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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überlagerung eines Röntgenbildes mit einem Projektionsbild aus einem 3D-Volumendatensatz einer Rotationsangiografie. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Überlagerung eines Röntgenbildes mit einem Projektionsbild aus einem 3D-Volumendatensatz einer Rotationsangiografie.
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Traditionelles Roadmapping bei endovaskulären Interventionen umfasst üblicherweise eine Überlagerung einer invertierten, zweidimensionalen (2D) Digitalen Subtraktionsangiografie, DSA, auf ein Röntgen-Durchleuchtungsbild, oder live Fluoroskopiebild. Eine 2D-Roadmap liefert Informationen über die Gefäßanatomie, die einem Arzt bei der Navigation und Platzierung eines Katheters unterstützen kann. Informationen zur momentanen Lage des Katheters gewinnt der Arzt aus den in Echtzeit aufgenommenen Fluoroskopiebildern. Die Kombination aus beiden führt Informationen zur Gefäßanatomie und Katheter in einem Bild zusammen. Da es sich bei den DSA-Aufnahmen um Projektionsbilder handelt, kann die aufgenommene 2D-Roadmap nur für eine bestimmte Ausrichtung einer Aufnahmeeinrichtung einer Röntgenvorrichtung benutzt werden. Unter einer Röntgenvorrichtung kann beispielsweise ein C-Bogen-Röntgengerät, unter einer Aufnahmeeinrichtung ein Röntgenquellen-Röntgenstrahlungsdetektor-Paar verstanden werden. D.h. die aufgenommene 2D-Roadmap kann nur für eine bestimmte Angulierung des C-Bogens benutzt werden. Sobald eine Bewegung des C-Bogens notwendig wird oder der Patient sich bewegt, muss eine neue 2D-Roadmap angefertigt werden, um wieder eine akkurate Überlagerung gewährleisten zu können. Diese Mehrfachaufnahmen können im Laufe einer Intervention zu einer großen Menge an notwendigem Kontrastmittel führen und verlängern den Eingriff.
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Alternativ zur traditionellen Methode wurde vor einiger Zeit eine Roadmapping Methode für Neuroradiologische Interventionen vorgestellt, die auf der Überlagerung einer dreidimensionalen (3D) Subtraktionsangiografie basiert, siehe beispielsweise S. Rossitti, M. Pfister, 3D Road-Mapping in the Endovascular Treatment of Cerebral Aneurysms and Arteriovenous Malformations, Interventional Neuroradioly 15: 283–290, 2009, oder M. Södermann et al., 3D Roadmap in Neuroangiography: Technique and Clinical Interest, Neuroradiology, (2005) 47:735-40. Hierbei wird zuerst einmalig eine 3D-Rotationsaufnahme des Kopfes unter Zugabe von Kontrastmittel angefertigt und daraus ein 3D-Modell des Gefäßbaumes rekonstruiert. Aus vorhandenen Kalibrierungsdaten kann so zu jeder möglichen Position des C-Bogens eine passende Projektionsmatrix berechnet werden, die eine akkurate Überlagerung des Gefäßbaumes auf ein live Fluoroskopiebild erlaubt. Der große Vorteil dieser Methode ist zum einen der entstehende räumliche Eindruck der Roadmap und zum anderen die dynamische Anpassung des überlagerten Gefäßbaumes an C-Bogen und Tischbewegungen, was eine regelmäßige Erneuerung der Roadmap vermeiden kann und somit die benötigte Kontrastmittelmenge verringert werden kann. Bei dieser dynamischen Anpassung wird die Position des C-Bogens, des Patiententisches, sowie die source to image-receptor distance, SID, d.h. der Abstand der Röntgenquelle zum Röntgenstrahlungsdetektor berücksichtigt. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die Genauigkeit von einer akkuraten Kalibrierung des Röntgengerätes und von Patientenbewegungen abhängig ist.
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Im Zusammenhang mit der Erfindung wird nun auf das Problem der Patientenbewegung zum Beispiel während einer Intervention näher eingegangen. Bei der traditionellen 2D-Roadmapping Methode wird einer Patientenbewegung durch eine erneute Anfertigung der 2D-Roadmap entgegengewirkt. Dies führt im Laufe der Intervention wie oben beschrieben zu einer großen akkumulierten Menge an Kontrastmittel.
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Bei der 3D-Roadmapping Methode gibt es ebenfalls Methoden, den überlagerten Gefäßbaum anhand von Informationen aus dem Echtzeit-Fluoroskopiebild nach einer Patientenbewegung erneut auszurichten. Dies umfasst entweder eine manuelle Ausrichtung oder aber eine manuell angestoßene automatische Ausrichtung. Für beide Methoden ist es einerseits aber notwendig, dass eine Fehlausrichtung vom behandelten Arzt erkannt wird, und andererseits ist es notwendig, den Gefäßbaum im Echtzeit-Fluoroskopiebild sichtbar zu machen, um den überlagerten Gefäßbaum ausrichten zu können. Dies erhöht wiederum die Menge an benötigtem Kontrastmittel.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren anzugeben, das eine, in Folge einer Patientenbewegung notwendige, Neuausrichtung eines Projektionsbildes aus einem 3D-Volumendatensatz einer Rotationsangiografie ermöglicht.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Überlagerung eines Röntgenbildes mit einem Projektionsbild aus einem 3D-Volumendatensatz einer Rotationsangiografie mit den Merkmalen des ersten unabhängigen Patentanspruchs und einer Vorrichtung zur Überlagerung eines Röntgenbildes mit einem Projektionsbild aus einem 3D-Volumendatensatz einer Rotationsangiografie mit den Merkmalen des zweiten unabhängigen Patentanspruchs.
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Der Grundgedanke der Erfindung ist ein Verfahren zur Überlagerung eines Röntgenbildes mit einem Projektionsbild aus einem 3D-Volumendatensatz einer Rotationsangiografie mit Hilfe eines C-Bogen-Röntgengerätes, das einen C-Bogen und daran in gegenüberliegender Lage angeordnet eine Röntgenquelle und einen Röntgenstrahlungsdetektor aufweist, das folgende Verfahrensschritte umfasst:
- S1) Akquisition von mehreren Rotationsröntgenbildern eines Untersuchungsbereiches eines Untersuchungsobjektes, wobei jeweils zwischen der Aufnahme zweier Rotationsröntgenbilder der C-Bogen um eine Achse um einen Drehwinkel gedreht wird und wobei die Winkelstellung bei der jeweiligen Aufnahme gespeichert wird;
- S2) Kalibrieren der Rotationsröntgenbilder und Rekonstruktion eines 3D-Volumendatensatzes des Untersuchungsbereiches des Untersuchungsobjektes;
- S3) Akquisition eines Röntgenbildes des Untersuchungsbereiches des Untersuchungsobjektes, wobei die Winkelstellung bei der Aufnahme des Röntgenbildes innerhalb des Bereiches zwischen kleinster und größter Winkelstellung der Aufnahmen der Rotationsröntgenbilder liegt und wobei die Winkelstellung bei der Aufnahme des Röntgenbildes gespeichert wird;
- S4) Wahl derjenigen gespeicherten Winkelstellung bei der Aufnahme der Rotationsröntgenbilder, die der Winkelstellung bei der Aufnahme des Röntgenbildes am nächsten ist;
- S5) jeweils für das Rotationsröntgenbild mit der gewählten Winkelstellung, das Rotationsröntgenbild mit der nächst kleineren als der gewählten Winkelstellung und das Rotationsröntgenbild mit der nächst größeren als der gewählten Winkelstellung, Durchführung einer 2D/2D-Registrierung des jeweiligen Rotationsröntgenbildes mit dem Röntgenbild, Bestimmung eines ersten, eines zweiten und eines dritten Ähnlichkeitswertes zwischen den jeweiligen Rotationsröntgenbildern und dem Röntgenbild, wobei in die Ähnlichkeitswerte Unterschiede zwischen den jeweiligen Rotationsröntgenbildern und dem Röntgenbild eingehen und wobei ein Ähnlichkeitswert umso größer ist, je geringer die entsprechenden Unterschiede sind;
- S6) Bestimmung des größten Ähnlichkeitswertes aus den drei Ähnlichkeitswerten und
S6a – falls der erste Ähnlichkeitswert der größte Ähnlichkeitswert ist, Sprung zu Verfahrensschritt S7;
S6b – falls der zweite Ähnlichkeitswert der größte Ähnlichkeitswert ist, Wahl der zu dem zweiten Ähnlichkeitswert zugehörigen Rotationsröntgenbildes gespeicherten Winkelstellung und Sprung zu Verfahrensschritt S5;
S6c – sonst, Wahl der zu dem dritten Ähnlichkeitswert zugehörigen Rotationsröntgenbild gespeicherten Winkelstellung und Sprung zu Verfahrensschritt S5;
- S7) Berechnung eines Projektionsbildes aus dem 3D-Volumendatensatz, wobei in die Projektionsmatrix zur Bestimmung des Projektionsbildes die gewählte Winkelstellung eingeht, und Überlagerung des Röntgenbildes mit dem Projektionsbild.
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Das erfindungsgemäße Verfahren geht demnach von einer Röntgenvorrichtung mit einem C-Bogen aus. An dem C-Bogen können in gegenüberliegender Anordnung eine Röntgenquelle und ein Röntgenstrahlungsdetektor angebracht sein. Mindestens ein Aktor kann, gesteuert von einer Steuereinrichtung, den C-Bogen in einer Rotationsbewegung um eine Achse um den Untersuchungsbereich des Untersuchungsobjektes verfahren. Dabei werden mehrere Rotationsröntgenbilder aufgenommen, wobei jeweils zwischen der Aufnahme zweier Rotationsröntgenbilder der C-Bogen um einen Drehwinkel gedreht wird. Beispielsweise kann eine Rotationszeit, z.B. 5 s, 8 s oder 14 s, der zu überstreichende Winkel, z.B. 200° und/oder eine Bildaufnahmefrequenz von z.B. 10 Bildern pro Sekunde ausgewählt werden. Wesentlich ist, dass die Winkelstellung bei der jeweiligen Aufnahme gespeichert wird.
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Nach der Akquisition aller Rotationsröntgenbilder oder nach der Akquisition jeweils eines Rotationsröntgenbildes werden die Rotationsröntgenbilder kalibriert, d.h. beispielsweise werden die Bildkontraste normalisiert oder Verzeichnungen korrigiert. Nach der Kalibrierung wird ein 3D-Volumendatensatz des Untersuchungsbereiches des Untersuchungsobjektes aus den Rotationsröntgenbildern rekonstruiert. Die 3D-Bildrekonstruktion wird beispielsweise mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Feldkamp-Algorithmus durchgeführt. Andere Algorithmen für die Rekonstruktion können ebenfalls eingesetzt werden, z.B. die 3D Radon Inversion (Grangeat's Algorithmus), die Defrise-Clack Filtered Back Projection, Fourier Verfahren oder iterative Verfahren, wie sie beispielsweise in „Mathematical Methods in Image Reconstruction", von F. Natterer und F. Wübbeling in Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia 2001, beschrieben ist. Alternativ können andere analytische Kegelstrahlverfahren, algebraische und/ oder statistische Rekonstruktionsverfahren verwendet werden.
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Im nächsten Verfahrensschritt, S3, wird ein Röntgenbild des Untersuchungsbereiches des Untersuchungsobjektes akquiriert. Die Winkelstellung bei der Aufnahme des Röntgenbildes liegt dabei innerhalb des Bereiches zwischen kleinster und größter Winkelstellung der Aufnahmen der Rotationsröntgenbilder. Die Winkelstellung bei der Aufnahme des Röntgenbildes wird ebenfalls gespeichert.
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Die nächsten Verfahrensschritte dienen dazu, dasjenige Rotationsröntgenbild auszuwählen, das dem Röntgenbild am besten entspricht. Als Index für die Rotationsröntgenbilder wird die gespeicherte Winkelstellung bei der jeweiligen Aufnahme verwendet. Der Startwert der Winkelstellung ist diejenige gespeicherte Winkelstellung bei der Aufnahme des Rotationsröntgenbildes, die der Winkelstellung bei der Aufnahme des Röntgenbildes am nächsten ist. Diese Winkelstellung wird ausgewählt.
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Der nächste Verfahrensschritt, S5, ist ein möglicher Einsprungspunkt bei dem folgenden iterativen Verfahren. In diesem Verfahrensschritt wird jeweils für das Rotationsröntgenbild mit der gewählten Winkelstellung, das Rotationsröntgenbild mit der nächst kleineren als der gewählten Winkelstellung und das Rotationsröntgenbild mit der nächst größeren als der gewählten Winkelstellung folgendes durchgeführt: Durchführung einer 2D/2D-Registrierung des jeweiligen Rotationsröntgenbildes mit dem Röntgenbild, Bestimmung eines ersten, eines zweiten und eines dritten Ähnlichkeitswertes zwischen den jeweiligen Rotationsröntgenbildern und dem Röntgenbild, wobei in die Ähnlichkeitswerte Unterschiede zwischen den jeweiligen Rotationsröntgenbildern und dem Röntgenbild eingehen und wobei ein Ähnlichkeitswert umso größer ist, je geringer die entsprechenden Unterschiede sind. Die Nummerierung der Ähnlichkeitswerte bezieht sich auf die oben aufgeführte Reihenfolge, d.h. der erste Ähnlichkeitswert bezieht sich auf das Rotationsröntgenbild mit der gewählten Winkelstellung, der zweite Ähnlichkeitswert bezieht sich auf das Rotationsröntgenbild mit der nächst kleineren als der gewählten Winkelstellung und der dritte Ähnlichkeitswert bezieht sich auf das Rotationsröntgenbild mit der nächst größeren als der gewählten Winkelstellung. Unter einer 2D/2D-Registrierung wird ein Verfahren der digitalen Bildverarbeitung verstanden, das dazu dient, zwei Bilder bestmöglich in Übereinstimmung miteinander zu bringen. Die Bezeichnung „2D“ deutet darauf hin, dass es sich um zweidimensionale Bilder handelt. Bildregistrierung ist in der medizinischen Bildverarbeitung ein häufig verwendetes Verfahren, für das aus dem Stand der Technik eine Vielzahl an Bildregistrierungsalgorithmen bekannt ist. Ziel ist es, eine Transformation zu berechnen, die ein Bild, Objektbild genannt, bestmöglich an ein anderes Bild, Referenzbild genannt, anpasst. Es handelt sich dabei also um eine Optimierungsaufgabe, bei der ein Gütemaß, z.B. eine Abweichung, minimiert oder eine Gleichheit oder Ähnlichkeit maximiert werden soll. Aufgrund unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkten oder z.B. Objektverschiebungen, sind die zu registrierenden Bilder im Allgemeinen unterschiedlich, so dass bei der Registrierung beispielsweise Verschiebungsvektoren auftreten, die die Verschiebung von Bildpunkten des Objektbildes zu Bildpunkten des Referenzbildes beschreiben. Ein Ähnlichkeitsmaß ist eine Kenngröße, in die die Abweichung des Objektbildes von dem Referenzbild eingeht. Beispielsweise könnte als Ähnlichkeitsmaß der Kehrwert der Summe der Beträge der Verschiebungsvektoren Verwendung finden. Je geringer der Unterschied zwischen zwei Bildern ist, desto größer ist der Wert des Ähnlichkeitsmaßes.
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Im nächsten Verfahrensschritt wird aus den drei berechneten Ähnlichkeitswerten der größte Ähnlichkeitswert bestimmt.
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Abhängig davon, welcher Ähnlichkeitswert der größte ist, gibt es drei Fälle zu unterscheiden:
- Fall 1: Der erste Ähnlichkeitswert ist der größte Ähnlichkeitswert, d.h. das Rotationsröntgenbild, das mit der aktuell gewählten Winkelstellung aufgenommen worden ist, ist dem Röntgenbild am ähnlichsten. In diesem Fall wird die Iterationsschleife verlassen und zu dem Verfahrensschritt nach der Iterationsschleife, S7, verzweigt;
- Fall 2: Der zweite Ähnlichkeitswert ist der größte Ähnlichkeitswert, d.h. das Rotationsröntgenbild, das mit der nächst kleineren als der gewählten Winkelstellung aufgenommen worden ist, ist dem Röntgenbild am ähnlichsten. In diesem Fall wird die Winkelstellung, die dem zweiten Ähnlichkeitswert zugehörigen Rotationsröntgenbild gespeichert ist, als aktuelle Winkelstellung gewählt und es wird zu dem Einsprungspunkt, S5, des iterativen Verfahrens verzweigt;
- Fall 3: Der dritte Ähnlichkeitswert ist der größte Ähnlichkeitswert, d.h. das Rotationsröntgenbild, das mit der nächst größeren als der gewählten Winkelstellung aufgenommen worden ist, ist dem Röntgenbild am ähnlichsten. In diesem Fall wird die Winkelstellung, die dem dritten Ähnlichkeitswert zugehörigen Rotationsröntgenbild gespeichert ist, als aktuelle Winkelstellung gewählt und es wird zu dem Einsprungspunkt, S5, des iterativen Verfahrens verzweigt;
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Der folgende Verfahrensschritt, S7, ist der Verfahrensschritt, der nach der Iterationsschleife angesprungen wird, d.h. in diesem Fall ist das Rotationsröntgenbild, das mit der aktuell gewählten Winkelstellung aufgenommen worden ist, dem Röntgenbild am ähnlichsten. In diesem Verfahrensschritt wird ein Projektionsbild aus dem 3D-Volumendatensatz berechnet, wobei in die Projektionsmatrix zur Bestimmung des Projektionsbildes die gewählte Winkelstellung eingeht. Unter der Projektionsmatrix wird diejenige Matrix verstanden, mit der für jeden dreidimensionalen Punkt, auch Voxel genannt, der korrespondierende Punkt, auch Pixel genannt, des 2D-Bildes, d.h. sein Projektionspunkt, berechnet werden kann. Die Projektionsmatrix beschreibt die räumliche Ausrichtung des Volumens. Anschließend wird das Röntgenbild mit dem Projektionsbild überlagert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung werden die Verfahrensschritte S3 bis S7 wiederholt ausgeführt, bis ein Abbruchkriterium erfüllt ist. Unter einem Abbruchkriterium kann insbesondere das Erreichen einer vorgebbaren Anzahl an Verfahrensdurchläufen oder das Erreichen einer vorgebbaren Zeitdauer oder das Betätigen eines Tasters oder das Betätigen eines Schalters verstanden werden. Diese Ausführungsform beschreibt somit ein kontinuierliches Verfahren, das ausgeführt wird, bis ein Abbruchkriterium erfüllt ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden in Verfahrensschritt S7 die zu den Rotationsröntgenbildern gespeicherten Winkelstellungen korrigiert, wobei in die Korrektur insbesondere die Differenz aus der Winkelstellung des Röntgenbildes und der gewählten Winkelstellung eingeht. Nachdem ein Rotationsröntgenbild gefunden worden ist, das dem Röntgenbild am ähnlichsten ist, kann durch eine Differenzbildung der Winkelstellungen, mit denen die beiden Bilder aufgenommen wurden, ein Korrekturwert bestimmt werden, der dem Winkel entspricht, um den sich das Objekt gegenüber den Aufnahmen der Rotationsröntgenbilder gedreht hat. Dieser Korrekturwert kann bei nachfolgenden Röntgenbildern berücksichtigt werden, indem er die zu den Rotationsröntgenbildern gespeicherten Winkelstellungen korrigiert.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die craniale und caudale Angulierung des C-Bogens bei der Akquisition der Rotationsröntgenbilder und bei der Akquisition des Röntgenbildes konstant, insbesondere gleich Null, ist. Bei gleicher cranialer und caudaler Angulierung des C-Bogens sowohl bei der Akquisition der Rotationsröntgenbilder als auch bei der Akquisition des Röntgenbildes ist die Wahrscheinlichkeit einer guten Übereinstimmung des Röntgenbildes mit einem Rotationsröntgenbild besonders groß.
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Vorzugsweise ist das Röntgenbild eine Röntgenaufnahme einer Echtzeit-Fluoroskopie. Unter einer Fluoroskopie oder Durchleuchtung versteht man in der Radiologie oder der Röntgendiagnostik die kontinuierliche Betrachtung von Vorgängen im menschlichen oder tierischen Körper unter Verwendung von Röntgenstrahlung. Bei einer Echtzeit-Fluoroskopie werden die aufgenommenen Bilder, im Gegensatz zu beispielsweise einer gespeicherten Bildsequenz, aufgenommen und möglichst bis zur Aufnahme des nächsten Bildes weiterverarbeitet.
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Günstig ist bei den Rotationsröntgenbildern die Differenz zweier aufeinanderfolgender Winkelstellungen gleich groß. Bei beispielsweise einer konstanten Rotationsgeschwindigkeit bzw. Winkelgeschwindigkeit des C-Bogens und einer konstanten Bildaufnahmefrequenz können die einzelnen Aufnahmen mit konstanten Winkeldifferenzen aufgenommen werden. Dies ist ein bevorzugtes Aufnahmeverfahren, da damit z.B. die Mechanik der Röntgenvorrichtung wenig belastet wird.
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Vorzugsweise umfasst die Kalibrierung der Rotationsröntgenbilder eine Korrektur von Verzeichnungen durch mechanische Effekte des Röntgengerätes, insbesondere einer Verformung des C-Bogens, und/oder eine Korrektur bedingt durch den Einfluss des Erdmagnetfeldes, jeweils in Abhängigkeit der Winkelstellung bei der Aufnahme. Bedingt durch die an Röntgenstrahlungsdetektor, Röntgenstrahlenquelle und C-Bogenträger angreifende Schwerkraft oder Zentrifugalkraft bei einer Bewegung des C-Bogens, kann sich der C-Bogen gering aber merklich verformen, so dass sich nicht-ideale Fokus- und Detektorbahntrajektorien ergeben, die z.B. durch Verzeichnungen in den Aufnahmen sichtbar werden. Weiter kann das Erdmagnetfeld Einfluss auf den Röntgenstrahlungsdetektor haben. Diese Einflüsse können mit dem Wissen der Winkelstellung und gegebenenfalls der Winkelgeschwindigkeit bei der Aufnahme korrigiert werden.
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Vorzugsweise wird nach der Akquisition des Röntgenbildes des Untersuchungsbereiches des Untersuchungsobjektes das Röntgenbild kalibriert, wobei die Kalibrierung eine Korrektur von Verzeichnungen durch mechanische Effekte des Röntgengerätes, insbesondere einer Verformung des C-Bogens, und/oder eine Korrektur bedingt durch den Einfluss des Erdmagnetfeldes, jeweils in Abhängigkeit der Winkelstellung bei der Aufnahme, umfasst. Da das Röntgenbild in ähnlicher Weise wie die Rotationsröntgenbilder aufgenommen wird, ist es vorteilhaft, auch das Röntgenbild in Abhängigkeit der Winkelstellung und gegebenenfalls der Winkelgeschwindigkeit bei der Aufnahme zu korrigieren.
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Zweckmäßig wird das mit dem Projektionsbild überlagerte Röntgenbild visualisiert, d.h. das mit dem Projektionsbild überlagerte Röntgenbild wird z.B. auf einem Monitor dargestellt.
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Günstig wird das Verfahren automatisch ausgeführt. Somit bedarf die Ausführung des Verfahrens keiner Eingabe durch eine Bedienperson, da alle Verfahrensschritte automatisch durchgeführt werden.
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Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überlagerung eines Röntgenbildes mit einem Projektionsbild aus einem 3D-Volumendatensatz einer Rotationsangiografie, wobei die Vorrichtung ein C-Bogen-Röntgengerät, das einen C-Bogen und daran in gegenüberliegender Lage angeordnet eine Röntgenquelle und einen Röntgenstrahlungsdetektor umfasst, aufweist und wobei die Vorrichtung ein Rechen- und Steuermittel aufweist, das dazu ausgeführt ist, das C-Bogen-Röntgengerät zu steuern, Daten von dem C-Bogen-Röntgengerät bereitgestellt zu bekommen und ein zuvor beschriebenes Verfahren auszuführen.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden Figuren samt Beschreibung. Es zeigen:
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1 eine Visualisierung einer Überlagerung eines Röntgenbildes mit einem Projektionsbild aus einem 3D-Volumendatensatz;
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2 schematisch wichtige Aspekte eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 schematisch einen 3D-Volumendatensatz und beispielhaft Projektionsbilder;
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4 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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5 eine schematische Darstellung einer exemplarischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überlagerung eines Röntgenbildes mit einem Projektionsbild aus einem 3D-Volumendatensatz einer Rotationsangiografie in einer Seitenansicht;
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6 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer exemplarischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überlagerung eines Röntgenbildes mit einem Projektionsbild aus einem 3D-Volumendatensatz einer Rotationsangiografie in einer Frontalansicht.
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1 zeigt eine Visualisierung 10 einer Überlagerung eines Röntgenbildes 11 mit einem Projektionsbild 12 aus einem 3D-Volumendatensatz. Das Projektionsbild 12 stellt einen Gefäßbaum dar, der in einem 3D-Volumendatensatz als räumliche Struktur gespeichert ist. In dem Röntgenbild 11 ist ein Katheter sichtbar, der in einem Blutgefäß des Gefäßbaumes geführt ist. Die überlagerte Darstellung kann einem Arzt einen besseren Einblick in den weiteren Verlauf des Blutgefäßes geben.
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In 2 sind schematisch wichtige Aspekte eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Es liegt eine Folge von Röntgenrotationsaufnahmen 20 bis 24 vor, wobei die Winkeleinstellung bei der jeweiligen Aufnahme bekannt ist. Weiter liegt eine Röntgenaufnahme 25, die aus einer Echtzeit-Fluoroskopie kommen kann, ebenfalls mit bekannter Winkeleinstellung bei der Aufnahme, vor. In einem Verfahrensschritt 26 wird ein Rotationsröntgenbild, hier das Rotationsröntgenbild 21, anhand der gespeicherten Winkelstellung bei der Aufnahme ausgewählt. In einem Verfahrensschritt 27 wird das ausgewählte Rotationsröntgenbild 21 durch eine 2D/2D-Registrierung mit dem Röntgenbild 25 registriert.
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3 zeigt schematisch einen 3D-Volumendatensatz 30 und beispielhaft Projektionsbilder 31. Die Ausrichtung eines Projektionsbildes 31 kann durch eine Projektionsmatrix beschrieben werden.
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In 4 ist ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens 1 zur Überlagerung eines Röntgenbildes mit einem Projektionsbild aus einem 3D-Volumendatensatz einer Rotationsangiografie dargestellt. Das Verfahren 1 umfasst die Verfahrensschritte S1 bis S7, wobei sich an Verfahrensschritt S6 die Verfahrensschritte S6a, S6b uns S6c anschließen können. Es beginnt mit Verfahrensschritt S1 und endet „End“ nach Verfahrensschritt S7. Die einzelnen Verfahrensschritte lauten:
- S1) Akquisition von mehreren Rotationsröntgenbildern eines Untersuchungsbereiches eines Untersuchungsobjektes, wobei jeweils zwischen der Aufnahme zweier Rotationsröntgenbilder der C-Bogen um eine Achse um einen Drehwinkel gedreht wird und wobei die Winkelstellung bei der jeweiligen Aufnahme gespeichert wird;
- S2) Kalibrieren der Rotationsröntgenbilder und Rekonstruktion eines 3D-Volumendatensatzes des Untersuchungsbereiches des Untersuchungsobjektes;
- S3) Akquisition eines Röntgenbildes des Untersuchungsbereiches des Untersuchungsobjektes, wobei die Winkelstellung bei der Aufnahme des Röntgenbildes innerhalb des Bereiches zwischen kleinster und größter Winkelstellung der Aufnahmen der Rotationsröntgenbilder liegt und wobei die Winkelstellung bei der Aufnahme des Röntgenbildes gespeichert wird;
- S4) Wahl derjenigen gespeicherten Winkelstellung bei der Aufnahme der Rotationsröntgenbilder, die der Winkelstellung bei der Aufnahme des Röntgenbildes am nächsten ist;
- S5) jeweils für das Rotationsröntgenbild mit der gewählten Winkelstellung, das Rotationsröntgenbild mit der nächst kleineren als der gewählten Winkelstellung und das Rotationsröntgenbild mit der nächst größeren als der gewählten Winkelstellung, Durchführung einer 2D/2D-Registrierung des jeweiligen Rotationsröntgenbildes mit dem Röntgenbild, Bestimmung eines ersten, eines zweiten und eines dritten Ähnlichkeitswertes zwischen den jeweiligen Rotationsröntgenbildern und dem Röntgenbild, wobei in die Ähnlichkeitswerte Unterschiede zwischen den jeweiligen Rotationsröntgenbildern und dem Röntgenbild eingehen und wobei ein Ähnlichkeitswert umso größer ist, je geringer die entsprechenden Unterschiede sind;
- S6) Bestimmung des größten Ähnlichkeitswertes aus den drei Ähnlichkeitswerten und
S6a – falls der erste Ähnlichkeitswert der größte Ähnlichkeitswert ist, „Y“, Sprung zu Verfahrensschritt S7, sonst, „N“, weiter mit Verfahrensschritt S6b;
S6b – falls der zweite Ähnlichkeitswert der größte Ähnlichkeitswert ist, „Y“, Wahl der zu dem zweiten Ähnlichkeitswert zugehörigen Rotationsröntgenbild gespeicherten Winkelstellung und Sprung zu Verfahrensschritt S5, sonst, „N“, weiter mit Verfahrensschritt S6c;
S6c – Wahl der zu dem dritten Ähnlichkeitswert zugehörigen Rotationsröntgenbild gespeicherten Winkelstellung und Sprung zu Verfahrensschritt S5;
- S7) Berechnen eines Projektionsbildes aus dem 3D-Volumendatensatz, die der gewählten Winkelstellung zugehört, und Überlagerung des Röntgenbildes mit dem Projektionsbild.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer exemplarischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Überlagerung eines Röntgenbildes mit einem Projektionsbild aus einem 3D-Volumendatensatz einer Rotationsangiografie in einer Seitenansicht. Die Vorrichtung 100 weist ein C-Bogen-Röntgengerät 114 mit einem, an einem Stativ 106 angeordneten, C-Bogen 102 auf, an dem in gegenüberliegender Lage eine Röntgenquelle 103 und ein Röntgenstrahlungsdetektor 104 angeordnet sind. Auf einer Lagerungseinrichtung 105, z.B. einem Untersuchungstisch, liegt ein Untersuchungsobjekt 108, hier ein menschlicher Patient. Weiter weist die Vorrichtung 100 ein Rechen- und Steuermittel 101 auf, das dazu ausgeführt ist, das C-Bogen-Röntgengerät 114 zu steuern, Daten, z.B. Winkelstellungen oder ein Röntgenbild, von dem C-Bogen-Röntgengerät 114 bereitgestellt zu bekommen und ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Insbesondere weist das C-Bogen-Röntgengerät 114 mindestens einen Aktor auf, der den C-Bogen 102 um eine Achse 111, die in der Darstellung parallel zur x-Achse des eingezeichneten kartesischen Koordinatenkreuzes ist, rotieren kann. Dies ist durch den offenen Kreisbogen 112 angedeutet. Weiter ist das Rechen- und Steuermittel 101 und das C-Bogen-Röntgengerät 114 dazu ausgelegt, mehrere Rotationsröntgenbilder eines Untersuchungsbereiches 109, hier der Kopf des Patienten, des Untersuchungsobjektes 108 zu akquirieren. In der 5 ist am Zentralstrahl 113 der Röntgenquelle 103 zu erkennen, dass in diesem Ausführungsbeispiel die craniale und caudale Angulierung des C-Bogens 102 gleich Null ist. Ein Drücken des symbolisch angedeuteten Tasters 107 kann dazu dienen, die Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens abzubrechen. Weiter kann das Rechen- und Steuermittel 101 einen Monitor, ohne Bezugszeichen, aufweisen, der ein mit einem Projektionsbild überlagertes Röntgenbild anzeigt.
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In 6 schließlich ist eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer exemplarischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überlagerung eines Röntgenbildes mit einem Projektionsbild aus einem 3D-Volumendatensatz einer Rotationsangiografie in einer Frontalansicht dargestellt. Durch das eingezeichnete kartesische Koordinatenkreuz erkennt man leicht, dass der C-Bogen 102, mit der Röntgenquelle 103, dem Röntgenstrahlungsdetektor 104, der Lagerungseinrichtung 105, auf der das Untersuchungsobjekt 108 mit dem Untersuchungsbereich 109 liegt, gegenüber der Darstellung aus 5 um 90° gedreht ist. Der C-Bogen 109 ist in eine RAO/LAO Winkeldrehung, oder Winkelstellung 110 verfahren.
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Zusammenfassend werden einige Aspekte der Erfindung bzw. deren Ausführungsformen beschrieben. Die Erfindung beschreibt ein Verfahren für eine automatische Korrektur einer Patientenbewegung für ein 3D-Roadmapping. Dazu nutzt das Verfahren Röntgenrotationsaufnahmen, die für die Rekonstruktion und Erzeugung eines 3D-Gefäßbaumes aufgenommen worden sind. Diese können an Echtzeit-Fluoroskopiebildern räumlich ausgerichtet werden, wodurch eine mögliche Patientenbewegung für eine bestmögliche Überlagerung des Gefäßbaums aus der Projektionsmatrix herausgerechnet werden kann. Die Grundlage hierfür ist, dass es sich bei den Röntgenrotationsaufnahmen ebenfalls um Fluoroskopiebilder handelt, die den Echtzeit-Fluoroskopiebildern sehr ähnlich sind und daher an diesen mit einfachen 2D/2D Registrieralgorithmen ausgerichtet werden können. Die Röntgenrotationsaufnahmen werden in der Regel in einer kreisförmigen Bahn um den Patienten herum in einer reinen LAO/RAO Bewegung, d.h. die CRAN/CAUD Angulierung beträgt 0°, akquiriert. Hierbei werden beispielsweise ca. 200° eines Kreises abgefahren und bei gleichmäßigen Winkelinkrementen ca. 133 Projektionsbilder aufgenommen. Um eine akkurate Registrierung mit den Echtzeit-Fluoroskopiebildern zu gewährleisten ist es notwendig, eine möglichst gleiche Projektionsebene für Röntgenrotationsaufnahmen und Echtzeit-Fluoroskopiebild zu wählen. Aus den Kalibrierdaten kann eine erste gute Schätzung des am Besten zum Echtzeit-Fluoroskopiebild passenden Projektionsbild abgeleitet werden, da die Winkelstellung des C-Bogens bei der Aufnahme zu jedem Projektionsbild abgespeichert wurde. Aus den Kalibrierdaten ergibt sich ebenso eine initiale Projektionsmatrix, die als Ausgangsbasis verwendet werden kann. In einem iterativen Ansatz wird nun zum einen die Auswahl des Projektionsbildes optimiert und zum anderen die bestmögliche räumliche Ausrichtung des Projektionsbildes zum Echtzeit-Fluoroskopiebild berechnet. Daraus kann eine akkurate Projektionsmatrix für die 3D-Roadmap berechnet werden. Der Vorteil des Verfahrens ist, dass automatisch im Hintergrund, d.h. ohne manuelle Eingabe, und ohne Unterbrechung der Intervention eine Kontrolle der Genauigkeit der aktuellen Überlagerung und gegebenenfalls eine Korrektur durchgeführt werden kann. Da die Rotationsbilder und die Echtzeit-Fluoroskopiebilder sehr ähnliche Informationen enthalten, ist hierfür kein zusätzliches Kontrastmittel notwendig. Vorzugsweise wird bei diesem Verfahren der C-Bogen nur in RAO/LAO Richtung anguliert und nicht in craniale oder caudale Richtung.
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Einige wesentliche Vorteile der Erfindung bzw. deren Ausführungsformen können wie folgt beschrieben werden:
- – automatische Erkennung und Korrektur von Patientenbewegung in LAO/RAO Angulierung des C-Bogens während des 3D-Roadmapping;
- – keine Nutzerinteraktion notwendig;
- – keine Unterbrechung der Intervention notwendig;
- – Reduzierung des notwendigen Kontrastmittels im Vergleich zu den bisher verwendeten Methoden;
- – Vorteile des 3D-Roadmappings bleiben erhalten, d.h. der räumliche Eindruck der überlagerten Gefäßstrukturen, die dynamische Anpassung an C-Bogen- und Tischpositionsänderungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- S. Rossitti, M. Pfister, 3D Road-Mapping in the Endovascular Treatment of Cerebral Aneurysms and Arteriovenous Malformations, Interventional Neuroradioly 15: 283–290, 2009 [0003]
- M. Södermann et al., 3D Roadmap in Neuroangiography: Technique and Clinical Interest, Neuroradiology, (2005) 47:735-40 [0003]
- „Mathematical Methods in Image Reconstruction", von F. Natterer und F. Wübbeling in Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia 2001 [0010]
