DE19936364A1

DE19936364A1 - Verfahren zur Identifizierung und Lokalisierung von Marken in einem 3D-Volumendatensatz

Info

Publication number: DE19936364A1
Application number: DE19936364A
Authority: DE
Inventors: Eric Wahl; Uwe Weber; Norbert Rahn; Rainer Graumann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-08-03
Filing date: 1999-08-03
Publication date: 2001-02-15
Also published as: JP4662514B2; JP2001078997A; US6359960B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen und zuverlässigen Ermittlung der Koordinaten von in einem 3-D-Volumendatensatz von einem mit Marken (6' bis 9') versehenen Objekt (1) enthaltenen Marken (6 bis 9, 20, 21) bezüglich eines Referenzkoordinatensystems (R). Das Verfahren beruht auf der Detektion von in 2-D-Projektionen des 3-D-Volumendatensatzes abgebildeten Marken (6.1 bis 9.4, 20.1 bis 21.4), der Ermittlung der Schwerpunkte der abgebildeten Marken (6.1 bis 9.4, 20.1 bis 21.4), der Aufstellung von Rückprojektionsgeraden (G8.1 bis G9.4, G20.1 bis G21.4) durch die Marken (6 bis 9, 20, 21), der Ermittlung der Schnittpunkte der Rückprojektionsgeraden (G8.1 bis G9.4, G20.1 bis G21.4) bzw. bei windschiefen Rückprojektionsgeraden der Ermittlung der Punkte mit dem kleinsten Abstand voneinander auf verschiedenen Rückprojektionsgeraden, der Bildung räumlich begrenzter, eine Anhäufung von Schnittpunkten von Rückprojektionsgeraden (G8.1 bis G9.4, G20.1 bis G21.4) bzw. von Punkten mit kleinstem Abstand voneinander aufweisender Bereiche (B8, B9, B20, B21) und der Berechnung der Koordinaten der Schwerpunkte der räumlich begrenzten Bereiche (B8, B9, B20, B21).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Koor dinaten von in einem 3D-Volumendatensatz von einem mit Marken versehenen Objekt enthaltenen Marken bezüglich eines Refe renzkoordinatensystems.

In der Bildverarbeitung besteht für unterschiedliche Applika tionen, welche auf einem 3D-Volumendatensatz eines Meßobjek tes arbeiten, das Problem, die dreidimensionalen Koordinaten der in dem 3D-Volumendatensatz enthaltenen Marken zuverlässig zu bestimmen, z. B. um in der Medizintechnik Navigation von Instrumenten relativ zu dem Meßobjekt oder Multi Modality Bildfusion, also die Überlagerung mehrerer mit verschiedenen Bildsystemen gewonnener Bilder, mit den Marken als Anhalts punkten betreiben zu können.

Das bevorzugte Verfahren zur Bestimmung der 3D-Koordinaten der Marken in einem 3D-Volumendatensatz ist eine interaktive, also eine durch Eingriffe eines Benutzers gekennzeichnete Identifizierung und Lokalisierung der Marken, welche sich je doch als zeitaufwendig und fehleranfällig erweist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Koordinaten von in einem 3D-Volumen datensatz enthaltenen Marken in zuverlässiger Weise automa tisch, d. h. ohne Eingriffe eines Benutzers, ermittelbar sind.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Ver fahren zur Ermittlung der Koordinaten von in einem 3D-Volu mendatensatz von einem mit Marken versehenen Objekt enthalte nen Marken bezüglich eines Referenzkoordinatensystems aufwei send folgende Verfahrensschritte:

a) Bereitstellung einer Serie von mit einem eine Röntgen strahlenquelle und einen flächigen Röntgenstrahlendetek tor umfassenden Röntgensystem aufgenommenen 2D-Projek tionen, aus denen der 3D-Volumendatensatz erzeugt wurde bzw. Erzeugung einer Serie von 2D-Zentral- oder 2D-Paral lelprojektionen aus einem 3D-Volumendatensatz des Objek tes,
b) Detektion von in den aufgenommenen bzw. erzeugten 2D-Pro jektionen abgebildeten Marken,
c) Bestimmung jeweils eines für eine detektierte Marke ste henden Bezugspunktes in den 2D-Projektionen,
d) Aufstellung von durch die Bezugspunkte verlaufenden Rück projektionsgeraden derart, daß im Falle der mit dem Rönt gensystem aufgenommenen 2D-Projektionen jede Rückprojek tionsgerade durch den Fokus der Röntgenstrahlenquelle verläuft bzw. daß im Falle der erzeugten 2D-Zentralpro jektionen jede Rückprojektionsgerade durch den Projekti onspunkt der jeweiligen 2D-Zentralprojektion oder daß im Falle der erzeugten 2D-Parallelprojektionen jede Rückpro jektionsgerade die die Marke bzw. den entsprechenden Be zugspunkt aufweisende ebene 2D-Projektion rechtwinklig in dem Bezugspunkt schneidet,
e) Ermittlung der Schnittpunkte der Rückprojektionsgeraden bzw. bei windschief zueinander liegenden Rückprojektions geraden Ermittlung der auf verschiedenen Rückprojektions geraden liegenden Punkte, welche den kleinsten Abstand voneinander aufweisen,
f) Bildung von räumlich begrenzten Bereichen, welche eine Anhäufung von Schnittpunkten bzw. von Punkten mit klein stem Abstand voneinander aufweisen, und
g) Berechnung der Koordinaten des Schwerpunktes eines jeden der räumlich begrenzten Bereiche.

Das Verfahren ermöglicht es erfindungsgemäße ohne Eingriffe eines Benutzers die Koordinaten von in einem 3D-Volu mendatensatz enthaltenen Marken in gewünschter Weise vollau tomatisch zu ermitteln. Sollten dabei in einer zur Gesamtzahl der untersuchten 2D-Projektionen vergleichsweise geringen An zahl von 2D-Projektionen, beispielsweise Inhalte der 2D- Projektionen, die eigentlich keine abgebildeten Marken sind, fälschlicherweise in einer oder in einigen 2D-Projektionen in Schritt b) als Marken identifiziert worden sein, so werden diese Marken in Schritt f) eliminiert, da die Anzahl der Schnittpunkte der Rückprojektionsgeraden und/oder die räumli che Dichte der Punkte auf den Rückprojektionsgeraden mit kleinstem Abstand voneinander zu gering ist, um in einem räumlich begrenzten Bereich zusammengefaßt zu werden. Sollten dagegen Marken in einer zur Gesamtzahl der untersuchten 2D- Projektionen vergleichsweise geringen Anzahl von 2D- Projektionen in Schritt b) nicht als solche erkannt worden sein, werden diese Marken aufgrund ihrer Erkennung in anderen 2D-Projektionen, in welchen die Marken ebenfalls abgebildet sind, dennoch in Schritt f) als räumlich begrenzter Bereich erfaßt, da eine ausreichende Anzahl von Schnittpunkten von Rückprojektionsgeraden und/oder von auf verschiedenen Rück projektionsgeraden liegenden Punkten mit kleinstem Abstand voneinander, welche entsprechend dicht beieinanderliegen, auftritt. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet also bei der Ermittlung der Koordinaten von in einem 3D- Volumendatensatz enthaltenen Marken nicht nur vollautoma tisch, sondern auch sehr zuverlässig, so daß Fehler bei der Identifizierung und Lokalisierung der Marken praktisch ausge schlossen sind.

Unter einem 3D-Volumendatensatz wird im Falle der vorliegen den Erfindung im übrigen ein Datensatz von Bilddaten von ei nem Objekt verständen, aus dem verschiedene 3D-Bilder, in de nen unterschiedliche Ansichten und Ausschnitte des Objektes dargestellt sein können, rekonstruierbar sind.

Nach einer Variante der Erfindung ist der Bezugspunkt, durch den eine Rückprojektionsgerade verläuft, der Schwerpunkt der Marke. Der Schwerpunkt als Bezugspunkt erweist sich dahinge hend als vorteilhaft, daß er in einfacher und definierter Weise für jede detektierte Marke ermittelbar ist. Es bedarf daher keiner besonderen Vereinbarung, wie Bezugspunkte fest zulegen sind.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Detek tion einer oder mehrerer in einer aufgenommenen bzw. erzeug ten 2D-Projektion abgebildeten bzw. abgebildeter Marken fol gende Verfahrensschritte umfaßt:

a) Unterteilung einer 2D-Projektion in erste Flächenelemen te,
b) Bestimmung des Bildpunktes mit der maximalen oder minima len Lichtintensität in jedem der ersten Flächenelemente,
c) bei Überschreitung bzw. Unterschreitung eines ersten Schwellwertes der Lichtintensität eines derartigen Bild punktes Bestimmung des lokalen Maximums und Minimums der Lichtintensität in einem um den entsprechenden Bildpunkt gelegten zweiten Flächenelement definierter Größe,
d) Bildung einer gewichteten Differenz aus lokalem Maximum und Minimum,
e) bei Überschreitung eines zweiten Schwellwertes durch die gewichtete Differenz Entwicklung der Form einer Marke, und
f) Zuordnung der Marke zu einem Typ von Marken.

Gemäß einer Variante der Erfindung werden dabei bei der Ent wicklung der Form einer Marke

a) ausgehend von dem jeweiligen lokalen Maximum oder Minimum in einem iterativen Prozeß die Varianz und/oder die Kova rianz und/oder die Korrelationskoeffizienten zu benach barten Bildpunkten in der Ebene der 2D-Projektion und/oder die Anzahl der Bildpunkte bestimmt,
b) falls die ermittelten Werte der Varianz und/oder der Ko varianz und/oder der Korrelationskoeffizienten und/oder die Anzahl der Bildpunkte in einem vorgegebenen Wertebe reich liegen, die Hauptträgheitsachsen einer potentiellen Marke berechnet,
c) die Lage der Hauptträgheitsachsen der potentiellen Marke relativ zueinander in der Ebene der jeweiligen 2D- Projektion mit der Lage der Hauptträgheitsachsen von Mar ken bekannten Typs relativen zueinander verglichen, und
d) bei wenigstens im wesentlicher Übereinstimmung der rela tiven Lage der Hauptträgheitsachsen die Randlinien für die potentiellen Marken gebildet.

Auf diese Weise werden in den 2D-Projektionen die Marken, insbesondere die Formen von Marken, verhältnismäßig zuverläs sig detektiert bzw. identifiziert, so daß deren Schwerpunkte problemlos ermittelbar sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung die Aufnahme von Zen tralprojektionen,

Fig. 2 die Lokalisierung von Marken in einem 3D-Volumenda tensatz anhand gewonnener Zentralprojektionen,

Fig. 3 die Identifikation von Marken in 2D-Projektionen,

Fig. 4 die Signatur einer quadratischen Marke und

Fig. 5 die Lokalisierung von Marken in einem 3D-Volumenda tensatz anhand von Parallelprojektionen.

In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung die Aufnahme von Zentralprojektionen von einem Objekt gezeigt. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels handelt es sich bei dem Ob jekt um den Kopf 1 eines nicht näher dargestellten Patienten.

Zur Aufnahme von Zentralprojektionen vom Kopf 1 des Patienten wird ein eine Röntgenstrahlenquelle 2 und einen flächigen Röntgenstrahlendetektor 3 aufweisendes Röntgensystem idealer weise auf einer Kreisbahn K um den Kopf 1 des Patienten be wegt, wobei sequentiell aus verschiedenen Winkeln 2D- Projektionen vom Kopf 1 des Patienten aufgenommen werden. Das Röntgensystem kann beispielsweise in nicht dargestellter, aber an sich bekannter Weise an einem C-Bogen eines mobilen oder eines ortsfest installierten Röntgengerätes angeordnet sein, welcher längs seines Umfanges zur Aufnahme derartiger 2D-Projektionen vom Kopf 1 des Patienten in einem bestimmten Winkelbereich verstellbar ist. In Fig. 1 ist die Verstellbewe gung des Röntgensystems durch den Pfeil a auf der Kreisbahn K gekennzeichnet. Die Lagen des Fokus 4 der Röntgenstrahlen quelle 2 für verschiedene 2D-Projektionen sind durch Kreuze KR entlang der Kreisbahn K angedeutet.

Aus der Serie von 2D-Projektionen vom Kopf 1 des Patienten, welche unter Drehung des Röntgensystems aufgenommen wurden, kann in an sich bekannter Weise, beispielsweise mittels eines in der Fig. 1 nicht dargestellten Bildrechners, ein 3D- Volumendatensatz vom Kopf 1 des Patienten gewonnen werden, aus dessen Daten verschiedene 3D-Bilder vom Kopf 1 des Pati enten, welche unterschiedliche Ansichten und Ausschnitte vom Kopf 1 zeigen können, rekonstruierbar sind. Als rekonstruier bares Volumen ist in Fig. 1 exemplarisch ein Quader 5 gezeigt.

Am Kopf 1 des Patienten sind im Falle des vorliegenden Aus führungsbeispiels röntgenpositive Marken 6' bis 9' angeord net, welche in den 2D-Projektionen vom Kopf 1 mit abgebildet werden und somit auch im 3D-Volumendatensatz vom Kopf 1 des Patienten als Marken 6 bis 9 enthalten sind. Die Marken 6 bis 9 sind jedoch nicht notwendigerweise in jedem rekonstruierten 3D-Bild vom Kopf 1 enthalten. Beispielsweise ist in dem in Fig. 1 gezeigten rekonstruierbaren Quader 5 nur die Marke 6 abgebildet.

Die im 3D-Volumendatensatz sowie in 3D-Bildern vom Kopf 1 des Patienten enthaltenen Marken 6 bis 9 dienen an sich als An haltspunkte bzw. Fixpunkte um Navigation von Instrumenten re lativ zum Kopf 1 während eines operativen Eingriffs am Kopf 1 des Patienten oder auch um eine Multi Modality Bildfusion be treiben zu können. Für diese Applikationen ist die Kenntnis der Koordinaten der in den hierfür relevanten 3D-Bildern vom Kopf 1 des Patienten enthaltenen Marken erforderlich, deren automatische Identifizierung und Lokalisierung, beispielswei se mit Hilfe eines nicht dargestellten Rechners, im folgenden erläutert ist.

Zur Ermittlung der Koordinaten der in dem 3D-Volumendatensatz enthaltenen Marken 6 bis 9 werden die im Zuge des Meßvorgan ges ermittelten und gespeicherten 2D-Projektionen herangezo gen, in denen die Marken zumindest zum überwiegenden Teil ab gebildet sind. Fig. 2 zeigt exemplarisch vier unter verschie denen Projektionswinkeln mit dem Röntgensystem aufgenommene 2D-Projektionen P1 bis P4, in denen die Marken abgebildet sind.

Zunächst werden die in den 2D-Projektionen P1 bis P4 abgebil deten Marken 6.1 bis 9.4 detektiert. In Fig. 3 ist an der 2D- Projektion P1 anhand der in der 2D-Projektion P1 abgebildeten Marke 8.1 exemplarisch für die in den 2D-Projektionen P1 bis P4 abgebildeten Marken 6.1 bis 9.4 die Detektion einer Marke veranschaulicht.

Die Projektion P1 ist hierzu vollständig in Flächenelemente 10, vorzugsweise gleicher Größe, unterteilt. In jedem der Flächenelemente 10 wird derjenige Bildpunkt mit der maximalen oder der minimalen, im Falle des vorliegenden Ausführungsbei spiels aufgrund der radiologisch ermittelten 2D-Projektionen mit der maximalen Lichtintensität bestimmt, wobei die Flä chenelemente 10, beispielsweise sequentiell, durchlaufen wer den. Die in jedem Flächenelement 10 ermittelte maximale Lichtintensität eines Bildpunktes wird mit einem ersten vor gebbaren Schwellwert verglichen. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird bei Unterschreitung des Schwellwer tes zum nächsten Flächenelement 10 gewechselt. Liegt die er mittelte Lichtintensität jedoch über dem Schwellwert, wird vorzugsweise zentral um den Bildpunkt mit der maximalen Lichtintensität eines Flächenelementes 10 ein zweites Flä chenelement 11 definierter, durch die maximale Ausdehnung ei ner Marke vorgegebener Größe gelegt, wie dies in Fig. 3 für die abgebildete, zu detektierende Marke 8.1 gezeigt ist. In dem Flächenelement 11 werden das lokale Maximum und das loka le Minimum der Lichtintensität ermittelt und eine gewichtete Differenz aus lokalem Maximum und Minimum gebildet. Die Maxi ma bzw. Minima in derartigen Flächenelementen 11 werden je weils bezüglich eines einer jeden 2D-Projektion einbeschrie benen Koordinatensystems, dessen Lage gegenüber einem Refe renzkoordinatensystem R des 3D-Volumendatensatzes bekannt ist, bestimmt. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbei spiels werden das Maximum und das Minimum in der Ebene der Projektion P1 bezüglich eines kartesischen x-y- Koordinatensystems angegeben. Die gewichtete Differenz be stimmt sich im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels nach der Gleichung

K = n . (M - m) + m

mit
M Maximum
m Minimum und
n adaptiv wählbares Gewicht.

Liegt der Wert der gewichteten Differenz über einem zweiten Schwellwert, so könnte das Flächenelement 11 eine Marke ein schließen, weshalb die Untersuchung fortgesetzt wird.

Ausgehend von dem lokalen Maximum werden daher in einem ite rativen Prozeß die Varianz und/oder die Kovarianz und/oder die Korrelationskoeffizienten zu zu dem Maximum benachbarten Bildpunkten in der Ebene der 2D-Projektion sowie die Anzahl der Bildpunkte, welche einen vorgebbaren Wert der Lichtinten sität überschreiten, bestimmt. Liegen die Werte der Varianz und/oder der Kovarianz und/oder der Korrelationskoeffizienten sowie die Anzahl der Bildpunkte in einem für eine abgebildete Marke zu erwartenden Wertebereich, wird auf das Vorliegen ei ner Marke geschlossen und es werden in Abhängigkeit der er mittelten Werte der Varianz und/oder der Kovarianz und/oder der Korrelationskoeffizienten sowie der Anzahl der Bildpunkte die Hauptträgheitsachsen 12, 13 der potentiellen Marke 8.1 in der x-y-Ebene berechnet. Anschließend wird die Lage der er mittelten Hauptträgheitsachsen 12, 13 der potentiellen Marke 8.1 relative zueinander mit der Lage der Hauptträgheitsachsen von Marken bekannten Typs relativen zueinander verglichen, wobei die Hauptträgheitsachsen 12, 13 beispielsweise um ihren Schnittpunkt um einen bestimmten Winkel rotiert werden, so daß Lageinvarianzen der potentiellen Marken aufgehoben wer den. Derartige Lageinvarianzen bei potentiellen Marken treten durch die Projektionen der Marken aus unterschiedlichen Pro jektionswinkeln auf. In Fig. 3 sind exemplarisch die Haupt trägheitsachsen 14, 15 einer bekannten Marke eingetragen, de ren Lage relative zueinander wenigstens im wesentlichen der Lage der Hauptträgheitsachsen 12, 13 der potentiellen Marke 8.1 relativen zueinander entspricht.

Bei wenigstens im wesentlicher Übereinstimmung der Lage der Hauptträgheitsachsen der potentiellen Marke relativ zueinan der mit der Lage der Hauptträgheitsachsen einer bekannten Marke relativen zueinander wird anhand der Signatur einer de tektierten Marke die Randlinie für die detektierte, flächig abgebildete Marke gebildet. Die Signatur wird mit Hilfe an sich bekannter morphologischer Operatoren ermittelt. Um dabei Aussagen über die Signatur treffen zu können, wird diese be züglich ihres Mittelwertes und ihrer Dynamik, d. h. der Höhen der Amplituden, normiert. Sofern die abgebildeten Marken Eck punkte aufweisen, kennzeichnet die Anzahl der Maximalstellen in der Signatur die Anzahl der Eckpunkte einer Marke. In Fig. 4 ist exemplarisch die Signatur für eine quadratischen Marke dargestellt, wobei die vier Maximalstellen die vier Ecken der quadratischen Marke kennzeichnen.

Die Signatur einer potentiellen Marke wird schließlich mit Idealsignaturen bekannter Marken bezüglich der Standardabwei chung und der Anzahl der Eckpunkte verglichen. Stimmt die Si gnatur der potentiellen Marke, beispielsweise hinreichend ge nau mit einer Idealsignatur einer bekannten Marke überein, wird die Marke als eine solche typisiert und die Randlinie der Marke gebildet. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbei spiels wird die zu der abgebildeten Marke 8.1 gehörige Marke 8 als kugelförmige Marke typisiert.

In gleicher Weise wie für die Marke 8 bzw. für deren Abb. 8.1 in der 2D-Projektion P1 werden auch die Typen der anderen in der 2D-Projektion P1 bzw. in den übrigen 2D- Projektionen abgebildeten Marken ermittelt.

Nach der Detektion bzw. Typisierung der in den 2D-Projektio nen abgebildeten Marken 6.1 bis 9.4 wird für jede detektierte Marke ein Bezugspunkt, vorzugsweise der Schwerpunkt der de tektierten Marke in der Ebene der jeweiligen 2D-Projektion, bestimmt.

Wie in Fig. 2 anhand der Projektionen P1 bis P4 exemplarisch für die abgebildeten Marken 8.1 bis 8.4 und 9.1 bis 9.4 ver anschaulicht ist, werden Rückprojektionsgeraden G8.1 bis G8.4 und G9.1 bis G9.4 aufgestellt, welche jeweils durch den Schwerpunkt einer in den 2D-Projektionen P1 bis P4 abgebilde ten Marke 8.1 bis 8.4 und 9.1 bis 9.4 sowie durch den Fokus 4 der Röntgenstrahlenquelle 2 verlaufen. Diese Rückprojektions geraden G8.1 bis G8.4 und G9.1 bis G9.4 projizieren die Schwerpunkte der in den 2D-Projektionen abgebildeten Marken 8.1 bis 8.4 und 9.1 bis 9.4 in das 3D-Volumen zurück.

Zur Lokalisierung aller Marken 6 bis 9 im 3D-Volumen werden die Schnittpunkte aller Rückprojektionsgeraden miteinander bestimmt. Sind Rückprojektionsgeraden windschief zueinander, werden diejenigen auf verschiedenen Rückprojektionsgeraden liegenden Punkte der Rückprojektionsgeraden bestimmt, welche den kleinsten Abstand zueinander aufweisen. Aus einer räumli chen Anhäufung derartiger Schnittpunkte bzw. derartiger Punk te mit kleinstem Abstand voneinander werden räumlich begrenz te Bereiche, sogenannte Cluster, gebildet und deren Schwer punkte bestimmt. Die Schwerpunkte der Cluster bzw. deren Ko ordinaten bezüglich des Referenzkoordinatensystems R bilden schließlich die Koordinaten der gesuchten Marken 6 bis 9 im 3D-Volumendatensatz.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels schneiden sich die Geraden G8.1 bis G8.4 idealerweise in einem einzigen Schnittpunkt, nämlich dem Schwerpunkt der Marke 8. In glei cher Weise ist die Ermittlung des Schwerpunktes für die Marke 9 in Fig. 2 veranschaulicht, wobei sich die Geraden G9.1 bis G9.4 idealerweise in dem Schwerpunkt der Marke 9 schneiden. Im allgemeinen Fall ergibt sich eine ungeordnete Ansammlung von Schnittpunkten der Rückprojektionsgeraden G8.1 bis G8.4 bzw. G9.1 bis G9.4 bzw. bei windschief zueinander liegenden Rückprojektionsgeraden eine Ansammlung von Punkten mit klein stem Abstand voneinander im 3D-Volumen. Die tatsächlichen Po sitionen der Marken 8 und 9 im 3D-Volumen werden in diesem Fall mit gängigen Verfahren der Mustererkennung ermittelt, wobei die Marken 8 und 9 durch Cluster B8 bzw. B9 gekenn zeichnet sind, die jeweils eine verdichtete Punktwolke der Schnittpunkte der Rückprojektionsgeraden bzw. der Punkte der Rückprojektionsgeraden mit kleinstem Abstand voneinander im 3D-Volumen einschließen.

Die Schwerpunkte der Cluster B8 und B9 bilden schließlich, wie bereits erwähnt, die Koordinaten der Marken 8 und 9 im 3D-Volumendatensatz.

Anhand von Fig. 2 wurde die Ermittlung der Koordinaten von Marken in einem 3D-Volumendatensatz beschrieben, welcher aus mit einem auf einer Kreisbahn verstellbaren Röntgensystem aufgenommenen 2D-Projektionen erzeugt wurde.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch auch auf bereits existierende, beispielsweise mit MR-, CT- oder Nuklearmedi zinanlagen gewonnene, Marken enthaltende 3D-Volumendatensätze anwendbar.

Bei einem derartig erzeugten 3D-Volumendatensatz müssen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst 2D- Projektionen aus dem 3D-Volumendatensatz mit an sich bekann ten Verfahren, z. B. der Maximum Intensity Projection (MIP), erzeugt werden.

Erzeugt man Zentralprojektionen aus dem 3D-Volumendatensatz, entspricht der weitere Ablauf des Verfahrens zur Bestimmung der Koordinaten von in dem 3D-Volumendatensatz enthaltenen Marken dem im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen Ablauf, wobei die Rückprojektionsgeraden nicht durch den Schwerpunkt der detektierten Marken und den Fokus, sondern durch den Schwerpunkt der detektierten Marken und den dem Fokus ent sprechenden Projektionspunkt der Zentralprojektionen ver läuft.

Auch bei der Erzeugung von Parallelprojektionen aus einem 3D- Volumendatensatz, wie in Fig. 5 veranschaulicht, entspricht der Ablauf des Verfahrens zur Bestimmung der Koordinaten der in dem 3D-Volumendatensatz enthaltenen Marken im wesentlichen dem im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen Verfahren. Ein Unterschied besteht lediglich bei der Aufstellung der Rück projektionsgeraden. Diese verlaufen im Falle von aus einem 3D-Volumendatensatz erzeugten Parallelprojektionen durch die Schwerpunkte der in den 2D-Projektionen abgebildeten und de tektierten Marken und schneiden die die Schwerpunkte aufwei senden Ebenen der 2D-Projektionen rechtwinklig.

Fig. 5 zeigt exemplarisch für zwei in einem 3D-Volumendaten satz enthaltene Marken 20, 21, welche in Parallelprojektionen PS bis P8 abgebildet sind, die Ermittlung der Koordinaten der Schwerpunkte der Marken 20, 21. Nach der im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen Detektion der Marken in den Parallelpro jektionen PS bis P8 sowie nach der Bestimmung der Schwerpunk te der in den Parallelprojektionen abgebildeten Marken 20.1 bis 21.4 erfolgt die Aufstellung der Rückprojektionsgeraden derart, daß jede Rückprojektionsgerade G20.1 bis G20.4 bzw. G21.1 bis G21.4 durch die ihr zugeordnete Marke 20.1 bis 20.4 bzw. 21.1 bis 21.4 verläuft und die die Marke bzw. den Schwerpunkt der Marke aufweisende Ebene der 2D-Projektion P5 bis P8 rechtwinklig schneidet. Idealerweise liegt der Schnittpunkt der Rückprojektionsgeraden G20.1 bis G20.4 im Schwerpunkt der Marke 20 und der Schnittpunkt der Rückprojek tionsgeraden G21.1 bis G21.4 im Schwerpunkt der Marke 21. Die Koordinaten der auf diese Weise definierten Schwerpunkte der Marken 20, 21 können in an sich bekannter Weise ermittelt werden.

Im allgemeinsten Fall werden auch bei aus einem 3D-Volumen datensatz erzeugten Parallelprojektionen die Schnittpunkte der Rückprojektionsgeraden oder, falls die Rückprojektionsge raden windschief zueinander stehen, die Punkte der Rückpro jektionsgeraden mit den kleinsten Abständen voneinander ver dichtete Punktwolken bilden, welche z. B. in Clustern B20 und B21 eingeschlossen sind, deren Schwerpunkte die Lagen der Marken 20 und 21 kennzeichnen.

Vorstehend wurde das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel einer medizinischen Bildgebung erläutert. Das erfindungsgemä ße Verfahren ist jedoch nicht auf den medizinischen Einsatz bereich beschränkt.

Sind die Marken in den 2D-Projektionen durch Bereiche mit der niedrigsten Lichtintensität gekennzeichnet, erfolgt deren De tektion in den 2D-Projektionen im Unterschied zu dem vorste hend beschriebenen Ausführungsbeispiel durch die Suche in ei nem Flächenelement der 2D-Projektion nach dem Bildpunkt mit der minimalen Lichtintensität. In diesem Fall wir die Unter suchung der Umgebung des Bildpunktes zur Identifizierung ei ner Marke immer dann fortgesetzt, wenn ein erste Schwellwert unterschritten wird. Das weitere Vorgehen ist analog zu dem vorstehend beschriebenen Vorgehen.

Die beschriebene Detektion bzw. Typisierung von Marken in den 2D-Projektionen ist im übrigen nur exemplarisch zu verstehen und kann auch in anderer Weise erfolgen.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung der Koordinaten von in einem 3D- Volumendatensatz von einem mit Marken (6' bis 9') versehenen Objekt (1) enthaltenen Marken (6 bis 9, 20, 21) bezüglich ei nes Referenzkoordinatensystems (R) aufweisend folgende Ver fahrensschritte:

a) Bereitstellung einer Serie von mit einem eine Röntgen strahlenquelle (2) und einen flächigen Röntgenstrahlende tektor (3) umfassenden Röntgensystem aufgenommenen 2D- Projektionen (P1 bis P4), aus denen der 3D-Volumendaten satz erzeugt wurde bzw. Erzeugung einer Serie von 2D-Zen tral- oder 2D-Parallelprojektionen (PS bis P8) aus einem 3D-Volumendatensatz des Objektes (1),
b) Detektion von in den aufgenommenen bzw. erzeugten 2D-Pro jektionen (P1 bis P8) abgebildeten Marken (6.1 bis 9.4, 20.1 bis 21.4),
c) Bestimmung jeweils eines für eine detektierte Marke (6.1 bis 9.4, 20.1 bis 21.4) stehenden Bezugspunktes in den 2D-Projektionen (P1 bis P8),
d) Aufstellung von durch die Bezugspunkte verlaufenden Rück projektionsgeraden (G8.1 bis 09.4, G20.1 bis G21.4) der art, daß im Falle der mit dem Röntgensystem aufgenommenen 2D-Projektionen (P1 bis P4) jede Rückprojektionsgerade (G8.1 bis G9.4) durch den Fokus (4) der Röntgenstrahlen quelle (2) verläuft bzw. daß im Falle der erzeugten 2D- Zentralprojektionen jede Rückprojektionsgerade durch den Projektionspunkt der jeweiligen 2D-Zentralprojektion oder daß im Falle der erzeugten 2D-Parallelprojektionen (PS bis P8) jede Rückprojektionsgerade (G20.1 bis G21.4) die die abgebildete Marke (20.1 bis 21.4) bzw. den entspre chenden Bezugspunkt aufweisende ebene 2D-Projektion (PS bis P8) rechtwinklig in dem Bezugspunkt schneidet,
e) Ermittlung der Schnittpunkte der Rückprojektionsgeraden (G8.1 bis G9.4, G20.1 bis G21.4) bzw. bei windschief zu einander liegenden Rückprojektionsgeraden Ermittlung der auf verschiedenen Rückprojektionsgeraden liegenden Punk te, welche den kleinsten Abstand voneinander aufweisen,
f) Bildung von räumlich begrenzten Bereichen (B8, B9, B20, B21), welche eine Anhäufung von Schnittpunkten bzw. von Punkten mit kleinstem Abstand voneinander aufweisen, und
g) Berechnung der Koordinaten des Schwerpunktes eines jeden der räumlich begrenzten Bereiche (B8, B9, B20, B21).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Bezugspunkt einer abgebildeten Marke (6.1 bis 9.4, 20.1 bis 21.4), durch den eine Rückprojektionsgerade (G8.1 bis G9.4, G20.1 bis G21.4) verläuft, der Schwerpunkt der abgebildeten Marke (6.1 bis 9.4, 20.1 bis 21.4) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Detektion einer oder mehrerer in einer aufgenommenen bzw. erzeugten 2D- Projektion (P1 bis P8) abgebildeten bzw. abgebildeter Marken (6.1 bis 9.4, 20.1 bis 21.4) folgende Verfahrensschritte um faßt:

a) Unterteilung einer 2D-Projektion (P1) in erste Flächen elemente (10),
b) Bestimmung des Bildpunktes mit der maximalen oder minima len Lichtintensität in jedem der ersten Flächenelemente (10),
c) bei Überschreitung bzw. Unterschreitung eines ersten Schwellwertes der Lichtintensität eines derartigen Bild punktes Bestimmung des lokalen Maximums und Minimums der Lichtintensität in einem um den entsprechenden Bildpunkt gelegten zweiten Flächenelement (11) definierter Größe,
d) Bildung einer gewichteten Differenz aus lokalem Maximum und Minimum,
e) bei Überschreitung eines zweiten Schwellwertes durch die gewichtete Differenz Entwicklung der Form einer Marke und
f) Zuordnung der Marke zu einem Typ von Marken.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem bei der Entwicklung der Form einer Marke

a) ausgehend von dem jeweiligen lokalen Maximum oder Minimum in einem iterativen Prozeß die Varianz und/oder die Kova rianz und/oder die Korrelationskoeffizienten zu benach barten Bildpunkten in der Ebene der 2D-Projektion (P1 bis P8) und/oder die Anzahl der Bildpunkte bestimmt werden,
b) falls die ermittelten Werte der Varianz und/oder der Ko varianz und/oder der Korrelationskoeffizienten und/oder der Anzahl der Bildpunkte in einem vorgegebenen Wertebe reich liegen, die Hauptträgheitsachsen (12, 13) einer po tentiellen Marke berechnet werden,
c) die Lage der Hauptträgheitsachsen (12, 13) der potentiel len Marke relative zueinander in der Ebene der jeweiligen 2D-Projektion (P1) mit der Lage der Hauptträgheitsachsen (14, 15) von Marken bekannten Typs relativ zueinander verglichen werden, und
d) bei wenigstens im wesentlicher Übereinstimmung der rela tiven Lage der Hauptträgheitsachsen (12 bis 15) die Rand linien für die potentiellen Marken gebildet werden.