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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur getrennten dreidimensionalen Darstellung von Arterien und/oder Venen eines Gefäßsystems in einem Körperteil eines Wirbeltiers mittels eines C-Bogen-Angiographen sowie eine Vorrichtung, insbesondere zur Ausführung des Verfahrens.
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Es besteht ein wachsender Bedarf an einer möglichst genauen dreidimensionalen Darstellung des Aussehens und Verlaufs von Gefäßen in Körperteilen, insbesondere von Arterien und Venen, zu diagnostischen Zwecken im Bereich der Gefäßerkrankungen und deren Therapie. Ein wichtiges Einsatzgebiet stellt die Untersuchung zerebraler Aneurysmen dar, die auch eine Analyse und optimale Darstellung zur Definition des Aneurysmahalses unter topografischen Verhältnissen zu benachbarten Gefäßen beinhaltet. Angiographien werden auch an anderen Körperteilen durchgeführt, um arteriosklerotische Veränderungen oder Fehlbildungen festzustellen. Mit der Einführung der computergestützten Rotationsangiographie, die dreidimensionale Darstellungen mit einer gleichmäßigen Auflösung aus den Projektionsrohdaten rekonstruiert, gelang ein technischer Durchbruch im Bereich der Diagnostik. Stand der Technik sind hierbei so genannte C-Bogen-Angiographen, bei denen eine Röntgenquelle und ein gegenüber dieser angeordneter Sensor in einem etwa 200° umfassenden Bogen um das zu untersuchende Körperteil eines Patienten rotiert wird und dabei zwischen 50 und 500 Röntgenbilder aufgenommen und digital gespeichert werden. Aus den aus unterschiedlichen Projektionswinkeln aufgenommenen Projektionsröntgenbildern kann dann ein dreidimensionales Modell des geröntgten Körperteiles berechnet werden. Jedoch ist mit der herkömmlichen 3D-Angiographie eine klare Trennung nach arteriellem und venösem Gefäßsystem aufgrund der Aufnahmezeiten und der Dynamik der Kontrastmittelausbreitung nicht hinreichend möglich.
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Bei der vorbekannten dreidimensionalen Gefäßdarstellung werden ein sog. Maskenlauf und ein Füllungslauf aufgenommen. Beim Maskenlauf erfolgt die Rotation des C-Bogens um das Körperteil des Patienten oder den gesamten Patienten und die Aufnahme der Röntgenbilder über den vorgegebenen Winkelbereich. Danach wird in das interessierende Gefäß Kontrastmittel injiziert und bei einer erneuten C-Bogen-Rotation ein zweiter Satz Röntgenbilder aufgenommen, die den sog. Füllungslauf abbilden. Die Modelle beider Bildsequenzen werden nunmehr voneinander so subtrahiert, dass im Ergebnis nur noch die kontrastierten (d. h. Kontrastmittel enthaltenden) Gefäße zu sehen sind. Diese werden nun mit einem 3D-Rekonstruktionsverfahren zu einem dreidimensionalen Datensatz rekonstruiert. Alternativ können auch Masken und Füllungslaufdaten getrennt rekonstruiert und die resultierenden dreidimensionalen Datensätze voneinander subtrahiert werden.
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Das Verfahren der 3D-Angiographie nach dem Stand der Technik liefert in der Regel einen dreidimensionalen Datensatz, der sowohl einen Teil des arteriellen als auch Teile des venösen Gefäßsystems darstellt. Der Grund für diesen Mangel derzeitiger Angiographiesysteme ist darin zu suchen, dass die Rotationszeit des C-Bogens mit ca. 5 s deutlich länger ist als die sog. arterielle Phase der Gefäßkontrastierung, die lediglich 2 bis 3 s andauert. Danach wandert das Kontrastmittel über die üblichen Kapillarwege in das venöse Gefäßsystem, so dass sich nach Ablauf der arteriellen Phase eine venöse Phase der Gefäßkontrastierung zeigt, die in einem späteren Teil der Rotation des C-Bogens aufgezeichnet wird, so dass sich eine dreidimensionale Mischstruktur aus Arterien und Venen ergibt.
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Aus der Druckschrift
DE 103 56 325 A1 ist eine Röntgeneinrichtung bekannt, die eine Mehrzahl von 2D-Bildern aufzeichnet, aus denen ein 3D-Modell rekonstruiert wird. Das 3D-Modell wird mit jedem weiteren aufgezeichneten 2D-Bild aktualisiert.
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Aus der Druckschrift
DE 29 711 170 U1 ist eine Röntgeneinrichtung zur Erzeugung von Subtraktionsbildern bekannt. Zu diesem Zweck wird wenigstens ein Maskenbild ohne Kontrastmittel und ein Füllungsbild nach Kontrastmittelgabe aufgezeichnet, die voneinander subtrahiert werden.
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Aus der Druckschrift
US 6,377,835 B1 ist eine Magnetresonanz-Angiographie-Einrichtung bekannt. Magnetresonanz-Bilder werden vor, während und nach einer Kontrastmittelgabe aufgezeichnet. Für die fraglichen Schnittbilder werden Signal-Zeit-Kurven ermittelt und miteinander korreliert, um ein 3D-Modell der arteriellen und venösen Gefäße zu erstellen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, einen Ansatz dafür zu finden, dreidimensionale Datensätze von Gefäßen zu erzeugen, die entweder nur Arterien oder nur Venen (je nach Wunsch) darstellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren zur getrennten dreidimensionalen Darstellung von Arterien und/oder Venen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie die Vorrichtung zur getrennten dreidimensionalen Darstellung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 7.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Aspekte und Details der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, mehr als einen Füllungslauf durchzuführen und diese gegenüber der Kontrastmittelinjektion zeitlich so zu staffeln, dass sämtliche Teile des erfassten Körperteils zumindest einmal in der arteriellen Phase der Gefäßkontrastierung so abgebildet werden, dass eine dreidimensionale Rekonstruktion möglich ist.
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In einem ersten Aspekt ist die Erfindung daher gerichtet auf ein Verfahren zur getrennten dreidimensionalen Darstellung von Arterien und/oder Venen eines Gefäßsystems in einem Körperteil eines Wirbeltiers mittels eines C-Bogen-Angiographen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- (a) Durchführen eines Maskenlaufs des C-Bogens um einen zu untersuchenden Körperteil ohne Kontrastmittel;
- (b) Durchführen eines ersten Füllungslaufs des C-Bogens um den Körperteil unter Verwendung eines Kontrastmittels, wobei ein erster Teil des Füllungslaufs während einer arteriellen Phase der Gefäßkontrastierung und ein zweiter Teil während der venösen Phase der Gefäßkontrastierung erfolgen;
- (c) Durchführen zumindest eines zweiten Füllungslaufs des C-Bogens um den Körperteil zu einem solchen Zeitpunkt relativ zur Injektion von weiterem Kontrastmittel, dass derjenige Teil des zweiten Füllungslaufs, der im ersten Füllungslauf während der venösen Phase der Gefäßkontrastierung erfolgt, während der arteriellen Phase(n) der Gefäßkontrastierung des zumindest einen zweiten Füllungslaufs erfolgt und umgekehrt;
- (d) Kombination der Daten aus dem ersten und zumindest einen zweiten Füllungslauf zu einem ersten Datensatz, der kombinierte Daten aus den arteriellen Phasen der Gefäßkontrastierung der ersten und zweiten Füllungsläufe enthält und/oder zu einem zweiten Datensatz, der kombinierte Daten aus den venösen Phasen der Gefäßkontrastierung der ersten und zweiten Füllungsläufe enthält; und
- (e) Subtraktion des beim Maskenlauf erhaltenen Datensatzes von den bei der Kombination erhaltenen ersten und/oder zweiten Datensätzen, um zumindest einen End-Datensatz zu erhalten, der Daten zu einer dreidimensionalen Darstellung des arteriellen oder des venösen Gefäßsystems enthält.
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Ein Maskenlauf im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Rotation des C-Bogens um ein Körperteil des Wirbeltiers und die Aufnahme von Röntgenbildern über den vorgegebenen Winkelbereich ohne die Verwendung eines Kontrastmittels.
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Ein Kontrastmittel ist, wie Fachleuten geläufig ist, eine Substanz, die für Röntgenstrahlen, undurchlässig ist und damit ausgefüllte Hohlstrukturen durch einen deutlichen Röntgenschatten abbildet.
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Unter einem Füllungslauf ist erfindungsgemäß ein Lauf des C-Bogens zu verstehen, bei dem der zu untersuchende Hohlraum, in diesem Fall Gefäße, mit einem Kontrastmittel bis zu dem Grad gefüllt sind, dass sich ein hinreichender Kontrast im bildgebenden Verfahren ergibt.
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Unter einer Injektion von Kontrastmittel ist die Verabreichung des Kontrastmittels in den zu untersuchenden Hohlraum bzw. das zu untersuchende Gefäß, beispielsweise mittels einer Spritze, zu verstehen.
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Unter einer Kombination der Daten aus den Füllungsläufen zu Datensätzen ist zu verstehen, dass mit Hilfe eines vorgegebenen Algorithmus und ggf. unter Mitwirkung eines menschlichen Auswerters jeweils Teilmengen der Daten der einzelnen Füllungsläufe nach vorgegebenen Regeln zu einem neuen Datensatz kombiniert werden. Erfindungsgemäß werden die Daten so ausgewählt, dass sie sich komplementär ergänzen und über den gesamten Abtastbogen des verwendeten C-Bogen-Angiographen, d. h. von allen Positionen, an denen Projektionsbilder genommen werden, Daten vorliegen, die entweder zur arteriellen Phase der Gefäßkontrastierung gehören oder zur venösen Phase.
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Unter einer Subtraktion von Datensätzen ist gemäß der Fachleuten geläufigen Verwendung dieses Ausdrucks bei tomographischen Verfahren ein rechnerisches Prozedere zu verstehen, bei dem die Messdaten eines Hintergrundes von den interessierenden Messdaten so abgezogen werden, dass im Wesentlichen nur die interessierenden Messdaten im Datensatz verbleiben.
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Um aus den Projektionsbilddaten der einzelnen Aufnahmen der Läufe ein dreidimensionales Modell zu generieren, wird ein Verfahren verwendet, das auf dem Gebiet der Angiographie als Rekonstruktion bezeichnet wird. Eine solche Rekonstruktion von Datensätze zu dreidimensionalen Datensätzen kann an verschiedenen Stellen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden, so vor der Kombination der Daten, vor der Subtraktion der Datensätze und nach deren Kombination oder auch nach der Subtraktion am End-Datensatz, wobei verschiedene Erwägungen hinsichtlich der Komplexität der Umrechnung und den bereits vorhandenen Mechanismen der zur Durchführung der Erfindung verwendeten C-Bogen-Angiographen berücksichtigt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der untersuchte Körperteil ein Schädel eines Menschen. Ein wichtiges Einsatzgebiet ist hierbei das Auffinden von Aneurysmen in den Gefäßen des Gehirns. Es versteht sich jedoch, dass auch andere Körperteile von Menschen und anderen Tierarten mit einem Gefäßsystem dem Verfahren gemäß der Erfindung grundsätzlich zugänglich sind. Das Verfahren ist erfindungsgemäß auf Wirbeltiere beschränkt worden, da diese über einen getrennten arteriellen und venösen Blutkreislauf verfügen, es versteht sich jedoch, dass ggf. das Verfahren auch bei anderen Klassen von Tieren anwendbar ist, sofern diese über ein kontrastierbares Gefäßsystem mit Arterien und Venen verfügen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden lediglich zwei Füllungsläufe vorgenommen, sofern diese ausreichen, um sämtliche Blickwinkel und damit sämtliche Bereiche des untersuchten Körperteils korrekt zu erfassen und die arteriellen und venösen Gefäße getrennt darzustellen. In einer alternativen Ausführungsform werden so viele Füllungsläufe durchgeführt, bis von allen Teilen der Läufe sowohl Daten aus der venösen Phase der Gefäßkontrastierung als auch Daten aus der arteriellen Phase der Gefäßkontrastierung erhalten werden. Dies kann beispielsweise bei C-Bogen-Angiographen erforderlich sein, die eine deutlich längere Laufzeit für einen Lauf haben als die arterielle Phase der Gefäßkontrastierung, so dass drei oder noch mehr Füllungsläufe gemacht werden müssen, bis alle Perspektiven abgedeckt sind.
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Abhängig vom verwendeten C-Bogen-Angiographen und dessen Bewegungsmuster wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der erste und der zumindest eine zweite Füllungslauf in derselben Abtastrichtung durchgeführt, wobei der erste Füllungslauf zum Zeitpunkt einer Kontrastmittelinjektion mit zu untersuchenden Gefäßen gestartet wird (oder anders ausgedrückt die Kontrastmittelgabe unmittelbar vor oder bei dem Start des Füllungslaufs erfolgt) und der zweite Füllungslauf so gestartet wird, dass zu einem Zeitpunkt einer weiteren Kontrastmittelinjektion bereits ein Teil des zweiten Füllungslaufs erfolgt ist (bzw. die Kontrastmittelinjektion irgendwo in der Mitte des Füllungslaufes und vorzugsweise genau in der Mitte des Füllungslaufes bei zwei, bzw. bei einem Drittel und/oder zwei Drittel bei zwei weiteren zweiten Füllungsläufen erfolgt).
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Bei C-Bogen-Angiographen, welche die Abtastrichtung ändern können, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch so ausgestaltet werden, dass der erste und der zumindest eine zweite Füllungslauf in unterschiedlichen Abtastrichtungen durchgeführt werden, wobei der erste Füllungslauf zum Zeitpunkt einer Kontrastmittelinjektion in die zu untersuchenden Gefäße gestartet wird, und zumindest ein zweiter Füllungslauf zum Zeitpunkt einer weiteren Kontrastmittelinjektion gestartet wird. Bei dieser Ausführungsform sind grundsätzlich ein erster Füllungslauf und einer zweiter Füllungslauf notwendig, es versteht sich jedoch, dass auch hier mehr als zwei Füllungsläufe mit entsprechend zeitlich wiederum gestaffelten Kontrastmittelinjektionen durchgeführt werden können.
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Die Erfindung ist in einem weiteren Aspekt auf eine Vorrichtung gerichtet, wobei alles bezüglich des Verfahrens Gesagte auch für die Vorrichtung oder umgekehrt gilt, so dass wechselweise Bezug genommen wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur getrennten dreidimensionalen Darstellung von Arterien und/oder Venen eines Gefäßsystems in einem Körperteil eines Wirbeltiers umfasst einen C-Bogen-Angiographen mit
- (a) einen ersten Datenspeicher zum Speichern der bei einem Maskenlauf und bei zumindest einem ersten und einem zweiten Füllungslauf des C-Bogen-Angiographen erhaltenen Daten;
- (b) ein erstes Rechenmodul zur Kombination der Daten aus dem ersten und zumindest einen zweiten Füllungslauf zu einem ersten Datensatz, der kombinierte Daten aus arteriellen Phasen der Gefäßkontrastierung der ersten und zweiten Füllungsläufe enthält und/oder zu einem zweiten Datensatz, der kombinierte Daten aus venösen Phasen der Gefäßkontrastierung der ersten und zweiten Füllungsläufe enthält;
- (c) einen weiteren Datenspeicher zum Speichern des ersten und/oder zweiten Datensatzes; und
- (d) ein zweites Rechenmodul zur Subtraktion der beim Maskenlauf erhaltenen Daten von den bei der Kombination erhaltenen ersten und/oder zweiten Datensätzen, um zumindest einen End-Datensatz zu erhalten, der Daten zu einer dreidimensionalen Darstellung des arteriellen oder des venösen Gefäßsystems enthält.
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Unter einem Rechenmodul ist hierbei entweder eine Vorrichtung zu verstehen, die speziell dafür ausgelegt ist, die durchzuführenden Berechnungen vorzunehmen, beispielsweise ein Analog-Rechner oder ein Digitalsignal-Prozessor mit einer entsprechenden Steuerung, oder es ist unter einem Rechenmodul ein Software-Programmprodukt zu verstehen, das die Funktionalitäten auf eine Universal-Rechenanlage implementiert. Unter einem Datenspeicher ist jedes Gerät zu verstehen, das in der Lage ist, Digitaldaten zu speichern, sei dies ein flüchtiger oder Permanenthauptspeicher, eine Festplatte, ein optischer Datenträger, etc., wobei auf diese von den Rechenmodulen zugegriffen werden kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand konkretisierter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen folgendes dargestellt ist:
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1 zeigt das Prinzip der Abtastung eines Patientenkörpers in einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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2 zeigt das Prinzip der Abtastung eines Patientenkörpers in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
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3 zeigt das Verfahren zum Ermitteln von End-Datensätzen aus den durch Abtastung erhaltenen Rohdaten.
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In 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren bei Verwendung eines C-Bogen-Angiographen beschrieben, der lediglich in einer Richtung Abtastläufe durchführen kann.
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Das linke Teilbild von 1 zeigt einen positionierten, zu untersuchenden Körper, wie einen Patienten 1 im Querschnitt, durch den Pfeil 2 die Abtastrichtung des verwendeten C-Bogen-Angiographen und durch den Sektor 3 die erfassten Projektionswinkel des Maskenlaufs. Hier wird der gesamte Körperteil erfasst und entsprechend den Möglichkeiten des verwendeten Angiographen dargestellt. Im mittleren Teil von 1 wird der erste Füllungslauf dargestellt, bei dem zum Beginn des zweiten Abtastlaufs in derselben Abtastrichtung 2 ein Kontrastmittel in oder nahe bei dem zu untersuchenden Gefäß injiziert wird. 1 veranschaulicht den Zeitpunkt der Kontrastmittelinjektion 4. Der schraffierte Bereich 5 ist der Bereich des Füllungslaufs, in dem die arterielle Phase der Gefäßkontrastierung erfolgt. Nach Ende dieser Phase 5, bei der das Kontrastmittel die venösen Bereiche des Gefäßsystems erreicht hat, ist der C-Bogen-Angiograph lediglich noch in der Lage, die venöse Phase der Gefäßkontrastierung, dargestellt durch den schraffierten Bereich 6, kontrastverstärkt aufzunehmen. Im rechten Teil der Abbildung wird der zweite Füllungslauf gezeigt, bei dem wiederum in dieselbe Abtastrichtung 2 und unmittelbar an den ersten Füllungslauf anschließend für den Bereich des Laufs, der beim ersten Füllungslauf die arterielle Phase darstellte, nunmehr die venöse Phase der Gefäßkontrastierung 7 erfasst wird, da, wie durch den Pfeil 8 angedeutet, die venöse Phase der Kontrastierung bis in den zweiten Füllungslauf hinein reicht. Ungefähr zur Mitte des zweiten Füllungslaufs erfolgt erneut eine Kontrastmittelinjektion 9, so dass kurz darauf wiederum eine arterielle Phase der Gefäßkontrastierung 10 beginnt, die den Bereich des Füllungslaufs abdeckt, der im ersten Lauf zur venösen Phase der Gefäßkontrastierung gehörte. Somit kann im vorliegenden Beispiel durch zwei Füllungsläufe der gesamte C-Bogen sowohl arteriell als auch venös kontrastiert dargestellt werden.
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Jeweils darauf zu achten, dass unmittelbar nach der Rotation des ersten Füllungslaufes ein Rücklauf des C-Bogens und der zweite Füllungslauf erfolgt. Da die venöse Phase in der Regel deutlich länger ist als die arterielle Phase, sind die Venen zu diesem Zeitpunkt noch hinreichend kontrastiert.
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Für Systeme, welche Aufnahmen in beiden Rotationsrichtungen ermöglichen, empfiehlt sich ein abweichendes Protokoll, wie es in 2 dargestellt ist. In 2 entsprechen gleiche Bezugszeichen den gleichen oder ähnlichen Objekten. Hier wird der Maskenlauf, wie in der in 1 vorgestellten Ausführungsform, vorgenommen. Daran anschließend wird nun unmittelbar der erste Füllungslauf mit umgekehrter Rotations- bzw. Abtastrichtung 2a und unter Einspritzung eines Kontrastmittels 4 gestartet. Die Kontrastmittelinjektion wird relativ zum Start der Rotation derart getriggert, dass die erste Hälfte der Rotation 5 arteriell und die zweite Hälfte 6 venös kontrastiert ist. Der zweite Füllungslauf erfolgt im rechten Teil von 2 vollkommen analog zum ersten Füllungslauf, jedoch mit wiederum entgegengesetzter Rotationsrichtung 2. Da nach der Aufnahme der venösen Phase des ersten Füllungslaufes direkt die arterielle Phase 10 des zweiten Füllungslaufs folgt, muss eine gewisse Pause zwischen den Läufen eingehalten werden, bis das Kontrastmittel aus den Venen gespült ist, um eine Doppelkontrastierung arteriell/venös zu vermeiden.
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3 zeigt die allgemeine Vorgehensweise bei der Kombination und Subtraktion der bei den verschiedenen Läufen erhaltenen Daten. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen hierbei wiederum gleiche Vorgänge bzw. Gegenstände. Hierbei werden die Daten der arteriellen Phase 5 und der venösen Phase 6 des ersten Füllungslaufes sowie der arteriellen Phase 10 und der venösen Phase 7 des zweiten Füllungslaufes miteinander so kombiniert, dass sich zwei neue Datensätze ergeben, von denen der eine aus der venösen Phase 6 des ersten Füllungslaufes sowie aus der venösen Phase 7 des zweiten Füllungslaufs zusammensetzt und der zweite aus der arteriellen Phase 5 des ersten Füllungslaufes und der arteriellen Phase 10 des zweiten Füllungslaufes. Durch anschließende Subtraktion des Maskenlaufs in 11 und 12 und Rekonstruktion zu einem dreidimensionalen Datensatz erhält man zwei dreidimensionale Datensätze, von denen einer eine Darstellung des arteriellen Gefäßsystems 13 und ein anderer eine Darstellung 14 des venösen Gefäßsystems enthält. Durch die Rekonstruktion des Maskenlaufs kann man zusätzlich eine Darstellung 15 des umgebenden Gewebes (Niedrigkontrastdarstellung) erhalten. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, aus drei Rotationsaufnahmen das arterielle Gefäßsystem, das venöse Gefäßsystem und das umgebende Gewebe dreidimensional darzustellen, wie in 3 gezeigt. Da bei jedem der beiden Füllungsläufe nur die Hälfte der Bilder der arteriellen Phase aufgenommen werden müssen, muss auch nur die Hälfte der Aufnahmezeit auf die arterielle Phase entfallen. Diese Bedingung ist bei einer arteriellen Phase von 2 bis 3 s und einer derzeit minimalen Aufnahmezeit pro Rotation von 5 s erfüllbar, wodurch eine getrennte, überlagerungsfreie Darstellung der Arterien und Venen möglich wird.
