TY - GEN
T1 - Röntgenbasierte Bildgebung mittels eines roboterisierten C-Bogen-Systems
AU - Bodensteiner, Christoph
PY - 2009
Y1 - 2009
N2 - Die vorliegende Arbeit behandelt Möglichkeiten zur verbesserten Röntgen- und 3D-CTBildgebung mittels eines roboterisierten C-Bogen-Systems. Der Fokus liegt hierbei auf datenbasierten Methoden, die eine Verbesserung der Bildgebung erreichen ohne gerätespezifische Systemparameter (Positionierungsgenauigkeit, Steifigkeit oder Detektoreigenschaften) ändern zu müssen.Grundlegendes Element der verwendeten Ansätze ist ein kombinierter Rekonstruktionsund Registrierungsansatz, der in verschiedenen Disziplinen der Bild- und Signalverarbeitung bereits erfolgreich eingesetzt wird. Die Arbeit kann thematisch in zwei Hauptabschnitte unterteilt werden. Anfangs wird ein Uberblick über das verwendete C-Bogen-System gegeben. Hierbei werden neben dem Aufbau und der Kinematik auch ausgewählte Anwendungen beschrieben, die in besonderer Weise von der Roboterisierung des Systems profitieren. Die folgenden Abschnitte erläutern etablierte Methoden zur 3D-Rekonstruktion und 2D/3D-Registrierung und zeigen gängige Verfahren und Algorithmen. In diesem Abschnitt wird auch speziell auf algorithmische Beschleunigungstechniken eingegangen, die im Rahmen der Arbeit verwendet wurden. Anschließend wird auf die Implementierung einer geometrischen Verzeichnungskorrektur eingegangen, welche im Rahmen der Arbeit angewendet wurde, um die nichtlinearen Verzeichnungen des im Gerät verbauten Bildverstärkers zu korrigieren. Abschließend wird ein neuer Ansatz zur datenbasierten Korrektur von extrinsischen Parametern des Aufnahmesystems detailliert erläutert. Der zweite Hauptabschnitt der Arbeit behandelt eine im mathematischen Sinne eng verwandte Anwendung der kombinierten Rekonstruktion und Registrierung von Bilddaten. Hier werden aus mehreren leicht versetzten Aufnahmen der gleichen Szene Röntgenbilder in einer erhöhten Auflösung errechnet. Die Anwendung derartiger sogenannter SuperResolution-Techniken hat in der Bildgebung mittels mobiler Röntgen-Systeme bis dato eine sehr geringe Aufmerksamkeit erfahren, da die Positionierung der C-Bogen-Systeme üblicherweise nur manuell erfolgte. Mittels des neuen robotischen C-Bogen-Systems ergibt sich jedoch eine neue elegante Möglichkeit zur geeigneten Akquisition der nötigen Projektionsdaten, die solche Techniken praktikabel werden lässt. Abschließend wird eine spezielle Anwendung zur Bewegungskompensation in der Strahlenchirurgie erläutert, welche auf einer nicht rigiden 2D/3D-Registrierung eines patientenspezifischen Deformationsmodells beruht. Die aufgetreten Deformationen wurden hierbei aus einem präoperativen 4D-CT des Patienten gewonnen und mittels eines Active ShapeModells kompakt repräsentiert. Durch die Einbeziehung dieses statistischen Vorwissens in ein kombiniertes Registrations- und Rekonstruktionsverfahren konnte eine starke Reduktion der notwendigen Projektionen erreicht werden.Zusammenfassend kann mit den vorgeschlagenen Methoden eine Verbesserung der Bildgebung erzielt werden, die mittels prototypischer Implementierungen anhand synthetischer und realen Daten des experimentellen C-Bogen-Systems demonstriert wird. Hierbei ergab sich mit dem neuen Ansatz zur datenbasierten Korrektur von extrinsischen Parametern eine deutliche Reduzierung des Rekonstruktionsresiduums, was sich in signifikant besseren 3D-Rekonstruktionsergebnissen äußerte. Ebenso konnten mit der Anwendung von SuperResolution-Techniken hohe Auflösungssteigerungen erzielt werden und in den hoch aufgelösten Projektionen Details ausgemacht werden, die in den Eingabedaten nicht erkennbar waren.
AB - Die vorliegende Arbeit behandelt Möglichkeiten zur verbesserten Röntgen- und 3D-CTBildgebung mittels eines roboterisierten C-Bogen-Systems. Der Fokus liegt hierbei auf datenbasierten Methoden, die eine Verbesserung der Bildgebung erreichen ohne gerätespezifische Systemparameter (Positionierungsgenauigkeit, Steifigkeit oder Detektoreigenschaften) ändern zu müssen.Grundlegendes Element der verwendeten Ansätze ist ein kombinierter Rekonstruktionsund Registrierungsansatz, der in verschiedenen Disziplinen der Bild- und Signalverarbeitung bereits erfolgreich eingesetzt wird. Die Arbeit kann thematisch in zwei Hauptabschnitte unterteilt werden. Anfangs wird ein Uberblick über das verwendete C-Bogen-System gegeben. Hierbei werden neben dem Aufbau und der Kinematik auch ausgewählte Anwendungen beschrieben, die in besonderer Weise von der Roboterisierung des Systems profitieren. Die folgenden Abschnitte erläutern etablierte Methoden zur 3D-Rekonstruktion und 2D/3D-Registrierung und zeigen gängige Verfahren und Algorithmen. In diesem Abschnitt wird auch speziell auf algorithmische Beschleunigungstechniken eingegangen, die im Rahmen der Arbeit verwendet wurden. Anschließend wird auf die Implementierung einer geometrischen Verzeichnungskorrektur eingegangen, welche im Rahmen der Arbeit angewendet wurde, um die nichtlinearen Verzeichnungen des im Gerät verbauten Bildverstärkers zu korrigieren. Abschließend wird ein neuer Ansatz zur datenbasierten Korrektur von extrinsischen Parametern des Aufnahmesystems detailliert erläutert. Der zweite Hauptabschnitt der Arbeit behandelt eine im mathematischen Sinne eng verwandte Anwendung der kombinierten Rekonstruktion und Registrierung von Bilddaten. Hier werden aus mehreren leicht versetzten Aufnahmen der gleichen Szene Röntgenbilder in einer erhöhten Auflösung errechnet. Die Anwendung derartiger sogenannter SuperResolution-Techniken hat in der Bildgebung mittels mobiler Röntgen-Systeme bis dato eine sehr geringe Aufmerksamkeit erfahren, da die Positionierung der C-Bogen-Systeme üblicherweise nur manuell erfolgte. Mittels des neuen robotischen C-Bogen-Systems ergibt sich jedoch eine neue elegante Möglichkeit zur geeigneten Akquisition der nötigen Projektionsdaten, die solche Techniken praktikabel werden lässt. Abschließend wird eine spezielle Anwendung zur Bewegungskompensation in der Strahlenchirurgie erläutert, welche auf einer nicht rigiden 2D/3D-Registrierung eines patientenspezifischen Deformationsmodells beruht. Die aufgetreten Deformationen wurden hierbei aus einem präoperativen 4D-CT des Patienten gewonnen und mittels eines Active ShapeModells kompakt repräsentiert. Durch die Einbeziehung dieses statistischen Vorwissens in ein kombiniertes Registrations- und Rekonstruktionsverfahren konnte eine starke Reduktion der notwendigen Projektionen erreicht werden.Zusammenfassend kann mit den vorgeschlagenen Methoden eine Verbesserung der Bildgebung erzielt werden, die mittels prototypischer Implementierungen anhand synthetischer und realen Daten des experimentellen C-Bogen-Systems demonstriert wird. Hierbei ergab sich mit dem neuen Ansatz zur datenbasierten Korrektur von extrinsischen Parametern eine deutliche Reduzierung des Rekonstruktionsresiduums, was sich in signifikant besseren 3D-Rekonstruktionsergebnissen äußerte. Ebenso konnten mit der Anwendung von SuperResolution-Techniken hohe Auflösungssteigerungen erzielt werden und in den hoch aufgelösten Projektionen Details ausgemacht werden, die in den Eingabedaten nicht erkennbar waren.
UR - https://www.rob.uni-luebeck.de/index.php?id=276&author=0:2622&L=0
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