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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme von Querschnittsbildern
der Umgebung eines in einem Körper
ausgebildeten Lumens, mit einer Sondeneinheit, die eine in das Lumen
einbringbare Sonde umfasst und der eine Verarbeitungseinheit nachgeschaltet
ist, die aus den von der Sondeneinheit gelieferten Messinformation
eine Folge von Querschnittsbildern erzeugt.
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Eine
derartige Vorrichtung ist aus der WO 97/32182 A1 bekannt. Die bekannte
Vorrichtung bedient sich der optischen Kohärenztomographie, um Querschnittsbilder
von Gefäßen zu erzeugen.
Die Sondeneinheit der Vorrichtung umfasst im einfachsten Fall eine
Sonde, die den Messarm eines Interferometers darstellt. Die Sondeneinheit
umfasst ferner einen Referenzarm, dessen optische Weglänge variiert
werden kann. Sowohl in den Referenzarm als auch in den Messarm wird
Licht eingespeist, das eine kurze Kohärenzlänge aufweist. Das in den Messarm
eingespeiste Licht durchläuft
die Sonde und wird im Bereich der Sondenspitze, die sich im zu untersuchenden
Gefäß befindet,
zur Gefäßwand gelenkt.
Dort wird das Licht in unterschiedlichen Gewebetiefen zur Sondenspitze
zurückgeworfen,
dort erfasst und von dort durch die Sonde zurückgeführt. Das im Referenzarm und
im Messarm zurücklaufende
Licht wird überlagert
und einem Detektor zugeführt.
Im Referenzarm oder im Messarm sind Modulationsmittel vorgesehen,
durch die das Licht moduliert werden kann. Wenn das vom Referenzarm
und vom Messarm zurücklaufende
Licht im Detektor interferiert, wird durch diese Modulation die
vom Detektor erfasste Intensität
moduliert. Interferenz tritt aber nur dann auf, wenn die optische Weglänge des
Lichts im Referenzarm und im Messarm in etwa gleich ist. Durch Variation
der optischen Weglänge
im Referenzarm über
mehrere Kohärenzlängen hinweg
können
jeweils die in einer bestimmten Gewebetiefe zurückgeworfenen Photonen zur Interferenz
gebracht werden. Die Sonde kann so beschaffen sein, dass an einem
Ort im Gefäß jeweils
ein Querschnittsprofil aufgenommen werden kann. Im einfachsten Fall
wird dies durch Rotation der Sonde bewerkstelligt, wobei in jeder
Winkelstellung jeweils ein Tiefenprofil erstellt wird.
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Die
der Sondeneinheit nachgeschaltete Verarbeitungseinheit erstellt
dann aus dem von der Sondeneinheit gelieferten Messsignal ein Querschnittsprofil.
Da die Sonde schrittweise durch das Gefäß bewegt wird, liefert die
Verarbeitungseinheit nacheinander eine Folge von Querschnittsbildern.
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Da
die bekannte Vorrichtung dazu verwendet wird, Gefäßuntersuchungen
an lebenden Patienten durchzuführen,
ist die Intensität
des in den Messarm eingespeisten Lichts begrenzt. Außerdem wird
nur ein Bruchteil der Intensität,
die auf die Gefäßwände trifft,
zur Sonde zurückgeworfen.
Dies führt
dazu, dass die von der bekannten Vorrichtung gelieferten Querschnittsbilder
in der Regel mit starkem Rauschen behaftet sind. Hinzu kommt, dass
die Qualität
der Querschnittsbilder stark davon abhängt, ob noch Reste von Blut
im zu untersuchenden Gefäß vorhanden
sind oder ob das vorhandene Blut für die Untersuchung komplett
ausgespült werden
konnte. Daher sind die Querschnittsbilder neben dem Rauschen häufig noch
mit starken Artefakten behaftet.
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Beides
führt dazu,
dass der Arzt, der nach pathologischen Strukturen in den Querschnittsbildern
sucht, diese häufig
nicht oder nur unzureichend erkennt. Noch größere Schwierigkeiten bei der
Erkennung pathologischer Strukturen treten auf, wenn ein computergestütztes automatisches
Auswerteverfahren eingesetzt wird. Denn ein derartiges Verfahren
setzt einigermaßen
störungsfreie
Bilder voraus.
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Weiter
ist aus SHANKAR, P.M.:Speckle Reduction in Ultrasound B-Scans Using
Weighted Averaging in Spatial Compounding. In: IEEE Transactions
on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 1986, Vol.
UFFC-33, No. 6, Seiten 754 bis 758 bekannt, mittels Ultraschall
aufgenommene Querschnittsbilder zur Rauschreduktion zu einem Gesamtquerschnittsbild
zu addieren. Hierzu werden von einer Zielregion Querschnittsbilder
aus verschiedenen Richtungen aufgenommen und die aufgenommenen Querschnittsbilder
zu einem Gesamtquerschnittsbild gemittelt.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Vorrichtung anzugeben, die Querschnittsbilder mit verbesserter
Bildqualität
liefert.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
gelöst. In
davon abhängigen
Ansprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Die
Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Verarbeitungseinheit
die an verschiedenen Orten einer Längsachse des Lumens von der
Sonde aufgenommene Querschnittsbilder zu einem Gesamtquerschnittsbild
addiert. Da die durch Blutreste hervorgerufenen Bildartefakte eine
wesentlich kleinere Ausdehnung als die zu findenden pathologischen
Strukturen aufweisen, wird eine Addition von entlang der Bahn der
Sonde im Lumen aufgenommenen Querschnittsbildern die Bildartefakte
abschwächen
und die pathologischen Strukturen hervorheben. Außerdem wird
das Bildrauschen reduziert. Beides führt dazu, dass dem behandelnden Arzt
die Diagnose wesentlich erleichtert wird und dass der Einsatz von
automatischen Auswerteverfahren möglich wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
addiert die Verarbeitungseinheit Querschnittsbilder die entlang
einer Strecke aufgenommen worden sind, deren Länge der Größe einer zu erkennenden pathologischen Struktur
entspricht. Auf diese Weise werden Artefakte am wirksamsten unterdrückt und
die zu suchenden pathologischen Strukturen am wirksamsten hervorgehoben.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
führt die
Verarbeitungseinheit eine gewichtete Addition der einzelnen Querschnittsbilder
aus. Dies bietet die Möglichkeit,
Artefakte besonders wirksam zu unterdrücken und pathologische Strukturen
besonders deutlich hervorheben zu lassen.
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Beispielsweise
kann das zentrale Bild bei einer Addition am stärksten gewichtet werden. Dadurch
wird verhindert, dass sich Bildstrukturen sprunghaft ändern und
sich nur schwer lokalisieren lassen.
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Daneben
ist es möglich,
dass die Verarbeitungseinheit zentrale Bilder geringer gewichtet
als Bilder, die sich am Rand der zu addierenden Folge von Querschnittsbildern
befinden. Dadurch lassen sich Artefakte, die sich in den zentralen
Querschnittsbildern befinden, gezielt unterdrücken.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Zahl der zu addierenden Bilder und die Art der Gewichtung
von einem Benutzer einstellbar. Dies bietet den Vorteil, dass die
Anzahl der zu addierenden Bilder und die Art der Gewichtung an die
Größe und Struktur
der zu erkennenden pathologischen Struktur anpassbar sind.
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Schließlich ist
es auch von Vorteil, wenn die Verarbeitungseinheit die Möglichkeit
bietet, Differenzbilder zwischen dem Gesamtquerschnittsbild und
einem oder mehreren Querschnittsbildern zu betrachten. Anhand der
Differenzbilder kann der Benutzer erkennen, ob die Verarbeitungseinheit
die passende Gewichtung verwendet und ob die Verarbeitungseinheit
eine passende Anzahl von einzelnen Querschnittsbildern addiert.
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Bei
der Vorrichtung handelt es sich insbesondere um eine Vorrichtung
zur Untersuchung von Gefäßen mit
Hilfe der optischen Kohärenztomographie.
Daneben kann die Vorrichtung aber auch im Zusammenhang mit der intravaskulären Ultraschalldiagnostik
eingesetzt werden.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele
der Erfindung im Einzelnen anhand der beigefügten Zeichnung erläutert werden. Es
zeigen:
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1 eine
Vorrichtung zur Aufnahme von Querschnittsbildern eines Gefäßes;
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2 eine
Folge von bei der Untersuchung eines Gefäßes aufgenommenen Querschnittsbildern;
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3 bis 6 Diagramme,
in denen verschiedene Möglichkeiten
der Gewichtung der einzelnen Querschnittsbilder dargestellt sind;
und
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7 eine
Bildschirmansicht einer Verarbeitungseinheit für Querschnittsbilder.
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1 zeigt
ein optisches Tomographiegerät 1 mit
einer Sondeneinheit 2 und einer Verarbeitungseinheit 3.
Die Verarbeitungseinheit 3 kann beispielsweise ein Rechner
sein, der aufgrund einer geeigneten Steckkarte dazu in der Lage
ist, die von einem Detektor der Sondeneinheit 2 gelieferten
analogen Signale zu digitalisieren und weiterzuverarbeiten.
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Von
der Sondeneinheit 2 ist in 1 lediglich
eine Zugvorrichtung 4 dargestellt, mit deren Hilfe ein
Katheter 5 aus einem Gefäß 6 in eine Zugrichtung 7 herausgezogen
werden kann. Zu diesem Zweck ist der Katheter 5 vorab in
das Gefäß 6 eingeführt worden.
Das Gefäß 6 kann
beispielsweise Teil eines Gefäßbaums 8 des
Herzens sein.
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Während der
Katheter 5 aus dem Gefäß 6 zurückgezogen
wird, erstellt das optische Tomographiegerät 1 eine Folge 9 von
Querschnittsbildern 10, die in 2 dargestellt
sind. Die Querschnittsbilder 10 zeigen jeweils einen Katheterquerschnitt 11 und
ein Gefäßlumen 12,
das von einer Gefäßwand 13 umgeben
ist. Auch ein Teil eines die Gefäßwand 13 umgebenden
Gewebes 14 ist dargestellt.
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Die
Erzeugung der Querschnittsbilder 10 erfolgt auf bekannte
Weise mit Hilfe der Sondeneinheit 2 und der Verarbeitungseinheit 3.
Die dazu nötigen
Mittel sind dem Fachmann bekannt und als solche nicht Gegenstand
der Anmeldung.
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Bei
dem optischen Tomographiegerät 1 werden
die an verschiedenen Orten entlang einer Längsachse 15 des Gefäßes aufgenommenen
Querschnittsbilder 10 hinzuaddiert. In den 3 bis 6 sind
verschiedene Gewichtungsfunktionen dargestellt.
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Entlang
der Abszisse ist die fortlaufende Nummer der Querschnittsbilder 10 aufgetragen.
Entlang der Ordinate ist der den jeweiligen Querschnittsbildern 10 zugeordnete
Gewichtsfaktor eingezeichnet. Bei einer Gleichgewichtung 16 gemäß 3 werden
die Bilder gleichmäßig gewichtet.
Anders verhält
es sich bei der in 4 dargestellten reziproken Gewichtung 17,
bei der linearen Gewichtung 18 gemäß 5 oder der
Gaußschen
Gewichtung 19 gemäß 6.
Bei der reziproken Gewichtung 17, der linearen Gewichtung 18 und
der Gaußschen
Gewichtung 19 werden zentrale Querschnittsbilder 10 übergewichtet.
Neben den in 3 bis 6 dargestellten
Gewichtungen sind auch Gewichtungen anwendbar, die zentrale Querschnittsbilder 10 untergewichten.
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Durch
die gewichtete Addition der Querschnittsbilder 10 ergibt
sich ein aktuelles Gesamtquerschnittsbild 20, das wie in 7 dargestellt
auf einem Bildschirm 21 der Verarbeitungseinheit 3 dargestellt
werden kann. Neben dem Gesamtquerschnittsbild 20, das aus
der Addition mehrerer einzelner Querschnittsbilder 10 hervorgeht,
sind auf dem Bildschirm 21 das aktuelle zentrale Querschnittsbild 22,
ein Differenzbild 23 sowie eine aktuelle Gewichtungsfunktion 24 dargestellt.
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Das
Gesamtquerschnittsbild
20 wird von der Verarbeitungseinheit
3 durch
Addition von R Querschnittsbilder
10 vor dem aktuellen
Querschnittsbild
22 und R Querschnittsbildern
10 nach
dem aktuellen Querschnittsbild
22 erzeugt, gemäß der Formel:
wobei
A(i) das i-te Gesamtquerschnittsbild
20, w(k, R) der k-te Gewichtungsfaktor
einer Gewichtung der Breite 2R und F(k) das k-te Querschnittsbild
10 ist.
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Vorzugsweise
sind die einzelnen Gewichtungsfunktionen normiert, so dass gilt:
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Ferner
sind die Gewichtsfunktionen vorzugsweise bezüglich des zentralen Querschnittsbilds 22 symmetrisch
und weisen dort den größten Gewichtsfaktor
auf.
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Die
Anzahl der aufzuaddierenden Querschnittsbilder 10 oder
die Breite der aktuellen Gewichtungsfunktion 24 sollte
so gewählt
werden, dass sich der aufaddierte Stapel von Querschnittsbildern 10 über eine Strecke
entlang dem Gefäß 6 erstreckt,
dessen Länge
in etwa der Größe der zu
erkennenden pathologischen Struktur entspricht. Durch die Addition
werden dann Artefakte in den Querschnittsbildern 10 abgeschwächt und pathologische
Strukturen verstärkt,
so dass diese im Gesamtquerschnittsbild 20 wesentlich deutlicher
hervortreten als in den einzelnen Querschnittsbildern 10.
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Die
auf das aktuelle Querschnittsbild 22 zentrierten und von
dort stetig abfallenden Gewichtungen 17 bis 19 bieten
den Vorteil, dass keine sprunghaften Bildveränderungen auftreten. Ein in
einem Querschnittsbild 10 enthaltenes Artefakt kann somit
nicht zu einer plötzlichen
Veränderung
des Gesamtquerschnittsbilds 20 führen. Umgekehrt wird ein Artefakt,
das im aktuellen Querschnittsbild 22 enthalten ist auch
nicht in dem Maß herausgemittelt
wie bei der Gleichgewichtung 16.
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Eine
Gewichtung, die das zentrale aktuelle Querschnittsbild 22 untergewichtet,
bietet sich insbesondere dann an, wenn die räumlichen Lagen der Artefakte
bekannt sind oder wenn Lücken
auftreten, die aus der Folge der für das Gesamtquerschnittsbild 20 verwendeten
Querschnittsbilder 10 herausgenommen werden soll.
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Um
nach Möglichkeit
zu verhindern, dass durch die Mittelung der Querschnittsbilder 10 Information verloren
geht, wird auf dem Bildschirm 21 das Differenzbild 23 dargestellt,
das die Differenzwerte zwischen dem aktuellen Gesamtquerschnittsbild 20 und
dem aktuellen Querschnittsbild 22 enthält. Wenn in dem Differenzbild 23 regelmäßige Strukturen
zu erkennen sind, deutet dies auf eine zu breite Gewichtsfunktion
oder eine zu wenig zentrallastige Gewichtung hin.
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Die
Verarbeitungseinheit 3 bietet daher dem Benutzer vorzugsweise
die Möglichkeit,
die verwendete Gewichtsfunktion anzupassen. Dabei hat der Benutzer
insbesondere die Möglichkeit,
die Art der Gewichtsfunktion als auch deren Parameter einzustellen.
Ferner kann der Benutzer eines der Querschnittsbilder 10 in der
Folge 9 als aktuelles zentrales Querschnittsbild 22 auswählen und
so die Lage des Stapels der zu dem aktuellen Gesamtquerschnittsbild 20 aufaddierten
oder gemittelten Querschnittsbilder 10 bestimmen.
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Das
optische Tomographiegerät 1 bietet
in der Regel ein wesentliches klareres Bild von dem zu untersuchenden
Gefäß 6 als
herkömmliche
optische Tomographiegeräte.
Neben dem Katheterquerschnitt 11, der auch in den Querschnittsbildern 10 in
der Regel deutlich zu erkennen ist, sind das Gefäßlumen 12 und die
Gefäßwand 13 deutlich
abgegrenzt zu erkennen.
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Es
sei angemerkt, dass der Katheterquerschnitt 11 in den einzelnen
Querschnittsbildern 10 in der Regel dazu verwendet wird,
die einzelnen Querschnittsbilder 10 für die Addition zur Deckung
zu bringen.
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Mit
dem optischen Tomographiegerät 1 wird
die ärztliche
Diagnose wesentlich erleichtert. Ferner kann daran gedacht werden,
automatische, Computer gestützte
Diagnoseverfahren einzusetzen.
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Abschließend sei
angemerkt, dass das hier beschriebene Konzept der Verarbeitung von
Querschnittsbildern 10 auch in intravaskulären Ultraschallbildern
angewandt werden kann, die mit Hilfe eines intravaskulären Ultraschallgeräts aufgenommen
worden sind.
