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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung von Messdaten sowie eine Kontrolleinrichtung und eine medizintechnisch bildgebendes System.
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Bei bildgebenden Verfahren wie der Computertomographie (CT) oder der Kernspintomographie (MRT) werden die Bilder nach der Akquisition aus Rohdaten rekonstruiert und danach oft noch weiterverarbeitet (Postprocessing). Die Weiterverarbeitung kann ganz einfache Prozesse umfassen wie beispielweise das Erstellen von multiplanaren (MPR) und curved-planaren Reformatierungen (CPR). Zunehmend kommen aber komplizierte bildbasierte algorithmische Auswertungen zum Einsatz wie beispielweise Knochenentfernung (bone removal), Volumetrie von Organen wie Leber, Lunge, Milz, etc., bis hin zu Perfusionsauswertung, Gewebeklassifizierung (z. B. mittels dual energy), CAD (computer aided detection) zum Finden von Läsionen oder Simulationsverfahren, z. B. aus dem Bereich der Strömungssimulation (ctFFR, aus CT-Bildern berechnete fraktionelle Flussreserven). Diese bildbasierten Verfahren erbringen oft quantitative Ergebnisse (z. B. FFR, Volumetrie) oder „Scores“, d. h. Bewertungen auf einer Skala mit beliebigen Einheiten z. B. zur Malignitätswahrscheinlichkeit.
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Dabei ist ein häufiges Problem, dass die aufgenommenen Bilder durch Artefakte nicht oder nur eingeschränkt für die Nachverarbeitung geeignet sind. Die Ursachen dafür sind zahlreich: Bewegungsartefakte, Adipositas, Metallimplantate des Patienten, Stents und vieles mehr.
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Oft stellt sich auch während der Untersuchung erst heraus, dass ein bestimmtes Postprocessing erforderlich ist – entweder aufgrund von Zufallsbefund oder aufgrund einer untypischen Erscheinung bei einer Krankheit. Beispielsweise kann bei einem untypischen Lungenrundherd eine Texturanalyse sinnvoll sein, welche aber eine höhere Strahlendosis erfordert als üblicherweise für die Primäruntersuchung verwendet wird. Ein weiteres klinisches Beispiel ist eine Embolie als Zufallsbefund. Darüber hinaus kann für ein bestimmtes Postprocessing notwendig sein, dass die Aufnahme unter Zugabe von Kontrastmittel erfolgt.
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Da derzeit das Postprocessing normalerweise erst nach der eigentlichen Untersuchung stattfindet, werden diese Probleme erst entdeckt, wenn sich der Patient schon nicht mehr in der Modalität befindet und eventuell die Arztpraxis oder Radiologieabteilung bereits verlassen hat. In diesem Fall muss er wieder einbestellt werden, was zeitlich ineffizient ist. Zudem können nicht einfach nur die fehlenden bzw. unzureichend akquirierten Bildteile „nachgemessen“ werden, weil der Patient bei der zweiten Untersuchung regelmäßig anders liegt bzw. positioniert ist und die Aufnahmen dadurch nicht übereinstimmen. Es muss also in der Regel eine vollständig neue Akquisition ggf. mit zusätzlicher Strahlenbelastung durchgeführt werden.
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Zur Beurteilung der Eignung der akquirierten Aufnahmen für die Nachbearbeitung erfolgt bisher eine visuelle Kontrolle durch das Bedienpersonal. Ungünstigerweise sind Artefakte, die das Postprocessing erschweren oder unmöglich machen, nicht immer mit dem bloßen Auge zu erkennen. Darüber hinaus sind die Scanner-Operateure üblicherweise keine Radiologen und dementsprechend auch nicht zum Erkennen von Zufallsbefunden ausgebildet.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Kontrolleinrichtung zur Nutzung von Messdaten eines Untersuchungsobjekts anzugeben, welche eine Nachbearbeitung effizient ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Positionierung gemäß Patentanspruch 1, ein Verfahren zur Bestimmung einer Pose gemäß Patentanspruch 9, eine Steuerungseinrichtung gemäß Patentanspruch 10 sowie durch eine medizintechnische bildgebende Anlage gemäß Patentanspruch 11 gelöst.
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Das eingangs genannte Verfahren zur Nutzung von Messdaten eines Untersuchungsobjekts für einen Nachbearbeitungsprozess weist zumindest folgende Schritte auf. In einem Schritt werden erste Messdaten erfasst, die mittels einer medizintechnisch bildgebenden Modalität ermittelt wurden. In einem weiteren Schritt erfolgt eine automatische Analyse der ersten Messdaten auf Basis von definierten Kriterien. In diesem Schritt erfolgt zusätzlich optional ein automatisches Überprüfen eines Steuerparametersatzes, wobei die ersten Messdaten anhand von definierten Kriterien hinsichtlich zweiter Messdaten analysiert werden, welche mittels der Modalität unter Verwendung des Steuerparametersatzes erfasst würden. Dabei umfassen die definierten Kriterien sowohl bei der Analyse der ersten Messdaten als auch bei der Analyse der ersten Messdaten zum Überprüfen des Steuerparametersatzes ein Nachbearbeitungsvermögen der Messdaten und/oder eine Identifikation zumindest einer Bildeigenart. In einem weiteren optionalen Schritt wird der Steuerparametersatz modifiziert. In noch einem weiteren optionalen Schritt werden zweite Messdaten unter Verwendung des gegebenenfalls modifizierten Steuerparametersatzes erfasst. Schließlich werden in einem weiteren Schritt die ersten Messdaten und/oder die zweiten Messdaten in einem Nachbearbeitungsprozess genutzt.
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Bei den Messdaten kann es sich beispielsweise um Topogrammdaten, um Rohdaten oder um Bilddaten handeln. Topogrammdaten bezeichnen die Daten eines als Übersichtaufnahme erstellten Topogramms, das mittels der medizintechnisch bildgebenden Modalität aufgenommen wurde. Sie ergeben üblicherweise ein zweidimensionales Bild des Untersuchungsobjekts. Die Rohdaten bezeichnen unverarbeitete Daten. Sie sind also die Daten, die im Rahmen der Bildakquisition vom Inneren des Untersuchungsobjekts erfasst werden. Aus ihnen kann folgend ein dreidimensionaler Volumendatensatz als Bilddaten des Untersuchungsobjekts rekonstruiert werden kann. Bei dem Untersuchungsobjekt kann es sich grundsätzlich um beliebige Gegenstände und/oder Lebewesen handeln, bevorzugt ist das Untersuchungsobjekt jedoch ein menschlicher Patient.
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Die Messdaten werden für den Nachbearbeitungsprozess genutzt, der im Folgenden auch als Postprocessing bezeichnet wird. Dies kann, wie bereits eingangs genannt, eine einfache Bearbeitung umfassen wie beispielsweise die Erstellung einer multiplanaren oder curved-planaren Reformatierung. Es können im Rahmen des Postprocessing allerdings auch komplizierte bildbasierte algorithmische Auswertungen vorgenommen werden, z. B. können die Knochen aus dem Bild entfernt werden (bone removal). Ferner können Leber, Lunge, Milz etc. volumetrisch untersucht werden. Außerdem kann eine Perfusionsauswertung, d.h. eine Auswertung der Durchströmung eines Hohlorgans, oder eine Gewebeklassifizierung vorgenommen werden. Des Weiteren kann ein CAD-Algorithmus zum Finden von Läsionen auf die Messdaten angewendet werden oder mittels eines Simulationsverfahrens z. B. eine Strömungssimulation wie ctFFR, also aus eine aus CT-Bildern berechnete fraktionelle Flussreserve berechnet werden.
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Die Art des Nachbearbeitungsprozesses kann beispielsweise durch einen Benutzer festgelegt oder automatisch anhand einer Indikation bestimmt werden, die in einer zugehörigen ggf. digitalen Patientenakte vermerkt ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bestimmt, ob bzw. inwieweit die Messdaten für den gewünschten Nachbearbeitungsprozess verwendet werden können. Dies wird im Folgenden anhand der einzelnen Verfahrensschritte näher erläutert.
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Zunächst werden erste Messdaten erfasst, bei denen es sich nicht zwangsläufig um Daten handeln muss, die für eine 3D-Rekonstruktion geeignet sind. So kann es sich hierbei beispielsweise auch um zweidimensionale Topogrammdaten handeln. Die Messdaten wurden im Vorhinein im Rahmen eines gängigen, dem Fachmann bekannten Akquisitionsverfahrens (CT-Scan, MRT-Sequenz etc.) unter Verwendung eines Steuerprotokolls bzw. eines Steuerparametersatzes mittels der Modalität akquiriert. Dies kann also beispielsweise mit einem CT-Gerät, einem MRT-Gerät, einem Ultraschallgerät, einem Angiographiegerät oder ähnlichen für die dreidimensionale Bildgebung geeigneten Modalitäten erfolgen. Im Steuerungsprotokoll – auch Untersuchungsprotokoll genannt – sind zeitlicher Ablauf und weitere, vorzugsweise alle für die Akquisition benötigten, Steuerparameter vordefiniert. Dadurch kann die Akquisition automatisch bzw. teilautomatisch durchgeführt werden.
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Die folgende Analyse erfolgt zumindest teil-, vorzugsweise vollautomatisch. Sie kann dabei zwar auch aus den Messdaten zu berechnende Größen wie Signal-Rausch-Verhältnis, Kontrast-Rausch-Verhältnis, Bildschärfe und dergleichen umfassen, bevorzugt wird jedoch eine komplexe Analyse der Messdaten in einem Umfang und mit Mitteln vorgenommen, wie sie durch beispielsweise Maschinenlernen (machine learning) bereitgestellt werden. Im Rahmen der Analyse werden die ersten Messdaten auf Basis von definierten Kriterien untersucht, die beispielsweise im Rahmen eines im Vorhinein erfolgten Lernverfahrens unter Verwendung von patientenspezifischen Daten, mittels Benutzereingaben oder dergleichen festgelegt werden.
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Optional kann im Rahmen dieses Schrittes auch ein automatisches Überprüfen eines Steuerparametersatzes erfolgen. Bei dem Steuerparametersatz handelt es sich beispielsweise um ein Steuerprotokoll, das für die Akquisition der ersten Messdaten verwendet wurde. Daher werden die Begriffe „Steuerparametersatz“ und „Steuerprotokoll“ im Folgenden auch synonym verwendet. Üblicherweise wird ein Steuerprotokoll bzw. Steuerparametersatz aus einer Anzahl von vordefinierten Steuerprotokollen ausgewählt. Dies kann einerseits automatisch auf Basis einer Indikation vorgenommen werden, andererseits kann die Auswahl durch einen Benutzer getroffen werden. Alternativ kann der Steuerparametersatz auch von einem Benutzer manuell eingestellt und somit vorgegeben werden. Der so vorgegebene Steuerparametersatz wird überprüft. Bei der Überprüfung wird ermittelt, ob zweite Messdaten, die in einem nachfolgenden Akquisitionsschritt noch aufgenommen werden sollen, voraussichtlich für den durchzuführenden Nachbearbeitungsprozess geeignet sein werden.
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Sowohl bei der automatischen Analyse der ersten Messdaten als auch beim Überprüfen des Steuerparametersatzes umfassen die Kriterien ein Nachbearbeitungsvermögen und/oder eine Identifikation der zumindest einen Bildeigenart ermöglichen. Beim Ermitteln des Nachbearbeitungsvermögens werden die Messdaten werden hinsichtlich ihrer Güte bzw. Tauglichkeit beurteilt. Es wird also festgestellt wird, ob sie die Voraussetzungen betreffend Eignung und Qualität für ein erfolgreiches Postprocessing erfüllen.
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Im folgenden optionalen Schritt werden die zweiten Messdaten unter Verwendung des gegebenenfalls modifizierten Steuerparametersatzes erfasst. Dazu werden die oben bereits erwähnten Akquisitionsverfahren verwendet, sodass mit den Messdaten eine spätere 3D-Rekonstruktion ermöglicht wird. Zur Nutzung im Nachbearbeitungsprozess können die Messdaten, also die ersten Messdaten und/oder die zweiten Messdaten, kombiniert werden, um beispielsweise das Bildrauschen zu reduzieren, wie später noch näher erläutert wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also Analyse, Überprüfung bzw. Beurteilung von erfassten Messdaten, um zu entscheiden, ob und inwieweit die Messdaten im Nachbearbeitungsprozess genutzt werden und ob weitere Messdaten mit einem gegebenenfalls modifizierten Steuerparametersatz erfasst werden sollen. Dies erfolgt jedoch im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik vor dem Nachbearbeitungsprozess und mittels einer komplexen Analyse anhand von definierten Kriterien, die über einfache Größen wie Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), Kontrast-Rausch-Verhältnis (CNR) etc. hinausgeht. Es werden somit bevorzugt abstrahierte Kriterien berücksichtigt, welche aus den Bilddaten nicht direkt berechenbar sind.
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Die eingangs genannte Kontrolleinrichtung zur Nutzung von Messdaten eines Untersuchungsobjekts für einen Nachbearbeitungsprozess umfasst eine Erfassungseinheit, eine Analyseeinheit, eine Nachbearbeitungseinheit sowie optional eine Modifikationseinheit. Die Kontrolleinrichtung ist dabei so ausgebildet, dass sie die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Nutzung von Messdaten ausführt.
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Das eingangs genannte medizintechnisch bildgebende System umfasst eine erfindungsgemäße Kontrolleinrichtung und eine medizintechnisch bildgebende Modalität. Bei der medizintechnisch bildgebenden Modalität kann es sich, wie oben bereits beschrieben, um ein CT-Gerät, ein MRT-Gerät, ein Tomosynthesegerät, ein Ultraschallgerät oder ein Angiographiegerät handeln.
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Die wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Kontrolleinrichtung können zum überwiegenden Teil in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Grundsätzlich können diese Komponenten aber auch zum Teil – insbesondere, wenn es um besonders schnelle Berechnungen geht – in Form von softwareunterstützter Hardware, beispielsweise FPGAs oder dergleichen, realisiert sein. Ebenso können die benötigten Schnittstellen, beispielsweise, wenn es nur um eine Übernahme von Daten aus anderen Softwarekomponenten geht, als Softwareschnittstellen ausgebildet sein. Sie können aber auch als hardwaremäßig aufgebaute Schnittstellen ausgebildet sein, die durch geeignete Software angesteuert werden.
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Insbesondere kann die erfindungsgemäße Kontrolleinrichtung Teil eines Benutzerterminals bzw. eines Rechnersystems eines medizintechnisch bildgebenden Systems sein.
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Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Kontrolleinrichtungen auf einfache Weise durch ein Software-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung einer Kontrolleinrichtung eines medizintechnisch bildgebenden Systems ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in der Kontrolleinrichtung ausgeführt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile wie z. B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten, auch Hardware-Komponenten wie z. B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen.
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Zum Transport zur Kontrolleinrichtung und/oder zur Speicherung an oder in der Kontrolleinrichtung kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit der Kontrolleinrichtung einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Die Rechnereinheit kann z. B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen.
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Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie sowie deren Beschreibung weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren umfasst die Analyse der ersten Messdaten bevorzugt ein maschinelles Lernverfahren, besonders bevorzugt auf Basis einer Datenbank von Referenz-Untersuchungsobjekten. Im Rahmen des maschinellen Lernverfahrens wird ein Teil der definierten Kriterien ermittelt. Dabei handelt es sich insbesondere um komplexe Kriterien, mit deren Hilfe die Maschine bzw. die Recheneinheit oder auch der Computer beispielsweise auf Basis eines Algorithmus analysieren kann, welche Messdaten für den gewünschten Nachbearbeitungsprozess besser geeignet sind und welche schlechter geeignet sind.
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Ein bevorzugtes Lernverfahren umfasst dabei folgende Schritte. Zunächst werden Lerndaten, besonders bevorzugt aus der Datenbank von Referenz-Untersuchungsobjekten, erfasst. Bei den Lerndaten kann es sich um Rohdaten und/oder Bilddaten handeln. Die Lerndaten werden folgend – ggf. nach einer Bildrekonstruktion aus den Rohdaten – in einem Nachbearbeitungsprozess weiterverarbeitet. Das Ergebnis aus dem Nachbearbeitungsprozess wird in einem weiteren Schritt kontrolliert bzw. beurteilt. Die Beurteilung kann dabei beispielsweise anhand einer Notenskala vorgenommen werden, zumindest erfolgt allerdings eine Unterscheidung zwischen Bilddaten, bei denen die Weiterverarbeitung funktioniert hat, und solchen, bei denen sie nicht oder nicht ausreichend gut funktioniert hat. Die Beurteilung kann von einem Bearbeiter vorgenommen werden, es kann aber auch eine automatische Plausibilitätsprüfung erfolgen, welche später noch näher beschrieben wird.
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Mit Hilfe der bewerteten Ergebnisse des Nachbearbeitungsprozesses wird dann ein Diskriminator (z. B. ein neuronales Netz) trainiert. Der Diskriminator unterscheidet Ausgangsdaten, d. h. Lerndaten und/oder Messdaten im Hinblick auf ihr Nachbearbeitungsvermögen. Zusätzlich oder alternativ identifiziert er Bildeigenarten der Ausgangsdaten. Der Diskriminator wird solange trainiert, bis eine ausreichende Trennschärfe erreicht ist, d. h. bis er mit ausreichender statistischer Wahrscheinlichkeit zwischen gutem und schlechtem Nachbearbeitungsvermögen der Ausgangsdaten unterscheidet bzw. Bildeigenarten mit ausreichender Wahrscheinlichkeit identifiziert.
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Das Lernverfahren wird besonders bevorzugt „in-line“ ausgeführt. Das heißt, ein Bediener bewertet Ergebnisbilder, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Nutzung von Messdaten erstellt wurden, und trainiert somit den Diskriminator immer weiter. Die Messdaten, die im Betrieb erfasst werden, sind also zugleich ebenfalls als Lerndaten zu betrachten. Dies ermöglicht eine immer genauere Anpassung des Diskriminators, auch über das anfängliche Einlernen hinaus.
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Die Bildeigenarten umfassen bei einem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt objektspezifische Bildeigenarten, besonders bevorzugt Adipositas, Läsionen, Embolien, Bewegungsartefakte, Metallartefakte und/oder andere Artefakte. Im Gegensatz zu gerätespezifischen Bildeigenarten, die auf Ungenauigkeiten oder etwaige Störungen der Modalität zurückzuführen sind, stammen objektspezifische Bildeigenarten direkt vom Untersuchungsobjekt. Sie können in den Messdaten beispielsweise mittels eines CAD-Algorithmus (computer aided detection) identifiziert werden. Die Identifikation dieser Bildeigenarten ist besonders vorteilhaft, da so auf die jeweilige identifizierte Bildeigenart mit einer Modifikation des Steuerparametersatzes für eine folgende Bildakquisition reagiert werden kann. Das heißt, die Steuerparameter bzw. das Untersuchungsprotokoll können individuell, bevorzugt auch bereichsweise, an die identifizierte Bildeigenart angepasst werden.
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Die Analyse der ersten Messdaten umfasst bevorzugt eine Plausibilitätsprüfung der Identifikation der Bildeigenart. „Plausibilitätsprüfung“ bedeutet dabei, dass eine Wahrscheinlichkeit ermittelt wird, mit der die Bildeigenart korrekt identifiziert wurde. Dafür wird die identifizierte Bildeigenart beispielsweise mit demographischen Informationen wie z. B einer Alters-Erkrankungs-Korrelation abgeglichen. Alternativ oder zusätzlich können weitere Informationen aus einer zugehörigen Patientenakte wie beispielsweise die Lokalisation von Metallimplantaten, frühere Eingriffe und/oder die Indikation des Krankheitsbildes zum Abgleich im Rahmen der Plausibilitätsprüfung verwendet werden. Mit Hilfe der Plausibilitätsprüfung lässt sich also automatisch zumindest die Wahrscheinlichkeit beurteilen, mit der eine der genannten Bildeigenarten vorliegt. Hierdurch kann im Verlauf der weiteren Analyse entschieden werden kann, ob mittels eines weiteren Akquisitionsschritts zusätzliche Messdaten ggf. mit einem modifizierten Steuerparametersatz erfasst werden sollen.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die ersten Messdaten und/oder die zweiten Messdaten bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt in Abhängigkeit von einem Analyseergebnis, besonders bevorzugt in Abhängigkeit von ihrem Nachbearbeitungsvermögen, genutzt. Es wird also besonders bevorzugt auch eine Analyse der zweiten Messdaten durchgeführt und hierzu ein Analyseergebnis inklusive des Nachbearbeitungsvermögens ermittelt.
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Bei der Nutzung der Messdaten können z. B. einerseits etwa bestimmte Bildbereiche jeweils nur aus den ersten Messdaten bzw. den zweiten Messdaten gebildet werden. Andererseits können die ersten Messdaten und die zweiten Messdaten beispielsweise in einer Linearkombination überlagert werden, wobei die Koeffizienten für die Linearkombination in Abhängigkeit von den Analyseergebnissen ermittelt werden. Auch ist es beispielsweise möglich, dass die ersten Messdaten nicht oder nur schlecht für den Nachbearbeitungsprozess geeignet sind, sodass lediglich die zweiten Messdaten, die mit dem gegebenenfalls modifizierten Parametersatz ermittelt wurden, im Nachbearbeitungsprozess verwendet werden.
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Häufig erfolgt das Postprocessing bzw. eine anschließende Befundung im zeitlichen Abstand zur Bildakquisition, sodass auch erst dann eine mangelnde Eignung der Daten zum Postprocessing bzw. ein Zufallsbefund festgestellt werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verbleibt das Untersuchungsobjekt nach einer Akquisition der ersten Messdaten allerdings zumindest bis zur Analyse der ersten Messdaten und dem optionalen Erfassen von zweiten Messdaten in der Modalität. Das heißt, das Untersuchungsobjekt wird nicht umgelagert und günstigenfalls auch nicht bewegt, bis sichergestellt ist, dass Daten mit einem ausreichenden Nachbearbeitungsvermögen aufgenommen wurden. Respektive werden im Fall eines Zufallsbefunds ggf. noch zusätzliche für eine Diagnose benötigte Daten akquiriert. Somit ist gewährleistet, dass das Untersuchungsobjekt, also insbesondere der Patient, die Modalität nicht verlassen muss und somit ein Abgleich bzw. eine Registrierung der Messdaten erleichtert wird. Dadurch können mit minimalem Zeitaufwand möglichst optimale Messdaten für das folgende Postprocessing bereitgestellt werden.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren umfasst der Steuerparametersatz zumindest einen der folgenden Parameter: Röhrenspannung, Röhrenstrom, Filterung, Dual-Energie, Rekonstruktionsverfahren, Schichtdicke, Triggerung, Gantry tilt, Pulssequenz und/oder Delay. Die genannten Parameter sind also Steuerparameter, die wesentliche Größen für einen Akquisitionsprozess festlegen. Dabei betreffen einige Parameter nur bestimmte Modalitäten, während andere Parameter sich in gleicher Weise auf unterschiedliche Modalitäten anwenden lassen.
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So legen einerseits beispielsweise Röhrenspannung und Röhrenstrom Parameter zum Betrieb einer Röntgenröhre fest, wie sie z. B. in CT-Geräten eingesetzt wird. Andererseits ist z. B. die Pulssequenz ein Parameter, der beim MRT Größe und zeitliche Erfolge von eingesetzten Magnetfeldern angibt, um die Spins im Untersuchungsobjekt zu manipulieren und anschließend auszulesen. Andere Parameter wie beispielsweise Schichtdicke, Triggerung und/oder Delay können bei mehreren Modalitäten Anwendung finden und sind somit nicht spezifisch für eine Modalität. Die Schichtdicke bezeichnet dabei die Auflösung in einer Scanrichtung und die Triggerung legt ein definiertes Ereignis fest, nachdem die Bildakquisition gestartet wird. Der Delay, also die Verzögerungszeit, legt fest, ob und wie lange nach einem definierten Ereignis mit dem Beginn der Akquisition gewartet werden soll.
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Die Filterung legt bei der Verwendung von Röntgenstrahlung fest, ob und welche Filter verwendet werden sollen. So können beispielsweise mittels Spektralfiltern bestimmte Bereiche eines von einer Röntgenröhre emittierten Spektrums selektiv, ganz oder teilweise absolviert werden oder mittels eines Formfilters für bestimmte räumlichen Bereiche die Röntgenstrahlung abgeschwächt oder vollständig absolviert werden. Der Parameter Dual-Energie gibt an, ob im Rahmen der Akquisition zwei Sätze von Messdaten unter Verwendung von unterschiedlichen Röntgenspektren aufgenommen werden sollen. Mit dem Parameter „Rekonstruktionsverfahren“ kann auch bestimmt werden, welches Rekonstruktionsverfahren, also beispielsweise gefilterte Rückprojektion oder iterative Bildrekonstruktionsalgorithmen, zum Einsatz kommen sollen. Der Parameter „Gantry tilt“ beschreibt z. B. bei einem CT-Gerät einen Winkel zwischen der Rotationsebene der Gantry und einer Vorschubrichtung des Untersuchungsobjekts.
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Die Liste dieser Parameter ist nicht abgeschlossen. Es können vom Fachmann also weitere gängige Parameter zum Steuerparametersatz hinzugefügt werden, die ebenso im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens modifiziert werden können. Beispiele hierfür sind der Pitch bei einem helikalen CT-Scan oder eine Gesamtzeit, die für die vollständige Akquisition der Messdaten benötigt wird.
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Ein Teil der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bevorzugt iterativ wiederholt durchgeführt, bis ein definiertes Abbruchkriterium erreicht ist. Bei den zu wiederholenden Schritten handelt es sich besonders bevorzugt um die Schritte Erfassen, Analyse und Modifikation. Auf Basis der Analyse wird dabei zum Beispiel iterativ der Steuerparametersatz immer weiter optimiert, um ein möglichst gutes Ergebnisbild nach dem Nachbearbeitungsprozess zu erhalten. Dementsprechend kann also das Nachbearbeitungsvermögen eines der definierten Abbruchkriterien sein. Zudem kann beispielsweise eine Strahlenbelastung des Untersuchungsobjekts den Abbruch des Verfahrens auslösen.
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Vorzugsweise werden die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens im Rahmen einer Echtzeitbildgebung ausgeführt. Mit einer fortlaufenden Akquisition von Messdaten, werden dabei zahlreiche Sätze von Messdaten akquiriert, aus denen jeweils ein dreidimensionales Bild des Untersuchungsobjekts rekonstruiert werden kann. Parallel zu der fortlaufenden Datenakquisition wird das erfindungsgemäße Verfahren für den jeweils aktuellen Satz von Messdaten ausgeführt. Derart im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ggf. modifizierte Steuerparametersätze können auf diese Weise sofort oder mit einer gewissen Verzögerung (z. B beim Beginn eines folgenden Scanabschnittes) verwendet werden, um die Parameter für die Datenakquisition festzulegen. Ebenfalls parallel wird bei der Echtzeitbildgebung das Postprocessing durchgeführt und die hieraus erhaltenen Bilder auf einem geeigneten Ausgabegerät wie z. B. auf einem Bildschirm oder mittels eines Beamers ausgegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren sorgt also bei der Echtzeitbildgebung für eine ständige Optimierung der durch das Postprocessing erhaltenen Bildansichten, die anschließend auf der Anzeigeeinheit dargestellt werden.
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Wie vorher bereits erläutert umfassen die ersten Messdaten bevorzugt Rohdanten, Bilddaten und/oder Topogrammdaten.
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Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen die ersten Messdaten bevorzugt Topogrammdaten. In diesem Fall werden die optionalen Verfahrensschritte bzw. optionale Bestandteile der Verfahrensschritte durchgeführt. Es wird also ein Steuerparametersatz überprüft, wie oben beschrieben. Ferner wird der Steuerparametersatz modifiziert und unter Verwendung des Steuerparametersatzes zweite Messdaten erfasst.
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Anhand der Topogrammdaten wird also bevorzugt ein Steuerprotokoll bzw. Steuerparametersatz aus einer Anzahl von vordefinierten Steuerprotokollen ausgewählt, wie vorher bereits beschrieben. Dieser Steuerparametersatz wird im Rahmen des Verfahrens überprüft. Bei der Überprüfung wird anhand der definierten Kriterien auf Basis der Topogrammdaten ermittelt, ob zweite Messdaten, die in einem nachfolgenden Akquisitionsschritt noch aufgenommen werden sollen, voraussichtlich für den durchzuführenden Nachbearbeitungsprozess geeignet sein werden. Daraufhin wird der Steuerparametersatz gegebenenfalls modifiziert und die zweiten Messdaten mit diesen Steuerparametersatz akquiriert und schließlich für den Nachbearbeitungsprozess genutzt.
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Topogrammdaten sind für sich genommen als rein zweidimensionale Daten nicht für eine dreidimensionale Nachbearbeitung geeignet. Daher werden bei dieser Variante die für den Nachbearbeitungsprozess geeigneten Rohdaten bzw. daraus rekonstruierte Bilddaten mittels des gegebenenfalls modifizierten Steuerparametersatzes als zweite Messdaten akquiriert.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Die Figuren sind in der Regel nicht maßstäblich. Es zeigen:
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1 eine CT-Aufnahme eines Herzens mit einem Bewegungsartefakt,
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2 eine perspektivische und schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen medizintechnisch bildgebenden Systems,
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3 ein schematische Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kontrolleinrichtung,
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4 ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Lernverfahrens,
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5 ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Nutzung von Messdaten,
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6 ein schematisches Blockdiagramm eines Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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7 ein schematisches Blockdiagram eines weiteren Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
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8 ein schematisches Blockdiagram eines weiteren Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt beispielhaft eine CT-Aufnahme eines Herzens H eines menschlichen Patienten 10 als Untersuchungsobjekt. Innerhalb des Herzens H sind mit schwarzen Pfeilen Bereiche markiert, in denen ein sogenanntes Treppenartefakt A zu erkennen ist. Das Treppenartefakt A ist auf eine unregelmäßige Bewegung des Herzens zurückzuführen, die sich ereignete, während Rohdaten für eine spätere Bildrekonstruktion mit Hilfe eines CT-Gerätes akquiriert wurden. Das Treppenartefakt A erschwert als Bewegungsartefakt Nachbearbeitungsprozesse wie z. B. eine Segmentierung. Andere Nachbearbeitungsprozesse wie z. B. eine Strömungssimulation mittels ctFFR werden gänzlich unmöglich.
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In 2 ist beispielhaft und grob schematisch ein Computertomographiesystem 1 als erfindungsgemäßes medizintechnisch bildgebendes System gezeigt, welches ein Benutzerterminal 27 und ein Computertomographiegerät 2 als medizintechnisch bildgebende Modalität umfasst. Das Computertomographiesystem 1 ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Nutzung von Messdaten ausgebildet. Das Computertomographiegerät 2 umfasst einen Patiententisch 12 zur Lagerung eines Patienten 10 als Untersuchungsobjekt, welcher entlang einer Systemachse 16 verstellbar ist. Die Systemachse 16 wird im Folgenden auch als z-Achse bezeichnet, die mit dem Patienten 10 in das Messfeld verstellbar ist. Es umfasst ferner eine Gantry 3 mit einer um die Systemachse 16 drehbar gelagerten Quelle-Detektor-Anordnung 4, 5. Die Quelle-Detektor-Anordnung 4, 5 weist eine Röntgenstrahlungsquelle 5 und einen Detektor 4 auf, die einander gegenüberliegend so ausgerichtet sind, dass im Betrieb eine von dem Fokus der Röntgenstrahlungsquelle 5 ausgehende Röntgenstrahlung auf den Detektor 4 trifft. Der Detektor 4 ist zur ortsaufgelösten Erfassung der Röntgenstrahlung in einzelne Pixel 17 strukturiert, die zu mehreren Detektorzeilen angeordnet sind. Derzeit werden Detektoren 4 eingesetzt, die über insgesamt 64 oder mehr Zeilen verfügen und eine Ortsauflösung im Submillimeterbereich aufweisen.
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Zu jeder Projektion erzeugt der Detektor 4 einen Satz von Projektionsdaten. Die Projektionsdaten repräsentieren dabei die Schwächungswerte sämtlicher Pixel 17 einer durch den Patienten 10 geschwächten Röntgenstrahlung. Sie werden im Detektor 4 erfasst und an das Benutzerterminal 27 mit einer Recheneinheit 13 weitergeleitet, welche eine erfindungsgemäße Kontrolleinrichtung 15 und eine Rekonstruktionseinrichtung 14 umfasst. Je nachdem, ob das erfindungsgemäße Verfahren auf Basis der Rohdaten RD oder auf Basis von Bilddaten BD durchgeführt werden soll, werden die Daten vor oder nach einer Bildrekonstruktion mittels der Rekonstruktionseinrichtung 14 an die Kontrolleinrichtung 15 weitergeleitet. Die Kontrolleinrichtung 15 analysiert die Daten und führt dann ggf. auch in einem zeitlichen Abstand ein entsprechendes Postprocessing durch. Dabei wird ein Ergebnisbild erzeugt, welches z. B. auf einer Anzeigeeinheit 19 darstellbar ist und/oder welches in einem Speicher hinterlegt und/oder an andere Systeme versandt werden kann. Das Benutzerterminal 27 umfasst des Weiteren eine Tastatur 26 als Eingabegerät, mit dem ein Bediener gegebenenfalls Werte für Parameter bei der Bildrekonstruktion, für die Steuerung und/oder für das Postprocessing einstellen kann.
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Ein solches Computertomographiesystem 1 wird bekanntermaßen zur 3D-Bildrekonstruktion eingesetzt. Zur Aufnahme eines Bildes von einem Untersuchungsgebiet (Region of Interest) werden bei Rotation der Quelle-Detektor-Anordnung 4, 5 Projektionsdaten aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Projektionsrichtungen erfasst. Im Fall einer Spiralabtastung erfolgt während einer Rotation der Quelle-Detektor-Anordnung 4, 5 beispielsweise gleichzeitig eine kontinuierliche Verstellung des Patiententisches 12 in Richtung der Systemachse 16. Die Röntgenstrahlungsquelle 5 und der Detektor 4 bewegen sich bei dieser Art der Abtastung somit auf einer Helixbahn um den Patienten 10.
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3 zeigt beispielhaft ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Kontrolleinrichtung 15. Sie umfasst eine Erfassungseinheit 22, eine Analyseeinheit 23, eine Modifikationseinheit 24 und eine Nachbearbeitungseinheit 25, welche mittels eines Bus 21 zur Datenübertragung verbunden sind. Zwischen den Komponenten der Kontrolleinrichtung 15 können Daten über den Bus 21 also frei ausgetauscht werden. Die Kontrolleinrichtung 15 umfasst außerdem eine Schnittstelle 20, die sie mit anderen Komponenten des CT-Systems 1 wie beispielsweise der Rekonstruktionseinrichtung 14 oder einer Steuereinrichtung zur Steuerung des CT-Gerätes 2 verbindet. Sie dient der Datenübertragung von der Kontrolleinrichtung 15 zu diesen Komponenten und umgekehrt.
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4 zeigt beispielhaft ein Blockdiagramm eines Lernverfahrens zum Training eines Diskriminator, der im erfindungsgemäßen Verfahren zur Nutzung von Daten eine Analyse von Messdaten vornimmt. In einem ersten Schritt i werden Lerndaten erfasst, bei denen es sich um eine Sammlung von Bilddaten aus einer Datenbank von Referenz-Untersuchungsobjekten handelt. Alternativ können im ersten Schritt i auch Rohdaten erfasst werden, die direkt aus dem Akquisitionsprozesses stammen, sie können aber auch in einer Datenbank hinterlegt sein, ohne das eine Bildrekonstruktion durchgeführt wurde.
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Die Lerndaten werden in einem zweiten Schritt ii ggf. rekonstruiert und im Rahmen eines Nachbearbeitungsprozesses zu Ergebnisbildern weiterverarbeitet. Die erhaltenen Ergebnisbilder werden folgend kontrolliert und bewertet. Der Betrachter entscheidet also, ob die weiterverarbeiteten Lerndaten ein ausreichend gutes oder ein schlechtes Ergebnisbild liefern.
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In einem dritten Schritt iii werden die Ergebnisbilder, bei denen die Weiterverarbeitung gut funktioniert, hat mit ihren zugeordneten Lerndaten verknüpft. Analog werden im Schritt iii‘ die Ergebnisbilder, bei denen die Weiterverarbeitung schlecht oder nicht funktioniert hat, mit ihren zugehörigen Lerndaten verknüpft. Im Folgenden vierten Schritt iv wird ein Diskriminator den gut bewerteten Daten aus Schritt iii und dem schlecht bewerteten Daten aus iii‘ trainiert. Der Diskriminator lernt also in dem Schritt iv auf Basis welcher Ausgangsdaten eine schlechte oder gute Weiterverarbeitung möglich ist. In einem fünften Schritt v des Lernverfahrens wird das Training des Diskriminators beendet, wenn eine Ausreichende Trennschärfe erreicht ist. Die Trennschärfe gibt dabei an, mit welcher statistischen Zuverlässigkeit der Diskriminator richtig entscheidet und lässt sich somit beispielsweise prozentual oder in Standardabweichungen angeben.
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In 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens als Blockdiagramm schematisch dargestellt. In einem ersten Schritt I werden Messdaten, also Rohdaten RD, Bilddaten BD oder Topogrammdaten TD, mittels des CT-Gerätes 2 und einem von einem Bediener definierten Steuerparametersatz akquiriert. Die Messdaten werden an die Kontrolleinrichtung weitergeleitet und von dieser mittels der Erfassungseinheit 22 erfasst.
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In der Analyseeinheit 23 werden im folgenden Schritt II die Messdaten analysiert, wobei der anhand des Lernverfahrens aus 4 trainierte der Diskriminator entscheidet, ob das Nachbearbeitungsvermögen ausreichend ist oder nicht ausreicht. Im negativen Fall N (nicht ausreichendes Nachbearbeitungsvermögen) wird der im Schritt I verwendete Steuerparametersatz in einem Schritt IV so modifiziert, dass ein besseres Nachbearbeitungsergebnis zu erwarten ist. Mit dem modifizierten Steuerparametersatz beginnt das Verfahren wieder bei Schritt I. Wird im Schritt II jedoch der positive Fall Y (ausreichendes Nachbearbeitungsvermögen) ermittelt, werden die Messdaten direkt in einem Schritt III für den Nachbearbeitungsprozess genutzt.
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Die Schritte I, II und IV können in einem iterativen Vorgang solange wiederholend nacheinander ausgeführt werden, bis ein definiertes Abbruchkriterium erreicht wird. Das heißt, beispielsweise bis ein ausreichendes Nachbearbeitungsvermögen vorliegt und mit dem Schritt II fortgefahren wird oder bis beispielsweise eine definierte Strahlenbelastung für den Patienten 11 erreicht wird.
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6 zeigt schematisch ein konkretes Beispiel für einen erfindungsgemäßen Ablauf des Verfahrens aus 5 in einem Blockdiagramm. Im Schritt I werden Bilddaten erfasst, deren Nachbearbeitungsvermögen im Schritt II als nicht ausreichend beurteilt wird. In diesem negativen Fall N wird der Steuerparametersatz im Schritt IV in der Modifikationseinheit 24 modifiziert. Unter Verwendung des modifizierten Steuerparametersatzes werden mittels des CT-Gerätes 2 zweite Messdaten akquiriert, die als zweite Bilddaten BD‘ im Schritt I‘ von der Kontrolleinrichtung 15 erfasst werden. Die zweiten Bilddaten BD‘ werden im Schritt II‘ vom Diskriminator analysiert. Nun reicht das Nachbearbeitungsvermögen der Bilddaten BD‘ aus, sodass in diesem positiven Fall Y mit der Nutzung der ersten Bilddaten BD und der zweiten Bilddaten BD‘ im Schritt III fortgefahren wird. Im Schritt III werden die Bilddaten BD und die neuen Bilddaten BD‘ in der Nachbearbeitungseinheit 25 genutzt, indem sie in einem Nachbearbeitungsprozess mittels einem linear Kombination mit Koeffizienten, die dem Nachbearbeitungsvermögen der jeweiligen Bilddaten BD, BD‘ entsprechen, zu einem gemeinsamen Ergebnisbild addiert werden.
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In 7 ist ein weiteres konkretes Beispiel eines Ablaufs des Verfahrens aus 5 schematisch in einem Blockdiagramm dargestellt. Im Schritt I werden Rohdaten RD von der Kontrolleinrichtung 15 so erfasst, wie sie mittels des CT-Gerätes 2 aktiviert wurden. Im Schritt II beurteilt der Diskriminator der Analyseeinheit 23 direkt auf Basis der Rohdaten RD deren Nachbearbeitungsvermögen. Das Nachbearbeitungsvermögen der Rohdaten RD ist hier im positiven Fall Y ausreichend, sodass mit dem Schritt III fortgefahren wird. Nach einer Rekonstruktion von Bilddaten BD aus den Rohdaten RD werden die Bilddaten BD im Schritt III von der Nachbearbeitungseinheit 25 für den gewünschten Bearbeitungsprozess genutzt.
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Im 8 ist noch ein weiterer Ablauf des Verfahrens aus 5 beispielhaft und schematisch in einem Blockdiagramm dargestellt. Im ersten Schritt I werden hier Topogrammdaten TD von der Erfassungseinheit 22 erfasst. Im Schritt II* stellt die Analyseeinheit 23 fest, dass die Topogrammdaten TD nicht für einen Nachbearbeitungsprozess geeignet sind. Im Rahmen der Analyse wird auch überprüft, ob mittels eines vordefinierten Steuerparametersatzes geeignete Messdaten akquiriert werden können. Beim vorliegenden negativen Fall (nicht ausreichendes Nachbearbeitungsvermögen) wird nun in Abhänigkeit der Analyse aus Schritt II* der Steuerparametersatz von der Modifikationseinheit 24 modifiziert. Mit dem modifizierten Steuerparametersatz werden mittels des CT-Gerätes 2 neue Messdaten akquiriert, die nach einem Rekonstruktionsschritt als Bilddaten BD* im Schritt I* von der Kontrolleinrichtung 15 erfasst werden. Die Bilddaten BD* werden im Schritt II** von der Analyseeinheit 23 im Hinblick auf ihr Nachbearbeitungsvermögen analysiert. Im vorliegenden positiven Fall Y ist das Nachbearbeitungsprogramm der Bilddaten BD* ausreichend, da sie ja mit dem bereits optimierten Steuerparametersatz akquiriert wurden. Dementsprechend können Sie im Schritt II für den gewünschten Nachbearbeitungsprozess genutzt werden.
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Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließen die Begriffe „Einrichtung“, „Einheit“ und „System“ nicht aus, dass die betreffende Komponente aus mehreren zusammenwirkenden Teilkomponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
