DE102013208793B4

DE102013208793B4 - Verfahren zur Generierung eines 3D-Bilddatensatzes von einem zu untersuchenden Volumen als Basis für Anzeige-Bilddaten

Info

Publication number: DE102013208793B4
Application number: DE201310208793
Authority: DE
Inventors: Rainer Graumann; Gerhard Kleinszig; Wei Wei
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2015-04-23
Anticipated expiration: 2033-05-15
Also published as: US9754404B2; CN104146768A; US20140340401A1; CN104146768B; DE102013208793A1

Abstract

Verfahren zur Generierung eines 3D-Bilddatensatzes von einem zu untersuchenden Volumen, in welchem zumindest ein Teil eines Fremdobjektes (2) positioniert ist, – wobei ein Satz 2D-Projektionsbilder aufgenommen wird, – wobei bei zumindest zwei 2D-Projektionsbildern des Satzes eine Detektierung der Bildbereiche erfolgt (E), die das Fremdobjekt (2) darstellen, – wobei bei den zumindest zwei 2D-Projektionsbildern eine Segmentierung der Bildbereiche erfolgt (F), die das Fremdobjekt (2) darstellen, – wobei eine den segmentierten Bildbereichen zugeordnete Markierung in die zumindest zwei 2D-Projektionsbilder eingebunden wird (G), – wobei die 2D-Projektionsbilder einschließlich der zumindest zwei 2D-Projektionsbilder mit den eingebundenen Markierungen für die Rekonstruktion eines 3D-Bilddatensatzes enthaltend die Markierung herangezogen werden (H) und – wobei eine Markierung in die 2D-Projektionsbilder eingebunden wird (G), die eine virtuelle Verlängerung des Fremdobjektes (2) in seiner Längsrichtung anzeigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generierung eines 3D-Bilddatensatzes von einem zu untersuchenden Volumen, in welchem zumindest ein Teil eines Fremdobjektes, insbesondere eines Instruments oder eines Implantats, positioniert ist.
Die geschlossene Reposition und Fixierung einer Knochenfraktur mittels eines rotierenden Bohrdrahtes, auch Kirschnerdraht genannt, stellt eines der ältesten heute noch regelmäßig angewendeten Verfahren zur operativen Frakturbehandlung dar. Während der Behandlung wird dabei heutzutage häufig auf eine Bildunterstützung zurückgegriffen. Das heißt, dass nicht nur nach Abschluss der Behandlung eine Röntgenaufnahme erstellt wird, mittels der die Position und Lage des Bohrdrahtes nach der Einbringung überprüft wird, sondern dass stattdessen bereits zu Beginn und während der Einbringung des Bohrdrahtes anhand von Bilddaten, die auf einer Anzeige wiedergegeben werden, überprüft wird, ob die Einbringung wie vorgesehen erfolgt.
Aus der DE 10 2010 034 918 A1 ist ein Verfahren zum Bereitstellen von Güteinformationen für eine Röntgenbildgebung zu entnehmen, bei dem aus einer Mehrzahl von Aufnahmen eines Untersuchungsobjekts ein das Untersuchungsobjekt repräsentierendes Datenfeld rekonstruiert wird. Für verschiedene Elemente des Datenfeldes wird eine Güteinformation ermittelt, die die Zuverlässigkeit des rekonstruierten Datenfeldes für das jeweilige Element angibt.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein vorteilhaftes Verfahren zur Generierung eines 3D-Bilddatensatzes anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die rückbezogenen Ansprüche beinhalten teilweise vorteilhafte und teilweise für sich selbst erfinderische Weiterbildungen dieser Erfindung.
Das Verfahren dient zur Generierung eines 3D-Bilddatensatzes von einem zu untersuchenden Volumen, in welchem zumindest ein Teil eines Fremdobjektes, insbesondere eines medizinischen Instruments oder eines Implantats, positioniert ist, und darüber hinaus zur Generierung von Anzeige-Bilddaten auf der Basis eines entsprechenden 3D-Bilddatensatzes. Die Anzeige-Bilddaten werden dann bevorzugt während einer Behandlung eines Patienten an einem Anzeige-Bildschirm dargestellt, wodurch ein behandelnder Arzt bei der Führung eines medizinischen Instruments oder bei der Positionierung eines Implantats durch die Darstellung der Position und der Lage des medizinischen Instruments bzw. des Implantats innerhalb des Körpers des zu behandelnden Patienten unterstützt wird.
Dabei wird zunächst ein Satz 2D-Projektionsbilder, der beispielsweise mittels eines Computertomographen nach dem Prinzip der digitalen Volumentomographie (im englischsprachigen Raum meist: Cone beam computed tomography) generiert wird, erstellt und nachfolgend werden in zumindest zwei 2D-Projektionsbildern diejenigen Bildbereiche identifiziert oder detektiert, die das Instrument oder zumindest Teile des Instruments bzw. das Implantat oder zumindest Teile des Implantats darstellen. Die so identifizierten bzw. detektierten Bildbereiche werden im Anschluss einer Segmentierung unterzogen, wobei die Detektierung bzw. Identifizierung und/oder die Segmentierung entweder manuell durch einen Bediener oder den behandelnden Arzt erfolgt/erfolgen oder aber automatisiert mit Hilfe eines Bilderkennungs-Computerprogrammproduktes.
Im weiteren Verlauf wird den segmentierten Bildbereichen in den 2D-Projektionsbildern eine Markierung zugeordnet, wobei die Markierung bevorzugt in die entsprechenden 2D-Projektionsbilder eingebunden wird. Bei dieser Markierung handelt es sich um eine virtuelle Verlängerung des Instruments bzw. des Implantats in seiner Längsrichtung. Insbesondere wenn es sich, wie bevorzugt, bei dem Instrument um einen Bohrdraht oder Kirschnerdraht handelt, erlaubt diese virtuelle Verlängerung, die beispielsweise durch eine einfache farblich hervorgehobene Linie dargestellt wird, eine Abschätzung der Richtung, in die sich der Bohrdraht vorantreiben lässt. Somit kann der behandelnde Arzt bereits beim Ansetzen des Bohrdrahtes an ein Knochenfragment auf einfache Weise abschätzen, ob beim gewählten Ansatz die gewünschte Positionierung durch Vorantreibung des Bohrdrahtes erfolgen wird oder nicht. Die virtuelle Verlängerung oder Trajektorie fungiert somit als eine Zielvorrichtung oder Zielhilfe für die Einbringung des Bohrdrahtes. Dabei kann dieses Prinzip selbst bei leicht gebogenen Bohrdrähten angewendet werden, sofern sichergestellt ist, dass die virtuelle Verlängerung in allen 2D-Projektionsbildern geradlinig und bevorzugt als Tangente, insbesondere als Steigungs-Tangente, an der Bohrdraht-Spitze ausgeführt ist. Die virtuelle Verlängerung gibt dann quasi die Steigung des durch den gebogenen Bohrdraht gegebenen Kurvenverlaufs im entsprechenden 2D-Projektionsbild wieder.
Weiterhin wird beispielsweise die Position der Spitze eines Skalpells in einem jedem 2D-Projektionsbild ausfindig gemacht und mit einer Markierung versehen, indem beispielsweise ein kreuzförmiges Piktogramm an der jeweiligen Position in ein jedes 2D-Projektionsbild eingefügt wird. Alternativ hierzu ist auch eine virtuelle Markierung vorgesehen, bei der die bestimmte Position der Spitze des Skalpells innerhalb eines jeden 2D-Projektionsbildes in ein Koordinaten-Tupel umgerechnet wird, welches dann als Zusatzinformation dem Datensatz des 2D-Projektionsbildes hinzugefügt wird.
In jedem Fall aber erfolgt dann auf der Basis der so modifizierten 2D-Projektionsbilder die Rekonstruktion eines 3D-Bilddatensatzes. Bezugnehmend auf das zuvor genannte Beispiel mit dem Skalpell bedeutet das, dass die Position der Spitze des Skalpells innerhalb des Volumens dadurch abgeschätzt wird, dass die Position der Spitze in mehreren 2D-Projektionsbildern bestimmt wird, deren Projektionsrichtungen relativ zueinander und relativ zum zu untersuchenden Volumen bekannt sind. Anstatt also den 3D-Bilddatensatz auf der Basis des Satzes 2D-Projektionsbilder zu rekonstruieren und innerhalb dieses 3D-Bilddatensatzes die Spitze des Skalpells zu bestimmen, erfolgt die Detektion in zumindest zwei 2D-Projektionsbildern, was in der Regel einfacher zu bewerkstelligen ist, und anhand der jeweils bestimmten Position innerhalb dieser 2D-Projektionsbilder wird auf die Position der Spitze des Skalpells im Volumen und somit im 3D-Bild geschlossen.
Bevorzugt ist es hierbei vorgesehen, eine Kante oder Spitze des medizinischen Instruments oder des Implantats mit einer Markierung zu versehen, so dass diese bei der Anzeige der Anzeige-Bilddaten, also beispielsweise auch bei der direkten Anzeige eines der 2D-Projektionsbilder, an einem Anzeigebildschirm für einen behandelnden Arzt leichter zu erkennen ist.
Da das Verfahren bevorzugt zur Generierung von Anzeige-Bilddaten für eine Bildunterstützung während einer Behandlung eines Patienten vorgesehen ist, werden bevorzugt während der Behandlung mehrere 2D-Projektionsbilder-Sätze mit Hilfe des hier vorgestellten Verfahrens aufbereitet. Dabei werden bevorzugt im Rahmen des Verfahrens zur Erzeugung zumindest eines 2D-Projektionsbilder-Satzes 2D-Projektionsbilder zumindest zweier Scanvorgänge miteinander kombiniert.
Wurde nun während einer Behandlung bereits ein 3D-Bilddatensatz erstellt, so ist es unter Umständen ausreichend, während eines nachfolgenden Scanvorgangs eine Teil-Abtastung, also quasi eine unvollständige Abtastung, des zu untersuchenden Volumens vorzunehmen, bei dem beispielsweise nur wenige 2D-Projektionsbilder erfasst werden. Die bei einer solchen Teil-Abtastung erzeugten 2D-Projektionsbilder bilden dann keinen vollständigen 2D-Projektionsbilder-Satz und sind somit nicht geeignet, um basierend darauf einen 3D-Bilddatensatz zu rekonstruieren. Wenn sich jedoch das zu untersuchende Volumen im Körper des Patienten relativ zum abgetasteten Volumen nur geringfügig bewegt hat und im Wesentlichen nur eine geringe Verschiebung des Instruments bzw. des Implantats erfolgt ist, so genügen die bei der Teil-Abtastung erzeugten 2D-Projektionsbilder für eine Ermittlung der geänderten Position und Orientierung des Instruments bzw. des Implantats und die aktuelle rekonstruierte Position und Orientierung des Instruments bzw. des Implantats wird einfach in das zuvor rekonstruierte Bild eingeblendet. Das heißt letzten Endes, dass am Anzeige-Bildschirm im Wesentlichen die Anzeige-Bilddaten, die auf der Basis des 2D-Projektionsbilder-Satzes eines ersten Scanvorganges erzeugt wurden, angezeigt werden und dass die segmentierten Bildbereiche auf der Basis der beim zweiten Scanvorgang gewonnenen Informationen verschoben dargestellt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in einem Blockdiagramm ein Verfahren zur Generierung von Anzeige-Bilddaten,
2 ein Röntgenprojektionsbild und
3 das Röntgenprojektionsbild mit einer eingefügten Markierung.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Im nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist ein nicht näher dargestellter Computertomograph eingerichtet, um das hier vorgestellte Verfahren zur Generierung von Anzeige-Bilddaten, welches in 1 in einem Blockdiagramm dargestellt ist, auszuführen. Der Computertomograph wird dabei im Rahmen einer Behandlung eines Patienten eingesetzt, während derer ein Kirschnerdraht 2 durch ein Ende eines Knochens 4 getrieben werden soll. Dabei soll der Kirschnerdraht 2 am Ende der Behandlung in einer vorgesehenen Position und Lage im Knochen 4 platziert sein, weswegen während der Behandlung der Computertomograph zur bildgestützten Navigation bei der Führung des Kirschnerdrahtes 2 durch einen behandelnden Arzt genutzt wird.
Dazu wird ein im Computertomographen hinterlegtes Programm durch einen Bediener oder den behandelnden Arzt gestartet, wobei in einem Verfahrensschritt A zunächst das zu untersuchende Volumen im Körper des Patienten, in dem der Knochen 4 gelegen ist, gescannt wird, wobei ein 2D-Projektionsbilder-Satz erzeugt wird.
Der so erzeugte 2D-Projektionsbilder-Satz wird in einem Verfahrensschritt C als erster 2D-Projektionsbilder-Satz einer Abfolge oder Sequenz von 2D-Projektionsbilder-Sätzen erkannt und in einem Verfahrensschritt D werden aus dem 2D-Projektionsbilder-Satz zwei 2D-Projektionsbilder entsprechend einem vorgegebenen Kriterium für eine Nachbearbeitung ausgewählt. In einem Verfahrensschritt E werden nachfolgend die beiden ausgewählten 2D-Projektionsbilder einzeln mittels einer Bildauswertesoftware analysiert, wobei diejenigen Bildbereiche in einem jeden ausgewählten 2D-Projektionsbild detektiert werden, die Teile des Kirschnerdrahtes 2 darstellen. Diese Bildbereiche werden in einem Verfahrensschritt F segmentiert und in einem separaten Datensatz zumindest zeitweise in einem Speicher hinterlegt.
In einem weiteren Verfahrensschritt G wird die Position der Spitze des Kirschnerdrahtes 2 innerhalb eines jeden ausgewählten 2D-Projektionsbildes bestimmt und dadurch markiert, dass die dazugehörigen Pixelkoordinaten als Zusatzinformation in den Datensatz eines jeden ausgewählten 2D-Projektionsbildes eingebunden werden. Der so aufbereitete 2D-Projektionsbilder-Satz wird dann in einem Verfahrensschritt H zur Rekonstruktion eines 3D-Bilddatensatzes genutzt, wobei aus den Markierungen, also den Pixelkoordinaten, in den einzelnen 2D-Projektionsbildern und aus der bekannten Abhängigkeit der Projektionsrichtungen der 2D-Projektionsbilder relativ zueinander und relativ zum zu untersuchenden Volumen im Körper des Patienten die Position der Spitze des Kirschnerdrahtes 2 im Volumen und somit im 3D-Bilddatensatz bestimmt wird.
In einem Verfahrensschritt I schließlich wird auf der Basis des 3D-Bilddatensatzes mit Markierung eine 2D-Ansicht, also beispielsweise eine Projektionsdarstellung oder eine Schnittdarstellung, und somit ein Satz Anzeige-Bilddaten generiert, der dann an einem Anzeige-Bildschirm angezeigt wird. Dabei kann der Bediener bzw. der behandelnde Arzt zum Beispiel die Blickrichtung jederzeit ändern und entsprechend der Auswahl der Blickrichtung wird aus dem 3D-Bilddatensatz mit Markierung ein entsprechender Satz Anzeige-Bilddaten generiert.
In jeder 2D-Ansicht ist die Position der Spitze des Kirschnerdrahtes 2, die sich aus der Markierung im 3D-Bilddatensatz ergibt, optisch hervorgehoben, und zwar derart, dass an der Position der Spitze des Kirschnerdrahtes 2 ein blaues Quadrat (in 3 ein schwarzes Quadrat) dargestellt ist. Zudem ist als weitere Markierung eine virtuelle Verlängerung des Kirscherdrahtes 2 in Längsrichtung des Kirschnerdrahtes 2 durch eine blaue Linie (in 3 eine Strich-Punkt-Strich Linie) dargestellt, so dass der behandelnde Arzt hierdurch abschätzen kann, in welche Richtung sich der Kirschnerdraht 2 beim Vorantreiben bewegen wird.
In regelmäßigen zeitlichen Abständen wird das zu untersuchende Volumen im Körper des Patienten mittels eines weiteren Scanvorgangs erneut abgetastet, wodurch aktualisierte Bildinformationen für die bildgestützte Behandlung des Patienten gewonnen werden, so dass der behandelnde Arzt beim Vorantreiben des Kirschnerdrahtes 2 die Veränderungen der Lage und der Position des Kirschnerdrahtes 2 verfolgen kann. Dabei wird bei jedem zweiten Scanvorgang das zu untersuchende Volumen nicht vollständig abgetastet, stattdessen werden in einem Verfahrensschritt B nur aus einigen wenigen Richtungen Einzelröntgenaufnahmen vorgenommen. Die dabei generierten 2D-Projektionsbilder bilden dementsprechend keinen vollständigen 2D-Projektionsbilder-Satz und erlauben dementsprechend auch keine Rekonstruktion eines vollständigen 3D-Bilddatensatzes. Sie dienen lediglich zur Bestimmung der aktuellen Lage und Position des Kirschnerdrahtes 2 und für die Generierung von Anzeige-Bilddaten. Die bei einer Teil-Abtastung des zu untersuchenden Volumens generierten 2D-Projektionsbilder werden in einem Verfahrensschritt C durch 2D-Projektionsbilder des beim jeweils zuvor durchgeführten Scanvorgangs generierten 2D-Projektionsbilder eines vollständigen 2D-Projektionsbilder-Satz ergänzt. Am Anzeige-Bildschirm werden somit im Wesentlichen Bilddaten wiedergegeben, die quasi auf einem veralteten 2D-Projektionsbilder-Satz basieren, wobei die segmentierten Bildbereiche der 2D-Projektionsbilder an einer geänderten, also aktualisierten Position in den 2D-Projektionsbildern positioniert werden, so dass am Anzeige-Bildschirm letzten Endes eine veraltete Ansicht des Knochens 4 und eine veraltete Ansicht des Kirschnerdrahtes 2 zu sehen sind, wobei jedoch der Kirschnerdraht 2 relativ zum Knochen 4 mit aktueller Position und Ausrichtung dargestellt wird.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

2: Kirschnerdraht
4: Knochen
A: Verfahrensschritt A
B: Verfahrensschritt B
C: Verfahrensschritt C
D: Verfahrensschritt D
E: Verfahrensschritt E
F: Verfahrensschritt F
G: Verfahrensschritt G
H: Verfahrensschritt H
I: Verfahrensschritt I

Claims

Verfahren zur Generierung eines 3D-Bilddatensatzes von einem zu untersuchenden Volumen, in welchem zumindest ein Teil eines Fremdobjektes (2) positioniert ist, – wobei ein Satz 2D-Projektionsbilder aufgenommen wird, – wobei bei zumindest zwei 2D-Projektionsbildern des Satzes eine Detektierung der Bildbereiche erfolgt (E), die das Fremdobjekt (2) darstellen, – wobei bei den zumindest zwei 2D-Projektionsbildern eine Segmentierung der Bildbereiche erfolgt (F), die das Fremdobjekt (2) darstellen, – wobei eine den segmentierten Bildbereichen zugeordnete Markierung in die zumindest zwei 2D-Projektionsbilder eingebunden wird (G), – wobei die 2D-Projektionsbilder einschließlich der zumindest zwei 2D-Projektionsbilder mit den eingebundenen Markierungen für die Rekonstruktion eines 3D-Bilddatensatzes enthaltend die Markierung herangezogen werden (H) und – wobei eine Markierung in die 2D-Projektionsbilder eingebunden wird (G), die eine virtuelle Verlängerung des Fremdobjektes (2) in seiner Längsrichtung anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Markierung in die 2D-Projektionsbilder eingebunden wird (G), die die jeweilige Position der Spitze des Fremdobjektes (2) hervorhebt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei als Fremdobjekt (2) ein Bohrdraht (2) zum Einsatz kommt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei als Fremdobjekt (2) eine Schraube zum Einsatz kommt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zur Erzeugung des 2D-Projektionsbilder-Satzes (A, B) 2D-Projektionsbilder zumindest zweier Scanvorgänge miteinander kombiniert werden (C).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zur Erzeugung des 2D-Projektionsbilder-Satzes (A, B) 2D-Projektionsbilder zumindest zweier Scanvorgänge miteinander kombiniert werden (C), wobei beim ersten Scanvorgang eine Abtastung des zu untersuchenden Volumens erfolgt (A) und wobei beim zweiten Scanvorgang eine Teil-Abtastung des zu untersuchenden Volumens erfolgt (B).