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Die Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bildregistrierung und insbesondere auf ein Verfahren zur medizinischen Bildregistrierung.
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Üblicherweise verlässt sich ein Chirurg beim Lokalisieren einer zu behandelnden Stelle (auch als „chirurgische Stelle“ bezeichnet) an einem Patienten stark auf voroperative Daten, z. B. computertomografische Bilder (CT-Bilder) des Patienten. Jedoch können beim Operieren des Patienten kleine Bewegungen des Patienten, die durch Handlungen des Chirurgen verursacht werden (z. B. Einführen eines intramedulären Stabs in den Markraum eines Knochens des Patienten), die chirurgische Stelle in Relation zu dem chirurgischen Tisch bzw. Operationstisch oder zu anderer während der Operation verwendeter chirurgischer Ausrüstung verschieben, wodurch eine Genauigkeit der Operation in dem nachfolgenden Prozess negativ beeinflusst wird.
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Obwohl sich der Chirurg weiterhin auf während der Operation erfasste CT-Bilder verlassen muss, um die chirurgische Stelle zu verfolgen, wird der Chirurg mit den periodischen, also nicht fortlaufenden CT-Scans nicht sofort über die zuvor genannte Verschiebung der chirurgischen Stelle informiert. Zusätzlich dazu können die wiederholten CT-Scans den Patienten einer hohen Strahlungsdosis aussetzen. Daher besteht das Erfordernis nach einem Verfahren zur Unterstützung des Chirurgen, um die chirurgische Stelle während einer Operation sofort zu verfolgen.
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Daher besteht eine Aufgabe der Offenbarung darin, ein Verfahren zur medizinischen Bildregistrierung bereitzustellen, das zumindest einen der Nachteile des Stands der Technik mindern kann.
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Gemäß der Offenbarung wird das Verfahren zur medizinischen Bildregistrierung durch eine Computervorrichtung implementiert und umfasst die folgenden Schritte:
- (A) Erhalten eines Ultraschallzielbildes aus einem Ultraschallbild von einem von mehreren Abschnitten eines Knochens eines Patienten, wobei das Ultraschallzielbild einem Bereich von Interesse in dem Ultraschallbild entspricht;
- (B) für jedes von mehreren computertomografischen Bildern (CT-Bilder) von entsprechenden Abschnitten des Knochens des Patienten, Erhalten eines CT-Kandidatenbildes, das einem Bereich von Interesse in dem CT-Bild entspricht;
- (C) für jedes der für die CT-Bilder erhaltenen CT-Kandidatenbilder, Berechnen einer Ähnlichkeit zwischen dem CT-Kandidatenbild und dem Ultraschallzielbild;
- (D) Auswählen eines der CT-Kandidatenbilder, das der größten Ähnlichkeit entspricht, aus den CT-Kandidatenbildern dahin gehend, als CT-Zielbild zu wirken; und
- (E) Ausführen einer Bildregistrierung an dem Ultraschallzielbild und dem CT-Zielbild.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich, wobei:
- 1 ein Blockdiagramm ist, das ein Ausführungsbeispiel einer Computervorrichtung veranschaulicht, die dazu verwendet wird, ein Verfahren zur medizinischen Bildregistrierung gemäß der Offenbarung zu implementieren;
- 2 ein schematisches Diagramm ist, das ein exemplarisches computertomografisches Bild (CT-Bild) veranschaulicht, das in der Computervorrichtung gespeichert ist;
- 3 ein schematisches Diagramm ist, das ein beispielhaftes Ultraschallbild veranschaulicht, das von einer Ultraschallbilderfassungsvorrichtung erfasst wird;
- 4 und 5 zusammenwirkend ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur medizinischen Bildregistrierung gemäß der Offenbarung ausbilden;
- 5 und 6 zusammenwirkend ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur medizinischen Bildregistrierung gemäß der Offenbarung ausbilden;
- 7 ein schematisches Diagramm ist, das ein exemplarisches Ultraschallzielbild veranschaulicht, das dem Ultraschallbild entspricht;
- 8 ein schematisches Diagramm ist, das ein exemplarisches CT-Kandidatenbild veranschaulicht, das einem von mehreren CT-Bildern entspricht;
- 9 ein schematisches Diagramm ist, das ein Ausführungsbeispiel eines exemplarischen CT-Kandidatenbildes nach einer Merkmalsextraktion veranschaulicht, wobei die Merkmalsextraktion sich auf eine obere Kontur eines Objekts in dem CT-Kandidatenbild bezieht; und
- 10 ein schematisches Diagramm ist, das ein exemplarisches Ergebnis einer Bildregistrierung an dem Ultraschallzielbild und dem CT-Zielbild veranschaulicht.
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Bevor die Offenbarung ausführlich beschrieben wird, ist zu beachten, dass je nach Eignung Bezugszeichen oder Endungen von Bezugszeichen in den Figuren wiederholt werden, um entsprechende oder analoge Elemente anzuzeigen, die optional ähnliche Charakteristika aufweisen können.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Ausführungsbeispiel einer Computervorrichtung 1 veranschaulicht, die dazu verwendet wird, ein Verfahren zur medizinischen Bildregistrierung zu implementieren. Die Computervorrichtung 1 ist elektrisch mit einer Ultraschallbilderfassungsvorrichtung 2 verbunden. Das Verfahren zur medizinischen Bildregistrierung ist dazu angepasst, ein computertomografisches Bild (CT-Bild) eines Abschnitts eines Knochens eines Patienten räumlich zu transformieren, um dasselbe mit einem Ultraschallbild des entsprechenden Abschnitts des Knochens des Patienten auszurichten.
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Die Computervorrichtung 1 kann durch einen Personal-Computer, einen Rechenserver oder einen Cloud-Server implementiert werden, jedoch ist die Implementierung der Computervorrichtung 1 nicht auf die vorliegende Offenbarung beschränkt und kann in weiteren Ausführungsbeispielen variieren. Die Computervorrichtung 1 umfasst ein Speichermodul 11, ein Eingabemodul 12, ein Ausgabemodul 13 und ein Verarbeitungsmodul 14, das elektrisch mit dem Speichermodul 11, dem Eingabemodul 12 und dem Ausgabemodul 13 verbunden ist.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Speichermodul 11 durch einen Flash-Speicher, ein Festplattenlaufwerk (HDD, Hard Disk Drive), eine Festkörperplatte (SSD, Solid State Disk), einem elektrisch löschbaren programmierbaren Lesespeicher (EEPROM, Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory) oder jegliche andere Art von nichtflüchtigen Speichervorrichtungen implementiert werden, jedoch ist die Implementierung des Speichermoduls 11 nicht auf die vorliegende Offenbarung beschränkt und kann in weiteren Ausführungsbeispielen variieren.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Eingabemodul 12 durch eine Tastatur, eine Maus oder ein Berührungsfeld implementiert werden, jedoch ist die Implementierung des Eingabemoduls 12 nicht auf die vorliegende Offenbarung beschränkt und kann bei weiteren Ausführungsbeispielen variieren.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Ausgabemodul 13 durch eine Anzeige, einen Monitor oder einen Drucker implementiert werden, jedoch ist die Implementierung des Ausgabemoduls 13 nicht auf die vorliegende Offenbarung beschränkt und kann bei weiteren Ausführungsbeispielen variieren.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Verarbeitungsmodul 14 durch einen Prozessor, eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU, Central Processing Unit), einen Mikroprozessor oder jegliche Schaltung implementiert werden, die als Software und/oder Hardware konfigurierbar/programmierbar ist, um Funktionalitäten dieser Offenbarung zu implementieren.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Ultraschallbilderfassungsvorrichtung 2 durch eine auf dem Markt erhältliche Ultraschalldiagnosevorrichtung implementiert werden, jedoch ist die Implementierung derselben nicht auf die vorliegende Offenbarung beschränkt und kann bei beiden Ausführungsbeispielen variieren.
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Das Speichermodul 11 speichert mehrere CT-Bilder jeweiliger Abschnitte des Knochens des Patienten. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Knochen des Patienten eine Wirbelsäule. Die Wirbelsäule umfasst eine Mehrzahl von Wirbeln. Jedes der CT-Bilder, wie das in 2 gezeigte, entspricht einem jeweiligen Bereich eines Wirbels. Jedes der CT-Bilder ist derart ausgerichtet, dass ein Dornfortsatz des Wirbels in dem CT-Bild auf einer relativ oberen Seite des CT-Bildes angeordnet ist, wie durch 21 angezeigt ist, und eine Bogenplatte des Wirbels in dem CT-Bild befindet sich auf einer relativ unteren Seite des CT-Bildes, wie durch 22 angezeigt ist.
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Die Ultraschallbilderfassungsvorrichtung 2 ist dazu ausgebildet, das Ultraschallbild von einem der Abschnitte des Knochens des Patienten zu erfassen und das Ultraschallbild an die Computervorrichtung 1 zu übertragen. Es ist zu beachten, dass die Ultraschallbilderfassungsvorrichtung 2 das Ultraschallbild eines Bereichs eines der Wirbel des Patienten erfasst, wie in 3 gezeigt, wenn sich der Patient in liegender Haltung befindet. Auf diese Weise befindet sich der Dornfortsatz des Wirbels in dem Ultraschallbild auf einer relativ oberen Seite des Ultraschallbildes, wie durch 31 angezeigt ist, und die Bogenplatte des Wirbels in dem Ultraschallbild befindet sich auf einer relativ unteren Seite des Ultraschallbildes, wie durch 32 angezeigt ist.
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Das heißt, das Ultraschallbild und die CT-Bilder sind auf dieselbe Weise ausgerichtet. Unter Bezugnahme auf 4 und 5 wird ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur medizinischen Bildregistrierung veranschaulicht. Das Verfahren zur medizinischen Bildregistrierung umfasst die im Folgenden beschriebenen Schritte 51 bis 58.
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In Schritt 51 erhält die Computervorrichtung 1 bei Empfang des Ultraschallbildes ein wie in 7 gezeigtes Ultraschallzielbild aus dem Ultraschallbild, wobei das Ultraschallzielbild einem Bereich von Interesse in dem Ultraschallbild entspricht. Genauer gesagt erzeugt die Computervorrichtung 1 ansprechend auf eine Eingabeoperation eines Chirurgen über das Eingabemodul 12 ein Eingabesignal und erhält das Ultraschallzielbild auf der Basis des Ultraschallbildes und des Eingabesignals. Beispielsweise ist das Ultraschallzielbild ein Bereich des Ultraschallbildes, der gemäß dem Eingabesignal ausgewählt wird. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Computervorrichtung 1 jedoch dahin gehend implementiert sein, das Ultraschallzielbild mit Hilfe von Bilderkennungstechniken aus dem Ultraschallbild zu erhalten.
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In Schritt 52 erhält die Computervorrichtung 1 für jedes der CT-Bilder ein CT-Kandidatenbild, z. B. ein in 8 gezeigtes Bild, aus dem CT-Bild, wobei das CT-Kandidatenbild einem Bereich von Interesse in dem CT-Bild entspricht. Genauer gesagt erzeugt die Computervorrichtung 1 für jedes der CT-Bilder ansprechend auf eine weitere Eingabeoperation des Chirurgen über das Eingabemodul 12 ein weiteres Eingabesignal und erhält das CT-Kandidatenbild auf der Basis des CT-Bildes und des weiteren Eingabesignals. Beispielsweise ist das CT-Kandidatenbild ein Bereich des entsprechenden CT-Bildes, der gemäß dem weiteren Eingabesignal ausgewählt wird. Jedoch kann die Computervorrichtung 1 bei anderen Ausführungsbeispielen dazu implementiert sein, das CT-Kandidatenbild mit Hilfe von Bilderkennungstechniken aus dem CT-Bild zu erhalten.
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Da Fachleuten die Bilderkennungstechniken gut bekannt sind, wird eine ausführliche Erläuterung derselben hier zum Zwecke der Kürze der Beschreibung ausgelassen.
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In Schritt 53 führt die Computervorrichtung 1 für jedes der CT-Kandidatenbilder eine Merkmalsextraktion in Bezug auf eine obere Kontur eines Objekts in dem CT-Kandidatenbild aus, so dass das CT-Kandidatenbild lediglich die obere Kontur des Objekts enthält, wie in 9 gezeigt ist. Genauer gesagt entfernt die Computervorrichtung 1 für jedes der CT-Kandidatenbilder ein Rauschen aus dem CT-Kandidatenbild, behält ein oberstes Pixel, das einen Pixelwert ungleich null in jeder Spalte des CT-Kandidatenbildes aufweist, und ändert alle anderen Pixel in dem CT-Kandidatenbild in Pixel mit Pixelwerten gleich null, wobei dem CT-Kandidatenbild lediglich die extrahierte obere Kontur des Objekts bleibt. Bei einem Ausführungsbeispiel ändert die Computervorrichtung 1 ferner jedes der so erhaltenen obersten Pixel dahin gehend, einen Pixelwert gleich 255 aufzuweisen, so dass die extrahierte obere Kontur des Objekts einen gleichförmigen Pixelwert aufweist.
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Unter Bezugnahme auf 6 ist zu beachten, dass bei anderen Ausführungsbeispielen die Schritte 52 und 53 parallel zu Schritt 51 ausgeführt werden, um die Verarbeitung des Verfahrens zur medizinischen Bildregistrierung zu beschleunigen.
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Es ist zu beachten, dass dann, wenn das CT-Kandidatenbild, das lediglich die extrahierte obere Kontur des Objekts enthält, für eine darauffolgende Ähnlichkeitsanalyse mit dem Ultraschallzielbild verwendet wird, aufgrund der Tatsache, dass Abschnitte außer der oberen Kontur eliminiert wurden, verhindert wird, dass diese Abschnitte die Ähnlichkeitsanalyse stören. Im Vergleich zu der direkten Verwendung des CT-Kandidatenbildes ohne die Merkmalsextraktion, wobei die obere Kontur des Objekts für die Ähnlichkeitsanalyse nicht freigestellt und extrahiert wird, wird auf diese Weise eine Qualität der Ähnlichkeitsanalyse verbessert und eine Genauigkeit der Bildregistrierung wird dadurch erhöht.
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In Schritt 54 bestimmt die Computervorrichtung 1, ob eine Bildgröße des Ultraschallzielbildes gleich groß ist wie eine Bildgröße eines der CT-Kandidatenbilder. Wenn durch die Computervorrichtung 1 bestimmt wird, dass die Bildgröße des Ultraschallzielbildes nicht gleich groß ist wie die Bildgröße eines der CT-Kandidatenbilder, geht ein Prozessablauf zu Schritt 55 über. Ansonsten geht der Ablauf zu Schritt 56 über.
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In Schritt 55 stellt die Computervorrichtung 1 auf Basis der Bildgröße eines beliebigen der CT-Kandidatenbilder die Bildgröße des Ultraschallzielbildes dahin gehend ein, gleich groß zu sein wie die Bildgröße des beliebigen der CT-Kandidatenbilder.
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Es ist zu beachten, dass die Einstellung der Bildgröße des Ultraschallzielbildes und die Extraktion der oberen Kontur des Objekts, die an jedem der CT-Kandidatenbilder ausgeführt werden, nicht notwendigerweise in dem Verfahren zur medizinischen Bildregistrierung gemäß der Offenbarung enthalten sein müssen und bei anderen Ausführungsbeispielen ausgelassen werden können.
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In Schritt 56 berechnet die Computervorrichtung 1 für jedes der CT-Kandidatenbilder (entweder mit oder ohne Merkmalsextraktion) eine Ähnlichkeit zwischen dem CT-Kandidatenbild und dem Ultraschallzielbild (entweder mit der ursprünglichen Bildgröße oder der eingestellten Bildgröße). Genauer gesagt berechnet die Computervorrichtung 1 für jedes der CT-Kandidatenbilder die Ähnlichkeit zwischen dem CT-Kandidatenbild und dem Ultraschallzielbild gemäß gemeinsamen Informationen (GI) zwischen denselben, und berechnet einen Parametersatz einer geometrischen Transformation in Bezug auf eine Abbildungsbeziehung zwischen dem CT-Kandidatenbild und dem Ultraschallzielbild gemäß den dazwischen vorliegenden GI. Bei anderen Ausführungsbeispielen berechnet die Computervorrichtung 1 die Ähnlichkeit zwischen dem CT-Kandidatenbild und dem Ultraschallzielbild auf der Basis eines ICP-Algorithmus (ICP: Iterative Closest Points).
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In Schritt 57 wählt die Computervorrichtung 1 eines der CT-Kandidatenbilder, das der größten Ähnlichkeit entspricht, unter den CT-Kandidatenbildern dahin gehend aus, als das CT-Zielbild zu wirken.
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In Schritt 58 führt die Computervorrichtung 1 eine Bildregistrierung an dem Ultraschallzielbild und dem CT-Zielbild aus und stellt ein Ergebnis (siehe 10) der Bildregistrierung in einer visuellen Darstellung über das Ausgabemodul 13 bereit (z. B. auf einer Anzeige), um dahin gehend als Referenz für einen Chirurgen zu wirken, eine an dem Patienten zu behandelnde Stelle während einer Operation zu verfolgen. Genauer gesagt führt die Computervorrichtung 1 eine Bildregistrierung an dem Ultraschallzielbild und dem CT-Zielbild auf Basis des Parametersatzes der geometrischen Transformation aus, die dem Ultraschallzielbild und dem CT-Zielbild entspricht. Bei anderen Ausführungsbeispielen führt die Computervorrichtung 1 eine Bildregistrierung an dem Ultraschallzielbild und dem CT-Zielbild auf der Basis eines B-Spline-Algorithmus aus.
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Zusammengefasst nutzt das Verfahren zur medizinischen Bildregistrierung gemäß dieser Offenbarung die Computervorrichtung 1 dazu, für jedes der CT-Kandidatenbilder die Ähnlichkeit zwischen dem CT-Kandidatenbild und dem Ultraschallzielbild auf Basis dazwischenliegender GI zu berechnen, das CT-Zielbild zu erhalten, das eines der CT-Kandidatenbilder, das der größten Ähnlichkeit entspricht, aus den CT-Kandidatenbildern ist, und eine Bildregistrierung an dem Ultraschallzielbild und dem CT-Zielbild auszuführen. Folglich erleichtert das Verfahren zur medizinischen Bildregistrierung gemäß der Offenbarung es einem Chirurgen, die an dem Patienten zu behandelnde Stelle während der Operation sofort zu verfolgen, wodurch das Problem einer exzessiven Strahlungsaufnahme durch den Patienten verhindert wird.
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In der obigen Beschreibung wurden zu Erklärungszwecken zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein eingehendes Verständnis des Ausführungsbeispiels bereitzustellen. Es ist Fachleuten jedoch ersichtlich, dass eines oder mehrere andere Ausführungsbeispiele ohne einige dieser spezifischen Details genutzt werden können. Es ist außerdem zu beachten, dass die Bezugnahme in dieser Beschreibung auf „ein Ausführungsbeispiel“, ein Ausführungsbeispiel mit einer Anzeige einer Ordnungszahl usw. bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine Struktur oder eine Eigenschaft in der Nutzung der Offenbarung enthalten sein kann. Es sei ferner darauf hingewiesen, dass in der Beschreibung mehrere Merkmale manchmal in einem einzelnen Ausführungsbeispiel, einer Figur oder Beschreibung derselben mit dem Ziel zusammengefasst sind, die Offenbarung zu straffen und das Verständnis mehrerer erfinderischer Aspekte zu unterstützen, und dass eines oder mehrere der Merkmale oder spezifischen Details aus einem Ausführungsbeispiel gemeinsam mit einem oder mehreren Merkmalen oder Details aus einem anderen Ausführungsbeispiel je nach Eignung in der Anwendung der Offenbarung genutzt werden können.
