DE102007034218B4

DE102007034218B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Bildzusammensetzung

Info

Publication number: DE102007034218B4
Application number: DE102007034218A
Authority: DE
Inventors: Dr. Graumann Rainer
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2007-07-23
Filing date: 2007-07-23
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2027-07-24
Also published as: US7742569B2; US20090028291A1; DE102007034218A1

Abstract

Vorrichtung zur Zusammensetzung eines aus mindestens zwei Einzelbildern bestehenden Bildes mit einer Bildaufnahmeeinheit (KA) sowie einer Diagnostikeinheit (RA, RG, AP) zur Erstellung von ersten und zweiten Einzelbildfolgen (B, RB) eines mit Markern (M1, M2) versehenen Objektes (OB), wobei die Bildaufnahmeeinheit (KA) die erste Einzelbildfolge (B) mit optischen Bildern (B1, B2, Bn) und die Diagnostikeinheit (RA, RG, AP) die zweite Einzelbildfolge (RB) mit Röntgenbildern (RB1, RB2, RBn) derart erstellt, dass die Röntgenbilder (RB1, RB2, RBn) der zweiten Einzelbildfolge (RB) zu den zugehörigen optischen Bildern (B1, B2, Bn) der ersten Einzelbildfolge (B) geometrisch deckungs- und zeitgleich aufgenommen werden und dass von medizinisch uninteressanten Regionen das Aufnehmen von Röntgenbildern unterbleiben kann und nur optische Bilder der ersten Einzelbildfolge erstellt werden, wobei die Vorrichtung ferner eine Bildzusammensetzungseinheit (BZE) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass die Positionen von zusammengehörigen Markern (Mn) in einem ersten und einem zweiten Bild (B1, B2, Bn) der ersten Einzelbildfolge (B) erkannt werden und dass anhand der Positionen der erkannten zusammengehörigen Marker (Mx, My) und des, dem ersten und dem zweiten Bild der ersten Einzelbildfolge jeweils zugeordneten ersten und zweiten Koordinatensystems (Kn, Kn + 1) der Bildinhalt des zum ersten Bild (B1) der ersten Einzelbildfolge (B) deckungsgleichen ersten Bildes (RB1) der zweiten Einzelbildfolge (RB) in das zweite Koordinatensystem (Kn + 1) des zum zweiten Bild (B2) der ersten Einzelbildfolge (B) deckungsgleichen zweiten Bildes (RB2) der zweiten Einzelbildfolge übertragen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren für eine Zusammensetzung eines aus mindestens zwei Einzelbildern bestehenden Bildes.
Zur Unterstützung der ärztlichen Diagnose oder Therapie werden Röntgenaufnahmen angefertigt. Mit den Röntgenbildern können abschnittsweise Gewebe Gefäß- und insbesondere Knochenstrukturen von Körperteilen näher betrachtet werden. Neben partiellen Betrachtungen einzelner Röntgenbilder ist zu therapeutischen oder operativen Maßnahmen auch die Aufnahme größerer Strukturen, die nicht auf eine einzelne Röntgenaufnahme passen, wie z. B. der Verlauf der Wirbelsäule, eines Beines oder Armes, abzubilden. Dazu sind eine Mehrzahl von Röntgenprojektionsaufnahmen mit einer vorgebaren Auflösung des zu betrachtenden Objektes anzufertigen. Die einzelnen Röntgenaufnahmen müssen dann aneinander gefügt werden, so dass sich ein geometrisch exaktes Gesamtbild der geröntgten Körperregionen ergibt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein dazugehöriges Verfahren zur Erstellung eines Gesamtbildes anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 oder 7 angegebenen Merkmale gelöst.
Mit der Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren können deckungsgleiche Bilder von gleichzeitig aufgenommenen ersten und zweiten Einzelbildfolgen von einem mit Markern versehenen Objekt erstellt werden. Eine Bildzusammensetzungseinheit ist derart ausgestaltet, dass die Positionen von zusammengehörigen Markern in ersten und zweiten Bildern von der ersten Einzelbildfolge erkannt und erstellt werden. Anhand der Abbildungsparameter einer Abbildungsmatrix wird der Bildinhalt eines ersten Bildes der zweiten Einzelbildfolge in das Koordinatensystem eines zweiten Bildes umgesetzt.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass nur die zur Diagnose wirklich benötigten Röntgenbilder gemacht werden müssen, was den weiteren Vorteil mit sich bringt, dass die Röntgenbelastung für das Objekt verringert wird. Räumlich dazwischen liegende Röntgenaufnahmen, die nur zum Zweck der Bildzusammenführung akquiriert werden, sind nicht erforderlich.
Die Erfindung bringt neben dem Vorteil, dass die ersten und zweiten Einzelbildfolgen eine feste geometrische Beziehung zueinander haben, den weiteren Vorteil mit sich, dass diese auch bei unterschiedlichen Aufnahmegeometrien zueinander zugeordnet werden können.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass mit einem geringen Aufwand an Rechenzeit und bereitzustellender Rechenkapazität ein übergangsfreies Gesamtbild aus einer Vielzahl von Einzelbildern erstellt werden kann.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass auch geometrisch exakte Beziehungen zwischen sich nicht überlappenden Röntgenaufnahmen erzielt werden können.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass keine aufwändigen und fehleranfälligen bildbasierten Korrelationsalgorithmen mit geringen Überlappungsbereichen zur Bildzusammenführung verwendet werden müssen.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass keine invasiven Markerpunkte verwendet werden müssen.
Die Erfindung bringt den weiteren Vorteil mit sich, dass eine Vergrößerung des sichtbaren Bildbereichs durch eine einfache Bild-Zoom-Funktion erreichbar ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung soll im Folgenden mittels eines dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Es zeigen dabei:
1 eine schematische Darstellung, und
2 eine Zusammenfügung von Einzelbildern.
In 1 ist eine Röntgenquelle RG und eine Aufnahmeeinheit AP aufweisende Röntgenanlage RA sowie eine Bildaufnahmeeinheit KA gezeigt. Die von der Röntgenanlage RA und der Bildaufnahmeeinheit KA aufgenommenen ersten und zweiten Einzelbildfolgen werden in Speichereinheiten SB1, ..., SBn, SRB1, ..., SRBn eines Speichermoduls SP zwischengespeichert. Die Bilder der ersten Einzelbildfolge sind optische Einzelbilder und die Bilder der zweiten Einzelbildfolge sind Röntgen-Einzelbilder. Prozessorgesteuert wird sowohl die Röntgenanlage RA als auch die Kamera oder Videokamera KA derart angesteuert, dass zu einem untersuchenden Objekt OB deckungsgleiche erste und zweite Einzelbildfolgen erstellt werden können. Röntgenaufnahmen von medizinisch uninteressanten Regionen könnten dabei unterbleiben. In diesem Bereich werden nur optische Bilder der ersten Einzelbildfolge erstellt. Die optischen Bilder Bn der ersten Einzelbildfolge und die Röntgenbilder RB der zweiten Einzelbildfolge werden in der Speichereinheit SP zwischengespeichert. Die jeweiligen ersten und zweiten Einzelaufnahmen Bn, RBn werden in der Bildzusammenführungseinheit BZE Prozessorgesteuert mittels Transformationsmatrizen jeweils in ein erstes und zweites Gesamtbild BG, RBG überführt.
2 zeigt schematisch die Zusammenführung von ersten und zweiten Bildern Bn, RBn der ersten und zweiten Einzelbildfolge B, RB zu einem ersten und zweiten Gesamtbild BG, RBG. Bevor von dem betreffenden Objekt OB Einzelbildaufnahmen erstellt werden, werden auf dem zu untersuchenden Objekt OB eine Vielzahl von röntgendurchlässigen Markerpunkten M1, M2, M3, M4 aufgetragen. Diese Markerpunkte können mit Stiften, die z. B. eine leicht lösliche Hautfarbe abgeben, auf das Objekt oder eine, auch sterile, Patientenabdeckung aufgetragen werden.
Handelt es sich um ein Objekt OB, das größer als eine üblicherweise verwendete Aufnahmeeinheit AP ist, so sind eine Mehrzahl von Röntgenaufnahmen RB1, RB2, ... mit dazugehörigen optischen Bildern B1, B2, ... nötig.
Um eine Mehrzahl von Einzelaufnahmen anzufertigen, wird die Röntgenanlage RA und das mit dieser verbundene Kamerasystem KA an Führungselementen, z. B. einer Schiene AR entlang eines Objektes OB bewegt. Dabei wird eine erste Einzelbildfolge und eine zweite Einzelbildfolge, d. h. optische Bilder Bn und Röntgenbilder RBn erstellt. Diese Einzelbildfolgen geben das Objekt OB in Teilen wieder. Während durch sich überlappende optische Bildaufnahmen Bn das Objekt OB vollständig abgelichtet wird, kann auf korrespondierende Röntgenaufnahmen in medizinisch unrelevanten Bereichen verzichtet werden. Die Abfolge der optischen Bildaufnahmen Bn der ersten Einzelbildfolge B wird dabei derart angelegt, dass jeweils eine Mindestzahl von zusammengehörigen Markerpunkten in aufeinander folgenden optischen Bild-/Videoaufnahmen mit abgebildet werden.
Bei der dargestellten ersten Einzelbildfolge B mit den optischen Bildern B1, B2, B3 werden die Marker M1, M2 im ersten optischen Bild B1 abgebildet. Das zweite optische Bild B2 weist die Markerpunkte M1, M2, M3, M4, das dritte optische Bild B3 weist die Markerpunkte M3, M4 auf. Zu den optischen Bildern B1, B2 und B3 können, wie oben erläutert, deckungsgleich auch Röntgenbilder RB1, RB2 und RB3 in einer zweiten Einzelbildfolge erstellt werden. Die jeweiligen Röntgen-Einzelbilder können in digitalen Daten vorliegen. Die Röntgenbilder RB1, RB2, RB3 sowie die Bilddaten B1, B2, B3 werden in einer Speichereinheit SP zwischengespeichert. Für die Bilddaten sind dabei die Speicher SB1, ..., SBn und für die Röntgenbilder sind die Speicher SRB1, ..., SRBn vorgesehen. Zu den Einzelbildfolgen B1, B2, B3 werden die Koordinaten K1, K2, K3 der Bildebenen ebenfalls zwischengespeichert. In einem Zwischenschritt werden jeweils eine erste Transformation T1 zwischen einem ersten Koordinatensystem K1 (X1, Y1) des ersten Einzelbildes B1 und einem zweiten Koordinatensystem K2 (X2, Y2) des zweiten Einzelbildes B2 berechnet. Zur Berechnung einer ersten Transformationsmatrix zwischen den ersten und zweiten Bildern wird jeweils die Verschiebung von Markerpunkten zwischen dem ersten und zweiten Bild in x- und y-Richtung sowie eine mögliche Verdrehung in der Bildebene ermittelt. Nach einer Ermittlung einer Verschiebung und/oder Verdrehung bezüglich gleicher Markerpunkte ist eine Transformation von Bildpunkten eines ersten Bildes in dem ersten Koordinatensystem K1 in/an ein zweites Bild des zweiten Koordinatensystems K2 übertragbar. Das Abbild des ersten Bildes geht dann übergangslos in das zweite Bild über. Überlappende Bildelemente werden abgetrennt. Eine zweite Transformation T2 wird zwischen den Koordinatensystemen K3 (X3, Y3) und K2 (X2, Y2) des dritten und zweiten Einzelbildes B3, B2 berechnet. Mit Hilfe der ersten und zweiten Transformation T1, T2 wird zum einen ein optisches Gesamtbild BG aus drei optischen Einzelbildern B1, B2, B3 erstellt. Die jeweiligen Transformationen zwischen den optischen Bildern sind auf die parallel zu den optischen Bildern aufgenommenen Röntgenbilder anwendbar. Neben einem aus optischen Bildern B1, B2, ..., Bn erstellten Gesamtbild BG wird aus Röntgen-Einzelbildern RB1, RB2, RB3 ein Röntgen-Gesamtbild RBG erstellt. Die deckungsgleichen optischen Bilder und Röntgenbilder B1, RB1; B2, RB2 sowie B3, RB3 werden beispielsweise in Verbindung mit einer 2D Camera Augmented Mobile C-Arm CAMC Vorrichtung aufgenommen.
Nachfolgend wird beispielsweise zu der oben angegebenen Vorrichtung und dem dazugehörigen Verfahren noch ein Ausführungsbeispiel angegeben, dass ausgehend von einer Camera Augmented Mobile C-Arm CAMC Vorrichtung eine ortsgenaue Überlagerung eines Röntgenprojektionsbildes mit einem Real-Time-Videobild erstellt. Folgende Schritte werden dabei durchgeführt:

A: Auftragen oder Befestigen von röntgendurchlässigen optischen Markern M1, M2, ... auf der Oberfläche eines Objektes oder Patienten OB. Die Anzahl der Positionen der Markerpunkte ist von der Größe eines Messfensters abhängig. Da bei gleichem Objekt-Fokusabstand nur Verschiebungen in zwei Richtungen ΔX, ΔY und/oder eine Verdrehung (Δα) stattfinden kann, sind jeweils nur zwei korrespondierende Punkte (4 bekannte Größen X1, Y1, X2, Y2) für die Berechnung der Transformation zweier Bilder erforderlich. Voraussetzung dabei ist, dass die Röntgeneinrichtung RA zwischen zwei Aufnahmen nicht verkippt. Variiert der Abstand zwischen Aufnahmeeinrichtung und Patient – Fokus leicht, könnte aus den Messwerten noch eine Skalierungsgröße pro Projektion ermittelt werden. Sind mehr als zwei korrespondierende Punkte pro Bildpaar gegeben, so lassen sich weitere Parameter wie Kippungen bestimmen.
B: Entsprechend der Größe des Aufnahmefensters werden parallel deckungsgleiche Röntgen- und Videoaufnahmen gemacht. Anschließend werden die Videobilder anhand der in den Bildern identifizierbaren Markerpositionen, wie oben beschrieben, aneinander gereiht. Daraus ergeben sich von Videobild zu Videobild Transformationen T1, T2, die dann auf die Röntgenbilder zur Bildzusammensetzung angewandt werden, da Videobild und Röntgenbild identischen Projektionen aufweisen.
C: Die Röntgeneinzelbilder können mittels der Transformationsmatrix zusammengefasst bzw. überführt werden. Einzelbilder, die keine Überlappung aufweisen, wie zum Beispiel Hüftaufnahme, Knieaufnahme und Fußgelenkaufnahme, können zur Bestimmung der Beinachsen herangezogen werden. Dazu liegenden Bereiche erstellt und daraus Transformationsmatrixen abgeleitet. Dies führt zu einer signifikanten Dosisreduktion.
D: Die Aufnahmeeinheit kann mit einem einstellbaren Zoomobjektiv ausgestattet sein, das es gestattet, größere Objektbereiche darzustellen.
E: Die Bildzusammensetzung ist in beliebigen Richtungen möglich. Die Markerpunkte werden in den Videobildern entweder manuell ermittelt oder automatisch erkannt und den Positionen zugeordnet. Die automatische Erkennung der Markerpunkte geschieht entweder durch die Verwendung von Korrelationsverfahren bei bekannten und immer gleich bleibenden Strukturen oder durch die Segmentierung der Strukturen mit anschließender Mustererkennung. Bezüglich der leichteren Durchführbarkeit kann eine Benutzerführung zur optimalen Positionierung von Markerpunkten in der Software enthalten sein.

Bezugszeichenliste:

RA:

Diagnostikeinheit

RG:

Röntgenquelle

AP:

Aufnahmeeinheit

AR:

Aufnahmerichtung

KA:

Bildaufnahmeeinheit

SP:

Speichermodul

CP:

Prozessoreinheit

BZE:

Bildzusammensetzungseinheit

OB:

Objekt

M1, M2, M3, Mn

Markerpunkte

Sp

Speicher

SB1, SB2, SBn

erste Speichereinheit

SRB1, SRB2, SRB3

zweite Speichereinheit

B

erste Einzelbildfolge

RB

zweite Einzelbildfolge

B1, B2, Bn

erste/zweite ... Bilder der ersten Einzelbildfolge

RB1, RB2, RBn

erste/zweite ... Bilder der zweiten Einzelbildfolge

BG

erstes Gesamtbild

RBG

zweites Gesamtbild

CAMC

Camera Augmented Mobile C-Arm

T1

erste Transformationsmatrix, Abbildungsmatrix

T2

zweite Transformationsmatrix, Abbildungsmatrix

PES

Positionserfassungssystem

K1

erstes Koordinatensystem

K2

zweites Koordinatensystem

Kn

weiteres Koordinatensystem

Claims

Vorrichtung zur Zusammensetzung eines aus mindestens zwei Einzelbildern bestehenden Bildes mit einer Bildaufnahmeeinheit (KA) sowie einer Diagnostikeinheit (RA, RG, AP) zur Erstellung von ersten und zweiten Einzelbildfolgen (B, RB) eines mit Markern (M1, M2) versehenen Objektes (OB), wobei die Bildaufnahmeeinheit (KA) die erste Einzelbildfolge (B) mit optischen Bildern (B1, B2, Bn) und die Diagnostikeinheit (RA, RG, AP) die zweite Einzelbildfolge (RB) mit Röntgenbildern (RB1, RB2, RBn) derart erstellt, dass die Röntgenbilder (RB1, RB2, RBn) der zweiten Einzelbildfolge (RB) zu den zugehörigen optischen Bildern (B1, B2, Bn) der ersten Einzelbildfolge (B) geometrisch deckungs- und zeitgleich aufgenommen werden und dass von medizinisch uninteressanten Regionen das Aufnehmen von Röntgenbildern unterbleiben kann und nur optische Bilder der ersten Einzelbildfolge erstellt werden, wobei die Vorrichtung ferner eine Bildzusammensetzungseinheit (BZE) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass die Positionen von zusammengehörigen Markern (Mn) in einem ersten und einem zweiten Bild (B1, B2, Bn) der ersten Einzelbildfolge (B) erkannt werden und dass anhand der Positionen der erkannten zusammengehörigen Marker (Mx, My) und des, dem ersten und dem zweiten Bild der ersten Einzelbildfolge jeweils zugeordneten ersten und zweiten Koordinatensystems (Kn, Kn + 1) der Bildinhalt des zum ersten Bild (B1) der ersten Einzelbildfolge (B) deckungsgleichen ersten Bildes (RB1) der zweiten Einzelbildfolge (RB) in das zweite Koordinatensystem (Kn + 1) des zum zweiten Bild (B2) der ersten Einzelbildfolge (B) deckungsgleichen zweiten Bildes (RB2) der zweiten Einzelbildfolge übertragen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Diagnostikeinheit (RA, RG, AP) sowie der Bildaufnahmeeinheit (KA) erstellten Bilder der ersten und zweiten Einzelbildfolgen (B, RB) eine feste geometrische Beziehung zueinander haben.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildzusammensetzungseinheit (BZE) bei der Erstellung der ersten und zweiten Einzelbildfolge (B, RB) jeweils die dazugehörigen Koordinaten (Kn) abspeichert.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildzusammensetzungseinheit (BZE) derart ausgebildet ist, dass zwischen dem ersten und zweiten Koordinatensystem die entsprechenden Koordinatentransformationen abgespeichert werden.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildzusammensetzungseinheit (BZE) derart ausgebildet ist, dass überlappende Bereiche der Bilder (Bn, RBn) der ersten oder zweiten Einzelbildfolgen (B, RB) ausgeblendet werden.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildzusammensetzungseinheit (BZE) aufgrund von Transformationsmatrizen aus zusammengehörigen Röntgenbildern (RBn) der zweiten Einzelbildfolge (RB) ein zugehöriges Gesamtbild (GRB) erstellt.
Verfahren zur Zusammensetzung eines aus mindestens zwei Einzelbildern bestehenden Bildes mit den Verfahrensschritten, dass eine erste und eine zweite Einzelbildfolge (B, RB) eines mit Markern (M1, M2) versehenen Objektes (OB) erstellt wird, wobei die Bilder der ersten Einzelbildfolge (B) optische Bilder (B1, B2, Bn) und die Bilder der zweiten Einzelbildfolge (RB) Röntgenbilder (RB1, RB2, RBn) sind; dass die Röntgenbilder (RB1, RB2, RBn) der zweiten Einzelbildfolge (RB) zu den zugehörigen optischen Bildern (B1, B2, Bn) der ersten Einzelbildfolge (B) geometrisch deckungs- und zeitgleich aufgenommen werden, wobei von medizinisch uninteressanten Regionen das Aufnehmen von Röntgenbildern unterbleiben kann und nur optische Bilder der ersten Einzelbildfolge erstellt werden; dass die Positionen von zusammengehörigen Markern (Mn) in einem ersten und einem zweiten Bild (B1, B2, Bn) der ersten Einzelbildfolge (B) erkannt werden; und dass anhand der Positionen der erkannten zusammengehörigen Marker (Mx, My) und des, dem ersten und dem zweiten Bild der ersten Einzelbildfolge jeweils zugeordneten ersten und zweiten Koordinatensystems (Kn, Kn + 1) der Bildinhalt des zum ersten Bild (B1) der ersten Einzelbildfolge (B) deckungsgleichen ersten Bildes (RB1) der zweiten Einzelbildfolge (RB) in das zweite Koordinatensystem (Kn + 1) des zum zweiten Bild (B2) der ersten Einzelbildfolge (B) deckungsgleichen zweiten Bildes (RB2) der zweiten Einzelbildfolge übertragen wird.