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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von 3D-Bilddaten eines Körpers mittels Durchleuchtung,
wobei der Körper
zumindest ein für die
Durchleuchtung nahezu undurchlässiges
Objekt enthält.
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Zur
medizinischen Diagnostik werden mittels Durchleuchtung, also beispielsweise
optisch, akustisch, elektromagnetisch oder unter Verwendung von Röntgenstrahlung
2D-Bilder eines Körpers,
z. B. eines Fußes
eines Patienten aufgenommen. Im vorliegenden Fall gilt, dass der
genannte für
die Durchleuchtung undurchlässige
oder wenig durchlässige Objekte,
beispielsweise Metallobjekte, wie Platten, Schrauben oder künstliche
Gelenke enthält.
Diese Objekte verursachen in den 2D-Bildern Abschattungen für Bildanteile
des Körpers
in Blick- bzw. Strahlrichtung der Röntgenquelle.
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Bei
der Cone-Beam Bildgebung oder ähnlichen
Verfahren werden zunächst
mehrere 2D-Bilder aus verschiedenen Blickrichtungen aufgenommen. Diese
2D-Bilder enthalten zusätzlich
zur Abbildung des Körpers
jeweils als Projektion des Objekts ein Objektbild. Da diese 2D-Bilder
jedoch auch die durch das Objekt verursachten Abschattungen enthalten, weisen
die daraus rekonstruierten 3D-Bilddaten Störungen auf. Diese Störungen erschweren
dann häufig
eine genaue Auswertung der 3D-Bilddaten. Beispielsweise ist dann
eine Überprüfung der
exakten Lage von Implantaten im Körper eines Patienten schwierig
oder sogar unmöglich.
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Um
derartige Störungen
zu reduzieren sind bisher mehrere Verfahren bekannt. In einem ersten Verfahren
wird das Objektbild direkt in den 2D-Bildern segmentiert und werden
die in diesem Bereich vorhandenen Bilddaten modifiziert. Die Modifikation dieser
Daten geschieht beispielsweise durch lineare Interpolation der in
dem Randbereich zum Objektbild auftretenden Bilddaten. Aus diesen
modifizierten 2D-Bildern werden schließlich 3D-Bilddaten rekonstruiert,
bei denen das Auftreten von Störungen
reduziert ist. Nachteilig bei dieser Methode ist jedoch, dass in
den 2D-Bildern das Objektbild und somit der Bereich, in dem die
Bilddaten modifiziert werden, nicht genau bestimmt werden kann,
da beispielsweise häufig
Metalle schlecht von anderen röntgendichten
Stoffen wie Knochen abgegrenzt werden können.
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Bei
einem anderen Verfahren werden zunächst aus den aufgenommenen
und unveränderten 2D-Bildern
3D-Bilddaten rekonstruiert. Danach wird in diesen 3D-Bilddaten das
Objekt segmentiert und anschließend
der segmentierte Bereich in die 2D Bilder zurückprojiziert. In den einzelnen
2D-Bildern werden dann die entsprechenden Bereiche, nämlich die Objektbilder,
wie oben beschrieben modifiziert, also durch Näherungen ersetzt. Danach werden
aus den 2D-Bildern wiederum 3D-Bilddaten rekonstruiert. Dieses Verfahren
kann auch iterativ mehrfach wiederholt werden. Auch diese Methode
hat den Nachteil, dass die Segmentierung des Objektes in den 3D-Bilddaten
nicht vollständig
korrekt ist.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erzeugen
von 3D-Bilddaten eines Körpers
anzugeben, bei dem die genannten Nachteile vermieden werden.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
durch ein Verfahren zum Erzeugen von 3D-Bilddaten eines Körpers mittels
Durchleuchtung gemäß Patentanspruch
1. Demnach enthält
der Körper
zumindest ein für
die Durchleuchtung wenig bzw. nahezu undurchlässiges Objekt. Das Verfahren
weist die folgenden Schritte auf:
In einem ersten Schritt a)
werden in bekannter Weise mittels Durchleuchtung aus verschiedenen
Blickrichtungen 2D-Bilder des Körpers
erzeugt, die als Projektion des Objektes zumindest ein Objektbild
enthalten. Beispielsweise handelt es sich bei dem Objekt um ein Implantat.
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In
einem nächsten
Schritt b) wird zu dem Objekt ein 3D-Modell gewählt, das aus Daten besteht, welche
das Objekt beschreiben. Derartige Modelle von Objekten wie Implantaten
und Zubehörteilen können beispielsweise
direkt aus einer Datenbank entnommen werden. Weitere Daten können sich
aus einer OP-Planung
oder einer navigierten Anwendung ergeben. Es ist dabei sogar möglich, dass
auch eine relative Zuordnung von mehreren Einzelteilen, wie etwa
einer Schraube in einem Verriegelungsnagel, bekannt ist.
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Im
Schritt c) wird dann zu jedem Objektbild ein die Projektion des
Modells auf das 2D-Bild darstellendes Modellbild ermittelt. Dies
bedeutet, dass in derselben Aufnahmegeometrie, in der das zugehörige 2D-Bild
ermittelt wurde, ein entsprechendes Abbild des Modells erzeugt wird.
Somit wird ein röntgenähnliches
Abbild des Modells erstellt. Das Modellbild wird dann in das zugehörige Objektbild
eingepasst, indem dieses weitestgehend bzw. so gut wie möglich mit
dem Objektbild in Deckung gebracht wird.
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Im
Schritt d) werden dann die vorhandenen Bilddaten im Bereich des
Modellbildes modifiziert. Dies geschieht z. B. durch Subtraktion
der logarithmierten Modellbild-Pixelwerte von den logarithmierten
Objektbild-Pixelwerten.
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Aus
diesen modifizierten 2D-Bildern werden dann auf herkömmliche
Art und Weise verbesserte 3D-Bilddaten rekonstruiert.
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Da
die Ermittlung des Bereiches, in dem die vorhandenen Bilddaten modifiziert
werden, anhand von exakten Geometriedaten der bekannten Modelle erfolgt,
werden die oben genannten Nachteile vermieden. Beispielsweise wird
bei der Auswahl dieses Bereiches eine Verwechslung mit dichtem Knochengewebe
ausgeschlossen. Die tatsächlichen
Geometrieinformationen des Modells erlauben also eine exakte Identifizierung
des Objektbildes in den entsprechenden 2D-Bildern, wodurch bei der
anschließenden
Rekonstruktion der 3D-Bilddaten eine signifikante Reduktion der
Störungen
erzielt wird.
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In
einer Variante der Erfindung werden nach Schritt a) aus den 2D-Bildern
zunächst
3D-Bilddaten rekonstruiert, die den Körper und das Objekt enthalten.
Nach Auswahl des Modells in Schritt b) wird dieses dann in den 3D-Bilddaten
in das Objekt eingepasst, so dass das Modell weitestgehend mit dem Objekt
in Deckung gebracht wird. Im Gegensatz zu oben erfolgt hier also
direkt die Einpassung des Modells in die 3D-Bilddaten und nicht
des Modellbildes in die 2D-Bilddaten.
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Im
Schritt c) wird dann das Modellbild ermittelt und in das zugehörige 2D-Bild
eingepasst, indem das bereits eingepasste Modell in die zugehörigen 2D-Bilder
projiziert wird. Dies bedeutet, dass die Ermittlung und das Einpassen
des Modellbildes in die 2D-Bilder in einem Schritt, nämlich der
Projektion durchgeführt
werden. Durch die Einpassung des Modells direkt in die 3D-Bilddaten
wird nämlich
erreicht, dass sich diese Einpassung bei der anschließenden Projektion
simultan auf alle 2D-Bilder auswirkt. Eine Verschiebung des Modells
bei dessen Einpassung in den 3D-Bilddaten bewirkt bei der anschließenden Projektion
eine entsprechende Verschiebung des Modellbildes in sämtlichen
2D-Bildern. Somit bietet diese Methode den Vorteil, dass eine Einpassung des
Modellbildes nicht in jedes 2D-Bild einzeln erfolgen muss, was den
Arbeits- und Zeitaufwand für
manuelle oder automatische Einpassung reduziert.
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Eine
weitere verbesserte Reduktion der Artefakte in den 3D-Bilddaten ergibt
sich, wenn die Schritte e) bis d) mehrfach durchlaufen werden.
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In
einer Variante des Verfahrens werden in Schritt c) zur automatischen
Einpassung des Modellbildes in das zugehörige Objektbild als Daten die 3D-Lagekoordinaten
des Objekts verwendet, die bereits vorher bekannt sind und mit denen
das Modell projiziert wird. Die Daten sind z. B. aus einer dem Eingriff – im Rahmen
dessen die 2D- und 3D-Bilddaten erzeugt werden – vorhergehenden Planung bekannt.
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Der
Arbeitsaufwand reduziert sich in einer weiteren Variante der Erfindung
im 2D- bzw. 3D-Fall, wenn in Schritt c) das Modellbild bzw. das
Modell automatisch durch bildvergleichende Mustererkennung in das
zugehörige
Objektbild bzw. Objekt eingepasst wird. Dies kann beispielsweise
mittels einer Bildverarbeitungssoftware geschehen. Dazu werden z.
B. die Konturen des Objektbilds durch Segmentierung ermittelt. Anschließend werden
die Projektionen des dreidimensionalen Modells auf das Modellbild
in seiner Lage so lange variiert, bis sich eine optimale Überlagerung
im Objektbild mit den in der Segmentierung ermittelten Kanten ergibt.
Damit ist diejenige Projektionsgeometrie ermittelt, mit der in Schritt
c) das endgültig
passende Modellbild erzeugt werden kann.
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In
einer bevorzugten Variante des Verfahrens erfolgt in Schritt c)
die Einpassung des Modellbilds nicht in der Gesamtzahl der zur Verfügung stehenden
2D-Bilder. Die Einpassung erfolgt nur in einem ersten Teil dieser
Bilder. Die Einpassung des Modellbildes in die restlichen 2D-Bilder
wird aus der Einpassung in den ersten Teil der Bilder berechnet und
dann durchgeführt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird in Schritt b) ein Modell gewählt, das als Daten Geometriedaten
enthält.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist das Modell so gewählt,
dass dieses Geometriedaten enthält,
die die relative Lage des Modells gegenüber weiteren Objekten bzw.
Modellen beschreiben.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird in Schritt b) ein Modell gewählt, dessen Lagedaten mit einem
Navigationsgerät
ermittelt wurden.
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In
einer bevorzugten Variante wird dabei auf Basis von Materialdaten,
die in den Modelldaten enthalten sind, die Durchleuchtung physikalisch
nachgebildet. In Schritt b) wird daher ein Modell gewählt, dass
als Daten auch physikalische Materialdaten des Objekts enthält. Mit
Hilfe dieser Daten können
dann die Projektionen in Schritt c) physikalisch korrekt durchgeführt werden.
Somit wird die Modifikation der Bilddaten in Schritt d) verbessert
und werden damit die Störungen
der 3D-Bilddaten in Schritt e) minimiert.
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Eine
weitere Verfeinerung des Verfahrens wird dadurch erreicht, dass
zusätzlich
zur Schwächung
der Röntgenstrahlen
durch das Objekt auch die Schwächung
der Röntgenstrahlen
vor dem Objekt und hinter dem Objekt einbezogen wird, entweder aus
durchschnittlichen Materialeigenschaften des Körpers oder aus modellmäßig bekannten
Eigenschaften. Die jeweiligen Weglängen der Röntgenstrahlen vor, im und hinter
dem Objekt können
den Geometrie- und Lageinformationen entnommen werden. So können noch
weiter verbesserte 2D-Bilder berechnet werden.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele
der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen:
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1 ein
2D-Bild mit einem ein Objekt aufweisenden Körper,
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2 ein
Auszug aus einer Modelldatenbank,
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3 ein
2D-Bild mit einem in das Objektbild eingepassten Modellbild,
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4 ein
aus mehreren 2D-Bildern rekonstruiertes 3D-Volumen,
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5 ein
weiteres 3D-Volumen, in das ein Modell eingepasst wurde.
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Im
Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden im Schritt a) mittels Durchleuchtung, wie beispielsweise
Röntgenstrahlung 1 aus
verschiedenen Blickrichtungen mehrere 2D-Bilder 2 eines
Körpers 4,
beispielsweise eines Oberschenkelknochens, erzeugt, von denen eines
in 1 dargestellt ist. Der Körper 4 enthält zumindest
ein für
die Röntgenstrahlung 1 nahezu undurchlässiges Objekt 6,
welches in diesem Fall von einem Implantat, nämlich einem Verriegelungsnagel 10 und
einer in diesen eingebrachten Schraube 12 gebildet wird.
Dementsprechend enthält
das 2D-Bild 2 die Projektion 7 des Körpers 4 und
die Projektion des Objekts 6, nämlich das Objektbild 8.
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In 2 ist
nun eine Datenbank 14 dargestellt, die mehrere Modelle 16, 18 von
Implantaten enthält.
Das Modell 16 stellt dabei das in diesem Fall benutzte
Objekt 6, nämlich
den Verriegelungsnagel 10 mit Schraube 12 dar,
während
Modell 18 ein Hüftimplantat
repräsentiert.
Die Modelle 16, 18 beinhalten Daten, die das jeweilige
Objekt 6 komplett beschreiben. Dies sind in jedem Falle
dreidimensionale Geometrieinformationen. Dazu kommen wie im Falle des
Verriegelungsnagels 10 geometrische Bezüge auf zugeordnete weitere
Implantate, in diesem Fall z. B. der Bezug zur Schraube 12.
Damit ist definiert, wie die Schraube 12 am Nagel 10 angebracht
ist. Während
die Grundgeometrie und erlaubte Toleranzbereiche der gegenseitigen
Zuordnung vom Implantathersteller in den Modelldaten bereitgestellt
sein können, ergibt
sich die genaue gegenseitige Lage und auch die Ziel-Lage im Körper 4 bzw.
dessen 3D-Abbild
(24, 30) z. B. aus der Planung des Eingriffs.
Wird beim tatsächlichen
Eingriff ein Navigationssystem verwendet, kann dieses die genaue
Lage in 3D ganz aktuell liefern.
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Des
weiteren gehören
zu den Modelldaten physikalische Daten, welche die Materialien und
Materialeigenschaften des Objekts beschreiben, woraus sich das physikalische
Abschwäch-Verhalten direkt oder
indirekt durch weitere Berechnung ermitteln lässt.
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In
einem weiteren Schritt b) des Verfahrens wird nun aus der Datenbank 14 das
zum Objekt 6 zugehörige
Modell 16 ausgewählt.
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Danach
wird in Schritt c) zu dem Objektbild 8 ein die Projektion
des Modells 16 auf das 2D-Bild 2 darstellendes
Modellbild 20 ermittelt, wie es in 3 dargestellt
ist. Das Modellbild 20 wird erstellt, indem das dreidimensionale
Modell 16 in der selben Aufnahmegeometrie, in der das zugehörige 2D-Bild 2 erzeugt
wurde, in eine Ebene projiziert wird. Die Projektion kann unter
zusätzlicher
Verwendung der Materialeigenschaften aus den Daten des Modells 16 erzeugt
sein. Das Modellbild 20 enthält sowohl die exakten Konturen
als auch die Inhalte in den Flächen, in
denen später
eine Modifikation der Bilddaten vorgenommen werden soll. Das Modellbild 20 wird
dann in das zugehörige
Objektbild 8 eingepasst, so dass es mit diesem eine größtmögliche Deckung
aufweist, wie es in 3 gestrichelt dargestellt ist.
Eine derartige Einpassung kann vollautomatisch über eine geeignete Bildverarbeitungssoftware
geschehen, z. B. durch iterative Verschiebung und Drehung des Modells
in 6 Freiheitsgraden, jeweils neuerlicher Projektion und anschließender Ermittlung
einer Summe von Abweichungen zwischen den Konturen des Objektbilds 8 und
den Konturen des Modellbilds 20. Die Iteration wird beendet,
wenn die Summe der Abweichungen minimal ist. Es ist jedoch auch
möglich, dass
die Einpassung manuell unterstützt
wird, indem das 3D-Modell 16 durch einen Bediener verschoben und
gedreht wird, bis die Übereinstimmung
der Abbilder 8 und 20 gegeben ist. Diese Positionierung
in bestimmten 2D-Bildern 2 kann als Ausgangslage für die Positionierung
in weiteren 2D-Bildern verwendet werden, wobei die Ausgangskoordinaten
anschließend automatisch
verfeinert werden.
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Wurde
vor dem bildgestützten
Eingriff eine Planung durchgeführt,
stehen die Lagekoordinaten des Objekts bezüglich des Körpers 4 in den 3D-Bilddaten
(24, 30) bereits fest, so dass die Einpassung direkt
erfolgen kann. Im Falle einer möglichen
geringen Lageabweichung wird wie oben beschrieben eine automatische
Feinkorrektur durchgeführt.
Bei Verwendung eines Navigationssystems während des Eingriffs ist die
Lage des Objekts jederzeit bekannt und ist die Einpassung in Schritt
c) ebenfalls bereits durch die Projektion fertiggestellt.
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In
dem vom Modellbild 20 abgedeckten Bereich 22 werden
in Schritt d) die aufgenommenen Bilddaten 2 modifiziert,
vorzugsweise durch Verringerung des vorhandenen Pixelwerts um den
Wert aus der physikalisch korrekten Projektion im Modellbild 20.
Die Veränderung
des Pixelwerts nach physikalischen Regeln kann dadurch noch verfeinert
werden, dass bei der Berechnung der Strahlveränderung durch das Objekt auch
dessen Abstand von der Röntgenquelle
relativ zum Körper
berücksichtigt
wird, da die Abschattung durch das Objekt 6 stärker ist,
wenn dieses überwiegend
vor dem Körper 4 liegt,
z. B. auch die sogenannte Strahlaufhärtung.
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Danach
werden in Schritt e) aus dem 2D-Bild 2 zusammen mit den
weiteren 2D-Bildern 2, die aus anderen Blickrichtungen
aufgenommen wurden, 3D-Bilddaten 24 rekonstruiert, die
ein in 4 dargestelltes 3D-Volumen beschreiben. In diesem
ist nun der Körper 4 mit
dem Objekt 6 enthalten, während Störungen deutlich reduziert sind.
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In
einer alternativen Ausführungsform
werden nach Schritt a) aus den 2D-Bildern 2 zunächst 3D-Bilddaten 30 rekonstruiert,
die das in 5 dargestellte 3D-Volumen beschreiben.
In diesem sind das Objekt 6 sowie durch dieses hervorgerufene
Störungen 32 enthalten.
Nach Auswahl des dreidimensionalen Modells 16 aus der Datenbank 14 in
Schritt b) wird dieses dann im Unterschied zum vorstehend beschriebenen
Verfahren direkt in die 3D-Bilddaten 30 in das Objekt 6 eingepasst,
so dass das Modell 16 weitestgehend mit dem Objekt 6 in
Deckung gebracht wird, wie es in 5 durch
die gestrichelte Linie angedeutet ist.
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Bei
der Erzeugung der 3D-Bilddaten (24, 30) in der
sogenannten Rückprojektion
wird für
jedes rückprojizierte
2D-Bild z. B. eine Projektionsmatrix verwendet. Die Inverse jeder
Projektionsmatrix beschreibt die Projektion der 3D-Bilddaten (24, 30)
auf das zugehörige
2D-Bild 2. Nachdem die Lage des Modells 16 in
den 3D-Bilddaten 30 nach der Einpassung bekannt ist, kann
das Modell 16 ebenfalls mit der Inversen der jeweiligen
Projektionsmatrix geometrisch und physikalisch korrekt in ein Modellbild 20 projiziert
werden, das sich bereits in der richtigen Lage befindet für die weitere
Bearbeitung nach Schritten d) und e).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Röntgenstrahlung
- 2
- 2D-Bild
- 4
- Körper
- 6
- Objekt
- 7
- Projektion
- 8
- Objektbild
- 10
- Verriegelungsnagel
- 12
- Schraube
- 14
- Datenbank
- 16
- Modell
- 18
- Modell
- 20
- Modellbild
- 22
- Bereich
- 24
- 3D-Bilddaten
- 30
- 3D-Bilddaten
- 32
- Störung
