German Title: 3D Rekonstruktion von Interventionsmaterial aus sehr wenigen Röntgenprojektionen für die Interventionsbildführung

Preview

PDF, English - main document Download (11MB) | Lizenz: 3D Reconstruction of Interventional Material from Very Few X-Ray Projections for Interventional Image Guidance by Vöth, Tim underlies the terms of Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0

Abstract

Today, minimally invasive endovascular interventions are usually guided by 2D fluoroscopy, i.e. a live 2D X-ray image. However, 3D fluoroscopy, i.e. a live 3D image reconstructed from a stream of 2D X-ray images, could improve spatial awareness. 3D fluoroscopy is, however, not used today, since no appropriate 3D reconstruction algorithm is known. Existing algorithms for the real-time reconstruction of interventional material (guidewires, stents, catheters, etc.) are either only capable of reconstructing a single guidewire or catheter, or use too many X-ray images and therefore too much dose per 3D reconstruction. The goal of this thesis was to reconstruct complex arrangements of interventional material from as few X-ray images as possible. To this end, a previously proposed algorithm for the reconstruction of interventional material from four X-ray images was adapted. Five key improvements allowed to reduce the number of X-ray images per 3D reconstruction from four to two: a) use of temporal information in a rotating imaging setup, b) separate reconstruction of different types of interventional material enabled by the computation of semantic interventional material extraction images, c) compensation of stent motion by spatial transformer networks, d) per-projection backprojection and e) binarization of the guidewire extraction images. While previously only single curves could be reconstructed from two newly acquired X-ray images, the proposed pipeline can reconstruct stents and even stent-guidewire combinations. Submillimeter reconstruction accuracy was demonstrated on measured X-ray images of interventional material inside an anthropomorphic phantom with simulated respiratory motion. Measurements of the dose area product rate of the proposed 3D reconstruction pipeline indicate a dose burden roughly similar to that of 2D fluoroscopy.

Translation of abstract (German)

Heutzutage werden minimalinvasive endovaskuläre Eingriffe in der Regel durch 2D-Fluoroskopie, d.h. ein Live-2D-Röntgenbild, geführt. Jedoch könnte 3D-Fluoroskopie, d.h. ein Live-3D-Bild, das aus einer Serie von 2D-Röntgenbildern rekonstruiert wird, die räumliche Vorstellung verbessern. Mangels geeigneter 3D-Rekonstruktionsalgorithmen wird 3D-Fluoroskopie heute jedoch nicht eingesetzt. Die bisher veröffentlichten Algorithmen für die Echtzeit-Rekonstruktion von Interventionsmaterial (Führungsdrähte, Stents, Katheter usw.) können entweder nur einen einzelnen Führungsdraht oder Katheter rekonstruieren, oder sie verwenden zu viele Röntgenbilder und damit zu viel Dosis pro 3D-Rekonstruktion. Das Ziel dieser Arbeit war es, komplexe Anordnungen von Interventionsmaterial aus möglichst wenigen Röntgenbildern zu rekonstruieren. Hierzu wurde ein Algorithmus für die Rekonstruktion von Interventionsmaterial aus vier Röntgenbildern angepasst. Durch fünf wesentliche Verbesserungen konnte die Anzahl der Röntgenbilder pro 3D-Rekonstruktion von vier auf zwei reduziert werden: a) Nutzung zeitlicher Informationen in einem rotierenden Bildgebungssetup, b) getrennte Rekonstruktion verschiedener Arten von Interventionsmaterial durch die Berechnung semantischer Interventionsmaterial-Extraktionsbilder, c) Kompensation von Stentbewegungen durch Spatial Transformer Networks, d) projektionsweise Rückprojektion und e) Binarisierung der Führungsdraht-Extraktionsbilder. Während bisher nur einzelne Kurven aus zwei neu aufgenommenen Röntgenbildern rekonstruiert werden konnten, kann die vorgeschlagene Pipeline Stents und sogar Stent-Führungsdraht-Kombinationen rekonstruieren. Auf gemessenen Röntgenbildern von Interventionsmaterial in einem anthropomorphen Phantom mit simulierter Atembewegung wurde eine Rekonstruktionsgenauigkeit im Submillimeterbereich erreicht. Die gemessene Dosisflächenproduktrate der vorgeschlagenen 3D-Rekonstruktionspipeline entspricht in etwa derjenigen der 2D-Fluoroskopie.