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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur
3D-Darstellung von einem Objekt.
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Von
einem Objekt können mittels unterschiedlicher Aufnahmemittel
eine Vielzahl von Aufnahmen gemacht werden. So können mittels
Röntgenstrahlen Schichtbilder von einem Objekt aufgenommen
und mit einem Cone-Beam Algorithmus ein 3D Volumenbild erstellt
werden. Dieser Cone-Beam Algorithmus ist beispielsweise in Galigekere, R.
R., Wiesent Karl, Holdsworth D. W.: Cone-Beam Reprojection using
Projection Matrices, IEEE Trans. Med. Img. 22 (2003) 1202–1214 beschrieben.
Optische 3D Oberflächenbilder können von einer
Oberfläche eines Objektes mittels einer Oberflächenabtastung, beispielsweise
mit einem Laser, erstellt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein zugehöriges
Verfahren zur Erstellung einer 3D Darstellung anzugeben.
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Die
Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 oder 5 angegebenen Merkmale
gelöst. Dazu wird eine Vorrichtung zur Erstellung einer
3D Darstellung von einem Objekt mit einer Aufnahmeeinheit zur Abbildung
von Projektionsaufnahmen und einer Oberflächenabbildungseinheit
eines Objektes derart ausgebildet, dass die Abbildungseinheiten derart
ausgerichtet sind, dass der Zentralstrahl der Projektionsaufnahmeeinheit
und der Zentralstrahl der Oberflächenaufnahmeeinheit zur
Deckung gebracht sind.
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Die
Erfindung bringt den Vorteil mit sich, das durch eine Zentrierung
des Zentralstrahls einer Röntgenquelle und einer optischen
Aufnahmeeinheit eine Bildüberlagerung in einfacher Weise
ermöglicht wird.
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Die
Erfindung bringt neben dem Vorteil, dass nur eine einmalige Kalibrierung
der Aufnahmemittel nötig ist, den weiteren Vorteil mit
sich, dass dadurch nur eine Registrierung der Aufnahmemittel nötig
wird.
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Die
Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass aufgrund einer exakten
optischen Oberflächenerfassung die Randbereiche eines aus
Projektionsdaten gebildeten Volumendatensatzes ergänzbar sind.
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Die
Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass das Volumenbild jeweils
aufgrund des Oberflächenbildes ergänzt und in
zusammenwirkender Darstellung einzeln oder korrespondierend ganz
oder partiell auf einem Bildschirm betrachtbar ist.
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Die
Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass mit den ergänzten
Volumendaten eine Visualisierung mittels Volume Renedering oder
MPR erfolgen kann.
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Die
Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass hierdurch eine bessere
Orientierung bei einer OP-Planung erfolgen kann, da die Schnittbilder
durch das Objekt bis zu den Objektgrenzen darstellbar sind.
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Die
Erfindung soll im Folgenden mittels eines in Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert
werden.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung,
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2 eine
weitere Darstellung und
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3 eine
Rekonstruktion eines 3D-Volumenbildes.
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Bei
dieser Vorrichtung und dem dazugehörigen Verfahren werden
Aufnahmen aus unterschiedlichen Aufnahmequellen zur Bildfusion verwendet. Das
Volumenbild wird ausgehend vom 3D Oberflä chenbild ergänzt
und ist in zusammenwirkender Darstellung einzeln oder korrespondierend
ganz oder partiell mit dem 3D-Oberflächenbild auf einem
Bildschirm betrachtbar.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines mittels einer motorischen oder
manuellen Steuerung S bewegbaren C-Bogens 1 mit einer optischen Aufnahmeeinheit 4.
An den Enden des C-Bogens 1 ist eine Röntgenquelle 2 und
eine Röntgendetektoreinheit 3 angebracht. Die
optische Aufnahmeeinheit 4 ist in unmittelbarer Nähe
der Röntgenquelle 2 angeordnet. Der Aufnahmebereich 10 der
optischen Aufnahmeeinheit 4 umfasst den von der Röntgenquelle 2 erfassbaren
Bereich. Bei einer Durchleuchtung des Objektes wird gleichzeitig
die Oberfläche des Objektes mit der optischen Aufnahmeeinheit 4 erfasst.
Bei hinreichender Rechentiefe entspricht die optische 3D-Aufnahme
den Abmessungen des Objektes. Die optische Aufnahmeeinheit 4 und
die Röntgenquelle 2 sind derart ausgerichtet,
dass ein virtueller Zentralstrahl 6 der optischen Aufnahmeeinheit 4 deckungsgleich
mit dem von der Röntgenquelle 2 abgegebenen in
einem Strahlenbündel 11 angeordneten Röntgen-Zentralstrahl 5 ist.
Den Bilddaten der optischen Aufnahmeeinheit 4 und der Röntgenquelle 2 liegt dasselbe
Koordinatensystem zugrunde. Durch die Kalibrierung des Röntgenbildes
und des Oberflächenbildes besteht eine eindeutige Zuordnung
zwischen beiden. Zur Erstellung eines optischen 3D-Oberflächenbildes
kann beispielsweise von einem Projektor 7 ein Streifenlicht
auf das Objekt abgegeben werden. Anstelle des Projektors 7 und
der Aufnahmeeinheit 4 könnte auch ein 3D-Oberflächenbild mittels
Laserlicht-Abtastung, mit einem Photonic Mixer Device PMD oder einer
Stereoprojektion erstellt werden. Ein Lichtabtastverfahren beruht
auf einer optischen 3D-Messtechnik, das die Vermessung eines Höhenprofils
entlang einer projizierten Lichtlinie ermöglicht. Diese
Messung basiert auf dem Prinzip der Triangulation. Bei diesem Verfahren
wird eine Lichtquelle, zumeist ein Laser, benutzt, der unter einem Winkel
ein Objekt beleuchtet, dessen Oberfläche vermessen werden
soll. Ein elektronischer Bildwandler zumeist eine CCD- oder eine
CMOS-Kamera registriert das Streulicht.
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Bei
Kenntnis der Strahlrichtung und des Abstandes zwischen Kamera und
Lichtquelle kann damit der Abstand vom Objekt zur Kamera bestimmt werden.
Wird die Abtastung rasterartig oder kontinuierlich durchgeführt,
kann ein Oberflächenrelief, das heißt ein Abbild
der Gesamtoberfläche des Objektes erstellt werden.
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In 2 ist
die in 1 gezeigte Anordnung um Module zur Bildverarbeitung
und Bildwiedergabe erweitert. Bei den Modulen handelt es sich im
Einzelnen um eine Röntgenbildabgriffseinheit RBR, für
2D Röntgen- bzw. Schichtbilder, eine Verarbeitungseinheit
CB zur Erstellung von Volumenbildern sowie einer ersten Speichereinheit
S2DR zur Zwischenspeicherung der Schichtbilder und Volumenbilder
sowie eine dritte Speichereinheit S3BV zur Zwischenspeicherung von
Bildfusionsdaten. Anhand einer Vielzahl von Projektionsröntgenbildern
werden Röntgen-Volumenbilder, mittels des Cone-Beam-Algorithmus,
der auch als Feldkamp-Algorithmus bezeichnet wird, erstellt. An
der Aufnahmeeinheit 4, 7 sind Ausgangsseitig Module
zur Signalverarbeitung OBR, OFB angeordnet. Im Einzelnen werden
in den Modulen aus der optischen 2D-Aufnahme und der Oberflächenabtastung
des Projektors 7 mit Bildwandlereinheit ein 3D-Oberflächenbild 8 erstellt.
Aufgenommen werden die 3D-Bilddaten mit Hilfe das eine Kamera 4 und
einen Projektor 7 aufweisenden Moduls. Die Bilddaten werden
in der optischen Bildaufnahmeeinheit OBR registriert und in einer
zweiten Speichereinheit S2DO zwischengespeichert. Zusätzlich
werden die mittels einer Laserabtastung gewonnenen Daten mit den
2D Aufnahmen aus der Aufnahmeeinheit 4 prozessorgesteuert
im Modul OFB zu einem 3D-Oberflächenbild 8 verarbeitet.
Die Berechnung des Volumenbildes 9 erfolgt aus n Projektionsaufnahmen
von dem Objekt im Modul CB. Dabei werden aus einer Vielzahl von 2D-Röntgenbilder,
bzw. Röntgenschichtbilder, mit den jeweiligen Ortskoordinaten
aus der der Röntgendetektoreinheit 3 nachgeordneten
Röntgenbildabgriffseinheit RBR ausgelesen und in der ersten
Speichereinheit S2DR zwischengespeichert.
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Die
Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass das kleinere 3D-Röntgenbild
um seinen Abstand zur 3D-Objektoberfläche erweiterbar ist,
wobei am Ende der Überarbeitungsprozedur ein 3D Röntgenbild
vorliegt, das in seiner Ausdehnung dem optischen Oberflächenbild
entspricht. Die Einzelaufnahmen der Oberflächenabtastung
werden in einer zweiten Speichereinheit S2DO zwischengespeichert.
Da das 3D-Röntgenvolumenbild und die dazugehörige optische
2D-Aufnahme des Objektes jeweils dem gleichen Koordinatensystem
zugeordnet sind, sind beide Bilddaten bereits registriert. Aufgrund
der eindeutigen Zuordnung eines optischen Bildes zu einem Röntgenbild
können mit Hilfe eines Bildmappingalgorithmus die optischen
Bilder zusammengefügt werden. Überlappende Bereiche
werden als solche gekennzeichnet und in einem abschließenden
Verarbeitungsschritt aus dem optischen 3D-Oberflächenbild entfernt.
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Zur
Berechnung des optischen 3D-Oberflächenbildes 8 kann
z. B. zusätzlich das Objekt mit einem strukturierten Lichtstreifenmuster
bestrahlt werden. Damit unterschiedlich große Objekte abgebildet werden
können, wird die Videokamera 4 mit einem Zoomobjektiv
ausgestattet und einmalig für unterschiedliche Zoomstufen
kalibriert. Vor Beginn einer Aufnahme wird die Zoomstufe ausgewählt
und die entsprechenden Kalibrierwerte aus einer Look-up-Tabelle
entnommen.
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Mit
der in 2 beschriebenen Anordnung können zum
einen ein 3D-Volumenbild 9 und ein Oberflächenbild 8 simultan
erzeugt werden. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass wenig ausgebildete oder
fehlende Randbereiche eines rekonstruierten 3D-Röntgenbildes
durch einfache Weise ergänzbar sind.
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Wie
in 3 gezeigt, kann durch Kenntnis der genauen Lage
der Objektabmessung aufgrund der optischen 3D Darstellung, z. B.
die Strahllängen im Objekt exakt berechnet werden. Durch
die simultane Erzeugung des optischen Oberflächenbildes
mit dem aus Projektionsaufnahmen entstandenen Volumenbildes ist
auch jeweils die Richtung des Röntgenstrahls durch das
Objekt bekannt. Aufgrund der tatsächlichen Strahlenlänge
im Objekt 8 und der Ausdehnung des 3D-Röntgenbildes 9,
der Lage des Röntgenstrahles 5 sowie des jeweiligen
Beginns und Endes des Objektes 8 bzw. des 3D-Röntgenbildes 9 kann
der zu rekonstruierende Bereich ermittelt werden. In der 3 sind
diese Bereiche mit a und b markiert. Z. B. kann in die Rekonstruktion
der Randbereiche durch Annahme einer mittleren Dichte außerhalb
des Volumenbildes erfolgen. Die Differenz wird jeweils in der Differenzbildungseinheit
DE ermittelt. Z. B. kann man von den gemessenen Schwächungswerten,
die Werte abziehen, die zwar durch das Objekt 8, nicht
aber durch den rekonstruierten Bereich gelaufen sind. Da man den
exakten Wert, den man abziehen muss, nicht kennt, ist ein mittlerer Dichtewert
anzunehmen. Die Ein- und Austrittspunkte sind bei Objekt 9 angedeutet.
In der Volumenbildergänzungseinheit VBE wird das Volumenbild
ergänzt.
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Als
Ausführungsbeispiel ist eine schematische Darstellung zum
Erfassen und Visualisieren eines Objektes wiedergegeben. Hierzu
wird ein Volumenbild 9, das zum Beispiel während
einer Magnetresonanzaufnahme, einer Computertomographieaufnahme
CT oder einer 3D-x-Ray-Bildaufnahme entstanden ist, aus einer ersten
Zwischenspeichereinheit S2DR abgerufen. Die Bilddaten können
z. B. in dem in der Medizin verwendeten Standard DICOM, Digital
Imaging and Communications in Medicine, jeweils übermittelt
werden.
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Deckungsgleiche
Aufnahmen können durch Heranziehung der gleichen optischen
Achse erzeugt werden. Ist eine derartige Ausrichtung nicht möglich so
werden die zwischengespeicherten korrespondierenden Volumen- und
Oberflächenbilder aus dem ersten und zweiten Zwischenspeicher
S2DR, S2DO ausgelesen und in einer Bildüberlagerungseinheit UEM
aufeinander abgestimmt. Die Bildüberlagerungseinheit UEM
weist unter anderem eine Registereinheit R zur Registrierung des
Volumen- und Oberflächenbildes, eine Skalierungseinheit
S zur Skalierung und eine Matchingeinheit M zur Feinabstimmung bei
der Überlagerung des Volumen- und Oberflächenbildes
auf. Aufnahmen unterschiedlicher Aufnahmequellen werden durch ein
Registrierungsverfahren zur Deckung gebracht. Auf einem Bildschirm WE
können dann das Volumenbild oder das deckungsgleiche Oberflächenbild
hintereinander, oder Teile daraus einzeln oder jeweils korrespondierende Teile
ganz oder partiell, abgebildet werden.
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- 1
- C-Bogen
- 2
- Röntgenquelle
- 3
- Detektoreinheit
- 4
- Aufnahmeeinheit
- 5
- Röntgen-Zentralstrahl
- 6
- optischer
Zentralstrahl
- 7
- Projektoreinheit/Bildwandlereinheit
- 8
- Objekt/3D-Aufnahme
eines Objektes
- 9
- 3D-Röntgenbild/Volumenbild
- 10
- optischer
Aufnahmebereich
- 11
- Strahlenbündel
- RBR
- Röntgenbildabgriffseinheit
- OBR
- optische
Bildaufnahmeeinheit
- OFB
- Einheit
zur Bildung eines 3D-Oberflächenbildes
- S3BV
- dritte
Speichereinheit für Bildfusionsdaten
- S2DR
- erste
Speichereinheit für 2D Röntgenbilder
- S2DO
- zweite
Speichereinheit für optische Bilder
- CB
- Verarbeitungseinheit
- UEM
- Bildüberlagerungseinheit
- WE
- Visualisierungseinheit
- S
- manuelle/motorische
Steuerung
- R
- Registereinheit
- M
- Matchingeinheit
- DE
- Differenzermittlungseinheit
- VBE
- Volumenbildergänzungseinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - R. R., Wiesent
Karl, Holdsworth D. W.: Cone-Beam Reprojection using Projection
Matrices, IEEE Trans. Med. Img. 22 (2003) 1202–1214 [0002]