DE102006047719A1

DE102006047719A1 - Verfahren und Bildgebungssystem zur Kompensation von Patientenbewegungen bei Serienaufnahmen in der medizinischen Bildgebung

Info

Publication number: DE102006047719A1
Application number: DE102006047719A
Authority: DE
Inventors: Peter Hildebrandt; Michael Pflaum
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-10-09
Filing date: 2006-10-09
Publication date: 2008-04-10
Also published as: US20080085034A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und Bildgebungssystem zur Kompensation von Patientenbewegungen bei Serienaufnahmen in der medizinischen Bildgebung, bei der in zeitlichen Abständen mehrere Bilder eines Untersuchungsbereichs eines Patienten in einem Bildgebungssystem aufgezeichnet und zueinander in Beziehung gesetzt werden, insbesondere zur Bewegungskompensation bei der digitalen Subtraktions-Angiographie (DSA) oder bei der Pfadfinder-Technik (RDMP) im abdominellen Bereich. Eine Mehrzahl von Maskenbildern wird atemgetriggert während eines Atemzyklus aufgenommen. Mit der gleichen Triggerung werden Füllbilder aufgenommen und Maskenbilder und Füllbilder, die bei gleichen Atemzuständen aufgenommen wurden, werden voneinander subtrahiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Patientenbewegungen bei Serienaufnahmen in der medizinischen Bildgebung, bei der in zeitlichen Abständen mehrere Bilder eines Untersuchungsbereiches eines Patienten mit einem Bildgebungssystem aufgezeichnet und zueinander in Beziehung gesetzt werden, wie dies beispielsweise bei der digitalen Subtraktions-Angiographie (DAS) oder der Pfadfinder-Technik (Roadmapping) der Fall ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein medizinisches Bildgebungssystem mit Strahlungsquelle, Detektor, Patientenliege, Bildverarbeitungseinheit und Bildanzeigeeinheit, das zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist.
Auf einem Hauptanwendungsgebiet des vorliegenden Verfahrens, dem Gebiet der digitalen Subtraktions-Angiographie, werden Blutgefäße des menschlichen Körpers mit dem Bildgebungssystem, in diesem Fall einer Röntgenanlage, erfasst und dargestellt. Bei dieser Methode werden Serien von Röntgenbildern des Patienten aufgezeichnet, während ein Kontrastmittel zur Hervorhebung der Gefäße injiziert wird (Füllungsbilder). Weiterhin wird ein Bild des Untersuchungsbereiches ohne Injizierung eines Kontrastmittels aufgenommen (Maskenbild). Durch digitale Subtraktion des Maskenbildes von den jeweiligen Füllungsbildern werden Subtraktionsbilder erhalten, auf denen nur die Gefäße zu erkennen sind, während Überlagerungen von anderen röntgenabsorbierenden Strukturen wie beispielsweise Knochen durch die Subtraktion verschwunden sind.
Die Subtraktion der Bilder setzt allerdings voraus, dass diese unter den gleichen geometrischen Bedingungen aufgezeichnet wurden, so dass sie deckungsgleich sind. Aufgrund von Bewegungen der abgebildeten Strukturen zwischen den einzelnen Aufnahmen kann es zu störenden Bewegungsartefakten in den subtrahierten Bildern kommen. Diese können durch Bewegungen des Patienten zwischen der Aufnahme des Maskenbildes und den Aufnahmen der Füllungsbilder hervorgerufen werden. Eine Folge dieser Bewegungen kann sein, dass das resultierende Subtraktionsbild nicht mehr für die Diagnose verwendet werden kann. So kann es in der Praxis vorkommen, dass durch derartige Bewegungsartefakte gestörte Subtraktionsbilder wiederholt werden müssen. Dies ist mit zusätzlichem Aufwand an Zeit und Kontrastmittel sowie mit zusätzlicher Strahlenexposition des Patienten verbunden.
Eine mit der digitalen Subtraktions-Angiographie verwandte Methode ist die sog. Pfadfinder-Technik, auch als Roadmapping bezeichnet. Diese Technik wird für die selektive Katheterisierung von Gefäßen bei der interventionellen Therapie angewendet. Bei solchen Gefäß-Interventionen wird die aktuelle Position eines röntgenabsorbierenden Katheters durch Röntgen-Durchleuchtung (Fluoroskopie) in einem zweidimensionalen Bild dargestellt. Um zusätzlich das Blutgefäß als sog. Roadmap erkennen zu können, wird zu Beginn der Intervention ein Bild aufgezeichnet, bei dem eine geringe Menge an Kontrastmittel injiziert wurde. Diese Bild wird als Maskenbild festgehalten. Die folgenden, ohne Injektion eines Kontrastmittels erhaltenen Fluoroskopiebilder werden jeweils vom Maskenbild subtrahiert. Auf diese Weise werden Subtraktionsbilder erhalten, auf denen der Katheter hell über dem dunklen Blutgefäß erkennbar ist und der Hintergrund durch die Subtraktion eliminiert wurde.
Auch das Roadmapping wird in gleicher Weise wie die digitale Subtraktions-Angiographie durch Bewegungen der abgebildeten Strukturen während der Serienaufnahme gestört. Bei Bewegungen zwischen der Aufnahme des Maskenbildes und dem jeweiligen Fluoroskopiebild treten hier allerdings zwei Probleme auf. Zum einen wird der Hintergrund nicht mehr richtig subtrahiert, so dass Bildartefakte entstehen. Zum anderen kann es vorkommen, dass die durch das Bild vermittelte Position des Katheters relativ zum dargstellten Blutgefäß nicht korrekt ist. Dieser schwerwiegende Fehler kann beispielsweise dazu führen, dass sich der Katheter in dem Bild außerhalb des Gefäßes darstellt, obwohl er sich tatsächlich innerhalb des Gefäßes befindet. Im Extremfall können solche falschen Darstellungen zu Fehlern bei der Kathetersteuerung führen und Gefäßverletzungen zur Folge haben. Bei einer Bewegung des Patienten während der Intervention muss daher häufig die Roadmap durch eine erneute Aufnahme eines Maskenbildes aufgefrischt werden. Dies erfordert zusätzlichen Zeitaufwand und Kontrastmittelverbrauch und ist mit einer erhöhten Strahlendosis für den Patienten verbunden.
Zur Vermeidung oder Verminderung dieser Problematik sind derzeit unterschiedliche Lösungen bekannt. So lassen sich im Wesentlichen die folgenden 3 Typen von Lösungsansätzen unterscheiden.
Patientenbezogene Lösungen zielen darauf ab, Patienten-Bewegungen bei der Aufnahme zu vermeiden. So kann bei Thorax-Untersuchungen beispielsweise der Patient dahingehend trainiert werden, während der Durchführung der Serienaufnahmen den Atem anzuhalten. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, durch eine Vollnarkose einige Quellen von Bewegungsfaktoren zu vermeiden. Ein Nachteil der patientenbezogenen Verfahren besteht darin, dass sie entweder nur teilweise wirksam oder nicht immer einsetzbar sind. Eine Vollnarkose ist beispielsweise mit vielen Risiken verbunden und daher bei vielen Anwendungen für digitale Subtraktions-Angiographie medizinisch nicht indiziert. Andererseits bleiben selbst bei Vollnarkose einige Quellen für Bewegungsartefakte, wie beispielsweise die Atembewegung, erhalten.
Bei den auf die Bildaufnahme bezogenen Lösungen wird die Bildaufnahme so durchgeführt, dass Bewegungsartefakte minimiert werden. Bisher sind hierfür vor allem sogenannte Gating-Verfahren bekannt, bei denen die Aufnahme mit einer physiologischen Messung gekoppelt wird. So werden beispielsweise beim EKG-Gating jeweils nur in einer bestimmten Herzphase Bilder akquiriert, so dass die Herzbewegung kompensiert wird. Gating-Verfahren sind allerdings nur für wenige spezielle Anwendungen einsetzbar und können nur von bestimmten Quellen verursachte Bewegungsartefakten vermeiden, für die physiologische Signale gemessen werden können.
Ein weiterer Lösungsansatz zur Verminderung von Bewegungsartefakten besteht in der retrospektiven Bildverarbeitung der aufgezeichneten Bilder. Bei diesen Techniken wird angestrebt, durch geeignete Bildverarbeitung eine bessere Übereinstimmung von Maskenbild und Füllungsbild zu erhalten. Die einfachste eingesetzte Technik ist das so genannte Pixel-Shifting oder Subpixel-Shifting, bei der der Benutzer das Maskenbild gegenüber dem Füllungsbild manuell solange in zwei Dimensionen verschiebt, bis eine Minimierung der Bewegungsartefakte im Subtraktionsbild erreicht ist. Dieses Verfahren ist in allen kommerziellen Angiographie-Systemen implementiert. Auch automatische Verfahren, die die beste Übereinstimmung anhand von quantifizierbaren Ähnlichkeitsmaßnahmen festlegen, sind in einigen kommerziellen Angiographie-Systemen vorhanden. Aufwendigere Verfahren verwenden kein globales Pixel-Shifting über dem gesamten Bildbereich, sondern optimieren lokale Bereiche des Bildes getrennt voneinander, wie dies beispielsweise in der US 4 870 692 A beschrieben ist. Weiterhin werden in der wissenschaftlichen Literatur zahlreiche aufwendigere Verfahren zur Bewegungskorrektur vorgeschlagen. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um Optimierungsverfahren, bei denen versucht wird, die Transformation zwischen Maskenbild und Füllungsbild zu finden, die die geringsten Bewegungsartefakte zur Folge hat. Weitere Beispiele für retrospektive Bildverarbeitung sind den Veröffentlichungen „Motion compensated digital subtraction angiography", M. Hemmendorff et al., SPIE '99, San Diego USA, Proceedings of SPIE's International Symposium an Medical Imaging 1999; Meijering E.H. et al., „Reduction of Patient motion artefacts in digital subtraction angiography: evaluation of a fast and fully automatic technique", Radiology, 2001 Apr; 219(1): pp. 288-293; oder „Retrospective Motion Correction in Digital Subtraction Angiography: A Review", Erik H.W. Meijering et al., IEEE Transactions an Medical Imaging, Bd. 18, Nr. 1, Januar 1999, Seiten 2-21, zu entnehmen.
Retrospektive Bildverarbeitung kann die Bewegungen jedoch nur näherungsweise kompensieren. Beliebige Bewegungen können nicht korrigiert werden. Selbst bei Beschränkung einer Korrektur von 6 Freiheitsgraden entsprechend der Rotation und Translation eines starren Körpers, kann die Bewegung nicht eindeutig aus den zweidimensionalen Bildern bestimmt werden. Weiterhin sind die komplizierten Bildverarbeitungsverfahren sehr rechenzeitaufwendig und daher nur schwer in Echtzeit implementierbar. Manuelle Verfahren zur Bildverarbeitung (Pixel-Shifting) benötigen Benutzerinteraktion und können einen erheblichen Zeitaufwand erfordern. Sie sind zudem grundsätzlich nur für die nachträgliche Verbesserung von DSA-Aufnahmen einsetzbar, da bei Roadmapping kaum Zeit für eine Interaktion bleibt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren sowie ein zugehöriges Bildgebungssystem zur Kompensation von Patientenbewegungen, insbesondere im abdominellen Bereich bei Serienaufnahmen in der medizinischen Bildgebung anzugeben, mit denen sich Bewegungen des Patienten während der Bildaufnahmen ohne zeitaufwendige Benutzerinteraktion kompensieren lassen, wobei sich das Verfahren in Echtzeit implementieren lässt. Das Verfahren und das zugehörige Bildgebungssystem sollen insbesondere Bildergebnisse bei der digitalen Subtraktions-Angiographie und dem Roadmapping bei geringst möglichtem Zeitaufwand für den Bediener verbessern.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Bei dem vorliegenden Verfahren zur Kompensation von Patientenbewegungen bei Serienaufnahmen in der medizinischen Bildgebung, bei der in zeitlichen Abständen mehrere Bilder eines Untersuchungsbereiches eines Patienten mit einem Bildgebungssystem aufgezeichnet und zueinander in Beziehung gesetzt werden, wird eine Mehrzahl von Maskenbildern atemgetriggert während eines Atemzyklus aufgenommen. Mit der gleichen Triggerung werden Füllbilder aufgenommen und Maskenbilder und Füllbilder, die bei gleichen Atemzuständen aufgenommen wurden, werden voneinander subtrahiert. Dadurch wird eine sehr viel bessere Übereinstimmung des aktuellen Füllbildes und des Maskenbildes erreicht. Je nach Anwendung werden während eines Atemzyklus zwischen 2 und 40 Maskenbilder aufgenommen. Die Subtraktion bestimmter Maskenbilder von in einem gleichen Atemzustand aufgenommenen Füllbildern erfolgt bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung live, d.h., während der Aufnahme der Füllbilder, so dass insbesondere bei dem Pfadfinder-Verfahren zum Beispiel eine sichere Katheterführung möglich ist. Im Bildverarbeitungssystem werden Masken- und Füllbilder und deren Differenz gespeichert.
Das Verfahren lässt sich dabei insbesondere zur Bewegungskompensation bei der digitalen Subtraktions-Angiographie oder bei der Pfadfinder-Technik einsetzen, um möglichst deckungsgleiche Einzelbilder für die Subtraktion zu ermöglichen. Gerade im Abdominalbereich sind die Patientenbewegungen, insbesondere bei Bauchatmung verhältnismäßig groß. Bei länger andauernden Eingriffen ist es nicht möglich, den Patienten dazu zu bringen, so lange die Luft anzuhalten, zum Beispiel, wenn ein Katheter gesetzt wird. Hier ist es unbedingt erforderlich, Masken- und Füllbilder voneinander zu subtrahieren, die im gleichen Atemzustand aufgenommen wurden, da sonst eine Eliminierung des Hintergrunds unmöglich wird und auch die Abbildung der Lage eines Katheters im Verhältnis zu einer Vene falsch wiedergegeben werden kann.
Das vorliegende Verfahren kommt im Gegensatz zu den meisten bisher bekannten Verfahren der Bewegungskorrektur ohne Interaktion mit dem Bediener aus. Das vorgeschlagene Verfahren erfordert gegebenenfalls nur die Anbringung eines Atemsensors am Patienten. Danach ist keinerlei Benutzerinteraktion für die Bewegungskompensation mehr erforderlich. Die bisherigen Verfahren zur retrospektiven Bildverarbeitung arbeiten prinzipbedingt nur näherungsweise. Große Bewegungen lassen sich mit diesen Verfahren kaum korrigieren, kleine Bewegungen nur näherungsweise. Das vorgeschlagene Verfahren arbeitet insbesondere auch bei großen Bewegungen mit hoher Genauigkeit, so dass die Notwendigkeit einer mehrmaligen Aufnahme eines Maskenbildes vermieden wird. Dies spart Zeit, Kontrastmittel und reduziert die applizierte Röntgendosis im Falle von Röntgenaufnahmen. Das vorliegende Verfahren ermöglicht auch, in bestimmten Fällen auf eine Sedierung oder Narkose des Patienten nur zum Zweck der Minimierung von Bewegungsartefakten zu verzichten.
Selbstverständlich lassen sich beim vorliegenden Verfahren nach der zumindest näherungsweisen Kompensation der Bewegung auch zusätzlich retrospektive Bildverarbeitungsverfahren anwenden, um die Bildergebnisse noch weiter zu verbessern. Die näherungsweise Kompensation durch die Änderung der geometrischen Verhältnisse des Bildgebungssystems kann dabei für die Kompensation grober Bewegungen eingesetzt werden, während verbleibende kleine Fehler durch retrospektive Bildverarbeitung behoben werden.
Das vorliegende Bildgebungssystem umfasst zumindest eine Strahlungsquelle und einen Detektor, eine Patientenliegen, eine Steuereinheit, eine Bildverarbeitungs- und eine Bildanzeigeeinheit. Ein Atemsensor ist zur Erfassung des Atemzyklus des Patienten vorgesehen. Durch eine Trigger-Vorrichtung werden die Aufnahmezeitpunkte für die Masken- und Füllbilder mit dem Atemzyklus getriggert. Dabei werden während eines Atemzyklus zwischen 2 und 40 Aufnahmen getätigt. In der Bildver arbeitungseinheit findet die Subtraktion von Füll- und Maskenbildern unmittelbar bei der Aufnahme der Füllbilder statt, so dass live die Differenzaufnahme angezeigt wird.
Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für ein C-Bogen-Gerät als Bildgebungssystem zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens.
Im Folgenden wird das vorliegende Verfahren anhand einer Röntgen-Angiographie-Anlage für Anwendungen in der Neuro-Radiologie beschrieben. Das Verfahren kann selbstverständlich auch auf anderen Gebieten, bei denen die digitale Subtraktions-Angiographie und/oder Roadmapping eingesetzt werden, angewendet werden. Auch bei anderen Techniken der medizinischen Bildgebung, bei denen Serienaufnahmen gemacht und miteinander in Beziehung gesetzt werden müssen, lässt sich das vorliegende Verfahren einsetzen.
Für die Bildaufnahmen wird eine Röntgen-Angiographie-Anlage 1 eingesetzt, die schematisch in der 1 dargestellt ist. Die Röntgen-Angiographie-Anlage 1 besteht u. a. aus einem um zwei Achsen rotierbaren C-Bogen 1a, an dem eine Röntgenröhre 10 und ein der Röntgenröhre gegenüberliegender Detektor 11 befestigt sind, einer Bildverarbeitungseinheit 12 und einer Bildanzeigeeinheit 13. Weiterhin umfasst diese Anlage den gegebenenfalls motorisch verstellbaren Patiententisch 16, eine Steuereinheit 14 für die Bildaufnahmesteuerung sowie die Kompensationseinheit 15. Durch Rotation des C-Bogens 1a lassen sich unterschiedliche Projektionen des Untersuchungsbereiches des während der Untersuchung auf dem Patiententisch 16 gelagerten Patienten als zweidimensionale Bilder aufzeichnen. Beim vorliegenden Verfahren wird ein Atemsensor 2a für die Erfassung des Atemsystems des Patienten eingesetzt. Der Atem sensor 2a ist an einer Trigger-Vorrichtung 2 angeschlossen, die die Aufnahmezeitpunkte der Masken- und Füllbilder während eines Atemzyklus bestimmt. Üblicherweise werden zwischen 2 und 40 Aufnahmen pro Atemzyklus durchgeführt. Die Maskenbilder werden digital abgespeichert, und nach dem Injizieren eines Kontrastmittels werden Füllbilder mit der gleichen Triggerung aufgenommen, mit der die Zeitpunkte der Aufnahmen der Maskenbilder bestimmt wurden. Somit erhält man jeweils Masken- und Füllbildpaare, die jeweils bei gleichen Atmungszuständen aufgenommen wurden. Deren Subtraktion führt zu einer optimalen Eliminierung nicht interessierender Bildbestandteile.

Claims

Verfahren zur Kompensation von Patientenbewegungen bei Serienaufnahmen in der medizinischen Bildgebung, bei der in zeitlichen Abständen mehrere Bilder eines Untersuchungsbereichs eines Patienten in einem Bildgebungssystem aufgezeichnet und zueinander in Beziehung gesetzt werden, insbesondere zur Bewegungskompensation bei der digitalen Subtraktions-Angiographie (DSA) oder bei der Pfadfinder-Technik (RDMP) im abdominellen Bereich, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Maskenbildern atemgetriggert während eines Atemzyklus aufgenommen wird, mit der gleichen Triggerung Füllbilder aufgenommen werden und Maskenbilder und Füllbilder, die bei gleichen Atemzuständen aufgenommen wurden, voneinander subtrahiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Atemzustände mit einem Atemsensor erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Subtraktion von Masken- und Füllbildern im Live-Modus des Bildgebungssystems erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die DSA- oder RDMP-Aufnahmen abgespeichert werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Atemzyklus zwischen 2 oder 40 Aufnahmen gemacht werden.
Bildgebungssystem mit einer Strahlungsquelle (10), einem Strahlungsdetektor (11), einem Patiententisch (16), einer Steuereinheit (14) für eine Bildaufnahmesteuerung einer Bildverarbeitungseinheit (12) und einer Bildanzeigeeinheit (13), gekennzeichnet durch einen Atemsensor (2a) zur Erfassung des Atemzyklus des Patienten und durch eine Trigger-Vorrichtung (2) zur Steuerung der Aufnahmezeitpunkte von Masken- und Füllbildern mit dem Atemzyklus, derart, dass Maskenbilder und Füllbilder, deren Aufnahmezeitpunkte gleichen Atemzuständen entsprechen, voneinander in der Bildverarbeitungseinheit (12) subtrahiert werden.