DE102016200202A1

DE102016200202A1 - Verfahren zur automatischen Ermittlung einer Gelenkbelastungsinformation, Bildaufnahmeeinrichtung, Patientenliege und Computerprogramm

Info

Publication number: DE102016200202A1
Application number: DE102016200202.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Fieselmann; Anna Jerebko
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2016-01-11
Filing date: 2016-01-11
Publication date: 2017-07-13
Anticipated expiration: 2036-01-12
Also published as: US20170196526A1; DE102016200202B4; US10383591B2

Abstract

Verfahren zur automatischen Ermittlung wenigstens einer Gelenkbelastungsinformation (18, 25) eines Gelenks (13) eines Patienten (11), wobei wenigstens ein Bilddatensatz des belasteten Gelenks (13) mittels einer Bildaufnahmeeinrichtung (26, 32) aufgenommen wird, mehrere Bilddatensätze, von denen wenigstens einer dreidimensional ist, des Gelenks (13) jeweils für unterschiedliche Belastungszustände mit der Bildaufnahmeeinrichtung (26, 32) aufgenommen werden und durch gemeinsame Auswertung der Bilddatensätze die wenigstens eine Gelenkbelastungsinformation (18, 25) ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Ermittlung wenigstens einer Gelenkbelastungsinformation eines Gelenks eines Patienten, wobei wenigstens ein Bilddatensatz des belasteten Gelenks mittels einer Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen wird. Daneben betrifft die Erfindung eine Bildaufnahmeeinrichtung, insbesondere eine Röntgeneinrichtung, eine Patientenliege für eine derartige Bildaufnahmeeinrichtung und ein Computerprogramm.
Die Bildgebung von Gelenken, beispielsweise am Fuß, am Knie, an der Hüfte und an der Wirbelsäule, ist im Rahmen der medizinischen Diagnose wohl bekannt, um verschiedene pathologische Zustände feststellen zu können. Dabei wurde auch vorgeschlagen, Aufnahmen solcher Gelenke in einem gewichtsbelasteten Zustand vorzunehmen, insbesondere, um muskuloskelettale Fehlfunktionen feststellen zu können. Dabei wurde festgestellt, dass sich Gelenkparameter, insbesondere die Abstände und die Ausrichtung von Gelenkkomponenten zueinander zwischen einer stehenden, also vollbelasteten Position und einer liegenden, also nicht belasteten Position, unterscheiden, vgl. hierzu beispielsweise den Artikel von Anna Hirschmann et al., Eur Radiol (2014) 24: 553–558.
Die Aufnahme von zweidimensionalen Radiographieaufnahmen mit einer Röntgeneinrichtung in Belastungszuständen von Gelenken ist im Stand der Technik bereits bekannt. Zudem wurden dedizierte Extremitäten-Bildaufnahmeeinrichtungen vorgeschlagen, die die 3D-Bildgebung von Fuß- und Kniegelenken auch in einer stehenden Position des Patienten als Belastungszustand erlauben. Ferner wurden neuartige roboterbasierte Röntgensysteme vorgeschlagen, um Gelenkaufnahmen über einen größeren Bereich des Körpers zu erlauben, beispielsweise umfassend Hüfte und Wirbelsäule.
Die 3D-Bildgebung in Belastungszuständen vereinfacht häufig die Diagnose im Vergleich zur 2D-Bildgebung. So ist es beispielsweise möglich, einen dreidimensionalen Bilddatensatz eines liegenden Patienten (minimale Belastung auf das Gelenk) und einen dreidimensionalen Bilddatensatz eines stehenden Patienten (maximale Belastung auf das Gelenk) unter Verwendung dedizierter Röntgensysteme aufzunehmen. Allerdings sind dreidimensionale Bildaufnahmen in Belastungszuständen, die zwischen diesen Extremen liegen, aktuell nicht durch Bildgebungsprotokolle unterstützt. Im Stand der Technik wurde bereits vorgeschlagen, Vorrichtungen zu verwenden, die variierende Belastungen in einer Rückenlageposition des Patienten simulieren. Allerdings konnte gezeigt werden, dass eine Belastung auf ein Gelenk in Rückenlage nicht zum selben Effekt führt wie Belastung auf das Gelenk in einer stehenden Position.
Ein weiteres wesentliches Problem bei der Beurteilung von in Belastungszuständen aufgenommenen Bilddatensätzen eines Gelenks ist auch, gerade bei zweidimensionalen Bilddatensätzen, die korrekte Extraktion der benötigten Informationen aus den Bilddaten, da der korrekte Betrachtungswinkel und die korrekte Betrachtungsposition nicht zwangsläufig sichergestellt ist. Zudem ist es schwierig, Korrespondenzen zwischen unterschiedlichen Belastungszuständen herzustellen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, auf verschiedene Belastungszustände bezogene Gelenkinformationen einfach und verlässlich zu erhalten.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass mehrere Bilddatensätze, von denen wenigstens einer dreidimensional ist, des Gelenks jeweils für unterschiedliche Belastungszustände mit der Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen werden und durch gemeinsame Auswertung der Bilddatensätze die wenigstens eine Gelenkbelastungsinformation ermittelt wird.
Erfindungsgemäß werden also mehrere Bilddatensätze aufgenommen, die sich auf verschiedene Belastungszustände des zu untersuchenden Gelenks des Patienten beziehen. Von diesen Bilddatensätzen ist wenigstens einer dreidimensional, nachdem es sich gezeigt hat, dass eine dreidimensionale Betrachtung der Belastungssituation im Gelenk deutlich bessere und genauere Betrachtungsmöglichkeiten im Hinblick auf die Gelenkbelastungsinformation ermöglicht. Automatische Analysealgorithmen werden in einer Auswerteeinheit angewandt, die vorteilhafterweise die verschiedenen Bilddatensätze wenigstens teilweise gemeinsam betrachten und so Korrespondenzen herstellen können, die es erlauben, diagnostisch relevante Gelenkbelastungsinformationen, mithin interessierende physikalische Sachverhalte, abzuleiten, die zur Grundlage einer nachholenden Diagnose gemacht werden können. Nachdem die komplexen dreidimensionalen Sachverhalte durch die Analysealgorithmen systematisch betrachtet werden können, liegt eine äußerst zuverlässige Grundlage vor, um Gelenke in verschiedenen Belastungszuständen zu analysieren und zu verstehen. Besonders bevorzugt ist es dabei, worauf im Folgenden noch näher darauf eingegangen werden wird, wenn 3D-Informationen durch wenigstens einen dreidimensionalen Bilddatensatz auf gegebenenfalls vorliegende zweidimensionale Bilddatensätze übertragen werden, um diese automatisch zu analysieren, da dann ein schnellerer Workflow mit geringerer Strahlungsbelastung des Patienten realisiert wird. Beispielsweise ist eine Ausgestaltung denkbar, in der nur ein einziger dreidimensionaler Scan benötigt wird, wobei die Bewegung von Gelenkkomponenten mit der Belastungsänderung dann aus zweidimensionalen Radiographieaufnahmen, einer fluoroskopischen Sequenz oder Tomosynthese-Bildern abgeleitet werden kann.
Die automatische Analyse findet dann bevorzugt im dreidimensionalen Raum statt, während menschliche Beobachter auf zweidimensionale Querschnitte oder multiplanare Reformationen/Projektionen beschränkt sind. Die im dreidimensionalen Raum gewonnenen Informationen sind akkurater und zuverlässiger.
Vorzugsweise werden wenigstens ein insbesondere dreidimensionaler Bilddatensatz bei einem zwischen einem das Gelenk minimal belastenden Liegezustand und einem das Gelenk maximal belastenden Standzustand liegenden Belastungszustand und/oder jeweils wenigstens ein Bilddatensatz in dem das Gelenk minimal belastenden Liegezustand und dem das Gelenk maximal belastenden Standzustand aufgenommen. Zweckmäßig ist es also zum einen, Informationen, mithin einen Bilddatensatz, zu dem das Gelenk minimal belastenden Liegezustand und dem das Gelenk maximal belastenden Standzustand zu erhalten, mithin aufzunehmen, so dass sozusagen die Extremalpunkte in jedem Fall durch Bilddaten abgedeckt sind. Besonders zweckmäßig ist es jedoch, wenn wenigstens ein insbesondere dreidimensionaler Bilddatensatz in einem Zwischenzustand zwischen dem Liegezustand und dem Standzustand aufgenommen wird. Somit können beispielsweise verbesserte Informationen über den Verlauf von Gelenkparametern über das Intervall möglicher Belastungen erhalten werden.
Beispielsweise kann ein Workflow im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorsehen, dass der Patient zunächst auf einer Patientenliege mit einer kippbaren Auflagefläche positioniert wird. Sodann wird ein insbesondere dreidimensionaler Bilddatensatz des Patienten in dem Liegezustand aufgenommen, bevorzugt bei Rückenlage des Patienten. Dieser erste Bilddatensatz kann ein dreidimensionaler, tomographischer Bilddatensatz, ein dreidimensionaler Tomosynthese-Bilddatensatz und/oder ein zweidimensionaler Radiographie-Bilddatensatz sein.
Die Auflagefläche wird sodann gekippt, um den Patienten in einen Zwischenzustand beziehungsweise eine Zwischenposition zwischen liegend und stehend zu verbringen, um zusätzliche Bilddatensätze aufzunehmen. Auch diese zusätzlichen Bilddatensätze können dreidimensionale Tomographie-Bilddatensätze, dreidimensionale Tomosynthese-Bilddatensätze und/oder zweidimensionale Radiographie-Bilddatensätze umfassen. Es ist denkbar, auch eine 2D-Bilddatensatzserie, insbesondere eine Fluoroskopie-Bilddatensatzserie, aufzunehmen, während der Patient von dem Liegezustand in den Standzustand verkippt wird. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Aufnahmen der 2D-Bilddatensatzserie in gleicher Aufnahmegeometrie bezüglich eines Patientenkoordinatensystems, aber unterschiedlichen Aufnahmegeometrien im Weltkoordinatensystem erfolgen.
Eine weitere Aufnahmevariante, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens denkbar ist, ist auch, zu einem dreidimensionalen, insbesondere durch Rekonstruktion entstehenden Kombinationsdatensatz zusammenzufügende zweidimensionale Bilddatensätze während einer Bewegung des Patienten, insbesondere von dem Liegezustand in den Standzustand, aufzunehmen. Werden beispielsweise 20 Sekunden benötigt, um den Patienten von der liegenden Position in die stehende Position zu bewegen, können während dieses Zeitraums eine Vielzahl von zweidimensionalen Bilddatensätzen unterschiedlicher Aufnahmegeometrie aufgenommen werden, aus denen dann, insbesondere durch Rekonstruktion, ein dreidimensionaler Bilddatensatz als Kombinationsdatensatz gebildet wird. Ist die Bildaufnahmeeinrichtung eine Röntgeneinrichtung, können beispielsweise Projektionsbilder entlang einer bezogen auf den Patienten definierten Aufnahmetrajektorie aufgenommen werden, beispielsweise entlang einer Kreisbahn oder Teilkreisbahn, aus denen grundsätzlich durch iterative Rekonstruktion und/oder gefilterte Rückprojektion ein dreidimensionaler Kombinationsdatensatz ermittelt werden kann.
Eine direkte Rekonstruktion eines derartigen Bilddatensatzes würde jedoch zu Artefakten führen, da Bewegung durch die Änderung der Belastung auftritt. Mithin sieht eine zweckmäßige Weiterbildung vor, zur Ermittlung des Kombinationsdatensatzes einen Algorithmus der modellbasierten Rekonstruktion anzuwenden. Derartige Rekonstruktionsverfahren sind grundsätzlich bereits bekannt und wurde für Fälle geschaffen, in denen sich Bewegung nicht vermeiden ließ, beispielsweise bei der Rekonstruktion von Koronararterien im Bereich des bewegten Herzens, vgl. beispielsweise den Konferenzbeitrag von W. Holub, „4D motion animation of coronary arteries from rotational angiography", Proc. SPIE 7964, Medical Imaging 2011: Visualization, Image-Guided Procedures, and Modeling, 79641S (March 01, 2011); doi:10.1117/12.877969. Auch im Bereich anderer Problematiken, beispielsweise bei der Rekonstruktion von Kontrastmittelfluss, wurde derartiges schon angewandt. Solche Algorithmen können nun vorteilhaft auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung Anwendung finden und haben den Vorteil, intern (und auch extern verfügbar) bereits Informationen zu Veränderungen bei Veränderung der Belastung (nämlich zur Bewegung während der Aufnahme) zu enthalten. Insbesondere kann unter Anwendung solcher Verfahren auch ein unten noch genauer zu diskutierenden vierdimensionaler Bewegungsdatensatz ermittelt werden.
Befindet sich der Patient schließlich in der Standposition, das Gelenk mithin im Stand-Belastungszustand, wird wiederum ein Bilddatensatz aufgenommen. Wiederum kann es sich bei diesem Bilddatensatz um eine dreidimensionale tomographische Aufnahme, einen dreidimensionalen Tomosynthese-Bilddatensatz und/oder einen zweidimensionalen Radiographie-Bilddatensatz handeln.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht mithin vor, dass zur Einstellung unterschiedlicher Belastungszustände eine um eine Rotationsachse derart verkippbare Patientenliege verwendet wird, dass der Patient durch die Verkippung der Patientenliege zwischen einem das Gelenk minimal belastenden Liegezustand und einem das Gelenk maximal belastenden Standzustand bewegt werden kann. Die Patientenliege weist mithin eine Auflagefläche für den Patienten auf, die verkippbar ist, so dass verschiedene Belastungszustände für das Gelenk eingestellt werden können, während der Patient von einer Liegeposition in eine Standposition überführt wird. Dabei sind bereits Patientenliegen mit verkippbaren Auflageflächen für den Patienten bekannt, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht jedoch vor, dass eine Patientenliege mit einer insbesondere bodennahen, an einem Ende der Auflagefläche, zu dem die Füße weisen sollen, also einem fußseitigen Ende der Auflagefläche, angeordneten Rotationsachse verwendet wird. In dieser Ausgestaltung schlägt die Erfindung also ein neuartiges Patientenliegendesign vor, das mehr Raum unterhalb des Patiententisches erlaubt, wenn dieser rotiert. Hierfür ist die Rotationsachse für die Verkippung zwischen der Standposition und der Liegeposition fußseitig der Auflagefläche vorgesehen, also an dem Ende, an dem die Füße des Patienten positioniert werden. Bevorzugt ist diese Rotationsachse am Boden befestigt und bodennah angeordnet. Hierdurch wird eine flexiblere Bildgebung erlaubt, so dass beispielsweise Projektionsdaten für eine dreidimensionale Rekonstruktion mit Röntgensystemen aufgenommen werden können, während die Patientenliege beziehungsweise konkret die Auflagefläche verkippt ist.
Eine zweckmäßige Weiterbildung dieser Ausgestaltung sieht vor, dass die Patientenliege derart ausgestaltet ist, dass das fußseitige Ende der Auflagefläche mit einer eine Aufstellfläche für Füße bietenden Fußplatte senkrecht zu der Auflagefläche abschließt. Auf diese Weise weist die verwendete Patientenliege auch eine Fußstütze auf, die in der horizontalen Position der Patientenliege keine Wirkung hat, aber benötigt wird, wenn die Auflagefläche in die Vertikalposition verschwenkt wird, da dann der Patient mit den Füßen auf der Fußplatte aufstehen kann.
Es wird besonders bevorzugt, wenn an der Fußplatte ein Drucksensor angeordnet ist, wobei ein durch den Drucksensor zum Zeitpunkt der Aufnahme eines Bilddatensatzes gemessener Druckwert dem Bilddatensatz zugeordnet gespeichert und bei der Auswertung berücksichtigt wird. Beispielsweise kann die Fußplatte mithin eine Druckplatte aufweisen, auf der die Füße des Patienten positioniert werden, so dass bei Verkippung der Auflagefläche ein entstehender Druck auf die Fußplatte und somit die Druckplatte gemessen werden kann. Ein solcher Druckwert gibt einen deutlichen Hinweis darauf, welcher Belastung das Gelenk ausgesetzt war, während ein Bilddatensatz aufgenommen wird. Insbesondere können auch Modelle angenommen werden, in denen sich die tatsächliche Belastung des Gelenks aus dem Druckwert heraus quantifizieren lässt. Mithin stellt ein derartiger Druckwert eine nützliche, hilfreiche Information dar, die bei der Auswertung der Bilddatensätze berücksichtigt werden kann, insbesondere bei der biomechanischen Analyse der Bilddaten. Insbesondere ist es möglich, die Bilddatensätze, die in Zwischenpositionen beziehungsweise Zwischenzuständen aufgenommen wurden, nicht nur mit dem Kippwinkel zu korrelieren, sondern alternativ oder zusätzlich mit dem Druckwert.
Zweckmäßig ist es ferner, wenn eine an der Patientenliege angeordnete, insbesondere gürtelartige Haltevorrichtung für den Patienten bei Verkippung um die Rotationsachse verwendet wird. Beispielsweise kann also ein Sicherheitsgürtel als Haltevorrichtung verwendet werden, um die Patientensicherheit während einer Verkippung der Patientenliege zu erhöhen. Eine zweckmäßige Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass als Bildaufnahmeeinrichtung eine Röntgeneinrichtung verwendet wird. Die Röntgenbildgebung eignet sich aufgrund ihrer Kontraste besonders, verschiedene Komponenten eines Gelenks, insbesondere Knochen und/oder Knorpelstrukturen, deutlich abzubilden und aufzulösen. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Bildgebungstechniken verwendbar, beispielsweise die Magnetresonanzbildgebung und/oder die Ultraschallbildgebung.
Eine Weiterbildung der Erfindung in diesem Kontext sieht vor, dass eine einen Röntgendetektor und einen Röntgenstrahler umfassende Aufnahmeanordnung der Röntgeneinrichtung an wenigstens einer Robotereinrichtung gehaltert ist und mittels dieser in Belastungszuständen zugeordnete Bildaufnahmepositionen verbracht wird. Bevorzugt ist die Röntgeneinrichtung also roboterbasiert, damit auch bei einer in Zwischenpositionen verkippten Patientenliege die Aufnahme von Bilddatensätzen ermöglicht wird. Beispielsweise kann eine Röntgeneinrichtung mit einem an einem Roboter angelagerten C-Bogen verwendet werden; denkbar ist es natürlich auch, andere Geräte einzusetzen, beispielsweise das kürzlich von der Siemens Healthcare GmbH auf den Markt eingeführte Röntgensystem „Multitom Rax“.
In einer ersten Ausbildung nützlicher Gelenkbelastungsinformation kann vorgesehen sein, dass als Gelenkbelastungsinformation ein vierdimensionaler Bewegungsdatensatz des Gelenks aus den Bilddatensätzen ermittelt wird, wobei als vierte Dimension neben den drei Raumdimensionen die Belastung verwendet wird. Ein derartiger vierdimensionaler Bewegungsdatensatz kann einem Nutzer zur Anzeige gebracht werden und stellt ein sehr nützliches Werkzeug für eine folgende Diagnose dar, insbesondere in Verbindung mit weiteren Gelenkbelastungsinformationen. Der vierdimensionale Bewegungsdatensatz entspricht also einer Sequenz von dreidimensionalen Bildern unter variierender Belastung. Zusammenhänge und Veränderungen bei sich verändernder Belastung können aus einem derartigen vierdimensionalen Bewegungsdatensatz abgeleitet werden.
In diesem Kontext ist es zweckmäßig, wenn zur Erzeugung des Bewegungsdatensatzes dreidimensionale Bilddatensätze verschiedener Belastungszustände und/oder aus Bilddatensätzen verschiedener Belastungszustände abgeleitete dreidimensionale Zwischendatensätze verkettet werden und/oder durch Interpolation zwischen unterschiedlichen Belastungszuständen zu einem in der Belastung kontinuierlichen Bewegungsdatensatz verbunden werden. Es ist mithin denkbar, dass eine Zahl von dreidimensionalen Bilddatensätzen, die unter unterschiedlichen Belastungsbedingungen aufgenommen wurden, durch einfache Verkettung zu dem vierdimensionalen Bewegungsdatensatz zusammengefasst werden. Möglich ist es aber auch, durch Interpolation weitere Informationen für nicht unmittelbar aufgenommene Belastungszustände zu erhalten, die zwischen aufgenommenen Belastungszuständen liegen.
Hierzu kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass die Interpolation hinsichtlich von Bewegungen zwischen unterschiedlichen Belastungszuständen beschriebenen Bewegungsparametern erfolgt. Die Interpolation erfolgt also nicht auf einer Grauwertebene zwischen Bilddatensätzen, sondern bevorzugt in die Bewegung zwischen unterschiedlichen Belastungszuständen beschreibenden Bewegungsparametern. Die Bewegungsparameter können dabei in einem Bewegungsmodell unterschiedlicher, durch Segmentierung in den Bilddatensätzen segmentierter Gelenkkomponenten definiert werden. Der Aufbau eines Bewegungsmodells kann im Übrigen auch bereits Teil der Ermittlung weiterer Gelenkbelastungsinformationen sein, da aus einem derartigen Bewegungsmodell und auch bereits der Segmentierung einzelner Gelenkkomponenten eine Vielzahl von Kenngrößen für das Verhalten des Gelenks unter Belastung folgen, wie im Folgenden auch noch näher dargelegt werden wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass, falls zu einem Bewegungszustand nur ein zweidimensionaler Bilddatensatz vorliegt, dreidimensionale Bewegungsinformationen bezüglich eines Belastungszustands, zu dem ein dreidimensionaler Bilddatensatz vorliegt, durch insbesondere starre 3D-2D-Registrierung ermittelt und zur Erzeugung eines Zwischendatensatzes verwendet werden. Ist also ein Teil der Bilddatensätze zweidimensional, beispielsweise im Fall von Radiographie-Bilddatensätzen, oder ist die dreidimensionale Information des Bilddatensatzes nicht hinreichend verlässlich, beispielsweise bei Tomosynthese-Bilddatensätzen, kann ausgenutzt werden, dass verlässliche dreidimensionale Informationen wenigstens in einem Bilddatensatz vorliegen. In dem wenigstens einen dreidimensionalen Bilddatensatz können Gelenkkomponenten segmentiert werden und/oder Landmarken bestimmt werden, was eine 3D-2D-Registrierung für die geringer dimensionalen Bilddatensätze ermöglicht. Hieraus wiederum kann auf die Bewegung der Gelenkkomponenten bei sich verändernder Belastung geschlossen werden. Beachtet man, dass Gelenkkomponenten üblicherweise starr sind, ist eine starre Registrierung ausreichend, wodurch sich auch die Bewegungskomponenten in zu der Bildebene der zweidimensionalen Bilddatensätze senkrechten Dimension ergeben. Konkret kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Segmentierung von Gelenkkomponenten in dem wenigstens einen dreidimensionalen Bilddatensatz aufgrund der Registrierungsparameter, die die Transformation beschreiben, verändert wird, um einen Zwischendatensatz als Teil oder zur Ermittlung des vierdimensionalen Bewegungsdatensatzes zu erhalten.
Möglich ist es auch, dass, wie oben dargelegt, Informationen zur vierten Dimension aus modellbasierten Rekonstruktionen gewonnen werden. Dabei werden zunächst während einer Bewegung des Patienten zwischen zwei Belastungszuständen, insbesondere von dem Liegezustand in den Standzustand, zweidimensionale Bilddatensätze, insbesondere Röntgenprojektionsbilder, in unterschiedlichen Aufnahmegeometrien bezüglich des Patienten aufgenommen, wonach durch einen Algorithmus der modellbasierten Rekonstruktion, die im Gelenk aufgrund der Belastungsänderung stattfindende Bewegung mit abbildend, ein dreidimensionaler Bilddatensatz (Kombinationsdatensatz) für zunächst einen Belastungszustand (beispielsweise den Liegezustand oder den Standzustand) bewegungsartefaktfrei rekonstruiert werden kann, der als auszuwertender Bilddatensatz zur Ermittlung der Gelenkbelastungsinformationen zählt. Die im Bewegungsmodell des Algorithmus zur modellbasierten Rekonstruktion gewonnenen Informationen können jedoch genutzt werden, den vierdimensionalen Bewegungsdatensatz zu ermitteln oder auch auch Gelenkparameter und Belastungsparameter als Gelenkbelastungsinformationen bestimmt werden, die im Folgenden diskutiert werden.
Wie bereits angedeutet wurde, können in einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Gelenkbelastungsinformationen auch Gelenkparameter und Belastungsparameter ermittelt werden, konkret also wenigstens ein die Geometrie des Gelenks beschreibender Gelenkparameter für mehrere Belastungszustände und/oder wenigstens ein den Verlauf eines derartigen Gelenkparameters mit der Belastung beschreibender Belastungsparameter. Dabei können als Gelenkparameter beispielsweise ein kleinster Abstand zwischen wenigstens zwei Gelenkkomponenten des Gelenks, insbesondere zwischen zwei Knochen und/oder Knorpelstrukturen, und/oder ein Öffnungswinkel zwischen wenigstens zwei Gelenkkomponenten des Gelenks bestimmt werden. Derartige Messungen von Zwischenräumen, beispielsweise Wirbelzwischenräumen und sonstigen Gelenkzwischenräumen, kann einem Befunder in einer auf das erfindungsgemäße Verfahren folgenden Diagnose helfen, degenerative Prozesse zu charakterisieren, die Schmerzen verursachen können. Beispielsweise führen Knorpelerosion, Osteophyten und Fehlausrichtungen der Knochen zu einer Verengung von Gelenkzwischenräumen. Da beispielsweise für das Knie die Knochen-Knorpel-Schnittstellen von Tibia, Femur und Patella komplexe Kurvaturen mit vorstehenden und eingesenkten Bereichen aufweisen, ist die Messung von Gelenkfreiräumen in zweidimensionalen Darstellungen, beispielsweise zweidimensionalen Radiographie-Bilddatensätzen, äußerst kompliziert und vor allem ungenau, da die dort zu sehenden Abstände nicht präzise echten Abständen in dreidimensionalen Raum entsprechen. Nachdem die vorliegende Erfindung jedoch mit wenigstens einem dreidimensionalen Bilddatensatz arbeitet und automatische Analysealgorithmen einsetzt, lassen sich hier deutliche Verbesserungen erzielen.
Konkret kann vorgesehen sein, dass zur Bestimmung wenigstens eines des wenigstens einen Gelenkparameters für einen Belastungszustand wenigstens eine Landmarke wenigstens einer Gelenkkomponente in dem dem Belastungszustand zugeordneten Bilddatensatz identifiziert und lokalisiert wird, wobei die Lokalisierungsinformation in die Bestimmung des Gelenkparameters eingeht. Beispielsweise können als Landmarken ausgezeichnete Punkte, beispielsweise Kondylen und/oder äußerste Punkte von Knochen und/oder Knorpelstrukturen gewählt und entsprechend lokalisiert werden. Bereits heutzutage werden im Stand der Technik oft derartige Landmarken verwendet, um bestimmte Gelenkparameter definieren zu können, beispielsweise einen Winkel zwischen einer Gerade, die durch die äußersten lateralen Endpunkte der Patella definiert wird, und einer geraden, die durch die beiden hervorstehenden Teile des Tibia oder des Femur definiert wird. Mithin können also gerade Linien, die zwei anatomische Landmarken verbinden, ermittelt und definiert werden, wobei aus den Linien selber oder dem Verhältnis zu anderen derartigen Linien die Gelenkparameter folgen.
Denkbar ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch auch, dass durch Segmentierung die Oberfläche wenigstens einer Gelenkkomponente ermittelt wird, wobei der Gelenkparameter über die räumliche Beziehung von Oberflächen unterschiedlicher Gelenkkomponenten und/oder einer Oberfläche einer Gelenkkomponente zu einer Landmarke einer anderen Gelenkkomponente bestimmt wird. Beispielsweise können zwei unterschiedliche Knochenoberflächen segmentiert werden und die beiden Punkte kürzesten Abstands auf beiden Oberflächen können detektiert werden. Beispielsweise ist es also möglich, für die Messung des medialen Kompartments den Zwischenknochen-Abstand zwischen den distalen konvexen Rändern der Kondyle des Femur zu dem medialen Tibiaplateau zu berechnen.
Es kann vorgesehen sein, dass zur Identifikation und Lokalisierung wenigstens einer Landmarke ein durch maschinelles Lernen trainierter Landmarkenalgorithmus verwendet wird. Konkret kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein Trainingsdatensatz verwendet wird, in dem die notwendigen Landmarken in einem Satz von Trainingsbildern markiert sind. Ein maschinenlernender Langmarkenalgorithmus wird anhand dieser Trainingsdaten trainiert, um die Landmarken zu detektieren und zu lokalisieren. In konkreter Ausgestaltung kann hierzu vorgesehen sein, dass als Landmarkenalgorithmus eine Support Vector Machine und/oder ein neuronales Netz und/oder ein Random Forest verwendet wird und/oder zum Testen eines trainierten Landmarkenalgorithmus eine Kreuzvalidierungsmethode und/oder ein von den Trainingsdaten unabhängiger Testdatensatz verwendet wird. Bei der Kreuzvalidierungsmethode werden die Trainingsdaten in zwei Anteile geteilt, wobei beispielsweise 90% der Trainingsdaten zum Trainieren des Landmarkenalgorithmus verwendet werden, 10% der Trainingsdaten zu dessen Überprüfung. Dieser Prozess kann mehrmalig mit neuer Zuordnung von Trainingsdaten zum Trainieren/Überprüfen wiederholt werden. Wie erwähnt, sind jedoch auch unabhängige zusätzliche Testdaten, in denen die Landmarken markiert sind, denkbar.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass auf der Grundlage von in dreidimensionalen Bilddatensätzen ermittelten Landmarken und/oder Oberflächen und/oder Gelenkparametern ein Gelenkmodell ermittelt wird, wobei für zweidimensionale Bilddatensätze durch Identifikation wenigstens eines in dem Modell abgebildeten Merkmals in dem zweidimensionalen Bilddatensatz und Abgleich identifizierter Merkmale der Gelenkkomponenten der Gelenkparameter in einer auf den Belastungszustand des zweidimensionalen Bilddatensatzes angepassten Instanz des Gelenkmodells bestimmt wird. Wie bereits bezüglich des vierdimensionalen Bewegungsdatensatzes angedeutet wurde, ist es möglich, aus 3D-Informationen in einem dreidimensionalen Bilddatensatz auf die Verhältnisse in zweidimensionalen Bilddatensätzen in anderen Belastungszuständen zu folgern, beispielsweise im Rahmen einer 3D-2D-Registrierung. Um den Zusammenhang herzustellen, können die segmentierten Gelenkkomponenten beziehungsweise segmentierten Landmarken eingesetzt werden, die in allen Bilddatensätzen zu sehen sein sollten. Wurden entsprechende, korrespondierende Merkmale aufgefunden, kann auf die Bewegung, die zwischen den Belastungszuständen stattgefunden hat, geschlossen werden, insbesondere aufgrund der Tatsache, dass Gelenkkomponenten üblicherweise starr sind. Werden die Gelenkkomponenten letztlich als ein Gelenkmodell zusammengefasst, ändern sich letztlich zwischen unterschiedlichen Belastungszuständen hauptsächlich deren Positionen und Ausrichtungen, was durch starre Transformationen beschrieben werden kann, welche auch aus zweidimensionalen Bilddatensätzen hervorragend abgeschätzt werden können. Letztlich können also Landmarken/Oberflächen/Gelenkparameter, die zunächst in einem dreidimensionalen Bilddatensatz aufgefunden beziehungsweise bestimmt wurden, durch Registrierungsprozesse, insbesondere anhand eines Bewegungsmodells, für alle anderen Bilddatensätze auch aufgefunden werden. Dies ermöglicht es auch bei Verwendung von zweidimensionalen Bilddatensätzen, die belastungsbezogenen Veränderungen der Gelenkgeometrie, insbesondere von Gelenkzwischenräumen, zu berechnen und dem Benutzer zur Anzeige zu bringen.
Allgemein ausgedrückt sieht eine besonders bevorzugte Ausbildung der vorliegenden Erfindung mithin vor, dass Basis-Gelenkparameter für einen bestimmten Belastungszustand, insbesondere für den Zustand geringster Belastung, zunächst in einem dreidimensionalen Bilddatensatz bestimmt werden und durch Auffinden von Merkmalskorrespondenzen in den Bilddatensätzen für andere Belastungszustände, insbesondere durch einen Registrierungsvorgang, für die anderen Belastungszustände aus den Basis-Gelenkparametern abgeleitet werden. Der Belastungszustand minimaler Belastung, insbesondere also der Liegezustand, bietet sich besonders als ursprünglich zu betrachtender Belastungszustand an, da hier die Abstände von Gelenkkomponenten im Allgemeinen am größten sind. Zweckmäßigerweise kann unter Verwendung wenigstens eines Gelenkparameters eine Visualisierung des Bilddatensatzes angepasst werden. Beispielsweise ist es in einer konkreten Ausgestaltung möglich, dass eine Visualisierung des Bilddatensatzes angepasst wird. Beispielsweise ist es in einer konkreten Ausgestaltung möglich, dass eine Ebene für eine multiplanare Reformation (MPR) und/oder Parameter einer dreidimensional gerenderten Darstellung anhand wenigstens eines durch wenigstens einen Gelenkparameter definierten Punktes und/oder wenigstens einer durch wenigstens einen Gelenkparameter definierten Linie und/oder Fläche ermittelt werden. Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, wenn die Ebene für die multiplanare Reformation so bestimmt wird, dass eine den kürzesten Abstand zwischen zwei Gelenkkomponenten markierende Linie in ihr liegt. Die Schneideebene der multiplanaren Reformation wird mithin so konstruiert, dass eine den kürzesten Abstand zwischen zwei Gelenkkomponenten markierende Linie in ihr liegt. Somit wird eine ideale Ansicht auf diesen kürzesten Abstand geboten. In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, wenn zur Festlegung der neben der den kürzesten Abstand markierenden Linie bestehenden Freiheitsgrade der Ebene diese so gewählt wird, dass sie möglichst nahe an einer sagittalen und/oder koronaren und/oder axialen Körperebene liegt. Die Konstruktion der Schneideebene der MPR kann somit so fortgesetzt werden, dass sie möglichst nah an MPR-Ebenen liegt, die üblicherweise genutzt werden, um Gelenkzwischenräume für diesen bestimmten anatomischen Bereich zu ermitteln.
Die so ermittelten Schichten der neuen MPR werden dem Benutzer dargestellt, bevorzugt unter Hervorhebung der Abstandslinie. Der Benutzer kann dann durch die Schichten scrollen, deren Ebenen parallel zu der Ebene mit der Abstandslinie liegen. Alternativ kann die Darstellung auch um die Distanzlinie rotiert werden.
Doch auch im Bereich des Renderns lassen sich Darstellungen dahingehend optimieren, dass ein optimaler Blick auf Engstellen des Gelenkes gegeben ist. Beispielsweise kann der Beleuchtungsmodus beim Rendern einer Darstellung so gewählt werden, dass der engste Abstand zwischen Gelenkkomponenten hervorgehoben/ausgeleuchtet wird. Der Viewpoint kann dabei innerhalb des Gelenks gewählt werden oder automatisch außerhalb des Gelenks, so dass der engste Gelenkfreiraum optimal visualisiert wird.
Allgemein kann also gesagt werden, dass in der Visualisierung die durch die Gelenkparameter beschriebene Eigenschaft hervorgehoben dargestellt und/oder markiert wird und/oder die Visualisierung in Reaktion auf wenigstens eine Benutzereingabe verändert wird. Möglichkeiten zur Veränderung einer Visualisierung einer gerenderten Darstellung sind bereits bekannt und können auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung auch eine Bildaufnahmeeinrichtung, insbesondere eine Röntgeneinrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Bildaufnahmeeinrichtung übertragen. Insbesondere kann die Bildaufnahmeeinrichtung also eine Steuereinrichtung aufweisen, die eine Aufnahmeeinheit aufweist, die die Aufnahmeanordnung und bevorzugt auch die Patientenliege derart ansteuert, dass die Bilddatensätze, die das Gelenk in unterschiedlichen Belastungszuständen zeigen, erhalten werden. Eine Auswertungseinheit kann die Analyse der Bilddatensätze zur Ermittlung der Gelenkbelastungsinformation vornehmen und ebenso einen Teil der Steuereinrichtung bilden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Patientenliege für eine Bildaufnahmeeinrichtung der erfindungsgemäßen Art zur Einstellung unterschiedlicher Belastungszustände eines Gelenks eines Patienten, aufweisend eine um eine Rotationsachse derart verkippbare Auflagefläche für den Patienten, dass der Patient durch die Verkippung der Patientenliege zwischen einem das Gelenk minimal belastenden Liegezustand und einem das Gelenk maximal belastenden Standzustand bewegt werden kann, welche sich dadurch auszeichnet, dass die Patientenliege eine insbesondere bodennahe, an einem fußseitigen Ende der Auflagefläche angeordnete Rotationsachse aufweist. Insbesondere kann die Rotationsachse am Boden befestigt sein. Auch auf die Patientenliege lassen sich sämtliche bisherigen Ausführungen übertragen. Die Patientenliege weist mithin bevorzugt eine am fußseitigen Ende der Auflagefläche senkrecht zur Auflagefläche anschließende, eine Aufstellfläche für die Füße bietende Fußplatte auf, welche mit besonderem Vorteil einen Drucksensor umfassen kann, der einen Druckwert zum Zeitpunkt der Aufnahme eines Bilddatensatzes messen kann. Ferner kann an der Patientenliege eine insbesondere gürtelartige Haltevorrichtung für den Patienten bei der Verkippung um die Rotationsachse angeordnet sein.
Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Computerprogramm, das die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführt, wenn es auf einer Recheneinrichtung ausgeführt wird. Das Computerprogramm kann auf einem elektronisch lesbaren Datenträger, insbesondere einem nicht-transienten Datenträger wie einer CD-ROM, abgespeichert sein. Bei der Recheneinrichtung kann es sich um die Steuereinrichtung der erfindungsgemäßen Röntgeneinrichtung handeln. Auch für das Computerprogramm gelten die bisherigen Ausführungen analog fort.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
1 einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine erfindungsgemäße Patientenliege,
3 und 4 die erfindungsgemäße Patientenliege in weiteren Stellungen,
5 bis 7 erläuternde Skizzen zu unterschiedlichen Belastungszuständen,
8 eine Skizze zur Bestimmung eines ersten Gelenkparameters,
9 eine Skizze zur Bestimmung eines zweiten Gelenkparameters,
10 eine erfindungsgemäße Bildaufnahmeeinrichtung in einer ersten Ausgestaltung, und
11 eine erfindungsgemäße Bildaufnahmeeinrichtung in einer zweiten Ausgestaltung.
1 zeigt einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung von Gelenkbelastungsinformationen. Dabei wird in einem Schritt S1 ein zu untersuchender Patient auf einer Patientenliege einer Bildaufnahmeeinrichtung, hier einer Röntgeneinrichtung, die roboterbasiert verschiedenste Einstellungen der Aufnahmeanordnung erlaubt, platziert.
Eine dabei einsetzbare Patientenliege 1 wird durch die 2 bis 4 näher erläutert.
2 zeigt eine Prinzipskizze der Patientenliege 1. Diese weist einen Patiententisch 3 mit einer Auflagefläche 2 auf, auf der der zu untersuchende Patient platziert werden kann. Getragen wird der Patiententisch 3 von einem Stativ 4, wobei er ferner um eine bodennahe, hier bodenmontierte Rotationsachse 5 verkippbar ist. Die Rotationsachse 5 ist am fußseitigen Ende 6 der Auflagefläche 2 angeordnet.
Am fußseitigen Ende der Auflagefläche 2 wird diese ferner durch eine Fußplatte 7 abgeschlossen, die sich senkrecht zur Auflagefläche 2 erstreckt und die einen Drucksensor 8 aufweist, über den Druckwerte in verschiedenen Kippstellungen der Patientenliege 1 aufgenommen werden können. Um die Sicherheit des Patienten zu erhöhen, ist ferner eine Halterungsvorrichtung 9 in Form eines Sicherheitsgürtels 10 vorgesehen.
Im Schritt S1 des Verfahrens wird der Patient nun in Rückenlage auf der Auflagefläche 2 so platziert, dass seine Fußflächen an der Fußplatte 7 anliegen. In der Liegeposition ist die Belastung eines zu untersuchenden Gelenks, beispielsweise des Kniegelenks, minimal. Wird die Auflagefläche 2 nun um die Rotationsachse 5 verkippt, nimmt das Gewicht, das das Gelenk zu tragen hat, und somit die Belastung mit steigendem Kipp- winkel zu. Die 3 und 4 zeigen beispielhaft und wiederum schematisch die Patientenliege 1 in zwei weiteren Kippstellungen mit darauf angeordnetem Patienten 11, im Falle der 3 eine 45° Kippstellung, im Falle der 4 eine 90° Kippstellung. Im Fall der 4 steht der Patient 11 auf der Fußplatte 7, so dass mithin eine Standposition gegeben ist, in der eine maximale Belastung auf das Gelenk wirkt.
Dies sei durch die 5 bis 7 nochmals näher erläutert. 5 illustriert den Liegezustand, wobei der Rumpf 12 und das Gelenk 13 des Patienten 11, hier das Kniegelenk, abstrahiert dargestellt sind. Der Pfeil 14 symbolisiert die Gravitationskraft des Rumpfes 12. Nachdem ersichtlich ein Winkel von 90° zwischen der Gravitationskraft und der Anordnung des Gelenks 13 existiert, wirkt keine Belastung auf das Gelenk 13.
6 zeigt einen Zwischenzustand, in dem der Patient 11 um 45° verkippt ist (entspricht 3). Eine effektive Gewichtskraft, symbolisiert durch einen Pfeil 15, die einen Anteil der Gewichtskraft des Rumpfes 12 bildet, wirkt nun auf das Gelenk 13. 7 zeigt schließlich das andere Extrem, nämlich die stehende Position (entspricht 4), in der die genannte Gewichtskraft des Rumpfes 12 vollständig auf das Gelenk 13 wirkt. Vereinfacht kann also die das Gelenk 13 belastende effektive Kraft abgeschätzt werden als F_eff = m_trunk·g₀·cos(α), wobei g₀ die Gravitationskonstante ist, m die Masse und α der Winkel zwischen der Gravitationskraft und der Ausrichtung des Patienten 11.
Aufgrund der Nutzung von Robotern und/oder Teleskoparmen in der verwendeten Röntgeneinrichtung existieren eine Vielzahl von Bewegungsfreiheitsgraden für die Aufnahmeanordnung, so dass Bilddatensätze des Gelenks 13 in verschiedensten Belastungszuständen aufgenommen werden können.
Das Verfahren gemäß 1 wird in einem Schritt S2 fortgesetzt, indem zunächst nun ein dreidimensionaler Bilddatensatz des Gelenks 13 des Patienten 11 in der Liegeposition aufgenommen wird, so dass der Belastungszustand dem Liegezustand (vgl. 5) entspricht.
In einem Schritt S3 wird ein weiterer, zweidimensionaler oder wiederum dreidimensionaler Bilddatensatz des Gelenks 13 aufgenommen, wobei der Patient 11 bevorzugt automatisch durch die verkippbare Patientenliege 1 in einen Zwischenzustand zwischen dem Liegezustand und dem Standzustand verbracht wird. Das bedeutet, es liegt eine Teilbelastung des Gelenks 13 vor. Wie durch den Pfeil 16 angedeutet, können selbstverständlich auch mehrere Bilddatensätze in derartigen Zwischenpositionen aufgenommen werden.
In einem Schritt S4 ist schließlich die Standposition (vgl. 7) erreicht, wo ein letzter, dreidimensionaler Bilddatensatz aufgenommen wird.
Nach den Schritten S2 bis S4 liegen also eine Mehrzahl von Bilddatensätzen für unterschiedliche Belastungszustände des Patienten 11 vor, wobei wenigstens ein dreidimensionaler Bilddatensatz für den Liegezustand und den Standzustand als Belastungszustand vorhanden sind.
Aus diesen Bilddatensätzen soll nun in einem Schritt S5 durch Analysealgorithmen automatisch wenigstens eine Gelenkbelastungsinformation extrahiert werden. Dabei wird bevorzugt der zuerst aufgenommene, dreidimensionale Bilddatensatz, der in der Liegeposition entstanden ist, genutzt, um anhand von Landmarken und/oder Segmentierungsvorgängen die einzelnen Gelenkkomponenten des Gelenks 13 zu identifizieren und ihre Position und Ausrichtung wenigstens implizit zu bestimmen. Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn diese Gelenkkomponenten genutzt werden, um ein Gelenkmodell als Grundlage eines Bewegungsmodells für die während den Belastungsänderungen stattfindenden Bewegungen zu bilden. Es hat sich gezeigt, dass im Liegezustand die Gelenkgeometrie am offensten ist, das bedeutet, die Abstände zwischen den einzelnen Gelenkkomponenten sind am größten, so dass eine Segmentierung/ein Auffinden von Landmarken besonders einfach möglich ist. Sind die Gelenkkomponenten in dem einen Bilddatensatz identifiziert, lassen sie sich auch in den anderen Bilddatensätzen leicht auffinden, beispielsweise aufgrund von Merkmalskorrespondenzen oder geeigneten Startwerten für eine dortseitige Segmentierung/Landmarkenerkennung. Nachdem Gelenkkomponenten, also Knochen und/oder Knorpelstrukturen, üblicherweise starr sind, lassen sich durch 3D-2D-Registrierungsvorgänge auch für zweidimensionale Bilddatensätze die entsprechenden Gelenkgeometrien dreidimensional im Bewegungsmodell abbilden.
Bezüglich einer Landmarkenerkennung sei noch angemerkt, dass ein durch maschinelles Lernen trainierter Landmarkenalgorithmus verwendet wird.
Zwischenergebnis des Schrittes S5 ist somit, dass die Positionen von Landmarken/Oberflächen von Gelenkkomponenten oder zumindest die Ausrichtung und Position von Gelenkkomponenten für alle Belastungszustände bekannt ist, zu denen Bilddatensätze aufgenommen wurden. Insbesondere kann bei zweidimensionalen Bilddatensätzen unter Nutzung des Wissens aus den dreidimensionalen Bilddatensätzen auch ein dreidimensionaler Zwischendatensatz erzeugt werden. Aus diesem Zwischenergebnis können nun eine Vielzahl von Gelenkbelastungsinformationen abgeleitet werden.
Zunächst ist beispielhaft in 1 symbolisch ein vierdimensionaler Bewegungsdatensatz 17 als Gelenkbelastungsinformation gezeigt. Hierbei bildet die Belastung die vierte Dimension neben den drei Raumdimensionen. Der vierdimensionale Bewegungsdatensatz kann zum einen durch einfache Verkettung von Bilddatensätzen/Zwischendatensätzen verschiedener Belastungszustände erzeugt werden; möglich ist es auch, zwischen den unterschiedlichen Belastungszuständen zu interpolieren, um einen in der Belastung kontinuierlichen Bewegungsdatensatz zu erhalten. Die Interpolation erfolgt dabei hinsichtlich von Bewegungen im Bewegungsmodell beschreibenden Bewegungsparameter, insbesondere jeweils bezogen auf bestimmte Gelenkkomponenten.
Die weiter in 1 symbolisch dargestellten Gelenkbelastungsinformationen 18 betreffen Gelenkparameter, die die Geometrie des Gelenks 13 beschreiben, für verschiedene Belastungszustände und den Verlauf derartiger Gelenkparameter mit der Belastung beschreibende Belastungsparameter. Beispiele für Gelenkparameter in bestimmten Belastungszuständen, die die Geometrie von Gelenken 13 beschreiben, sollen mit Hilfe der 8 und 9 näher erläutert werden.
8 betrifft die Bestimmung eines Gelenkzwischenraums, wobei das linke Teilbild a bei größerer Belastung aufgenommen wurde als das rechte Teilbild b. Bestimmt werden soll der minimale Abstand 19 zwischen den Gelenkkomponenten 20 als Gelenkparameter. Ersichtlich, vgl. das rechte Teilbild b, wird der Abstand 19 mit abnehmender Belastung größer.
Der minimale Abstand 19 lässt sich in drei Dimensionen, wenn die Oberflächen der Gelenkkomponenten 20 bekannt sind, leicht über einen geeigneten Analysealgorithmus bestimmen.
9 zeigt ein weiteres Beispiel, in diesem Fall an einem Kniegelenk, von dem die Patella 21 der Femur 22 gezeigt sind. Die lateral äußeren Punkte der Patella 21 als Landmarken definieren die Gerade 23, die hervorgewölbten Bereiche der Kondyle des Femur 22 als Landmarken die Gerade 24. Als Gelenkparameter soll der Winkel zwischen diesen beiden Geraden bestimmt werden. Nachdem im linken Teilbild a die Belastung geringer ist als im rechten Teilbild b, ist zu erkennen, dass der Winkel mit abnehmender Belastung zunimmt.
Betrachtet man mithin solche Gelenkparameter über verschiedene Belastungszustände, mithin für verschiedene Belastungen, lassen sich auch Belastungsparameter bestimmen, die die physikalischen Sachverhalte bei Belastung quantifizieren.
Gelenkparameter und Belastungsparameter lassen sich auch nutzen, um Benutzer mit geeigneten Visualisierungen zu unterstützen, was in 1 schematisch durch die Gelenkbelastungsinformationen 25 symbolisiert ist.
Beispielsweise lässt sich eine Ebene für eine neu zu erzeugende multiplanare Reformation (MPR) so definieren, dass die Linie geringsten Abstands (vgl. 8) in ihr liegt und gleichzeitig möglichst nah an klassischen Ebenen für die MPR geblieben wird, insbesondere an einer axialen, koronaren oder sagittalen Ebene. In solchen MPR-Schichten wird bevorzugt der geringste Abstand dann hervorgehoben dargestellt beziehungsweise eingeblendet. Genutzt werden können Gelenkparameter und die aufgenommenen Bilddaten jedoch auch, um Visualisierungen dieser Gelenkparameter, die auf gerenderten Darstellungen beruhen, möglichst zur Sichtbarkeit der Eigenschaften, die die Gelenkparameter beschreiben, zu optimieren. Unabhängig von der Art der Visualisierung werden dem Benutzer selbstverständlich Möglichkeiten gegeben, die Darstellungen zu manipulieren, beispielsweise durch die MPR-Schichten zu scrollen, um den kürzesten Abstand zu rotieren beziehungsweise bei gerenderten Darstellungen den Blickwinkel, die Beleuchtung und dergleichen anzupassen.
Als MPR-Schichten können dabei beispielsweise Darstellungen wie in 8 und 9 mit entsprechend visualisierten Gelenkparametern entstehen.
Die erhaltenen Gelenkbelastungsinformationen 17, 18 und 25 können in einem nachfolgenden, nicht zum erfindungsgemäßen Verfahren gehörenden Schritt von einem Befunder genutzt werden, um eine Diagnose zu stellen.
10 zeigt schließlich eine Prinzipskizze einer ersten erfindungsgemäßen Bildaufnahmeeinrichtung 26, hier einer Röntgeneinrichtung. Neben der bereits beschriebenen Patientenliege 1 weist dieser einen C-Bogen 27 auf, an dem sich gegenüberliegend ein Röntgenstrahler 28 und ein Röntgendetektor 29 angeordnet sind. Der C-Bogen 27 wird von einem Roboterarm 30 getragen, um die Aufnahme von Bilddatensätzen in unterschiedlichen Belastungszuständen zu erlauben. Eine hier nur angedeutete Steuereinrichtung 31 ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet.
Auch alternative Ausgestaltungen der Bildaufnahmeeinrichtung sind denkbar, beispielsweise solche, die das von Siemens Healthcare GmbH unter dem Namen „Multitom Rax“ vertrieben werden.
Entsprechend zeigt 11 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bildaufnahmeeinrichtung 32 in Form einer Röntgeneinrichtung 33. Diese weist einen Röntgenstrahler 34 und einen Röntgendetektor 35 auf, die jeweils an Halterungen 36, 37 an der Decke befestigt sind. Ein Patient 38 kann zwischen dem Röntgenstrahler 34 und dem Röntgendetektor 35 angeordnet werden. Über Teleskoparme 39 und Gelenke 40 kann Aufnahmeanordnung in einer Vielzahl von Freiheitsgraden eingestellt werden. Die der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigte Steuereinrichtung der Röntgeneinrichtung 33 ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet.
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.
Bezugszeichenliste

1: Patientenliege
2: Auflagefläche
3: Patiententisch
4: Stativ
5: Rotationsachse
6: fußseitiges Ende
7: Fußplatte
8: Drucksensor
9: Halterungsvorrichtung
10: Sicherheitsgürtel
11: Patient
12: Rumpf
13: Gelenk
14: Pfeil
15: Pfeil
16: Pfeil
17: Bewegungsdatensatz
18: Gelenkbelastungsinformation
19: Abstand
20: Gelenkkomponente
21: Patella
22: Femur
23: Gerade
24: Gerade
25: Gelenkbelastungsinformation
26: Bildaufnahmeeinrichtung
27: C-Bogen
28: Röntgenstrahler
29: Röntgendetektor
30: Roboterarm
31: Steuereinrichtung
32: Bildaufnahmeeinrichtung
33: Röntgeneinrichtung
34: Röntgenstrahler
35: Röntgendetektor
36: Halterung
37: Halterung
38: Patient
39: Teleskoparm
40: Gelenk
: Schritt S1 bis S5

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Artikel von Anna Hirschmann et al., Eur Radiol (2014) 24: 553–558 [0002]
Konferenzbeitrag von W. Holub, „4D motion animation of coronary arteries from rotational angiography“, Proc. SPIE 7964, Medical Imaging 2011: Visualization, Image-Guided Procedures, and Modeling, 79641S (March 01, 2011); doi:10.1117/12.877969 [0014]

Claims

Verfahren zur automatischen Ermittlung wenigstens einer Gelenkbelastungsinformation (18, 25) eines Gelenks (13) eines Patienten (11), wobei wenigstens ein Bilddatensatz des belasteten Gelenks (13) mittels einer Bildaufnahmeeinrichtung (26, 32) aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Bilddatensätze, von denen wenigstens einer dreidimensional ist, des Gelenks (13) jeweils für unterschiedliche Belastungszustände mit der Bildaufnahmeeinrichtung (26, 32) aufgenommen werden und durch gemeinsame Auswertung der Bilddatensätze die wenigstens eine Gelenkbelastungsinformation (18, 25) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein insbesondere dreidimensionaler Bilddatensatz bei einem zwischen einem das Gelenk (13) minimal belastenden Liegezustand und einem das Gelenk (13) maximal belastenden Standzustand liegenden Belastungszustand aufgenommen wird und/oder jeweils wenigstens ein Bilddatensatz in dem das Gelenk (13) minimal belastenden Liegezustand und dem das Gelenk (13) maximal belastenden Standzustand aufgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung unterschiedlicher Belastungszustände eine um eine Rotationsachse (5) derart verkippbare Patientenliege (1) verwendet wird, dass der Patient (11) durch die Verkippung der Patientenliege (1) zwischen einem das Gelenk (13) minimal belastenden Liegezustand und einem das Gelenk (13) maximal belastenden Standzustand bewegt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Patientenliege (1) mit einer insbesondere bodennahen, an einem Ende (6) der Auflagefläche (2), zu dem die Füße des Patienten (11) weisen sollen, angeordneten Rotationsachse (5) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Patientenliege (1) derart ausgestaltet ist, dass das fußseitige Ende (6) der Auflagefläche (2) mit einer eine Aufstellfläche für Füße bietenden Fußplatte (7) senkrecht senkrecht zu der Auflagefläche (2) abschließt, wobei insbesondere an der Fußplatte (7) ein Drucksensor (8) angeordnet ist, wobei ein durch den Drucksensor (8) zum Zeitpunkt der Aufnahme eines Bilddatensatzes gemessener Druckwert dem Bilddatensatz zugeordnet gespeichert und bei der Auswertung berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gelenkbelastungsinformation (18, 25) ein vierdimensionaler Bewegungsdatensatzes (17) des Gelenks (13) aus den Bilddatensätzen ermittelt wird, wobei als vierte Dimension neben den drei Raumdimensionen die Belastung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Bewegungsdatensatzes dreidimensionale Bilddatensätze verschiedener Belastungszustände und/oder aus Bilddatensätzen verschiedener Belastungszustände abgeleitete dreidimensionale Zwischendatensätze verkettet werden und/oder durch Interpolation zwischen unterschiedlichen Belastungszuständen zu einem in der Belastung kontinuierlichen Bewegungsdatensatzes (17) verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7, dadurch gekennzeichnet, dass, falls zu einem Bewegungszustand nur ein zweidimensionaler Bilddatensatz vorliegt, dreidimensionale Bewegungsinformationen bezüglich eines Belastungszustands, zu dem ein dreidimensionaler Bilddatensatz vorliegt, durch insbesondere starre 3D-2D-Registrierung ermittelt und zur Erzeugung eines Zwischendatensatzes verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst während einer Bewegung des Patienten zwischen zwei Belastungszuständen, insbesondere von dem Liegezustand in den Standzustand, zweidimensionale Bilddatensätze, insbesondere Röntgenprojektionsbilder, in unterschiedlichen Aufnahmegeometrien bezüglich des Patienten aufgenommen werden, wonach durch einen Algorithmus der modellbasierten Rekonstruktion der vierdimensionale Bewegungsdatensatz rekonstruiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gelenkbelastungsinformation (18, 25) wenigstens ein die Geometrie des Gelenks (13) beschreibender Gelenkparameter für mehrere Belastungszustände und/oder wenigstens ein den Verlauf eines derartigen Gelenkparameters mit der Belastung beschreibender Belastungsparameter ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Gelenkparameter ein kleinster Abstand (19) zwischen wenigstens zwei Gelenkkomponenten (20) des Gelenks (13), insbesondere zwischen zwei Knochen und/oder Knorpelstrukturen, und/oder ein Öffnungswinkel zwischen wenigstens zwei Gelenkkomponenten (20) des Gelenks (13) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung wenigstens eines des wenigstens einen Gelenkparameters für einen Belastungszustand wenigstens eine Landmarke wenigstens einer Gelenkkomponente (20) in dem dem Belastungszustand zugeordneten Bilddatensatz identifiziert und lokalisiert wird, wobei die Lokalisierungsinformation in die Bestimmung des Gelenkparameters eingeht, und/oder durch Segmentierung die Oberfläche wenigstens einer Gelenkkomponente (20) ermittelt wird, wobei der Gelenkparameter über die räumliche Beziehung von Oberflächen unterschiedlicher Gelenkkomponenten (20) und/oder einer Oberfläche einer Gelenkkomponente (20) zu einer Landmarke einer anderen Gelenkkomponente (20) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundlage von in dreidimensionalen Bilddatensätzen ermittelten Landmarken und/oder Oberflächen und/oder Gelenkparametern ein Gelenkmodell ermittelt wird, wobei für zweidimensionale Bilddatensätze durch Identifikation wenigstens eines in dem Modell abgebildeten Merkmals in dem zweidimensionalen Bilddatensatz und Abgleich identifizierter Merkmale der Gelenkparameter der Gelenkkomponenten (20) in einer auf den Belastungszustand des zweidimensionalen Bilddatensatzes angepassten Instanz des Gelenkmodells bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Basis-Gelenkparameter zunächst für einen Belastungszustand, insbesondere den Zustand geringster Belastung, in einem dreidimensionalen Bilddatensatz bestimmt werden und durch Auffinden von Merkmalskorrespondenzen in den Bilddatensätzen für andere Belastungszustände, insbesondere durch einen Registrierungsvorgang, für diese anderen Belastungszustände die Gelenkparameter aus den Basis-Gelenkparametern abgeleitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung wenigstens eines Gelenkparameters eine Visualisierung des Bilddatensatzes angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ebene für eine multiplanare Reformation und/oder Parameter einer dreidimensional gerenderten Darstellung anhand wenigstens eines durch wenigstens einen Gelenkparameter definierten Punktes und/oder wenigstens einer durch wenigstens einen Gelenkparameter definierten Linie und/oder Fläche ermittelt werden.
Bildaufnahmeeinrichtung (26, 32), insbesondere Röntgeneinrichtung (33), ausgebildet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Patientenliege (1) für eine Bildaufnahmeeinrichtung (26, 32) nach Anspruch 17 zur Einstellung unterschiedlicher Belastungszustände eines Gelenks (13) eines Patienten (11), aufweisend eine um eine Rotationsachse (5) derart verkippbare Auflagefläche (2) für den Patienten (11), dass der Patient (11) durch die Verkippung der Patientenliege (1) zwischen einem das Gelenk (13) minimal belastenden Liegezustand und einem das Gelenk (13) maximal belastenden Standzustand bewegt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Patientenliege (1) eine insbesondere bodennahe, an einem fußseitigen Ende (6) der Auflagefläche (2) angeordnete Rotationsachse (5) aufweist.
Computerprogramm, das die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 durchführt, wenn es auf einer Recheneinrichtung ausgeführt wird.