DE102005021068B4

DE102005021068B4 - Verfahren zur Voreinstellung der Aufnahmeparameter bei der Erstellung von zweidimensionalen Durchlicht-Röntgenaufnahmen

Info

Publication number: DE102005021068B4
Application number: DE102005021068A
Authority: DE
Inventors: Philipp Dr. Bernhardt; Marcus Dr. Pfister
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2005-05-06
Filing date: 2005-05-06
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2025-05-07
Also published as: DE102005021068A1; US20060251213A1

Abstract

Verfahren zur Voreinstellung optimaler Aufnahmeparameter bei der Erstellung von zweidimensionalen Durchlicht-Röntgenaufnahmen eines Patienten, dadurch gekennzeichnet, dass unter Zuhilfenahme einer aus Voruntersuchungen bereits vorhanden 3D-Darstellung der inneren Struktur des Patienten und der beabsichtigten Aufnahmerichtung die optimalen Aufnahmeparameter bei niedrigst möglicher Dosis für die Durchlicht-Röntgenaufnahme ermittelt und bei der Belichtung der Durchlicht-Aufnahme verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Voreinstellung der Aufnahmeparameter bei der Erstellung von zweidimensionalen Durchlicht-Röntgenaufnahmen eines Patienten.
Es ist allgemein bekannt, dass zum Erreichen einer optimalen Bildqualität bei der Herstellung von Röntgenaufnahmen die verwendeten Aufnahmeparameter wie Röhrenspannung, Röhrenstrom, Belichtungszeit, Vorfilterung und damit die applizierte Dosis wesentlichen Einfluss hat. In der medizinischen Diagnostik stellt sich außerdem die Problematik, dass zur Vermeidung einer unnötigen Strahlenbelastung des Patienten, eine möglichst geringe Strahlendosis verwendet werden soll und dabei gleichzeitig gut diagnostizierbare Bilder entstehen müssen. Dies wird zusätzlich durch die Variabilität der Patienten, bezüglich ihrer Körperfülle und der unterschiedlichen Perspektive in der die Bilder erstellt werden, erschwert.
Neuerdings werden an Röntgenanlagen, statt der üblichen Filme oder Bildverstärker, meist digitale Detektoren verwendet. Bei solchen Detektoren wird teilweise versucht, durch eine Regelung der verschiedenen Aufnahmeparameter, wie der Spannung, der Belichtungszeit oder der verwendeten Filter, ein abstraktes Bildqualitätsmaß, beispielsweise das „Kontrast zu Rausch”-Verhältnis oder die Systemdosis am Detektor über einen Regelmechanismus konstant auf einen vorbestimmten Wert zu halten. Dies geschieht im wesentlichen durch Abgreifen der Parameter an einem für das Gerät spezifischen Parametersatz, wobei allerdings auch hierbei das Problem besteht, dass die Anfangsparameter bei der Beleuchtung aus verschiedenen Richtungen jeweils neu durch eine erste Messung geschätzt werden müssen, wobei für diese erste Messung keine ausreichend sicheren Anhaltspunkte für die Anfangsparameter vorliegen.
Bekannt ist es, eine einigermaßen exakte Abschätzung zu finden, indem für ein Gerät anhand von Phantommessungen oder Simulationsrechnungen mit einem Phantom Bildqualitätskriterien in Abhängigkeit der Aufnahmeparameter, wie Spannung, Belichtungszeit und Filter, bestimmt werden und anschließend in Umkehr der so ermittelten Funktion im Betrieb das inverse Problem gelöst wird. Das heißt, es wird anhand einer bestimmten Funktion oder vorgegebener Tabellen für ein bestimmtes vorgegebenes Bildqualitätsmaß der entsprechende geeignete Parametersatz gesucht. Bezüglich dieser Vorgehensweise wird auf die US 6,222,907 B1 und US 6,233,310 B1 hingewiesen.
Alle oben genannten Verfahren basieren jedoch auf der Annahme von bestimmten Phantomwerten, bezüglich Größe und Absorptionsverhalten, und können daher lediglich Näherungswerte der tatsächlichen später erfolgenden Messung wiedergeben.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Voreinstellung der Aufnahmeparameter bei der Erstellung von zweidimensionalen Durchlicht-Röntgenaufnahmen eines Patienten zu finden, mit dem ein Dosismaximum bei vorgegebener Bildqualität erreicht wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
Die Erfinder haben erkannt, dass eine Voreinstellung der Aufnahmeparameter gegenüber den bekannten Verfahren wesentlich exakter durchführbar ist, wenn vorhandene Volumendatensätze genutzt werden, wie sie aus computertomographischen Untersuchungen oder Kernspin-Untersuchungen bezüglich eines Patienten vorliegen und anhand dieser bekannten Volumendaten des Patienten die tatsächliche Absorption des Patienten in der aktuell zur Erstellung einer Durchlichtaufnahme verwendeten Perspektive genutzt werden, um hieraus die maximal notwendige Dosis für die Erzeugung einer Durchlicht-Röntgenaufnahme zu ermitteln. Beispielsweise können hierbei vorhandene computer tomographische Volumendaten, in denen die Absorptionswerte direkt vorliegen, verwendet werden oder es kann aus vorhandenen Kernspinaufnahmen auf die Absorptionswerte der gemessenen Struktur rückgeschlossen werden und auf diese Weise Durchlichtaufnahmen simuliert oder berechnet werden, so dass eine genaue Voreinstellung der notwendigen Parameter zur Durchführung der Durchlichtaufnahme möglich ist.
Entsprechend diesem oben geschilderten Grundgedanken schlagen die Erfinder ein Verfahren zur Voreinstellung der Aufnahmeparameter, wie Röhrenspannung, Röhrenstrom, Belichtungszeit und Vorfilterung, bei der Erstellung von zweidimensionalen Durchlicht-Röntgenaufnahmen eines Patienten vor, bei dem unter Zuhilfenahme einer aus Voruntersuchungen bereits vorhanden 3D-Darstellung der inneren Struktur des Patienten und der beabsichtigten Aufnahmerichtung die optimalen Aufnahmeparameter und damit die maximal notwendige Dosis für die Durchlicht-Röntgenaufnahme ermittelt und bei der Belichtung der Durchlicht-Aufnahme verwendet werden können.
Hierzu können beispielsweise vorhandene 3D-Darstellungen einer CT-Untersuchung verwendet werden, wobei hier die Röntgenabsorptionswerte, die der CT-Darstellung entsprechen, angegeben in HU-Units, direkt übernommen werden können.
Wurde die CT-Darstellung mit einem anderen Energiespektrum aufgenommen, als es für die Aufnahme der Durchlicht-Röntgenaufnahme vorliegt, so kann eine Umrechnung der Absorptionswerte vom Energiespektrum der CT-Bilderzeugung auf das Energiespektrum der Durchlicht-Röntgenaufnahme erfolgen, wobei hierfür empirische Daten, beispielsweise in Form einer Tabelle, zur Umrechnung verwendet werden können.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung der dreidimensionalen Darstellung eine NMR-Aufnahme (also der Aufnahme eines Kernspintomographen), wobei hier die im Kernspintomogramm aufgenommenen Werte auf entsprechende Röntgenabsorptionswerte umgerechnet werden müssen.
Beispielsweise kann eine derartige Umrechnung dadurch erfolgen, dass zumindest zwei unterschiedliche Gewebetypen segmentiert werden, jedem Gewebetyp ein typischer Röntgenabsorptionswert zugeordnet wird und mit der daraus resultierenden dreidimensionalen Verteilung der Röntgenabsorptionswerte die optimalen Aufnahmeparameter berechnet werden.
Beispielsweise können als unterschiedliche Gewebetypen Knochengewebe und Weichteilgewebe segmentiert werden, jedoch besteht auch die Möglichkeit, eine weitere differenzierte Unterscheidung durchzuführen.
Zusätzlich besteht die Möglichkeit, auch noch das verwendete Spektrum für die Durchlichtaufnahme zu berücksichtigen und die Röntgenabsorptionswerte des jeweiligen Gewebetyps in Abhängigkeit von diesem Spektrum anzuwenden.
Zur Auffindung der optimalen Aufnahmeparameter können alle genutzten Strahlengänge von einem Fokus durch eine 3D-Darstellung des Patienten zu einem flächigen Detektor bezüglich ihrer Absorption berechnet werden, wobei anschließend die optimalen Aufnahmeparameter anhand der mittleren auf dem Detektor auftreffenden Dosis bestimmt wird oder die optimalen Aufnahmeparameter anhand der Bandbreite der auf dem Detektor auftreffenden Dosen aller Strahlengänge bestimmt werden. Hierbei können die Eigenheiten des jeweiligen Detektorsystems Berücksichtigung finden.
In einer besonderen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlagen die Erfinder auch vor, bezüglich der optimalen Aufnahmeparameter nur die Absorptionswerte einer vorbestimmten Region des Patienten zu verwenden. Dies ist besonders dann von Interesse, wenn beispielsweise ein bestimmtes Organ beurteilt werden soll und die benachbarten Weichteil- oder Knochenregionen für die Diagnostik unerheblich sind, so dass die Optimierung lediglich auf ein bestimmtes Organ oder im anderen Fall auf bestimmte Knochenstrukturen ausgerichtet werden kann.
Entsprechend den unterschiedlich verwendeten Detektoren, wie beispielsweise einem Röntgenfilm, einem Bildverstärker oder einem digitalen Detektor, können sich die optimalen Aufnahmeparameter unterscheiden. Hierbei muss insbesondere die unterschiedliche Dynamik der Detektoren berücksichtigt werden.
Erfindungsgemäß kann das Verfahren auch in Verbindung mit den Durchlichtaufnahmen eines C-Bogen-Röntgensystems verwendet werden, wobei darauf hinzuweisen ist, dass auch ursprünglich durch das C-Bogen-Gerät erzeugte dreidimensionale Darstellungen anschließend für die Berechnung der Durchlichtaufnahme verwendet werden können.
Entsprechend dem oben geschilderten Grundgedanken der Erfindung, schlagen die Erfinder auch ein Röntgengerät zur Erzeugung von Durchlichtaufnahmen eines Patienten mit einer Strahlenquelle, mindestens einem Detektor zur Detektion einer Durchlichtaufnahme und einer Strahlparametereinstellvorrichtung vor, welches dahingehend verbessert ist, dass ein Speicher zur Aufnahme von 3D-Datensätzen eines Patienten vorsieht, ein Computerprogramm zur virtuellen Ausrichtung der 3D-Datensätze in Relation zu Strahlenquelle und Detektor und ein Computerprogramm zur Simulation oder Berechnung der Intensitätsveränderung einer Strahlung ausgehend von der Strahlquelle zum Detektor und zur Bestimmung von am Detektor auftreffenden Strahlungsparameter vorliegt, wobei ein Regelmechanismus besteht, der die Strahlenquelle an Hand der so gewonnenen Daten bezüglich ihrer Strahlungsparameter so einstellt, dass am Detektor vorgegebene Bildqualitätsmerkmale bei der Durchlichtaufnahme eingehalten werden.
In einem solchen Röntgengerät oder in einem anderen ähnlichen Röntgengerät sollte erfindungsgemäß auch ein Computerprogramm gespeichert sein oder im Betrieb ausgeführt werden, welches das oben beschriebene Verfahren ausführt. Anzumerken ist, dass es sich bei dem erfindungsgemäßen Röntgengerät sowohl um ein einfaches stationäres Durchlichtgerät als auch ein um eine Systemachse im Betrieb rotierbares Röntgengerät, entsprechend einem C-Bogen-Gerät, handeln kann.
Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, wobei nur die für das Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wobei folgende Bezugszeichen verwendet werden: 1: Knochengewebe; 2: Weichteilgewebe; 3: Fokus; 4: Detektor; 5: durchstrahltes Volumen.
Es zeigen im Einzelnen:
1: Volumendarstellung eines CT-Datensatzes vom Kopf eines Patienten;
2: Volumendatensatz vom Kopf eines Patienten aus einer Kernspinaufnahme; und
3: Darstellung einer simulierten Durchsichtaufnahme auf Basis eines dreidimensionalen Absorptionsdatensatzes.
Die 1 zeigt beispielhaft einen dreidimensionalen Datensatz der Absorptionswerte, die durch eine Computertomographie bestimmt wurden, von einem Kopf eines Patienten. Hierin sind im Wesentlichen zwei unterschiedliche Gewebetypen, nämlich Knochengewebe 1 und Weichteilgewebe 2, mit stark unterschiedlichen Absorptionswerten erkennbar. Die dort gezeigte Verteilung der Absorptionswerte im dreidimensionalen Raum kann erfindungsgemäß dazu genutzt werden, virtuell die Strahlengänge bei der Erstellung einer Durchlicht-Röntgenaufnahme zu simu lieren und die erzeugte Dosis auf einem zweidimensionalen Detektor zu simulieren.
Ähnlich ist in der 2 ein dreidimensionaler Datensatz einer Kernspinaufnahme gezeigt, der allerdings im Bereich des Gewebes eine stärker ausgeprägte Struktur beinhaltet. Die dort gezeigte Struktur entspricht jedoch nicht direkt den Röntgenabsorptionswerten, sondern muss im Sinne der Erfindung zunächst auf Röngtenabsorptionswerte umgerechnet werden. Beispielsweise kann dies dadurch geschehen, dass eindeutig als Knochenbereiche 1 erkennbare Strukturen mit den an sich bekannten Röntgenabsorptionswerten und die restlichen Weichteilbereiche 2 mit den entsprechenden Röntgenabsorptionswerten für Weichteile aufgefüllt werden. Durch die dann erhaltene dreidimensionale Struktur der Absorptionswerte lässt sich ebenso, wie mit Röntgen-CT-Daten, eine virtuelle Röntgendurchlichtaufnahme erzeugen, wobei jede gewünschte Perspektive, entsprechend den später tatsächlich vorliegenden Perspektiven, gewählt werden kann.
Die 3 zeigt schematisch die Durchführung einer derartigen virtuellen Durchlichtaufnahme, wobei die Strahlengänge ihren Ursprung in einem Fokus 3 haben und zu einem Detektor 4 geführt werden. Alle Absorptionswerte entlang der Strahlengänge sind bekannt, so dass ausgehend von einer Eingangsintensität der Strahlung nach dem Durchgang der Strahlen durch das untersuchte Volumen 5 beim Auftreffen auf dem gegenüberliegenden Detektor 4 die dort auftreffende Intensität berechnet werden kann. Hierdurch lässt sich also simulieren oder explizit berechnen, welche Dosiswerte in Abhängigkeit von den gewählten Aufnahmeparametern am Detektor 4 ankommen und die jeweils für den Detektor passende Einstellung der Ausgangsparameter am Fokus 3 bestimmen, so dass einerseits eine minimale Dosisbelastung des Patienten stattfindet und andererseits auf der Seite des Detektors die gewünschte Dosismenge, zur Erstellung eines optimalen Bildes, ankommt. Zusätzlich zu der integralen oder mittleren Dosis über den Detektor kann auch die Dosisverteilung auf dem Detektor berücksichtigt werden, so dass eine optimale beziehungsweise entsprechend den Vorgaben ausreichende Bildqualität bei gleichzeitig minimal aufgewendeter Strahlendosis erreicht wird.
Zusätzlich kann bei einer Berücksichtigung des verwendeten Energiespektrums, genauer bei einer Variation des verwendeten Energiespektrums, dafür gesorgt werden, dass eine Beschleunigungsspannung gewählt wird, die gerade ausreicht, um ein gewünschtes Signal-zu-Rausch-Verhältnis oder eine gewünschte Strukturierung bei der Darstellung von Gewebe erkennbar zu machen, wobei auf der anderen Seite die Röntgenenergie nicht niedriger gewählt wird, als unbedingt notwendig ist, da mit niedriger werdender Strahlungsenergie vermehrt irreparable Schädigungen im Gewebe entstehen können. Es ist also auf diese Weise möglich, eine sehr spezifische Voreinstellung für die endgültige Durchführung einer Durchlichtaufnahme vorzuberechnen und dabei die Strahlenbelastung des Patienten zu minimieren.
Ergänzend ist noch darauf hinzuweisen, dass dieses Verfahren auch in Verbindung mit kontinuierlichen Aufnahmen aus unterschiedlichen Perspektiven, wie sie beispielsweise bei C-Bogen-Aufnahmen durchgeführt werden, verwendet werden kann. Insbesondere kann das beschriebene Verfahren auch im Zusammenhang mit Kontrastmitteln, wie sie in der Angiographie verwendet werden, genutzt 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 Voreinstellung optimaler Aufnahmeparameter bei der Erstellung von zweidimensionalen Durchlicht-Röntgenaufnahmen eines Patienten, dadurch gekennzeichnet, dass unter Zuhilfenahme einer aus Voruntersuchungen bereits vorhanden 3D-Darstellung der inneren Struktur des Patienten und der beabsichtigten Aufnahmerichtung die optimalen Aufnahmeparameter bei niedrigst möglicher Dosis für die Durchlicht-Röntgenaufnahme ermittelt und bei der Belichtung der Durchlicht-Aufnahme verwendet wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als vorhandene 3D-Darstellung eine CT-Darstellung verwendet wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus der CT-Darstellung die Röntgenabsorptionswerte direkt übernommen werden.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus der CT-Darstellung die Röntgenabsorptionswerte für ein bestimmtes Energiespektrum bekannt sind und eine Umrechnung der Absorptionswerte auf das in der Durchlichtröntgenaufnahme verwendete Energiespektrum erfolgt.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als vorhandene 3D-Darstellung eine NMR-Darstellung verwendet wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus der NMR-Darstellung zumindest zwei unterschiedliche Gewebetypen segmentiert werden, jedem Gewebetyp ein typischer Röntgenabsorptionswert zugeordnet wird und mit der daraus resultierenden dreidimensionalen Verteilung der Röntgenabsorptionswerte die optimalen Aufnahmeparameter berechnet werden.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als unterschiedliche Gewebetypen zumindest Knochengewebe (1) und Weichteilgewebe (2) segmentiert werden.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Röntgenabsorptionswerte des jeweiligen Gewebetyps in Abhängigkeit vom Spektrum bei der Durchlichtaufnahme verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auffindung der optimalen Aufnahmeparameter alle genutzten Strahlengänge von einem Fokus (3) durch die 3D-Darstellung des Patienten zu einem flächigen Detektor (4) bezüglich ihrer Absorption berechnet werden.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optimalen Aufnahmeparameter anhand der mittleren auf dem Detektor (4) auftreffenden Dosis bestimmt werden.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optimalen Aufnahmeparameter anhand der Bandbreite der auf dem Detektor auftreffenden Dosen aller Strahlengänge bestimmt werden.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der optimalen Aufnahmeparameter nur die Absorptionswerte einer vorbestimmten Region des Patienten verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion der Durchlichtaufnahme ein Röntgenfilm verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erstellung der Durchlichtaufnahme ein Bildverstärker verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erstellung der Durchlichtaufnahme digitale Detektorelemente verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in Verbindung mit den Durchlichtaufnahmen eines C-Bogen-Röntgensystems verwendet wird.
Röntgengerät zur Erzeugung von Durchlichtaufnahmen eines Patienten mit einer Strahlenquelle, mindestens einem Detektor zur Detektion einer Durchlichtaufnahme und einer Strahlparametereinstellvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass 17.1 ein Speicher zur Aufnahme von 3D-Datensätzen eines Patienten vorliegt, 17.2 ein Computerprogramm zur virtuellen Ausrichtung der 3D-Datensätze in Relation zu Strahlenquelle und Detektor, 17.3 ein Computerprogramm zur Simulation oder Berechnung der Intensitätsveränderung einer Strahlung, ausgehend von der Strahlquelle zum Detektor und zur Bestimmung von am Detektor auftreffenden Strahlungsparameter vorliegt, 17.4 wobei ein Regelmechanismus besteht, der die Strahlenquelle an Hand der so gewonnenen Daten bezüglich ihrer Strahlungsparameter so einstellt, dass am Detektor vorgegebene Bildqualitätsmerkmale bei der Durchlichtaufnahme eingehalten werden.
Röntgengerät, vorzugsweise gemäß dem voranstehenden Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Computerprogramm gespeichert ist oder im Betrieb ausgeführt wird, welches die Merkmale mindestens eines der voranstehenden Patentansprüche ausführt.