DE102020213678A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Geometriekalibrierung für eine bildgebende Vorrichtung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Geometriekalibrierung für eine bildgebende Vorrichtung Download PDF

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Abstract

Bereitgestellt werden Verfahren und zugehörige Vorrichtungen zum Bestimmen von Projektionsdaten für eine bildgebende Vorrichtung zur Bestimmung einer Geometriekalibrierung der bildgebenden Vorrichtung. Dabei wird ein 2D-Transmissionsbild ausgewertet, das ein durch die bildgebende Vorrichtung abgebildetes 3D-Kalibrierphantom zeigt. Das 3D-Kalibrierphantom weist mehrere physische Kalibrierelemente auf, die in dem 2D-Transmissionsbild als dargestellte Kalibrierelemente abgebildet sind. Das Verfahren beruht auf einem Erzeugen mehrerer verschiedener Auswahlsätze von Kalibrierelemente-Kombinationen, wobei jeder Auswahlsatz erzeugt wird durch Auswählen einer Teilmenge aus den dargestellten Kalibrierelementen, und, insbesondere beliebigem, Zuweisen eines physischen Kalibrierelements zu jedem dargestellten Kalibrierelement der Teilmenge. Für jeden Auswahlsatz werden dann Auswahl-Projektionsdaten berechnet, welche eine Abbildung der physischen Kalibrierelemente auf die dargestellten Kalibrierelemente des jeweiligen Auswahlsatzes beschreiben. Ferner wird für jeden Auswahlsatz ein Auswahl-Maß für die Güte der Auswahl-Projektionsdaten ermittelt. Die Projektionsdaten der bildgebenden Vorrichtung werden schließlich basierend auf den Auswahl-Projektionsdaten und den Auswahl-Maßen bestimmt.

Description

  • Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Transmissionsbildgebung und betrifft insbesondere ein Verfahren zum Bestimmen von Projektionsdaten zur Geometriekalibrierung für eine bildgebende Vorrichtung, eine Vorrichtung zum Bestimmen von Projektionsdaten zur Geometriekalibrierung für eine bildgebende Vorrichtung sowie zugehörige Verwendungen, Systeme Computerprogrammprodukte und computerlesbare Speichermedien.
  • In der Transmissionsbildgebung wird zum Erstellen eines Transmissionsbilds Strahlung durch ein zu untersuchendes Objekt geleitet und trifft nach Durchgang durch das zu untersuchende Objekt auf einem 2D Detektor auf. Eine solche Transmissionsbildgebung ist besonders aus der Computertomographie oder der Röntgenbildgebung bekannt. Bei der Computertomographie ist die bildgebende Vorrichtung ein Computertomograph, welcher als Strahlungsquelle üblicherweise eine Röntgenquelle aufweist und mittels seines 2D Detektors erfasst, inwiefern die (Röntgen-) Strahlung durch das zu untersuchende Objekt verändert, insbesondere absorbiert worden ist. Bei Computertomographiesystemen besteht ein Trend hin zu offeneren und damit insbesondere flexibleren Systemen. So bewegen sich etwa anders als bei konventionellen Computertomographiesystemen aktuelle C-Bögen mit einem Roboterarm, an dem die Strahlenquelle und der 2-D Detektor angebracht sind, um das zu untersuchende Objekt. Auf diese Weise wird keine starre Röhre benötigt und daher benötigen solche Systeme üblicherweise weniger Platz und können flexibler eingesetzt werden - was etwa im interventionellen Einsatz oder bei der Materialprüfung verschiedenster Teile in der Industrie besonders relevant ist. Allerdings ist die Geometrie solcher Systeme üblicherweise - etwa aufgrund mechanischer Beschränkungen - kein perfekter Kreisbogen oder keine perfekte Spirale und/oder weniger genau bekannt.
  • Bei bildgebenden Systemen deren exakte Geometrie und/oder Abbildungseigenschaften - etwa aufgrund von mechanischen Einschränkungen und/oder ihrer Betriebsweise - nicht exakt bekannt sind, welche jedoch die zu untersuchenden Objekte in reproduzierbarer Weise abbilden, lässt sich eine geometrische Kalibrierung durchführen. So können etwa die Strahlungsquelle und der 2D Detektor eines Computertomographiesystems mit C-Bogen in reproduzierbarer Weise um das zu untersuchende Objekt bewegt werden und so reproduzierbar Abbildungen, d.h. insbesondere mit reproduzierbaren Fehlern, erstellt werden. Durch eine geometrische Kalibrierung lassen sich diese reproduzierbaren Fehler ausgleichen. Die für eine solche geometrische Kalibrierung erforderlichen Daten für eine geometrische Kalibrierung - kurz Geometriekalibrierung - werden üblicherweise durch eine dedizierte Aufnahme eines bekannten und exakt gefertigten Testobjekts (eines sogenannten 3D-Kalibrierphantoms) für jedes Einzelbild - also je Ansicht des 3D Kalibrierphantoms und dessen jeweiliges 2D Transmissionsbild - bestimmt. Typischerweise weist ein solches 3D-Kalibrierphantom mehrere exakt positionierte Metallkugeln auf, wie etwa das PDS2 aus N. K. Strobel et al, Improving 3-D Image Quality of X-Ray C-Arm Imaging Systems by Using Properply Designed Pose Determination Systems for Calibrating the Projection Geometry, Proceedings of SPIE.
  • Es ist zu beachten, dass in einem 2D Transmissionsbild die bei einem 3D Kalibrierphantom üblicherweise verwendeten Metallkugeln alle gleich ausschauen, also insbesondere bei der Computertomographie nur ihre jeweiligen Schatten in der Röntgenstrahlung sichtbar sind, so dass diese untereinander nicht unterschieden werden können. Bei den üblicherweise verwendeten Algorithmen werden zur Geometriekalibrierung deshalb speziell angepasste Trajektorien für bestimmte Ansichten des Kalibrierphantoms abgefahren, oder es werden vorbekannte geometrische Beziehungen, wie etwa Abstandsverhältnisse, zwischen den Metallkugeln im Kalibrierphantom ausgewertet. Gerade letztere Methode erfordert ein präzise gefertigtes und in der Herstellung aufwendiges Kalibrierphantom. Gleiches gilt auch für die erstere Methode. Hinzu kommen ein vergleichsweise aufwendiges Prozedere sowie die Beschränkung auf speziell angepasste Trajektorien.
  • Es besteht Bedarf, die geometrische Kalibrierung zu verbessern und dabei insbesondere die Herstellung eines 3D Kalibrierphantoms zu erleichtern und/oder flexibler zu gestalten und/oder die Beschränkungen bei der geometrischen Kalibrierung und deren Durchführung zu reduzieren.
  • Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit Verfahren, Vorrichtungen sowie Computerprogrammprodukten und computerlesbaren Speichermedien gemäß dem Hauptanspruch und den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Nachstehend wird die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe sowohl in Bezug auf die beanspruchten Vorrichtungen als auch in Bezug auf die beanspruchten Verfahren beschrieben. Hierbei erwähnte Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen sind ebenso auch auf die anderen beanspruchten Gegenstände zu übertragen und umgekehrt. Mit anderen Worten können die gegenständlichen Ansprüche (die beispielsweise auf eine Vorrichtung gerichtet sind) auch mit den Merkmalen, die in Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben oder beansprucht sind, weitergebildet sein. Die entsprechenden funktionalen Merkmale des Verfahrens werden dabei durch entsprechende gegenständliche Module ausgebildet.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird ein Computer-implementiertes Verfahren zum Bestimmen von Projektionsdaten für eine bildgebende Vorrichtung, insbesondere zur Bestimmung einer Geometriekalibrierung der bildgebenden Vorrichtung bereitgestellt. Zur Erstellung eines 2D-Transmissionsbilds eines 3D-Kalibrierphantoms trifft dabei in einer Transmissionsbildgebung eine Strahlung nach Durchgang durch das 3D-Kalibrierphantom auf einem 2D-Detektor auf, wobei das 3D-Kalibrierphantom mehrere physische Kalibrierelemente aufweist. Das Verfahren umfasst mehrere Schritte.
  • Ein Schritt ist auf ein Bereitstellen des 2D-Transmissionsbilds gerichtet, in welchem 2D-Transmissionsbild mehrere physische Kalibrierelemente des 3D-Kalibrierphantoms als dargestellte Kalibrierelemente dargestellt sind.
  • Ein weiterer Schritt ist auf ein Erzeugen mehrerer verschiedener Auswahlsätze von Kalibrierelemente-Kombinationen gerichtet. Dabei wird jeder Auswahlsatz erzeugt durch ein Auswählen einer Teilmenge aus den dargestellten Kalibrierelementen, und einem Zuweisen eines (insbesondere beliebigen) physischen Kalibrierelements zu jedem dargestellten Kalibrierelement der Teilmenge, um mehrere Kalibrierelemente-Kombinationen zu erzeugen.
  • Für jeden so erzeugten Auswahlsatz werden die folgenden Schritte durchgeführt:
    • - Berechnen von Auswahl-Projektionsdaten, welche eine Abbildung der physischen Kalibrierelemente auf die dargestellten Kalibrierelemente des jeweiligen Auswahlsatzes beschreiben, und
    • - Ermitteln eines Auswahl-Maßes für die Güte der Auswahl-Projektionsdaten.
  • Ein weiterer Schritt ist auf ein Bestimmen der Projektionsdaten der bildgebenden Vorrichtung basierend auf den Auswahl-Projektionsdaten und den Auswahl-Maßen gerichtet, um dadurch eine Geometriekalibrierung der bildgebenden Vorrichtung zu bestimmen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein weiteres Computer-implementiertes Verfahren zum Bestimmen von Projektionsdaten für eine bildgebende Vorrichtung bereitgestellt, bei welcher in einer Transmissionsbildgebung eine Strahlung nach Durchgang durch ein-3D Kalibrierphantom auf einem 2D-Detektor auftrifft zur Erstellung eines 2D-Transmissionsbilds des 3D-Kalibrierphantoms, wobei das 3D-Kalibrierphantom mehrere physische Kalibrierelemente aufweist. Das Verfahren umfasst mehrere Schritte.
  • Ein Schritt ist auf ein Bereitstellen des 2D-Transmissionsbilds gerichtet, in dem mehrere physische Kalibrierelemente des 3D-Kalibrierphantoms als dargestellte Kalibrierelemente dargestellt bzw. abgebildet sind.
  • Ein weiterer Schritt ist auf ein Bestimmen der 2D-Koordinaten wenigstens eines Teils der dargestellten Kalibrierelemente in dem 2D-Transmissionsbild gerichtet.
  • Ein weiterer Schritt ist auf ein Erzeugen mehrerer verschiedener Auswahlsätze von 2D-3D-Koordinaten-Kombinationen gerichtet, wobei jeder Auswahlsatz erzeugt wird durch:
    • - ein Auswählen einer Teilmenge von 2D-Koordinaten aus den bestimmten 2D-Koordinaten, und
    • - ein Zuweisen von 3D-Koordinaten physischer Kalibrierelemente in dem Kalibrierphantom zu jeder 2D-Koordinate der Teilmenge, um dadurch mehrere 2D-3D-Koordinaten-Kombinationen zu erzeugen.
  • Für jeden Auswahlsatz werden die folgenden Schritte durchgeführt:
    • - Berechnen von Auswahl-Projektionsdaten, welche eine Abbildung der 3D-Koordinaten auf die 2D-Koordinaten der 2D-3D-Koordinaten-Kombinationen des jeweiligen Auswahlsatzes beschreiben,
    • - Ermitteln eines Auswahl-Maßes für die Güte der Auswahl-Projektionsdaten.
  • Ein weiterer Schritt ist auf ein Bestimmen der Projektionsdaten der bildgebenden Vorrichtung basierend auf den Auswahl-Projektionsdaten und den Auswahl-Maßen gerichtet, um eine Geometriekalibrierung der bildgebenden Vorrichtung zu bestimmen.
  • Die Abkürzung „2D“ steht dabei für „zweidimensional“. Die Abkürzung „3D“ steht für „dreidimensional“.
  • Das 3D-Kalibrierphantom kann als dreidimensionales Objekt aufgefasst werden, in oder an dem mehrere physische Kalibrierelemente in einer definierten Position angeordnet sind. Im Sinne der Erfindung ist unter einem „physischen Kalibrierelement“ zumindest ein Teil eines 3D Kalibrierphantoms zu verstehen, wobei der Teil so ausgebildet ist und insbesondere ein solches Material aufweist, dass die Strahlung durch das physische Kalibrierelement beeinflusst wird und im 2D Transmissionsbild ein Bild des Kalibrierelements entsteht (das im Folgenden „dargestelltes Kalibrierelement“ genannt wird s.u.). Bei einer Röntgenstrahlung als Strahlung - etwa bei der Computertomographie - kann das Kalibrierelement aus einem Metall gefertigt sein. Auch kann das Kalibrierelement als eine Kugel mit einer bestimmten räumlichen Ausdehnung geformt sein.
  • Die physischen Kalibrierelemente sind an einer definierten Anordnungsposition bezüglich des 3D-Kalibrierphantoms angeordnet, welche Anordnungsposition durch entsprechende 3D-Koordinaten des jeweiligen physischen Kalibrierelements in dem 3D-Kalibrierphantom bestimmt ist. Die 3D-Koordinaten eines physischen Kalibrierelements können beispielsweise durch die x-, y- und z-Koordinaten des physischen Kalibrierelements im Koordinatensystem des 3D-Kalibrierphantoms bestimmt sein. Die 3D-Koordinaten der Kalibrierelemente eines Kalibrierphantoms sind bekannt und können beispielsweise in einem Datenspeicher vorgehalten werden. Die 3D-Koordinaten können sich insbesondere auf einen Mittelpunkt des jeweiligen physischen Kalibrierelements beziehen oder einen solcher bezeichnen. Die 3D-Koordinaten können in einem weiteren Verfahrensschritt bereitgestellt werden. Dies kann beispielsweise durch Bereitstellen des Datenspeichers als solchen oder durch ein Laden bzw. Abrufen der 3D-Koordinaten von dem Datenspeicher erfolgen.
  • Die physischen Kalibrierelemente werden durch die bildgebende Vorrichtung auf die Ebene des 2D-Transmissionsbildes abgebildet. Mit anderen Worten zeigt das 2D-Transmissionsbild Abbilder der physischen Kalibrierelemente. Diese Abbilder werden im Folgenden „dargestellte Kalibrierelemente“ genannt. Ein 2D-Transmissionsbild kann (je nach Einstellung der bildgebenden Vorrichtung und Lage des 3D-Kalibrierphantoms) Abbilder aller physischen Kalibrierelemente des Kalibrierphantoms oder nur eines Teils der physischen Kalibrierelemente enthalten. Die dargestellten Kalibrierelemente sind in einer durch die Geometrie der bildgebenden Vorrichtung bestimmten Position in dem 2D-Transmissionsbild angeordnet. Die Position der dargestellten Kalibrierelemente in dem 2D-Transmissionsbild kann für jedes 2D-Kalibrierelement durch dessen 2D-Koordinaten in dem 2D-Transmissionsbild angegeben werden. Die 2D-Koordinaten eines dargestellten Kalibrierelements können beispielsweise durch die x- und y-Koordinaten des dargestellten Kalibrierelements im Koordinatensystem des 2D-Transmissionsbilds bestimmt sein. Die 2D-Koordinaten können sich insbesondere auf einen Mittelpunkt des jeweiligen dargestellten Kalibrierelements beziehen oder einen solcher bezeichnen.
  • Die physischen Kalibrierelemente sind insbesondere derart ausgebildet, dass ihre Abbilder in dem 2D-Transmissionsbild, die dargestellten Kalibrierelemente, erfass- bzw. erkennbar sind. Beispielsweise können die dargestellten Kalibrierelemente in dem 2D-Transmissionsbild sich von dem Hintergrund abhebende Intensitätswerte aufweisen. Beispielsweise können die dargestellten Kalibrierelemente als mehr oder weniger dunkler oder heller Schatten in dem 2D-Transmissionbild wahrnehmbar bzw. erkennbar sein. Gemäß einem Aspekt können die obigen Verfahren ferner einen Schritt eines, insbesondere automatischen, Erfassens aller, oder wenigstens eines Teils, der dargestellten Kalibrierelemente aufweisen. Hierfür kann beispielsweise ein entsprechender Bildauswertealgorithmus verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich ist auch ein manuelles oder teilweise manuelles Erfassen eines oder mehrerer dargestellter Kalibrierelemente in dem 2D-Transmissionsbild durch einen Nutzer, etwa durch Markieren der dargestellten Kalibrierelement, möglich.
  • Gemäß einem Aspekt werden die 2D-Koordinaten der dargestellten Kalibrierelemente automatisch bestimmt. Insbesondere kann dies basierend auf dem vorher beschriebenen Schritt des Erfassens geschehen. Insbesondere kann für das Bestimmen der 2D-Koordinaten ein Bildauswertealgorithmus verwendet werden.
  • Zur Verfügung stehen somit die 3D-Koordinaten der physischen Kalibrierelement und die 2D-Koordinaten der dargestellten Kalibrierelemente. Die 3D-Koordinaten eines physischen Kalibrierelements sind mit den 2D-Koordinaten des zugehörigen dargestellten Kalibrierelements über eine Abbildungsvorschrift verknüpft, die von der Geometrie der bildgebenden Vorrichtung abhängt. Die Kenntnis der Abbildungsvorschrift erlaubt Rückschlüsse auf die Geometrie der bildgebenden Vorrichtung und somit eine Geometriekalibrierung derselben. Um die Abbildungsvorschrift berechnen zu können, müssen die dargestellten Kalibrierelemente den „richtigen“ physischen Kalibrierelementen zugeordnet werden. Eine direkte Identifizierung des „richtigen“ physischen Kalibrierelements ist aufgrund der Vielzahl der physischen Kalibrierelemente, aufgrund der mangelhaften Unterscheidbarkeit der dargestellten Kalibrierelemente in dem 2D-Transmissionsbild, und aufgrund des mit der Projektion von 3D auf 2D einhergehenden Informationsverlusts keine einfache Aufgabe. Im Stand der Technik behilft man sich beispielsweise mit komplexen relativen Anordnungspositionen der physischen Kalibrierelemente, die so gewählt sind, dass die relativen Anordnungspositionen möglichst auch in der 2D Projektion erkennbar sind. Die Schwierigkeit liegt einerseits in notwendigerweise komplexen und schwer zu fertigenden Kalibrierphantomen. Anderseits kann es auch mit einer solchen Vorgehensweise zu falschen Zuordnungen von dargestellten zu physischen Kalibrierelementen kommen. Der entsprechende Prozess liefert dann unweigerlich eine falsche Geometriekalibration oder bricht in der Verarbeitung ab.
  • Die vorliegende Erfindung geht hier einen anderen Weg. Auf eine direkte Identifizierung der richtigen physischen Kalibrierelemente zu den dargestellten Kalibrierelementen wird komplett verzichtet. Es werden stattdessen (ggf. viele verschiedene) mögliche Zuordnungen von dargestellten zu physischen Kalibrierelementen ausprobiert und bewertet. Durch das „Ausprobieren“ wird mit der Zeit automatisch eine richtige Zuordnung gefunden, ohne dass es einer direkten Identifizierung bedarf.
  • Gemäß den obigen Verfahren findet dies seinen Niederschlag in dem Erzeugen mehrerer verschiedener Auswahlsätze an Kalibrierelemente-Kombinationen bzw. 2D-3D-Koordinaten-Kombinationen. Ein Auswahlsatz enthält mit anderen Worten mehrere Paare an physischen und dargestellten Kalibrierelemente bzw. allgemeiner an 3D-Koordinaten und 2D-Koordinaten. Die Zuordnung eines dargestellten Kalibrierelements zu einem physischen Kalibrierelements bzw. einer 2D-Koordinate zu 3D-Koordinaten kann dabei unspezifisch bzw. beliebig und insbesondere zufällig sein. Um den Rechenaufwand einzuschränken, wird für jeden Auswahlsatz lediglich eine Teilmenge der dargestellten Kalibrierelemente bzw. der zur Verfügung stehenden 2D-Koordinaten verwendet.
  • Den Gesetzen der Wahrscheinlichkeit folgend, wird die in den Auswahlsätzen gebildete Zuweisung in der Regel nicht oder nicht vollständig korrekt sein. Werden genügend verschiedene Auswahlsätze gebildet, wird aber früher oder später ein Auswahlsatz mit einer hinreichend korrekten Zuweisung auftreten, auf dessen Grundalge dann auf die Geometriekalibrierung der bildgebenden Vorrichtung geschlossen werden kann. Um diesen „richtigen Auswahlsatz“ zu finden, wird die Güte jedes Auswahlsatzes bewertet. Dazu ist vorgesehen, basierend auf den Zuweisungen jedes Auswahlsatzes eine Abbildungsvorschrift abzuleiten. Diese Abbildungsvorschrift wird durch die Auswahl-Projektionsdaten wiedergegeben. Beispielsweise kann aus den Paaren in den Auswahlsätzen eine Projektionsmatrix berechnet werden. Dazu kann basierend auf den 2D- und 3D-Koordinaten eine Matrix aufgestellt werden, die anschließend einer Singulärwertzerlegung unterzogen werden kann. Als Ergebnis wird eine zu den Paaren passende Projektionsmatrix und ein Vektor mit den Singulärwerten der Projektionsmatrix erhalten. Die Projektionsmatrix und/oder die zugehörigen Singulärwerte können in den Projektionsdaten umfasst sein.
  • Anhand der Auswahl-Projektionsdaten wird dann der zugehörige Auswahlsatz dahingehend bewertet, ob er eine korrekte (oder zumindest brauchbare) Zuordnung enthält. Dazu wird basierend auf den Auswahl-Projektionsdaten eine Gütefaktor oder ein Auswahl-Maß bestimmt, das insbesondere angibt, inwieweit die Auswahl-Projektionsdaten die Geometriekalibrierung der bildgebenden Vorrichtung bereits wiedergeben, also insbesondere auch richtige Projektionsdaten für nicht in dem jeweiligen Auswahlsatz enthaltene dargestellte Kalibrierelemente bzw. 2D-Koordinaten sind. Das Auswahl-Maß kann insbesondere derart ausgelegt sein, dass es bei korrekten Zuweisungen in den Auswahlsätzen einen signifikant anderen Wert zeigt als bei falschen Zuweisungen. Gemäß einigen Aspekten können die Auswahl-Maße als Kostenfunktional definiert sein, welche Abweichungen von der tatsächlichen stattfindenden Abbildung messen bzw. bestrafen.
  • Basierend auf den Auswahl-Maßen und den Auswahl-Projektionsdaten können dann (finale) Projektionsdaten ermittelt werden. Dabei können anhand der Auswahl-Maße hinreichend gute Auswahl-Projektionsdaten identifiziert werden (das sind beispielsweise solche, deren Auswahl-Maß besser als ein vorgegebener oder vorgebbarer Schwellenwert ist) und unter Verwendung weiterer, noch nicht in dem zugehörigen Auswahlsatz berücksichtigten dargestellten Kalibrierelementen / 2D-Koordinaten weiter verbessert bzw. verfeinert werden.
  • Dadurch dass auf eine direkte Identifikation richtiger Zuordnungen zwischen dargestellten und physischen Kalibrierelementen verzichtet wird, können die genannten Schwierigkeiten überwunden werden. Das Problem des direkten Auffindens einer richtigen Zuordnung wird wie erwähnt auf ein Ausprobieren verschiedener möglicher Zuordnungen verlagert. Dies geht mit einem gesteigerten Rechenaufwand einher, was aber mit modernen Datenverarbeitungssystemen gut beherrschbar ist. Insbesondere werden so Verfahren geschaffen, die robuster und weniger fehleranfällig sind und zudem die Verwendung weniger komplex zu fertigender 3D-Kalibrierphantome gestatten.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst das Ermitteln der Auswahl-Maße ein Projizieren eines oder mehrerer physischer Kalibrierelemente (bzw. 3D-Koordinaten) auf die Ebene des 2D-Transmissionsbildes basierend auf den jeweiligen Auswahl-Projektionsdaten und ein Vergleichen der so erhaltenen Projektionsposition der physischen Kalibrierelemente (bzw. 3D-Koordinaten) mit den Positionen der dargestellten Kalibrierelemente (bzw. mit den 2D-Koordinaten) in dem 2D-Transmissionbild.
  • Durch eine solche Vorwärtsprojektion mit anschließendem Vergleich wird eine einfach zu implementierende Metrik zur Bestimmung einer Güte der jeweiligen Auswahl-Projektionsdaten bereitgestellt. Gemäß einem Aspekt sind die projizierten physischen Kalibrierelemente dabei nicht in dem jeweiligen Auswahlsatz umfasst. Bei dem Projizieren werden dabei insbesondere die 3D-Koordinaten der physischen Kalibierelemente auf die Ebene des 2D-Transmissionsbilds abgebildet.
  • Gemäß einem Aspekt ist das jeweilige Auswahl-Maß als eine Funktion des Abstands zwischen projizierten 3D-Koordinaten und den (insbesondere jeweils nächstliegenden) 2D-Koordinaten bzw. zwischen den projizierten physischen Kalibrierelementen und den (insbesondere jeweils nächstliegenden) dargestellten Kalibrierelementen definiert. Insbesondere kann das Auswahl-Maß als eine Summe dieser Abstände definiert sein. Per Definitionem weist ein solches Abstands-Maß einen signifikant niedrigeren Wert für korrekte Auswahl-Projektionsdaten (bzw. korrekte Zuweisungen in dem jeweiligen Auswahlsatz) als bei falschen Auswahl-Projektionsdaten auf und stellt somit eine geeignete Kostenfunktion zur Bewertung der Güte von Auswahl-Projektionsdaten dar.
  • Äquivalent zur beschriebenen Bestimmung der Auswahl-Maße anhand einer Vorwärtsprojektion der physischen Kalibrierelemente (bzw. ihrer 3D-Koordinaten) ist freilich die Verwendung einer Rückwärtsprojektion der dargestellten Kalibrierelemente (bzw. ihrer 2D-Koordinaten). Gemäß einem Aspekt umfasst das Ermitteln der Auswahl-Maße entsprechend ein Projizieren eines oder mehrerer dargestellter Kalibrierelemente (oder der 2D-Koordinaten) in das Koordinatensystem des 3D-Kalibrierphantoms basierend auf den jeweiligen Auswahl-Projektionsdaten und ein Vergleichen der so erhaltenen Projektionspositionen der dargestellten Kalibrierelemente (der 2D-Koordinaten) mit den Positionen der physischen Kalibrierelemente in dem 3D Kalibrierphantom (den 3D-Koordinaten).
  • Durch eine solche Rückwärtsprojektion mit anschließendem Vergleich wird ebenso eine einfach zu implementierende Metrik zur Bestimmung einer Güte der jeweiligen Auswahl-Projektionsdaten bereitgestellt. Gemäß einem Aspekt sind die projizierten dargestellten Kalibrierelemente bzw. 2D-Koordinaten dabei nicht in dem jeweiligen Auswahlsatz umfasst.
  • Gemäß einem Aspekt ist das jeweilige Auswahl-Maß als eine Funktion des Abstands zwischen projizierten 2D-Koordinaten und den (insbesondere jeweils nächstliegenden) 3D-Koordinaten bzw. zwischen den projizierten dargestellten Kalibrierelementen und den (insbesondere jeweils nächstliegenden) physischen Kalibrierelemente definiert. Insbesondere kann das Auswahl-Maß als eine Summe dieser Abstände definiert sein.
  • Gemäß einem Aspekt geschieht im Schritt des Erzeugens mehrerer verschiedener Auswahlsätze von Kalibrierelemente-Kombinationen bzw. 2D-3D-Koordinaten-Kombinationen das Auswählen und/oder Zuweisen durch einen im Wesentlichen zufälligen Prozess.
  • Mit anderen Worten erfolgt das Auswählen und/oder Zuweisen wenigstens teilweise nach dem Zufallsprinzip, wobei die zufällige Auswahl durch Nebenbedingungen bzw. weitere Informationen eingeschränkt bzw. modifiziert werden kann. Die zufällige Auswahl stellt einen ohne große Rechenaufwände zu implementierenden Auswahlprozess dar, der unabhängig von z.B. der Qualität des 2D-Transmissionsbildes oder der Art des 3D-Kalibrierphantoms funktioniert.
  • Gemäß einem Aspekt umfassen die Verfahren ferner ein Erfassen der 2D-Ausdehnung wenigstens eines Teils der dargestellten Kalibrierelemente in dem 2D-Transmissionsbild, wobei im Schritt des Erzeugens der mehreren verschiedenen Auswahlsätze von Kalibrierelemente-Kombinationen bzw. 2D-3D-Koordinaten-Kombinationen das Auswählen und/oder Zuweisen unter Berücksichtigung der erfassten 2D-Ausdehnungen erfolgt.
  • Durch das Berücksichtigen der 2D-Ausdehnungen kann z.B. die vorher beschriebene zufällige Auswahl bzw. Zuweisung verfeinert werden. Es werden Zuweisungen gebildet, die a priori eine höhere Wahrscheinlichkeit haben, dass sie die tatsächlichen Zusammenhänge wiedergeben.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst die Berücksichtigung der erfassten 2D-Ausdehnungen ein Vornehmen einer Abschätzung der zugehörigen 3D-Koordinaten der dargestellten Kalibrierelemente bzw. 2D-Koordinaten anhand der 2D-Ausdehnungen und ein Verwenden der Abschätzung im Schritt des Zuweisens.
  • Beispielsweise kann anhand der relativen 2D-Ausdehnug dargestellter Kalibrierelemente in dem 2D-Transmissionsbild eine Abschätzung von Abständen in dem 3D-Kalibrierphantom vorgenommen werden, was helfen kann, sehr viele mögliche, aber falsche Zuweisungen von 3D-Koordinaten von vornherein auszuschließen. Nicht ausgeschlossene 3D-Koordinaten bzw. physische Kalibrierelemente können z.B. durch einen Zufallsprozess zugewiesen werden.
  • Gemäß einem Aspekt weist das 3D-Kalibrierphantom wenigstens zwei Arten physischer Kalibrierelemente auf, die derart ausgestaltet sind, dass die verschiedenen Arten physischer Kalibrierelemente in dem 2D-Transmissionsbild anhand der dargestellten Kalibrierelemente unterscheidbar sind (bzw. die Art des dargestellten Kalibrierelements anhand des dargestellten Kalibrierelements identifizierbar ist). Die Verfahren weisen einen Schritt des Identifizierens der jeweiligen Art wenigstens eines Teils der dargestellten Kalibrierelemente auf, wobei im Schritt des Erzeugens der mehreren verschiedenen Auswahlsätze von Kalibrierelemente-Kombinationen das Auswählen und/oder Zuweisen unter Berücksichtigung der identifizierten Arten erfolgt.
  • Insbesondere können einem (jedem) dargestellten Kalibrierelement bzw. 2D-Koordinaten nur solche physische Kalibrierelemente bzw. zugehörige 3D-Koordinaten zugewiesen werden, die der gleichen Art (wie die für das jeweilige dargestellte Kalibrierelement identifizierte Art) angehören.
  • Die Unterscheidung nach Arten von Kalibrierelementen kann helfen, sehr viele mögliche, aber falsche Zuweisungen von 3D-Koordinaten von vornherein auszuschließen. Nicht ausgeschlossene 3D-Koordinaten bzw. physische Kalibrierelemente können z.B. durch einen Zufallsprozess zugewiesen werden.
  • Gemäß einem Aspekt können die Verfahren ein Bereitstellen von Referenz-Projektionsdaten umfassen, welche Referenz-Projektionsdaten basierend auf einem von dem 2D-Transmissionsbild verschiedenen zweiten 2D-Transmissionsbild erzeugt wurden, wobei das zweite 2D-Transmissionsbild insbesondere eine Ansicht des 3D-Kalbrierphantoms zeigt, die von der des 2D-Transmissionsbildes verschieden ist. Insbesondere kann das zweite 2D-Transmissionsbild mit einer, insbesondere geometrischen, Einstellung der bildgebenden Vorrichtung aufgenommen worden sein, die von jener für das 2D-Transmissionsbild verwendete verschieden ist. Beispielsweise können den verschiedenen 2D-Transmissionsbildern unterschiedliche relative Anordnungspositionen von Detektor, Strahlenquelle und/oder Kalibrierphantom zugrunde liegen. Die Referenz-Projektionsdaten stellen mit anderen Worten eine bereits für eine andere geometrische Konstellation ermittelte Abbildungsvorschrift bzw. Geometriekalibrierung der bildgebenden Vorrichtung dar. Im Schritt des Erzeugens der mehreren verschiedenen Auswahlsätze erfolgen das Auswählen und/oder Zuweisen unter Berücksichtigung der Referenz-Projektionsdaten.
  • Beispielsweise kann mit den Referenz-Projektionsdaten eine Rückwärts-Projektion der dargestellten Kalibrierelemente der 2D Koordinaten in den 3D Raum berechnet werden. Sofern das zweite 2D-Transmissionsbild auf einer zumindest ähnlichen geometrischen Konfiguration der bildgebenden Vorrichtung beruht wie das (neue) 2D-Transmissionsbild, liefert die Rückwärtsprojektion einen guten Anhaltspunkt für die Lage der zugehörigen 3D-Koordinaten bzw. physischen Kalibrierelemente. Im Schritt des Zuweisens können so beispielsweise die den rückwärts projizierten 2D-Koordinaten bzw. dargestellten Kalibrierelementen nächstliegenden 3D-Koordinaten bzw. physischen Kalibrierelemente zugewiesen werden. Dies kann helfen, sehr viele mögliche, aber falsche Zuweisungen von 3D-Koordinaten von vornherein auszuschließen. Nicht ausgeschlossene 3D-Koordinaten bzw. physische Kalibrierelemente können z.B. durch einen Zufallsprozess zugewiesen werden.
  • Gemäß einem Aspekt umfassen die Auswahl-Projektionsdaten eine Projektionsmatrix und der Schritt des Berechnens der Auswahl-Projektionsdaten erfolgt durch Berechnen einer direkten Lineartransformation basierend auf den 2D-Koordinaten der dargestellten Kalibrierelemente und den 3D-Koordinaten der physischen Kalibrierelemente der Kalibrierelemente-Kombinationen des jeweiligen Auswahlsatzes, was eine effizient implementierbare Art und Weise darstellt, Auswahl-Projektionsdaten zu berechnen. Entsprechend können, nach einem Aspekt, die Projektionsdaten ebenfalls eine Projektionsmatrix umfassen.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst das Ermitteln der jeweiligen Auswahl-Maße die Berücksichtigung von Singulärwerten einer Singulärwertzerlegung der Projektionsmatrix.
  • Die Untersuchung solcher Singulärwerte erlaubt eine beschleunigte Identifizierung von Projektionsmatrizen, welche auf einer geometrisch nicht sinnvollen und somit falschen Zuweisung beruhen. Dadurch kann in vielen Fällen auf die Berechnung einer vollständigen Kostenfunktion, etwa durch die vorgenannten Schritte unter Verwendung von Vorwärts- bzw. Rückwärtsprojektionen, verzichtet werden.
  • Gemäß einem Aspekt werden mehreren Auswahlsätze nach und nach erzeugt, bis eine Güte bzw. ein Auswahl-Maß der jeweiligen Auswahl-Projektionsdaten besser als eine vorgegebene und/oder vorgebbare Schwelle ist.
  • Dabei kann zunächst ein Auswahlsatz erzeugt werden, für den dann Auswahl-Projektionsdaten und ein Auswahl-Maß ermittelt wird. Ist das Auswahl-Maß schlechter als die Schwelle, beruhen die Auswahl-Projektionsdaten auf keiner hinreichend korrekten Zuweisung von 2D-Koordinaten zu 3D-Koordinaten bzw. dargestellten Kalibrierelementen zu physischen Kalibrierelementen. Dann wird der nächste Auswahlsatz erzeugt, der ebenso verarbeitet wird. Neue Auswahlsätze werden solange erzeugt, bis ein Auswahl-Maß besser als die Schwelle ist, was eine hinreichend richtige Zuweisung anzeigt. Basierend auf den Auswahl-Projektionsdaten dieses Auswahlsatz werden dann die finalen Projektionsdaten erzeugt. Die Schwelle kann beispielsweise als eine maximal zulässige Abstandssumme von Abständen zwischen projizierten 3D-Koordinaten und den (insbesondere jeweils nächstliegenden) 2D-Koordinaten bzw. zwischen den projizierten physischen Kalibrierelementen und den (insbesondere jeweils nächstliegenden) dargestellten Kalibrierelemente definiert sein. Ferner kann die Schwelle als maximal zulässige Abstandssumme von Abständen zwischen projizierten 2D-Koordinaten und den (insbesondere jeweils nächstliegenden) 3D-Koordinaten bzw. zwischen den projizierten dargestellten Kalibrierelementen und den (insbesondere jeweils nächstliegenden) physischen Kalibrierelemente definiert sein.
  • Alternativ können auch mehrere Auswahlsätze „auf einmal“ erzeugt werden, für die dann jeweils Auswahl-Projektionsdaten und Auswahl-Maße bestimmt werden. Wird ein Auswahlsatz mit einem hinreichend guten Auswahl-Maß gefunden, können auf dieser Grundlage die (finalen) Projektionsdaten und damit die Geometriekalibrierung der bildgebenden Vorrichtung bestimmt werden. Falls nicht, können neue Auswahlsätze erzeugt werden.
  • Gemäß einem Aspekt basiert jeder Auswahlsatz auf wenigstens elf verschiedenen 2D-Koordinaten.
  • Die 2D-Koordinaten können (beliebige) x- oder y-Koordinaten von dargestellten Kalibrierelementen umfassen. Die Erfinder haben erkannt, dass dies eine minimale Anzahl an 2D-Koordinaten darstellen kann, mit denen unter vielen Umständen Projektionsdaten abgeleitet werden können. Unter anderen Umständen (z.B., wenn weitere Nebenbedingungen bekannt sind) kann allerdings auch eine geringere Anzahl an 2D-Koordinaten möglich sein (bis hin zu lediglich zwei, also z.B. einem dargestellten Kalibrierelement).
  • Gemäß einem Aspekt weist der Auswahlsatz zwei bis zwanzig, bevorzugt neun bis fünfzehn, und weiter bevorzugt elf oder zwölf verschiedene 2D-Koordinaten auf. Durch die Verwendung weniger 2D-Koordinaten wird die Berechnung der Auswahl- Projektionsdaten vereinfacht und es müssen im Mittel weniger Permutationen gebildet werden, bis ein Auswahlsatz mit hinreichend korrekter Zuweisung gefunden wird.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft die Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen und Aspekte zur Geometriekalibrierung einer bildgebenden Vorrichtung. Die vorstehend genannten Vorteile treffen auch auf die Verwendung zu.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Geometriekalibrierung für eine bildgebende Vorrichtung bereitgestellt. Bei der bildgebenden Vorrichtung trifft in einer Transmissionsbildgebung eine Strahlung nach Durchgang durch ein 3D Kalibrierphantom auf einem 2D-Detektor auf, wodurch ein 2D-Transmissionsbild des 3D-Kalibrierphantoms erstellt wird. Die Vorrichtung umfasst eine Datenschnittstelle und eine Datenverarbeitungsvorrichtung. Die Datenschnittstelle ist zum Empfangen eines 2D-Transmissionsbilds ausgebildet, in welchem 2D-Transmissionsbild mehrere physische Kalibrierelemente des 3D-Kalibrierphantoms als dargestellte Kalibrierelemente dargestellt bzw. abgebildet sind. Die Datenverarbeitungsvorrichtung ist dazu ausgebildet, mehrere verschiedene Auswahlsätze von Kalibrierelemente-Kombinationen (bzw. 2D-3D-Koordinaten-Kombinationen - s.o.) zu erzeugen, und zwar durch Auswählen einer Teilmenge aus den dargestellten Kalibrierelementen, und Zuweisen eines physischen Kalibrierelements zu jedem dargestellten Kalibrierelement der Teilmenge. Die Datenverarbeitungsvorrichtung ist ferner dazu ausgebildet, für jeden Auswahlsatz Auswahl-Projektionsdaten zu berechnen, welche eine Abbildung der physischen Kalibrierelemente auf die dargestellten Kalibrierelemente des jeweiligen Auswahlsatzes beschreiben. Die Datenverarbeitungsvorrichtung ist ferner dazu ausgebildet, für jeden Auswahlsatz ein Auswahl-Maß für die Güte der Auswahl-Projektionsdaten zu ermitteln. Die Datenverarbeitungsvorrichtung ist ferner dazu ausgebildet, finale Projektionsdaten der bildgebenden Vorrichtung basierend auf den Auswahl-Projektionsdaten und den Auswahl-Maßen zu bestimmen, um dadurch eine Geometriekalibrierung der bildgebenden Vorrichtung zu bestimmen.
  • Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann als zentrale oder dezentrale Recheneinheit ausgebildet sein. Die Recheneinheit kann einen oder mehrere Prozessoren aufweisen. Die Prozessoren können als zentrale Verarbeitungseinheit (ein englischer Fachausdruck hierfür ist „central processing unit“, kurz CPU) und/oder als Grafikprozessor (ein englischer Fachausdruck hierfür ist „graphics processing unit“, kurz GPU) ausgebildet sein. Alternativ kann die Datenverarbeitungsvorrichtung als lokaler oder Cloud-basierter Verarbeitungsserver implementiert sein.
  • Die Datenschnittstelle kann allgemein zum Datenaustausch zwischen der Datenverarbeitungsvorrichtung und weiteren Komponenten ausgebildet sein. Die Datenschnittstelle kann in Form von einer oder mehreren einzelnen Schnittstellen implementiert sein, welche beispielsweise ein Hardware- und/oder Software-Interface, z.B. einen PCI-Bus, eine USB-Schnittstelle, eine Fire-Wire-Schnittstelle, eine ZigBee- oder eine Bluetooth-Schnittstelle aufweisen können. Die Datenschnittstelle kann ferner eine Schnittstelle eines Kommunikationsnetzwerks aufweisen, wobei das Kommunikationsnetzwerk ein Local Area Network (LAN), beispielsweise ein Intranet oder ein Wide Area Network (WAN) aufweisen kann. Entsprechend können die ein oder mehreren Datenschnittstellen eine LAN-Schnittstelle oder eine Wireless LAN-Schnittstelle (WLAN oder Wi-Fi) aufweisen.
  • Die Vorteile der vorgeschlagenen Vorrichtung entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen des vorgeschlagenen Verfahrens. Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen können ebenso auf die anderen beanspruchten Gegenstände übertragen werden und umgekehrt.
  • Gemäß einem Aspekt kann die Vorrichtung ferner einen Datenspeicher aufweisen, der mit der Datenschnittstelle in Datenverbindung steht. In dem Datenspeicher können ein oder mehrere 2D-Transmissionsbilder, insbesondere ein oder mehrere zweite 2D-Transmissionbilder, und/oder die 3D-Kooridnaten und/oder ein oder mehrere Referenz-Projektionsdaten hinterlegt sein.
  • Gemäß einem Aspekt ist die Datenschnittstelle dazu ausgebildet, die 3D-Koordinaten zu empfangen, insbesondere von dem Datenspeicher.
  • Gemäß einem Aspekt ist der Datenspeicher als lokaler Speicher der Vorrichtung ausgebildet, z.B. als Arbeitsspeicher oder Festplatte. Gemäß einem weiteren Aspekt kann der Datenspeicher als dezentraler oder zentraler Speicher ausgebildet sein. Weiterhin kann der Datenspeicher Teil eines Serversystems sein.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine (kalibrierbare) bildgebende Vorrichtung bereitgestellt, die eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Geometriekalibrierung gemäß einem der vorgenannten Aspekte aufweist. Dabei kann in einigen Varianten die bildgebende Vorrichtung als Computertomographiesystem oder als der bildgebende Teil eines Computertomographiesystems ausgebildet sein. Die bereits vorausgehend genannten möglichen Vorteile oder Varianten der vorhergehenden Ausführungsformen und Aspekte gelten entsprechend auch für die bildgebende Vorrichtung.
  • Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt ein Computerprogrammprodukt, das ein Programm umfasst und direkt in einen Speicher einer programmierbaren Steuerung ladbar ist und Programmmittel, z.B. Bibliotheken und Hilfsfunktionen, aufweist, um ein Verfahren zum Bestimmen von Projektionsdaten/einer Geometriekalibrierung für eine bildgebende Vorrichtung insbesondere gemäß den vorgenannten Aspekten auszuführen, wenn das Computerprogrammprodukt ausgeführt wird.
  • Ferner betrifft die Erfindung in einem weiteren Aspekt ein computerlesbares Speichermedium, auf welchem lesbare und ausführbare Programmabschnitte gespeichert sind, um alle Schritte eines Verfahrens zum Bestimmen von Projektionsdaten/einer Geometriekalibrierung für eine bildgebende Vorrichtung gemäß den vorgenannten Ausführungsformen auszuführen, wenn die Programmabschnitte von einer Steuerung, insbesondere der Datenverarbeitungsvorrichtung, ausgeführt werden.
  • Die Computerprogrammprodukte können dabei eine Software mit einem Quellcode, der noch kompiliert und gebunden oder der nur interpretiert werden muss, oder einen ausführbaren Softwarecode umfassen, der zur Ausführung nur noch in die Verarbeitungseinheit zu laden ist. Durch die Computerprogrammprodukte können die Verfahren schnell, identisch wiederholbar und robust ausgeführt werden. Die Computerprogrammprodukte sind so konfiguriert, dass sie mittels der Recheneinheit die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ausführen können. Die Recheneinheit muss dabei jeweils die Voraussetzungen wie beispielsweise einen entsprechenden Arbeitsspeicher, einen entsprechenden Prozessor, eine entsprechende Grafikkarte oder eine entsprechende Logikeinheit aufweisen, sodass die jeweiligen Verfahrensschritte effizient ausgeführt werden können.
  • Die Computerprogrammprodukte sind beispielsweise auf einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert oder auf einem Netzwerk oder Server hinterlegt, von wo sie in den Prozessor der jeweiligen Recheneinheit geladen werden können, der mit der Recheneinheit direkt verbunden oder als Teil der Recheneinheit ausgebildet sein kann. Weiterhin können Steuerinformationen der Computerprogrammprodukte auf einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sein. Die Steuerinformationen des computerlesbaren Speichermedium können derart ausgebildet sein, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in einer Recheneinheit ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführen. Beispiele für computerlesbaren Speichermedium sind eine DVD, ein Magnetband oder ein USB-Stick, auf welchem elektronisch lesbare Steuerinformationen, insbesondere Software, gespeichert ist. Wenn diese Steuerinformationen von dem Datenträger gelesen und in eine Recheneinheit gespeichert werden, können alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen der vorab beschriebenen Verfahren durchgeführt werden. So kann die Erfindung auch von dem besagten computerlesbaren Medium und/oder dem besagten computerlesbaren Speichermedium ausgehen. Die Vorteile der vorgeschlagenen Computerprogrammprodukte bzw. der zugehörigen computerlesbaren Medien entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen der vorgeschlagenen Verfahren.
  • Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen von Ausführungsbeispielen anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich. In diesem Zusammenhang genannte Modifikationen können jeweils miteinander kombiniert werden, um neue Ausführungsformen auszubilden. In unterschiedlichen Figuren werden für gleiche Merkmale im Wesentlichen die gleichen Bezugszeichen verwendet, falls dies nicht anders beschrieben wird oder sich nicht anders aus dem Kontext ergibt.
  • Hierzu zeigen, teilweise schematisiert:
    • 1: ein 3D Kalibrierphantom nach einer Ausführungsform;
    • 2: ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen von Projektionsdaten für eine bildgebende Vorrichtung nach einer Ausführungsform;
    • 3: ein 2D-Transmissionsbild nach einer Ausführungsform;
    • 4: eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Geometriekalibrierung für eine bildgebende Vorrichtung nach einer Ausführungsform; und
    • 5: eine kalibrierbare, bildgebende Vorrichtung bzw. ein zugehöriges bildgebendes System nach einer Ausführungsform.
  • Die Figuren sind schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen und/oder Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente und/oder Bauteile sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente und/oder Bauteile derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und/oder ihr Zweck dem Fachmann verständlich werden.
  • In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindungen oder Kopplungen implementiert werden. Insbesondere können Datenverbindungen drahtgebunden oder drahtlos, also insbesondere als Funkverbindung, ausgebildet sein. Auch können bestimmte Verbindungen, etwa elektrische Verbindungen, etwa zur Energieversorgung, der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sein.
  • In 1 ist ein 3D-Kalibrierphantom 10 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt.
  • Das 3D-Kalibrierphantom 10 weist mehrere physische Kalibrierelemente 11 auf. Die physischen Kalibrierelemente 11 weisen ein Material auf, welches eine Strahlung für eine Transmissionsbildgebung streut, oder sind insbesondere aus diesem Material hergestellt. Neben den physischen Kalibrierelementen 11 kann das 3D-Kalibrierphantom 10 mit einem oder mit mehreren Materialien so hergestellt sein, dass diese die Streuung der Strahlung durch die physischen Kalibrierelemente 11 zumindest nicht wesentlich stören. Insbesondere kann das Kalibrierphantom 10 dazu ein Material aufweisen, welches die Strahlung zumindest im Wesentlichen nicht streut. In einigen Varianten kann das Kalibrierphantom 10 einen für die Strahlung durchlässigen Kunststoff aufweisen und insbesondere im Wesentlichen daraus bestehen. Die physischen Kalibrierelemente 11 können aus einem Metall oder einer Mischung aus einem Metall und einem Kunststoff hergestellt sein oder daraus bestehen, so dass die Strahlung gestreut wird.
  • In einigen Varianten können verschiedenartige physische Kalibrierelemente 11 in dem 3D-Kalibrierphantom 10 enthalten sein. Mit anderen Worten weist das 3D-Kalibrierphantom wenigstens zwei verschiedene Arten von physischen Kalibrierelementen 11 auf. Dabei unterscheiden sich verschiedenartige physische Kalibrierelemente 11 derart, dass sie die Strahlung jeweils anders streuen oder absorbieren als jeweils andersartige physische Kalibrierelemente 11, etwa insbesondere weniger streuen. Bei aus einer Mischung von einem Metall und einem Kunststoff hergestellten physischen Kalibrierelementen 11 kann dazu in einigen Varianten für Kalibrierelemente 11 mit geringerer Streuung beim Mischungsverhältnis ein geringerer Metallanteil und ein höherer Kunststoffanteil verwendet werden. Auf diese Weise lassen sich ansonsten zumindest im Wesentlichen gleiche Kalibrierelemente 11 voneinander in ihrem Abbildungsverhalten, d.h., in einem 2D-Transmissionsbild 40, unterscheiden.
  • In einigen Varianten kann zusätzlich oder alternativ auch die Größe der physischen Kalibrierelemente 11 variiert werden und etwa für Kalibrierelemente mit geringerer Streuung oder Absorption eine geringere Größe, d.h., eine geringere räumliche Ausdehnung verwendet werden. Umgekehrt kann etwa für physische Kalibrierelemente 11 mit größerer Streuung oder Absorption eine größere Größe, d.h., eine größere räumliche Ausdehnung verwendet werden.
  • In einigen Varianten können die physischen Kalibrierelemente 11 als Kugeln oder Perlen ausgebildet sein.
  • Die physischen Kalibrierelemente 11 sind in einer definierten räumlichen Lagebeziehung in bzw. zu dem 3D-Kalibrierphantom 10 angeordnet. Insbesondere sind die Anordnungspositionen der physischen Kalibrierelemente 11 in dem Kalibrierphantom 10 durch die 3D-Koordinaten der Kalibrierelemente 11 in dem Kalibrierphantom 10 definiert. Beispielsweise können die Lagebeziehungen bzw. die räumlichen Anordnungspositionen in Form einer Liste der (bzw. aller) 3D-Koordinaten der physischen Kalibrierelemente 11 bereitgestellt werden.
  • In 2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 100 zum Bestimmen von Projektionsdaten für eine bildgebende Vorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Reihenfolge der Verfahrensschritte ist weder durch die dargestellte Abfolge noch durch die gewählte Nummerierung beschränkt. So kann die Reihenfolge der Schritte ggf. vertauscht und einzelne Schritte können weggelassen werden.
  • Bei einer bildgebenden Vorrichtung 20 trifft zur Erstellung eines 2D-Transmissionsbilds 40 eines 3D-Kalibrierphantoms 10 in einer Transmissionsbildgebung eine Strahlung nach Durchgang durch das 3D-Kalibrierphantom 10 auf einem 2D-Detektor auf. Dabei kann das 3D-Kalibrierphantom 10 insbesondere einem 3D-Kalibrierphantom 10 gemäß 1 entsprechen. Es können aber auch beliebige andere aus dem Stand der Technik bekannte Kalibrierphantome verwendet werden.
  • In einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 100 die Verfahrensschritte S110, S120, S130, S140, S150, S160, S170, S180, und S190 auf, wobei einer oder mehrere Verfahrensschritte, insbesondere eine Sequenz von Verfahrensschritten, und vorzugsweise das gesamte Verfahren wiederholt ausgeführt werden können.
  • Im Verfahrensschritt S110 wird das 2D-Transmissionsbild 40, in dem wenigstens eine Untermenge der in dem 3D-Kalibrierphantom 10 enthaltenen physischen Kalibrierelemente 11 dargestellt ist, bereitgestellt. Wie in 3 schematisch gezeigt, enthält das 2D-Transmissionsbild 40 Abbildungen eines oder mehrerer (oder ggf. auch aller) der in dem 3D-Kalibrierphantom 10 enthaltenen physischen Kalibrierelemente 11. Die in dem 2D-Transmissionsbild 40 gezeigten physischen Kalibrierelemente 11 werden nachfolgend auch als dargestellte Kalibrierelemente 11' bezeichnet.
  • Im Verfahrensschritt S120 werden die definierten räumlichen Lagebeziehungen der physischen Kalibrierelemente 11 bereitgestellt. Insbesondere können dabei die 3D-Koordinaten der physischen Kalibrierelemente 11 in dem 3D-Kalibrierphantom 10 bereitgestellt werden. Der Ausdruck „3D-Koordinaten“ bezieht sich im Folgenden auf die Koordinaten der physischen Kalibrierelemente 11. Das Bereitstellen kann beispielsweise das Abrufen und/oder Übermitteln der 3D-Koordinaten von einer Speichereinheit bzw. einem Datenspeicher umfassen. Ferner kann das Bereitstellen ein Laden der 3D-Koordinaten in einen Arbeitsspeicher umfassen.
  • In einem Schritt S130 werden die in dem 2D-Transmissionsbild 40 dargestellten Kalibrierelemente 11 (bevorzugt automatisch) erkannt. Ferner werden in Schritt die 2D-Koordinaten der in dem 2D-Transmissionsbild 40 dargestellten Kalibrierelemente 11' bestimmt. Wenn von 2D-Koordinaten die Rede ist, sind im Folgenden die x- und y-Koordinaten der dargestellten Kalibrierelemente 11' gemeint. Sofern nicht anders angegeben bezieht sich der Singular „2D-Koordinate“ auf entweder eine x- oder eine y-Koordinate eines dargestellten Kalibrierelements 11' (und nicht etwa auf einen Tupel aufweisend eine x- und eine y-Koordinate).
  • Beispielsweise können die dargestellten Kalibrierelemente 11', insbesondere wenn sie kugelförmig oder perlenförmig sind, mittels eines sogenannten „Blob Detectors“ erkannt werden. Dabei kann in einigen Varianten auch die räumliche bzw. im 2D-Transmissionsbild 40 die zweidimensionale Ausdehnung bzw. Größe des jeweils erkannten dargestellten Kalibrierelements 11' als Unterscheidungskriterium, insbesondere mittels eines solchen „Blob Detectors“, bestimmt werden. In einigen Varianten, bei welchen das 3D-Kalibrierphantom 10 physische Kalibrierelemente 11 mit unterschiedlichen Größen bzw. unterschiedlichen räumlichen Ausdehnungen aufweist, kann nach der räumlichen Ausdehnung bzw. der zweidimensionalen Ausdehnung im 2D-Transmissionsbild 40 beispielsweise über eine sogenannte „Fast Radial Symmetry Transform“ gefiltert werden.
  • In einem Schritt S140 werden ein oder mehrere Auswahlsätze ermittelt. Jeder Auswahlsatz enthält dabei jeweils mehrere 2D-Koordinaten, denen jeweils 3D-Koordinaten zugewiesen sind. Für diese Zuweisung kann eine Teilmenge der dargestellten Kalibrierelemente 11' ausgewählt werden. Die Auswahl kann beispielsweise zufällig erfolgen. Einer oder mehrere der 2D-Koordinaten der ausgewählten dargestellten Kalibrierelemente 11' werden dabei 3D-Koordinaten zugewiesen. Typischerweise wird jeder 2D-Koordinate, also entweder einer x- oder einer y-Koordinate eines dargestellten Kalibrierelements 11', ein Tupel aus x, y, z-Koordinaten eines physischen Kalibrierelements 11 zugeordnet. Mit anderen Worten sind jeder 2D-Korrdinate des Auswahlsatzes die 3D-Koordinaten eines Kalibrierelements 11 zugewiesen. Folglich wird so jedem ausgewählten dargestellten Kalibrierelement 11' ein physisches Kalibrierelement 11 zugeordnet. Es entstehen somit 2D-3D-Koordinatenpaare.
  • Die Zuweisung von 3D-Koordinten zu den 2D-Koordinaten kann beispielsweise zufällig erfolgen. Um die Zuweisung zielgerichteter zu gestalten, können zwar weitere Indizien bei der Zuweisung der 3D-Koordinaten berücksichtigt werden (wie weiter unten noch ausgeführt werden wird). Jedoch erfolgt keine Zuordnung durch aktive Identifikation, welche 3D-Koordinaten bzw. welches physisches Kalibrierelement 11 tatsächlich der ausgewählten 2D-Koordinate entspricht. Eine solche Übereinstimmung in Schritt S140 ist im Prinzip Zufall. Um in einem der Auswahlsätze schließlich eine korrekte Zuordnung der 2D-Koordinaten zu den 3D-Koordinaten zu finden (mit dem dann die Geometriekalibrierung durchgeführt wird), muss typischerweise eine Vielzahl an verschiedenen Auswahlsätzen gesampelt werden. Dazu kann Schritt S140 (und die nachfolgenden Schritte) z.B. wiederholt durchlaufen werden, um so nach und nach durch das wiederholte Durchlaufen mehrere verschiedene Auswahlsätze zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann bereits in einer Instanz von Schritt S140 eine Menge verschiedener Auswahlsätze erzeugt werden.
  • Um die Anzahl an möglichen Permutationen und damit die Anzahl der im Mittel notwendigen Auswahlsätze zu begrenzen, wird die Anzahl der 2D-Koordinaten je Auswahlsatz (welchen 2D-Koordinaten in dem Auswahlsatz dann jeweils eine 3D-Koordinate zugeordnet ist) vorteilhafterweise so klein gewählt. Eine minimale Anzahl kann dabei in Abhängigkeit der jeweiligen Gegebenheiten dadurch begrenzt werden, dass aus den zur Verfügung stehenden 2D-3D-Koordinaten-Kombinationen noch eine Transformation (Abbildungsvorschrift) für den Übergang von dem 3D-Koordinatensystem des 3D-Kalibrierphantoms 10 zu dem 2D-Koordinatensystem des 2D-Transmissionsbildes 40 ableitbar sein muss. Mathematisch darf das zu lösende Gleichungssystem nicht unterbestimmt sein. Die Erfinder haben herausgefunden, dass z.B. elf 2D-Koordinaten je Auswahlsatz eine minimale Anzahl darstellen können. Je nach Nebenbedingungen oder weiteren zur Verfügung stehenden Informationen kann aber auch eine geringere Anzahl ausreichend sein. Eine 2D-Koordinate bezeichnet dabei eine x- oder y-Koordinate (und nicht etwa einen Tupel umfassend eine x- und eine y-Koordinate). Die ausgewählten 2D-Koordinaten können dabei x- und/oder y-Koordinaten enthalten. Die ausgewählten 2D-Koordinaten können einer minimalen Anzahl an dargestellten Kalibrierelementen 11' entnommen sein. Da jedem dargestellten Kalibrierelement 11' zwei 2D-Koordinaten zugeordnet sind, können am Beispiel von elf 2D-Koordinaten also „5,5“ dargestellten Kalibrierelementen 11' entnommen worden sein (also die x- und y-Koordinaten von fünf dargestellten Kalibrierelementen 11' und entweder die x- oder die y-Koordinate eines weiteren dargestellten Kalibrierelements 11' enthalten). Alternativ können, um in diesem Beispiel zu bleiben, aber auch x- und y-Koordinaten von bis zu elf verschiedenen dargestellten Kalibrierelementen 11' gemischt werden. Werden sowohl die x- als auch die y-Koordinaten eines dargestellten Kalibrierelements 11' verwendet, werden beiden vorteilhafterweise dieselben 3D-Koordinaten zugeordnet, d.h., jeweils die x-, y- und z-Koordinaten eines (einzigen) physischen Kalibrierelements 11.
  • Gemäß Ausführungsformen der Erfindung können die Auswahlsätze jeweils insbesondere sechs Kalibrierelemente-Paare enthalten, welche Kalibrierelemente-Paare jeweils ein dargestelltes Kalibrierelement 11' und ein zugewiesenes physisches Kalibrierelement 11 aufweisen. Es liegen in einem solchen Auswahlsatz also zwölf 2D-Koordinaten vor, denen jeweils 3D-Koordinaten zugewiesen sind. Gemäß weiteren Ausführungsformen sind selbstverständlich auch andere Anzahlen an 2D-Kooridnaten möglich, beispielsweise zwischen 20 und 6, insbesondere zwischen 15 und 8 oder weiter insbesondere zwischen 12 und 10.
  • In einem Schritt S150 wird für jeden Auswahlsatz eine Abbildung berechnet, welche die 3D-Koordinaten auf die zugewiesenen 2D-Koordinaten abbildet und umgekehrt. Das Ergebnis der Berechnung sind Auswahl-Projektionsdaten, welche die Abbildung für den jeweiligen Auswahlsatz, insbesondere mathematisch, beschreiben. Die Auswahl-Projektionsdaten können beispielsweise eine Projektionsmatrix umfassen. Aus den 2D-3D-Koordinaten-Kombinationen des Auswahlsatzes kann beispielsweise mit dem bekannten Verfahren der direkten Lineartransformation (DLT) eine Projektionsmatrix berechnet werden. Am obigen Beispiel der sechs Kalibrierelemente-Paare (oder allg. für einen Auswahlsatz mit zwölf 2D-Koordinaten, denen jeweils 3D-Koordinaten zugewiesen sind) kann eine DLT im Wesentlichen ein Aufstellen einer 12x12-Matrix basierend auf den 2D- und 3D-Koordinaten und eine anschließende Singulärwertzerlegung (SVD; Singular-Value-Decomposition) dieser Matrix umfassen. Als Ergebnis der SVD liegen unter anderem eine zu den sechs Punkten passende Projektionsmatrix und ein Vektor mit den Singulärwerten der Matrix vor. Für Auswahlsätze mit abweichenden Anzahlen an 2D-3D-Koordinaten-Kombinationen, weist die Matrix entsprechend unterschiedliche Dimensionen auf.
  • In einem Schritt S160 wird die Güte der in Schritt S150 gefundenen Abbildung bestimmt. Für jeden Auswahlsatz erhält man so ein Auswahl-Maß, welches ein Maß für die Güte der berechneten Abbildung für das gesamte 3D-Kalibrierphantom 10 darstellt. Dazu kann beispielsweise eine Vorwärtsprojektion von einigen 3D-Koordinaten (physischen Kalibrierelementen 11) mittels der berechneten Abbildung (bzw. den Auswahl-Projektionsdaten oder der Projektionsmatrix) erfolgen. Bei „guten“ Projektionsdaten sollte eine solche Vorwärtsprojektion stets sehr nah an 2D-Koordinaten (d.h. den dargestellten Kalibrierelementen 11`) enden. Als Kostenfunktion und somit als Auswahl-Maß (oder Güte) kann der summierte Abstand zwischen den 2D-Koordinaten und den projizierten 3D-Koordinaten herangezogen werden. Wurde in dem jeweiligen Auswahlsatz eine korrekte Kombination bzw. Zuweisung gewählt, hat die Kostenfunktion einen signifikant niedrigeren Wert als bei einer falschen Kombination.
  • In Schritt S170 wird überprüft, ob die Güte der aus dem Auswahlsatz oder den Auswahlsätzen berechneten Auswahl-Projektionsdaten für eine Geometriekalibrierung ausreicht. Dazu können die berechneten Auswahl-Maße beispielsweise mit einem Schwellwert verglichen werden. Der Schwellwert kann z.B. fest vorgegeben sein oder adaptiv festgelegt werden oder festlegbar sein. Zeigen das oder die Auswahl-Maße eine ausreichende Güte an, schreitet die Verarbeitung zu Schritt S180 fort. Ist die Güte dagegen nicht ausreichend, springt die Verarbeitung zurück zu Schritt zu Schritt S140 und die Schritte S140, S150 und S160 werden wiederholt. Dadurch wird die Verarbeitung solange wiederholt, bis eine hinreichend korrekte Zuweisung und damit hinreichend korrekte Auswahl-Projektionsdaten gefunden wurden.
  • Selbst wenn die Auswahl-Projektionsdaten eine ausreichende Güte aufweisen, beschreiben sie lediglich eine Abbildung, die auf Grundlage der in dem zugehörigen Auswahlsatz enthaltenen 2D- und 3D-Koordinaten erzeugt wurde. Durch die Berücksichtigung aller zur Verfügung stehenden 2D- und 3D-Koordinaten können noch weitere Korrekturen erforderlich sein, um finale Projektionsdaten zu bestimmen. Dazu werden in Schritt S180 basierend auf den Auswahl-Projektionsdaten sowie optional dem jeweils zugehörigen Auswahl-Maß finale Projektionsdaten (etwa in Form einer finalen Projektionsmatrix) berechnet. Die Projektionsdaten beschreiben die Abbildung der physischen Kalibrierelemente 11 auf das 2D-Transmissionsbild 40 dann auf Grundlage der zur Verfügung stehenden Daten auf bestmögliche Weise. Zum Bestimmen der (finalen) Projektionsdaten können den (d.h. z.B. allen erkannten) 2D-Kooridnaten 3D-Koordinaten zugeordnet werden. Jeder 2D-Koordinate kann z.B. die 3D-Koordinate zugeordnet werden, deren Projektion am nächsten liegt. Anschließend kann auf dieser Grundlage mit verschiedenen Verfahren eine verbesserte, finale Projektionsmatrix bestimmt werden. Beispielsweise kann hierfür ein RANSAC-Algorithmus verwendet werden. RANSAC steht dabei für RANdom SAmple Consensus und steht für einen Resampling-Algorithmus zur Schätzung eines Modells innerhalb einer Reihe von Messwerten mit etwaigen Ausreißern und Fehlern.
  • In Schritt S190 werden die Projektionsdaten bereitgestellt. Dies kann beispielsweise ein Speichern der Projektionsdaten in einem Arbeitsspeicher einer bildgebenden Vorrichtung 20 oder einem Datenspeicher umfassen.
  • Ein Vorteil des Verfahrens 100 und der so bestimmten Projektionsdaten kann insbesondere darin liegen, dass keine direkte Suche nach den den physischen Kalibrierelementen 11 entsprechenden dargestellten Kalibrierelementen 11' erfolgen muss. Stattdessen werden sehr viele mögliche Kombinationen ausprobiert, bis einander entsprechende physische Kalibrierelemente 11 und dargestellte Kalibrierelemente 11' indirekt identifiziert werden können. Die direkte Identifizierung der „richtigen“ dargestellten Kalibrierelemente 11' hat den Nachteil, dass dieser in der Praxis häufig fehleranfällig ist und oft in einer „Sackgasse“ endet, wenn mit dem 2D-Transmissionsbild 40 schlicht keine derartige Zuordnung möglich ist. Ferner stellt dieses Vorgehen hohe Anforderungen an die Fertigungsgüte des 3D-Kalibrierphantoms 10. Durch das erfindungsgemäße „Ausprobieren“ mehrerer möglicher Kombinationen können diese Nachteile behoben werden. Erkauft wird dies freilich durch einen höheren Rechenaufwand. Neue Computersysteme erlauben jedoch eine ausreichend schnelle Implementierung, welche bei einer praxisnahen Anzahl von Kalibrierelementen 11 ein simples Ausprobieren vieler möglicher Zuordnungen von 3D- zu 2D-Koordinaten (Permutationen) erlaubt.
  • Die Zuweisung von 3D- zu 2D-Koordinaten kann durch einige Weiterbildungen des beanspruchten Verfahrens verbessert werden. Dadurch können zu jeder 2D-Koordinate möglicherweise geeignete 3D-Koordinaten zielgerichteter ausgesucht werden, was die Anzahl der auszuprobierenden Kombinationen deutlich verringern und das Verfahren somit beschleunigen kann. Die Weiterbildungen können dabei jeweils miteinander kombiniert werden, um neue Ausführungsformen auszubilden.
  • Gemäß einer dieser Weiterbildungen kann beispielsweise die Größe bzw. 2D-Ausdehnung der dargestellten Kalibrierelemente 11' in dem 2D-Transmissionsbild 40 erfasst werden. Dies kann beispielsweise in Schritt S130 erfolgen. Die Größe der dargestellten Kalibrierelemente 11' kann Aufschluss über die relative Lage der zugehörigen physischen Kalibrierelemente 11 zur 2D-Projektionsfläche geben. Genauer gesagt erhält bei einer projektiven Abbildung ein Objekt im Messfeld eine Vergrößerung, welche von den Abständen zwischen dem Projektionszentrum (Rötgenbrennfleck) und der Abbildungsebene (Rötgendetektor) abhängt.
  • Dieser Zusammenhang kann beispielsweise in Schritt S130 bei der Zuweisung von 3D-Koordinaten zu einer 2D-Koordinate genutzt werden. Mit der Kenntnis der 2D-Ausdehnung eines dargestellten Kalibrierelements 11' kann eine grobe Klassifizierung der tatsächlichen Lage des zugehörigen physischen Kalibrierelements 11 vorgenommen werden. Dies kann helfen, sehr viele mögliche Kombinationen zu eliminieren, die aufgrund der 2D-Ausdehnung des dargestellten Kalibrierelements 11' nicht infrage kommen können. Mit anderen Worten erfolgt Schritt S140 damit basierend auf einer erfassten 2D-Ausdehnung des dargestellten Kalibrierelements 11' in dem 2D-Transmissionsbild 40.
  • Eine andere Weiterbildung beruht auf der Verwendung eines Kalibrierphantoms 10 mit wenigsten zwei verschiedenen Arten von physischen Kalibrierelementen 11. Die verschiedenartigen physischen Kalibrierelemente 11 sind derart ausgebildet, dass verschiedenartige Kalibrierelemente 11 in dem 2D-Transmissionsbild 40 unterscheidbar sind. Dabei können sich verschiedenartige physische Kalibrierelemente 11 dahingehend unterscheiden, dass sie die Strahlung jeweils anders streuen oder absorbieren als jeweils andersartige Kalibrierelemente 11, etwa insbesondere weniger streuen. Verschiedenartige Kalibrierelemente 11 können sich z.B. dadurch voneinander unterscheiden, dass sie in dem 2D-Transmissionsbild 40 heller oder dunkler erscheinen. Dabei können wenigstens zwei in diesem Sinne verschiedene Arten physischer Kalibrierelemente 11 verwendet werden. Mehr als zwei verschiedene Arten sind natürlich ebenfalls möglich. Nur wenige und insbesondere zwei verschiedene Arten haben allerdings den Vorteil einer vergleichsweise einfachen Identifikation im 2D-Transmissionsbild 40. Zwei verschiedene Arten, die sich z.B. in der Helligkeit im 2D-Transmissionsbild 40 unterscheiden, können relativ einfach binär als zu einer Art zugehörig oder eben nicht klassifiziert werden.
  • Gemäß der Weiterbildung ist die Art der Kalibrierelemente bekannt und wird der Verarbeitung bereitgestellt. Dies kann beispielsweise über eine weitere Variable in der Liste/Datei der 3D-Koordinaten der physischen Kalibrierelemente 11 erfolgen, welche in Schritt S120 bereitgestellt wird. In Schritt S130 kann dann die Art der Kalibrierelemente bestimmt werden. Dazu kann beispielsweise die Helligkeit der dargestellten Kalibrierelemente 11' ausgewertet werden. Mit der Kenntnis der Art des dargestellten Kalibrierelements 11' können 3D-Koordinaten andersartiger physischer Kalibrierelemente 11 bei der Zuweisung in Schritt S140 ausgeschlossen werden. Dies kann helfen, eine Anzahl möglicher Kombinationen mit 3D-Koordinaten zu eliminieren. Mit anderen Worten erfolgt Schritt S140 damit basierend auf einer identifizierten Art des dargestellten Kalibrierelements 11' in dem 2D-Transmissionsbild 40.
  • Eine andere Weiterbildung betrifft das Ausnutzen von einer Trajektorieninformation. Eine Trajektorie bedeutet in diesem Fall, dass verschiedene Positionen von 2D Detektor und Strahlungsquelle nacheinander angefahren werden. In jeder Relativposition wird dabei ein 2D-Transmissionsbild 40 des 3D-Kalibrierphantoms 10 erstellt. Auf der Grundlage des 2D-Transmissionsbildes 40 können dann Projektionsdaten ermittelt werden. Dabei kann z.B. im Wesentlichen wie in Zusammenhang mit 2 beschrieben vorgegangen werden. In der Weiterbildung macht man sich nun zu Nutze, dass die Projektionsdaten eines 2D-Transmissionsbildes 40 in der Regel nicht wesentlich von den Projektionsdaten eines vorherigen, in der Trajektorie zuvor aufgenommenen, 2D-Transmissionsbildes entfernt sind. Das vorherige 2D-Transmissionsbild wird nachfolgend auch zweites 2D-Transmissionsbild genannt. Es zeigt allgemein eine andere Ansicht bzw. Perspektive des Kalibrierphantoms als das 2D-Transmissionsbild 40, bzw. wurde mit verschiedenen Einstellungen der bildgebenden Vorrichtung 20 als das 2D-Transmissionsbild 40 erzeugt. Die mittels des zweiten 2D-Transmissionsbildes abgeleiteten Projektionsdaten werden auch Referenz-Projektionsdaten genannt.
  • Gemäß der Weiterbildung werden diese Referenz-Projektionsdaten zunächst bereitgestellt. Dies kann beispielsweise im Wege der Schritte S110 oder S120 erfolgen. Die Referenz-Projektionsdaten können dann im Schritt S140 des Zuweisens geeigneter 3D-Koordinaten zu einer 2D-Koordinate verwendet werden. Beispielsweise kann die 2D-Koordinate mit den Referenz-Projektionsdaten in das Koordinatensystem des 3D-Kalibrierphantoms 10 projiziert werden und beim Zuweisen können solche 3D-Koordinaten gewählt werden, die den projizierten 2D-Koordinaten nahe liegen.
  • Eine andere Weiterbildung ist auf eine beschleunigte Berechnung der Güte von Projektionsdaten im Sinne des Auswahl-Maßes gerichtet. Für eine schnelle Bewertung ist es nicht zwingend erforderlich, die oben erwähnte Kostenfunktion unter Berechnung der Projektion einiger 3D-Koordinaten bzw. 2D-Koordinaten basierend auf den Auswahl-Projektionsdaten zu berechnen. Für ein beschleunigtes Aussortieren der Auswahl-Projektionsdaten als „sicher nicht korrekt“ ohne aufwendige weitere Rechenschritte können vielmehr die Singulärwerte der oben beschriebenen SVD untersucht werden. Dadurch kann in vielen Fällen auf die Berechnung der Kostenfunktion verzichtet werden.
  • 4 zeigt schematisch eine Vorrichtung 30 zum Bestimmen von Projektionsdaten zur Vornahme einer Geometriekalibrierung einer bildgebende Vorrichtung 20, bei welcher in einer Transmissionsbildgebung eine Strahlung nach Durchgang durch ein 3D Kalibrierphantom 10 auf einen 2D Detektor zur Erstellung eines 2D-Transmissionsbildes 40 des 3D-Kalibrierphantoms 10 auftrifft, nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei kann das 3D-Kalibrierphantom 10 insbesondere gemäß einer Ausführungsform nach 1 ausgebildet sein.
  • In einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 30 eine Datenverarbeitungsvorrichtung 34, einen Datenspeicher 36 und eine Datenschnittstelle 32 auf. Dabei ist die Datenschnittstelle 32 zum Empfangen von 2D-Transmissionsbildern 40 von der bildgebenden Vorrichtung und/oder dem Datenspeicher 36 eingerichtet. Zudem ist die Vorrichtung 30 eingerichtet, ein Verfahren zum Bestimmen von Projektionsdaten bzw. einer Geometriekalibrierung für eine bildgebende Vorrichtung 20 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und insbesondere gemäß einer Ausführungsform bezüglich 2 auszuführen.
  • In 5 ist eine kalibrierbares, bildgebendes Vorrichtung 20 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt.
  • In einem Ausführungsbeispiel die bildgebende Vorrichtung 20 eine Vorrichtung 30 zum Bestimmen der Geometriekalibrierung auf. Die Vorrichtung 30 zum Bestimmen der Geometriekalibrierung ist gemäß einer Ausführungsform der die vorliegende Erfindung und insbesondere gemäß einer Ausführungsform bezüglich 4 ausgebildet. In einigen Varianten kann die bildgebende Vorrichtung 20 als Computertomographievorrichtung ausgebildet sein.
  • In einigen Varianten kann ein zugehöriges System 1 aus bildgebender Vorrichtung 20 und der Vorrichtung 30 zudem ein 3D Kalibrierphantom 10 insbesondere gemäß einer Ausführungsform bezüglich 1 oder einer anderen Ausführungsform aufweisen. In anderen Varianten kann das System 1 das 3D Kalibrierphantom 10 nicht aufweisen, aber eingerichtet sein, nach Bereitstellung des 3D-Kalibrierphantoms 10 eines oder mehrere 2D-Transmissionsbilder 40 des 3D Kalibrierphantoms 10 aufzunehmen.
  • In einem Ausführungsbeispiel weist die bildgebende Vorrichtung 20 eine Strahlungsquelle 21 zum Erzeugen einer Strahlung und einen 2D Detektor 23 auf. Dabei können die Strahlungsquelle 21 und der 2D Detektor 23 entlang einer Halterungsvorrichtung 26 - insbesondere ausgebildet als ein sogenannter C-Bogen - angeordnet werden. Zudem kann ein 3D-Kalibrierphantom 10 auf eine Trägervorrichtung 28 - etwa einen Tisch - angeordnet werden. Beim Durchführen einer Transmissionsbildgebung mittels der bildgebenden Vorrichtung 20 wird ein 2D-Transmissionsbild 40 des 3D-Kalibrierphantoms 10 erstellt, indem die Strahlung aus der Strahlungsquelle 21 nach Durchgang durch das 3D-Kalibrierphantom 10 auf dem 2D Detektor 23 auftrifft.
  • Zum Bereitstellen des aufgenommenen 2D Transmissionsbilds weist die bildgebende Vorrichtung 20, insbesondere der 2D Detektor 23, eine Datenschnittstelle auf, die ausgebildet ist, eine Datenverbindung mit der Datenschnittstelle 32 der Vorrichtung 30 zum Bestimmen der Geometriekalibrierung auszubilden.
  • Während Ausführungsbeispiele insbesondere unter Bezugnahme auf die Figuren detailliert beschrieben wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendung und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einem Ausführungsbeispiel gegeben, wobei diverse Abwandlungen, insbesondere alternative oder zusätzliche Merkmale und/oder Abwandlung der Funktion und/oder Anordnung der beschriebenen Bestandteile, nach Wunsch des Fachmanns vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seiner rechtlichen Äquivalent abgewichen wird und/oder deren Schutzbereich verlassen wird.

Claims (16)

  1. Computer-implementiertes Verfahren (100) zum Bestimmen von Projektionsdaten für eine bildgebende Vorrichtung (20), bei welcher in einer Transmissionsbildgebung eine Strahlung nach Durchgang durch ein 3D Kalibrierphantom (10) auf einem 2D Detektor (23) auftrifft zur Erstellung eines 2D-Transmissionsbildes (40) des 3D-Kalibrierphantoms (10), wobei das 3D-Kalibrierphantom (10) mehrere physische Kalibrierelemente (11) aufweist, und das Verfahren umfasst: a) Bereitstellen des 2D-Transmissionsbilds (40), in dem mehrere physische Kalibrierelemente (11) des 3D-Kalibrierphantoms (10) als dargestellte Kalibrierelemente (11`) dargestellt sind; b) Erzeugen mehrerer verschiedener Auswahlsätze von Kalibrierelemente-Kombinationen, wobei jeder Auswahlsatz erzeugt wird durch: - Auswählen einer Teilmenge aus den dargestellten Kalibrierelementen (11`), und - Zuweisen eines physischen Kalibrierelements (11) zu jedem dargestellten Kalibrierelement (11`) der Teilmenge, um mehrere Kalibrierelemente-Kombinationen zu erzeugen; wobei für jeden Auswahlsatz die folgenden Schritte durchgeführt werden: - Berechnen von Auswahl-Projektionsdaten, welche eine Abbildung der physischen Kalibrierelemente (11) auf die dargestellten Kalibrierelemente (11`) des jeweiligen Auswahlsatzes beschreiben; und - Ermitteln eines Auswahl-Maßes für die Güte der Auswahl-Projektionsdaten; und das Verfahren ferner den Schritt aufweist: c) Bestimmen der Projektionsdaten der bildgebenden Vorrichtung (20) basierend auf den Auswahl-Projektionsdaten und den Auswahl-Maßen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Ermitteln der Auswahl-Maße umfasst: Projizieren eines oder mehrerer physischer Kalibrierelemente (11) auf die Ebene des 2D-Transmissionsbildes (40) basierend auf den jeweiligen Auswahl-Projektionsdaten; und/oder Projizieren eines oder mehrerer dargestellter Kalibrierelemente (11`) in das Koordinatensystem des 3D-Kalibrierphantoms (10).
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Schritt des Erzeugens der mehreren verschiedenen Auswahlsätze das Auswählen und/oder Zuweisen durch einen im Wesentlichen zufälligen Prozess geschieht.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit dem Schritt: Erfassen der 2D-Ausdehnung wenigstens eines Teils der dargestellten Kalibrierelemente (11`) in dem 2D-Transmissionsbild (40); wobei im Schritt des Erzeugens der mehreren verschiedenen Auswahlsätze von Kalibrierelemente-Kombinationen das Auswählen und/oder Zuweisen unter Berücksichtigung der erfassten 2D-Ausdehnungen erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das 3D-Kalibrierphantom (10) wenigstens zwei Arten physischer Kalibrierelemente (11) aufweist, die derart ausgestaltet sind, dass die verschiedenen Arten physischer Kalibrierelemente (11) in dem 2D-Transmissionsbild (40) anhand der dargestellten Kalibrierelemente (11`) unterscheidbar sind, ferner mit dem Schritt: Identifizieren der jeweiligen Art wenigstens eines Teils der dargestellten Kalibrierelemente (11`); wobei im Schritt des Erzeugens der mehreren verschiedenen Auswahlsätze von Kalibrierelemente-Kombinationen das Auswählen und/oder Zuweisen unter Berücksichtigung der identifizierten Arten erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit dem Schritt: Bereitstellen von Referenz-Projektionsdaten, welche Referenz-Projektionsdaten basierend auf einem von dem 2D-Transmissionsbild (40) verschiedenen zweiten 2D-Transmissionsbild erzeugt wurden, wobei das zweite 2D-Transmissionsbild ebenfalls mit der bildgebenden Vorrichtung (20) erzeugt wurde und insbesondere eine Ansicht des 3D-Kalbrierphantoms (10) zeigt, die von der des 2D-Transmissionsbildes (40) verschieden ist; wobei im Schritt des Erzeugens der mehreren verschiedenen Auswahlsätze das Auswählen und/oder Zuweisen unter Berücksichtigung der Referenz-Projektionsdaten erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Auswahl-Projektionsdaten eine Projektionsmatrix umfassen und, optional, der Schritt des Berechnens der Auswahl-Projektionsdaten durch Berechnen einer direkten Lineartransformation basierend auf den 2D-Koordinaten der dargestellten Kalibrierelemente (11`) und den 3D-Koordinaten der physischen Kalibrierelemente (11) der Kalibrierelemente-Kombinationen des jeweiligen Auswahlsatzes erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Ermitteln der jeweiligen Auswahl-Maße die Berücksichtigung von Singulärwerten einer Singulärwertzerlegung der Projektionsmatrix umfasst.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mehreren Auswahlsätze nach und nach erzeugt werden, bis eine Güte der jeweiligen Auswahl-Projektionsdaten besser als eine vorgegebene und/oder vorgebbare Schwelle ist.
  10. Computer-implementiertes Verfahren (100) zum Bestimmen von Projektionsdaten für eine bildgebende Vorrichtung (20), bei welcher in einer Transmissionsbildgebung eine Strahlung nach Durchgang durch ein 3D Kalibrierphantom (10) auf einem 2D Detektor (23) auftrifft zur Erstellung eines 2D-Transmissionsbilds (40) des 3D-Kalibrierphantoms (10), wobei das 3D-Kalibrierphantom (10) mehrere physische Kalibrierelemente (11) aufweist, und das Verfahren umfasst: a) Bereitstellen des 2D-Transmissionsbilds (40), in dem mehrere physische Kalibrierelemente (11) des 3D-Kalibrierphantoms (10) als dargestellte Kalibrierelemente (11`) dargestellt sind; b) Bestimmen der 2D-Koordinaten wenigstens eines Teils der dargestellten Kalibrierelemente (11`) in dem 2D-Transmissionsbild (40); c) Erzeugen mehrerer verschiedener Auswahlsätze von 2D-3D-Koordinaten-Kombinationen, wobei jeder Auswahlsatz erzeugt wird durch: - Auswahl einer Teilmenge von 2D-Koordinaten aus den bestimmten 2D-Koordinaten; - Zuweisen von 3D-Koordinaten physischer Kalibrierelemente (11) in dem Kalibrierphantom (10) zu jeder 2D-Koordinate der Teilmenge, um dadurch mehrere 2D-3D-Koordinaten-Kombinationen zu erzeugen; wobei für jeden Auswahlsatz die folgenden Schritte durchgeführt werden: - Berechnen von Auswahl-Projektionsdaten, welche eine Abbildung der 3D-Koordinaten auf die 2D-Koordinaten der 2D-3D-Koordinaten-Kombinationen des jeweiligen Auswahlsatzes beschreiben; und - Ermitteln eines Auswahl-Maßes für die Güte der Auswahl-Projektionsdaten; und das Verfahren ferner den Schritt aufweist: d) Bestimmen der Projektionsdaten der bildgebenden Vorrichtung (20) basierend auf den Auswahl-Projektionsdaten und den Auswahl-Maßen.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem jeder Auswahlsatz auf wenigstens elf verschiedenen 2D-Koordinaten basiert.
  12. Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Geometriekalibrierung einer bildgebenden Vorrichtung (20).
  13. Vorrichtung (30) zum Bestimmen einer Geometriekalibrierung für eine bildgebende Vorrichtung (20), bei welcher in einer Transmissionsbildgebung eine Strahlung nach Durchgang durch ein 3D Kalibrierphantom (10) auf einem 2D Detektor (23) auftrifft zur Erstellung eines 2D Transmissionsbilds (40) des 3D Kalibrierphantoms (10), wobei die Vorrichtung (30) umfasst: eine Datenschnittstelle (32) zum Empfangen eines 2D-Transmissionsbilds (40), in dem mehrere physische Kalibrierelemente (11) des 3D-Kalibrierphantoms (10) als dargestellte Kalibrierelemente (11`) dargestellt sind; und eine Datenverarbeitungsvorrichtung (34), die dazu ausgebildet ist: mehrerer verschiedene Auswahlsätze von Kalibrierelemente-Kombinationen zu erzeugen durch: - Auswählen einer Teilmenge aus den dargestellten Kalibrierelementen (11`), und - Zuweisen eines physischen Kalibrierelements (11) zu jedem dargestellten Kalibrierelement (11`) der Teilmenge, um die mehreren Kalibrierelemente-Kombinationen zu erzeugen; und für jeden Auswahlsatz folgende Schritte durchzuführen: - Berechnen von Auswahl-Projektionsdaten, welche eine Abbildung der physischen Kalibrierelemente (11) auf die dargestellten Kalibrierelemente (11`) des jeweiligen Auswahlsatzes beschreiben; und - Ermitteln eines Auswahl-Maßes für die Güte der Auswahl-Projektionsdaten; wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung (34) ferner dazu ausgebildet ist, finale Projektionsdaten der bildgebenden Vorrichtung (20) basierend auf den Auswahl-Projektionsdaten und den Auswahl-Maßen zu bestimmen, um dadurch eine Geometriekalibrierung der bildgebenden Vorrichtung (20) zu bestimmen.
  14. Bildgebende Vorrichtung (20) mit einer Vorrichtung (30) zum Bestimmen einer Geometriekalibrierung nach Anspruch 13.
  15. Computerprogrammprodukt, welches ein Programm umfasst und direkt in einen Speicher einer programmierbaren Recheneinheit einer Datenverarbeitungsvorrichtung (34) ladbar ist, mit Programmmitteln, um ein Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11 auszuführen, wenn das Programm in der Datenverarbeitungsvorrichtung (34) ausgeführt wird.
  16. Computerlesbares Speichermedium, auf welchem lesbare und ausführbare Programmabschnitte gespeichert sind, um alle Schritte der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen, wenn die Programmabschnitte von der Datenverarbeitungsvorrichtung (34) ausgeführt werden.
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