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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines 3D-Bilddatensatzes eines
Körpers,
der ein für
Röntgenstrahlung
undurchlässiges
Objekt enthält.
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Zur
medizinischen Diagnostik werden mittels einer Röntgeneinrichtung, wie beispielsweise
eines Computertomographen, 2D-Bilder
eines Körpers,
z. B. eines Arms eines Patienten aufgenommen. Enthält ein solcher
Körper
für Röntgenstrahlung
undurchlässige
Objekte, beispielsweise Metallobjekte wie Schrauben oder künstliche
Gelenke, entstehen im 2D-Bild Artefakte. Die in dem zu untersuchenden Körper vorhandenen
Metallobjekte blockieren die Röntgenstrahlung
teilweise so stark, dass im erzeugten Röntgenbild – in Blick- bzw. Strahlrichtung
der Röntgenquelle – keine
Information über
die Bereiche vor und hinter dem Metallobjekt enthalten ist. Somit ist
die Bildinformation bereits in den aufgenommenen 2D-Bildern unvollständig bzw.
fehlerhaft.
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Wird,
wie es z. B. bei der Computertomographie der Fall ist, aus mehreren
solchen, aus verschiedenen Blickrichtungen aufgenommenen 2D-Bildern eines
Körpers
ein 3D-Bilddatensatz rekonstruiert, der das Volumen des Körpers beschreiben
soll, pflanzen sich die Fehler von den 2D-Bildern in den 3D-Bilddatensatz fort.
So treten z. B. Schattenräume
hinter dem bzw. wenn mehrere Metallobjekte vorhanden sind, auch
zwischen diesen auf, da für
diese Bereiche weniger 2D-Informationen zur Verfügung stehen. Auf Grund von
Strahlaufhärtung,
Rauschen, Streuung und ähnlicher
weiterer Effekte entstehen sonstige Artefakte wie Verzerrungen oder
strahlenförmige Linien.
Der 3D-Bilddatensatz und insbesondere dessen Wiedergabe des Körpers ist
also teilweise unvollständig
und ist mit Fehlern behaftet.
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Bisher
wurden bei der Computertomographie die Metallkörper im Sinogramm der Aufnahmen ausgeblendet,
d. h. die auf Grund des Metalls fehlerhafte Information wurde durch
lineare Interpolation im Sinogramm aus den Nebenbereichen ersetzt. Ebenso
wurde bei Schichtröntgen-CT-Geräten die fehlerhafte
Information in die aufgenommenen Daten linear interpoliert.
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Für aus 2D-Bildern
rekonstruierte 3D-Bilddatensätze
existiert jedoch kein Verfahren, das durch Metallartefakte hervorgerufene
fehlerhafte Informationen korrigiert.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren
zum Erzeugen eines 3D-Bilddatensatzes eines Körpers anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst mit einem Verfahren zum
Erzeugen eines 3D-Bilddatensatzes eines Körpers, der ein für Röntgenstrahlung
undurchlässiges
Objekt, insbesondere aus Metall enthält, mit folgenden Schritten:
In
einem ersten Schritt a) werden, wie bei aus dem Stand der Technik
bekannten Verfahren, mittels einer Röntgeneinrichtung aus verschiedenen
Blickrichtungen erste 2D-Bilder des Körpers einschließlich des Objekts
erzeugt. Diese 2D-Bilder zeigen jeweils eine zweidimensionale Projektion
des Körpers
aus der entsprechenden Blickrichtung und weisen aus den oben beschriebenen
Gründen
Artefakte auf und sind somit in bestimmten Bereichen unvollständig, weil durch
das Objekt bedingt Informationen fehlen.
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Aus
den ersten 2D-Bildern wird im nächsten Schritt
b) ein 3D-Bilddatensatz
rekonstruiert, d. h. aus den in den 2D-Bildern enthaltenen Informationen
der unterschiedlichen Blickrichtungen werden 3D-Bilddaten berechnet
und in einem 3D-Datensatz abgelegt, der das dreidimensionale Volumen
des Körpers
beschreibt. Diese Berechnung erfolgt auf bisher bekannte Art und
Weise. Jedoch sind auch diese 3D-Bilddaten in gewisser Weise mit
Fehlern behaftet, da die zu Grunde liegende Information der 2D-Bilder bereits
unvollständig
war.
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Erfindungsgemäß wird in
einem nächsten Schritt
c) in jedem ersten 2D-Bild ein fehlerbehafteter Korrekturbereich
gesucht. Der Korrekturbereich ist also der Bereich, in dem Informationen
bezüglich
des Körpers
und des Objekts fehlen.
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Dieser
Korrekturbereich umfasst den jeweiligen Bereich eines 2D-Bildes,
der aus dem Bereich des Objekts selbst und den in Blickrichtung
vor und hinter dem Objekt liegenden Bereichen, also den Schattenbereichen,
gebildet wird. Dieser Bereich ist deshalb fehlerhaft, da in ihm
keine für
die 3D-Rekonstruktion verwertbare Information vorhanden ist.
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Im
Schritt d) des Verfahrens wird ein entsprechender Schritt nun im
3D-Bilddatensatz durchgeführt,
indem in diesem ein eine Röntgenstrahlabbildung
verfälschender
3D-Bereich gesucht wird. Ein solcher Bereich ist der Bereich der
3D-Bilddaten, welcher das Objekt repräsentiert, da dieses Röntgenstrahlung
blockiert, streut oder ablenkt.
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Ist
dieser Bereich gefunden, so werden im Schritt e) in diesem 3D-Bereich
die 3D-Bilddaten durch Modelldaten eines für Röntgenstrahlen durchlässigen Mediums,
vorzugsweise Wasser ersetzt.
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Im
Schritt f) wird nun zu jedem ersten 2D-Bild, das einen Korrekturbereich
enthält,
ein zweites 2D-Bild erzeugt. Dies erfolgt durch Projektion der in
Schritt e) erzeugten 3D-Bilddaten,
also der 3D-Bilddaten mit den eingefügten Modelldaten, in der zugehörigen Blickrichtung,
aus der das betrachtete korrespondierende erste 2D-Bild aufgenommen
wurde. Auch diese zweiten 2D-Bilder sind zwar mit Fehlern behaftet,
es sind aber in ihnen zusätzliche
Informationen über
den Bereich – in
Blickrichtung gesehen – vor
und hinter dem Objekt vorhanden, über den bisher gar keine Informationen
vorlagen. Diese Informationen konnten bei der Projektion der 2D-Bilder aus
dem 3D-Datensatz erzeugt werden, da der 3D-Datensatz keine für Röntgenstrahlen
undurchlässige
Objekte enthält.
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Im
Schritt g) werden nun ausschließlich
die Korrekturbereiche in den ersten 2D-Bildern durch die 2D-Bilddaten
der entsprechenden Bereiche der zweiten 2D-Bilder ersetzt. Die 2D-Bilddaten aller übrigen Bereiche
der ersten 2D-Bilder bleiben also unverändert. Es bleiben somit die
fehlerfreien Informationen des Körpers
in den ersten 2D-Bildern unangetastet, während die vorher abgeschatteten
Korrekturbereiche durch neu gewonnene Informationen ersetzt werden.
Es werden also sowohl – in
Blickrichtung gesehen – in
den Bereichen vor als auch hinter dem Metallobjekt neue Informationen
in das erste 2D-Bild eingefügt, wo bisher
Informationen gefehlt haben. Es wurde somit eine verbesserte Grundlage
für den nächsten Schritt
h) geschaffen, in dem nun aus den mit den neu gewonnenen Informationen
versehenen und somit modifizierten ersten 2D-Bildern der 3D-Bilddatensatz
auf herkömmliche
Art und Weise erneut rekonstruiert wird. Da als Ausgangsbasis die verbesserten
ersten 2D-Bilder dienen, die im Korrekturbereich die im Schritt
g) hinzugefügten
zusätzlichen
Informationen, in den übrigen
Bereichen aber die ursprünglichen
Informationen enthalten, ergibt sich für den rekonstruierten 3D-Datensatz ein Informationsgewinn,
der sich dadurch ausdrückt,
dass das dadurch beschriebene 3D-Volumen realitätsnäher ist.
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Als
letzter Schritt i) werden dann in den 3D-Bereich des 3D-Bilddatensatzes anstelle
des für Röntgenstrahlen
durchlässigen
Mediums die ursprünglichen
3D-Bilddaten des für
die Röntgenstrahlung
undurchlässigen
Objekts wieder eingefügt.
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Im
vorstehend beschriebenen Verfahren wurde bei den verschiedenen Verfahrensschritten auf
bisher bestehende Datensätze
zurückgegriffen und
die darin enthaltenen Daten unmittelbar geändert. Je nach Implementierung
ist es aber auch denkbar, dass in solchen Fällen zunächst eine Kopie des bisherigen
Datensatzes angelegt wird und mit dieser Kopie weitergearbeitet
wird, so dass der Ursprungsdatensatz erhalten bleibt.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
wird also erreicht, dass Abbildungsinformation von vor und hinter
einem für
Röntgenstrahlung
undurchlässigen
Objekt liegenden Körperbereichen
bei der Rekonstruktion der 3D-Bilddaten berücksichtigt wird. Da durch die
Korrektur nur ein Teil der ersten 2D-Bilddaten, nämlich nur
diejenigen des Korrekturbereichs, verändert werden, während der
restliche Bereich gleich bleibt, wird die Auflösung innerhalb des 3D-Bilddatensatzes
nicht negativ beeinträchtigt, während jedoch
die Artefakte entfernt werden.
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Die
grundsätzliche
Idee des vorliegenden Verfahrens liegt darin, die fehlende Information
durch generierte Daten, die aus dem zumindest fehlerbehafteten rekonstruierten
3D-Bilddatensatz
abgeleitet werden, zu ersetzen, um damit erweiterte 2D-Bilder zu
erhalten, die dann nach einer weiteren Rekonstruktion verbesserte
3D-Bilddaten liefern. Mit anderen Worten: Aus dem betrachteten Körper wird
das Objekt im rekonstruierten 3D-Bilddatensatz virtuell entfernt
und durch für
Röntgenstrahlen
durchlässige Modelldaten
ersetzt. Aus diesem 3D-Bilddatensatz werden nun virtuelle zweite
2D-Bilder erzeugt, die zumindest annähernd der Durchleuchtung des
Körpers bei
entferntem Objekt entsprechen und so neu gewonnene Informationen über den
Korrekturbereich enthalten. Diese neu gewonnenen Informationen werden
nun in die ursprünglichen
2D-Bilder eingefügt. Die
damit erzeugten 2D-Bilder stellen ein gegenüber den ursprünglichen
2D-Bildern verbessertes Zwischenprodukt dar, weil sie mit den zusätzlichen Informationen
den realen Gegebenheiten näher
kommen. Sie dienen dann als verbesserte Grundlage für die erneute
Erzeugung eines 3D-Bilddatensatzes, der
folglich auch gegenüber
einem 3D-Datensatz, der
ausschließlich
aus den ursprünglichen
2D-Bilder rekonstruiert
ist, verbessert ist.
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Eine
Verbesserung des Verfahrens ergibt sich, wenn in Schritt e) zusätzlich durch
das Objekt verursachte sonstige Artefakte, wie beispielsweise Strahlen,
behoben werden. Dies kann durch passende Filtermethoden, wie beispielsweise
eine Glättung geschehen.
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Eine
weitere Verbesserung der Qualität
der Korrektur ergibt sich, wenn die Schritte f) bis h) des Verfahrens
mehrfach durchlaufen werden. Durch ein solches iteratives Vorgehen
werden die ursprünglich fehlenden
Informationen im Korrekturbereich weiter verbessert und der 3D-Bilddatensatz
bildet den Körper
realistischer ab.
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Die
Genauigkeit des Verfahrens wird zusätzlich gesteigert, wenn zwischen
Schritt f) und g) erste und zweite 2D-Bilder außerhalb des Korrekturbereiches
in Deckung gebracht werden. Dadurch werden beispielsweise die Verwindungen
eines C-Bogens, die
eine Unschärfe
des Bildes nach sich ziehen und die Korrekturen behindern, aus den
aufgenommenen 2D-Bildern mit Hilfe eines Algorithmus korrigiert.
Mit Hilfe dieser Korrektur werden also Abweichungen, die durch in
der Praxis auftretende Änderungen
in der Geometrie der Röntgeneinrichtung
hervorgerufen werden und nicht in den Algorithmen für die Projektion
oder Rekonstruktion enthalten sind, wieder eliminiert, so dass die
ersten und zweiten 2D-Bilder passgenau zusammen gesetzt werden können.
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Bevorzugterweise
wird das erfindungsgemäße Verfahren
auf ein metallisches Objekt angewendet, weil dadurch eine totale
Abschattung der Korrekturbereiche erfolgt.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
werden in Schritt e) die 3D-Bilddaten durch Modelldaten von Wasser
ersetzt, da der Großteil
des menschlichen Körpers
aus Wasser besteht und die medizinischen Geräte z. B. hinsichtlich ihrer Strahlungsintensität darauf
eingestellt sind, mit Wasser umgehen zu können.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele
der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Skizze einer Röntgeneinrichtung
und eines zu untersuchenden Körpers,
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2 ein
Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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3 ein
Schnitt durch ein 3D-Volumen mit einem Körper einschließlich eines
Objekts und durch dieses hervorgerufene sonstige Artefakte.
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1 zeigt
eine Röntgeneinrichtung 2,
die eine Röntgenquelle 4 sowie
einen Röntgendetektor 6 umfasst.
Zwischen Röntgenquelle 4 und
Röntgendetektor 6 ist
ein zu untersuchender Körper 8,
z. B. der Arm eines Patienten, angeordnet, der in seinem Inneren
ein für
Röntgenstrahlung
undurchlässiges
Objekt 10, wie beispielsweise eine Metallschraube, enthält. Röntgenquelle 4 und
Röntgendetektor 6 sind
ortsveränderlich
und somit in weitere Positionen bewegbar, wie es durch die gestrichelten
Linien angedeutet ist, so dass ein Körper 8 aus unterschiedlichen
Blickrichtungen 12 betrachtet werden kann.
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Gemäß 2 werden
nach dem Start des Verfahrens in Schritt a) mittels der Röntgeneinrichtung 2 aus
verschiedenen Blickrichtungen 12 erste 2D-Bilder des Körpers 8 einschließlich des
Objekts 10 erzeugt. Es liegen danach eine Vielzahl von
ersten 2D-Bildern vor, die jeweils eine Projektion des Körpers 8 aus
der entsprechenden Blickrichtung 12 darstellen. Auf zumindest
einigen dieser 2D-Bildern sind außer den Informationen über den
Körper 8 auch
Informationen über
das innerhalb des Körpers 8 befindliche
Objekt 10 vorhanden. Da jedoch die Röntgenstrahlung durch dieses
Objekt 10 nicht hindurchdringen kann, können über Bereiche, die von der Röntgenquelle 4 in
Blickrichtung 12 gesehen sowohl vor als auch hinter dem
Objekt 10 liegen, keine Informationen gewonnen werden,
da sich hier ein sogenannter Schattenraum bildet.
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Im
Schritt b) wird aus den gewonnenen ersten 2D-Bildern ein 3D-Bilddatensatz
rekonstruiert, der das dreidimensionale Volumen des Körpers 8 beschreibt.
Da bereits die ersten 2D-Bilder
entsprechende fehlerhafte Informationen aufweisen, weist auch der
daraus gewonnene 3D-Bilddatensatz fehlerhafte Informationen auf.
Diese fehlerhaften Informationen werden jedoch mit dem folgenden
erfindungsgemäßen Verfahren
weitestgehend beseitigt.
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Dazu
wird in einem weiteren Schritt c) in jedem ersten 2D-Bild ein Korrekturbereich
des Objekts gesucht. Dieser Korrekturbereich umfasst den jeweiligen
Bereich eines 2D-Bildes, der aus dem Objekt 10 und den
in Blickrichtung 12 vor und hinter dem Objekt 10 liegenden
Bereichen gebildet wird. Ein entsprechender Schritt d) wird nun
auch in dem in Schritt b) gewonnenen 3D-Bilddatensatz durchgeführt. Hierbei wird
der 3D-Bereich gesucht, der der Ortsposition des Objekts 10 entspricht.
Es wird also der dreidimensionale Bereich innerhalb des rekonstruierten Körpers gesucht,
der das gesuchte Objekt 10 darstellt. Ist dieser Bereich
gefunden, so werden im Schritt e) in diesem 3D-Bereich die bisher
vorhandenen 3D-Bilddaten
durch Modelldaten eines für
Röntgenstrahlen
durchlässigen
Mediums, wie beispielsweise Wasser, ersetzt. Somit wird das Objekt 10 virtuell
aus dem Körper 8 entfernt,
so dass dieser Bereich für
die anschließenden
Verfahrensschritte „durchsichtig” ist.
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Im
Schritt f) wird nun zu jedem ersten 2D-Bild, das einen im Schritt
c) identifizierten Korrekturbereich enthält, ein zweites 2D-Bild erzeugt.
Dabei werden die in Schritt e) mit den eingefügten Modelldaten erzeugten
3D-Bilddaten in der zugehörigen Blickrichtung 12,
aus der das betrachtete erste 2D-Bild
aufgenommen wurde, wieder auf eine Ebene projiziert. Diese zweiten
2D-Bilder erhalten nun neu gewonnene Informationen in dem Bereich,
der vor und hinter dem ursprünglichen
Objekt 10 liegt, da das für Röntgenstrahlen undurchlässige Objekt 10 durch Modelldaten
ersetzt wurde, die für
Röntgenstrahlen durchlässig sind
und somit bei der Projektion des 3D-Bilddatensatzes keine Schattenräume mehr
auftreten können.
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Im
Schritt g) werden nun die Daten der ersten 2D-Bilder sowie der zweiten
2D-Bilder zusammengefügt.
Es werden jedoch ausschließlich
die 2D-Bilddaten des Korrekturbereichs der ersten 2D-Bilder durch
die 2D-Bilddaten der entsprechenden Bereiche der zweiten 2D-Bilder
ersetzt. Somit bleiben sämtliche
2D-Bilddaten der übrigen Bereiche der
ersten 2D-Bilder unverändert.
Es werden also die fehlerfreien Informationen in den ersten 2D-Bildern konserviert,
während
die fehlenden Informationen des Korrekturbereichs durch die neu
gewonnenen Informationen der zweiten 2D-Bilder ersetzt werden.
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Im
Schritt h) wird aus den nun verbesserten ersten 2D-Bildern ein neuer
3D-Bilddatensatz auf herkömmliche
Art und Weise rekonstruiert. Weil als Ausgangsbasis der Rekonstruktion
gegenüber
den ursprünglich
aufgenommenen ersten 2D-Bildern nun verbesserte 2D-Bilder dienen,
weil sie zusätzliche
Informationen über
den Korrekturbereich enthalten, ist auch der rekonstruierte 3D-Bilddatensatz
verbessert. Da dieser 3D-Bilddatensatz
an der Stelle des Objektes noch die Modelldaten von Wasser enthält, werden
im letzten Schritt i) anstelle dieser Modelldaten die ursprünglichen
3D-Bilddaten des Objekts 10 wieder eingefügt, womit
das Verfahren beendet ist.
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In
der Praxis ist die Blickrichtung 12 zur Aufnahme der ersten
2D-Bilder beispielsweise durch eine Verwindung des C-Bogens verändert und
weicht dadurch von der in den Algorithmen zur Rekonstruktion und
Projektion implementierten fehlerfrei angenommenen Blickrichtung 12 ab.
Eine Verbesserung des Verfahrens ergibt sich, wenn erste und zweite 2D-Bilder
außerhalb
des Korrekturbereiches in Deckung gebracht werden. Hierzu ist ein
Korrekturverfahren notwendig, dass zunächst die Schritte k) und l)
umfasst, die in 2 gestrichelt dargestellt sind. Bei
diesem Korrekturverfahren werden ausgehend von dem in Schritt b)
erzeugten 3D-Bilddatensatz im Schritt k) durch entsprechende Projektion
dritte 2D-Bilder erzeugt. Diese dritten 2D-Bilder müssten idealerweise
mit den ursprünglichen
ersten 2D-Bildern übereinstimmen,
tun dies in der Praxis aus den oben dargelegten Gründen aber
nicht. Im Schritt l) werden daher die ersten sowie die dritten 2D-Bilder miteinander
abgeglichen und daraus ein Korrekturwert errechnet, der eine entsprechende
Verschiebung oder Verdre hung bewirkt, so dass die jeweiligen 2D-Bilder
zur Deckung gebracht werden. Mit anderen Worten: Es wird die reale
Blickrichtung 12 ermittelt, die tatsächlich für die ersten 2D-Bilder verwendet wurde.
Dieser Korrekturwert wird dann nach Schritt f) auf die erzeugten
2D-Bilder angewandt, so dass die Genauigkeit erhöht wird, mit der die ersten
2D-Bilder und zweiten 2D-Bilder im Schritt g) zusammengefügt werden.
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In 3 ist
beispielhaft ein Schnittbild 14 durch ein 3D-Volumen dargestellt,
das aus einem 3D-Bilddatensatz gebildet wurde, der wiederum aus ersten
2D-Bildern rekonstruiert wurde. Es zeigt einen Körper 8 mit einem Objekt 10.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden in Schritt
e) zusätzlich
zum Ersetzen der 3D-Bilddaten durch Modelldaten von Wasser innerhalb
des 3D-Bereiches auch sonstige Artefakte 16 um das Objekt 10 herum, wie
beispielsweise die in 3 dargestellten Strahlen, behoben.
Dies geschieht durch geeignete Filtermethoden, wie z. B. Glättung. Es
werden somit für
die folgenden Schritte weiter verbesserte 3D-Bilddaten zur Verfügung gestellt.
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- 2
- Röntgeneinrichtung
- 4
- Röntgenquelle
- 6
- Röntgendetektor
- 8
- Körper
- 10
- Objekt
- 12
- Blickrichtung
- 14
- Schnittbild
- 16
- Artefakt