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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
dreidimensionalen Rekonstruktion eines bewegten Objekts in einem
Körpervolumen,
wobei das Körpervolumen
beispielsweise durch Herzschlag oder Atmung einer zyklischen Eigenbewegung
unterliegen kann.
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Die
Ausführung
von intravaskulären
medizinischen Eingriffen wie beispielsweise das Einsetzen eines
Stents bei einer Stenose der Herzkranzgefäße erfolgt normalerweise unter
Beobachtung mittels Röntgenfluoroskopie.
Zur Überwachung
des Einsetzens des Stents wäre
es dabei hilfreich, diesen so genau wie möglich dreidimensional visualisieren
zu können.
Eine derartige Visualisierung ist jedoch mit den bekannten dreidimensionalen
Bildgebungsverfahren der Computertomografie nicht ohne weiteres möglich, da
der Stent aufgrund des Herzschlages und der Atmung einer konstanten
Bewegung und Verformung unterliegt.
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In
diesem Zusammenhang sind zur dreidimensionalen Rekonstruktion von
Gefäßbäumen die Erzeugung
während
einer Herzschlagphase von zwei Projektionsserien der aus unterschiedlichen Richtungen
mit Kontrastmittel gefüllten
Gefäße bekannt
(siehe „Dynamic
Reconstruction of 3D Coronary Arterial Trees Based an a Sequence
of Biplane Angiograms" von
S.-Y. J. Shen, J. D. Carroll, erschienen in den Proceedings of the
SPIE, Band 3034, S. 358–368
(1997)). Auf den Projektionsaufnahmen werden verschiedene Punkte
wie beispielsweise Verzweigungen segmentiert, und aus zwei Projektionen von
derselben Phase in den Aufnahmesequenzen, jedoch aus verschiedenen
Projektionsrichtungen wird die räumliche
Position dieser verschiedenen Punkte rekonstruiert. Schließlich wird
aus allen derart rekonstruierten Positionen die Bewegung der Punkte und
somit des Gefäßsystems
während
des Herzschlags ermittelt. Die Anwendung des Verfahrens zur Lokalisierung
von Objekten wie Eingriffsinstrumenten wird nicht beschrieben. Ferner
erfordert es das Verfahren, dass die Aufnahmesequenzen mit hoher
Geschwindigkeit während
der Dauer genau eines Herzschlags aufgezeichnet werden.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Mittel
zum Lokalisieren eines Objekts wie beispielsweise eines Eingriffsinstruments
in dem Ge fäßsystem
eines Patienten zu schaffen, wobei das Objekt und/oder das umgebende
Körpervolumen
einer zyklischen oder nicht zyklischen Bewegung unterliegen kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den Merkmalen aus Anspruch
1, eine Einrichtung mit den Merkmalen aus Anspruch 4, ein Verfahren mit
den Merkmalen aus Anspruch 9 und ein Verfahren mit den Merkmalen
aus Anspruch 10 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung dient die erfindungsgemäße Einrichtung
der dreidimensionalen Rekonstruktion eines bewegten Objekts in einem
Körpervolumen.
Bei dem Objekt kann es sich insbesondere um eine Körperstruktur
(ein Organ, einen Gefäßabschnitt,
das Körpervolumen selbst
usw.) oder ein Eingriffsinstrument an einem Katheter wie beispielsweise
einen Stent, einen Ballon oder einen Führungsdraht handeln, wobei
die Erfindung nicht auf medizinische Anwendungen beschränkt ist.
Die Bewegung des Objekts kann mit Bezug auf das Körpervolumen
(beispielsweise das Vorschieben eines Katheters) und/oder zusammen
mit einer Bewegung des Körpervolumens
(beispielsweise durch Patientenbewegung, Atmung, Herzschlag) erfolgen.
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Die
Einrichtung umfasst einen (elektronischen) Speicher, der eine Serie
mit zweidimensionalen Projektionsaufnahmen des Körpervolumens aus verschiedenen
Richtungen enthält.
Mit dem Speicher gekoppelt ist eine Datenverarbeitungseinheit, die
so eingerichtet ist, dass sie die folgenden Schritte ausführt:
- a) Die Segmentierung des Abbildes von mindestens
einem Merkmalspunkt des Objekts oder seiner Umgebung in den Projektionsaufnahmen.
Gemäß der Definition
ist ein „Merkmalspunkt
des Objekts oder seiner Umgebung" dabei
ein Punkt, der zu dem Objekt oder seiner Umgebung gehört und sich
in den Projektionsaufnahmen relativ gut lokalisieren lässt. Beispielsweise
kann es sich um eine Gefäßverzweigung
oder eine strahlenundurchlässige
Markierung auf einem Führungsdraht
oder Stent handeln. Ferner wird unter „Segmentierung" in der üblichen
Weise die Zuordnung eines Bildpunktes zu einem Objekt (hier dem
Merkmalspunkt) verstanden. Vorzugsweise werden zwei oder mehr verschiedene
Merkmalspunkte segmentiert und jeweils der nachfolgenden, für „den Merkmalspunkt" formulierten Weiterverarbeitung unterzogen.
- b) Die Vorgabe einer räumlichen
Referenzposition für
den Merkmalspunkt. Die „wahre" räumliche Position
des Merkmalspunkts (zu einem bestimmten Zeitpunkt) ist aufgrund
der unbekannten Bewegung des Objekts nicht einmal aus mehreren Projektionsaufnahmen
mit Sicherheit zu ermitteln. Aus diesem Grund wird hier mehr oder
weniger zufäl lig
eine Referenzposition vorgegeben, die im Anschluss als Grundlage
für die
Interpretation und Ausrichtung der Aufnahmen verwendet wird.
- c) Die Berechnung von Transformationen des dreidimensionalen
Objektraums und der zweidimensionalen Projektionsaufnahmen, nach
deren Anwendung sich die Projektion der (transformierten) Referenzposition
jeweils mit dem (transformierten) Abbild des Merkmalspunktes deckt.
Typischerweise wird eine dieser Transformationen als Identität festgelegt,
so dass wirksam entweder eine echte Transformation des Objektsraums oder
eine echte Transformation der Projektionsaufnahmen stattfindet.
Bei einer „echten" Transformation kann
es sich beispielsweise um eine Translation, eine Rotation, eine
Dilatation (Volumenänderung)
und/oder – in
komplexeren Ansätzen – um eine
affine Transformation handeln.
- In Schritt c) können
beispielsweise die Projektionsaufnahmen so transformiert werden,
dass das in Schritt a) segmentierte Abbild des Merkmalspunktes an
einer Stelle zu liegen kommt, auf die die in Schritt b) definierte
Referenzposition projiziert wird. Als Alternative kann für jede Projektionsaufnahme
die Referenzposition in eine neue Position transformiert werden,
deren Projektion dann auf dem in Schritt a) segmentierten Abbild des
Merkmalspunktes liegt. In beiden Fällen werden Transformationen
ermittelt, die eine Ausrichtung der Projektionsaufnahmen zur Referenzposition
(bzw. eine Ausrichtung der Referenzposition zu den Projektionsaufnahmen)
beschreiben.
- d) Die dreidimensionale Rekonstruktion des Objekts und falls
anwendbar der Umgebung des Objekts, d. h. im Allgemeinen einer interessierenden Region,
aus den gespeicherten Projektionsaufnahmen mit Hilfe der gemäß Schritt
c) berechneten Transformationen.
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Die
Einrichtung weist den Vorteil auf, dass das Objekt oder die interessierende
Region beim Objekt mit Hilfe aller Projektionsaufnahmen aus dem Speicher
rekonstruiert werden kann. Dies gelingt, da Änderungen der Position und
Form des bewegten Objekts mit Hilfe der Transformationen kompensiert werden
können.
In diesem Zusammenhang ist es von besonderem Vorteil, dass die Bewegung
des Objekts quasi beliebig sein kann.
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Die
in Schritt b) des Verfahrens angenommene räumliche Referenzposition eines
Merkmalspunktes kann zwar im Prinzip wie gewünscht festgelegt werden. Vorteilhafterweise
wird sie jedoch so definiert, dass sie so nahe wie möglich bei
einer reellen oder höchstwahrscheinlichen
aktuellen Position des Merkmalspunktes liegt. Im Besonderen kann die
Referenzposition geometrisch aus zwei Projektionsaufnahmen rekonstruiert
werden, die bei gleichartigen Zuständen des Körpervolumens, jedoch aus verschiedenen
Richtungen aufgenommen wurden. In diesem Fall kann angenommen werden,
dass ein Merkmalspunkt während
der Erzeugung der beiden Projektionsaufnahmen ungefähr an der
gleichen räumlichen
Position lag und daher genau rekonstruiert werden kann. Bei dem
Zustand des Körpervolumens
kann es sich im Besonderen um die Herzschlagphase handeln, die typischerweise
mit einem EKG aufgezeichnet wird.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung betrifft die Erfindung die dreidimensionale
Rekonstruktion eines Objekts in einem Körpervolumen, das einer zyklischen
Eigenbewegung unterliegt. Bei dem Objekt kann es sich im Besonderen
um eine Körperstruktur
(ein Organ, einen Gefäßabschnitt
usw.) oder ein Eingriffsinstrument an einem Katheter wie beispielsweise
einen Stent, einen Ballon oder einen Führungsdraht handeln, wobei
die Erfindung jedoch nicht auf medizinische Anwendungen beschränkt ist. Die
zyklische Eigenbewegung ist typischerweise eine solche, wie sie
durch den Herzschlag und/oder die Atmung in einem biologischen Körper verursacht wird.
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Die
Einrichtung umfasst einen (elektronischen) Speicher, der eine Serie
mit zweidimensionalen Projektionsaufnahmen des Körpervolumens aus verschiedenen
Richtungen enthält.
Für jede
der Projektionsaufnahmen enthält
der Speicher auch die entsprechenden Werte eines Parameters, der
die zyklische Eigenbewegung des Körpervolumens zum Zeitpunkt
der Erzeugung der Projektionsaufnahme kennzeichnet. Bei dem Parameter
handelt es sich beispielsweise um einen EKG-Wert. Mit dem Speicher
gekoppelt ist eine Datenverarbeitungseinheit, die so eingerichtet
ist, dass sie die folgenden Schritte ausführt:
- a)
Segmentierung des Abbildes von mindestens einem Merkmalspunkt des
Objekts in den Projektionsaufnahmen. Ein „Merkmalspunkt des Objekts" ist dabei wie bereits
erläutert
ein zu dem Objekt gehörender
Punkt, der sich in den Projektionsaufnahmen relativ gut lokalisieren
lässt.
Vorzugsweise werden zwei oder mehr verschiedene Merkmalspunkte des
Objekts segmentiert und der nachfolgenden, für „den Merkmalspunkt" formulierten Weiterverarbeitung
unterzogen.
- b) Einteilung der genannten Projektionsaufnahmen in Klassen,
wobei jede der Klassen alle Projektionsaufnahmen zusammenfasst,
die zu einer bestimmten, der Klasse zugeordneten Phase der zyklischen
Eigenbewegung gehören.
- c) Dreidimensionale Lokalisierung des Merkmalspunktes für jede der
oben genannten Klassen aus mindestens zwei Projektionsaufnahmen
der entsprechenden Klasse. Eine derartige Lokalisierung ist im Prinzip
möglich,
da gemäß den Anforderungen
die Projektionsaufnahmen aus verschiedenen Richtungen aufgenommen
wurden. Die Lokalisierung ist auch praktisch möglich bzw. sinnvoll, da die
verwendeten Projektionsaufnahmen aus der gleichen Klasse und somit
der gleichen Phase der zyklischen Eigenbewegung stammen und das Körpervolumen
in den Projektionsaufnahmen somit ungefähr die gleiche Form und Position
hat.
- d) Berechnung von dreidimensionalen Transformationen, wobei
eine Transformation (unter anderem) die Bewegung oder Verschiebung
des Merkmalspunktes während
des Übergangs
von einer Phase der zyklischen Eigenbewegung in eine andere beschreibt.
Die Ermittlung derartiger Transformationen ist möglich, da aus Schritt c) die räumliche
Position des Merkmalspunktes in den den verschiedenen Klassen entsprechenden Phasen
der zyklischen Eigenbewegung bekannt ist. Im einfachsten Fall ist
die Transformation eine Translation, die die lineare Verschiebung
eines Punktes beschreibt. Wenn mehr als zwei Merkmalspunkte beobachtet
werden, kann es sich bei der Transformation auch um eine Rotation,
eine Dilatation (Volumenänderung)
und/oder – in
komplexeren Ansätzen – um eine
affine Transformation handeln.
- e) Dreidimensionale Rekonstruktion des Objekts und falls anwendbar
der Umgebung des Objekts, d. h. im Allgemeinen einer interessierenden
Region, aus den gespeicherten Projektionsaufnahmen mit Hilfe der
gemäß Schritt
d) berechneten Transformationen.
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Die
Einrichtung weist den Vorteil auf, dass das Objekt oder die interessierende
Region beim Objekt mit Hilfe aller Projektionsaufnahmen aus dem Speicher
rekonstruiert werden kann. Dies gelingt, da Änderungen der Position und
Form des Objekts aufgrund der zyklischen Eigenbewegung des Körpervolumens
mit Hilfe der Transformationen kompensiert werden können, da
die Transformationen – zumindest
ungefähr – den Effekt
der Eigenbewegung mathematisch beschreiben.
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Bevorzugte
Auslegungen der Erfindung, die auf jede der beiden Einrichtungen
gemäß dem ersten und
dem zweiten Aspekt der Erfindung angewendet werden können, werden
nachfolgend erläutert,
wobei der Einfachheit halber nur von „der Einrichtung" gesprochen wird.
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Die
Segmentierung der Abbilder von mindestens einem Merkmalspunkt in
Schritt a) kann bei der Einrichtung vollautomatisch oder halbautomatisch
erfolgen. Im letztgenannten Fall umfasst die Einrichtung vorzugsweise
eine Eingabeeinheit wie eine Tasta tur und/oder eine Maus, die mit
der Datenverarbeitungseinheit gekoppelt ist und über die der Benutzer die Segmentierung
interaktiv unterstützen
kann.
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Die
Einrichtung umfasst ferner mindestens eine bildgebende Einrichtung,
mit der die im Speicher gespeicherte Serie mit zweidimensionalen
Projektionsaufnahmen des Körpervolumens
erzeugt werden kann. Bei dieser Einrichtung kann es sich im Besonderen
um ein Röntgengerät zum Erzeugen
von Röntgenprojektionen
und/oder ein Kernspinresonanzgerät
(engl. nuclear magnetic resonance, NMR) handeln.
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Die
Einrichtung umfasst ferner eine Sensoreinrichtung zum Aufzeichnen
eines eine (oder die genannte) zyklische Eigenbewegung des Körpervolumens
kennzeichnenden Parameters parallel zur Erzeugung der Projektionsaufnahmen.
Bei der Sensoreinrichtung kann es sich im Besonderen um eine Elektrokardiographie-Einrichtung
zum Aufzeichnen eines Elektrokardiogramms und/oder ein Atmungssensor
zum Aufzeichnen der Atmungsphase handeln.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur dreidimensionalen Rekonstruktion
eines bewegten Objekts in einem Körpervolumen basierend auf einer Datenmenge,
die eine Serie mit zweidimensionalen Projektionsaufnahmen des Körpervolumens
aus verschiedenen Richtungen enthält, das die folgenden Schritte
umfasst:
- a) Segmentierung des Abbildes von
mindestens einem Merkmalspunkt des Objekts oder seiner Umgebung
in den Projektionsaufnahmen,
- b) Vorgabe einer räumlichen
Referenzposition für jeden
Merkmalspunkt,
- c) Berechnung von Transformationen des Objektraums und der Projektionsaufnahmen,
nach deren Anwendung sich die Projektion der transformierten Referenzposition
in jeder transformierten Projektionsaufnahme mit dem entsprechenden transformierten
Abbild des Merkmalspunktes deckt,
- d) Dreidimensionale Rekonstruktion des Objekts aus den Projektionsaufnahmen
mit Hilfe der berechneten Transformationen.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur dreidimensionalen Rekonstruktion
eines Objekts in einem Körpervolumen,
das einer zyklischen Eigenbewegung unterliegt, basierend auf einer
Datenmenge, die eine Serie mit zweidimensionalen Projektionsaufnahmen
des Körpervolumens
aus verschiedenen Richtungen zusammen mit den jeweils entsprechenden
Werten eines die zyklische Eigenbewegung kennzeichnenden Parameters
enthält,
das die folgenden Schritte umfasst:
- a) Segmentierung
des Abbildes von mindestens einem Merkmalspunkt des Objekts in den
Projektionsaufnahmen,
- b) Einteilung der Projektionsaufnahmen in Klassen, die jeweils
einer gegebenen Phase der zyklischen Eigenbewegung entsprechen,
- c) Dreidimensionale Lokalisierung des genannten Merkmalspunktes
für jede
der genannten Klassen in mindestens zwei Projektionsaufnahmen dieser Klasse,
- d) Berechnung von dreidimensionalen Transformationen, die die
Bewegung des lokalisierten Merkmalspunktes zwischen verschiedenen
Phasen der zyklischen Eigenbewegung beschreiben,
- e) Dreidimensionale Rekonstruktion des Objekts aus den Projektionsaufnahmen
mit Hilfe der berechneten Transformationen.
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Die
beiden Verfahren umfassen in allgemeiner Form die Schritte, die
mit den Einrichtungen der oben beschriebenen Art ausgeführt werden
können. Hinsichtlich
der Erläuterung
von Einzelheiten, Vorteilen und weiteren Aspekten des Verfahrens
wird auf die obige Beschreibung verwiesen.
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Diese
und weitere Aspekte der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und werden im Folgenden mit Bezug auf die Ausführungsformen näher beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der Projektionsgeometrie bei der Erzeugung
von Röntgenbildern
eines bewegten Objekts,
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2 die
Auswirkung von für
den Objektraum berechneten Transformationen zur Kompensation der
Objektbewegung,
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3 die
Auswirkung von für
die Projektionsaufnahmen berechneten Transformationen zur Kompensation
der Objektbewegung,
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die 4a,
b einen schematischen Ablaufplan für ein Verfahren zur dreidimensionalen
Rekonstruktion eines Objekts aus Röntgenbildern von verschiedenen
Herzschlagphasen.
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Anhand
der 1 bis 3 wird zunächst eine erste Ausführungsform
der Erfindung erläutert. Bei
dem zugrunde liegenden Verfahren besteht die Aufgabe darin, die
dreidimensionale Rekonstruktion eines bewegten Objekts (beispielsweise
eines Stents oder des Körpervolumens
selbst) mit Hilfe von zweidimensionalen Röntgenprojektionsaufnahmen A1, A2, ... An, ... AN des Objekts
auszuführen,
die aus verschiedenen Projektionsrichtungen aufgenommen wurden.
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In
dieser Hinsicht zeigen die 1 bis 3 in
schematischer Form die Projektionsgeometrie, die bei der Erzeugung
einer Serie mit Röntgenaufnahmen
während
eines Schwenks eines rotierenden Röntgengerätes vorliegt. Die Röntgenbilder
A1, A2, ... An, ... AN werden dabei ausgehend von den
Projektionsmittelpunkten F1, F2,
... Fn, ... FN aufgenommen.
In den Figuren ist schematisch auf den Projektionsaufnahmen ein
Gefäßabschnitt
dargestellt, der aufgrund der verschiedenen Projektionsrichtungen
und der Bewegung des aufgenommenen Körpervolumens (durch Patientenbewegung,
Herzschlag, Atmung usw.) jeweils anders aussieht. Ohne die Bewegung könnte das
interessierende Objekt genau dreidimensional aus den Projektionsaufnahmen
rekonstruiert werden. In der Praxis bewegt sich das Objekt jedoch auf
unbekannte Weise, so dass sich für
einen fest mit dem Objekt verbundenen Merkmalspunkt Q die schematisch
in 1 dargestellte Bewegungstrajektorie Q(t) ergibt.
Normalerweise erfasst daher jede der Projektionsaufnahmen A1, A2, ... An, ... AN den Merkmalspunkt
Q an einer anderen, unbekannten Stelle der Trajektorie. Zur Erzielung
einer dennoch möglichst
guten Rekonstruktion des Objekts wird das nachfolgend erläuterte Verfahren
zur Kompensation der Bewegung vorgeschlagen.
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Das
Verfahren basiert auf der Verfolgung mindestens eines Merkmalspunktes
wie beispielsweise eines Markierungspunktes an einem Katheter oder
eines Verzweigungspunktes eines Gefäßes. Zu diesem Zweck werden
neben dem oben erwähnten Merkmalspunkt
Q vorzugsweise einer oder mehrere weitere Merkmalspunkte eingesetzt,
die in den 1 bis 3 nicht
ausführlicher
dargestellt sind. Anforderungsgemäß lassen sich die durch die
Röntgenprojektionen
erzeugten Abbilder eines Merkmalspunktes in den Projektionsaufnahmen
leicht lokalisieren. Somit kann in der Projektionsaufnahme An beispielsweise das Abbild Prn(Q)
des Merkmalspunktes Q, das mit der n-ten Projektion PRn erzeugt
wird, vollautomatisch oder halbautomatisch segmentiert werden. Die
gleiche Vorgehensweise gilt für
die anderen Projektionsaufnahmen A1, A2, ... AN.
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In 1 sind
ebenfalls die Projektionslinien dargestellt, die den entsprechenden
Projektionsmittelpunkt Fn mit dem Abbild
PRn(Q) des Merkmalspunktes Q verbinden.
Würde sich
der Merkmalspunkt nicht bewegen, müssten sich alle Projektionslinien
in ihm schneiden, so dass seine räumliche Position exakt rekonstruiert
werden könnte.
Aufgrund der Bewegung des Merkmalspunktes Q existiert jedoch kein derartiger
Schnittpunkt aller entsprechenden Projektionslinien. Diese kommen
sich vielmehr lediglich in einem kleinen Volumen mehr oder weniger
nahe (in 1 gepunktet dargestellt).
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Im
nächsten
Schritt des Verfahrens wird nun eine Referenzposition Q0 (zufällig) festgelegt,
auf die anschließend
alle Projektionsaufnahmen A1, A2,
... An, ... AN auszurichten
sind. Diese Referenzposition Q0 wird vorzugsweise
so nahe wie möglich
bei einer tatsächlichen
oder wahrscheinlichen Position des Merkmalspunktes Q platziert.
Bei dem in 1 gezeigten Verfahren wird die
Referenzposition Q0 beispielsweise in der
Mitte des Knotens platziert, in dem sich die einzelnen Projektionslinien
kreuzen. Als Alternative könnte
die Referenzposition auch an dem Schnittpunkt von zwei Projektionslinien
(falls vorhanden) platziert werden, die bekanntermaßen zu Projektionsaufnahmen
von einem gleichartigen Bewegungszustand des Körpervolumens stammen (beispielsweise
von der gleichen Herzschlagphase bei Bildern des Herzens).
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In 2 ist
eine erste Variante der Bewegungskompensation mit Hilfe des ausgewählten Referenzpunktes
Q0 dargestellt. Hier wird für jede der Projektionsaufnahmen
wie beispielsweise die Aufnahme An eine Verschiebung der Referenzposition Q0 im Raum so ermittelt, dass die Projektion
Prn der neuen Position auf der Projektionsaufnahme
An genau in das Abbild des Merkmalspunktes
Q fällt.
Die oben erwähnte
Verschiebung der Referenzposition Q0 (optional
zusammen mit der Verschiebung anderer Merkmalspunkte) lässt sich
nun auf eine dreidimensionale Transformation Σn des
gesamten Objektraums ausdehnen. Diese Transformation Σn beschreibt
somit geometrisch den Übergang
(Translation, Rotation, Dilatation usw.) des beobachteten Körpervolumens
von dem (fiktiven) Referenzzustand in den in der Projektionsaufnahme
An erfassten Zustand. Da entsprechende Transformationen Σ1, Σ2,
... ΣN auch für
die anderen Projektionsaufnahmen berechnet werden können, kann
als Ergebnis der Einfluss der Bewegung des Körpervolumens auf die Projektionsaufnahmen
A1, A2, ... An, ... AN rechnerisch kompensiert
werden. Das Körpervolumen
kann dann mit einem hohen Genauigkeitsgrad aus den bewegungskompensierten
Röntgenaufnahmen
rekonstruiert werden.
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3 zeigt
ein Verfahren zur Bewegungskompensation, das eine Alternative zu 2 darstellt,
jedoch von den Ergebnissen her gleichwertig ist. Im Gegensatz zu 2 werden
hier keine dreidimensionalen Transformationen des Objektraums berechnet
sondern zweidimensionale Transformationen σ1, σ2,
... σn, ... σN der Projektionsaufnahmen A1, A2, ... An, ... AN. Dabei wird zunächst die festgelegte Referenzposition
Q0 rechnerisch mit Hilfe der bekannten geometrischen
Projektionen Prn auf die entsprechenden
Projektionsaufnahmen A1, A2,
... An, ... AN projiziert,
was in der Projektionsaufnahme An beispielsweise
zu dem Abbild Prn(Q0)
der Referenzposition führt.
Dieses berechnete Abbild deckt sich in der Regel nicht mit dem dargestellten
Abbild PRn(Q) des tatsächlichen Merkmalspunktes. Mit
Hilfe der verfügbaren
Informationen (optional auch unter Einbeziehung weiterer Merkmalspunkte)
kann jedoch eine zweidimensionale Transformation σn definiert
werden, bei deren Anwendung die Projektionsaufnahme An gerade
so verändert
(verschoben, rotiert usw.) wird, dass das transformierte Abbild
des Merkmalspunktes mit dem berechneten Abbild der Referenzposition
Q0 übereinstimmt,
d. h. σn(Prn(Q)) = PRn(Q).
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Durch
die Berechnung und Anwendung aller zweidimensionalen Transformationen σ1, σ2,
... σn, ... σN auf die Projektionsaufnahmen A1,
A2, ... An, ...
AN wird infolgedessen sichergestellt, dass
alle Projektionsaufnahmen an einer fiktiven, statischen räumlichen
Position Q0 des Merkmalspunktes kompensiert werden.
Dadurch kann das Körpervolumen
oder ein darin befindliches Objekt anschließend unter Verwendung aller
(transformierten) Projektionsaufnahmen dreidimensional rekonstruiert
werden.
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Normalerweise
führt die
Zufälligkeit
der Festlegung der Referenzposition bei dem obigen Verfahren dazu,
dass die dreidimensionale Rekonstruktion des Körpervolumens in Bezug auf das
reelle Körpervolumen
verändert
(verschoben, rotiert, komprimiert usw.) werden kann. Bei vielen
Anwendungen wie beispielsweise dem Einsetzen eines Stents in ein
Gefäß stellt
dieser Umstand in der Praxis lediglich einen geringfügigen Nachteil
dar. Wesentlich bedeutender ist hier die sehr scharfe, kaum verwischte
Darstellung des rekonstruierten Volumens, die durch die Bewegungskompensation
möglich
gemacht wird.
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4 zeigt eine zweite Ausführungsform
der Erfindung. Bei dem hier als Beispiel genommenen Anwendungsfall
handelt es sich um die Lokalisierung eines Stents 5, der
an der Spitze eines Katheters gefestigt ist und so genau wie möglich in
dem Bereich einer zu behandelnden Stenose entfaltet werden soll. Zur
Beobachtung des Eingriffs steht ein rotierendes Röntgengerät 1 zur
Verfügung,
mit dem in einem Schwenk zweidimensionale Projektionsaufnahmen An des betreffenden Körpervolumens aus verschiedenen
Projektionsrichtungen aufgenommen werden können.
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Aufgrund
des Herzschlags wird der in den Herzkranzgefäßen befindliche Stent 5 ständig bewegt
und möglicherweise
auch deformiert (Ähnliches gilt
für die
Atmung, welche der Einfachheit der Darstellung halber jedoch im
Folgenden weggelassen wird; grundsätzlich kann sie analog zum
Herzschlag behandelt werden). Diese Bewegung erfolgt verglichen
mit der Erzeugung von Projektionsaufnahmen mit dem Röntgengerät 1 relativ
schnell. Dies führt
dazu, dass in einer aufgezeichneten Sequenz A1,
... An, ... AN die
Projektionsaufnahmen von verschiedenen Herzschlagphasen stammen,
und zwar in der Regel in ungeordneter Reihenfolge. Ausgehend von
dieser Sachlage soll mit dem vorgeschlagenen Verfahren und unter
Berücksichtigung
der Bewegung durch den Herzschlag die räumliche Position des Stents 5 so genau
wie möglich
rekonstruiert werden.
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Zur
Lösung
der oben erwähnten
Aufgabe wird parallel zu den Röntgenprojektionen
An ein Parameter aufgezeichnet, der die
Herzschlagphase angibt. Dies kann beispielsweise das elektrische
Signal En eines Elektrokardiogramms sein,
das mit der Elektrokardiographie-Einrichtung 2 aufgezeichnet
wird.
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Als
Ergebnis der in Block o in 4a dargestellten
vorbereitenden Aufzeichnungsprozedur steht somit eine Sequenz (A1, E1), ... (An, En), ... (AN, EN) mit Röntgenbildern
An zusammen mit der jeweils entsprechenden
EKG-Phase En zur Verfügung, die in dem Speicher 3 einer
Datenverarbeitungseinheit 4 gespeichert wird.
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In
dem ersten Verarbeitungsschritt (Block a) des Verfahrens werden
dann in allen Projektionsaufnahmen An die
Abbilder Rn, Qn der
Merkmalspunkte R, Q segmentiert. Bei den Merkmalspunkten handelt es
sich um auf den Aufnahmen leicht zu erkennende Merkmale wie beispielsweise
Markierungen (an einem Stent 5, einen Ballon oder einen
Führungsdraht) oder
anatomische Merkmale wie Verzweigungen von Gefäßen. Als Ergebnis der Segmentierung
sind für jede
Aufnahme An die zu dieser Aufnahme gehörigen Bildkoordinaten
(ξ, ξ)Rn, (ξ, ξ)Qn bekannt. Je nach Art des Merkmalspunktes
kann die Segmentierung vollautomatisch (beispielsweise im Fall von
Markierungen) oder halbautomatisch (beispielsweise bei anatomischen
Strukturen) erfolgen, d. h. mit der interaktiven Unterstützung durch
einen Benutzer.
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In
Block b des Verfahrens findet die Einteilung der verfügbaren Projektionen
An in die Klassen K1,
... Kp,... KM statt,
die jeweils einer Phase (oder genauer gesagt einem Phasenintervall)
El Cl, ... Ep Cl, ... EM Cl der zyklischen
Eigenbewegung entsprechen. Die Unterteilung einer Herzschlagphase
in die Phasen Ep Cl (von
gleicher oder unterschiedlicher Länge) wird hier vorgegeben.
Die Klassen fassen somit die Röntgenbilder
An in Cluster zusammen, die von (ungefähr) der
gleichen Herzschlagphase stammen. Die Klassen lassen sich formal
beispielsweise als Indexmengen definieren gemäß Kp :=
{n|En ϵ Ep Cl}.
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In
Block c werden für
jede der vorgegebenen Herzschlagphasen Ep Cl die dreidimensionalen „reellen" Koordinaten (x, y, z)Rp,
(x, y, z)Qp der Merkmalspunkte R und Q aus
jeweils (mindestens) zwei Projektionsaufnahmen An1,
An2 berechnet, wobei die genannten Aufnahmen
aus der gleichen Herzschlagphase Ep Cl stammen sollten (d. h. n1, n2 ϵ Kp). Für diese
Berechnung wird auf die in Block a ermittelten Bildkoordinaten (ξ, ξ)Rn, (ξ, ξ)Qn sowie auf die aus der Kalibrierung der
Anlage bekannten Projektionsmittelpunkte Fn1,
Fn2 zurückgegriffen.
Die erforderlichen Rechenverfahren sind im Übrigen aus dem Stand der Technik
ausreichend bekannt.
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Im
nächsten
Block d wird das Bewegungsfeld für
jeden Merkmalspunkt R, Q mit Bezug auf den Herzschlag berechnet.
Hier werden die aus Block c bekannten räumlichen Koordinaten (x, y,
z)Rp, (x, y, z)Qp,
(x, y, z)Rm, (x, y, z)Qm der
Merkmalspunkte in verschiedenen Herzschlagphasen p, m eingesetzt,
um für
jeden Merkmalspunkt R, Q ein dreidimensionales Feld mit Bewegungsvektoren
oder Verschiebungsvektoren SR p_m,
SQ p_m zu ermitteln.
Der Verschiebungsvektor SQ p_m beschreibt
dabei beispielsweise die Verschiebung des Merkmalspunktes Q mit
den Koordinaten (x, y, z)Qp in der Herzschlagphase
p beim Übergang
zu den Koordinaten (x, y, z)Qm in der Herzschlagphase
m.
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Basierend
auf den Verschiebungsvektoren SR p_m, SQ p_m werden
in Block d ferner die Transformationen Σp_m für die Bewegung
des gesamten Stents 5 oder seiner Umgebung ermittelt. Im
einfachsten Fall kann eine starre Translation angenommen werden, für deren
Festlegung der Verschiebungsvektor eines einzigen Merkmalspunktes
ausreicht. In der Regel werden jedoch realistischere Bewegungsmodelle
benötigt,
bei denen mindestens zwei Merkmalspunkte R, Q für die Ermittlung einer Translation,
Rotation und/oder Dilatation verwendet werden. Durch die Verwendung
mehrerer Merkmalspunkte ist es auch möglich, komplexere, beispielsweise
affine Transformationen zu ermitteln.
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Im
letzten Block e findet basierend auf dem dreidimensionalen Bewegungsmodell
des Objekts 5 (Block d) eine hinsichtlich der dreidimensionalen
Bewegung kompensierte Rekonstruktion des ganzen Stents oder der
ganzen interessierenden Region statt, bei der Projektionsaufnahmen
von verschiedenen Herzschlagphasen verwendet werden. Bei der Rekonstruktion
jedes Bildvolumenelements (Voxel), das auf zwei Projektionsaufnahmen
An und Ai von verschiedenen
Herzschlagphasen p1, p2 dargestellt ist,
wird hinsichtlich des entsprechenden Objektpunktes berücksichtigt,
dass dieser in den Herzschlagphasen der Aufnahmen an verschiedenen
Positionen rp1 und rp2 lag.
Die oben genannten Positionen werden hier durch die bekannte Transformation Σp1_p2 verknüpft. Mit
Hilfe dieser Transformation lässt
sich somit die interessierende Region und im Besonderen der Stent 5 unter
Verwendung der Informationen aus allen Projektionsaufnahmen mit
einem hohen Genauigkeitsgrad rekonstruieren, da der Einfluss der Herzschlagbewegung
durch die Transformationen kompensiert werden kann.