Medical imaging plays an important role in diagnosis and grading of knee conditions such as osteoarthritis. In current clinical practice, 2-D radiography is regularly applied under weight-bearing conditions, which is known to improve diagnostic accuracy. However, 2-D images cannot fully cover the complexity of a knee joint, whereas current 3-D imaging modalities are inherently limited to a supine, unloaded patient position. Recently, cone-beam computed tomography (CBCT) scanners for 3-D weight-bearing imaging have been developed. Their specialized acquisition trajectory poses several challenges for image reconstruction. Patient motion caused by standing or squatting positions can substantially deteriorate image quality, such that the motion has to be corrected during reconstruction. Initial work on motion correction is based on fiducial markers, yet, the approach prolonged image acquisition and required a large amount of manual interaction. The goal of this thesis was to further develop innovative motion correction methods for weight-bearing imaging of knees. Within the course of this thesis, the marker-based motion correction was steadily enhanced. Manual annotation of markers has been replaced by a robust, fully automatic detection of markers and their correspondences. A clear disadvantage of markers is the often tedious attachment, which decreases patient comfort and interferes with the acquisition protocol. Also, the method is limited to rigid motion and an extension to nonrigid deformations is nontrivial. To alleviate these drawbacks, we introduce a novel motion estimation approach that makes use of a prior, motion-free reference reconstruction. The motion of femur and tibia is determined individually by rigid 2-D/3-D registration of bone segmentations from the prior scan, to each of the acquired weight-bearing projection images. Reliability of the registration is greatly influenced by the large amount of overlapping structures, especially for lateral view directions. We compare two different similarity measures used for 2-D/3-D registration and also introduce a temporal smoothness regularizer to improve registration accuracy. A common evaluation of marker- and registration-based approach yields superior image quality using 2-D/3-D registration, particularly in presence of severe, nonrigid motion. Further reduction of the algorithm’s runtime and an automation of bone segmentations could allow for a complete replacement of marker-based motion correction in future applications. In case the clinical setup prohibits acquisition of a prior scan, motion correction relies solely on the acquired projection images. We derived a new motion correction method based on Fourier consistency conditions (FCC) which is independent of surrogates or prior acquisitions. So far, FCC have not been used for motion correction and were typically limited to fan-beam geometries. We first introduced the motion estimation for the fan-beam geometry, followed by a practical extension to CBCT. Numerical phantom simulations revealed a particularly accurate estimation of high-frequency motion and of motion collinear to the scanner’s rotation axis. FCC are currently limited to nontruncated, full-scan projection data, and thus, not yet applicable to real weight-bearing acquisitions. However, a dynamic apodization technique is introduced to account for axial truncation, allowing application to a squatting knee phantom with realistic motion. Given the large improvements in image quality, we are confident that FCC is a future candidate for a completely self-contained motion correction approach in CBCT weight-bearing imaging of knees.

Die medizinische Bildgebung übernimmt eine wichtige Rolle bei der Diagnose von Kniegelenkserkrankungen wie z.B. Arthrose. Im klinischen Umfeld wird hierbei oft die 2-D Röntgenbildgebung im Belastungszustand angewandt, welche die hohe Komplexität des Kniegelenks allerdings nicht vollständig abdecken kann. Aktuelle 3-D Bildgebungsverfahren sind wiederum nur sehr bedingt unter Belastung anwendbar. Erst vor Kurzem wurden spezielle Kegelstrahl-Computertomographen (KSCT) für die 3-D Belastungsbildgebung entwickelt. Allerdings stellen deren Aufnahmetrajektorien auch erhöhte Anforderungen an die Bildrekonstruktion. So kann z.B. Patientenbewegung die Bildqualität deutlich verschlechtern, so dass eine bewegungskorrigiert Rekonstruktion nötig ist. Erste Ansätze basieren auf metallischen Markern, welche jedoch die Bildaufnahmen verzögern und ein hohes Maß an manueller Interaktion verlangen. Ziel dieser Dissertation war es, die Entwicklung bestehender Bewegungskorrekturen voranzutreiben und um hochinnovative Methoden zu erweitern. Teil dieser Arbeit war eine stetige Weiterentwicklung der marker-basierten Korrektur, wobei die manuelle Annotation durch eine robuste, vollautomatische Markerdetektion ersetzt wurde. Einen Nachteil stellt das mühsame Anbringen der Marker dar, welches nicht nur den Ablauf der Bildaufnahmen, sondern auch den Patienten negativ beeinflusst. Außerdem ist die Methode derzeit auf rigide Bewegungen beschränkt und nur schwer auf elastische Deformationen erweiterbar. Abhilfe schaffte eine neu entwickelte Bewegungskorrektur, basierend auf einer bewegungsfreien Referenzrekonstruktion. Eine 2-D/3-D Bildregistrierung von segmentierten Knochen aus der Referenzrekonstruktion, zu jedem Projektionsbild der Belastungsbildgebung, ermittelt Bewegungen von Femur und Tibia. Die Robustheit der Registrierung wird hierbei stark durch überlappende Strukturen beeinflusst. Um die Genauigkeit zu erhöhen, verglichen wir verschiedene Ähnlichkeitsmaße und integrierten einen Regularisierer, welcher eine zeitliche Glattheit der Bewegung erzwingt. Die gemeinsame Auswertung von marker- und registrierungs-basiertem Ansatz zeigt eine überlegene Bildqualität bei Einsatz der 2-D/3-D Registrierung, insbesondere bei starker nicht-rigider Bewegung. Mittels einer automatisierten Knochensegmentierung und einer beschleunigten Registrierung könnte der marker-basierte Ansatz somit komplett ersetzt werden. Sollte keine bewegungsfreie Referenzrekonstruktion möglich sein, beruht die Bewegungskorrektur einzig auf den aufgenommenen Bildern. Basierend auf Fourier-Konsistenzbedingungen (FKB) entwickelten wir eine Bewegungskorrektur, welche unabhängig von zusätzlichen Informationen oder Aufnahmen arbeitet. Bisher wurden FKB nicht für die Bewegungskorrektur eingesetzt und waren auf die Fächerstrahlgeometrie (FSG) begrenzt. Wir definierten zunächst eine Bewegungsschätzung für die FSG, welche im Folgenden für KSCT erweitert wurde. Numerische Simulationen zeigten eine besonders genaue Bewegungsschätzung für hochfrequente Bewegung, aber auch für Bewegungen die kollinear zur Rotationsachse des Scanners erfolgten. Derzeit sind FKB nicht auf realen Daten anwendbar, da sie nur für einen trunkierungsfreien, vollständigen Scan gültig sind. Eine eigens entwickelte dynamische Apodisation erlaubt den Umgang mit axialer Trunkierung, was die Evaluation auf numerischen Kniedaten mit realer Bewegung ermöglichte. Eine starke Verbesserung der Bildqualität zeigt, dass eine komplett unabhängige Bewegungskorrektur in der Belastungsbildgebung von Knien möglich ist.