Simulation and correction of rigid body motion in medical imaging

Abstract: In der klinischen Radiologie sind Bewegungsartefakte bei längeren Bildaufnahmedauern bis heute an der Tagesordnung. Sowohl bei Cone-Beam Computertomographie (CBCT) als auch bei Magnetresonanztomographie (MRT) kommt es regelmäßig zu solchen Artefakten.

Diese Arbeit hat das Ziel Bewegungsartefakte in der medizinischen Bildgebung zu reduzieren. Hierzu werden für CBCT und MRT jeweils verschiedene Ansätze gewählt. In der CBCT sollen Artefakte bei Extremitätenaufnahmen reduzieren werden, indem die Lagerung des Patienten am Gerät anhand von Probandendaten optimiert wird. In der MRT strebt diese Arbeit an, die Bewegungskorrektur zu verbessern indem eine Kombination aus Echtzeitbewegungskorrektur mit einer zusätzlichen nachträglichen Korrektur während der Bildrekonstruktion eingeführt wird. Ebenso wurde im Rahmen der Arbeit ein Softwareframework implementiert, welches die Entwicklung bewegungsrobusterer Bildakquisitionsmethoden unterstützt. Um die angstrebten Ziele zu erreichen, müssen neben der Modellierung des Bildgebungsprozesses auch Bewegungsdaten mit Translation und Rotation verarbeitet, modelliert und interpoliert werden. Die Daten hierfür stammen in diesen Projekten von einem optischen Tracking-System.

In dieser Arbeit wurde für die Modellierung von kontinuierlichen Bewegungen auf Basis zeitdiskreter Daten mit 6 Freiheitsgraden eine Interpolationsmethode implementiert, welche jeweils mit den Modellen für die Bildgebung, sowohl für CBCT als auch MRT, kombiniert wurde.

Um mittels der implementierten Methoden die optimale Patientlagerung für CBCT Aufnahmen zu bestimmen wurde eine Probandenstudie mit verschiedenen Lagerungen durchgeführt, jedoch ohne den Einsatz von Röntgenstrahlung. Zur Wahl der optimalen Lagerung wird anhand von während der Probandenstudie aufgezeichneten Bewegungsdaten das Artefaktniveau in simulierten CBCT Aufnahmen abgeschätzt. Zwei Methoden werden entwickelt die dies mit wenig Rechenaufwand ermöglichen. Beide Methoden werden mit einer Simulation der CBCT Aufnahme eines vollständigen anatomischen Volumens verglichen. Der Vergleich zeigt, dass sich auch mittels dieser schnellen Methoden das Niveau an Bewegungsartefakten abschätzen lässt um auch größer angelegte Studien die optimale Patientenlagerung für eine vorgegebene Extremität schnell bestimmen zu können.


Für die Verbesserung von MRT Aufnahmen werden die während einer Akquisition ausgespielten Puls- und Gradientenelemente der MRT-Sequenz durch ein entwickeltes Modell mit den Bewegungsdaten verknüpft und daraus Korrekturmaßnahmen abgeleitet. Dieses Modell kann entweder nur während der Bildrekosntruktion als eine Korrekturmethode angewandt werden, oder in Kombination mit Echtzeitbewegungskorrektur um die Bildqualität nachträglich noch weiter zu verbessern. Ebenso können mittels des Modells und des daraus entwickelten Software Frameworks Datensätze basierend auf verschiedenen MRT Sequenzen simuliert werden, um beispielsweise Bewegungsartefakte vorherzusagen.
Um die Verbesserung der Bildqualität besonders im Kontext schneller Bewegungen reproduzierbar zu zeigen wurde eine Reihe Phantomexperimente durchgeführt. Zur weiteren Verifikation wurden zusätzlich Probandenexperimente durchgeführt. In beiden Fallen zeigt sich, dass die simulierten Daten den gemessenen Daten weitestgehend entsprechen und die Kombination der nachträglichen Korrektur mit der Echtzeitbewegungskorrektur bessere Ergebnisse erzielen kann als einer der Ansätze alleine

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Englisch
• Notes: Universität Freiburg, Dissertation, 2022

Classification and Topics

• Keyword: Computertomografie ; Bildqualität ; Bewegungsanalyse ; Bildverarbeitung ; Artefakt ; Objektverfolgung ; Bildgebendes Verfahren ; Motion Capturing ; Bewegung ; Kernspintomografie ; Computertomografie ; Simulation

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2022
• Creator: Hucker, Patrick
• Contributor: Hennig, Jürgen ; Zaitsev, Maxim ; Hennig, Jürgen ; Pastewka, Lars ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Angewandte Wissenschaften ; Klinik für Radiologie. Medizin Physik, Freiburg im Breisgau

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/230965
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2309658
• Rights: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 25.03.2025, 1:47 PM CET