799 
SELECTIVE X-RAY RECONSTRUCTION AND REGISTRATION FOR POSE 
ESTIMATION IN 6 DEGREES OF FREEDOM 
B. P. Selby 3 ’*, G. Sakas b , S. Walter 3 , W.-D. Groch c , U. Stilla d 
a Medcom GmbH, Rundeturmstr. 12, 64283 Darmstadt, Germany - pselby@medcom-online.de 
b Fraunhofer IGD, Cognitive Computing and Medical Imaging, 64283 Darmstadt, Germany 
L University of Applied Sciences, Fachbereich Informatik, 64295 Darmstadt, Germany 
d Technische Universitaet Muenchen, Photogrammetry and Remote Sensing, Germany 
KEY WORDS: Radiometry, Orientation, Detection, Rendering, Registration, Spatial, X-Ray, Accuracy 
ABSTRACT: 
Particle beams in radiological cancer treatment provide high accuracy in dose delivery. Thus approaches from image-guided 
radiotherapy (IGRT) are used to overcome accuracy limitations caused by the patient misalignment in the treatment device. By 
comparing stereoscopic X-ray images of the patient in treatment position to a reference Computed Tomography (CT) scan, a 
correction of the initial patient set-up can be computed. Automatic registration of the X-ray images with digital reconstructed 
radiographs (DRRs) from the CT and back-projection of the transformations gives a pose correction in 5 degrees of freedom (DOF). 
To obtain a 6 DOF correction, DRRs have to be generated for a large amount of hypothetical alignments to find the optimal match to 
the X-ray images. To accelerate this time consuming process and to reduce the disturbing influence of image contents that do not 
match correctly, we automatically exclude regions that may not improve the resulting pose correction from the rendering as well as 
from the matching process. Therefore these regions are identified in the X-ray images and transferred into the plane of the respective 
DRR. We then perform the radon transform for DRR generation only for a subset of possible pixel values and exclude the missing 
information from the registration process. As a result of this approach, the time needed for a full automatic pose correction 
computation in 6 DOF is decreased by means of 4 and more and additionally misregistrations caused by unsuitable image contents 
can be avoided. 
KURZFASSUNG: 
Die Verwendung von Partikelstrahlung in der radiologischen Krebsbehandlung ermöglicht eine sehr hohe Genauigkeit bezüglich der 
Dosisverteilung. Deshalb werden Verfahren aus der bildgestützten Radiotherapie (IGRT) eingesetzt, um Begrenzungen der 
Genauigkeit zu überwinden, welche durch die initiale Patientenlagerung zustande kommen. Eine Korrektur der initialen 
Patientenposition kann durch Vergleich von stereoskopisch aufgenommenen Röntgenbildem, die den Patienten in der aktuellen Lage 
zeigen, mit einer Vergleichs-Computertomographie (CT) Aufnahme ermittelt werden. Eine automatische Registrierung der echten 
Röntgenbilder mit aus der CT Aufnahme rekonstruierten Röntgenbildem (DRRs) und Rückprojektion der resultierenden 
Transformationen ergibt eine Lagekorrektur in 5 Freiheitsgraden (DOF). Um eine Korrektur in 6 Freiheitsgraden zu erhalten, müssen 
DRRs für eine große Anzahl an hypothetischen Lagerungen erzeugt werden um diejenige Lage zu finden, in welcher die Bilder am 
besten zu den Röntgenaufnahmen passen. Um diesen zeitintensiven Prozess zu beschleunigen und um den störenden Einfluss von 
Bildinhalten zu reduzieren, welche nicht in beiden Bildpaaren übereinstimmen, schließen wir bestimmte Bildregionen, welche die 
resultierende Patientenlage nicht verbessern, automatisch vom Rendering und dem Bildvergleich aus. Dazu werden die besagten 
Regionen in den Röntgenbildem identifiziert und in the Ebene der entsprechenden DRRs übertragen. Die Radon Transformation für 
die DRR Erzeugung wird nun numoch für einen Teilbereich des Gesamtbildes durchgeführt und die ausgeschlossene Information 
wird beim Rendering nicht mehr berücksichtigt. Im Ergebnis kann die Zeit die zum vollautomatischen Bestimmen der Patientenlage 
in 6 Freiheitsgraden benötigt wird um den Factor 14 reduziert werden. Zusätzlich kann das Auftreten von Fehlregistrierungen, 
verursacht durch nicht zusammenpassende Bildregionen, verringert werden. 
1. INTRODUCTION 
Modem particle beam based cancer treatment methods allow 
highly accurate application of the treatment dose onto the 
carcinogen tissue. Today a rapid growing number of 
commercial health centers all over the world exploit the 
advances of particle beams. Due to the narrow dose maximum 
of the Bragg Peak particle beam based radiotherapy enables 
accurate delivery of the treatment dose onto the diseased tissue 
so that accuracies in the sub-millimeter domain are feasible 
even in depth of the patient body. However, to be able to 
achieve those accuracies a major issue is the exact alignment of 
the patient in the treatment machine (Verhey et al., 1982). 
Common strategies like tracking of external markers or fixation 
of the patients body do not suffice the requirement of high set 
up precision and are not feasible for a variety of organs because 
of possible movements of the treatment target relative to the 
outer body shape. 
It is common practice in image guided radiotherapy (IGRT) to 
align patients manually or semi-automatic in the treatment 
device. By visual evaluation of X-ray images and respective 
digital reconstructed radiographs (DRRs) the misalignment of 
the patient can be estimated (Thilmann et al., 2005; Yue et al., 
2006). The Computed Tomography (CT) data recorded during 
the treatment-planning phase serves as reference position of the 
relevant body part. X-ray images acquired before treatment