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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur computertomographischen Darstellung der Bewegung eines Herzens mit einem Spiral-CT, wobei eine 3D-Bildserie über einen Herzzyklus mit Hilfe eines Spiral-Scans erstellt wird.
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Ähnliche Verfahren sind allgemein bekannt. Typischerweise wird zur Erstellung einer Bildserie der Bewegung eines Herzens im Herzzyklus ein Spiral-Scan über die Herzregion durchgeführt, wobei das Herz über alle Zyklusphasen vollständig abgetastet wird und aus mindestens einem Herzzyklus der Zeitablauf des Zyklus in einer Volumendarstellung rekonstruiert wird. Zur Synchronisation der aufgenommenen Bilddaten wird in der Regel ein EKG verwendet, es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Bewegung des Herzens ausschließlich aus den Detektorausgangsdaten des Computertomographen zu ermitteln und dadurch die aufgenommenen Detektordaten den einzelnen Herzzyklusphasen zuzuordnen und so zu einer vollständigen Aufnahme des Herzens, über einen typischen Herzzyklus hinweg, zusammenzufassen. Hierbei können Daten aus mehreren Herzzyklen und ggf. auch von mehreren Röntgenröhren stammend zusammengesetzt werden.
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Zur verbesserten Aufnahme und kontrastreichen Darstellung der Herzgefäße wird dabei meist ein Kontrastmittel injiziert, welches während des Scans im Blutkreislauf zirkuliert und für eine ausreichend kontrastreiche Darstellung sorgt.
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Das Problem bei derartigen Cardio-Scans liegt darin, dass einerseits jede dem Patienten applizierte und vermeidbare Strahlungsdosis vermieden werden sollte, da auch noch so geringe Strahlungsdosen bleibende Schäden in der DNA der Zellen erzeugen können, die ggf. zu einem erhöhten Karzinom-Risiko führen können, andererseits haben die verwendeten Kontrastmittel ebenfalls eine schädigende Wirkung, so dass auch hier das Bestreben zu einer möglichst geringen Kontrastmittelgabe besteht.
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Auf die Schriften
US 2003/0161435 A1 und
WO 2004/037087 A2 wird verwiesen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und System zur computertomographischen Darstellung der Bewegung eines Herzens zu finden, welches zum einen eine minimale Strahlungsbelastung mit sich bringt und gleichzeitig auch die notwendige Menge der Kontrastmittelinjektion weitgehend reduziert.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Wird einem Patienten in Vorbereitung für einen Cardio-CT-Scan ein Kontrastmittel injiziert, so erzeugt diese Kontrastmittelinjektion eine Steigerung der Herzfrequenz, die schätzungsweise in die Berechnung des möglichen, maximalen Vorschubs übernommen wird. Allerdings besteht kein eindeutiger, vorhersagbarer Zusammenhang, der die definitive Herzfrequenz des Patienten in Abhängigkeit von der injizierten Kontrastmittelkonzentration festlegen würde. Da jeder Patient unterschiedlich reagiert, ist es in der Praxis notwendig, gewisse Sicherheitsmargen einzurechnen, so dass der gesamte CT-Scan nicht wegen einer mangelnden Überdeckung der Abtastung zu unzureichenden Fehlern führt. Entsprechend wird zur Zeit beim praktischen Cardio-Scan immer eine etwas zu geringe Vorschubgeschwindigkeit verwendet.
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Die Erfinder haben nun erkannt, dass es möglich ist, eine wesentlich besser auf die tatsächlichen Verhältnisse abgestimmte Vorschubgeschwindigkeit zu ermöglichen, wenn die Berechnung der tatsächlich verwendeten Vorschubgeschwindigkeit während des Spiral-Scans erst unmittelbar vor dem Beginn des Spiral-Scans und nach der bereits vorgenommenen Kontrastmittelinjektion stattfindet. In diesem Fall hat der Körper bereits auf das vorhandene Kontrastmittel reagiert und die Pulsfrequenz entsprechend erhöht, so dass die jetzt gemessene Pulsfrequenz wesentlich genauer der tatsächlichen Pulsfrequenz während des dann durchgeführten Carido-Spiral-Scans entspricht. Auf diese Weise ist es möglich, auf Sicherheitszuschläge weitgehend zu verzichten, so dass die tatsächlich applizierte Dosis während des Scans auch nur der tatsächlich unbedingt notwendigen Dosis entspricht und redundante Abtastungen unterbleiben.
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Zusätzlich besteht die Möglichkeit nun die tatsächliche Scandauer sehr genau vorauszuberechnen, so dass der Kontrastmittelfluss, mit dem das Kontrastmittel in den Blutkreislauf des Patienten injiziert wird bereits beendet werden kann, bevor der eigentliche Spiral-Scan des Herzens beendet ist. Das heißt es wird der tatsächliche Nachlauf des Kontrastmittels zwischen der Injektionsstelle und den aufgenommenen Herzarterien berücksichtigt, so dass insgesamt eine wiederum reduzierte Kontrastmittelmenge appliziert werden muss.
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Entsprechend diesem Grundgedanken schlagen die Erfinder ein verbessertes Verfahren zur computertomographischen Darstellung der Bewegung eines Herzens im Herzzyklus mit einem Spiral-CT mit den folgenden Verfahrensschritten vor:
- – es wird einem Patienten ein Kontrastmittel durch eine elektronisch steuerbare Vorrichtung zur Kontrastmittelapplikation verabreicht,
- – es wird ein stationärer Pre-Scan einer Herzarterie, vorzugsweise der Aorta, durchgeführt, um die ausreichende Füllung der Arterie mit dem automatisch applizierten Kontrastmittel zu bestimmen,
- – sobald eine ausreichende Kontrastmittelfüllung erkannt wird, wird die aktuelle Herzfrequenz des untersuchten Herzens gemessen und auf der Basis dieser aktuellen Herzfrequenz die maximal mögliche Vorschubgeschwindigkeit für einen Spiral-Scan und die Zeitdauer des Spiral-Scans bestimmt,
- – anschließend wird der Spiral-Scan über die Herzregion mit der maximal möglichen Vorschubgeschwindigkeit durchgeführt.
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Durch dieses neue Verfahren wird erreicht, dass die tatsächliche Scanzeit sich in Relation zur bekannten Situation um bis zu ca. 10% reduziert, was einer signifikanten Erniedrigung der Strahlendosis entspricht.
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Gemäß einer weiteren Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlagen die Erfinder auch noch vor, dass die Kontrastmittelapplikation bereits vor dem Ende des Spiral-Scan abgebrochen wird, wobei hierdurch der Nachlauf der Kontrastmittelinjektion im Blutkreislauf des Patienten berücksichtigt wird. Hierdurch kann also zusätzlich zu der bereits schon verminderten Bestrahlungszeit, die ohnehin zu einer kleineren Menge an appliziertem Kontrastmittel führt, auch noch zusätzlich ansonsten unnötigerweise appliziertes Kontrastmittel reduziert werden, wodurch auch die schädigende Wirkung des Kontrastmittels signifikant bezüglich seiner Auswirkung abnimmt.
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Erfindungsgemäß wird als maximal mögliche Vorschubgeschwindigkeit die Geschwindigkeit verwendet, bei der jede Stelle des Herzens während des Spiral-Scans zu jeder Herzzyklusphase durch insgesamt einen Halbumlauf mindestens einer Röntgenröhre erfasst wird. Es wird also die Vorschubgeschwindigkeit, selbstverständlich in Relation auch zur Umfangsgeschwindigkeit und zur Breite des Detektors in Systemachsenrichtung gesehen, so ermittelt, dass während des Spiral-Scans jede Stelle des Herzens in jeder Herzphase vollständig abgetastet wird, jedoch redundante Abtastungen unterbleiben.
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In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die ausreichende Kontrastmittelfüllung einer hierfür ausgewählten Arterie des Herzens, während des Pre-Scans durch ein computergestütztes Bilderkennungsverfahren detektiert werden. Beispielweise können durch das Bilderkennungsverfahren automatisch die vorhandenen Kontrastsprünge bestimmt werden, wobei ab einem bestimmten minimalen Kontrast automatisch der eigentliche Spiral-Scan eingeleitet wird. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, auch auf der Basis dieses ermittelten Kontrastes in die Steuerung der Kontrastmittelpumpe des Kontrastmittelapplikators einzugreifen und ggf. eine weitere Erhöhung der Kontrastmittelkonzentration im Körper des Patienten zu verhindern.
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Die Herzfrequenz des Patienten kann beispielsweise durch ein EKG oder durch einen Drucksensor am Puls des Patienten bestimmt werden. Es wird jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass für die Zuordnung der Detektorausgangsdaten zwar die dort gewonnenen Messergebnisse verwendet werden können, jedoch nicht unbedingt verwendet werden müssen. Es besteht auch die Möglichkeit, die Zuordnung der Detektorausgangsdaten zu den entsprechenden Herzzyklusphasen über die Detektorausgangsdaten selbst durchzuführen.
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Entsprechend dem oben geschilderten Verfahren schlagen die Erfinder außerdem ein System zur computertomographischen Darstellung der Bewegung eines Herzens mit den folgenden Systemkomponenten vor:
- – einer Rechen- und Steuereinheit mit Daten- und Programmspeichern,
- – einem Spiral-Computertomographiesystem mit mindestens einer Röntgenröhre zum Erstellen von 3D-Bildserien eines schlagenden Herzens,
- – einer Vorrichtung zur Bestimmung der Herzfrequenz,
- – einer elektronisch steuerbaren Vorrichtung zur Kontrastmittelapplikation mit einer Kontrastmittelpumpe,
- – einem ersten Betriebsmodus, in dem ohne Vorschub ein stationärer Pre-Scan einer Herzarterie, vorzugsweise der Aorta, durchgeführt wird, um die ausreichende Füllung der Arterie mit dem automatisch applizierten Kontrastmittel zu bestimmen, wobei mit Erreichen der ausreichenden Kontrastmittelfüllung die aktuelle Herzfrequenz des untersuchten Herzens gemessen wird,
- – einem Programm, welches auf der Basis dieser aktuellen Herzfrequenz die maximal mögliche Vorschubgeschwindigkeit für einen Spiral-Scan und den Endzeitpunkt des Spiral-Scans des Herzens bestimmt,
- – einen zweiten Betriebsmodus, in dem ein Spiral-Scan des Herzens mit der maximal möglichen Vorschubgeschwindigkeit durchgeführt wird.
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Wie zuvor geschildert, besteht auch hierbei die Möglichkeit ein Programm oder ein Programmmodul vorzusehen, welches den Kontrastmittelfluss bereits vor dem Ende des Spiral-Scans stoppt, so dass zusätzlich zu der ohnehin reduzierten Strahlenexposition auch die Kontrastmittelmenge, die dem Patienten injiziert wird, überproportional zur reduzierten Strahlenbelastung minimiert werden kann.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das System ein Programm zur Berechnung der maximal möglichen Vorschubgeschwindigkeit aufweist, bei dem die Vorschubgeschwindigkeit berechnet wird, bei der jede Stelle des Herzens während des Spiral-Scans zu jeder Herzzyklusphase durch insgesamt einen Halbumlauf mindestens einer Röntgenröhre erfasst wird. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass bei der Verwendung mehrerer, beispielsweise zweier, Röntgenröhren zur Abtastung des Herzens die Detektordaten, die durch die einzelnen in Umdrehungsrichtung versetzten Röntgenröhren gewonnen werden, zusammengesetzt werden können, so dass beispielhaft insgesamt ein Viertelumlauf zweier Röntgenröhren einem Halbumlauf einer Röntgenröhre entspricht.
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Auch bei dem erfindungsgemäßen System kann ein Programm zur Erkennung der ausreichenden Kontrastmittelfüllung während des Pre-Scans vorgesehen werden, welches mit Hilfe eines Bilderkennungsverfahrens, insbesondere durch die Detektion von Kontrastsprüngen, die ausreichende Kontrastmittelfüllung erkennt und dann anschließend den eigentlichen Spiral-Scan automatisch einleitet.
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Entsprechend dem zuvor geschilderten Verfahren kann das System auch zur Bestimmung der Herzfrequenz ein EKG oder ein Drucksensor am Puls des Patienten aufweisen, durch welche die aktuelle Herzfrequenz zu Beginn des Spiral-Scans und bei bereits erfolgter Kontrastmittelinjektion detektiert. Aus dieser Frequenzmessung muss nicht unbedingt, kann jedoch, die Zyklusphasenbestimmung für die Cardio-Bildgebung abgeleitet sein. Alternativ kann hierzu beispielsweise ein Kymogram verwendet werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind und folgende Bezugszeichen verwendet werden: 1: System zur computertomographischen Darstellung der Bewegung eines Herzens; 2: Röntgenröhre; 3: Detektor; 4: Systemachse; 5: EKG-Leitung; 6: verschiebbare Patientenliege; 7: Patient; 8: Steuerleitung für den Injektor; 9: Steuer- und Recheneinheit; 10: Steuer- und Datenleitung zum CT; 11: Injektor; 12: Kontrastmittelleitung; 21: Start der Kontrastmittelinjektion, 22: Pre-Scan; 23: Entscheidung über ausreichende Kontrastmittelkonzentration im Herzen; 24: Messung der Herzfrequenz und Berechnung der optimalen Vorschubgeschwindigkeit und Zeitdauer des Spiral-Scans; 25: Start des Spiral-Scans; 26: vorzeitiges Abschalten des Kontrastmittelflusses; 27: Ende des Spiral-Scans; 28: Rekonstruktion und Ausgabe der CT-Bildsequenzen; 31: Verlauf des Kontrastmittelflusses; 32: Konzentrationsverlauf des Kontrastmittels im Herzen; 33: Schwelle des Kontrastmitteloptimums; I: erster Betriebsmodus; II: zweiter Betriebsmodus; C: Kontrastmittelkonzentration; E: Ende des Spiral-Scans; S: Start des Spiral-Scans; t: Zeit; Φ: Kontrastmittelfluss; Δt: Vorlaufzeit.
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Es zeigen im Einzelnen:
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1: Erfindungsgemäßes System zur Durchführung eines Cardio-Spiral-Scans;
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2: Verfahrensablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3: Verlauf des Kontrastmittelflusses an der Injektionsstelle;
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4: Konzentrationsverlauf des Kontrastmittels in einer Herzarterie.
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Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes System 1, bestehend aus einer Steuer- und Recheneinheit 9, in der Datenspeicher mit Programmen Prg1 – Prgn vorliegen und die erfindungsgemäße Steuerung und Datenverarbeitung des gesamten Systems durchgeführt wird. Selbstverständlich können jedoch auch im Rahmen der Erfindung einzelne Verfahrensschritte und Steuerungsaufgaben auf unterschiedliche Rechner verteilt werden. Die hier gezeigte Steuer- und Recheneinheit 9 ist über eine Steuer- und Datenleitung 10 mit dem eigentlichen CT verbunden, welches eine Röntgenröhre 2 und einen gegenüberliegenden Detektor aufweist, die auf einer Gantry befestigt sind und zum Scannen des Patienten auf einer Kreisbahn bewegt werden. Während dieses Scanvorgangs wird ein Patient 7, der auf einer in Richtung der Systemachse 4 verschiebbaren Liege 5 sich befindet, in Richtung der Systemachse 4 verschoben, so dass letztendlich relativ zum Koordinatensystem des Patienten eine spiralförmige Abtastung stattfindet. Das erfindungsgemäße System 1 weist zusätzlich ein EKG auf, welches in der Recheneinheit 9 integriert ist und über die EKG-Leitung 5 die Herzfrequenz des Patienten 7 abtastet. Des weiteren wird durch die Steuer- und Recheneinheit 9 über die Steuerleitung 8 ein Injektor 11 mit einer integrierten Kontrastmittelpumpe bedient und dieser Injektor 11 injiziert über die abgebildete Schlauchleitung 12 das notwendige Kontrastmittel mit vorgegebener Flussgeschwindigkeit in den Blutkreislauf des Patienten 7. Erfindungsgemäß wird durch die in der Rechen- und Steuereinheit abgelegten Programme Prg1 bis Prgn der Patient 7 zunächst so weit in den Strahlengang des CT's eingeschoben, dass ein sogenannter Pre-Scan einer Herzarterie durchgeführt werden kann. Bei diesem Pre-Scan findet kein Vorschub des Patienten 7 statt, sondern es wird lediglich in einer Ebene mit geringer Dosisleistung ein Schnittbild des Herzens erzeugt, um die Kontrastmittelfüllung einer für die Untersuchung wesentlichen Arterie festzustellen. Befindet sich der Patient 7 in der richtigen Pre-Scan-Position, so wird über den Injektor 11 Kontrastmittel mit einer vorgegebenen Flussrate injiziert und entweder durch den Operateur anhand des rekonstruierten und auf einem Bildschirm ausgegebenen Schnittbildes festgestellt, wann eine ausreichende Kontrastmittelfüllung in der beobachteten Herzarterie vorliegt oder es kann durch ein entsprechendes Programm über eine automatische Bildverarbeitung festgestellt werden, ob im rekonstruierten Bild ausreichend Kontrast für eine gute Darstellung der Arterien vorliegt. Diese Vorgehensweise entspricht dem ersten Betriebsmodus des erfindungsgemäßen Systems 1. Sobald das System oder der Operator feststellt, dass eine ausreichende Kontrastmittelfüllung vorliegt, wird die aktuelle Herzfrequenz des Patienten 7 gemessen und anhand dieser Herzfrequenz die optimale Vorschubgeschwindigkeit bestimmt, wobei in Relation zur Umdrehungsfrequenz der Gantry und der Fächerbreite des Strahlengangs das Herz entsprechend der gewünschten Zeitauflösung der erzeugten Bilder sowohl alle Stellen des Herzens als auch alle Herzphasen ausreichend, jedoch nicht redundant, abgetastet werden.
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Während der Berechnung dieser optimalen Vorschubgeschwindigkeit kann der Patient bereits in die Startposition für den folgenden Spiral-Scan, der dem zweiten Betriebsmodus des Systems 1 entspricht, verschoben werden, so dass unverzüglich nach der Erkenntnis der richtigen Vorschubgeschwindigkeit der eigentliche Spiral-Scan beginnen kann. Da gleichzeitig auch das zeitliche Ende der Abtastung der Herzregion bekannt ist, kann nun entsprechend dem an sich bekannten Vorlauf zwischen Kontrastmittelinjektion und dem Ankommen des Kontrastmittels im Herzen der Kontrastmittelfluss abgestellt werden, bevor der eigentliche Spiral-Scan beendet ist, da durch den Nachlauf noch ausreichend Kontrastmittel für den Rest des Spiral-Scans im Körper des Patienten vorliegt.
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Durch diese optimierte Vorgehensweise wird einerseits die Strahlenexposition des Patienten gegenüber den herkömmlichen Verfahren bis zu ca. 10% reduziert und gleichzeitig wird entsprechend der verkürzten Scanzeit auch die Menge des injizierten Kontrastmittels noch deutlicher verringert.
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In der 2 ist nochmals schematisch der erfindungsgemäße Verfahrensablauf mit dem ersten Betriebsmodus I und dem zweiten Betriebsmodus II dargestellt. Im ersten Betriebsmodus I beginnt der Start der Kontrastmittelinjektion bei 21. Es erfolgt daraufhin der stationäre Pre-Scan des Patienten 22 ohne Vorschub, zur Ermittlung der ausreichenden Kontrastmittelfüllung der Herzarterien. Die Entscheidung hierüber wird bei 23 getroffen, wobei im Falle einer nicht ausreichenden Kontrastmittelkonzentration der Pre-Scan 22 weitergeführt wird, während bei einer ausreichenden Kontrastmittelkonzentration der erste Betriebsmodus I beendet wird und die aktuelle Herzfrequenz des Patienten bei 24 unter Einfluss des vorhandenen Kontrastmittels gemessen und gleichzeitig die Berechnung für die optimale und schnellstmögliche Vorschubgeschwindigkeit bestimmt wird.
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Das System geht nun in den zweiten Betriebsmodus II über, indem der Spiral-Scan über die Herzregion bei 25 gestartet wird. Entsprechend der Vorberechnungen und des bereits bekannten Endes des Spiral-Scans kann vorzeitig eine Abschaltung des Kontrastmittelflusses bei 26 erfolgen und das Ende des Spiral-Scans wird bei 27 erreicht. Damit endet der zweite Betriebsmodus II des Systems. Bei 28 erfolgt die Rekonstruktion der computertomographischen Aufnahmen in einem beliebigen, bekannten Rekonstruktionsverfahren und die entsprechenden Sequenzen können an einem Bildschirm ausgegeben werden.
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Die 3 und 4 verdeutlichen nochmals den Hintergrund für die vorzeitige Abschaltung des Kontrastmittelflusses. Die 3 zeigt den Verlauf 31 des Kontrastmittelflusses Φ, aufgetragen über die Zeit t. Es ist erkennbar, dass zu Beginn der Injektion mit einer relativ hohen Flussrate begonnen wird. Nachdem im Kreislauf ein Plateau erreicht ist, kann der Kontrastmittelfluss reduziert werden und wird über die Zeit des eigentlichen Spiral-Scans, der mit seinem Start durch S und seinem Ende mit E auf der Zeitachse markiert ist, weitgehend konstant gehalten.
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In der darunter liegenden 4 ist zeitsynchron der Konzentrationsverlauf 32 der Kontrastmittelkonzentration C im Herzen dargestellt. Man erkennt eine zeitliche Verzögerung zwischen dem Beginn der Kontrastmittelinjektion und dem Anstieg der Konzentration im Herzen, bis ein Plateau erreicht ist. Bei Überschreiten des gestrichelt angedeuteten Optimums der Kontrastmittelkonzentration 33, die zu ausreichendem Kontrast in der Bildgebung führt, beginnt der Spiral-Scan mit dem Start S und wird bis zum Ende E fortgeführt. Aufgrund der genauen Kenntnis des Ende des Spiral-Scans kann – wie in der 3 dargestellt ist – die Kontrastmittelinjektion entsprechend der bekannten Vorlaufzeit Δt vorzeitig beendet werden, so dass unmittelbar nach dem Ende des Spiral-Scans der Abfall der Konzentration des Kontrastmittels beginnt.
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Es wird noch darauf hingewiesen, dass der in der 4 gezeigte Abfall der Konzentration des Kontrastmittels etwas übertrieben dargestellt ist und in Wirklichkeit etwas flacher verläuft.
