DE102016217338B3

DE102016217338B3 - Verfahren zur Ermittlung von Aufnahmegeometrieparametern bei unterschiedlichen Startpositionen von Aufnahmetrajektorien, Röntgeneinrichtung, Computerprogramm und elektronisch lesbarer Datenträger

Info

Publication number: DE102016217338B3
Application number: DE102016217338.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Fieselmann; Magdalena Herbst
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2016-09-12
Filing date: 2016-09-12
Publication date: 2018-01-18
Anticipated expiration: 2036-09-13

Abstract

Verfahren zur Ermittlung von Aufnahmegeometrieparametern von entlang einer von einer Startposition ausgehenden Aufnahmetrajektorie einer Trajektorienklasse mit einer bildgebenden Röntgeneinrichtung (1) aufgenommenen Projektionsbildern, wobei die bildgebende Röntgeneinrichtung (1) einen Röntgenstrahler (4) und einen Röntgendetektor (5) aufweist, die gemeinsam zur Realisierung der Aufnahmetrajektorie bewegbar sind und in wenigstens einem Freiheitsgrad zur Einstellung unterschiedlicher Startpositionen für Aufnahmetrajektorien der Trajektorienklasse verstellbar sind, wobei in einem Vorbereitungsschritt (14) eine Berechnungsvorschrift ermittelt wird, durch die aus für eine vorgegebene Referenzstartposition der möglichen Startpositionen ermittelten Aufnahmegeometrieparametern für wenigstens eine weitere Startposition Aufnahmegeometrieparameter bestimmt werden können, wonach in einem Kalibrierungsvorgang (20) Aufnahmegeometrieparameter der Referenzstartposition bei einem Durchlauf der Aufnahmetrajektorie vermessen werden und Aufnahmegeometrieparameter für eine von der Referenzstartposition verschiedene weitere Startposition unter Verwendung der Berechnungsvorschrift aus den zuletzt gemessenen Aufnahmegeometrieparametern für die Referenzstartposition ermittelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Aufnahmegeometrieparametern von entlang einer von einer Startposition ausgehenden Aufnahmetrajektorie einer Trajektorienklasse mit einer bildgebenden Röntgeneinrichtung aufgenommenen Projektionsbildern, wobei die bildgebende Röntgeneinrichtung einen Röntgenstrahler und einen Röntgendetektor aufweist, die gemeinsam zur Realisierung der Aufnahmetrajektorie bewegbar sind und in wenigstens einem Freiheitsgrad zur Einstellung unterschiedlicher Startpositionen für Aufnahmetrajektorien der Trajektorienklasse verstellbar sind. Daneben betrifft die Erfindung eine Röntgeneinrichtung, ein Computerprogramm und einen elektronisch lesbaren Datenträger.
Röntgeneinrichtungen flexibler Geometrie sind im Stand der Technik bereits bekannt und werden ständig weiterentwickelt, um möglichst viele Optionen für die Aufnahme von Röntgenbildern zu bieten und insbesondere auch bei der Rekonstruktion höherdimensionaler Bilddatensätze aus zweidimensionalen Projektionsbildern, insbesondere von dreidimensionalen Bilddatensätzen, eine flexiblere Anpassung der Aufnahmetrajektorien zu ermöglichen, entlang derer die Projektionsbilder aufgenommen werden. Solche Röntgeneinrichtungen können beispielsweise roboterbasierte Mehrachsen-Röntgeneinrichtungen sein, wobei beispielsweise Röntgeneinrichtungen existieren, bei denen der Röntgenstrahler und der Röntgendetektor an einem C-Bogen angeordnet sind. Ein Beispiel hierfür ist das unter dem Namen „Artis zeego” von der Siemens Healthcare GmbH vertriebene Röntgensystem. Denkbar ist es jedoch auch, den Röntgenstrahler und den Röntgendetektor an unterschiedlichen, insbesondere auch unabhängig bewegbaren Roboterarmen anzuordnen, welche insbesondere teleskopisch ausgebildet sein können. Derartige Röntgeneinrichtungen werden robotische Twin-Röntgeneinrichtungen genannt. Ein Beispiel hierfür ist das unter dem Namen „Multitom Rax” von der Siemens Healthcare GmbH vertriebene Röntgensystem.
Robotische Twin-Röntgeneinrichtungen erlauben auch die Ermittlung von dreidimensionalen Bilddatensätzen eines stehenden Patienten in Belastungssituationen bei verschiedenen Höhen entlang der Patientenachse, wobei häufig deckenmontierte, an teleskopischen Arme gelagerte Röntgenstrahler und Röntgendetektoren genutzt werden, welche zur Realisierung der Aufnahmetrajektorie in einer im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene gelegenen, beispielsweise kreisförmigen Bahn bewegt werden. Dies ermöglicht es, beispielsweise Knöchel, Knie, Hüfte, Lendenwirbelsäule, Brustwirbelsäule und/oder Halswirbelsäule eines stehenden Patienten zu scannen. Beispielsweise von aufrechten Magnetresonanzeinrichtungen ist es bekannt, dass die natürlich stehende Position diagnostische Vorteile hinsichtlich bestimmter orthopädischer Krankheiten mit sich bringt, verglichen mit liegenden Patientenpositionen.
Um im Beispiel einer Röntgeneinrichtung mit an teleskopischen, getrennten Armen angeordnetem Röntgenstrahler und Röntgendetektor die Höhe zu verändern, können die beiden teleskopischen Arme den Röntgenstrahler und den Röntgendetektor nach oben und nach unten entlang einer Höhenachse bewegen. Bei einer bestimmten Höhenposition als Startposition kann der dreidimensionale Scan durchgeführt werden, indem der Röntgenstrahler und der Röntgendetektor entlang der Aufnahmetrajektorie um den Patienten bewegt werden und währenddessen Projektionsbilder aufgenommen werden. Zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bilddatensatzes aus den Projektionsbildern ist eine Vielzahl von Varianten bekannt, beispielsweise die gefilterte Rückprojektion. Alle diese Rekonstruktionstechniken benötigen als Eingangsdaten jedoch genaue Informationen über die Projektionsgeometrie, also die Aufnahmegeometrie, welche durch Aufnahmegeometrieparameter beschrieben sein kann, beispielsweise durch Projektionsmatrizen.
Um die Aufnahmegeometrieparameter zu ermitteln, ist es bekannt, für jede Projektion einer bestimmten Aufnahmetrajektorie ein Röntgenbild eines Phantoms zur Aufnahmegeometriekalibrierung aufzunehmen. Derartige Phantome, wie sie auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, können beispielsweise zylindrisch ausgebildet sein und eine vorbekannte Anordnung von in den Zylinder eingelassenen Kügelchen enthalten, so dass aus der Abbildung der Kügelchen Rückschlüsse auf die Aufnahmegeometrie bei der Aufnahme des Röntgenbildes gezogen werden können. Mithin wird jedes Röntgenbild durch einen Softwarealgorithmus analysiert, um eine Projektionsmatrix zu bestimmen, wie dies beispielsweise in einem Artikel von Strobel et al., „Improving 3D Image Quality of X-ray C-Arm Imaging Systems by Using Properly Designed Pose Determination Systems for Calibrating the Projection Geometry”, in: Proceedings SPIE Medical Imaging 2003: Physics of Medical Imaging, 5030, 943–954 (2003), beschrieben wurde.
Wenn im Beispiel Aufnahmevorgänge bei bestimmten Höhenpositionen als Startposition begonnen werden können, mithin allgemein Aufnahmetrajektorien an bestimmten Startpositionen beginnen, muss eine entsprechende Geometriekalibrierung für die Aufnahmetrajektorie an dieser Startposition vorliegen, da durch die komplexe Mechanik der Röntgeneinrichtung für verschiedene Startpositionen unterschiedliche Effekte auftreten können. Wird eine Geometriekalibrierung für eine andere Startposition, beispielsweise eine andere Höhe, verwendet, können Rekonstruktionsartefakte auftreten. Die Ursache hierfür kann beispielsweise in unterschiedlichen Fokus-Detektor-Abständen liegen, die mit unterschiedlicher Startposition variieren können. Werden teleskopische Arme verwendet, können unterschiedliche Verbiegungen aufgrund der Zentrifugalkräfte auftreten, während die Arme zur Realisierung der Aufnahmetrajektorie bewegt werden.
Hierbei ist jedoch problematisch, dass die Ermittlung einer Vielzahl von Geometriekalibrierungen, mithin Scans des Phantoms zur Aufnahmegeometriekalibrierung und die entsprechende Softwareanalyse, für eine Vielzahl von Startpositionen ein äußerst zeitaufwändiger Vorgang ist. Nachdem die Mechanik, gegebenenfalls abhängig von der Benutzung, auch Alterungserscheinungen unterworfen ist, muss die Geometriekalibrierung zudem häufig wiederholt werden, beispielsweise in Zeitabständen von einem oder wenigen Monaten. Insbesondere erhöht das Vorliegen einer Vielzahl von Startpositionen, für die zu kalibrieren ist, auch den Arbeitsaufwand entsprechend zugeordneter Arbeitskräfte.
US 2007/0 172 033 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Aufnahmegeometrien eines Bildgebungssystems. Dabei wird ein erster Satz von Kalibriermatrizen verwendet, um für eine vorher nicht festgelegte Position des Systems Projektionsmatrizen abzuleiten, beispielsweise durch Interpolation von Koeffizienten von Kalibrierungsmatrizen oder Verwendung einer starren Transformation.
DE 10 2011 003 653 A1 offenbart ein Verfahren zum Gewinnen eines 3D-Bilddatensatzes zu einem Bildobjekt. Dort wird vorgeschlagen, anstatt einer Messung von Projektionsparametern mithilfe eines Kalibrierphantoms ein Modell von Wirksträngen der Komponenten in einer Röntgenbildaufnahmevorrichtung zu gewinnen, wobei die Modellparameter anhand einer Bildaufnahme eines Kalibrierphantoms identifiziert werden. Somit soll zu beliebigen Wunschtrajektorien eine Berechnung von Projektionsmatrizen möglich sein.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur verlässlichen Aufnahmegeometriekalibrierung bei deutlich verringertem Zeitaufwand anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass in einem Vorbereitungsschritt eine Berechnungsvorschrift ermittelt wird, durch die aus für eine vorgegebene Referenzstartposition der möglichen Startpositionen ermittelten Aufnahmegeometrieparametern für wenigstens eine weitere Startposition Aufnahmegeometrieparameter bestimmt werden können, wonach in einem Kalibrierungsvorgang Aufnahmegeometrieparameter der Referenzstartposition bei einem Durchlauf der Aufnahmetrajektorie vermessen werden und Aufnahmegeometrieparameter für eine von der Referenzstartposition verschiedene weitere Startposition unter Verwendung der Berechnungsvorschrift aus den zuletzt gemessenen Aufnahmegeometrieparametern für die Referenzstartposition ermittelt werden.
Erfindungsgemäß wird mithin vorgeschlagen, in einem Vorbereitungsschritt, der auch als Analysephase bezeichnet werden kann, eine Berechnungsvorschrift zu ermitteln, die es ermöglicht, aus Aufnahmegeometrieparametern wenigstens einer Referenzstartposition Aufnahmegeometrieparameter auch für weitere Startpositionen abzuleiten. Das bedeutet, aus einer Geometriekalibrierung für die wenigstens eine Referenzstartposition kann auf Geometriekalibrierungen weiterer Startpositionen geschlossen werden, wenn nach dem Vorbereitungsschritt ein Kalibrierungsvorgang (Anwendungsphase) durchgeführt wird. Dabei sei darauf hingewiesen, dass durchaus auch mehrere Referenzstartpositionen verwendet werden können, um die Datenbasis zu erhöhen, wobei jedoch zur Reduzierung der Dauer eines Kalibrierungsvorgangs die Zahl der Referenzstartpositionen (bevorzugt deutlich) kleiner sein sollte als die Zahl der bislang in Kalibrierungsvorgängen vermessenen Startpositionen.
Durch Analyse des Verhaltens der Aufnahmetrajektorien einer Trajektorienklasse bei verschiedenen Startpositionen wird mithin eine Berechnungsvorschrift, insbesondere eine Modellfunktion, ermittelt, die eine Aufnahmetrajektorie oder konkret deren Aufnahmegeometrieparameter von einer Startposition zu einer anderen Startposition, also von der Referenzstartposition zu der weiteren Startposition, transformieren kann. Mithin können beispielsweise als konkrete Aufnahmegeometrieparameter Projektionsmatrizen für unterschiedliche Startpositionen aus den zuletzt gemessenen Projektionsmatrizen für die Referenzstartposition unter Nutzung der Berechnungsvorschrift hergeleitet werden.
Auf diese Weise wird die Zahl der einzelnen Messungen während der Geometriekalibrierung, also dem Kalibrierungsvorgang, reduziert. Beispielsweise kann dann, wenn nur eine einzige Referenzposition verwendet wird, die Zahl der Messungen auf eine einzige reduziert werden. Auf diese Weise ist auch der Zeitaufwand, den Arbeitskräfte mit der Vornahme des Kalibrierungsvorgangs verbringen, deutlich reduziert. Durch die Analyse im Vorbereitungsschritt kann eine verlässliche und für Bilddatensätze hoher Güte sorgende, wiederholt anwendbare Berechnungsvorschrift hergeleitet werden.
Dabei sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, dass sich Aufnahmetrajektorien einer Aufnahmetrajektorienklasse bevorzugt lediglich in ihrer Lage im Raum unterscheiden, die durch die Startposition vollständig beschrieben wird. Das bedeutet, die Aufnahmetrajektorien einer Trajektorienklasse sind in diesem Fall in Verlauf, Ausdehnung und Orientierung gleich. Es ist im erfindungsgemäßen Verfahren jedoch auch denkbar, dass Trajektorienklassen auch in einem diese geometrisch beschreibenden Parameter unterschiedlich sind, was gegebenenfalls jedoch auch zumindest teilweise über die Startposition beschrieben werden kann. Beispielsweise können bei Kreistrajektorien unterschiedliche Radien betrachtet werden, das bedeutet, hier liegen nicht nur unterschiedliche Startpositionen aufgrund der Radiusänderung vor, sondern auch unterschiedliche Fokus-Detektor-Abstände, die selbstverständlich im Rahmen der Berechnungsvorschrift zusätzlich beachtet werden müssen, da dies auch Einfluss auf die Aufnahmegeometrieparameter, insbesondere Projektionsmatrizen, hat. Allgemein gesprochen gilt dann, wenn die Geometrie der Aufnahmetrajektorien einer Aufnahmetrajektorienklasse durch einen Parameter beschrieben veränderlich ist, dass dieser Parameter neben oder als Teil der weiteren Startposition Eingang in die Berechnungsvorschrift findet.
In diesem Zusammenhang sei insbesondere darauf hingewiesen, dass bei einem veränderlichen Radius der Aufnahmetrajektorie als Parameter sich häufig die entsprechenden Konsequenzen für die Aufnahmegeometrieparameter, insbesondere Projektionsmatrizen, rein physikalisch herleiten und in die Berechnungsvorschrift integrieren lassen, da letztlich der hauptsächliche Einfluss durch unterschiedliche Zentrifugalkräfte und mithin auch unterschiedliche Abweichungen von der idealen Aufnahmetrajektorie gegeben ist.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass dann, wenn die Erfindung mit Bezug auf eine Röntgeneinrichtung erläutert wird, in der der Röntgenstrahler und der Röntgendetektor an teleskopierbaren, in Schienen oder dergleichen deckenseitig geführten Armen gelagert sind, wobei hauptsächlich die Höhe entlang der Höhenachse relevant für die Startposition ist, dies selbstverständlich nicht einschränkend im Hinblick auf andere Röntgeneinrichtungen mit anderen Bewegungsfreiheitsgraden bzw. anderweitig definierten Startpositionen ist.
Die Aufnahmegeometrieparameter können zur Rekonstruktion eines höherdimensionalen Bilddatensatzes aus den Projektionsbildern verwendet werden, insbesondere zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bilddatensatzes aus zweidimensionalen Projektionsbildern, wie dies bereits dargelegt wurde. Die Aufnahmegeometrieparameter liegen dabei bevorzugt als Projektionsmatrizen vor, die beispielsweise in bekannten Rekonstruktionsverfahren wie der iterativen Rekonstruktion und/oder der gefilterten Rückprojektion eingesetzt werden können.
Ferner ist es bevorzugt, wenn zur Messung der Aufnahmegeometrieparameter der Referenzstartposition Projektionsbilder eines Phantoms entlang der Aufnahmetrajektorie aufgenommen werden. Dabei kann ein übliches Phantom zur Aufnahmegeometriekalibrierung eingesetzt werden, beispielsweise ein Zylinder mit in einer bestimmten geometrischen Anordnung vorliegenden Kügelchen, aus denen die Orientierung des Zylinders relativ zu dem Röntgenstrahler und Röntgendetektor und somit die Aufnahmegeometrie abgeleitet werden können, wie dies beispielsweise im eingangs zitierten Artikel von Strobel et al. beschrieben ist. Dabei sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, dass beim Vergleich von Aufnahmegeometrieparametern unterschiedlicher Messungen, so dies im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigt wird, zweckmäßigerweise eine Registrierung hinsichtlich unterschiedlicher Positionierungen, insbesondere Orientierungen, vorgenommen wird, nachdem es vorkommen kann, dass das Phantom für die unterschiedlichen Messungen nicht exakt gleich positioniert wird oder positioniert werden kann.
In einer konkreten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann als Berechnungsvorschrift eine durch Modellparameter parametrierte Modellfunktion verwendet werden, die die Transformation der Aufnahmetrajektorie zwischen unterschiedlichen Startpositionen ausgehend von der Referenzstartposition beschreibt. Mithin wird im Vorbereitungsschritt als Berechnungsvorschrift eine Modellfunktion f_A mit Modellparametern A ermittelt, die beschreibt, wie aus den Aufnahmegeometrieparametern der Referenzstartposition Aufnahmegeometrieparameter der wenigstens einen weiteren Startposition ermittelt werden können. Bevorzugt ist, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, die Modellfunktion dabei so auszugestalten, dass sich Aufnahmegeometrieparameter für beliebige einstellbare weitere Startpositionen ermitteln lassen. Bezeichnet man die Aufnahmegeometrieparameter an der Referenzstartposition s* als P_i*, wobei i = 1, ..., n Aufnahmepositionen entlang der Aufnahmetrajektorie beschreibt, und sollen die Aufnahmegeometrieparameter P_i ^~ an einer weiteren Startposition s^~ ermittelt werden, wobei im Beispiel s* eine Startposition auf Hüftniveau und s^~ eine Startposition auf Knieniveau sein kann, lassen sich also die Aufnahmegeometrieparameter P_i ^~ unter Nutzung der Modellfunktion f_A ermitteln als P_i ^~ = f_A(s*, s^~, P_i*). Dabei sei bereits an dieser Stelle angemerkt, dass sich die Modellfunktion konkret selbstverständlich auch auf aus den Aufnahmegeometrieparametern P abgeleitete andere Eingangsparameter, beispielsweise Einrichtungsgeometrieparameter, beziehen kann. Implizit bleibt die Abhängigkeit von den Aufnahmegeometrieparametern P dabei selbstverständlich erhalten.
Der Vorbereitungsschritt (Analysephase) wird einmal für jede Trajektorienklasse durchgeführt, worauf eine große Anzahl von Kalibrierungsvorgängen folgen kann, um immer die aktuellen gemessenen Aufnahmegeometrieparameter für die Referenzstarposition zu bestimmen, aus denen mittels der gleichbleibenden Berechnungsvorschrift die Aufnahmegeometrieparameter für die weitere Startposition ermittelt werden. Das Ergebnis des Vorbereitungsschritts ist die Berechnungsvorschrift, insbesondere Modellfunktion, die beschreibt, wie die Aufnahmetrajektorie an der Referenzstartposition in eine Aufnahmetrajektorie an einer weiteren Startposition transformiert werden kann. Dabei kann die Berechnungsvorschrift auf unterschiedliche Art und Weise gewonnen werden.
So sieht eine erste Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vor, dass zur Ermittlung der Berechnungsvorschrift im Rahmen des Vorbereitungsschrittes für eine Mehrzahl von Startpositionen, umfassend die Referenzstartposition, Aufnahmegeometrieparameter mit der Röntgeneinrichtung vermessen werden, wonach die Berechnungsvorschrift unter Berücksichtigung der vermessenen Aufnahmeparameter ermittelt wird. Das bedeutet, durch Messungen, welche üblicherweise ein Phantom zur Aufnahmegeometriekalibrierung verwenden und die an verschiedenen Startpositionen durchgeführt werden, ergibt sich die Möglichkeit, die Änderungen der Aufnahmegeometrieparameter von Startposition zu Startposition zu beobachten und zu analysieren, um hieraus einen funktionalen Zusammenhang in Form der Berechnungsvorschrift herzuleiten. Im Beispiel einer Höhe als maßgeblicher Parameter für die Startposition können beispielsweise Messungen der Aufnahmegeometrieparameter für verschiedene vorgegebene Startpositionen, umfassend die Referenzstartposition, vorgenommen werden, beispielsweise für Höhen von 38,3 cm (uFeet), 55 cm (upLow), 115 cm (upHigh), und 159 cm (upHead). Bevorzugt werden mehrere einzelne Messvorgänge für jede dieser Startpositionen durchgeführt, um eine Mittelung zu erlauben. Ferner ist es, wie bereits erwähnt, zweckmäßig, zunächst die einzelnen Messungen miteinander zu registrieren, nachdem das Phantom zur Aufnahmegeometriekalibrierung gegebenenfalls unterschiedlich positioniert wurde, so dass nun eine bessere Vergleichbarkeit der Aufnahmegeometrieparameter, insbesondere Projektionsmatrizen, möglich ist. Durch Vergleich der Aufnahmegeometrieparameter unterschiedlicher Startpositionen, insbesondere einen Vergleich relativ zur Referenzstartposition, können nun Abweichungen festgestellt werden und Parameter der Berechnungsvorschrift, insbesondere der Modellfunktion, können im Vorbereitungsschritt so bestimmt werden, dass die Berechnungsvorschrift diese aus der Messung erhaltenen Abweichungen beschreibt.
Alternativ oder zusätzlich ist es in einer weiteren Variante der vorliegenden Erfindung denkbar, dass die Berechnungsvorschrift unter Verwendung eines mathematischen Modells der Mechanik der Röntgeneinrichtung aus gemessenen Aufnahmegeometrieparametern für die Referenzstartposition ermittelt wird. In diesem Fall ist also auch im Vorbereitungsschritt nur eine einzige Messung grundsätzlich notwendig, nämlich die für die Referenzstartposition, nachdem im Weiteren das physikalische Verhalten der den Röntgenstrahler und den Röntgendetektor tragenden Teile der Röntgeneinrichtung, insbesondere der entsprechenden Arme, modelliert wird, und entsprechend ein mechanisches Modell angewendet wird. Häufig ergeben sich durch die Veränderungen der Startposition klar bestimmbare Veränderungen des bei der Durchführung der Aufnahmetrajektorie bewegten Systems aus Röntgenstrahler und Röntgendetektor, beispielsweise ändert sich im Fall von teleskopierbaren Armen, die den Röntgenstrahler und den Röntgendetektor tragen, deren Länge, was Einfluss auf die Wirkung im Hinblick auf Zentrifugalkräfte haben kann. In einem anderen Beispiel kann die Position entlang einer Schiene gegebenenfalls bestimmte Schwankungen/Schwingungen hervorrufen, die unter Kenntnis des Aufbaus der Röntgeneinrichtung ebenso vorhergesagt werden können. Eine derartige mathematische Beschreibung der Röntgeneinrichtung bietet sich insbesondere dann an, wenn Eigenschaften und entsprechende Einstellungen der Röntgeneinrichtung tatsächlich einen messbaren Einfluss auf die Bildqualität haben und diese Einstellungen und ihre Ursache physikalisch, konkret mechanisch, einfach und analytisch beschreibbar sind.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass im Rahmen der Anwendung der Berechnungsvorschrift die insbesondere als Projektionsmatrizen vorliegenden Aufnahmegeometrieparameter der Referenzstartposition unter Verwendung der Referenzstartposition in Positionen und/oder Orientierungen wenigstens des Röntgendetektors in einem Koordinatensystem der Röntgeneinrichtung beschreibende Einrichtungsgeometrieparameter umgerechnet werden, aus welchen Einrichtungsgeometrieparameter der weiteren Startposition ermittelt und in Aufnahmegeometrieparameter der weiteren Startposition umgerechnet werden. Die Aufnahmegeometrieparameter, insbesondere Projektionsmatrizen, können in verschiedene Komponenten umgerechnet werden, die geometrische Angaben in einem Koordinatensystem der Röntgeneinrichtung darstellen. Beispielsweise lässt sich die dreidimensionale Position des Fokus (a) berechnen, die dreidimensionale Orientierung des Röntgendetektors (e_u, e_v, e_w), der eindimensionale Fokus-Detektor-Abstand (D), die zweidimensionale Position des Ursprungs des Detektorkoordinatensystems (u_off, v_off) und die dreidimensionale Position der Detektormitte (d) bestimmen. Der Nutzen einer Umrechnung in ein Koordinatensystem der Röntgeneinrichtung und dort angegebene Positionen/Orientierungen ist es, dass sich die zumindest teilweise aus Messungen ermittelte eigentliche Berechnungsvorschrift, die auf andere Startpositionen umrechnet, so leichter herleiten und anwenden lässt, indem beispielsweise tatsächliche Ortsabweichungen im Vorbereitungsschritt ermittelt und herangezogen werden können, um die Berechnungsvorschrift zu bestimmen, nachdem die Umrechnung der Aufnahmegeometrieparameter in die Einrichtungsgeometrieparameter, mithin die entsprechende Transformation, ja gleich bleibt. Berechnungen im Koordinatensystem der Röntgeneinrichtung selber mit tatsächlichen Positionen/Orientierungen durchzuführen erlaubt es zudem, die Herleitung und Anwendung der Berechnungsvorschrift auf die Koordinaten zu beschränken, die den hauptsächlichen Einfluss auf die Veränderung der Aufnahmegeometrieparameter bzw. die Bildqualität haben. Insbesondere sind dies translatorische Bewegungen in der Detektorebene. Eine geeignete Repräsentation im Koordinatensystem der Röntgeneinrichtung ist mithin dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichungen der Aufnahmetrajektorien in Abhängigkeit der unterschiedlichen Startpositionen besonders einfach erklärbar sind. Mit anderen Worten werden die Einrichtungsgeometrieparameter zweckmäßig so gewählt, dass sich in bestimmten Einrichtungsgeometrieparametern bzw. Kombinationen derselben die Abweichungen besonders deutlich zeigen, insbesondere konzentrieren. Entsprechend kann die Berechnung auf diese Einrichtungsgeometrieparameter bzw. die entsprechenden Kombinationen reduziert werden, wie im Folgenden noch genauer dargestellt werden wird.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Einrichtungsgeometrieparameter die dreidimensionale Position eines ausgezeichneten Punktes des Röntgenstrahlers und/oder des Röntgendetektors, insbesondere des Fokuspunktes des Röntgenstrahlers und/oder des Mittelpunktes der Detektorfläche, und/oder die Orientierung des Röntgendetektors beschreibende Einheitsvektoren und/oder den Abstand zwischen dem Röntgenstrahler und dem Röntgendetektor und/oder die Position des Ursprungs des Koordinatensystems des Röntgendetektors umfassen.
Vorzugsweise können zur Herleitung der Berechnungsvorschrift und zur Ermittlung der Einrichtungsgeometrieparameter für die weitere Startposition Abweichungen zwischen den Positionen des Röntgenstrahlers und des Röntgendetektors zwischen der Referenzstartposition und der weiteren Startposition bestimmt werden. Nachdem sich gezeigt hat, dass die meisten Einflüsse bzw. bildrelevanten Veränderungen dort auftreten, kann es zweckmäßig sein, wenn nur Abweichungen parallel zur Detektorebene des Röntgendetektors betrachtet werden. Beispielsweise können im Vorbereitungsschritt, also in der Analysephase, zunächst die Differenzen in den Positionen des Röntgenstrahlers und des Röntgendetektors bestimmt werden, Δa_i ^k = a_i ^k – a_i ⁰ und Δd_i ^k = d_i ^k – d_i ⁰. Hierbei bezeichnet k eine weitere Startposition, 0 die Referenzstartposition. Unter Kenntnis der Einheitsvektoren, die die Orientierung des Röntgendetektors angeben, ist es nun möglich, die Komponenten dieser Differenzen in u und v-Richtung zu bestimmen, da sie die Bildqualität am meisten beeinflussen, Δ_ua_i ^k = Δa_i ^k ∘ e_ui ^k Δ_va_i ^k = Δa_i ^k ∘ e_vi ^k Δ_ud_i ^k = Δd_i ^k ∘ e_u,i ^k Δ_vd_i ^k = Δd_i ^k ∘ e_vi ^k
Das Symbol „∘” kennzeichnet das Skalarpodukt.
Auf diese Weise ist es also möglich, die betrachteten Einrichtungsgeometrieparameter auf relevante und die Bildqualität beeinflussende Größen zu reduzieren, die dann zu betrachten sind. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass in Fällen, in denen andere Einrichtungsgeometrieparameter bzw. hieraus ableitbare Größen als relevanter angesehen werden bzw. als ebenso relevant angesehen werden, diese selbstverständlich auch herangezogen werden können.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass bei einer Ermittlung der Berechnungsvorschrift ausgehend von Aufnahmegeometrieparametern einer vorgegebenen Anzahl fester Startpositionen, umfassend die Referenzstartposition, die Berechnungsvorschrift für in der Anzahl nicht enthaltene weitere Startpositionen durch Interpolation und/oder Extrapolation erweitert wird. Besonders zweckmäßig ist es, die Berechnungsvorschrift so zu bestimmen, dass Aufnahmegeometrieparameter für alle denkbaren Startpositionen bzw. alle gewünschten Startpositionen, gegebenenfalls kontinuierlich, ermittelt werden können. Dabei sei darauf hingewiesen, dass die Interpolation bzw. Extrapolation selbstverständlich auch als Teil der Berechnungsvorschrift selbst realisiert sein kann, es jedoch in allen Fällen, in denen dies möglich ist, bevorzugt ist, die Berechnungsvorschrift analytisch, beispielsweise durch eine parametrierte Modellfunktion, und/oder wenigstens durch eine Look-up-Tabelle oder dergleichen niederzulegen. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Kontext, wenn bei durch Messungen gewonnenen, im Vorbereitungsschritt zur Ermittlung der Berechnungsvorschrift zu verwendenden Aufnahmegeometrieparametern jeweils mehrere Messungen durchgeführt wurden, um von Schwankungen möglichst weitgehend befreite Mittelwerte für die Aufnahmegeometrieparameter aus den einzelnen Messwerten erhalten zu können. Liegen solche, von Schwankungen weitgehend befreiten Aufnahmegeometrieparameter vor, können Interpolationen und Extrapolationen besonders verlässlich durchgeführt werden. Auch Glättungen der sich durch Verknüpfung von verschiedenen Aufnahmepositionen für eine Startposition ergebenden Funktionen können hier ein zweckmäßiger Vorverarbeitungsschritt vor der Interpolation bzw. Extrapolation sein. Allgemein gesagt hat die Erweiterung für beliebige Startpositionen den Vorteil, dass keine Beschränkung bezüglich der Startpositionen mehr existiert, beispielsweise, dass diese nicht so weit von vorbestimmten Startpositionen, für die eine Geometriekalibrierung vorgenommen wurde, abweichen dürfen. Dies bedeutet aber, dass das Scannen von Patienten deutlich flexibler ermöglicht werden kann.
Eine konkrete Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass bei für bestimmte Aufnahmepositionen entlang der Aufnahmetrajektorie vorliegenden Aufnahmegeometrieparametern jeweils zwischen Aufnahmegeometrieparametern entsprechender Aufnahmepositionen linear zwischen diesen interpoliert wird und/oder bei einer gewünschten Erweiterung auf weitere Aufnahmepositionen zwischen den bestimmten Aufnahmepositionen mittels kubischer B-Splines interpoliert wird. Die Interpolation zwischen Werten von Aufnahmegeometrieparametern für bestimmte Aufnahmepositionen entlang der Aufnahmetrajektorie kann zwischen unterschiedlichen Startpositionen beispielsweise durch lineare Interpolation erfolgen. Die resultierenden Abtastpunkte für die neue Startposition, die zwischen den beiden anderen Startpositionen liegen kann, können dann für eine kubische B-Spline-Interpolation genutzt werden, um den Verlauf der Aufnahmeparameter über die Aufnahmepositionen bzw. die Aufnahmetrajektorie als solche für die neue Startposition zu erhalten.
Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass die beschriebenen linearen bzw. kubischen B-Spline-Interpolationen nicht die einzigen Möglichkeiten darstellen, sondern selbstverständlich auch andere Interpolationsvarianten genutzt werden können. In manchen Fällen kann es auch möglich sein, die Approximation über eine „closed form expression” zu realisieren, um dann die Koeffizienten der „closed form expression” zu interpolieren. Eine solche „closed form expression” kann beispielsweise bei Bekanntsein der physikalischen Hintergründe, die helfen, die Funktion zu formulieren, äußerst zweckmäßig sein.
Wie bereits angedeutet wurde, sieht eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vor, dass bei einer Vermessung von Aufnahmegeometrieparametern für wenigstens eine Startposition mehrere Messwerte aufgenommen werden, aus denen durch statistische Mittelung die gemessenen Aufnahmeparameter bestimmt werden. Durch mehrere Messungen können bei den Messungen auftretende Schwankungen vorteilhaft herausgemittelt werden, um so verlässlichere Werte für die gemessenen Aufnahmeparameter zu erhalten. Beispielsweise kann vorgesehen sein, jeweils vier Messungen für eine Startposition durchzuführen und die entsprechenden Messwerte zu mitteln.
Zweckmäßig ist es ferner, wenn Berechnungsvorschriften für mehrere unterschiedliche Aufnahmetrajektorienklassen ermittelt und verwendet werden. Wie bereits aus den bisherigen Darlegungen deutlich wurde, beziehen sich die Berechnungsvorschriften auf Trajektorienklassen, die insbesondere Aufnahmetrajektorien enthalten, die abgesehen von ihrer durch die Startposition bestimmten Lage im Raum gleiche Aufnahmetrajektorien enthalten und/oder auch Aufnahmetrajektorien betreffen können, die sich in einem ihre Geometrie beschreibenden Parameter unterscheiden, beispielsweise im Radius, wobei dann der Parameter dennoch, zusätzlich eingehend in die Berechnungsvorschrift, in seinen Auswirkungen derart vorhersagbar ist, dass Aufnahmegeometrieparameter berechnet werden können. Häufig existieren jedoch für Röntgeneinrichtungen Trajektorienklassen, wobei Aufnahmetrajektorien unterschiedlicher Trajektorienklassen so unterschiedlich sind, dass gänzlich andere Einflüsse durch die Bewegung unterschiedlicher Startpositionen auftreten. Entsprechend ist es sinnvoll, hier für unterschiedliche Trajektorienklassen unterschiedliche Berechnungsvorschriften herzuleiten und im Vorbereitungsschritt zu bestimmen, die dann entsprechend eingesetzt werden können. Im Beispiel des eingangs beschriebenen Systems, in dem Röntgenstrahler und Röntgendetektor an deckengestützt montierten, schienengeführten teleskopierbaren Armen angeordnet sind, lassen sich beispielsweise drei grundsätzliche Arten von Kreisbahn-Aufnahmetrajektorien als Trajektorienklassen unterscheiden, nämlich eine bei stehenden Patienten verwendete Kreisbahn in unterschiedlichen Höhen, wobei die Kreisbahn in einer horizontalen Ebene liegt, sowie zwei Arten von in einer vertikalen Ebene liegenden Kreisbahnen, die bei liegenden Patienten eingesetzt werden. Alle diese Trajektorienarten können mithilfe der vorliegenden Erfindung durch entsprechende Berechnungsvorschriften abgedeckt werden.
Wie bereits erwähnt wurde, lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft in einem Fall anwenden, in dem Startpositionen in verschiedenen Höhen betrachtet werden, insbesondere bei der Aufnahme stehender Patienten mit der Röntgeneinrichtung. Als Aufnahmetrajektorie kann zweckmäßig eine Kreisbahn um das aufzunehmende Objekt verwendet werden. Für eine derartige Konstellation wurde das erfindungsgemäße Verfahren in Versuchen ausführlich getestet und es hat sich herausgestellt, dass die Bildqualität, gemessen durch den Rückprojektionsfehler (back projection error – BPE) im Vergleich zu herkömmlichen Geometriekalibrierungen deutlich reduziert werden konnte.
Neben dem Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Röntgeneinrichtung, aufweisend eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Steuereinrichtung. Die Röntgeneinrichtung weist mithin einen Röntgenstrahler und einen Röntgendetektor auf, die in ihrer Position in zweierlei Hinsicht verstellbar sind, nämlich zum einen, um Aufnahmetrajektorien wenigstens einer Trajektorienklasse zu realisieren, zum anderen, um unterschiedliche Startpositionen dieser Aufnahmetrajektorien einzustellen. Hierzu können der Röntgenstrahler und/oder der Röntgendetektor beispielsweise an einem C-Bogen angeordnet sein, bevorzugt jedoch an voneinander unabhängig, gesteuert jedoch auch gekoppelt bewegbaren Roboterarmen. Beispielsweise sind deckenmontierte, bevorzugt teleskopierbare Roboterarme denkbar, an denen der Röntgenstrahler und der Röntgendetektor angeordnet sind, um auf diese Weise auch 3D-Scans von stehenden Patienten durchführen zu können. Startpositionen unterscheiden sich in diesem Fall insbesondere in der Höhe. Die Steuereinrichtung ist mithin dazu ausgebildet, eine Berechnungsvorschrift zu ermitteln, die dann nach jeder Kalibrierung, in der die Steuereinrichtung den Röntgenstrahler, den Röntgendetektor und die entsprechenden Verstelleinrichtungen ansteuern kann, um Röntgenbilder eines Phantoms zur Aufnahmegeometriekalibrierung aufzunehmen, wobei von einer Referenzstartposition ausgegangen wird, verwendet werden kann, um Aufnahmegeometrieparameter für weitere, an der Referenzstartposition unterschiedliche Startpositionen aus den im letzten Kalibierungsvorgang gemessenen Aufnahmeparametern der Referenzstartposition zu bestimmen. Diese Aufnahmegeometrieparameter können dann bei der Rekonstruktion von höherdimensionalen Bilddatensätzen aus zweidimensionalen Projektionsbildern eingesetzt werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm, welches die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführt, wenn es auf einer Steuereinrichtung einer Röntgeneinrichtung ausgeführt wird. Dabei kann das Computerprogramm direkt in einen Speicher einer Steuereinrichtung einer Röntgeneinrichtung ladbar sein und Programmmittel aufweisen, um die Schritte eines hierin beschriebenen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in der Steuereinrichtung der Röntgeneinrichtung ausgeführt wird. Ein erfindungsgemäßer elektronisch lesbarer Datenträger umfasst darauf gespeicherte elektronisch lesbare Steuerinformationen, welche zumindest ein genanntes Computerprogramm umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in einer Steuereinrichtung einer Röntgeneinrichtung ein hierin beschriebenes Verfahren durchführen. Der Datenträger kann als nichttransienter Datenträger, beispielsweise CD-ROM, ausgebildet sein.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Röntgeneinrichtung,
2 eine Illustration verschiedener Startpositionen,
3 einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
4 Abstände von Detektorpositionen in u-Richtung und Möglichkeiten zur Interpolation.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Röntgeneinrichtung 1. Ersichtlich weist diese zwei deckenseitig in Schienen 2 geführte teleskopierbare Roboterarme 3 auf, wobei an einem der Roboterarme 3 der Röntgenstrahler 4, an dem anderen der Röntgendetektor 5 angeordnet ist. Durch die entsprechend vorhandenen Verstelleinrichtungen der Roboterarme und die Schienen können der Röntgenstrahler 4 und der Röntgendetektor 5 in einer Mehrzahl von Freiheitsgraden frei im Raum bewegt werden, durch entsprechende Ansteuerung der Verstelleinrichtungen seitens einer Steuereinrichtung 6 ist es jedoch auch möglich, Aufnahmetrajektorien zu realisieren, beispielsweise einen zwischen dem Röntgendetektor 5 und dem Röntgenstrahler 4 stehenden Patienten umschließende Kreisbahnen bzw. Kreisbahnabschnitte.
Bei der Röntgeneinrichtung 1 kann es sich beispielsweise um ein von der Siemens Healthcare GmbH unter dem Namen „Multitom Rax” vertriebenes Röntgensystem handeln, welches zehn Freiheitsgrade der Bewegung zur Verfügung stellt. Die Möglichkeit zur Realisierung von Kreisbahntrajektorien in der Horizontalen wird durch einen Pfeil 7 näher angedeutet. So können dreidimensionale Bilddatensätze eines stehenden Patienten aus während einer solchen Aufnahmetrajektorie ermittelten zweidimensionalen Projektionsbildern durch Rekonstruktion, wie grundsätzlich bekannt, ermittelt werden. Zu der Röntgeneinrichtung 1 gehört jedoch auch eine Patientenlagerungseinrichtung 8 mit einer Patientenliege 9, so dass auch Röntgenbilder bzw. Projektionsbilder des liegenden Patienten aufgenommen werden können.
Aufgrund der durch die Pfeile 10 angedeuteten Teleskopierbarkeit der Arme 3 ist es möglich, kreisförmige Aufnahmetrajektorien, die in einer horizontalen Ebene liegen, in verschiedenen Höhen zu starten, um verschiedene Höhenabschnitte eines Patienten aufnehmen zu können, beispielsweise die Füße, die Knie, das Becken, die Lendenwirbelsäule, die Brustwirbelsäule, die Halswirbelsäule und dergleichen.
2 zeigt beispielhaft in Form der Teilbilder I–III drei verschiedene Höheneinstellungen der Teleskoparme 3. Im ersten Teilbild I sind die Teleskoparme 3 fast vollständig ausgefahren, so dass sich die Aufnahmeanordnung, gebildet aus dem Röntgenstrahler 4 und dem Röntgendetektor 5, auf einer ersten Höhe 11 befindet, die beispielsweise geeignet sein kann, um die Füße eines stehenden Patienten aufzunehmen. Im Teilbild II befindet sich die Aufnahmeanordnung auf einer Höhe 12, die beispielsweise für die Brustwirbelsäule geeignet ist, im Teilbild III befindet sich die Aufnahmeanordnung auf einer Höhe 13, die beispielsweise für die Halsbildgebung genutzt werden kann.
Aufgrund der unterschiedlichen Einstellungen der Arme 3 (und gegebenenfalls weiterer Verstelleinrichtungen) kommt es bei den unterschiedlichen Höhen 11, 12, 13 zu unterschiedlichen Abweichungen von der Idealform der Aufnahmetrajektorien der hier gezeigten Trajektorienklasse von Kreisbahnen um einen stehenden Patienten. Das bedeutet aber, dass abhängig von der Höhe unterschiedliche Aufnahmegeometrien, beschrieben durch Aufnahmegeometrieparameter, hier Projektionsmatrizen, vorliegen. Das erfindungsgemäße Verfahren, zu dessen Ausführung die Steuereinrichtung 6 ausgebildet ist, stellt nun eine Möglichkeit bereit, geeignete Aufnahmegeometrieparameter für verschiedene Startpositionen, hier verschiedene Höhen, zu erhalten, wobei wenig Zeitaufwand für die regelmäßige Kalibrierung erforderlich ist und dennoch Aufnahmegeometrieparameter hoher Qualität für alle erlaubten Höhen ermittelt werden können, mit denen sich hochqualitative Bilddatensätze erzeugen lassen, indem der Einfluss unterschiedlicher Höhen der Startposition berücksichtigt wird.
Ein Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 3 gezeigt. Im ersten Teilschritt S1 eines Vorbereitungsschrittes 14 werden dabei für eine Mehrzahl von Startpositionen, umfassend eine Referenzstartposition, Messwerte für die Aufnahmegeometrieparameter mithilfe eines Phantoms zur Aufnahmegeometriekalibrierung aufgenommen, und zwar in vorliegend vier Einzelmessungen. Durch Mittelung der Messwerte für jede einzelne Aufnahmeposition eines Projektionsbildes entlang der Aufnahmetrajektorien werden die gemessenen Aufnahmegeometrieparameter für die hier betrachteten Startpositionen, beispielsweise fünf verschiedene Startpositionen, erhalten.
In einem Teilschritt S2 des Vorbereitungsschrittes 14 werden die gemessenen Aufnahmegeometrieparameter genutzt, um eine Berechnungsvorschrift zu ermitteln. Hierfür werden zunächst die als Projektionsmatrizen bestimmten Aufnahmegeometrieparameter in Einrichtungsgeometrieparameter transformiert, indem aus den Aufnahmegeometrieparametern die dreidimensionale Position des Röntgendetektors 5 und des Röntgenstrahlers 4 im Einrichtungskoordinatensystem bestimmt werden, nachdem Schwankungen dieser Positionen die signifikantesten Auswirkungen auf die Bildqualität rekonstruierter Bilddatensätze zeigen. Ferner wird die Orientierung des Röntgendetektors, beschrieben durch drei Einheitsvektoren, bestimmt. Die Position des Röntgenstrahlers 4 bezieht sich dabei auf den Fokuspunkt, die Position des Röntgendetektors 5 auf die Detektormitte. Nachdem diese Größen für alle vermessenen Startpositionen bestimmt sind, werden die Abweichungen bzw. Differenzen der Positionen für alle Startpositionen zur Referenzstartposition ermittelt, das bedeutet, eine der hier vermessenen Startpositionen wird als Referenzstartposition gewählt. Sodann werden zwei der die Orientierung des Röntgendetektors 5 angebenden Einheitsvektoren genutzt, um die Komponenten dieser Differenzen in u- und v-Richtung zu bestimmen, nachdem diese die Bildqualität am meisten beeinflussen. Letztlich liegen dann für jede Aufnahmeposition vier skalare Differenzen vor, nämlich der Abstand zwischen den Fokuspositionen in u-Richtung, der Abstand zwischen den Fokuspositionen in v-Richtung, der Abstand zwischen den Detektorpositionen in u-Richtung und der Abstand zwischen den Detektorpositionen in v-Richtung. Die skalaren Werte für die Differenzen liegen selbstverständlich für jede vermessene Aufnahmeposition entlang der entsprechenden Aufnahmetrajektorien der Traktorienklasse ausgehend von der entsprechenden Startposition vor. Dabei sei darauf hingewiesen, dass die angesprochene Mittelung über die mehreren Messwerte auch zu diesem Zeitpunkt noch erfolgen kann, indem die skalaren Werte für die Differenzen entsprechend gemittelt werden, um einen repräsentativen Wert zu erhalten.
Diese repräsentativen Differenzen können weiterverarbeitet werden, um eine Interpolation zwischen benachbarten Startpositionen oder sogar eine Extrapolation zu erlauben. 4 zeigt ein Beispiel für Abweichungen der Detektorposition in u-Richtung, wobei die Kreuze Messpunkte, mithin Aufnahmepositionen, darstellen, und sich die Verlaufskurven 15, 16 und 17 durch Interpolation zwischen den Aufnahmepositionen unter Verwendung von kubischen B-Splines ergeben. Vor der Interpolation kann optional noch eine Glättung der sich ergebenden Kurven erfolgen, beispielsweise unter Nutzung eines simplen Mittelungsfilters.
Die Interpolation zwischen unterschiedlichen Startpositionen kann durch lineare Interpolation zwischen den Abtastpunkten verschiedener Startpositionen, die vermessen wurden, erfolgen, wonach für die entstehenden Abtastpunkte für die neue Startposition wiederum eine kubische B-Spline-Interpolation durchgeführt werden kann, um den Verlauf für die zwischenliegende Startposition zu erhalten, wie dies in 4 schematisch durch die Pfeile 18 zwischen den Verläufen 16 und 17 angedeutet ist. Es sei angemerkt, dass die Interpolation zwischen verschiedenen Startpositionen nicht zwangsläufig linear erfolgen muss, sondern selbstverständlich auch andere Interpolationsmöglichkeiten bestehen. Insbesondere ist es besonders bevorzugt, wenn es möglich ist, die Berechnungsvorschrift als eine Modellfunktion auszudrücken, die für beliebige (erlaubte) Startpositionen aus den Aufnahmegeometrieparametern (bzw. den Einrichtungsgeometrieparametern) für die Referenzstartposition die entsprechenden Aufnahmegeometrieparameter für die interessierende weitere Startposition (über Einrichtungsgeometrieparameter für die weitere Startposition) ableiten kann. Eine solche Modellfunktion kann als „closed form expression” unter Berücksichtigung bekannter physikalischer Sachverhalte mit entsprechenden Koeffizienten formuliert werden, die beispielsweise durch die hier beschriebenen Interpolationen und gegebenenfalls Extrapolationen ermittelt werden können, um schließlich die Modellfunktion zu erhalten.
Es sei angemerkt, dass es optional auch denkbar ist, wie in 3 strichliert angedeutet, in die Ermittlung der Berechnungsvorschrift, konkret der Modellfunktion, ein mathematisches Modell 19 der Mechanik der Röntgeneinrichtung 1 einfließen zu lassen, um Aufnahmeparameter für weitere Startpositionen zu erhalten und/oder Plausibilisierungen durchzuführen.
Ist die Berechnungsvorschrift im Vorbereitungsschritt 14 einmal für eine Trajektorienklasse ermittelt worden, muss sie nicht ein weiteres Mal bestimmt werden, wie im Folgenden noch erläutert werden wird. Selbstverständlich ist es denkbar, Berechnungsvorschriften verschiedener Trajektorienklassen zu ermitteln.
In einem Kalibrierungsvorgang 20, der regelmäßig, beispielsweise in Abständen von einigen Monaten, erfolgen muss, um beispielsweise Alterungseffekte der Röntgeneinrichtung 1 beachten zu können, werden erneut Aufnahmegeometrieparameter vermessen, jedoch ausschließlich für die Referenzstartposition. Hierfür können wiederum mehrere einzelne Messungen durchgeführt werden, deren Messungen dann gemittelt werden, um gemessenen Aufnahmegeometrieparameter zu erhalten. Nachdem die Berechnungsvorschrift als Eingangsgrößen lediglich die zuletzt gemessen Aufnahmegeometrieparameter der Referenzstartposition, die Referenzstartposition und die weitere Startposition, an der eine tatsächliche Aufnahme eines Patienten mit einer Aufnahmetrajektorie der Trajektorienklasse stattfindet, benötigt, kann der Kalibrierungsvorgang 20 schnell und aufwandsarm durchgeführt werden. Nachdem im Rahmen der Berechnungsvorschrift eine Modellfunktion ermittelt wurde, lassen sich zudem in einem folgenden konkreten Aufnahmevorgang, Schritt S4, die Aufnahmegeometrieparameter für die bei dem Aufnahmevorgang verwendete weitere Startposition leicht mittels der Berechnungsvorschrift herleiten, letztlich für beliebige (erlaubte) Startpositionen, was eine hohe Flexibilität erlaubt. Dennoch werden aufgrund der Verwendung der Berechnungsvorschrift äußerst genaue Aufnahmegeometrieparameter erhalten, so dass auch Bilddatensätze hoher Bildqualität resultieren.
In einem Schritt S5 wird überprüft, ob eine neue Kalibrierung erforderlich ist, beispielsweise ein bestimmter Zeitraum abgelaufen ist. Ist dies nicht der Fall, werden die zuletzt gemessenen Aufnahmegeometrieparameter für die Referenzstartposition gemäß dem Pfeil 21 auch weiterhin verwendet, um für weitere Startpositionen Aufnahmegeometrieparameter zu bestimmen. Ist eine neue Aufnahmegeometriekalibrierung erforderlich, Pfeil 22, wird in Schritt S3 wiederum die Messung von Aufnahmegeometrieparametern nur für die Referenzstartposition unter Verwendung eines Phantoms zur Aufnahmegeometriekalibrierung durchgeführt.
Konkret und zusammenfassend gestaltet sich die Anwendung der Berechnungsvorschrift mithin wie folgt. Nach der Messung von Aufnahmegeometrieparametern für die Referenzstartposition im Schritt S3 werden diese in Einrichtungsgeometrieparameter, wie oben beschrieben, zerlegt, die einen Teil der Eingangsgrößen für die Modellfunktion bilden. Ist eine weitere Startposition bekannt, geht auch diese in die Modellfunktion ein und es werden als deren Ergebnis Einrichtungsgeometrieparameter für die an der weiteren Startposition beginnende Aufnahmetrajektorie erhalten, aus denen unter Nutzung der umgekehrten Transformation die Aufnahmegeometrieparameter für die weitere Startposition erhalten werden, was alles in Schritt S4 passiert.
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.

Claims

Verfahren zur Ermittlung von Aufnahmegeometrieparametern von entlang einer von einer Startposition ausgehenden Aufnahmetrajektorie einer Trajektorienklasse mit einer bildgebenden Röntgeneinrichtung (1) aufgenommenen Projektionsbildern, wobei die bildgebende Röntgeneinrichtung (1) einen Röntgenstrahler (4) und einen Röntgendetektor (5) aufweist, die gemeinsam zur Realisierung der Aufnahmetrajektorie bewegbar sind und in wenigstens einem Freiheitsgrad zur Einstellung unterschiedlicher Startpositionen für Aufnahmetrajektorien der Trajektorienklasse verstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Vorbereitungsschritt (14) eine Berechnungsvorschrift ermittelt wird, durch die aus für eine vorgegebene Referenzstartposition der möglichen Startpositionen ermittelten Aufnahmegeometrieparametern für wenigstens eine weitere Startposition Aufnahmegeometrieparameter bestimmt werden können, wonach in einem Kalibrierungsvorgang (20) Aufnahmegeometrieparameter der Referenzstartposition bei einem Durchlauf der Aufnahmetrajektorie vermessen werden und Aufnahmegeometrieparameter für eine von der Referenzstartposition verschiedene weitere Startposition unter Verwendung der Berechnungsvorschrift aus den zuletzt gemessenen Aufnahmegeometrieparametern für die Referenzstartposition ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmegeometrieparameter zur Rekonstruktion eines höherdimensionalen Bilddatensatzes aus den Projektionsbildern verwendet werden und/oder zur Messung der Aufnahmegeometrieparameter der Referenzstartposition Projektionsbilder eines Phantoms entlang der Aufnahmetrajektorie aufgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Berechnungsvorschrift eine durch Modellparameter parametrierte Modellfunktion verwendet wird, die die Transformation der Aufnahmetrajektorie zwischen unterschiedlichen Startpositionen ausgehend von der Referenzstartposition beschreibt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Berechnungsvorschrift im Rahmen des Vorbereitungsschrittes für eine Mehrzahl von Startpositionen, umfassend die Referenzstartposition, Aufnahmegeometrieparameter mit der Röntgeneinrichtung (1) vermessen werden, wonach die Berechnungsvorschrift unter Berücksichtigung der vermessenen Aufnahmeparameter ermittelt wird, und/oder dass die Berechnungsvorschrift unter Verwendung eines mathematischen Modells (19) der Mechanik der Röntgeneinrichtung (1) aus gemessenen Aufnahmegeometrieparametern für die Referenzstartposition ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Anwendung der Berechnungsvorschrift die insbesondere als Projektionsmatrizen vorliegenden Aufnahmegeometrieparameter der Referenzstartposition unter Verwendung der Referenzstartposition in Positionen und/oder Orientierungen wenigstens des Röntgensdetektors in einem Koordinatensystem der Röntgeneinrichtung (1) beschreibende Einrichtungsgeometrieparameter umgerechnet werden, aus welchen Einrichtungsgeometrieparameter der weiteren Startposition ermittelt und in Aufnahmegeometrieparameter der weiteren Startposition umgerechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungsgeometrieparameter die dreidimensionale Position eines ausgezeichneten Punktes des Röntgenstrahlers (4) und/oder des Röntgendetektors (5), insbesondere des Fokuspunktes des Röntgenstrahlers (4) und/oder des Mittelpunktes der Detektorfläche, und/oder die Orientierung des Röntgendetektors (5) beschreibende Einheitsvektoren und/oder den Abstand zwischen dem Röntgenstrahler (4) und dem Röntgendetektor (5) und/oder die Position des Ursprungs des Koordinatensystems des Röntgendetektors (5) umfassen.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herleitung der Berechnungsvorschrift und zur Ermittlung der Einrichtungsgeometrieparameter für die weitere Startposition Abweichungen zwischen den Positionen des Röntgenstrahlers (4) und des Röntgendetektors (5) zwischen der Referenzstartposition und der weiteren Startposition bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nur Abweichungen parallel zur Detektorebene des Röntgendetektors (5) betrachtet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ermittlung der Berechnungsvorschrift ausgehend von Aufnahmegeometrieparametern einer vorgegebenen Anzahl fester Startpositionen, umfassend die Referenzstartposition, die Berechnungsvorschrift für in der Anzahl nicht enthaltene weitere Startpositionen durch Interpolation und/oder Extrapolation erweitert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Vermessung von Aufnahmegeometrieparametern für wenigstens eine Startposition mehrere Messwerte aufgenommen werden, aus denen durch statistische Mittelung die gemessenen Aufnahmeparameter bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Berechnungsvorschriften für mehrere unterschiedliche Trajektorienklassen ermittelt und verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Startpositionen in verschiedenen Höhen (11, 12, 13) betrachtet werden, insbesondere bei der Aufnahme stehender Patienten mit der Röntgeneinrichtung (1), und/oder als Aufnahmetrajektorie eine Kreisbahn um das aufzunehmende Objekt verwendet wird.
Röntgeneinrichtung (1), aufweisend eine zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildete Steuereinrichtung (6).
Computerprogramm, welches die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchführt, wenn es auf einer Steuereinrichtung (6) einer Röntgeneinrichtung (1) ausgeführt wird.
Elektronisch lesbarer Datenträger, auf dem ein Computerprogramm gemäß Anspruch 14 gespeichert ist.