DE202019003376U1 - X-ray system for iteratively determining an optimal coordinate transformation between overlapping volumes reconstructed from volume data sets of discretely scanned object areas - Google Patents
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Abstract
Röntgensystem, zur iterativen Bestimmung einer optimalen Koordinatentransformation zwischen einem ersten N-dimensionalen Teilvolumen V1 und einem zweiten N-dimensionalen Teilvolumen V2 eines ausgedehnten Objektes, wobei diese Teilvolumina sich teilweise in den Uberlappvolumina OV1 und UOV2 überlappen, und wobei das Röntgensystem geeignet ist
a) Teilvolumina V1 und V2 durch diskrete Abtastung des ausgedehnten Objektes aufzunehmen,
b) eines Bandpassfilter auf die Überlappvolumina OV1 und UOV2 innerhalb eines jeden Iterationsschrittes i anzuwenden, welcher aus dem Überlappvolumen OV1(i) diejenigen Frequenzen entfernt, die in dem Überlappvolumen UOV2(i) nicht enthalten sind, und der aus dem Überlappvolumen UOV2(i) diejenigen Frequenzen entfernt, die in dem Überlappvolumen OV1(i) nicht enthalten sind, wodurch gefilterte Überlappvolumina FOV1(i) und FUOV2(i) erhalten werden,
c) Eine Koordinatentransformation durch iterative Optimierung eines Ähnlichkeitsmaßes zwischen den gefilterten Überlappvolumina FOV1(i) und FUOV2(i) zu bestimmen.
X-ray system, for the iterative determination of an optimal coordinate transformation between a first N-dimensional partial volume V1 and a second N-dimensional partial volume V2 of an extended object, these partial volumes partially overlapping in the overlap volumes OV1 and UOV2, and wherein the X-ray system is suitable
a) to record partial volumes V1 and V2 by discrete scanning of the expanded object,
b) applying a band-pass filter to the overlap volumes OV1 and UOV2 within each iteration step i which removes from the overlap volume OV1 (i) those frequencies which are not included in the overlap volume UOV2 (i) and which is from the overlap volume UOV2 (i) removes those frequencies which are not contained in the overlap volume OV1 (i), whereby filtered overlap volumes FOV1 (i) and FUOV2 (i) are obtained,
c) To determine a coordinate transformation by iteratively optimizing a similarity measure between the filtered overlap volumes FOV1 (i) and FUOV2 (i).
Description
Röntgensystem für die iterative Bestimmung einer optimalen Koordinatentransformation zwischen sich überlappenden Volumina, die aus Volumendatensätzen von diskret abgetasteten Objektbereichen rekonstruiert wurden.X-ray system for the iterative determination of an optimal coordinate transformation between overlapping volumes reconstructed from volume data sets of discretely scanned object areas.
Bekannte Bildaufnahmegeräte zur Abbildung oder Vermessung von Objekten sind durch ein angewandtes Messverfahren stets auf ein Mess- oder Bildfeld beschrankt, innerhalb dessen sie ein Objekt abtasten und ggf. darstellen. Außerhalb eines solchen Messfeldes liegen per Definition keine Informationen über das Objekt vor. Sollte das Messfeld für eine gewählte Anwendung zu klein sein, so ist bekannt, dieses durch eine Anfertigung mehrerer Aufnahmen zu erweitern. Die Gesamtheit der Messfelder bilden das Objekt hierbei vorzugsweise so ab, dass ihre Ränder mindestens aneinander angrenzen, im Allgemeinen sogar überlappen. Es ist bekannt, dass eine fehler- und artefaktarme Kombination von einzelnen Messfeldern zu einem gesamten Messfeld über präzise Kenntnisse der Geometrien und Messverfahren der Bildaufnahmegerate ermöglicht wird, indem dabei Koordinatentransformationen zwischen den Messfeldern ermittelt werden. Weiterhin ist bekannt, dass in Ermangelung einer solchen Kenntnis die Koordinatentransformationen aus dem Vergleich sich entsprechender Bildbereiche in den Uberlappungsbereichen der einzelnen Messfelder gewonnen werden können. Hierbei wird vorzugsweise in einem iterativen Optimierungsverfahren eine initial angenommene Koordinatentransformation derart verbessert, bis das Verfahren entsprechend eines Abbruchkriteriums eine hinreichende Deckungsgleichheit der beiden Messfelder in ihrem Überlappungsbereich erreicht hat. Das Maß der Deckungsgleichheit wird über ein quantitativ formuliertes Ähnlichkeitsmaß bzw. Unähnlichkeitsmaß beschrieben, welches durch das Optimierungsverfahren entsprechend maximiert bzw. minimiert, also optimiert wird. Solcherlei Verfahren sind insbesondere als inelastische oder elastische Registrierung bekannt. Da es jederzeit möglich ist, ein zu maximierendes Ähnlichkeitsmaß in ein zu minimierendes Unähnlichkeitsmaß zu transformieren, beispielsweise durch Multiplikation mit „-1“, wird im Folgenden der Begriff Ähnlichkeitsmaß stellvertretend für beide Optimierungsstrategien verwendet.Known image recording devices for imaging or measuring objects are always limited by a measuring method applied to a measuring or image field within which they scan an object and possibly represent. Outside of such a measurement field, there is by definition no information about the object. If the measuring field is too small for a selected application, it is known to extend this by making several shots. The totality of the measuring fields preferably form the object in such a way that their edges are at least adjacent to each other, in general even overlapping. It is known that a combination of error-and artifact-poor combination of individual measuring fields to an entire measuring field on precise knowledge of the geometries and measurement methods of the image recording devices is made possible by coordinate transformations between the measuring fields are determined. Furthermore, it is known that in the absence of such knowledge, the coordinate transformations can be obtained from the comparison of corresponding image regions in the overlapping regions of the individual measurement fields. In this case, an initially assumed coordinate transformation is preferably improved in an iterative optimization method until the method has reached a sufficient congruence of the two measuring fields in its overlapping region in accordance with a termination criterion. The degree of congruence is described by means of a quantitatively formulated similarity measure or measure of dissimilarity, which is correspondingly maximized or minimized, ie optimized, by the optimization method. Such methods are known in particular as inelastic or elastic registration. Since it is possible at any time to transform a similarity measure to be maximized into a measure of dissimilarity to be minimized, for example by multiplication by "-1", the term similarity measure will be used in the following to represent both optimization strategies.
Im allgemeinen Fall entsprechen die Messfelder dabei Volumendatensätzen eines Raumbereiches, der ein Kontinuum von physikalischen Werten aufweist, welches innerhalb des Volumens mit der Messapparatur diskret und möglicherweise unvollständig abgetastet wird, wobei das Volumen beispielsweise durch Voxel an periodischen Rasterpunkten beschrieben wird. Der Raum kann, muss dabei aber nicht einem physikalischen Raum entsprechen und kann somit eine, zwei, drei oder mehr Dimensionen aufweisen. Entsprechende höherdimensionale Volumina können dabei beispielsweise durch drei Raumdimensionen plus eine Zeitkoordinate (
Die Abtastung des Volumens kann direkt erfolgen oder aus zunächst aufgenommenen Zwischenschritten errechnet werden. Letzteres wird beispielsweise bei der Röntgen-Computertomographie angewandt, wo aus der Aufnahme von zweidimensionalen Röntgenprojektionen beispielsweise mittels des Verfahrens einer gefilterten Rückprojektion eine dreidimensionale Repräsentation der Absorptionseigenschaften des untersuchten Objekts, beispielsweise eines Patienten, errechnet wird.The sampling of the volume can be done directly or calculated from initially recorded intermediate steps. The latter is used, for example, in X-ray computed tomography, where from the acquisition of two-dimensional X-ray projections, for example by means of the filtered back-projection method, a three-dimensional representation of the absorption properties of the examined object, for example a patient, is calculated.
Abgetastete Volumina weisen stets eine Repräsentation im Fourierraum auf, die im Allgemeinen durch eine diskrete Fouriertransformation berechnet werden kann. Es existiert jedoch auch ohne deren explizite Berechnung eine Eins-zu-Eins Entsprechung zwischen den Repräsentationen im Ortsraum und im Fourierraum. Insbesondere kann Messfehlern bzw. Artefakten, die sich im erfassten Volumen, dem sog. Ortsraum äußern, eine direkte Entsprechung im Fourierraum zugeschrieben werden, ohne die Fouriertransformation direkt zu berechnen. Die Koordinatenachsen im Fourierraum werden dabei durch Wellenzahlen bzw. Frequenzen entlang der entsprechenden Raumachsen repräsentiert, und somit entspricht eine Koordinate im Fourierraum einem Tupel an Wellenzahlen bzw. Frequenzen entlang dieser Achsen (im Folgenden als Frequenzen bezeichnet). Im Allgemeinen liegt an einer solchen Fourier-Koordinate eine komplexe Zahl vor, welche die Amplitude und Phase einer (Raum-) Frequenz enthält. Wurde durch das Messverfahren die entsprechende Frequenz nicht erfasst, so ist an der entsprechenden Koordinate im Fourierraum diese Zahl idealerweise gleich Null. Durch eine begrenzte numerische Präzision, oder eine nachgelagerte Bildverarbeitung, kann die tatsächlich vorliegende komplexe Zahl jedoch von Null verschieden sein, weist jedoch im Allgemeinen einen vergleichsweise kleinen Absolutbetrag auf. Im Folgenden soll in diesem Fall von einer „fehlenden“ bzw. „nicht abgetasteten“, „nicht vorhandenen“ oder „nicht erfassten“ Frequenz gesprochen werden. Gleichermaßen soll vom „Entfernen“ von Frequenzen dann die Rede sein, wenn die an ihnen erfassten komplexen Zahlen auf Null bzw. eine sehr kleine Zahl gesetzt werden.Scanned volumes always have a representation in Fourier space, which can generally be calculated by a discrete Fourier transform. However, even without their explicit calculation, there is a one-to-one correspondence between the representations in the space space and in the Fourier space. In particular, measurement errors or artefacts which manifest themselves in the detected volume, the so-called spatial space, can be attributed a direct correspondence in Fourier space without directly calculating the Fourier transformation. The coordinate axes in the Fourier space are represented by wavenumbers or frequencies along the corresponding spatial axes, and thus a coordinate in the Fourier space corresponds to a tuple at wavenumbers or frequencies along these axes (referred to below as frequencies). In general, such a Fourier coordinate has a complex number containing the amplitude and phase of a (space) frequency. If the corresponding frequency was not detected by the measuring method, this number is ideally equal to zero at the corresponding coordinate in the Fourier space. However, due to limited numerical precision, or downstream image processing, the actual complex number may be nonzero, but generally has a comparatively small absolute amount. In the following, in this case, a "missing" or "not sampled", "non-existent" or "unrecorded" frequency shall be used. Likewise, the "removal" of frequencies is said to be the case if the complex numbers collected on them are set to zero or a very small number.
Es ist bekannt, dass durch die Abtastung Artefakte bei der Rekonstruktion des resultierenden Volumens auftreten können. Eine Klasse solcher Artefakte äußert sich dabei dadurch, dass im Fourierraum, also einer Fouriertransformierten des abgetasteten Volumens, ein oder mehrere zusammenhängende Bereiche existieren, die näherungsweise null und damit fehlend sind, dies jedoch nicht mit einer Objekteigenschaft einhergeht. In einem solchen Fall spricht man von Artefakten durch eine unvollständige Abtastung. Die Ausprägung dieser Artefakte im Bild- bzw. Ortsraum hängt dabei im Allgemeinen auch von deren Lokalisation im Volumen ab. Damit kommt es beim Registrieren von Einzelvolumina aufeinander zu der Situation, dass sich einander entsprechende Bildbereiche in der Ausprägung ihrer Artefakte unterscheiden. Die Anwendung eines Ähnlichkeitsmaßes ist damit fehleranfällig, da sich gleiche Objektbereiche in der diskreten Abtastung nur bis zu einem gewissen und ggf. unzureichenden Grad ahnein. In der Konsequenz birgt die Registrierung Fehler, die sich in der Genauigkeit der ermittelten Koordinatentransformation widerspiegeln. Somit sind nach dem Aneinanderfügen der Einzelvolumina signifikante Artefakte zu erwarten.It is known that artifacts can occur in the reconstruction of the resulting volume due to the scanning. A class of such artefacts manifests itself by the fact that in the Fourier space, ie a Fourier transform of the Scanned volume, one or more contiguous areas exist that are approximately zero and thus missing, but this is not associated with an object property. In such a case one speaks of artifacts by an incomplete scan. The expression of these artifacts in the image or spatial space generally depends on their location in the volume. Thus, when registering individual volumes, the situation that different image areas differ in their artifacts occurs. The application of a similarity measure is thus error-prone, since identical object areas in the discrete scan are similar only to a certain extent and possibly insufficient. As a consequence, the registration has errors that are reflected in the accuracy of the determined coordinate transformation. Thus, significant artifacts are expected after the individual volumes are joined together.
Bei bekannten Kegelstrahl-Computertomographen rotiert eine Röntgenbildaufnahmeeinheit aus einem Röntgenstrahler und einem Detektor, vorzugsweise einem Flachdetektor unter Aufnahme einer Reihe von Röntgenprojektionsaufnahmen in einer Scanebene um ein Scanzentrum. Solche Kegelstrahl-Computertomographen können als Gantry-basierte Systeme mit der Möglichkeit zur kontinuierlichen Rotation ausgeführt sein, schließen insbesondere aber auch stationäre oder mobile C-Bögen ein, sowie zusätzlich Systeme zur Lageerfassung in der Strahlentherapie oder auch Mikro-Computertomographen in der präklinischen Forschung oder in der Werkstoffkunde. Aus den aufgenommenen Röntgenprojektionen eines Scans kann ein Röntgenvolumen rekonstruiert werden. Ist der interessierende Bereich (Region of Interest, ROI) in einem Objekt klein gegenüber dem rekonstruierten Volumen, werden die diagnostischen Volumeninformationen mit einem Einzelscan gewonnen. Für gewisse Diagnostikaufgaben ist jedoch ein aus einem einzigen Scan zur Erzeugung eines 3D-Datensatzes rekonstruiertes erstes Volumen zu klein. Um ein rekonstruiertes Volumen zu vergrößern, wird mittels wenigstens eines weiteren Scans ein 3D-Datensatz erzeugt, dessen Rekonstruktion ein zweites Volumen ergibt, das sich von dem ersten Volumen unterscheidet, wobei sich Randbereiche des ersten und des zweiten Volumens überlappen. Ein solches Verfahren ist durch das Anhängen weiterer Volumina an das jeweils letzte rekonstruierte Volumen zur Erzeugung noch größerer Volumina erweiterbar. Ist der ROI groß gegenüber einem rekonstruierten Volumen, so ist bekannt, durch Aufnahme von weiteren Scans mit versetzten Scanebenen Projektionsdaten des gesamten ROI aufzunehmen und ein zusammengesetztes Volumen zu rekonstruieren.In known cone beam computer tomographs, an X-ray image recording unit rotates from an X-ray emitter and a detector, preferably a flat detector, taking a series of X-ray projection images in a scan plane around a scanning center. Such cone beam computer tomographs can be designed as gantry-based systems with the possibility of continuous rotation, but in particular include stationary or mobile C-arms, as well as additional systems for position detection in radiotherapy or micro-computed tomography in preclinical research or in material science. From the recorded X-ray projections of a scan, an X-ray volume can be reconstructed. If the region of interest (ROI) in an object is small compared to the reconstructed volume, the diagnostic volume information is obtained with a single scan. For certain diagnostic tasks, however, a first volume reconstructed from a single scan to produce a 3D data set is too small. In order to increase a reconstructed volume, a 3D data set is generated by means of at least one further scan, the reconstruction of which results in a second volume that differs from the first volume, wherein edge regions of the first and second volumes overlap. Such a method can be extended by attaching additional volumes to the respective last reconstructed volume to generate even larger volumes. If the ROI is large compared to a reconstructed volume, it is known to record projection data of the entire ROI and to reconstruct a composite volume by recording further scans with offset scan lines.
Anwendungsbeispiele sind die Erzeugung des Volumens einer gesamten Wirbelsäule, oder die Bolusverfolgung über die Länge eines gesamten Beines, oder die Gewinnung eines Ganzkörpervolumens. Wenn das Objekt bzw. dessen Lagerung und des Kegelstrahl-Computertomograph zueinander referenziert sind, ist bei Verlagerung der Scanebene zum Zweck der Aufnahme eines weiteren Röntgenprojektionsdatensatzes die Koordinatentransformation zwischen den beiden Scanebenen bekannt. Dies ist in der Regel bei stationären CT-Geräten der Fall.Examples of use are the generation of the volume of an entire spinal column, or the bolus tracking over the length of an entire leg, or the acquisition of a whole body volume. If the object or its storage and the cone-beam computed tomography are referenced to each other, the coordinate transformation between the two scan planes is known for displacement of the scan plane for the purpose of recording a further X-ray projection data set. This is usually the case with stationary CT devices.
Bei der Verwendung eines mobilen Kegelstrahl-Computertomographen, wie beispielsweise einem mobilen C-Bogen, ist jedoch nach der Positionierung des C-Bogens bezüglich des Objekts auf einer Lagerung eine Referenzierung innerhalb eines Kalibrierlaufs notwendig, wobei die Referenzierung ihre Gültigkeit verliert, wenn der C-Bogen nichtreproduzierbar verlagert wird.However, when using a mobile cone beam computer tomograph, such as a mobile C-arm, after positioning the C-arm with respect to the object on a bearing, referencing within a calibration run is necessary, and the referencing becomes invalid if the C- Sheet is relocated non-reproducibly.
Ist eine Koordinatentransformation zwischen dem Koordinatensystem des Kegelstrahl-Computertomographen und dem Koordinatensystem des Objekts und, wenn das Objekt wahrend der Röntgenuntersuchung in einer festen räumlichen Beziehung zur Lagerung, beispielsweise einer Patientenliege, positioniert ist, zum Koordinatensystem der Lagerung nicht bekannt, so kann eine Koordinatentransformation in der obigen Weise derart ermittelt werden, dass eine größtmögliche Übereinstimmung der Absorptionswerte der Voxel in den entsprechenden Uberlappungsbereichen besteht.If a coordinate transformation between the coordinate system of the cone beam computer tomograph and the coordinate system of the object and, if the object during the X-ray examination in a fixed spatial relationship to the storage, for example, a patient bed, positioned to the coordinate system of the storage is not known, then a coordinate transformation in be determined in the above manner such that the greatest possible agreement of the absorption values of the voxels in the corresponding overlap areas.
Es ist bekannt, dass Kegelstrahl-Computertomographen sog. Kegelstrahlartefakte erzeugen, denen ein unvollständig abgetasteter Fourierraum zugrunde liegt. Die Stärke dieser Artefakte ist dabei umso größer, je größer der Abstand eines Volumenbereichs von der Zentralschicht bzw. der zentralen Scanebene ist. Im Fourierraum verbleibt dabei eine Struktur ähnlich eines Doppelkegels mit einem Öffnungswinkel, innerhalb dessen keine Messwerte, insbesondere Frequenzen, erfasst werden. Weiterhin ist bekannt, dass eine Computertomographie, die beispielsweise aufgrund drohender Kollisionen mit der Lagerung nicht vollständig durchfahren werden kann, ebenfalls bestimmte Bereiche im Fourierraum aufgrund mangelnder Winkelabdeckung nicht abtastet. Die bekannten Algorithmen zur Registrierung von Bildvolumina berücksichtigen das Vorhandensein solcher Artefakte nicht, weshalb deren Anwendung zu Registrierfehlern führt und das aus Teilvolumina zusammengesetzte Gesamtvolumen sichtbare Übergänge zwischen den beiden Einzelvolumina aufweist.It is known that cone-beam computer tomographs generate so-called cone beam artifacts based on an incompletely sampled Fourier space. The strength of these artifacts is greater, the greater the distance of a volume region from the central layer or the central scan plane. In the Fourier space, a structure similar to a double cone with an opening angle remains, within which no measured values, in particular frequencies, are detected. Furthermore, it is known that a computed tomography, which can not be completely traversed for example due to imminent collisions with the storage, also does not scan certain areas in the Fourier space due to lack of angular coverage. The known algorithms for registering image volumes do not take into account the presence of such artifacts, therefore their application leads to registration errors and the total volume composed of sub-volumes has visible transitions between the two individual volumes.
Das neuheitliche Röntgensystem erfordert die Zurverfügungstellung zweier überlappender Volumina und eine geschätzte Koordinatentransformation zwischen der Lage der beiden Volumina.The novel X-ray system requires the provision of two overlapping ones Volumes and an estimated coordinate transformation between the position of the two volumes.
Eine Anforderung bei der Bildaufnahme der Teilvolumina kann darüber hinaus darin bestehen, dass der Uberlappungsbereich des ersten und des zweiten Volumens möglichst klein ist, um beispielsweise eine auf den Patienten applizierte Strahlendosis möglichst gering zu halten, oder den Zeitbedarf für die Aufnahme des Gesamtvolumens möglichst klein zu halten; andererseits darf die Überlappung nicht zu klein ausfallen, um während der Registrierung die relative Lage und Orientierung des ersten zum zweiten Volumen mit dem Ziel berechnen zu können, die Einzelvolumina möglichst artefaktfrei aneinanderfügen zu können.A requirement in the image recording of the sub-volumes may moreover be that the overlapping area of the first and second volumes is as small as possible, for example to keep a radiation dose applied to the patient as low as possible, or the time required for recording the total volume to be as small as possible hold; On the other hand, the overlap must not be too small in order to be able to calculate the relative position and orientation of the first to the second volume during the registration, with the aim of being able to join the individual volumes as artifact-free as possible.
Sind die Volumina des Untersuchungsobjekts und des Bildaufnahmegeräts nicht zueinander registriert, können auf die beschriebene und bekannte Weise nacheinander aufgenommene, überlappende Einzelvolumina nach der Aufnahme aufeinander registriert werden, und anschließend mittels eines Softwarealgorithmus zu einem Gesamtvolumen zusammengefügt werden, das jedoch die genannten Fehler in der Form sichtbarer Artefakte aufweisen kann.If the volumes of the examination object and of the image recording device are not registered with one another, overlapping individual volumes recorded one after the other can be registered one after the other in the described and known manner, and then combined by means of a software algorithm to form a total volume, which, however, contains the errors mentioned in the form may have visible artifacts.
Vorrichtungen und Verfahren zur Gewinnung von zusammengesetzten Volumina aus Einzelvolumina sind aus dem Stand der Technik bekannt.Apparatus and methods for obtaining composite volumes from individual volumes are known in the art.
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Aus dem Dokument Seungeon Kim, Yongjin Chang, and Jong Beom Ra: „Reduction of Cone Angle Effect in Cardiac Motion Correction Based on Partia/ Angle Reconstructed Images in CT“, 4th International Conference on Image Formation in X-Ray Computed Tomography, Bamberg, Germany 18.-22. Juli 2016, Proceedings of the 4th CT -Meeting, Seite 439 ff., ist bekannt, Cone-Beam-Artefakte zur Bewegungskompensation bei Kardio-CT anzugleichen.From the document Seungeon Kim, Yongjin Chang, and Jong Beom Ra: "Reduction of Cone Angle Effect in Cardiac Motion Correction Based on Partia / Angle Reconstructed Images in CT", 4th International Conference on Image Formation in X-Ray Computed Tomography, Bamberg, Germany 18.-22. July 2016, Proceedings of the 4th CT Meeting, page 439 ff., Is known to approximate Cone Beam artifacts for motion compensation in cardiac CT.
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Es besteht ein Bedarf an einem Verfahren zur Gewinnung eines verbesserten zusammengesetzten Volumens aus Bildaufnahmen, deren Fourierräume unvollständig abgetastet sind. Es besteht weiterhin Bedarf an einer verbesserten markerlosen Registrierung von insbesondere kontrastarmen Computertomographien zu einem 3D-Gesamtvolumen sowie an einem Röntgendiagnostiksystem zur Durchführung einer markerlosen Registrierung. There is a need for a method of obtaining an improved composite volume of images whose Fourier spaces are incompletely scanned. There continues to be a need for an improved markerless registration of, in particular, low-contrast computed tomography scans to a total 3D volume as well as an X-ray diagnostic system for carrying out markerless registration.
Aufgabe ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die einen Algorithmus zur Ermittlung einer Koordinatentransformation bereit stellt, mit der beispielsweise ein zweites von zwei überlappenden Volumina zu einem ersten Volumen registriert wird und mit der ein zweites Volumen lagerichtig an ein erstes Volumen angefügt wird, wobei die Nachteile von unvollständig abgetasteten Fourierräumen beseitigt und die Genauigkeit der Registrierung der Einzelvolumina erhöht wird.The object is to provide a device which provides an algorithm for determining a coordinate transformation, for example, with which a second of two overlapping volumes is registered to a first volume and with which a second volume is attached in the correct position to a first volume, wherein the Disadvantages of incompletely sampled Fourier spaces eliminated and the accuracy of the registration of individual volumes is increased.
Weiterhin ist es die Aufgabe der Neuerung, ein Röntgendiagnostiksystem aus einem steuerbaren Kegelstrahl-Computertomographen und einer steuerbaren motorisch verstellbaren Lagerung zu schaffen, die die Aufnahme überlappender Volumendatensatze erlaubt.Furthermore, it is the object of the innovation to provide an X-ray diagnostic system of a controllable cone beam computer tomography and a controllable motor-adjustable storage, which allows the recording of overlapping volume data sets.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelost. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.The object is solved by the features of the independent claims. Further, particularly advantageous embodiments and developments emerge from the dependent claims.
Bezüglich der Vorrichtung wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.With regard to the device, the object is achieved by the features of
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im Rahmen der Registrierung, ausgehend von einer initialen, geschätzten Koordinatentransformation iterativ eine Koordinatentransformation bestimmt wird, bei der das Maß der Übereinstimmung von modifizierten bzw. gefilterten Voxelwerten des ersten und des zweiten Überlappungsvolumens einen Maximalwert erreicht.The object is achieved by iteratively determining, as part of the registration, starting from an initial, estimated coordinate transformation, a coordinate transformation in which the degree of correspondence of modified or filtered voxel values of the first and second overlap volumes reaches a maximum value.
Es werden größere Scan-Volumina, beispielsweise vor allem entlang der langen Achse der Lagerung, z.B. entlang der Wirbelsäule oder einer unteren Extremität eines Patienten, erzeugt. Beispielsweise können auf diese Weise Skoliosen und deren Korrektur innerhalb eines chirurgischen Eingriffs besser dargestellt werden.There will be larger scan volumes, especially along the long axis of storage, e.g. along the spine or lower limb of a patient. For example, scolioses and their correction within a surgical procedure can be better represented in this way.
Vorzugsweise werden die Arbeitsschritte zur Registrierung und zum Zusammensetzen von Einzelvolumina zu einem Gesamtvolumen softwaremäßig umgesetzt. Eine weitgehend softwaremäßige Umsetzung hat den Vorteil, dass auch bereits bisher verwendete Volumenrekonstruktionen mit Zusammensetzen von Einzelvolumina zu einem Gesamtvolumen für Bildaufnahmesysteme auf einfache Weise durch ein Software-Update nachgerüstet werden können. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung eines Bildaufnahmesystems, beispielsweise eines Kegelstrahl-Computertomographen, ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte der Koordinatentransformation auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Steuerungseinrichtung ausgeführt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile wie beispielsweise eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten, auch Hardware-Komponenten zur Nutzung der Software, umfassen.Preferably, the steps for registering and assembling individual volumes into a total volume are implemented by software. A largely software-based implementation has the advantage that also previously used volume reconstructions can be retrofitted with a composition of individual volumes to a total volume for image acquisition systems in a simple way by a software update. In this respect, the object is also achieved by a corresponding computer program product with a computer program that can be loaded directly into a memory device of an image recording system, for example a cone beam computer tomograph, with program sections in order to execute all steps of the coordinate transformation when the computer program is executed in the control device. Such a computer program product, in addition to the computer program optionally additional components such as documentation and / or additional components, including hardware components for using the software include.
Zum Transport zur Steuerungseinrichtung und/oder zur Speicherung an oder in der Steuerungseinrichtung kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit der Steuerungseinrichtung einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Dem Transport kann auch eine Verbindung zu einem an einem Netzwerk angeschlossenen Krankenhausinformationssystem, zu einem Radiologieinformationssystem oder zu einem globalen Netz dienen, in welchen Systemen die von einer Rechnereinheit der Steuerungseinrichtung einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen. Hier bitte den erzwungenen Seitenwechsel oder was auch immer vorliegt, entfernenFor transport to the control device and / or for storage on or in the control device, a computer-readable medium, for example a memory stick, a hard disk or another portable or permanently installed data carrier can serve, on which the program sections of the computer program which can be read and executed by a computer unit of the control device are stored are. The transport can also be used to connect to a hospital information system connected to a network, to a radiology information system or to a global network, in which systems the program sections of the computer program that are readable and executable by a computer unit of the control device are stored. The computer unit may e.g. for this purpose have one or more cooperating microprocessors or the like. Here please remove the forced page break or whatever is present
Die Aufgabe der Neuerung wird insbesondere dadurch gelöst, dass zwei überlappende Volumina eines Objektbereichs zusammen mit einer geschätzten Registrierungsinformation in Form einer Koordinatentransformation empfangen und ausgehend von der initialen geschätzten Koordinatentransformation durch iterative Änderung der Koordinatentransformation dadurch bedingte Überlappungsvolumina errechnet werden, welche durch einen Algorithmus gefiltert werden, der die Artefakte in den Überlappungsvolumina angleicht und der einen Bandpassfilter beinhaltet, welcher
α)
- • die Uberlappungsvolumina in den Fourierraum transformiert,
- • in den Fourierräumen alle Frequenzen, die in der Fourierrepräsentation des jeweils anderen Überlappungsvolumens nicht auftreten, aus den jeweiligen Fourierräumen entfernt, beispielsweise durch Multiplikation mit 0, und so zwei gefilterte Fourierräume der Überlappungsvolumina erzeugt,
oder
b)
- • im Ortsraum auf die Überlappungsvolumina wirkt,
- • der in seiner Wirkung ebenfalls alle Frequenzen, die in den entsprechenden Fourierräumen des jeweils anderen Überlappungsvolumens nicht auftreten aus den jeweiligen entsprechenden Fourierräumen entfernt und so zwei gefilterte Versionen der Überlappungsvolumina erzeugt,
α)
- Transformed the overlap volumes into the Fourier space,
- • in the Fourier spaces all frequencies that do not occur in the Fourier representation of the other overlap volume, respectively, from the respective Fourier spaces removed, for example by multiplication by 0, and so produces two filtered Fourier spaces of the overlap volumes,
or
b)
- Acts in space on the overlap volumes,
- • which also removes in its effect all the frequencies that do not occur in the corresponding Fourier spaces of the other overlapping volume from the respective corresponding Fourier spaces and thus produces two filtered versions of the overlap volumes,
Die Überlappungsvolumina der beiden Einzelvolumina werden somit jeweils einer Filterung zur Angleichung von Artefakten unterzogen, wobei die Artefakte einem unvollständig abgetasteten Fourierraum mindestens eines Teilbereichs in mindestens einem Teilvolumen entsprechen. Beispielsweise können diese im Falle der Computertomographie der Gruppe der Kegelstrahlartefakte oder solchen Artefakten aus einer unvollständigen Winkelabdeckung (Scanwinkelbereich kleiner als z.B. 180 Grad plus Kegelwinkel) entstammen.The overlap volumes of the two individual volumes are thus each subjected to filtering for the approximation of artifacts, the artifacts corresponding to an incompletely scanned Fourier space of at least one subregion in at least one subvolume. For example, in the case of computed tomography, these may originate from the group of cone-beam artifacts or artifacts from incomplete angular coverage (scan angle range less than, for example, 180 degrees plus cone angle).
Das Ergebnis von der iterativen Bestimmung einer Koordinatentransformation mit einer Schätzung der Koordinatentransformation für den ersten Iterationsschritt ist eine im Vergleich dazu verbesserte Koordinatentransformation, die zur Referenzierung der Einzelvolumina im Ortsraum verwendet wird. Die Einzelvolumina werden mit der ermittelten optimalen Koordinatentransformation gegeneinander verschoben und verdreht (inelastische Registrierung, d.h. global gültige Koordinatentransformation), oder zusätzlich verformt (elastische Registrierung, d.h. lokale bzw. voxelweise Koordinatentransformation), wobei beispielsweise ein erster aufgenommener Volumendatensatz mit einem intrinsischen Koordinatensystem verbunden ist und der zweite bzw. alle weiteren Volumendatensätze bezüglich des intrinsischen Koordinatensystems registriert werden. Nach einer Registrierung der beiden Volumina werden die Voxelwerte der Überlappungsbereiche in bekannter Weise aneinandergefügt, um die Erzeugung von Artefakten an den Übergängen zwischen den beiden Volumina zu vermeiden. Dabei bleiben die Zentral- oder Restvolumina außerhalb der Uberlappungsvolumina in den Absorptionswerten der Voxel unverändert, mit der Ausnahme der Auswirkungen von Interpolationsschritten, die nötig sind, um beide Volumina auf dem gleichen diskreten Raster abbilden zu können. Beim Aneinanderfügen der Einzelvolumina werden redundante Bildinformationen im Überlappungsbereich jedoch derart genutzt, dass eine möglichst hohe Bildqualitat des rekonstruierten Gesamtvolumens erreicht wird, um beispielsweise eine eingesetzte Strahlendosis optimal zu nutzen.The result of the iterative determination of a coordinate transformation with an estimate of the coordinate transformation for the first iteration step is a comparatively improved coordinate transformation, which is used for the referencing of the individual volumes in the spatial space. The individual volumes are shifted with the determined optimal coordinate transformation and rotated (inelastic registration, ie globally valid coordinate transformation), or additionally deformed (elastic registration, ie local or voxelweise coordinate transformation), for example, a first recorded volume data set is connected to an intrinsic coordinate system, and the second or all further volume data sets are registered with respect to the intrinsic coordinate system. After registration of the two volumes, the voxel values of the overlap regions are joined together in a known manner to avoid the generation of artifacts at the transitions between the two volumes. At this time, the central or residual volumes outside the overlap volumes in the voxel's absorbance values remain unchanged, except for the effects of interpolation steps required to image both volumes on the same discrete grid. When joining the individual volumes, however, redundant image information in the overlapping area is used in such a way that the highest possible image quality of the reconstructed total volume is achieved in order, for example, to optimally use an applied radiation dose.
Der Algorithmus zur Auswertung der Überlappungsbereiche eines ersten und eines zweiten Volumens hat als Ergebnis, die relative Lage und Orientierung der beiden Volumina zueinander zu bestimmen. Dabei nutzt der Algorithmus Informationen über eine angenommene oder geschätzte relative Lage und Orientierung der Einzelvolumina. Diese angenommenen Werte für die Lage und Orientierung der Einzelvolumina werden beispielsweise aus dem Verfahrweg und der Verfahrrichtung des Kegelstrahl-Computertomographen, vorzugsweise eines C-Bogen-Röntgengerätes, oder der Lagerung des Objekts, beispielsweise einer Patientenliege, im Raum gewonnen.The algorithm for evaluating the overlap areas of a first and a second volume has as a result, to determine the relative position and orientation of the two volumes to each other. The algorithm uses information about an assumed or estimated relative position and orientation of the individual volumes. These assumed values for the position and orientation of the individual volumes are obtained, for example, from the travel path and the travel direction of the cone beam computer tomograph, preferably a C-arm X-ray device, or the storage of the object, for example a patient couch, in space.
Es ist vorgesehen, die ermittelte optimale Registrierungsinformation zu verwenden, um eine Registrierung zwischen dem Kegelstrahl-Computertomographen, vorzugsweise eines C-Bogens, und dem Koordinatensystem der Lagerung herzustellen. Durch eine derartige Registrierung wird eine Navigation in dem aus den Einzelvolumina zusammengesetzten Volumen ermöglicht.It is envisaged to use the determined optimal registration information to establish registration between the cone-beam computed tomography, preferably a C-arm, and the coordinate system of storage. Such a registration enables navigation in the volume composed of the individual volumes.
Um eine Registrierung oder Referenzierung zwischen dem Koordinatensystem eines Kegelstrahl-Computertomographens und dem Koordinatensystem der Lagerung herzustellen, kann vorzugsweise als Objekt anstelle eines Patienten ein ausgedehntes Phantom mit röntgenpositiven Strukturen verwendet werden und der Registrierungsschritt kann zeitlich vor einer Röntgenuntersuchung erfolgen. Sind die Lagerung und der Kegelstrahl-Computertomograph zueinander referenziert, bleibt diese Referenzierung solange gültig, bis der Kegelstrahl-Computertomograph und/oder die Lagerung des Objekts in nicht-reproduzierbarer Weise verlagert werden. Solange die Registrierung gültig ist, kann beispielsweise die Lagerung in eine wohldefinierte Lage im Koordinatensystem des Kegelstrahl-Computertomographen verfahren werden.In order to establish a registration or referencing between the coordinate system of a cone-beam computed tomography and the coordinate system of storage, an extended phantom with radiopaque structures may preferably be used as the object instead of a patient, and the registration step may take place prior to an X-ray examination. If the bearing and the cone-beam computed tomography are referenced to one another, this referencing remains valid until the cone beam computer tomograph and / or the bearing of the object are displaced in a non-reproducible manner. As long as the registration is valid, for example, storage in a well-defined location in the Coordinate system of the cone beam computer tomograph procedure.
Es ist auch vorgesehen, das Referenzkoordinatensystem nicht durch das erste Volumen
Die Kombination der beiden Einzelvolumina
Zur Vermeidung von Artefakten im Ortsraum ist vorgesehen, an den Übergängen zwischen in beiden Volumina
Es ist optional vorgesehen die Sub-Pixel-Genauigkeit mittels Interpolation, also durch Hochskalierung der Volumina, anschließender Registrierung und anschließender Herunterskalierung der Bildauflösung, zu erhöhen.It is optional to increase the sub-pixel accuracy by means of interpolation, ie by scaling up the volumes, subsequent registration and subsequent scaling down of the image resolution.
Zur Erzeugung eines aus zwei Einzelvolumina zusammengesetzten Gesamtvolumens ist es erforderlich, diejenigen Bildregionen, die in beiden Einzelvolumina vorhanden sind, geeignet zu kombinieren. Es ist vorgesehen die ursprünglichen Grauwerte der Voxel arithmetisch zu mitteln, wodurch die Kegelstrahlartefakte erhalten bleiben.To generate a total volume composed of two individual volumes, it is necessary to suitably combine those image regions which are present in both individual volumes. It is intended to arithmetically average the original gray values of the voxels, thereby preserving the cone beam artifacts.
Es ist daher als vorteilhaft anzusehen, jeweils den Voxel aus demjenigen Einzelvolumen zu verwenden, der jeweils weniger Kegelstrahlartefakte aufweist. Es ist weiterhin vorgesehen, die Voxel aus beiden Volumina in gewichteter Weise zu mitteln, wobei die Wichtungsfaktoren aus dem jeweils vorhandenen Artefakt-Level ermittelt werden, beispielsweise entsprechend dem einem Voxel zugeordneten Kegelstrahlwinkel bzw. einem über den Scanbereich gemittelten Kegelwinkel bei einer nicht-kreisförmigen Fokustrajektorie eines Scans. Ferner ist vorgesehen die Wichtungsfaktoren über den Messfehler der diskreten Abtastung an einem Voxel zu bestimmen. Beispielsweise kann die Aufnahmesituation dazu geführt haben, dass eines der beiden Teilvolumina in Teilbereichen ein höheres Rauschen aufweist, sodass ein entsprechender Voxel bei der Kombination schwächer gewichtet wird.It is therefore to be regarded as advantageous to use in each case the voxel from that individual volume, which each has less cone beam artifacts. It is further provided to weight the voxels from both volumes in a weighted manner, wherein the weighting factors are determined from the respectively existing artifact level, for example corresponding to the cone beam angle associated with a voxel or a cone angle averaged over the scan area in a non-circular focus trajectory a scan. It is further provided to determine the weighting factors about the measurement error of the discrete sample on a voxel. For example, the recording situation may have led to one of the two sub-volumes having a higher noise in subregions, so that a corresponding voxel is weighted less heavily in the combination.
Es ist ferner vorgesehen nach der Registrierung, jedoch vor der Kombination der Teilvolumina, zunächst separat für jedes Überlappungsvolumen die fehlenden Bereiche bzw. Frequenzen in einem der Fourrierräume mit den entsprechenden Bereichen bzw. Frequenzen aus dem jeweils anderen Fourrierraum aufzufüllen, sofern und soweit diese dort vorhanden sind, um die Artefakte im zu kombinierenden Gesamtvolumen bestmöglich abzuschwächen.It is further provided after the registration, but before the combination of the sub-volumes, first separately for each overlap volume to fill the missing areas or frequencies in one of the Fourrierräume with the corresponding areas or frequencies from the respective other Fourier space, if and insofar as they exist there are to minimize the artifacts in the total volume to be combined as best as possible.
Es ist vorgesehen bei einer leichten bewegungsbedingten Verschiebung von Teilen eines Objekts zwischen den einzelnen Aufnahmen der Scans der 3D-Datensätze, neben einer starren Registrierung der zwei Volumina, eine elastische Registrierung vorzunehmen.It is intended, with a slight movement-related displacement of parts of an object between the individual recordings of the scans of the 3D data records, to carry out an elastic registration in addition to a rigid registration of the two volumes.
Es ist vorgesehen die gewonnenen Registrierinformationen für eine Kalibrierung zwischen Kegelstrahl-Computertomographen und Lagerung zu verwenden. Die Kalibrierung/Registrierung behält dabei solange ihre Gültigkeit, wie die Verlagerungen von Kegelstrahl-Computertomographen und/oder Lagerung reproduzierbar sind. Die erhaltenen Kalibrierdaten können beispielsweise auch zur Kollisionsvermeidung genutzt werden.It is envisaged to use the acquired registration information for calibration between cone-beam computed tomography and storage. The calibration / registration remains valid as long as the displacements of the cone beam computer tomographs and / or storage are reproducible. The obtained calibration data can also be used, for example, for collision avoidance.
Es ist vorgesehen den Kegelstrahl-Computertomographen, insbesondere ein mobiler C-Bogen, durch das Verstellen eines sogenannten Wigwag-Winkels um eine im Raum senkrecht stehende und die Scanebene des ersten Scans enthaltende Schwenkachse zu verstellen. Dabei wird bei stationärem Fahrstativ die Winkel-Ausrichtung der Aufnahmeeinheit verändert. Dies erfolgt mittels eines motorischen Antriebs oder manuell durch den Benutzer, beispielsweise mit Hilfe einer Referenz-Markierung, oder einer Anzeige einer Positionsgeber-Ablesung dieses Winkels.It is envisaged to adjust the cone-beam computer tomograph, in particular a mobile C-arm, by adjusting a so-called Wigwag angle about a pivot axis which is perpendicular in space and contains the scan plane of the first scan. In this case, the angle orientation of the receiving unit is changed in a stationary drive stand. This is done by means of a motor drive or manually by the user, for example by means of a reference marker, or an indication of a position encoder reading this angle.
Wird das Messfeld auf diese Weise geändert, so entspricht dies einer Rotation anstelle einer Translation der Aufnahmeeinheit. Um die Mitte des Messfeldes z.B. wieder auf die Wirbelsäule zu verschieben kann eine am Kegelstrahl-Computertomographen, insbesondere an einem C-Bogen vorhandene, Linearachse verwendet werden. Dies erfordert einen zusätzlich zur Verfügung stehenden Verfahrweg auf der Linearachse, da diese ggf. auch während der Aufnahme zur Aufrechterhaltung eines virtuellen Isozentrums benötigt wird.If the measuring field is changed in this way, this corresponds to a rotation instead of a translation of the recording unit. Around the center of the measuring field, e.g. to move back to the spine can be used on the cone beam computer tomography, especially on a C-arm existing linear axis. This requires an additionally available travel path on the linear axis, since it may also be required during recording to maintain a virtual isocenter.
Eine Änderung der Ausrichtung der Aufnahmeeinheit kann Kollisionssituationen verschärfen. Das Durchführen zusätzlicher Kollisionsprüfungen ist daher in diesem Fall besonders wichtig. Wie oben sollten diese nach Möglichkeit, und vor allem bei Vorliegen einer entsprechenden Motorisierung der Auslenkung, komplett vor Beginn des ersten Scans durchgeführt werden, um z.B. die Zeit zu verkürzen, während der die Atmung eines Patienten angehalten wird.A change in the orientation of the receiving unit may exacerbate collision situations. Performing additional collision checks is therefore particularly important in this case. As above, these should, if possible, and especially in the presence of a corresponding motorization of the deflection, be carried out completely before the start of the first scan, for example to shorten the time, during which the breathing of a patient is stopped.
Es ist vorgesehen, dass ein Benutzer über eine Eingabeschnittstelle die Einzelschritte manuell auslöst, beispielsweise durch Drücken eines Knopfes oder einer Eingabefläche auf einem Touchscreen/GUI.It is envisaged that a user manually triggers the individual steps via an input interface, for example by pressing a button or an input area on a touchscreen / GUI.
Es ist vorgesehen den kompletten Kegelstrahl-Computertomographen motorisch gesteuert zu bewegen, beispielsweise bei einer Deckenmontage eines Kegelstrahl-Computertomographen, insbesondere eines C-Bogens.It is envisaged to move the entire cone-beam computer tomograph under motor control, for example in the case of ceiling mounting of a cone beam computer tomograph, in particular a C-arm.
Bei einem mobilen Fahrgestell ist vorgesehen, dass der Benutzer die Räder in eine 90 Grad-Position vor dem Start eines Scans bringt, oder der Kegelstrahl-Computertomograph dies selbständig vornimmt. Vorzugsweise wird dies über einen Positionsgeber für die Ausrichtung der Räder von der Gerätesoftware verifiziert. Der Benutzer stellt dabei sicher, dass genügend Verfahrweg für alle Positionen zur Verfügung steht. Die initiale Position des Kegelstrahl-Computertomographen muss so gewählt werden, dass alle weiteren Positionen erreicht werden können. Das Display des C-Bogens gibt dann Instruktionen dahingehend, wie weit der C-Bogen, und ggf. in welche Richtung er zu verschieben ist. Beispielsweise würde für eine Einzelvolumen-Größe von 16 cm und einem Überlapp von 2 cm eine Bewegung von 14 cm angefordert werden.In a mobile chassis, it is intended that the user place the wheels in a 90 degree position prior to the start of a scan, or the cone beam computer tomograph will do so on its own. Preferably, this is verified via a position sensor for the alignment of the wheels of the device software. The user ensures that sufficient travel is available for all positions. The initial position of the cone beam computer tomograph must be selected so that all other positions can be reached. The display of the C-arm then gives instructions as to how far the C-arm, and possibly in which direction it is to be moved. For example, for a single volume size of 16 cm and an overlap of 2 cm, a motion of 14 cm would be requested.
Im Falle einer Motorisierung des mobilen Fahrgestells kann der Kegelstrahl-Computertomograph vorzugsweise mithilfe eines vorhandenen Positionsgebers die erforderliche Bewegung selbst ausführen. Vorzugsweise wird diese motorisierte Bewegung nur dann ausgeführt, wenn der Benutzer beispielsweise einen Knopf oder einen Bereich auf einem Touchscreen/GUI berührt, um den Vorgang im Falle einer drohenden Kollision sofort abbrechen zu können.In the case of motorized mobile chassis, the cone beam computer tomograph may preferentially perform the required movement using an existing position sensor. Preferably, this motorized movement is executed only when the user touches, for example, a button or an area on a touch screen / GUI in order to be able to immediately stop the process in the event of an imminent collision.
Dabei werden für die iterative Ermittlung der Koordinatentransformation in der oben beschriebenen Weise die innerhalb jedes Iterationsschritts unterschiedlich angenommenen Überlappungsbereiche derart gefiltert werden, dass für die Ermittlung des Ähnlichkeitsmaßes nur die in beiden Fourierräumen der beiden Teilvolumina vorliegenden Bereiche herangezogen werden.In this case, for the iterative determination of the coordinate transformation in the manner described above, the overlapping areas assumed differently within each iteration step are filtered in such a way that only the areas present in both Fourier spaces of the two subvolumes are used to determine the similarity measure.
Ein Ähnlichkeitsoperator wird anschließend auf die beiden gefilterten Überlappungsvolumina im Ortsraum oder im Fourierraum angewandt, indem die Koordinatentransformation iterativ verändert und bei jedem Iterationsschritt i ein Ähnlichkeitsmaß
Zweckmäßig ist es die ermittelte Koordinatentransformation als Referenzierungsinformation zwischen dem Kegelstrahl-Computertomographen und der Objektlagerung zu speichern. Die Speicherung der Koordinatentransformation, bzw. Referenzierungsinformation, kann in dieser Ausführungsform dazu benutzt werden, zukünftig aufgenommene Teilvolumina ohne erneute Optimierung direkt zu kombinieren.It is expedient to store the determined coordinate transformation as referencing information between the cone beam computer tomograph and the object storage. The storage of the coordinate transformation, or referencing information, can be used in this embodiment to directly combine partial volumes recorded in the future without further optimization.
Im Falle der Verwendung eines Kegelstrahl-Computertomographens, beispielsweise eines C-Bogens, erfolgt die relative Lage- und/oder Orientierungsveränderung des Kegelstrahl-Computertomographen gegenüber der ROI wahlweise durch manuelle und/oder motorisch gesteuerte Verlagerung des Kegelstrahl-Computertomographen und/oder der Lagerung, vorzugsweise einer Patientenliege, mit dem Untersuchungsobjekt. Die Lage- und/oder Orientierungsveränderung zwischen der Aufnahme des ersten 3D-Datensatzes und der Aufnahme des zweiten 3D-Datensatzes erfolgt derart, dass ein erforderlicher Überlapp der Teilvolumina gegeben ist.In the case of the use of a cone-beam computed tomography, for example a C-arm, the relative position and / or orientation change of the cone-beam computer tomograph relative to the ROI takes place optionally by manual and / or motor-driven displacement of the cone-beam computer tomograph and / or storage, preferably a patient bed, with the examination object. The change in position and / or orientation between the recording of the first 3D data record and the recording of the second 3D data record is carried out such that a required overlap of the partial volumes is given.
In
Ein C-Bogen
Eine Röntgenröhre
Ein ölgefüllter Hochspannungsgenerator
Vorzugsweise ist zwischen dem Röntgenfokus und dem Objekt
An dem kreisbogenförmigen C-Bogen
Aus den ausgelesenen Bilddaten des Röntgenbilddetektor
Ein Scanzentrum
Als Zentralstrahl
Ein zu untersuchendes Objekt
Für den Fall, dass das C-Bogen-Röntgensystem
Um die beiden Volumina (
Für eine Verlagerung der Scanebene und des Scanzentrums mittels der motorischen Bewegung der Lagerung
Wenn die Lagerung
Im Falle der Anwendung an einem Patienten wird vor dem Start der Aufnahme eines Scans, falls erforderlich, die Atmung des Patienten angehalten, um das Auftreten von Bewegungsartefakten zu vermeiden. Vorzugsweise ist dann das Aufnahmeprotokoll für alle Einzelvolumina ohne Unterbrechung durchzuführen. Es wird also ein erster Scan aufgenommen, danach die Lagerung
Für den Fall, dass weder das C-Bogen-Röntgensystem
Bei Vorhandensein einer Motorisierung, aber Abwesenheit eines Positionsgebers, kann das C-Bogen-Rontgensystem
Das C-Bogen-Röntgensystem
Die Volumenvergleichseinheit
Die im Iterationsprozess ermittelte optimale Koordinatentransformation wird von der Volumenvergleichseinheit
Eine C-Bogen-Rontgensystem-Motorsteuerungseinheit
Eine Lagerungs-Motorsteuerungseinheit
Eine übergeordnete Systemsteuerungseinheit
Eine Röntgenstrahler-Steuerungseinheit
C-Bogen-Röntgensystem
Eine Bildaufnahmesteuerungseinheit
Eine Röntgendetektor -Steuerungseinheit 105 steuert und kontrolliert alle Funktionen des Röntgendetektors
In einer Bildverarbeitungs- und Speichereinheit
In einer Scanparameter-Erzeugungseinheit
Die Scanparameter-Erzeugungseinheit
Die Scanparameter-Erzeugungseinheit
Es ist wenigstens ein Display
Eine Eingabevorrichtungseinheit
Die Systemsteuerung
Die Systemsteuerung
Die Systemsteuerungseinheit
Die Systemsteuereinheit
Der Zusammenhang zwischen den Stellungswerten der Antriebsmotoren und dem Punktepaar auf den Detektor- und Fokustrajektorien ist theoretisch aus der Kenntnis der Kinematik des C-Bogen
In
Es wird zunächst ein erster Raumbereich eines Gesamtvolumens diskret mit einer Messvorrichtung, beispielsweise einem C-Bogen-Röntgensystem
In dem Schritt
Die Rekonstruktion der Einzelvolumina
Soll ein Gesamtvolumen aus drei oder mehr Teilvolumina zusammengesetzt werden, so wird zunächst aus zwei Teilvolumina ein erstes Gesamtvolumen gebildet, an das das dritte Teilvolumen angehängt wird. Dabei wird das erste Gesamtvolumen bei der Iteration wie das erste Volumen
Im Schritt
Im Schritt
Die errechneten Überlappungsvolumina
Im Schritt
Im Schritt
Es ist vorgesehen, dass der Bandpass auf die Fourierrepräsentationen der beiden Überlappungsvolumina eine Spektralanalyse anwendet und die Fourierräume derart filtert, dass alle Frequenzen aus dem Fourierspektrum entfernt werden, die im Fourierspektrum des jeweils anderen Überlappungsvolumens nicht vorhanden sind. Man erhalt auf diese Weise zwei gefilterte Fourierräume der Überlappungsvolumina. Diese werden in den Ortsraum zurück transformiert und man erhalt korrigierte Voxelwerte der Volumina
Alternativ ist vorgesehen, dass der Bandpass direkt im Ortsraum agiert, in seiner Wirkung die beiden Fourierräume jedoch in der gleichen Art und Weise angleicht, ohne explizit eine FourierTransformation durchzuführen. Auch hierbei erhalt man korrigierte Voxelwerte der Volumina
Im Schritt
Die automatische Bestimmung der Auswahl der Koordinatentransformationen
- • Methoden aus der konvexen oder nicht-konvexen Optimierung wie Gradientenabstieg, (L-)BFGS(-B), Nelder-Mead,
- • genetische Optimierung, simuliertes Annealing,
- • Methoden aus dem Feld der Phasenkorrelierung, um direkt im FourierRaum arbeiten zu können.
- • Methods from convex or non-convex optimization such as gradient descent, (L-) BFGS (-B), Nelder-Mead,
- • genetic optimization, simulated annealing,
- • Methods from the Phase Correlation field to work directly in Fourier space.
Ein derartiger Optimierungsalgorithmus ist eingerichtet, um selbsttätig die Koordinatentransformationen auszuwählen, damit das Ähnlichkeitsmaß sich schrittweise dem optimalen Wert annähert.Such an optimization algorithm is arranged to automatically select the coordinate transformations so that the similarity measure gradually approaches the optimum value.
In Schritt
Die optimale Koordinatentransformation
In
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Neuerung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhangigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.Further, particularly advantageous embodiments and refinements of the invention emerge from the dependent claims and the description, wherein the independent claims of a claim category can also be developed analogously to the dependent claims of another claim category and in particular also individual features of different embodiments or variants to new embodiments or variants can be combined.
Nachfolgend wird die Neuerung anhand der Abbildungen näher erläutert.
-
1 : Schematische Darstellung eines Kegelstrahl-Computertomographen am Beispiel eines C-Bogens -
2 : Schematische Darstellung des Ablaufs der Koordinatentransformation -
3a : Schematische Darstellung einer Projektion eines Objektes mittels einer Parallelstrahlgeometrie -
3b : Schematische Darstellung einer Projektion eines Objektes mittels einer Kegelstrahlgeometrie
-
1 Schematic representation of a cone beam computer tomograph using the example of a C-arm -
2 : Schematic representation of the course of the coordinate transformation -
3a : Schematic representation of a projection of an object by means of a parallel beam geometry -
3b : Schematic representation of a projection of an object by means of a cone beam geometry
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- C-Bogen-RöntgensystemC-arm X-ray system
- 22
- kreisbogenförmiger C-Bogenarc-shaped C-arm
- 33
- RöntgenröhreX-ray tube
- 44
- HochspannungsgeneratorHigh voltage generator
- 55
- Kollimatorcollimator
- 66
- RontgenbilddetektorRontgenbilddetektor
- 77
- ProjektionsbilderzeugungseinheitProjection image generation unit
- 20, 20', 20"20, 20 ', 20 "
- Scanzentrumscan center
- 2121
- Objektobject
- 2222
- Zentralstrahlcentral beam
- 2323
- Patientenliegepatient support
- 2424
- Kegelstrahl-Computertomograph-MotorsteuerungseinheitCone beam computed tomography scanner motor control unit
- 2525
- Lagerungs-MotorsteuerungseinheitStorage engine control unit
- 5050
- ROIROI
- 51, 51', 51"51, 51 ', 51 "
- Scanebenescan plane
- 100100
- SystemsteuerungseinheitControl unit
- 101101
- Röntgenstrahler-SteuerungseinheitX-ray control unit
- 102102
- VolumenvergleichseinheitVolume comparison unit
- 103103
- BewegungssteuerungseinheitMotion control unit
- 104104
- BildaufnahmesteuerungseinheitImage capture control unit
- 105105
- Röntgendetektor-SteuerungseinheitX-ray detector control unit
- 106106
- Bildverarbeitungs- und SpeichereinheitImage processing and storage unit
- 107107
- Scanparameter-ErzeugungseinheitScan parameter generation unit
- 108108
- Überlappungsvolumen-ErmittlungseinheitOverlap volume determining unit
- 111111
- Displaydisplay
- 112112
- EingabevorrichtungseinheitInput device unit
- 113113
- Bedienperson/OperatorOperator / Operator
- 114114
- Ausgabeeinheitoutput unit
- 115115
- Organprogramm-DatenbankOrgan program database
- 116116
- Massenspeichermass storage
- 117117
- Rekonstruktionseinheitreconstruction unit
- 118 118
- Fouriertransformations- und FilterungseinheitFourier transformation and filtering unit
- 130130
- DICOM-InterfaceDICOM Interface
- 140140
- Netzwerknetwork
- 141141
- RIS Radiologie-InformationssystemRIS radiology information system
- 142142
- HIS KrankenhausinformationssystemHIS Hospital Information System
- 3131
- ParallelstrahlgeometrieParallel beam geometry
- 3232
- Dreidimensionales ObjektThree-dimensional object
- 3333
- Zweidimensional StrukturTwo-dimensional structure
- 3434
- vollständig abgebildete Kantefully imaged edge
- 3535
- vollständig abgebildete Kantefully imaged edge
- 4141
- KegelstrahlgeometrieCone-beam geometry
- 4242
- Dreidimensionales ObjektThree-dimensional object
- 4343
- Zweidimensional StrukturTwo-dimensional structure
- 4444
- vollständig abgebildete Kantefully imaged edge
- 4545
- unvollständig abgebildete Kanteincompletely imaged edge
- V1V1
- erstes Volumenfirst volume
- V2V2
- zweites Volumensecond volume
- K1K1
- Koordinatensystem des ersten VolumensCoordinate system of the first volume
- K2K2
- Koordinatensystem des zweiten VolumensCoordinate system of the second volume
- T12(i)T12 (i)
-
Koordinatentransformation des i-ten Iterationsschrittes zwischen dem Koordinatensystem
K1 und dem KoordinatensystemK2 Coordinate transformation of the ith iteration step between the coordinate systemK1 and the coordinate systemK2 - OV1(i)OV1 (i)
-
Überlappungsvolumen des ersten Volumens
V1 im KoordinatensystemK1 für den Iterationsschritt iOverlap volume of the first volumeV1 in the coordinate systemK1 for the iteration step i - OV2(i)OV2 (i)
-
Überlappungsvolumen des zweiten Volumens
V2 im KoordinatensystemK1 für den Iterationsschritt iOverlap volume of the second volumeV2 in the coordinate systemK1 for the iteration step i - UOV2(i)UOV2 (i)
-
Umgerechnetes Überlappungsvolumen im Koordinatensystem
K1 , bei dem die Voxel des ÜberlappungsbereichesOV2(i) auf Voxel im Raster des ÜberlappungsbereichesOV1(i) umgerechnet sind.Converted overlap volume in the coordinate systemK1 in which the voxels of the overlap areaOV2 (i) on voxels in the raster of the overlap areaOV1 (i) are converted. - UV2UV2
-
Umgerechnetes zweites Volumen im Koordinatensystem
K1 , bei dem die Voxel des mit der optimalen KoordinatentransformationT12 transformierten zweiten VolumensV2 im KoordinatensystemK1 auf Voxel im Raster der Voxel des ersten VolumensV1 umgerechnet sind.Converted second volume in the coordinate systemK1 , where the voxels of the with the optimal coordinate transformationT12 transformed second volumeV2 in the coordinate systemK1 on voxels in the raster of the first volume voxelsV1 are converted. - FF
- Bandpassbandpass
- FOV1(i)FOV1 (i)
-
Überlappungsvolumen mit geänderten Voxelwerten nach Anwendung des Bandpass
F auf das VolumenOV1(i) Overlap volume with changed voxel values after applying the bandpassF on the volumeOV1 (i) - FUOV2(i)FUOV2 (i)
-
Überlappungsvolumen mit geänderten Voxelwerten nach Anwendung des Bandpass
F auf das VolumenUOV2(i) Overlap volume with changed voxel values after applying the bandpassF on the volumeUOV2 (i) - S(i)S (i)
- Ähnlichkeitsmaß des i'ten IterationsschrittesSimilarity measure of the iteration step
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification | ||
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |