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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur medizinischen Bilderfassung. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft, sowie einen Datenträger, der dieses Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur medizinischen Bilderfassung, die eingerichtet ist, um durch das erfindungsgemäße Verfahren gesteuert zu werden.
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Stand der Technik
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Bei der tomographischen Rekonstruktion von Volumen aus Projektionen oder bei einer zwei- bis zweieinhalbdimensionalen Verwischungstomographie, wie sie in der Dentalmedizin eingesetzt wird, führen Patientenbewegungen während der Aufnahme zur Verfälschung der bildlichen Informationen. Dies ist auch der Fall, wenn zweidimensionale Projektionen oder Volumen mittels „Stitching” zusammengeführt werden. Die Verfälschungen führen dazu, dass sowohl diagnostische als auch technische, insbesondere zahntechnische, Leistungen, welche auf den erzeugten Bilddaten basieren, in ihrer Qualität vermindert werden können oder sogar unmöglich werden.
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Patientenbewegungen können hierbei Teile der Daten, die ein- bis mehrdimensional sein können, betreffen oder auch ein ganzes Datenvolumen als solches betreffen je nachdem, was für eine Bewegung und welche Komplexität vorliegt. Aufgrund der Komplexität des menschlichen Bewegungsapparates gibt es eine Vielzahl an möglichen Störungen während einer tomographischen Aufnahme mit unterschiedlichem Einfluss auf die Bildqualität.
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Zur Kompensation von Bewegungsartefakten in der tomographischen Bildgebung ist aus der
US 2007/0177713 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem in der Computertomographie anhand der Differenz zweier Projektionen ein Maß an Bewegungen eines Patienten abgeschätzt und für eine approximale Korrektur verwendet wird. Dieses Verfahren kann beispielsweise für die in der Dentalmedizin verbreitete digitale Volumentomographie (DVT) nicht eingesetzt werden, da hierbei durch Truncation zusätzliche Differenzen entstehen, welche nichts mit einer Bewegung zu tun haben.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das in der medizinischen Bildgebung trotz störend wirkender Bewegungsartefakte eine verbesserte Bildgebung ermöglicht und damit eine Verbesserung sekundärer diagnostischer und/oder technischer Prozesse bewirkt.
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Darstellung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur medizinischen Bilderfassung, insbesondere zur dentalmedizinischen Bilderfassung, gelöst. Dieses umfasst das Bereitstellen eines ersten zwei- bis dreidimensionalen medizinischen Bilddatensatzes eines Patienten, der mittels eines bildgebenden Verfahrens erfasst wurde, das Ermitteln von Eigenschaften in den Bilddatensätzen, die aus globalen oder lokalen Bewegungen des Patienten relativ zu einer Erfassungsvorrichtung bei einer Erfassung der Bilddatensätze resultieren und die Klassifizierung der Bewegungen in verschiedene Bewegungsklassen, insbesondere als rigide oder als nicht-rigide Bewegungen, durch Datenverarbeitung der Bilddatensätze. Unter einem Bilddatensatz wird erfindungsgemäß nicht nur ein Satz von Rohdaten verstanden, sondern auch ein Satz von verarbeiteten Daten, insbesondere Video-Daten, zweidimensionale oder dreidimensionale Bilddaten, welche aus der Verarbeitung von Teilen oder Gruppen von Eingangsdaten (korrigierte Röntgendaten, Kalibrationsdaten und Bilddaten anderer Modalität wie MRT oder Ultraschallaufnahmen) durch Bildverarbeitungsmethoden entstehen. Insbesondere können verarbeitete Daten auch teilweise tomographische Bildrekonstruktionsergebnisse sein. Die Eigenschaften der Bilddatensätze können insbesondere zu Fehlern in einem aus den Bilddatensätzen rekonstruierten Volumenergebnis führen.
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Der erste zwei- bis dreidimensionale medizinische Bilddatensatz, der auch als Datenmodalität bezeichnet werden kann, ist insbesondere ein röntgenografischer Datensatz, wie er beispielweise in der digitalen Volumentomographie Verwendung findet. Bevorzugt wird mindestens ein weiterer zwei- bis dreidimensionaler medizinischer oder nicht-medizinischer Bilddatensatz bereitgestellt. Dieser weitere Bilddatensatz kann ein patientenbezogener Datensatz oder auch ein nichtpatientenbezogener Bilddatensatz sein. Als nichtpatientenbezogener Bilddatensatz ist insbesondere ein Kalibrationsdatensatz geeignet. Ein weiterer patientenbezogener Bilddatensatz kann insbesondere ein Video- oder Oberflächen-Datensatz sein.
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Es ist bevorzugt, dass das Ermitteln von Eigenschaften in den Bilddatensätzen, die aus globalen oder lokalen Bewegungen bei der Erfassung der Bilddatensätze resultieren, modellbasiert oder statistisch erfolgt. Besonders bevorzugt wird dabei eine Bewegung bei der Erfassung eines Bilddatensatzes erkannt, wenn ein Funktionswert mindestens eines Parameters eines globalen oder lokalen Bilddatensatzes eine Konsistenzbedingung verletzt, insbesondere indem er entweder einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet oder einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet. Zur Ermittlung globaler Bewegungen ist es hierbei ganz besonders bevorzugt, dass mindestens ein Funktionswert eines Parameters eines globalen Bilddatensatzes mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen wird und zur Ermittlung von Eigenschaften in Bilddatensätzen, die aus lokalen Bewegungen resultieren, ist es ganz besonders bevorzugt, dass ein Funktionswert eines lokalen Bilddatensatzes mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen wird.
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Als rigide Bewegungen bzw. nicht deformierbare Bewegungen werden erfindungsgemäß solche Bewegungen bezeichnet, bei denen ein gesamter zwei- bis dreidimensionaler Raum, dessen Bilddatensatz mittels der Erfassungsvorrichtung erfasst werden soll, relativ zu der Erfassungsvorrichtung bewegt wird. Insbesondere werden Bewegungen des Kopfes und/oder des Oberkörpers des Patienten und Bewegungen der Erfassungsvorrichtung als rigide Bewegungen klassifiziert. Diese umfassen beispielsweise Drehbewegungen des Kopfes oder Erschütterungen der Erfassungsvorrichtung. Als nicht-rigide Bewegungen bzw. deformierbare Bewegungen werden erfindungsgemäß solche Bewegungen bezeichnet, die nur einen Teil eines zu erfassenden zwei- bis dreidimensionalen Raumes betreffen. Dies sind insbesondere epiglottale Bewegungen (Bewegungen des Kehldeckels), Schluckbewegungen Zungenbewegungen und Kieferbewegungen des Patienten. Es ist bevorzugt, dass die rigiden Bewegungen und die nicht-rigiden Bewegungen nach der Ursache der Bewegung unterschieden werden.
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Es ist bevorzugt, dass in Abhängigkeit von einer Zuordnung der Bewegungen zu einer Klasse von Bewegungen mindestens eine individuelle Maßnahme zur Behandlung von aus der Klasse von Bewegungen resultierenden Bildfehlern eingeleitet wird. Auf diese Weise ist es möglich, je nach Klassifizierung einer oder mehrerer Bewegungen die für Eigenschaften in dem ersten Bilddatensatz verantwortlich sind, unterschiedliche Maßnahmen anzuwenden. Es ist besonders bevorzugt, dass auf einem weiteren zwei- bis dreidimensionalen medizinischen oder nicht-medizinischen Bilddatensatz mithilfe einer Klassifizierungsinformation eine Maßnahme durchgeführt wird. Eine individuelle Maßnahme wird insbesondere in einer Visualisierungssoftware und/oder an der Erfassungsvorrichtung durchgeführt. Die Maßnahmen sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus dem Anhalten der Erfassungsvorrichtung, dem Anpassen einer Bahn an der Erfassungsvorrichtung, dem Ergreifen von Korrekturmaßnahmen in einer Rekonstruktion in Abhängigkeit von der Bewegungsklasse einer Bewegung, der Durchführung einer Echtzeit-Rekalibrierung der Erfassungsvorrichtung, der Ausgabe eines Warnsignals an der Erfassungsvorrichtung, der Ausgabe einer Warnmeldung bei aus dem medizinischen Bilddatensatz rekonstruierten Bildern, und der Wiederholung von mindestens einem Teilbereich der Erfassung des medizinischen Bilddatensatzes. Es ist besonders bevorzugt, dass die Maßnahmen generell oder das Korrekturverfahren im Speziellen in Abhängigkeit von einer Benutzerinteraktion aktiviert oder deaktiviert wird. Weiterhin ist es besonders bevorzugt, dass das Korrekturverfahren in Abhängigkeit von einer Benutzerinteraktion variiert wird. Hierdurch können in die Korrekturmaßnahmen mehr oder weniger bis keine Benutzerinteraktionen einfließen.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass die medizinischen Bilddatensätze durch mindestens eine Erfassungsvorrichtung erfasst werden. Es ist besonders bevorzugt, dass das Erfassen des ersten zwei- bis dreidimensionalen medizinischen Bilddatensatzes in Abhängigkeit von der Klassifizierung der Bewegung gesteuert wird. Ganz besonders bevorzugt erfolgt die Steuerung in Abhängigkeit von einer Benutzerinteraktion. Diese Steuerung ermöglicht es, bereits während des Erfassens des ersten Bilddatensatzes korrigierend in den Betrieb der Erfassungsvorrichtung einzugreifen, wenn eine bestimmte Klasse von Bewegungen erkannt wird. Wenn erkannt wird, dass die Bewegungen zu einem für diagnostische und technische Zwecke unbrauchbaren Bilddatensatz führen werden, kann die Erfassung des Bilddatensatzes auf diese Weise vorzeitig abgebrochen werden, um beispielsweise bei der Erfassung eines röntgenografischen Datensatzes die Strahlenbelastung für den Patienten zu minimieren.
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Das erfindungsgemäße Computerprogramm führt alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens aus, wenn es auf einem Rechengerät abläuft. Es kann auf einem Datenträger gespeichert sein. Das Computerprogramm kann dabei sowohl die Erfassung der Bilddatensätze als auch die Eigenschaftsermittlung und Klassifizierung der Bewegungen vornehmen. Alternativ ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Erfassungsvorrichtung dem Computerprogramm die Bilddatensätze zur Verfügung stellt, und das Computerprogramm, das auf einem beliebigen Rechengerät ablaufen kann, nach Übernahme der Bilddatensätze von der Erfassungsvorrichtung die Eigenschaftsermittlung sowie die Klassifizierung der Bewegungen durchführt.
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Durch Implementierung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Computerprogramms, welches eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführt in dem das Erfassen des ersten zwei- bis dreidimensionalen medizinischen Bilddatensatzes in Abhängigkeit von der Klassifizierung der Bewegung gesteuert wird, wird eine Vorrichtung zur medizinischen Bilderfassung erhalten, welche eine verbesserte Bildgebung trotz sonst störend wirkender Bewegungsartefakte ermöglicht, ohne dass hierzu bauliche Veränderungen an der Vorrichtung zur medizinischen Bilderfassung vorgenommen werden müssten.
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Die Erfindung betrifft auch eine logische Schaltung, die eingerichtet ist, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Die logische Schaltung kann beispielsweise in einen integrierten Schaltkreis, insbesondere in ein FPGA (Field Programmable Gate Array) programmiert bzw. konfiguriert sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der folgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt die Erfassung von Bilddatensätzen in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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2 zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt den Anteil unterschiedlicher rigider und nicht rigider Bewegungen an Bewegungen, die mittels einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens als Fehlerquellen in dentalmedizinischen Bilddatensätzen ermittelt wurden.
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Ausführungsbeispiele
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In einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden zunächst mittels einer dreidimensionalen Erfassungsvorrichtung 2 (beispielsweise Galileos oder Orthophos XG 3D der Anmelderin) oder mehrere Bilddatensätze eines Patienten 1 erfasst. Dies ist in 1 dargestellt. 2 zeigt schematisch den Ablauf des Verfahrens. Ein erster Bilddatensatz 31 ist ein röntgenografischer DVT-Datensatz, ein zweiter Bilddatensatz 32 besteht aus Videodaten (auch Facescan-Daten genannt), welche dreidimensional die Oberfläche des Gesichts eines Patienten beschreiben, und der Bilddatensatz 33 besteht aus Kalibrationsdaten. Jeder der Datensätze 31, 32, 33 entspricht einer Modalität. Unter einer Modalität wird dabei eine Art von Daten verstanden, die aus mittels einer jeweils anderen Erfassungsmethode (MRT, CT, Oberflächenscan, etc.) erfasst wurden. Jeder Bilddatensatz 31, 32, 33 besteht dabei aus n = 1..N Einzelbildern, die über den Verlauf der Zeit t aufgenommen werden.
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Ein Ermitteln 4 von Eigenschaften in allen Bilddatensätzen 31, 32, 33, die aus globalen oder lokalen Bewegungen bei der Erfassung der Bilddatensätze 31, 32, 33 resultieren, erfolgt mittels moderner statistischer Verfahren der Mustererkennung in Kombination mit Vorabwissen und Methoden der Bildverarbeitung wie beispielsweise Segmentierung und Registrierung. Lokale oder globale Veränderungen der Bilddaten können dabei mit Methoden aus der Computervision erkannt werden.
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Im Allgemeinen sind Röntgenaufnahmen bei einem Umlauf der Erfassungsvorrichtung 2 um den Patienten 1 konsistent und es kommt zeitlich zu keinen großen Änderungen der Bilddaten zwischen zwei aufeinanderfolgend erfassten Bildern. Große Änderungen können global oder lokal anhand einer Metrik bestimmt werden. Lokale Änderungen werden durch Analyse von Bildteilbereichen, sogenannten Region-Of-Interest (ROI), ermittelt. Als Metrik wird in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine normalisierte Kreuz-Korrelation (NCC) eingesetzt. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird eine Sum-of-Square-Differences (SSD) gebildet. Anhand der Metrik wird festgestellt bzw. geschätzt ob eine Bewegung stattgefunden hat und die Bewegung wird einer Bewegungsklasse zugeordnet.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine integrative Strahlenabsorption von Röntgenstrahlen in Formel 1 gemäß dem Lambert-Beer'schen Gesetz beschrieben:
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Formel 1 beschreibt eine integrative Strahlenabsorption gemäß dem Lambert-Beer'schen Gesetz entlang eines Röntgenstrahles „ray”. Dieser Strahl ergibt einen Bildpixel-Wert an einer Position (u0, v0) auf dem Detektor der Erfassungsvorrichtung 2.
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Dieser Bildpixel-Wert kann nur von einem benachbarten Bildpixel-Wert an einer Position (u1, v1) unterschieden werden, wenn zwei benachbarte Strahlen und damit die benachbarten Pixel an den Positionen (u0, v0) und (u1, v1) sich unterscheiden. Die Unterscheidbarkeit hängt im wesentlich von dem Patienten 1 als Objekt X(ray) entlang der Strahlen „ray” ab. Wenn der Patient 1 sich relativ zur Erfassungsvorrichtung 2 bewegt, dann ist ein Strahl ray(t0) und damit der Bildpixel-Wert(u0, v0)(t0) von der Zeit abhängig. Findet nur eine geringfügige Bewegung statt, so ist die Änderung dray/dt des Strahls sehr klein und damit die Differenz (u0, v0)(t0) – (u0, v0)(t1) ebenfalls sehr klein. Formel 1 vereint den örtlichen Aspekt der Strahlenabsorption mit dem zeitlich diskreten Gradienten zur Beschreibung einer kontinuierlichen Bilderfassung.
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Bei Überschreiten des Grenzwertes ε ist dann im Wesentlichen stets eine Konsistenzbedingung verletzt oder entsprechend eines diskreten Maßes eine metrische Größe über- oder unterschritten.
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Bezüglich der unterschiedlichen Bild-Datensätze 31, 32, die röntgenographisch und optisch erfasst werden, und unterschiedlicher Bereiche, wie dem ganzen Bild, partiell statischen Bereichen und dynamischen Bereichen, die mitlaufen oder sich auf Grund von Segmentierung anpassen, kommen unterschiedliche diskrete Teilaspekte N-ter Ordnung der Formel 1 zum Einsatz
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird anstelle der Formel 1 der sogenannte „Spatiel-Temporal-Footprint” verwendet, welcher der Inversion der Formel 1 entspricht.
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Es erfolgt eine Klassifizierung 5 der Bewegungen, nachdem zunächst für jedes Bild n bestimmt wurde, ob darin entweder keine Bewegung 41 oder mindestens eine Bewegung 42 vorliegt. Durch Vergleich des röntgenografischen Bilddatensatzes 31 mit den weiteren Bilddatensätzen 32, 33, werden die Bewegungen 42 in dem röntgenografischen Bilddatensatz 31 als rigide 51 oder nicht rigide 52 Bewegungen klassifiziert. Hierbei liefert ein Vergleich mit dem Videodatensatz 32 Informationen über optisch erkennbare Bewegungen des Patienten und ein Vergleich mit dem Referenzdatensatz 33 ermöglicht eine Erkennung von Bewegungen aufgrund von von den Referenzdaten abweichenden Datenartefakten. Ändert sich beispielsweise das Maß im Bereich das Kieferbogens und der Zähne gemäß Formel 1 um mehr als ε, so liegt eine rigide Bewegung des Kiefers des Patienten 1 vor. Die rigiden 51 und nicht rigiden 52 Bewegungen werden weiter spezifiziert, wobei es sich bei den rigiden 51 Bewegungen um Kopfbewegungen 511 des Patienten handeln kann und es sich bei den nicht rigiden 52 Bewegungen um Schluckbewegungen 521, Zungenbewegungen 522 und Kieferbewegungen 523 des Patienten handeln kann. Durch diese Klassifizierung 5 erfolgt eine Zuordnung 61, in der jedem Bild n eine Klasse c = 1..0 von Bewegungen zugewiesen wird. Basierend auf diesen Bewegungsklassen c erfolgt dann ein Vorschlag 62 für eine logische Regel zur Bewegungsbehandlung. Beispielsweise können anhand von „no motion”-Klassifizierungen konsistente Bereiche erschlossen werden und anhand von „rigiden” Bewegungen iterative Korrekturalgorithmen der Rekonstruktionsmatrizen gestartet werden. Diese Korrekturmethoden können mittels Benutzerinteraktion 63 aktiviert/deaktiviert oder variiert werden. Die logische Auswahl einer logischen Regel für eine Bewegung einer Klasse c kann mittels Methoden eines Expertensystems 64 gegen eine bevorzugte Teilmenge an Möglichkeiten konvergieren, welche den jeweiligen Praxisbedingungen am nächsten kommt. Damit ist die eingesetzte Korrekturlogik nicht starr, sondern variabel. Das Expertensystem 64 kann dabei ebenfalls mittels einer Benutzerinteraktion 6 gestartet werden. Nach Abschluss der Korrekturen kann eine abschließende Bildrekonstruktion 7 erfolgen, welche gegenüber einer herkömmlichen Bildrekonstruktion ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine verbesserte Bildgebung ermöglicht.
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Mittels einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden 479 Einzelbilder n eines röntgenografischen Datensatzes 31 analysiert. Die erfolgte Klassifizierung 5 ist in 3 dargestellt. 337 Bilder 81 wiesen keine Bewegungsartefakte auf. 66 Bilder 82 wiesen rigide Bewegungsartefakte auf, welche auf eine Bewegung des Patienten zurückzuführen waren, beispielsweise eine Kopfbewegung 311. 15 Bilder 83 wiesen rigide Bewegungsartefakte auf, welche auf eine Bewegung der Erfassungsvorrichtung zurückzuführen Waren. 26 Bilder 84 wiesen nicht rigide Bewegungsartefakte auf, die auf epiglottale Bewegungen zurückzuführen waren. 21 Bilder 85 wiesen nicht rigide Bewegungsartefakte auf, die auf Zungenbewegungen 322 zurückzuführen waren. 33 Bilder 86 wiesen nicht rigide Bewegungsartefakte auf, die auf Schluckbewegungen 321 zurückzuführen waren. Drei Bilder 86 wiesen Bewegungsartefakte auf, welche auf weitere nicht rigide Bewegungen zurückzuführen waren, beispielsweise auf Kieferbewegungen 323. Es ist zu erkennen, dass unterschiedliche rigide und nicht rigide Bewegungen für Fehler in dem Bilddatensatz 31 verantwortlich waren, sodass nur durch eine Klassifizierung mittels einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine wirksame Bewegungsbehandlung möglich ist.
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Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens können mittels unterschiedlicher Computerprogramme bereitgestellt werden. In einer Ausführungsform eines solchen Computerprogramms erfolgt zunächst das Erfassen aller Bilddatensätze 31, 32, 33 durch eine Erfassungsvorrichtung, welche diese Bilddatensätze 31, 32, 33 dann an das Computerprogramm weitergibt. Dieses nimmt anschließend die Bewegungsklassifizierung vor.
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In einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Computerprogramms ist dieses auf der Erfassungsvorrichtung implementiert und steuert sowohl die Erfassung der Bilddatensätze als auch die Eigenschaftsermittlung und Klassifizierung der Bewegungen. Ein solches Computerprogramm kann nicht nur eine nachträgliche Bewegungsbehandlung des röntgenografischen Bilddatensatzes 31 vornehmen, sondern auch in Abhängigkeit von erkannten Bewegungen in den Ablauf der Bilddatensatzerfassung eingreifen.
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Eine normalisierte Kreuz-Korrelation kann gemäß Formel 2 durchgeführt werden und eine Sum-of-Square-Differences kann gemäß Formel 3 berechnet werden:
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Hierin bezeichnen i und j zwei Bilder, die aus einem Spektrum bzw. einer Größe eines Bildbereiches eines Bilddatensatzes ausgewählt sind. It1(i, j) und It2(i, j) bezeichnen ein Bildpixel derselben Modalität zu zwei aufeinander folgenden Zeitpunkten t1 und t2.
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Auch hierbei ist bei Überschreiten des Grenzwertes ε im Wesentlichen stets eine Konsistenzbedingung verletzt oder entsprechend eines diskreten Maßes eine metrische Größe über- oder unterschritten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2007/0177713 A1 [0004]
