DE102004055770A1

DE102004055770A1 - Verfahren und Vorrichtung zur medizinischen Bildgebung

Info

Publication number: DE102004055770A1
Application number: DE102004055770A
Authority: DE
Inventors: Régis VAILLANT; Yves Trousset; Francois Kotian
Original assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Current assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2005-12-15
Also published as: FR2862790B1; JP2005160102A; FR2862790A1

Abstract

Es sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erlangen einer bildlichen Wiedergabe eines physikalischen Phänomens offenbart, das sich zeitlich und räumlich durch ein organisches Objekt verändert. Das Objekt ist durch einen Satz Voxel und eine Parameterfunktion wiedergegeben, die jedem Voxel zugeordnet ist, um die zeitliche Evolution des Phänomens in diesem Voxel modellmäßig nachzubilden. Das Verfahren ist geeignet für ein Röntgenstrahlbildgebungsgerät, das 3-D-B-Bilder des Objektes aus 2-D-Projektionen konstruieren kann, die während der Umlaufbewegung des Gerätes um das Objekt zu gegebenen Messzeitpunkten und längs vorgegebener Projektionsrichtungen akquiriert wurden. Die von dem Gerät zu den gegebenen Messzeitpunkten und längs der vorgegebenen Orientierungen im Allgemeinen lediglich für den Zweck der Konstruktion der 3-D-Bilder akquirierten 2-D-Projektionen werden erfasst, und die jedem Voxel des Objektes zugeordnete Parameterfunktion wird aus den 2-D-Projektionen genau bestimmt.

Description

Hintergrund der Erfindung
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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

Sodann wird die parametrische Funktion von dem Satz Rekonstruktionen F(x, y, z, t_i) bestimmt, wobei t_i 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

Kurze Beschreibung der Erfindung

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.

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.

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.

Kurze Beschreibung der Erfindung
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:
1 eine schematische Veranschaulichung eines gebräuchlichen Verfahrens zur Konstruktion eines Perfusionsbildes unter Verwendung eines CT-Scanners; und
2 einer schematische Veranschaulichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Konstruktion eines Perfusionsvolumens unter Verwendung einer röntgebildgebenden Vorrichtung der vaskulären C-Arm-Bauart.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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, t_i) bestimmt, wobei t_i 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Eine Parameterfunktion h_ijk(p₁, p₂ ... p_n, t) wurde deshalb dem Voxel mit den Raumkoordinaten i, j, k zugeordnet, wobei p₁, p₂ ... p_n 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.
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.
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.
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.
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.
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 I_p zu erhalten, von denen jedes Bild zu einem gegebenen Messzeitpunkt t_p längs einer gegebenen Orientierung akquiriert wurde. Die Intensität jedes das Bild I_p einer der 2D-Projektionen zusammensetzenden Pixels entspricht deshalb der Absorption der Röntgenstrahlen zu dem Messzeitpunkt t_p 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 h_ijk längs einer sogenannten Projektionslinie, die durch das Projektionszentrum und das in Frage stehende Pixel definiert ist.
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.
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.
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:
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.
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.
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.
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.
Das Gerät kann auch ein Displaymodul enthalte, das es erlaubt eine Darstellung der zeitlichen Evolution des physikalischen Phänomens durch das Objekt sichtbar wiederzugeben.
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 h_ijk(p₁, p₂ ... p_n, 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 h_ijk(p₁, p₂ ... p_n, 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.
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.
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.
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.
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.
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(p₁, p₂ ... p_n, t_p) die Funktion von Parametern p₁, p₂ ... 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.
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.
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.

Claims

Verfahren zum Erlangen einer bildlichen Darstellung eines physikalischen Phänomens, das sich in Zeit und Raum durch ein Objekt verändert, wobei das Objekt durch einen Satz Voxel und eine Parameterfunktion wiedergegeben ist, die jedem Voxel zugeordnet ist, um die zeitliche Evolution des Phänomens in diesem Voxel modelmäßig nachzubilden, das beinhaltet: – Zugreifen auf 2D-Projektionen des akquirierten Objektes zu gegebenen Messzeitpunkten und längs gegebener Orientierungen, um 3D-Bilder zu konstruieren; und – die jedem Voxel des Objektes zugeordnete Parameterfunktion aus den 2D-Projektionen genau bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, das beinhaltet: Für jedes Bild eine 2D-Projektion darstellen, einen Vorgang um die Intensität jedes das Bild zusammensetzenden Pixels der Absorption von durch das Objekt durchgehender Strahlung zu dem gegebenen Messzeitpunkt der Akquisition der Projektion durch die Voxel des Objekts zuzuordnen, die auf einer Projektionslinie liegen, die durch das fragliche Pixel durchgeht und der gegebenen Orientierung der Messung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 2, das beinhaltet: die Bestimmung der jedem Voxel zugeordneten Parameterfunktion beinhaltet die Lösung eines Satzes Gleichungen der Type
worin I_p(x, y) die Intensität eines Pixels eines eine 2D-Projektion wiedergebenden Bildes ist, das zu einem gegebenen Messzeitpunkt t_p längs einer gegebenen Projektionsrichtung akquiriert wurde; (i, j, k) die Raumkoordinaten bedeutet; h_ijk(p₁, p₂ ... p_n, t_p) die Funktion von Parametern p₁, p₂ ... p_n bedeutet, 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Bestimmungsschritt nach der Gradientenmethode ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das Vorkehrungen für die tomographische Rekonstruktion der akquirierten 2D-Projektionen beinhaltet, derart, dass ein Startpunkt für die Anwendung des Bestimmungsschritts identifiziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das beinhaltet, dass von jedem, eine in Gegenwart des physikalischen Phänomens längs einer gegebenen Orientierung akquirierte 2D-Projektion wiedergebenden Bild ein Bild des Objekts subtrahiert wird, das längs der gleichen Orientierung in Abwesenheit des Phänomens akquiriert wurde, derart, dass den Bildern gemeinsame Information eliminiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das beobachtete Phänomen jenes der Diffusion eines Kontrastmediums ist und die jedem Voxel des Objektes zugeordnete Parameterfunktion die Faltung einer Impulsantwortfunktion des Gewebes und einer Kontrasteingabe funktion für das Voxel ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem eine Impulsantwortfunktion eine abnehmende Exponentialfunktion mit den Parametern A, μ und t₀ ist, die vor dem Zeitpunkt t₀, zu dem eine Injektion des Kontrastmediums stattfindet, 0 ist und die Form A(t – t₀)exp^{–(t–t0)/μ} hat, wenn t größer t₀ ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das beinhaltet: – Konstruieren eines zylinderförmigen lokalen Models eines Gefäßes in dem Kontrastmedium diffundiert; – modelmäßiges Nachbilden des Flusses des Kontrastmediums durch den Zylinder; und – Abschätzen einer Kontrasteingabefunktion von der modelmäßigen Nachbildung und von den verschiedenen zur Verfügung stehenden Projektionen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, das beinhaltet: – die Injektion des Kontrastmediums geschieht intraarteriell; und – die Kontrasteingabefunktion ist eine Dirac-Funktion.
Vorrichtung zum Erlangen einer bildlichen Darstellung eines physikalischen Phänomens, das sich in Zeit und Raum durch ein Objekt verändert, wobei das Objekt durch einen Satz Voxel und eine jedem Voxel zugeordnete Para meterfunktion wiedergegeben ist und wobei die Vorrichtung aufweist: – ein Bildgebungsgerät, das 3D-Bilder des Objektes aus 2D-Strahlungsprojektionen konstruieren kann, die während der Umlaufbewegung des Gerätes um das Objekt zu gegebenen Messzeitpunkten und längs gegebener Projektionsrichtungen akquiriert wurden; – Mittel, um auf die 2D-Projektionen zuzugreifen; und – Mittel, um die jedem Voxel des Objekts zugeordnete Parameterfunktion aus den 2D-Projektionen genau zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, die ein Displaymodul zur Darstellung einer Wiedergabe der zeitlichen Evolution des physikalischen Phänomens durch das Objekt aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, bei der das bildgebende Gerät das Beobachten des Vorhandenseins eines in das Objekt intravenös oder intraarteriell injizierten Kontrastmediums erlaubt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13 bei dem das bildgebende Gerät einen vaskulären C-Arm (-Bogen) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der der vaskuläre C-Arm um das Objekt längs eines Bogens von wenigstens 180°, alternierend in der einen und dann in der anderen Richtung, in Umdrehung versetzt ist, derart, dass eine Reihe von „scheibenwischer"-artigen Scans des Objekts ausgeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der der vaskuläre C-Arm in einem kontinuierlichen Umlaufmodus um das Objekt in Umlauf versetzt ist, derart, dass eine Reihe vollständiger Scans des Objekts durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, das Mittel zur Implementierung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 beinhaltet.