DE102011075287A1 - Verfahren zum Gewinnen eines 3D-Röntgenbilddatensatzes zu einem sich periodisch bewegenden Bildobjekt - Google Patents

Verfahren zum Gewinnen eines 3D-Röntgenbilddatensatzes zu einem sich periodisch bewegenden Bildobjekt Download PDF

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Abstract

Es ist bekannt, bei der Abbildung eines sich periodisch bewegenden Bildobjekts eine Information zur Phase in der periodischen Bewegung zu gewinnen. Tut man dies für eine Mehrzahl von 2D-Bilddatensätzen, lassen sich zu Phasenintervallen jeweils 3D-Bilddatensätze gewinnen. Mithilfe eines Registrierverfahrens werden Bewegungsfelder gewonnen, die es ermöglichen, dass die 3D-Bilddatensätze sämtlich abgewandelt und insgesamt zu einem gemittelten Volumen I zusammengefasst werden können (S20). Vorliegend wird das Verfahren anschließend fortgeführt, nämlich aufgrund des gemittelten Volumens I, die Bewegungsfelder optimiert (S22a, S22n). Hierzu wird eine geeignete Zielfunktion eingesetzt, die z. B. die Entropie des gemittelten Volumens I beinhaltet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gewinnen eines 3D-Röntgenbilddatensatzes zu einem sich periodisch bewegenden Bildobjekt nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein solches Verfahren ist aus dem Stand der Technik bekannt. Ein 3D-Röntgenbilddatensatz beinhaltet, dass Volumenelementen im dreidimensionalen Raum im Bereich des Bildobjekts Datenwerte oder Grauwerte zugeordnet werden, die ein Maß für die Schwächung von Röntgenstrahlung durch das Bildobjekt in dem Volumenelement ist. Derartige 3D-Röntgenbilddatensätze gewinnt man aus 2D-Röntgenbilddatensätzen. Diese werden mithilfe einer Röntgenbildaufnahmevorrichtung mit Röntgenstrahlungsquelle und Röntgenstrahlungsdetektor gewonnen, die um eine Drehachse gedreht werden. Bei unterschiedlichen Winkelstellungen wird jeweils ein 2D-Röntgenbilddatensatz aufgenommen. Diese so genannten Projektionen werden dann einer Rückprojektion (typischerweise inklusive einer Filterung) unterzogen, um den 3D-Röntgenbilddatensatz zu gewinnen.
  • Bei einem sich periodisch bewegenden Bildobjekt passen die 2D-Röntgenbilddatensätze nicht alle zueinander. Aus diesem Grund ermittelt man bei der Aufnahme jeweils eines 2D-Röntgenbilddatensatzes, in welcher Phase der periodischen Bewegung sich das Bildobjekt jeweils befindet. Beispielsweise kann bei der Abbildung des Herzens mit den umgebenden Herzkranzgefäßen (Myokard) die Phase der periodischen Bewegung des Herzschlags gemessen werden. Die 2D-Röntgenbilddatensätze kann man dann nach der ermittelten Phase in Gruppen einteilen. Hierzu wird die gesamte Periode in Intervalle eingeteilt. Bei jeder Phase ist dann festgelegt, in welchem Intervall sie liegt, sodass der zugehörige 2D-Röntgenbilddatensatz einer entsprechenden Gruppe zugeordnet werden kann. Nun wird gruppenweise eine (gefilterte) Rückprojektion durchgeführt, also ein 3D-Röntgenbilddatensatz gruppenweise gewonnen. Diesen wollen wir vorliegend als 3D-Röntgengruppenbilddatensatz bezeichnen. Einer von diesen 3D-Röntgengruppenbilddatensätzen wird dann als Referenzbilddatensatz eingesetzt. Auf diesen bezogen wird nun zu jeder der anderen Gruppen (also der Gruppen, zu denen der Referenzbilddatensatz nicht gehört) ein so genanntes Bewegungsfeld abgeleitet. Das Bewegungsfeld gibt an, welche Stellen des sich bewegten Bildobjekts sich von welchem Raumpunkt zu welchem Raumpunkt bewegt haben. Um ein Bewegungsfeld abzuleiten, führt man ein so genanntes Registrieren durch. Beim Registrieren ermittelt man eine Abbildungsvorschrift von einem Bilddatensatz zu einem anderen Bilddatensatz, vorliegend wird somit ein 3D-3D-Registrieren durchgeführt. Durch das Registrieren lässt sich also der eine Bilddatensatz lage- und dimensionsrichtig auf den anderen Bilddatensatz abbilden. Mit anderen Worten lässt sich eine Abbildungsvorschrift finden, die jeden Punkt des einen 3D-Röntgendatensatzes auf einen Punkt des Referenzbilddatensatze abbildet. Diese Abbildung wird sodann durchgeführt, es wird also ein modifizierter 3D-Röntgengruppenbilddatensatz berechnet. Hat sich beispielsweise das Bildobjekt „Herz“ im Referenzbilddatensatz gerade kontrahiert und weitet sich sodann aus, so entspricht das Berechnen des modifizierten 3D-Röntgengruppenbilddatensatzes, dass die Bilddaten zu den nicht dem kontrahierten Herzen entsprechenden Phasen der periodischen Bewegung auf die Situation eines kontrahierten Herzens abgebildet werden.
  • Damit werden aber sämtliche modifizierten 3D-Röntgengruppenbilddatensätze vergleichbar zum Referenzbilddatensatz. Somit lassen sich alle modifizierten 3D-Röntgengruppenbilddatensätze und der Referenzbilddatensatz zu einem ersten 3D-Röntgenbilddatensatz zusammenfassen (also mitteln).
  • Dieser 3D-Röntgenbilddatensatz ist üblicherweise Ergebnis des Verfahrens, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
  • Nun gibt es auch in einem solchen 3D-Röntgenbilddatensatz, der aus der Zusammenfassung der einzelnen 3D-Röntgenbilddatensätze hervorgeht, noch Artefakte.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, solche Artefakte zu verringern oder gar zu unterbinden.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß werden die Bewegungsfelder zumindest teilweise abgewandelt, es werden erneut modifizierte 3D-Röntgenbilddatensätze unter Verwendung der abgewandelten Bewegungsfelder berechnet, und die so modifizierten 3D-Röntgenbilddatensätze werden dann mit dem Referenzbilddatensatz zu einem neuen 3D-Röntgenbilddatensatz zusammengefasst. Bei dem Abwandeln der Bewegungsfelder werden dem Registrieren zugrunde liegenden Abbildungsparameter anhand des zuvor berechneten zusammengefassten 3D-Röntgenbilddatensatzes festgelegt.
  • Mit anderen Worten wird zunächst der erste 3D-Röntgenbilddatensatz berechnet, und dann lässt sich aus diesem 3D-Röntgenbilddatensatz in irgendeiner Form eine Quantifizierung ableiten, wie gut die Berechnung war (zumindest nach einem vorbestimmten Kriterium). Mithilfe dieser Quantifizierung lassen sich dann auch die Abbildungsparameter korrigieren.
  • In diesem Aspekt beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass der Schritt des Registrierens nicht notwendigerweise optimal funktioniert. Beim Registrieren werden Ähnlichkeitsmaße verwendet, um die Abbildungsvorschrift aufzufinden. Wird die Abbildungsvorschrift jedoch dann nachfolgend eingesetzt, um letztendlich zum ersten 3D-Röntgenbilddatensatz zu gelangen, können sich Schwächen beim Schritt des Registrierens in einer schlechten Qualität des 3D-Röntgenbilddatensatzes auswirken. Durch die vorliegende Erfindung erfolgt nun hier ein korrigierender Eingriff.
  • Bevorzugt erfolgt das Abwandeln iterativ, aber höchstens eine bestimmte Anzahl von Malen. Durch das iterative Abwandeln lassen sich bestimmte Algorithmen wie z. B. ein Gradientenabstiegsverfahren etc. durchführen. Wenn das Abwandeln iterativ höchstens eine vorbestimmte Anzahl von Malen erfolgt, ist gewährleistet, dass nicht zu viel Rechenzeit verwendet wird, um letztendlich noch eher unbedeutendere Verbesserungen zu erhalten.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Abbildungsparameter so festgelegt, dass eine Zielfunktion nach einem bestimmten Kriterium verbessert wird (also z. B. minimiert wird), die einen auf den zuvor berechneten zusammengefassten 3D-Röntgenbilddatensatz bezogenen Term umfasst, der z. B. ein Maß für die Unordnung sein kann, also ein Entropieterm. Wird eine Zielfunktion verwendet, kann diese bei geeigneter Gestaltung bestimmte Kriterien so jeweils berücksichtigen, dass sich ein Gleichgewicht einstellt, bei dem ein Optimum gefunden ist, inwieweit das eine Kriterium und inwieweit das andere Kriterium erfüllt ist. Umfasst die Zielfunktion somit den auf den zuvor berechneten zusammengefassten 3D-Röntgenbilddatensatz bezogenen Term, ist zumindest ein in der Zielfunktion berücksichtigtes Kriterium die Qualität des 3D-Röntgenbilddatensatzes.
  • Ist der Term ein Entropieterm, also ein Maß für die Unordnung, so ist davon ausgegangen, dass das richtige „Bild“ eher rauscharm und geordnet wäre, dass also dann der Entropieterm eher gering wäre, wenn durch den 3D-Röntgenbilddatensatz das sich periodisch bewegende Bildobjekt soweit als möglich genau abgebildet wäre.
  • Bevorzugt erfolgt das Abwandeln bei dieser Ausführungsform iterativ mit dem Ziel, dass die Zielfunktion ein vorbestimmtes Kriterium erfüllt, d. h. dass sie nicht nur in jedem Schritt verbessert wird, sondern irgendwann ein bestimmtes Ziel erreicht. Das iterative Abwandeln kann solange erfolgen, bis das vorbestimmte Kriterium erreicht ist. Als konkurrierendes Abbruchkriterium kann optional vorgesehen sein, dass das Abwandeln höchstens eine vorbestimmte Anzahl von Malen erfolgt.
  • Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben, in der die einzige 1 ein Flussschaubild zur Erläuterung dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist.
  • Das Verfahren beginnt damit, dass in Schritt S10 eine Mehrzahl von 2D-Röntgenbilddatensätzen gewonnen wird. Das Bildobjekt soll vorliegend ein menschliches Herz sein. Während der Bildaufnahme wird gleichzeitig ein Elektrokardiogramm aufgenommen. Eine Herzschlagperiode wird in eine Mehrzahl von Phasen t1, t2, ...tn eingeteilt. Die Zahl n kann beispielsweise 10 sein. Auf diese Weise lassen sich die in Schritt S10 gewonnenen Datensätze in Gruppen einteilen, nämlich in die Gruppen S12a der Phase t1, S12b der Phase t2 und S12n der Phase tn.
  • Aus den Projektionen jeder Gruppe lässt sich nun ein 3D-Röntgen(gruppen)bilddatensatz gewinnen, der in der Zeichnung als „Volumen“ bezeichnet ist. In Schritt S14a gewinnt man somit das Volumen 1 zu den Projektionen der Phase t1, in Schritt S14b das Volumen 2 etc. in S14n das Volumen n.
  • Das Volumen 1 wird nun als Referenzvolumen verwendet, das nachfolgend nicht mehr geändert wird. Nun lässt sich das Volumen 2 auf das Volumen 1 beziehen: Es lässt sich in Schritt S16a ein so genanntes Bewegungsfeld ableiten, das die Information beinhaltet, welche Teile des Volumens 2 von welchen Raumkoordinaten denen des Volumens 1 von anderen Raumkoordinaten entsprechen. Ein solches Bewegungsfeld lässt sich von jedem der von Volumen 1 verschiedenen Volumen n auf das Volumen 1 beziehen, siehe auch den Schritt S16n. Man erhält ein solches Bewegungsfeld mithilfe des so genannten Registrierens. Das Registrieren beinhaltet, dass, z. B. unter der Verwendung eines Ähnlichkeitsmaßes, eine Abbildungsvorschrift Θj aufgefunden wird, die das eine Volumen auf das andere abbildet. Bezeichnen wir das Volumen 1 als I1 und nummerieren die weiteren Volumina bis n als Ij durch, so wird bei dem Registrieren eine Kostenfunktion K(I1, Θj(Ij)) minimiert.
  • Jedes Registrieren erfolgt hierbei für sich gesehen. Aufgrund der Bewegungsfelder lassen sich in den Schritten S18a bis S18n so genannte registrierte Volumina ermitteln: Das Volumen 2 wird beispielsweise mithilfe des Bewegungsfeldes 2 so verzerrt (oder auch „entzerrt“), dass das abgebildete Herz gewissermaßen virtuell auf die Phase t1 abgebildet wird, d.h. dass die auf die Phase t2 zurückgehenden Bilder virtuell auf die Phase t1 zurückgerechnet werden. Das registrierte Volumen 1 entspricht somit letztlich dem Volumen 1. Genauso entspricht auch das registrierte Volumen n dem Volumen 1. Da nun die registrierten Volumina dem Volumen 1 sämtlich entsprechen, lassen sie sich zu einem neuen Volumen in Schritt S20 zusammenfassen, also mitteln.
  • Mit dem Schritt S20 endet ein herkömmliches Verfahren. Vorliegend behandeln wir das gemittelte Volumen nur als Zwischenergebnis: Ein Zähler i wird um die Zahl 1 erhöht, und es werden in den Schritten S22a und S22b die Bewegungsfelder Θj(Ij) optimiert. Hierzu wird eine neue Zielfunktion bzw. Kostenfunktion definiert:
    Figure 00060001
  • In diese Summenfunktion gehen zunächst die sämtlichen bekannten Kostenfunktionen K(I1, Θj(Ij)) ein. Die Summe dieser Kostenfunktionen ergibt aber bereits nicht notwendigerweise nochmals genau dieselben Bewegungsfelder Θj(Ij). Die Besonderheit besteht aber insbesondere darin, dass durch den Term βE(I) ein Entropieterm enthalten ist, der auf das gemittelte Volumen I als Ganzes bezogen ist. Es gibt hier somit eine Art „Rückkopplung“, d. h. in das gemittelte Volumen I gehen die Bewegungsfelder ein, die Bewegungsfelder werden aber dann anschließend in der Iteration i = i + 1 auf Grundlage des erhaltenen gemittelten Volumens I nochmals angepasst. Ein Entropieterm beinhaltet die Summe über die Häufigkeiten bestimmter Datenwerte multipliziert mit dem Logarithmus dieser Häufigkeiten, E(I) = Σh(k)·log(h(k)
  • Mithilfe der optimierten Bewegungsfelder S22a, S22n lassen sich nun abermals registrierte Volumina S24a, S24n in Schritt 28 berechnen. Nun wird in einem Schritt S26 geprüft, ob die Zahl der Iterationen einen Zielwert N erreicht hat. Falls dies der Fall ist, wird das gemittelte Volumen aus dem Volumen 1 gemäß Schritt S14a und den zuletzt erhaltenen registrierten Volumina gemäß dem letzten Durchlauf des Schritts S24a, S24n in Schritt S28 verwendet. Solange die Anzahl der Iterationen N noch nicht erreicht ist, wird das Verfahren weiter iterativ durchgeführt, also zunächst das gemittelte Volumen I in Schritt S20 als Zwischenergebnis verwendet, dann werden die Bewegungsfelder nochmals optimiert, dann nochmals neu registrierte Volumina berechnet, etc.
  • In Schritt S26 kann alternativ auch auf ein Kriterium geprüft werden, z. B. ob die Zielfunktion einen bestimmten Zielwert erreicht hat, oder ob die Änderungen der Zielfunktion seit der letzten Iteration einen Zielwert unterschritten haben o.Ä.
  • Im Ergebnis erhält man somit in Schritt S28 das gemittelte Volumen I, das nunmehr als Endergebnis feststeht, und bei dem die Kostenfunktion J(I) gemäß dem vorbestimmten Kriterium, wie es durch das Verfahren vorgegeben ist, also z.B. nach der Anzahl N der Iterationen optimal ist.
  • Das in Schritt S28 erhaltene Endergebnis ist in aller Regel weniger mit Artefakten behaftet als das in Schritt S20 erhaltene Zwischenergebnis. Damit ist ein wesentliches Ziel der Erfindung erreicht.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Gewinnen eines 3D-Röntgenbilddatensatzes zu einem sich periodisch bewegenden Bildobjekt, bei dem eine Mehrzahl von 2D-Röntgenbilddatensätzen mithilfe einer Röntgenbildaufnahmevorrichtung gewonnen wird, wobei jeweils ermittelt wird, in welcher Phase der periodischen Bewegung sich das Bildobjekt befindet, wobei die 2D-Röntgenbilddatensätze nach der ermittelten Phase in Gruppen (S12a, S12b, S12n) eingeteilt werden, und wobei aus den 2D-Röntgenbilddatensätzen jeder Gruppe jeweils ein 3D-Röntgengruppenbilddatensatz (S14a, S14b, S14n) gewonnen wird, von denen einer als Referenzbilddatensatz eingesetzt wird, auf den bezogen zu jeder der anderen Gruppe unter Einsatz eines Registrierens des 3D-Röntgengruppenbilddatensatzes zu dem Referenzbilddatensatz ein Bewegungsfeld (S16a, S16n) abgeleitet wird, mithilfe dessen ein modifizierter 3D-Röntgengruppenbilddatensatz (S18a, S18n), berechnet wird, wobei der Referenzbilddatensatz und alle modifizierten 3D-Röntgenbilddatensätze zu einem ersten 3D-Röntgenbilddatensatz zusammengefasst werden (S20), dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsfelder zumindest teilweise abgewandelt werden (S22a, S22n) und erneut modifizierte 3D-Röntgenbilddatensätze (S24a, S24n) unter Verwendung der abgewandelten Bewegungsfelder berechnet und mit dem Referenzbilddatensatz zu einem neuen 3D-Röntgenbilddatensatz zusammengefasst werden, wobei bei dem Abwandeln der Bewegungsfelder dem Registrieren zugrunde liegende Parameter anhand des zuvor berechneten zusammengefassten 3D-Röntgenbilddatensatzes (I) festgelegt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abwandeln iterativ höchstens eine vorbestimmte Anzahl von Malen N erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsparameter so festgelegt werden, dass eine Zielfunktion nach einem bestimmten Kriterium verbessert wird, die einen auf den zuvor berechneten zusammengefassten 3D-Röntgenbilddatensatz bezogenen Term (βE(I)), insbesondere einen Entropieterm, umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abwandeln iterativ mit dem Ziel erfolgt, dass die Zielfunktion ein vorbestimmtes Kriterium erfüllt.
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