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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Rekonstruktion
eines hoch aufgelösten
3D-Bildes eines Untersuchungsbereichs eines Patienten aus einem
3D-Bilddatensatz des Untersuchungsbereichs, wobei der Untersuchungsbereich einer
periodischen Bewegung unterliegt, welche parallel zur Erfassung
des 3D-Bilddatensatzes als ein die periodische Bewegung repräsentierendes
Bewegungssignal gemessen wird.
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Ein
derartiges Verfahren und eine derartige Anordnung sind bekannt.
Die Rekonstruktion von 3D-Bildern bewegter Objekte, wie beispielsweise
des Herzens eines Patienten, wird derzeit durch Auswählen eines
geeigneten zeitlichen Rekonstruktionsfensters durchgeführt, in
dem sich akzeptable Ergebnisse für
die gesamte darzustellende Anatomie erreichen lassen. Ein derartiges
Rekonstruktionsverfahren wird z.B. bei Klein, G. J. et al. "A 3D Optical Flow
Approach to Addition of Deformable PET Volumes" (XP 10239163) offenbart. Dies bedeutet,
dass aus dem erfassten 3D-Bilddatensatz diejenigen 3D-Bilddaten zur
Rekonstruktion ausgewählt
werden, die innerhalb eines bestimmten Zeitfensters erfasst wurden,
in dem beispielsweise die abzubildende Anatomie sich am wenigsten
bewegt hat. Bei einer periodischen Bewegung der Anatomie, wie beispielsweise
der Herzbewegung oder der Atembewegung, werden also nur 3D-Bilddaten
aus einer bestimmten Bewegungsphase zur Rekonstruktion verwendet,
während
alle anderen erfassten Rekonstruktionsdaten nicht ausgewertet werden.
Beim Abbilden des Herzens oder der Herzkranzgefäße werden bevorzugt beispielsweise nur
3D-Bilddaten, die während
der Diastole erfasst wurden, verwendet, während bei der Erstellung von 3D-Bildern
des Abdomen nur 3D-Daten, die im Ausatmungszustand erfasst wurden,
verwendet werden.
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Die
Bewegung bestimmter Teile von Organen oder insbesondere von verschiedenen
Teilen des Herzens erfolgt jedoch nicht simultan, sondern folgt
dem Anregungsmuster des Organs, d. h., einzelne Teile des abzubildenden
Organs können
sich zu unterschiedlichen Zeitpunkten unterschiedlich stark bewegen.
Die Benutzung eines festen (zeitlichen) Rekonstruktionsfensters
für das
gesamte abzubildende Objekt führt
deshalb häufig
entweder zur einer verschlechterten Bildqualität oder einer nicht-optimalen
Nutzung der Daten, die während
der vermeintlichen Ruhephasen des Organs erfasst wurden.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte
Verfahren und die eingangs genannte Anordnung derart weiterzubilden, dass
hoch aufgelöste
3D-Bilder eines bewegten Untersuchungsbereichs eines Patienten mit
verbesserter Bildqualität
erstellt werden können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren gemäß Anspruch
1 sowie eine Anordnung gemäß Anspruch
6 gelöst.
Das Verfahren ist dabei gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- a) Rekonstruieren einer Anzahl von niedrig
aufgelösten
3D-Bildern aus dem 3D-Bilddatensatz, wobei die niedrig aufgelösten 3D-Bilder
aus 3D-Bilddaten des 3D-Bilddatensatzes
rekonstruiert werden, die zu unterschiedlichen Bewegungsphasen der
periodischen Bewegung erfasst wurden,
- b) Ermitteln einer Bewegungsinformation wenigstens eines Teilbereichs
des Untersuchungsbereichs während
der unterschiedlichen Bewegungsphasen mittels der niedrig aufgelösten 3D-Bilder,
- c) Auswählen
eines zeitlichen Rekonstruktionsfensters, in dem die Bewegung des
wenigstens einen Teilbereichs unterhalb eines vorbestimmten Maßes liegt,
- d) Rekonstruieren eines hoch aufgelösten Teilbildes für den mindestens
einen Teilbereich aus in dem für
den Teilbereich ausgewählten
zeitlichen Rekonstruktionsfenster liegenden 3D-Bilddaten und
- e) Erstellen des gewünschten
3D-Bildes aus dem mindestens einen Teilbild, wobei die nicht als
Teilbilder rekonstruierten Bereiche des 3D-Bildes aus den 3D-Bilddaten
rekonstruiert und mit dem mindestens einen Teilbild kombiniert werden.
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Die
entsprechende Anordnung gemäß Anspruch
6 weist zur Ausführung
des Verfahrens eine Rekonstruktionseinheit sowie eine Recheneinheit auf.
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Der
Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass es nicht optimal
ist, für
den gesamten Untersuchungsbereich, beispielsweise ein zu untersuchendes
Organ wie das Herz, nur 3D-Bilddaten aus demselben zeitlichen Bereich,
also aus einer festen Bewegungsphase, zur Rekonstruktion eines 3D-Bildes
zu verwenden. Da sich einzelne Teile des Untersuchungsbereichs zu
unterschiedlichen Zeitpunkten oder in unterschiedlichen Bewegungsphasen
unterschiedlich stark bewegen können,
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
für die
einzelnen sich unterschiedlich bewegenden Teile des Untersuchungsbereichs
spezifische Rekonstruktionsfenster auszuwählen, Teilbilder in diesen
Rekonstruktionsfenstern zu rekonstruieren und diese Teilbilder danach
zu einem Gesamtbild, nämlich
dem gewünsch ten
3D-Bild zusammenzusetzen. Jedes einzelne Teilbild kann somit aus
unterschiedlichen 3D-Bilddaten des gleichen 3D-Bilddatensatzes gewonnen
werden.
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Der
gesamte Untersuchungsbereich, der in einem 3D-Bild dargestellt werden
soll, kann somit in einzelne Teilbereiche untergliedert werden,
für die
jeweils ein optimales (zeitliches) Rekonstruktionsfenster erfindungsgemäß bestimmt
wird. Es können
aber auch einzelne besonders interessierende Teilbereiche des Untersuchungsbereichs
ausgewählt
werden, in denen diese erfindungsgemäße Erstellung von Teilbildern
anhand eines angepassten Rekonstruktionsfensters erfolgen soll,
während
alle anderen Bereiche des Untersuchungsbereichs in herkömmlicher Weise
anhand aller 3D-Bilddaten des 3D-Bilddatensatzes oder anhand einer
speziellen Teilmenge davon, die in einer bewegungsarmen Phase ermittelt wurde,
rekonstruiert werden.
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Weiterbildungen
und bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Anordnung
sind in den Ansprüchen
2 bis 5 bzw. 7 und 8 angegeben. Die Erfindung eignet sich insbesondere
zur Anwendung bei der Rekonstruktion von 3D-Bildern des Herzens
sowie der Herzkranzgefäße, wobei
das die periodische Herzbewegung repräsentierende Bewegungssignal
dann vorzugsweise einem Elektrokardiogramm entspricht. Die Erfindung
kann jedoch grundsätzlich
auch zur Abbildung anderer Objekte oder anderer Bereiche verwendet
werden, wie beispielsweise zur Abbildung des Abdomen oder einzelner
Organe wie der Leber oder des Magens, da auch diese Bereiche bzw.
Organe einer periodischen Bewegung, nämlich der Atembewegung unterliegen.
Als Bewegungssignal kann dann ein Atembewegungssignal erfasst werden,
wozu sich unterschiedliche Verfahren eignen, wie beispielsweise
ein die Bewegung der Bauchdecke oder des Zwerchfells erfassendes
Signal. Grundsätzlich
lässt sich
dabei durch Anwendung der Erfindung eine verbesserte Bildqualität erreichen,
insbesondere dann, wenn einzelne Teilbereiche bzw. Teilobjekte des
abzubildenden Untersuchungsbereichs ein nicht-simultanes Bewegungsmuster zeigen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zur Ermittlung
der Bewegung des wenigstens einen Teilbereichs ein Bewegungsmodell des
Untersuchungsbereichs erstellt, wozu insbesondere signifikante Punkte
in den niedrig aufgelösten 3D-Bildern verfolgt
werden oder wozu dargestellte Objekte in den niedrig aufgelösten 3D-Bildern segmentiert
werden. Signifikante Punkte können
beispielsweise anatomische Besonderheiten wie beispielsweise Verzweigungen
von Gefäßen in den Herzkranzgefäßen sein.
Durch zeitliche Verfolgung solcher signifikanten Punkte in den einzelnen
niedrig auf gelösten
Teilbildern kann somit eine Bewegungsinformation gewonnen werden
darüber,
wie sich diese Punkte über
die Zeit bewegt haben. Alternativ kann durch eine Segmentierung
beispielsweise des Gefäßbaumes
in den zu unterschiedlichen Bewegungsphasen gehörenden niedrig aufgelösten 3D-Bildern
diese Bewegungsinformation automatisch gewonnen werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird für jedes Volumenelement des
Untersuchungsbereichs oder besonders interessierender Gebiete des
Untersuchungsbereichs ein gesondertes zeitliches Rekonstruktionsfenster
ausgewählt,
wobei jedes Volumenelement (Voxel) oder die besonders interessierenden
Gebiete separat anhand der im ausgewählten zeitlichen Rekonstruktionsfenster
erfassten 3D-Bilddaten rekonstruiert werden. Sofern ausreichend
Rechenzeit zur Verfügung
steht oder wenn ein 3D-Bild mit der höchstmöglichen Auflösung und der
bestmöglichen
Bewegungskorrektur gebildet werden soll, kann somit das erfindungsgemäße Verfahren
für jedes
einzelne Voxel des Untersuchungsbereichs angewendet werden, d. h.,
es wird für
jedes einzelne Voxel eine Bewegungsinformation gewonnen, anhand
derer ein spezielles zeitliches Rekonstruktionsfenster für das Voxel
bestimmt wird, innerhalb dessen die Rekonstruktion dieses Voxel-Bildwertes
dann erfolgt. Es können
jedoch immer auch mehrere Voxel zu einzelnen Voxel-Gruppen zusammengefasst
werden, für
die das erfindungsgemäße Verfahren
angewendet wird, um somit Rechenzeit zu sparen.
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Grundsätzlich kann
die Erfindung zur Erstellung eines 3D-Bildes aus beliebigen 3D-Bilddaten angewendet
werden, d. h., es spielt grundsätzlich keine
Rolle, mittels welcher Modalität
die 3D-Bilddaten erfasst wurden. Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren
jedoch bei 3D-Bilddaten verwendet, die mittels der Computertomographie
oder mittels eines 3D-Rotations-Röntgenverfahren, beispielsweise
mittels eines C-Bogen-Röntgeneinrichtung,
erfasst wurden.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm nach Anspruch 9 zur
Ausführung
des Verfahrens nach Anspruch 1 und/oder zur Steuerung einer Anordnung
nach Anspruch 6. Dieses Computerprogramm weist insbesondere Programmmittel
auf, die zur Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw.
zur Steuerung der erfindungsgemäßen Anordnung
geeignet sind, wenn das Computerprogramm auf einem Computer bzw.
auf einer geeigneten Recheneinheit abläuft.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
und
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2 ein
Blockschaltbild zur Erläuterung
einer erfindungsgemäßen Anordnung.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
soll nun anhand eines Beispiels, gemäß dem ein hoch aufgelöstes 3D-Bild
des Gefäßbaumes
der Herzkranzgefäße rekonstruiert
werden soll, erläutert
werden. Betrachtet man das Kontraktionsmuster des Herzens, so beginnt
dies mit der Kontraktion der Atria, gefolgt von der Kontraktion
der Ventrikel beginnend bei dem Apex. Aufgrund des komplexen Bewegungsmusters der
betrachteten Anatomie zeigen die verschiedenen Volumenelemente (Voxel)
entlang der Koronararterie signifikant unterschiedliche Bewegungsmuster
während
des Herzrhythmus bzw. einer Herzbewegungsphase. Während bei
den bekannten Rekonstruktionsverfahren das zeitliche Rekonstruktionsfenster auf
einfache Weise durch eine konstante zeitliche Verzögerung bezüglich der
R-Zacke im Elektrokardiogramm (EKG) und einer bestimmten zeitlichen
Länge des
Rekonstruktionsfensters definiert ist. Dabei wird zur Rekonstruktion
aller Voxel in dem zu rekonstruierenden Volumen das gleiche Rekonstruktionsfenster
verwendet.
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Erfindungsgemäß sollen
dagegen nun voxelspezifische Rekonstruktionsfenster gewählt werden, die
zunächst
zur Rekonstruktion einzelner Teilbilder verwendet werden, die dann
zu einem gewünschten Gesamtbild
zusammengesetzt werden. In 1 ist ein
Elektrokardiogramm E gezeigt, das über der Zeit t den charakteristischen
Verlauf eines die Herzbewegung repräsentierenden Bewegungssignals – gemessen
wird eine Spannung – darstellt.
Signifikant im Verlauf des EKG ist dabei die sogenannten R-Zacke, die
im Weiteren zur Definition der Rekonstruktionsfenster benutzt wird.
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Mittels
eines bildgebenden Systems, beispielsweise mittels eines Computertomographen oder
einer C-Bogen-Röntgeneinrichtung,
die nach der 3D-Rotationsangiographie arbeitet, wird nun zunächst ein
3D-Bilddatensatz D erfasst. Dies bedeutet, dass kontinuierlich über der
Zeit t in äquidistanten Zeitabständen einzelne
Datensatzelemente, sogenannte Projektionen D01, D02, ..., aus unterschiedlichen
Perspektiven bzw. Abbildungspositionen von dem Untersuchungsbereich
erfasst werden. Diese einzelnen Bilddatensatzelemente bilden zusammen einen
3D-Bilddatensatz D, aus dem ein 3D-Bild des Untersuchungsbereichs
erstellt werden kann. Da die Erfassung der 3D-Bilddaten D zeitlich
parallel zur Erfassung des EKG E erfolgt, lassen sich die erfassten 3D-Bilddaten
D einzelnen Bewegungsphasen des Untersuchungsbereichs zuordnen.
Die Datensatzelemente D01, D11, D21, D31, ... sind somit alle in
einer ersten Bewegungsphase erfasst worden, in der das EKG E die
R-Zacke aufweist; die Datensatzelemente D02, D12, D22, D2, ... sind
in einer zweiten Bewegungsphase mit einer ersten festen zeitlichen
Verzögerung
zur R-Zacke erfasst
worden usw. Die R-Zacken treten dabei mit einem zeitlichen Abstand
(Periode) von T auf.
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Erfindungsgemäß werden
aus den Datensatzelementen, die jeweils während der gleichen Bewegungsphase
erfasst wurden, niedrig aufgelöste 3D-Bilder
I erstellt. Dies bedeutet, dass beispielsweise aus den Datensatzelementen
D01, D11, D21, D1, ... der ersten Bewegungsphase ein erstes niedrig
aufgelöstes
Bild I1, aus den Datensatzelementen D02, D12, D22, D32, ... der
zweiten Bewegungsphase ein zweites niedrig aufgelöstes Bild
I2 usw. rekonstruiert wird. Jedes dieser niedrig aufgelösten Bilder
I1, I2, I3, ... wird somit aus 3D-Bilddaten erstellt, die eine feste zeitliche
Verzögerung
mit Bezug auf die R-Zacke aufweisen.
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Aus
diesen niedrig aufgelösten
3D-Bildern I1, I2, I3, ... wird nun eine Bewegungsinformation B gewonnen,
die Aufschluss darüber
gibt, wie sich die in dem Untersuchungsbereich liegende Anatomie während des
Bewegungszyklus bewegt. In dem hier beschriebenen Beispiel soll
also eine Bewegungsinformation B darüber gewonnen werden, wie sich
einzelne Bereiche des Herzens bzw. einzelne Herzkranzgefäße während des
Herzrhythmus bewegen. Dazu können
beispielsweise signifikante Punkte wie Verzweigungen der Herzkranzgefäße in den
einzelnen niedrig aufgelösten
Bildern I verfolgt werden oder der Gefäßbaum kann automatisch in diesen
Bildern segmentiert werden. Dadurch kann also eine Information darüber gewonnen
werden, in welchen Bewegungsphasen sich Teilbereiche des Untersuchungsbereichs
bzw. im Extremfall einzelne Voxel des Untersuchungsbereichs wie
stark bewegt haben und in welchen Bewegungsphasen bzw. in welchen
zeitlichen Bereichen während
eines Bewegungszyklus keine oder nur eine geringe Bewegung erfolgte.
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Diese
Bewegungsinformation wird nachfolgend genutzt, um für einzelne
Teilbereiche A1, A2, A3, ..., die im Extremfall auch einzelnen Voxeln
entsprechen können,
jeweils ein optimales zeitliches Rekonstruktionsfenster T1, T2,
T3, ... zu bestimmen. Für
einen ersten Teilbereich A1 wird somit ein erstes zeitliches Rekonstruktionsfenster
T1 bestimmt, was gleichbedeutend ist damit, dass nur Bilddatensatzelemente,
die aus diesem zeitlichen Bereich während des Bewegungszyklus erfasst
wurden, zur Rekonstruktion eines hoch aufgelösten Teilbildes K1 dieses Teilbereichs
A1 verwendet werden. Dieses Rekon struktionsfenster T1 ist auch in 2 zu
erkennen, woraus sich entnehmen lässt, dass beispielsweise für die Rekonstruktion
eines hoch aufgelösten
Teilbildes K1 des Teilbereichs A1 nur die Bilddatensatzelemente
D02, D03, D04, D05, D12, D13, D14, D15, D22, D23, ... verwendet
werden, da offenbar während
des Zeitfensters T1 des Bewegungszyklus der Teilbereich A1 keiner
oder nur einer geringen Bewegung unterlegen hat. Für einen
zweiten Teilbereich A2 wird dagegen ein anderes zeitliches Rekonstruktionsfenster
T2 aus der Bewegungsinformation B gewonnen. Für die Erstellung eines hoch
aufgelösten
Bildes K2 des Teilbereichs A2 werden somit Bilddatensatzelement
D04, D05, D06, D07, D14, D15, ... verwendet, da offenbar während des
zeitlichen Bereichs T2 der Teilbereich A2 sich am wenigsten bewegt
hat.
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Für jeden
Teilbereich A, für
den das erfindungsgemäße Verfahren
angewendet werden soll, wird somit ein individuelles zeitliches
Rekonstruktionsfenster T gewählt,
wobei die zeitliche Verzögerung
bezüglich
der R-Zacke sowie die zeitliche Dauer des Rekonstruktionsfensters
für jeden
Teilbereich A unterschiedlich sein kann. Die Rekonstruktionsfenster
können
sich jedoch überschneiden
oder auch identisch sein.
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Wie
bereits beschrieben, kann in einem Extremfall für jedes einzelne Voxel des
Untersuchungsbereichs ein gesondertes zeitliches Rekonstruktionsfenster
T bestimmt werden, so dass jedes einzelne Voxel individuell aus
speziell ausgewählten
Datensatzelementen optimal rekonstruiert wird. In einem anderen
Extremfall kann nur für
einen einzigen Teilbereich des Untersuchungsbereichs ein gesondertes Rekonstruktionsfenster
ermittelt werden, während alle
anderen Bereiche des Untersuchungsbereichs in herkömmlicher
Weise aus allen 3D-Bilddaten des 3D-Bilddatensatzes D oder aus 3D-Bilddaten
eines festen zeitlichen Rekonstruktionsfensters rekonstruiert werden.
Es sei nochmals erwähnt,
daß die
Rekonstruktionsfenster variabel sind und für jeden Teilbereich eine unterschiedliche
Länge und
einen unterschiedlichen zeitlichen Ausschnitt aus der Bewegungsperiode
umfassen.
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In
einem letzten Schritt werden die erstellten hoch aufgelösten Teilbilder
K1, K2, K3, ... zu dem gewünschten
hoch aufgelösten
3D-Bild G zusammengefügt.
Die Teilbereiche in diesem 3D-Bild, für die erfindungsgemäß ein gesondertes
Rekonstruktionsfenster gewählt
wurde, weisen somit eine deutlich erhöhte Bildqualität mit höherer Auflösung und
geringeren Artefakten auf.
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Eine
erfindungsgemäße Anordnung
zur Durchführung
des beschriebenen Verfahrens ist in 2 in einem
Blockschaltbild gezeigt. Mittels einer Bilddatenerfassungseinrichtung 1,
beispielsweise eines Computertomographen oder einer C-Bogen- Röntgeneinrichtung, wird dort
zunächst
ein 3D-Bilddatensatz D ermittelt. Parallel dazu wird mittels einer
geeigneten Messeinrichtung 2, beispielsweise mittels eines
Elektrokardiographen, ein Bewegungssignal E, beispielsweise ein
EKG, erfasst, das Rückschlüsse auf
die Bewegung der abzubildenden Anatomie zulässt. Die erfassten Daten werden
zunächst
in einem Speicher 3 abgelegt und anschließend der
Rekonstruktionseinheit 4 zur Auswertung und Weiterverarbeitung
zugeführt.
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Dort
werden in einem ersten Rekonstruktionsmodul 41 zunächst die
niedrig aufgelösten 3D-Bilder
I, die den Untersuchungsbereich in unterschiedlichen Bewegungsphasen
zeigen, erstellt. Anschließend
werden diese niedrig aufgelösten
3D-Bilder einer Recheneinheit 5 zugeführt, in der in einem ersten
Modul 51 die Bewegungsinformationen B, beispielsweise in
Form eines Bewegungsmodells, gewonnen werden, die anschließend in
einem zweiten Modul 52 ausgewertet werden. In dem Modul 52 werden
somit aus den Bewegungsinformationen für einzelne Teilbereiche A,
die beispielsweise von einem Benutzer festgelegt werden, die individuellen
zeitlichen Rekonstruktionsfenster T ermittelt. Diese Rekonstruktionsfenster
werden dann einem zweiten Rekonstruktionsmodul 42 zugeführt, das
anhand dieser Informationen sowie anhand des Bewegungssignals E
aus dem 3D-Bilddatensatz
die jeweiligen hoch aufgelösten
Teilbilder K für
die einzelnen Teilbereiche A erstellt. Diese hoch aufgelösten Teilbilder
K werden schließlich
in einem Kombinationsmodu 43 zu dem gewünschten hoch aufgelösten 3D-Gesamtbild
G des Untersuchungsbereichs kombiniert.
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2:
- 2
- EKG
- 3
- RAM
- 41,
42
- Rekonstruktion
- 43
- Kombination
- 51
- Prozessmodell
- 52
- Fensterauswahl