DE102008049569A1 - Method for image-based motion correction i.e. breathing motion correction, in two-dimensional radioscopy image during medical needle intervention of patients, involves visualizing fluoroscopy images such that images are corrected - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Korrekturverfahren zur Bewegungskorrektur in einem zweidimensionalen Durchleuchtungsbild bei der Bildgebung während einer medizinischen Intervention eines Patienten.The The invention relates to a correction method for movement correction in a two-dimensional fluoroscopic image during imaging during a medical intervention of a patient.
Während einer medizinischen Intervention werden zur Navigation der eingesetzten Instrumente beispielsweise im Abdomen mit Hilfe von fluoroskopischer Durchleuchtung Echtzeitbilder erstellt. Verglichen mit 3-D-Angiographie-Bildern zeigen diese zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder 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-operativ aufgenommene 3-D-Bilder von CT-, Angiographie- oder MR-Sequenzen mit den zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern registriert 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.While a medical intervention will be used to navigate the Instruments for example in the abdomen with the help of fluoroscopic Transillumination real-time images created. Compared with 3-D angiography images Although these two-dimensional fluoroscopic images do not show any spatial (3-D) details, but they are available more quickly and minimize the radiation exposure for patient and doctor. Ideally, the spatial information is now recovered that preoperatively recorded 3-D images of CT, angiographic or MR sequences with the two-dimensional ones Transmitted fluoroscopic images are registered and underlaid. The combination of co-registered 2-D and 3-D images allowed the doctor now a better orientation in the volume. This 2-D / 3-D registration consists of two steps.
Bei
der Bildregistrierung muss zunächst 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 bekannte Ansätze, die jedoch für
die erfindungsgemäße Ausbildung des Verfahrens
unerheblich sind. Beispiele für geeignete Registrierungstechniken
finden sich in
Das zweite Problem ist die Visualisierung der registrierten Bilder, d. h. die gemeinsame Darstellung von 2-D- und projiziertem 3-D-Bild. Die Standardmethode hierfür ist das soge nannte ”Overlay”, bei dem die beiden Bilder anhand verschiedener möglicher Methoden übereinandergelegt werden.The second problem is the visualization of the registered images, d. H. the common representation of 2-D and projected 3-D image. The standard method for this is the so-called "overlay", in which the two images are superimposed by various possible methods become.
Ein
Problem der 2-D/3-D-Registrierung, speziell bei abdominellen Anwendungen,
wie beispielsweise Leberpunktionen oder der Navigation im Gefäß-System
der Leber, besteht nun darin, dass die 3-D-Bilder statisch sind,
d. h. in einer bestimmten Atemphase aufgenommen wurden, in den Durchleuchtungs-
oder Fluoroskopiebildern jedoch die Atembewegungen deutlich zu sehen
sind, wie dies noch nachfolgend anhand der
Wird versucht, die Atembewegung anhand des Trackings der Nadel zu bestimmen, entstehen dabei bestimmte Ungenauigkeiten.Becomes trying to determine the respiratory movement by tracking the needle, this creates certain inaccuracies.
Die
Registrierung von 3-D-Bildern zu 2-D-Röntgenbildern ist
beispielsweise aus der
Eine Atemkorrektur von 2-D/3-D registrierten Bildern als Translation ist beispielsweise in obengenannter Literatur [2] beschrieben. Für andere Anwendungen, wie z. B. bei CT-geführten Interventionen, wird die Atembewegung oft anhand externer Sensoren in beispielsweise um das Zwerchfell gelegten Gürteln bestimmt.A Breath correction of 2-D / 3-D registered images as a translation is described for example in the aforementioned literature [2]. For other applications, such as In CT-guided interventions the breathing movement often using external sensors in example determined by the diaphragm.
In
der
Bei
der
Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass es robust gegenüber möglichen Fehlerquellen die Atembewegung speziell für abdominelle Punktionen durch Tracken von beispielsweise Nadeln zu bestimmen und entsprechend auszugleichen vermag.The Invention is based on the object, a method of the aforementioned Form such a way that it is robust against possible Mistakes in the breathing movement specifically for abdominal punctures by tracing, for example, needles to determine and accordingly can compensate.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Schritte gelöst.
- a) Prä-interventionelle Aufzeichnung eines tomographischen 3-D-Bildes eines Zielbereiches der Intervention,
- b) Aufzeichnung eines 2-D-Bildes des Zielbereiches und Registrierung mit dem 3-D-Bild während der Intervention,
- c) Markierung im 2-D-Bild eines Bereichs mit sichtbaren Bildmerkmalen von sich bewegenden Strukturen,
- d) Bestimmung während der Intervention von in weiteren, aus der gleichen Projektion aufgenommenen 2-D-Bildern sichtbaren Bildmerkmalen der Bewegung des Patienten in Form sowohl einer Translation als auch einer Rotation,
- e) Berechnung einer virtuellen Verlängerung der sichtbaren
Bildmerkmale für mehrere Suchvorgänge in verschiedenen
2-D-Bildern (
27 ) oder Frames, - f) Ermittlung eines virtuellen Rotationszentrums durch Schnitt der virtuellen Verlängerungen,
- g) Berechnung mit den in jedem neuen Suchvorgang ermittelten Größen und über das virtuelle Rotationszentrum als zusätzlichen ”Stützpunkt” einer Verschiebungskorrektur, und
- h) Visualisierung der 2-D-Bilder gemeinsam mit dem 3-D-Bild, wobei die 3-D-Bilder und/oder 2-D-Bilder der der errechneten Verschiebung entsprechend korrigiert werden.
- a) pre-interventional recording of a tomographic 3-D image of a target area of the intervention,
- b) recording a 2-D image of the target area and registering with the 3-D image during the intervention,
- c) marking in the 2-D image of an area with visible image features of moving structures,
- d) determination during the intervention of image characteristics of the movement of the patient visible in further 2-D images recorded from the same projection in the form of both a translation and a rotation,
- e) calculation of a virtual extension of the visible image features for multiple searches in different 2-D images (
27 ) or frames, - f) determining a virtual center of rotation by cutting the virtual extensions,
- g) calculating with the magnitudes determined in each new search and the virtual rotation center as an additional "vertex" of a displacement correction, and
- h) visualization of the 2-D images together with the 3-D image, whereby the 3-D images and / or 2-D images are corrected according to the calculated displacement.
Die Bearbeitung vereinfacht sich, wenn die gefundene Bewegung auf eine Vorzugsrichtung eingeschränkt wird.The Editing simplifies when the motion found on a Preferred direction is restricted.
In vorteilhafter Weise können die markierten Bereiche in den aufgenommenen Fluoroskopiebildern und -sequenzen mit Methoden des Region Trackings wiedergefunden werden.In Advantageously, the marked areas in the recorded fluoroscopic images and sequences using methods of Region trackings are recovered.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Schätzung des virtuellen Rotationszentrums durch ein ”Kleinste Quadrate Problem” gelöst wird, das mit steigender Anzahl immer besser bestimmt ist.It has proven to be advantageous when estimating the virtual rotation center through a "least squares Problem "is solved with increasing number always better.
Als markierter Bereich gemäß Schritt c) kann vorteilhaft ein Teil der bereits im Fluoroskopiebild sichtbaren Nadel, eine entsprechende anatomische Region und/oder ein zu diesem Zwecke ein- oder aufgebrachter spezieller Marker Verwendung finden.When marked area according to step c) can be advantageous a part of the already visible in Fluoroskopiebild needle, a corresponding anatomical region and / or one for this purpose or applied special marker find use.
Erfindungsgemäß kann die Markierung der zu verfolgenden Bereiche gemäß Schritt c) mit den sich mit der Atmung bewegenden Bildmerkmalen manuell durchgeführt oder automatisch erkannt und verfolgt werden.According to the invention the marking of the areas to be tracked according to step c) manually with the image characteristics moving with the respiration performed or automatically detected and tracked.
Eine Beschleunigung der Visualisierung lässt sich erreichen, wenn die 3-D-Bilder und/oder 2-D-Bilder der errechneten Verschiebung entsprechend gemäß Merkmal h) in Echtzeit korrigiert werden.A Acceleration of the visualization can be achieved if the 3-D pictures and / or 2-D pictures of the calculated shift Corresponding to feature h) corrected in real time become.
Zweckmäßigerweise erfolgt die prä-interventionelle Aufzeichnung eines tomographischen 3-D-Bildes gemäß Schritt a) aus CT-, Angiographie- oder MR-Sequenzen.Conveniently, the pre-interventional recording of a tomographic 3-D image takes place according to step a) from CT, angiography or MR sequences.
Erfindungsgemäß kann der zum zweidimensionalen Durchleuchtungsbild registrierte 3-D-Datensatz als nativer oder als 3-D-Angiographie-Datensatz erstellt worden sein.According to the invention the 3-D record registered to the two-dimensional fluoroscopic image created as a native or as a 3-D angiography record be.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The Invention is described below with reference to the drawing Embodiments explained in more detail. Show it:
In
der
Mittels
des beispielsweise aus der
Der
bekannte Knickarmroboter
Der
Röntgenbilddetektor
Der
Röntgenstrahler
Im
Strahlengang des Röntgenstrahlers
Bei
der Radiographie oder Fluoroskopie mittels einer derartigen Röntgendiagnostikeinrichtung werden
die medizinischen 2-D-Daten des Röntgenbilddetektors
Sollen
3-D-Datensätze nach dem sogenannten DynaCT-Verfahren erstellt
werden, wird der drehbar gelagerte C-Bogen
Der
C-Bogen
Bei
dem zu untersuchenden Objekt
Der
Röntgenstrahler
Die
In
der
Die
Zusammenfassend können für dieses Verfahren also die folgenden Annahmen gemacht werden:
- 1. Die Atembewegung
unterliegt einer gewissen Vorzugsrichtung. Aus physiologischen Gründen verläuft
diese entlang der Körperachse (siehe Doppelpfeil
17 in3 ). In den aus den üblichen Projektionsrichtungen, insbesondere der AP Projektion, aufgenommenen Fluoroskopiebildern entspricht dies einer Bewegung in ”Auf-Ab-Richtung”. - 2. Bei einer Punktion kann sich die Nadel
19 in den Rippenzwischenräumen nur eingeschränkt mit der Atmung bewegen, im Abdomen selbst aber weitgehend uneingeschränkt (siehe Doppelpfeile20 ,21 in4 ). Deshalb ist die Atembewegung bezogen auf das Instrument eine Überlagerung von Rotation22 und Translation.
- 1. The respiratory movement is subject to a certain preferred direction. For physiological reasons, this runs along the body axis (see double arrow
17 in3 ). In the from the usual Projection directions, in particular the AP projection, fluoroscopy images recorded this corresponds to a movement in "up-down direction". - 2. In a puncture, the needle may
19 in the intercostal spaces only to a limited extent move with the respiration, in the abdomen itself however largely unrestricted (see double arrows20 .21 in4 ). Therefore, the respiratory motion related to the instrument is a superposition of rotation22 and translation.
Ziel ist es, diese Gesamtbewegung insbesondere für das potentielle Punktionsziel zu finden und auszugleichen.aim It is this total movement, in particular for the potential To find and balance the puncture target.
Das in [2] vorgeschlagene Verfahren besteht nun darin,
- • Atmung als reine Translation in der Bildebene zu begreifen und
- • diese Bewegung anhand bestimmter, sich mit der Atmung bewegter Strukturen im Fluoroskopiebild zu bestimmen und auszugleichen. Diese Strukturen können entweder vom Anwender manuell gekennzeichnet oder automatisch ermittelt werden.
- • to understand breathing as pure translation in the image plane and
- • To determine and balance this movement by means of certain structures moving with respiration in the fluoroscopic image. These structures can either be marked manually by the user or automatically determined.
Wird
die so ermittelte Translation gemäß den Doppelpfeilen
Auch wenn die Rotation von Templates mit berechnet wird und die Überlagerung entsprechend angepasst wird, kann dies zu großen Ungenauigkeiten führen. Eine korrekte Anpassung der Überlagerung hängt stark von der korrekten Berechnung der Rotation ab. Diese wird jedoch im Allgemeinen in den mit niedriger Dosis aufgenommenen (und deshalb stark verrauschten) Fluoroskopiebildern schwierig zu berechnen sein. Auch wird die Rotation i. A. nur an in diskreten Winkelschritten rotierten Templates berechnet, was zu Ungenauigkeiten durch die Diskretisierung führt.Also when the rotation of templates is calculated with and the overlay adjusted accordingly, this can lead to large inaccuracies to lead. A correct adaptation of the overlay depends strongly on the correct calculation of the rotation. However, this is generally in the low-dose (and therefore very noisy) fluoroscopic images difficult to calculate be. Also, the rotation i. A. only on in discrete angular steps rotated templates, resulting in inaccuracies due to the Discretization leads.
Anhand
der
Auch
wenn die Rotation des Templates
Vorraussetzung
für das erfindungsgemäße Verfahren mit
der Erweiterung der Atemkorrektur für Nadelninterventionen
ist ein zum zweidimensionalen Durchleuchtungsbild registrierter
3-D-Datensatz, der entweder als nativer oder als 3-D-Angiographie-Datensatz
erstellt worden ist. Die beispielsweise in
-
1) Der Arzt markiert auf dem (stehenden) Fluoroskopiebild
oder Durchleuchtungsbild
27 einen Bereich29 , von dem er aus seiner physiologischen Erfahrung weiß, dass er sich synchron zur Atmung bewegt, z. B. a. (bevorzugt) ein Teil der bereits im Fluoroskopiebild27 sichtbaren Nadel19 oder b. eine entsprechende anatomische Region oder c. einen zu diesem Zwecke ein- oder aufgebrachten speziellen Marker o. ä.1) The doctor marks on the (standing) fluoroscopic image or fluoroscopic image27 an area29 from which he knows from his physiological experience that he is in sync with breathing, eg. B. a. (preferred) a part of the already in Fluoroskopiebild27 visible needle19 or b. a corresponding anatomical region or c. a special marker or the like applied for this purpose or the like -
2) Der Arzt fährt mit seiner Prozedur fort. In den daraufhin
aufgenommenen Fluoroskopiebildern
27 und -sequenzen werden die markierten Bereiche32 , beispielsweise gemäß den Methoden des in [2] beschriebenen Region Trackings, wieder gefunden. Die gefundene Bewegung wird eventuell auf eine bekannte Vorzugsrichtung (siehe Doppelpfeil17 in3 ) eingeschränkt.2) The doctor continues with his procedure. In the subsequently recorded fluoroscopic images27 and sequences become the marked areas32 , for example, according to the methods of the region tracking described in [2], found again. The movement found may be in a known preferred direction (see double arrow17 in3 ). -
3) Für jeden Suchvorgang S(j) eines Template
32 im 2-D-Bild oder Frame F(i) werden gegenüber dem initialen Zustand28 sowohl die oben beschriebene Translation T(i) als auch die Rotation R(i) ermittelt. Mit diesen beiden Größen lässt sich eine virtuelle Verlängerung L der getrackten Nadel19 berechnen. Führt man dies für mehrere Suchvorgänge in verschiedenen Frames F(i) aus, so lässt sich durch Schnitt der virtuellen Verlängerungen L(i) (bzw. als Lösung eines ”Kleinste Quadrate Problems”) ein virtuelles Rotationszentrum Z schätzen, das mit steigendem i immer besser bestimmt ist.3) For each search S (j) of a template32 in the 2-D image or frame F (i) are compared to the initial state28 both the translation T (i) described above and the rotation R (i) determined. With these two sizes can be a virtual extension L of the tracked needle19 to calculate. If this is carried out for several search processes in different frames F (i), it is possible to estimate a virtual rotation center Z by cutting the virtual extensions L (i) (or as a solution of a "least squares problem"), which always increases with increasing i better determined. - 4) Zusammen mit den in jedem neuen Suchvorgang S(j) ermittelten Größen T(j) und R(j) kann nun über den zusätzlichen ”Stützpunkt” Z relativ stabil eine Anpassung der Überlagerung errechnet werden, selbst wenn die einzelnen Größen T(j) und R(j) nur ungenau bestimmt wurden.4) Along with the ones found in each new search S (j) Sizes T (j) and R (j) can now be over the additional "base" Z relatively stable calculated an adjustment of the overlay even if the individual quantities T (j) and R (j) were determined only inaccurately.
-
5) Die Registrierung wird anhand der in Punkt
4 errechneten Verschiebung in Echtzeit aktualisiert.5) The registration will be based on the in point4 calculated shift in real time updated.
Alternativ zu der in 1) vorgeschlagenen manuellen Markierung der zu verfolgenden Bereiche können die Bildmerkmale, die sich mit der Atmung bewegen (insbesondere die Nadel), auch automatisch erkannt und verfolgt werden.As an alternative to the manual marking of the areas to be tracked proposed in 1), the image features associated with respiration move (especially the needle), also be detected and tracked automatically.
Durch die erfindungsgemäße Ausführung erhält man ein robustes Verfahren der Atemkorrektur, insbesondere für im Bild getrackte Strukturen, die einer kombinierten Translation/Rotation unterworfen sind. Das Verfahren kann vorzugsweise für die Bestimmung der Atembewegung verwendet werden, die durch Verfolgen einer Nadel (initial manuell markiert oder automatisch detektiert) geschätzt wird.By the embodiment of the invention receives a robust method of respiratory correction, especially for in the picture tracked structures, that of a combined translation / rotation are subject. The method may preferably be for the Determination of respiratory motion can be used by tracking a needle (initially manually marked or automatically detected) is appreciated.
Anhang: LiteraturAppendix: Literature
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - WO 01/01845 A2 [0009] WO 01/01845 A2 [0009]
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- - A. Oppelt (Hrsg.): Imaging Systems for Medical Diagnostics, Seiten 65 bis 82, Publicis Verlag, Nov. 2005 [0003] - A. Oppelt (ed.): Imaging Systems for Medical Diagnostics, pages 65 to 82, Publicis Verlag, Nov. 2005 [0003]
- - Rohlfing et al. [2], ”Markerless real-time target region tracking: Application to frameless stereotactic radiosurgery”, in Proceedings of 9th Fall Workshop Vision, Modelling, and Visualization, November 16-18, 2004 [0005] - Rohlfing et al. [2], "Markerless real-time target region tracking: application to frameless stereotactic radiosurgery", in Proceedings of 9th Case Workshop Vision, Modeling, and Visualization, November 16-18, 2004 [0005]
- - Dissertation von Penney [1], ”Registration of Tomographic Images to X-ray Projections for Use in Image Guided Interventions”, King's College London, 2000, Seiten 36 bis 58 und 97 bis 159 [0007] - PhD thesis by Penney [1], "Registration of Tomographic Images to X-ray Projections for Use in Image Guided Intervention", King's College London, 2000, pp. 36 to 58 and 97 to 159 [0007]
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DE102008049569A DE102008049569A1 (en) | 2008-09-30 | 2008-09-30 | Method for image-based motion correction i.e. breathing motion correction, in two-dimensional radioscopy image during medical needle intervention of patients, involves visualizing fluoroscopy images such that images are corrected |
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