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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von durch Abweichungen von einer angenommenen Aufnahmegeometrie entstehenden, bei der Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bilddatensatzes aus zweidimensionalen, unter unterschiedlichen durch die Aufnahmegeometrie definierten Projektionsrichtungen mit einer Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommenen Projektionsbildern auftretenden Artefakten. Daneben betrifft die Erfindung eine Röntgeneinrichtung.
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Die Rekonstruktion von dreidimensionalen Bilddatensätzen aus zweidimensionalen, unter unterschiedlichen Projektionsrichtungen aufgenommenen Projektionsbildern eines Objekts ist im Stand der Technik bereits weitgehend bekannt. Gerade in der Medizin oder auch in der Materialprüfung hat diese Rekonstruktion von Volumendaten auf der Basis von Projektionsdaten eine große Bedeutung, um nichtinvasiv detailgenaue räumliche Einblicke zu gewinnen bzw. eine „zerstörungsfreie Prüfung“ durchzuführen. Die Projektionsbilddaten können beispielsweise durch Röntgenbildgebung, elektromagnetisch (beispielsweise auch optisch) oder akustisch aufgenommen werden.
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Dabei sind verschiedene Verfahren bekannt, um aus Projektionsbildern einen dreidimensionalen Bilddatensatz zu rekonstruieren, hauptsächlich iterative, häufig auch als „algebraisch“ bezeichnete Verfahren (ART: „algebraic reconstruction technique“) und das analytische Verfahren der gefilterten Rückprojektion (FBP: „filtered back projection“).
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Zur Aufnahme der Projektionsbilder, beispielsweise als Röntgen-Projektionsbilder, weist die Bildaufnahmeeinrichtung eine Aufnahmeanordnung aus einer Strahlenquelle und einem Detektor auf, die beispielsweise um ein aufzunehmendes Objekt herum bewegt werden kann. Bekannt sind beispielsweise Röntgeneinrichtungen mit einem C-Bogen, an dem sich gegenüberliegend ein Röntgenstrahler und ein Röntgendetektor angeordnet sind. Der Detektor nimmt die durch das durchstrahlte Objekt modulierte Röntgenstrahlung als Projektionsbilddaten auf.
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Sowohl bei iterativen Rekonstruktionsverfahren als auch bei Rekonstruktionsverfahren der gefilterten Rückprojektion wird das Volumenabbild des aufgenommenen Zielgebiets mit Hilfe mathematischer Abbildungen zwischen den Volumenkoordinaten (Voxelkoordinaten) und den Projektionsflächen des Detektors (Pixelkoordinaten) errechnet. Dabei ist eine präzise Kenntnis der Aufnahmegeometrie der akquirierten Projektionsbilder von großer Bedeutung. Zur Beschreibung der Aufnahmegeometrie werden häufig Geometrieparameter verwendet, meist Projektionsmatrizen, aus denen sich konkrete Strahlverläufe entnehmen lassen. Derartige Projektionsmatrizen können beispielsweise in Kalibrierläufen der Bildaufnahmeeinrichtung ermittelt werden.
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Die Genauigkeit der die Aufnahmegeometrie beschreibenden Geometrieparameter wird maßgeblich durch die Formstabilität der Bildaufnahmeeinrichtung bestimmt, insbesondere dann, wenn nicht alle intrinsischen Geometrieparameter während der Aufnahme laufend gemessen werden, sondern sie in einem vorausgehenden Kalibrierlauf ermittelt wurden. Daher ist es bekannt, große Sorgfalt darauf zu verwenden, die Aufnahmegeometrie exakt zu beschreiben, bildaufnahmeeinrichtungsseitig (mechanisch) konstant zu halten und genaue Daten, z. B. Winkelpositionen, möglichst während der Aufnahmesequenz zu bestimmen. Trotz all dieser bekannten Maßnahmen verbleiben jedoch Restfehler, die die Bildqualität des dreidimensionalen Bilddatensatzes verschlechtern können, insbesondere im Fall der Vorab-Kalibrierung. So können sich während einer Aufnahme beispielsweise mit einem C-Bogen-Gerät Schwingungen, Durchhänge-Effekte und dergleichen ergeben, die von Projektionsbildaufnahme zu Projektionsbildaufnahme unterschiedlich sind und somit kleine Fehler verursachen können. Insbesondere sind darunter auch Effekte, die den Abstand zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor beeinflussen können oder durch Verdrehungen und Verkippungen beschrieben sind.
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Artefakte, die durch Fehler in der Geometriebeschreibung auftreten können, sind beispielsweise Bildverunschärfungen oder Strukturverzerrungen im rekonstruierten Volumen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein eine verbesserte Bildqualität in dreidimensionalen Bilddatensätzen ermöglichendes, auf einfache Weise möglichst viele durch Fehler in der Aufnahmegeometrie hervorgerufene Effekte korrigierendes Verfahren anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß die folgenden Korrekturschritte vorgesehen:
- – Ermittlung von den Projektionsbildern in den Projektionsrichtungen entsprechenden Vergleichsbildern oder von den Projektionsbildern in den Projektionsrichtungen entsprechenden, auf eine markante Struktur bezogenen zweidimensionalen Vergleichskoordinaten durch Rekonstruktion eines dreidimensionalen Zwischenbilddatensatzes aus den Projektionsbildern und Vorwärtsprojektionen des Zwischenbilddatensatzes oder der in dem Zwischenbilddatensatz lokalisierten markanten Struktur in den Projektionsrichtungen der Aufnahmegeometrie,
- – Ermittlung wenigstens einer in Bezug auf die Projektionsfläche ortsaufgelösten Verschiebungsinformation durch Vergleich der Projektionsbilder und der Vergleichsbilder oder Vergleichskoordinaten für wenigstens zwei unterschiedliche Vergleichspunkte, die sowohl in dem Projektionsbild als auch in dem Vergleichsbild oder durch Vergleichskoordinaten derselben Projektionsrichtung dargestellt sind,
- – Ermittlung korrigierter Projektionsbilder durch Anwendung der die Geometriefehler beschreibenden Verschiebungsinformation zur Verzerrung der ursprünglichen Projektionsbilder.
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Aus den so ermittelten korrigierten Projektionsbildern kann wie üblich durch Rekonstruktion dann der gewünschte dreidimensionale Bilddatensatz errechnet werden, der in seiner Qualität verbessert ist. Es wird vorgeschlagen, zunächst in einer ersten dreidimensionalen Rekonstruktion einen Zwischenbilddatensatz auf Basis der Projektionsbilder, mithin der ersten 2D-Bilddaten, zu ermitteln. Es wird dabei davon ausgegangen, dass sich Abweichungen, insbesondere auch statistisch letztlich um Null schwankende Abweichungen, von der zu dieser ersten Rekonstruktion angenommenen Aufnahmegeometrie herausmitteln, so dass der Zwischenbilddatensatz, wenn auch gegebenenfalls verunschärft oder dergleichen, eine korrekte Darstellung der geometrischen Verhältnisse darstellt. Werden nun im Rahmen einer Vorwärtsprojektion der Zwischenbilddatensatz oder bestimmte darin enthaltene Informationen/Punkte unter Verwendung der angenommenen Aufnahmegeometrie wieder projiziert, so entstehen Vergleichsinformationen, und zwar entweder als Projektionen Vergleichsbilder oder aber zumindest zweidimensionale Vergleichskoordinaten, die einem durch eine markante Struktur im Zwischenbilddatensatz definierten dreidimensionalen Punkt entsprechen. In der Summe liegen also als Vergleichsinformationen zweite zweidimensionale Bilddaten vor. Diese entsprechen geometrisch der idealen Abbildung der Bildaufnahmeeinrichtung. Wenigstens eines der ursprünglichen Projektionsbilder kann wegen einer fehlerhaften Abweichung von den die Aufnahmegeometrie beschreibenden Geometrieparametern nun geometrisch von dem korrespondierenden Vergleichsbild bzw. in der Koordinaten der in dem Projektionsbild sichtbaren markanten Struktur von den korrespondierenden Vergleichskoordinaten abweichen, was mithin durch einen Vergleich der in den Projektionsrichtungen übereinstimmenden Projektionsbilder und Vergleichsbilder bzw. Koordinaten der markanten Struktur festgestellt werden kann. Obwohl im Folgenden hauptsächlich Vergleichsbilder betreffende Ausführungsbeispiele dargestellt werden, lassen sich viele Aussagen auch auf die Variante des Verfahrens beziehen, in der die Ermittlung der 3D-Koordinaten einer bestimmten Struktur im Zwischenbilddatensatz und die Vorwärtsprojektion dieser 3D-Koordinaten nach 2D-Vergleichskoordinaten (entspräche Koordinaten in den Vergleichsbildern, die aber nicht explizit ermittelt werden müssen) erfolgen. Dort erfolgt dann, um die Verschiebungsinformation zu bestimmen, die Ermittlung der Positionsabweichung der Vergleichskoordinaten gegenüber den Koordinaten der markanten Struktur im ursprünglichen Projektionsbild.
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Für jede Projektionsrichtung wird mithin ein Vergleich des ursprünglichen Projektionsbildes mit dem entsprechenden Vergleichsbild/den Vergleichsbildkoordinaten durchgeführt, um über die gesamte Projektionsfläche (2D-Bildfläche) die lokalen Verschiebungsvektoren zu bestimmen. Die ortsabhängige Betrachtung der Verschiebungsinformation hat dabei den Vorteil, dass nicht nur innerhalb der Ebene der Projektionsfläche stattfindende Verschiebungen abgegriffen werden, sondern auch weitere Abweichungen der Geometrieparameter, insbesondere Verdrehungen aus der angenommenen Projektionsfläche heraus, Abstandsänderungen zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor und dergleichen über das erfindungsgemäße Verfahren detektiert und zur Verbesserung der Bildqualität korrigiert werden können. Die lokale Betrachtung greift also eine große Menge möglicher Effekte ab und ermöglicht deren Korrektur auf die beschriebene Art und Weise.
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Hierzu wird nun jedes ursprüngliche Projektionsbild so verzerrt, dass durch die Projektionsberechnung für die Rekonstruktion, die die angenommenen Aufnahmegeometrien verwendet, immer auf den richtigen Messwert des ursprünglichen Projektionsbildes zurückgegriffen wird. Diese derart verzerrten ursprünglichen Projektionsbilder stehen nun als korrigierte Projektionsbilder, mithin dritte zweidimensionale Bilddaten, zur Verfügung. Auf Basis dieser korrigierten Projektionsbilder wird nun eine abschließende Rekonstruktion für den endgültigen dreidimensionalen Bilddatensatz durchgeführt, der sich bei Verwendung der erfindungsgemäß vorgesehenen Korrekturschritte, die eine Kompensation geometrischer Projektionsfehler bewirken, durch verbesserte Bildqualität auszeichnet.
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Dies gilt sowohl geometrisch, wobei die Schärfe des dreidimensionalen Bilddatensatzes verbessert wird, als auch durch verbesserte Signalqualität insgesamt, was die Verlässlichkeit der Werte, die Dynamik und ein verringertes Rauschen angeht.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass durch die Berücksichtigung von lokal unterschiedlichen Verschiebungen, also der ortsabhängigen Verschiebungsinformation, auch eine Verzeichnungskorrektur von Verzerrungen, beispielsweise bei Verwendung eines Bildverstärkers und/oder einer Kamera, mit eingeschlossen ist.
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In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass als Verschiebungsinformation ein Verschiebungsvektorfeld ermittelt wird. In diesem Fall wird also für jeden Bildpunkt, der einem Punkt der Projektionsfläche entspricht, ein Verschiebungsvektor angegeben, der angibt, in welche Richtung und wie weit der entsprechende Bildpunkt gegenüber der „korrekten“ Geometrie des Vergleichsbilds/der Vergleichskoordinaten verschoben ist. Wird diese Verschiebung auf die ursprünglichen Projektionsbilder angewandt, ergeben sich korrigierte Projektionsbilder.
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In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn bei einer Bestimmung von Verschiebungsvektoren an nicht die gesamte Projektionsfläche abdeckenden Vergleichspunkten das Verschiebungsvektorfeld für die gesamte Projektionsfläche beschreibende Verzerrungspolynome ermittelt werden. Im Rahmen des sogenannten „image warping“ ist eine derartige Vorgehensweise, bei der Entzerrungspolynome verwendet werden, bereits grundsätzlich bekannt. Es werden also aus der gesamten Projektionsfläche einige Stützstellen, beispielsweise bestimmte Pixel, herausgegriffen, für die Verschiebungsvektoren bestimmt werden. Dadurch können Koeffizienten eines Entzerrungspolynoms ermittelt werden, so dass die gesamte Projektionsfläche korrekt „gewarped“ werden kann. Beim „warpen“ handelt es sich also um eine räumliche Transformation, mit der ein Bild entsprechend verzerrt werden kann, wobei der Verschiebungsvektor an jedem Punkt der gesamten Bildfläche über die Verzerrungspolynome, wie grundsätzlich bekannt, bestimmt werden kann. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass, wenn eine Überbestimmung der Koeffizienten der Verzerrungspolynome vorliegt, beispielsweise, nachdem eine größere Zahl von Vergleichspunkten betrachtet wird, eine optimale Lösung nach der Methode der kleinsten Quadrate (least squares) ermittelt wird. Insgesamt ist es auf diese Art also möglich, bekannte Möglichkeiten zur Verzerrung bzw. Entzerrung von zweidimensionalen Bildern, hier die Verwendung von Entzerrungspolynomen, vorteilhaft auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung anzuwenden, um Messwerte geometrisch korrekt zuordnen zu können und so die letztendliche Rekonstruktion des dreidimensionalen Bilddatensatzes zu verbessern.
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Zur Ermittlung der Verschiebungsinformation, insbesondere eines Verschiebungsvektors, an einem Vergleichspunkt existieren im Rahmen der vorliegenden Erfindung verschiedene Möglichkeiten. So ist es zum einen denkbar, dass wenigstens ein Teil der Vergleichspunkte durch markante Strukturen des Projektionsbildes definiert werden, insbesondere anatomische Marker oder auf die Bildgebungsart abgestimmte, zusätzlich am aufzunehmenden Objekt oder im sonstigen Bildgebungsbereich angeordnete Marker. Es werden also gezielt als Vergleichspunkte Strukturen, beispielsweise Kanten, Ecken und dergleichen, oder aber auch ausgezeichnete Punkte von Flächen, gewählt, die in beiden Bildern, also sowohl dem Projektionsbild als auch dem zugeordneten Vergleichsbild bzw. bei Bestimmung von Vergleichskoordinaten im Zwischenbilddatensatz, über geeignete Bildanalysealgorithmen aufgefunden und wieder identifiziert werden können. Ist ein solcher eine markante Struktur beschreibender Vergleichspunkt in beiden Bildern bzw. aus dem Projektionsbild und den Vergleichskoordinaten bekannt, so ergibt sich hieraus zwangsläufig auch die Verschiebungsinformation, insbesondere auch der Verschiebungsvektor. Während es dabei grundsätzlich, insbesondere bei Untersuchung eines Patienten, möglich ist, anatomische Marker zu verwenden, ist es auch möglich, künstlich Marker dem Bild hinzuzufügen, beispielsweise, indem bei einer Röntgenuntersuchung Röntgenmarker auf der Oberfläche des Patienten angeordnet werden, die später als markante Struktur geeignete Vergleichspunkte liefern können. Eine weitere Möglichkeit ist die Anbringung der künstlichen Markern in einer definierten Geometrie in der Umgebung des Patienten, z.B. in einer festen Beziehung zur Patientenlagerung.
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Alternativ oder zusätzlich ist es jedoch auch denkbar, dass zur Ermittlung einer Verschiebung für wenigstens einen Vergleichspunkt nicht das gesamte Bild umfassende sich entsprechende Bildausschnitte in dem ursprünglichen Projektionsbild und dem zugeordneten Vergleichsbild zur Ermittlung einer Verschiebung optimaler Übereinstimmung der Bildausschnitte gegeneinander verschoben werden, wobei die Verschiebung einem ausgezeichneten Punkt des Bildausschnitts, insbesondere dem Mittelpunkt, als Vergleichspunkt zugeordnet wird. Beispielsweise ist es also denkbar, dass die Projektionsfläche in verschiedene Bildausschnitte unterteilt wird, wo jeweils versucht wird, sie mit dem entsprechenden Bildausschnitt des Vergleichsbildes in Deckung zu bekommen, um eine Verschiebungsinformation, insbesondere einen Verschiebungsvektor, zu ermitteln, der sich besonders vorteilhaft auf die Mitte des Bildausschnitts bezieht. Eine andere vorteilhafte Auswahl sind Teilbildbereiche, in denen die künstlichen Marker abgebildet sind.
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Auf diese Weise findet also ein Teilbildvergleich statt, wobei hierfür bekannte Vergleichsalgorithmen eingesetzt werden können, die letztlich in einem Optimierungsverfahren eine optimale Verschiebung der Bildausschnitte gegeneinander bestimmen, beispielsweise, indem die gegeneinander verschobenen Bildausschnitte voneinander subtrahiert werden und eine entsprechende Differenznorm minimiert wird. Auch Zählverfahren sind in diesem Zusammenhang bekannt, die in dem Differenzbildausschnitt eine große Zahl von Nulldurchgängen als die Abwesenheit signifikanter Strukturen deuten. Bevorzugt ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch, wenn zur Ermittlung der Verschiebung optimaler Übereinstimmung ein Kreuzkorrelationsverfahren verwendet wird. Die Kreuzkorrelation ist eine verlässliche und gängige Möglichkeit, Korrespondenzen zwischen (verschobenen) Bildausschnitten zu bestimmen. Beispielsweise können zentral in Quadranten der Projektionsfläche liegende Bildausschnitte betrachtet werden, wobei selbstverständlich auch eine feinere Unterteilung möglich ist. Betrachtete Bildausschnitte können beispielsweise eine Größe von 20 auf 20 Pixeln haben, bezogen beispielsweise auf eine Gesamtbildgröße von 1024 × 1024 Pixeln.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass fest vorgegebene oder in einem Kalibrierungslauf ermittelte Aufnahmegeometrien für die Projektionsbilder zur Rekonstruktion des Zwischenbilddatensatzes verwendet werden. Aus Kalibrierläufen ermittelte Projektionsmatrizen sind im Stand der Technik bereits grundsätzlich bekannt, jedoch erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren mit besonderem Vorteil auch, dass eine feste Kalibrierung entfallen kann, indem man beispielsweise für die Rekonstruktion des Zwischenbildes von festen Aufnahmegeometrien für die Projektionsbilder ausgeht, die dann durch die Korrekturschritte verfeinert und damit so korrigiert werden, dass das Ergebnis einem Verfahren mit individueller, fest bekannter Aufnahmegeometrie entspricht.
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Dabei sei an dieser Stelle hervorgehoben, dass es im erfindungsgemäßen Verfahren nicht notwendig ist, die einzelnen Ursachen für Fehler in den angenommenen Geometrieparametern zu unterscheiden, das bedeutet, auftretende Effekte müssen nicht klassifiziert und zugeordnet werden. So lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren mit geringem Aufwand realisieren, indem letztlich eine Verzerrung der ursprünglichen Projektionsbilder hin zu der korrekten Aufnahmegeometrie in den korrigierten Projektionsbildern pauschal erfolgt. Dennoch ist eine deutliche Verbesserung der Bildqualität erreichbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass im Rahmen der Rekonstruktion des Zwischenbilddatensatzes nur für Vergleichspunkte relevante Teile des dreidimensionalen Bildraums rekonstruiert werden, insbesondere markante Strukturen enthaltende Teile. Dann bezieht sich auch das weitere Verfahren bis einschließlich der Erzeugung der Verschiebungsinformation nur auf diese relevanten Teile. Um das Verfahren bezüglich der Rechenzeit zu optimieren und wenig aufwendig realisierbar zu gestalten, kann mithin vorgesehen sein, dass der Zwischenbilddatensatz nicht im gesamten Bildraum rekonstruierte Bilddaten enthält, sondern dass die tatsächlich zu rekonstruierenden Bereiche beschränkt werden, beispielsweise auf markante Strukturen, die Vergleichspunkte definieren, oder aber auch später als Bildausschnitte zu nutzende Teilbereiche. Beispielsweise kann, wenn ein Würfel als Rekonstruktionsvolumen betrachtet wird, nur eine Rekonstruktion des absolut gesehen zentralen Bereichs sowie acht Mal der zentrale Bereich jedes Achtel-Würfels erfolgen, wenn dann entsprechende Bildausschnitte betrachtet werden. Wie bereits erwähnt, ist jedoch auch eine Fokussierung auf durch markante Strukturen definierte Vergleichspunkte möglich.
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Neben dem Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Bildaufnahmeeinrichtung, konkret eine Röntgeneinrichtung, mit einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildeten Steuereinrichtung. Das bedeutet, unmittelbar an der Bildaufnahmeeinrichtung selbst kann die verbesserte Rekonstruktion dreidimensionaler Bilddatensätze mit höherer Qualität erfolgen. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Bildaufnahmeeinrichtung übertragen, mit welcher mithin die bereits genannten Vorteile ebenso erzielt werden können.
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Insbesondere kann es sich dabei um eine Röntgeneinrichtung mit einem C-Bogen handeln, an dem sich gegenüberliegend ein Röntgenstrahler und ein Röntgendetektor angeordnet sind. Gerade bei solchen Bildaufnahmeeinrichtungen kommt es ab und an zu insbesondere mechanischen Effekten, die Bildartefakte zur Folge haben können.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1 einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine Prinzipskizze zur Nachverfolgung markanter Strukturen,
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3 eine Prinzipskizze zur Verschiebung von Bildausschnitten, und
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4 eine erfindungsgemäße Röntgeneinrichtung.
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1 zeigt als Prinzipskizze einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit dem im Hinblick auf Fehler in angenommenen Aufnahmegeometrien korrigierte Projektionsbilder 1 zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bilddatensatzes 2 ermittelt werden können. Der dreidimensionale Bilddatensatz 2 weist dann eine verbesserte Bildqualität auf. Dabei wird vorliegend als Bildaufnahmeeinrichtung eine Röntgeneinrichtung verwendet, mit der die ursprünglichen, zweidimensionalen Projektionsbilder 3 aufgenommen werden, und zwar, wie bekannt, unter unterschiedlichen Projektionsrichtungen.
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Für jede dieser Projektionsrichtungen wird eine Aufnahmegeometrie, beschrieben durch eine Projektionsmatrix, angenommen, welche beispielsweise in einem Kalibrierlauf ermittelt sein kann. Das hier dargestellte Verfahren ermöglicht es jedoch auch, andere vorgegebene Annahmen für die Aufnahmegeometrien, welche symbolisch bei 4 dargestellt sind, zu treffen, ohne dass zwangsläufig ein Kalibrierlauf erforderlich ist.
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In einem Schritt 5 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus den ursprünglichen Projektionsbildern 3 unter Verwendung der vorgegebenen Aufnahmegeometrien 4 ein dreidimensionaler Zwischenbilddatensatz 6 rekonstruiert. Dabei kann ein beliebiger Rekonstruktionsalgorithmus, beispielsweise ein Algorithmus der gefilterten Rückprojektion, eingesetzt werden, wobei nicht der gesamte dreidimensionale Bildraum, der dann im dreidimensionalen Bilddatensatz 2 abgebildet werden soll, rekonstruiert werden muss, sondern der Rekonstruktionsbereich auf später als zu vergleichende Bildausschnitte zu verwendende oder markante Strukturen zeigende Teilbereiche beschränkt werden kann, um Rechenzeit und Aufwand einzusparen.
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In einem Schritt 7 werden durch Vorwärtsprojektion aus dem Zwischenbilddatensatz 6 als Vergleichsinformationen Vergleichsbilder 8 für jede Projektionsrichtung bestimmt, die auch in den ursprünglichen Projektionsbildern 3 vorkommt. Auch im Rahmen dieser Vorwärtsprojektion in Schritt 7 werden die angenommenen Aufnahmegeometrien 4 verwendet, was bedeutet, dass die Vergleichsbilder 8 mit exakt dieser angenommenen Aufnahmegeometrie 4 entsprechender Geometrie entstanden wären.
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In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es auch denkbar, durch markante Strukturen definierte Vergleichspunkte zunächst unmittelbar als dreidimensionale Punkte im Zwischenbilddatensatz 6 zu lokalisieren und durch Vorwärtsprojektion in den Projektionsrichtungen die zweidimensionalen Vergleichskoordinaten des Punkte zu bestimmen. Dann wird die markante Struktur und mithin der Vergleichspunkt auch in dem Projektionsbild 3 aufgefunden und es kann ein Vergleich mit den Vergleichskoordinaten stattfinden.
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Die Vergleichsbilder 8 können nun auf geometrische Unterschiede zu dem entsprechenden ursprünglichen Projektionsbild 3 untersucht werden, was in Schritt 9 geschieht. Dabei wird der gefundene Unterschied als Vergleichsinformation 10 quantifiziert. Die Vergleichsinformation 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Vergleichsvektorfeld, das für die gesamte Projektionsfläche angibt, wie die Bildpunkte im ursprünglichen Projektionsbild 3 und dem Vergleichsbild 8 gegeneinander verschoben sind. Um diese Information für die gesamte Projektionsfläche zu ermitteln, ist nun vorgesehen, zunächst einen Verschiebungsvektor für verschiedene Vergleichspunkte zu ermitteln, wobei zwei unterschiedliche Vorgehensweisen denkbar sind, die auch parallel genutzt werden können. Diese sollen durch die 2 und 3 näher dargestellt werden.
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In 2 werden die Vergleichspunkte durch markante Strukturen 11, 11´ definiert, die sowohl im Vergleichsbild 8 wie auch im ursprünglichen Projektionsbild 3 sichtbar sind, wobei vorliegend die markanten Strukturen des Vergleichsbilds 8 mit 11, die markanten Strukturen des ursprünglichen Projektionsbilds 3 mit 11´ dargestellt sind. Geeignete Bildanalysealgorithmen werden eingesetzt, um Vergleichspunkte dieser markanten Strukturen, beispielsweise bestimmte Eckpunkte, in dem Vergleichsbild 8 und dem korrespondierenden ursprünglichen Projektionsbild 3 auffinden zu können. Aus dem Unterschied der Vergleichspunkte in den beiden Bildern ergeben sich entsprechend lokale Verschiebungsvektoren 12.
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In jedem Fall können als markante Strukturen 11 sowohl anatomische Marker, beispielsweise bestimmte Knochenstrukturen, wie auch künstliche, zusätzlich auf das Objekt aufgebrachte Marker oder allgemein im Bildgebungsbereich, beispielsweise auf einer Patientenliege, montierte Marker verwendet werden.
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Möglich ist es jedoch auch, vgl. 3, kleinere Bildausschnitte aus den ursprünglichen Projektionsbildern 3 und den Vergleichsbilden 8 herauszunehmen, beispielsweise bei Bildern der Größe 1024 × 1024 Pixel Bildausschnitte der Größe 20 × 20 Pixel, die wohl definiert sind, beispielsweise als zentral in einem Quadranten oder dem gesamten Bild liegend und dergleichen. Der Bildausschnitt 13 des Vergleichsbildes 8 und der Bildausschnitt 14 des ursprünglichen Projektionsbildes 3 werden nun, wie in 3 angedeutet, solange gegeneinander verschoben, bis die darin sichtbaren Strukturen bzw. Bildinformationen 15 deckungsgleich sind, vgl. Pfeil 16, was beispielsweise über ein Optimierungsverfahren unter Verwendung einer Kreuzkorrelation geschehen kann. Die sich ergebende optimale Verschiebung, die also die beste Überlagerung zur Folge hat, wird einem Punkt des Bildausschnitts 13, 14 zugeordnet, hier dem Mittelpunkt 17.
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Dabei sei an dieser Stelle noch hervorgehoben, dass selbstverständlich weit mehr markante Strukturen 11 und/oder Bildausschnitte 13, 14 betrachtet werden können als in den 2 und 3 als Prinzipskizzen beispielhaft dargestellt.
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Um ein Verschiebungsvektorfeld für die gesamte Projektionsfläche zu ermitteln, werden nun Entzerrungspolynome mit Koeffizienten angesetzt, wobei die Koeffizienten anhand der für die Vergleichspunkte als Stützstellen bekannten Verschiebungsvektoren 12 bestimmt werden können. Sind die Koeffizienten gar überbestimmt, so kann das least-squares-Verfahren eingesetzt werden, um eine optimale Lösung zu finden.
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Ist das Vergleichsvektorfeld durch die Entzerrungspolynome, mithin die Vergleichsinformation 10, für die gesamte Projektionsfläche bekannt, ist es möglich, Schritt 18, die ursprünglichen Projektionsbilder 3 durch dieses zu „warpen“, das bedeutet, so zu verzerren, dass durch die in dem Schritt 19 dann erfolgende Rekonstruktion des dreidimensionalen Bilddatensatzes immer auf den richtigen Messwert zugegriffen wird. Auf Basis der korrigierten Projektionsbilder 1 wird mithin im Schritt 19 eine abschließende dreidimensionale Rekonstruktion unter Verwendung der Aufnahmegeometrien 4 für den endgültigen dreidimensionalen Bilddatensatz 2 durchgeführt, der sich durch die Kompensation der geometrischen Projektionsfehler durch verbesserte Bildqualität auszeichnet, sowohl geometrisch als auch durch verbesserte Signalqualität.
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4 zeigt schließlich eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Röntgeneinrichtung 20. Sie umfasst einen C-Bogen 21, an dem sich gegenüberliegend ein Röntgenstrahler 22 und ein Röntgendetektor 23 angeordnet sind. Der C-Bogen 21 kann aufgrund von Bewegungsfreiheitsgraden in verschiedene Positionen gebracht werden, so dass unter verschiedenen Projektionsrichtungen Projektionsbilder eines auf einer Patientenliege 24 befindlichen Patienten aufgenommen werden können. Dabei handelt es sich vorliegend um eine mobile Röntgeneinrichtung 20.
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Die Röntgeneinrichtung 20 umfasst ferner eine hier nur angedeutete Steuereinrichtung 25, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Das bedeutet, die Korrekturschritte und die Rekonstruktion des in seiner Qualität verbesserten dreidimensionalen Bilddatensatzes 2 können unmittelbar durch die Röntgeneinrichtung 20 selbst erfolgen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel 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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Bezugszeichenliste
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- 1
- Projektionsbilder
- 2
- Bilddatensatz
- 3
- Projektionsbilder
- 4
- Aufnahmegeometrie
- 5
- Schritt
- 6
- Zwischenbilddatensatz
- 7
- Schritt
- 8
- Vergleichsbilder
- 9
- Schritt
- 10
- Vergleichsinformation
- 11
- Struktur
- 11´
- Struktur
- 12
- Verschiebungsvektor
- 13
- Bildausschnitt
- 14
- Bildausschnitt
- 15
- Bildinformation
- 16
- Pfeil
- 17
- Mittelpunkt
- 18
- Schritt
- 19
- Schritt
- 20
- Röntgeneinrichtung
- 21
- C-Bogen
- 22
- Röntgenstrahler
- 23
- Röntgendetektor
- 24
- Patientenliege
- 25
- Steuereinrichtung
