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Die Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Computerprogrammprodukt sowie ein computerlesbares Medium zur Auswahl von Kalibrierungsdaten zur Bildrekonstruktion sowie eine Vorrichtung zur Bildgebung sowie zur Auswahl von Kalibrierungsdaten.
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Bildgebende Verfahren kommen in vielen Bereichen der Technik und Wissenschaft, insbesondere in der medizinischen Praxis, zur Anwendung. Ein Ziel ist es dabei, eine dreidimensionale Darstellung mit hoher räumlicher Auflösung auf Basis von zweidimensionalen Projektionsbildern zu rekonstruieren. Dazu müssen die Projektionsbilder unter verschiedenen Winkeln aufgenommen werden. Dies erfolgt typischer Weise, indem eine Strahlungsquelle und ein Strahlungsdetektor während einer Aufnahmeserie zusammen um das abzubildende Objekt rotieren. Die Rekonstruktion der unter verschiedenen Winkeln aufgenommenen Ansichten zu einer dreidimensionalen Darstellung erfordert eine Kalibrierung des bildgebenden Gerätes. Die Kalibrierungsdaten geben an, wie die einzelnen, zweidimensionalen Aufnahmen in den dreidimensionalen Raum zu transformieren sind, um eine dreidimensionale, hoch aufgelöste Darstellung des Objekts zu erhalten. Für die Kalibrierung wird ein sogenanntes Kalibrierungsphantom verwendet, das eine bekannte Struktur strahlungsundurchlässiger Marker aufweist. Während der Aufnahme des Kalibrierungsphantoms unter verschiedenen Winkeln werden die jeweiligen Positionen der Strahlungsquelle und des Strahlungsdetektors gemessen, woraus sich die Kalibrierungsdaten berechnen lassen. Während der eigentlichen Strahlungsaufnahmen, beispielsweise eines Patienten, weicht die Bahn von Strahlungsquelle und/oder Strahlungsdetektor oft erheblich von der während der Kalibrierung vermessenen Bahn ab. Dies ist insbesondere bei C-Bögen der Fall, die nur eine geringe Verwindungssteife aufweisen. Die Abweichungen verhindern eine optimale dreidimensionale Rekonstruktion.
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Aus
DE 10 2008 049 038 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Positionen der Komponenten einer Bildgebungseinheit eines Röntgengerätes bekannt. In dem Verfahren werden die Positionen des Strahlers und Detektors während der Röntgenbildaufnahme mit einem Messsystem bestimmt, das an der Bildgebungseinheit des Röntgengeräts befestigt ist und sich mit der Bildgebungseinheit bewegt. Die ortsfesten Koordinaten von Strahler und Detektor werden mit Hilfe von röntgenoptischen Marken im Strahlengang berechnet. Die räumliche Beziehung zwischen den Marken und dem Koordinatensystem des Strahlers sowie zwischen den Marken und dem Bildkoordinatensystem des Detektors wird als bekannt vorausgesetzt, beispielsweise durch eine vorherige Kalibrierung.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die während einer Strahlungsaufnahme von einer vorgegebenen Bahn abweichende Bewegung einer Strahlungsquelle und/oder eines Strahlungsdetektors so zu charakterisieren, dass die Bildrekonstruktion verbessert wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung nach Anspruch 14 gelöst.
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Nachstehend wird die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe in Bezug auf die beanspruchte Vorrichtung als auch in Bezug auf das beanspruchte Verfahren beschrieben. Hierbei erwähnte Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen sind ebenso auch auf die anderen beanspruchten Gegenstände zu übertragen und umgekehrt. Mit anderen Worten können die gegenständlichen Ansprüche (die beispielsweise auf eine Vorrichtung gerichtet sind) auch mit den Merkmalen, die in Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben oder beansprucht sind, weitergebildet sein. Die entsprechenden funktionalen Merkmale des Verfahrens werden dabei durch entsprechende gegenständliche Module ausgebildet.
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Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, die Bewegung einer Strahlungsquelle und/oder eines Strahlungsdetektors, der während der Bewegung Aufnahmen macht, durch einen mit der Strahlungsquelle und/oder dem Strahlungsdetektor verbundenen Beschleunigungssensor zu charakterisieren, um die während der Bewegung aufgenommenen Daten des Beschleunigungssensors mit abrufbar gespeicherten Referenzdaten anhand eines vorgebbaren Kriteriums zu vergleichen. Dabei sind den Referenzdaten abrufbar gespeicherte Kalibrierungsdaten zugeordnet, so dass die Referenzdaten, die das vorgebbare Kriterium erfüllen, ausgewählt werden, und die den ausgewählten Referenzdaten zugeordneten Kalibrierungsdaten ebenfalls ausgewählt werden. Die ausgewählten Kalibrierungsdaten sowie die während der Bewegung gemachten Strahlungsaufnahmen können zur Rekonstruktion eines Bildes genutzt werden. Durch einen einfachen Datenvergleich können so einer Aufnahmeserie die Kalibrierungsdaten zugeordnet werden, die zu der Bewegung der Strahlungsquelle und/oder des Strahlungsdetektors während der Aufnahmeserie passen. Die Zuordnung der passenden Kalibrierungsdaten zu einer Aufnahmeserie ermöglicht eine verbesserte Bildrekonstruktion des untersuchten Objekts.
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In einer weiteren Ausführungsform werden die Referenzdaten und die ihnen jeweils zugeordneten Kalibrierungsdaten mittels der gleichen Kalibrierungsmessung erzeugt, wodurch eine direkte und besonders einfache Zuordnung der Kalibrierungsdaten zu den Referenzdaten gegeben ist.
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In einer weiteren Ausführungsform umfassen die Referenzdaten Beschleunigungsdaten, wodurch ein direkter und schneller Vergleich der Daten des Beschleunigungssensors mit den Referenzdaten ermöglicht wird.
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In einer weiteren Ausführungsform werden Klassifikationsalgorithmen benutzt, um die Daten des Beschleunigungssensors mit den Referenzdaten anhand des vorgebbaren Kriteriums zu vergleichen, wodurch der Vergleich der Daten des Beschleunigungssensors mit den Referenzdaten und damit auch die Bildrekonstruktion beschleunigt wird.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der Suchraum für den Vergleich von Daten des Beschleunigungssensors mit den abrufbar gespeicherten Referenzdaten reduziert, wodurch der Vergleich der Daten des Beschleunigungssensors mit den Referenzdaten und damit auch die Bildrekonstruktion beschleunigt wird.
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In einer weiteren Ausführungsform werden die Daten des Beschleunigungssensors und die Referenzdaten auf einen Vektor gleicher Länge abgebildet, wodurch Daten des Beschleunigungssensors und Referenzdaten unterschiedlicher Länge vergleichbar werden. Die unterschiedliche Länge kann beispielsweise auf einer unterschiedlichen Bewegungsgeschwindigkeit oder Frequenz der Datenaufzeichnung beruhen, so dass unterschiedliche Datensätze, die aber sehr ähnliche Bewegungsmuster beschreiben können, vergleichbar werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das vorgebbare Kriterium ein minimaler Abstand zwischen den während der Bewegung aufgenommenen Daten des Beschleunigungssensors und den Referenzdaten, denn ein Vergleich anhand eines einfaches Abstandskriteriums lässt sich schnell und effektiv durchführen.
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In einer weiteren Ausführungsform werden die ausgewählten Kalibrierungsdaten nach einer vorgebbaren Regel interpoliert, und die durch Interpolation gewonnenen Kalibrierungsdaten werden zur Bildrekonstruktion genutzt, so dass die durch Interpolation gewonnenen Kalibrierungsdaten die Bewegung während der Aufnahmeserie besser beschreiben und damit die Qualität der Bildrekonstruktion weiter erhöhen.
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Eine weitere Ausführungsform umfasst ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, aufrufbar in den internen Speicher eines Computers, zum Durchführen des Verfahrens und Auswahl von Kalibrierungsdaten zur Bildrekonstruktion, so dass die Schritte des Verfahrens schnell, identisch wiederholbar und robust ausgeführt werden können.
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Eine weitere Ausführungsform umfasst ein computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogrammprodukt ausführbar gespeichert ist.
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Eine weitere Ausführungsform umfasst das computerlesbares Medium sowie die abrufbar gespeicherten Referenzdaten sowie die abrufbar gespeicherten Kalibrierungsdaten, so dass ein direkter Zugriff auf die Referenzdaten sowie die Kalibrierungsdaten sichergestellt wird.
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Eine weitere Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung zur Bildgebung und zum Durchführen des angegebenen Verfahrens.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Strahlungsquelle und der Strahlungsdetektor miteinander durch einen C-Bogen verbunden, wobei der Beschleunigungssensor am C-Bogen oder der Strahlungsquelle oder dem Strahlungsdetektor befestigt ist, wodurch der Zugriff auf das untersuchte Objekt, beispielsweise einen Patienten, unmittelbar vor oder nach dem Durchführen der Aufnahmeserie gewährleistet wird. Außerdem ermöglicht ein C-Bogen mit entsprechender Aufhängung die Abdeckung eines großen Winkelbereichs von mindestens 180 Grad, was Voraussetzung für die Rekonstruktion von hoch aufgelösten, dreidimensionalen Bildern ist.
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Eine weitere Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Ausgabeeinheit zum Anzeigen der Projektionsbilder und/oder der Rekonstruktion eines Bildes des aufgenommenen Objekts. Insbesondere bei der intraoperativen Bildgebung ist eine direkte Anzeige von rekonstruierten dreidimensionalen Bildern wichtig zur Kontrolle der operativen Maßnahmen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Vorrichtung zur Bildgebung sowie zur Auswahl von Kalibrierungsdaten und
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2 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Auswahl von Kalibrierungsdaten zur Bildrekonstruktion
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1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Bildgebung sowie zur Auswahl von Kalibrierungsdaten, bei dem eine Röntgenquelle 2 und ein Röntgendetektor 3 durch einen C-Bogen 5 verbunden sind, der mit mehrere Beschleunigungssensoren 4 versehen ist, wodurch die Beschleunigungssensoren 4 auch mit der Röntgenquelle 2 sowie mit dem Strahlungsdetektor 3 verbunden sind. Bei der Rotation des C-Bogens 5 um ein Objekt 6 nimmt der Röntgendetektor 3 mit Hilfe der Röntgenquelle 2 mehrere Projektionsbilder unter verschiedenen Winkeln relativ zu dem Objekt 6 auf, und die Beschleunigungssensoren 4 nehmen während der Rotation Beschleunigungsdaten auf. Die Vorrichtung 1 weist einen Computer 7 zum Vergleich der Daten des Beschleunigungssensoren 4 mit auf dem Computer 7 gespeicherten Referenzdaten anhand eines vorgebbaren Kriteriums auf, wobei den Referenzdaten auf dem Computer 7 gespeicherte Kalibrierungsdaten zugeordnet sind. Der Computer 7 weist weiterhin eine Einheit zum Lesen eines computerlesbaren Mediums 10 in Form einer Daten-CD auf. Weiterhin ist das Programm zum Ausführen der folgenden, näher in 2 beschriebenen Schritte abrufbar auf einem computerlesbaren Medium 10 in Form einer Daten-CD gespeichert. Die Referenzdaten, die das vorgebbare Kriterium erfüllen, werden ausgewählt, und die den ausgewählten Referenzdaten zugeordneten Kalibrierungsdaten werden ebenfalls ausgewählt. Dann wird mit Hilfe der ausgewählten Kalibrierungsdaten aus den während der Rotation gemachten Projektionsbilder des Röntgendetektors 3 ein dreidimensionales Bildes 8 rekonstruiert, das auf einem Bildschirm 9 dargestellt wird.
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Die Vorrichtung 1 ermöglicht, dass einer Serie von Röntgenprojektionsbildern ausgewählte Kalibrierungsdaten zugeordnet werden, die zu der Bewegung von Röntgenquelle 2 und Röntgendetektor 3 während der Aufnahmeserie passen, und zwar durch Messen eines der Bewegung von Röntgenquelle 2 und/oder Röntgendetektor 3 entsprechenden Beschleunigungsprofils sowie durch einen einfachen Datenvergleich. Die Zuordnung der passenden Kalibrierungsdaten zu einer Serie von Projektionsbildern ermöglicht eine verbesserte Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bildes 8 des untersuchten Objekts 6. Weiterhin sind Beschleunigungssensoren 4 kostengünstig, äußerst zuverlässig und darüber hinaus produzieren sie, beispielsweise im Vergleich zu Kameras, nur kleine Datenvolumina.
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Die Begriffe „Referenzdaten“ sowie „Kalibrierungsdaten“ beziehen sich sowohl auf die während einer einzelnen Messung gewonnenen Daten, als auch auf die Gesamtheit aller zur Verfügung stehenden, abrufbar gespeicherten Daten.
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Es ist erstrebenswert, dass Referenzdaten sowie die zugehörigen Kalibrierungsdaten möglichst vieler Messungen abrufbar gespeichert sind, damit passende Kalibrierungsdaten für möglichst viele verschiedene Bewegungsmuster während der Aufnahmeserie gefunden werden können.
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Die Referenzdaten und die Kalibrierungsdaten können jeweils lokal auf dem mit der Vorrichtung verbundenen Computer 7 oder auch auf einem anderen Datenträger gespeichert sein, der beispielsweise über ein Intranet oder das Internet erreichbar ist. Eine zentrale Speicherung der Daten ermöglicht insbesondere, dass Benutzer der Vorrichtung unabhängig von ihrem Standort auf die Referenzdaten und die Kalibrierungsdaten zugreifen können. Eine zentrale Speicherung ermöglicht auch, dass bei auffälligen Bewegungsmustern von Röntgenquelle 2 und/oder Röntgendetektor 3 an einem Standort neue Kalibrierungsmessungen durchgeführt, und die zugehörigen Referenzdaten und Kalibrierungsdaten anderen Benutzern ähnlicher, insbesondere baugleicher, Vorrichtungen zugänglich gemacht werden können.
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In einer weiteren Ausführungsform basieren die Referenzdaten und die zugeordneten Kalibrierungsdaten jeweils auf derselben Kalibrierungsmessung. Wenn eine ausreichend große Menge an Kalibrierungsmessungen mit einem Beschleunigungssensor an der Röntgenquelle 2 und/oder dem Röntgendetektor 3 ausgeführt worden sind, können bei der Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bildes 8 einfach diejenigen Kalibrierungsdaten ausgewählt werden, die zu dem jeweiligen Beschleunigungsprofil passen. Allerdings müssen nicht alle Kalibrierungsmessungen auf genau demselben Gerät durchgeführt worden sein, das für die Aufnahmen gemäß dem beanspruchten Verfahren benutzt wird. Die Geräte, deren Beschleunigungsdaten verglichen werden, sollten lediglich vergleichbare Bahnen von Strahlungsquelle und Strahlungsdetektor aufweisen, damit ein Vergleich der Beschleunigungsdaten mit den Referenzdaten sinnvoll ist. In letzter Konsequenz ist es überhaupt nicht notwendig ein bestimmtes Gerät vor der Auslieferung zu kalibrieren, wenn für diesen Gerätetyp bereits genug Datenpaare von Referenzdaten und Kalibrierungsdaten gespeichert sind.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die abrufbar gespeicherten Referenzdaten und Kalibrierungsdaten mit genau demselben Gerät aufgenommen worden, welches für die Aufnahmen des Objektes verwendet wird. Dadurch ist eine direkte Vergleichbarkeit der Beschleunigungsdaten des Beschleunigungssensors 4 und der abrufbar gespeicherten Referenzdaten gegeben.
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Die Vorrichtung 1 ist nicht auf Geräte mit einfachem C-Bogen 5 beschränkt. Insbesondere kann ein doppelter C-Bogen zur Verbindung von Strahlungsquelle 2 und Strahlungsdetektor 3 dienen, da ein doppelter C-Bogen Aufnahmen in einem größeren Winkelbereiches ermöglicht. Weiterhin kann die Vorrichtung auch einen O-Arm aufweisen oder als Mehrebenenröntgengerät ausgebildet sein.
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Bei der Röntgenquelle 2 handelt es sich typischer Weise um eine Röntgenröhre. Anstatt der Röntgenquelle 2 können beispielsweise auch eine Lampe oder ein Laser verbaut werden.
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Bei dem Röntgendetektor 3 handelt es sich typischer Weise um einen Flachdetektor. Anstatt eines Röntgendetektors können beispielsweise auch eine CCD Kamera, ein Photoelektronenvervielfacher oder eine CMOS Kamera verbaut werden.
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Bei den Beschleunigungssensoren 4 handelt es sich beispielsweise um Kapazitätssensoren, piezoelektrische, magnetische oder induktive Sensoren.
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Bei dem computerlesbaren Medium 10 kann es sich beispielsweise auch um eine DVD, einen USB-Stick, eine Festplatte oder eine Diskette handeln. Auf dem computerlesbaren Medium 10 können neben einem Computerprogramm zum Ausführen des Verfahrens zur Auswahl von Kalibrierungsdaten zur Bildrekonstruktion auch die Referenzdaten sowie die zugehörigen Kalibrierungsdaten gespeichert werden.
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Bei dem Bildschirm 9 zur Darstellung der Projektionsbilder und/oder des rekonstruierten Bildes handelt es sich beispielsweise um einen LCD-, Plasma- oder OLED-Bildschirm. Der Bildschirm kann wie bei einem transportablen Computer in die Datenverarbeitungseinheit integriert sein oder auch in Form einer Projektionsfläche ausgebildet sein.
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2 zeigt Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Auswahl von Kalibrierungsdaten zur Bildrekonstruktion. Während der Aufnahme von Projektionsbildern 11 eines Objekts 6 durch eine bildgebende Einheit mit einer Strahlungsquelle und einem Strahlungsdetektor geschieht auch eine Aufnahme von Beschleunigungsdaten 12 durch Beschleunigungssensoren 4, die mit der Strahlungsquelle und/oder dem Strahlungsdetektor verbunden sind. Dann wird ein Vergleich von Beschleunigungsdaten mit abrufbar gespeicherten Referenzdaten 13 anhand eines vorgebbaren Kriteriums vollzogen, um diejenigen Referenzdaten auszuwählen, die den aufgenommenen Beschleunigungsdaten entsprechen. Nach der Auswahl der Referenzdaten 14 findet eine Auswahl der Kalibrierungsdaten 15 statt, die den ausgewählten Referenzdaten zugeordnet sind. Die Kalibrierungsdaten sind dabei ebenfalls abrufbar gespeichert. Schließlich werden die Projektionsbilder mit Hilfe der ausgewählten Kalibrierungsdaten zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bildes 16 des aufgenommen Objekts 6 genutzt.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die Suche nach den zu den Beschleunigungsdaten passenden Referenzdaten durch Klassifikationsalgorithmen, beispielsweise mit Klassifikationsbäumen, optimiert, da bei der Bewegung von Röntgenquelle 2 und Röntgendetektor 3 immer wieder typische Abweichungen von der vorgegebenen Bahn auftreten.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der Suchraum beim Vergleich der Daten des Beschleunigungssensors mit den Referenzdaten reduziert, um die Suche zu beschleunigen. Dies kann beispielsweise geschehen, indem die Daten des Beschleunigungssensors und die Referenzdaten in Unterräume projiziert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform können auch Daten des Beschleunigungssensors mit Referenzdaten unterschiedlicher Länge verglichen werden. Die unterschiedliche Länge beruht beispielsweise auf der unterschiedlichen Frequenz der Datenaufzeichnung oder auch auf der unterschiedlichen Dauer der Aufnahmeserien. Dennoch können Datensätze unterschiedlicher Länge sehr ähnliche Bewegungsmuster beschreiben. Daher ist ein Verfahren vorteilhaft, bei dem die Daten des Beschleunigungssensors und die Referenzdaten auf einen Vektor gleicher Länge abgebildet werden.
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Ein sinnvolles Kriterium für die Bestimmung der richtigen Referenzdaten ist ein minimaler Abstand zwischen den während der Bewegung aufgenommenen Daten des Beschleunigungssensors und den Referenzdaten.
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In einer weiteren Ausführungsform werden die ausgewählten Kalibrierungsdaten nach einer vorgegebenen Regel interpoliert, und die durch Interpolation gewonnenen Kalibrierungsdaten werden zur Bildrekonstruktion genutzt. Wenn beispielsweise zwei Sätze von Referenzdaten den gleichen Abstand zu den gemessenen Beschleunigungsdaten aufweisen, kann es sinnvoll sein, die zu den jeweiligen Sätzen von Referenzdaten gehörigen Sätze von Kalibrierungsdaten nach einer vorgebbaren Regel interpoliert werden. Die so interpolierten Kalibrierungsdaten beschreiben die durch die Beschleunigungssensoren gemessene Bewegung – bei richtig angewandter Interpolation – besser als die anderen, gespeicherten Kalibrierungsdaten. Es ist auch möglich, die zu den interpolierten Kalibrierungsdaten gehörenden Referenzdaten zu interpolieren und die durch Interpolation gewonnen, neuen Paare von Referenzdaten und Kalibrierungsdaten abrufbar zu speichern.
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Zur Rekonstruktion, Darstellung und Auswertung der Daten können unabhängig von der Auswahl der richtigen Kalibrierungsdaten weitere Verfahren wie Filter, Segmentierung oder Registrierungen angewandt werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008049038 A1 [0003]
