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Hintergrund
der Erfindung
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Bildgebung, die die Betrachtung eines physikalischen Phänomens gestatten,
das sich bei einem Objekt in Zeit und Raum verändert. Eine Ausführungsform
der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur medizinischen Bildgebung eines organischen Objektes. Eine Ausführungsform
der Erfindung betrifft mehr im Einzelnen die Betrachtung eines transienten
Phänomens
unter Verwendung eines Bildgebungsgerätes etwa der vaskulären C-Arm-Bauart
(C-Bogen), das keine 3D-Bilder
des Objektes in einer im Hinblick auf die Dynamik des beobachteten
Phänomens
ausreichend kurzen Zeit liefern kann.
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Allgemein
bemerkt, ist es möglich,
den Zustand eines Objektes, etwa eines Patienten, mit Unterstützung des
Studiums dynamischer, physiologischer Phänomene zu diagnostizieren.
Gebräuchlich
ist es die Diffusion eines Produktes in einem organischen Objekt,
wie einem Organ des menschlichen Körpers, zu verfolgen. In der
Praxis durchdringt dieses Produkt gesundes Gewebe nicht in gleicher
Weise wie erkranktes Gewebe. Auf diese Weise kann die Beobachtung
der Diffusion des Produktes es ermöglichen, Information bezüglich des
Zustandes eines speziellen Gewebes zu erhalten.
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Die
Angiographie ist eine medizinische Bildgebungstechnik, die die Injektion
eines Produktes, wie etwa eines Kontrastmittels in die Blutgefäße beinhaltet,
um diese abzutrüben
und die Blutgefäße für diagnostische
oder therapeutische Zwecke zu betrachten. Die Angiographie erlaubt
es Läsionen
der Venen und Arterien zu beobachten, ohne dass chirurgische Eingriffe
vorgenommen werden müssten.
Das bei der Angiographie verwendete Kontrastmedium (oder -mittel)
ist eine für
Strahlung dunkle Substanz, die im Allgemeinen Jod enthält. Möglich ist
es auch, das Kontrastmedium in Form einer intravenösen oder
intraarteriellen Injektion in den Körper eines Patienten einzuführen, um
so die Funktion des Gehirns oder Herzens des Patienten zu betrachten.
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Das
angestrebte Ergebnis besteht darin, Daten und/oder dynamische Bilder
zu erhalten, die dreidimensional, abhängig von der Zeit, die Diffusion
des Mediums im Körper
des Patienten, oder genauer, in einem speziellen Organ des Patienten
(oder einem Gebiet dieses Organs) wiedergeben. Mit anderen Worten,
erfordert das Erlangen einer Wiedergabe transienter physiologischer
Phänomene,
dass vierdimensionale Daten erhalten werden, die sowohl die räumliche
als auch die zeitliche Verteilung einer Substanz in einem organischen Objekt
darstellen. Ein dynamisches Phänomen
wird üblicherweise
unter Verwendung eines Parametermodels beschrieben. In einem solchen
Model wird eine Funktion F(x, y, z, t) betrachtet, wobei (x, y,
z) die drei Raumkoordinaten sind und t die Zeit ist. Die Funktion
F beschreibt z.B. die Dichte eines gegebenen Produktes in dem dreidimensionalem
Raum in Abhängigkeit
von der Zeit. Ein typisches Beispiel ist die Menge eines in den arteriellen
oder venösen
Strom eines Patienten injizierten Kontrastmediums. Das Kontrastmedium
diffundiert dann naturgemäß durch
den gesamten Körper
des Patienten. Die Beobachtung der Konzentration des Kontrastmediums
in den verschiedenen Geweben des Patienten in Abhän gigkeit
von der Zeit, macht es möglich, eine
den Zustand dieser Gewebe betreffende Diagnose zu erstellen.
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Die
Konzentration des injizierten Produktes an dem Koordinatenort (x,
y, z) kann typischerweise durch eine abnehmende Exponentialfunktion
dargestellt werden, die 0 ist, wenn t kleiner als t0 ist,
dem Augenblick, an dem die Injektion ausgeführt wurde und die Form A(t – t0)exp–(t–t0)/μ hat, wenn t größer t0 ist. Diese Exponentialfunktion enthält die Werte
A, μ und
t0 als Parameter. Eine solche Form einer
abnehmenden Exponentialfunktion wird bei einer gepulsten Injektion
des Kontrastmediums beobachtet. Allgemeiner gesehen, wird die Verteilung
zwischen der Funktion des Eintreffens des Kontrastmediums (im Folgenden
Kontrasteingabefunktion genannt) an dem Koordinatenpunkt (x, y,
z) und der Impulsantwortfunktion (d.h. der abnehmenden Exponentialfunktion
in dem vorerwähnten
Fall) betrachtet.
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Ein
bekannter indirekter Ansatz, die Funktion F(x, y, z, t) zu erhalten,
basiert auf der Verwendung eines medizinischen Röntgenbildgebungssystem. Ein
solches Bildgebungssystem liefert die ganzzahligen Werte der Funktion
F(x, y, z, t) längs
einer bestimmten Anzahl Richtungen im Raum, und die Benutzung an
sich bekannter tomographischer Algorithmen erlaubt es, die Funktion
F(x, y, z, t) indirekt zu rekonstruieren. Eine solche Rekonstruktion
ist aber nur möglich,
wenn die Integrale längs
eines Satz Richtungen gemessen werden, die einen 180° Umlauf um
den abgebildeten Körper
herum wiedergeben. Dieser Satz Messungen muss in einem so kleinen
Zeitintervall ausgeführt
werden, dass Änderungen
der Funktion F(x, y, z, t) während
der Akquisition der medizinischen Bilder vernachlässigt werden
können.
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Computertomographie
ist eine computerunterstützte
medizinische Bildgebungstechnik, die es ermöglicht ein organi sches Objekt,
Ebene um Ebene, dadurch zu untersuchen, dass die Dichteunterschiede
von Röntgenstrahlen
gemessen werden, die von biologischen Geweben absorbiert werden.
Eine Computertomographie (oder CT-Scanner) führt einen Scan durch, der die
Akquisition von einem 3D-Bild in etwa einer Sekunde (oder unter
Verwendung neuester Geräteausrüstungen
sogar in 0,5 Sekunden) ermöglicht.
Der zu untersuchende Körper
wird unter verschiedenen Winkeln radiographiert, d.h. rings um den
Körper
tomographisch gescannt, um so einen als Sinogramm (d.h. ein Querschnittsbild,
das unter verschiedenen Auftreffwinkeln betrachtet ist) bezeichneten
Satz von Projektionen zu erhalten. Jede Spalte des Sinogramms entspricht
somit einer Projektion unter einem vorgegebenen Winkel.
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Die
Zeit, die erforderlich ist, um alle Projektionen eines einzigen
Scans, unter Verwendung eines CT-Scanners (Erstellung eines Sinogramms,
in dem die Vorrichtung rings um den Patienten umlaufen lassen wird)
zu akquirieren ist im Hinblick auf die Dynamik des betrachteten
transienten Phänomens
kurz. Demgemäß kann angenommen
werden, dass die Projektionen eines einzigen Scans zu dem gleichen
Zeitpunkt akquiriert wurden, ohne dass wesentliche Veränderungen
in dem physikalischen Phänomen
während
des Scannens aufgetreten wären
(das Produkt diffundiert nur wenig während dieser Zeitspanne).
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Wenn
eine zeitliche Reihe von Scans durchgeführt werden, wird ein Satz aufeinanderfolgender
Sinogramme akquiriert. Aus jedem Sinogramm berechnet die tomographische
Rekonstruktion das Bild eines in Axialrichtung 1m bis 10 mm dicken
Querschnitts (oder Schicht = slice) durch die innere Struktur des
abgebildeten Körpers.
Demgemäß wird zeitlich
aufeinanderfolgend ein Satz CT-Querschnitte für einen jeweils vorgegebenen
Auftreffwinkel erzeugt.
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Sodann
wird die parametrische Funktion von dem Satz Rekonstruktionen F(x,
y, z, ti) bestimmt, wobei ti die
aufeinanderfolgenden Scanzeiten bezeichnet. Eine Zeit-Dichtekurve
erlaubt es, die Parameter des in Rede stehenden Models zu dem Zweck
zu bestimmen, die Evolution des transienten Phänomens in Zeit und Raum darzustellen.
Es wird ein Perfusionsbild erhalten, das die Entwicklung oder Evolution
des transienten Phänomens
bei der betrachteten Schicht (slice) angibt.
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Wenn
das Bildgebungsgerät
ein CT-Scanner ist, geschieht die Akquisition der Daten sehr schnell,
was es erlaubt, die Dynamik des transienten Phänomens zu ignorieren. Die räumlichen
und zeitlichen Gesichtspunkte können
deshalb voneinander getrennt betrachtet werden.
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Vom
praktischen Standpunkt aus besteht ein Bedürfnis diese Art Beobachtung
eines transienten Phänomens
(Bestimmung einer Funktion F(x, y, z, t)) unter Verwendung eines
anderen bildgebenden Gerätes,
wie eines CT-Scanners (z.B. unter Verwendung eines vaskulären C-Armes)
auszuführen.
Der vaskuläre
C-Arm oder -Bogen ist eine ausgewählte Bildgebungsvorrichtung
zur Erlangung von Kenntnissen über
die Perfusionsbedingungen in gewissen Gebieten des Gehirns, um auf
diese Weise einen Patienten bei einem ischämischen Notfall zu überwachen.
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Der
vaskuläre
C-Arm erlaubt es, eine invasive Intervention in der Weise durchzuführen, dass
ein Katheter durch das Arteriensystem bis zu dem ischämischen
Gebiet vorgeschoben und ein Thromboseschützmittel in situ injiziert
wird. Die Wirksamkeit dieser thrombotischen Mittel muss durch eine
Perfusionsuntersuchung überwacht
werden. Es besteht deshalb der Wunsch diese Untersuchung unter Verwendung
des gleichen Gerätes
durchführen
zu können,
das die Ausführung
der Inter vention ermöglicht,
was mit dem vaskulären
C-Arm möglich
ist.
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Ähnlich einem
CT-Scanner kann ein vaskulärer
C-Arm um einen Patienten umlaufen lassen werden und einen Satz Bilder
zur Ermöglichung
der Konstruktion von 3D-Bildern akquirieren. Die Leistungsfähigkeit heute
zur Verfügung
stehender vaskulärer
C-Arme wie auch gewisse Sicherheitsgründe erlauben es aber nur den
vaskulären
C-Arm mit einer beschränkten
Geschwindigkeit umlaufen zu lassen. Der C-Arm läuft im Allgemeinen um ein Objekt
mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 40° pro Sekunde
um. Außerdem kann
diese Art Geräte
einen Umlauf lediglich über
einen bestimmten Winkelbereich ausführen, der typischerweise bei
etwa 200° liegt.
Die für
eine 180° Umlaufbewegung
des C-Arms um den Patienten herum erforderliche Zeit, kann auf etwa
5 Sekunden geschätzt
werden.
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Damit
kann aber die Dynamik des zeitlichen Phänomens nicht länger unberücksichtigt
bleiben, weil dieses während
eines 180° Umlaufs
des C-Arm nicht stationär
ist, und auch die konventionellen tomographischen Rekonstruktionsalgorithmen
können
nicht mehr länger
angewandt werden.
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Es
ist oftmals notwendig eine ausreichend große Zahl von Messungen zu haben,
um die Parameter der Parameterfunktion F(x, y, z, t) abzuschätzen. Um
dies zu tun, ist es zweckmäßig, eine
bestimmte Anzahl von Umläufen
des C-Armes vorzunehmen. In diesem Zusammenhang wurde schon vorgeschlagen
mit abwechselnden Umläufen
im Uhrzeiger – und
im Gegenuhrzeigersinn vorzugehen (wobei dies dann als „scheibenwischerartige" Akquisition bezeichnet
wird). Die erforderliche größere Zahl
von solchen „Scheibenwischer"-Akquisitionen, kann
aber die Akquisitionszeit verlängern,
was im Widerspruch zu der Problematik der Dynamik des Phänomens steht.
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Möglich wäre es auch,
die Akquisitionszeit für
den ganzen Datensatz dadurch zu verkürzen, dass der Winkel-Überdeckungsbereich
verkleinert wird. Eine solche Lösung
würde aber
zu einer wesentlichen Verringerung der Qualität der Rekonstruktion führen (statistisch
unzuverlässige
Daten, schlechte räumliche
Auflösung).
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Es
wurde auch schon ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein vaskulärer C-Arm
kontinuierlich rings um einen Patienten umläuft. Dieses kontinuierliche
Umlaufverfahren macht es möglich
die Akquisitionszeit zu optimieren, weil der bei der Durchführung eines „Scheibenwischer"-Scans von der Umkehr
der Umlaufrichtung herrührende
Zeitverlust vermieden ist. Trotzdem ist aber die zur Ausführung einer
Akquisition bei einer Winkelüberdeckung
von 180° erforderliche
Zeit im Hinblick auf die Dynamik des Phänomens verhältnismäßig lang. Selbst bei diesen
kontinuierlichen Verfahren kann diese Dynamik nicht unberücksichtigt
gelassen werden.
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Die
CA 2 288 584 schlägt die Beschreibung
eines dynamischen Phänomens
durch Implementierung eines Bearbeitungsverfahrens von Bildern vor,
die während
eines tomographischen Scans erzeugt werden. In dieser
CA 2 288 584 sind ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Bildes geoffenbart, das die Veränderung
der Radioaktivität
eines Objekts anzeigt, wobei ein gebräuchliches nukleares Bildgebungsgerät (der Gammastrahlentomographie-
oder SPEKT-Bauart) benutzt wird. Die Dynamik des im Rahmen der
CA 2 288 584 beobachteten
Phänomens
(Diffusion eines radioaktiven Tracers) ist besonders langsam und
erlaubt demgemäß besonders
lange Akquisitionszeiten (etwa 10 Sekunden um ein 2D-Bild zu erhalten,
etwa 20 Minuten um einen 180° Scan
um den Patienten herum auszuführen).
Die
CA 2 288 584 beschreibt
die zeitlichen Zwänge
bei den über
den Zeitablauf rekonstruierten Dichten durch Ungleichungen und schreibt
keine vorbestimmte funktionelle Form vor, um die Entwicklung des
dynamischen Phänomens
in jedem Voxel zu beschreiben. Die Verwendung von Parameterfunktionen
ist in de
CA 2 288 584 im
Rahmen der 3D-Bildgebung beschrieben; sie wird in keiner Weise auf
den Rahmen der projektiven Bildgebung übertragen. Die
CA 2 288 584 verwirft diese Übertragung
während
sie gleichzeitig deren Ineffizienz für Berechnungen betont. In der
CA 2 288 584 ist die Verwendung
von 2D-Projektionen nicht zur Lösung
der Problematik transienter Phänomene
für den Fall
einer Akquisitionstechnik beschrieben, auf die die in
CA 2 288 584 vorgeschlagene Lösung als
nicht übertragbar
angesehen wird.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung besteht darin, die im Vorstehenden geschilderten Beschränkungen
zu umgehen und eine direkte Beobachtung eines transienten Phänomens unter
Verwendung eines medizinischen Bildgebungsgerätes zu ermöglichen, das an sich nicht
in der Lage ist 3D-Bilder eines Objektes in einer im Hinblick auf
die Dynamik des beobachteten Phänomens
ausreichend kurzen Zeit zu akquirieren.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung ist ein Verfahren zum Erlangen einer Darstellung eines
physikalischen Phänomens,
das sich durch ein Objekt in Zeit und Raum verändert, wobei das Objekt durch
einen Satz Voxel dargestellt ist und eine Parameterfunktion jedem
Voxel zugeordnet ist, um die zeitliche Evolution des Phänomens in
diesem Voxel modelmäßig nachzubilden,
wobei da Verfahren für
ein bildgebendes Gerät
geeignet ist, das 3D-Bilder eines Objektes bei um das Objekt umlaufendem
Gerät zu
gegebenen Messzeitpunkten und längs
gegebener Projektionsrichtungen erzeugen kann, und wobei das Verfahren
beinhaltet: Zugreifen auf von dem Gerät akquirierte 2D-Projektionen
zu gegebenen Messzeitpunkte und längs gegebener Orientierungen,
um die 3D-Bilder zu konstruieren; und genaues Bestimmen der jedem
Voxel des Objektes von den 2D-Projektionen zugeordneten Parameterfunktion.
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Eine
Ausführungsform
ist eine Einrichtung zum Erzielen einer Darstellung eines physikalischen
Phänomens,
das sich in einem Objekt in der Zeit und im Raum verändert, wobei
das Objekt durch einen Satz Voxel und eine jedem Voxel zugeordnete
Parameterfunktion dargestellt ist, wobei die Einrichtung ein bildgebendes Gerät aufweist,
das 3D-Bilder des Objektes aus 2D-Projektionen konstruieren kann,
die zu gegebenen Messzeitpunkten und längs gegebener Projektionsrichtungen
während
des Umlaufs des Gerätes
um das Objekt akquiriert wurden und wobei die Vorrichtung aufweist:
Mittel um auf 2D-Projektionen zuzugreifen; und Mittel, um die jedem
Voxel des Objektes von den 2D-Projektionen zugeordnete Parameterfunktion
genau zu bestimmen.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Eine
genauere Erläuterung
einer Ausführungsform
der Erfindung ergibt sich aus dem Studium der nachfolgenden detaillierten
Beschreibung und im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung, die, ohne eine
Beschränkung
darzustellen, lediglich illustrativen Zwecken dient und in der ist:
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1 eine
schematische Veranschaulichung eines gebräuchlichen Verfahrens zur Konstruktion
eines Perfusionsbildes unter Verwendung eines CT-Scanners; und
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2 einer
schematische Veranschaulichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Konstruktion eines Perfusionsvolumens unter Verwendung einer
röntgebildgebenden
Vorrichtung der vaskulären
C-Arm-Bauart.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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1 veranschaulicht
schematisch die Konstruktion eines Perfusionsbildes unter Verwendung
eines CT-Scanners. Durch Durchführung
einer zeitlichen Reihe von Scans wird ein Satz aufeinanderfolgender
Sinogramme akquiriert. Dieser Satz von Sinogrammen zu verschiedenen
Messzeitpunkte ist mit Buchstaben a in 1 bezeichnet.
von jedem Sinogramm berechnet die tomographische Rekonstruktion
das Bild eines 1 bis 10 mm dicken axialen Querschnitts (oder slice)
durch die innere Struktur des abgebildeten Körpers. Demgemäß wird ein
Satz CT-Schnitte, wie er mit dem Buchstabe b in 1 bezeichnet
ist, für
einen vorgegebenen Auftreffwinkel zeitlich aufeinanderfolgend erhalten.
Sodann wird die Parameterfunktion aus dem Satz Rekonstruktionen
F(x, y, z, ti) bestimmt, wobei ti die aufeinanderfolgenden Scanzeitpunkte
bezeichnet. Eine Zeit-Dichtekurve, wie sie mit dem Buchstaben c
in 1 bezeichnet ist, erlaubt es die Parameter eines
zur Darstellung der Evolution des transienten Phänomens in Zeit und Raum zweckdienlichen
Models zu bestimmen. Es wird ein Perfusionsbild erhalten, wie es
mit dem Buchstabe d in 1 bezeichnet ist, das die Evolution
des transienten Phänomens
für die
in Frage stehende slice wiedergibt.
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Die
Akquisitionsgeschwindigkeit eines CT-Scanners ist so, dass es möglich ist,
die Evolution des beobachteten transienten Phänomens während eines Scans (Akquisition
eines Sinogramms) unberücksichtigt
zu lassen. Die zeitlichen und räumlichen
Aspekte des Problems der Beobachtung des Phänomens können deshalb unabhängig voneinander
betrachtet werden.
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Im
Rahmen einer Ausführungsform
der Erfindung kann die Dynamik des Phänomens nicht unbeachtet gelassen
werden. Deshalb müssen
die zeitlichen und räumlichen
Aspekte gleichzeitig berücksichtigt
werden, und das Phänomen
muss als ein vierdimensionales Problem betrachtet werden.
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Betrachtet
sei die Injektion (z.B. intravenös
oder intraarteriell) eines Kontrastmediums (z.B. auf Jodbasis) in
ein organisches Objekt (z.B. in den Körper eines Patienten). Das
beobachtete transiente Phänomen
ist deshalb das der Diffusion des Kontrastmediums in ein interessierendes
Gebiet des organischen Objektes. Mehr im Einzelnen sei die Angiographie
betrachtet, d.h. die Injektion eines Kontrastmediums in die Blutgefäße (Venen,
Arterien) um diese dunkler zu machen und sie für diagnostische oder therapeutische
Zwecke zu betrachten.
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Die
geoffenbarten Ausführungsformen
der Erfindung sind nicht auf die Beobachtung der Diffusion eines
Kontrastmediums beschränkt
sondern erstrecken sich auf alle beliebigen transienten Phänomene,
die unter Verwendung einer bildgebenden Vorrichtung, die die hier
beschriebenen Funktionen ausführen
kann beobachtet werden können.
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Betrachtet
sei eine diskrete Darstellung des Raums, bei der das interessierende
Gebiet eine Anzahl kubischer Elementargebiete umfasst. Ein kubisches
Elementargebiet wird auch als „Voxel" (dreidimensionales Pixel)
bezeichnet. Im Rahmen einer Ausführungsform
der Erfindung wird angenommen, dass die Aktivität jedes Voxels durch eine Parameterfunktion
modelmäßig nachgebildet
werden kann. Im weiteren Verlauf der Beschreibung identifizieren
die Raumkoordinaten i, j, k jeweils ein spezielles Voxel des interessierenden
Gebietes.
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Eine
Parameterfunktion hijk(p1,
p2 ... pn, t) wurde
deshalb dem Voxel mit den Raumkoordinaten i, j, k zugeordnet, wobei
p1, p2 ... pn die Parameter der Parameterfunktion sind.
Ohne dadurch eine Beschränkung herbeizuführen, kann
die Parameterfunktion eine parabolische Funktion ähnlich der
abnehmenden Exponentialfunktion, die im Vorstehenden erwähnt wurde,
oder sogar eine noch komplexere Funktion, z.B. eine abnehmende biexponentiale
Funktion sein.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung implementiert ein medizinisches bildgebendes Gerät, z.B.
einen vaskulären
C-Arm, der in einem
Röntgengerät Verwendung
finden kann. Das bildgebende Gerät
kann um einen Patienten umlaufen, indem es einen Bogen von vorzugsweise
wenigstens 180° beschreibt.
Wie früher
erwähnt,
scannt ein vaskulärer
C-Arm einen 180° Bogen
um den Patienten in etwa 5 Sekunden. Der vaskuläre C-Arm kann ein 3D-Bild des
interessierenden Gebietes aus einer Anzahl an gegebenen Positionen
längs des Bogens
akquirierter 2D-Projektionen während
eines Umlaufs um das Objekt konstruieren. Die 2D-Projektionen werden
zu gegebenen Messzeitpunkten und längs gegebener Projektionsrichtungen
akquiriert.
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Typischerweise
werden etwa 10 2D-Projektionen in einer Sekunde akquiriert, und
ein 180° Scan
um den Patienten erlaubt es somit etwa 50 2D-Projektionen zu akquirieren.
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Demgemäß wird jedes
der 2D-Bilder in einer im Hinblick auf die Dynamik des beobachteten
transienten Phänomens
ausreichend kurzen Zeit akquiriert, wobei etwa 5 Sekunden benötigt werden,
um eine ausreichend große
Zahl von Projektionen zur Konstruktion eines 3D-Bildes hoher Qualität zu akquirieren.
Um eine genügend
große
Zahl Messungen zu erhalten, können
mehrere Umläufe
des C-Arms um das Objekt vorgesehen sein. Es werden dabei etwa 30
Sekunden benötigt,
um 6 Scans um den Patienten herum durchzuführen, während deren Verlauf etwa 300
2D-Bilder des Patienten akquiriert werden. Wie im Nachfolgenden
noch im größeren Detail
beschrieben wird, ermöglicht
es die bemessbare Zahl 2D-Bilder ein Perfusionsvolumen zu erhalten,
das die Evolution des transienten Phänomens genau beschreibt.
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Die
mehreren Umläufe
des C-Arms um den Patienten werden vorzugsweise in der Weise vorgenommen,
dass aufeinanderfolgende „Scheibenwischer"-Akquisitionen durchgeführt werden.
Möglich
ist es auch, dass der vaskuläre
C-Arm im kontinuierlichen Umlauf arbeitet. In diesem Falle wird
das zeitliche sampeln der Daten in Abhängigkeit von der Winkelverteilung
in vorteilhafter Weise verbessert. Eine Ausführungsform der Erfindung benutzt
direkt die 2D-Projektionen, die im Allgemeinen lediglich für den Zweck
der Konstruktion von 3D-Bildern
akquiriert werden. Wie im Vorstehenden erwähnt, ist jede dieser 2D-Projektionen
einem bestimmten Messzeitpunkt und einer bestimmten Projektionsrichtung
zugeordnet.
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In 2 ist
der ganze Satz dieser Projektionen mit dem Buchstaben e bezeichnet,
von denen jede Projektion einem jeweils anbefohlenen Paar (Zeit
t, Projektionsrichtung θ)
zugeordnet ist. Der Zugriff auf die verschiedenen Messungen erlaubt
es, eine Folge von Bildern Ip zu erhalten,
von denen jedes Bild zu einem gegebenen Messzeitpunkt tp längs einer
gegebenen Orientierung akquiriert wurde. Die Intensität jedes
das Bild Ip einer der 2D-Projektionen zusammensetzenden
Pixels entspricht deshalb der Absorption der Röntgenstrahlen zu dem Messzeitpunkt
tp durch die Voxel des interessierenden
Gebietes, die auf einer Projektionslinie angeordnet sind, welche
durch das fragliche Pixel durchgeht und der gegebenen Projektionsrichtung
der Messung entspricht. Mit anderen Worten, die Intensität jedes
Pixel dieser Bilder entspricht dem Integral der Parameterfunktion
hijk längs
einer sogenannten Projektionslinie, die durch das Projektionszentrum und
das in Frage stehende Pixel definiert ist.
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Es
ergibt sich somit die Beziehung:
wobei λ
ijk(x,
y) ein Koeffizient ist, dessen Wert 0 oder 1 abhängig davon ist, ob das Voxel
mit den Koordinaten (i, j, k) auf der Projektionslinie liegt oder
nicht.
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Wie
oben erwähnt,
wird eine 2D-Projektion in einer 10tel Sekunde akquiriert, d.h.
es gibt eine Differenz um einen Faktor 100 in der Akquisitionszeit,
was es typischerweise möglich
macht, in lediglich etwa 30 Sekunden 60 Scans durchzuführen und
mehr als 300 2D-Projektionen zu akquirieren.
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Um
das transiente Phänomen
zu charakterisieren, werden schließlich die Parameter der jedem
der Voxel des interessierenden Gebietes zugeordneten Parameterfunktion
bestimmt. Diese Bestimmung geschieht durch Lösen der verschiedenen Integralgleichungen
der Art:
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Abhängig von
der Zahl der berücksichtigten
Parameter und der Komplexität
der involvierten Gleichung (linear, quadratisch) können verschiedene
Lösungsmethoden
angewandt werden. Bei einer Ausführungsform der
Erfindung wird die Gradientenmethode benutzt, um die Parameter der
jedem Voxel zugeordneten Parameterfunktion zu bestimmen. Andere
Vorgangsweise zur Identifizierung der Parameter der Parameterfunktion können ebenfalls
in Betracht gezogen werden, und das Verfahren ist naturgemäß nicht
auf die Wahl einer bestimmen Lösungsmethode
beschränkt.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung erfordert nicht die Benutzung eines Zwischenschrittes
zur Rekonstruktion der CT-Schnitte
aus den Sinogrammen wie er üblicherweise
bei CT-Scannern
ausgeführt
wird. Er kann aber bei gebräuchlichen
tomographischen Algorithmen insbesondere der in 1 dargestellen
Art, verwendet werden.
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Die
Lösung
des tomographischen Problems auf diese Weise, unter Verwendung von
Standardmethoden erlaubt es, eine erste Rekonstruktion ohne Einschluss
der zeitlichen Dimension vorzunehmen und auf diese Weise das für jedes
Voxel gewählte
Parametermodel anzupassen. Die jeweils gewählte Lösungsmethode (z.B. Gradientenmethode)
kann dazu verwendet werden, die optimalen Parameter für das vorher
eingestellte Model zu identifizieren. Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung werden somit die gebräuchlichen tomographischen Rekonstruktionen
während
eines Initialisierungsschrittes dazu verwendet, einen Startpunkt
für den
Algorithmus der jeweils gewählten
Lösungsmethode
zu identifizieren. Zu bemerken ist, dass auch Regularisierungsmethoden
verwendet werden können
und dabei insbesondere der Umstand ausgenutzt werden kann, dass
das Verhalten benachbarter Voxel fast gleich ist.
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In 2 sind
die räumlichen
und zeitlichen Aspekte des Problems der Beobachtung eines transienten Phänomens jeweils
einander zugeordnet und gemeinsam behandelt. Nachdem die Parameter
der Parameterfunktion bestimmt sind, wird ein sogenanntes Perfusionsvolumen,
wie es durch den Buchstaben f in 2 bezeichnet
ist, erhalten, das die räumliche
und zeitliche Evolution des transienten Phänomens durch das interessierende
Gebiet des organischen Objekts beschreibt.
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Das
Gerät kann
auch ein Displaymodul enthalte, das es erlaubt eine Darstellung
der zeitlichen Evolution des physikalischen Phänomens durch das Objekt sichtbar
wiederzugeben.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung ist besonders dazu geeignet, die Diffusion eines Kontrastmediums
zu beobachten und zwar unabhängig
davon, ob das Medium in den Körper
eines Patienten intravenös oder
intraarteriell injiziert wurde. Wenn die Injektion des Kontrastmediums
intravenös
erfolgte, ist die Parameterfunktion hijk(p1, p2 ... pn, t) verhältnismäßig komplex. Involviert ist
dann nämlich
die Faltung (Konvulution) zwischen der Impulsantwortfunktion des
Gewebes und der arteriellen Eingabefunktion. In ähnlicher Weise entspricht,
wenn die Injektion des Kontrastmediums intrarteriell erfolgt, die
Parameterfunktion hijk(p1,
p2 ... pn, t) der Faltung
der Impulsantwortfunktion des Gewebes und der Kontrasteingabefunktion.
Die Bestimmung der Parameter kann deshalb lediglich dann geschehen,
wenn die arterielle Eingabefunktion unmittelbar abgeschätzt werden
kann.
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Zu
diesem Zwecke ist es möglich,
ein lokales Model des Gefäßes in Gestalt
eines Zylinders zu konstruieren und den Fluss des Kontrastmediums
durch diesen Zylinder modelmäßig nachzubilden.
Die Kontrasteingabefunktion kann dann unter Verwendung dieser modelmäßigen Nachbildung
und der verschiedenen zur Verfügung
stehenden Projektionen abgeschätzt
werden, wobei das tatsächlich
konstruierte zylindrische Model es möglich macht, von Veränderungen
der Projektionswinkel herrührende
Abweichungen zu vermeiden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann die Kontrasteingabefunktion, wenn die Injektion des
Kontrastmediums intraarteriell erfolgte, ähnlich einer Dirac-Funktion
betrachtet werden. Demgemäß ist dann
die Faltung mit der Impulsantwortfunktion gleich der Impulsantwortfunktion selbst.
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Der
Einfluss der Kontrasteingabefunktion kann daher bei den Berechnungen
unberücksichtigt
bleiben. Die intraarterielle Injektion ergibt deshalb einen besseren
Kontrast und ein geringeres Rauschen als eine intravenöse Injektion.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wendet im Falle von Subtraktions-Akquisitionsmodes
Modes an, bei denen eine gemeinsame Bildinformation eliminiert wird,
um insbesondere ein einfacheres Lesen der Radiographieinformation
zu ermöglichen.
Die Subtraktions-Mode ist insbesondere bei vaskulärer Bildgebung zweckmäßig, weil
sie die Tilgung anatomischer Elemente erlaubt, die mit dem betrachteten
Phänomen
nicht verknüpft
sind, wodurch die Rekonstruktionsaufgabe weniger komplex wird. Zu
Zwecken der Veranschaulichung ist es möglich, ein Bild von dem interessierenden
Gebiet, das längs
einer vorgegebenen Orientierung konstruiert wurde, während bspw.
kein Kontrastmedium in dieses Gebiet diffundiert, von einem Bild
zu subtrahieren, das längs
der gleichen Orientierung während
der Diffusion eines Kontrastmediums in das Gebiet erzeugt worden
ist. Die Subtraktion kann vor dem Beginn der Erzeugung des Perfusionsvolumens
an den 2D-Bildern selbst vorgenommen werden. Auf diese Weise ergibt
sich ein zusätzlicher
Vorteil gegenüber
den bekannten Techniken, bei denen wegen technischer Beschränkungen
die tomographische Rekonstruktion bei nicht voneinander subtrahierten
Akquisitionen durchgeführt
wird.
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Eine
Ausführungsform
des Verfahrens betrifft eines oder mehrere der folgenden Merkmale:
Eine eine 2D-Projektion darstellende Bestimmung für jedes
Bild; ein Vorgang der Zuordnung der Intensität jedes das Bild zusammensetzenden
Pixels zu der Absorption der Röntgenstrahlen
in dem gegebenen Messzeitpunkt für
die Akquisition dieser Projektion durch die Voxel des Objektes die
auf einer Projektionslinie liegen, welche durch das fragliche Pixel
verläuft
und der gegebenen Orientierung der Messung entspricht; ein Bestimmungsschritt, der
die Lösung
eines Satz Gleichungen der Type
beinhaltet, wobei I
p(x, y) die Intensität eines Pixels eines Bildes
darstellt, das eine zu einem bestimmten Messzeitpunkt t
p längs einer
gegebenen Projektionsrichtung akquirierte 2D-Projektion wiedergibt, (i, j.k) die
Raumkoordinaten sind, h
ijk(p
1,
p
2 ... p
n, t
p) die Funktion von Parametern p
1,
p
2 ... p
n darstellt,
die dem Voxel mit den Koordinaten (i, j, k) zugeordnet sind und λ
ijk ein
Koeffizient ist, dessen Wert abhängig
davon, ob das Voxel mit den Koordinaten (i, j, k) auf der Projektionslinie
liegt oder nicht, 0 oder 1 ist; eine mit der Gradientenmethode ausgeführte Bestimmung;
ein gebräuchlicher
Schritt zur tomographischen Rekonstruktion der akquirierten 2D-Projektionen
derart, dass ein Startpunkt zur Anwendung des Bestimmungsschritts
identifiziert wird; eine Subtraktion zur Eliminierung gemeinsamer
Bildinformation vor der Bestimmung; das beobachtete Phänomen kann
das der Diffusion eines intraarteriell oder intravenös in das
Objekt injizierten Kontrastmediums sein; die jedem Voxel des Objekts
zugeordnete Parameterfunktion ist die Faltung der Impulsantwortfunktion
des Gewebes und der Kontrasteingabefunktion des Voxels; die Impulsantwortfunktion
ist eine abnehmende Exponentialfunktion; Konstruktion eines zylinderförmigen lokalen
Models des Gefäßes in das
das Kontrastmedium diffundiert; modelmäßiges Nachbilden des Kontrastmediumflusses
durch den Zylinder und Abschätzen
der Kontrasteingabefunktion aus dieser modelmäßigen Nachbildung und von verschiedenen
zur Verfügung
stehenden Projektionen; die Injektion des Kontrastmediums erfolgt
intraarteriell und die Kontrasteingabefunktion ist eine Dirac-Funktion.
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Eine
Ausführungsform
der Vorrichtung bezieht sich auf eine oder mehrere der folgenden
Merkmale: Die Vorrichtung kann ein Displaymedium zur Darstellung
einer Wiedergabe der zeitlichen Evolution des physikalischen Phänomens durch
das Objekt aufweisen; die bildgebende Vorrichtung kann die Diffusion
eines intravenös
oder intraarteriell in das Objekt injizierten Kontrastmediums beobachten;
die bildgebende Vorrichtung kann ein vaskulärer C-Arm (-Bogen) sein.
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Der
Fachmann kann eine Reihe Abwandlungen der Funktion und/oder der
Ausführungsform
und/oder der erzielten Ergebnisse und/oder des Aufbaus und/oder
der einzelnen Verfahrensschritte der geoffenbarten Ausführungsformen
und deren Äquivalente
vornehmen oder ins Auge fassen ohne den Schutzbereich der Patentansprüche zu verlassen.