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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bewegungskorrektur
bei der intra-operativen Bildgebung während einer medizinischen,
beispielsweise abdominellen Intervention
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Während einer
Intervention werden zur Navigation der Instrumente, beispielsweise
im Abdomen, mit Hilfe von fluoroskopischer Durchleuchtung Echtzeitbilder
gewonnen. Verglichen mit 3-D-Angio-Bildern zeigen diese Durchleuchtungs-
oder 2-D-Bilder zwar
keine räumlichen
(3-D) Details, sie sind jedoch schneller verfügbar und minimieren die Strahlenbelastung
für Patient
und Arzt. Idealerweise wird nun die räumliche Information dadurch
zurückgewonnen, dass
prä- oder
intra-operativ aufgenommene 3-D-Bilder z. B. von CT-, 3-D-Angio-,
C-Arm-CT- oder MR-Aufnahmen
mit den zweidimensionalen Bildern registriert werden und diesen
unterlegt werden. Die Kombination von co-registrierten 2-D- und
3-D-Bildern erlaubt dem Arzt nun eine bessere Orientierung im Volumen.
Diese 2-D/3-D-Registrierung
besteht aus zwei Schritten.
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1. Bildregistrierung:
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Zunächst muss
bestimmt werden, aus welcher Richtung ein 3-D-Volumen projiziert werden muss, damit
es mit dem 2-D-Bild in Deckung gebracht werden kann. Hierfür gibt es
verschiedene Ansätze,
die beispielsweise in Penney [1] beschrieben sind.
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2. Visualisierung:
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Das
zweite Problem ist die Visualisierung der registrierten Bilder,
d. h. die gemeinsame Darstellung von 2-D-Bild und projiziertem 3-D-Bild.
Die Standardmethode hierfür
ist das sogenannte ”Overlay”, bei dem
die beiden Bilder anhand verschiedener Methoden übereinander gelegt werden,
wie dies beispielsweise in der älteren
Patentanmeldung
DE
10 2006 003 126 A1 beschrieben ist.
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Ein
Problem der 2-D/3-D-Registrierung, speziell bei abdominellen Anwendungen,
wie beispielsweise bei Leberpunktionen oder bei der Navigation im
Gefäß-System
der Leber, besteht nun darin, dass die 3-D-Bilder statisch sind,
d. h. in einer bestimmten Atemphase aufgenommen worden sind. In
den 2-D-Bildern
sind jedoch die Atembewegungen deutlich zu erkennen.
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Die
Registrierung von 3-D-Bildern zu 2-D-Röntgenbildern ist aus ”Registration
of Tomographic Images to X-ray Projections for Use in Image Guided
Interventions” von
Graeme Patrick Penney [1] bekannt.
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Für andere
Anwendungen, wie beispielsweise CT-geführten Interventionen oder MR-Untersuchungen,
wird die Atembewegung oft anhand externer Sensoren, beispielsweise
in um das Zwerchfell gelegten Gürteln,
bestimmt, wie dies beispielsweise in der
US 5,088,501 A beschrieben
ist.
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In
der älteren
Patentanmeldung
DE
10 2005 059 804 A1 ist vorgeschlagen worden, zunächst ein tomographisches
3-D-Bild eines Zielbereiches der Intervention aufzuzeichnen, während sich
ein oder mehrere medizinische Instrumente im Zielbereich befinden,
die während
der Intervention im Zielbereich verbleiben. Während der Intervention werden
fluoroskopische 2-D-Durchleuchtungsbilder des Zielbereiches aufgezeichnet
und mit dem 3-D-Bild registriert. Die Registrierung wird hierbei
jeweils auf Basis der ein oder mehreren Instrumente für jedes
2-D-Durchleuchtungsbild in Echtzeit durchgeführt. Die 2-D-Durchleuchtungsbilder
werden dann jeweils mit in der Perspektive übereinstimmenden Bilddarstellungen
des 3-D-Bildes visualisiert.
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In
der älteren
Patentanmeldung
DE 10 2007 015
792.6 ist schon ein Korrekturverfahren zur Bewegungskorrektur
vorgeschlagen worden. Beim bereits vorgeschlagene Verfahren wird
die Atemrichtung bestimmt und das 3-D-Overlay entsprechend verschoben.
Diese Vorgehensweise bringt den Nachteil mit sich, dass bei Interventionen
in Bereichen, die sich sehr inhomogen mit der Atmung verschieben
(z. B. Teile des Abdomens oder des Herzens), die bereits vorgeschlagene
Korrektur nicht ausreicht.
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In
der Offenlegungsschrift
DE 10 2006 024 000 A1 ist ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum Visualisieren von Objekten beschreiben. Hierbei
wird insbesondere die Visualisierung von nicht starren Objekten
beschrieben. Es wird eine Serie von zweidimensionalen oder dreidimensionalen
Bilddatensätzen
erstellt, die zeitlich aufeinander folgen. Jeder einzelne Bilddatensatz
der Serie wird individuell registriert, z. B. zu dem zeitlich vorangegangenen
Bilddatensatz oder zu einem vorab erstellten dreidimensionalen Bilddatensatz
des Objektes. Diese individuelle Registrierung ist sehr aufwändig und
kann nur bei leichten Atem- bzw. Herzbewegungen eingesetzt werden.
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Die
Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Verfahren der eingangs genannten
Art derart auszubilden, dass auf einfache Weise eine Anpassung von statischen
3-D-Bildern und dynamischen 2-D-Bildern erfolgen kann. Die Registrierung
muss also insbesondere in inhomogen z. B. durch Atembewegungen verschobenen
Bereichen angepasst werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen
Verfahren- und vorrichtungsbezogenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den davon abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren zur Bewegungskorrektur bei der Bildgebung
während einer
medizinischen Intervention eines Patienten. Ausgehend von den Schritten:
- – Vor
der Intervention wird ein vorzugsweise tomographisches 3-D-Bild
eines Zielbereiches der Intervention aufgezeichnet,
- – während der
Intervention wird ein 2-D-Bild des Zielbereiches aufgezeichnet und
mit dem 3-D-Bild registriert, werden/wird:
- – im
2-D-Bild sichtbare Bildmerkmale von sich bewegenden Strukturen identifiziert
bzw. automatisch ermittelt,
- – in
weiteren, aus der gleichen Projektion aufgenommenen 2-D-Bildern
aus diesen sichtbaren Bildmerkmalen die Bewegung des Patienten bestimmt,
- – weitere,
im 2-D-Bild vorhandene Bildmerkmale als sogenannte anatomische Fixpunkte
von starren und/oder nahezu starren und/oder von der Bewegung unabhängigen Strukturen
identifiziert bzw. ermittelt,
- – ausgehend
von den genannten Fixpunkten für jeden
weiteren Bildpunkt eine Korrektur der 2-D/3-D-Registrierung zum
Ausgleich der zuvor bestimmten Bewegung berechnet und
- – die
2-D-Bilder überlagert
mit dem 3-D-Bild visualisiert werden.
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Die
Erfindung sieht des weiteren vor, dass die identifizierten Fixpunkte
zu einer Fixlinie miteinander vorzugsweise durch eine Spline-Funktion
verbunden werden, um einen von der Bewegung unabhängigen Bereich
im 2-D-Bild zu kennzeichnen, der bei der Korrektur der 2-D/3-D-Registrierung
berücksichtigt
wird und die 3-D-Bilder und/oder 2-D-Bilder (13, 37 bis 41)
der Bewegung entsprechend angepasst werden.
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Diese
Fixlinie kennzeichnet Bereiche, die sich nicht oder nur sehr wenig
z. B. mit der Atmung bewegen. Beispielhaft könnte das der obere Herzrand
oder die Teile des Abdomens sein, die weiter vom Zwerchfell entfernt
liegen.
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Zusätzlich kann
für die
Fixlinie zumindest ein Parameter eingeführt werden, der den Grad der
Unabhängigkeit
von der Bewegung für
den genannten Bereich festlegt.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung, ausgebildet
mit Modulen zur Bewegungskorrektur bei der Bildgebung während einer medizinischen
Intervention eines Patienten gemäß des oben
erwähnten
Verfahrens.
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Der
Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass eine Bewegungskorrektur
in Bereichen ermöglicht
wird, die sich bei einer Intervention sehr inhomogen mit der Atmung
verschieben (z. B. Teile des Abdomens oder des Herzens).
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Nachstehend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher beschrieben.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
Röntgendiagnostikeinrichtung zur
Durchführung
des Verfahrens,
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2 eine
Ansicht der Bahn eines Detektors und einer Strahlungsquelle um ein
zu untersuchendes Objekt in axialer Blickrichtung,
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3 eine
schematische Ansicht der Registrierung einer 3-D-Rekonstruktion
des Gefäßsystems der
Leber und eines 2-D-Fluoroskopie-Bild eines Katheters in der Leber,
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4 eine
schematische Darstellung des Brustkorbs zur Veranschaulichung der
Atembewegungen,
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5 ein
2-D-Fluoroskopie-Bild mit überlagertem
3-D-Volumen (Umrisse)
gemäß des Vorgehens
nach der älteren
Patentanmeldung
DE 10 2007 015
792.6 ,
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6 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Vorgehens zur Bewegungskorrektur
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7 einen
schematische Darstellung des Ergebnisses der erfindungsgemäßen Bewegungskorrektur
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Aus
der
US 2006/0120507
A1 ist eine Röntgendiagnostikeinrichtung
bekannt, die beispielsweise in der
1 dargestellt
ist, die einen an einem Ständer
1 drehbar
gelagerten C-Bogen
2 aufweist, an dessen Enden eine Röntgenstrahlungsquelle,
beispielsweise ein Röntgenstrahler
3,
und ein Röntgenbilddetektor
4 angebracht
sind.
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Der
Röntgenbilddetektor 4 kann
ein rechteckiger oder quadratischer, flacher Halbleiterdetektor sein,
der vorzugsweise aus amorphem Silizium (aSi) erstellt ist.
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Im
Strahlengang der Röntgenstrahlungsquelle 3 befindet
sich ein Patientenlagerungstisch 5 zur Aufnahme beispielsweise
eines Herzen eines zu untersuchenden Patienten. An der Röntgendiagnostikeinrichtung
ist ein Bildsystem 6 angeschlossen, dass die Bildsignale
des Röntgenbilddetektors 4 empfängt und
verarbeitet.
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Zur
Erstellung von 3-D-Datensätzen
wird der drehbar gelagerte C-Bogen 2 mit Röntgenstrahler 3 und
Röntgenbilddetektor 4 derart
gedreht, dass, wie die 2 schematisch in Aufsicht auf
die Drehachse zeigt, sich auf einer Umlaufbahn 7 der Röntgenstrahlungsquelle 3 sowie
einer Umlaufbahn 8 der Röntgenbilddetektor 4 um
ein zu untersuchendes Objekt 9 bewegen. Die Umlaufbahnen 7 und 8 können zur Erstellung
eines 3-D-Datensatzes
vollständig
oder teilweise durchfahren werden.
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Bei
dem zu untersuchenden Objekt 9 kann es sich beispielsweise
um einen tierischen oder menschlichen Körper aber auch einen Phantomkörper handeln.
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Die
Röntgenstrahlungsquelle 3 emittiert
einen von einem Strahlenfokus der Röntgenstrahlungsquelle 3 ausgehendes
Strahlenbündel 10,
das auf den Röntgenbilddetektor 4 trifft.
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Die
Röntgenstrahlungsquelle 2 und
der Röntgenbilddetektor 4 laufen
jeweils so um das Objekt 5 herum, dass sich die Röntgenstrahlungsquelle 2 und
der Röntgenbilddetektor 4 auf
entgegengesetzten Seiten des Objekts 5 gegenüberliegen.
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Anhand
der 3 wird nun die Registrierung nach dem Stand der
Technik kurz erläutert.
Ein 3-D-Bild 11 zeigt eine 3-D-Rekonstruktion des Gefäßsystems 12 einer
Leber. In einem 2-D-Fluoroskopie-Bild 13 ist
ein Katheter 14 in der Leber dargestellt. Ein Pfeil 15 deutet
eine Registrierung und Überlagerung
beider Bilder 11 und 13 zu einem Überlagerungsbild 16 zum
Zwecke der Navigation an, in dem der Katheter 14 sichtbar
ist. Da das 2-D-Fluoroskopie-Bild 13 Atembewegungen unterworfen
ist, das 3-D-Bild 11 jedoch starr ist, entsteht je nach
Atemphase der Eindruck, dass sich der Katheter 14 außerhalb
des Gefäßsystems 12 in
Richtung des Doppelpfeils 17 periodisch bewegt.
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Aus
diesem Grunde geht die ältere
Patentanmeldung
DE
10 2005 059 804 A1 den Weg, dass jedes neue 2-D-Fluoroskopie-Bild
13 erneut
mit dem 3-D-Bild
11 registriert wird.
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Die 4 zeigt
eine schematische Darstellung der Annahmen über die Atemkorrektur. Im Brustkorb 18 drücken die
Lungenflügel 19 bei
der Atmung das Zwerchfell 20 nach unten, das die Bewegung
an das Abdomen 21 weitergibt. Die durch den Doppelpfeil 22 gekennzeichnete
Atembewegung und die dadurch induzierte, durch Doppelpfeile 23 gekennzeichnete,
an das Abdomen 21 weitergegebene Atembewegung haben somit
eine klare Vorzugsrichtung, vor allem für alle Röntgenprojektionen entlang der ”Zwerchfellebene”, der üblichen
Bildebene bei abdominellen Interventionen. Die tatsächliche,
in der Röntgenprojektion
sichtbare Bewegung ist natürlich wesentlich
komplexer und enthält
im Allgemeinen auch eine Rotations- oder Verzerrungskomponente. Vereinfacht
kann sie jedoch als Translation in Bildebene mit einer bestimmten
Vorzugsrichtung begriffen werden.
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5 zeigt
ein 2D-Fluoroskopiebild mit einem registrierten überlagerten 3-D-Volumen
25,
wobei von dem Volumen die Umrisse angedeutet sind. In der
5 wird
eine anatomische Findung der Atembewegung, wie sie bereits in
DE 10 2007 015 792.6 vorgeschlagen
worden ist, schematisch angedeutet. In einer Fluoroskopieserie mit
einem registrierten und überlagerten
3-D-Volumen werden bestimmte Merkmale oder Strukturen wie z. B.
Rippen
24, ein Katheter
26 und Linienmerkmale,
von einem Bild zum nächsten
verfolgt. Diese können
entweder vom Benutzer bestimmt werden (z. B. durch markieren der
Strukturen, z. B. dem Katheter
26 etc.), oder auch automatisch
(auch auf einem markierten Teilbereich des Bildes) gefunden und
verfolgt werden (z. B. mit Methoden des sogenannten optical flow).
Zusammen mit einer eventuell bekannten Vorzugsrichtung
29 wird
dann aus diesen Einzelverschiebungen z. B.
27 eine plausible
Gesamtbewegungsrichtung
28 errechnet (also eine Korrektur
von einem Bild zum nächsten).
Mit dieser Korrektur wird das 3-D-Overlay nun passend zu jedem für ein Bild
berechnete Korrekturrichtung verschoben.
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In 6 wird
das erfindungsgemäße Vorgehen
zur Bewegungskorrektur schematisch angedeutet. Zusätzlich zu
dem zu 5 geschildertem, werden nun im Bild vom Benutzer
gewisse anatomische „auf
Fixpunkte” 30 markiert,
die Punkte mit typischer Weise wenig oder gar keiner Atembewegung
bezeichnen. Im Herzen können
dies z. B. die oberen Herzbereiche sein. Diese Fixpunkte können vom System
zu einer „Fixlinie” verbunden
werden, z. B. durch eine sogenannte Spline-Funktion.
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Wie
in 7 mit 33 angedeutet, wird das 3-D-Overlay
nicht statisch verschoben sondern eher „gewarpt”, in dem für jeden Punkt des Overlay eine individuelle
Korrekturrichtung 31 berechnet wird. Diese entspricht z.
B. weit von der Fixpunktlinie entfernt der vollen Korrekturrichtung 32,
während
sie nahe der Fixpunktlinie nahezu keiner oder keiner Korrektur entspricht.
In den Bereichen dazwischen wird die Korrektur entsprechend interpoliert.
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Eine
für das
erfindungsgemäße Verfahren gemachte
Annahme besteht darin, dass die Atembewegung in Bildebene stattfindet
und evtl. weiter einer gewissen Vorzugsrichtung unterliegt. Aus
physiologischen Gründen
verläuft
dieses beispielsweise entlang der Körperachse. In den aus den üblichen
Projektionsrichtungen (vor allem der AP-Projektionen aufgenommenen
3-D-Bildern entspricht
dies einer Bewegung in „Auf-Abrichtung”).
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Ebenfalls
aus physiologischen Gründen
hat die Atembewegung im 2D-Bild gewisse „Fixpunkte”, also Bereiche, die sich
nicht oder nur sehr wenig mit der Atmung bewegen. Beispiele hierfür sind der
obere Herzrand und die Teile des Abdomens, die weiter vom Zwerchfell
entfernt liegen. Ausgehend von einem zum 2-dimensionalen Durchleuchtungsbild (2D-Bild)
registrierten 3-D-Volumendatensatz (entweder nativ oder als 3-D-Angiographie), verläuft die Atemkorrektur
vorzugsweise wie folgt:
- 1. Wie in der älteren Patentanmeldung DE 10 2007 015 792.6 schon
vorgeschlagen, wird anhand der Bildinformation eine Atemkorrekturrichtung
berechnet. Dies kann z. B. durch Verfolgen von Strukturen im Fluoroskopiebild
geschehen, die sich synchron zu der Atmung bewegen, beispielsweise
a)
einen Teil des Katheters oder Führungsdrahtes etc.
und/oder
b) eine entsprechende anatomische Region und/oder
c)
ein zu diesem Zwecke ein- oder aufgebrachten speziellen Marker oder ähnliches.
Diese Strukturen können
vom Benutzer aus seiner physiologischen Erfahrung heraus markiert
werden. Diese Strukturen können
jedoch auch automatisch gefunden werden (auch auf einem markierten
Teilbereich des Bildes). Eine entsprechende Verschiebung (evtl.
zusammen mit einer bekannten Vorzugsrichtung) wird als Atembewegung
interpretiert (siehe 5).
- 2. Zusätzlich
werden im Bild vom Benutzer gewisse anatomische „Fixpunkte” markiert (siehe 6 und 7),
die Punkte mit typischerweise wenig oder gar keiner Atembewegung
bezeichnen. Im Herzen können
dies z. B. die oberen Herzbereiche sein.
- 3. Diese Fixpunkte können
vom System zu einer „Fixlinie” verbunden
werden, z. B. durch eine sogenannte Spline-Funktion. Dies kennzeichnet dann einen
atemstabilen Bereich.
- 4. Zusätzlich
kann für
diese Fixlinie noch ein Parameter, beispielsweise aus dem Intervall
zwischen 0 und 1, angegeben werden. Dieser bezeichnet, wie starr
die Fixpunkte oder -linie sein soll. Null bedeutet beispielsweise,
dass sich die Punkte überhaupt
nicht mit der Atmung bewegen. Eins kann bedeuten, dass sich die
Punkte so verhalten wie die im Bild ermittelte Atembewegung.
Dies
wäre dann
der Spezialfall der „starren” Verschiebung
wie sie beispielsweise in 5 gezeigt wird.
Das
3-D-Overlay wird „gewarpt” (z. B.
verformt, gestreckt, gestaucht bzw. gedreht), in dem für jeden
Punkt des Overlay eine individuelle Korrekturrichtung berechnet
wird. Diese entspricht beispielsweise weit entfernt von der Fixpunktlinie
der vollen unter 1. berechneten Korrekturrichtung, während sie
nahe der Fixpunktlinie nahezu keiner Korrektur entspricht. In den
Bereichen dazwischen wird die Korrektur entsprechend interpoliert.
Dieses
Vorgehen zur Korrektur liefert ein sich den unterschiedlichen Bewegungen
optimal angepasstes Ergebnis. Es können vor allem Korrekturen
für Bereiche
vorgenommen werden, die sich inhomogen mit der Atmung verschieben
(z. B. im Herzen).
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Im
Rahmen der Erfindung kann es sich bei dem tomographischen bildgebenden
Gerät beispielsweise
um Röntgen-C-Bogen-Systeme,
Röntgen-Biplan-Geräte, Computertomographen,
MR oder PET handeln. Anstelle des in 1 dargestellten
Ständers 1 können auch
Boden- und/oder Deckenstative Verwendung finden. Der C-Bogen 2 kann
auch durch einen so genannten elektronischen C-Bogen 2 ersetzt werden, bei
dem eine elektronische Kopplung von Röntgenstrahler 3 und
Röntgenbilddetektor 4 erfolgt.
Die C-Bögen 2 können aber
auch an Roboterarmen geführt
sein, die an Decke oder Boden angebracht sind. Auch lässt sich
das Verfahren mit Röntgengeräten durchführen, bei
denen die einzelnen bilderzeugenden Komponenten 3 und 4 jeweils
von einem Roboterarm gehalten sind, die an Decke und/oder Boden
angeordnet sind.
-
Literatur
-
- [1] Graeme Patrick Penney, Registration of
Tomographic Images to X-ray Projections for Use in Image Guided
Interventions
Phd thesis, University College London, CISG,
Division of Radiological Sciences, Guy's Hospital, King's College London, London SE1 9RT England,
2000, Seiten 97 bis 160
- [2] Chris Harris and Mike J. Stephens, A combined corner and
edge detector, In Alvey Vision Conference, Seiten 147 bis 151, 1988.
-
- 1
- Ständer
- 2
- C-Bogen
- 3
- Röntgenstrahlungsquelle
- 4
- Röntgenbilddetektor
- 5
- Patientenlagerungstisch
- 6
- Bildsystem
- 7
- Umlaufbahn
- 8
- Umlaufbahn
- 9
- Objekt
- 10
- Strahlenbündel
- 11
- 3-D-Bild
- 12
- Gefäßsystem
- 13
- 2-D-Fluoroskopie-Bild
- 14
- Katheter
- 15
- Pfeil
- 16
- Überlagerungsbild
- 17
- Pfeil
- 18
- Brustkorb
- 19
- Lungenflügel
- 20
- Zwerchfell
- 21
- Abdomen
- 22
- Doppelpfeil
(Zwerchfellbewegung beim Atmen)
- 23
- Doppelpfeile
(an Abdomen weitergegebene Atembewegung)
- 24
- Rippen
und Linienmerkmale
- 25
- Zum
Fluoroskopie-Bild registriertes und überlagertes 3D Volumen (Umrisse)
- 26
- Katheter
und Linienmerkmale
- 27
- Doppelpfeile
(Bewegungsrichtung der einzelnen Merkmale)
- 28
- Doppelpfeile
(aus Vorzugsrichtung und Einzelbewegungsrichtungen errechnte Gesamtbewegungsrichtung)
- 29
- Vorzugsrichtung
wie z. B. 22 und 23
- 30
- Fixpunkte
(ggf. zu einer Fixlinien verbunden)
- 31
- Individuelle
Korrektur zu jedem Bildpunkt
- 32
- Freier
Bereich (Volle Korrektur)
- 33
- ”Gewarpte” Atemkorrektur
(schematisch)