DE10030633A1 - Verfahren und Vorrichtung zur dreidimensionalen Rekonstruktion von Röntgenbildern unter Anwendung eines virtuellen Detektors - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur dreidimensionalen Rekonstruktion von Röntgenbildern unter Anwendung eines virtuellen Detektors

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Abstract

Es wird eine Kompensation der Rotations- und Translations-Bewegung eines Detektors relativ zu einer Röntgenstrahlen-Quelle in einem C-Arm-Röntgenstrahlen-Gerät durch Verwinden des Bildes in der Detektorebene auf eine virtuelle Detektorebene und anschließendes Abbilden des Bildes in einen dreidimensionalen Raum beschrieben. Durch Anwendung eines virtuellen Detektors werden die zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Modells erforderlichen Berechnungen wesentlich vereinfacht.

Description

Hintergrund der Erfindung
Bei einem Röntgensystem mit einem C-Arm, wie es schematisch in Fig. 1 gezeigt ist, strahlt eine Röntgenstrahlen-Quelle 10 Energie durch ein zu untersuchendes Objekt 20, dreht sich dabei um das Objekt und erzeugt eine Reihe von zweidimensionalen Bildern auf einem Detektor 30. Zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Modells eines Objektes 20, das durch die Röntgenstrahlen-Quelle 10 erfasst wurde, werden die Bilder von dem Detektor 30 mit korrespondierenden Rotationswinkeln in einen in Voxel aufgeteilten dreidimensionalen Raum "zurückprojiziert", in dem sich das Objekt 20 befand. In einem idealisierten System ist der Detektor 30 im Raum relativ zu der Quelle 10 fixiert, so dass die einzigen interessierenden Faktoren der Drehwinkel und eine mögliche Translationsbewegung der Röntgenstrahlen-Quelle 10 ist.
Bei einer praktischen Ausführung des C-Arms biegt sich dieser während der Drehung, so dass sich die relative Position und Ausrichtung zwischen der Quelle und dem Detektor, ebenso wie ihre Positionen und Ausrichtungen im Raum relativ zu dem zu untersuchenden Objekt verändern. Zur genauen Rekonstruktion der Bilder zu einem brauchbaren virtuellen dreidimensionalen Modell ist eine Kompensation dieser Bewegungen erforderlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine konzeptionelle Darstellung des Betriebes eines idealen C-Arm- Röntgensystems;
Fig. 2 zeigt ein C-Arm-Röntgensystem;
Fig. 3 zeigt ein Diagramm einer Röntgenstrahlen-Quelle mit einer Markierungsplatte;
Fig. 4 bis 6 zeigen die Vorgänge der Bilderzeugung, der Verwindung bzw. der Rückprojektion; und
Fig. 7 zeigt eine Darstellung der Rotation einer Röntgenstrahlen-Quelle um das Objekt sowie die tatsächlichen und die virtuellen Detektor-Ebenen.
Beschreibung der Erfindung
Durch ein Verwinden des Bildes von dem physikalischen Detektor auf eine virtuelle Detektorebene, die im Raum in Bezug auf die Röntgenstrahlen-Quelle fixiert ist, kann das Bild anschließend auf dreidimensionale Voxel abgebildet werden, ohne eine Rotation und Translation des Detektors in Bezug auf die Röntgenstrahlen-Quelle berücksichtigen zu müssen.
Gemäß Fig. 2 umfasst ein Röntgensystem mit einem beweglichen C-Arm eine Quelle 100, die an dem C-Arm 120 befestigt ist und Energie durch ein Objekt 130 auf einen Detektor 140 projiziert, so dass ein Bild auf einer Detektorebene 142 erzeugt wird. Mit diesem ersten Schritt, der in Fig. 4 gezeigt ist, ist das dreidimensionale (3D) Objekt 130 auf die Detektorebene 142 projiziert worden, um ein zweidimensionales (2D) Bild zu erzeugen. Auch wenn, wie bereits erwähnt wurde, der C-Arm 120 im Idealfall eine steife Struktur aufweist, biegt er sich doch geringfügig während der Drehung um das Objekt, so dass sich der Abstand zwischen der Quelle 100 und der Detektorebene 142, ebenso wie der räumliche Bezug zwischen diesen beiden verändert. Um eine genaue Rekonstruktion des Objektes 130 auf der Grundlage einer Reihe von Röntgenbildern vornehmen zu können, die erzeugt werden, während sich der C-Arm 120 um das Objekt dreht, muss die relative Bewegung der Röntgenstrahlen-Quelle 100 in Bezug auf die Detektorebene 142 kompensiert werden.
Wie es bereits in der parallelen US-Patentanmeldung Serial-Nr. 09/211.347 vom 15. Dezember 1998, die durch Bezugnahme zum Bestandteil dieser Offenbarung gemacht werden soll, erläutert und auch in Fig. 3 gezeigt ist, wird eine Markierungsplatte 112 mit einzelnen Markierungen 114 mit einigen Geometrien und Mustern (zum Beispiel Quadrate, Rechtecke usw.) an der Quelle 100 positioniert. Wenn Röntgenstrahlen- Energie von der Quelle 100 ausgestrahlt wird, tritt diese durch die Markierungsplatte 112 hindurch, und das Bild der Markierungen 114 wird auf den Detektor 140 projiziert, wodurch eine Anzeige der räumlichen Beziehung und der Ausrichtung zwischen dem Objekt 130 und dem Bild auf der Detektorebene 142 erzeugt wird.
Da sich die räumliche Beziehung zwischen der Quelle 100 und der Detektorebene 142 verändert, wenn der C-Arm 120 rotiert, verändert sich auch die Erscheinung (Aussehen) der Markierungsplatte 112 auf der Detektorebene 142, so dass die Umwandlung der zweidimensionalen Bilder zu einem dreidimensionalen virtuellen Objekt mit großer Wahrscheinlichkeit für jedes Bild einen anderen Satz von Berechnungen erfordern würde. Durch ein Verwinden des zweidimensionalen Bildes auf eine virtuelle Bildebene 150, die im Raum relativ zu der Quelle 100 fixiert ist, wird jedoch die nachfolgende Transformation (oder Rückprojektion) von der virtuellen Bildebene 150 in den in Voxel 160 aufgeteilten dreidimensionalen Raum vereinfacht.
Der Ort des virtuellen Detektors 150 kann durch den Anwender als willkürlicher Ort im Raum definiert werden. Zum Beispiel kann der Ort der tatsächlichen Detektorebene 142 dann, wenn das erste Bild erzeugt wird, als der Ort des virtuellen Detektors 150 gewählt werden. In diesem Fall wäre keine Verwindung der virtuellen Ebene 150 erforderlich, da sie identisch sein würde. Nachfolgende Bilder würden dann auf diesen Ort im Raum einer Verwindung unterworfen werden, die jedoch relativ gering wäre.
Eine Verwindung des Bildes von der Detektorebene 142 wird durch Anwenden einer planaren Transformationsmatrix H auf das Bild der Markierungsplatte 112 vorgenommen, bis dieses mit der Erscheinung und den Abmessungen übereinstimmt, die die Markierungsplatte annehmen würde, wenn sie zu Anfang auf die virtuelle Bildebene 150 (Fig. 5 und 7) projiziert worden wäre. Die für den betreffenden Ort der Detektorebene 142 berechnete Matrix H wird für jedes Pixel in dem Detektorbild mit der Position dieses Pixels multipliziert, um die Position des korrespondierenden Pixels in der virtuellen Bildebene 150 zu erzeugen.
Die Matrix H wird mit allgemein bekannten Verfahren berechnet. Solche Verfahren sind zum Beispiel in der US-PS 5.821.943 und der US-PS 5.845.639 beschrieben, die hiermit durch Bezugnahme zum Bestandteil dieser Offenbarung gemacht werden sollen, sowie in einem Artikel von Wolberg: "Digital Image Warping", in IEEE Computer Society Press, Los Alamos, Californien, 1990.
Zur Rekonstruktion des Objektes aus den Bildern, die aufgenommen werden, wenn sich der C-Arm 120 dreht, werden die Bilder nun in die Voxel 160 zurückprojiziert, die in dem zu untersuchenden Bereich liegen (Fig. 6). Um dies zu erreichen, muss das System (1) ein Verfahren zum Abbilden der zweidimensionalen Bilder in dreidimensionale Voxel bereitstellen und (2) die Bewegung des C-Arms 120 (und somit der Achse zwischen der Quelle 100 und der Detektorebene 142) relativ zu dem Objekt 130 berücksichtigen.
Verfahren zum Abbilden von zweidimensionalen Bildern auf dreidimensionale Voxel sind zum Beispiel in der US-PS 5.822.396 und der US-PS 5.835.563 beschrieben, die durch Bezugnahme zum Bestandteil dieser Offenbarung gemacht werden sollen. Mit diesen Verfahren wird eine "Projektionsmatrix" P gewonnen, die mit einem Satz von Punkten in dem Bild in der virtuellen Detektorebene 150 multipliziert wird, um diese auf Punkte in den dreidimensionalen Voxeln abzubilden.
Eine Kompensation der Bewegung des C-Arms 120 relativ zu dem Objekt 130 kann unter Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung erreicht werden, das/die in der parallelen Patentanmeldung Serial-Nr. 08/940.923 vom 30. September 1997 mit dem Titel "Method and Apparatus for Calibrating an Intra-Operative X-Ray System" beschrieben ist, die durch Bezugnahme zum Bestandteil dieser Offenbarung gemacht werden soll. Mit diesem Verfahren wird eine Matrix gewonnen, die Komponenten der Rotation und Translation zur wirksamen Verschiebung der zurückprojizierten Punkte zur Verfügung stellt, um die Bewegung des C-Arms 120 zu kompensieren.
Die Vorgänge der Verwindung und Abbildung können durch folgende Gleichungen dargestellt werden:
mi' = Hmi
wobei mi' die Pixel in der tatsächlichen Detektorebene bezeichnet, H die planare Transformationsmatrix ist, die Pixel in der virtuellen Detektorebene auf die tatsächliche Detektorebene abbildet, und mi die Pixel in der virtuellen Detektorebene bezeichnet.
wobei:
P~'x die Projektionsmatrix bezeichnet, die die dreidimensionalen Voxel auf die zweidimensionalen Pixel in der tatsächlichen Detektorebene abbildet;
Px die ursprüngliche Projektionsmatrix bezeichnet, die die dreidimensionalen Voxel auf die zweidimensionalen Pixel in der virtuellen Detektorebene abbildet;
H die planare Transformationsmatrix ist, die die Pixel auf der virtuellen Detektorebene auf die tatsächliche Detektorebene abbildet;
R die Rotationsmatrix ist, die die Rotationsbewegung der Röntgenstrahlen-Quelle darstellt; und
T der Translationsvektor ist, der die Translationsbewegung der Röntgenstrahlen-Quelle darstellt.
Die Grundlagen für diese Gleichungen finden sich in den oben genannten Druckschriften. Es ist klar, dass diese Berechnungen im allgemeinen mit einem Computer durchgeführt werden.
Auch wenn die Erfindung nur an Hand von beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es für einen Fachmann klar, dass verschiedene Änderungen und Modifikation vorgenommen werden können.
Es ist zum Beispiel möglich, zur Bild-Verwindung oder Oberflächen-Abbildungen spezielle Computer-Hardware wie z. B. Grafik-Beschleuniger-Hardware zu verwenden. Die meisten der allgemein erhältlichen Computer sind mit einer solchen Hardware ausgestattet. Weiterhin ist der virtuelle Detektor 150 in den Zeichnungen zum Beispiel so dargestellt, dass er zwischen der Detektorebene 142 und der Quelle 100 liegt.
Erfindungsgemäß ist es jedoch auch möglich, dass der virtuelle Detektor jenseits oder hinter der Detektorebene 142 oder zwischen der Röntgenstrahlen-Quelle 100 und dem dreidimensionalen Raum 160 angeordnet wird. Weiterhin kann der virtuelle Detektor 150, der parallel zu der Detektorebene 142 dargestellt ist, auch mit einem Winkel angestellt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass diese und ähnliche Änderungen ebenfalls von dem Schutzumfang der Erfindung erfasst sind, der durch die folgenden Ansprüche definiert wird.

Claims (12)

1. Verfahren mit folgenden Schritten:
Richten einer Quelle für Röntgenstrahlen-Energie aus einer Mehrzahl von Winkeln durch ein zu untersuchendes Objekt auf eine Detektorebene, so dass Bilder in der Detektorebene entstehen;
Verwinden der Bilder in der Detektorebene auf eine virtuelle Detektorebene, die im Raum in Bezug auf die Quelle fixiert ist; und
Rückprojizierten der Bilder an dem virtuellen Detektor in einen dreidimensionalen Raum.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Verwindens der Bilder in der Detektorebene auf eine virtuelle Detektorebene einen Schritt des Anwendens einer planaren Transformation auf die Bilder umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Verwindens der Bilder in der Detektorebene auf eine virtuelle Detektorebene einen Schritt des Auswählens der Detektorebene für eines der Bilder als virtuelle Detektorebene umfasst.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem der Schritt des Richtens einer Quelle für Röntgenstrahlen-Energie durch ein zu untersuchendes Objekt einen Schritt des Richtens der Quelle von einer Markierungsplatte umfasst; und
der Schritt des Verwindens des Bildes in der Detektorebene auf eine virtuelle Detektorebene einen Schritt des Verwindens des Bildes in Bezug auf die Erscheinung des Bildes der Markierungsplatte auf der Detektorebene umfasst.
5. Vorrichtung mit:
Mitteln zum Richten einer Quelle für Röntgenstrahlen-Energie aus einer Mehrzahl von Winkeln durch ein zu untersuchendes Objekt auf eine Detektorebene, so dass Bilder in der Detektorebene entstehen;
Mitteln zum Verwinden der Bilder in der Detektorebene auf eine virtuelle Detektorebene, die im Raum in Bezug auf die Quelle fixiert ist; und
Mitteln zum Rückprojizieren der Bilder an dem virtuellen Detektor in einen dreidimensionalen Raum.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der das Mittel zum Verwinden der Bilder in der Detektorebene auf eine virtuelle Detektorebene Mittel zur Anwendung einer planaren Transformation auf die Bilder umfasst.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der das Mittel zum Verwinden der Bilder in der Detektorebene auf eine virtuelle Detektorebene Mittel zur Auswahl der Detektorebene für eines der Bilder als virtuelle Detektorebene umfasst.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5,
bei der das Mittel zum Richten einer Quelle für Röntgenstrahlen-Energie durch ein zu untersuchendes Objekt Mittel zum Richten der Quelle von einer Markierungsplatte umfasst; und
das Mittel zum Verwinden des Bildes in der Detektorebene auf eine virtuelle Detektorebene Mittel zum Verwinden des Bildes in Bezug auf die Erscheinung des Bildes der Markierungsplatte auf der Detektorebene umfasst.
9. Vorrichtung mit:
einem C-Arm-Röntgenstrahlen-Gerät zum Richten einer Quelle für Röntgenstrahlen- Energie aus einer Mehrzahl von Winkeln durch ein zu untersuchendes Objekt auf eine Detektorebene, so dass Bilder in der Detektorebene entstehen;
einem Computer mit einer Datenspeicher-Einrichtung zum Verwinden der Bilder in der Detektorebene auf eine virtuelle Detektorebene, die im Raum in Bezug auf die Quelle fixiert ist; und
einer Bildverarbeitungseinrichtung zum Rückprojizieren der Bilder an dem virtuellen Detektor in einen dreidimensionalen Raum.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der Computer zum Verwinden der Bilder in der Detektorebene auf eine virtuelle Detektorebene eine programmierbare Recheneinheit zur Anwendung einer planaren Transformation auf die Bilder umfasst.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der Computer zum Verwinden der Bilder in der Detektorebene auf eine virtuelle Detektorebene eine Recheneinheit zur Auswahl der Detektorebene für eines der Bilder als virtuelle Detektorebene umfasst.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der das C-Arm-Röntgenstrahlen-Gerät zum Richten einer Quelle für Röntgenstrahlen- Energie durch ein zu untersuchendes Objekt eine Einrichtung zum Richten der Quelle von einer Markierungsplatte umfasst; und der Computer zum Verwinden des Bildes in der Detektorebene auf eine virtuelle Detektorebene eine Recheneinheit zum Verwinden des Bildes in Bezug auf die Erscheinung des Bildes der Markierungsplatte auf der Detektorebene umfasst.
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