DE19648052A1 - Verfahren zur 3-dimensionalen Rekonstruktion der Position von Teilobjekten eines Schädels - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur 3-dimensionalen Re­ konstruktion der Position von Teilobjekten (Unterstrukturen) eines Schädels unter Zuhilfenahme eines Röntgengerätes, wel­ ches eine räumlich verstellbare Dreheinheit mit einem Rönt­ genstrahler und einer diametral zum Strahler angeordneten Aufnahmeeinheit aufweist, die zwei in einem sehr engen Ab­ stand angeordnete elektronische Bildsensoren enthält, auf die die bei einer Aufnahme das Objekt in einem dem Abstand entsprechenden unterschiedlichen Winkel durchstrahlenden Röntgenstrahlen auftreffen.

Die 3-dimensionale Rekonstruktion der Position von Teilob­ jekten eines Schädels ist zwar prinzipiell mit NMR- und CT-Anlagen möglich; solche Großanlagen sind jedoch sehr aufwen­ dig und für viele Anwendungsfälle, insbesondere für den Ein­ satz in der zahnärztlichen Praxis, letztlich wegen eines nicht ausgewogenen Kosten-/Nutzenverhältnisses nicht geeig­ net. Mit den konventionellen Tomographie- oder Orthopantomo­ graphiegeräten, wie sie in der zahnärztlichen Praxis einge­ setzt werden, lassen sich keine 3D-Rekonstruktionen vom Schä­ del oder Teilen des Schädels erzielen.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zu­ grunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem es unter Anwendung der im zahnärztlichen Bereich üblichen Panorama-Röntgengeräte möglich ist, auch 3-dimensionale Bilder von Teilobjekten ei­ nes Schädels machen zu können. Im besonderen zielt die vor­ liegende Erfindung auf die Anwendung in der Kieferorthopädie ab.

Gemäß der Erfindung wird von dem interessierenden Objekt (Schädel) zunächst eine 2-Bild-Aufnahme erstellt. Bei ent­ sprechender Steuerung der Bewegung der Dreheinheit und der TDI-Zeilen der elektronischen Bildsensoren können sich hier­ aus zwei Schichtaufnahmen ergeben. Als 2-Bild-Aufnahme können aber auch, bei entsprechender Steuerung der TDI-Zeilen der Sensoren, zwei gescannte Summationsbilder entstehen. Die den beiden Bildern der 2-Bild-Aufnahme entsprechenden Daten werden als Datensatz in einen Rechner gegeben bzw. liegen entsprechend dem Aufnahmeverfahren im Rechner vor. Das vom einen Bildsensor gewonnene Bild mit interessierenden Teilob­ jekten des Schädels wird anschließend auf dem Bildschirm dar­ gestellt und die Teilobjekte werden markiert. Die dazu kor­ respondierenden Teilobjekte im vom anderen Bildsensor gewon­ nenen Bild werden vom Rechner ausgesucht und vorzugsweise au­ tomatisch, eventuell aber auch interaktiv, markiert. Aus den Geometriedaten der Geräteanordnung und der rage der Teilob­ jekte in beiden Bildern wird sodann im Rechner die 3D-Lagebe­ ziehung nach bekannten Formeln errechnet und mittels eines 3D-Visualisierungsprogrammes auf einem Monitor zur Befundung aufgezeigt. Typische Objekte können dabei sein: Zähne, Kie­ fergelenkskopf, Nasion etc. Medizinisch charakteristische Da­ ten können automatisch berechnet und angezeigt werden (Längen und Winkelwerte, wie sie in der Kieferorthopädie relevant sind) . Das Markieren eines interessierenden Teilobjektes kann sich auf ein Markieren eines bestimmten Punktes des Teilobjektes beziehen; bei komplexen Situationen kann es er­ forderlich werden, daß die gesamte Kontur des Teilobjektes markiert werden muß. Die zum Auffinden der korrespondierenden Teilobjekte im zweiten Bild erforderlichen Algorithmen werden durch die jeweiligen Objekte bestimmt. Im wesentlichen sind diese an die Algorithmen, wie sie aus der Stereofotogramme­ trie bekannt sind, angelehnt. Bei bestimmten Objekten kann es auch vorteilhaft sein, wenn der Benutzer selbst die Objekte im zweiten Bild markiert. Das Markieren kann beispielsweise mit Hilfe eines elektronischen Graphik-Eingabetableaus erfol­ gen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben, wobei die Fig. 1 und 2 zunächst den an sich bekannten konventionellen Aufbau einerseits eines zahnärztli­ chen Röntgengerätes zur Erstellung von Panorama-Schichtauf­ nahmen (Fig. 1) und andererseits zur Erstellung von Schädel­ aufnahmen (Fig. 2) zeigen. Anhand der Fig. 3 und 4 wird der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert.

Die Fig. 1 zeigt in einer Prinzipdarstellung ein zahnärztli­ ches Röntgendiagnostikgerät zur Erstellung von Pano­ rama-Schichtaufnahmen. Das Gerät enthält eine in der Höhe ver­ stellbare Tragsäule 1, an der eine mittels eines Antriebs D2 verstellbare Dreheinheit 2 gehaltert ist. Die Dreheinheit ist Träger einerseits einer Röntgenstrahlenquelle 3 und anderer­ seits einer diametral dazu angeordneten Röntgenzeilenkamera 4. Mit 5 ist eine Halte- und Positioniereinrichtung bezeich­ net, mit der in bekannter Weise der Patientenkopf in einer definierten Position fixiert werden kann. Aufbau sowie Ver­ stellmöglichkeiten der Dreheinheit und der Kopfhalte- und Positioniereinrichtung sind bekannt und beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung 0 632 995 näher beschrieben.

Die Fig. 2 zeigt das gleiche Grundgerät wie beschrieben, er­ gänzt jedoch durch eine am Gerät adaptierbare Vorrichtung, mit der sich Schädelfernaufnahmen (sog. Ceph-Aufnahmen) er­ stellen lassen. Die Tragsäule 1 ist mittels eines Antriebes Dl in Pfeilrichtung höhenverstellbar ausgebildet. Die Dreh­ einheit 2 kann mittels eines oder mehrerer Antriebe D2 ge­ dreht und geschwenkt werden, um eine Panoramaaufnahme erstel­ len zu können. Einzelheiten hierzu sind beispielsweise aus der EP-0 229 308 entnehmbar. Am höhenverstellbaren Teil 1a der Tragsäule ist ein Auslegerarm 6 befestigt, der eine wei­ tere Kopfhalte- und Positioniereinrichtung 7 trägt. Die Zei­ lenkamera 4 ist im Gegensatz zu der in Fig. 1 gezeigten Ver­ sion nicht senkrecht sondern waagerecht angeordnet und mit einer Vorblende 12 verbunden, die dazu dient, den an sich schon von der im Bereich der Röntgenstrahlenquelle 3 angeord­ neten Sekundärblende begrenzten Fächerstrahl nochmals exakt auf die Schlitzbreite und Schlitzlänge der Zeilenkamera zu justieren. In der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der vorge­ nannten Geräte ist die Zeilenkamera 4 ähnlich wie in der be­ reits genannten EP 0 632 995 aufgebaut; im Innern des Gehäu­ ses befindet sich aber nicht ein zweidimensionaler CCD-Sen­ sor; vielmehr sind dort zwei CCD-Sensoren 9, 10 in einem sehr engen Abstand a von etwa 5 bis 10 cm voneinander angeordnet (Fig. 3). Wie durch die Doppellinienverbindung zum Ausdruck gebracht werden soll, ist die Zeilenkamera 4 mit den beiden Bildsensoren 9, 10 mit der Röntgenstrahlenquelle 3 und der Zweischlitzblende starr verbunden. Im Falle eines Panorama- Gerätes (Fig. 1) läßt sich dieses System in x-/y-Richtung translatorisch und um die Senkrechte dazu (z) rotatorisch be­ wegen. Im Falle einer Fernröntgenanordnung (Fig. 2) läßt sich das System nur vertikal verschieben.

Die Primärblende 12 ist hier als Zweischlitzblende ausgebil­ det, und zwar dergestalt, daß der von der Röntgenstrahlen­ quelle 3 ausgehende Strahl in zwei Teilstrahlen unterteilt wird, die unter dem relativen Winkel α auf die beiden CCD-Detektoren 9, 10 gerichtet sind. Jedes Teilobjekt 11' (Zahn), 11'' (Kiefergelenk) oder 11''' (Nasion) des zwischen Strahlenquelle und Zeilenkamera angeordneten Objekts 11 (Schädel) wird demnach unter leicht unterschiedlicher Blickrichtung von etwa 5 bis 10° aufgenommen, wenn das aus Strahlenquelle 3, Zweischlitzblende 12 und Zeilenkamera 4 bestehende System in der vorerwähnten Weise gedreht bzw. ge­ schwenkt bzw. linear bewegt wird.

Die Geometriedaten der gesamten Anlage, also die relativen Positionen der Röntgenstrahlenquelle 3 und der Zeilenkamera 4, sind durch vorausgegangene Vermessung bzw. aus den Kon­ struktionsdaten festgelegt und bekannt. Diese Daten werden aus einem Speicher 13 als Istwerte einem Rechner 14 (Fig. 4) zugeführt oder können im Rechner bereits enthalten sein. In den Rechner 14 werden auch die Daten der über die beiden Bildsensoren aufgenommenen Aufnahmen als Datensatz eingege­ ben. Auf einem Bildschirm 15 wird das von dem ersten Bildsen­ sor gewonnene Bild visualisiert. Die interessierenden Teil­ objekte werden anschließend vom Bediener markiert. Dieser Prozeß wird mit dem vom zweiten Bildsensor gewonnenen Bild wiederholt, wobei die zum ersten Bild korrespondierenden Teilobjekte vom Rechner automatisch ausgesucht und markiert oder auch interaktiv markiert werden können. Aus den Geome­ triedaten der gesamten Anlage und der Teilobjektlage in den beiden Bildern wird im Rechner nun die 3D-Lagebeziehung zwi­ schen den Teilobjekten errechnet. Die 3D-Lagebeziehung kann anschließend als Tabelle oder mittels eines im Rechner vor­ handenen 3D-Visualisierungsprogrammes dreidimensional aufge­ zeigt werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur 3-dimensionalen Rekonstruktion der Position von Teilobjekten (Unterstrukturen) eines Schädels (11) unter Zuhilfenahme eines Röntgengerätes welches eine Dreheinheit (2) mit einem Röntgenstrahler (3) und eine diametral zum Strahler angeordnete Aufnahmeeinheit (4) aufweist, die zwei in einem geringem Abstand (a) angeordnete elektronische Bild­ sensoren (9, 10) enthält, auf die bei einer Aufnahme zwei den Schädel (11) mit seinen Teilobjekten (11', 11'', 11''') unter geringfügig verschiedenem Winkel (α) durchstrahlende Rönt­ genstrahlenbündel auftreffen, bei dem die von den beiden Bildsensoren (9, 10) gewonnenen Bilddaten vom durchstrahlten Schädel mit seinen Teilobjekten (11', 11'', 11''') als Daten­ satz in einen Rechner (14) gegeben werden, bei dem im vom er­ sten Bildsensor (9) gewonnenen Bild die in bezug auf eine Diagnose interessierenden Teilobjekte visualisiert und mar­ kiert werden, bei dem anschließend die dazu korrespondieren­ den Teilobjekte im vom anderen Bildsensor (10) gewonnenen Bild ausgesucht und markiert werden, wobei aus den Geome­ triedaten der Geräteanordnung und der Lage der Teilobjekte in den beiden Bildern die 3D-Lagebeziehung zwischen den Teil­ objekten errechnet und als Tabelle oder mittels eines 3D-Vi­ sualisierungsprogrammes auf einem Monitor (15) dargestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Markieren der Teilobjekte (11', 11'', 11''') im ersten und/oder zweiten Bild durch ein Eingabemittel erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Erkennen und Markieren der Teilobjekte (11', 11'', 11''') im ersten und/oder zweiten Bild vom Rechner (14) durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es bei einem zahnärztlichen Gerät zur Erstellung von Fernröntgen (Ceph-)-Aufnahmen angewandt wird.