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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
zur Registrierung von zumindest drei unterschiedlichen Bilddatensätzen eines
eine Anatomie aufweisenden Objektes, insbesondere zur Registrierung
von medizinischen Bilddatensätzen,
mit denen nicht exakt übereinstimmende
anatomische Bereiche des Objektes erfasst sind.
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Bei
der Verarbeitung medizinischer Bilddaten müssen häufig zwei oder mehr Bilddatensätze eines
Patienten miteinander verglichen werden, die im gleichen Zeitraum
an unterschiedlichen bildgebenden Modalitäten, an der selben bildgebenden
Modalität
im gleichen Zeitraum, jedoch mit unterschiedlichen Parametern, oder
an der selben bildgebenden Modalität in unterschiedlichen Zeiträumen gemessen
wurden. Dies betrifft bspw. Anwendungen, bei denen ein Patient nacheinander
sowohl mittel PET (Positronen-Emissions-Tomographie) als auch mittels
CT (Computertomographie) untersucht wurde, so dass sowohl PET- als
auch CT-Bilddatensätze
vorliegen. Weitere Beispiele sind unterschiedliche Kontrastmittelanflutungen
in den Organen bei der Bildaufzeichnung mittels CT, wobei dann zumindest
zwei Bilddatensätze
mit unterschiedlichen Kontrastmittelverteilungen in den Organen
erhalten werden, oder Nachfolgeuntersuchungen, bei denen der Patient
mit nicht zwangsläufig
identischen Aufzeichnungsparametern in größerem zeitlichen Abstand untersucht
wird.
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In
allen Fällen
ist ein möglichst
guter Vergleich der unterschiedlichen Bilddatensätze wünschenswert. Ein Vergleich
kann prinzipiell durch Fusion von zwei Bilddatensätzen, durch
parallele Visualisierung bei nahezu identischen Anatomien bzw. durch
die Kombination eines anatomischen Bildes und eines Bildes physiologischer
Vorgänge
(wie bei PET und CT-Bilddaten) in den Datensätzen oder durch Navigation
zu einer in einem ersten Bilddatensatz angewählten Position im zweiten Bilddatensatz
erfolgen. Allerdings werden die Bilddatensätze im allgemeinen Fall keine
identischen Anatomien enthalten. Durch Lageveränderung der Organe, Änderungen
der Patientenlage bei der Bildaufzeichnung oder durch Gewichtsveränderung
des Patienten zwischen den Aufnahmen ist eine einfache Zuordnung
aufgrund von Koordinaten nicht möglich.
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Zur
Vermeidung dieser Problematik sind Registrierungsverfahren bekannt,
die eine rigide oder nicht-rigide Registrierungstechnik einsetzen.
Hierbei werden in den Bilddatensätzen
bspw. zunächst
identische Strukturen gesucht. Anschließend werden auf Basis dieser
identischen Strukturen Transformationsmatrizen berechnet, die jedes
Voxel der Strukturen des einen Datensatzes auf ein Voxel der entsprechenden
Strukturen im zweiten Datensatz abbilden. Die Transformationen werden
dann für
den gesamten Datensatz verallgemeinert. Bei mehr als zwei Bilddatensätzen werden
die Bilddatensätze
derzeit jeweils paarweise registriert. Dies führt bei großen Datenmengen aufgrund des
hohen Rechenaufwands für
die Registrierung zu langen Wartezeiten für den Anwender. So wird bspw.
bei einer Mehrphasenuntersuchung der Leber zunächst ein nativer CT-Scan, d. h. ein Scan
ohne Kontrastmittel durchgeführt.
Anschließend
wird die Anflutung des Kontrastmittels in der Leberarterie, in der
Portalvene und im Leberparenchym untersucht. Daraus resultieren
vier Bilddatensätze
und somit zu sechs Paare, die jeweils miteinander registriert werden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
sowie eine Vorrichtung zur Registrierung von zumindest drei unterschiedlichen
Bilddatensätzen
anzugeben, die die Wartezeit für
den Anwender bis zur gleichzeitigen Visualisierung von jeweils zumindest
zwei der Bilddatensätze
verringern.
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Die
Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und
7 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der
Unteransprüche
oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel
entnehmen.
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Bei
dem vorgeschlagenen Verfahren, das automatisiert durch eine entsprechend
dafür eingerichtete Vorrichtung
durchgeführt
wird, wird für
jeden der Bilddatensätze
zunächst
ein anatomischer Bereich ermittelt, der durch den Bilddatensatz
erfasst ist. Anschließend
werden Überlappungsgrade
zwischen den ermittelten anatomischen Bereichen der Bilddatensätze berechnet.
Auf Basis der berechneten Überlappungsgrade
wird ein Masterbilddatensatz bestimmt, bei dem die Summe der Überlappungsgrade
mit den anderen Bilddatensätzen
maximal ist, wobei Überlappungsgrade,
die unterhalb einer vorgebbaren unteren Schwelle liegen, nicht berücksichtigt
werden. Die untere Schwelle wird dabei vorzugsweise in einem Bereich
der Überlappungsgrade festgelegt,
der zwischen 20% und 30% liegt. Anschließend werden alle (verbleibenden)
Bilddatensätze
mit diesem Masterbilddatensatz registriert. Als Registrierungsverfahren
können
hierbei, je nach Art der Bilddatensätze sämtliche aus dem Stand der Technik
bekannten Registrierungstechniken eingesetzt werden. Durch die Registrierung
aller Bilddatensätze
mit dem Masterbilddatensatz sind diese Bilddatensätze indirekt
auch untereinander registriert. Die jeweils erforderliche Transformationsmatrix
kann in einfacher Weise aus den Transformationsmatrizen der Registrierung
der jeweiligen Bilddatensätze
mit dem Masterbilddatensatz abgeleitet werden.
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Damit
wird ein geringerer Aufwand bei der Registrierung der Bilddatensätze verursacht
als bei der bisherigen paarweisen Registrierung aller Bilddatensätze miteinander.
So müssen
bei Vorliegen von vier unterschiedlichen Bilddatensätzen nur
noch drei aufwendige Registrierungsprozeduren durchgeführt werden.
Die restlichen Registrierungen können
daraus auf einfache Weise mit geringem Zeit- und Rechenaufwand abgleitet
werden. Diese Vorgehensweise verringert damit die Wartezeit für den Anwender,
bis er die gleichzeitig zu visualisierenden Bilddatensätze auswählen und
anzeigen lassen kann.
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Die
Bilddatensätze,
vorzugsweise 3D-Bilddatensätze,
werden mit einer bildgebenden tomographischen Modalität aufgezeichnet.
Hierbei kann es sich bspw. um einen Computertomographen, einen Magnetresonanztomographen
oder einen Positronen-Emissions-Tomographen handeln.
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Vorzugsweise
werden die für
die Bestimmung der von den Bilddatensätzen umfassten anatomischen Bereiche
bei medizinischen Bilddatensätzen
die DICOM-Daten genutzt. Der DICOM-Standard wird bei der Erzeugung
und Weiterverarbeitung von medizinischen Bilddaten berücksichtigt
und führt
zu Bilddatensätzen,
die in einem Datenbereich Zusatzinformationen über die Aufnahmeparameter enthalten.
Aus diesen Zusatzinformationen, die in der Regel im DICOM-Header
vorliegen, kann der anatomische Bereich ausgelesen werden, den die
Bilddaten abdecken. Der Anwender muss dazu nicht die gesamten Bilddaten
laden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird es dem Anwender
nur ermöglicht,
zwei oder mehrere Bilddatensätze
gleichzeitig zu visualisieren, falls diese Bilddatensätze einen
ausreichend großen Überlappungsgrad
der von ihnen erfassten anatomischen Bereiche aufweisen. Hierzu
wird vorzugsweise die untere Schwelle genutzt, die bei der Bestimmung
des Masterbilddatensatzes berücksichtigt
wird. Zeigen die zu visualisierenden Bilddatensätze keinen höheren Überlappungsgrad,
so kann der Anwender diese Bilddatensätze nicht gleichzeitig visualisieren.
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Bei
einer Registrierung von Datensätzen
mit nicht vollständig überlappenden
Bereichen kann eine Registrierung in nicht überlappenden Teilbereichen
zu Fehlern führen
kann, die für
den Anwender in den Bildern nicht unmittelbar erkennbar sind. In
einer weiteren sehr vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden dem
Anwender daher bei der gleichzeitigen Visualisierung von zwei oder
mehr Bilddatensätzen
nur die Bildbereiche der jeweiligen Bilddatensätze in für die Auswertung geeigneter
Bildqualität
dargestellt, die in allen der gleich zeitig darzustellenden Bilddatensätze enthalten
sind. Alle anderen anatomischen Bereiche werden in der Darstellung
dieser Bilddatensätze
abgedunkelt oder durch eine Maskierung abgedeckt. Dadurch werden
dem Anwender automatisch nur die Bereiche für eine Auswertung oder Diagnose
dargestellt, die auch fehlerfrei verglichen werden können.
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Bei
der bisher beschriebenen Registrierung wird davon ausgegangen, dass
die unterschiedlichen Bilddatensätze
innerhalb eines Zeitraums aufgezeichnet wurden, in dem keine signifikante
Veränderung
am Objekt erfolgt ist. Werden jedoch zwei Gruppen derartiger Bilddatensätze in unterschiedlichen
Zeiträumen
aufgezeichnet, zwischen denen eine Veränderung am Objekt nicht auszuschließen ist,
so wird beim vorliegenden Verfahren vorzugsweise für jede der
beiden Gruppen ein Masterbilddatensatz bestimmt und eine Registrierung der
Bilder der jeweiligen Gruppe mit dem entsprechenden Masterbilddatensatz
durchgeführt.
Sollen Bilder der unterschiedlichen Gruppen gleichzeitig visualisiert
werden, so werden die beiden Masterbilddatensätze mit einem geeigneten Registrierungsverfahren
miteinander registriert, durch das eine Veränderung des Objektes berücksichtigt
werden kann. Dies kann bspw. anhand identischer Strukturen innerhalb
der beiden Masterbilddatensätze,
vor allem auch durch eine nicht-rigide Registrierungstechnik erfolgen.
Auch der Einsatz geeigneter künstlicher
Marker zur Erleichterung der Registrierung ist hierbei selbstverständlich möglich. Durch
Registrierung der beiden Masterbilddatensätze sind wiederum die Bilddatensätze der
beiden Gruppen bereits indirekt zueinander registriert. Die erforderlichen
Transformationsmatrizen können
daher in einfacher Weise aus den Registrierungen der Bilddatensätze zu den
Masterbilddatensätzen
und der Registrierung der Masterbilddatensätze zueinander (bzw. aus den
zugehörigen
Transformationsmatrizen dieser Registrierungen) berechnet werden.
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Die
für die
Durchführung
des Verfahrens ausgebildete Vorrichtung umfasst entsprechend eine
Bestimmungseinheit, die für
jeden der Bilddatensätze
einen anatomischen Bereich ermit telt, der durch den Bilddatensatz
jeweils bezogen auf eine vorgegebene Perspektive erfasst ist, Überlappungsgrade
zwischen den anatomischen Bereichen der Bilddatensätze berechnet
und auf Basis der Überlappungsgrade
aus den Bilddatensätzen
einen Masterbilddatensatz bestimmt, bei dem die Summe der Überlappungsgrade
mit den anderen Bilddatensätzen
maximal ist, wobei Überlappungsgrade,
die unterhalb einer vorgebbaren unteren Schwelle liegen, nicht berücksichtigt
werden. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Registrierungseinheit,
die die anderen Bilddatensätze
mit dem Masterbilddatensatz auf Basis eines vorhandenen Registrierungsalgorithmus
registriert. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung auch eine geeignete
Visualisierungseinheit, die die gleichzeitige Darstellung von Bilddatensätzen mit
nicht ausreichend überlappenden
anatomischen Bereichen verhindert und/oder bei einer gleichzeitigen
Darstellung mehrerer Bilddatensätze
die nicht in allen Bilddatensätzen
vorhandenen anatomischen Bereiche abdunkelt oder geeignet maskiert.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Registrierungseinheit
weiterhin so ausgebildet, dass sie für die Registrierung von mehreren
Gruppen von Bilddatensätzen
des Objektes, die in unterschiedlichen Zeiträumen aufgezeichnet wurden,
zwischen denen eine Veränderung
am Objekt nicht auszuschließen
ist, für
jede Gruppe die zu der Gruppe gehörenden Bilddatensätze mit
einem durch die Bestimmungseinheit für die Gruppe bestimmten Masterbilddatensatz
registriert und anschließend
die Masterbilddatensätze
miteinander registriert.
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Das
vorliegende Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend
anhand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei
zeigen:
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1 ein
Beispiel für
die Vorgehensweise bei dem vorgeschlagenen Verfahren;
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2 ein
weiteres Beispiel mit gegenüber
der 1 geänderten
Verhältnissen;
und
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3 eine
schematisierte Darstellung der vorgeschlagenen Vorrichtung.
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Im
folgenden Beispiel wird das vorgeschlagene Verfahren bei der Untersuchung
eines Patienten mittels Computertomographie nochmals näher erläutert. Hierbei
werden in einem ersten Zeitraum (Zeitraum 1) vier Untersuchungen
in Form von CT-Scans
unterschiedlicher anatomischer Bereiche des Patienten durchgeführt, mit
denen vier unterschiedliche Bilddatensätze A bis D erhalten werden.
Bilddatensatz A beinhaltet Nacken, Thorax, Abdomen und Pelvis. Bilddatensatz
B überdeckt
einen kleineren Bereich. Er beginnt näher am Kopf, wobei der Pelvisbereich
jedoch fehlt. Bilddatensatz C enthält Lunge und Leber, Bilddatensatz
D nur den Darm. Die Scanbereiche der Bilddatensätze A bis D sind rechts neben
dem Patienten angedeutet.
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Bei
dem vorliegenden Verfahren erfolgt nun zunächst die Bestimmung der in
der Figur angedeuteten anatomischen Bereiche.
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Diese
anatomischen Bereiche werden aus den DICOM-Daten der vier Bilddatensätze ausgelesen.
Dabei werden nur geringfügige
anatomische Unterschiede in den Daten durch Positionsveränderung
auf der Patientenliege oder Patientenatmung unterstellt.
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Auf
Basis dieser anatomischen Bereiche wird dann der Überlappungsgrad
der anatomischen Bereiche der vier Bilddatensätze A bis D berechnet. Das
Ergebnis zeigt die folgende Tabelle 1. Tabelle 1:
| überlappt | Datensatz | Summe |
| A | B | C | D | > Schwelle |
| A | x | 94% | 100% | 100% | 294% |
| B | 75% | x | 100% | 75% | 250% |
| C | 50% | 63% | x | 25% | 113% |
| D | 40% | 38% | 20% | x | 78% |
| | Schwelle
30% | |
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Aus
Tabelle 1 ist ersichtlich, welche Überlappungen der anatomischen
Bereiche der vier Bilddatensätze
vorliegen. Bilddatensatz B, C und D überlappen mit 94%, 100% und
100% den Datensatz A. Die Überlappungsbereiche
der Datensätze
C und D von 20% bzw. 25% liegen unterhalb einem hier vorgegebenen
unteren Schwellwert von 30%. Eine synchrone Ausgabe ist bei diesem
geringen Überlappungsbereich
nicht sinnvoll und wird daher vom System abgelehnt. Diese geringen Überlappungsgrade
werden auch bei der nachfolgenden Summenbildung nicht berücksichtigt.
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Zur
Bestimmung des Masterbilddatensatzes erfolgt eine zeilenweise Summenbildung
der über
dem unteren Schwellwert liegenden Überlappungsbereiche. Diese
Summe ist für
den Bilddatensatz A mit 294% am größten, d. h. die Datensätze B, C
und D haben eine maximale Überlappung
mit dem Bilddatensatz A. Daher wird Bilddatensatz A als Masterbilddatensatz
definiert. Anschließend
wird dieser Masterbilddatensatz mit den anderen Bilddatensätzen B,
C und D registriert. Es erfolgen demnach die paarweisen Registrierungen
B-A, C-A und D-A. Damit können
auch die Bilddatensätze
B und C synchronisiert dargestellt werden, da sie indirekt über den
Bilddatensatz A miteinander registriert sind.
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Ein
weiteres Beispiel ist in der
2 und der
nachfolgenden Tabelle 2 kurz dargestellt.
2 zeigt hierbei
lediglich die Scanbereiche von vier anderen CT-Scans, die zu den
Bilddatensätzen
A bis D führen.
Die Datensätze
B, C und D haben mit dem Datensatz A hierbei eine Überlappung
von 50%, 80% und 20%, wie dies in der Tabelle 2 dargestellt ist.
Bei der Summenbildung wird dann der Datensatz D in dieser Zeile
nicht berücksichtigt,
da er unter der unteren Schwelle von 30% liegt. Die Zeilensumme
von 130% ist jedoch kleiner als die Zeilensumme von Datensatz B
mit 160%. Datensatz B wird somit in diesem weiteren Beispiel als
Masterbilddatensatz definiert, mit dem die anderen Bilddatensätze registriert
werden. Tabelle 2:
| überlappt | Datensatz | Summe |
| A | B | C | D | > Schwelle |
| A | x | 50% | 80% | 20% | 130% |
| B | 30% | x | 80% | 80% | 160% |
| C | 40% | 67% | x | 40% | 147% |
| D | 10% | 67% | 40% | x | 107% |
| | Schwelle
30% | |
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1 zeigt
auch die Situation bei einer weiteren Untersuchung in einem späteren Zeitraum
(Zeitraum 2), bei der sich die Patientenlage und das Patientengewicht
gegenüber
dem Zeitraum 1 verändert
haben. Dies ist in der 1 durch die verschobene Lage
und den dünneren
Querschnitt des Patienten angedeutet. Für die in diesem späteren Zeitraum
aufgezeichneten Bilddatensätze
E bis H wird in gleicher Weise auf Basis der Überlappungsgrade ein Masterbilddatensatz,
in diesem Fall Bilddatensatz E, bestimmt. Die Registrierung erfolgt
dann zwischen den Paaren E-F, E-G und E-H. Aufgrund der nur geringen Überlagerung
bei den Bilddatensätzen
G und H wird eine gleichzeitige gemeinsame Darstellung dieser Bilddatensätze, falls
sie vom Anwender an einer Bedienkonsole des bildgebenden Systems
eingegeben wird, verhindert.
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Die
Datensätze
F und G überlappen
sich nicht vollständig.
Eine synchrone Darstellung nebeneinander kann nur in den in
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1 hell
dargestellten Bereichen erfolgen. Für den dunkel dargestellten
Bereich von Bilddatensatz F existiert kein Pendant im Bilddatensatz
G. Hier wird der Bildschirm bei der gemeinsamen Darstellung dieser beiden
Bilddatensätze
dunkel geschaltet, so dass dieser Bereich durch den Anwender von
vorneherein nicht erkennbar ist.
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Mit
dem vorgeschlagenen Verfahren ist demnach eine Registrierung von
Bilddatensätzen
innerhalb eines Zeitraumes in einfacher Weise realisierbar, bei
dem sich die Patientenlage und -form nur unwesentlich verändert. Eine
synchrone Ausgabe bspw. der Bilddatensätze A und F erfordert ergänzende Verfahrensschritte. Hierzu
wird zunächst
eine Registrierung der beiden Masterdatensätze A und E durchgeführt. Aus
unveränderlichen
Anatomien, wie bspw. Knochen, wird die unterschiedliche Lage auf
der Patientenliege und daraus die unterschiedlichen DICOM-Koordinatensysteme
zwischen Zeitraum 1 und Zeitraum 2 bestimmt. Daraus werden die Überlappungsbereiche
zwischen den Masterdatensätzen
und mit den bereits vorliegenden Ergebnissen innerhalb der einzelnen
Zeiträume
die Überlappungsbereiche
zwischen allen Bilddatensätzen
bestimmt. Alternativ zur Bestimmung anhand unveränderlicher Anatomien können auch
künstliche,
jeweils an der selben Stelle auf dem Körper angebrachte und in den
Bilder detektierbare Marker genutzt werden. Die synchrone Ausgabe,
bspw. der Bilddatensätze
B und F, wird aus der Registrierung zu ihrem jeweiligen Masterbilddatensatz A-B
bzw. E-F und der Registrierung zwischen den Masterbilddatensätzen A und
E abgeleitet.
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Die
Bestimmung der Überlappungsbereiche
der Bilddatensätze
eines Zeitraumes basiert im Wesentlichen aus den Informationen aus
dem DICOM-Header und kann demnach dem Anwender vorab angezeigt werden,
ohne dass die Bilddaten selbst geladen werden müssen. Diese Bestimmung erfolgt
in einer Bestimmungseinheit 2 der vorgeschlagenen Vorrichtung 1,
die in 3 schematisch angedeutet ist. Bei der Vorrichtung
kann es sich beispielsweise um einen Rechner mit entsprechenden
Software-Modulen
handeln. Die Bestimmungseinheit 2 führt auch die Bestimmung des
Masterbilddatensatzes durch. Die Registrierung der einzelnen Bilddatensätze eines
Zeitraums mit dem Masterbilddatensatz erfolgt über die Registrierungseinheit 3, die
hierzu auf ein oder mehrere Registrierungsalgorithmen Zugriff hat.
Bei der Bestimmung der Überlappungsbereiche
zwischen zwei oder mehreren Zeiträumen ist eine Registrierung
der Masterbilddatensätze
notwendig, die im Hintergrund vorab durchgeführt werden kann. Somit kann
auch diese Information dem Benutzer angezeigt werden, bevor er die
Daten für
eine medizinische Anwendung auswählt
und in die betreffende Software zur Bildanzeige lädt. 3 zeigt
auch die Visualisierungseinheit 4, über das die gleichzeitige Visualisierung mehrerer
Bilddatensätze
auf einem Monitor 5 gesteuert wird. Die Bilddatensätze werden
in diesem Beispiel von einem Computertomographen 6 erhalten,
mit dem die Untersuchungen durchgeführt werden.