DE10247832A1

DE10247832A1 - Erstellung eines 4D-Bilddatensatzes einer bewegten röhrenförmigen Struktur

Info

Publication number: DE10247832A1
Application number: DE10247832A
Authority: DE
Inventors: Babak Movassaghi; Volker Dr. Rasche; Michael Dr. Grass
Original assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2002-10-14
Filing date: 2002-10-14
Publication date: 2004-04-22
Also published as: WO2004036502A1; AU2003267729A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Erstellung eines 4-D-Bilddatensatzes einer dreidimensionalen röhrenförmigen Struktur eines Untersuchungsobjekts, welches einer periodischen Bewegung unterliegt, aus einer Anzahl von aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen und in unterschiedlichen Bewegungsphasen erfassten 2-D-Projektionsbildern (D) der röhrenförmigen Struktur, wobei die periodische Bewegung durch ein parallel zur Erfassung der 2-D-Projektionsbilder (D) erfasstes Bewegungssignal (E) repräsentiert wird. Um einen möglichst genauen 4-D-Bilddatensatz zu erhalten, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, in wenigstens zwei 2-D-Projektionsbildern (D) einer ersten Bewegungsphase 2-D-Zentrallinienpunkte (Z) in röhrenförmigen Strukturelementen (H) zu bestimmen, daraus ein erstes Modell von 3-D-Zentrallinienpunkten (M) zu gewinnen und diese dann in weitere 2-D-Projektionsbilder (D) anderer Bewegungsphasen zu projizieren. Die hineinprojizierten 3-D-Zentrallinienpunkte (M) werden dann automatisch registriert, woraus schließlich der Verlauf der röhrenförmigen Strukturelemente (H) in den einzelnen 2-D-Projektionsbildern (D) gewonnen wird, die letztendlich die Rekonstruktion von 3-D-Bildern der röhrenförmigen Struktur in unterschiedlichen Bewegungsphasen erlauben. Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt zur Erstellung eines 4-D-Bilddatensatzes der Herzkranzgefäße eines Patienten angewendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung eines 4D-Bilddatensatzes einer dreidimensionalen röhrenförmigen Struktur eines Untersuchungsobjekts, welches einer periodischen Bewegung unterliegt, aus einer Anzahl von aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen und in unterschiedlichen Bewegungsphasen erfassten 2D-Projektionsbildern der röhrenförmigen Struktur, wobei die periodische Bewegung durch ein parallel zur Erfassung der 2D-Projektionsbilder erfasstes Bewegungssignal repräsentiert wird. Des weiteren betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zur Erstellung eines 4D-Bilddatensatzes sowie ein Computerprogramm zur Implementierung des Verfahrens.
Ein potentielles Anwendungsbereich der medizinischen Bildgebung, insbesondere der dreidimensionalen Rotationsangiographie, ist die Rekonstruktion von 3D-Bildern bewegter Objekte, wie beispielsweise des Herzens oder der Herzkranzgefäße eines Patienten. Die periodische Bewegung des Objekts ist bei der Bildgebung zu berücksichtigen, wozu ein entsprechendes Bewegungssignal, das beispielsweise die Kontraktionsbewegung des Herzens oder die Atembewegung des Patienten erfasst, herangezogen werden kann. Es wird somit ein vierdimensionaler Datensatz erfasst und rekonstruiert, wobei als vierte Dimension die Zeit bzw. die einzelnen Bewegungsphasen innerhalb einer Periode der Bewegung verwendet wird.
Die Erzeugung von 4D-Modellen aus 2D-Projektionsbildern ist bekannt und beispielswiese in „A quantitative study of coronary vasculature in four dimensions", E. Olszewski et al., IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, 4 (2000), beschrieben. Allerdings ist das dort beschriebene Verfahren durch die manuelle Verfolgung der Zentrallinien von Gefäßen begrenzt und für biplanare Angiographiesysteme ausgelegt.
Ein Verfahren zur 3D-Modellierung einer dreidimensionalen röhrenförmigen Struktur aus 2D-Projektionsbildern ist darüber hinaus in der europäischen Patentanmeldung 02077203.4 beschrieben. Dabei wird ein 3D-Modell einer röhrenförmigen Struktur, beispielsweise der Herzkranzgefäße, aus 2D-Projektionsbildern mit Hilfe sogenannter Epipolarlinien gewonnen. Eine eventuelle periodische Bewegung, der die röhrenförmige Struktur unterliegt, wird dabei allerdings nicht berücksichtigt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Erstellung eines 4D-Bilddatensatzes einer dreidimensionalen röhrenförmigen Struktur eines Untersuchungsobjekts anzugeben, das insbesondere eine höhere Genauigkeit aufweist und möglichst auch automatisch und ohne Benutzereingriffe durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst mit den Schritten:

a) Bestimmung von zentral in röhrenförmigen Strukturelementen der röhrenförmigen Struktur verlaufenden 2D-Zentrallininenpunkten in wenigstens zwei in derselben ersten Bewegungsphase erfassten ersten 2D-Projektionsbildern,
b) Modellierung von ersten 3D-Zentrallininenpunkten aus den 2D-Zentrallininenpunkten in derselben ersten Bewegungsphase,
c) Projektion der ersten 3D-Zentrallininenpunkte in wenigstens zwei in einer zweiten Bewegungsphase erfasste zweite 2D-Projektionsbilder,
d) Registrierung der in die zweiten 2D-Projektionsbilder projizierten 3D-Zentrallininenpunkte, um darin registrierte 2D-Zentrallinienpunkte zu erhalten,
e) Iteration der Schritte c) und d) für weitere Bewegungsphasen, um in weiteren 2D-Projektionsbildern weiterer Bewegungsphasen registrierte 2D-Zentrallinienpunkte zu erhalten,
f) Bestimmung des Verlaufs der röhrenförmigen Strukturelemente in den 2D-Projektionsbildern anhand der registrierten 2D-Zentrallinienpunkte und
g) Rekonstruktion von 3D-Bildern der röhrenförmigen Struktur in unterschiedlichen Bewegungsphasen.

Diese Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine korrespondierende Vorrichtung, wie sie in Anspruch 7 angegeben ist. Ein Computerprogramm zur Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Anspruch 8 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, zunächst ein 3D-Modell der röhrenförmigen Struktur für eine erste Bewegungsphase aus mindestens zwei 2D-Projektionsbildern zu erstellen, wozu beispielsweise das in der genannten europäischen Patentanmeldung 02077203.4 beschriebene Verfahren benutzt werden kann. Dabei werden im Zentrum der röhrenförmigen Strukturelemente der röhrenförmigen Struktur verlaufende Zentrallinienpunkte in dem 3D-Modell gefunden. Diese werden dann in weitere 2D-Projektionsbilder projiziert, die in anderen Bewegungsphasen erfasst wurden. Anhand der registrierten 2D-Zentrallinienpunkte in den 2D-Projektionsbildern unterschiedlicher Bewegungsphasen wird dann der Verlauf der röhrenförmigen Strukturelemente in den 2D-Projektionsbildern bestimmt, woraus schließlich ein vierdimensionaler Bilddatensatz, also bewegungskompensierte 3D-Bilddatensätze der röhrenförmigen Struktur in unterschiedlichen Bewegungsphasen, erstellt bzw. rekonstruiert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist unabhängig von der verwendeten Bildgebungsarchitektur, kann also beispielsweise 2D-Projektionsbilder verarbeiten, die mit einem monoplanaren oder biplanaren C-Arm-Röntgensystem erfasst wurden, sofern die Projektionsgeometrie, also die Lage der Detektorebene und des Fokuspunktes der Röntgenröhre bei der Erfassung der 2D-Projektionsbilder bekannt ist. Vorteilhafterweise lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren völlig automatisch durchführen, insbesondere die elastische Registrierung der in die 2D-Projektionsbilder aus unterschiedlichen Bewegungsphasen projizierten 3D-Zentrallinienpunkte. Alternativ kann, wie in einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen ist, diese Registrierung auch durch einen Benutzer interaktiv oder halbautomatisch, wobei der Benutzer dann nur eine manuelle Korrektur von einzelnen Zentrallinienpunkten vornimmt, erfolgen.
Bei der bevorzugten automatischen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere der Registrierung der 3D-Zentrallinienpunkten, erfolgt bevorzugt eine Berücksichtigung von Bildwerten entlang eines Querschnitts durch ein röhrenförmiges Strukturelement, um die Positionen von in die 2D-Projektionsbilder projizierten 3D-Zentrallinienpunkte zu korrigieren. Es wird also beispielsweise der Verlauf der Grauwerte im Querschnitt durch ein röhrenförmiges Strukturelement in einem 2D-Projektionsbild betrachtet, wobei der Querschnitt durch einen projizierten 3D-Zentrallinienpunkt gelegt wird. Anhand dieses Grauwertverlaufs kann die Position des projizierten 3D-Zentrallinienpunktes so korrigiert werden, dass er mit dem tatsächlichen Zentrallinienpunkt, also dem mittig zwischen den beiden Außenrändern des röhrenförmigen Strukturelements liegenden Zentrallinienpunkt, zusammenfällt. Vorzugsweise weist dort der Bildwert- bzw. Grauwertverlauf ein Extremum auf.
Es gibt jedoch auch andere Möglichkeiten, den mittig zwischen den Außenrändern eines röhrenförmigen Strukturelements liegenden Zentrallinienpunkt zu finden und den projizierten 3D-Zentrallinienpunkt entsprechend hinsichtlich seiner Position zu korrigieren, beispielsweise durch Berechnung der Eigenvektoren der Hesse Matrix an den projizierten 3D-Zentrallinienpunkten. Die – im 2D-Fall – Eigenvektoren der Hesse Matrix geben die Richtung der stärksten bzw. geringsten Änderung an, also in Richtung tangential bzw. senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Durch sukzessive Abtasten senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und unter Beobachtung der Größe des Eigenvektors in Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung , d.h. Stärke der Änderung an der jeweilige Stelle, kann der projizierte 3D-Zentrallinienpunkt hinsichtlich seiner Position korrigiert werden.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Bildgebung der Herzkranzgefäße eines Patienten angewendet. Die Herzkranzgefäße unterliegen im wesentlichen einer periodischen Bewegung aufgrund der regelmäßigen Kontraktion des Herzens. Diese Bewegung wird bevorzugt mittels eines Elektrokardiogramms erfasst, das gleichzeitig während der Erfassung der 2D-Projektionsbilder erfasst wird und somit eine Zuordnung der einzelnen 2D-Projektionsbilder zu einzelnen Bewegungsphasen des Herzens erlaubt. Alternativ oder ergänzend kann auch ein Atembewegungssignal erfasst werden, das die Atembewegung des Patienten während der Erfassung der 2D-Projektionsbilder repräsentiert. Die Atembewegung stellt ebenfalls im wesentlichen eine periodische Bewegung dar, die bei der Rekonstruktion des 4D-Bilddatensatzes der röhrenförmigen Struktur berücksichtigt und kompensiert werden kann, um eine noch höhere Genauigkeit zu erzielen.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auch für andere röhrenförmige Strukturen neben den Herzkranzgefäßen verwenden, beispielsweise zur Rekonstruktion eines 4D-Bilddatensatzes des Darmverlaufs oder der Luftwege eines Patienten. Darüber hinaus lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren aber nicht nur in der medizinischen Bildgebung, sondern grundsätzlich auch in der industriellen Bildgebung verwenden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: 1 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 die zeitliche Zuordnung zwischen EKG und 2D-Projektionsbildern und 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Rekonstruktion bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.
In 1 sind die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Flussdiagramm zusammengestellt. In einem ersten Schritt S1 werden zunächst in 2D-Projektionsbildern einer ersten Bewegungsphase Zentrallinienpunkte innerhalb von der röhrenförmigen Strukturelementen der zu modulierenden röhrenförmigen Struktur bestimmt. Zentrallinienpunkte sind dabei Punkte, die auf einer zentral im röhrenförmigen Strukturelement verlaufenden Linie des in dem entsprechenden 2D-Projektionsbild abgebildeten röhrenförmigen Strukturelement liegen. Diese Zentrallinienpunkte können beispielsweise durch den Benutzer bestimmt werden, indem dieser beispielsweise mittels eines Zeigers die entsprechenden Punkte markiert.
Alternativ können jedoch auch Bildverarbeitungsalgorithmen verwendet werden, um die Zentrallinienpunkte zu finden und zu markieren. Nach manueller Bestimmung von Startpunkt und Zielpunkt auf einer röhrförmige Struktur kann durch Berechnung der Eigenvektoren der Hesse Matrix die tangentiale Ausbreitungsrichtung entlang der Struktur bestimmt werden. Durch einen iterativen Schritt in dieser Richtung und wiederholte Berechnung der Eigenvektoren der Hesse Matrix für diesen Punkt kann sukzessiv diese Prozedur wiederholt werden, bis der Zielpunkt erreicht worden ist.
Die 2D-Projektionsbilder D werden bevorzugt kontinuierlich mittels einer C-Arm-Röntgeneinrichtung während einer kontinuierlichen Rotation von Röntgenröhre und Röntgendetektor um das Untersuchungsobjekt erfasst. Für jedes 2D-Projektionsbild ist dabei die Projektionsgeometrie bekannt. Bevorzugt sind auch Maßnahmen zur Kompensation von Verzerrungen aufgrund des Erdmagnetfeldes getroffen.
Parallel zur Erfassung der 2D-Projektionsbilder D wird außerdem ein Bewegungssignal erfasst. Als Beispiel für ein solches Bewegungssignal ist in 2 ein Elektrokardiogramm E gezeigt, das eine Periode T, beispielsweise erkennbar zwischen den R-Zacken, aufweist. Insbesondere zur Bildgebung der Herzkranzgefäße, die einer periodischen Bewegung aufgrund der Kontraktionsbewegung des Herzens unterliegen, wird ein solches Elektrokardiogramm E verwendet. Wie in 2 gezeigt ist, werden während jeder Periode T mehrere 2D-Projektionsbilder D, im vorliegenden Fall während jeder Periode T acht 2D-Projektionsbilder D₀₁, D₀₂, ... D₀₈ usw. erfasst, die somit alle unterschiedlichen Bewegungsphasen zugeordnet sind. Während jeder Periode T gibt es somit ein 2D-Projektionsbild für jede der, im vorliegenden Beispiel acht, Bewegungsphasen. Die 2D- Projektionsbilder sind bevorzugt während des kontinuierlichen Durchlaufens einer Trajektorie erfasst, wenn also mit unterschiedlicher Projektionsgeometrie erfasst, die jedoch für jedes 2D-Projektionsbild genau bekannt ist.
In dem ersten Schritt S 1 des erfindungsgemäßen Verfahrens werden somit für eine spezielle Bewegungsphase, beispielsweise für die erste Bewegungsphase während der Periode T, Zentrallinienpunkte in wenigstens zwei 2D-Projektionsbildern, beispielsweise in den Projektionsbildern D₀₁ und D₁₁, die in derselben Bewegungsphase, aber in unterschiedlichen Projektionsgeometrien erfasst wurden, bestimmt.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt S2 werden die in Schritt S1 bestimmten 2D-Zentrallinienpunkte dazu verwendet, 3D-Zentrallinienpunkte zu modellieren. Dazu wird bevorzugt das in der europäischen Patentanmeldung 02077203.4 beschriebene Verfahren unter Benutzung von Epipolarlinien verwendet. Jeder Punkt P_o (oder jedes Pixel) in einer beliebigen Projektion (z.B. D_0i;) erzeugt eine entsprechende Epipolarlinie in allen anderen Projektionen (z.B. Dk;). Nur für Projektionen in der gleichen Herzphase korrespondieren diese Epipolarlinen auch korrekt zueinander. Eine Epipolarlinie ist dabei die Schnittlinie zwischen der Projektionsebene eines 2D-Projektionsbildes (z.B. D_ki) und einer Ebene, die durch die drei Punkte P₀, F_0i und F_ki aufgespannt ist, wobei F_0i und F_ki die Fokuspunkte der Röntgenröhre der zwei beteiligten Projektionen sind. Dadurch können Korrespondenzen zwischen 2D-Zentrallinienpunkten in den ersten beiden 2D-Projektionsbildern D₀₁ und D₁₁ ermittelt werden, so dass daraus ein Modell von 3D-Zentrallinienpunkten gefunden werden kann.
Dies ist symbolisch näher in 3 erläutert. Dort ist in den beiden ersten 2D-Projektionsbildern D₀₁ und D₁₁ der Verlauf eines röhrenförmigen Strukturelements H bzw. dessen Ränder gezeigt. Mittig innerhalb dieses röhrenförmigen Strukturelements H verlaufen Zentrallinienpunkte Z₀₁ bzw. Z₁₁, die im Schritt S 1 ermittelt wurden. Aus diesen Zentrallinienpunkten Z₀₁ und Z₁₁ werden in Schritt S2 nun 3D-Zentrallinienpunkte M₁ modelliert, um somit ein erstes 3D-Modell des Verlaufs der Zentrallinienpunkte zu gewinnen.
In Schritt S3 werden die gewonnenen 3D-Zentrallinienpunkte M₁ nun in mindestens zwei 2D-Projektionsbilder einer anderen Bewegungsphase, also beispielsweise die 2D-Projektionsbilder D₀₂ und D₁₂, die beide in derselben Bewegungsphase, aber mit unterschiedlichen Projektionsgeometrien, erfasst wurden, projiziert, was oft auch als „mapping" bezeichnet wird. Dadurch ergeben sich 2D-Zentrallinienpunkte Z₀₂ bzw. Z₁₂, die beispielsweise den in 3 gezeigten Verlauf innerhalb des röhrenförmigen Strukturelements H aufweisen. Wie leicht erkennbar ist, verlaufen die Zentrallinienpunkte Z₀₂ bzw. Z₁₂ nicht an allen Stellen tatsächlich zentral innerhalb des röhrenförmigen Strukturelements H, was im wesentlichen eine Folge der Bewegung des röhrenförmigen Strukturelements H zwischen den Aufnahmezeitpunkten der 2D-Projektionsbilder D₀₁ und D₀₂ bzw. D₁₁ und D₁₂ ist.
Um diese Bewegung auszugleichen, erfolgt in einem nachfolgenden Verfahrensschritt S4 eine elastische Registrierung innerhalb der zweiten 2D-Projektionsbilder D₀₂, D₁₂, bei der die Lage der Zentrallinienpunkte Z₀₂ bzw. Z₁₂ so korrigiert wird, dass die Zentrallinienpunkte mittig innerhalb des röhrenförmigen Strukturelements H verlaufen. Die Position der in die 2D-Projektionsbilder D₀₂ und D₁₂ projizierten Zentrallinienpunkte Z₀₂, Z₁₂ werden also in die korrigierten Positionen der Zentrallinienpunkte Z₀₂ bzw. Z₁₂ korrigiert. Diese Korrektur kann interaktiv durch den Benutzer erfolgen, indem dieser beispielsweise am Bildschirm mittels eines Cursors die falsch liegenden Zentrallinienpunkte verschiebt, so dass sie die richtige mittige Lage einnehmen. Alternativ kann auch ein halbautomatisches Registrierungsverfahren verwendet werden, bei dem die Korrektur im wesentlichen automatisch mittels eines geeigneten Algorithmus erfolgt und nur geringfügige Korrekturen ggf. vom Benutzer vorgenommen bzw. Korrekturvorschläge verifiziert werden müssen.
Bevorzugt erfolgt die Positionskorrektur jedoch vollautomatisch, indem beispielsweise, wie eingangs beschrieben, der Verlauf der Bildwerte bzw. Grauwerte im Querschnitt durch das röhrenförmige Strukturelement H ermittelt und ausgewertet wird, wobei der Querschnitt durch den zu korrigierenden Zentrallinienpunkt verläuft. Dieser Verlauf weist im allgemeinen ein Extremum auf, das im wesentlichen die Mitte zwischen den benachbarten Rändern des röhrenförmigen Strukturelements H anzeigt. Dorthin kann die Lage des falschliegenden Zentrallinienpunktes dann automatisch verschoben werden.
In Schritt S5 kann entschieden werden, ob die Schritte S3 und S4 für weitere Bewegungsphasen durchgeführt werden sollen. Bevorzugt erfolgt dies für alle weiteren Bewegungsphasen, zumindest für Bewegungsphasen, in denen sich die röhrenförmige Struktur möglichst wenig bewegt hat, was anhand des Bewegungssignals erkennbar ist. Es werden also jeweils immer wenigstens zwei 2D-Projektionsbilder, die aus derselben Bewegungsphase stammen, derart ausgewertet, dass die ersten 3D-Zentrallinienpunkte M₁ auch in weitere 2D-Projektionsbilder projiziert werden, wie anhand des 2D-Projektionsbildes D₀₃, das einer dritten Bewegungsphase entstammt, angedeutet ist. Auch darin liegen zumindest einige der hineinprojizierten Zentrallinienpunkte Z₀₃ nicht mittig zwischen den Rändern des röhrenförmigen Strukturelements H, so dass auch dort ein Registrierungsschritt S4 erforderlich ist, um die korrekte Lage der Zentrallinienpunkte Z₀₃ zu finden.
Nachdem dies für eine vorgegebene Anzahl von Bewegungsphasen bzw. für ausreichend viele Bewegungsphasen erfolgt ist, wird in Schritt S6 der Verlauf des röhrenförmigen Strukturelements H in den ausgewerteten 2D-Projektionsbildern bestimmt. Dabei werden die registrierten Zentrallinienpunkte ausgewertet, um im wesentlichen die Ränder des röhrenförmigen Strukturelements H zu finden. Unterschiedliche bekannte Methoden können dazu verwendet werden, beispielsweise eine Bildwert- oder Grauwertauswertung, bei der ausgehend von einem Zentrallinienpunkt in orthogonaler Richtung zum Verlauf der Zentrallinienpunkte ein Maximum bzw. Minimum der Bildwerte bzw.
Grauwerte oder ein Sprung im Verlauf der Bildwerte bzw. Grauwerte gesucht wird, wodurch der Rand eines röhrenförmigen Strukturelements H im allgemeinen gekennzeichnet ist. Es sind jedoch auch andere Möglichkeiten bekannt, wie beispielsweise Verfahren basierend auf der Auswertung der 1. oder 2. Ableitung des Bildwerte- bzw. Grauwerteverlaufs oder die dem Fachmann bekannte, sogenannte Scale-Space-Methode.
Aus den ermittelten Verläufen des röhrenförmigen Strukturelements H in den einzelnen 2D-Projektionsbildern kann schließlich in Schritt S7 ein 4D-Bilddatensatz rekonstruiert werden, also eine Folge von unterschiedlichen Bewegungsphasen zugeordneten 3D-Bilddatensätzen, die zueinander registriert sind und die röhrenförmige Struktur zu unterschiedlichen Zeitpunkten bzw. Bewegungsphasen während der periodischen Bewegung zeigen. Diese bewegungskompensierten 3D-Bilddatensätze können schließlich auch in Schritt S8 visualisiert werden, beispielsweise als einzelne nebeneinander dargestellte Bilder oder in Form eines die einzelnen Bewegungsphasen darstellenden Films als zeitliche Abfolge von 3D-Bildern.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich somit ein 4D-Bilddatensatz eines einer periodischen Bewegung unterliegenden Objekts rekonstruieren, wobei die einzelnen 3D-Bilder des 4D-Bilddatensatzes bewegungskompensiert, aufeinander registriert und unterschiedlichen Bewegungsphasen zugeordnet sind. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht die Möglichkeit, alle Schritte automatisch ablaufen zu lassen und eine hohe Genauigkeit zu erzielen. Unterschiedliche Bildgebungsmodalitäten und verschiedene Ausgestaltungen von Abbildungseinrichtungen können verwendet werden, um die erfindungsgemäß zu verwertenden 2D-Projektionsbilder zu erfassen. Wenn beispielsweise ein biplanares Röntgensystem verwendet wird, erfolgt die elastische Registrierung der Zentrallinienpunkte in den verschiedenen Bewegungsphasen in 2D-Projektionsbildern mit derselben Projektionsgeometrie. Wenn die Akquisition der 2D-Projektionsbilder während einer kontinuierlichen Rotation, beispielsweise eines Computertomographen oder eines C-Arm-Systems erfolgt, ist das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt so ausgestaltet, dass die Registrierungsschritte immer nacheinander in 2D-Projektionsbildern erfolgen, die mit der nahegelegensten Projektionsgeometrie erfasst wurden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die beispielhaft anhand der Figuren gezeigte Ausgestaltung beschränkt. Es sind auch Abwandlungen denkbar. So ist beispielsweise möglich, dass nicht nur aus 2D-Projektionsbildern einer einzigen Bewegungsphase 3D-Zentrallinienpunkte gewonnen werden, die in die 2D-Projektionsbilder der anderen Bewegungsphasen hineinprojiziert und dann darin korrigiert werden. Alternativ können vielmehr aus weiteren 2D-Projektionsbildern anderer oder gar aller Bewegungsphasen jeweils 3D-Zentrallinienpunkte gewonnen werden, die dann jeweils in 3D-Projektionsbilder einer oder mehrerer anderer Bewegungsphasen hineinprojiziert und dort korrigiert werden.

Claims

Verfahren zur Erstellung eines 4D-Bilddatensatzes einer dreidimensionalen röhrenförmigen Struktur eines Untersuchungsobjekts, welches einer periodischen Bewegung unterliegt, aus einer Anzahl von aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen und in unterschiedlichen Bewegungsphasen erfassten 2D-Projektionsbildern (D) der röhrenförmigen Struktur (H), wobei die periodische Bewegung durch ein parallel zur Erfassung der 2D-Projektionsbilder erfasstes Bewegungssignal (E) repräsentiert wird, mit den Schritten: a) Bestimmung von zentral in röhrenförmigen Strukturelementen (H) der röhrenförmigen Struktur verlaufenden 2D-Zentrallininenpunkten (Z) in wenigstens zwei in derselben ersten Bewegungsphase erfassten ersten 2D-Projektionsbildern (D), b) Modellierung von ersten 3D-Zentrallininenpunkten (M) aus den 2D-Zentrallininenpunkten (Z) in derselben ersten Bewegungsphase, c) Projektion der ersten 3D-Zentrallininenpunkte (M) in wenigstens zwei in einer zweiten Bewegungsphase erfasste zweite 2D-Projektionsbilder (D), d) Registrierung der in die zweiten 2D-Projektionsbilder (D) projizierten 3D-Zentrallininenpunkte (M), um darin registrierte 2D-Zentrallinienpunkte (Z) zu erhalten, e) Iteration der Schritte c) und d) für weitere Bewegungsphasen, um in weiteren 2D-Projektionsbildern (D) weiterer Bewegungsphasen registrierte 2D-Zentrallinienpunkte (Z) zu erhalten, f) Bestimmung des Verlaufs der röhrenförmigen Strukturelemente (H) in den 2D-Projektionsbildern (D) anhand der registrierten 2D-Zentrallinienpunkte (Z) und g) Rekonstruktion von 3D-Bildern der röhrenförmigen Struktur in unterschiedlichen Bewegungsphasen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Registrierung in Schritt d) durch Positionskorrektur der 3D-Zentrallinienpunkte (M) in den 2D-Projektionsbildern (D) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Registrierung in Schritt d) interaktiv durch den Benutzer oder halbautomatisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Registrierung in Schritt d) automatisch erfolgt, insbesondere durch Berücksichtigung der Bildwerte entlang eines Querschnitts durch ein röhrenförmiges Strukturelement (H) und Positionskorrektur der 3D-Zentrallinienpunkten (M) in den 2D-Projektionsbildern (D).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bewegungssignal (E) ein Elektrokardiogramm oder ein Atembewegungssignal verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Bildgebung der Herzkranzgefäße eines Patienten verwendet wird.
Vorrichtung zur Erstellung eines 4D-Bilddatensatzes einer dreidimensionalen röhrenförmigen Struktur eines Untersuchungsobjekts, welches einer periodischen Bewegung unterliegt, aus einer Anzahl von aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen und in unterschiedlichen Bewegungsphasen erfassten 2D-Projektionsbildern (D) der röhrenförmigen Struktur, wobei die periodische Bewegung durch ein parallel zur Erfassung der 2D-Projektionsbilder erfasstes Bewegungssignal (E) repräsentiert wird, mit: a) Mitteln zur Bestimmung von zentral in röhrenförmigen Strukturelementen (H) der röhrenförmigen Struktur verlaufenden 2D-Zentrallininenpunkten (Z) in wenigstens zwei in derselben ersten Bewegungsphase erfassten ersten 2D-Projektionsbildern (D), b) Mitteln zur Modellierung von ersten 3D-Zentrallininenpunkten (M) aus den 2D-Zentrallininenpunkten (Z) in derselben ersten Bewegungsphase, c) Mitteln zur Projektion der ersten 3D-Zentrallininenpunkte (M) in wenigstens zwei in einer zweiten Bewegungsphase erfasste zweite 2D-Projektionsbilder (D), d) Mitteln zur Registrierung der in die zweiten 2D-Projektionsbilder (D) projizierten 3D-Zentrallininenpunkte (M), um darin registrierte 2D-Zentrallinienpunkte (D) zu erhalten, e) Mitteln zur Iteration der Schritte c) und d) für weitere Bewegungsphasen, um in weiteren 2D-Projektionsbildern (D) weiterer Bewegungsphasen registrierte 2D-Zentrallinienpunkte (Z) zu erhalten, f) Mitteln zur Bestimmung des Verlaufs der röhrenförmigen Strukturelemente (H) in den 2D-Projektionsbildern (D) anhand der registrierten 2D-Zentrallinienpunkte (Z) und g) Mitteln zur Rekonstruktion von 3D-Bildern der röhrenförmigen Struktur in unterschiedlichen Bewegungsphasen.
Computerprogramm mit Computerprogrammmitteln zur Veranlassung eines Computers zur Ausführung der Schritte des Verfahrens nach Anspruch 1, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird.