WO2011120795A1 - Verfahren zum ermitteln von dreidimensionalen volumendaten und bildgebungsvorrichtung - Google Patents

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WO2011120795A1
WO2011120795A1 PCT/EP2011/053920 EP2011053920W WO2011120795A1 WO 2011120795 A1 WO2011120795 A1 WO 2011120795A1 EP 2011053920 W EP2011053920 W EP 2011053920W WO 2011120795 A1 WO2011120795 A1 WO 2011120795A1
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image data
data
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projection parameter
volume
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Helmut Barfuss
Karl Barth
Clemens Bulitta
Rainer Graumann
Christian Schmidgunst
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T11/00—2D [Two Dimensional] image generation
    • G06T11/003—Reconstruction from projections, e.g. tomography
    • G06T11/006—Inverse problem, transformation from projection-space into object-space, e.g. transform methods, back-projection, algebraic methods
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2211/00—Image generation
    • G06T2211/40—Computed tomography
    • G06T2211/412—Dynamic
    • G—PHYSICS
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    • G06T2211/00—Image generation
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    • G06T2211/436—Limited angle

Definitions

  • the invention relates to a method for determining SD volume data and an imaging device.
  • the invention particularly relates to such a method and the ⁇ like device, volume data are reconstructed from a plurality of sets of image data 1D or 2D image data at the respectively at the three-dimensional (3D).
  • Such methods and devices are used, for example, in medical imaging.
  • Three-dimensional imaging has become an important tool in medical applications in recent decades.
  • Three-dimensional imaging which is carried out before or during a ⁇
  • the therapy can facilitate the implementation of a therapy.
  • a therapeutic instrument eg an endoscope or an arthroscope
  • a recording modality such as 3D X-ray, SD computed tomography (CT), magnetic resonance or ultrasound
  • 3D volume data can be obtained to determine a position and orientation of a cutting or resecting instrument in a therapy session relative to an organ or vessel to determine.
  • 3D data sets multiple sets of 1D image data from one detector line or multiple sets of 2D image data with a planar detector are often detected. From the sets of image data, 3D volume data of the examination object are reconstructed.
  • the plurality of sets of image data is typically captured sequentially in time where ⁇ at the detectors and / or source of radiation, beispiels-, an X-ray source are moved in space. Examples of such data acquisition include so-called C-arm-systems where the X-ray source and a detector array philhaf ⁇ te along a circular arc around the lower to be moved.
  • Other examples include systems in which more complex trajectories of the detector array and / or X-ray source are provided, for example helical trajectories.
  • Reconstruction Technique ", ART) . These methods involve a 3D reconstruction of the examination object based on knowledge of which pixels of a set of 2D image data a given voxel or voxel is imaged in.
  • the projection matrices can be used to determine how the coordinates of each voxel in the volume are expressed in 2D image coordinates.
  • the projection matrices can be determined by calibration or computationally and implemented permanently in the imaging device Reconstruction of 3D volume data are described for example in DE 198 58 306 AI.
  • the reconstruction takes place from a plurality of time-sequentially acquired sets of image data. If the examination subject or a portion of the examination subject moves in a laser system between the acquisition times at which the different sets of image data are acquired, this can lead to artifacts or blurring in the reconstructed SD volume data.
  • Such movements of portions of the examination object can occur, for example, in the case of soft tissue receptacles in the chest or abdomen.
  • DE 10 2004 004 603 A1 describes a method and an imaging device for compensating patient movements.
  • patient movements are detected on the basis of a comparison of 2D image data with a 3D reconstruction, and conditions of the imaging system are influenced as a function of the patient's movements.
  • sets of image data can be generated in which the position of the patient relative to the imaging system corresponds to at least approximately predetermined relative positions and artifacts are correspondingly reduced.
  • Another approach to motion compensation may be based on a prediction of motions, for example by extrapolation of already acquired data. In some cases, such as the displacement of an organ through a dia ⁇ gnostic or therapeutic instrument, a derar- term predictive value may be difficult or impossible to obtain.
  • Another approach to motion compensation may be based on the motion-dependent manipulation of the acquired 1D or 2D image data.
  • the captured image data may be a transformation, e.g. be subjected to translation or rotation before reconstruction of 3D volume data from the transformed image data is performed.
  • identifying the correct transformations that the image data first undergoes can be challenging.
  • the invention has for its object to provide an improved method and an improved device can be reduced with or with the artifacts in reconstructed 3D volume data.
  • the invention has for its object to admit ⁇ a method and a device that or a reliable reconstruction of the 3D volume data is allowed even if there is no apriori knowledge about the movement of the examination subject or a section of the examination subject.
  • a method, a computer program and an imaging device as defined in the independent claims.
  • the dependent claims define preferred or advantageous embodiments of the invention.
  • SD volume data are reconstructed from a plurality of sets of 1D or 2D image data depending on a plurality of projection parameter sets.
  • Each projection parameter set is associated with a set of image data and indicates in which pixel coordinates of the set of image data voxel coordinates of voxels of a measurement space are mapped.
  • the position data determined advertising, giving for a plurality of detection times of the image data ⁇ a position and / or orientation of at least a portion of the inspection object on ⁇ .
  • the reconstruction of the 3D volume data from the plurality of sets of image data is performed in response to both the plurality of projection parameter sets and the position data.
  • the reconstruction is based not only on the projection parameter sets but also on the determined position data.
  • a change in the position and / or orientation of the at least one section of the examination subject during reconstruction can be taken into account. Blurring or artifacts caused by the movement of at least one from ⁇ -section of the examination object can thus be reduced in the reconstructed 3D volume data.
  • the moving section of the examination object may, for example, be an organ whose position Position and / or orientation changes due to respiratory movements, heartbeat, manipulation by a diagnostic or therapeutic device or the like.
  • the section can also be the entire examination object.
  • a change of the entire examination object in the measuring room can be caused for example by a targeted or accidental adjustment of a Pa ⁇ tiententicians.
  • a change in position is understood as a change in the spatial coordinates of a given point, for example the volume center, of the section.
  • a rotation of the direction vector from a first point of the section to a second point of the section, which have a substantially constant distance from one another during the movement of the section is understood.
  • the movement of the at least one portion of the lower ⁇ suchungs Shelters might be accommodated by the use of the position data in the reconstruction process itself.
  • a plurality of modified projection parameter sets can be determined as a function of the plurality of projection parameter sets and the position data.
  • the reconstruction of the 3D volume data is then performed depending on the modified projection parameter sets.
  • the position data can be easily integrated into existing reconstruction algorithms.
  • the reconstruction can be done depending on the modified projection parameter sets that were generated based on the position data, wherein the known reconstruction methods can be used.
  • the reconstruction may be performed by a filtered backprojection (FBP), eg with a shepp logan filter, or with another ren reconstruction methods, such as the iterative or algebraic reconstruction performed.
  • FBP filtered backprojection
  • the modified Proj can ter among others, the modified projection set of parameters indicating at least, in which Pi ⁇ xelkoordinaten the set of image data, the voxel of Wenig ⁇ least a Section of the examination object.
  • the unmodified projection parameter sets indicate the mapping of voxel coordinates of a stationary voxel in pixel coordinates in the image data
  • the projection parameter sets thus modified take into account the displacement and / or rotation of the at least one section of the examination subject relative to a reference position at the time of the respective data acquisition ,
  • the projection parameters may represent matrix elements of a projection matrix.
  • modified projection parameter set matrix elements of a matrix product of the projection matrix, and a further matrix which are a displacement and / or rotation of the at least a portion of the object to be examined relative to a reference position of the at least one portion defi ⁇ ned determined.
  • the thus determined modified projection parameter sets into account the existing at time of the respective data acquisition displacement and / or rotation of at least a portion of the Letsob ⁇ jekts with respect to the reference position. Blurs or artifacts during 3D reconstruction are thus reduced.
  • the modifi ⁇ ed projection parameter sets can be used in conventional re ⁇ construction algorithms.
  • Ki denotes the further matrix which defines a displacement and / or rotation of the at least one section of the examination object relative to the reference position of the at least one section.
  • the further matrix Ki may be defined such that the product of Ki with the location vector of a point of the portion in the reference position of the examination object is equal to the position vector of this point at the time of data acquisition for the set i of image data.
  • Ki can be represented as a 4x4 matrix.
  • the matrix Ki can form in homogeneous coordinates
  • all voxels of the 3D volume data can be reconstructed as a function of the determined modified projection parameter sets. If only part of the object moves, the moving portion is then reconstructed with a higher sharpness than the other From ⁇ sections of the object. In particular, if the moving portion of the imaging part of the
  • Examination object is, for example, an organ that is to be imaged three ⁇ dimensional, this can be beneficial. Even if the entire examination object is moved in a La ⁇ borsystem, a reconstruction of all voxels depending on the modified projection parameter sets make sense.
  • the portion of the voxels that is reconstructed depending on the modified projection parameter sets may be determined depending on at least one location of the portion of the examination subject.
  • the part of the voxels for example, be selected so that the volume data is arranged depending on the unmodified projection parameter sets the moving portion of thetul ⁇ monitoring object in the partial volume at a reconstruction of the SD, which is reconstructed depends on the modified projection parameter sets.
  • a geometric body such as a box or ellipsoid, may define the portion of the voxels of the SD volume data that is reconstructed depending on the modified projection parameter sets.
  • a first reconstruction of the SD volume data may be performed depending on the plurality of projection parameter sets and independent of the position data.
  • the part of the voxels for which the reconstruction subsequently takes place as a function of the modified projection parameter sets can be determined.
  • object segmentation may be performed in the initially reconstructed SD volume data to determine the portion of the voxels for which the reconstruction will subsequently depend from the modified projection parameter sets.
  • the first 3D reconstruction provides a reliable estimate of which area of the 3D volume data should be used to reduce the motion blur.
  • Another part of the voxels of the 3D volume data can be reconstructed depending on the plurality of projection parameter sets and independently of the position data.
  • the reconstruction can take place as a function of the unmodified projection parameter sets.
  • a measuring device can detect the position data during acquisition of the image data.
  • the measuring device may be provided separately from a detection device for detecting the image data. In this way, the measuring device can determine the position data independently of the acquisition of the image data.
  • the measuring device can detect the position data using waves, in particular electromagnetic, optical or acoustic waves.
  • the measuring device may comprise an ultrasound device with which the position of an organ is monitored.
  • the measuring device can, for example, comprise one or more transmitters and / or one or more electromagnetic field microsensors with which the position and / or orientation of the section of the examination subject is detected.
  • the measuring device may also include one or more cameras, with which the position of an externally visible attached to the object to be examined element is monitored.
  • the measuring device can detect ect as a function of time, a position of at least one anatomical marker on the tersuchungsobj at least a portion of the UN, to determine the La ⁇ gearies.
  • anatomical markers are vascular branches.
  • the measuring device can detect a position of at least one non-anatomical element in or on the portion of the examination object as a function of time in order to determine the position data.
  • non-anatomical elements include elements that can be non-invasively sheet plat ⁇ at the portion of the examination object. These include, for example, microsensors and probes that can be swallowed by a patient.
  • non-anatomical elements include implants, stents or clips that are present in the body of a patient.
  • non ⁇ anatomical elements whose position can be monitored by the measuring device, include micro-sensors or micro-transmitter, which are seen provided at the portion of the examination object ⁇ .
  • the introduction of the non-anatomical element into the body does not constitute a method step of the method according to the embodiments of the invention.
  • non-anatomical elements include sensors or transmitters attached to a therapeutic or diagnostic device, such as a catheter or endoscope.
  • a therapeutic or diagnostic device such as a catheter or endoscope.
  • the introduction of the therapeutic or diagnostic device into the body does not constitute a method step of the method according to the embodiments of the invention.
  • the position data can also be determined mathematically as a function of the image data. For example, several subsets of the plurality may be formed of sets of picture data that are evaluated to determine the positi on ⁇ and / or orientation of the portion of Letsob ⁇ jekts for several times.
  • the change in position of a marker for example an anatomical marker or a stent, clip or implant, can be tracked on the basis of the signature in the sets of image data.
  • One or more first 3D reconstructions based on the project parameter sets and independent of position data can be used to determine the position data. This makes it possible to improve the 3D reconstruction subsequently carried out as a function of the position data, without having to provide a separate measuring device for determining the position data.
  • the examination object can be moved in a laboratory system between the detection of at least two sets of image data. This allows greater flexibility in data acquisition ⁇ .
  • the shift in the sets of image data resulting from the displacement of the entire examination subject can be at least partially compensated by the 3D reconstruction depending on the positional data.
  • Detecting means for detecting the plurality of sets of image data may be displaced in the laboratory system between a plurality of positions.
  • the examination object can be moved depending on the position of the detection device in the laboratory system.
  • the detection of the image data can be performed such that compared to a stationary object to be examined detect a greater proportion of the pixels of the Jardinda ⁇ th beams pro- pagieren through the examination object.
  • the examination object can be moved so ⁇ be that for the first position of the detection device has a greater distance from a radiation source than for the second position of the detection device.
  • the image data can be acquired with an X-ray area detector. In this way, motion blur in 3D X-ray imaging can be reduced.
  • a computer program comprising a sequence of instructions which, when executed causes by an electronic computing means of an imaging device, the imaging device for carrying out the method according to one aspect orjasbei ⁇ play of the invention.
  • the computer program can be loaded, for example, into the memory of an evaluation computer of an imaging device, for example a C-arm system.
  • the computer program may be present as source code or as a compiled instruction sequence.
  • a data carrier is provided on which a command sequence comprehensive Compu ⁇ terprogramm is stored, which causes, when executed by a processor of an imaging device, the imaging device for performing the method according to any one aspect or embodiment of the invention.
  • the data carrier can be, for example, a CD-ROM, a DVD, a magnetic tape , a flash memory or a USB stick, on which the computer program is stored as electronically readable control information.
  • this control information is read from the data carrier and executed by a computing device of an imaging device, the method according to the various aspects or embodiments can be performed automatically by the imaging device.
  • a Schmge- exercise apparatus comprising a detecting means for detecting a plurality of sets of 1D or 2D image data of an object to be examined and a spoke pure ⁇ direction for storing a plurality of Proj etechnischsparame- covers.
  • Each projection parameter set is associated with a set of image data and specifies into which Pixelko ⁇ ordinates of the set of image data voxel coordinates of Vo- xeln a measuring space ready.
  • the Jardin concernssvor- device further comprises a computing device which is coupled to the detecting means and the memory means and arranged to reconstruct 3D volume data depending from the multi ⁇ number of sets of image data from the plurality of projection parameter sets.
  • the computing device is set up to continue the reconstruction of the SD volume data in dependence on position data which indicate a position and / or an orientation of at least one moving section of the examination subject for a plurality of acquisition times of the image data.
  • the computing device may be configured to determine a plurality of modified projection parameter sets as a function of the plurality of projection parameter sets and the position data and to reconstruct the 3D volume data from the sets of image data as a function of the modified projection parameter sets.
  • the position data can be integrated into existing reconstruction algorithms.
  • the computing means may be arranged to generate the modified projection parameter sets such that for at least one set of image data, in particular for each set of image data, the modified projection parameter set indicates which pixel coordinates of the set of image data Voxels of a portion of the Letsob ⁇ jekts be at least displayed.
  • the so modified Giionspa ⁇ rameter accounts take account of the existing at the time the respective data acquisition displacement and / or rotation of the at least one portion relative to the examination object to a reference position.
  • the computing means may be adapted to provide for at least one set of image data, in particular for each set of image data for determining the modified projection parameter set matrix elements of a matrix product of a pro ⁇ jemiesmatrix and another matrix comprising a displacement and / or rotation of at least a portion of the Object to be determined relative to a reference position of the at least one section.
  • the imaging device may comprise a measuring device that is different from the detection device and that is set up to determine the position data.
  • the measuring device may have the various configurations described with reference to embodiments of the method.
  • the imaging device may comprise a planar X-ray detector for acquiring the image data.
  • the imaging device may be configured to perform the method of any of the aspects or embodiments of the invention.
  • the invention is suitable for 3D imaging on examination objects with moving sections, in particular in medical imaging, without being limited to these applications.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an imaging device according to an embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an imaging device according to an embodiment.
  • Fig. 2 is a schematic representation of a portion ei ⁇ nes examination object for explaining an execution ⁇ is example.
  • Fig. 3 is a schematic representation of a portion ei ⁇ nes examination object for explaining an execution ⁇ is example.
  • FIG. 4 is a schematic illustration of the portion of an examination subject of FIG. 3 at a further time.
  • FIG. 4 is a schematic illustration of the portion of an examination subject of FIG. 3 at a further time.
  • FIG. 5 is a flowchart illustration of a method according to an embodiment.
  • Fig. 6 is a schematic diagram of reconstructed 3D volume data for explaining an embodiment.
  • FIG. 7 is a flowchart illustration of a method according to another embodiment.
  • Embodiments of the invention will now be described in the context of 3D x-ray imaging. However, the methods and apparatuses according to embodiments of the invention may also be applied in other fields where reconstruction of 3D volume data is made from multiple sets of 1D image data or 2D image data. While the imaging devices are furnished to the embodiments to determine a graphical representation geeig ⁇ designated 3D volume data, the concept of the imaging device does not imply that a pictorial issue he must follow ⁇ .
  • 1 is a schematic representation of an imaging device 1 according to an exemplary embodiment.
  • the imaging device 1 comprises a C-arm device 2, an evaluation and control unit 11 and a measuring device 15.
  • the C-arm device 2 has a C-arm 3, which is pivotably mounted about at least one axis and on an X-ray tube 4 and a detector 5 opposite the X-ray tube are attached.
  • the X-ray tube 4 emits X-ray radiation which passes through a volume which is defi ned ⁇ example, by a cone beam 6 and detected by the detector.
  • the detector 5 may comprise one or, advantageously, a plurality of detector rows.
  • the detector 5 may in particular be a surface detector.
  • a patient table 9 supports an examination subject P, for example a patient, and the patient table 9 is adjustable in at least one, advantageously in the three translational degrees of freedom (height, side, length)
  • a drive device 10 is operatively connected to the patient table 9. to do this.
  • the evaluation and control unit 11 is connected to the C-arm device 2 and comprises a control device 14 for controlling the drive means 7 for adjusting the C-arm 3 and for controlling the drive means 10 for adjusting the patient table 9. While for clarification the function the
  • Evaluation and control unit 11 as a separate element is Darge ⁇ represents, the evaluation and control unit 11 may be installed in the housing of the C-arm device 2.
  • a memory 13 stores a plurality of projection parameter sets. Each of the projection parameter sets is assigned to exactly one position of the C-arm 3.
  • the parameters of a projection parameter set respectively specify into which pixel coordinates of the detector 5 voxels with given voxel coordinates are imaged in the measuring space interspersed by the beams 6 for the respective position of the C-arm 3.
  • the projection geometry can often be well described by the matrix elements of a projection ⁇ matrix, as will be explained in more detail.
  • An electronic computing device 12 performs a re ⁇ construction of 3D volume data from the captured with the detector 5 in the plurality of positions image data depending on the projection parameter sets.
  • the control device 14 may control the drive device 7 and the X-ray source 4 such that in, for example, FIGS
  • the measuring device 15 detects position data of the suchungs Shelters specify the position and / or orientation of at least a portion of sub ⁇ P for several times.
  • the at least one section can also be the entire examination object P whose movement in space can be detected.
  • the measuring device 15 can have various configurations.
  • the measuring device 15 may be configured to determine the position of one or more points of the portion of the examination object using electromagnetic fields or optical radiation.
  • the measuring device 15 can for this purpose have one or more devices 17-19 which are connected to a computer 16 and arranged to generate electromagnetic fields and / or to receive electromagnetic signals.
  • the computer 16 can for example, based on field strengths or propagation times detected by the devices 17-19
  • Radiation determine the position and / or orientation of the portion of the examination object.
  • the measuring device is designed such that a theomme ⁇ monitoring object P ambient magnetic field is built up.
  • microsensors can be located by field strength measurements. Illustrated by way of example is a microsensor 21 in a belly region of the examination subject P and a pair of spaced-apart microsensors 23, 24 on the head of the examination subject. The microsensor 21 can via a
  • Interface 22 transmitted field strengths to the computer 16 passed.
  • the computer can determine the position of the microsensor 21 from the field strengths.
  • the pair of microsensors 23, 24 can transmit detected field strengths to the computer 16.
  • the positions of the microsensors 23, 24 can be determined in the laboratory system. Since the head can be regarded as a rigid body, the computer 16 can determine from the positions of the microsensors 23, 24 a displacement and rotation of the head relative to a reference position. Further embodiments of the measuring device are possible. For example, the measuring device can determine the position (s) of one or more non-invasively inserted into the body of the patient elements for a plurality of detection times.
  • the measuring device can also determine the position (s) of one or more elements introduced invasively into the body of the patient, for example a microsensor or transmitter placed on a device with a catheter or an endoscope, for a plurality of acquisition times.
  • the steps required to introduce the element are not part of the described and claimed methods for reconstructing 3D volume data.
  • the measuring device 15 detects the position and / or orientation of at least one section of the examination subject P for several times in such a way that it is possible to associate the respectively detected position and / or orientation of the section with the different sets of image data.
  • the measuring device 15 can detect the position and / or orientation of the portion of the examination subject at least at the times t ⁇ at which the detector 5 detects the i-th set of image data.
  • the measuring device 15 can detect the position and / or orientation of the section of the examination subject continuously or quasi-continuously. The position and / or orientation of the portion of the examination subject to the acquisition times of Marshda ⁇ th can be extracted from this data.
  • the computing device 12 performs a reconstruction of SD volume data depending on both the projection parameter sets stored in the memory 13 and the position data representing the position and / or orientation of the section. For this purpose, the computing unit 12 determines a modified projection parameter set for the sets of image data as a function of the projection parameter set assigned to a set of image data and at least those position data which indicate a position and / or orientation of the section in the acquisition of the set of image data.
  • the reconstruction of the 3D volume data from the image data is then carried out by the computing device as a function of the modified projection parameter sets, without the image data from which the 3D volume data is reconstructed having to be subjected to a motion correction before the reconstruction is carried out.
  • the reconstructed 3D volume data can be output via an interface of the imaging device 1 for further processing or displayed on a display device 20.
  • Fig. 2 is a schematic representation of a portion P.
  • the portion 30 may ⁇ play, be an organ such as a liver, the patient P at 30 of an inspection object.
  • a movement of section 30 results in the In the laboratory system, different sets of image data of section 30 occupy different positions.
  • the positi ⁇ on the section 30 at a data acquisition, wherein the cone of rays passes through the volume represented with 6 is illustrated with solid lines.
  • the position of the portion 30 'in another data acquisition in which the cone of rays passes through the volume shown with 6', is shown with broken lines.
  • the position data are determined which represent the position and / or orientation of the section 30 for different acquisition times.
  • the reconstruction of the 3D volume data is done in response to the position data to account for a change in position of the portion 30 between the detection of different sets of image data.
  • modified projection parameter sets can be determined in such a way that they define, in which Pixelkoordi ⁇ naten a set of moving image data voxel of the ex ⁇ section 30 to be imaged.
  • 3 and 4 are schematic representations of a portion 40 of an examination subject P at different time ⁇ points.
  • the portion 40 may be, for example, an organ, eg a liver, of the patient P. Due to the movement of the section 40, a point of the section 40 located at a position 41 in the laboratory system during data acquisition is at a remote location 42 in the laboratory system upon further data acquisition.
  • a moving section of the sub- chungsobj ect at least approximately will be ⁇ seek as a rigid body.
  • the position of the portion 40 may be indicated by a displacement vector 45 relative to a reference position.
  • the displacement vector 45 may be determined by the position of an element 44 which is vorgese ⁇ hen at the portion 40, is determined.
  • the element 44 may be, for example, a clip, a stent or an implant.
  • the element 44 may also be a microsensor or a micro-transmitter placed on the section 40 with a therapeutic instrument via a vessel 43.
  • the member 44 may also be provided on a therapeutic instrument, the end of which is placed on or in the portion 40.
  • the member 44 may be configured to be non-invasively placed on the portion 40. If the Platzie ⁇ tion of the element 44, a surgical step is required, the surgical step not form part of the inventive process.
  • the element 44 may for example be designed as a micro-sensor, the magnetic field intensities measured in at least three directions in space and to a computer of a measuring device, for example, the computer 15 in Fig. 1, outputs. From the magnetic field strengths, the respective position of the element 44 can be determined.
  • the respective position of the element 44 can be determined.
  • the orientation can also be determined.
  • the measuring device for determining the position data can also be configured otherwise.
  • the measuring device can use the position of the section 40 using Determining ultrasonic waves.
  • Sensors can be mounted externally to the object under examination to determine at ⁇ play as changes in position of the head or the entire examination subject.
  • FIG. 5 is a flowchart illustration of a method 50 according to one embodiment.
  • a plurality of sets of image data in particular 2D image data, are acquired. From the sets of image data, 3D volume data is reconstructed.
  • the method 50 may be performed by the imaging device 1.
  • a plurality of sets of image data are acquired.
  • the number of sets of image data is denoted by imax, and i denotes an index for identifying a set of image data.
  • the detector is positioned to capture the i-th set of image data in one of several positions. This can be done by positioning an X-ray source and / or an X-ray detector.
  • the i-th set of image data is acquired.
  • the set of image data can be acquired with an X-ray area detector.
  • the image data can be filtered, for example with a Shepp Logan filter.
  • a position and / or orientation of a section of the examination object is determined in parallel with the detection of the i.th image data. The determination of the position and / or orientation can take place in the various ways described above, for example wave-based, using microsensors or micro-transmitters or the like.
  • a projection parameter set is read which is the one detected in the ith position of the detector Set of image data is assigned.
  • the projection parameter set associated with the i-th set of image data indicates mapping between voxel coordinates and pixel coordinates in the i-th set of image data. This information is used for the actual reconstruction.
  • the projection parameter set for the I-th set of image data may for example consist of the elements of a projection matrix ⁇ mi.
  • the projection matrix may consist of a 4x4 matrix of the form
  • the matrix elements rl-r9 and tl-t3 a rotation or translation can be described.
  • a deformation can be described which does not result solely from a projection, for example a shear.
  • the matrix elements pl-p3 describe the Perspecti ⁇ vische projection because of the picture in a radiation cone.
  • the matrix Mi is a 4x3 matrix.
  • the matrix elements of the projection matrix Mi are defined such that for the i-th set of image data
  • each voxel coordinate triplet of the measurement space is expressed in pixel coordinate tuples of the sets of image data.
  • the image data have a value at the corresponding pixel coordinates, which value goes into its value during the reconstruction of the voxel with the corresponding voxel coordinate triplet .
  • a modified projection parameter set is determined as a function of the projection parameter set for the ith image data and the corresponding position data.
  • a modified projection parameter set can be determined from the projection parameter set assigned to the i th set of image data and the position and / or orientation of the section of the examination object determined for the time of the data acquisition.
  • the modified projection parameter set is determined so that the actual position and / or orientation of the portion which can be moved against a Refe rence ⁇ location, is taken into account. If deformations of the section of the examination object are negligible, parameters determined from a displacement and / or rotation of the section determined at 54 relative to a reference position and reference orientation can be determined, which are used to modify the projection parameter set.
  • the correction matrix K ⁇ is defined as a reference position of the portion repre sented ⁇ Ver ⁇ the displacement and / or rotation of the portion of the examination object relative ⁇ .
  • the correction matrix may generally have the form given in equation (2) above. If the section of the examination object ⁇ be moved only in a purely translatory, K ⁇ may be represented, in homogeneous coordinates as
  • the modified projection parameter set can be calculated from the matrix elements of equation (1) given above.
  • the i-th image data is incorporated into the 3D volume data. At least for a part of the voxels, the incorporation is dependent on the modified projection parameter sets determined at 56.
  • the reconstruction can be done in various ways known in the art. For example, a filtered backprojection or an iterative or algebraic reconstruction can be used. Examples of such methods are given in DE 198 58 306 AI with further evidence. For example, for a voxel, the value of that pixel or pixels the filtered image data, in the pixel coordinates of which the voxel coordinates of the voxel are mapped according to the modified projection matrix, are added to the current value of the voxel in the 3D volume data.
  • the 3D volume data may be reworked, output, or graphed.
  • the modified projection parameter sets it may be determined in which pixel coordinates the voxel coordinates were mapped. This may for example be useful if the entire object under examination be ⁇ is moved, for example by controlling the drive device 10 to the patient table 9 or an accidental adjustment of the patient table 9.
  • a reconstruction of all voxels depending on the modified projection parameter sets can also scenarios be advantageous in which only a portion of the examination subject is moved relative to other portions of the examination subject. This can be achieved that the moving waste-section of the object with greater sharpness recon ⁇ is struiert than the other sections of the examination ⁇ object.
  • both independent from the position data reconstruction can be made based on the projection Para ⁇ meters as well as a reconstruction based on the modified projection parameters.
  • Both sets of 3D volume data can be output via an interface of the imaging device 1 for further processing or displayed on a display device 20 of the imaging device 1.
  • user-defined can be chosen between the data reconstructed based on the projection parameters and the data reconstructed based on the modified projection parameters.
  • only a part of the voxels of the 3D volume data is reconstructed as a function of the modified projection parameter sets, while a further part of the voxels is reconstructed as a function of the projection parameter sets and independently of the position data.
  • This can be advantageous to both the moving section, example ⁇ as an organ, as well as to present further, essentially immobile sections of the examination subject with little blurring. A corresponding method will be described in more detail with reference to FIGS. 6 and 7.
  • a partial volume 62 of the reconstructed volume 61 is selected to include the moving portion 63 of the examination subject.
  • the complementary sectionvolu ⁇ men 64 contains the voxels of the volume 61, which are not included in the partial volume 62nd
  • the partial volume 62 can be selected as a geometric shape, for example as a cuboid or ellipsoid, whose center point ⁇ and dimensions, may be determined depending on in which area the area of the moving section 63 of the inspection object moves. This space area can be estimated depending on multiple sets of image data. Alternatively or additionally, a first reconstruction of SD volume data may be dependent on the projection parameter sets and be performed independently of the position data to set the sub-volume 62.
  • the partial volume 62 can be determined by object segmentation. This can be carried out regardless of the location data in accordance with the projection parameter sets and a first Rekonstrukti ⁇ on 3D volume data. By segmenting the 3D volume data thus obtained, the partial volume 62 can be determined, in which the modified projection parameter sets are used in a subsequent renewed reconstruction. The segmentation may be such that an edge of the sub-volume 62 corresponds to an edge of the movable portion reconstructed in the first reconstruction.
  • FIG. 7 is a flowchart illustration of a 3D reconstruction method according to another embodiment.
  • the method can be performed by the computing device 12 of the imaging device 1.
  • a capture of image data and location data can take place, as has been described for steps 52-54 of the method 50.
  • a first reconstruction of the 3D volume data may be performed depending on the projection parameter sets and independent of the position data. This step is optio ⁇ nal. If step 71 is performed, the first SD can be carried out reconstruction in parallel for data acquisition, examples of play as for steps 55-57 of method 50 be ⁇ written. In this case, however, an association of voxel coordinates and pixel coordinates is determined as a function of the unmodified projection matrices.
  • the captured sets of image data may be stored for later 3D reconstruction.
  • a part A of the voxels of the 3D volume data is identified, which depends on the modified projection para- metersets to be reconstructed. If ers ⁇ te reconstruction of the 3D volume data was performed at 71, the portion of the voxel can be determined depending on the first reconstruction. For this purpose, a 3D segmentation of the 3D volume data obtained in the first reconstruction can be undertaken.
  • the to be reconstructed 3D volume can be, for example, in 512 3 voxels up ⁇ shares.
  • An index identifying a voxel is designated j in FIG. While the voxels in FIG. 7 are schematically labeled with a single index, in practice, three nested iterations can be used to reconstruct the voxels with given coordinates of layers, rows, and columns.
  • the iteration is initialized via the sets of image data.
  • the iteration is initiali ⁇ Siert over voxels.
  • the identification of the pixels is carried out depending on the modified projection parameter set, which is assigned to the i-th set of image data.
  • the modified Schwarz'sparametersatz takes into account the actual position of the waste section of the examination object in the detection of i.- th set of image data. If it is determined at 75 that the voxel j is not included in the subvolume A, at 77 in the ith set of image data, the coordinates of the pixel (s) into which the voxel coordinates of the voxel are mapped are identified were. The identification of the pixels in this case depends on the projection parameter set assigned to the i th set of image data and independent of the position data. Determining the coordinates of the pixel at 70 is independent of the location data of the portion of the subject of the examination.
  • the i-th image data is incorporated into the 3D volume data.
  • the value of the pixel or pixels of the filtered image data in whose pixel coordinates the voxel coordinates of the voxel are mapped according to the modified projection matrix (step 76) or the projection matrix (step 77) may be added to the value of the voxel in FIG be added to the 3D volume data.
  • an accumulation of different pixel values takes place for the value of the voxel j in the 3D volume data.
  • the 3D volume data can be optionally post-processed, and an electronic or optical 83 Interface are output.
  • an output of the 3D volume data determined at 71 in the first 3D reconstruction can also be provided. If, in the method 70, a 3D is already at 71
  • voxels that are not included in part A of the voxels need not be reconstructed again at 75-79. Rather, only the voxels j in the subvolume A, which is to be reconstructed in a motion-corrected manner, can be determined in accordance with the explained procedure in order to replace the voxels determined at 71 initially without motion correction.
  • the process 70 can be reconstructed as a portion of the volume to be reconstructed, including the moving portion of the object, that the actual Posi ⁇ tion and / or orientation and / or deformation of the section is taken into account for the reconstruction.
  • the apparatuses and methods of embodiments of the invention allow for image reconstruction, in which the position and / or orientation of a moving portion of the examination object are taken into account in the reconstruction itself. Artifacts and blurring can be reduced. This makes it possible to move thetul ⁇ monitoring object between the acquisition of various sets of picture data selectively in a laboratory system. The effects resulting from the change in position and / or orientation can be largely compensated by the reconstruction according to the devices and methods described here.
  • the object to be examined is moved in such a way that for at least some of the sets of image data of the portion of a detector surface, incident on the radiation after propagation through the object of inspection, magnification ⁇ ßert or decreased.
  • magnification ⁇ ßert or decreased.
  • the patient can be moved depending on the position of the X-ray source 4 and the X-ray detector 5. For example, in a position in which a central ray of the cone of rays extends substantially horizontally, that is, the C-arm 3 is pivoted by 90 ° relative to the position shown in FIG.
  • the patient table 9 are moved so that a The center line of the patient table 9 is closer to the X-ray source than in the position of the C-arm 3 shown in solid lines in FIG. 1. In this way, for this position of the X-ray source 4 and the X-ray detector 5, the proportion of pixels used for the X-ray source Re ⁇ construction significant data capture, increased.
  • the examination object can be moved such that a larger volume of the examination subject can be reconstructed from the acquired image data.
  • this information can be determined alternatively or additionally by calculation from the image data.
  • a region of the section as example ⁇ , a vessel bifurcation, an implant, stent or clip, leads to a distinct signature in the image data, can the location and a change in the position of the portion made of soft ⁇ Nigen rates can be estimated from the image data.
  • the positions of a plurality of points of the section as a function of time can be detected in order to detect a rotation and / or deformation of the section during the reconstruction of the 3D-anatomical marker or a non-anatomical element.
  • Rotation can also be embodied by a suitable probe, for example, includes two non-collinear coils, it will be understood ⁇ .
  • Embodiments of the invention allow the reduction of motion artifacts in the reconstruction of SD volume data.
  • Application fields exist, for example, in medical imaging.

Abstract

Eine Bildgebungsvorrichtung weist eine Erfassungseinrichtung (3-5) zum Erfassen von 1D- oder 2D-Bilddaten auf. Eine Position und/oder Orientierung eines beweglichen Abschnitts eines Untersuchungsobjekts (P) wird beispielsweise mit einer Messeinrichtung (15, 21-24) für eine Mehrzahl von Erfassungszeiten der Bilddaten erfasst. Eine Recheneinrichtung (12) führt eine Rekonstruktion von 3D-Volumendaten aus den Bilddaten abhängig von Projektionsparametern und abhängig von der Position und/oder Orientierung des beweglichen Abschnitts des Untersuchungsobjekts (P) durch.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Ermitteln von dreidimensionalen Volumendaten und Bildgebungsvorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von SD- Volumendaten und eine Bildgebungsvorrichtung. Die Erfindung betrifft insbesondere ein derartiges Verfahren und eine der¬ artige Vorrichtung, bei dem bzw. bei der dreidimensionale (3D) Volumendaten aus einer Mehrzahl von Sätzen von 1D- Bilddaten oder 2D-Bilddaten rekonstruiert werden.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen finden beispielsweise in der medizinischen Bildgebung Anwendung. Die dreidimensio- nale Bildgebung ist in den letzten Jahrzehnten zu einem wichtigen Instrument in der medizinischen Anwendung geworden. Dreidimensionale Bildgebung, die vor oder während einer The¬ rapie durchgeführt wird, kann die Durchführung einer Therapie erleichtern. So können beispielsweise während einer Behand- lung mit einem Therapieinstrument, z.B. einem Endoskop oder Arthroskop, mit einer Aufnahmemodalität wie 3D-Röntgen, SD- Computertomographie (CT) , Magnetresonanz oder Ultraschall, 3D-Volumendaten gewonnen werden, um eine Position und Orientierung eines schneidenden bzw. resezierenden Instruments in einer Therapiesitzung relativ zu einem Organ oder Gefäß zu ermitteln .
Zur Erzeugung von 3D-Datensätzen werden häufig mehrere Sätze von 1D-Bilddaten von einer Detektorzeile oder mehrere Sätze von 2D-Bilddaten mit einem flächenhaften Detektor erfasst. Aus den Sätzen von Bilddaten werden 3D-Volumendaten des Untersuchungsobjekts rekonstruiert. Die mehreren Sätze von Bilddaten werden typischerweise zeitsequentiell erfasst, wo¬ bei die Detektoren und/oder Quelle der Strahlung, beispiels- weise eine Röntgenquelle, im Raum bewegt werden. Beispiele für eine derartige Datenerfassung beinhalten so genannte C- Arm-Systeme, bei denen die Röntgenquelle und eine flächenhaf¬ te Detektoranordnung entlang eines Kreisbogens um das Unter- suchungsobj ekt bewegt werden. Andere Beispiele beinhalten Systeme, bei denen komplexere Bewegungsbahnen der Detektoranordnung und/oder der Röntgenquelle vorgesehen sind, beispielsweise spiralförmige Bewegungsbahnen. Häufig werden meh- rere zehn, beispielsweise zwischen 40 und 1000 Sätze von 2D- Bilddaten erfasst, aus denen 3D-Volumendaten rekonstruiert werden. Verschiedene Methoden zur Rekonstruktion sind in der Technik bekannt. Beispiele beinhalten die so genannte gefil¬ terte Rückprojektion („Filtered Backproj ection" , FBP) , und die iterative oder algebraische Rekonstruktion („Algebraic
Reconstruction Technique", ART) . Bei diesen Methoden erfolgt eine 3D-Rekonstruktion des Untersuchungsobjekts basierend auf Kenntnissen darüber, in welches Pixel eines Satzes von 2D- Bilddaten ein gegebenes Volumenelement bzw. Voxel abgebildet wird. Bei zahlreichen Aufnahmeverfahren, beispielsweise bei 3D-Röntgenverfahren, können derartige Abbildungsverhältnisse effizient durch Projektionsmatrizen beschrieben werden. Aus den Projektionsmatrizen kann ermittelt werden, wie sich die Koordinaten jedes Voxels im Volumen in 2D-Bildkoordinaten ausdrücken. Die Projektionsmatrizen können durch Kalibrierung oder rechnerisch ermittelt und fest in der Bildgebungsvor- richtung implementiert sein. Details zur Rekonstruktion von 3D-Volumendaten sind beispielsweise in der DE 198 58 306 AI beschrieben .
Bei den oben beschriebenen Verfahren zur 3D-Rekonstruktion erfolgt die Rekonstruktion aus mehreren zeitsequentiell er- fassten Sätzen von Bilddaten. Falls sich das Untersuchungsobjekt oder ein Abschnitt des Untersuchungsobjekts in einem La- borsystem zwischen den Erfassungszeiten, zu denen die unterschiedlichen Sätze von Bilddaten erfasst werden, bewegt, kann dies zu Artefakten oder Unschärfen in den rekonstruierten SD- Volumendaten führen. Derartige Bewegungen von Abschnitten des Untersuchungsobjekts können beispielsweise bei Weichteilauf- nahmen im Brust- oder Bauchraum auftreten. Ursachen für die Bewegung eines Abschnitts des Untersuchungsobjekts, bei¬ spielsweise eines Organs, können Atemverschiebung, Herzbewe- gung, Peristaltik oder die Verschiebung des Abschnitts durch ein therapeutisches oder diagnostisches Instrument sein.
Die DE 10 2004 004 603 AI beschreibt ein Verfahren und eine Bildgebungseinrichtung zur Kompensation von Patientenbewegungen. Dabei werden anhand eines Vergleichs von 2D-Bilddaten mit einer 3D-Rekonstruktion Patientenbewegungen erfasst, und Verhältnisse des Bildgebungssystems werden abhängig von den Patientenbewegungen beeinflusst. Dadurch können Sätze von Bilddaten erzeugt werden, bei denen die Position des Patienten relativ zu dem Bildgebungssystem wenigstens näherungsweise vorgegebenen Relativpositionen entspricht und Artefakte entsprechend verringert werden. Ein weiterer Ansatz zur Bewegungskompensation kann auf einer Prädiktion von Bewegungen, beispielsweise durch Extrapolation bereits erfasster Daten, beruhen. In manchen Fällen, beispielsweise bei der Verschiebung eines Organs durch ein dia¬ gnostisches oder therapeutisches Instrument, kann eine derar- tige prädiktive Aussage nur schwer oder unmöglich zu erhalten sein .
Ein weiterer Ansatz zur Bewegungskompensation kann auf der bewegungsabhängigen Manipulation der erfassten 1D- oder 2D- Bilddaten beruhen. Beispielsweise können die erfassten Bilddaten einer Transformation, z.B. einer Translation oder Rotation unterzogen werden, bevor eine Rekonstruktion von 3D- Volumendaten aus den transformierten Bilddaten durchgeführt wird. Die Ermittlung der korrekten Transformationen, denen die Bilddaten zunächst unterzogen werden, kann jedoch eine Herausforderung darstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung anzugeben, mit dem bzw. mit der Artefakte in rekonstruierten 3D-Volumendaten verringert werden können. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung an¬ zugeben, das bzw. die eine zuverlässige Rekonstruktion der 3D-Volumendaten auch dann erlaubt, wenn keine Apriori- Kenntnisse über die Bewegung des Untersuchungsobjekts oder eines Abschnitts des Untersuchungsobjekts vorliegen. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren, ein Computerprogramm und eine Bildgebungsvorrichtung angegeben, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen definiert sind. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung .
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln von SD- Volumendaten eines Untersuchungsobjekts werden SD- Volumendaten aus einer Mehrzahl von Sätzen von 1D- oder 2D- Bilddaten abhängig von einer Mehrzahl von Proj ektionsparame- tersätzen rekonstruiert. Jeder Projektionsparametersatz ist einem Satz von Bilddaten zugeordnet und gibt an, in welche Pixel-Koordinaten des Satzes von Bilddaten Voxel-Koordinaten von Voxeln eines Messraums abgebildet werden. Für wenigstens einen sich bewegenden Abschnitt des Untersuchungsobjekts wer- den Lagedaten bestimmt, die für eine Mehrzahl von Erfassungs¬ zeiten der Bilddaten eine Position und/oder eine Orientierung des wenigstens einen Abschnitts des Untersuchungsobjekts an¬ geben. Das Rekonstruieren der 3D-Volumendaten aus der Mehrzahl von Sätzen von Bilddaten wird in Abhängigkeit von sowohl der Mehrzahl von Projektionsparametersätzen als auch den Lagedaten durchgeführt.
Bei dem Verfahren beruht die Rekonstruktion neben den Projektionsparametersätzen auch auf den bestimmten Lagedaten. Da- durch kann eine Änderung der Position und/oder Orientierung des wenigstens einen Abschnitts des Untersuchungsobjekts bei der Rekonstruktion berücksichtigt werden. Unschärfen oder Artefakte, die durch die Bewegung des wenigstens einen Ab¬ schnitts des Untersuchungsobjekts verursacht werden, können so in den rekonstruierten 3D-Volumendaten verringert werden.
Bei dem sich bewegenden Abschnitt des Untersuchungsobjekts kann es sich beispielsweise um ein Organ handeln, dessen Po- sition und/oder Orientierung sich aufgrund von Atembewegungen, Herzschlag, einer Manipulation durch ein Diagnose- oder Therapiegerät oder dergleichen ändert. Der Abschnitt kann auch das gesamte Untersuchungsobjekt sein. Eine Änderung des gesamten Untersuchungsobjekts im Messraum kann beispielsweise durch ein gezieltes oder versehentliches Verstellen eines Pa¬ tiententisches hervorgerufen werden.
Wenn der Abschnitt des Untersuchungsobjekts eine räumliche Ausdehnung hat, wird unter einer Änderung der Position eine Änderung der räumlichen Koordinaten eines vorgegebenen Punktes, beispielsweise des Volumenmittelpunktes, des Abschnitts verstanden. Unter einer Änderung der Orientierung wird eine Drehung des Richtungsvektors von einem ersten Punkt des Ab- Schnitts zu einem zweiten Punkt des Abschnitts, die während der Bewegung des Abschnitts einen im Wesentlichen konstanten Abstand voneinander aufweisen, verstanden.
Bei dem Verfahren können die Sätze von Bilddaten, aus denen die 3D-Volumendaten rekonstruiert werden, unverändert blei¬ ben. Die Bewegung des wenigstens einen Abschnitts des Unter¬ suchungsobjekts kann durch die Verwendung der Lagedaten im Rekonstruktionsvorgang selbst berücksichtigt werden. Bei dem Verfahren kann abhängig von der Mehrzahl von Projektionsparametersätzen und den Lagedaten eine Mehrzahl von modifizierten Projektionsparametersätzen ermittelt werden. Das Rekonstruieren der 3D-Volumendaten wird dann abhängig von den modifizierten Projektionsparametersätzen durchgeführt. Da- durch lassen sich die Lagedaten einfach in bestehende Rekonstruktionsalgorithmen integrieren. Die Rekonstruktion kann abhängig von den modifizierten Projektionsparametersätzen erfolgen, die basierend auf den Lagedaten erzeugt wurden, wobei auf die bekannten Rekonstruktionsmethoden zurückgegriffen werden kann. Beispielsweise kann die Rekonstruktion durch eine gefilterte Rückprojektion („Filtered Backproj ection" , FBP) , z.B. mit einem Shepp-Logan-Filter, oder mit einem ande- ren Rekonstruktionsverfahren, z.B. der iterativen oder algebraischen Rekonstruktion, durchgeführt werden.
Bei dem Verfahren können die modifizierten Proj ektionsparame- tersätze so erzeugt werden, dass für wenigstens einen Satz von Bilddaten, insbesondere für jeden Satz von Bilddaten, der modifizierte Projektionsparametersatz angibt, in welche Pi¬ xelkoordinaten des Satzes von Bilddaten die Voxel des wenigs¬ tens einen Abschnitts des Untersuchungsobjekts abgebildet werden. Während die nicht modifizierten Projektionsparametersätze die Abbildung von Voxel-Koordinaten eines ortsfesten Voxels im Messraum in Pixelkoordinaten der Bilddaten angeben, berücksichtigen die so modifizierten Projektionsparametersät¬ ze die zum Zeitpunkt der jeweiligen Datenerfassung bestehende Verschiebung und/oder Drehung des wenigstens einen Abschnitts des Untersuchungsobjekts gegenüber einer Referenzlage.
Bei dem Verfahren können für wenigstens einen Satz von Bilddaten, insbesondere für jeden Satz von Bilddaten, die Projek- tionsparameter Matrixelemente einer Projektionsmatrix repräsentieren. Zum Ermitteln des dem Satz von Bilddaten zugeordneten modifizierten Projektionsparametersatzes können Matrixelemente eines Matrixprodukts der Projektionsmatrix und einer weiteren Matrix, die eine Verschiebung und/oder Rotation des wenigstens einen Abschnitts des Untersuchungsobjekts relativ zu einer Referenzlage des wenigstens einen Abschnitts defi¬ niert, bestimmt werden. Die so bestimmten modifizierten Projektionsparametersätze berücksichtigen die zum Zeitpunkt der jeweiligen Datenerfassung bestehende Verschiebung und/oder Drehung des wenigstens einen Abschnitts des Untersuchungsob¬ jekts gegenüber der Referenzlage. Unschärfen oder Artefakte bei der 3D-Rekonstruktion werden so verringert. Die modifi¬ zierten Projektionsparametersätze können in herkömmlichen Re¬ konstruktionsalgorithmen verwendet werden.
Wenn die einem Satz i von Bilddaten zugeordneten Projektionsparameter Elemente einer Projektionsmatrix Mi sind, können die modifizierten Projektionsparameter für den Satz i von
Bilddaten als Matrixelemente von
M. = M. · Kt (1) bestimmt werden. Dabei bezeichnet Ki die weitere Matrix, die eine Verschiebung und/oder Rotation des wenigstens einen Abschnitts des Untersuchungsobjekts relativ zu der Referenzlage des wenigstens einen Abschnitts definiert. Die weitere Matrix Ki kann so definiert sein, dass das Produkt von Ki mit dem Ortsvektor eines Punkts des Abschnitts in der Referenzlage des Untersuchungsobjekts gleich dem Ortsvektor dieses Punkts zum Zeitpunkt der Datenerfassung für den Satz i von Bilddaten ist. Bei Verwendung homogener Koordinaten kann Ki als 4x4- Matrix dargestellt werden. Die Matrix Ki kann in homogenen Koordinaten die Form
Figure imgf000009_0001
aufweisen. In den Matrixelementen Rl-j_-R9i und li- 3i können eine Rotation bzw. Verschiebung des Abschnitts des Untersu¬ chungsobjekts berücksichtigt werden. Darüber hinaus können auch Verformungen, beispielsweise Scherungen, oder Kontrakti- onen bzw. Ausdehnungen des Abschnitts, die einer Skalierung entlang den Raumrichtungen entsprechen, mit der weiteren Matrix Ki berücksichtigt werden.
Bei dem Verfahren können alle Voxel der 3D-Volumendaten ab- hängig von den ermittelten modifizierten Projektionsparametersätzen rekonstruiert werden. Falls sich nur ein Teil des Untersuchungsobjekts bewegt, wird dann der bewegte Abschnitt mit einer höheren Schärfe rekonstruiert als die anderen Ab¬ schnitte des Untersuchungsobjekts. Insbesondere falls der be- wegte Abschnitt der für die Bildgebung wesentliche Teil des
Untersuchungsobjekts ist, beispielsweise ein Organ, das drei¬ dimensional abgebildet werden soll, kann dies vorteilhaft sein. Auch falls das gesamte Untersuchungsobjekt in einem La¬ borsystem bewegt wird, kann eine Rekonstruktion aller Voxel abhängig von den modifizierten Projektionsparametersätzen sinnvoll sein.
Alternativ kann bei dem Verfahren auch nur ein Teil der Voxel der 3D-Volumendaten abhängig von den ermittelten modifizierten Projektionsparametersätzen rekonstruiert werden. Dies erlaubt es, die Rekonstruktion für bewegte und nicht bewegte Abschnitte des Untersuchungsobjekts unterschiedlich durchzu¬ führen und Unschärfen bei der Rekonstruktion von nicht beweg- ten Abschnitten des Untersuchungsobjekts zu vermeiden.
Der Teil der Voxel, der abhängig von den modifizierten Projektionsparametersätzen rekonstruiert wird, kann abhängig von wenigstens einer Lage des Abschnitts des Untersuchungsobjekts bestimmt werden. Der Teil der Voxel kann beispielsweise so gewählt werden, dass bei einer Rekonstruktion der SD- Volumendaten abhängig von den nicht modifizierten Projektionsparametersätzen der sich bewegende Abschnitt des Untersu¬ chungsobjekts in dem Teilvolumen angeordnet ist, das abhängig von den modifizierten Projektionsparametersätzen rekonstruiert wird. Ein geometrischer Körper, beispielsweise ein Quader oder ein Ellipsoid, kann den Teil der Voxel der SD- Volumendaten definieren, der abhängig von den modifizierten Projektionsparametersätzen rekonstruiert wird. Dadurch kann eine Bewegungsunschärfe selektiv in dem Bereich der SD- Volumendaten verringert werden, in dem die Bewegungsunschärfe normalerweise auftreten würde.
Bei dem Verfahren kann eine erste Rekonstruktion der SD- Volumendaten abhängig von der Mehrzahl von Projektionsparametersätzen und unabhängig von den Lagedaten durchgeführt werden. Abhängig von den dabei ermittelten 3D-Volumendaten kann der Teil der Voxel ermittelt werden, für den die Rekonstruktion anschließend abhängig von den modifizierten Projektions- parametersätzen erfolgt. Bei einer Ausführungsform kann eine Objektsegmentierung in den zunächst rekonstruierten SD- Volumendaten durchgeführt werden, um den Teil der Voxel zu bestimmen, für den die Rekonstruktion anschließend abhängig von den modifizierten Projektionsparametersätzen erfolgt. Die erste 3D-Rekonstruktion liefert eine zuverlässige Abschätzung dafür, in welchem Bereich der 3D-Volumendaten die Bewegung- sunschärfe verringert werden soll.
Ein weiterer Teil der Voxel der 3D-Volumendaten kann abhängig von der Mehrzahl von Projektionsparametersätzen und unabhängig von den Lagedaten rekonstruiert werden. Insbesondere für unbewegte Abschnitte des Untersuchungsobjekts kann die Rekon- struktion abhängig von den nicht modifizierten Projektionsparametersätzen erfolgen.
Eine Messeinrichtung kann die Lagedaten während einer Erfassung der Bilddaten erfassen. Die Messeinrichtung kann separat von einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Bilddaten vorgesehen sein. Auf diese Weise kann die Messeinrichtung die Lagedaten unabhängig von der Erfassung der Bilddaten ermitteln . Die Messeinrichtung kann die Lagedaten unter Verwendung von Wellen, insbesondere elektromagnetischen, optischen oder akustischen Wellen, erfassen. Beispielsweise kann die Messeinrichtung eine Ultraschalleinrichtung umfassen, mit der die Lage eines Organs überwacht wird. Die Messeinrichtung kann beispielsweise einen oder mehrere Sender und/oder einen oder mehrere Mikrosensoren für elektromagnetische Felder umfassen, mit denen die Position und/oder Orientierung des Abschnitts des Untersuchungsobjekts erfasst wird. Die Messeinrichtung kann auch ein oder mehrere Kameras umfassen, mit denen die Position eines nach außen sichtbar am Untersuchungsobjekt angebrachten Elements überwacht wird.
Die Messeinrichtung kann eine Position wenigstens eines anatomischen Markers an dem wenigstens einen Abschnitt des Un- tersuchungsobj ekts als Funktion der Zeit erfassen, um die La¬ gedaten zu ermitteln. Beispiele für derartige anatomische Marker sind Gefäßverzweigungen. Alternativ oder zusätzlich kann die Messeinrichtung eine Position wenigstens eines nicht-anatomischen Elements in oder an dem Abschnitt des Untersuchungsobjekts als Funktion der Zeit erfassen, um die Lagedaten zu ermitteln. Beispiele für derartige nicht-anatomische Elemente beinhalten Elemente, die nicht-invasiv an dem Abschnitt des Untersuchungsobjekts plat¬ ziert werden können. Hierzu gehören beispielsweise Mikrosen- soren und Sonden, die von einem Patienten geschluckt werden können .
Weitere Beispiele für derartige nicht-anatomische Elemente beinhalten Implantate, Stents oder Clips, die im Körper eines Patienten vorhanden sind. Noch weitere Beispiele für nicht¬ anatomische Elemente, deren Position von der Messeinrichtung überwacht werden kann, beinhalten Mikrosensoren oder Mikrosender, die an dem Abschnitt des Untersuchungsobjekts vorge¬ sehen sind. Das Einbringen des nicht-anatomischen Elements in den Körper stellt keinen Verfahrensschritt des Verfahrens nach den Ausführungsformen der Erfindung dar.
Weitere Beispiele für derartige nicht-anatomische Elemente beinhalten Sensoren oder Sender, die an einem therapeutischen oder diagnostischen Gerät, beispielsweise einem Katheter oder Endoskop, angebracht sind. Das Einbringen des therapeutischen oder diagnostischen Gerät in den Körper stellt keinen Verfahrensschritt des Verfahrens nach den Ausführungsformen der Erfindung dar.
Bei dem Verfahren können die Lagedaten auch rechnerisch ab- hängig von den Bilddaten ermittelt werden. Beispielsweise können mehrere Untergruppen der Mehrzahl von Sätzen von Bilddaten gebildet werden, die ausgewertet werden, um die Positi¬ on und/oder Orientierung des Abschnitts des Untersuchungsob¬ jekts für mehrere Zeiten zu ermitteln. Die Positionsänderung eines Markers, beispielsweise eines anatomischen Markers oder eines Stents, Clips oder Implantats, kann anhand der Signatur in den Sätzen von Bilddaten verfolgt werden. Eine oder mehrere erste 3D-Rekonstruktionen, die basierend auf den Projekti- onsparametersätzen und unabhängig von Lagedaten durchgeführt werden, können zum Ermitteln der Lagedaten eingesetzt werden. Dies erlaubt eine Verbesserung der anschließend abhängig von den Lagedaten durchgeführten 3D-Rekonstruktion, ohne dass ei- ne separate Messeinrichtung zum Ermitteln der Lagedaten vorgesehen werden muss.
Das Untersuchungsobjekt kann in einem Laborsystem zwischen der Erfassung von wenigstens zwei Sätzen von Bilddaten bewegt werden. Dies erlaubt eine größere Flexibilität bei der Daten¬ erfassung. Die aus der Verschiebung des gesamten Untersuchungsobjekts resultierende Verschiebung in den Sätzen von Bilddaten kann durch die 3D-Rekonstruktion abhängig von den Lagedaten wenigstens teilweise kompensiert werden.
Eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Mehrzahl von Sätzen von Bilddaten kann in dem Laborsystem zwischen einer Mehrzahl von Stellungen verstellt werden. Das Untersuchungsobjekt kann abhängig von der Stellung der Erfassungseinrich- tung in dem Laborsystem bewegt werden. Durch eine gezielte Bewegung des Untersuchungsobjekts kann die Erfassung der Bilddaten so erfolgen, dass im Vergleich zu einem ruhenden Untersuchungsobjekt ein größerer Anteil von Pixel der Bildda¬ ten Strahlen erfassen, die durch das Untersuchungsobjekt pro- pagieren. Falls für eine erste Stellung der Erfassungseinrichtung eine Abmessung des Patienten in einer Richtung senkrecht zu einer Strahlrichtung bzw. senkrecht zu einem Mittelstrahl eines Strahlenkegels einen ersten Wert aufweist, und für eine zweite Stellung der Erfassungseinrichtung eine Ab- messung des Patienten in einer Richtung senkrecht zu einer Strahlrichtung bzw. senkrecht zu einem Mittelstrahl eines Strahlenkegels einen zweiten Wert aufweist, der kleiner als der erste Wert ist, kann das Untersuchungsobjekt derart be¬ wegt werden, dass es für die erste Stellung der Erfassungs- einrichtung einen größeren Abstand zu einer Strahlungsquelle aufweist als für die zweite Stellung der Erfassungseinrichtung. Auf diese Weise kann der Anteil von für die SD- Rekonstruktion nutzbaren Pixeln der Bilddaten erhöht werden. Die Bilddaten können mit einem Röntgen-Flächendetektor er- fasst werden. Auf diese Weise können Bewegungsunschärfen bei 3D-Röntgenbildgebung verringert werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm angegeben, das eine Befehlsfolge umfasst, die bei Ausführung durch eine elektronischen Recheneinrichtung einer Bildgebungsvorrichtung die Bildgebungsvorrichtung zur Durch- führung des Verfahrens nach einem Aspekt oder Ausführungsbei¬ spiel der Erfindung veranlasst. Das Computerprogramm kann beispielsweise in den Speicher eines Auswerterechners einer Bildgebungsvorrichtung, beispielsweise eines C-Arm-Systems , geladen werden. Das Computerprogramm kann als Quellcode oder als eine kompilierte Befehlsfolge vorliegen. Durch das Compu¬ terprogramm kann die Bildgebungsvorrichtung programmmäßig zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Datenträger angegeben, auf dem ein eine Befehlsfolge umfassendes Compu¬ terprogramm gespeichert ist, das bei Ausführung durch einen Prozessor einer Bildgebungsvorrichtung die Bildgebungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem Aspekt oder Ausführungsbeispiel der Erfindung veranlasst. Der Daten- träger kann beispielsweise eine CD-ROM, eine DVD, ein Magnet¬ band, ein Flash-Speicher oder ein USB-Stick sein, auf welchem das Computerprogramm als elektronisch lesbare Steuerinformationen gespeichert ist. Wenn diese Steuerinformationen von dem Datenträger gelesen und von einer Recheneinrichtung einer Bildgebungsvorrichtung ausgeführt werden, kann das Verfahren nach den verschiedenen Aspekten oder Ausführungsformen von der Bildgebungsvorrichtung automatisch durchgeführt werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Bildge- bungsvorrichtung angegeben, die eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Mehrzahl von Sätzen von 1D- oder 2D- Bilddaten eines Untersuchungsobjekts und eine Speicherein¬ richtung zum Speichern einer Mehrzahl von Proj ektionsparame- tersätzen umfasst. Jeder Projektionsparametersatz ist einem Satz von Bilddaten zugeordnet und gibt an, in welche Pixelko¬ ordinaten des Satzes von Bilddaten Voxelkoordinaten von Vo- xeln eines Messraums abgebildet werden. Die Bildgebungsvor- richtung umfasst weiterhin eine Recheneinrichtung, die mit der Erfassungseinrichtung und der Speichereinrichtung gekoppelt und eingerichtet ist, um 3D-Volumendaten aus der Mehr¬ zahl von Sätzen von Bilddaten abhängig von der Mehrzahl von Projektionsparametersätzen zu rekonstruieren. Die Rechenein- richtung ist eingerichtet, um die Rekonstruktion der SD- Volumendaten weiterhin in Abhängigkeit von Lagedaten, die für eine Mehrzahl von Erfassungszeiten der Bilddaten eine Position und/oder eine Orientierung wenigstens eines sich bewegenden Abschnitts des Untersuchungsobjekts angeben, durchzufüh- ren.
Da die Rekonstruktion neben den Projektionsparametersätzen auch abhängig von den Lagedaten durchgeführt wird, kann eine Änderung der Position und/oder Orientierung des wenigstens einen Abschnitts des Untersuchungsobjekts bei der Rekonstruk¬ tion berücksichtigt werden. Unschärfen oder Artefakte, die durch die Bewegung des wenigstens einen Abschnitts des Unter¬ suchungsobjekts verursacht werden, können so in den rekon¬ struierten 3D-Volumendaten verringert werden.
Die Recheneinrichtung kann eingerichtet sein, um abhängig von der Mehrzahl von Projektionsparametersätzen und den Lagedaten eine Mehrzahl von modifizierten Projektionsparametersätzen zu ermitteln und die 3D-Volumendaten aus den Sätzen von Bildda- ten abhängig von den modifizierten Projektionsparametersätzen zu rekonstruieren. Dadurch lassen sich die Lagedaten in bestehende Rekonstruktionsalgorithmen integrieren.
Die Recheneinrichtung kann eingerichtet sein, um die modifi- zierten Projektionsparametersätze so zu erzeugen, dass für wenigstens einen Satz von Bilddaten, insbesondere für jeden Satz von Bilddaten, der modifizierte Projektionsparametersatz angibt, in welche Pixelkoordinaten des Satzes von Bilddaten Voxel des wenigstens einen Abschnitts des Untersuchungsob¬ jekts abgebildet werden. Die so modifizierten Projektionspa¬ rametersätze berücksichtigen die zum Zeitpunkt der jeweiligen Datenerfassung bestehende Verschiebung und/oder Drehung des wenigstens einen Abschnitts des Untersuchungsobjekts relativ zu einer Referenzlage.
Die Recheneinrichtung kann eingerichtet sein, um für wenigstens einen Satz von Bilddaten, insbesondere für jeden Satz von Bilddaten, zum Ermitteln des modifizierten Projektionsparametersatzes Matrixelemente eines Matrixprodukts einer Pro¬ jektionsmatrix und einer weiteren Matrix, die eine Verschiebung und/oder Rotation des wenigstens einen Abschnitts des Untersuchungsobjekts relativ zu einer Referenzlage des we- nigstens einen Abschnitts definiert, zu bestimmen.
Die Bildgebungsvorrichtung kann eine von der Erfassungseinrichtung verschiedene Messeinrichtung umfassen, die eingerichtet ist, um die Lagedaten zu ermitteln. Die Messeinrich- tung kann beispielsweise die verschiedenen unter Bezugnahme auf Ausführungsformen des Verfahrens beschriebenen Ausgestaltungen aufweisen.
Die Bildgebungsvorrichtung kann einen flächenhaften Röntgen- detektor zum Erfassen der Bilddaten aufweisen.
Die Bildgebungsvorrichtung kann zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Aspekte oder einer der Ausführungsformen der Erfindung eingerichtet sein.
Die Erfindung ist für eine 3D-Bildgebung an Untersuchungsobjekten mit bewegten Abschnitten, insbesondere in der medizinischen Bildgebung, geeignet, ohne auf diese Anwendungen beschränkt zu sein.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert. Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Bildgebungs- vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Abschnitts ei¬ nes Untersuchungsobjekts zur Erläuterung eines Ausführungs¬ beispiels .
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Abschnitts ei¬ nes Untersuchungsobjekts zur Erläuterung eines Ausführungs¬ beispiels .
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung des Abschnitts eines Untersuchungsobjekts von Fig. 3 zu einem weiteren Zeitpunkt.
Fig. 5 ist eine Flussdiagrammdarstellung eines Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung von rekonstruierten 3D-Volumendaten zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels.
Fig. 7 ist eine Flussdiagrammdarstellung eines Verfahrens nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Die Merkmale der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbei¬ spiele können miteinander kombiniert werden, sofern dies nicht ausdrücklich anders angegeben ist.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung im Kontext einer 3D-Röntgenbildgebung beschrieben. Die Verfahren und Vorrichtungen nach Ausführungsbeispielen der Erfindung können jedoch ebenso auf anderen Gebieten, bei denen eine Rekonstruktion von 3D-Volumendaten aus mehreren Sätzen von 1D- Bilddaten oder 2D-Bilddaten erfolgt, angewendet werden. Während die Bildgebungsvorrichtungen nach Ausführungsbeispielen eingerichtet sind, um für eine graphische Darstellung geeig¬ nete 3D-Volumendaten zu ermitteln, impliziert der Begriff der Bildgebungsvorrichtung nicht, dass eine bildliche Ausgabe er¬ folgen muss. Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Bildgebungs- vorrichtung 1 nach einem Ausführungsbeispiel. Die Bildge- bungsvorrichtung 1 umfasst ein C-Arm-Gerät 2, eine Auswerte- und Steuereinheit 11 und eine Messeinrichtung 15. Das C-Arm- Gerät 2 weist einen C-Arm 3 auf, der um wenigstens eine Achse schwenkbar gelagert ist und an dem eine Röntgenröhre 4 und ein der Röntgenröhre gegenüberliegender Detektor 5 befestigt sind. Die Röntgenröhre 4 gibt Röntgenstrahlung ab, die ein Volumen, das beispielsweise durch einen Strahlenkonus 6 defi¬ niert ist, durchsetzt und von dem Detektor 5 erfasst wird. Der Detektor 5 kann eine oder vorteilhaft mehrere Detektorzeilen umfassen. Der Detektor 5 kann insbesondere ein flä- chenhafter Detektor sein. Beispiele für derartige Detektoren beinhalten so genannte Bildverstärker (Image Intensifier) - plus Kamerasystem oder so genannte Flachdetektoren („Fiat Panel Detector") . Eine Antriebseinrichtung 7 ist mit dem C-Arm wirkverbunden, um den C-Arm 3 zwischen einer Mehrzahl von Stellungen zu verstellen. Die Bewegung des C-Arms 3 ist bei 8 dargestellt. Der C-Arm ist in einer weiteren Stellung mit durchbrochenen Linien bei 3' dargestellt. Das Verstellen des C-Arms 3 führt zu einer entsprechenden Änderung des von der Röntgenstrahlung durchsetzten Volumens 6' . Ein Patiententisch 9 stützt ein Untersuchungsobjekt P, beispielsweise einen Pa- tienten, ab. Der Patiententisch 9 ist in wenigstens einem, vorteilhaft in den drei Translationsfreiheitsgraden (Höhe, Seite, Länge) verstellbar. Eine Antriebseinrichtung 10 ist mit dem Patiententisch 9 wirkverbunden, um diesen zu verfahren .
Die Auswerte- und Steuereinheit 11 ist mit dem C-Arm-Gerät 2 verbunden und umfasst eine Steuereinrichtung 14 zum Steuern der Antriebseinrichtung 7 zum Verstellen des C-Arms 3 und zum Steuern des Antriebseinrichtung 10 zum Verstellen des Patien- tentisches 9. Während zur Verdeutlichung der Funktion die
Auswerte- und Steuereinheit 11 als separates Element darge¬ stellt ist, kann die Auswerte- und Steuereinheit 11 in das Gehäuse des C-Arm-Geräts 2 verbaut sein. Ein Speicher 13 speichert eine Mehrzahl von Projektionsparametersätzen. Jeder der Projektionsparametersätze ist genau einer Stellung des C- Arms 3 zugeordnet. Die Parameter eines Projektionsparametersatzes spezifizieren jeweils, in welche Pixelkoordinaten des Detektors 5 Voxel mit gegebenen Voxelkoordinaten in dem von den Strahlen 6 durchsetzten Messraum für die jeweilige Stellung des C-Arms 3 abgebildet werden. Die Projektionsgeometrie kann häufig gut durch die Matrixelemente einer Projektions¬ matrix beschrieben werden, wie noch näher erläutert werden wird. Eine elektronische Recheneinrichtung 12 führt eine Re¬ konstruktion von 3D-Volumendaten aus den mit dem Detektor 5 in der Mehrzahl von Stellungen erfassten Bilddaten abhängig von den Projektionsparametersätzen durch. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 14 die Antriebseinrichtung 7 und die Röntgenquelle 4 so steuern, dass in beispielsweise 40 bis
1000 Stellungen des C-Arms 3 Bilddaten erfasst werden. Eine Rekonstruktion der 3D-Volumendaten folgt aus der Gesamtheit der so erfassten Sätze von Bilddaten. Der Speicher 13 kann weiterhin Befehlscode speichern, der von der Steuereinrich- tung 14 und der Recheneinrichtung 12 ausgelesen und ausgeführt wird, um die Bildgebungsvorrichtung 1 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ausführungsbeispiele der Erfin¬ dung zu veranlassen. Die Messeinrichtung 15 erfasst Lagedaten, die die Position und/oder Orientierung wenigstens eines Abschnitts des Unter¬ suchungsobjekts P für mehrere Zeiten angeben. Der wenigstens eine Abschnitt kann auch das gesamte Untersuchungsobjekt P sein, dessen Bewegung im Raum erfasst werden kann. Die Mess- einrichtung 15 kann verschiedene Ausgestaltungen aufweisen.
Beispielsweise kann die Messeinrichtung 15 eingerichtet sein, um unter Verwendung elektromagnetischer Felder oder optischer Strahlung die Position eines oder mehrerer Punkte des Abschnitts des Untersuchungsobjekts zu ermitteln. Die Messein- richtung 15 kann dazu eine oder mehrere Einrichtungen 17-19 aufweisen, die mit einem Rechner 16 verbunden und eingerichtet sind, um elektromagnetische Felder zu erzeugen und/oder elektromagnetische Signale zu empfangen. Der Rechner 16 kann beispielsweise basierend auf von den Einrichtungen 17-19 er- fassten Feldstärken oder Laufzeiten elektromagnetischer
Strahlung die Position und/oder Orientierung des Abschnitts des Untersuchungsobjekts ermitteln. Bei einer Ausgestaltung ist die Messeinrichtung so ausgebildet, dass ein das Untersu¬ chungsobjekt P umgebendes Magnetfeld aufgebaut wird. In dem Magnetfeld können Mikrosensoren durch Feldstärkenmessungen geortet werden. Beispielhaft dargestellt ist ein Mikrosensor 21 in einem Bauchbereich des Untersuchungsobjekts P und ein Paar von beabstandeten Mikrosensoren 23, 24 an dem Kopf des Untersuchungsobjekts. Der Mikrosensor 21 kann über eine
Schnittstelle 22 erfasste Feldstärken an den Rechner 16 übergeben. Der Rechner kann aus den Feldstärken die Position des Mikrosensors 21 ermitteln. Ähnlich kann das Paar von Mikro- sensoren 23, 24 erfasste Feldstärken an den Rechner 16 übermitteln. Auf diese Weise können die Positionen der Mikrosensoren 23, 24 im Laborsystem ermittelt werden. Da der Kopf als starrer Körper angesehen werden kann, kann der Rechner 16 aus den Positionen der Mikrosensoren 23, 24 eine Verschiebung und Rotation des Kopfes relativ zu einer Referenzlage ermitteln. Weitere Ausgestaltungen der Messeinrichtung sind möglich. Beispielsweise kann die Messeinrichtung die Position (en) eines oder mehrerer nicht-invasiv in den Körper des Patienten eingebrachter Elemente für eine Mehrzahl von Erfassungszeiten ermitteln. Die Messeinrichtung kann auch die Position (en) eines oder mehrerer invasiv in den Körper des Patienten eingebrachter Elemente, beispielsweise eines mit einem Katheter oder einem Endoskop an einem Organ platzierten Mikrosensors oder Senders, für eine Mehrzahl von Erfassungszeiten ermit- teln. Die zum Einbringen des Elements erforderlichen Schritte sind kein Teil der beschriebenen und beanspruchten Verfahren zur Rekonstruktion von 3D-Volumendaten .
Die Messeinrichtung 15 erfasst die Position und/oder Orien- tierung wenigstens eines Abschnitts des Untersuchungsobjekts P für mehrere Zeiten derart, dass eine Zuordnung der jeweils erfassten Position und/oder Orientierung des Abschnitts zu den verschiedenen Sätze von Bilddaten möglich ist. Beispiels- weise kann die Messeinrichtung 15 die Position und/oder Orientierung des Abschnitts des Untersuchungsobjekts wenigstens zu den Zeiten t± erfassen, zu denen der Detektor 5 den i.-ten Satz von Bilddaten erfasst. Alternativ kann die Messeinrich- tung 15 die Position und/oder Orientierung des Abschnitts des Untersuchungsobjekts kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich erfassen. Die Position und/oder Orientierung des Abschnitts des Untersuchungsobjekts zu den Erfassungszeiten der Bildda¬ ten kann aus diesen Daten extrahiert werden.
Die Recheneinrichtung 12 führt eine Rekonstruktion von SD- Volumendaten abhängig von sowohl den in dem Speicher 13 gespeicherten Projektionsparametersätzen als auch den Lagedaten durch, die die Position und/oder Orientierung des Abschnitts repräsentieren. Dazu ermittelt die Recheneinrichtung 12 für die Sätze von Bilddaten abhängig von dem einem Satz von Bilddaten zugeordneten Projektionsparametersatz und wenigstens denjenigen Lagedaten, die eine Position und/oder Orientierung des Abschnitts bei der Erfassung des Satzes von Bilddaten an- geben, einen modifizierten Projektionsparametersatz. Die Rekonstruktion der 3D-Volumendaten aus den Bilddaten führt die Recheneinrichtung dann abhängig von den modifizierten Projektionsparametersätzen durch, ohne dass die Bilddaten, aus denen die 3D-Volumendaten rekonstruiert werden, vor Durchfüh- rung der Rekonstruktion einer Bewegungskorrektur unterzogen werden müssen. Die rekonstruierten 3D-Volumendaten können über eine Schnittstelle der Bildgebungsvorrichtung 1 zur Weiterverarbeitung ausgegeben oder an einer Anzeigeeinrichtung 20 dargestellt werden.
Die Arbeitsweise der Bildgebungsvorrichtung 1 und von dieser durchgeführte Verfahren werden unter Bezugnahme auf Fig. 2-7 näher beschrieben. Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Abschnitts 30 eines Untersuchungsobjekts P. Der Abschnitt 30 kann bei¬ spielsweise ein Organ, z.B. eine Leber, des Patienten P sein. Eine Bewegung des Abschnitts 30 führt dazu, dass bei der Er- fassung verschiedener Sätze von Bilddaten der Abschnitt 30 im Laborsystem unterschiedliche Positionen einnimmt. Die Positi¬ on des Abschnitts 30 bei einer Datenerfassung, bei der der Strahlenkegel das mit 6 dargestellte Volumen durchsetzt, ist mit durchgezogenen Linien dargestellt. Die Position des Abschnitts 30' bei einer weiteren Datenerfassung, bei der der Strahlenkegel das mit 6' dargestellte Volumen durchsetzt, ist mit durchbrochenen Linien dargestellt. Aufgrund der Bewegung des Abschnitts 30 befindet sich ein Punkt des Abschnitts 30, der bei einer Datenerfassung an einer Position 31 im Laborsystem angeordnet ist, bei der weiteren Datenerfassung an einer davon beabstandeten Position 32 im Laborsystem. Ein entsprechender Effekt würde ebenso eintreten, wenn das gesamte Untersuchungsobjekt P bewegt wird. Diese Verschiebung im La- borsystem kann bei einer herkömmlichen Rekonstruktion zu Unscharfen oder Artefakten in den 3D-Volumendaten führen. Um diese zu verringern, werden bei Vorrichtungen und Verfahren nach Ausführungsformen der Erfindung die Lagedaten ermittelt, die die Position und/oder Orientierung des Abschnitts 30 für verschiedene Erfassungszeiten repräsentieren. Die Rekonstruktion der 3D-Volumendaten erfolgt abhängig von den Lagedaten, um eine Lageänderung des Abschnitts 30 zwischen der Erfassung unterschiedlicher Sätze von Bilddaten zu berücksichtigen. Wie unter Bezugnahme auf Fig. 5 noch näher beschrieben werden wird, können modifizierte Projektionsparametersätze derart ermittelt werden, dass sie definieren, in welche Pixelkoordi¬ naten eines Satzes von Bilddaten sich bewegende Voxel des Ab¬ schnitts 30 abgebildet werden. Fig. 3 und 4 sind schematische Darstellungen eines Abschnitts 40 eines Untersuchungsobjekts P zu unterschiedlichen Zeit¬ punkten. Der Abschnitt 40 kann beispielsweise ein Organ, z.B. eine Leber, des Patienten P sein. Aufgrund der Bewegung des Abschnitts 40 befindet sich ein Punkt des Abschnitts 40, der bei einer Datenerfassung an einer Position 41 im Laborsystem angeordnet ist, bei der weiteren Datenerfassung an einer davon beabstandeten Position 42 im Laborsystem. In verschiedenen Fällen kann ein sich bewegender Abschnitt des Untersu- chungsobj ekts zumindest näherungsweise als starrer Körper be¬ trachtet werden. Dies gilt beispielsweise für Skelettab¬ schnitte. Auch die Bewegung verschiedener Organe, wie bei¬ spielsweise der Leber, kann durch eine Kombination von Trans- lation und Rotation eines starren Körpers approximiert wer¬ den. Für den Fall einer translatorischen Bewegung kann die Position des Abschnitts 40 durch einen Verschiebungsvektor 45 relativ zu einer Referenzlage angegeben werden. Der Verschiebungsvektor 45 kann ermittelt werden, indem die Position eines Elements 44, das an dem Abschnitt 40 vorgese¬ hen ist, ermittelt wird. Das Element 44 kann beispielsweise ein Clip, ein Stent oder ein Implantat sein. Das Element 44 kann auch ein Mikrosensor oder ein Mikrosender sein, der mit einem therapeutischen Instrument über ein Gefäß 43 an dem Abschnitt 40 platziert wird. Alternativ kann das Element 44 auch an einem therapeutischen Instrument vorgesehen sein, dessen Ende an oder in dem Abschnitt 40 platziert ist. Das Element 44 kann so ausgestaltet sein, dass es nicht-invasiv an dem Abschnitt 40 platziert werden kann. Falls zur Platzie¬ rung des Elements 44 ein chirurgischer Schritt erforderlich ist, stellt der chirurgische Schritt keinen Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Um den Verschiebungsvektor 45 zu ermitteln, kann das Element 44 beispielsweise als ein Mikrosensor ausgestaltet sein, der Magnetfeldstärken in wenigstens drei Raumrichtungen misst und an einen Rechner einer Messeinrichtung, beispielsweise den Rechner 15 in Fig. 1, ausgibt. Aus den Magnetfeldstärken ist die jeweilige Lage des Elements 44 ermittelbar. Beispielswei¬ se kann mit einem Element 44 mit einer Spule die Position des Elements 44 im Raum ermittelt werden. Mit einem Element 44 mit zwei nicht kollinear angeordneten Spulen kann weiterhin auch die Orientierung ermittelt werden.
Wie erwähnt kann die Messeinrichtung zum Ermitteln der Lagedaten auch anderweitig ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die Messeinrichtung die Lage des Abschnitts 40 unter Verwen- dung von Ultraschallwellen ermitteln. Sensoren können auch extern an dem Untersuchungsobjekt angebracht werden, um bei¬ spielsweise Lageänderungen des Kopfes oder des gesamten Untersuchungsobjekts zu ermitteln.
Fig. 5 ist eine Flussdiagrammdarstellung eines Verfahrens 50 nach einem Ausführungsbeispiel. Bei dem Verfahren werden mehrere Sätze von Bilddaten, insbesondere 2D-Bilddaten, erfasst. Aus den Sätzen von Bilddaten werden 3D-Volumendaten rekon- struiert. Das Verfahren 50 kann von der Bildgebungsvorrich- tung 1 durchgeführt werden.
Bei 51-56 wird eine Mehrzahl von Sätzen von Bilddaten erfasst. Die Anzahl von Sätzen von Bilddaten ist mit imax be- zeichnet, und i bezeichnet einen Index zur Identifizierung eines Satzes von Bilddaten.
Bei 51 wird der Index i=l initialisiert. Bei 52 wird die Erfassungseinrichtung zum Erfassen des i.-ten Satzes von Bilddaten in einer von mehreren Stellungen positioniert. Dies kann durch eine Positionierung einer Röntgen- strahlquelle und/oder eines Röntgendetektors erfolgen. Bei 53 wird der i.-te Satz von Bilddaten erfasst. Der Satz von Bilddaten kann mit einem Röntgen-Flächendetektor erfasst werden. Die Bilddaten können gefiltert werden, beispielsweise mit einem Shepp-Logan-Filter . Bei 54 wird parallel zum Erfassen der i.-ten Bilddaten eine Position und/oder Orientierung eines Abschnitts des Untersuchungsobjekts ermittelt. Die Ermittlung der Position und/oder Orientierung kann auf die verschiedenen oben beschriebenen Weisen erfolgen, beispielsweise wellenbasiert, unter Verwen- dung von Mikrosensoren oder Mikrosendern oder dergleichen.
Bei 55 wird ein Projektionsparameterssatz ausgelesen, der dem in der i.-ten Stellung der Erfassungseinrichtung erfassten Satz von Bilddaten zugeordnet ist. Der dem i.-ten Satz von Bilddaten zugeordnete Projektionsparametersatz gibt eine Abbildung zwischen Voxelkoordinaten und Pixelkoordinaten im i.- ten Satz von Bilddaten an. Diese Informationen werden für die eigentliche Rekonstruktion verwendet.
Der Projektionsparametersatz für den i.-ten Satz von Bilddaten kann beispielsweise aus den Elementen einer Projektions¬ matrix Mi bestehen. Allgemein kann die Projektionsmatrix aus einer 4x4-Matrix der Form
Figure imgf000025_0001
abgeleitet werden, Durch die Matrixelemente rl-r9 und tl-t3 kann eine Rotation bzw. Translation beschrieben werden. In den Elementen rl-r9 kann alternativ oder zusätzlich zu einer Rotation auch eine Verformung beschrieben werden, die sich nicht allein aus einer Projektion ergibt, beispielsweise eine Scherung. Die Matrixelemente pl-p3 beschreiben die perspekti¬ vische Projektion aufgrund der Abbildung in einem Strahlenkegel. Für eine gegebene Anordnung von Strahlenquelle und De¬ tektor ist die Matrix Mi eine 4x3-Matrix. Falls beispielswei¬ se die Mittelachse des Strahlenkegels entlang der y-Achse ge¬ richtet ist und der Detektor in einer zu der y-Achse senkrechten Ebene (x-z-Ebene) und in einem Abstand d vom Projek¬ tionszentrum liegt, kann die Projektionsmatrix Mi dargestellt werden als
Figure imgf000025_0002
Allgemein sind die Matrixelemente der Projektionsmatrix Mi so definiert, dass für den i.-ten Satz von Bilddaten
M . - v (5) b.i i v
gilt. Dabei ist vv= (x, y, z , w=l ) T ein Spaltenvektor, dessen erste drei Vektorkomponenten die Koordinaten x, y und z eines Voxels im 3D-Raum repräsentieren. vb=(r,s,t)T ist ein Spal- tenvektor, aus dem die Koordinaten u und v des Pixels in den i.-ten Bilddaten, in das das Voxel mit den Koordinate x, y und z abgebildet wird, gemäß u=r/t und v=s/t ermittelt werden können. Aus Gleichungen der Form von Gleichung (5) für die verschiedenen Sätze von Bilddaten kann umgekehrt ermittelt werden, wie sich jedes Voxel-Koordinatentripel des Messraums in Pixel-Koordinatentupel der Sätze von Bilddaten ausdrückt. Die Bilddaten weisen an den entsprechenden Pixel-Koordinaten einen Wert auf, der bei der Rekonstruktion des Voxels mit dem entsprechenden Voxel-Koordinatentripel in dessen Wert ein¬ geht .
Bei 56 wird abhängig von dem Projektionsparametersatz für die i.-ten Bilddaten und den entsprechenden Lagedaten ein modifi- zierter Projektionsparametersatz ermittelt. Dabei kann aus dem dem i.-ten Satz von Bilddaten zugeordneten Projektionsparametersatz und der für den Zeitpunkt der Datenerfassung ermittelten Position und/oder Orientierung des Abschnitts des Untersuchungsobjekts ein modifizierter Proj ektionsparameter- satz ermittelt werden. Der modifizierte Projektionsparametersatz wird so ermittelt, dass die tatsächliche Position und/oder Orientierung des Abschnitts, die gegen eine Refe¬ renzlage verschoben sein kann, berücksichtigt wird. Falls Verformungen des Abschnitts des Untersuchungsobjekts vernachlässigbar sind, können aus einer bei 54 ermittelten Verschiebung und/oder Drehung des Abschnitts relativ zu einer Referenzlage und Referenzorientierung Parameter ermittelt werden, die zur Modifikation des Projektionsparametersatzes herangezogen werden. Dazu kann eine Korrekturmatrix K± für den i.-ten Satz von Bilddaten so definiert sein, dass für wenigstens einen, vorteilhaft für mehrere Punkte des Abschnitts v . = Kt - v _ . (6) ρ,ι ρθ,ι
erfüllt ist. Dabei ist vPi ±= ( 1 , m, n, w) T ein Spaltenvektor, aus dem die tatsächlichen Koordinaten x, y und z des Punkts des Abschnitts in einem Laborsystem zum Zeitpunkt der Erfassung der Bilddaten gemäß x=l/w, y=m/w und z=n/w ermittelbar sind. vpo,i= (xO, yO, ζθ, w=l) ist ein Spaltenvektor, dessen erste drei Komponenten xO, yO und zO die Koordinaten des Punkts des Ab¬ schnitts sind, wenn sich der Abschnitt in seiner Referenzlage befindet .
Die Korrekturmatrix K± ist so definiert, dass sie die Ver¬ schiebung und/oder Rotation des Abschnitts des Untersuchungs¬ objekts relativ zu einer Referenzlage des Abschnitts reprä¬ sentiert. Die Korrekturmatrix kann allgemein die oben in Gleichung (2) angegebene Form aufweisen. Falls sich der Abschnitt des Untersuchungsobjekts nur rein translatorisch be¬ wegt, kann K± in homogenen Koordinaten dargestellt werden als
Figure imgf000027_0001
Der modifizierten Projektionsparametersatz kann aus den Matrixelementen der gemäß der bereits oben angeführten Gleichung (1)
M. = M. · Kt
bestimmten modifizierten Projektionsmatrix bestehen. Die Pa- rameter des so ermittelten modifizierten Projektionsparametersatzes berücksichtigen, dass der Abschnitt des Untersu¬ chungsobjekts bei der Datenerfassung für den i.-ten Satz von Bilddaten gegenüber einer Referenzlage des Abschnitts in andere Voxel des Messraums verschoben und/oder gedreht ist.
Bei 57 werden die i.-ten Bilddaten in die 3D-Volumendaten eingearbeitet. Zumindest für einen Teil der Voxel erfolgt die Einarbeitung abhängig von den bei 56 ermittelten modifizierten Projektionsparametersätzen. Die Rekonstruktion kann auf verschiedene in der Technik bekannte Weisen erfolgen. Beispielsweise kann eine gefilterte Rückprojektion oder eine iterative oder algebraische Rekonstruktion verwendet werden. Beispiele für derartige Verfahren sind in der DE 198 58 306 AI mit weiteren Nachweisen angeführt. Beispielsweise kann für ein Voxel der Wert desjenigen Pixels oder derjenigen Pixel der gefilterten Bilddaten, in deren Pixelkoordinaten die Vo- xelkoordinaten des Voxels gemäß der modifizierten Projektionsmatrix abgebildet werden, zu dem aktuellen Wert des Voxels in den 3D-Volumendaten addiert werden. In den Iterationen über verschiedene Sätze von Bilddaten erfolgt so eine Aufsum- mierung von verschiedenen Pixelwerten. Wie erwähnt wird zumindest für einen Teil der Voxel abhängig von den modifizierten Projektionsparametersätzen ermittelt, in welche Pixelkoordinaten der Sätze von Bilddaten das entsprechende Voxel ab- gebildet wurde.
Bei 58 wird überprüft, ob bereits alle Sätze von Bilddaten erfasst wurden. Falls dies verneint wird, wird bei 59 der In¬ dex i inkrementiert und das Verfahren fährt bei 52 fort, um den nächsten Satz von Bilddaten zu erfassen und dabei die Lage des Abschnitts des Untersuchungsobjekts zu ermitteln.
Falls bei 58 ermittelt wird, dass alle Sätze von Bilddaten erfasst wurden, können bei 60 die 3D-Volumendaten nachbear- beitet, ausgegeben oder graphisch dargestellt werden.
Bei einer Ausführungsform kann bei 57 für alle Voxel der 3D- Volumendaten abhängig von den modifizierten Projektionsparametersätzen ermittelt werden, in welche Pixelkoordinaten die Voxelkoordinaten abgebildet wurden. Dies kann beispielsweise dann sinnvoll sein, wenn das gesamte Untersuchungsobjekt be¬ wegt wird, beispielsweise durch Steuerung der Antriebseinrichtung 10 für den Patiententisch 9 oder bei einer versehentlichen Verstellung des Patiententisches 9. Eine Rekon- struktion aller Voxel abhängig von den modifizierten Projektionsparametersätzen kann auch in Szenarien vorteilhaft sein, in denen nur ein Abschnitt des Untersuchungsobjekts relativ zu weiteren Abschnitten des Untersuchungsobjekts bewegt ist. Dadurch kann erreicht werden, dass der sich bewegende Ab- schnitt des Untersuchungsobjekts mit höherer Schärfe rekon¬ struiert wird als die weiteren Abschnitte des Untersuchungs¬ objekts . Bei einer Ausführungsform kann sowohl eine von den Lagedaten unabhängige Rekonstruktion basierend auf den Projektionspara¬ metern als auch eine Rekonstruktion basierend auf den modifizierten Projektionsparametern vorgenommen werden. Beide Sätze von 3D-Volumendaten können über eine Schnittstelle der Bild- gebungsvorrichtung 1 zur Weiterverarbeitung ausgegeben oder auf einer Anzeigeeinrichtung 20 der Bildgebungsvorrichtung 1 dargestellt werden. Dabei kann benutzerdefiniert zwischen den basierend auf den Projektionsparametern und den basierend auf den modifizierten Projektionsparametern rekonstruierten Daten gewählt werden.
Bei weiteren Ausführungsformen wird nur ein Teil der Voxel der 3D-Volumendaten abhängig von den modifizierten Projekti- onsparametersätzen rekonstruiert, während ein weiterer Teil der Voxel abhängig von den Projektionsparametersätzen und unabhängig von den Lagedaten rekonstruiert wird. Dies kann vorteilhaft sein, um sowohl den bewegten Abschnitt, beispiels¬ weise ein Organ, als auch weitere, im Wesentlichen unbewegte Abschnitte des Untersuchungsobjekts mit geringer Unschärfe darzustellen. Ein entsprechendes Verfahren wird unter Bezugnahme auf Fig. 6 und 7 näher beschrieben.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung von rekonstruierten 3D-Volumendaten . Ein Teilvolumen 62 des rekonstruierten Volumens 61 ist so gewählt, dass es den bewegten Abschnitt 63 des Untersuchungsobjekts beinhaltet. Das komplementäre Teilvolu¬ men 64 enthält die Voxel des Volumens 61, die nicht in dem Teilvolumen 62 enthalten sind.
Das Teilvolumen 62 kann als geometrische Form, beispielsweise als ein Quader oder Ellipsoid, gewählt werden, dessen Mittel¬ punkt und Abmessungen abhängig davon festgelegt werden können, in welchem Raumbereich sich der bewegte Abschnitt 63 des Untersuchungsobjekts bewegt. Dieser Raumbereich kann abhängig von mehreren Sätzen von Bilddaten abgeschätzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine erste Rekonstruktion von SD- Volumendaten abhängig von den Projektionsparametersätzen und unabhängig von den Lagedaten durchgeführt werden, um das Teilvolumen 62 festzulegen.
Alternativ kann das Teilvolumen 62 durch eine Obj ektsegmen- tierung festgelegt werden. Dazu kann eine erste Rekonstrukti¬ on von 3D-Volumendaten abhängig von den Projektionsparametersätzen und unabhängig von den Lagedaten durchgeführt werden. Durch eine Segmentierung der so erhaltenen 3D-Volumendaten kann das Teilvolumen 62 ermittelt werden, in dem bei einer anschließenden erneuten Rekonstruktion die modifizierten Projektionsparametersätze verwendet werden. Die Segmentierung kann derart erfolgen, dass ein Rand des Teilvolumens 62 einem Rand des in der ersten Rekonstruktion rekonstruierten beweglichen Abschnitts entspricht.
Fig. 7 ist eine Flussdiagrammdarstellung eines Verfahrens zur 3D-Rekonstruktion nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das Verfahren kann von der Recheneinrichtung 12 der Bildge- bungsvorrichtung 1 durchgeführt werden.
Bei dem Verfahren kann zunächst eine Erfassung von Bilddaten und Lagedaten erfolgen, wie dies für Schritte 52-54 des Verfahrens 50 beschrieben wurde. Bei 71 kann eine erste Rekonstruktion der 3D-Volumendaten abhängig von den Projektionsparametersätzen und unabhängig von den Lagedaten durchgeführt werden. Dieser Schritt ist optio¬ nal. Falls Schritt 71 durchgeführt wird, kann die erste SD- Rekonstruktion parallel zur Datenerfassung erfolgen, bei- spielsweise wie für Schritte 55-57 des Verfahrens 50 be¬ schrieben. Dabei wird jedoch eine Zuordnung von Voxelkoordi- naten und Pixelkoordinaten abhängig von den nicht modifizierten Projektionsmatrizen ermittelt. Die erfassten Sätze von Bilddaten können für die spätere erneute 3D-Rekonstruktion gespeichert werden.
Bei 72 wird ein Teil A der Voxel der 3D-Volumendaten identifiziert, der abhängig von den modifizierten Proj ektionspara- metersätzen rekonstruiert werden soll. Falls bei 71 eine ers¬ te Rekonstruktion der 3D-Volumendaten durchgeführt wurde, kann der Teil der Voxel abhängig von der ersten Rekonstruktion ermittelt werden. Dazu kann eine 3D-Segmentierung der in der ersten Rekonstruktion erhaltenen 3D-Volumendaten vorgenommen werden.
Bei 73-81 werden für alle Sätze von Bilddaten (Iteration über i) und alle Voxel der 3D-Volumendaten (Iteration über j) in den verschiedenen Sätzen von Bilddaten diejenigen Pixelkoordinaten identifiziert, in die die Voxelkoordinaten des Voxels abgebildet werden. Zur Veranschaulichung kann das zu rekonstruierende 3D-Volumen beispielsweise in 5123 Voxel aufge¬ teilt werden. Ein Index, der ein Voxel identifiziert, ist in Fig. 7 mit j bezeichnet. Während die Voxel in Fig. 7 schema¬ tisch mit einem einzigen Index bezeichnet sind, können in der Praxis drei geschachtelte Iterationen verwendet werden, um die Voxel mit gegebenen Koordinaten von Schichten, Zeilen und Spalten zu rekonstruieren.
Bei 73 wird die Iteration über die Sätze von Bilddaten initialisiert. Bei 74 wird die Iteration über Voxel initiali¬ siert . Bei 75 wird überprüft, ob das Voxel j in dem Teilvolumen A enthalten ist, das abhängig von den modifizierten Projektionsparametersätzen rekonstruiert werden soll. Falls dies be¬ jaht wird, wird bzw. werden bei 76 in dem i.-ten Satz von Bilddaten die Koordinaten des Pixels bzw. der Pixel identifi- ziert, in die die Voxelkoordinaten des Voxels abgebildet wur¬ den. Die Identifikation der Pixel erfolgt dabei abhängig von dem modifizierten Projektionsparametersatz, der dem i.-ten Satz von Bilddaten zugeordnet ist. Der modifizierte Projekti¬ onsparametersatz berücksichtigt die tatsächliche Lage des Ab- Schnitts des Untersuchungsobjekts bei der Erfassung des i.- ten Satzes von Bilddaten. Falls bei 75 ermittelt wird, dass das Voxel j nicht in dem Teilvolumen A enthalten ist, wird bzw. werden bei 77 in dem i.-ten Satz von Bilddaten die Koordinaten des Pixels bzw. der Pixel identifiziert, in die die Voxelkoordinaten des Voxels abgebildet wurden. Die Identifikation der Pixel folgt dabei abhängig von dem Projektionsparametersatz, der dem i.-ten Satz von Bilddaten zugeordnet ist, und unabhängig von den Lagedaten. Das Ermitteln der Koordinaten des Pixels bei 70 erfolgt unabhängig von den Lagedaten des Abschnitts des Unter- suchungsobj ekts .
Bei 78 werden die i.-ten Bilddaten in die 3D-Volumendaten eingearbeitet. Dazu kann beispielsweise für das Voxel j der Wert desjenigen Pixels oder derjenigen Pixel der gefilterten Bilddaten, in deren Pixelkoordinaten die Voxelkoordinaten des Voxels gemäß der modifizierten Projektionsmatrix (Schritt 76) oder gemäß der Projektionsmatrix (Schritt 77) abgebildet werden, zu dem Wert des Voxels in den 3D-Volumendaten addiert werden. In den Iterationen über verschiedene Sätze von Bild- daten erfolgt so eine Aufsummierung von verschiedenen Pixelwerten zum Wert des Voxels j in den 3D-Volumendaten .
Bei 79 wird überprüft, ob das Ermitteln von Bildpunkten in den Sätzen von Bilddaten für alle Voxel durchgeführt wurde. Falls es weitere Voxel gibt, wird bei 80 das nächste Voxel j gewählt und das Verfahren kehrt zu 74 zurück.
Wenn bei 79 ermittelt wird, dass alle Voxel der 3D- Volumendaten abgearbeitet wurden, fährt das Verfahren bei 81 fort.
Bei 81 wird überprüft, ob alle Sätze von Bilddaten abgearbei¬ tet wurden. Falls dies verneint wird, wird bei 82 der Index i inkrementiert , und das Verfahren kehrt zu 73 zurück.
Wenn bei 81 ermittelt wird, dass alle Sätze von Bilddaten ab¬ gearbeitet wurden, können bei 83 die 3D-Volumendaten optional nachbearbeitet und über eine elektronische oder optische Schnittstelle ausgegeben werden. Zusätzlich kann auch eine Ausgabe der in der ersten 3D-Rekonstruktion bei 71 ermittelten 3D-Volumendaten vorgesehen sein. Falls bei dem Verfahren 70 bereits bei 71 eine 3D-
Rekonstruktion abhängig von den Projektionsparametersätzen und unabhängig von den Bewegungsdaten durchgeführt wird, müssen Voxel, die nicht in dem Teil A der Voxel enthalten sind, nicht erneut bei 75-79 rekonstruiert werden. Vielmehr können nur die Voxel j in dem Teilvolumen A, das bewegungskorrigiert rekonstruiert werden soll, gemäß der erläuterten Prozedur bestimmt werden, um die bei 71 zunächst ohne Bewegungskorrektur ermittelten Voxel ersetzen.
Mit dem Verfahren 70 kann ein Teil des zu rekonstruierenden Volumens, der den bewegten Abschnitt des Untersuchungsobjekts enthält, so rekonstruiert werden, dass die tatsächliche Posi¬ tion und/oder Orientierung und/oder Verformung des Abschnitts bei der Rekonstruktion berücksichtigt wird.
Die Vorrichtungen und Verfahren nach Ausführungsbeispielen der Erfindung erlauben eine Bildrekonstruktion, bei der die Position und/oder Orientierung eines sich bewegenden Abschnitts des Untersuchungsobjekts in der Rekonstruktion selbst berücksichtigt werden. Artefakte und Unschärfen können so verringert werden. Dadurch wird es möglich, das Untersu¬ chungsobjekt zwischen der Erfassung verschiedener Sätze von Bilddaten gezielt in einem Laborsystem zu bewegen. Die aus der Veränderung der Position und/oder Orientierung resultierenden Effekte können durch die Rekonstruktion nach den hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren großteils kompensiert werden.
Bei einer Ausführungsform wird das Untersuchungsobjekt derart verfahren, dass für wenigstens einige der Sätze von Bilddaten der Anteil einer Detektorfläche, auf den Strahlung nach einer Propagation durch das Untersuchungsobjekt auftrifft, vergrö¬ ßert oder verkleinert wird. Dies kann bei der Bildgebungsvor- richtung 1 von Fig. 1 durch eine Ansteuerung der Antriebseinrichtung 10 für den Patiententisch 9 erreicht werden. Der Patient kann abhängig von der Stellung der Röntgenquelle 4 und des Röntgendetektors 5 verfahren werden. Beispielsweise kann in einer Stellung, in der ein Mittelstrahl des Strahlenkegels im Wesentlichen horizontal verläuft, also der C-Arm 3 um 90° gegenüber der in Fig. 1 mit durchgezogenen Linien dargestellten Stellung verschwenkt ist, der Patiententisch 9 so bewegt werden, dass sich eine Mittellinie des Patiententisches 9 nä- her an der Röntgenquelle befindet als bei der in Fig. 1 mit durchgezogenen Linien dargestellten Stellung des C-Arms 3. Auf diese Weise wird für diese Stellung von Röntgenquelle 4 und Röntgendetektor 5 der Anteil der Pixel, die für die Re¬ konstruktion signifikante Daten erfassen, erhöht.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Untersuchungsobjekt so verfahren werden, dass aus den erfassten Bilddaten ein größeres Volumen des Untersuchungsobjekts rekonstruiert werden kann.
Während unter Bezugnahme auf die Figuren Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben wurden, können bei weiteren Ausführungsformen Abwandlungen dieser Ausführungsbeispiele realisiert werden. Während bei einigen der beschriebenen Ausfüh- rungsbeispiele eine Messeinrichtung vorgesehen ist, um die
Position und/oder Orientierung eines Abschnitts des Untersuchungsobjekts als Funktion der Zeit zu ermitteln, kann bei weiteren Ausführungsformen diese Information alternativ oder zusätzlich rechnerisch aus den Bilddaten ermittelt werden. Insbesondere falls ein Bereich des Abschnitts, wie beispiels¬ weise eine Gefäßverzweigung, ein Implantat, Stent oder Clip, zu einer deutlichen Signatur in den Bilddaten führt, können die Lage und eine Veränderung der Lage des Abschnitts aus we¬ nigen Sätzen von Bilddaten abgeschätzt werden.
Während zur Ermittlung einer translatorischen Bewegung des Abschnitts des Untersuchungsobjekts eine Überwachung eines einzigen Punkts des Abschnitts, der beispielsweise durch ei- nen anatomischen Marker oder ein nicht-anatomisches Element definiert ist, zur Ermittlung der Lagedaten genügt, können bei weiteren Ausführungsformen die Positionen mehrerer Punkte des Abschnitts als Funktion der Zeit erfasst werden, um eine Rotation und/oder Deformation des Abschnitts bei der Rekonstruktion der 3D-Volumendaten zu berücksichtigen. Eine Rotation kann auch durch eine geeignet ausgestaltete Messsonde, die beispielsweise zwei nicht kollineare Spulen umfasst, er¬ fasst werden.
Während Verfahren und Prozeduren nach Ausführungsbeispielen als Folge von Schritten beschrieben wurden, können Abwandlungen der detailliert beschriebenen Verfahren und Prozeduren realisiert werden. Beispielsweise können, während Elemente oder Einrichtungen der Bildgebungsvorrichtung 1 zur Erläuterung ihrer Funktion als separate Blöcke dargestellt sind, mehrere dieser Einheiten integral ausgebildet sein. So kann beispielsweise ein Prozessor oder eine Gruppe von Prozessoren die Funktionen der Recheneinrichtung 12, der Steuereinheit 14 und des Rechners 16 ausführen.
Während Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben wurden, bei denen die Bewegung eines Abschnitts des Untersuchungsob¬ jekts erfasst und eine entsprechende Bewegungskorrektur bei der Rekonstruktion durchgeführt wird, können die Vorrichtungen und Verfahren entsprechend auch zur Bewegungskorrektur mehrerer unabhängiger Bewegungen eingesetzt werden. Dazu kann für jeden der sich bewegenden Abschnitte eine Position und/oder Orientierung gegenüber einer Referenzlage des jewei- ligen Abschnitts als Funktion der Zeit erfasst werden. Für jeden der Abschnitte können wie oben beschrieben modifizierte Projektionsparametersätze ermittelt werden. Die SD- Volumendaten können abschnittsweise rekonstruiert werden, wo¬ bei für unterschiedliche Teile des Volumens unterschiedliche modifizierte Projektionsparametersätze verwendet werden, die die unterschiedlichen Bewegungen der Abschnitte berücksichtigen . Während Ausführungsbeispiele im Kontext von C-Arm-Geräten be¬ schrieben wurden, können Vorrichtungen und Verfahren nach Ausführungsformen der Erfindung auch bei anderen Geräten eingesetzt werden, bei denen 2D- oder 1D-Bilddaten erfasst und daraus 3D-Volumentdaten rekonstruiert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung erlauben die Verringerung von Bewegungsartefakten bei der Rekonstruktion von SD- Volumendaten. Anwendungsfelder bestehen beispielsweise bei der medizinischen Bildgebung.
Bezugs zeichenliste
1 Bildgebungsvorrichtung
2 C-Arm-Gerät
3 C-Arm
3' C-Arm in weiterer Stellung
4 Röntgenquelle
5 Röntgendetektor
6 Strahlenkonus
6' weiterer Strahlenkonus
7 C-Arm-Antrieb
8 Bewegung des C-Arms
9 Patiententisch
10 Patiententischantrieb
11 Auswerte- und Steuereinheit
12 Recheneinrichtung
13 Speichereinrichtung
14 Steuereinrichtung
15 Messeinrichtung
16 Rechner der Messeinrichtung
17-19 Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds
20 Anzeigeeinrichtung
21 Mikrosensor
22 Schnittstelle
23, 24 Mikrosensor
P Untersuchungsobjekt
30, 30 'Abschnitt des Untersuchungsobjekts
31 erste Lage eines Punktes des Abschnitts
32 zweite Lage des Punktes des Abschnitts 40 Organ
41 erste Lage eines Punktes des Organs
42 zweite Lage des Punktes des Organs
43 Gefäß
44 Element zum Ermitteln der Position
45 Verschiebung
50 Verfahren
51-60 Verfahrensschritte
61 Volumen 3 b
62 Teil des Volumens
63 rekonstruierter Abschnitt
64 weiterer Teil des Volumens 70 Verfahren
71-83 Verfahrensschritte

Claims

? n i n n i ? n WO 2011/120795 PCT/EP2011/053920 37 Patentansprüche
1. Verfahren zum Ermitteln von 3D-Volumendaten (61) eines Untersuchungsobjekts (P) aus einer Mehrzahl von Sätzen von 1D- oder 2D-Bilddaten des Untersuchungsobjektes, umfassend:
Rekonstruieren der 3D-Volumendaten (61) aus der Mehrzahl von Sätzen von 1D- oder 2D-Bilddaten, wobei die SD- Volumendaten (61) abhängig von einer Mehrzahl von Projektionsparametersätzen rekonstruiert werden, wobei jeder Projektionsparametersatz einem Satz von Bilddaten zugeordnet ist und angibt, in welche Pixel-Koordinaten des Satzes von Bilddaten Voxel-Koordinaten von Voxeln eines Messraums abgebildet werden,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass für wenigstens einen sich bewegenden Abschnitt (30; 40; 63) des Untersuchungsobjekts (P) Lagedaten, die für eine Mehrzahl von Erfassungszeiten der Bilddaten eine Position und/oder eine Orientierung des wenigstens einen Abschnitts (30; 40; 63) des Untersuchungsobjekts (P) angeben, bestimmt werden, und dass das Rekonstruieren der 3D-Volumendaten (61) aus der Mehrzahl von Sätzen von Bilddaten in Abhängigkeit von sowohl der Mehrzahl von Projektionsparametersätzen als auch den Lagedaten durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass abhängig von der Mehrzahl von Projektionsparametersätzen und den Lagedaten eine Mehrzahl von modifizierten Projektionsparametersätzen ermittelt wird, wobei das Rekonstruieren der 3D-Volumendaten (61) abhängig von den modifizierten Projektionsparametersätzen durchgeführt wird. ? n i n n i ? n
WO 2011/120795 PCT/EP2011/053920
38
3. Verfahren nach Anspruch 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass für wenigstens einen Satz von Bilddaten, insbesondere für jeden Satz von Bilddaten, der modifizierte Proj ektionspa- rametersatz angibt, in welche Pixel des Satzes von Bilddaten Voxel des wenigstens einen Abschnitts (30; 40; 63) des Unter¬ suchungsobjekts (P) abgebildet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass für wenigstens einen Satz von Bilddaten, insbesondere für jeden Satz von Bilddaten, die Projektionsparameter Matrixelemente einer Projektionsmatrix repräsentieren, und dass zum Ermitteln des dem Satz von Bilddaten zugeordneten modifi- zierten Projektionsparametersatzes Matrixelemente eines Mat¬ rixprodukts der Projektionsmatrix und einer weiteren Matrix, die eine Verschiebung (45) und/oder Rotation und/oder Verformung des wenigstens einen Abschnitts (30; 40; 63) des Unter¬ suchungsobjekts (P) relativ zu einer Referenzlage definiert, bestimmt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass alle Voxel der 3D-Volumendaten (61) abhängig von den er- mittelten modifizierten Projektionsparametersätzen rekonstruiert werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass nur ein Teil (62) der Voxel der 3D-Volumendaten (61) abhängig von den ermittelten modifizierten Projektionsparametersätzen rekonstruiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Teil (62) der Voxel abhängig von einer Position des Abschnitts (30; 40; 63) des Untersuchungsobjekts (P) bestimmt wird . ? n i n n i ? n
WO 2011/120795 PCT/EP2011/053920
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8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass eine erste Rekonstruktion der 3D-Volumendaten abhängig von der Mehrzahl von Projektionsparametersätzen durchgeführt wird, und dass der Teil (62) der Voxel abhängig von einer Objektsegmentierung der in der ersten Rekonstruktion ermittelten 3D-Volumendaten ermittelt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass ein weiterer Teil (64) der Voxel der 3D-Volumendaten (61) abhängig von der Mehrzahl von Projektionsparametersätzen und unabhängig von den Lagedaten rekonstruiert wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass eine Messeinrichtung (15, 21-24) die Lagedaten während einer Erfassung der Bilddaten erfasst.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Messeinrichtung (15, 21-24) die Lagedaten unter Verwendung elektromagnetischer, optischer oder akustischer Sig- nale, insbesondere elektromagnetischer, optischer oder akustischer Wellen, erfasst.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Messeinrichtung (15, 21-24) eine Position wenigstens eines anatomischen Markers an dem wenigstens einen Abschnitt (30; 40; 63) des Untersuchungsobjekts (P) als Funktion der Zeit erfasst, um die Lagedaten zu ermitteln. ? n i n n i ? n
WO 2011/120795 PCT/EP2011/053920
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13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Messeinrichtung (15, 21-24) eine Position wenigstens eines nicht-anatomischen Elements (21, 23, 24; 44) in oder an dem Abschnitt (30; 40; 63) des Untersuchungsobjekts (P) als Funktion der Zeit erfasst, um die Lagedaten zu ermitteln.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Lagedaten rechnerisch abhängig von den Bilddaten ermittelt werden.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das Untersuchungsobjekt (P) zwischen einer Erfassung von wenigstens zwei Sätzen von Bilddaten relativ zu einem Laborsystem bewegt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass eine Erfassungseinrichtung (3-5) zum Erfassen der Mehrzahl von Sätzen von Bilddaten in dem Laborsystem zwischen einer Mehrzahl von Stellungen verstellt wird, und dass das Untersuchungsobjekt (P) abhängig von der Stellung der Erfas- sungseinrichtung bewegt wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Bilddaten mit einem Röntgen-Flächendetektor (5) er- fasst werden.
18. Computerprogramm umfassend eine Befehlsfolge, die bei Ausführung durch eine elektronische Recheneinrichtung (12) einer Bildgebungsvorrichtung (1) die Bildgebungsvorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-17 veranlasst. ? n i n n i ? n
WO 2011/120795 PCT/EP2011/053920
41
19. Bildgebungsvorrichtung, umfassend:
— eine Erfassungseinrichtung (3-5) zum Erfassen einer Mehrzahl von Sätzen von 1D- oder 2D-Bilddaten eines Untersuchungsobjekts (P) ,
— eine Speichereinrichtung (13) zum Speichern einer Mehrzahl von Projektionsparametersätzen, wobei jeder Projektionsparametersatz einem Satz von Bilddaten zugeordnet ist und angibt, in welche Pixel-Koordinaten des Satzes von Bild¬ daten Voxel-Koordinaten von Voxeln eines Messraums abge- bildet werden, und
— eine Recheneinrichtung (12), die mit der Erfassungseinrichtung (3-5) und der Speichereinrichtung (13) gekoppelt und eingerichtet ist, um 3D-Volumendaten (61) aus der Mehrzahl von Sätzen von Bilddaten abhängig von der Mehr- zahl von Projektionsparametersätzen zu rekonstruieren, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Recheneinrichtung (12) eingerichtet ist, um die Re¬ konstruktion der 3D-Volumendaten (61) weiterhin in Abhängigkeit von Lagedaten, die für eine Mehrzahl von Erfassungszei- ten der Bilddaten eine Position und/oder eine Orientierung wenigstens eines sich bewegenden Abschnitts (30; 40; 63) des Untersuchungsobjekts (P) angeben, durchzuführen.
20. Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 19,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Bildgebungsvorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2-17 eingerichtet ist.
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