DE102009039986A1 - Method for movement correction of three dimensional digital subtraction angiography, during visualization of e.g. blood vessel tree in heart of human body, involves producing subtracted volume that is reduced at subtraction artifacts - Google Patents
Method for movement correction of three dimensional digital subtraction angiography, during visualization of e.g. blood vessel tree in heart of human body, involves producing subtracted volume that is reduced at subtraction artifacts Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung Bewegungskorrektur für 3-D digitale Subtraktionsangiographie unter Verwendung der Projektionsdaten.The invention relates to a method and a device motion correction for 3-D digital subtraction angiography using the projection data.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Bei der digitalen Subtraktionsangiographie (DSA), einem weit verbreiteten Verfahren zur Visualisierung der Blutgefäße im menschlichen Körper, werden mehrere Röntgenbilder mit unterschiedlicher Bildinformation aufgenommen. Im Allgemeinen wird ein Röntgenbild vor der Verabreichung von Kontrastmittel, ein sogenanntes Maskenbild, aufgenommen und von einem Röntgenbild nach der Verabreichung von Kontrastmittel, einem sogenannten Füllungsbild mit Kontrastmittel, subtrahiert. Im resultierenden Bild ist nur noch die kontrastierte Struktur, beispielsweise die Blutgefäße, erkennbar.In digital subtraction angiography (DSA), a widely used method of visualizing the blood vessels in the human body, multiple X-ray images are acquired with different image information. In general, an X-ray image is taken before the administration of contrast agent, a so-called mask image, and subtracted from an X-ray image after the administration of contrast agent, a so-called filling image with contrast agent. In the resulting image, only the contrasted structure, such as the blood vessels, can be seen.
Durch Aufnahme zweier Bildsequenzen mit einem C-Bogen-System vor und nach Verabreichung eines Kontrastmittels werden mittels zweier Aufnahmeläufe Masken- und Füllungsprojektionen aus mehreren Blickrichtungen erzeugt. Daraus können dreidimensionale subtrahierte Bilder der kontrastierten Struktur, beispielsweise des Gefäßbaumes, ohne störende Knochenstrukturen rekonstruiert werden.By recording two image sequences with a C-arm system before and after administration of a contrast agent, mask and fill projections are generated from several view directions by means of two acquisition runs. From this, three-dimensional subtracted images of the contrasted structure, for example of the vascular tree, can be reconstructed without disturbing bone structures.
Jeder Projektionsdatensatz für sich betrachtet, erlaubt im Idealfall eine artefaktfreie Rekonstruktion eines 3-D-Bildes. Für den Arzt ist die Differenz der beiden 3-D-Bilder interessant, so dass beispielsweise nur die kontrastierten Blutgefäße sichtbar sind und die Knochen unterdrückt werden.Each projection data set taken individually allows, ideally, an artifact-free reconstruction of a 3-D image. For the doctor, the difference between the two 3-D images is interesting, so that, for example, only the contrasted blood vessels are visible and the bones are suppressed.
Bei der Erfassung von Masken- und Füllungsprojektionen kommt es häufig zu Bildfehlern im rekonstruierten Volumen, da Bewegungen während der Akquisition im medizinischen Umfeld in der Regel nicht vermeidbar sind. Mechanische Ungenauigkeiten des Aufnahmesystems oder Patientenbewegungen zwischen den Aufnahmeläufen führen zu Artefakten, da nicht alle störenden Strukturen im subtrahierten Bild vollständig entfernt werden können. Weiterhin stören Bewegungen innerhalb des Kontrastlaufes die Annahme statischer Objekte, die für Standard-Rekonstruktionsalgorithmen benötigt werden, wodurch bewegungsbedingte Rekonstruktionsartefakten hervorgerufen werden. Insbesondere im medizinischen Bereich kommen solche bewegungsbedingte Rekonstruktionsartefakte häufig vor, so dass sich die nicht-kontrastierten Strukturen, beispielsweise die Knochen, nicht vollständig entfernen lassen.The capture of mask and fill projections often results in image defects in the reconstructed volume, since movements during the acquisition in the medical environment are generally unavoidable. Mechanical inaccuracies of the recording system or patient movements between the recording runs lead to artifacts, since not all disturbing structures in the subtracted image can be completely removed. Furthermore, movements within the contrast run interfere with the assumption of static objects needed for standard reconstruction algorithms, causing motion reconstruction artifacts. In the medical field in particular, such movement-related reconstruction artifacts occur frequently, so that the non-contrasted structures, for example the bones, can not be completely removed.
Im Bereich der 2-D-Bildgebung ist das DSA-Verfahren seit langem möglich. Es gibt eine Vielzahl von Verfahren zur Korrektur von Bewegungen, die das 2-D-Maskenbild direkt mit dem 2-D-Füllungsbild registrieren (2-D/2-D-Registrierung für Einzelbilder). Hierfür gibt es Ansätze, die von reinen Verschiebungen ausgehen (sogenanntes ”Pixelshift”) und solche, die Verzerrungen mit berücksichtigen, wie beispielsweise ”flexible Pixelshift”.In the field of 2-D imaging, the DSA method has been possible for a long time. There are a variety of methods for correcting motions that register the 2-D mask image directly with the 2-D fill image (2-D / 2-D registration for frames). There are approaches that assume pure shifts (so-called "pixel shift") and those that take distortions into account, such as "flexible pixel shift".
Analog dazu sind Verfahren möglich, die ein rekonstruiertes 3-D-Maskenvolumen mit einem rekonstruierten 3-D-Füllungsvolumen registrieren (3-D/3-D-Registrierung) und diese Information zur Verbesserung des subtrahierten Volumens verwenden.Analogously, methods are possible that register a reconstructed 3-D mask volume with a reconstructed 3-D fill volume (3-D / 3-D registration) and use this information to improve the subtracted volume.
Die Verwendung der rekonstruierten 3D-Volumina für die Registrierung hat den Nachteil, dass diese Rekonstruktionsartefakte zeigen können, die die Registrierung erschweren. Solche Rekonstruktionsartefakte treten insbesondere dann auf, wenn sich die Bewegung nicht auf die Zeit zwischen den Aufnahmen der Masken- und Füllungsprojektionen beschränkt, sondern auch innerhalb des Masken- oder Füllungs-Aufnahmelaufes aufgetreten ist.The use of reconstructed 3D volumes for registration has the disadvantage that they can show reconstruction artifacts that make registration difficult. Such reconstruction artifacts are particularly noticeable when the motion is not limited to the time between shots of the mask and fill projections, but has also occurred within the mask or fill shot run.
Eine derartige 3-D/3-D-Registrierung ist beispielsweise aus der
In der
Aus der
Es gibt weitere bekannte Verfahren, die beispielsweise in den Veröffentlichungen von
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass die beschriebenen Bewegungsartefakte bildbasiert korrigiert werden können.The invention is based on the task of a method of the type mentioned above to train that the described motion artifacts can be corrected image-based.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie der Vorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved with the method and the device according to the independent claims. Advantageous embodiments of the method and the device are the subject of the dependent claims or can be taken from the following description and the embodiments.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Bewegungskorrektur für eine dreidimensionale digitale Subtraktionsangiographie von wenigstens zwei zumindest zweidimensionalen Bilddatensätzen, aus denen gegebenenfalls dreidimensionale Volumina rekonstruiert werden können, wobei eine Bewegungskorrektur durch Registrierung und danach folgende Subtraktion durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Registrierung eine Registrierungstechnik angewandt wird, die auf mindestens einem zweidimensionalen und wenigstens einem weiteren der Bilddatensätze basiert, so dass im Ergebnis ein um Subtraktionsartefakte reduziertes, subtrahiertes Volumen erzeugt wird.The invention relates to a method for motion correction for a three-dimensional digital subtraction angiography of at least two at least two-dimensional image data sets, from which optionally three-dimensional volumes can be reconstructed, wherein a motion correction by registration and then subsequent subtraction is performed, characterized in that applied to the registration of a registration technique which is based on at least one two-dimensional and at least one further one of the image data records, so that, as a result, a subtraction volume reduced by subtraction artifacts is generated.
Um die beschriebenen Bewegungsartefakte bildbasiert zu korrigieren ist erfindungsgemäß vorgesehen, zur Kompensation von Subtraktionsartefakten verschiedene Registrierungstechniken anzuwenden, die vorzugsweise auf 2-D/2-D- oder 2-D/3-D-Bilddaten arbeiten.In order to correct the described movement artifacts image-based, it is provided according to the invention to use different registration techniques for the compensation of subtraction artifacts, which preferably operate on 2-D / 2-D or 2-D / 3-D image data.
Ein Aspekt der Erfindung liegt darin, dass die Registrierung nicht zwischen zwei 3-D-Volumen durchgeführt wird, welche durch inkonsistente Eingangsdaten verfälscht sein können. Stattdessen werden entweder 2-D-Projektionsdaten eines Laufes mit 2-D-Projektionsdaten eines anderen Laufes registriert, oder es werden 2-D-Projektionsdaten eines Laufes mit dem rekonstruierten Volumen aus einem zweiten Lauf registriert.One aspect of the invention is that the registration is not performed between two 3-D volumes, which may be corrupted by inconsistent input data. Instead, either 2-D projection data of one run is registered with 2-D projection data of another run, or 2-D projection data of one run with the reconstructed volume is registered from a second run.
Der Ansatz wird sowohl für die Korrektur rigider Bewegungen des gesamten zerebralen Gefäßbaumes angewendet, als auch für die lokale Bewegungsschätzung erkrankter Blutgefäße verwendet.The approach is used both for correcting rigid movements of the entire cerebral vascular tree and for local motion estimation of diseased blood vessels.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist Vorrichtung zur Bewegungskorrektur für eine dreidimensionale digitale Subtraktionsangiographie von wenigstens zwei zumindest zweidimensionalen Bilddatensätzen, aus denen gegebenenfalls dreidimensionale Volumina rekonstruierbar sind, gekennzeichnet durch Mittel zur Bewegungskorrektur durch Registrierung und danach folgender Subtraktion, wobei eine Registrierungstechnik angewendbar ist, die auf mindestens einem zweidimensionalen und wenigstens einem weiteren der Bilddatensätze basiert, wobei daraus ein um Subtraktionsartefakte reduziertes, subtrahiertes Volumen resultiert.A further aspect of the invention is a movement correction device for a three-dimensional digital subtraction angiography of at least two at least two-dimensional image data sets from which three-dimensional volumes can be reconstructed, characterized by means for motion correction by registration and subsequent subtraction, wherein a registration technique applicable to at least a two-dimensional and at least one further of the image data sets, resulting in a subtraction volume reduced by subtraction artifacts.
Mittels Durchführung einer Kalibrierung kann die durch Kalibrierung erhaltende Projektionsgeometrie in die Rekonstruktion einfließen.By performing a calibration, the projection geometry obtained by calibration can be incorporated into the reconstruction.
Vorteilhafte Auswirkungen der ErfindungAdvantageous effects of the invention
Ein bewegungskorrigiertes 3-D-Volumen wird nicht ausschließlich auf Basis der 3-D-Masken- und 3-D-Füllungsvolumina erzeugt.A motion-corrected 3-D volume is not generated solely based on the 3-D mask and 3-D fill volumes.
Eine 2-D/2-D-Registrierung basiert ausschließlich auf den Projektionsdaten, die Registrierung ist in diesem Fall vollständig unabhängig von der Rekonstruktion.A 2-D / 2-D registration is based solely on the projection data, the registration in this case is completely independent of the reconstruction.
Eine 2-D/3-D-Registrierung benötigt zwar einen konsistenten Masken-Aufnahmelauf aber keinen vollständig konsistenten Füllungs-Aufnahmelauf bzw. eine konsistenten Füllungs-Aufnahmelauf, jedoch keinen vollständig konsistenten Masken-Aufnahmelauf.Although a 2-D / 3-D registration requires a consistent mask capture run but not a fully consistent fill pick, or a consistent fill pick, it does not require a fully consistent mask pick-up run.
Beschreibung eines oder mehrerer AusführungsbeispieleDescription of one or more embodiments
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. In der Zeichnung zeigen:Further advantages, details and developments of the invention will become apparent from the following description of embodiments in conjunction with the drawings. In the drawing show:
Fig. 1Fig. 1
In der
Mittels des beispielsweise aus der
Der bekannte Knickarmroboter
Der Röntgenbilddetektor
Im Strahlengang des Röntgenstrahlers
An der Systemsteuerungseinheit
Fig. 2Fig. 2
Der Röntgenstrahler
Der C-Bogen
Bei dem zu untersuchenden Objekt
Der Röntgenstrahler
Der Röntgenstrahler
Bei der normalen Radiographie oder Fluoroskopie mittels einer derartigen Röntgendiagnostikeinrichtung werden die medizinischen 2-D-Daten des Röntgenbilddetektors
Fig. 3Fig. 3
In der
Hierbei werden 2-D-Projektionsdaten, vorzugsweise die Maskenbilder, eines Bildaufnahmelaufes mit 2-D-Projektionsdaten, vorzugsweise die Füllungsbilder, eines anderen Bildaufnahmelaufes registriert. Den Beginn der beiden Bildaufnahmeläufe wird in
In Schritt
Die genannten Schritte können nach Bedarf wiederholt oder erneut begonnen werden.These steps can be repeated or restarted as needed.
Fig. 4Fig. 4
In
Hierbei werden 2-D-Projektionsdaten eines Laufes mit dem rekonstruierten Volumen aus einem zweiten Lauf registriert. Der Ablauf ist ähnlich dem vorstehend geschilderten Ablauf zu
Die genannten Schritte können nach Bedarf wiederholt oder erneut begonnen werden.These steps can be repeated or restarted as needed.
Sowohl
Ein vollständig subtrahiertes, d. h. bewegungskorrigiertes 3-D-Volumen wird dadurch berechnet, dass für die Registrierung nicht ausschließlich die rekonstruierten 3-D-Volumina (Masken- und Füllungsvolumen) verwendet werden. Zur Registrierung werden die 2-D-Projektionsdaten mit einbezogen, aus denen die 3-D-Bilder rekonstruiert werden können.A completely subtracted, d. H. Movement-corrected 3-D volume is calculated by not using only the reconstructed 3-D volumes (mask and fill volume) for registration. For registration, the 2-D projection data is included, from which the 3-D images can be reconstructed.
Dabei sind folgende Szenarien beispielshaft denkbar:
- a) Wie beispielsweise vorstehend zu
3 erläutert: 2-D/2-D-Registrierung korrespondierender Masken- und Füllungsprojektionen, Subtraktion der Projektionsbilder, Rekonstruktion des subtrahierten Volumens aus den subtrahierten registrierten Projektionen. - b) Wie beispielsweise vorstehend zu
4 erläutert: Rekonstruktion des Maskenvolumens, 2-D/3-D-Registrierung einer oder mehrerer Füllungsprojektionen mit dem Maskenvolumen (Bestimmung einer 3-D-Transformation), Rekonstruktion des Füllungsvolumens, Subtraktion von Masken- und Füllungsvolumen unter Berücksichtigung der bestimmten 3-D-Transformation. - c) Wie beispielsweise vorstehend zu
4 erläutert: Rekonstruktion des Füllungsvolumens, 2-D/3-D-Registrierung einer oder mehrerer Maskenprojektionen mit dem Füllungsvolumen (Bestimmung einer 3-D-Transformation), Rekonstruktion des Maskenvolumens, Subtraktion von Masken- und Füllungsvolumen unter Berücksichtigung der bestimmten 3-D-Transformation.
- a) As for example above
3 explains: 2-D / 2-D registration of corresponding mask and fill projections, subtraction of the projection images, reconstruction of the subtracted volume from the subtracted registered projections. - b) As for example above
4. Explanation: reconstruction of the mask volume, 2-D / 3-D registration of one or more filling projections with the mask volume (determination of a 3-D transformation), reconstruction of the filling volume, subtraction of mask and filling volume taking into account the determined 3-D transformation Transformation. - c) For example, as above
4. Explanation: Reconstruction of the filling volume, 2-D / 3-D registration of one or more mask projections with the filling volume (determination of a 3-D transformation), reconstruction of the mask volume, subtraction of mask and filling volume taking into account the determined 3-D transformation Transformation.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein bewegungskorrigiertes 3-D-Volumen nicht ausschließlich auf Basis der 3-D-Masken- und 3-D-Füllungsvolumina erzeugt.By the method according to the invention, a movement-corrected 3-D volume is not generated exclusively on the basis of the 3-D mask and 3-D filling volumes.
Das oben genannte Szenario a) basiert auf den Projektionsdaten; die Registrierung ist in diesem Fall vollständig unabhängig von der Rekonstruktion.The above scenario a) is based on the projection data; the registration in this case is completely independent of the reconstruction.
Beim Szenario b) wird zwar ein konsistenter Masken-Aufnahmelauf, aber kein vollständig konsistenter Füllungs-Aufnahmelauf benötigt. In Szenario c) verhält es sich genau umgekehrt; es wird ein konsistenter Füllungs-Aufnahmelauf, aber kein vollständig konsistenter Masken-Aufnahmelauf benötigt.In scenario b), although a consistent masks take-up run is required, not a completely consistent fill take-up run is required. In scenario c) it is exactly the opposite; a consistent padding run is needed, but not a fully consistent mask picking run.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich vorzugsweise auf die Korrektur von Bewegungen, die zwischen den beiden Aufnahmeläufen (bzw. genaugenommen zwischen den Aufnahmen der 2-D-Projektionen aus der gleichen Richtung) aufgetreten ist. Dadurch wird das Verfahren robust gegen Inkonsistenzen in den Aufnahmeläufen. Eine zeitliche Auflösung der Bewegung ist dabei nicht erforderlich, wie es beispielsweise bei einem 4-D-Bild des Herzens erfolgt.The present invention preferably relates to the correction of movements that occurred between the two picking runs (or, more precisely, between the pickups of the 2-D projections from the same direction). This makes the procedure robust against inconsistencies in the recording runs. A temporal resolution of the movement is not required, as occurs for example in a 4-D image of the heart.
Weiterhin benötigt das erfindungsgemäße Verfahren nur die Bilddaten als Eingabe. Es sind keine weiteren Signale (wie z. B. EKG, Bewegungssensoren, externe Kamerasysteme) erforderlich, um die Bewegungskorrektur durchzuführen.Furthermore, the inventive method requires only the image data as input. No further signals (such as ECG, motion sensors, external camera systems) are required to perform the motion correction.
Durch das erfindungsgemäße Vorgehen können Bewegungsartefakte reduziert und damit die Bildqualität entsprechend verbessert wird.By virtue of the procedure according to the invention, movement artifacts can be reduced and thus the image quality can be improved accordingly.
Literatur literature
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M. van Straten, H. W. Venema, G. J. Streekstra, C. B. L. M. Majoie, G. J. den Heeten, C. A. Grimbergen: Removal of bone in CT angiography of the cervical arteries by piecewise matched mask bone elimination, Medical Physics, Bd. 31(10), 2004, Seiten 2924–2933 M. van Straten, HW Venema, GJ Streekstra, CBLM Majoie, GJ den Heeten, CA Grimbergen: Removal of bone in CT angiography of the cervical arteries by piecewise matched mask bone elimination, Medical Physics, Vol. 31 (10), 2004, Pages 2924-2933
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Industrieroboterindustrial robots
- 22
- C-BogenC-arm
- 33
- RöntgenstrahlerX-ray
- 44
- RöntgenbilddetektorX-ray image detector
- 55
- PatientenlagerungstischPatient table
- 66
- Patientpatient
- 77
- SystemsteuerungseinheitControl unit
- 88th
- Bildsystemimage system
- 99
- Monitormonitor
- 1010
- Kalibriervorrichtungcalibration
- 1111
- Drehzentrum/DrehachseTurning center / axis of rotation
- 1212
- Strahlenbündelray beam
- 1313
- Objektobject
- 1414
- Umlaufbahnorbit
- 2020
- logarithmische Transformation (LOG)logarithmic transformation (LOG)
- 2121
- physikalische Vorverarbeitung (PREPRO)physical preprocessing (PREPRO)
- 2222
- Bewegungsschätzung mittels flexiblen Pixelshift (FPS)Motion estimation using flexible pixel shift (FPS)
- 2323
- Deformationsbereichdeformation area
- 2424
- Deformation durch Pixelshift (DEFORM)Deformation by pixel shift (DEFORM)
- 2525
- erweiterter Feldkamp Algorithmus (EFA)extended Feldkamp algorithm (EFA)
- 2626
- Subtraktionsvorrichtungsubtraction
- 2727
- 2-D/3-D-Registration (REG)2-D / 3-D registration (REG)
- 2828
- Transformationsmatrixtransformation matrix
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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