DE102007044406A1

DE102007044406A1 - Registrierverfahren mit durchblutungsabhängiger dreidimensionaler Darstellung eines Gefäßbaums

Info

Publication number: DE102007044406A1
Application number: DE102007044406A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Deinzer; Esther-Sabrina Platzer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-09-18
Filing date: 2007-09-18
Publication date: 2009-03-19
Also published as: US20090074277A1; US8194957B2

Abstract

Ein dreidimensionaler Volumendatensatz (14) enthält einen Gefäßbaum (5). Ein zweidimensionales Projektionsbild (B) ist eine Abbildung eines Istfüllstands, zu dem der Gefäßbaum (5) zu einem Erfassungszeitpunkt (t) mit einem Kontrastmittel (7) gefüllt ist. Der Volumendatensatz (14) und das Projektionsbild (B) sind mittels des Satzes von Abbildungsparametern (P) relativ zueinander registriert. Eine Recheneinrichtung (9) ermittelt einen erwarteten Sollfüllstand, der beschreibt, welche Teile des Gefäßbaums (5) im dreidimensionalen Volumendatensatz (14) zum Erfassungszeitpunkt (t) mit dem Kontrastmittel (7) gefüllt sein sollten. Anhand des Sollfüllzustands und des Projektionsbildes (B) ermittelt die Recheneinrichtung (9) den Satz von Abbildungsparametern (P).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ermittlungsverfahren für einen Satz von Abbildungsparametern, wobei mittels des Satzes von Abbildungsparametern ein dreidimensionaler Volumendatensatz und ein zweidimensionales Projektionsbild relativ zueinander registriert sind. Der Volumendatensatz enthält hierbei einen Gefäßbaum. Das Projektionsbild ist eine Abbildung eines Istfüllzustands, zu dem der Gefäßbaum zu einem Erfassungszeitpunkt mit einem Kontrastmittel gefüllt ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm, das Maschinencode umfasst, dessen Abarbeitung durch eine Recheneinrichtung bewirkt, dass die Recheneinrichtung ein derartiges Ermittlungsverfahren ausführt. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Datenträger, auf dem in maschinenlesbarer Form ein derartiges Computerprogramm gespeichert ist. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung eine Recheneinrichtung, die mit einem derartigen Computerprogramm programmiert ist, so dass sie im Betrieb aufgrund der Abarbeitung des Computerprogramms ein Ermittlungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausführt.
Derartige Ermittlungsverfahren, Computerprogramme usw. sind allgemein bekannt.
Zu den in der Gefäßdiagnostik üblicherweise angewendeten Verfahren für die Bildgebung gehören einerseits die zweidimensionale digitale Subtraktions-Angiographie (DSA), andererseits die dreidimensionale Rotationsangiographie. Beide Modalitäten weisen, bezogen auf die diagnostischen Möglichkeiten, spezifische Vorteile auf. Beide Modalitäten weisen jedoch auch spezifische Nachteile auf. Sie sind nicht beliebig gegeneinander austauschbar.
Bei bestimmten Diagnosevorgängen werden sowohl zeitliche als auch strukturelle Informationen über den Blutfluss benötigt. In derartigen Fällen ist der Einsatz beider Technologien erforderlich. Damit der behandelnde Arzt jedoch in der Lage ist, bestimmte Sachverhalte in beiden Datensätzen unter nahezu identischen Voraussetzungen und vor allem aus gleicher Ansicht zu untersuchen, müssen die zweidimensionalen Angiographiebilder und der dreidimensionale Volumendatensatz relativ zueinander registriert werden.
Die Registrierung ist oftmals problematisch, da für die Rekonstruktion des dreidimensionalen Volumendatensatzes ein permanent vollständig mit Kontrastmittel gefüllter Gefäßbaum verwendet wird. Das Ziel der zweidimensionalen Subtraktions-Angiographie hingegen ist dem genau gegenläufig. Denn das Ziel der 2D-Angiographie besteht darin, die zeitliche Ausbreitung eines Kontrastmittels im Gefäßbaum zu erfassen. In der zweidimensionalen DSA-Sequenz existiert daher oftmals keine Projektion, in der ein vollständig (bzw. zumindest im Wesentlichen vollständig) mit Kontrastmittel gefüllter Gefäßbaum vorliegt. Dieser Sachverhalt erschwert die Registrierung erheblich, da nicht identische Zustände miteinander in Verbindung gesetzt werden müssen. Zusätzlich kommt hinzu, dass sich in manchen Fällen der Patient während der Aufnahme einer 2D-Angiographieszene bewegt und/oder die Gefäße im Körper durch Pulsschlag und Blutdruck in ständiger (wenn auch nur geringfügiger) Bewegung sind. Es sind zwar Verfahren zur Kompensation derartiger Bewegungen bekannt. Die Kompensation ist jedoch schwierig und nur teilweise möglich.
Registrierverfahren als solche sind im Stand der Technik bekannt. Rein beispielhaft wird auf den Fachaufsatz „Reconstruction of blond propagation in three-dimensional rotational X-ray angiography (3D-RA)" von H. Schmitt et al., erschienen in Computerized Medical Imaging and Graphics, Band 29, Seiten 507 bis 520, 2005, verwiesen.
Zur Durchführung der Registrierung ist es im Stand der Technik bekannt, beispielsweise eines der zweidimensionalen Bilder einer Angiographiesequenz zu selektieren. Vorzugsweise wird hierbei dasjenige der Angiographiebilder selektiert, das den maximalen Füllgrad aufweist. Die Selektion kann alternativ automatisch oder manuell erfolgen. Das selektierte DSA-Bild wird in diesem Fall relativ zum Volumendatensatz registriert. Auf Grund des Umstands, dass die Aufnahmegeometrie während der gesamten Erfassung der DSA-Sequenz in aller Regel konstant gehalten wird, ist die Registrierung somit auch für alle anderen Bilder der DSA-Sequenz gültig.
In anderen Fällen wird anhand der Gesamtheit der Projektionsbilder der DSA-Sequenz ein „Summationsbild" ermittelt. Beispielsweise kann pixelweise der zeitliche Gradient der Intensität der einzelnen Bilder ermittelt werden und jedes Pixel als zum Gefäßbaum gehörig markiert werden, bei dem die zeitliche Änderung mindestens einmal signifikant von Null abweicht. Die Gesamtheit der markierten Pixel entspricht bei dieser Ausgestaltung dem Summationsbild, das relativ zum Volumendatensatz registriert wird.
Auch andere Verfahren sind bekannt und möglich. So wird beispielsweise in dem oben genannten Fachaufsatz von H. Schmitt et al. ein Verfahren erläutert, bei dem für jedes Pixel die Entropie über die Zeit ermittelt wird. Die Entropie codiert das Maß an Zufallsinformation in einem System. Sie ist definiert als
p(X = z) definiert hierbei die Wahrscheinlichkeit, dass das Pixel X den Farb- bzw. Graustufenwert z annimmt. Z ist die Gesamtheit der möglichen Farb- bzw. Graustufenwerte. Im Anwendungszusammenhang bedeutet dies, dass Pixel, die zum Gefäßbaum gehören, über die gesamte Sequenz betrachtet sich in ihren Intensitätswerten deutlich ändern. Die Intensitätsände rung erfolgt genau dann, wenn der betroffene Teil des Gefäßbaums vom Kontrastmittel durchflossen wird. Der Informationsgehalt des jeweiligen Pixels ist durch log₂p(X = z) gegeben. Entsprechend der ermittelten Entropie wird dem jeweiligen Pixel entweder ein sehr hoher oder ein sehr niedriger Wert zugewiesen. Auf diese Art und Weise lässt sich der Gefäßbaum eindeutig vom Hintergrund separieren.
Zum Ermitteln des Satzes von Abbildungsparametern wird im Stand der Technik gemäß dem Fachaufsatz von H. Schmitt et al. nicht der dreidimensionale Volumendatensatz unmittelbar verwendet. Stattdessen wird eine künstliche Projektion des Volumendatensatzes generiert. Es erfolgt eine Registrierung des zweidimensionalen Summationsbildes einerseits zu der künstlichen, ebenfalls zweidimensionalen Projektion des Volumendatensatzes andererseits. Diese Vorgehensweise bedeutet jedoch einen hohen Rechenaufwand, da zusätzlich zur Ermittlung des Summationsbildes die künstliche Projektion ermittelt werden muss. Da weiterhin die künstliche Projektion die einzige beliebig oft wiederholbare Komponente des Verfahrens ist, muss sie für jeden Optimierungslauf zur Ermittlung des optimalen Satzes von Abbildungsparametern neu berechnet werden.
In manchen Fällen werden DSA-Sequenzen mittels sogenannter Biplan-Röntgenanlagen erzeugt. In diesem Fall ist eine gleichzeitige Erfassung zweier Projektionsbilder unter zwei voneinander verschiedenen Angulationen, d. h. mit voneinander verschiedenen Abbildungsparametern, möglich. Dies vereinfacht im Vergleich zu einem einzigen Projektionsbild die Registrierung, da aus einer zweiten Ansicht zusätzliche Informationen zur Verfügung stehen. In vielen Fällen reichen diese zusätzlichen Informationen aus, um eine eindeutige Registrierung vorzunehmen. Die Ausrichtung der beiden zweidimensionalen Projektionsbilder ist durch die Parameter der Biplan-Röntgenanlage bekannt, so dass Punktkorrespondenzen zwischen den beiden Bildern der DSA-Sequenzen ermittelt werden können. Auch bei dieser Technik wird jedoch eine künstliche Projektion des dreidimensionalen Volumendatensatzes benötigt. Im De tail ist diese Vorgehensweise beispielsweise in der Diplomarbeit „Räumliche und zeitliche Rekonstruktion in der Neuroradiologie" von T. Hüllmandel, angefertigt im Jahr 2004 an der Julius-Maximilian-Universität Würzburg, beschrieben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Ermittlungsverfahren für einen Satz von Abbildungsparametern zu schaffen, mittels dessen eine qualitativ hochwertige Registrierung möglich ist. Die Registrierung soll hierbei unabhängig davon möglich sein, ob eine Biplan-Röntgenanlage oder eine Monoplan-Röntgenanlage verwendet wird, ob ein einzelnes DSA-Bild mit einem hohen Füllgrad zur Verfügung steht oder nicht usw.. Weiterhin soll eine Ermittlung eines Summationsbildes anhand der DSA-Sequenz nicht erforderlich sein.
Die Aufgabe wird durch ein Ermittlungsverfahren mit den Merkmalen 1, ein Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 13 und einen Datenträger, auf dem in maschinenlesbarer Form ein derartiges Computerprogramm gespeichert ist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Ermittlungsverfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 12. Weiterhin wird die Aufgabe durch eine Recheneinrichtung gelöst, die mit einem derartigen Computerprogramm programmiert ist, so dass sie im Betrieb aufgrund der Abarbeitung des Computerprogramms ein Ermittlungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausführt.
Erfindungsgemäß ermittelt eine Recheneinrichtung einen zum Erfassungszeitpunkt erwarteten Sollfüllzustand. Der Sollfüllzustand beschreibt, welche Teile des Gefäßbaums im dreidimensionalen Volumendatensatz zum Erfassungszeitpunkt mit dem Kontrastmittel gefüllt sein sollten. Anhand des Sollfüllzustands und des Projektionsbildes ermittelt die Recheneinrichtung den Satz von Abbildungsparametern.
Die Kernidee der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, im dreidimensionalen Volumendatensatz zu ermitteln, welche Teile des Gefäßbaums zum Erfassungszeitpunkt mit Kontrastmit tel gefüllt sind (bzw. sein sollten). Zur Registrierung des Volumendatensatzes gegenüber dem Projektionsbild wird nur dieser Teil des Gefäßbaums herangezogen. Diese Vorgehensweise steht im Gegensatz zur Vorgehensweise des Standes der Technik, bei dem stets der gesamte dreidimensionale Gefäßbaum zur Ermittlung des Satzes von Abbildungsparametern herangezogen wird.
Es ist möglich, den Sollfüllzustand rein rechnerisch zu ermitteln. Beispielsweise kann – rein rechnerisch – ein Anfangsfüllzustand definiert werden und dieser Anfangsfüllzustand zeitlich fortentwickelt werden. Diese Art der Simulation ist Fachleuten unter dem Begriff „Computational Fluid Dynamics" (abgekürzt „CFD") bekannt. Durch Anwendung der Navier-Stokes-Gleichungen auf ein spezifisches Gefäßsystem wird – bei hinreichend genauer Berechnung und hinreichender Information über das Gefäßsystem und die sonstigen Umgebungsbedingungen – eine physikalisch korrekte Simulation des Blutflusses ermöglicht. Der gesamte Komplex der Navier-Stokes-Gleichungen im Zusammenhang mit der Flusssimulation ist beispielsweise in T. Petrila, D. Trif, „Gasics of Fluid Mechanics and Introduction to Computational Fluid Dynamics, Numerical Methods and Algorithms", Springer-Verlag, 2005 beschrieben.
Erfindungsgemäß ist jedoch bevorzugt, dass die Recheneinrichtung den Sollfüllzustand unter Verwendung mindestens eines weiteren zweidimensionalen Projektionsbildes und eines für dieses weitere Projektionsbild gültigen Satzes von Abbildungsparametern ermittelt und dass das weitere zweidimensionale Projektionsbild eine Abbildung eines weiteren Istfüllzustands ist, zu dem der Gefäßbaum zu einem weiteren Erfassungszeitpunkt mit dem Kontrastmittel gefüllt ist.
Es ist möglich, dass das erstgenannte Projektionsbild und das weitere Projektionsbild mit denselben Abbildungsparametern erfasst wurden. Diese Vorgehensweise stellt sogar den Regelfall dar. Alternativ – insbesondere im Falle der Erfassung der Projektionsbilder mittels einer Biplan-Röntgenanlage – ist es jedoch ebenfalls möglich, dass das erstgenannte Projektionsbild und das weitere Projektionsbild mit voneinander verschiedenen Abbildungsparametern erfasst wurden.
Wenn das erstgenannte Projektionsbild und das weitere Projektionsbild mit voneinander verschiedenen Abbildungsparametern erfasst wurden, können die Projektionsbilder alternativ zum gleichen Zeitpunkt oder zu voneinander verschiedenen Zeitpunkten erfasst worden sein. Wenn das erstgenannte Projektionsbild und das weitere Projektionsbild hingegen mit denselben Abbildungsparametern erfasst wurden, müssen die Projektionsbilder zu voneinander verschiedenen Zeitpunkten erfasst worden sein.
Wenn das erstgenannte Projektionsbild und das weitere Projektionsbild zu voneinander verschiedenen Zeitpunkten erfasst wurden, ermittelt vorzugsweise die Recheneinrichtung anhand des mindestens einen weiteren zweidimensionalen Projektionsbildes und des für das weitere Projektionsbild gültigen Satzes von Abbildungsparametern einen Anfangsfüllzustand. Der Anfangsfüllzustand beschreibt hierbei, welche Teile des Gefäßbaums im dreidimensionalen Volumendatensatz zum weiteren Erfassungszeitpunkt mit dem Kontrastmittel gefüllt sind. Sodann ermittelt die Recheneinrichtung den erwarteten Sollfüllzustand durch zeitliche Fortentwicklung des Anfangsfüllzustands. Im Falle voneinander verschiedener Erfassungszeitpunkte wird also eine zweistufige Vorgehensweise ergriffen, nämlich zuerst Ermittlung eines Anfangsfüllzustands und sodann zeitliche Fortentwicklung des Anfangsfüllzustands.
Zur Implementierung der zeitlichen Fortentwicklung des Anfangsfüllzustands ist es beispielsweise möglich, die bereits erwähnte, an sich bekannte CFD einzusetzen. Alternativ ist es beispielsweise möglich, den erwähnten Sollfüllzustand anhand des Anfangsfüllzustands mittels eines partikelgestützten Verfahrens zu ermitteln. Derartige Vorgehensweisen sind beispielsweise detailliert in der älteren, am Anmeldetag der vorliegenden Erfindung nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung „Ermittlungsverfahren für einen zeitlichen Verlauf einer örtlich dreidimensional aufgelösten Anwesenheitswahrscheinlichkeitsverteilung einer Substanz in einem Gefäßsystem", Anmeldetag 27. 03. 2007, amtliches Aktenzeichen 10 2007 015 306.8 , beschrieben. Auch auf die Diplomarbeit „Visualisierung von Blutfluss im 3-D aus 2-D Angiogrammen" von E.-S. Platzer, Universität Koblenz-Landau, August 2006, ist in diesem Zusammenhang zu verweisen.
Bisher wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung davon ausgegangen, dass ein einzelnes Projektionsbild relativ zum Volumendatensatz registriert werden soll. In einer Vielzahl von Fällen – sogar im Regelfall – liegt jedoch eine Sequenz von Projektionsbildern vor. Die Projektionsbilder können hierbei im Einzelfall Nativbilder sein. Mit „Nativbildern" sind hierbei Projektionsbilder gemeint, von denen kein anderes Projektionsbild subtrahiert wird. In der Regel handelt es sich jedoch um DSA-Bilder. Im Falle des Vorliegens einer Sequenz von Projektionsbildern ist es möglich, dass die Recheneinrichtung das zuletzt beschriebene Ermittlungsverfahren (Stichwort: zunächst Ermittlung eines Anfangsfüllzustand, sodann zeitliche Fortentwicklung des Anfangsfüllzustands) jeweils ausgehend von dem zuletzt ermittelten Satz von Abbildungsparametern sukzessiv mit einem jeweils zeitlich nachfolgenden Projektionsbild der zeitlichen Sequenz ausführt.
Im Rahmen der zuletzt erläuterten Vorgehensweise wird also zunächst eines der Projektionsbilder herausgegriffen. Bei dem herausgegriffenen Projektionsbild kann es sich beispielsweise um das zeitlich erste Projektionsbild der Sequenz handeln. Zwingend ist dies jedoch nicht erforderlich. Das herausgegriffene Projektionsbild entspricht in der ersten Iteration dem weiteren Projektionsbild. Für dieses Projektionsbild wird – mehr oder minder genau – ein Satz von Abbildungsparametern geschätzt. Sodann wird mittels einer Rückprojektion (back projection) der Anfangsfüllzustand ermittelt. Der Anfangsfüllzustand wird in an sich bekannter Art und Weise (bei spielsweise mittels CFD oder partikelgestützt) zeitlich fortentwickelt und so der Sollfüllzustand für den Erfassungszeitpunkt ermittelt, zu dem das zeitlich nachfolgende (meist das zeitlich unmittelbar nachfolgende) Projektionsbild erfasst wurde. Anhand des zeitlich nachfolgenden Projektionsbildes und des ermittelten Sollfüllzustands wird sodann der Satz von Abbildungsparametern neu ermittelt.
In der nächsten Iteration wird das Projektionsbild, anhand dessen in Verbindung mit dem ermittelten Sollfüllzustand der Satz von Abbildungsparametern ermittelt wurde, durch Rückprojektion in den Volumendatensatz abgebildet und so ein neuer Anfangsfüllzustand ermittelt. Bei der Ermittlung des neuen Anfangsfüllzustands können hierbei Informationen über den bisher ermittelten Fluss des Kontrastmittels mit verwendet werden. Der neu ermittelte Anfangsfüllzustand wird wieder zeitlich fortentwickelt und so ein neuer Sollfüllzustand ermittelt. Der neu ermittelte Sollfüllzustand und das wiederum zeitlich nachfolgende Projektionsbild stellen sodann die Eingangsgrößen dar, anhand derer der Satz von Abbildungsparametern noch weiter nachgeführt wird. Die Vorgehensweise wird wiederholt, bis entweder alle Projektionsbilder der Sequenz verarbeitet wurden oder anderweitig ein Abbruchkriterium erreicht ist.
Der Rechenaufwand zur Ermittlung des Satzes von Abbildungsparametern ist erheblich. Dies gilt unabhängig davon, ob der Satz von Abbildungsparametern auf die erfindungsgemäße Weise oder auf eine im Stand der Technik bekannte Weise ermittelt wird. Bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise kann der Rechenaufwand jedoch dadurch reduziert werden, dass die Recheneinrichtung einen Parameterraum, innerhalb dessen sie den Satz von Abbildungsparametern ermittelt, mit jeder Neuermittlung des Satzes von Abbildungsparametern weiter einschränkt.
Der Volumendatensatz weist Voxel auf. Jedes Voxel ist hierbei entweder dem Gefäßbaum zugeordnet oder nicht zugeordnet. Der Sollfüllzustand umfasst für jedes dem Gefäßbaum zugeordnete Voxel, ob das jeweilige Voxel zum Erfassungszeitpunkt mit dem Kontrastmittel gefüllt ist oder nicht. Weiterhin weist das Projektionsbild Pixel auf. Jedes Pixel ist hierbei entweder mit dem Kontrastmittel gefüllt oder nicht gefüllt. Der Rechenaufwand zur Überprüfung eines Satzes von Abbildungsparametern im Vergleich zu einem anderen Satz von Abbildungsparametern kann dadurch reduziert werden, dass die Recheneinrichtung für mehrere Sätze von Abbildungsparametern die zum Erfassungszeitpunkt mit dem Kontrastmittel gefüllten Voxel jeweils in das Projektionsbild abbildet, jeweils die Anzahl an mit dem Kontrastmittel gefüllten Voxeln des Volumendatensatzes ermittelt, die auf mit dem Kontrastmittel gefüllte Pixel des Projektionsbildes abgebildet werden, und den gültigen Satz von Abbildungsparametern derart ermittelt, dass die ermittelte Anzahl maximiert wird.
Die Anzahl an Pixeln, die in einem bestimmten Projektionsbild mit Kontrastmittel gefüllt sind, kann im Rahmen der Sequenz von Projektionsbild zu Projektionsbild schwanken. Für einen projektionsbildübergreifenden Vergleich der Sätze von Abbildungsparametern ist daher die Anzahl an mit dem Kontrastmittel gefüllten Voxeln, die auf mit dem Kontrastmittel gefüllte Pixel abgebildet werden, ungeeignet. Der Vergleich kann jedoch durchgeführt werden, wenn die Recheneinrichtung auch die Anzahl an mit dem Kontrastmittel gefüllten Pixeln des jeweiligen Projektionsbildes ermittelt und das Verhältnis der Anzahl an mit dem Kontrastmittel gefüllten Voxeln des Volumendatensatzes, die auf mit dem Kontrastmittel gefüllte Pixel des Projektionsbildes abgebildet werden, einerseits zur Anzahl an mit dem Kontrastmittel gefüllten Pixeln des jeweiligen Projektionsbildes andererseits ermittelt. Die Recheneinrichtung kann das ermittelte Verhältnis insbesondere dazu verwenden, zu bestimmen, ob zum Ermitteln des optimalen Satzes von Abbildungsparametern weitere Iterationen durchgeführt werden.
In vielen Fällen wird es ausreichend sein, den Satz von Abbildungsparametern unter Verwendung eines starren oder eines affinen Registrierverfahrens zu ermitteln. In manchen Fällen wird es hingegen erforderlich sein, ein elastisches Registrierverfahren zu verwenden. Elastische Registrierverfahren sind als solche an sich bekannt. Rein beispielhaft wird auf den Fachaufsatz „Three-dimensional motion tracking of coronary arteries in biplane cineangiograms" von G. Shechter et al., veröffentlicht in IEEE Transactions an Medical Imaging, Band 22, Nummer 4, Seiten 493 bis 503, April 2003, verwiesen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:
1 eine Röntgenanlage und eine Recheneinrichtung,
2 bis 5 zweidimensionale Projektionsbilder,
6 ein Ablaufdiagramm,
7 einen einen Gefäßbaum enthaltenden Volumendatensatz und
8 bis 11 Ablaufdiagramme.
Gemäß 1 weist eine Röntgenanlage eine Erfassungseinrichtung 1 und eine Steuereinrichtung 2 auf. Die Erfassungseinrichtung 1 weist eine Röntgenquelle 3 und einen Röntgendetektor 4 auf. Mittels der Erfassungseinrichtung 1 wird – auf Grund einer entsprechenden Ansteuerung durch die Steuereinrichtung 2 – eine Sequenz von zweidimensionalen Projektionsbildern B erfasst. Jedes der Projektionsbilder B wird hierbei zu einem jeweiligen Erfassungszeitpunkt t erfasst. Die Sequenz von Projektionsbildern B zeigt den Durchfluss eines Kontrastmittels durch einen real vorhandenen (und selbstverständlich dreidimensional verlaufenden) Gefäßbaum 5. Der Gefäßbaum 5 ist in 1 nur schematisch angedeutet. Er kann beispielsweise im Gehirn oder in einem anderen Körperteil eines Patienten 6 verlaufen. Die Sequenz von Projektionsbildern B wird von der Steuereinrichtung 2 entgegen genommen und dort zwischengespeichert.
Die 2 bis 5 zeigen sehr schematisch und rein beispielhaft einige der Projektionsbilder B der Sequenz.
2 zeigt das erste Projektionsbild B der Sequenz. Bei der Erfassung dieses Projektionsbildes B war im Gefäßbaum 5 noch kein Kontrastmittel vorhanden. Das Projektionsbild B von 2 zeigt daher mit relativ schwachem Kontrast die den Gefäßbaum 5 umgebende Struktur. Gestrichelt ist in 2 der Gefäßbaum 5 eingezeichnet. Der Gefäßbaum 5 ist, wenn er nicht mit Kontrastmittel gefüllt ist, im jeweiligen Projektionsbild B nicht erkennbar. Das Projektionsbild B gemäß 2 kann beispielsweise als Referenzbild für die übrigen Projektionsbilder B der Sequenz verwendet werden, um anhand der übrigen Projektionsbilder B der Sequenz eine DSA-Sequenz zu erstellen.
3 zeigt ein Projektionsbild B der Sequenz, bei dem bereits Kontrastmittel 7 in den Gefäßbaum 5 eingeflossen ist. Das Kontrastmittel 7 hat sich auch bereits ein Stück im Gefäßbaum 5 ausgebreitet.
4 zeigt ein Projektionsbild B der Sequenz, bei dem das Kontrastmittel 7 bereits vollständig in den Gefäßbaum 5 eingebracht wurde und sich dort ausgebreitet hat. Teilweise ist das Kontrastmittel 7 auch bereits aus dem Gefäßbaum 5 ausgewaschen, beispielsweise in das umgebende Gewebe perfundiert.
5 zeigt ein Projektionsbild B aus einem Endstadium der Erfassung. Zu diesem Zeitpunkt ist das Kontrastmittel 7 bereis zum Großteil aus dem Gefäßbaum 5 ausgewaschen und/oder in das den Gefäßbaum 5 umgebende Gewebe perfundiert.
Gemäß den 2 bis 5 weisen die Projektionsbilder B Pixel 8 auf. Jedes Pixel 8 weist einen Grauwert auf, der zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert liegt, beispielsweise zwischen 0 und 255 (= 2⁸ – 1) liegt. In Abhängigkeit von dem Grauwert wird entschieden, ob das jeweilige Pixel 8 in dem jeweiligen Projektionsbild B den mit dem Kontrastmittel 7 gefüllten Gefäßbaum 5 zeigt oder nicht. Der einfacheren Schreibweise wegen wird hierbei nachfolgend im Zusammenhang mit den Projektionsbildern B kurz die Formulierung verwendet, „ob das jeweilige Pixel 8 mit Kontrastmittel 7 gefüllt ist oder nicht", auch wenn genau genommen nicht das jeweilige Pixel 8, sondern nur der auf das jeweilige Pixel 8 abgebildete Teil des Gefäßbaums 5 mit dem Kontrastmittel 7 gefüllt sein kann.
Die Sequenz von Projektionsbildern B und die den Projektionsbildern B zugeordneten Erfassungszeitpunkte t werden einer Recheneinrichtung 9 zugeführt. Die Recheneinrichtung 9 kann mit der Steuereinrichtung 2 identisch sein. Sie kann alternativ als separate Einrichtung ausgebildet sein.
Die Recheneinrichtung 9 ist gemäß 1 mit einem Computerprogramm 10 programmiert. Im Betrieb der Recheneinrichtung 9 arbeitet die Recheneinrichtung 9 das Computerprogramm 10 ab. Auf Grund der Abarbeitung des Computerprogramms 10 führt die Recheneinrichtung 9 ein Ermittlungsverfahren aus, das nachfolgend noch näher beschrieben werden wird.
Das Computerprogramm 10 umfasst Maschinencode 11, der von der Recheneinrichtung 9 abarbeitbar ist. Die Abarbeitung des Maschinencodes 11 bewirkt die Ausführung des erwähnten Ermittlungsverfahrens.
Das Computerprogramm 10 kann der Recheneinrichtung 9 beispielsweise über eine Rechnernetzanbindung 12 (beispielsweise eine Anbindung an das World Wide Web oder ein lokales Rechnernetz) zugeführt werden. Alternativ kann das Computerprogramm 10 der Recheneinrichtung 9 über einen Datenträger 13 zugeführt werden, auf dem das Computerprogramm 10 in maschinenlesbarer Form gespeichert ist. Beispiele geeigneter Daten träger 13 sind eine CD-ROM (vergleiche die Darstellung in 1), ein USB-Memorystick, eine Speicherkarte usw..
Das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Ermittlungsverfahrens wird nachfolgend in Verbindung mit 6 näher erläutert.
Gemäß 6 nimmt die Recheneinrichtung 9 in einem Schritt S1 die erfasste Sequenz von Projektionsbildern B sowie deren Erfassungszeitpunkte t entgegen. Weiterhin führt die Recheneinrichtung 9 in der Regel einen Schritt S2 aus, in dem sie anhand der erfassten Sequenz von Projektionsbildern B DSA-Bilder ermittelt. Sie selektiert also eines der Projektionsbilder B (in der Regel das zeitlich zuerst erfasste Projektionsbild B – vergleiche 2) und subtrahiert dieses Projektionsbild B in an sich bekannter Weise – beispielsweise linear oder logarithmisch – von den übrigen Projektionsbildern B. Der Schritt S2 ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Er kann im Einzelfall entfallen. Unabhängig davon, ob der Schritt S2 vorhanden ist oder nicht, ist jedes der Projektionsbilder B eine Abbildung eines Istfüllzustands, zu dem der Gefäßbaum 5 zum korrespondierenden Erfassungszeitpunkt t mit dem Kontrastmittel 7 gefüllt ist.
In einem Schritt S3 nimmt die Recheneinrichtung 9 einen dreidimensionalen Volumensatzsatz 14 (siehe 7) entgegen. Der Volumendatensatz 14 enthält den Gefäßbaum 5 (genauer: eine dreidimensionale Rekonstruktion des Gefäßbaums 5). Der Volumendatensatz 14 enthält daher eine Vielzahl von Voxeln 15. Jedes Voxel 15 ist hierbei entweder dem Gefäßbaum 5 zugeordnet oder dem Gefäßbaum 5 nicht zugeordnet.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind nur diejenigen Voxel 15 von Bedeutung, die dem Gefäßbaum 5 zugeordnet sind. Nachfolgend werden daher nur noch diese Voxel 15 betrachtet.
In einem Schritt S4 ermittelt die Recheneinrichtung 9 für (mindestens) einen der Erfassungszeitpunkte t einen Sollfüllzustand. Der Sollfüllzustand umfasst für jedes dem Gefäßbaum 5 zugeordnete Voxel 15, ob das jeweilige Voxel 15 zu diesem Zeitpunkt t mit dem Kontrastmittel 7 gefüllt ist oder nicht. Auf Details zur Ermittlung des Sollfüllzustands wird später noch eingegangen werden. Unabhängig von der genauen Art der Ermittlung beschreibt der Sollfüllzustand jedoch, welche Teile des Gefäßbaums 5 im dreidimensionalen Volumendatensatz 14 zu dem betrachteten Erfassungszeitpunkt t mit dem Kontrastmittel 7 gefüllt sein sollten. Weiterhin ist es möglich, dass in die Ermittlung des Sollfüllzustandes für einen der Erfassungszeitpunkte t auch das mit dem jeweiligen Erfassungszeitpunkt t korrespondierende Projektionsbild B eingeht, das mit dem Volumendatensatz 14 registriert werden soll. Es ist jedoch alternativ möglich, den Sollfüllzustand unabhängig von diesem Projektionsbild B zu ermitteln.
In einem Schritt S5 ermittelt die Recheneinrichtung 9 einen Satz von Abbildungsparametern P. Der Satz von Abbildungsparametern P beschreibt, wie der dreidimensionale Volumendatensatz 14 in die zweidimensionalen Projektionsbilder B abgebildet wird. Mittels des Satzes von Abbildungsparametern P sind somit der Volumendatensatz 14 und die Projektionsbilder B relativ zueinander registriert. Die Recheneinrichtung 9 ermittelt hierbei den Satz von Abbildungsparametern P im Rahmen des Schrittes S5 anhand des zuvor ermittelten Sollfüllzustands und des korrespondierenden Projektionsbildes B. Der Satz von Abbildungsparametern P wird also anhand des betrachteten Projektionsbildes B und anhand der als mit dem Kontrastmittel 7 gefüllten Voxel 15 des Gefäßbaums 5 ermittelt. Die nicht mit dem Kontrastmittel 7 gefüllten Voxel 15 des Gefäßbaums 5 (und erst recht die übrigen, nicht dem Gefäßbaum 5 zugeordneten Voxel 15) werden zur Ermittlung des Satzes von Abbildungsparametern P nicht herangezogen.
In einem Schritt S6 kann die Recheneinrichtung 9 sodann weitere Verarbeitungen des Volumendatensatzes 14 und/oder der Projektionsbilder B vornehmen. Auf Grund des Umstandes, dass die Abbildungsparameter P, welche die Registrierung definie ren, nunmehr bekannt sind, können hierbei auch kombinierte Auswertungen vorgenommen werden.
Wie bereits erwähnt, ist es möglich, den Sollfüllzustand rein rechnerisch (also ohne Bezugnahme auf tatsächlich erfasste Durchblutungszustände) zu ermitteln. Insbesondere ist eine Ermittlung mittels der bereits erwähnten CFD möglich. Bevorzugt ist jedoch, dass die Recheneinrichtung 9 den Sollfüllzustand unter Verwendung mindestens eines weiteren zweidimensionalen Projektionsbildes B und eines für dieses weitere Projektionsbild B gültigen Satzes von Abbildungsparametern P ermittelt. Das weitere zweidimensionale Projektionsbild B ist hierbei – analog zu dem Projektionsbild B, das in die Ermittlung des Satzes von Abbildungsparametern P des Schrittes S5 von 6 eingeht – eine Abbildung eines (weiteren) Istfüllzustands, zu dem der Gefäßbaum 5 zu einem weiteren Erfassungszeitpunkt t mit dem Kontrastmittel 7 gefüllt ist. Zur Unterscheidung der einzelnen Projektionsbilder B, deren Erfassungszeitpunkte t und der jeweils verwendeten Abbildungsparameter P werden die entsprechenden Größen nachfolgend, soweit erforderlich, mit einem Index i versehen.
Die Sequenz von Projektionsbildern B kann, wie obenstehend in Verbindung mit 1 erläutert, mittels der dort gezeigten Röntgenanlage erfasst werden. In diesem Fall werden die Projektionsbilder B nacheinander erfasst, so dass jedem Projektionsbild B_i ein für das jeweilige Projektionsbild B_i spezifischer Erfassungszeitpunkt t_i zugeordnet werden kann (i = 1, 2, 3, ...). Die Erfassungszeitpunkte t_i der Projektionsbilder B_i sind also voneinander verschieden. Weiterhin wird bei der Erfassung der Sequenz von Projektionsbildern B_i die Erfassungseinrichtung 1 in aller Regel bei einer konstanten Positionierung gehalten. Die (tatsächlichen) Abbildungsparameter der Projektionsbilder B_i sind daher – vorausgesetzt, der Gefäßbaum 5 als solcher bewegt sich nicht und wird auch nicht bewegt – untereinander gleich. Alle Projektionsbilder B_i werden folglich mit denselben (tatsächlichen) Abbildungsparametern erfasst. In diesem Fall bietet sich eine Modifikation der Vorgehensweise von 6 an, die nachfolgend in Verbindung mit 8 näher erläutert wird. 8 zeigt hierbei nur die Ausgestaltung der Schritte S4 und S5 von 6. Die Schritte S1 bis S3 sowie S6 können unverändert beibehalten werden.
Gemäß 8 setzt die Recheneinrichtung 9 zunächst in einem Schritt S11 den Index i auf einen Anfangswert, beispielsweise auf den Wert Null. Weiterhin bestimmt sie in einem Schritt S12 einen vorläufigen Satz von Abbildungsparametern P_i. Der Schritt S12 kann hierbei unter Mitwirkung eines Anwenders 16 (vergleiche 1) implementiert sein. Alternativ ist eine vollautomatische Implementierung möglich. Beispielsweise kann die tatsächliche Aufnahmegeometrie exakt und die Lage des Patienten 6 in etwa bekannt sein, so dass eine – anfänglich relativ grobe – näherungsweise Bestimmung der Abbildungsparameter P_i vorgenommen werden kann.
In einem Schritt S13 selektiert die Recheneinrichtung 9 das durch den Index i bestimmte Projektionsbild B_i.
In einem Schritt S14 ermittelt die Recheneinrichtung 9 anhand des im Schritt S13 selektierten Projektionsbildes B_i und des momentan gültigen Satzes von Abbildungsparametern P_i einen Anfangsfüllzustand. Der Anfangsfüllzustand korrespondiert von seiner Art her mit dem Sollfüllzustand. Er beschreibt, welche Teile des Gefäßbaums 5 im dreidimensionalen Volumendatensatz 14 zum Erfassungszeitpunkt t_i des momentan selektierten Projektionsbildes B_i mit dem Kontrastmittel 7 gefüllt sind. Die Ermittlung des Schrittes S14 umfasst insbesondere eine Rückprojektion des Projektionsbildes B_i in den Volumendatensatz 14 unter Verwendung des momentan gültigen Satzes von Abbildungsparametern P_i. Die Recheneinrichtung 9 ermittelt im Rahmen des Schrittes S14, welche Teile des Gefäßbaums 5 auf die mit dem Kontrastmittel 7 gefüllten Pixel 8 des selektierten Projektionsbildes B_i abgebildet würden und markiert diese Voxel 15 als mit dem Kontrastmittel 7 gefüllt. Falls auf Grund vorheriger Iterationen (hierzu siehe später) bereits Informa tionen über den Füllzustand des Gefäßbaums 5 bekannt sind, können diese Informationen im Rahmen des Schrittes S14 mit berücksichtigt werden.
Der Schritt S14 als solcher ist bekannt. Rein beispielhaft wird auf die DE 10 2004 018 499 A1 , die DE 100 00 185 A1 , die DE 101 00 572 A1 sowie auf die ältere, am Anmeldetag der vorliegenden Erfindung noch nicht veröffentlichte deutsche Patentanmeldung 10 2007 015 306.8 der Anmelderin verwiesen.
In einem Schritt S15 inkrementiert die Recheneinrichtung 9 sodann den Index i. Sie erhöht also dessen Wert um eine Schrittweite, beispielsweise um Eins.
In einem Schritt S16 ermittelt die Recheneinrichtung 9 sodann durch zeitliche Fortentwicklung des im Schritt S14 ermittelten Anfangsfüllzustands den zum nunmehr selektierten Erfassungszeitpunkt t_i erwarteten Sollfüllzustand. In die Ermittlung des Sollfüllzustands gehen hierbei zusätzlich zum Anfangsfüllzustand die lokale Blutflussrichtung und die lokale oder globale Blutflussgeschwindigkeit ein. Bei Versuchen wurde ermittelt, dass insbesondere die in der deutschen Patentanmeldung 10 2007 015 306.8 beschriebene Vorgehensweise zu besonders guten Ergebnissen führt. Auch andere Vorgehensweisen sind jedoch anwendbar.
In einem Schritt S17 ermittelt die Recheneinrichtung 9 anhand des im Schritt 16 ermittelten Sollfüllzustands und des durch den aktuellen Wert des Index i bestimmten Projektionsbildes B_i einen neuen Satz von Abbildungsparametern P_i. Auf Grund der Inkrementierung des Index i im Schritt S15 wird im Rahmen des Schrittes S17 ein anderes Projektionsbild B_i verwendet als im Schritt S14. Der Schritt S17 von 8 korrespondiert im Wesentlichen mit dem Schritt S5 von 6.
In einem Schritt 518 prüft die Recheneinrichtung 9, ob die Ermittlung der Abbildungsparameter P_i beendet werden soll.
Wenn dies nicht der Fall ist, geht die Recheneinrichtung 9 zum Schritt S14 zurück.
Prinzipiell ist es möglich, den Schritt S18 entfallen zu lassen, so dass die Schritte S14 bis S17 nur einmal abgearbeitet werden. Die iterative Abarbeitung, bei welcher die Recheneinrichtung 9, jeweils ausgehend von dem zuletzt ermittelten Satz von Abbildungsparametern P_i, das Ermittlungsverfahren sukzessiv mit einem nachfolgenden, beispielsweise mit dem jeweils nächsten Projektionsbild P_i der zeitlichen Sequenz von Projektionsbildern B_i ausführt, ist jedoch vorzuziehen. Denn insbesondere kann mit jeder Iteration die Genauigkeit, mit der die ermittelten Abbildungsparameter P_i mit den optimalen Abbildungsparametern korrespondieren, verbessert werden.
Wie bereits erwähnt, erfordert die Ermittlung der Abbildungsparameter P_i einen erheblichen Rechenaufwand. Der Rechenaufwand ist hierbei umso größer, je größer ein Parameterraum ist, innerhalb dessen die Recheneinrichtung 9 den Satz von Abbildungsparametern P_i ermittelt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es daher möglich, im Nein-Zweig des Schrittes S18 einen Schritt S19 einzufügen, in dem die Recheneinrichtung 9 den Parameterraum jeweils weiter einschränkt. Dadurch kann der Rechenaufwand von Iteration zu Iteration reduziert werden.
Zur Ermittlung der Abbildungsparameter P ist es erforderlich, bei einmal gegebenen Abbildungsparametern P ein Maß dafür zu finden, wie gut diese Abbildungsparameter P tatsächlich sind. Der Schritt S5 von 6 bzw. der Schritt S17 von 8 können hierzu auf verschiedene Art und Weise implementiert sein. Sie können insbesondere so implementiert sein, wie es als solches im Stand der Technik bekannt ist. Bevorzugt ist jedoch eine Vorgehensweise, die nachstehend in Verbindung mit 9 näher erläutert wird. Gemäß 9 ist hierbei der Schritt S5 bzw. der Schritt S17 in drei Schritte S21, S22 und S23 aufgegliedert.
Im Schritt S21 bestimmt die Recheneinrichtung 9 – in der Regel ausgehend vom derzeit gültigen Satz von Abbildungsparametern P_i – mehrere Sätze von Abbildungsparametern P. Beispielsweise kann die Recheneinrichtung 9 den Parameterraum gleichmäßig abdecken oder jeden Parameter P einzeln variieren.
Im Schritt S22 selektiert die Recheneinrichtung 9 je einen der Sätze von Abbildungsparametern P des Schrittes S21. Unter Verwendung des jeweils selektierten Satzes von Abbildungsparametern P bildet die Recheneinrichtung 9 im Rahmen des Schrittes S22 die zum Zeitpunkt t_i mit dem Kontrastmittel 7 gefüllten Voxel 15 in das entsprechende Projektionsbild B_i ab. Weiterhin bestimmt sie im Rahmen des Schrittes S22 jeweils die Anzahl an mit dem Kontrastmittel 7 gefüllten Voxeln 15 des Volumendatensatzes 14, die auf mit dem Kontrastmittel 7 gefüllte Pixel 8 des entsprechenden Projektionsbildes B_i abgebildet werden.
Im Rahmen des Schrittes S23 ermittelt die Recheneinrichtung 9 schließlich den gültigen Satz von Abbildungsparametern P_i. Der im Rahmen des Schrittes S23 ermittelte Satz von Abbildungsparametern P_i ist entweder endgültig oder wird im Rahmen der nächsten Iteration als gültig angesetzt. Die Recheneinrichtung 9 ermittelt hierbei den gültigen Satz von Abbildungsparametern P_i derart, dass sie die Anzahl an mit dem Kontrastmittel 7 gefüllten Voxeln 15 des Volumendatensatzes 14, die auf die mit dem Kontrastmittel 7 gefüllten Pixel 8 des entsprechenden Projektionsbildes B_i abgebildet werden, maximiert. Beispielsweise kann die Recheneinrichtung 9 den Satz von Abbildungsparametern P übernehmen, bei dem die im Rahmen des Schrittes S22 ermittelte Anzahl an Voxeln 15 maximal ist. Auch kann sie im Parameterraum partielle Ableitungen der Anzahl nach je einem der Abbildungsparameter P bestimmen und dann einen Schritt in die Richtung des Gradienten (= maximaler Anstieg) vornehmen.
Die Anzahl an mit dem Kontrastmittel 7 gefüllten Voxeln 15 des Volumendatensatzes 14, die auf mit dem Kontrastmittel 7 gefüllte Pixel 8 des Projektionsbildes B_i abgebildet werden, stellt ein Gütemaß für die Übereinstimmung des jeweiligen Satzes von Abbildungsparametern P_i dar. Die Gütemaße sind hierbei innerhalb ein- und desselben Projektionsbildes B_i direkt miteinander vergleichbar. Projektionsbildübergreifend ist das Gütemaß jedoch nicht vergleichbar. Vorzugsweise sind daher gemäß 10 die Schritte S21 bis S23 durch Schritte S31 bis S34 ersetzt und die Schritte S18 und S19 von 8 zu Schritten S35 bis S37 modifiziert.
Im Schritt S31 ermittelt die Recheneinrichtung 9 die Anzahl an mit dem Kontrastmittel 7 gefüllten Pixeln 8 des momentan selektierten Projektionsbildes B_i.
Der Schritt S32 entspricht dem Schritt S21 von 9. Der Schritt S33 entspricht im Wesentlichen dem Schritt S22 von 9. Zusätzlich dividiert die Recheneinrichtung 9 jedoch die im Rahmen des Schrittes S33 ermittelten Anzahlen an Voxeln 15 durch die im Schritt S31 ermittelte Anzahl an Pixeln 8. Die so ermittelten Verhältnisse sind projektionsbildübergreifend miteinander vergleichbar. Der Schritt S34 entspricht vom Ansatz her dem Schritt S23 von 9.
Das durch die Quotientenbildung ermittelte Gütemaß – und hier insbesondere der zeitliche Verlauf des Gütemaßes – kann insbesondere dazu benutzt werden, um zu bestimmen, ob zum Ermitteln des optimalen Satzes von Abbildungsparametern P weitere Iterationen, also weitere Abarbeitungen der Schritte S14 bis S17 von 8 vorgenommen werden sollen. Beispielsweise kann der Schritt S18 von 8 hierzu in die Schritte S35 und S36 aufgeteilt sein.
Im Schritt S35 ermittelt die Recheneinrichtung 9 den Wert einer logischen Variablen OK, die sie im Schritt S36 abfragt. Die logische Variable OK ist hierbei eine Funktion einerseits des Gütemaßes bzw. des zeitlichen Verlaufs des Gütemaßes und andererseits eine Funktion des Index i. Insbesondere kann die logische Variable OK den Wert WAHR annehmen, wenn der Index i seinen Maximalwert erreicht (oder überschreitet) oder das Gütemaß bzw. der zeitliche Verlauf des Gütemaßes eine Abbruchbedingung erfüllt. Wenn hingegen weder die Abbruchbedingung erfüllt ist noch der Index i seinen Maximalwert erreicht (oder überschritten) hat, nimmt die logische Variable OK den Wert UNWAHR an.
10 zeigt weiterhin im Schritt S37 eine Ausgestaltung des Schrittes S19 von 8. Der Schritt S37 entspricht hierbei im Wesentlichen dem Schritt S19 von 8. Die Einschränkung der Abbildungsparameter P_i erfolgt im Rahmen des Schrittes S37 jedoch in Abhängigkeit vom erreichten Gütemaß bzw. vom zeitlichen Verlauf des Gütemaßes.
Die Ermittlung der Abbildungsparameter P bzw. P_i im Rahmen der Schritte S5 von 6, S17 von 8, S21 bis S23 von 9 bzw. S31 bis S34 von 10 kann unter Verwendung eines starren Registrierverfahrens oder unter Verwendung eines affinen Registrierverfahrens erfolgen. In vielen Fällen führt bereits diese Vorgehensweise zu einem vollauf befriedigenden Ergebnis. Wenn eine besonders leistungsfähige Registrierung erforderlich ist oder der Gefäßbaum 5 in der Realität Deformationen und Bewegungen unterworfen ist, kann es jedoch – wie beispielhaft im Schritt S5 von 6 angedeutet – sinnvoll sein, den Satz von Abbildungsparametern P unter Verwendung eines elastischen Registrierverfahrens zu ermitteln. Elastische Registrierverfahren als solche sind an sich bekannt. Es wird auf den bereits genannten Fachaufsatz von G. Shechter verwiesen.
Bisher wurde der Fall erläutert, dass die Röntgenanlage, mittels derer die Projektionsbilder B erfasst wurden, als Monoplan-Röntgenanlage ausgebildet ist, deren Erfassungseinrichtung 1 während der Erfassung der Projektionsbilder B nicht bewegt wurde. Diese Ausgestaltung stellt, wie bereits erwähnt, den Regelfall dar. Sie ist jedoch nicht zwingend er forderlich. Alternativ ist es vielmehr möglich, eine – an sich bekannte – Biplan-Röntgenanlage einzusetzen und unter voneinander verschiedenen Abbildungsparametern gleichzeitig zwei voneinander verschiedene Projektionsbilder B zu erfassen. Wiederum alternativ ist es möglich, zeitlich nacheinander zwei Projektionsbilder B aus voneinander verschiedenen Angulationen zu erfassen. Diese letztgenannte Vorgehensweise ist alternativ mittels einer Monoplan-Röntgenanlage oder einer Biplan-Röntgenanlage realisierbar. Die Verarbeitung von zwei aus verschiedenen Angulationen erfassten jeweils zweidimensionalen Projektionsbildern B wird nachfolgend anhand von 11 näher erläutert.
Gemäß 11 nimmt die Recheneinrichtung 9 in einem Schritt S41 die Projektionsbilder entgegen. Zur Unterscheidung der beiden Projektionsbilder und der korrespondierenden Erfassungszeitpunkte voneinander werden die beiden Projektionsbilder im Rahmen der Erläuterungen zu 11 mit den Bezugszeichen B und B' bezeichnet, die korrespondierenden Erfassungszeitpunkte mit den Bezugszeichen t und t'.
Ebenfalls im Rahmen des Schrittes S41 kann die Recheneinrichtung 9 die Erfassungszeitpunkte t, t' entgegen nehmen. Dies ist jedoch nur dann erforderlich, wenn die beiden Erfassungszeitpunkte t, t' voneinander verschieden sind. Alternativ zu den Erfassungszeitpunkten t, t' könnte die Recheneinrichtung 9 weiterhin die Differenz der Erfassungszeitpunkte t, t' entgegen nehmen. Der Schritt S41 von 11 entspricht vom Ansatz her dem Schritt S1 von 6.
In einem Schritt S42 nimmt die Recheneinrichtung 9 den Volumendatensatz 14 entgegen. Der Schritt S42 von 11 entspricht dem Schritt S3 von 6.
In einem Schritt S43 selektiert die Recheneinrichtung 9 eines der Projektionsbilder B, B' – beispielsweise das Projektionsbild B' –, bestimmt für dieses Projektionsbild B' einen Satz von Abbildungsparametern P' und ermittelt anhand des selek tierten Projektionsbildes B' und des für dieses Projektionsbild B' gültigen Satzes von Abbildungsparametern P' einen Anfangsfüllzustand. Der Schritt S43 von 11 entspricht im Wesentlichen den Schritten S13 und S14 von 8.
In einem Schritt S44 überprüft die Recheneinrichtung 9, ob die beiden Projektionsbilder B, B' gleiche oder voneinander verschiedene Erfassungszeitpunkte t, t' aufweisen. Wenn die Erfassungszeitpunkte t, t' gleich sind, übernimmt die Recheneinrichtung 9 in einem Schritt S45 den im Schritt S43 ermittelten Anfangsfüllzustand als Sollfüllzustand. Wenn die Erfassungszeitpunkte t, t' voneinander verschieden sind, ermittelt die Recheneinrichtung 9 in einem Schritt S46 den Sollfüllzustand durch zeitliche Fortentwicklung des Anfangsfüllzustands. Der Schritt S46 von 11 entspricht im Wesentlichen dem Schritt S16 von 8.
In einem Schritt S47 ermittelt die Recheneinrichtung 9 anhand des Sollfüllzustands und des anderen der Projektionsbilder B, B' – beispielsweise des Projektionsbildes B – einen Satz von Abbildungsparametern P für das andere Projektionsbild B. Der Schritt S47 von 11 entspricht im Wesentlichen den Schritten S5 bzw. S17 der 6 und 8.
Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Einige dieser Vorteile werden nachfolgend aufgeführt.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine dynamische Registrierung zwischen den zweidimensionalen Projektionsbildern B und dem dreidimensionalen Volumendatensatz 14, ohne dass es erforderlich ist, zunächst die zeitliche Information über den Blutfluss aus der Sequenz zweidimensionaler Projektionsbilder B zu extrahieren und aufzusummieren.
Eine Verwendung eines biplanaren Angiographiesystems ist zwar möglich, jedoch nicht erforderlich. Eine künstliche Projektion des gesamten Gefäßbaums 5 muss nicht angefertigt werden.
Das in Verbindung mit 9 und 10 erläuterte Gütemaß ermöglicht die Ermittlung des optimalen Satzes an Abbildungsparametern P auf effektive und effiziente Weise.
Da insbesondere bei der in Verbindung mit 8 geschilderten iterierenden Vorgehensweise die Ermittlung des jeweiligen Sollfüllzustands anhand der Projektionsbilder B vorgenommen wird, ist sicher gestellt, dass die ermittelten Sollfüllzustände bis auf geringe Abweichungen mit den tatsächlich gegebenen Füllzuständen übereinstimmen. Besonders gute Ergebnisse werden hierbei erhalten, wenn die Ermittlung der Sollfüllzustände anhand partikelgestützter Ermittlungsverfahren erfolgt.
Die Genauigkeit der Registrierung wächst mit dem Maß an Information, welches durch den voranschreitenden Blutfluss erhalten wird. Weiterhin kann mit wachsender Genauigkeit der Parametersuchraum deutlich eingeschränkt werden. In manchen Fällen kann die Ermittlung des optimalen Satzes von Abbildungsparametern P sogar vorzeitig (d. h. bevor der Index i seinen Maximalwert erreicht) abgebrochen werden.
Auf Grund des in Verbindung mit den 9 und 10 erläuterten Gütemaßes kann eine – meist sehr aufwändige – Merkmalsextraktion in einer künstlichen Projektion des Volumendatensatzes 14 und in den realen Projektionsbildern B entfallen.
Auf Grund der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ist nicht nur die Registrierung für ein vollständig mit Kontrastmittel gefülltes Gefäßsystem möglich, sondern auch eine Registrierung mit einem einzelnen oder wenigen Projektionsbildern B der erfassten Sequenz.
Auf Grund der Verwendung von jeweils nur einem einzelnen Projektionsbild B pro Zeit- und Registrierungsschritt fallen Bewegungsartefakte im Gegensatz zum Stand der Technik nicht so stark ins Gewicht. Die Bewegung lässt sich daher leichter kompensieren. Insbesondere in Verbindung mit der Verwendung elastischer Registrierverfahren lassen sich zusätzlich weitere, aufgrund von Bewegungen vorhandene Fehler kompensieren.
Das Verfahren ist vollautomatisierbar. Es kann insbesondere in das Verfahren zur Blutflussrekonstruktion integriert werden, das in der bereits erwähnten deutschen Patentanmeldung 10 2007 015 306.8 beschrieben ist.
Eine Registrierung ist zu jedem beliebigen Erfassungszeitpunkt t für den bereits erfolgten Blutfluss möglich. Dies erhöht die Flexibilität bei der Registrierung und kann unnötigen Rechenaufwand ersparen bzw. zumindest reduzieren.
Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102007015306 [0022, 0059, 0061, 0094]
- DE 102004018499 A1 [0059]
- DE 10000185 A1 [0059]
- DE 10100572 A1 [0059]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Reconstruction of blond propagation in three-dimensional rotational X-ray angiography (3D-RA)" von H. Schmitt et al., erschienen in Computerized Medical Imaging and Graphics, Band 29, Seiten 507 bis 520, 2005 [0007]
- H. Schmitt et al. [0010]
- H. Schmitt et al. [0011]
- „Räumliche und zeitliche Rekonstruktion in der Neuroradiologie" von T. Hüllmandel, angefertigt im Jahr 2004 an der Julius-Maximilian-Universität Würzburg [0012]
- T. Petrila, D. Trif, „Gasics of Fluid Mechanics and Introduction to Computational Fluid Dynamics, Numerical Methods and Algorithms", Springer-Verlag, 2005 [0017]
- „Visualisierung von Blutfluss im 3-D aus 2-D Angiogrammen" von E.-S. Platzer, Universität Koblenz-Landau, August 2006 [0022]
- „Three-dimensional motion tracking of coronary arteries in biplane cineangiograms" von G. Shechter et al., veröffentlicht in IEEE Transactions an Medical Imaging, Band 22, Nummer 4, Seiten 493 bis 503, April 2003 [0029]

Claims

Ermittlungsverfahren für einen Satz von Abbildungsparametern (P), wobei mittels des Satzes von Abbildungsparametern (P) ein dreidimensionaler Volumendatensatz (14) und ein zweidimensionales Projektionsbild (B) relativ zueinander registriert sind, – wobei der Volumendatensatz (14) einen Gefäßbaum (5) enthält und das Projektionsbild (B) eine Abbildung eines Istfüllzustands ist, zu dem der Gefäßbaum (5) zu einem Erfassungszeitpunkt (t) mit einem Kontrastmittel (7) gefüllt ist, – wobei eine Recheneinrichtung (9) einen zum Erfassungszeitpunkt (t) erwarteten Sollfüllzustand ermittelt, der beschreibt, welche Teile des Gefäßbaums (5) im dreidimensionalen Volumendatensatz (14) zum Erfassungszeitpunkt (t) mit dem Kontrastmittel (7) gefüllt sein sollten, – wobei die Recheneinrichtung (9) den Satz von Abbildungsparametern (P) anhand des Sollfüllzustands und des Projektionsbildes (B) ermittelt.
Ermittlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (9) den Sollfüllzustand unter Verwendung mindestens eines weiteren zweidimensionalen Projektionsbildes (B', B_i) und eines für dieses weitere Projektionsbild (B', B_i) gültigen Satzes von Abbildungsparametern (P', P_i) ermittelt und dass das weitere zweidimensionale Projektionsbild (B', B_i) eine Abbildung eines weiteren Istfüllzustands ist, zu dem der Gefäßbaum (5) zu einem weiteren Erfassungszeitpunkt (t', t_i) mit dem Kontrastmittel (7) gefüllt ist.
Ermittlungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erstgenannte Projektionsbild (B) und das weitere Projektionsbild (B_i) mit denselben Abbildungsparametern erfasst wurden.
Ermittlungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erstgenannte Projektionsbild (B) und das weitere Projektionsbild (B') mit voneinander verschiedenen Abbildungsparametern erfasst wurden.
Ermittlungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erstgenannte Projektionsbild (B) und das weitere Projektionsbild (B') zum gleichen Zeitpunkt (t, t') erfasst wurden.
Ermittlungsverfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, – dass das erstgenannte Projektionsbild (B) und das weitere Projektionsbild (B_i) zu voneinander verschiedenen Zeitpunkten (t, t_i) erfasst wurden, – dass die Recheneinrichtung (9) anhand des mindestens einen weiteren zweidimensionalen Projektionsbildes (B_i) und des für das weitere Projektionsbild (B_i) gültigen Satzes von Abbildungsparametern (P_i) einen Anfangsfüllzustand ermittelt, – dass der Anfangsfüllzustand beschreibt, welche Teile des Gefäßbaums (5) im dreidimensionalen Volumendatensatz (14) zum weiteren Erfassungszeitpunkt (t_i) mit dem Kontrastmittel (7) gefüllt sind, und – dass die Recheneinrichtung (9) den erwarteten Sollfüllzustand durch zeitliche Fortentwicklung des Anfangsfüllzustands ermittelt.
Ermittlungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (9) das Ermittlungsverfahren von Anspruch 6, jeweils ausgehend von dem zuletzt ermittelten Satz von Abbildungsparametern (P_i), sukzessiv mit einem jeweils zeitlich nachfolgenden Projektionsbild (B_i) einer zeitlichen Sequenz von Projektionsbildern (B_i) ausführt.
Ermittlungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (9) einen Parameterraum, innerhalb dessen sie den Satz von Abbildungsparametern (P_i) ermittelt, mit jeder Neuermittlung des Satzes von Abbildungsparametern (P_i) weiter einschränkt.
Ermittlungsverfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass der Volumendatensatz (14) Voxel (15) aufweist, wobei jedes Voxel (15) entweder dem Gefäßbaum (5) zugeordnet ist oder nicht, – dass der Sollfüllzustand für jedes dem Gefäßbaum (5) zugeordnete Voxel (15) umfasst, ob das jeweilige Voxel (15) zum Erfassungszeitpunkt (t) mit dem Kontrastmittel (7) gefüllt ist oder nicht, – dass das Projektionsbild (B) Pixel (8) aufweist, wobei jedes Pixel (8) entweder mit dem Kontrastmittel (7) gefüllt ist oder nicht, und – dass die Recheneinrichtung (9) für mehrere Sätze von Abbildungsparametern (P) die zum Erfassungszeitpunkt (t) mit dem Kontrastmittel (7) gefüllten Voxel (15) jeweils in das Projektionsbild (B) abbildet, jeweils die Anzahl an mit dem Kontrastmittel (7) gefüllten Voxeln (15) des Volumendatensatzes (14) ermittelt, die auf mit dem Kontrastmittel (7) gefüllte Pixel (8) des Projektionsbildes (B) abgebildet werden, und den gültigen Satz von Abbildungsparametern (P) derart ermittelt, dass die ermittelte Anzahl maximiert wird.
Ermittlungsverfahren nach Anspruch 7 und 9 oder Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (9) auch die Anzahl an mit dem Kontrastmittel (7) gefüllten Pixeln (8) des jeweiligen Projektionsbildes (B_i) ermittelt und dass die Recheneinrichtung (9) anhand des Verhältnisses der Anzahl an mit dem Kontrastmittel (7) gefüllten Voxeln (15) des Volumendatensatzes (14), die auf mit dem Kontrastmittel (7) gefüllte Pixel (8) des je weiligen Projektionsbildes (B_i) abgebildet werden, zu der Anzahl an mit dem Kontrastmittel (7) gefüllten Pixeln (8) des jeweiligen Projektionsbildes (B_i) bestimmt, ob zum Ermitteln des optimalen Satzes von Abbildungsparamtern (P_i) weitere Iterationen durchgeführt werden.
Ermittlungsverfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (9) den Satz von Abbildungsparametern (P) unter Verwendung eines elastischen Registrierverfahrens ermittelt.
Ermittlungsverfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektionsbild (B) ein DSA-Bild ist.
Computerprogramm, das Maschinencode (11) umfasst, dessen Abarbeitung durch eine Recheneinrichtung (9) bewirkt, dass die Recheneinrichtung (9) ein Ermittlungsverfahren nach einem der obigen Ansprüche ausführt.
Datenträger, auf dem in maschinenlesbarer Form ein Computerprogramm (10) nach Anspruch 13 gespeichert ist.
Recheneinrichtung, die mit einem Computerprogramm (10) nach Anspruch 13 programmiert ist, so dass sie im Betrieb aufgrund der Abarbeitung des Computerprogramms (10) ein Ermittlungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausführt.