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

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 Download PDF

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Abstract

The method involves determining motion of patients in the form of translation and rotation from two-dimensional (2D) images in viewable fluoroscopy images (27) during medical intervention of patients. Virtual elongations of the fluoroscopy images are evaluated for searching processes in different fluoroscopy images or frames. A virtual rotation center (Z) is determined by sectioning of the elongations. The fluoroscopy images together with three-dimensional (3D) images are visualized such that the 3D-images and/or the fluoroscopy images of the evaluated shift are corrected accordingly.

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 A. Oppelt (Hrsg.): Imaging Systems for Medical Diagnostics, Seiten 65 bis 82, Publicis Verlag, Nov. 2005 .In image registration, it must first be determined from which direction a 3-D volume must be projected so that it can be brought into line with the 2-D image. For this purpose, there are various known approaches that are irrelevant to the inventive design of the method. Examples of suitable registration techniques can be found in A. Oppelt (ed.): Imaging Systems for Medical Diagnostics, pages 65 to 82, Publicis Publishing, Nov. 2005 ,

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 5 bis 8 erläutert und dargestellt wird. Die Registrierung muss also nun diesen Atembewegungen angepasst werden. Es existieren in der Literatur, beispielsweise in 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 , beschriebene Ansätze, diese Atembewegung anhand von Informationen in den Fluoroskopiebildern mittels des Trackens bestimmter Strukturen oder Instrumente zu bestimmen und entsprechend auszugleichen.A problem of 2-D / 3-D registration, especially in abdominal applications, such as liver punctures or navigation in the hepatic vasculature, is that the 3-D images are static, ie in a particular respiratory phase However, in the fluoroscopy or fluoroscopy images, the breathing movements are clearly visible, as will be described below with reference to 5 to 8th explained and illustrated. The registration must now be adapted to these breathing movements. They exist in the literature, for example in Rohlfing et al. [2], "Markerless real-time target region tracking: application to frameless stereotactic radiosurgery," in Proceedings of 9th Fall Workshop Vision, Modeling, and Visualization, November 16-18, 2004 described approaches to determine this respiratory movement based on information in the fluoroscopic images by means of the track of certain structures or instruments and compensate accordingly.

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 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 , bekannt.The registration of 3-D images to 2-D X-ray images is for example from the Dissertation by Penney [1], "Registration of Tomographic Images to X-ray Projections for Use in Image Guided Intervention", King's College London, 2000, pp. 36-58 and 97-159 , known.

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 WO 01/01845 A2 ist eine Lokalisierung von Instrumenten beispielsweise mit optischen oder elektromagnetischen Sensoren beschrieben.In the WO 01/01845 A2 is a localization of instruments described for example with optical or electromagnetic sensors.

Bei der US 2008/0027316 A1 geht es um die Anpassung zwischen Maske und Kontrastmittelbild mittels ”Pixel Shift” bei der digitalen Subtraktionsangiographie.In the US 2008/0027316 A1 is about the adaptation between mask and contrast agent image by means of "pixel shift" in digital subtraction angiography.

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.
The object is achieved by the following steps.
  • 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:

1 eine Röntgendiagnostikeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens, 1 an X-ray diagnostic device for carrying out the method,

2 eine Ansicht der Bahn eines Detektors und einer Strahlungsquelle um ein zu untersuchendes Objekt in axialer Blickrichtung, 2 a view of the path of a detector and a radiation source around an object to be examined in the axial direction,

3 eine schematische Darstellung des Brustkorbs zur Veranschaulichung der Atembewegungen, 3 a schematic representation of the ribcage to illustrate the respiratory movements,

4 ein Fluoroskopiebild des Abdomens aus der AP-Projektion bei einer Punktion mit die Bewegungen einer Nadel kennzeichnenden Markierungen, 4 a fluoroscopic image of the abdomen from the AP projection during a puncture with markings indicative of the movements of a needle,

5 das Fluoroskopiebild des Abdomens gemäß 4 mit Markierungen der Nadel und des Punktionsziels, 5 the fluoroscopic image of the abdomen according to 4 with markings of the needle and the puncture target,

6 während einer abdominellen Punktion dieselbe Projektion in verschiedenen Stationen des Atemzyklus und 6 during an abdominal puncture the same projection in different stages of the respiratory cycle and

7 bis 9 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Annahmen über die Atemkorrektur. 7 to 9 a schematic representation of the assumptions according to the invention on the respiratory correction.

In der 1 ist eine Röntgendiagnostikeinrichtung dargestellt, die einen an einem Ständer in Form eines sechsachsigen Industrieroboters oder Knickarmroboters 1 drehbar gelagerten C-Bogen 2 aufweist, an dessen Enden eine Röntgenstrahlungsquelle, beispielsweise ein Röntgenstrahler 3, und ein Röntgenbilddetektor 4 als Bildaufnahmeeinheit angebracht sind.In the 1 an X-ray diagnostic device is shown, the one on a stand in the form of a six-axis industrial robot or articulated robot 1 rotatably mounted C-arm 2 has at its ends an X-ray source, for example an X-ray source 3 , and an X-ray image detector 4 are mounted as an image recording unit.

Mittels des beispielsweise aus der DE 10 2005 012 700 A1 bekannten Knickarmroboters 1, welcher bevorzugt sechs Drehachsen und damit sechs Freiheitsgrade aufweist, kann der C-Bogen 2 beliebig räumlich verstellt werden, zum Beispiel indem er um ein Drehzentrum zwischen dem Röntgenstrahler 3 und dem Röntgendetektor 4 gedreht wird. Das erfindungsgemäße Röntgensystem 1 bis 4 ist insbesondere um Drehzentren und Drehachsen in der Ebene des Röntgenbilddetektors 4 drehbar, bevorzugt um den Mittelpunkt des Röntgenbilddetektors 4 und um den Mittelpunkt des Röntgenbilddetektors 4 schneidende Drehachsen.By means of the example of the DE 10 2005 012 700 A1 known articulated robot 1 , which preferably has six axes of rotation and thus six degrees of freedom, the C-arm 2 be spatially adjusted, for example, by turning around a center of rotation between the X-ray source 3 and the X-ray detector 4 is turned. The X-ray system according to the invention 1 to 4 is in particular about centers of rotation and axes of rotation in the plane of the X-ray image detector 4 rotatable, preferably around the center of the X-ray image detector 4 and around the center of the X-ray image detector 4 cutting axes of rotation.

Der bekannte Knickarmroboter 1 weist ein Grundgestell auf, welches beispielsweise auf einem Boden fest montiert ist. Daran ist drehbar um eine erste Drehachse ein Karussell befestigt. Am Karussell ist schwenkbar um eine zweite Drehachse eine Roboterschwinge angebracht, an der drehbar um eine dritte Drehachse ein Roboterarm befestigt ist. Am Ende des Roboterarms ist drehbar um eine vierte Drehachse eine Roboterhand angebracht. Die Roboterhand weist ein Befestigungselement für den C-Bogen 2 auf, welches um eine fünfte Drehachse schwenkbar und um eine senkrecht dazu verlaufende sechste Rotationsachse rotierbar ist.The well-known articulated robot 1 has a base frame, which is for example fixedly mounted on a floor. It is rotatably mounted about a first axis of rotation a carousel. On the carousel is pivotally mounted about a second axis of rotation a rocker arm, on which is rotatably mounted about a third axis of rotation, a robot arm. At the end of the robot arm, a robot hand is rotatably mounted about a fourth axis of rotation. The robot hand has a fastener for the C-arm 2 which are pivotable about a fifth axis of rotation and about a perpendicular to it de sixth rotation axis is rotatable.

Der Röntgenbilddetektor 4 kann ein rechteckiger oder quadratischer, flacher Halbleiterdetektor sein, der vorzugsweise aus amorphem Silizium (a-Si) erstellt ist.The X-ray image detector 4 may be a rectangular or square semiconductor flat detector, preferably made of amorphous silicon (a-Si).

Der Röntgenstrahler 3 emittiert ein von einem Strahlenfokus seiner Röntgenstrahlungsquelle ausgehendes Strahlenbündel 10, das auf den Röntgenbilddetektor 4 trifft. Das Strahlenbündel 10 ist in 2 angedeutet.The X-ray source 3 emits a beam emanating from a beam focus of its X-ray source 10 pointing to the x-ray image detector 4 meets. The ray bundle 10 is in 2 indicated.

Im Strahlengang des Röntgenstrahlers 3 befindet sich auf einem Patientenlagerungstisch 5 zur Aufnahme beispielsweise eines Herzens ein zu untersuchender Patient 6. An der Rönt gendiagnostikeinrichtung ist eine Systemsteuerungseinheit 7 mit einem Bildsystem 8 angeschlossen, das die Bildsignale des Röntgenbilddetektors 4 empfängt und verarbeitet. Die Röntgenbilder können dann auf einem Monitor 9 betrachtet werden.In the beam path of the X-ray source 3 is located on a patient table 5 for receiving, for example, a heart, a patient to be examined 6 , At the Röntgen gendiagnostikeinrichtung is a system control unit 7 with an image system 8th connected to the image signals of the X-ray image detector 4 receives and processes. The x-rays can then be viewed on a monitor 9 to be viewed as.

Bei der Radiographie oder Fluoroskopie mittels einer derartigen Röntgendiagnostikeinrichtung werden die medizinischen 2-D-Daten des Röntgenbilddetektors 4 im Bildsystem 8 ggf. zwischengespeichert und anschließend auf dem Monitor 9 wiedergegeben.In radiography or fluoroscopy by means of such an X-ray diagnostic device, the medical 2-D data of the X-ray image detector 4 in the picture system 8th if necessary cached and then on the monitor 9 played.

Sollen 3-D-Datensätze nach dem sogenannten DynaCT-Verfahren erstellt werden, 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 der hier bildlich durch seinen Strahlenfokus dargestellte Röntgenstrahler 3 sowie der Röntgenbilddetektor 4 um ein im Strahlengang 10 des Röntgenstrahlers 3 befindliches zu untersuchendes Objekt 11 auf einer Umlaufbahn 12 bewegen. Die Umlaufbahn 12 kann zur Erstellung eines 3-D-Datensatzes vollständig oder teilweise durchfahren werden.If 3-D data sets are to be created according to the so-called DynaCT method, the rotatably mounted C-arm is used 2 with X-ray source 3 and X-ray image detector 4 turned so that, like the 2 schematically shows in plan view of the axis of rotation, the X-ray shown here pictorially by its beam focus 3 as well as the X-ray image detector 4 one in the beam path 10 of the X-ray source 3 located object to be examined 11 in an orbit 12 move. The orbit 12 can be completely or partially traversed to create a 3-D data set.

Der C-Bogen 2 mit Röntgenstrahler 3 und Röntgenbilddetektor 4 bewegt sich dabei gemäß dem DynaCT-Verfahren vorzugsweise um mindestens einen Winkelbereich von 180°, beispielsweise 180° plus Fächerwinkel, und nimmt in schneller Folge Projektionsbilder aus verschiedenen Projektionen auf. Die Rekonstruktion kann nur aus einem Teilbereich dieser aufgenommenen Daten erfolgen.The C-arm 2 with X-ray source 3 and X-ray image detector 4 In this case, according to the DynaCT method, it preferably moves by at least one angle range of 180 °, for example 180 ° plus fan angle, and takes up projection images from different projections in rapid succession. The reconstruction can only take place from a subarea of this recorded data.

Bei dem zu untersuchenden Objekt 11 kann es sich beispielsweise um einen tierischen oder menschlichen Körper aber auch einen Phantomkörper handeln.In the object to be examined 11 it may be, for example, an animal or human body but also a phantom body.

Der Röntgenstrahler 3 und der Röntgenbilddetektor 4 laufen jeweils so um das Objekt 5 herum, dass sich der Röntgenstrahler 3 und der Röntgenbilddetektor 4 auf entgegengesetzten Seiten des Objekts 11 gegenüberliegen.The X-ray source 3 and the X-ray image detector 4 each run around the object 5 around, that's the X-ray 3 and the X-ray image detector 4 on opposite sides of the object 11 are opposite.

Die 3 zeigt eine schematische Darstellung der Annahmen über die Atemkorrektur. Im Brustkorb mit Rippen 13 drücken die Lungenflügel 14 bei der Atmung das Zwerchfell 15 nach unten, das die Bewegung an das Abdomen 16 weitergibt. Die durch den Doppelpfeil 17 gekennzeichnete Atembewegung und die dadurch induzierte, durch Doppelpfeile 18 gekennzeichnete, an das Abdomen 16 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, wie dies noch später beschrieben wird. Vereinfacht kann sie jedoch als Translation in Bildebene mit einer bestimmten Vorzugsrichtung begriffen werden.The 3 shows a schematic representation of the assumptions about the respiratory correction. In the rib cage 13 squeeze the lungs 14 breathing the diaphragm 15 down, that's the movement to the abdomen 16 passes. The by the double arrow 17 characterized respiratory movement and thereby induced by double arrows 18 marked, to the abdomen 16 The respiratory movement that is passed on thus has a clear preferred direction, especially for all X-ray projections along the "diaphragmatic plane", the usual image plane in abdominal interventions. The actual movement visible in the X-ray projection is, of course, much more complex and generally also contains a rotational or distortion component, as will be described later. Simplified, however, it can be understood as translation in the image plane with a certain preferred direction.

In der 4 ist ein Fluoroskopiebild des Abdomens aus der AP-Projektion (senkrecht auf den Bauch des Patienten) bei einer Punktion dargestellt. Bei einer Punktion kann sich die als Strich dargestellte Nadel 19 in den Rippenzwischenräumen nur eingeschränkt mit der Atmung gemäß Doppelpfeil 20 bewegen, im Abdomen selbst aber gemäß Doppelpfeil 21 weitgehend uneingeschränkt, so dass sich dabei eine Rotation 22 ergibt. Die Nadel 19 bewegt sich dabei zwischen den gestrichelten Linien 23 und 23'. Deshalb bewirkt die Atembewegung bezogen auf das Instrument, die Nadel 19, eine Überlagerung von Rotation und Translation. Diese Gesamtbewegung gilt es insbesondere für das potentielle Punktionsziel zu finden und auszugleichen.In the 4 For example, a fluoroscopic image of the abdomen from the AP projection (perpendicular to the patient's abdomen) is shown during a puncture. In a puncture, the needle shown as a bar can 19 in the intercostal spaces only restricted with respiration according to double arrow 20 but in the abdomen itself according to the double arrow 21 largely unrestricted, so doing a rotation 22 results. The needle 19 moves between the dashed lines 23 and 23 ' , Therefore, the respiratory movement related to the instrument causes the needle 19 , a superposition of rotation and translation. This overall movement is to be found and compensated in particular for the potential puncture target.

Die 5 und 6 zeigen während einer abdominellen Punktion dieselbe Projektion in verschiedenen Stationen des Atemzyklus. In 5 sind die Nadel und das Punktionsziel durch Markierungen 24 und 25 gekennzeichnet. Diese Markierungen 24 und 25 sind als Referenzen in 6 eingezeichnet, um den Fehler zu verdeutlichen, der bei der 2-D/3-D-Überlagerung der Nadel 19 und des Punktionszieles 26 durch die Atmungsbewegung entsteht, und damit die durch Atmung bedingte Abweichung bei einer abdominellen Punktion aufzuzeigen. Diese Atembewegung zu bestimmen und auszugleichen ist die eine Aufgabe der Erfindung.The 5 and 6 during an abdominal puncture show the same projection at different stations of the respiratory cycle. In 5 are the needle and the puncture target by markers 24 and 25 characterized. These marks 24 and 25 are as references in 6 drawn to illustrate the error in the 2-D / 3-D overlay of the needle 19 and the puncture target 26 caused by the respiratory movement, and thus to show the respiratory-related deviation in an abdominal puncture. To determine and balance this breathing movement is the one object of the invention.

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 in 3). 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 Doppelpfeile 20, 21 in 4). Deshalb ist die Atembewegung bezogen auf das Instrument eine Überlagerung von Rotation 22 und Translation.
In summary, the following assumptions can be made for this procedure:
  • 1. The respiratory movement is subject to a certain preferred direction. For physiological reasons, this runs along the body axis (see double arrow 17 in 3 ). 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 arrows 20 . 21 in 4 ). Therefore, the respiratory motion related to the instrument is a superposition of rotation 22 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.
The method proposed in [2] is now to
  • • 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 20 und 21 als alleinige Atembewegung interpretiert, ergibt sich für Nadelinterventionen ein Fehler, da die Komponente der Rotation 22 nicht genügend berücksichtigt wird.If the thus determined translation according to the double arrows 20 and 21 interpreted as the sole respiratory movement, there is an error for needle intervention as the component of rotation 22 not enough is considered.

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 7, die ein verrauschtes Durchleuchtungsbild 27 darstellen soll, werden die gegebenen Verhältnisse für die Berechnung zur Bewegungskorrektur näher erläutert. In einem initialen registrierten Zustand 28 von Nadel 19 und Punktionsziel 26 wird der zu trackende Bereich 29 markiert und in einem Suchfenster 30 getrackt. Die so ermittelte Auslenkung wird als Atembewegung interpretiert. Wird das überlagerte Punktionsziel 31 entsprechend verschoben, ergibt sich ein Fehler, da die Rotationskomponente der Templates 32 nicht berücksichtigt wird.Based on 7 that a noisy fluoroscopic image 27 shall represent the given conditions for the calculation of the motion correction in more detail. In an initial registered state 28 from needle 19 and puncture target 26 becomes the area to be tracked 29 marked and in a search window 30 tracked. The deflection thus determined is interpreted as breathing movement. Becomes the overlaid puncture target 31 shifted accordingly, there is an error, since the rotation component of the templates 32 is not considered.

Auch wenn die Rotation des Templates 32 berücksichtigt wird, wie dies in 8 angezeigt ist, und die Überlagerung entsprechend angepasst wird, kann dies zu großen Ungenauigkeiten führen, da eine korrekte Anpassung stark von der korrekten Berechnung dieser Werte abhängt. Dies wird jedoch im Allgemeinen in den mit niedriger Dosis aufgenommenen und deshalb stark verrauschten Fluoroskopiebildern schwierig sein.Even if the rotation of the template 32 is taken into account, as in 8th is displayed, and the overlay is adjusted accordingly, this can lead to large inaccuracies, since a correct adaptation depends strongly on the correct calculation of these values. However, this will generally be difficult in the low dose and therefore highly noisy fluoroscopic images.

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 9 dargestellte Atemkorrektur verläuft dann wie folgt:The prerequisite for the method according to the invention with the extension of the respiratory correction for needle interventions is a 3-D data record registered for the two-dimensional fluoroscopy image, which has been created either as a native or as a 3-D angiography data set. The example in 9 illustrated respiratory correction then proceeds as follows:

  • 1) Der Arzt markiert auf dem (stehenden) Fluoroskopiebild oder Durchleuchtungsbild 27 einen Bereich 29, von dem er aus seiner physiologischen Erfahrung weiß, dass er sich synchron zur Atmung bewegt, z. B. a. (bevorzugt) ein Teil der bereits im Fluoroskopiebild 27 sichtbaren Nadel 19 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 image 27 an area 29 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 Fluoroskopiebild 27 visible needle 19 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 Bereiche 32, beispielsweise gemäß den Methoden des in [2] beschriebenen Region Trackings, wieder gefunden. Die gefundene Bewegung wird eventuell auf eine bekannte Vorzugsrichtung (siehe Doppelpfeil 17 in 3) eingeschränkt.2) The doctor continues with his procedure. In the subsequently recorded fluoroscopic images 27 and sequences become the marked areas 32 , 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 arrow 17 in 3 ).
  • 3) Für jeden Suchvorgang S(j) eines Template 32 im 2-D-Bild oder Frame F(i) werden gegenüber dem initialen Zustand 28 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 Nadel 19 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 template 32 in the 2-D image or frame F (i) are compared to the initial state 28 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 needle 19 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 point 4 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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  • [2] T. Rohlfing, J. Denzler, D. B. Russakoff, C. Gräßl, and C. R. Maurer, Jr., ”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. Stanford, CA, B. Girod, M. Magnor, and H.-P. Seidel, Eds., Berlin, Germany, 2004, pp. 5–12, Infix, Akademische Verlagsgesellschaft Berlin .[2] T. Rohlfing, J. Denzler, DB Russakoff, C. Grässl, and CR Maurer, Jr., "Markerless real-time target region tracking: application to frameless stereotactic radiosurgery," in Proceedings of 9th Case Workshop Vision, Modeling, and Visualization , Nov. 16-18, 2004. Stanford, CA, B. Girod, M. Magnor, and H.-P. Seidel, Eds., Berlin, Germany, 2004, pp. 5-12, Infix, Akademische Verlagsgesellschaft Berlin ,

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • - 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]

Claims (12)

Korrekturverfahren zur Bewegungskorrektur in einem zweidimensionalen Durchleuchtungsbild bei der Bildgebung während einer medizinischen Intervention eines Patienten mit folgenden Schritten: a) Prä-interventionelle Aufzeichnung eines tomographischen 3-D-Bildes eines Zielbereiches der Intervention, b) Aufzeichnung eines 2-D-Bildes (27) des Zielbereiches und Registrierung mit dem 3-D-Bild während der Intervention, c) Markierung im 2-D-Bild (27) eines Bereichs mit sichtbaren Bildmerkmalen von sich bewegenden Strukturen (19, 27, 31), d) Bestimmung während der Intervention in weiteren, aus der gleichen Projektion aufgenommenen 2-D-Bildern (F(i)) aus diesen sichtbaren Bildmerkmalen (19, 27, 31) der Bewegung des Patienten in Form sowohl einer Translation (T(i)) als auch einer Rotation (R(i)), e) Berechnung einer virtuellen Verlängerung (L(i)) der sichtbaren Bildmerkmale für mehrere Suchvorgänge S(j) in verschiedenen 2-D-Bildern (27) oder Frames F(i), f) Ermittlung eines virtuellen Rotationszentrums (Z) durch Schnitt der virtuellen Verlängerungen L(i), g) Berechnung mit den in jedem neuen Suchvorgang S(j) ermittelten Größen T(j) und R(j) über das virtuelle Rotationszentrum (Z) als zusätzlichen ”Stützpunkt” einer Verschiebungskorrektur und h) Visualisierung der 2-D-Bilder (27) gemeinsam mit dem 3-D-Bild, wobei die 3-D-Bilder und/oder 2-D-Bilder (27) der errechneten Verschiebung entsprechend korrigiert werden.Correction method for motion correction in a two-dimensional fluoroscopic image during imaging during a medical intervention of a patient comprising the following steps: a) pre-interventional recording of a tomographic 3-D image of a target area of the intervention, b) recording of a 2-D image ( 27 ) of the target area and registration with the 3-D image during the intervention, c) marking in the 2-D image ( 27 ) of a region with visible image features of moving structures ( 19 . 27 . 31 ), d) determination during the intervention in further 2-D images (F (i)) taken from the same projection from these visible image features ( 19 . 27 . 31 ) of the movement of the patient in the form of both a translation (T (i)) and a rotation (R (i)), e) calculation of a virtual extension (L (i)) of the visible image features for several searches S (j) in FIG different 2-D images ( 27 ) or frames F (i), f) determination of a virtual center of rotation (Z) by intersection of the virtual extensions L (i), g) calculation with the variables T (j) and R (j) determined in each new search operation S (j) ) via the virtual rotation center (Z) as an additional "vertex" of a displacement correction and h) visualization of the 2-D images ( 27 ) together with the 3-D image, wherein the 3-D images and / or 2-D images ( 27 ) of the calculated displacement are corrected accordingly. Korrekturverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gefundene Bewegung auf eine Vorzugsrichtung eingeschränkt wird.Correction method according to claim 1, characterized that the movement found restricted to a preferred direction becomes. Korrekturverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die markierten Bereiche in den aufgenommenen Fluoroskopiebildern und -sequenzen mit Methoden des Region Trackings wiedergefunden werden.Correction method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the marked areas in the recorded fluoroscopic images and sequences using methods be recovered from the region tracking. Korrekturverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schätzung des virtuellen Rotationszentrums durch ein ”Kleinste Quadrate Problem” gelöst wird.Correction method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the estimate of the virtual Rotation center solved by a "least squares problem" becomes. Korrekturverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als zu verfolgende Bereiche gemäß Schritt c) ein Teil der bereits im Fluoroskopiebild sichtbaren Nadel (19) markiert wird.Correction method according to one of claims 1 to 4, characterized in that as areas to be tracked in accordance with step c) a part of the needle already visible in the fluoroscopic image ( 19 ) is marked. Korrekturverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als zu verfolgende Bereiche gemäß Schritt c) eine entsprechende anatomische Region markiert wird.Correction method according to one of claims 1 to 5, characterized in that as to be tracked areas according to step c) a corresponding anatomical Region is highlighted. Korrekturverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als zu verfolgenden Bereiche gemäß Schritt c) ein zu diesem Zwecke ein-, oder aufgebrachter spezieller Marker Verwendung findet.Correction method according to one of claims 1 to 6, characterized in that as to be tracked areas according to step c) one for this purpose, or applied special marker is used. Korrekturverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung der zu verfolgenden Bereiche gemäß Schritt c) mit den sich mit der Atmung bewegenden Bildmerkmalen manuell durchgeführt wird.Correction method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the marking of the pursued Areas according to step c) with the Breathing moving image features is performed manually. Korrekturverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung der zu verfolgenden Bereiche gemäß Schritt c) mit den sich mit der Atmung bewegenden Bildmerkmalen automatisch erkannt und verfolgt wird.Correction method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the marking to be followed Areas according to step c) with the Breathing moving image features automatically detected and tracked becomes. Korrekturverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die 3-D-Bilder und/oder 2-D-Bilder (27) der errechneten Verschiebung entsprechend gemäß Merkmal h) in Echtzeit korrigiert werden.Correction method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the 3-D images and / or 2-D images ( 27 ) of the calculated displacement corresponding to feature h) are corrected in real time. Korrekturverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die prä-interventionelle Aufzeichnung eines tomographischen 3-D-Bildes gemäß Schritt a) aus CT-, Angiographie- oder MR-Sequenzen erfolgt.Correction method according to one of the claims 1 to 10, characterized in that the pre-interventional Recording a tomographic 3-D image according to step a) from CT, angiography or MR sequences. Korrekturverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zum zweidimensionalen Durchleuchtungsbild registrierter 3-D-Datensatz als nativer oder als 3-D-Angiographie-Datensatz erstellt worden ist.Correction method according to one of the claims 1 to 11, characterized in that the two-dimensional Fluoroscopy image registered 3-D dataset as native or has been created as a 3-D angiography record.
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