen Organen einsetzbar. Im Wesentlichen
wird die Änderung
der Grauwerte, bzw. die zeitliche Änderung der Grauwerte in einer
Parzelle (Bildausschnitt) des Myokards bei der Verabreichung von
Kontrastmittel analysiert. Dazu werden über mehrere Herzzyklen hinweg
ein oder mehrere Aufnahmen zu definierten Phasen des Herzzyklus
gemacht, wobei der Patient nach Möglichkeit den Atem anhält. Die 4 zeigt
eine Ansicht einer zweidimensionalen Bildserie eines Herzens, wobei
die Einzelbilder durch die Atem- oder Herzbewegungen relativ zueinander leicht
verschoben sind. Dies kann bei einer automatischen „TIMI-Blush-Auswertung" zu Fehler führen.
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Generell
besteht bei diesen funktionalen Auswertungen die Aufgabe, Aufnahmen
aus verschiedenen Herzzyklen miteinander zu vergleichen und aus
dem zeitlichen Verlauf von Grauwertänderungen die funktionalen
Informationen zu gewinnen. Ein Problem dabei ist jedoch die Tatsache,
dass, auch wenn die einzelnen Aufnahmen der verschiedenen Herzzyklen
phasengleich aufgenommen werden (zum Beispiel EKG-getriggert oder
durch retrospektive EKG-Triggerung), sich das Herz und damit die Herzarterien
und das perfundierte Myokard sich an leicht unterschiedlichen Positionen
mit verschiedenen Orientierungen im Raum befinden.
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Speziell
erzeugt diese „Bewegung" der Koronarien bei
dem bekannten Verfahren zur röntgenprojektionsbasierten
Perfusionsbildgebung einen Radiergummieffekt. Da dort die Pixel,
die während
der Sichtbarkeit der Koronarien als Gefäßobjekt beschrieben werden,
von der weiteren Auswertung ausgeschlossen werden, kann ein großer nicht
auswertbarer Bereich entstehen.
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Wichtig
ist, dass der Kontrastmittelverlauf in den einzelnen Bildbereichen
(Pixeln) so gut wie möglich
verfolgt werden kann. Hierzu ist es wichtig zu gewährleisten,
dass die jeweilig korrespondieren Bereiche in den verschiedenen
Bildern auch tatsächlich übereinander
liegen, unabhängig
von Bewegungen des Objektes, etwa bei leichten Atembewegungen oder
Herzbewegungen.
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Mit
Hilfe von Computertomographie/DynaCT/MRI ist heute eine 3D-Bildgebung
des Herzens möglich.
Speziell mit der CT-Angiographie ist die Darstellung der Koronarien
gut möglich.
Jedoch sind Aussagen zur Perfusion des Myokards durch die unterschiedlichen
Koronaräste
mit CT/DynaCT nicht möglich.
Ideal wäre
eine kombinierte Auswertung im Katheterlabor der morphologischen
3D-Daten (CT/DynaCT) und der interventionell gewonnen zweidimensionalen
funktionalen Informationen aus der Angiographie.
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Aus
Malsh, Dickhaus und Kücherer, „Quantitative
Analyse von koronarangiographischen Bildfolgen zur Bestimmung der
Myokardperfusion",
Proceedings des Workshops Bildverarbeitung in der Medizin 2003,
Erlangen, Seiten 81 bis 85, ist ein Ansatz bekannt, der digitale
Subtraktionsbilder als Basis für eine Auswertung
benutzt. Hier ist ein Vorgehen beschrieben, die leichte Bewegungsartefakte
durch die Zwerchfellbewegung kompensiert und manuell definierte
Ankerpunkte am Zwerchfell zwischen den Aufnahmen vergleicht. Dabei
wird immer das Maskenbild gegen ein Füllbild verglichen. Die oben
beschriebene Herzbewegung wird damit nicht korrigiert, so dass das
Vorgehen nicht unbedingt geeignet ist.
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Es
ist die Bildfusion von morphologischen Bildgebungsmethoden (z. B.
CT) mit funktionellen 3D-Verfahren (MRI/SPECT/PET) bekannt. Diese
zusätzlichen
Messungen sind zum Teil aufwendig bzw. sehr teuer. Zudem werden
sie mit zusätzlichen
dedizierten Systemen akquiriert und stehen nicht als aktuelle Ergebnisse
im Herzkatheterlabor zur Verfügung.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Visualisieren von Objekten, insbesondere von nicht
starren Objekten vorzusehen, bei denen relative Versetzungen des
Objektes wie zum Beispiel eine relative Versetzung von Organen bei
leichten Atembewegungen oder Herzbewegungen bei der Visualisierung
kompensiert werden.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren und durch die Vorrichtung zum Visualisieren
von Objekten mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 7 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
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Vorzugsweise
werden Bilder zum Beispiel einer angiographischen Serie von einem
C-Bogen-Röntgengerät zur funktionalen
Auswertung oder der nachfolgenden Visualisierung miteinander oder gegen
einen vorab aufgenommenen 3D-Datensatz registriert. Bei den Bildern
kann es sich um Projektionsaufnahmen oder 3D-Rekonstruktionen (DynaCT) handeln.
Mit DynaCT werden an einem angiographischen C-Bogen-System CT-ähnliche
Schnittbilder erzeugt. Diese Schnittbilder ermöglichen Weichteildifferenzierungen,
so dass zum Beispiel Strukturen und Organe im Körper und Gehirn und sogar Blutungen im
Hirn erkannt werden können.
Bei den Bildern kann es sich sowohl um zweidimensionale als auch
um dreidimensionale Bilder handeln.
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Vorzugsweise
können
aufeinander folgende Bilder aus verschiedenen Herzzyklen, aber zu
gleichen Herzphasen miteinander ausgewertet werden, und die zeitliche Änderung
von Grauwerten in diesen Bildern kann zur funktionalen Auswertung
verwendet werden. Dabei kann zum Beispiel das bekannte Verfahren
zur röntgenprojektionsbasierten
Perfusionsbildgebung verwendet werden.
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Die
vorliegende Erfindung löst
das Problem für
die funktionale Auswertung einer angiographischen Serie auf verschiedene
Arten, jeweils aber durch Bildregistrierung. Vorzugsweise ist eine nicht-starre
Registrierung anzuwenden, es kann jedoch auch eine starre Registrierung
(nur Translation und Rotation) verwendet werden.
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In
vorteilhafter Weise ist die Genauigkeit der Visualisierung und der
Auswertung durch Eliminierung der Bewegungen des Objektes wie zum
Beispiel eines Organs verbessert. Insbesondere wird die Visualisierung
bei Rückprojektion
der Ergebnisse auf die Oberfläche
des registrierten 3D-Volumens verbessert.
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Mit
Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen werden nunmehr bevorzugte
Ausführungsbeispiele der
Erfindung beschrieben.
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In
den Zeichnungen zeigen
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1 eine
Bildserie mit N zweidimensionalen Bildern eines Herzens, die durch
Atem- oder Herzbewegungen relativ zueinander leicht verschoben sind
und gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
bezüglich
des jeweils vorangehenden Bildes individuell registriert werden;
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2 eine
Bildserie mit N zweidimensionalen Bildern, die durch Atem- oder
Herzbewegungen relativ zueinander leicht verschoben sind und gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
zu perspektivischen Projektionen eines dreidimensionalen Volumens
individuell registriert werden;
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3 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Visualisieren von
Objekten gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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4 eine
Ansicht einer Überlagerung
der N zweidimensionalen Bilder des Herzens, die durch Atem- oder
Herzbewegungen relativ zueinander leicht verschoben sind und gemäß dem Stand
der Technik nicht individuell registriert sind.
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Im
Folgenden wird ein erstes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben.
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Die 1 zeigt
eine Bildserie mit N zweidimensionalen Bildern B(1), B(2), ...,
B(N) eines Herzens, die durch Atem- oder Herzbewegungen relativ zueinander
leicht verschoben sind und gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
bezüglich
des jeweils vorangehenden Bildes individuell registriert werden.
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Bei
dem Verfahren wird zunächst
die Serie von N zweidimensionalen Bildern B(1), B(2), ..., B(N) erstellt,
die zeitlich nacheinander aufgenommen werden. Das erste Bild ist
B(1) und das letzte Bild ist B(N). Die zweidimensionalen Bilder
B(1), B(2), ..., B(N) werden jeweils als zweidimensionale Bilddatensätze im Sinne
der vorliegenden Erfindung aufgefasst. Als Bilddatensätze werden
generell Bildinformationen in digitaler oder analoger Form aufgefasst, die
auf einem flüchtigen
oder nicht-flüchtigen
Datenträger
gespeichert oder visualisiert werden können. Als Verfahren zum Erstellen
der Bildserie eignen sich insbesondere Röntgenverfahren, bei denen zweidimensionale
Durchleuchtungsbilder des Objektes mittels fluoroskopischer Durchleuchtung
aufgenommen werden. Dabei wird zum Beispiel ein Kontrastmittel in die
Blutgefäße injiziert,
die dann in den zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern gut sichtbar
sind. Vorzugsweise wird ein C-Bogen-Röntgengerät zur Aufnahme der zweidimensionalen
Durchleuchtungsbilder verwendet.
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Danach
wird jedes Bild B(n) der Bildserie mit n = 1, 2, ..., N individuell
durch eine jeweilige Transformationsmatrix R registriert. Bei dem
ersten Ausführungsbeispiel
wird jedes Bild B(n) der Bildserie zu dem jeweils unmittelbar vorangehenden
Bild B(n-1) der Bildserie individuell registriert.
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Hierbei
werden die einzelnen zweidimensionalen Bilder der Kontrastmittelserie
jeweils zueinander registriert, so dass letztlich ein fester Punkt
in einem beliebigen Bild immer zum gleichen Punkt in einem anderen
Bild korrespondiert. Zweckmäßig wird dazu
die Transformationsmatrix R[B(n)] für n = 2, 3, ..., N bestimmt,
um alle Bilder zueinander zu registrieren. Vorzugsweise wird jedes
Bild einfach zur Transformation seines Vorgängers registriert.
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Als
Anhaltspunkte für
Registrierung eignen sich zum Beispiel die sich sehr gut vom Bildhintergrund
abhebenden, kontrastmittelgefüllten
Gefäße.
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Dieses
Vorgehen kann für
die gesamte Serie oder eine Auswahl von Bildern erfolgen, insbesondere
für Bilder,
auf denen die Gefäße zu sehen
sind. Damit lassen sich Artefakte, speziell in dem bekannten Verfahren
zur röntgenprojektionsbasierten
Perfusionsbildgebung, aufgrund der Gefäßbewegung eliminieren. Eine
Möglichkeit
ist dabei, sich auf die Füllbilder
der Gefäße zu beschränken. In
der Blushphase, d.h. wenn keine Gefäße mehr zu erkennen sind, kann
auch der sichtbare Katheter verwendet werden.
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Im
Folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben.
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Die 2 zeigt
eine Bildserie mit N zweidimensionalen Bildern, die durch Atem-
oder Herzbewegungen relativ zueinander leicht verschoben sind und
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
zu perspektivischen Projektionen eines dreidimensionalen Volumens
individuell registriert werden.
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Zunächst wird
vor der automatischen Bestimmung der funktionalen Parameter ein
dreidimensionaler anatomischer Datensatz V des Herzens erstellt.
Selbstverständlich
kann auch ein präoperativ aufgenommener
CT-Datensatz verwendet werden. Als Verfahren sind insbesondere ein
fluoroskopisches Durchleuchtungsverfahren, ein Computertomografieverfahren
(CT) wie zum Beispiel ein Herz-CT oder Cardiac-DynaCT, ein dreidimensionales
Angiographieverfahren, ein dreidimensionales Ultraschallverfahren,
ein Positronen-Emissions-Tomographieverfahren (PET) oder ein Magnetresonanztomographieverfahren
(MRT) geeignet.
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Ähnlich wie
bei dem ersten Ausführungsbeispiel
wird außerdem
eine Serie von N zweidimensionalen Bildern B(1), B(2), ..., B(N)
erstellt, die zeitlich nacheinander aufgenommen werden. Die zweidimensionale
Bildserie beinhaltet zum Beispiel angiographische Daten zur funktionellen
Auswertung. Dieses Verfahren kann im Monoplan- oder Biplan-Modus stattfinden.
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Im
folgenden Schritt werden die einzelnen Bilder der Bildserie zu dem
dreidimensionalen Datensatz V des Objektes individuell registriert.
Hat die Serie N Bilder B(1) bis B(N), und bezeichnet Rv[B(n)] eine
Tansformationsmatix des zu V zu registrierenden Bildes B(n), so
bestimmt man zweckmäßigerweise
einfach Rv[B(n)] für
n = 1, 2, ..., N. Da nun alle Bilder B(n) zu V registriert sind,
sind letztlich auch wieder alle Bilder untereinander registriert.
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Sofern
die Parameter der Projektion des dreidimensionalen Bilddatensatzes
für die
Registrierung nicht über
die Anlageparameter bekannt sind, eignen sich als Anhaltspunkte
für die Registrierung auch
hier zum Beispiel die sich sehr gut vom Bildhintergrund abhebenden
kontrastmittelgefüllten
Gefäße.
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Im
letzten Schritt erfolgt die Auswertung der angiographisch gewonnenen
funktionellen Parameter aus den zweidimensionalen Bildern B(1),
B(2), ..., B(N).
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Es
wird hier eine Kombination der angiographisch gewonnenen zweidimensionalen,
funktionellen Parameter (zum Beispiel röntgenprojektionsbasierte Perfusion)
gemeinsam mit einem dreidimensionalen Datensatz beschrieben, der
die Morphologie des untersuchten Organs zeigt (zum Beispiel durch DynaCT
oder CT).
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Gegenüber dem
ersten Ausführungsbeispiel bietet
das zweite Ausführungsbeispiel
zusätzlich
einen Vorteil in der Visualisierung, dass die Bilder B(1), B(2),
..., B(N) der Bildserie mit Projektionen, die aus dem dreidimensionalen
Datensatz V des Objektes extrahiert werden, überlagert dargestellt werden
können.
Die nun über
das Auswerteverfahren bestimmten funktionellen Werte können also
auf die Oberfläche
des registrierten Volumens zurückprojiziert
werden.
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Aus
dem dreidimensionalen Datensatz V werden demnach zweidimensionale
Projektionen des Objektes extrahiert, wie dies in der 2 angedeutet
ist. Die Parameter der Projektion sind über die Anlageparameter bekannt,
zum Beispiel wenn der dreidimensionale Datensatz V auf derselben
Anlage erstellt wird, mit der auch die zu registrierenden zweidimensionalen
Bilder B(1), B(2), ..., B(N) aufgenommen werden. So kann zum Beispiel
ein Volumen mit Cardiac-DynaCT auf einer Angio-Anlage erzeugt werden.
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Nachdem
der morphologische 3D-Datensatz und die Auswertung der funktionellen
angiographisch aufgenommenen Bilder vorliegen und miteinander registriert
sind, können
diese in Form einer Bildfusion visualisiert werden. Dabei werden
bekannte Verfahren zur 2D-3D-Registrierung verwendet.
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Es
sind mehrere Arten der Visualisierung möglich:
- • 3D-Datensatz
transparent, 2D-funktioneller Datensatz nicht transparent;
- • 2D-funktioneller
Datensatz transparent, 3D-Datensatz nicht transparent;
- • Dehnen
des 2D-funktionellen Datensatzes auf dem 3D-Datensatz;
- • 2D-funktioneller
Datensatz ist entweder die statische oder die dynamische Version.
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Im
Fall eines vorliegenden dynamischen Magnetresonanztomografie-Datensatzes
(MRT) kann dieser mit den dynamischen funktionellen Bildern registriert
und visualisiert werden.
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Im
Fall von Biplan-Aufnahmen der angiographischen Bilder können die
funktionellen Bilder in beiden Ebenen mit dem 3D-Datensatz registriert
und zusammen visualisiert werden.
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Während das
erste Ausführungsbeispiel
eine Registrierung zwischen zweidimensionalen Bildern zeigt, und
das zweite Ausführungsbeispiel
eine Registrierung von zweidimensionalen Bildern an einen dreidimensionalen
Bilddatensatz zeigt, so ist eine nicht in den Figuren gezeigte Abwandlung
denkbar, bei der dreidimensionale Bilddatensätze individuell zu anderen
dreidimensionalen Bilddatensätzen
individuell registriert werden.
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Bei
dieser Abwandlung wird zunächst
eine Serie von zeitlich aufeinander folgenden dreidimensionalen
Bilddatensätzen
V(1), V(2) ... V(N) erstellt. Ähnlich
wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel
wird jeder einzelne Bilddatensatz V(n) der Serie zu einem früheren Bilddatensatz
V(n-1) der Serie individuell registriert, wobei n = 2, 3, ..., N.
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Zum
Beispiel werden bei Perfusionsmessungen mit DynaCT mehrere zeitlich
aufeinander folgende Datensätze
zur Perfusionsmessung ausgewertet.
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Die
funktionelle Auswertung kann sich auf einfache Parameter wie die
Zeit zum Einspülen/Ausspülen des
Kontrastmittels im Gefäß oder Myokard, die
so genannte Mean-Transit-Time beziehen, aber auch auf komplexere
Parameter wie Perfusionswerte, Flusswerte des Blutes in den Koronarien
und andere Größen, aber
auch auf abgeleitete Größen wie zum
Beispiel Perfusionsgrade beziehen.
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Das
hier beschriebene Verfahren ist auch für alle anderen Organe, speziell
auch dem Gehirn oder bei anderen Erkrankungen (Tumor, AVM = arterio-venöse Missbildung)
im Körper
anwendbar. Es ist keine Einschränkung
auf das Herz gegeben. Bei sich nicht bewegenden Organen kann auf
die EKG-Triggerung bzw. Atemtriggerung verzichtet werden.
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Die 3 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Visualisieren
von Objekten gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die Vorrichtung verfügt über eine
Einrichtung 14 zum Erstellen einer Serie von Bilddatensätzen, die
zeitlich nacheinander aufgenommen werden, und eine Einrichtung 25,
die jeden einzelnen Bilddatensatz der Serie individuell registriert.
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Die
Einrichtung 14 bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Röntgenanlage 14 mit
einem angeschlossenen Gerät,
mit dem die fluoroskopischen Durchleuchtungsbilder erstellt werden.
Bei dem Röntgengerät 14 handelt
es sich um ein C-Bogengerät
mit einem C-Bogen 18, an dessen Armen eine Röntgenröhre 16 und
ein Röntgendetektor 20 angebracht
sind. Hierbei kann es sich z. B. um das Gerät Axiom Artis dFC der Siemens
AG, Medical Solutions, Erlangen, Deutschland, handeln. In das Sichtfeld
der Röntgenanlage
ist der Patient 24 gebettet. Mit 22 ist ein Objekt
innerhalb des Patienten 24 bezeichnet, welches das Ziel
des Eingriffs sein soll, z. B. die Leber, das Herz oder das Gehirn.
An die Röntgenanlage
angeschlossen ist ein Rechner 25, welcher im gezeigten
Beispiel sowohl die Röntgenanlage
steuert, als auch die Bildverarbeitung und Bildregistrie rung übernimmt.
Diese beiden Funktionen können
jedoch auch getrennt realisiert sein. Im gezeigten Beispiel wird
durch ein Steuerungsmodul 26 die C-Bogenbewegung und Aufnahme
von intraoperativen Röntgenbildern
gesteuert.
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In
einem Speicher 28 kann ein präoperativ aufgenommener dreidimensionaler
Bilddatensatz V gespeichert werden, der bei den erfindungsgemäßen Verfahren
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel und
dessen vorstehend beschriebener Abwandlung verwendbar ist.
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In
einem Rechenmodul 30 kann die Serie der Bilddatensätze bestehend
aus den zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern oder den dreidimensionalen
Bilddatensätzen
entsprechend dem Verfahren gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
und dessen vorstehend beschriebener Abwandlung registriert werden.
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Im
Rechenmodul 30 können
die zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
mit den Projektionen aus dem dreidimensionalen Bilddatensatz überlagert
werden, und das so fusionierte Bild wird an einem Bildschirm 32 angezeigt.
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Das
Rechenmodul 30 ist auch in der Lage, 3D-Rekonstruktionen
mittels DynaCT zu erstellen.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen
beschränkt,
sondern es sind Änderungen
ebenfalls vom Umfang der Erfindung umfasst, der durch die beigefügten Ansprüche definiert
ist.