DE102004056591A1

DE102004056591A1 - Herzdarstellungsverfahren und-vorrichtung

Info

Publication number: DE102004056591A1
Application number: DE102004056591A
Authority: DE
Inventors: Laurent Stefani; Laurent Launay; Helen Jane Milwaukee Thomson; DeAnn Marie Germantown Haas
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2004-11-23
Publication date: 2005-06-30
Also published as: US20050113664A1; JP2005152656A; CN1620991A

Abstract

Ein Verfahren zur Erzeugung von Ansichten eines Herzens längs anatomisch sinnvoller Ebenen enthält die Entgegennahme eines 3-D-Herzdatensatzes und die Berechnung wenigstens einer kurzen Achse und/oder einer langen Achse ohne eine Ineingriffnahme durch einen Benutzer.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein Untersuchungen des Herzens mittels Computertomographie (CT), Postitionen-Emissionstomographie (PET) und Magnetresonanz (MR) und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zur automatischen Bilderzeugung und -überarbeitung.

Eine genaue Beurteilung der Herzfunktion, insbesondere der Funktion des linken Herzventrikels (LV, linke Herzkammer), z.B. des Schlagvolumens, der ventrikulären Ejektionsfraktion, regionalen Wandbewegung, ist bei der Herzdiagnostik, Leitung einer Patiententherapie, Bestimmung einer Prognose und nach einem Krankheitsverlauf nützlich. Die LV-Funktion ist auch ein sinnvoller Bestandteil einer umfassenden herzdiagnostischen Untersuchung auf eine dauerhafte Koronararterienerkrankung (z.B. stabile Angina) und auf akute Herzsyndrome (z.B. einen akuten Myokardinfarkt oder eine instabile Angina). Die Messung der Ventrikelfunktion dient als Ersatz oder Ergänzung für andere Herzdiagnostikverfahren, wie beispielsweise eine Herzkatheteruntersuchung und eine Koronararterienabbildung hinsichtlich der Gefäßdurchgängigkeit und Myokardperfusion. Bei Patienten mit verschiedenartigen Herzkrankheiten liefert die Herzfunktion einen besseren diagnostischen und prognostischen Wert als die Gefäßdurchgängigkeit. Um ein Beispiel anzugeben, selbst wenn ein Patient verengte Koronararterien aufweist, wie im Falle einer kronischen, stabilen Koronararterienerkrankung, regt eine nahezu normale Ventrikelfunktion im Ruhe- und Belastungszustand zu einer ausgezeichneten Prognose an. Auf der anderen Seite zeigt eine verminderte Ventrikelfunktion selbst bei guten Herzkranzgefäßen und einer normalen Perfusion eine schlechte Prognose an.

Es gibt verschiedene bekannte Verfahren zur Messung der Herzfunktion, zu denen die Echokardiographie (Ultraschall), Radionukliddarstellung (Positrionen-Emissionstomographie (PET)), Magnetresonanz-(MR-)Bildgebung sowie die Computertomographie-(CT-)Bildgebung gehören. Ein Nachteil der echokardiographischen Verfahren besteht darin, dass sie in hohem Maße von dem Bediener abhängig sind.

Dreidimensionale Bildgebungsverfahren für das Herz sind heutzutage in unterschiedlichen Modifikationen (beispielsweise als CT, MR und PET) weit verbreitet. Die Überarbeitung dieser 3D-Datensätze durch einen Radiologen beinhaltet gewöhnlich die Erzeugung neu formatierter 2D-Schnitte (die auch als Schrägebenen bezeichnet werden) in bestimmten anatomischen Ausrichtungen. Diese Ansichten sind im Verhältnis zu der langen Achse des Herzens definiert, die als die Linie festgelegt ist, die die Herzspitze mit dem Zentrum der Mitralklappenebene verbindet. Beispielsweise ist die Ebene in der kurzen Achse (SA, Short Axis) die zu der langen Achse senkrechte Ausrichtung, die die Visualisierung der anatomischen Struktur des Herzens in einer bedeutsamen Herzebene ohne eine Verkürzung oder Verlängerung verzerrter Strukturen ermöglicht und die einen Vergleich mit Ausgangsergebnissen ermöglicht, die mit anderen Ausführungsarten zur Herzabbildung erzeugt werden. Eine SA-Ebene in der kurzen Achse ist eine Querschnittsansicht des linken Ventrikels, die die Standardebene zur Darstellung der Funktionsparameter des Herzens bildet. Diese ermöglicht dem Mediziner, die Bewegung des Herzens über die Systole (Herzkontraktionsphase) und die Diastole (Herzerschlaffungsphase) hinweg zu betrachten.

Eine horizontale lange Achse (HLA, horizontal long axis) bildet die Ebene, die durch die Längsachse und die Vier-Kammer-Schnittebene (in etwa die Schnittebene von links nach rechts in Bezug auf den Patienten) definiert ist und die die Visualisierung der anatomischen Strukturen des Herzens in einer bedeutsamen Herzebene ohne eine Verkürzung oder Verlängerung verzerrender Struktur sowie einen Vergleich mit Ausgangsergebnissen ermöglicht, die mit anderen ein Herz abbildenden Ausführungsarten erzeugt werden. Diese Ansicht ermöglicht eine Vier-Kammer-Darstellung des Herzens unter Veranschaulichung sowohl der Arterie als auch der Ventrikel in einer einzigen Darstellung, was eine Visualisierung der Trikuspidal- und Mitralklappen ermöglicht.

Eine vertikale lange Achse (VLA, vertikal long axis) bildet die Ebene, die senkrecht zu der HLA steht und die lange Achse enthält, was die Visualisierung der anatomischen Strukturen des Herzens in einer bedeutsamen Herzebene ohne eine Verkürzung oder Verlängerung verzerrender Strukturen sowie einen Vergleich mit von anderen Herzabbildungsarten erzeugen Ausgangsergebnissen ermöglicht. Diese Ansicht ermöglicht eine Zwei-Kammer-Ansicht des Herzens unter Veranschaulichung sowohl der Arterie als auch des Ventrikels des Herzens.

Eine Einfluss/Ausfluss-(inflow/outflow-)Ansicht des linken Ventrikels ermöglicht zusätzliche Darstellungen, die zu einer Analyse der Herzmorphologie beitragen.

Die Ausrichtung des Herzens innerhalb des Brustkorbs kann von Patient zu Patient variieren, weshalb die geometrischen Ausrichtungen dieser anatomischer Ebenen variabel sind und für jeden Fall speziell bestimmt werden müssen.

Außerdem besteht zur effizienten Überprüfung oder Überarbeitung der 3D-Datensätze ein Bedarf, mehrere anatomische Ausrichtungen gleichzeitig in unterschiedlichen Sichtfenstern zu Zwecken der Überprüfung derart darzustellen, dass die Bilder durch einen gemeinsamen 3D-Cursor miteinander verbunden sind. Die Konfiguration der Ansichten auf dem Bildschirm kann je nach den Vorzügen jedes Mediziners oder entsprechend speziellen klinischen Aufgaben variieren.

Bekannte Verfahren beinhalten eine vom Bediener (manuell) durchzuführende Ermittlung einer jeden dieser Ebenen auf dem Bildschirm. Dies wird bewerkstelligt, indem jede schräge Ansicht auf der Grundlage anderer Ansichten von Hand ausgerichtet wird. Die Erzeugung mehrerer Ansichten in unterschiedlichen Ausrichtungen kann sehr zeitaufwendig sein. Deshalb sind nachstehend Verfahren und Vorrichtungen beschrieben, die sich den vorstehend erläuterten Problemen widmen und gemäß einer Ausführungsform hierzu eine einheitliche, automatisierte Lösung bieten.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einem Aspekt ist ein Verfahren zur Erzeugung von Ansichten eines Herzens entlang anatomisch nützlicher Ebe nen geschaffen. Das Verfahren beinhaltet die Überarbeitung eines 3D-Datensatzes eines Herzens und die Berechnung wenigstens entweder einer kurzen Achse und/oder einer langen Achse, ohne dass ein Benutzer eingreift.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein von einem Computer lesbares Medium geschaffen, das mit einem durch einen Computer ausführbaren Programm zur Erzeugung von Ansichten eines Herzens entlang anatomisch nützlicher Ebenen kodiert ist. Das Programm ist dazu konfiguriert, den Computer anzuweisen, einen 3D-Datensatz eines Herzens entgegenzunehmen und ohne eine Intervention des Benutzers wenigstens entweder eine kurze Achse und/oder eine lange Achse zu berechnen.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt ist eine medizinische Bildgebungsvorrichtung zur Erzeugung von Ansichten eines Herzens entlang anatomisch nützlicher Ebenen geschaffen. Die medizinische Bildgebungssystemvorrichtung enthält ein Bildgebungssystem, das eine Detektorgruppe, wenigstens eine Strahlungsquelle sowie einen mit der Detektorgruppe gekoppelten Computer beinhaltet, sowie eine mit dem Computer verbundene Arbeitsstation (Workstation). Die Workstation ist dazu konfiguriert, 3D-Datensätze eines Herzens entgegenzunehmen und ohne einen Eingriff des Benutzers wenigstens entweder eine kurze Achse und/oder eine lange Achse zu berechnen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht einen gewöhnlichen Arbeitsablauf bekannter Ausführungsarten, die zur Berechnung der LV-Funktionsparameter verwendet werden;
2 veranschaulicht ein Flussdiagramm, das eine Analyse der mit einem Bildgebungsscanner gewonnenen und zu einer Workstation übertragenen Herz-Scanbilder enthält;
3 veranschaulicht aus einer CT-Untersuchung eines Herzens erhaltene repräsentative Ansichten in der kurzen Achse, der vertikalen langen Achse, der horizontalen langen Achse sowie eine Einfluss-/ Ausfluss-Ansicht;
4 veranschaulicht die Abgrenzung eines LV von der Umgebungsanatomie;
5 veranschaulicht eine optimale Kombination fortschrittlicher Algorithmen, wie bspw. Schwellenwertfilterung (Thresholding), morphologische und Zusammenhangsbasierte Hilfsmittel (Connectivity tools), Kantendetektion sowie Regionenwachstum (Region growing), die dazu verwendet werden, den Kontrast innerhalb des Ventrikels von dem Herzmuskel (Myokardium) zu segmentieren;
6 veranschaulicht Beispiele von 3D-Modellen des LV sowohl am Ende der Systole als auch am Ende der Diastole;
7 veranschaulicht ein Volumenrendering (Volume rendering) des LV-Kontrastbildes sowohl am Ende der Diastole als auch am Ende der Systole;
8 zeigt eine Ausführungsform eines Bildgebungssystems, in dem die Systeme und Verfahren für den verbesserten Arbeitsablauf umgesetzt sind;
9 zeigt eine bildliche Darstellung eines CT-Bildgebungssystems;
10 zeigt ein schematisches Blockschaltbild des in 9 veranschaulichten Systems.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei den (auch unter der Bezeichnung Radionuklidangiographie bekannten) PET-Radionuklid-Bildgebungsverfahren wird ein Blutpool mit einem Radioisotop (wie bspw. Technetium-99m) markiert und unter Verwendung einer Gamma-Kamera mit R-Wellen-Austastung (EKG-) gescannt. Volumenänderungen innerhalb der ventrikulären Höhle werden durch Quantifikation der Impulsdichteänderungen berechnet. Obwohl das Radionuklid-Verfahren als der 'goldene Standard' für die quantitative Beurteilung der globalen Ventrikelfunktion angesehen wird und von dem Bediener verhältnismäßig unabhängig ist, ermöglicht es nur begrenzt eine Beurteilung der regionalen ventrikulären Wandbewegung.
Bei den MR-Bildgebungsverfahren werden tomographische Schnitte des Herzens miteinander kombiniert, um ein 3D-Bild zu rekonstruieren. Aufgrund des imanenten Kontrastes zwischen Blut und Herzmuskelgewebe kann ein Blutpool aus dem benachbarten Gewebe in den Schnittansichten segmentiert werden, und die gesamten Rauminhalte werden in der Systole und der Diastole berechnet. Obwohl kein Kontrastmittel in jiziert wird und der Patient keiner Strahlung ausgesetzt wird, sind die Scanzeiten gewöhnlich relativ lang (z.B. 10 bis 15 Minuten), was eine Gefahr von Artefakten und einer Verminderung der Bildqualität birgt, die auf Patientenbewegungen, einschließlich der Atmung, zurückzuführen sind. MR kann jedoch einige Vorteile bei der Quantifikation der Kontraktionsgeschwindigkeit in unterschiedlichen Bereichen der Ventrikelwand haben.
Die Beurteilung der Ventrikelfunktion mittels CT-Bildgebung wird durch Injektion eines Kontrastmittels in einen Blutpool und Abbildung des Herzens in der Umgebung des Konzentrationsbereiches des Kontrastmittels in dem Herz durchgeführt. Durch Anwenden eines EKG-(R-Wellen-)Triggersignals werden über mehrere Herzzyklen hinweg während einer einzelnen Phase mit angehaltenem Atem (gewöhnlich 20 bis 30 Sekunden lang) Herzaufnahmen erhalten und die Bilder rekonstruiert, um axiale Abbildungen in sämtlichen Phasen des Herzzyklus zu schaffen. Da diese Untersuchung innerhalb einer einzelnen Atemanhaltephase vollendet werden kann, sind auf die Atmung zurückzuführende Artefakte praktisch eliminiert. Zusätzlich kann auch die Durchgängigkeit der Herzarterie unter Verwendung der gleichen Untersuchung (der gleichen Scandaten) ausgewertet werden, indem ein anderer Rekonstruktionsalgorithmus angewendet wird.
Beide für die Ventrikelfunktion eingesetzten tomographischen Verfahren der Magnetresonanz und der Computertomographie sind auf eine Segmentation der Endokardfläche (Herzinnenwandfläche) in Form von Konturlinien, die in axialen Abbildungen das kontrastreiche Blut von der von der ventrikulären Wand trennen. Dieses Vertrauen in die Segmentation der Endokardfläche kann Fehler aufgrund ungenauer Kon turlinien oder aufgrund von Unterbrechungen in den Konturen einführen. Diese Verfahren sind teilautomatisiert und erfordern eine beträchtliche Wechselwirkung zwischen dem Benutzer und der für die Vermessung der Ventrikelfunktion verwendeten Vorrichtung (z.B. einer Bildüberprüfungsstation, beispielsweise der Workstation 'Advantage Windows' (AW), wie sie von General Electric Medical Systems aus Waukesha WI kommerziell erhältlich ist, oder einer Konsole). Diese halbautomatisierten Verfahren, die eine beträchtliche Einwirkung des Benutzers erfordern, sind häufig zeitaufwendig. Außerdem kann eine Veränderlichkeit zwischen den Bedienern oder innerhalb eines Bedieners die Reproduzierbarkeit und Wiederholbarkeit der Messungen negativ beeinflussen.
1 veranschaulicht einen gewöhnlichen Arbeitsablauf bei bekannten Ausführungsarten, die verwendet werden, um LV-Funktionsparameter zu berechnen. Bei den bekannten Verfahren erfordert eine Berechnung des ventrikulären Volumens und der Diagnostikparameter, wie Ejektionsfraktion und Herzförderleistung je Minute, eine Detektion der Myokardgrenzen (Herzmuskelgrenzen). Genaue und reproduzierbare Messungen der LV-Funktion in Form von Parametern, wie beispielsweise die globale und regionale Ejektionsfraktion, erfordern ein genaues und reproduzierbares Verfahren, um den linke Herzventrikel abzugrenzen. Heutzutage kann eine Abgrenzung von Hand oder teilautomatisch unter Verwendung unterschiedlicher Algorithmen bewerkstelligt werden. Eine derartige manuelle Zielverfolgung (Tracking) oder eine derartigen halbautomatisierte Beschreibung der Grenzen wird durch einen geschulten klinischen Arzt vorgenommen, um die LV-Kontur zu lokalisieren und zu extrahieren. Obwohl die Zuverlässigkeit der aufbereiten Kontur durch den Einsatz besser geschulter Bediener und eines deduktiven Wissens (beispielsweise in Bezug auf die Lage, Gestalt und Intensität) verbessert werden kann, weist ein manuelles Tracking zwei Nachteile auf. Erstens sind die erhaltenen LV-Grenzen beeinflusst – die verfolgten Grenzen variieren von einem Individuum zum anderen. Als zweites ist das manuelle Tracking zeitaufwendig.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren besteht darin, dass die Funktionsparameter unter der Annahme eines elliptischen Modells für die Gestalt des linken Herzventrikels geschätzt werden. Diese Annahme kann zu beträchtlichen Schätzfehlern führen. Diesem Problem haben sich bis zu einem gewissen Grad die Verfahren zugewandt, die die zeitaufwendigere und in Bezug auf die manuelle Bedienung intensivere Lösung verwenden, die eine Parallelprojektionsgeometrie annimmt und das Objekt in mehrere 2D-Schnitte zerlegt, die jeweils einzeln zu einem Zeitpunkt rekonstruiert werden.
2 veranschaulicht ein Flussdiagramm, dass eine Analyse der Herzaufnahmen enthält, die mit einem Bildgebungsscanner (beispielsweise mit einem CT-, MR- oder Radionuklid-/PET-Scanner) erhalten und zu einer Konsole oder einer Bildgebungs-Workstation, wie beispielsweise der Worksation 'Advantage Windows', übertragen werden. Diese Bilder werden durch eine Reihe neuer, automatisierter Verfahren, einschließlich der automatisierten Bilderzeugung in der kurzen und der langen Achse, der automatisierten LV-Segmentation und der Berechnung der Herzfunktion aus der LV-Segmentation, verarbeitet, um einen Endbericht über die Herzfunktionsparameter zu erstellen. Jedes der neuen Verfahren ist nachstehend beschrieben.
Die automatisierte Abbildungserzeugung in der langen und kurzen Achse erfolgt auf die folgende Weise. Dieses Merkmal bestimmt aus einem Satz axialer Abbildungen automatisch die Ausrichtung in der langen und der kurzen Achse. Der Benutzer wählt einen axialen Mehrphasen-Datensatz des Herzens aus und lädt diesen in ein Protokoll 'Ejektionsfraktion' (EF), das auf einer Bildgebungs-Workstation und/oder einer Konsole läuft. Nach dem Laden verarbeitet der Softwarealgorithmus die axialen Abbildungen, um die Bilder in der langen und kurzen Achse zu erzeugen. Die hier beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen geben eine Lösung an, um auf eine sehr einfache Weise eine große Sammlung von Überprüfungsaufmachungen oder -layouts zu erzeugen. Jede Überprüfungsaufmachung kann auf einen beliebigen Patienten angewandt werden und erzeugt automatisch einen Satz von Schrägansichten, die die 3D-Herzdatensätze mit einer Ausrichtung in Bezug auf spezielle anatomische Positionen (SA, HLA oder VLA) veranschaulichen. Eine Überprüfungsaufmachung kann anschließend einer speziellen klinischen Aufgabe oder auf die von einem bestimmten Arzt bevorzugte Weise zugeordnet werden.
Eine Überprüfungsaufmachung wird dadurch erhalten, dass für jede Ansicht ihre Position auf dem Bildschirm und ihre anatomische Ausrichtung vorgeschrieben wird. Diese Vorschrift wird unter Verwendung einer speziellen Datendarstellung vorgenommen. Diese Darstellung kann beispielsweise unter Verwendung der XML-Sprache auf die in dem nachfolgenden Beispiel veranschaulichte Art codiert werden:
<layout>
<Axial x = 0 y = 0>
<Oblique x = 512 y = 0 orientation = SA/>
<Oblique x = 0 y = 512 orientation = VLA/>
<Oblique x = 512 y = 512 orientation = HLA/>
</layout>
Das obige Beispiel erzeugt eine axiale Ansicht in dem oberen linken Sichtfenster. Das obere rechte Sichtfenster enthält eine Schrägansicht (oblique view) mit der Ausrichtung (orientation) längs der kurzen Achse, während das untere linke und das untere rechte Fenster Abbildungen enthalten, die längs der vertikalen bzw. der horizontalen langen Achse ausgerichtet sind.
Ein Satz von Aufmachungen kann einer speziellen klinischen Aufgabe zugeordnet werden. In einer Ausführungsform ermöglicht eine Bedienerschnittstelle dem Bediener, seine eigenen Aufmachungen (Layouts) zu erzeugen und abzuspeichern. Die Lage der Ansicht kann auf dem Bildschirm auf grafische Weise vorgeschrieben werden, während die Ausrichtung für jede Ansicht aus einer Liste in einem Pull-Down-Bildschirmmenü ausgewählt werden kann.
Wenn eine Aufmachung auf einen speziellen 3D-Datensatz angewendet wird, wird die Ausrichtung jeder Ansicht durch einen Algorithmus automatisch bestimmt, der den 3D-Datensatz analysiert.
Der Algorithmus zur automatischen Ausrichtung macht von bekannten Informationen über die Anatomie des Herzens Gebrauch und enthält, in einer Ausführungsform, drei Schritte.
In einem ersten Schritt wird eine Segmentierung der linken Höhle an dem Volumen vorgenommen, dessen EKG-Herz- phasenlage 75% des R-zu-R-Intervalls des Datensatzes am nächsten liegt. Der Algorithmus erzeugt eine Segmentierung der linken Höhle (Atrium und Ventrikel) sowie der Aorta als einer für diese Phase verbundenen Komponente.
In einem zweiten Schritt berechnet der Algorithmus die Trägheitsachse und den Trägheitsmittelpunkt des in dem ersten Schritt segmentierten Volumens. Diese Achse stellt eine erste Schätzung der langen Achse dar, die in dem dritten Schritt verfeinert wird.
In einem dritten Schritt verwendet der Algorithmus ein bekanntes (A-Priori-)Wissen über die Gestalt des linken Herzventrikels, um zwei Punkte längs der langen Achse aufzufinden. Der erste Punkt ist durch die Spitze des linken Herzventrikels gebildet. Der Algorithmus ermittelt diesen Punkt als das rechte Ende (in Bezug auf den Patienten) der vorhergehenden Segmentierung. Der zweite Punkt sollte proximal in Bezug auf das Zentrum der Mitralklappe längs der langen Achse liegen. Das Trägheitszentrum der Segmentierung liegt proximal in Bezug auf diesen Bereich (in dem der linke Herzventrikel entlang der langen Achse bereichsweise wie ein Zylinder aussieht). Um die Position dieses Punkte genauer zu bestimmen, schneidet der Algorithmus die Segmentierung der linken Höhlen mit einer Ebene, die zu der ersten Schätzung der langen Achse orthogonal verläuft und das Trägheitszentrum der linken Höhlen beinhaltet. Der zweite Punkt ist durch den Trägheitsmittelpunkt des Durchchnittes gebildet. Die lange Achse ist dann als die Achse definiert, die diese zwei Punkte in einer Linie verbindet. Die kurze Achse wird anschließend ausgehend von der langen Achse bestimmt.
Der resultierende Datensatz kann dazu verwendet werden, um automatisch Bilder auszugeben, die einer speziellen klinischen Aufgabe zugeordnet werden können. 3 veranschaulicht repräsentative Ansichten aus einer CT-Herzuntersuchung in der kurzen Achse, der vertikalen langen Achse, der horizontalen langen Achse sowie eine Ansicht des Einflusses/Ausflusses.
Die oben beschriebenen Verfahren sind nicht darauf beschränkt, im Zusammenhang mit der Computertomografie zu arbeiten, sondern können erweitert werden, um zusätzlich mit Datensätzen aus der Magnetresonanz, der Positronen-Emissions-Tomografie oder anderen Bildgebungsverfahren zu arbeiten.
Die automatisierte LV-Segmentierung wird bewerkstelligt, indem eine optimale Kombination aus Schwellenfilterung, morphologischen und Zusammenhang basierten Hilfsmitteln (Connectivity tools) sowie früheren Informationen über die Anatomie verwendet wird, wodurch die Lage des Zentrums des linken Herzventrikels auf eine präzise und robuste Weise ermittelt wird. In der Nachbarschaft der Stelle des Zentrums des linken Ventrikels separieren Trackingalgorithmen, wie bspw. Kantendetektion und Bereichswachstums- (Region Growing-) Hilfsmittel, den Kontrast in dem linken Herzventrikel von den Myokard- und Papillarmuskeln (vgl. bspw. J. H. C. Reiber, „Quantitative Analysis of Left Ventricular Function from Equilibrium Gated Blood Pool Scintigrams: an Overview of Computer Methods", Eur J Nucl Med, 10: 97–110, 1985; El O. Boudraa, J. J. Mallet, J. E. Besson, S. E. Bouyoucef, und J. Champier, „Left Ventricle Automated Detection Method in Gated Isotopic Ventriculography Using Fuzzy Clustering", IEEE Trans. Med. Imaging, Vol. 12, Nr. 3, S. 451–465, 1993; M. Ekman, M. Lomsky, S.O. Stromblad, und S. Carlsson, „Closed-Line Integral Optimization Edge Detection Algorithm and Ist Application in Equilibrium Radionuclide Angiocardiography", J. of Nucl Med, Vol. 36, Nr. 6, S. 1014–1018, Juni 1995; sowie M. Hosoba, H. Wani, M. Hiroe, and K. Kusakabe, „Clinical Validation of Fully-Automated Contour Detection for Gated Radionuclide Ventriculography with a Slant-Hole Collimator", Eur J. Nucl Med, 12: 53–59, 1986). Anschließend wird ein Endokardvolumen des LV sowohl für die endsystolische ES- als auch die enddiastolische ED-Phase erzeugt (vgl. 4 und 5). Aus diesen Volumina wird das enddiastolische Volumen, das endsystolische Volumen, die Ejektionsfraktion, das Schlagvolumen, und die Herzförderleistung pro Minute berechnet. Tabelle 1 enthält Beschreibungen der obigen Herzfunktionsparamenter.
Tabelle 1.
Wie in 4 veranschaulicht, werden durch das Volumenrendering des linken Herzventrikels die Nachteile der herkömmlichen manuellen und teilautomatisierten Verfahren für Volumenberechnungen, wie sie heutzutage verwendet werden, eliminiert. Der hier beschriebene automatisierte Volumenrendering-Lösungsansatz führt die Rekonstruktion unmittelbar in dem 3D-Raum durch und berücksichtigt die Schrägprojektionsgeometrie des biplanen Datenakquisitionssystems mit. 5 veranschaulicht eine optimale Kombination fortschrittlicher Algorithmen, wie bspw. Schwellenwertsetzung, morphologischer und auf einer Zusammenhangsbestimmung basierender Hilfsmittel (Connectivity Tools), Kantendetektion sowie Bereichswachstum (Region Growing), die verwendet werden, um den Kontrast innerhalb des Herzventrikels von dem Myokardium zu segmentieren.
Durch Verwendung des Volumenrenderings des in dem Herzventrikel sowohl am Ende des Systole als auch am Ende der Diastole enthaltenen Kontrastes, werden die Volumina in diesen Phasen gemessen. Die gemessenen Volumina repräsentieren lediglich den Blutpool ausschließlich der Papillarmuskel. Die Volumenberechnungen glätten nicht die Konturen jedes Schnittes. Gemeinsam mit dem Ausschluss der Papillarmuskel kann diese Nichtglättung die Genauigkeit der Herzfunktionsmessungen verbessern. Unter Verwendung dieser Vo lumina werden die Herzfunktionsparameter, nämlich die enddiastolischen und die endsystolischen Volumina, die Ejektionsfraktion, das Schlagvolumen und die Herzförderleistung pro Minute, berechnet. 6 veranschaulicht Beispiele von 3D-Modellen des LV, sowohl am Ende der Systole als auch am Ende der Diastole. Durch Messung des Volumens dieser Modelle werden EDV, ESV, SV, EF und CO berechnet. 7 stellt das Volumenrendering des LV-Kontrastes sowohl am Ende der Diastole als auch am Ende der Systole graphisch dar.
8 zeigt eine Ausführungsform eines Bildgebungssystems 10, in dem die Systeme und Verfahren zum verbesserten Arbeitsablauf umgesetzt sind. Zu Beispielen des Bildgebungssystems 10 gehören ein Ultraschall-Bildgebungssystem, ein Magnetresonanz-(MR-)Bildgebungssystem, ein Single-Photon-Emissions-Computertomografie-(SPECT-)Bildgebungssystem, ein Computertomografie-(CT-)Bildgebungssystem sowie ein Positronen-Emissions-Tomografie-(PET-)Bildgebungssystem. Eine Arbeitsstation (Workstation) 11 kann innerhalb des Bildgebungssystems 10 enthalten oder auch außerhalb des Bildgebungssystems 10 angeordnet sein und enthält einen Computer. Das Bildgebungssystem 10 scannt ein Objekt 22, bspw. ein Herz, eine Leber oder eine Lunge, und erzeugt Originalprojektionsdaten. Eine physiologische Informationsvorrichtung (PID, Physiological Information Device) 13 ist mit der Workstation 11 und dem Objekt 22 verbunden. Zu einer beispielhaften PID 13 gehört ein Elektrokardiograph, der ein Elektrokardiogramm (EKG) erzeugt. Die PID 13 erzeugt zyklische physiologische Signale, bspw. EKG-Signale oder Atmungssignale, die mehrere Phasen, bspw. Herzphasen oder Atemzyklusphasen, enthalten. Die PID 13 kann mit dem System 10 gekoppelt oder auch in das System 10 integriert sein.
Indem auf 9 und 10 Bezug genommen wird, ist veranschaulicht, dass das Bildgebungssystem 10 in einer Ausführungsform durch ein Computertomograph-(CT-)Bildgebungssystem 10 gebildet ist, das eine Gantry 12 (einen Ring, Tunnel) enthält, die einen CT-Scanner der „dritten Generation" kennzeichnet. Die Gantry 12 weist eine Röntgenquelle 14 auf, die einen Bündel von Röntgenstrahlen 16 in Richtung auf eine Strahlendetektorgruppe 18 auf der gegenüberliegenden Seite der Gantry 12 projiziert. Die Detektorgruppe 18 ist in Form von Detektorelementen 20 ausgebildet, die gemeinsam die projizierten Röntgenstrahlen erfassen, die ein Objekt 22, bspw. einen Patienten, durchdringen. Die Detektorgruppe 18 kann in einer einschichtigen oder mehrschichtigen Anordnung gefertigt sein. Jedes Detektorelement 20 erzeugt ein elektrisches Signal, das die Intensität eines auf dieses Detektorelement auftreffenden Röntgenstrahls und somit die Dämpfung des Strahlbündels kennzeichnet, wenn dieser einen Patienten 22 unter einem entsprechenden Winkel durchdringt. Während eines Scannvorgangs zur Akquisition von Röntgen-Projektionsdaten rotieren die Gantry 12 und die an dieser montierten Bauteile gemeinsam um einen Rotationsmittelpunkt 24 herum.
Die Rotationsbewegung der Gantry 12 und der Betrieb der Röntgenquelle 14 sind durch einen Steuerungsmechanismus 26 des CT-Systems 10 gesteuert. Der Steuerungsmechanismus 26 enthält einen Röntgenkontroller 28, der die Leistung und Zeitabstimmung kennzeichnende Signale an die Röntgenquelle 14 liefert, sowie einen Gantrymotorkontroller 30, der die Drehzahl und Stellung der Gantry 12 steuert. Ein Datenakquisitionssystem (DAS) 32 in dem Steuerungsmechanismus 26 zeichnet Analogdaten von den Detektorelementen 20 auf und wandelt die Daten in digitale Signale für eine nachfolgende Verarbeitung. Eine Bildrekonstruktionseinrichtung 34 nimmt die aufgezeichneten und digitalisierten Röntgendaten von dem DAS 32 entgegen und führt eine Bildrekonstruktion mit hoher Geschwindigkeit durch. Das rekonstruierte Bild wird einem Eingang eines Computers 36 zugeführt, der das Bild in einer Massenspeichervorrichtung 38 abspeichert.
Der Computer 36 nimmt auch Befehle und Scannparameter von einem Bediener über eine Konsole 40 entgegen, die eine Tastatur aufweist. In einer Ausführungsform ist die Konsole 40 durch die Workstation 11 gebildet. Der Computer 36 kann in der Konsole 40 integriert oder auch von der Konsole 40 entfernt angeordnet sein. Ein zugehöriges Display 42 ermöglicht dem Bediener, das rekonstruierte Bild zu beobachten und weitere Daten von dem Computer 36 zu überwachen. Die vom Bediener gelieferten Befehle und Parameter werden von dem Computer 36 verwendet, um Steuerungssignale und Daten für das DAS 32, den Röntgenkontroller 28 und den Gantrymotorkontroller 30 bereitzustellen. Außerdem betreibt der Computer 36 einen Tischmotorkontroller 44, der einen motorangetriebenen Tisch 46 steuert, um den Patienten 22 in der Gantry 12 zu positionieren. Insbesondere bewegt der Tisch 46 Bereiche des Patienten 22 durch die Gantryöffnung 48.
In einer Ausführungsform enthält der Computer 36 eine (nicht veranschaulichte) Vorrichtung, bspw. ein Diskettenlaufwerk oder ein CD-ROM-Laufwerk, für das Einlesen von Instruktionsbefehlen und/oder Daten von einem (nicht veranschaulichten) computerlesbaren Medium, bspw. einer Diskette oder einer CD-ROM. In einer weiteren Ausführungsform führt der Computer 36 Instruktionsbefehle aus, die in Form einer (nicht veranschaulichten) Firmware abgespeichert sind. Der Computer 36 ist dazu programmiert, um die hier beschriebenen Funktionen auszuführen, wobei jedoch auch andere programmierbare Schaltkreise in gleicher Weise programmiert sein können. In einer Ausführungsform führt bspw. das DAS 32 die hier beschriebenen Funktionen aus. Demgemäß ist in dem hier verwendeten Sinne der Begriff Computer nicht nur auf diejenigen integrierten Schaltungen beschränkt, die herkömmlich als Computer bezeichnet werden, sondern bezieht sich im weiten Sinne auf Computer, Rechner, Prozessoren, Mikrokontroller, speicherprogrammierbare Steuerungen, anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise oder andere programmierbare Schaltkreise sowie auf andere Vorrichtungen, die einen Computer enthalten, wie bspw. eine Workstation oder eine Konsole.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt ein Benutzer des CT-Systems 10 eine Untersuchung (d.h. eine vorgeschriebene Abbildung) aus, die einen Volumendatensatz, der für das Herz in einer vorgegebenen Phase kennzeichnend ist, oder mehrere Volumendatensätze enthält, die das Herz in mehreren Phasen kennzeichnen. In einer Ausführungsform, bei der die Datensätze in Form von axialen Mehrphasen-Herzdatensätze gebildet sind, wird der Benutzer aufgefordert, eine gewünschte Phase auszuwählen. Wenn der Benutzer bspw. die Diastole als die gewünschte Phase auswählt, wird ohne einen weiteren Eingriff seitens des Benutzers ein Endokardvolumen des linken Herzventrikels in einer enddiastolischen Phase erzeugt, wie dies in 2 veranschaulicht ist. Und wenn der Benutzer die Systole als die gewünschte Phase auswählt, wird ohne eine weitere Benutzerintervention ein Endokardvolumen des linken Herzventrikels in einer endsystolischen Phase erzeugt. Ein in dem Computer 36 ablauffähiges Softwareprogramm wird anschließend durch den Bediener unter Verwendung des Displays 42 und der Konsole 40 gestartet. Diese Software akzeptiert als Eingaben Benennungen der durch den Bediener ausgewählten Volumendatensätze. Im Gebrauch wählt der Bediener eine Vorschrift aus, und eine Bedienerschnittstelle erscheint auf dem Display 42 gemäß dem in 2 veranschaulichten Funktionsablaufprozess. Der Bediener hat die Möglichkeit, jede Ansicht, für die ein Bild nicht gewünscht ist, auszulassen.
Es ist ersichtlich, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung den Arbeitsablauf derart automatisieren, dass eine Vorschrift eines Arztes genau sein wird, selbst wenn dieser keine Schulung durchläuft. Im Falle der CT-Bildgebung ermöglichen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung einem Bediener, einen vollständigen vierdimensionalen (4D-) Datensatz zu erzeugen, der für eine Funktionsuntersuchung des Herzens gut geeignet ist und der in Verbindung mit Analyse-Softwareanwendungen verwendet werden kann. In einer Ausführungsform enthält der 4D-Datensatz eine dreidimensionale Abbildung sowie eine Zeitkomponente.
Darüber hinaus sind Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung in der Lage, CT-Bilder in einer einzelnen Phase des Herzens oder in mehreren Phasen in der gleichen Position zu laden. Beispielsweise kann ein Einphasen-Datensatz die Abbildungsposition SO bis I100 bei 70% des R-zu-R-Intervalls enthalten. Ein Mehrphasen-Datensatz kann Abbildungspositionen SO bis I100 in zehn Phasen von 0 bis 100% des R-zu-R-Intervalls enthalten. Die Datensätze in einer einzelnen erfindungsgemäßen Ausführungsform weisen stets die gleiche Ebene in der kurzen/langen Achse auf, wodurch es einem Bediener möglich ist, die Wandbewegung, Ejektionsfraktion, Wanddicke und Perfusion zu beobachten.
In MR-Anwendungen können nachbehandelnde Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung dazu verwendet werden, um Ansichten in der kurzen und der langen Achse zu erzeugen. Eine nachbehandelnde Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet von der MR erhaltene Daten, setzt jedoch eine Software, die auf einem von dem MR-System gesonderten Computer läuft, sowie ein gesondertes Display und eine Bedienerkonsole ein. Diese Ausführungsform reduziert die Vorschriftszeit für einen Scannvorgang. Die Kosten sind ebenfalls reduziert, weil die Zeit an einer Bedienerkonsole teuerer ist als die Zeit an einer Workstation. Somit wird die klinische Produktivität (wie sie in pro Tag gescannten MR-Patienten gemessen wird) durch diese Ausführungsform erhöht. Außerdem ermöglichen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung, dass erneute Scannvorgänge vermieden werden, falls Vorschriften nicht korrekt sind.
Die hier beschriebenen Verfahren und Systeme beseitigen Abhängigkeiten von Veränderungen zwischen den Benutzern und innerhalb eines Benutzers und machen den Prozess der Berechnung der LV-Funktionsparameter effizienter. Da die Volumenmessungen sowohl den Beitrag von Papillarmuskeln, als auch eine Glättung der Konturen des LV ausschließen, bildet die resultierende Ejektionsfraktion eine wahre Darstellung der Herzfunktion, selbst bei Patienten mit erkrankten Herzventrikeln. Zu den technischen Wirkungen der hier beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen gehören eine verbesserte Genauigkeit der Herzfunktionsparameter, eine erhöhte Reproduzierbarkeit, ein durch automatisierte Prozesse rationalisierter Arbeitsablauf (weniger manuelle Schritte) und eine höhere Produktivität. Die hier beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen sind außerdem nicht auf hochgeschulte Ärzte angewiesen, reduzieren die Anzahl erzeugter Bilder durch Weglassung eines manuellen Bilderzeugungsschrittes in der kurzen Achse und, indem ein Abbildungssatz weniger erzeugt wird, verwenden weniger Festplattenspeicher des Systems. Die hier beschriebenen Verfahren sind auch auf mehrere Betriebssystemumgebungen portierbar.
Während die Erfindung in Form unterschiedlicher spezieller Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es für einen Fachkundigen ohne weiteres erkennbar, dass die Erfindung innerhalb des Gedankens und des Schutzumfangs der Ansprüche in modifizierter Form ausgeführt werden kann.
Ein Verfahren zur Erzeugung von Ansichten eines Herzens längs anatomisch sinnvoller Ebenen enthält die Entgegennahme eines 3D-Herzdatensatzes und die Berechnung wenigstens einer kurzen Achse und/oder einer langen Achse ohne eine Ineingriffnahme durch einen Benutzer.

10: CT-Bildgebungssystem
11: Workstation
12: Gantry
13: Physiologische Informationsvorrichtung (PID)
14: Stahlungsquelle
16: Strahlbündel
18: Detektorgruppe
20: mehrere Detektorelemente
22: Objekt
24: Rotationszentrum
26: Steuerungsmechanismus
28: Strahlungskontroller
30: Gantrymotorkontroller
32: Datenakquisitionssystem (DAS)
34: Bildrekonstruktionseinrichtung
36: Computer
38: Speichervorrichtung
40: Konsole
42: Display
44: Tischmotorkontroller
46: motorangetriebener Tisch
48: Gentryöffnung
50: Vorrichtung
52: computerlesbares Medium
100: Verfahren
102: anfänglicher Scannvorgang
104: Algorithmus für die computergestützte Zielermittlung
: (CAT, Computer Aided Targeting)
106: Bestätigung
108: Unterbreitung
110: Abspeicherung
112: Treffererzeugung
114: Vergleich N mit Nmax
116: Zieldaten
118: Abspeicherung
120: weitere Anwendung

Claims

Medizinische Bildgebungsvorrichtung zur Erzeugung von Ansichten eines Herzens längs anatomisch nützlicher Ebenen, wobei die medizinische Bildgebungssystemvorrichtung aufweist: ein Bildgebungssystem (10) mit: eine Detektorgruppe (18), wenigstens eine Strahlungsquelle (14), einen mit der Detektorgruppe verbundenen Computer (36) und eine mit dem Computer verbundene Arbeitsstation (11), die dazu konfiguriert ist, um: 3D-Herzdatensätze entgegen zu nehmen und ohne einen Eingriff des Benutzers wenigstens entweder eine kurze Achse und/oder eine lange Achse zu berechnen.
Medizinische Bildgebungssystemvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Arbeitsstation (11) ferner dazu konfiguriert ist, um: eine linke Höhle des Herzens zu segmentieren, eine erste Schätzung der langen Achse der linken Höhle zu erzeugen und die erste Schätzung der langen Achse dazu zu verwenden, um wenigstens zwei Punkte einer zweiten Schätzung der langen Achse zu bestimmen.
Medizinische Bildgebungssystemvorrichtung (10) nach Anspruch 2, wobei die Arbeitsstation (11) ferner dazu konfiguriert ist, um: einen rechten Endpunkt der segmentierten Höhle als einen ersten Punkt der zweiten Schätzung der langen Achse zu wählen und einen weiteren Punkt innerhalb der segmentierten Höhle als einen zweiten Punkt der zweiten Schätzung der langen Achse zu wählen.
Medizinische Bildgebungssystemvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei die Arbeitsstation (11) ferner dazu konfiguriert ist, um: einen Trägheitsmittelpunkt der linken Höhle zu berechnen, die segmentierte linke Höhle mit einer Ebene zu schneiden, die senkrecht zu der ersten Schätzung verläuft und den Trägheitsmittelpunkt enthält, um einen Durchschnitt zu bilden, einen Trägheitsmittelpunkt des Durchschnittes zu berechnen und den Trägheitsmittelpunkt des Durchchnittes als den zweiten Punkt der zweiten Schätzung der langen Achse zu verwenden.
Verfahren zur Erzeugung von Ansichten eines Herzens längs anatomisch nützlicher Ebenen, wobei das Verfahren aufweist: Entgegennahme eines 3D-Herzdatensatzes und Berechnung wenigstens einer kurzen Achse und/oder einer langen Achse ohne einen Benutzereingriff.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Berechnung aufweist: Segmentierung einer linken Höhle des Herzens, Erzeugung einer ersten Schätzung der langen Achse der linken Höhle und Verwendung der ersten Schätzung der langen Achse, um wenigstens zwei Punkte einer zweiten Schätzung der langen Achse zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Segmentierung eine Segmentierung eines Volumens aufweist, dessen Position der EKG-Herzphase 75% eines R-zu-R-Intervalls des mehrere Volumen enthaltenden Datensatzes am nächsten liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Verwendung der ersten Schätzung der langen Achse zur Bestimmung wenigstens zweier Punkte einer zweiten Schätzung der langen Achse aufweist: Auswahl eines rechten Endpunktes der segmentierten Höhle als einen ersten Punkt der zweiten Schätzung der langen Achse und Auswahl eines weiteren Punktes innerhalb der segmentierten Höhle als einen zweiten Punkt der zweiten Schätzung der langen Achse.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Auswahl eines weiteren Punktes aufweist: Berechnung eines Trägheitsmittelpunktes der linken Höhle, Schneiden der Segmentierung mit einer Ebene, die senkrecht zu der ersten Schätzung verläuft und den Trägheitsmittelpunkt enthält, um einen Durchschnitt zu bilden, Berechnung eines Trägheitsmittelpunktes des Durchschnittes und Verwendung des Trägheitsmittelpunktes des Durchschnittes als den zweiten Punkt der zweiten Schätzung der langen Achse.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Verwendung der ersten Schätzung der langen Achse zur Bestimmung wenigstens zweier Punkte einer zweiten Schätzung der langen Achse aufweist: Berechnung eines Trägheitsmittelpunktes der linken Höhle, Schneiden der segmentierten linken Höhle mit einer Ebene, die zu der ersten Schätzung senkrecht verläuft und den Trägheitsmittelpunkt enthält, um einen Durchschnitt zu bilden, Berechnung eines Trägheitsmittelpunktes des Durchschnittes, Verwendung des Trägheitsmittelpunktes des Durchschnittes als den ersten Punkt der zweiten Schätzung der langen Achse und Auswahl eines weiteren Punktes innerhalb der segmentierten Höhle als einen zweiten Punkt der zweiten Schätzung der langen Achse.