DE102013204552B4

DE102013204552B4 - Verfahren zur artefaktfreien Wiedergabe von Metallteilen in dreidimensional rekonstruierten Bildern

Info

Publication number: DE102013204552B4
Application number: DE102013204552.2A
Authority: DE
Inventors: Rainer Graumann; Gerhard Kleinszig
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2023-09-21
Anticipated expiration: 2033-03-16
Also published as: US20140267255A1; DE102013204552A1; US9524547B2

Abstract

Verfahren zur artefaktfreien Wiedergabe von Metallteilen in dreidimensional rekonstruierten Bildern eines Knochen enthaltenden Untersuchungsobjektes in einem Patienten, gekennzeichnet durch folgende Schritte:S1) Aufnahme eines 3D-Scans des Untersuchungsobjektes ohne Metallteile zur Erzeugung eines 3D-Datensatzes (15),S2) Aufnahme von n Projektionsbildern (16) des Untersuchungsobjektes mit Metallteilen,S3) 2D/3D-Registrierung (17) des Knochens in den n Projektionsbildern (16) mit dem 3D-Datensatz (15),S4) 2D/3D-Registrierung (18) der Metallteile aus den n Projektionsbildern (16) mit 3D-Modellen (19) der Metallteile,S5) Berechnung (20) der Positionen der Metallteile im 3-D-Datensatz (15) aufgrund deren 2D/3D-Registrierung (17) undS6) Einblendung (21) aller aktuellen Positionen der Metallteile in den 3D-Datensatz (15).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur artefaktfreien Wiedergabe von Metallteilen in dreidimensional rekonstruierten Bildern eines Untersuchungsobjektes in einem Patienten. Mithilfe eines derartigen Verfahrens lassen sich Schraubenpositionen beispielsweise in der Wirbelsäulenchirurgie kontrollieren.
Ein Angiographiesystem zur Durchführung eines derartigen Wiedergabeverfahrens ist beispielsweise aus der US 7 500 784 B2 bekannt, das anhand der 1 nachfolgend erläutert wird.
Die 1 zeigt ein als Beispiel dargestelltes monoplanes Röntgensystem mit einem von einem Ständer 1 in Form eines sechsachsigen Industrie- oder Knickarmroboters gehaltenen C-Bogen 2, an dessen Enden eine Röntgenstrahlungsquelle, beispielsweise ein Röntgenstrahler 3 mit Röntgenröhre und Kollimator, und ein Röntgenbilddetektor 4 als Bildaufnahmeeinheit angebracht sind.
Mittels des beispielsweise aus der US 7 500 784 B2 bekannten Knickarmroboters, welcher bevorzugt sechs Drehachsen und damit sechs Freiheitsgrade aufweist, kann der C-Bogen 2 beliebig räumlich verstellt werden, zum Beispiel indem er um ein Drehzentrum zwischen dem Röntgenstrahler 3 und dem Röntgenbilddetektor 4 gedreht wird. Das erfindungsgemäße angiographische Röntgensystem 1 bis 4 ist insbesondere um Drehzentren und Drehachsen in der C-Bogen-Ebene des Röntgenbilddetektors 4 drehbar, bevorzugt um den Mittelpunkt des Röntgenbilddetektors 4 und um den Mittelpunkt des Röntgenbilddetektors 4 schneidende Drehachsen.
Der bekannte Knickarmroboter weist ein Grundgestell auf, welches beispielsweise auf einem Boden fest montiert ist. Daran ist drehbar um eine erste Drehachse ein Karussell befestigt. Am Karussell ist schwenkbar um eine zweite Drehachse eine Roboterschwinge angebracht, an der drehbar um eine dritte Drehachse ein Roboterarm befestigt ist. Am Ende des Roboterarms ist drehbar um eine vierte Drehachse eine Roboterhand angebracht. Die Roboterhand weist ein Befestigungselement für den C-Bogen 2 auf, welches um eine fünfte Drehachse schwenkbar und um eine senkrecht dazu verlaufende sechste Rotationsachse rotierbar ist.
Die Realisierung der Röntgendiagnostikeinrichtung ist nicht auf den Industrieroboter angewiesen. Es können auch übliche C-Bogen-Geräte Verwendung finden.
Der Röntgenbilddetektor 4 kann ein rechteckiger oder quadratischer, flacher Halbleiterdetektor sein, der vorzugsweise aus amorphem Silizium (a-Si) erstellt ist. Es können aber auch integrierende und eventuell zählende CMOS-Detektoren Anwendung finden.
Im Strahlengang des Röntgenstrahlers 3 befindet sich auf einer Tischplatte 5 eines Patientenlagerungstisches ein zu untersuchender Patient 6 als Untersuchungsobjekt. An der Röntgendiagnostikeinrichtung ist eine Systemsteuerungseinheit 7 mit einem Bildsystem 8 angeschlossen, das die Bildsignale des Röntgenbilddetektors 4 empfängt und verarbeitet (Bedienelemente sind beispielsweise nicht dargestellt). Die Röntgenbilder können dann auf Displays einer Monitorampel 9 betrachtet werden. In der Systemsteuerungseinheit 7 ist weiterhin eine bekannte Vorrichtung 10 vorgesehen, deren Funktion noch genauer beschrieben wird.
Anstelle des in 1 beispielsweise dargestellten Röntgensystems mit dem Ständer 1 in Form des sechsachsigen Industrie- oder Knickarmroboters kann, wie in 2 vereinfacht dargestellt, das angiographische Röntgensystem auch eine normale decken- oder bodenmontierte Halterung für den C-Bogen 2 aufweisen.
Anstelle des beispielsweise dargestellten C-Bogens 2 kann das angiographische Röntgensystem auch getrennte decken- und/oder bodenmontierte Halterungen für den Röntgenstrahler 3 und den Röntgenbilddetektor 4 aufweisen, die beispielsweise elektronisch starr gekoppelt sind.
Der Röntgenstrahler 3 emittiert ein von einem Strahlenfokus seiner Röntgenstrahlungsquelle ausgehendes Strahlenbündel 11, das auf den Röntgenbilddetektor 4 trifft. Sollen 3D-Datensätze nach dem sogenannten DynaCT-Verfahren, einem Verfahren zur Rotationsangiographie, erstellt werden, wird der drehbar gelagerte C-Bogen 2 mit Röntgenstrahler 3 und Röntgenbilddetektor 4 derart gedreht, dass, wie die 2 schematisch in Aufsicht auf die Drehachse zeigt, sich der hier bildlich durch seinen Strahlenfokus dargestellte Röntgenstrahler 3 sowie der Röntgenbilddetektor 4 um ein im Strahlengang des Röntgenstrahlers 3 befindliches zu untersuchendes Objekt 12 auf einer Umlaufbahn 13 bewegen. Die Umlaufbahn 13 kann zur Erstellung eines 3D-Datensatzes vollständig oder teilweise durchfahren werden.
Der C-Bogen 2 mit Röntgenstrahler 3 und Röntgenbilddetektor 4 bewegt sich dabei gemäß dem DynaCT-Verfahren vorzugsweise um mindestens einen Winkelbereich von 180°, beispielsweise 180° plus Fächerwinkel, und nimmt in schneller Folge Projektionsbilder aus verschiedenen Projektionen auf. Die Rekonstruktion kann nur aus einem Teilbereich dieser aufgenommenen Daten erfolgen.
Bei dem zu untersuchenden Objekt 12 kann es sich beispielsweise um einen tierischen oder menschlichen Körper aber auch einen Phantomkörper handeln.
Der Röntgenstrahler 3 und der Röntgenbilddetektor 4 laufen jeweils so um das Objekt 5 herum, dass sich der Röntgenstrahler 3 und der Röntgenbilddetektor 4 auf entgegengesetzten Seiten des Objekts 12 gegenüberliegen.
Bei der normalen Radiographie oder Fluoroskopie mittels einer derartigen Röntgendiagnostikeinrichtung werden die medizinischen 2D-Daten des Röntgenbilddetektors 4 im Bildsystem 8 ggf. zwischengespeichert und anschließend auf dem Monitor 9 wiedergegeben.
Die Darstellung von metallischen Gegenständen wie beispielsweise Implantaten oder Schrauben in 3D-rekonstruierten Bildern ist wegen der auftretenden Artefakte jedoch trotz Anwendung von Metallartefakt-Korrekturen immer noch schwierig. Diese Artefakte können z.B. zu Fehlinterpretationen der Schraubenlagen beispielsweise bei Versteifungsoperationen an der Wirbelsäule führen. Eine derartige Versteifungsoperation kann die Posterior Lumbar Intervertebral Fusion (PLIF), eine Operationstechnik zum Verschmelzen von Lumbalwirbeln mittels Herausnahme der Bandscheibe und Ersatz dieser durch einen Titankorb sein, bei der anschließend die Wirbel noch durch einen Fixateur intern stabilisiert werden, wie dies beispielsweise dem Artikel „Posterior lumbar interbody fusion and segmental lumbar lordosis“ von Rahul Kakkar et al., erschienen in Eur J Orthop Surg Traumatol (2007) Vol. 17, Seiten 125 bis 129, zu entnehmen ist.
Zur Verringerung des Problems der Metallartefakte finden heutzutage folgende Verfahren Verwendung:

◯ Metallartefakt-Korrektur,
◯ 3D-Scan in optimaler Rotationsorientierung (zur Minimierung der Artefakte) und/oder
◯ erfahrungsbasierte Bewertung der Artefakt-behafteten Bilder.

In der älteren Patentanmeldung DE 10 2011 083 063 A1 ist ein Verfahren zum Erzeugen von mit einer Platzierung eines Implantats an einem Einsatzort in einem Patienten korrelierten Planungsdaten vorgeschlagen, bei dem 3D-Bilddaten und mit einem Bildgebungssystem 2D-Bilddaten vom Einsatzort erzeugt werden, die 3D-Bilddaten unter Verwendung der 2D-Bilddaten einem Koordinatensystem des Bildgebungssystems ortsrichtig zugeordnet werden, ein 3D-Modell des Implantats virtuell in den 3D-Bilddaten am Einsatzort angepasst wird und anhand der das 3D-Modell enthaltenden 3D-Bilddaten die Planungsdaten im Koordinatensystem des Bildgebungssystems erzeugt werden.
Aus der DE 10 2010 020 284 A1 ist Verfahren zur dreidimensionalen Darstellung von mindestens zwei separaten chirurgischen Objekten im Rahmen einer bildgebungsunterstützten, medizinischen Prozedur bekannt. Chirurgische Objekte sind dabei alle Objekte, die im Rahmen einer medizinischen Prozedur relevant sind und umfassen zumindest ein Implantat, zumindest ein chirurgisches Werkzeug und zumindest ein chirurgisches Instrument. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Erfassen eines zweidimensionalen Röntgenbildes mittels eines Bildgebungsgerätes, wobei in dem zweidimensionalen Röntgenbild die mindestens zwei chirurgischen Objekte gemeinsam dargestellt sind; Zugreifen auf jeweils ein dreidimensionales Modell für die mindestens zwei chirurgischen Objekte; Bereitstellen jeweils einer Menge von zweidimensionalen Projektionen für die jeweiligen dreidimensionalen Modelle und Auswahl derjenigen zweidimensionalen Projektionen, die an die Darstellung der mindestens zwei chirurgischen Objekte in dem erfassten zweidimensionale Röntgenbild angepasst sind; Berechnen von dreidimensionalen Positionen zu den ausgewählten zweidimensionalen Projektionen für die mindestens zwei chirurgischen Objekte; und Darstellen der berechneten dreidimensionalen Positionen der mindestens zwei chirurgischen Objekte in einem virtuellen dreidimensionalen Raum und/oder in einem modifizierten Röntgenbild.
Aus der DE 10 2011 075 912 A1 ist ein Verfahren zum Bereitstellen eines 3D-Bilddatensatzes mit unterdrückten Bildartefakten zu einem biologischen Objekt bekannt, welches ein Element aus Material enthält, das Röntgenstrahlung eines Computertomographen stärker absorbiert als biologisches Gewebe. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Bereitstellen zumindest eines ersten 3D-Bilddatensatzes zur Beschreibung des Elements; Gewinnen eines zweiten 3D-Bilddatensatzes bezüglich des biologischen Objekts mittels des Computertomographen, wobei der zweite 3D-Bilddatensatz Daten betreffend das Element umfasst; Registrieren des ersten 3D-Bilddatensatzes mit dem zweiten 3D-Bilddatensatz; Anhand der Bildregistrierung Ändern von Grauwerten des zweiten 3D-Bilddatensatzes in Abhängigkeit von Grauwerten des ersten 3DBilddatensatzes, und so Erzeugen eines modifizierten zweiten 3D-Bilddatensatzes mit unterdrückten Bildartefakten.
Aus dem Dokument DE 10 2011 005 119 A1 ist ein Verfahren zum Bereitstellen eines 3D-Bilddatensatzes eines physiologischen Objekts mit einem Metallobjekt darin bekannt.
Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass eine derartige artefaktfreie Wiedergabe von Metallteilen in dreidimensional rekonstruierten Bildern eines Untersuchungsobjektes in einem Patienten problemlos möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für ein Verfahren der eingangs genannten Art durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird für ein Verfahren zur artefaktfreien dreidimensionalen Wiedergabe von Metallteilen erfindungsgemäß durch folgende Schritte gelöst:

S1) Aufnahme eines 3D-Scans ohne Metallteile zur Erzeugung eines 3D-Datensatzes,
S2) Aufnahme von n Projektionsbildern aus bekannten Positionen bzw. Richtungen mit Metallteilen,
S3) 2D/3D-Registrierung des Knochens in den n Projektionsbildern mit dem 3D-Datensatz,
S4) 2D/3D-Registrierung der Metallteile aus den n Projektionsbildern und 3D-Modellen der Metallteile,
S5) Berechnung der Positionen der Metallteile im 3-D-Datensatz aufgrund deren 2D/3D-Registrierung und
S6) Einblendung aller aktuellen Positionen der Metallteile in den 3D-Datensatz.

Dadurch ist kein erneuter 3D-Scan erforderlich, um die aktuellen Schraubenlagen zu überprüfen. Die 3D-Darstellung der Schraubenlagen im Knochen erfolgt artefaktfrei. Dies erlaubt eine sichere Beurteilung der Schraubenpositionen beispielsweise in der Wirbelsäulenchirurgie.
In vorteilhafter Weise kann die Aufnahme des 3-D-Scans ohne Metallteile ein prä-operativer CT-, ein prä-operativer MR- oder ein intra-operativer C-Bogen-Scan sein.
Erfindungsgemäß können der 3D-Datensatz prä-operativ und die n Projektionsbilder intra-operativ erzeugt werden.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Anzahl n der Projektionsbilder einen Wert von zwei bis zehn, insbesondere einen Wert von vier bis sechs beträgt.
Erfindungsgemäß können die Metallteile Schrauben, insbesondere Pedikelschrauben sein.
In vorteilhafter Weise kann die Einblendung aller aktuellen Positionen der Metallteile gemäß Verfahrensschritt S6) durch lagerichtige Einblendung (Ausrichtung) der 3D-Modelle erfolgen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein bekanntes C-Bogen-Angiographiesystem mit einem Industrieroboter als Tragvorrichtung,
2 die geometrischen Verhältnisse bei der Rotationsangiographie mit dem C-Bogen-Angiographiesystem gemäß 1,
3 einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf zur Wiedergabe von 3D-Bildern und
4 ein Ablaufdiagramm des Verfahrensablaufs gemäß 3.

Die 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf zur Wiedergabe von 3D-Bildern, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt S1) eine Aufnahme eines 3D-Scans ohne Metallteile zur Erzeugung eines 3D-Datensatzes durchgeführt wird, wobei die Aufnahme des 3D-Scans ohne Metallteile ein prä-operativer CT-, ein prä-operativer MR- oder ein intra-operativer C-Bogen-Scan mittels Rotationsangiographie mit dem C-Bogen-Angiographiesystem gemäß 1 sein kann.
Nach dem Einbringen der Metallteile, beispielsweise von Pedikelschrauben, werden gemäß einem zweiten Verfahrensschritt S2) einige wenige Projektionsbilder mit diesen Pedikelschrauben aus bekannten Positionen bzw. Richtungen mittels des C-Bogen-Angiographiesystems aufgenommen.
In einem dritten Verfahrensschritt S3) erfolgt eine 2D/3D-Registrierung des Knochens in den Projektionsbildern mit dem 3D-Datensatz.
Anschließend werden in einer 2D/3D-Registrierung der Metallteile als vierten Verfahrensschritt S4) die n Projektionsbilder und die 3D-Modelle der Metallteile registriert.
Aufgrund einer nachfolgenden Positionsberechnung der Metallteile im 3D-Datensatz als fünfter Verfahrensschritt S5) erfolgt eine Einblendung aller aktuellen Positionen der Metallteile in den 3D-Datensatz als letzter Verfahrensschritt S6).
Die 4 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Wiedergabe von 3D-Bildern, bei dem ein prä- oder intra-operativer 3-D-Datensatz 15 ohne Metallteile und einige wenige, beispielsweise n Projektionsbilder 16 mit diesen Metallteilen einer 2D/3D-Registrierung 17 des Knochens in den Projektionsbildern 16 mit dem 3D-Datensatz 15 durchgeführt wird. Der prä- oder intra-operative 3D-Datensatz 15 kann von einem 3D-Scan stammen, der mithilfe eines Computertomographen oder eines C-Bogen-Angiographiesystems mittels Rotationsangiographie aufgenommen wurde. Die nach dem Einbringen beispielsweise der Pedikelschrauben aus bekannten Positionen bzw. Richtungen erstellten n Projektionsbilder mit diesen Pedikelschrauben werden mittels des C-Bogen-Angiographiesystems aufgenommen.
Anschließend erfolgt eine 2D/3D-Registrierung 18 der Metallteile der n Projektionsbilder 16 mit 3D-Modellen 19 der Metallteile. Danach wird eine Positionsberechnung 20 der Metallteile im 3D-Datensatz 15 durchgeführt, aufgrund derer eine Einblendung 21 aller aktuellen Positionen der Metallteile in den 3D-Datensatz 15 resultiert.
Es werden zur Lösung des Problems der Metallartefakte erfindungsgemäß folgende Verfahrensschritte vorgeschlagen:

1. Aufnahme eines 3D-Datensatzes 15 ohne Schrauben mittels eines prä-operativen CT- oder intra-operativen 3D-C-Bogen-Scans,
2. Aufnahme von einigen wenigen, beispielsweise vier bis sechs Projektionsbildern 16 aus bekannten Positionen nach dem Einbringen der Schrauben,
3. 2D/3D-Registrierung 17 des Knochens mit dem 3D-Datensatz 15,
4. 2D/3D-Registrierung 18 der Schrauben aus den Projektionsbildern 16 und 3D-Modellen 19 der Schrauben und
5. Berechnung 20 der Schraubenpositionen im 3D-Datensatz 15 und Einblendung 21 aller aktuellen Schraubenlagen in den 3D-Datensatz 15.

Das Verfahren funktioniert dann am besten, wenn der Teil des Knochens, in dem die Schrauben platziert werden, nicht reponiert werden muss, wie dies beispielsweise beim Einbringen von Pedikelschrauben in einen Wirbelkörper, z. B. bei PLIF, Prothetik oder Befestigung von Schrauben in nicht-frakturierten (Teil-)Knochenbereichen der Fall ist.
Dadurch ist kein 3D-Scan erforderlich, um die aktuellen Schraubenlagen zu überprüfen. Die 3-D-Darstellung der Schraubenlagen im Knochen erfolgt daher artefaktfrei. Dies erlaubt eine sichere Beurteilung der Schraubenpositionen.

Claims

Verfahren zur artefaktfreien Wiedergabe von Metallteilen in dreidimensional rekonstruierten Bildern eines Knochen enthaltenden Untersuchungsobjektes in einem Patienten, gekennzeichnet durch folgende Schritte: S1) Aufnahme eines 3D-Scans des Untersuchungsobjektes ohne Metallteile zur Erzeugung eines 3D-Datensatzes (15), S2) Aufnahme von n Projektionsbildern (16) des Untersuchungsobjektes mit Metallteilen, S3) 2D/3D-Registrierung (17) des Knochens in den n Projektionsbildern (16) mit dem 3D-Datensatz (15), S4) 2D/3D-Registrierung (18) der Metallteile aus den n Projektionsbildern (16) mit 3D-Modellen (19) der Metallteile, S5) Berechnung (20) der Positionen der Metallteile im 3-D-Datensatz (15) aufgrund deren 2D/3D-Registrierung (17) und S6) Einblendung (21) aller aktuellen Positionen der Metallteile in den 3D-Datensatz (15).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Aufnahme des 3D-Scans ohne Metallteile ein prä-operativer CT-, ein prä-operativer MR- oder ein intra-operativer C-Bogen-Scan ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass der 3D-Datensatz (15) prä-operativ und die n Projektionsbilder (16) intra-operativ erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass die Anzahl n der Projektionsbilder (16) einen Wert von zwei bis zehn beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , dass die Anzahl n der Projektionsbilder (16) einen Wert von vier bis sechs beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , dass die Metallteile Schrauben sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , dass die Metallteile Pedikelschrauben sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , dass die Einblendung aller aktuellen Positionen der Metallteile gemäß Verfahrensschritt S6) durch lagerichtige Einblendung der 3D-Modelle (19) erfolgt.