DE102005017492A1 - Verfahren zum rechnerischen Kompensieren einer periodischen Bewegung eines Organs - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren zum rechnerischen Kompensieren einer periodischen Bewegung eines Organs bei einer zur Abbildung dieses Organs dienenden ersten Bildgebungsmethode werden unter Verwendung von Gating zwei Zeitserien von drei-dimensionalen Bilddaten ermittelt (10, 12), einmal mit der ersten Bildgebungsmethode und einmal mit der zweiten Bildgebungsmethode, wobei aus den Bilddaten, die mit der zweiten Bildgebungsmethode gewonnen wurden, Bewegungsfelder (14) berechnet werden, die zur Kompensation der Daten aus der Zeitserie verwendet werden, die mit der ersten Bildgebungsmethode ermittelt wurde. Die Kompensation umfasst die rechnerische Einbeziehung von Bewegungsfeldern und die Abbildung der Bilddaten auf einen Referenzzeitpunkt (16). Alle auf den Referenzzeitpunkt zurück abgebildeten Bilddaten werden aufaddiert (18).
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum rechnerischen Kompensieren einer periodischen Bewegung eines Organs bei einer zur Abbildung dieses Organs dienenden ersten Bildgebungsmethode.
- Sie betrifft auch ein Bildaufnahmesystem für eine erste Bildgebungsmethode.
- Wird das Herz mittels nuklearen medizinischen Untersuchungsverfahren wie etwa PET (Positron-Emissionstomographie) und SPECT (Single Positron Emission Computertomography) aufgenommen, so ist dies mit langen Akquisitionszeiten von typischerweise wenigen Minuten (wie bei PET) bis zu mehr als 20 Minuten (bei SPECT) verbunden. Der resultierende Datensatz stellt daher eine zeitliche Mittelung über alle Herzphasen dar, das Herz wird also bewegungsunscharf dargestellt. Diese Bewegungsunschärfe kann die Brauchbarkeit des Datensatzes für die Diagnose einschränken.
- Um diesen Effekt zu vermeiden, kann ein EKG-Gating eingesetzt werden. Bei einem EKG-Gating wird zeitgleich zur Aufnahme der Bilddaten ein EKG abgenommen. Das EKG-Gating basiert darauf, dass sich der Herzzyklus wiederholt. Die Bilddaten, die während gleicher Intervalle des Herzzyklus aufgenommen werden, werden daher einander zugeordnet. Man erhält somit eine Zeitserie von drei-dimensionalen Bilddaten, wobei diese Bilddaten jeweils innerhalb eines bestimmten Intervalls des Herzzyklus aufgenommen worden sind. Die Serie ergibt sich aus Aneinanderreihung der Bilder für die jeweiligen Intervalle des Herzzyklus.
- Man erhält dann eine Vielzahl von Bildern, die jeweils einer bestimmten Phase des Herzzyklus entsprechen. Die Bewegung des Herzens sollte immer gleich sein, und daher sollte in den jeweiligen Einzelbildern jeweils keine große Bewegungsunschärfe auftreten.
- Nachteil des Verfahrens mit EKG-Gating ist, dass sich die Anzahl der gemessenen Ereignisse pro Einzelbild durch die Aufteilung in Zeitintervalle verringert. Hierdurch wird das Signal-zu-Rausch-Verhältnis der Bilder verschlechtert, und der diagnostische Wert der Bilder ist abermals eingeschränkt.
- Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, aus mit EKG-Gating aufgenommenen Einzelbildern eine Bewegungskompensation vorzunehmen. Hierbei wird zunächst aufgrund der Bilder die Herzbewegung bestimmt. Aufgrund dieser Bewegung werden Bewegungsfelder ermittelt, und die verschiedenen Einzelbilder werden auf ein Referenzbild abgebildet. Die bewegungs-korrigierten Einzelbilder werden aufsummiert und man erhält ein Bild ohne Bewegungsunschärfe und mit gutem Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Ein Problem hierbei besteht darin, dass die Bewegungsfelder nur schlecht ermittelbar sind. Die Herzbewegung lässt sich nämlich aus nuklearmedizinischen Bildern nur schlecht abschätzen. Gründe hierfür sind die geringe Ortsauflösung, das geringe Signal-zu-Rausch-Verhältnis in nuklearmedizinischen Bildern und der Mangel an charakteristischen anatomischen Strukturen in den Bildern.
- Es ist Aufgabe der Erfindung, Bildgebungsmethoden, die eine lange Akquisitionsdauer haben, die insbesondere länger ist als die periodische Bewegung eines Organs, welches abgebildet werden soll, zur Diagnose dieser sich periodisch bewegenden Organe besser einzusetzen und ein verbessertes Verfahren zum rechnerischen Kompensieren einer periodischen Bewegung eines Organs bei einer zur Abbildung dieses Organs dienenden ersten Bildgebungsmethode vorzuschlagen.
- Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Sie wird auch mit einem System nach Patentanspruch 9 gelöst.
- Das Verfahren basiert auf dem Prinzip, dass eine zweite Bildgebungsmethode ebenfalls verwendet wird, die dazu dient, die periodische Bewegung des Organs präzise zu erfassen. Dies schlägt sich in der Ermittlung von so genannten Bewegungsfelder nieder. Bewegungsfelder sind drei-dimensionale Datensätze, die jedem Voxel, also jedem Volumenelement eines dreidimensionalen Bildes, einen drei-dimensionalen Vektor zu ordnen, der die Verschiebung dieses Volumenelements, also dieses Voxels, relativ zum Referenz-Datensatz angibt. Verfahren zur Berechnung von drei-dimensionalen Bewegungsfeldern sind dem Fachmann bekannt, z. B. unter Zuhilfenahme des optischen Flusses.
- Die Erfindung nutzt die Tatsache, dass die hinzugezogene zweite Bildgebungsmethode so ausgewählt sein kann, dass sie wesentlich kürzere Akquisitionszeiten hat, ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufweist oder anatomische Strukturen besser abbildet, so dass aus den mit der zweiten Bildgebungsmethode gewonnenen Bilddaten die Bewegungsfelder besser zu ermitteln sind. Die Erfindung geht nun davon aus, dass die einmal gewonnenen Bewegungsfelder, welche die Ortsveränderlichkeit von einzelnen Volumenelementen wiedergeben, in geeigneter Weise auch für Bilddaten gelten, welche mittels einer ersten Bewegungsmethode, namentlich mit nuklearmedizinischen Bildgebungsmethoden wie PET und SPECT gewonnen wurden. Gibt ein Bewegungsfeld korrekt wieder, dass sich während des periodischen Signals, beispielsweise des Herzzyklus, ein bestimmtes Volumenelement des untersuchten Organs wie etwa des Herzens in eine bestimmte Richtung bewegt, so gilt dies natürlich auch für die anders aufgenommenen Bilddaten. Die einmal gewonnenen Bewegungsfelder werden dann zur Korrektur der mit der anderen Bildgebungsmethode gewonnenen Bilddaten verwendet. Mittels der Bewegungsfelder lassen sich die dreidimensionalen Bilddaten auf einen Referenzzeitpunkt zurück abbilden.
- Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist es so, dass die mittels der beiden Bildgebungsmethoden ermittelten Zeitserien für jeweils gleiche Zeitpunkte in der periodischen Bewegung ermittelt werden. Die Zeitserien sind daher direkt aufeinander abbildbar, und die Bewegungsfelder können direkt verwendet werden, ohne dass es einer rechnerischer Umsetzung bedarf. Man kann dann die gewonnenen Bilddaten direkt auf dreidimensionale Bilddaten für einen Referenzzeitpunkt in der periodischen Bewegung abbilden. Sind die Zeitserien zu unterschiedlichen Zeitpunkten in der periodischen Bewegung ermittelt, kann mit Interpolationsmethoden gearbeitet werden.
- Die zweite Bildgebungsmethode kann insbesondere eine Computertomographiemethode, eine Rotationsröntgenangiographie, eine Magnetresonanzmethode oder eine Ultraschallmethode umfassen.
- Die Erfindung ist auf die die Abbildung jegliches sich periodisch bewegenden Organs anwendbar, insbesondere neben dem Herzen auf die Lunge und den Atemapparat, wobei dann anstelle von EKG-Gating Atem-Gating verwendet wird.
- Unter Gating wird allgemein die Zuordnung von Bilddaten zu Zeitpunkten in einem bestimmten Intervall verstanden.
- Um die mit der zweiten Bildgebungsmethode bestimmten Bewegungsfelder auf die mit der ersten Bildgebungsmethode gemessenen Daten anwenden zu können, muss die Beziehung der beiden Koordinatensysteme bekannt sein. Hierzu kommen dem Fachmann bekannte Verfahren zur Bildregistrierung zum Einsatz.
- Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Systeme zur Bildgebung für die erste und die zweite Bildgebungsmethode mechanisch miteinander verbunden, damit die dreidimensionalen Datensätze direkt in Beziehung zueinander gesetzt werden können und nicht aufgrund eines Registrierverfahrens aufeinander abgebildet werden müssen.
- Bei der Erfindung werden im letzten Schritt alle anhand der ersten Bildgebungsmethode erhaltenen Bilddaten für den Referenzzeitpunkt zur Erzeugung eines einzigen Datensatzes für den Referenzzeitpunkt verwendet. In vorteilhafter Weise werden sämtliche Bilddaten einfach aufaddiert.
- Zur Erfindung gehört auch, dass das Bildaufnahmesystem für eine erste Bildgebungsmethode mechanisch mit einem Bildaufnahmesystem für eine zweite Bildgebungsmethode verbunden ist. Es ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines Gating bezüglich des periodischen Signals eines abzubildenden Organs bei der Aufnahme von Bildern mit beiden Bildgebungsmethoden vorhanden. Ferner sollte eine Bildverarbeitungseinrichtung vorhanden sein, die dazu ausgelegt ist, auch mit der zweiten Bildgebungsmethode erhaltene Bilddatenbewegungsfelder zu berechnen und diese Bewegungsfelder rechnerisch auf mit der ersten Bildgebungsmethode erhaltene Bilddaten anzuwenden. Das System kann insbesondere eine Kombination aus PET und CT-System oder ein SPECT-CT-System sein.
- Es wird nun eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
-
1 den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Ablaufdiagramm. - Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Herz eines Menschen untersucht. Es wird ein kombiniertes PET-CT-System oder SPELT-CT-System verwendet, wobei beide Systemteile mechanisch miteinander verbunden sind, so dass die Bilder, die mit dem PET-Teil des Systems erzeugt werden, in direkte Beziehung zu den CT-Bildern gesetzt werden können.
- Ferner liegt die Möglichkeit zur Durchführung eines EKG-Gatings vor, d. h. an den Patienten können EKG-Sonden befestigt werden, und eine Bildauswertung analysiert das aufgenommene EKG-Signal. Das EKG-Signal wird in eine Vielzahl von Intervallen geteilt, wobei jedes Intervall einem bestimmten Bild aus einer Zeitserie entspricht. Das System nimmt nun Bilddaten auf und gleichzeitig die EKG-Kurve. Aufgrund des Intervalls, in dem sich das Herz während der Aufnahme der Bilddaten befindet, werden die Bilddaten im entsprechenden Intervall und im entsprechenden Teilbild aus der Zeitserie von Bildern zugeordnet. Man erhält schließlich eine Zeitserie von drei-dimensionalen Daten, welche sich insgesamt zu einem Bild zusammenfügen.
- Wie in
1 zu sehen, wird eine entsprechende Zeitserie im Schritt10 mit der ersten Bildgebungsmethode, hier der nuklearmedizinischen Methode, also PET oder SPECT mit EKG-Gating aufgenommen. Anschließend oder zuvor, möglicherweise sogar auch zeitgleich, jedenfalls unabhängig davon, aber auch mit EKG-Gating erfolgt die Aufnahme einer Zeitserie von CT-Bildern im Schritt12 . Da die CT-Bilder ein gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis haben, eine höhere Zeitauflösung besitzen und die Anatomie des Herzens gut abbilden, lässt sich auf den CT-Bildern die Bewegung des Herzens leichter ableiten. Um diese Bewegung mathematisch zu erfassen, werden die so genannten Bewegungsfelder ermittelt. Bewegungsfelder sind dreidimensionale Vektoren, welche den einzelnen Volumenelementen (Voxeln) der drei-dimensionalen Bilddaten zugeordnet werden. Sie geben die relative Bewegung dieses Volumenelements gegenüber einem Referenzvolumenelement in einem Referenzbild wieder. Beispielsweise ist Referenzbild das im EKG-Gating als erstes aufgenommene Bild, und auf dieses Bild werden dann die Bewegungsfelder bezogen. Die im Schritt10 aufgenommene Zeitserie mit PET/SPECT-Bildern wird nun mit den in Schritt14 berechneten Bewegungsfeldern zusammengeführt. Im Schritt16 erfolgt die sogenannte Bewegungskompensation der PET/SPECT-Zeitserie. Es wird hierbei davon ausgegangen, dass die aufgrund der Bewegungsfelder ermittelte Bewegung des Herzens auch bei der Aufnahme der PET/SPECT-Zeitserie vorlag. Man kann dann bei den Bildern aus der PET/SPECT-Zeitserie die Bewegung herausrechnen. Dies beruht auf folgender Überlegung: Ist für ein Volumenelement der Datenwert aus dem CT-Bild Nr. zwei eine Funktion des CT-Bildes Nr. 1, CT1 = f (CT2), so bildet dieselbe Funktion auch die Volumenelemente aus dem PET/SPECT-Bild ab, PET1 = f (PET2) mit identischem f. Das Bewegungsfeld gibt nun die Wirkung der Funktion f wieder. Im Schritt16 wird nun jedes Bild aus der Zeitserie auf den Referenzzeitpunkt heruntergerechnet, d. h. es wird das entsprechende Bewegungsfeld in umgekehrter Richtung auf das Bild angewendet, ggf. unter Verwendung von Interpolation, falls das EKG-Gating im Schritt10 nicht mit dem EKG-Gating auf Schritt12 identisch war und die Zeitserien sich nicht zeitlich decken. Man hält dann eine Vielzahl von auf diese Weise zum Referenzzeitpunkt herunter gerechneten Bilddaten, die jeweils das Herz in der Situation zeigen, in der es sich zum Referenzzeitpunkt befindet, aber aufgrund der Datenwerte zu späteren Zeitpunkten im Herzzyklus ermittelt wurden. - Im Schritt
18 werden nun die bewegungskompensierten Bilder aus der PET/SPECT-Zeitserie aufeinander addiert, um so das Signal-zu-Rausch-Verhältnis der einzelnen Bilddaten zu optimieren. Man erhält eine Abbildung des Herzens zum Referenzzeitpunkt mit hohem Signal-zu-Rausch-Verhältnis, die sich nunmehr besser für eine Diagnose eignet. - Kurz wiederholt beruht die Erfindung darauf, dass mittels CT eine Berechnung der Bewegung des Herzens ermöglicht ist, aufgrund von der dann eine Korrektur an PET- oder SPECT-Bildern vorgenommen wird, wobei Grundlage die Verwendung eines EKG-Gatings für beide Zeitserien ist, welches bevorzugt miteinander gekoppelt ist, siehe den Pfeil
20 .
Claims (11)
- Verfahren zum rechnerischen Kompensieren einer periodischen Bewegung eines Organs bei einer zur Abbildung dieses Organs dienenden ersten Bildgebungsmethode, bei dem a) unter Verwendung eines ein periodisches Signal des Organs nutzenden Gatings eine Zeitserie von drei-dimensionalen Bilddaten mit der ersten Bildgebungsmethode ermittelt wird (
10 ), b) unter Verwendung des Gatings eine Zeitserie von dreidimensionalen Bilddaten mit einer zweiten Bildgebungsmethode ermittelt wird (12 ), c) aus den mit der zweiten Bildgebungsmethode gewonnenen Bilddaten Bewegungsfelder bezüglich eines Referenzzeitpunktes in der periodischen Bewegung des Organs berechnet werden (14 ), d) mit Hilfe dieser Bewegungsfelder, die mit der ersten Bildgebungsmethode gewonnenen Bilddaten auf drei-dimensionale Bilddaten für den Referenzzeitpunkt abgebildet werden (16 ), und e) alle so anhand der ersten Bildgebungsmethode erhaltenen Bilddaten für den Referenzzeitpunkt zur Erzeugung eines einzigen Datensatzes für den Referenzzeitpunkt verwendet werden (18 ). - Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet, dass die in Schritt a) und b) ermittelten Zeitserien für jeweils gleiche Zeitpunkte in der periodischen Bewegung ermittelt werden.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bildgebungsmethode PET oder SPECT ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Bildgebungsmethode Computertomographie, Rotationsröntgenangiographie, eine magnetische Resonanzmethode oder eine Ultraschallmethode umfasst.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Bildregistrierungsverfahren verwendet wird, um die bei den beiden Bildgebungsmethoden definierten Koordinatensysteme für die drei-dimensionalen Bilddaten in Beziehung zu setzen.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Systeme zur Bildgebung für die erste und die zweite Bildgebungsmethode mechanisch miteinander verbunden sind.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt e) die Bilddaten für den Referenzzeitpunkt volumenelementweise (voxelweise) aufaddiert werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Organ das Herz ist und dass EKG-Gating verwendet wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Organ der Atemapparat ist und dass Atem-Gating verwendet wird.
- Bildaufnahmesystem für eine erste Bildgebungsmethode, das mit einem Bildaufnahmesystem für eine zweite Bildgebungsmethode mechanisch verbunden ist, – mit einer Vorrichtung zur Durchführung eines Gatings bezüglich des näherungsweise periodischen Signals eines abzubildenden Organs bei der Aufnahme von Bildern mit beiden Bildgebungsmethoden, und – mit einer Bildverarbeitungseinrichtung, die dazu ausgelegt ist, aus mit der zweiten Bildgebungsmethode erhaltene Bilddaten Bewegungsfelder zu berechnen und diese Bewegungsfel der rechnerisch auf mit der ersten Bildgebungsmethode erhaltene Bilddaten anzuwenden.
- Bildaufnahmesystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es ein PET-CT-Sytem oder SPECT-CT-System ist.
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