DE102005005919A1

DE102005005919A1 - Verfahren und CT-Gerät zur Erstellung von Röntgen-CT-Aufnahmen von einem schlagenden Herzen eines Patienten

Info

Publication number: DE102005005919A1
Application number: DE102005005919A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr. Bruder
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-02-09
Filing date: 2005-02-09
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2025-02-10
Also published as: CN1817308A; US20060241403A1; DE102005005919B4; JP2006218299A; US7693253B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein CT-Gerät zur Erstellung von Cardio-Röntgen-CT-Aufnahmen, bei dem zur Darstellung eines Taktes ein synthtisches Taktsignal verwendet wird, wobei über den vollständigen Scan während jeder Zyklusphase des synthtischen Taktsignals zu mehreren unterschiedlichen Phasenzeitpunkten des synthetischen Taktes Testvolumendatensätze des Herzens rekonstruiert werden, die jeweils mit ihren Phasenzeitpunkten und ihrer z-Position verbunden sind, anschließend über eine Korrelationsrechnung zwischen zeitlich beanchbarten und örtlich identischen oder zumindest zur gleichen Schnittebene gehörenden Testvolumendatensätzen Maxima der Korrelation bestimmt, und anschließend aus den raumzeitlich zugehörigen Detektordaten bildgebende Volumendatensätze berechnet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Computertomographiegerät zur Erstellung von Röntgen-CT-Aufnahmen von einem schlagenden Herzen eines Patienten, wobei zur letztendlichen Erstellung der CT-Aufnahmen ausschließlich Detektordaten verwendet werden, die aus Phasenabschnitten des Herzzyklus entnommen sind, bei dem das Herz sich in relativer Ruhe befindet. Hierdurch wird vermieden, dass eine Bewegungsunschärfe zu qualitativ minderwertigen Aufnahmen führt.

Ein ähnliches Verfahren wird beispielsweise in der Schrift: Automatic phase point determination for cardiac CT imaging, Manzke et al., medical imaging 2004, proc. of SPIE vol. 537, 690–699, beschrieben. Dort wird ein Vorschlag gemacht, der basierend auf dem EKG-Signal das Herzvolumen in aufeinander folgenden Zeitabschnitten rekonstruiert und schichtweise Bildkorrelationen in benachbarten Herzphasen bestimmt. Werden diese Bildkorrelationen dreidimensional über eine z/t-Ebene (z entspricht der Systemachse, t entspricht dem Prozentwert der betrachteten Herzphasen) aufgetragen, so manifestieren sich in dieser raumzeitlichen Darstellung die Ruhephasen des Herzens als Extremwerte der Korrelationskoeffizienten. Solche Extremwerte können durch bekannte Rechenverfahren detektiert werden, so dass die Zeitpunkte der Herzphase, zu denen sich das Herz in Ruhe befindet, bestimmt sind. Entsprechend den so gefundenen Ruhephasen werden dann aus den Detektordaten zu diesen Zeitabschnitten entsprechende CT-Aufnahmen rekonstruiert.

Aufwendig ist hierbei, dass jeweils eine EKG-Ableitung zur CT-Untersuchung angelegt werden muss.

Aufgabe der Erfindung ist es ein vereinfachtes Verfahren zur Erstellung von Röntgen-CT-Aufnahmen von einem schlagenden Herzen eines Patienten zu finden, wobei auf die Abnahme des EKG-Signals des Patienten verzichtet werden soll.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordnete Ansprüche.

Der Erfinder hat erkannt, dass es möglich ist, auf das EKG-Signal des Patienten zu verzichten und statt dessen ein synthetisches Taktsignal zu verwenden, an welchem sich die Bestimmung der Ruhephase in jedem Zyklus orientiert. Da dieses synthetische Taktsignal zwar im Bereich der Herzfrequenz des Patienten liegt, jedoch nicht mit dieser synchronisiert ist, darf nicht, wie in dem zuvor zitierten Verfahren, über alle Zyklen des Scans hinweg ermittelt werden, zu welchem generellen Herzphasenzeitpunkt sich das Herz in einer Ruhesituation befindet. Es muss vielmehr über die gesamte Scan-Zeit hinweg und für jeden synthetischen Zyklus bestimmt werden, zu welchem Zeitpunkt oder genauem Zeitintervall eine Ruhephase vorliegt. Dies kann durch die Berechnung einer Vielzahl von Bildern über den Scan und auch über jeden Zyklus hinweg geschehen, indem für einen vorgegebenen Bildbereich zwischen zeitlich benachbarten CT-Bildern die Korrelationskoeffizienten berechnet werden und Maxima der Korrelationskoeffizienten gesucht werden. Ist der Korrelationskoeffizient der Bildwerte zwischen zwei Bildern maximal, das heißt es liegen nur geringe summarische Veränderungen zwischen den Bildern im betrachteten Bereich vor, so kann in diesem Zeitbereich von einer Ruhephase ausgegangen werden. Dieser so gefundenen Zeitbereich des jeweiligen Taktzyklus und die daraus stammenden Detektordaten können nun zur endgültigen Berechnung qualitativ hochwertiger CT-Bilder verwendet werden. Bei der Ermittlung des Korrelationskoeffizienten ist außerdem zu beachten, dass nicht das komplette CT-Bild, sondern ausschließlich ein vor gegebener Bereich im CT-Bild verwendet wird, damit eine Änderung der Korrelationswerte ausreichend deutlich wird.

Entsprechend diesem Grundgedanken der Erfindung schlägt der Erfinder ein Verfahren zur Erstellung von Röntgen-CT-Aufnahmen von einem schlagenden Herzen eines Patienten vor, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

– es wird zur Abtastung des Patienten mindestens eine Röntgenröhre relativ zum Patienten um diesen rotiert,
– er wird von mindestens einem Detektor die Schwächung der Röntgenstrahlen kontinuierlich detektiert und als Detektorausgangsdaten an eine Steuer- und Recheneinheit ausgegeben,
– es wird ein synthetischen Taktsignal mit einer Frequenz ausgegeben, die einer typischen Herzfrequenz des Patienten entspricht,
– über den vollständigen Scan werden während jeder Zyklusphase des synthetischen Taktsignals zu mehreren unterschiedlichen Phasenzeitpunkten des synthetischen Taktes Testvolumendatensätze des Herzens rekonstruiert, wobei jeder Testvolumensatz mit seinem Phasenzeitpunkt und seiner z-Position verbunden ist,
– über einen vorgegebenen Bildbereich werden Korrelationswerte zwischen zeitlich benachbarten und örtlich identischen oder zumindest zur gleichen Schnittebene gehörenden Testvolumendatensätzen berechnet und in einer raumzeitlichen Matrix eingetragen und Maxima der Korrelationswerte gesucht,
– anschließend wird aus den Detektordatensätzen, aus denen die Testvolumendatensätze stammen, die zu Korrelationsmaxima führten, endgültige Volumendatensätze berechnet.

Vorzugsweise wird zur Reduzierung der Rechenkapazität vorgeschlagen die Testvolumendatensätze gegenüber den endgültigen Volumendatensätzen mit reduzierter Auflösung zu berechnen.

Des weiteren kann das synthetische Taktsignal auch aus einem synthetischen EKG abgeleitet werden.

Der vorgegebene Bildbereich zur Berechnung der Korrelationswerte umfasst dabei bevorzugt ausschließlich den Herzbereich, wobei die Umrandung in einfacher Weise durch ein Rechteck, Quadrat oder auch durch eine Kreisabgrenzung definiert werden kann.

Grundsätzlich kann das findungsgemäße Verfahren sowohl in Verbindung mit einer Spiralabtastung als auch mit einer sequenziellen Abtastung eingesetzt werden.

Des weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren für drei unterschiedliche Rekonstruktionsmethoden eingesetzt werden: Zum einen für ein Verfahren bei dem für die endgültige Rekonstruktion je Herzzyklus eine Ebene aus jeweils vollständigen Detektordaten aus diesem Herzzyklus entnommen und zu einem Volumendatensatz dieser Bildebene rekonstruiert werden. Außerdem bei einem Verfahren bei dem für die endgültige Rekonstruktion unvollständige Detektordaten aus mehreren Herzzyklen zu vollständigen Detektordaten zusammengefasst werden und daraus anschließend die Volumendatensätze rekonstruiert werden. Schließlich für ein Verfahren, bei dem für die endgültige Rekonstruktion unvollständige Detektordaten aus mehreren Herzzyklen zu unvollständigen Bilddaten rekonstruiert und anschließend zu vollständigen Bilddaten zusammengefasst werden.

Bei diesen oben genannten Verfahrensvariationen wird die eigentliche Ruhephase in Relation zum künstlichen Taktsignal individuell auf jeden Zyklus selbst berechnet.

Entsprechend dem oben geschilderten Grundgedanken schlägt der Erfinder auch ein Computertomographiegerät zur Erstellung von Röntgen-CT-Aufnahmen von einem schlagenden Herzen eines Patienten vor, welches enthält:

– eine Vorrichtung zur rotierenden Abtastung des Patienten mit mindestens einer Röntgenröhre und mindestens einem Detektor, der die Schwächung der Röntgenstrahlen kontinuierlich detektiert und als Detektorausgangsdaten an eine Steuer- und Recheneinheit ausgibt,
– ein Mittel zur Erzeugung eines synthetischen Taktsignals mit einer Frequenz, die einer typischen Herzfrequenz des Patienten entspricht,
– ein Mittel zur Rekonstruktion von Testvolumendatensätze des Herzens während des vollständigen Scans und während jeder Zyklusphase des synthetischen Taktsignals zu mehreren unterschiedlichen Phasenzeitpunkten des synthetischen Taktes, wobei jeder Testvolumensatz mit seinem Phasenzeitpunkt und seiner z-Position verbunden ist,
– ein Mittel zur Berechnung von Korrelationswerten zwischen zeitlich und örtlich benachbarten Testvolumendatensätzen über einen vorgegebenen Bildbereich und Eintragung in einer raumzeitlichen Matrix, welches auch Maxima der Korrelationswerte sucht, und
– ein Mittel, welches aus den Detektordatensätzen, aus denen die Testvolumendatensätze stammen, die zu Korrelationsmaxima führten, endgültige Volumendatensätze berechnet und als dreidimensionale Bilddarstellung ausgibt.

Bei dem oben beschriebenen Computertomographiegerät können die angegebenen Mittel ein System aus mindestens einer Recheneinheit und Programmen oder Programmmodulen darstellen, die im Betrieb die oben beschriebenen Verfahrensschritte ausführen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles mit Hilfe einer einzigen Figur näher beschrieben, wobei die folgenden Bezugszeichen verwendet werden: 1: Computertomographie-System; 2: Röntgenröhre; 3: Detektor; 4: Systemachse; 5: Gehäuse; 6: Verschiebbare Patientenliege; 7: Patient; 8: Taktgeber zur Pulssimulation; 9: Steuer- und Recheneinheit; 10: Steuer- und Datenleitung; Prg₁–Prg_n: Computer-Programme.
1: Darstellung eines beispielhaften Computertomographen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die 1 zeigt einen Computertomographen 1 mit einem Gehäuse 5, in dem sich eine Gantry mit einer kreisförmig umlaufenden Röntgenröhre 2 und einem gegenüberliegenden Vielzeilendetektor 3 befindet. Weiterhin ist ein Patient 7 dargestellt, der auf einer Patientenliege 6 liegt und zum Abtastvorgang in die Öffnung des CT's 1 eingefahren wird. Während des Abtastvorganges, bei dem sich die Röntgenröhre 2 kreisförmig um den Patienten 7 bewegt kann eine Relativbewegung des Patienten 7 in Richtung der Systemachse 4 stattfinden, so dass relativ zum Patienten 7 eine Spiralabtastung stattfindet, oder es kann der Patient auch durch sequentielles Vorwärtsschieben während einer Abtastpause in vielen rein kreisförmigen Bewegungen der Röhre relativ zum Patienten abgetastet werden. Die Steuerung des Computertomographen 1 geschieht durch die Steuer- und Recheneinheit 9 über die Steuer-/Datenleitung 10. Über die Steuer-/Datenleitung 10 werden auch die durch den Detektor 3 gesammelten Daten zum Rechner übertragen. Die Steuer- und Recheneinheit 9 verfügt über interne Speicher und Rechenprozessoren, über die die Programme Prg₁–Prg_n zur Steuerung des Computertomographen und zur Auswertung der gesammelten Daten erfolgen. Außerdem ist an die Recheneinheit 9 eine Tastatur zur Dateneingabe und ein Monitor zur Datendarstellung angeschlossen.
Angeschlossen an die Steuer- und Recheneinheit 9 ist des weiteren ein Taktgeber 8, welcher als synthetisches EKG-Signal verwendet wird. Bei der Durchführung des Cardio-Scans werden die Detektordaten gesammelt und deren zeitliche Beziehung zum synthetischen Takt festgehalten. Anschließend werden mit grober Auflösung eine Vielzahl von CT-Schnittbilder oder Volu mendatensätze berechnet und, bezogen auf einen vorgegebenen Bereich im Koronargebiet, Korrelationswerte der zeitlich versetzten groben Bilder berechnet. Niedrige Korrelationswerte weisen auf eine große Veränderung von einem Bild zum nächsten Bild, also eine Bewegungssituation hin, während hohe Korrelationswerte auf einen Stillstand des untersuchten Bereiches, also eine Ruhephase, hinweisen.
Es ist dabei darauf hinzuweisen, dass aufgrund der auftretenden sich ständig verändernden Phasenverschiebung zwischen dem tatsächlichen Herzrhythmus und dem synthetischen Takt keine generalisierte Aussage über die Zyklusphase zu treffen ist, in der sich die Ruhephase befindet. Es muss für jeden Zyklus der Ruhephasenbereich separat ermittelt werden.
Sind die Zeitbereiche der Ruhephasen ermittelt, so werden ausschließlich die dort gesammelten Daten zur Berechnung der endgültigen und nun hochaufgelösten Volumendatensätze oder Schnittbilder verwendet. Wobei die Art der Verwendung dieser Detektordaten zur Rekonstruktion in verschiedener Weise stattfinden kann. Beispielsweise können bei ausreichend schneller Abtastrate Bilder jeweils aus Daten nur eines Zyklus entstammen. Es können jedoch auch Detektordaten aus zwei oder mehr Zyklen zusammengesetzt werden, um vollständige Detektordaten zu erhalten und Bilddaten zu rekonstruieren. Außerdem besteht auch die Möglichkeit unvollständige Detektordaten – Daten aus weniger als einem π-Umlauf – aus den ermittelten Ruhephasen zunächst zu unvollständigen Bildern oder Volumendatensätzen zu rekonstruieren und anschließend solche unvollständigen Bilder oder Volumendatensätze aus mehreren Zyklen zu vollständigen Bildern oder Volumendatensätzen, gegebenenfalls gewichtet, zusammenzusetzen.
Bei all diesen Varianten besteht gegenüber den bekannten Verfahren der wesentliche Vorteil, dass zur Untersuchung auf das aufwendige Anlegen von EKG-Elektroden verzichtet werden kann und auch Probleme des Auslesens der EKG-Signale, wie sie bei spielsweise durch die notwendigen langen Leitungen mit dadurch bedingten elektromagnetischen Einstrahlungen oder durch Verfälschungen der Signale durch Muskelkontraktionen des Patienten vermieden werden.
Insgesamt wird also mit dieser Erfindung ein Verfahren und ein CT-Gerät zur Erstellung von Cardio-Röntgen-CT-Aufnahmen vorgestellt, bei dem zur Darstellung eines Taktes ein synthetisches Taktsignal verwendet wird, wobei über den vollständigen Scan während jeder Zyklusphase des synthetischen Taktsignals zu mehreren unterschiedlichen Phasenzeitpunkten des synthetischen Taktes Testvolumendatensätze des Herzens rekonstruiert werden, die jeweils mit ihren Phasenzeitpunkten und ihrer z-Position verbunden sind, anschließend über eine Korrelationsrechnung zwischen zeitlich benachbarten und örtlich identischen oder zumindest zur gleichen Schnittebene gehörenden Testvolumendatensätzen Maxima der Korrelation bestimmt, und anschließend aus den raum-zeitlich zugehörigen Detektordaten bildgebende Volumendatensätze berechnet werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Erstellung von Röntgen-CT-Aufnahmen von einem schlagenden Herz eines Patienten, mit zumindest den folgenden Verfahrensschritten: 1.1. es wird zur Abtastung des Patienten mindestens eine Röntgenstrahlenquelle (2) relativ zum Patienten (7) um diesen rotiert, 1.2. es wird von mindestens einem Detektor (3) die Schwächung der Röntgenstrahlen kontinuierlich detektiert und als Detektorausgangsdaten an eine Steuer- und Recheneinheit (9) ausgegeben, 1.3. es wird ein synthetischen Taktsignal mit einer Frequenz ausgegeben, die einer typischen Herzfrequenz des Patienten (7) entspricht, 1.4. über den vollständigen Scan werden während jeder Zyklusphase des synthetischen Taktsignals zu mehreren unterschiedlichen Phasenzeitpunkten des synthetischen Taktes Testvolumendatensätze des Herzens rekonstruiert, wobei jeder Testvolumensatz mit seinem Phasenzeitpunkt und seiner z-Position verbunden ist, 1.5. über einen vorgegebenen Bildbereich werden Korrelationswerte zwischen zeitlich benachbarten und örtlich identischen oder zumindest zur gleichen Schnittebene gehörenden Testvolumendatensätzen berechnet und in einer raumzeitlichen Matrix eingetragen und Maxima der Korrelationswerte gesucht, 1.6. anschließend wird aus den Detektordatensätzen, aus denen die Testvolumendatensätze stammen, die zu Korrelationsmaxima führten, endgültige Volumendatensätze berechnet.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Testvolumendatensätze mit gegenüber den endgültigen Volumendatensätzen reduzierter Auflösung berechnet werden.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das synthetische Taktsignal aus einem synthetischen EKG abgeleitet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Bildbereich zur Berechnung der Korrelationswerte ausschließlich den Herzbereich umfasst.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Bildbereich durch ein Mustererkennungsverfahren festgelegt wird und zur Berechnung der Korrelationswerte ausschließlich den Herzbereich umfasst.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es in Verbindung mit einer Spiralabtastung eingesetzt wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es in Verbindung mit einer sequentiellen Abtastung eingesetzt wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die endgültige Rekonstruktion je Herzzyklus mindestens eine Bildebene aus jeweils vollständigen Detektordaten aus diesem Herzzyklus entnommen und zu einem Volumendatensatz diese Bildebene rekonstruiert wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die endgültige Rekonstruktion unvollständige Detektordaten aus mehreren Herzzyklen zu vollständigen Detektordaten zusammengefasst werden und daraus anschließend die Volumendatensätze rekonstruiert werden.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die endgültige Rekonstruktion unvollständige Detektordaten aus mehreren Herzzyklen zu unvollständigen Bilddaten rekonstruiert und anschließend zu vollständigen Bilddaten zusammengefasst werden.
Computertomographie-Gerät zur Erstellung von Röntgen-CT-Aufnahmen von einem schlagenden Herz eines Patienten (7), mit: 11.1. einer Vorrichtung zur rotierenden Abtastung des Patienten mit mindestens einer Röntgenstrahlenquelle (2) und mindestens einem Detektor (3), der die Schwächung der Röntgenstrahlen kontinuierlich detektiert und als Detektorausgangsdaten an eine Steuer- und Recheneinheit (9) ausgibt, 11.2. einem Mittel (8) zur Erzeugung eines synthetischen Taktsignals mit einer Frequenz, die einer typischen Herzfrequenz des Patienten entspricht, 11.3. einem Mittel (10, Prg_x) zur Rekonstruktion von Testvolumendatensätze des Herzens während des vollständigen Scans und während jeder Zyklusphase des synthetischen Taktsignals zu mehreren unterschiedlichen Phasenzeitpunkten des synthetischen Taktes, wobei jeder Testvolumensatz mit seinem Phasenzeitpunkt und seiner z-Position verbunden ist, 11.4. einem Mittel (10, Prg_y) zur Berechnung von Korrelationswerten zwischen zeitlich und örtlich benachbarten Testvolumendatensätzen über einen vorgegebenen Bildbe reich und Eintragung in einer raumzeitlichen Matrix, welches auch Maxima der Korrelationswerte sucht, und 11.5. einem Mittel (10, Prg_z), welches aus den Detektordatensätzen, aus denen die Testvolumendatensätze stammen, die zu Korrelationsmaxima führten, endgültige Volumendatensätze berechnet und als dreidimensionale Bilddarstellung ausgibt.
Computertomographiegerät gemäß dem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die angegebenen Mittel ein System aus mindestens einer Recheneinheit und Programmen oder Programm-Modulen darstellen, welche im Betrieb die Schritte mindestens einer der voranstehenden Verfahrensansprüche ausführen.