DE102019214560A1 - Method for the automatic selection of medical structures and devices - Google Patents
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Abstract
Beansprucht wird ein Verfahren zur automatischen Auswahl einer für eine gezielte Registrierung vorgesehenen medizinischen Struktur aus einem Planungs-Bilddatensatzes eines Untersuchungsbereichs eines Patienten mit den folgenden Schritten: Bereitstellung des Planungs-Bilddatensatzes, Segmentierung des Planungsbilddatensatzes hinsichtlich abgebildeter medizinischer Strukturen für den Fall, dass keine Vorsegmentierung vorliegt, Automatisches Identifizieren von markierten Landmarken in dem Planungs-Bilddatensatz, Vergleichen der Positionen der Landmarken mit den Positionen der segmentierten medizinischen Strukturen und Identifizieren von Strukturen, denen Landmarken positionell zugeordnet sind, Auswahl zumindest einer segmentierten medizinischen Struktur, welcher Landmarken zugeordnet sind, und Weiterverwendung der ausgewählten segmentierten medizinischen Struktur, insbesondere für eine Registrierung mit zumindest einem weiteren Bilddatensatz, welcher mittels eines Röntgengeräts aufgenommenen wird. What is claimed is a method for the automatic selection of a medical structure intended for targeted registration from a planning image data set of an examination area of a patient with the following steps: provision of the planning image data set, segmentation of the planning image data set with regard to imaged medical structures in the event that there is no pre-segmentation , Automatic identification of marked landmarks in the planning image data set, comparison of the positions of the landmarks with the positions of the segmented medical structures and identification of structures to which landmarks are positionally assigned, selection of at least one segmented medical structure to which landmarks are assigned, and further use of the selected segmented medical structure, in particular for a registration with at least one further image data set, which was recorded by means of an X-ray device will be.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Auswahl einer für eine gezielte Registrierung vorgesehenen medizinischen Struktur aus einem Planungs-Bilddatensatz eines Untersuchungsbereichs eines Patienten gemäß dem Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 11.The invention relates to a method for the automatic selection of a medical structure provided for a specific registration from a planning image data set of an examination area of a patient according to claim 1 and a device for performing such a method according to
Zur Planung bei der Durchführung bestimmter chirurgischer Eingriffe unter Röntgenüberwachung werden auf zuvor aufgenommenen (z.B. zweidimensionalen oder dreidimensionalen) Planungs-Röntgenbildern sogenannte Landmarken manuell oder automatisch gesetzt. Beispielhafte chirurgische Eingriffe, bei denen derartige (2D-) Planungen genutzt werden, sind Bohrungen in Knochen, z.B. die Rekonstruktion des medialen patellofemoralen Bandes (MPFL), der Ersatz des Kreuzbandes, Entfernungen von Knochenteilen oder eine Bohrung in den Femur (Oberschenkelknochen). Will man die Planungsinformationen auf intra-operative Fluoroskopie-Röntgenbilder übertragen, ist im Allgemeinen eine 2D/2D Registrierung der Planungs-Röntgenbilder auf die Fluoroskopiebilder notwendig, da z.B. sich der Patient zwischen den Aufnahmen bewegt hat oder die Planungs-Röntgenbilder mit einem anderen Gerät aufgenommen wurden.In order to plan certain surgical interventions under X-ray monitoring, so-called landmarks are set manually or automatically on previously recorded (e.g. two-dimensional or three-dimensional) planning X-ray images. Exemplary surgical interventions in which such (2D) planning are used are drilling holes in bones, e.g. the reconstruction of the medial patellofemoral ligament (MPFL), the replacement of the cruciate ligament, removal of bone parts or a drilling in the femur (thigh bone). If the planning information is to be transferred to intra-operative fluoroscopic x-ray images, a 2D / 2D registration of the planning x-ray images on the fluoroscopic images is generally necessary, since e.g. the patient has moved between the exposures or the planning X-ray images were taken with another device.
Erfolgt eine (z.B. 2D/2D- oder 3D/3D-) Registrierung der kompletten Bilder aufeinander, so kann es im Detail und z.B. auch in den betroffenen, für den Eingriff vorgesehenen medizinischen Struktur (also z.B. Knochen) zu Ungenauigkeiten kommen, wodurch der Eingriff eventuell nicht optimal durchgeführt werden kann. Um eine spezifische Registrierung der von dem Eingriff betroffenen medizinischen Struktur durchzuführen, muss eine Bedienperson manuell eine Segmentierung der betreffenden Struktur anweisen, um die Registrierung mittels dieser Struktur durchführen zu können. Dafür muss die Bedienperson vorher wissen, welche Struktur genau betroffen ist. Da dies im Klinikablauf nicht immer das Fall ist, da unterschiedliche Workflow-Schritt von unterschiedlichen Personen durchgeführt werden können, ist ein allgemeingültiger Ansatz wünschenswert, der Fehler ausschließt.If there is a (e.g. 2D / 2D or 3D / 3D) registration of the complete images on top of each other, then the details and e.g. Inaccuracies can also occur in the affected medical structure intended for the procedure (e.g. bones), which means that the procedure may not be carried out optimally. In order to carry out a specific registration of the medical structure affected by the intervention, an operator must manually instruct a segmentation of the structure in question in order to be able to carry out the registration using this structure. To do this, the operator must know in advance which structure is exactly affected. Since this is not always the case in the clinical process, since different workflow steps can be carried out by different people, a general approach that excludes errors is desirable.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur automatischen Auswahl einer für eine gezielte Registrierung vorgesehenen medizinischen Struktur aus einem Planungs-Bilddatensatz eines Untersuchungsbereichs eines Patienten bereitzustellen; des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung bereitzustellen.It is the object of the present invention to provide a method for the automatic selection of a medical structure provided for targeted registration from a planning image data set of an examination area of a patient; Furthermore, it is an object of the invention to provide a device suitable for carrying out the method.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur automatischen Auswahl einer für eine gezielte Registrierung vorgesehenen medizinischen Struktur aus einem Planungs-Bilddatensatzes eines Untersuchungsbereichs eines Patienten gemäß dem Patentanspruch 1 und von einer Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche.The object is achieved according to the invention by a method for the automatic selection of a medical structure provided for a targeted registration from a planning image data set of an examination area of a patient according to claim 1 and by a device according to
Das erfindungsgemäße Verfahren zur automatischen Auswahl einer für eine gezielte Registrierung vorgesehenen medizinischen Struktur aus einem Planungs-Bilddatensatzes eines Untersuchungsbereichs eines Patienten weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellung des Planungs-Bilddatensatzes, Segmentierung des Planungsbilddatensatzes hinsichtlich abgebildeter medizinischer Strukturen für den Fall, dass keine Vorsegmentierung vorliegt, Automatisches Identifizieren von markierten Landmarken in dem Planungs-Bilddatensatz, Vergleichen der Positionen der Landmarken mit den Positionen der segmentierten medizinischen Strukturen und Identifizieren von Strukturen, denen Landmarken positionell zugeordnet sind, Auswahl zumindest einer segmentierten medizinischen Struktur, welcher Landmarken zugeordnet sind, und Weiterverwendung der ausgewählten segmentierten medizinischen Struktur, insbesondere für eine Registrierung mit zumindest einem weiteren Bilddatensatz, welcher mittels eines Röntgengeräts aufgenommenen wird. Durch das Verfahren wird automatisch und ohne eine manuelle Eingabe einer Bedienperson zu erfordern eine (oder mehrere) für einen Eingriff vorgesehene medizinische Struktur(en) ausgewählt, um eine Registrierung auf die betroffene Struktur zu ermöglichen. Durch den Vergleich der in der Planungsphase gesetzten Landmarken mit den vorhandenen medizinischen Strukturen kann automatisch mit hoher Zuverlässigkeit festgestellt werden, welche Struktur bei einem Eingriff relevant sein wird. So kann eine Registrierung von Planungsbilddaten und weiteren Röntgenbilddaten auf diese relevante Struktur automatisch schnell und hochqualitativ durchgeführt werden, sobald der Eingriff beginnt und weitere Röntgenbilddaten (z.B. Live- Röntgenbilder) aufgenommen werden. Durch die gezielte Registrierung der Bilddaten hinsichtlich der relevanten medizinischen Struktur ist gewährleistet, dass der Eingriff in höchstmöglicher Präzision durchgeführt werden kann.The method according to the invention for the automatic selection of a medical structure provided for targeted registration from a planning image data set of an examination area of a patient has the following steps: Provision of the planning image data set, segmentation of the planning image data set with regard to imaged medical structures in the event that there is no pre-segmentation , Automatic identification of marked landmarks in the planning image data set, comparison of the positions of the landmarks with the positions of the segmented medical structures and identification of structures to which landmarks are positionally assigned, selection of at least one segmented medical structure to which landmarks are assigned, and further use of the selected segmented medical structure, in particular for a registration with at least one further image data set, which is recorded by means of an x-ray device is taken. The method automatically selects one (or more) medical structure (s) provided for an intervention, without requiring manual input by an operator, in order to enable registration of the structure concerned. By comparing the landmarks set in the planning phase with the existing medical structures, it can be determined automatically with high reliability which structure will be relevant during an intervention. In this way, planning image data and other X-ray image data can be automatically registered to this relevant structure, quickly and with high quality, as soon as the procedure begins and further X-ray image data (e.g. live X-ray images) are recorded. The targeted registration of the image data with regard to the relevant medical structure ensures that the intervention can be carried out with the greatest possible precision.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird diejenige segmentierte medizinische Struktur ausgewählt, der die meisten Landmarken zugeordnet sind. Dies kann besonders vorteilhaft sein, wenn eine Vielzahl von Landmarken vorhanden ist. Es können auch mehrere Strukturen ausgewählt werden. Um z.B. bei unklaren Zuordnungen eine zuverlässige Auswahl treffen zu können, werden zusätzlich weitere Informationen verwendet, um die Auswahl zu treffen. Solche Informationen können z.B. Informationen über zuvor durchgeführte Auswahlen sein, Informationen über geplante Interventionen oder es kann eine Nutzereingabe verwendet werden.According to one embodiment of the invention, that segmented medical structure is selected to which most of the landmarks are assigned. This can be particularly advantageous when there are a large number of landmarks. Several structures can also be selected. In order to be able to make a reliable selection, for example in the case of unclear assignments, additional information is used to make the selection. Such information can be, for example, information about previously performed selections, information about planned interventions, or user input can be used.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden der Planungsbilddatensatz und der zumindest eine weitere Bilddatensatz von zweidimensionalen Bilddatensätzen gebildet. In diesem Fall erfolgt dann eine 2D/2D-Registrierung. Während die Planungsbilddaten von einem Röntgengerät oder auch einer anderen Modalität aufgenommen werden, kann es sich bei den weiteren Bilddaten um Live-Röntgenbilder (Fluoroskopiebilder) z.B. eines mobilen oder festinstallierten C-Bogen-Röntgengeräts handeln.According to a further embodiment of the invention, the planning image data set and the at least one further image data set are formed from two-dimensional image data sets. In this case, a 2D / 2D registration takes place. While the planning image data are recorded by an X-ray device or another modality, the other image data can be live X-ray images (fluoroscopic images) e.g. a mobile or permanently installed C-arm X-ray machine.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden der Planungsbilddatensatz und der zumindest eine weitere Bilddatensatz von dreidimensionalen Bilddatensätzen gebildet. Es erfolgt eine 3D/3D-Registrierung.According to a further embodiment of the invention, the planning image data set and the at least one further image data set are formed from three-dimensional image data sets. A 3D / 3D registration takes place.
Zweckmäßigerweise werden die medizinischen Strukturen von Knochenstrukturen, Organen oder Hohlorganen gebildet. Die markierten Landmarken können z.B. von Planungspunkten oder - kreuzen, Bohrstellen, Markern oder sonstigen gut erkennbaren Markierungen gebildet werden.The medical structures are expediently formed by bone structures, organs or hollow organs. The marked landmarks can e.g. be formed by planning points or crosses, drilling points, markers or other easily recognizable markings.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die ausgewählte segmentierte medizinische Struktur zusätzlich für eine Optimierung der Bildqualität verwendet. In diesem Fall wird die Optimierung so durchgeführt, dass speziell die ausgewählte Struktur optimal dargestellt ist und die übrigen Strukturen nicht oder nur in geringerem Maß beachtet werden. Für eine solche Optimierung werden z.B. bekannte Verfahren zur Bildbearbeitung verwendet, z.B. Entrauschungsverfahren oder Filterungen. Außerdem kann die segmentierte medizinische Struktur dafür verwendet werden, die Aufnahme der weiteren Röntgenbilddaten zu optimieren, z.B. durch die Wahl des Belichtungspunktes oder die Dosis.According to a further embodiment of the invention, the selected segmented medical structure is also used to optimize the image quality. In this case, the optimization is carried out in such a way that especially the selected structure is optimally displayed and the other structures are not taken into account, or only to a lesser extent. For such an optimization e.g. known methods of image processing are used, e.g. Noise reduction process or filtering. In addition, the segmented medical structure can be used to optimize the recording of the further X-ray image data, e.g. by choosing the exposure point or the dose.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zumindest ein vortrainierter maschinenlernenden Algorithmus zur Durchführung des Verfahrens verwendet. Dieser kann bei der Auswahl unterstützen, indem er z.B. auf verschiedene chirurgische Eingriffe vortrainiert ist, bzw. darauf, welche Landmarken bei den entsprechenden Eingriffen welchen medizinischen Strukturen zuzuordnen sind.According to a further embodiment of the invention, at least one pre-trained machine-learning algorithm is used to carry out the method. The latter can support the selection by e.g. is pre-trained for various surgical interventions, or which landmarks are to be assigned to which medical structures in the corresponding interventions.
Die Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, aufweisend ein Röntgengerät zur Aufnahme von Bilddatensätzen, eine Bildbearbeitungseinheit zur Bearbeitung von Bilddatensätzen, eine Recheneinheit zur Durchführung von Rechenoperationen, eine Speichereinheit zur Speicherung von Datensätzen, eine Systemsteuerung zur Ansteuerung der Vorrichtung und eine Anzeigeeinheit zur Anzeige von Bilddaten. Das Röntgengerät kann z.B. als C-Bogen-Röntgengerät, insbesondere mobiles C-Bogen-Röntgengerät mit einem Gerätewagen ausgebildet sein.The invention comprises a device for carrying out a method according to the invention, having an x-ray device for recording image data sets, an image processing unit for processing image data sets, a computing unit for performing arithmetic operations, a memory unit for storing data sets, a system controller for controlling the device and a display unit for Display of image data. The X-ray device can e.g. be designed as a C-arm x-ray device, in particular a mobile C-arm x-ray device with an equipment trolley.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele erfolgt. Es zeigen:
-
1 eine Abfolge der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens; -
2 eine Ansicht eines Planungs-Röntgenbildes mit medizinischen Strukturen und Landmarken; -
3 eine Ansicht eines Planungs-Röntgenbildes mit ausgewählter medizinischer Struktur; und -
4 eine Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
-
1 a sequence of the steps of the method according to the invention; -
2 a view of a planning X-ray image with medical structures and landmarks; -
3 a view of a planning X-ray image with a selected medical structure; and -
4th a view of a device for performing the method.
In der
In einem zweiten Schritt
In einem dritten Schritt
In einem fünften Schritt
Die ausgewählte segmentierte Struktur wird anschließend in einem sechsten Schritt
Zusätzlich kann die ausgewählte segmentierte Struktur auch verwendet werden, um die Bildqualität des Planungs-Bilddatensatzes zu optimieren. So können z.B. bekannte Verfahren zur Bildbearbeitung verwendet werden, z.B. Verfahren zur Rauschminimierung oder Filterungen, welche entlang der ausgewählten Struktur optimiert werden. Außerdem kann die segmentierte medizinische Struktur dafür verwendet werden, die Aufnahme der weiteren Röntgenbilddaten zu optimieren, z.B. durch die Wahl des Belichtungspunktes oder die Dosis.In addition, the selected segmented structure can also be used to optimize the image quality of the planning image data set. E.g. known methods of image processing can be used, e.g. Process for noise minimization or filtering, which are optimized along the selected structure. In addition, the segmented medical structure can be used to optimize the recording of the further X-ray image data, e.g. by choosing the exposure point or the dose.
In der
Die Erfindung lässt sich in folgender Weise kurz zusammenfassen: Beansprucht wird ein Verfahren zur automatischen Auswahl einer für eine gezielte Registrierung vorgesehenen medizinischen Struktur aus einem Planungs-Bilddatensatzes eines Untersuchungsbereichs eines Patienten mit den folgenden Schritten: Bereitstellung des Planungs-Bilddatensatzes, Segmentierung des Planungsbilddatensatzes hinsichtlich abgebildeter medizinischer Strukturen für den Fall, dass keine Vorsegmentierung vorliegt, Automatisches Identifizieren von markierten Landmarken in dem Planungs-Bilddatensatz, Vergleichen der Positionen der Landmarken mit den Positionen der segmentierten medizinischen Strukturen und Identifizieren von Strukturen, denen Landmarken positionell zugeordnet sind, Auswahl zumindest einer segmentierten medizinischen Struktur, welcher Landmarken zugeordnet sind, und Weiterverwendung der ausgewählten segmentierten medizinischen Struktur, insbesondere für eine Registrierung mit zumindest einem weiteren Bilddatensatz, welcher mittels eines Röntgengeräts aufgenommenen wird.The invention can be briefly summarized as follows: What is claimed is a method for the automatic selection of a medical structure provided for a targeted registration from a planning image data set of an examination area of a patient with the following steps: provision of the planning image data set, segmentation of the planning image data set with regard to the mapped medical structures in the event that there is no pre-segmentation, automatic identification of marked landmarks in the planning image data set, comparison of the positions of the landmarks with the positions of the segmented medical structures and identification of structures to which landmarks are positionally assigned, selection of at least one segmented medical one Structure to which landmarks are assigned, and further use of the selected segmented medical structure, in particular for a registration with at least one wide ren image data set, which is recorded by means of an X-ray device.
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