DE10064768B4

DE10064768B4 - Verfahren zur Untersuchung eines Lebewesens mittels eines bildgebenden Verfahrens

Info

Publication number: DE10064768B4
Application number: DE10064768A
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl.-Phys. Klotz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2020-12-23
Also published as: CN1315433C; JP2002233525A; US6647283B2; DE10064768A1; JP4311900B2; CN1382421A; US20020151780A1

Abstract

Verfahren zur Untersuchung eines Lebewesens mittels eines, auf der Bestimmung einer physikalische Eigenschaft des abzubildenden Bereichs beruhenden bildgebenden Verfahrens unter Zuhilfenahme eines Kontrastmittels,
wobei zur Ermittlung der Konzentration des, eine mittels des bildgebenden Verfahrens bestimmbare physikalische Eigenschaft aufweisenden, Kontrastmittels in einer interessierenden Region (Region Of Interest = ROI) des Lebewesens, welche in zeitlich aufeinanderfolgenden, mittels des bildgebenden Verfahrens unter Ermittlung quantitativer Werte der physikalischen Eigenschaft gewonnenen Bildern enthalten ist, folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden:
– für die einzelnen Bilder wird bezüglich der ROI ein Histogramm der quantitativen Werte der physikalischen Eigenschaft erstellt, und
– die Kontrastmittelkonzentration in der ROI wird auf Basis der Häufigkeit der in der ROI vorhandenen quantitativen Werte der physikalischen Eigenschaft ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung eines Lebewesens mittels eines bildgebenden Verfahrens unter Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der Konzentration eines eine mittels des bildgebenden Verfahrens bestimmbare physikalische Eigenschaft aufweisenden Kontrastmittels in einer in zeitlich aufeinanderfolgenden, mittels des bildgebenden Verfahrens unter Ermittlung quantitativer Werte der physikalischen Eigenschaft gewonnenen Bildern dargestellten interessierenden Region (Region Of Interest = ROI) eines Lebewesens.
Derartige Verfahren werden beispielsweise in der Röntgen-Computertomographie verwendet, um bei Vorliegen einer bestimmten Kontrastmittelkonzentration in der ROI die eigentliche Untersuchung starten zu können.
Dabei wird so vorgegangen, dass der Benutzer in einem bei Abwesenheit von Kontrastmittel aufgenommenen Referenzbild eine den maßgeblichen anatomischen Bereich enthaltende, zum Beispiel kreisförmige ROI markiert und dass mit Beginn der Verabreichung von Kontrastmittel die zeitlich aufeinanderfolgenden Bilder aufgenommen werden, wobei für jedes Bild bezüglich der ROI der Mittelwert der physikalischen Eigenschaft ermittelt und mit dem entsprechenden Mittelwert des ohne Kontrastmittel aufgenommenen Bildes verglichen wird. Überschreitet der Mittelwert eine vom Benutzer einstellbare Schwelle, so wird die eigentliche Untersuchung ausgelöst.
Diese Vorgehensweise ist mit einer Reihe von Nachteilen verbunden:

– Wenn der maßgebliche anatomische Bereich klein ist, ist es schwierig, die ROI zu markieren, wobei hinzu kommt, dass der maßgebliche anatomische Bereich oft erst bei Erreichen einer gewissen Kontrastmittelkonzentration klar erkennbar ist.
– Unter Umständen ist es schwierig, den maßgeblichen anatomischen Bereich allein auf Grundlage anatomischer Information, z.B. tumor- und gefäßfreie Zonen der Leber, auszumachen.
– Wenn der maßgebliche anatomische Bereich sich bewegt, beispielsweise infolge der oder infolge von Schluckbewegungen oder infolge von Körperbewegungen des Patienten, kann der Mittelwert der physikalischen Eigenschaft erheblichen Schwankungen unterworfen sein, insbesondere, wenn sich in der Nähe der ROI anatomische Strukturen befinden, die hinsichtlich ihres Wertes der physikalischen Eigenschaft erheblich von dem im Bereich der ROI vorliegenden Mittelwert der physikalischen Eigenschaft abweichen.

Aus der DE 38 32 973 A1 ist es bekannt, kleine Kontrastunterschiede in Bildern dadurch hervorzuheben, dass bezüglich der entsprechenden Pixel ein sogenannter Aufrufbefehl ausgeführt wird, durch den diese Pixel beispielsweise farblich hervorgehoben werden. Dabei wird ein Histogramm benutzt, um die hervorzuhebenden Pixel zu identifizieren.

Aus der WO 91/12540 A1 ist es bekannt, die Grauwertskala eines darzustellenden digitalen Bildes der jeweiligen Anzeigeeinrichtung anzupassen, indem eine Grauwert-Transformationsfunktion auf Basis eines Histogramms des gesamten Bildes erzeugt wird.

In der US 4,802,093 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem mit einer bildgebenden Vorrichtung von einem Patienten zunächst ein Bild ohne Kontrastmittelgabe und danach ein Bild nach einer Kontrastmittelgabe gewonnen wird. Anschließend wird anhand der beiden Bilder ein Differenzbild für eine medizinische Diagnose gewonnen. Um ein besseres Differenzbild zu erhalten, werden unter Verwendung eines Histogramms die Grauwertskalen der beiden Bilder, die bspw. aufgrund von zeitabhängigen Variationen des Röhrenstroms der Röntgenröhre bei der Bildaufnahme voneinander abweichen, einander angeglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das die Markierung der ROI vereinfacht und nach Möglichkeit weniger bewegungsempfindlich ist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1.

Demnach wird die Kontrastmittelkonzentration, vorzugsweise der zeitliche Verlauf der Kontrastmittelkonzentration, nicht auf der Basis von Mittelwerten, sondern auf der Basis von Histogrammen ermittelt, wobei infolge des Umstandes, dass in den Histogrammen nicht nur ein Mittelwert, sondern für die ROI die Häufigkeit desjenigen quantitativen Werts der physikalischen Eigenschaft, der dem des Kontrastmittels entspricht, bestimmt wird, ist anders als im Falle der Betrachtung von Mittelwerten die Zunahme der Kontrastmittelkonzentration in der ROI klar erkennbar. Dies gilt selbst dann, wenn die ROI wesentlich größer als der innerhalb der ROI befindliche, maßgebliche anatomische Bereich ist, in dem sich das Kontrastmittel anreichert.

So besteht beispielsweise die Möglichkeit, den zeitlichen Verlauf der Position einer parallel zu der Häufigkeits-Achse des Histogramms verlaufenden, einen definierten Anteil der Gesamtfläche des Histogramms enthaltenden Bereich des Histogramms abtrennenden Geraden als Maß für den zeitlichen Verlauf der Kontrastmittelkonzentration zu ermitteln. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, den zeitlichen Verlauf der Position einer parallel zu der Häufigkeits-Achse des Histogramms durch den Mittelwert eines durch eine parallel zu der Häufigkeits-Achse des Histogramms verlaufende Gerade abgetrennten definierten Anteil des Gesamtfläche des Histogramms enthaltenden Bereichs des Histogramms verlaufenden Gerade als Maß für den zeitlichen Verlauf der Kontrastmittelkonzentration zu ermitteln. In beiden Fällen ist es möglich, den zeitlichen Verlauf der Kontrastmittelkonzentration selbst dann zu ermitteln, wenn der maßgebliche anatomische Bereich ohne das Vorliegen einer bestimmten Kontrastmittelkonzentration praktisch nicht erkennbar ist, sofern es nur gelingt, eine ROI zu markieren, die den maßgeblichen anatomischen Bereich enthält. Welche der beiden genannten Möglichkeiten in einem bestimmten Anwendungsfall zu bevorzugen ist, hängt einerseits von dem Verhältnis der Größe der markierten ROI zu der Größe des maßgeblichen anatomischen Bereichs und andererseits von dem Verhältnis der zu erwartenden Kontrastmittelkonzentration zu der Rauschamplitude ab.

Dabei entspricht der abgetrennte definierte Anteil der Gesamtfläche des Histogramms Werten physikalischen Eigenschaft, die oberhalb des bei Abwesenheit von Kontrastmittel dominierenden Wertes der physikalischen Eigenschaft liegen, wenn der zu dem Kontrastmittel gehörige Wert der physikalischen Eigenschaft, so wie dies normalerweise der Fall ist, oberhalb des bei Abwesenheit von Kontrastmittel dominierenden Wertes der physikalischen Eigenschaft liegt, und andererseits Werten physikalischen Eigenschaft, die unterhalb des bei Abwesenheit von Kontrastmittel dominierenden Wertes der physikalischen Eigenschaft liegen, wenn der zu dem Kontrastmittel gehörige Wert der physikalischen Eigenschaft unterhalb des bei Abwesenheit von Kontrastmittel dominierenden Wertes der physikalischen Eigenschaft liegt.

In Fällen, in denen innerhalb der ROI vor der Durchführung der Untersuchung keine anatomische Bereiche bekannt sind, in denen eine bevorzugte eine hohe Kontrastmittelkonzentration zu erwarten ist, ist gemäß einer Variante der Erfindung vorgesehen, dass der zeitliche Verlauf des Mittelwertes oder des Medianwertes eines mittleren Bereiches des Histogramms, der durch eine parallel zu der Häufigkeits-Achse des Histogramms verlaufende, einen einen oberen definierten Anteil der Gesamtfläche des Histogramms enthaltenden Bereich des Histogramms abtrennende Gerade und durch eine parallel zu der Häufigkeits-Achse des Histogramms verlaufende, einen einen definierten Anteil der Gesamtfläche des Histogramms enthaltenden Bereich des Histogramms abtrennende Gerade begrenzt ist, als Maß für den zeitlichen Verlauf der Kontrastmittelkonzentration ermittelt wird, wobei der obere definierten Anteil der Gesamtfläche des Histogramms enthaltenden Bereich Werten der physikalischen Eigenschaft entspricht, die oberhalb der dem mittleren Bereich des Histogramms entsprechenden Werten der physikalischen Eigenschaft liegen, und der untere definierten Anteil der Gesamtfläche des Histogramms enthaltenden Bereich Werten der physikalischen Eigenschaft entspricht, die unterhalb der dem mittleren Bereich des Histogramms entsprechenden Werten der physikalischen Eigenschaft liegen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der Kontrastmittelkonzentration den Verfahrensschritt umfassen, dass bezüglich eines vor der Verabreichung von Kontrastmittel erstellten Bildes ein Histogramm erstellt wird, mit dem die zu den zeitlich aufeinanderfolgenden Bildern gehörigen Histogramme jeweils, z.B. durch Subtraktion, verglichen werden, wobei der zeitliche Verlauf des Abstandes zwischen einem zu dem Kontrastmittel gehörigen Wert der physikalischen Eigenschaft und dem bei Abwesenheit von Kontrastmittel dominierenden Wert der physikalischen Eigenschaft als Maß für den zeitlichen Verlauf der Kontrastmittelkonzentration ermittelt wird. Dabei kann so vorgegangen werden, dass das Histogramm bezüglich des vor der Verabreichung von Kontrastmittel erstellten Bildes jeweils von den zu den aufeinanderfolgenden Bildern gehörigen Histogrammen subtrahiert wird. In diesem Falle erzeugt der zu dem Kontrastmittel gehörige Wert der physikalischen Eigenschaft ein positives und der bei Abwesenheit von Kontrastmittel dominierende Wert der physikalischen Eigenschaft ein negatives loakles Maximum in dem sich durch die Subtraktion jeweils ergebenden resultierenden Histogramm. Die Auswertbarkeit des resultierenden Histogramms lässt sich verbessern, wenn das aus der Subtraktion resultierende Histogramm mit dem Histogramm bezüglich des vor der Verabreichung von Kontrastmittel erstellten Bildes gefaltet wird.

Gemäß einer Variante der Erfindung wird der zeitliche Verlauf der Kontrastmittelkonzentration dazu herangezogen, eine Untersuchung zu starten, wenn die Kontrastmittelkonzentration einen Schwellwert überschreitet.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für die Röntgen-Computertomographie, wobei als Kontrastmittel üblicherweise Substanzen sehr hoher Absorption in den Blutkreislauf eingebracht werden. Als Kontrastmittel werden häufig Substanzen mit hoher Ordnungszahl, z.B. Jod (J 53), verwendet.

Um im Falle der Röntgen-Computertomographie die dem Patienten vor der eigentlichen Untersuchung verabreichte Röntgendosis möglichst gering zu halten, ist dabei gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die zeitlich aufeinanderfolgenden, unter Ermittlung quantitativer Werte der physikalischen Eigenschaft gewonnenen Bilder mit gegenüber der bei der Durchführung einer Untersuchung vorliegenden Röntgendosis verringerter Röntgendosis erzeugt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel eines die Röntgen-Computertomographie betreffenden, in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:
1 ein Röntgendiagnostikgerät, nämlich ein Röntgen-Computertomographie(CT)-Gerät, mit einer erfindungsgemäßen Lagerungsvorrichtung,
2 die Vorgehensweise bei der Markierung einer ROI, und
3 bis 10 verschiedenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechende Betriebsarten des Röntgen-CT-Geräts gemäß 1 veranschaulichende Histogramme.
In der 1 ist ein Röntgen-CT-Gerät dargestellt, dessen insgesamt mit 1 bezeichnete Gantry eine Messöffnung 2 aufweist, welche von einem Drehring 3 umgeben ist, auf dem ein Röntgenstrahler 4 und ein Detektorsystem mit einem in an sich bekannter Weise bogenförmig ausgebildeten, um eine vorzugsweise parallel zu einer Systemachse Z durch den Fokus des Röntgenstrahlers 4 verlaufende Achse gekrümmten, insgesamt mit 5 bezeichneten Detektor angebracht sind. Der Detektor 5 weist mehrere Zeilen 5₁ bis 5_n von Detektorelementen auf, von denen jede eine Reihe von Detektorelementen aufweist. Von dem Röntgenstrahler 4 geht ein strichpunktiert angedeutetes pyramidenförmiges Röntgenstrahlenbündel RS aus, dass auf den Detektor 5 auftrifft.
Die Gantry 1 mit dem Röntgenstrahler 4 und dem Detektor 5 einerseits und zumindest die zur Aufnahme eines Untersuchungsobjektes, z.B. eines Patienten P, vorgesehene Lagerungsplatte 7 einer insgesamt mit 8 bezeichneten Lagerungsvorrichtung andererseits sind mittels eines nicht dargestellten motorischen Antriebs in Richtung der parallel zu der Systemachse Z verlaufenden Längsachse der Lagerungsplatte 7 relativ zueinander verstellbar. Im Falle des CT-Geräts gemäß 1 wird dies dadurch erreicht, dass die Lagerungsplatte 7 an dem Sockel 9 der Lagerungsvorrichtung 8 mittels eines Tragteils 10 in Richtung der Systemachse Z der Lagerungsplatte 7, also in Richtung des mit z bezeichneten Doppelpfeils, verstellbar angebracht ist.
Die Lagerungsplatte 7 ist aus einem Röntgenstrahlung wenig schwächenden Material, z.B. carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) oder Holz, hergestellt.
Zur Anfertigung von computertomographischen Aufnahmen werden die Gantry 1 und die Lagerungsplatte 7 relativ zueinander in eine Position verfahren, in der sich die Lagerungsplatte 7 durch die Messöffnung 2 der Gantry 1 erstreckt und der auf der Lagerungsplatte 7 liegende Patient P eine solche Position relativ zu der Gantry 1 einnimmt, dass ein zu untersuchender Bereich des Patienten P von dem Röntgenstrahlenbündel RS erfasst wird.
Zur Anfertigung von Aufnahmen einer oder mehrerer planaren Schichten des Patienten P wird der Drehring 3 mit dem Röntgenstrahler 4 und dem Detektor 5 zur Aufnahme einer Vielzahl von der Rekonstruktion eines oder mehrerer Schnittbilder einer oder mehrerer planare Schichten des Patienten P dienende Projektionen unterschiedlicher Richtungen um die Systemachse Z gedreht, während die Gantry 1 und die Lagerungsplatte 7 bezüglich der Richtung der Systemachse Z ihre Positionen relativ zueinander beibehalten. Da der Detektor 5 mehrere Zeilen von Detektorelementen aufweist, können gleichzei tig Projektionen bezüglich einer maximal der Anzahl der Zeilen 5₁ bis 5_n des Detektors 5 entsprechenden Anzahl von Schichten des Patienten P aufgenommen werden. Die den Projektionen entsprechenden Messwerte, die von einer oder von mehreren Zeilen 5₁ bis 5_n des Detektors 5 stammen, sind einem Rechner 11 zugeführt, der aus diesen Messwerten in an sich bekannter Weise ein Schnittbild oder mehrere Schnittbilder berechnet, die auf einer Anzeigeeinrichtung, z.B. einem Monitor 12 dargestellt werden können. An den Rechner 11 sind eine Tastatur 13, eine Mouse 14 und/oder weitere nicht dargestellte Eingabeeinrichtungen zur Bedienung des CT-Geräts angeschlossen.
Zur Durchführung eines sogenannten Spiralscans wird bei aktivem Röntgenstrahler 4 unter kontinuierlicher Rotation des Drehrings 3 die Lagerungsplatte 7 geradlinig in Richtung der Systemachse Z, also in z-Richtung, verschoben, so dass die aufgenommenen Projektionen sich nicht auf eine oder mehrere planare Schichten, sondern auf eine oder mehrere helixförmige Schichten beziehen. Mit Hilfe an sich bekannter Verfahren zur Spiralinterpolation ermittelt der Rechner 11 aus den im Zuge des Spiralscans gewonnenen gemessenen Projektionen errechnete Projektionen, die sich auf eine oder mehrere gewünschte planare Schichten beziehen und die Rekonstruktion entsprechender Schnittbilder gestatten. Darüber hinaus ist es möglich, auf der Basis von Spiralscans dreidimensionale Bilder zu rekonstruieren, da im Zuge eines Spiralscans nicht nur eine planare Schicht, sondern ein Volumen abgetastet wird.
Um vor einer unter Verwendung eines Kontrastmittels, sei es mit ortsfester oder bewegter Lagerungsplatte, durchgeführten Untersuchung denjenigen Bereich des Patienten P festlegen zu können, der bei der Untersuchung erfasst werden soll, wird gewöhnlich Für solche Untersuchungen mittels eines Kontrastmittels, ist ein Kontrastmittelinjektor 15 vorgesehen, mittels dessen über eine Kanüle 16 dem Patienten P ein Kontrastmittel zuführbar ist. Im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels wird der Kontrastmittelinjektor 15, was durch eine entsprechende Leitung angedeutet ist, von dem Rechner 11 gesteuert, und zwar sowohl hinsichtlich der Menge des Kontrastmittels, die dem Patienten P pro Zeiteinheit zugeführt wird, als auch hinsichtlich des Beginns und des Endes der Zufuhr von Kontrastmittel.
Der Erfolg von mittels eines Kontrastmittels durchgeführten Untersuchungen hängt davon ab, dass die Untersuchung erst dann gestartet wird, wenn in dem jeweils zu untersuchenden Körperbereich tatsächlich bereits eine ausreichende Konzentration des Kontrastmittels vorliegt.
Um dies sicherstellen zu können, wird so vorgegangen, dass vor der eigentlichen Untersuchung im Zuge sogenannter Monitorscans, die zum Schutze des Patienten P mit reduzierter Röntgendosis durchgeführt werden, zunächst die jeweils vorliegende Konzentration des Kontrastmittels überwacht wird, und die eigentliche Untersuchung, die mit normaler Röntgendosis erfolgt, erst dann ausgelöst wird, wenn anhand der Monitorscans erkennbar ist, dass die gewünschte Konzentration von Kontrastmittel vorliegt.
Um die jeweils notwendige Röntgendosis einstellen zu können, wird die den Röntgenstrahler 4 mit den zu dessen Betrieb erforderlichen Spannungen und Strömen versorgende Generatoreinrichtung 17 ebenfalls von dem Rechner 11 gesteuert, was über eine entsprechende Leitung angedeutet ist.
Im Falle des erfindungsgemäßen Verfahrens wird so vorgegangen, dass zunächst ein Monitorscan ohne Aktivierung des Kontrastmittelinjektors 15 vorgenommen wird, der diejenige Region des Körpers des Patienten P enthält, die Gegenstand der Untersuchung ist. Mittels der Mouse 14 wird nun in einem auf dem Monitor 12 angezeigten, auf Basis des ohne Kontrastmittel durchgeführten Monitorscans gewonnenen Schnittbild eine in 2 strichliert angedeutete z.B. kreisförmige ROI markiert, die denjenigen im folgenden als maßgeblichen Bereich bezeichneten Bereich des Patienten, z.B. ein in 2 im Querschnitt sichtbares Blutgefäß V, z.B. die Karotis-Arterie, enthält, in dem die jeweils vorliegende Konzentration des Kontrastmittels maßgeblich für die Auslösung der eigentlichen Untersuchung ist.
Nach erfolgter Markierung der ROI wird beispielsweise durch eine entsprechende Betätigung der Tastatur 13 der Kontrastmittelinjektor 15 mit der jeweiligen Untersuchung entsprechenden Betriebsparametern aktiviert. Nach einer gewissen Verzögerungszeit, die je nach Untersuchung auch entfallen kann, werden weitere Monitorscans durchgeführt. Für die im Zuge dieser Monitorscans gewonnenen Schnittbilder wie auch das auf Basis des ohne Kontrastmittel durchgeführten Monitorscans gewonnenen Schnittbild erstellt der Rechner 11 jeweils ein Histogramm bezüglich der den zu der markierten ROI gehörigen Bildpunkten zugeordneten CT-Zahlen, die bekanntermaßen den zu den Bildpunkten gehörigen Strahlenschwächungswerten entsprechen und bei der Darstellung der Schnittbilder auf dem Monitor 12 in Grauwerte umgesetzt werden.
Unter Berücksichtigung der Häufigkeit der CT-Zahlen in den Histogrammen ermittelt der Rechner 11 die jeweils vorliegende Konzentration des Kontrastmittels zumindest qualitativ, beispielsweise ihrem zeitlichen Verlauf nach, und vergleicht die ermittelte Konzentration des Kontrastmittels mit einem Schwellwert. Wird dieser Schwellwert, der der jeweiligen Untersuchung entsprechend mittels der Tastatur 13 gewählt werden kann, überschritten, werden die Monitorscans beendet und gegebenenfalls nach einer mittels der Tastatur 13 einstellbaren Verzögerungszeit die eigentliche Untersuchung, sei es mit ortsfester oder bewegter Lagerungsplatte 7, durchgeführt.
Da im Gegensatz zum Stand der Technik nicht der Mittelwert der CT-Zahlen der Bildpunkte der ROI als Maß für die Kontrastmittelkonzentration herangezogen wird, sondern die Konzentration des Kontrastmittels auf Basis eines Histogramms ermittelt wird, ist es anders als beim Stand der Technik nicht notwendig, die Größe der ROI möglichst eng auf den maßgeblichen zu beschränken; es genügt vielmehr, wenn sichergestellt ist, dass sich der maßgebliche tatsächlich innerhalb der ROI befindet und die Fläche der ROI die Fläche des maßgeblichen Bereichs nicht zu stark, d.h. je nach Anwendungsfall um nicht mehr als das 5- bis 25fache, übersteigt.
Bei einer einer besonderen Betriebsart des Röntgen-CT-Geräts entsprechenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der Kontrastmittelkonzentration so vorgegangen, dass als Maß für den zeitlichen Verlauf der Kontrastmittelkonzentration die Lage einer parallel zu der Häufigkeits-Achse des Histogramms verlaufenden, einen definierten Anteil der Gesamtfläche des Histogramms enthaltenden Bereich des Histogramms abtrennenden Geraden ermittelt wird.
Diese Vorgehensweise ist in den 3 bis 5 veranschaulicht, wobei die 3 ein Histogramm zeigt, das aus einem Monitorscan vor der Verabreichung von Kontrastmittel gewonnen wurde. Die 4 zeigt ein Histogramm, das die Situation für eine noch relativ geringe Kontrastmittelkonzentration in dem maßgeblichen Bereich darstellt. Das Histogramm in 5 stellt die Situation für eine zur Durchführung einer Untersuchung ausreichende Kontrastmittelkonzentration in dem maßgeblichen Bereich dar.
In den Histogrammen sind auf der mit CTN bezeichneten horizontalen Achse jeweils die CT-Zahlen und auf der mit F bezeichneten vertikalen Achse jeweils die relativen Häufigkeiten der CT-Zahlen aufgetragen.
Bei der bei Abwesenheit von Kontrastmittel dominierenden CT-Zahl, bei der die Histogramme jeweils ein Maximum aufweisen, entspricht, falls es sich bei dem maßgeblichen Bereich wie beschrieben um ein Blutgefäß V handelt, im wesentlichen der CT-Zahl des das Blutgefäß V umgebenden Gewebes.
Die im Falle der 3 bis 5 jeweils einen beispielhaften Prozentsatz pc von 10% der Gesamtfläche des Histogramms abtrennenden, parallel zur Häufigkeitsachse F des Histogramms verlaufenden Geraden sind jeweils mit pc_10% bezeichnet.
Als Maß für die zum Zeitpunkt der einzelnen Monitorscans jeweils vorliegende Kontrastmittelkonzentration wird der Abstand D zwischen der Geraden pc_10% zu der entsprechenden Gerade pc_10%(0) vor Beginn der Kontrastmittelgabe ermittelt. Übersteigt dieser Abstand einen in den 3 bis 5 jeweils mit S bezeichneten Schwellwert, so wie dies im Falle der 5 der Fall ist, wird die eigentliche Untersuchung ausgelöst.
Wie anhand der 3 bis 5 deutlich wird, stellt der Abstand D zwischen den Geraden pc_10%(0) und pc_10% ein eindeutiges Maß für die in den maßgeblichen Bereich vorliegende Kontrastmittelkonzentration dar und ermöglicht somit auf Basis des Schwellwertes S eine exakte Auslösung der Untersuchung, da der durch das Kontrastmittel bestimmte Teil der Histogramme jeweils eindeutig identifizierbar ist und im Falle des in 5 veranschaulichten Zustands ein zweites Maximum des Histogramms im Bereich der dem Kontrastmittel entsprechenden CT-Zahl darstellt.
Übrigens verläuft die dem jeweiligen Prozentsatz pc entsprechende parallel zur Häufigkeitsachse verlaufende Gerade dann wie im Falle der 5 durch das dem Kontrastmittel entsprechende Häufigkeitsmaximum des Histogramms, wenn der Prozentsatz pc in %, der Beziehung
genügt, in der Area_V der Querschnittsfläche des jeweiligen Gefäßes V und Area_ROI der Querschnittsfläche der ROI entsprechen.
Unter Umständen kann es auch zweckmäßig sein, in der in den 3 bis 5 zusätzlich veranschaulichten Weise statt einer einen bestimmten Prozentsatz der Histogrammfläche abtrennenden Gerade eine parallel zur Häufigkeitsachse F der Histogramme verlaufende Gerade zu verwenden, die durch den Mittelwert eines einem definierten Prozentsatz entsprechenden Teils der Histogrammfläche verläuft, wobei der genannte Teil der Histogrammfläche durch eine entsprechende parallel zur Häufigkeitsachse der Histogramme verlaufende Gerade definiert ist. Im Falle der 3 bis 5 ist dies die jeweils mit pc _10% bezeichnete Gerade durch den Mittelwert des durch die Gerade pc_10% abgetrennten Teils der Histogrammfläche.
Die beschriebene Vorgehensweise eignet sich nicht nur für die Darstellung von Gefäßen, sondern auch für das Gehirn. In diesem Falle tritt das Problem auf, dass die in dem Gehirn auftretende Kontrastmittelkonzentration sehr gering ist und die Gefäßstrukturen sehr fein sind, so dass sie in Aufnahmen ohne Kontrastmittel sich von dem Parenchym normalerweise nicht deutlich abheben. In diesem Fall wird so vorgegangen, dass das gesamte Gehirn als ROI ausgewählt wird, was beispielsweise durch automatische Konturenfindung des Schädelknochens erfolgen kann. Alternativ besteht die Möglichkeit, einen möglichst großen, möglichst viele arterielle Strukturen enthaltenden Bereich des Gehirns als ROI zu wählen.
Im Hinblick auf den Blutgehalt im Gehirn, der etwa 4% des Hirnvolumens ausmacht, eignet sich die Wahl eines definierten Prozentsatzes pc in der gleichen Größenordnung.
In 6 ist die Situation für einen definierten Prozentsatz pc von 2% veranschaulicht, wobei deutlich wird, dass selbst unter diesen Umständen eine definierte Auslösung der eigentlichen Untersuchung möglich ist.
Bei bestimmten Untersuchungen der Leber, die mit dem Ziel erfolgen, mögliche Tumore aufzufinden, tritt das Problem auf, dass die Auslösung der eigentlichen Untersuchung dann erfolgen muss, wenn das normale Leberparenchym optimal mit Kontrastmittel gefüllt ist. Die Auslösung der Untersuchung wird dann gestört, falls die Auslöse-ROI entweder Gefäße oder Metastasen enthält, die bei Abwesenheit von Kontrastmittel schlecht abgrenzbar sind.
In einer zu einer entsprechenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gehörigen Betriebsart des Röntgen-CT-Geräts werden diese Anforderungen dadurch erfüllt, dass der zeitliche Verlauf eines mittleren Bereichs des Histogramms als Maß für den zeitlichen Verlauf der Kontrastmittelkonzentration herangezogen wird. Dabei ist der mittlere Bereich des Histogramms gemäß 7, die die Situation vor der Gabe von Kontrastmittel zeigt, durch eine parallel zu der Häufigkeits-Achse F des Histogramms verlaufende, einen oberen definierten Anteil der Gesamtfläche des Histogramms enthaltenden Bereich abtrennende Gerade pc_x% und durch eine parallel zu der Häufigkeits-Achse des Histogramms verlaufende, einen unteren definierten Anteil der Gesamtfläche des Histogramms enthaltenden Bereich abtrennende Gerade pc_y% begrenzt.
Zum besseren Verständnis ist in 7 nicht nur das als ausgezogene Linie dargestellte resultierende Histogramm dargestellt. Vielmehr sind auch Teilhistogramme für das normale Leberparenchym als strichpunktierte Linie, das Teilhistogramm für die in dem normalen Leberparenchym vorliegende Gefäße als punktierte Linie und das Teilhistogramm für in dem normalen Leberparenchym vorliegende Metastasen als strichlierte Linie angedeutet.
Nach der Gabe von Kontrastmittel erhält man die in 8 veranschaulichte Situation, wobei das resultierende Histogramm wieder als ausgezogene Linie dargestellt ist. Die Teilhistogramme für Gefäße und Metastasen sowie das normale Lebergewebe sind in zu der 7 analogen Linienarten dargestellt.
Die Auslösung der eigentlichen Untersuchung erfolgt dann, wenn die Änderung des Mittelwertes des mittleren Bereichs des Histogramms, der in 8 durch eine parallel zur Häufigkeitsachse F durch den Mittelwert verlaufende, mit M bezeichnete Gerade veranschaulicht ist, einen Schwellwert S übersteigt.
Es wird deutlich, dass die Auslösung der Untersuchung zu einem Zeitpunkt, in dem das normale Leberparenchym gut mit Kontrastmittel gefüllt ist, trotz der Anwesenheit von Metastasen und Gefäßen gewährleistet ist.
Falls pc_x% und pc_y% symmetrisch liegen, also pc_x% = 100 – pc_y%, dann kann vereinfachend auch die Änderung des Medianwertes des Histogrammes als Auslösekriterium verwendet werden.
In einer einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechenden Betriebsart des Röntgen-CT-Geräts wird für einen ohne Kontrastmittel durchgeführten Monitorscan zunächst ein Histogramm erstellt. Mit diesem werden diejenigen Histogramme, vorzugsweise durch Subtraktion, verglichen, die für die nach der Gabe von Kontrastmittel durchgeführten Monitorscans resultieren.
Diese Vorgehensweise ist in 9 anhand idealisierter Histogramme veranschaulicht, wobei das punktiert dargestellte Histogramm H1 auf Basis eines Monitorscans ohne Kontrastmittel ermittelt wurde, während das strichliert dargestellte Histogramm H2 auf einem einige Zeit nach der Gabe von Kontrastmittel durchgeführten Monitorscan basiert.
Für die zu den einzelnen Monitorscans gehörigen Histogramme wird jeweils durch Differenzbildung mit dem ohne Kontrastmittelgabe ermittelten Histogramm ein Differenzhistogramm HS gebildet, wobei im Falle der 9 der Verlauf des Differenzhistogramms HS als durchgezogene Linie dargestellt ist.
Der Verlauf des Differenzhistogramms HS weist ein negatives und ein positives Maximum auf, zwischen welchen sich ein Nulldurchgang befindet. Dieser Nulldurchgang verschiebt sich mit zunehmender Kontrastmittelkonzentration ebenfalls zu höheren CT-Zahlen hin. Der Nulldurchgang des Differenzhistogramms HS kann infolge des Umstandes, dass er sich zwischen den beiden Maxima befindet, leicht identifiziert werden.
Es kann gezeigt werden, dass die Differenz Δ aus der dem Nulldurchgang des Differenzhistogramms HS entsprechenden CT-Zahl und der im Falle des den Verhältnissen ohne Kontrastmittel entsprechenden Histogramm vorherrschenden CT-Zahl der aktuell vorliegenden Kontrastmittelkonzentration entspricht.
Die Auslösung der eigentlichen Untersuchung erfolgt daher dann, wenn diese Differenz Δ einen Schwellwert S überschreitet.
Im Falle des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Röntgen-CT-Gerät bei der Durchführung der Monitorscans unabhängig von der jeweils gewählten Betriebsart mit einer gegenüber der bei der Durchführung der eigentlichen Untersuchung vorliegenden Röntgendosis verringerten Röntgendosis betrieben. Dies hat zur Folge, dass infolge des somit vermehrt auftretenden Rauschens die tatsächlich ermittelten Histogramme H1 und H2 in der aus der 10 ersichtlichen Weise deutlich von idealen Histogrammen, wie sie in 9 veranschaulicht sind, abweichen. Dies gilt auch für das Differenzhistogramm DH, dessen Auswertung somit nicht mehr eindeutig möglich ist, da zwischen dem positiven und negativen Maximum mehrere Nulldurchgänge liegen können und in der Regel auch liegen.
In der beschriebenen Betriebsart des Röntgen-CT-Geräts wird deshalb das Differenzhistogramm DH mit dem ohne Kontrastmittelgabe ermittelten Histogramm H1 gefaltet, was zu der in 10 als dick ausgezogenen Linie dargestellten Kurve R führt, die sozusagen dem geglätteten Differenzhistogramm HS entspricht und leicht in zu der 9 analoger weise ausgewertet werden kann.
Es sei darauf hingewiesen, dass in den einzelnen vorstehenden Betriebsarten die Ermittlung der Histogramme, die Auswertung der Histogramme, Subtraktions- und Faltungsoperationen, der Vergleich mit Schwellwerten usw. von dem Rechner 11 durchgeführt wird.
Ebenso steuert der Rechner 11 das Röntgen-CT-Gerät zur Erzeugung der Folge von Monitorscans an und löst bei Überschreitung des jeweiligen Schwellwertes die eigentliche Untersuchung aus.
Der jeweils maßgebliche Schwellwert S kann ebenso wie die Lage der Geraden pc_x% vom Bedienpersonal, beispielsweise über die Tastatur 13, in den Rechner 11 eingegeben werden. Ebenso kann über die Tastatur 13 oder mittels der Mouse die jeweilige Betriebsart gewählt und der Start der Monitorscans bewirkt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich bevorzugt für die Röntgendiagnostik, insbesondere die Computertomographie, kann jedoch auch in Verbindung mit anderen mit Kontrastmittel durchführbaren bildgebende Verfahren, z.B. Magnetresonanz und Ultraschall, zum Einsatz kommen.

Claims

Verfahren zur Untersuchung eines Lebewesens mittels eines, auf der Bestimmung einer physikalische Eigenschaft des abzubildenden Bereichs beruhenden bildgebenden Verfahrens unter Zuhilfenahme eines Kontrastmittels, wobei zur Ermittlung der Konzentration des, eine mittels des bildgebenden Verfahrens bestimmbare physikalische Eigenschaft aufweisenden, Kontrastmittels in einer interessierenden Region (Region Of Interest = ROI) des Lebewesens, welche in zeitlich aufeinanderfolgenden, mittels des bildgebenden Verfahrens unter Ermittlung quantitativer Werte der physikalischen Eigenschaft gewonnenen Bildern enthalten ist, folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden: – für die einzelnen Bilder wird bezüglich der ROI ein Histogramm der quantitativen Werte der physikalischen Eigenschaft erstellt, und – die Kontrastmittelkonzentration in der ROI wird auf Basis der Häufigkeit der in der ROI vorhandenen quantitativen Werte der physikalischen Eigenschaft ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der zeitliche Verlauf der Konzentration des Kontrastmittels ermittelt wird und der zeitliche Verlauf der Kontrastmittelkonzentration in der ROI auf Basis der Häufigkeit der in der ROI vorhandenen quantitativen Werte der physikalischen Eigenschaft ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der zeitliche Verlauf der Position einer parallel zu der Häufigkeits-Achse des Histogramms verlaufenden, einen einen definierten Anteil der Gesamtfläche des Histogramms enthaltenden Bereich des Histogramms abtrennenden Geraden als Maß für den zeitlichen Verlauf der Kontrastmittelkonzentration ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die jeweilige Position der den definierten Anteil abtrennenden Geraden durch deren Abstand von einer parallel zu der Häufigkeits-Achse des Histogramms verlaufenden Geraden definiert ist, die einen Anteil der Gesamtfläche eines entsprechenden bei Abwesenheit von Kontrastmittel gewonnenen Histogramms enthaltenden Bereich abtrennt, der gleich dem definierten Anteil ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der zeitliche Verlauf der Position einer parallel zu der Häufigkeits-Achse des Histogramms durch den Mittelwert eines durch eine parallel zu der Häufigkeits-Achse des Histogramms verlaufende Gerade abgetrennten definierten Anteil der Gesamtfläche des Histogramms enthaltenden Bereich des Histogramms verlaufenden Geraden als Maß für den zeitlichen Verlauf der Kontrastmittelkonzentration ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die jeweilige Position der durch den Mittelwert verlaufenden Geraden durch deren Abstand von einer Geraden definiert ist, die in einem entsprechenden bei Abwesenheit von Kontrastmittel gewonnenen Histogramm durch den Mittelwert eines Bereich verläuft, der durch eine parallel zu der Häufigkeits-Achse des Histogramms verlaufende Gerade abgetrennt ist und einem Anteil der Gesamtfläche des bei Abwesenheit von Kontrastmittel gewonnenen Histogramms entspricht, der gleich dem definierten Anteil ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der zeitliche Verlauf des Mittelwertes oder des Medianwertes eines mittleren Bereichs des Histogramms, der durch eine parallel zu der Häufigkeits-Achse des Histogramms verlaufende, einen einen oberen definierten Anteil der Gesamtfläche des Histogramms enthaltenden Bereich des Histogramms abtrennende Gerade und durch eine parallel zu der Häufigkeits-Achse des Histogramms verlaufende, einen einen definierten Anteil der Gesamtfläche des Histogramms enthaltenden Bereich des Histogramms abtrennende Gerade begrenzt ist, als Maß für den zeitlichen Verlauf der Kontrastmittelkonzentration ermittelt wird, wobei der obere definierten Anteil der Gesamtfläche des Histogramms enthaltenden Bereich Werten der physikalischen Eigenschaft entspricht, die oberhalb der dem mittleren Bereich des Histogramms entsprechenden Werten der physikalischen Eigenschaft liegen, und der untere definierten Anteil der Gesamtfläche des Histogramms enthaltenden Bereich Werten der physikalischen Eigenschaft entspricht, die unterhalb der dem mittleren Bereich des Histogramms entsprechenden Werten der physikalischen Eigenschaft liegen.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der Kontrastmittelkonzentration den Verfahrenschritt umfasst, dass bezüglich eines vor der Verabreichung von Kontrastmittel erstellten Bildes ein Histogramm erstellt wird, mit dem die zu den zeitlich aufeinanderfolgenden Bildern gehörigen Histogramme jeweils verglichen werden, wobei der zeitliche Verlauf des zu dem Kontrastmittel gehörigen Wert der physikalischen Eigenschaft als Maß für den zeitlichen Verlauf der Kontrastmittelkonzentration ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Histogramm bezüglich des vor der Verabreichung von Kontrastmittel erstellten Bildes und die zu den zeitlich aufeinanderfolgenden Bildern gehörigen Histogramme zur Erzeugung von resultierenden Histogrammen jeweils voneinander subtrahiert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Ergebnis der Subtraktion mit dem Histogramm bezüglich des vor der Verabreichung von Kontrastmittel erstellten Bildes gefaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem eine Untersuchung gestartet wird, wenn die Kontrastmittelkonzentration einen Schwellwert überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, beidem als bildgebendes Verfahren Röntgen-Computertomographie vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die zeitlich aufeinanderfolgenden unter Ermittlung quantitativer Werte der physikalischen Eigenschaft gewonnenen Bilder mit gegenüber der bei der Durchführung einer Untersuchung vorliegenden Röntgendosis verringerter Röntgendosis erzeugt werden.