DE102016203857B4

DE102016203857B4 - Verfahren zur Erfassung und Verarbeitung von Bilddaten eines Untersuchungsobjekts

Info

Publication number: DE102016203857B4
Application number: DE102016203857.5A
Authority: DE
Inventors: Marcus Pfister
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2036-03-10
Also published as: CN107174263B; DE102016203857A1; CN107174263A; US20170258430A1; US11013481B2

Abstract

Verfahren zur Erfassung und Verarbeitung von Bilddaten eines Untersuchungsobjekts, umfassend die Schritte:- Erfassen eines einen Untersuchungsbereich (1) eines Untersuchungsobjekts abbildenden, dreidimensionalen Bilddatensatzes durch eine Aufnahmeeinrichtung,- Segmentieren des dreidimensionalen Bilddatensatzes zur Bereitstellung eines eine Knochenstruktur (2) in dem Untersuchungsbereich (1) beschreibenden, dreidimensionalen Knochenmodells und eines ein Blutgefäßsystem (3) in dem Untersuchungsbereich (1) beschreibenden, dreidimensionalen Blutgefäßmodells,- Aufnehmen einer zweidimensionalen, ersten und einer zweidimensionalen, zweiten Röntgenaufnahme des Untersuchungsbereichs (1) durch eine Röntgeneinrichtung mit einer für die erste und zweite Röntgenaufnahme gleichen Aufnahmegeometrie, wobei die erste und zweite Röntgenaufnahme bei voneinander unterschiedlichen Konzentrationen eines den Kontrast der Röntgenaufnahmen beeinflussenden Kontrastmittels in dem Blutgefäßsystem (3) des Untersuchungsobjekts aufgenommen werden,- Subtraktion der ersten Röntgenaufnahme von der zweiten Röntgenaufnahme zur Bereitstellung eines Subtraktionsbildes,- Ermitteln einer ersten Zwischenregistrierung der ersten Röntgenaufnahme zu dem Knochenmodell und einer zweiten Zwischenregistrierung des Subtraktionsbildes zu dem Blutgefäßmodell,- Ermitteln einer Transformationsfunktion, die die erste Zwischenregistrierung auf die zweite Zwischenregistrierung abbildet,- Erfassen einer dritten Röntgenaufnahme des Untersuchungsbereichs (1) durch die Röntgeneinrichtung,- Ermitteln einer Knochenregistrierung der dritten Röntgenaufnahme zu dem Knochenmodell, und- Anwenden der Transformationsfunktion auf die Knochenregistrierung zur Bereitstellung einer Gefäßregistrierung der dritten Röntgenaufnahme zu dem Blutgefäßmodell.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung und Verarbeitung von Bilddaten eines Untersuchungsobjekts. Zudem betrifft die Erfindung eine medizinische Bildaufnahmeeinrichtung.
Während einer Vielzahl von medizinischen Eingriffen ist eine intra-operative Bildgebung, beispielsweise durch eine C-Bogen-Röntgeneinrichtung, vorteilhaft, um einen Operateur bei seiner Tätigkeit zu unterstützen. Hierbei muss jedoch der Zugang zu einem Untersuchungsobjekt möglich bleiben, so dass nur eine eingeschränkte Bildgebung möglich ist. Zudem soll eine Strahlen- und Kontrastmittelbelastung für ein Untersuchungsobjekt soweit wie möglich reduziert werden. Um dennoch ein Maximum an Informationen bereitstellen zu können, ist es bekannt, prä-operativ 3D-Datensätze zu erfassen, interoperativ 2D-Bilddaten zu erfassen, die 3D-Datensätze zu diesen zu registrieren und eine entsprechende Darstellung des 3D-Datensatzes oder eine Überlagerung einer Projektion des 3D-Datensatzes zu den 2D-Bilddaten darzustellen.
Soll beispielsweise ein abdominelles Aortenaneurysma durch Einsetzen eines Stent Grafts behandelt werden, so ist es vorteilhaft, den relevanten Teil des Blutgefäßsystems während des Eingriffs zu visualisieren. Hierzu können beispielsweise Daten einer präoperativ erfassten CT-Angiographie mit während der Behandlung aufgenommenen Röntgen- beziehungsweise Fluoroskopiebildern überlagert werden. Für eine derartige Darstellung ist es erforderlich, die 2D- und 3D-Datensätze zueinander zu registrieren, das heißt in ein gemeinsames Koordinatensystem zu überführen.
Aus der Druckschrift EP 1 510 972 A2 ist ein Verfahren zur Fusion von Röntgenbildern bekannt. Zunächst werden Maskenbilder und nach Kontrastmittel-Injektion Füllbilder erzeugt. Aus den Maskenbildern wird ein erstes Volumen-Bild rekonstruiert. Nach Subtraktion der Maskenbilder von den Füllbildern wird aus den Subtraktionsbildern ein zweites Volumen-Bild rekonstruiert. Danach erzeugt eine Bild-Synthese-Einrichtung aus den beiden Volumen-Bildern ein gemeinsames Bild.
Bei der Nutzung von kontrastmittelfreien Fluoroskopiebildern sind die stärksten Kontraste in der Regel durch Knochen des Untersuchungsobjekts verursacht. Eine Registrierung der Datensätze bezüglich der Knochen ist zumindest für eine erste Registrierung der Koordinatensysteme häufig ausreichend. Für eine genauere Registrierung z. B. der Gefäße (Aorta) zueinander ist dies jedoch häufig nicht ausreichend, da die Lage der Gefäße in verschiedenen Datensätzen, bedingt durch Patientenlagerung oder Einbringen von Instrumenten etc., durchaus unterschiedlich sein kann. Die genauere Gefäßregistrierung kann weitgehend nur durch eine Registrierung mit Angiographien erreicht werden, die jedoch die (wiederholte) Gabe von Kontrastmittel erfordern. Um dies zu vermeiden, wurden verbesserte Ansätze für eine derartige Registrierung entwickelt, die z. B. auf einer Registrierung des Gefäßsystems selbst oder von Kalzifikationen am Gefäßsystem basieren. Nachteilig ist, dass diese Registrierungsverfahren typischerweise relativ aufwändig und mit einem C-Arm-CT verbunden sind, und somit, durch die erforderliche C-Arm Rotation, nur schwer im laufenden Betrieb durchgeführt werden können.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ohne weitere Kontrastmittelgabe eine Nachführung einer bestehenden Registrierung der Gefäße (Aorta) durch intra-operative Erfassung und Verarbeitung von Bilddaten des Untersuchungsobjekts, insbesondere im Rahmen der Fluoroskopie, zu ermöglichen, um Patientenbewegungen ausgleichen zu können.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Röntgeneinrichtung gemäß Anspruch 6, ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 7 und einen elektronisch lesbaren Datenträger gemäß Anspruch 8 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erfassung und Verarbeitung von Bilddaten eines Untersuchungsobjekts gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:

- Bereitstellen eines eine Knochenstruktur in einem Untersuchungsbereich eines Untersuchungsobjekts beschreibenden, dreidimensionalen Knochenmodells und eines ein Blutgefäßsystem in dem Untersuchungsbereich beschreibenden dreidimensionalen Blutgefäßmodells,
- Aufnahme einer zweidimensionalen, ersten und einer zweidimensionalen, zweiten Bildaufnahme des Untersuchungsbereichs mit einer für die erste und zweite Bildaufnahme gleichen Aufnahmegeometrie, wobei die erste und zweite Bildaufnahme bei voneinander unterschiedlichen Konzentrationen eines den Kontrast der Bildaufnahme beeinflussenden Kontrastmittels in dem Blutgefäßsystem des Untersuchungsobjekts aufgenommen werden,
- Ermitteln einer eine Anordnung des Blutgefäßsystems bezüglich der Knochenstruktur beschreibenden Anordnungsinformation in Abhängigkeit der ersten und zweiten Bildaufnahme und des Knochenmodells und des Blutgefäßmodells,
- Erfassung einer zweidimensionalen, dritten Bildaufnahme des Untersuchungsbereichs,
- Ermitteln einer Knochenregistrierung des Knochenmodells zu der dritten Bildaufnahme, und
- Ermitteln einer Gefäßregistrierung des Blutgefäßmodells zu der dritten Bildaufnahme in Abhängigkeit der Knochenregistrierung und der Anordnungsinformation.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine erste und zweite Bildaufnahme des Untersuchungsbereichs bei unterschiedlichen Kontrastmittelkonzentrationen zu erfassen. Ein derartiges Vorgehen, wie es beispielsweise in der digitalen Subtraktionsangiographie genutzt wird, ermöglicht es, durch Subtraktion der ersten und zweiten Bildaufnahme ein Subtraktionsbild bereitzustellen, das im Wesentlichen jene Bereiche zeigt, deren Kontraste sich bei Gabe des Kontrastmittels ändern. Das Kontrastmittel kann über das Blutgefäßsystem zugeführt werden, womit das Subtraktionsbild primär das Blutgefäßsystem zeigt. Jene der Bildaufnahmen, die bei einer geringeren Konzentration des Kontrastmittels aufgenommen wurden, vorzugsweise bei einer Konzentration von im Wesentlichen Null, zeigt primär die Knochen des Untersuchungsobjekts. Somit ist die Bildaufnahme mit geringer Kontrastmittelkonzentration zum Knochenmodell registrierbar und das Subtraktionsbild (oder das Kontrastmittelbild) leicht zum Blutgefäßmodell. Aus diesen Informationen lässt sich eine Anordnungsinformation ermitteln, die die unterschiedliche Anordnung der Blutgefäßsysteme in den Datensätzen bezüglich der Knochenstruktur beschreibt. Die Anordnungsinformation kann beispielsweise die relative Lage des Knochenmodells zu dem Blutgefäßmodell beschreiben, wenn beide in das Koordinatensystem der ersten und zweiten Bildaufnahme transformiert werden. Anders ausgedrückt ist durch die Anordnungsinformation aus einer Registrierung eines Knochenmodells zu einer zweidimensionalen Bildaufnahme eine Registrierung des Blutgefäßmodells zur gleichen Bildaufnahme ableitbar. Somit kann nach dem Erfassen der dritten Bildaufnahme auch dann, wenn deren Kontrast durch Knochen geprägt ist, also wenn kein Kontrastmittel im Rahmen der Bildaufnahme genutzt wird, die Lage des Gefäßmodells bezüglich der Bildaufnahme mit Hilfe der Anordnungsinformation bestimmt werden.
In Abhängigkeit der Gefäßregistrierung können eine Projektion und/oder ein Schnittbild des Gefäßmodells dargestellt werden. Die Darstellung kann derart erfolgen, dass die Projektion beziehungsweise das Schnittbild mit der dritten Bildaufnahme überlagert dargestellt werden. Die Erfassung von dritten Bildaufnahmen und die Ermittlung der Darstellung des Gefäßmodells in Abhängigkeit der jeweiligen Bildaufnahme und der Anordnungsinformation kann wiederholt durchgeführt werden. Dies kann insbesondere im Rahmen einer Fluoroskopie erfolgen, in der durch hohe Wiederholungsraten der Bildaufnahme eine für einen Betrachter im Wesentlichen kontinuierliche Darstellung von Bildänderungen erfolgen.
Die Registrierungen im erfindungsgemäßen Verfahren können starre Registrierungen sein, es ist jedoch auch möglich, eine elastische Registrierung durchzuführen. Die Konzentrationen des Kontrastmittels werden vorzugsweise so gewählt, dass die Konzentration bei der ersten Bildaufnahme im Wesentlichen Null ist und bei der zweiten Bildaufnahme eine vorgegebene Konzentration im Blutgefäßsystem erreicht wird.
Es ist möglich, dass ein dreidimensionaler Bilddatensatz des Untersuchungsbereichs zur Bereitstellung des Knochenmodells und des Blutgefäßmodells segmentiert wird. Der Bilddatensatz kann insbesondere durch einen Computertomographen oder einen Magnetresonanztomographen erfasst werden. Vorzugsweise erfolgt die Aufnahme des dreidimensionalen Bilddatensatzes durch eine weitere Erfassungseinrichtung, die sich von jener Erfassungseinrichtung unterscheidet, durch die die erste und die zweite Bildaufnahme aufgenommen werden. Zur Aufnahme der ersten und zweiten Bildaufnahme kann eine Erfassungseinrichtung genutzt werden, die einen guten Zugang zum Untersuchungsobjekt ermöglicht, womit sie besonders gut intra-operativ nutzbar ist. Die weitere Erfassungseinrichtung zur Erfassung des dreidimensionalen Bilddatensatzes muss keinen guten Zugang zum Untersuchungsobjekt ermöglichen, da der dreidimensionale Bilddatensatz typischerweise prä-operativ erfasst wird.
Die erste und die zweite und die dritte Bildaufnahme können durch genau eine Röntgeneinrichtung als Röntgenaufnahmen erfasst werden. Die Röntgeneinrichtung kann insbesondere als C-Bogen-Röntgeneinrichtung ausgebildet sein. Röntgeneinrichtungen können eine relativ hochfrequente Bildgebung ermöglichen, so dass eine Fluoroskopie, also eine kontinuierliche Darstellung von Röntgenaufnahmen, ermöglicht wird. Zudem können Röntgeneinrichtungen relativ kompakt ausgebildet werden, so dass ein guter Zugang zum Untersuchungsobjekt ermöglicht wird.
Die dritte Bildaufnahme kann in der gleichen Aufnahmegeometrie aufgenommen sein, wie die erste und zweite Bildaufnahme, jedoch auch in einer anderen Bildaufnahmegeometrie. Beispielsweise kann ein Aufnahmewinkel oder eine Aufnahmeposition verändert werden.
Ergänzend oder alternativ ist es möglich, dass eine erste Zwischenregistrierung der ersten Bildaufnahme zu dem Knochenmodell und eine zweite Zwischenregistrierung eines durch Subtraktion der ersten Bildaufnahme von der zweiten Bildaufnahme berechneten Subtraktionsbildes zu dem Blutgefäßmodell ermittelt wird, wonach eine Transformationsfunktion, die die erste Zwischenregistrierung auf die zweite Zwischenregistrierung abbildet, als Anordnungsinformation bestimmt wird. Es kann somit das Prinzip der Subtraktionsangiographie genutzt werden, um ein Subtraktionsbild zu bestimmen, das durch jene Bereiche dominiert ist, deren Kontrast sich in Abhängigkeit der Konzentration des Kontrastmittels ändert. Diese bilden bei einer Gabe von Kontrastmittel über das Blutgefäßsystem das Blutgefäßsystem ab. Somit ist eine einfache und robuste Registrierung des Subtraktionsbildes zu dem Blutgefäßmodell möglich. Wird bei der ersten Bildaufnahme eine niedrige Konzentration von Kontrastmittel, insbesondere kein Kontrastmittel, genutzt, ist dieses durch die Knochen des Untersuchungsobjekts dominiert, womit es einfach und robust zum Knochenmodell registrierbar ist. Wird eine starre Registrierung genutzt, so kann die Transformationsfunktion wenigstens eine Translation und/oder wenigstens eine Rotation beschreiben. Werden elastische Registrierungen genutzt, können auch verschiedene Verzerrungen, beispielsweise Stauchungen beziehungsweise Streckungen und/oder Scherungen durch die Transformationsfunktion beschrieben werden.
Durch eine Anwendung der Transformationsfunktion auf die Knochenregistrierung kann die Gefäßregistrierung ermittelt werden. Die Transformationsfunktion bildet eine 2D3D-Registrierung für das Knochenmodell auf eine 2D3D-Registrierung für das Blutgefäßmodell ab. Die Knochenregistrierung ist eine Registrierung zwischen dem Knochenmodell und der dritten Bildaufnahme. Durch Anwendung der Transformationsfunktion resultiert eine Gefäßregistrierung, die das Blutgefäßmodell zu der dritten Bildaufnahme registriert. Für die dritte und für weitere nachfolgende Bildaufnahmen ist es somit möglich, durch eine Registrierung zum Knochensystem und eine Anwendung der Transformationsfunktion ohne weitere Kontrastmittelgabe eine Registrierung zum Gefäßmodell zu berechnen.
Eine Darstellung des Gefäßmodells ist in allen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens als Projektion des Gefäßmodells in die Bildebene der dritten Bildaufnahme möglich, wobei eine Projektionsrichtung und/oder eine Position und/oder eine Orientierung der Projektion in der Bildebene und/oder eine Verzerrung der Projektion in Abhängigkeit der dritten Bildaufnahme und der Anordnungsinformation bestimmt wird. Die genannten Parameter der Projektion können in Abhängigkeit der dritten Bildaufnahme und der Transformationsfunktion, insbesondere in Abhängigkeit der Gefäßregistrierung bestimmt werden. Die Projektion kann derart erfolgen, dass ausschließlich Randlinien des Gefäßmodells dargestellt werden. Alternativ könnte ein Schnitt des Gefäßmodells dargestellt werden.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung eine medizinische Bildaufnahmeeinrichtung mit einer Erfassungseinrichtung und einer Steuereinrichtung, durch die

- die Erfassungseinrichtung ansteuerbar ist, um eine zweidimensionale, erste und eine zweidimensionale, zweite Bildaufnahme eines Untersuchungsbereichs eines Untersuchungsobjekts mit einer für die erste und zweite Bildaufnahme gleichen Aufnahmegeometrie zu erfassen,
- in Abhängigkeit der ersten und zweiten Bildaufnahme und eines bereitgestellten, eine Knochenstruktur in dem Untersuchungsbereich beschreibenden, dreidimensionalen Knochenmodells und eines bereitgestellten, ein Blutgefäßsystem in dem Untersuchungsbereich beschreibenden, dreidimensionalen Blutgefäßmodells eine eine Anordnung des Blutgefäßsystems bezüglich der Knochenstruktur beschreibende Anordnungsinformation ermittelbar ist,
- die Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer dritten Bildaufnahme des Untersuchungsbereichs ansteuerbar ist,
- eine Knochenregistrierung des Knochenmodells zu der dritten Bildaufnahme ermittelbar ist, und
- eine Gefäßregistrierung des Gefäßmodells zu der dritten Bildaufnahme in Abhängigkeit der Knochenregistrierung und der Anordnungsinformation ermittelbar ist.

Die medizinische Bildaufnahmeeinrichtung ist mit den zum erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Merkmalen mit den dort genannten Vorteilen weiterbildbar, wobei die Steuereinrichtung jeweils erforderliche Steuerfunktionen für die Erfassungseinrichtung und/oder eine Anzeigeeinrichtung bereitstellen kann und die erläuterten Vorgänge im Rahmen der Verarbeitung der ersten und der zweiten Bildaufnahme sowie des Knochenmodells und des Blutgefäßmodells durchführen kann.
Die erläuterten Verfahren zur Erfassung und Verarbeitung von Bilddaten eines Untersuchungsobjekts und/oder die erläuterte medizinische Bildaufnahmeeinrichtung beziehungsweise Röntgeneinrichtung sind zur intra-operativen Bildgebung und Visualisierung des Gefäßsystems nutzbar. Sie sind besonders vorteilhaft im Rahmen einer Behandlung eines abdominellen Aortenaneurysmas durch Einsetzen eines Stent Grafts verwendbar. Hierbei können über bei Leisten des Untersuchungsobjekts Führungsdrähte und Katheter in die Aorta eingebracht werden, über die wenigstens ein Stent Graft, also eine Gefäßplastik, eingebracht wird. Zur ausreichenden Befestigung soll die Gefäßprothese soweit wie möglich im gesunden Gefäßwandbereich platziert werden, ohne jedoch wichtige Gefäßabgänge zu überdecken. Hierfür ist die exakte Visualisierung der Lage der Aorta erforderlich, die durch das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise durch die erfindungsgemäßen Einrichtungen erreicht werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise die erfindungsgemäßen Einrichtungen können jedoch auch für intra-operative Bildgebungen im Rahmen der Neuroradiologie, der abdominellen interventionellen Radiologie und/oder im Rahmen des Ersatzes von Aortaklappen genutzt werden.
Ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt umfasst ein Programm und ist beispielsweise direkt in einen Speicher einer Steuereinrichtung einer Bildaufnahmeeinrichtung ladbar, mit Programm-Mitteln, um die Schritte eines hierin beschriebenen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in der Steuereinrichtung der Bildaufnahmeeinrichtung ausgeführt wird.
Ein erfindungsgemäßer elektronisch lesbarer Datenträger umfasst darauf gespeicherte elektronisch lesbare Steuerinformationen, welche zumindest ein genanntes Computerprogrammprodukt umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in einer Steuereinrichtung einer Bildaufnahmeeinrichtung ein hierin beschriebenes Verfahren durchführen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigen schematisch:

1 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 beispielhaft einen Untersuchungsbereich, dessen Bilddaten erfasst und verarbeitet werden sollen, und
3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen medizinischen Bildaufnahmeeinrichtung.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Erfassung und Verarbeitung von Bilddaten eines Untersuchungsobjekts, das eine verbesserte Visualisierung eines Blutgefäßsystems, insbesondere bei einer intra-operativen Nutzung, ermöglicht. Das Verfahren wird mit Bezug auf 2 erläutert, die einen Untersuchungsbereich 1 darstellt, dessen Bilddaten erfasst und verarbeitet werden sollen. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind ausschließlich die Knochenstruktur 2 und das Blutgefäßsystem 3 im Untersuchungsbereich 1 dargestellt. Der dargestellte Untersuchungsbereich 1 könnte beispielsweise bei der Behandlung eines abdominellen Aortenaneurysmas, das heißt einer Gefäßaussackung der abdominellen Aorta 4 visualisiert werden, um einem Arzt beim Einsetzen eines Stent Grafts in den Bifurkationsbereich 5 visuelles Feedback bereitzustellen. Dies ist vorteilhaft, da die Gefäßplastik möglichst weit in die Abzweigungen hineinragen soll, um gesundes Gewebe zu kontaktieren, ohne jedoch Abgänge von weiteren Gefäßen 6 zu blockieren. Hierzu ist ein exaktes visuelles Feedback vorteilhaft.
Im Verfahren gemäß 1 soll hierbei periodisch ein Röntgenbild erfasst werden, um eine Fluoroskopie bereitszustellen, wobei dem Röntgenbild eine Projektion eines Blutgefäßmodells überlagert werden soll, um eine Erfassbarkeit des Blutgefäßsystems für einen Nutzer zu verbessern. Hierzu wird zunächst in Schritt S1 durch eine Erfassungseinrichtung ein dreidimensionaler Bilddatensatz aufgenommen. Beispielsweise kann durch einen Computertomographen eine CT-Angiographie aufgenommen werden. Der dreidimensionale Bilddatensatz wird in den Schritten S2 und S3 segmentiert, wobei in Schritt S2 eine Knochenstruktur in dem Bilddatensatz segmentiert wird, um ein dreidimensionales Knochenmodell bereitzustellen, und in dem Schritt S3 ein Blutgefäßsystem segmentiert wird, um ein dreidimensionales Blutgefäßmodell bereitzustellen. Im Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Segmentierung von Knochenstrukturen und/oder Blutsystemen in dreidimensionalen Messdaten bekannt. Diese sollen hier nicht detailliert erläutert werden.
Die Schritte S1 bis S3 können prä-operativ durchgeführt werden. Im Anschluss kann ein Patient in einem Bereich gelagert werden, in dem beispielsweise eine Bildaufnahme über eine C-Bogen-Röntgeneinrichtung oder eine andere Röntgeneinrichtung möglich ist, die einen guten Zugang zum Patienten ermöglicht, so dass die folgende Bildgebung intra-operativ erfolgen kann. Nach der Lagerung des Patienten wird im Schritt S4 eine zweidimensionale, erste Röntgenaufnahme des Untersuchungsbereichs 1 aufgenommen. Anschließend wird in Schritt S5 ein Kontrastmittel in das Blutgefäßsystem 4 des Untersuchungsobjekts eingebracht, das den Kontrast von Röntgenaufnahmen beeinflusst. In Schritt S6 erfolgt eine Aufnahme einer zweiten Röntgenaufnahme, wobei die Konzentration des Kontrastmittels im Blutgefäßsystem 3 während der zweiten Röntgenaufnahme höher ist als während der ersten Röntgenaufnahme. In Schritt S7 wird die erste Röntgenaufnahme von der zweiten Röntgenaufnahme subtrahiert, womit ein Subtraktionsbild bereitgestellt wird, das hauptsächlich jene Bereiche visualisiert, deren Kontrast sich mit der Konzentration des Konzentrationsmittels ändert. Daher visualisiert das Subtraktionsbild im Wesentlichen das Blutgefäßsystem 3.
In Schritt S8 wird eine erste Zwischenregistrierung der ersten Röntgenaufnahme zu dem Knochenmodell ermittelt und in Schritt S9 eine zweite Zwischenregistrierung des Subtraktionsbildes, das in Schritt S7 berechnet wurde, zu dem Blutgefäßmodell. Zur Registrierung von zweidimensionalen Bildaufnahmen zu dreidimensionalen Bilddatensätzen sind eine Vielzahl von Verfahren bekannt. Beispielsweise können jeweils Merkmale in den Datensätzen erkannt und einander zugeordnet werden und/oder es können helligkeits- und/oder gradientenbasierte Zuordnungsverfahren genutzt werden. Zur Registrierung des Subtraktionsbildes zu dem Knochenmodell eignen sich beispielsweise die Wirbel 7 als Merkmale, die einander zugeordnet werden können. Zur Registrierung des Blutgefäßmodells zur ersten Röntgenaufnahme können als Merkmale beispielsweise Bifurkationen des Blutgefäßsystems 3 genutzt werden.
Beispielhaft können im dargestellten Verfahren starre Registrierungen genutzt werden, die jeweils bis zu drei Translationen und bis zu drei Rotationen beschreiben, die erforderlich sind, um das Knochenmodell beziehungsweise das Blutgefäßmodell in ein auf die erste Röntgenaufnahme oder das Subtraktionsbild bezogenes Koordinatensystem, also ein Koordinatensystem, das durch die Aufnahmegeometrie der ersten und zweiten Röntgenaufnahme festgelegt ist, zu transformieren. In einer Weiterbildung des gezeigten Verfahrens wäre es auch möglich, als erste und zweite Zwischenregistrierung elastische Registrierungen zu ermitteln, bei denen zusätzliche Registrierungsparameter bestimmt werden, die beispielsweise eine Stauchung, Streckung und/oder Scherung des Knochenmodells beziehungsweise des Blutgefäßmodells zur Registrierung beschreiben.
In Schritt S10 wird eine Transformationsfunktion bestimmt, die die erste Zwischenregistrierung auf die zweite Zwischenregistrierung abbildet. Im Falle einer starren Registrierung entspricht diese Transformationsfunktion einer Hintereinanderschaltung von bis zu drei Translationen und bis zu drei Rotationen, um die durch die jeweiligen Registrierungen beschriebenen Koordinatensysteme ineinander zu überführen. Bei elastischen Registrierungen können entsprechende Stauchungen, Streckungen und Ähnliches vorgesehen werden, um diese Koordinatensystemtransformation durchzuführen. Da die erste und zweite Zwischenregistrierung jeweils eine Registrierung mit zweidimensionalen Bilddaten darstellen, die in der gleichen Aufnahmegeometrie aufgenommen sind, beschreibt die Transformationsfunktion eine Funktion, mit der sich aus einer beliebigen 2D3D-Registrierung eine Röntgenaufnahme zu dem Knochenmodell eine zugeordnete 2D3D-Registrierung zu dem Blutgefäßmodell bestimmen lässt.
In Schritt S11 wird durch die Röntgeneinrichtung eine dritte Röntgenaufnahme des Untersuchungsbereichs erfasst. Hierbei kann die gleiche Aufnahmegeometrie genutzt werden, wie für die erste und zweite Röntgenaufnahme, es kann jedoch auch eine andere Aufnahmegeometrie genutzt werden. Beispielsweise kann seit der Aufnahme der ersten und zweiten Röntgenaufnahme ein Aufnahmewinkel einer C-Bogen-Röntgeneinrichtung verstellt worden sein, das Untersuchungsobjekt kann sich bewegt haben oder eine Tischposition eines Patiententisches kann sich verändert haben. Die zuvor bestimmten ersten und zweiten Zwischenregistrierungen sind in diesem Fall für die dritte Röntgenaufnahme nicht zutreffend. In Schritt S12 wird daher eine Knochenregistrierung der dritten Röntgenaufnahme zu dem Knochenmodell berechnet. Vorzugsweise wird die dritte Röntgenaufnahme bei einer geringen Konzentration des Kontrastmittels, insbesondere Null, im Blutgefäßsystem aufgenommen. Der Kontrast in der Röntgenaufnahme ist in diesem Fall durch die Knochenstruktur 2 dominiert, womit eine einfache und robuste Registrierung zum Knochenmodell möglich ist.
Wie eingangs erläutert soll im dargestellten Verfahren jedoch das Blutgefäßmodell visualisiert werden. Eine wiederholte direkte Registrierung einer mit Kontrastmittel aufgenommenen Röntgenaufnahme zu dem Blutgefäßmodell ist im Rahmen der Fluoroskopie jedoch in der Regel nicht wünschenswert und mit Belastungen für den Patienten verbunden. Da im beispielhaft dargestellten Verfahren das Knochenmodell und das Blutgefäßmodell aus einem gemeinsamen dreidimensionalen Bilddatensatz generiert wurden, wäre es unter der Annahme, dass sich die Lage der Knochen und Gefäße zueinander nicht ändert, möglich, die Lage des Blutgefäßsystems bezüglich der dritten Röntgenaufnahme in Abhängigkeit der Lage des Blutgefäßmodells bezüglich des Knochenmodells im Koordinatensystem des dreidimensionalen Bilddatensatzes zu ermitteln. Dieser Ansatz ist jedoch fehlerbehaftet, da sich die relative Lage von zumindest Teilen des Blutgefäßsystems zu der Knochenstruktur zwischen der prä-operativen Aufnahme des dreidimensionalen Bilddatensatzes und der intra-operativen Aufnahme der zweidimensionalen Röntgenaufnahmen geändert haben könnten. Daher wird im gezeigten Verfahren ausgenutzt, dass durch die Transformationsfunktion eine auf das Knochenmodell bezogene Registrierung in eine auf das Blutgefäßmodell bezogene Registrierung überführt werden kann. Hierzu wird in Schritt S13 die Transformationsfunktion auf die Knochenregistrierung angewandt, um eine Gefäßregistrierung zu erhalten, die eine Registrierung der dritten Röntgenaufnahme mit dem Blutgefäßmodell beschreibt.
In Schritt S14 werden aus der Gefäßregistrierung Projektionsparameter berechnet, die eine Projektion des Blutgefäßmodells in eine Bildebene beschreiben, die der Bildebene der dritten Röntgenaufnahme entspricht. Die derart generierte Darstellung wird in Schritt S16 mit der dritten Röntgenaufnahme überlagert und durch eine Ausgabeeinrichtung der Röntgeneinrichtung für den Benutzer dargestellt. Die Bildausgabe kann periodisch oder bei Erfüllung einer Aktualisierungsbedingung aktualisiert werden, indem das gezeigte Verfahren ab Schritt S11 wiederholt wird.
Es ist möglich, dass sich die Lage des Blutgefäßsystems bezüglich der Knochenstruktur auch intra-operativ ändert, beispielsweise wenn ein Patient umgelagert wurde, sich bewegt, Instrumente in das Gefäßsystem eingebracht wurden oder Ähnliches. Es ist daher möglich, bei einer Benutzereingabe, periodisch oder bei einer Erfüllung anderer Bedingungen das Verfahren ab Schritt S4 zu wiederholen, um die Transformationsfunktion und somit die im Verfahren ermittelte Anordnungsinformation, die eine Anordnung des Blutgefäßsystems bezüglich der Knochenstruktur beschreibt, neu zu bestimmen.
Durch das geschilderte Verfahren wird erreicht, dass das Blutgefäßsystem einem Benutzer wiederholt oder kontinuierlich im Rahmen einer Fluoreszenzbildgebung visualisiert werden kann, wobei eine Kontrastmittelgabe nur dann erforderlich ist, wenn eine die Anordnung des Blutgefäßsystems bezüglich der Knochenstruktur beschreibende Anordnungsinformation aktualisiert werden soll. Gegenüber üblichen Visualisierungsverfahren für eine intra-operative Nutzung kann daher die Häufigkeit einer Kontrastmittelgabe deutlich reduziert werden, wodurch Belastungen für ein Untersuchungsobjekt reduziert werden können.
3 zeigt eine medizinische Bildaufnahmeeinrichtung 8, nämlich eine Röntgeneinrichtung, mit einer Erfassungseinrichtung 9 in Form eines C-Bogens und einer Anzeigeeinrichtung 10. Die Röntgeneinrichtung ist dazu eingerichtet, die Verfahrensschritte 4 - 16 des in 1 gezeigten Verfahrens, abgesehen von der Kontrastmittelgabe in Schritt S5, durchzuführen. Hierzu umfasst die Röntgeneinrichtung eine Steuereinrichtung 11, durch die die Erfassungseinrichtung 9 zur Erfassung der ersten, zweiten und dritten Röntgenaufnahme ansteuerbar ist. Die Steuereinrichtung kann zudem Röntgenaufnahmen zur Bereitstellung eines Subtraktionsbildes subtrahieren und die erste und zweite Zwischenregistrierung und die Knochenregistrierung ermitteln. Zudem ist durch die Steuereinrichtung 11 die Transformationsfunktion wie vorangehend erläutert ermittelbar und mit Hilfe der Transformationsfunktion eine Gefäßregistrierung ermittelbar. Mit deren Hilfe ist das Blutgefäßmodell in eine Bildebene der dritten Röntgenaufnahme projizierbar. Durch die Steuereinrichtung 11 ist diese Projektion mit der dritten Röntgenaufnahme überlagerbar und die Anzeigeeinrichtung 10 zur Anzeige dieser Überlagerung ansteuerbar.
Ein hierin beschriebenes Verfahren kann auch in Form eines Computerprogrammprodukts vorliegen, das das Verfahren auf einer Steuereinrichtung 11 implementiert, wenn es auf der Steuereinrichtung 11 ausgeführt wird. Ebenso kann ein nicht dargestellter elektronisch lesbarer Datenträger mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen vorliegen, welche zumindest ein beschriebenes Computerprogrammprodukt umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in einer Steuereinrichtung 11 einer Bildaufnahmeeinrichtung 8 ein beschriebenes Verfahren durchführen.

Claims

Verfahren zur Erfassung und Verarbeitung von Bilddaten eines Untersuchungsobjekts, umfassend die Schritte: - Erfassen eines einen Untersuchungsbereich (1) eines Untersuchungsobjekts abbildenden, dreidimensionalen Bilddatensatzes durch eine Aufnahmeeinrichtung, - Segmentieren des dreidimensionalen Bilddatensatzes zur Bereitstellung eines eine Knochenstruktur (2) in dem Untersuchungsbereich (1) beschreibenden, dreidimensionalen Knochenmodells und eines ein Blutgefäßsystem (3) in dem Untersuchungsbereich (1) beschreibenden, dreidimensionalen Blutgefäßmodells, - Aufnehmen einer zweidimensionalen, ersten und einer zweidimensionalen, zweiten Röntgenaufnahme des Untersuchungsbereichs (1) durch eine Röntgeneinrichtung mit einer für die erste und zweite Röntgenaufnahme gleichen Aufnahmegeometrie, wobei die erste und zweite Röntgenaufnahme bei voneinander unterschiedlichen Konzentrationen eines den Kontrast der Röntgenaufnahmen beeinflussenden Kontrastmittels in dem Blutgefäßsystem (3) des Untersuchungsobjekts aufgenommen werden, - Subtraktion der ersten Röntgenaufnahme von der zweiten Röntgenaufnahme zur Bereitstellung eines Subtraktionsbildes, - Ermitteln einer ersten Zwischenregistrierung der ersten Röntgenaufnahme zu dem Knochenmodell und einer zweiten Zwischenregistrierung des Subtraktionsbildes zu dem Blutgefäßmodell, - Ermitteln einer Transformationsfunktion, die die erste Zwischenregistrierung auf die zweite Zwischenregistrierung abbildet, - Erfassen einer dritten Röntgenaufnahme des Untersuchungsbereichs (1) durch die Röntgeneinrichtung, - Ermitteln einer Knochenregistrierung der dritten Röntgenaufnahme zu dem Knochenmodell, und - Anwenden der Transformationsfunktion auf die Knochenregistrierung zur Bereitstellung einer Gefäßregistrierung der dritten Röntgenaufnahme zu dem Blutgefäßmodell.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Darstellung des Blutgefäßmodells mit der dritten Röntgenaufnahme überlagert auf einer Anzeigeeinrichtung (10) ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Darstellung des Gefäßmodells eine Projektion des Gefäßmodells in die Bildebene der dritten Röntgenaufnahme ist, wobei eine Projektionsrichtung und/oder eine Position und/oder Orientierung der Projektion in der Bildebene und/oder eine Verzerrung der Projektion in Abhängigkeit der Gefäßregistrierung bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bilddatensatz durch einen Computertomographen oder einen Magnetresonanztomographen als Aufnahmeeinrichtung erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die Röntgeneinrichtung eine C-Bogen-Röntgeneinrichtung verwendet wird.
Röntgeneinrichtung eingerichtet zur Verwendung in einem Verfahren nach Anspruch 1 mit einer Erfassungseinrichtung (9) und einer Steuereinrichtung (11), durch die - die Erfassungseinrichtung (9) ansteuerbar ist, um eine zweidimensionale, erste und eine zweidimensionale, zweite Röntgenaufnahme eines Untersuchungsbereichs (1) eines Untersuchungsobjekts mit einer für die erste und zweite Röntgenaufnahme gleichen Aufnahmegeometrie zu erfassen, - die erste Röntgenaufnahme von der zweiten Röntgenaufnahme zur Bereitstellung eines Subtraktionsbildes subtrahierbar ist, - eine erste Zwischenregistrierung der ersten Röntgenaufnahme zu einem bereitgestellten, eine Knochenstruktur (7) in dem Untersuchungsbereich (1) beschreibenden, dreidimensionalen Knochenmodell und eine zweite Zwischenregistrierung des Subtraktionsbildes zu einem bereitgestellten, ein Blutgefäßsystem (3) in dem Untersuchungsbereich (1) beschreibenden, dreidimensionalen Blutgefäßmodell ermittelbar sind, - eine Transformationsfunktion ermittelbar ist, die die erste Zwischenregistrierung auf die zweite Zwischenregistrierung abbildet, - die Erfassungseinrichtung (9) ansteuerbar ist, um eine dritten Röntgenaufnahme des Untersuchungsbereichs (1) zu erfassen, - eine Knochenregistrierung der dritten Röntgenaufnahme zu dem Knochenmodell ermittelbar ist, und - die Transformationsfunktion auf die Knochenregistrierung zur Bereitstellung einer Gefäßregistrierung der dritten Röntgenaufnahme zu dem Blutgefäßmodell anwendbar ist.
Computerprogrammprodukt, welches ein Programm umfasst und direkt in einen Speicher einer Steuereinrichtung (11) einer Bildaufnahmeeinrichtung (8) ladbar ist, mit Programm-Mitteln, um die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen, wenn das Programm in der Steuereinrichtung (11) der Bildaufnahmeeinrichtung (8) ausgeführt wird.
Elektronisch lesbarer Datenträger mit darauf gespeicherten elektrisch lesbaren Steuerinformationen, welche zumindest ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 7 umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in einer Steuereinrichtung (11) einer Bildaufnahmeeinrichtung (8) das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchführen.