DE10127573A1

DE10127573A1 - Verfahren zur kombinierten Darstellung der Morphologie und Dynamik bei Schnittbild- und Volumenbildverfahren

Info

Publication number: DE10127573A1
Application number: DE10127573A
Authority: DE
Inventors: Patrik Rogalla
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-30
Filing date: 2001-05-30
Publication date: 2001-12-06
Also published as: AU7046601A; WO2001095615A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kombinierten Darstellung der Morphologie und Dynamik bei Schnittbild- oder Volumenbildverfahren. Das Verfahren besteht aus der Aufnahme mindestens zweier Bilder, Bildserien oder Volumenrekonstruktionen, aus deren Addition nach Rechenvorschrift und Differenzbildung nach Rechenvorschrift, wobei die Unterschiede im Differenzbild farbcodiert werden können, und aus der variablen Überlagerung nach Rechenvorschrift von Additions- und Differenzbild. Bei der Aufnahme mehrerer Bilder, Bildserien oder Volumenrekonstruktionen kann im Falle der Anwendung einer mit ionisierender Strahlung einhergehender Untersuchungsmethode mit entsprechend fraktionierter Strahlendosis gearbeitet und damit die Patientendosis gesenkt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kombinierten Darstellung von Morphologie und Dynamik bei Schnittbild- und Volumenbildverfahren. Ein mögliches Anwendungsgebiet ist die Computertomographie (CT), wobei die Dynamik ein Kontrastmittelverhalten sein kann. Die Erfindung kann sowohl zur Gewebecharakteristik als auch zur Detektion von Gewebestörungen, zum Beispiel in der Leber, dienen.

Ein Schnittbildverfahren ist ein Abbildungsverfahren, bei dem das zu untersuchende Objekt in Scheiben einer endlichen Dicke zerlegt wird, die in der Realität mit Bezug auf eine bestimmte Abbildungseigenschaft (z. B. Röntgenabsorption oder ähnliches) entsprechen. Die Scheiben können, müssen aber nicht lückenfrei aneinanderliegen. Ein Volumenverfahren ist hingegen ein Verfahren, bei dem jedes endliche Teilvolumen einer definierten Größe eines untersuchten Objektes einem definierten Teilvolumen des aufgenommenen Datensatzes entspricht oder zugeordnet werden kann. Die Darstellung des Volumendatensatzes kann in Scheiben, analog zu einem Schnittbildverfahren, oder aber auch als dreidimensionales Volumen (Volumenrekonstruktion) erfolgen.

In der Bildgebung lebender Organe oder Organabschnitte werden nicht nur anatomische Informationen zur Diagnosefindung verwendet, sondern häufig auch Informationen aus der Dynamik, sei es Bewegung des Organs oder Teile des Organs, z. B. Herz (Kachelriess M, Ulzheimer 5, Kalender WA. ECG-correlated image reconstruction from subsecond multi-slice spiral CT scans of the heart. Med Phys 2000; 27: 1881-902.) oder auch Veränderungen der Kontrastmittelverteilung in einen Zeitspanne. Aus den Veränderungen des Organs (Dynamik) können Rückschlüsse über die Gewebeart gezogen werden; viele Pathologien sind auch erst durch die Analyse der Dynamik erkennbar (Morneburg, H.: Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik. Publicis MCD Verlag, 1995, 275-292). Im Anwendungsbeispiel der Computertomographie wird üblicherweise Kontrastmittel während der Bildaufnahme in das Gefäßsystem gespritzt, welches sich in einem typischen zeitlichen Verlauf in den Organsystemen verteilt. Die gängige Praxis besteht derzeit darin, mehrere Aufnahmen oder Aufnahmeserien von dem entsprechenden Organsystem anzufertigen (z. B. von der Leber, Foley WD, Mallisee TA, Hohenwalter MD, Wilson CR, Quiroz FA, Taylor AJ. Multiphase hepatic CT with a multirow detector CT scanner. AJR Am J Roentgenol 2000; 175: 679-85) und die Dynamik, z. B. das Kontrastmittelverhalten, durch Vergleich der Bilder oder Bilderserien zu bestimmen. Diese sogenannte bi- oder multiphasische Untersuchung (Aufnahme zu zwei oder mehreren Zeitpunkten nach Kontrastmittelgabe, sog. Phasen) hat den Nachteil, dass mit jeder Phase die Strahlenexposition steigt, häufig sogar linear mit der Anzahl der Serien.

Ein diagnostisches Bild eines Schnitt- oder Volumenbildverfahrens setzt sich zum einen aus der Information der Anatomie, zum anderen aber aus der Information aus der Dynamik zusammen, die jedoch bei einer einzelnen Serie (Aufnahme zu einem definierten, endlichen Zeitpunkt oder Zeitbereich) nicht voneinander trennbar sind. Bei einer biphasischen (zweizeitigen) Untersuchung, durchgeführt mit dem Ziel, die Dynamik des Organsystems (z. B. Bewegung. Kontrastmittelverteilung) zu erkennen, wird also die Morphologie unnötigerweise zweimal erfasst, obwohl sich diese im eingefassten Zeitraum nicht ändert. Im Anwendungsbeispiel der Computertomographie steigt somit die Dosis (Strahlenexposition) für den Patienten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem auf Röntgenstrahlung basierenden Bildgebungsverfahren die Strahlenbelastung bei einer Aufnahmefolge zu verringern und die Nachteile der gängigen Praxis zu beseitigen. Die Aufgabe wurde dadurch gelöst, dass eine kombinierte Darstellung der Morphologie und Dynamik bereitgestellt wird, indem mindestens zwei Bilder, Bildserien oder Volumendarstellungen von entsprechend unterschiedlichen Phasen des entsprechenden Gewebes, vorzugsweise mit halber oder entsprechend der Anzahl der Serien fraktionierter Strahlendosis, aufgenommen werden. Anschließend werden die Bilder, Bildserien oder Volumendarstellungen in anatomischer Übereinstimmung (ggf sind dafür Rechenschritte erforderlich, sogenannte anatomische Registrierungen) nach einer Rechenvorschrift, z. B. linear, logarithmisch oder ähnlich, addiert. Damit erhält man zunächst einmal eine Aussage über die Morphologie des entsprechenden Gewebes, darin enthalten ist ein "Mischbild" der Dynamik. In einem weiteren Schritt wird nach einer Rechenvorschrift, z. B. linear, logarithmisch oder ähnlich, die Differenz der Bilder, Bildserien oder Volumendarstellungen berechnet und die Veränderungen farblich in der Weise codiert, dass das gesamte sichtbare Farbspektrum (blau bis rot) zur Anwendung kommen kann. Bildanteile im Differenzbild, welche über die Zeit an Intensität (als Maß für die Veränderung) zugenommen haben, werden in eine Richtung des Farbspektrums, z. B. blau, codiert, Bildanteile, welche über die Zeit an Intensität verloren haben, werden in die andere Richtung des Farbspektrums, z. B. rot, codiert. Die Codierung erfolgt nach einer Rechenvorschrift, z. B. nach einer "Look-up-table". In einem letzten Schritt werden, ggf. nach üblicher Bildbearbeitung des Additions- und Differenzbildes wie Rauschreduzierung, Artefaktreduktion, Kantenanhebung oder -glättung usw., das Additionsbild und das Differenzbild in einem Rechenschritt, z. B. in variablem Prozentsatz oder auch logarithmisch, überlagert. Damit wird erreicht, dass - im Falle der Computertomographie ohne die Patientendosis zu erhöhen - in einem Bild nicht nur Morphologie, sondern auch Dynamik enthalten sind.

Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass in einem Bild oder Bildserie oder einer Volumenrekonstruktion die Gewebecharakteristik nicht nur durch ihre morphologischen Eigenschaften, sondern gleichzeitig auch durch ihre Dynamik beurteilt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nach dem gleichen Prinzip für alle Schnittbild- und Volumenbildverfahren, z. B. Ultraschall, Kernspintomographie, Emissionstomographie, und Computertomographie oder Array-CT, welche Daten über mehrere Zeitpunkte oder eine Zeitspanne erfassen. Typische Einsatzgebiete können Untersuchungen der Weichteile, aller inneren Organe, der Lunge, des Herzens oder auch des Kopfes sein. Unter dem Begriff "Dynamik" werden nicht nur Bewegungen oder Kontrastmittelverhalten, sondern auch alle Veränderungen wie z. B. Magnetfeld-, Aktivitäts-, Absorptions- oder Echogenitätsverände rungen verstanden, die mit einer Untersuchungsmethode messbar sind.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass durch die kombinierte Darstellung von Morphologie und Dynamik in einem Bild, einer Bildserie oder einer Volumenrekonstruktion eine Datenkompression in dem Sinne erreicht wird, dass zur Archivierung der diagnostischen Untersuchung nicht mehr alle primär aquirierten Bilder, Bildserien oder Volumen rekonstruktionen gespeichert werden müssen, sondern nur noch die Additions-, Differenz- und Ergebnisbilder. Da durch die Erfindung im Falle der Computertomographie die Strahlenexposition für den Patienten nicht notwendigerweise steigt, ist eine universelle Anwendung denkbar. Da bisher Aussagen über die Kontrastmitteldynamik in der Computertomographie nur mit einer erhöhten Strahlenexposition erreichbar waren, reduziert die sinngemäße Anwendung der Erfindung die Dosisbelastung für die Patienten.

Das Wesen der Erfindung besteht aus einer Kombination bekannter - Schnitt- oder Volumenbildaufnahmen - und neuer Elemente - fraktionierte Strahlendosis, Addition und Differenzbildung nach Rechenvorschrift, Überlagerung der resultierenden Bilder, Bildserien oder Volumenrekonstruktionen nach Rechenvorschrift in Farbcodierung - die sich gegenseitig beeinflussen und in ihrer neuen Gesamtwirkung einen Gebrauchsvorteil und den erstrebten Erfolg ergeben, der darin liegt, dass dynamische Abbildungen von Geweben in Bildern, Bildserien oder Volumenrekonstruktionen im Anwendungsfalle der Computertomographie ohne Erhöhung der Strahlenexposition möglich sind. Die Dynamik ist damit in das Morphologiebild hineincodiert worden. Möchte der Betrachter der diagnostischen Resultatbilder lieber auf die Farbcodierung verzichten, kann er die Überlagerung des Differenzbildes abschalten und erhält den bisher gewohnten Eindruck eines konventionellen diagnostischen Bildes, einer Bildserie oder Volumenrekonstruktion. Der diagnostische Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass in einem Bild, einer Bildserie oder einer Volumenrekonstruktion die Gewebecharakteristik nicht nur durch ihre morphologischen Eigenschaften, sondern gleichzeitig auch durch ihre Dynamik beurteilt werden kann.

Aufgrund der bei vielen Organen bestehenden Atemverschieblichkeit müssen die beschriebenen Bilder, Bildserien oder Volumenrekonstruktionen (Phasen) in einem Atemstillstand aufgenommen werden. Durch die Anwendung von Mustererkennungs- oder Registrierungsprogrammen wird es möglich, auch ohne Atemstillstand die Serien aufzunehmen. Dem Schritt der Bildbearbeitung (Addition usw.) muss dann die anatomische Registrierung der Serien zuvor kommen.

In der Offenlegungsschrift DE 36 20 261 A1 wird ein Verfahren zur Überlagerung unterschiedlicher Bilder beschrieben, jedoch mit grundsätzlichen Unterschieden zu der erfindungsgemäßen Lösung: Das in der Schrift beschriebene Akutbild besteht nicht aus der rechnerisch gewichteten Addition zweier oder mehrerer Einzelbilder, und das gewichtete Differenzbild wird in Farbe, aber monochrom codiert. Das bedeutet, dass das Differenzbild nicht - wie in der Erfindung vorgeschlagen - in der Art codiert wird, dass Bildareale, die Intensität über die Zeit verloren haben, in der einen Richtung des Farbspektrums, und Bildareale, die Intensität über die Zeit gewonnen haben, in der anderen Richtung des Farbspektrums, oder auch nach Vorschrift (Look-up-Table) codiert werden. Jedoch liegt in der farblichen Codierung der Intensitätsänderung der eigentliche diagnostische Gewinn, nämlich die Visualisierung der Dynamik.

Nach dem in der US 5003571 (C. Kido et al.) beschriebenen Verfahren werden Einzelbilder ebenfalls addiert und subtrahiert, aber die Farbcodierung, wie erfindungsgemäß beschrieben, fehlt, weshalb das Verfahren grundsätzlich mit einem anderen Ziel erfolgt, nämlich der Verbesserung der Detektion von Gewebeunterschieden in einem statischen Objekt ohne Dynamik. Die Projektionsradiographie (hier Mammographie) stellt auch kein Schnittbild- oder Volumenbildverfahren dar.

Die folgenden Beispiele dienen der Verdeutlichung der Erfindung, ohne sie auf diese Beispiele zu beschränken.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung im Beispiel 1 soll anhand der Figuren erläutert werden.

Beispiel 1

Es werden zwei Perfusionsphasen der Leber nach intravenöser Kontrastmittelgabe mit halber Strahlendosis aufgenommen. Diese Halbdosisbilder enthalten ein wegen der geringeren Dosis entsprechend höheres Signalrauschen. Durch Addition der der beiden Phasenbilder sinkt das Rauschen auf das Niveau eines Standarddosis-Bildes. Das Summationsbild hat die Bildqualität wie Bild einer einzelnen Phase mit voller Dosis (Fig. 1). Man erhält eine Aussage über die Morphologie.

Durch Berechnung der Differenz der Phasen, dargestellt in Fig. 2 - (Bildrauschen spielt zunächst eine untergeordnete Rolle) - kann die Veränderung der Kontrastmittelkonzentration im Gewebe dargestellt werden. Diese Information, weil in schwarz-weiß, wird anhand einer Zuordnungsvorschrift (look-up-table) in Farbe codiert (alles was von einem mittleren Grauwert nach dunkel abweicht z. B. in rot, alles was heller geworden ist in blau; es kann aber auch jede andere Farbe sein - Fig. 3). Im Falle der vorliegenden Abbildung wird aus drucktechnischen Gründen "rot" durch "dunkelgrau" und "blau" durch "hellgrau" ersetzt. Dieses Differenzbild soll nun in variablem Prozentsatz zum Additionsbild (Morphologie) überlagert werden, dargestellt in Fig. 4.

Damit ist erreicht, dass, ohne die Dosis zu erhöhen, in einem Bild nicht nur Morphologie, sondern auch Dynamik enthalten sind.

Die Fig. 5 und 6 zeigen typische Untersuchungsprotokolle von Organen bzw. von Gewebe (Beispiel Hals und Leber in der Computertomographie).

Die Fig. 7 bis 9 zeigen das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Organs.

Fig. 10 zeigt links ein Bild nach der herkömmlichen Methode. Es ist nur die Morphologie zu erkennen. Im rechten Bild - aufgenommen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren - ist zusätzlich die Dynamik (hier die Kontrastmitteldynamik) enthalten, die an den unterschiedlichen Farben, hier aus drucktechnischen Gründen mit verschiedenen Intensitäten, zu erkennen ist.

Beispiel 2

In einem Array-CT, das mit einem großen Detektor ohne Tischvorschub etwa 20 Sekunden kontinuierlich um den Patienten kreist, werden Additions-Schnittbilder und Differenz- Schnittbilder (nicht nur zwei) berechnet, die dann nach Rechenvorschrift verarbeitet werden.

Claims

1. Verfahren zur kombinierten Darstellung der Morphologie und Dynamik bei Schnittbild- und Volumenbildverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass aufgenommene Bilder, Bildserien oder Volumenrekonstruktionen zu einem Morphologiebild nach Rechenvorschrift addiert, nach Rechenvorschrift zur Differenzbildung verwendet sowie Additions- und Differenzbild überlagert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Addition der aufgenommenen Bilder, Bildserien oder Volumenrekonstruktionen zu einem Morphologiebild nach Rechenvorschrift,
- Differenzbildung der aufgenommenen Bilder, Bildserien oder Volumenrekonstruktionen nach Rechenvorschrift,
- variable Überlagerung nach Rechenvorschrift von Additions- und Differenzbild.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Bilder, Bildserien oder Volumenrekonstruktionen im Falle der Anwendung bei einer mit ionisierender Strahlung einhergehender Untersuchungstechnik mit entsprechend fraktionierter Strahlendosis aufgenommen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle der Anwendung bei einer mit ionisierender Strahlung einhergehender Untersuchungstechnik die Patientendosis nicht erhöht werden muss.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Darstellung der Unterschiede farbig erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbcodierung nach einer Rechenvorschrift erfolgt.