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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abbildung eines Organs des
menschlichen oder tierischen Körpers
mittels eines Computertomographiesystems mit einer entlang eines
Umlaufrings um den Körper rotierenden
Röntgenstrahlungsquelle,
wobei der Umlaufring jeweils für
eine Aufnahme eines Bilddatensegments in einer Schnittebene während eines
Umlaufs der Röntgenstrahlungsquelle
relativ zum Körper in
einer Position feststeht und die Röntgenquelle getriggert durch
ein Zyklussignal, welches einen Bewegungszyklus des Organs repräsentiert,
eine begrenzte Messzeitspanne lang aktiviert ist und wobei der Umlaufring
für die
Aufnahme von Bilddaten in weiteren Schnittebenen jeweils zwischen
den Aufnahmen sequenziell an die gewünschten weiteren Positionen entlang
des Körpers
relativ zum Körper
verstellt wird. Darüber
hinaus betrifft die Erfindung eine Steuereinrichtung für ein derartiges
Computertomographiesystem, welche einen Signaleingang zur Eingabe
eines entsprechenden Zyklussignals aufweist und welche so ausgebildet
ist, dass sie das Computertomographiesystem in der zuvor beschriebenen
Weise ansteuert. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes
Computertomographiesystem mit einer solchen Steuereinrichtung und
ein Computerprogrammprodukt, welches zur Ausführung des Verfahrens in einen
Speicher einer Steuereinrichtung eines Computertomographiesystems
ladbar ist.
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In
der modernen Medizin sind vielfältige nicht-invasive
oder minimal-invasive Verfahren zur Abbildung von Organen bekannt.
Ziel dieser Verfahren ist es, im Wesentlichen ohne Körperöffnung eine umfassende
Kenntnis von dem jeweiligen Organ und dessen Zustand zu erhalten.
In dem eingangs genannten Computertomographiesystem werden mit Hilfe
eines Röntgenverfahrens
dreidimensionale Bilder vom Inneren eines Untersuchungsobjekts erzeugt.
Hierzu rotiert eine Röntgenquelle
wie be schrieben sehr schnell entlang eines Umlaufrings (üblicherweise
in einem sogenannten Gantry-Gehäuse)
um den Körper
des Patienten und durchleuchtet ihn dabei. Der Röntgenquelle jeweils gegenüberliegend
befindet sich eine Detektoreinheit, die die durch den Körper abgeschwächten Röntgenstrahlen
ortsaufgelöst
detektiert. Aus den mit der Detektoreinrichtung erfassten Bilddaten
können
dann zweidimensionale Röntgenschnittbilder
rekonstruiert werden, aus denen schließlich Schnittbilder und ein
dreidimensionales Bild rekonstruiert werden können.
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Bei
der Computertomographie unterscheidet man vom Grundsatz her zwei
Aufnahmeverfahren. Bei einer Methode wird die Gantry während der
Rotation der Röntgenquelle
um den Körper
in Längsrichtung
des Körpers
relativ zum Patienten (im Folgenden z-Richtung genannt) kontinuierlich
fortbewegt, so dass die Röntgenquelle
während
der gesamten Untersuchung in Form einer Helix um den Körper herumläuft. Dieses
Verfahren wird üblicherweise
als Spiralscan-Verfahren bezeichnet. Ein weiteres Verfahren ist
der sogenannte „sequenzielle Scan", wie er bereits
eingangs erwähnt
wird. Hierbei steht der Umlaufring während einer Aufnahme in einer
bestimmten Schnittebene an einer fixen Position. Ist an dieser Position
das Schnittbild gefertigt, so wird anschließend der Umlaufring an die
neue Position relativ zum Körper
bewegt und so in einer benachbarten Schnittebene eine neue Aufnahme
erzeugt. Mit einer relativen Verstellung des Umlaufrings zum Körper des
Patienten ist dabei im Folgenden sowohl eine Bewegung des Umlaufrings
gegenüber
einem fix im Raum auf einem Untersuchungstisch oder dergleichen
positionierten Patienten zu verstehen, als auch – wie bei den meisten Geräten – eine Bewegung
des Patienten mit einem in z-Richtung durch den Umlaufring verfahrbaren
Untersuchungstisch bei einem fix im Raum stehenden Gantrygehäuse.
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In
vielen Fällen
wird heute das Spiralscan-Verfahren durchgeführt, wobei meist der Röntgenstrahler
kontinuierlich während
des Vorschubs strahlt. Andererseits führt dieses Verfahren, bei dem zwangsläufig ein
großer Überlapp
von Bilddaten er zeugt und folglich auch das Gewebe mehrfach bestrahlt
werden muss, zu einer höheren
Dosisapplikation. Demgegenüber
hat das sequenzielle Verfahren den Vorteil, dass im Prinzip nur
dann Dosis appliziert wird, wenn in einer bestimmten Schnittbildebene auch
eine Aufnahme durchgeführt
wird. Dabei ist für eine
Rekonstruktion mindestens ein halber Umlauf zuzüglich dem von der Fächergeometrie
des Röntgenstrahls
erreichten Fächerwinkels
nötig,
der meist in der Größenordnung
von 50° liegt.
In der Praxis wird üblicherweise
zusätzlich
ein Übergangswinkel von
etwa 30° verwendet,
um Artefakte an den Nahtstellen des Projektionswinkel-Intervalls
zu vermeiden. Zur Verbesserung der Zeitauflösung und somit zur Verbesserung
der Bildqualität
ist es auch möglich,
ein solches Segment aus Teilsegmenten zusammenzusetzen, z. B. aus
zwei Segmenten mit jeweils nur einem Viertel der Rotation (plus
jeweils dem gerätebedingten
Fächerwinkel),
die an der gleichen Tischposition aufgenommen werden.
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Ein
Problem bei all diesen Verfahren besteht jedoch in der Aufnahme
von sich schnell bewegenden Organen. Für eine sinnvolle Bildrekonstruktion können nämlich nur
diejenigen Bilddaten genutzt werden, die das Organ jeweils in dem
gleichen Zustand zeigen. In einem der wichtigsten Anwendungsfälle, der
Aufnahme des Herzens, wird dabei als Darstellungszustand bevorzugt
die Füllungsphase
oder Diastole als eine relative Ruhephase des Herzens gewählt. Diese
Ruhephase dauert bei einem lebenden Menschen auch in einer Ruhelage
bei Entspannung weniger als 100 ms an. Es können also nur Bilddaten innerhalb
einer begrenzten Messzeitspanne, die zeitlich innerhalb dieser Ruhephase
liegt, für
die Bildrekonstruktion verwendet werden. Daneben gibt es aber auch
spezielle Aufnahmen, bei denen das Herz gerade in der systolischen
Phase, d. h. in maximaler Kontraktion, aufgenommen werden soll.
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Derzeit
werden die meisten Cardio-CT-Untersuchungen (Herz-Computertomographie-Untersuchungen)
mit einem Spiralaufnahmeverfahren durchgeführt, wobei die aufgenommenen
Bilddaten retrospektiv selektiert („gegatet") werden. Hierzu wird paral lel zur Computertomographieaufnahme
ein EKG des Patienten mitgeschrieben. Anhand dieses EKG-Signals
werden die zulässigen
Messzeiträume innerhalb
der jeweils gewünschten
Phasen des Herzens bestimmt. Es werden dann für die Rekonstruktion nur die
Bilddaten herangezogen, die aus diesen zulässigen Messzeiträumen stammen.
Alle übrigen Daten
werden für
die Bildrekonstruktion des Herzens in der Regel nicht verwendet.
Diese Untersuchungsverfahren haben zwar den Vorteil einer relativ
geringen Untersuchungszeit, jedoch den Nachteil einer hohen Dosisapplikation.
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Um
die Dosis zumindest etwas zu reduzieren, werden derzeit schon Spiralscan-Verfahren
eingesetzt, bei denen der Röhrenstrom
der Röntgenquelle
korreliert mit einem EKG-Signal moduliert wird und somit in bestimmten
Phasen, in denen definitiv vom Herzen keine verwertbaren Aufnahmen
erzeugt werden können,
die Dosis auf z. B. ungefähr
20% herabgesetzt wird. Diese Restdosis reicht gerade aus, um die
damit gewonnenen Bilddaten notfalls für eine Rekonstruktion zu verwenden,
sofern keine geeigneten Bilddaten aus einer Raumrichtung zur Verfügung stehen,
die für
eine vollständige
Rekonstruktion benötigt
werden.
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Mit
den neuerdings erhältlichen
breiteren Mehrzeilendetektoren, die in z-Richtung mehrere Detektorzeilen
aufweisen, sind dagegen auch für
Cardio-CT-Untersuchungen sequenzielle Scan-Verfahren zeitlich interessant. Um hier
dafür zu
sorgen, dass die Dosis möglichst
niedrig ist, ist ein Triggern der Aufnahme mit Hilfe eines Zyklussignals,
welches den Bewegungszyklus des Organs repräsentiert, beispielsweise bei
einer Herzaufnahme mit Hilfe des EKG-Signals, sehr sinnvoll. Es
kann dann anhand des EKGs die nächste
Messzeitspanne festgelegt werden, so dass nur innerhalb dieser Zeitspanne Strahlung
appliziert wird. Allerdings hat dieses Verfahren den Nachteil, dass
es nur bei sehr gleichmäßigen EKGs
ausreichend gut funktioniert. In den meisten Fällen ändert sich jedoch die Herzfrequenz während einer
Aufnahme. Zusätzlich
kommen häufig auch
arrhythmische Bewegungen des Herzens hinzu. Dies liegt daran, dass
sich die Patienten während der
Messung fast unweigerlich in einer Stresssituation befinden und
es sich ja in der Regel um Patienten handelt, die gerade wegen eines
abnormalen Verhalten des Herzens untersucht werden. In all diesen
Fällen
ist es nicht sichergestellt, dass die im Vorhinein anhand der Herzfrequenz
festgelegte Messzeitspanne ausreichend mit der aufzunehmenden Phase
des Herzens übereinstimmt.
Dies lässt
sich erst unmittelbar während
der Aufnahme feststellen. Das heißt, erst nach dem Applizieren
einer Röntgendosis
kann entschieden werden, ob dies überhaupt gerechtfertigt war
und die unmittelbar zuvor gemessenen Bilddaten verwertbar sind.
In der Regel werden daher insbesondere bei Patienten mit arrhythmischen EKGs
viele der Daten verworfen, so dass die Dosis zwar appliziert wurde,
aber nicht genutzt wird. Letztendlich führt dies dann dazu, dass zum
einen die Untersuchungszeiten länger
sind als bei den klassischen Spiralscans und die Strahlendosis wegen
der nicht verwendbaren Aufnahmen doch der der Spiralscans nahe kommt.
Aus diesem Grund wird in der Regel – außer bei Patienten mit sehr
rhythmischem EKG – auf
einen dosissparenden sequenziellen Scan verzichtet und stattdessen
ein Spiralscan durchgeführt.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine Steuereinrichtung für
ein Computertomographiesystem der eingangs genannten Art dahingehend
zu verbessern, dass sie auch bei Zyklussignalen sinnvoll einsetzbar
sind, welche starken Variationen unterliegen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch
eine Steuereinrichtung gemäß Patentanspruch
13 gelöst.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird wie bei einem typischen sequenziellen Scan der Umlaufring für die Aufnahme
von Bilddaten in einer bestimmten Schnittebene in einer Position
relativ zum Körper
festgehalten und getriggert durch ein Zyklussignal, welches den
Bewegungszyklus des Organs repräsentiert,
die Röntgenquelle
eine begrenzte Zeitspanne während ihrer
Bewegung entlang eines bestimmten Segments des Umlaufrings aktiviert.
Unter einer Aktivierung ist hier ein Einschalten der Röntgenquelle
insoweit zu verstehen, dass diese für die Bildrekonstruktion ausreichende
Strahlung liefert. Das heißt,
in den übrigen
Zeitpunkten außerhalb
der Messzeitspanne ist die Röntgenquelle
in diesem Sinne deaktiviert, das heißt sinvollerweise komplett
ausgeschaltet oder läuft
ggf. mit stark reduzierter Dosis. Zwischen den Aufnahmen in verschiedenen
Schnittebenen wird dann der Umlaufring relativ zum Körper sequenziell
an die gewünschten
weiteren Positionen verbracht, wobei entweder der Patient fest im
Raum gelagert wird und sich der Umlaufring bewegt oder fest im Raum
steht und der Patient auf einem Untersuchungstisch in z-Richtung
verfahren wird. Erfindungsgemäß wird dabei
die Messzeitspanne für
ein aufzunehmendes Bilddatensegment bezüglich ihrer zeitlichen Lage
und Länge
dynamisch an eine aktuelle Struktur des Zyklussignals angepasst.
Die jeweils aktuelle Struktur bestimmt sich dabei aus dem aktuellen
bzw. dem letzten Messzyklus und einer beliebigen Anzahl vorangehender
Messzyklen. Diese können
jeweils zur Bestimmung der Lage und Länge der nächsten Messzeitspanne herangezogen
werden. Eine Struktur des Zyklussignals wird dabei durch bestimmte
strukturelle Merkmale wie mittlere Frequenz, Variation, Varianz,
Trend oder sonstige Charakteristika bzw. Besonderheiten definiert.
Dabei können
verschiedene Regeln angewendet werden, um auf Basis dieser Strukturdaten
die nächste
Messzeitspanne zu bestimmen. Beispiele für geeignete Regeln werden im
Folgenden noch erläutert.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird also die Messzeitspanne individuell für das nachfolgend aufzunehmende
Bilddatensegment möglichst passend
geschätzt.
Dabei ist auch eine spontane Änderung
der Messzeitspanne möglich,
wenn festgestellt wird, dass die tatsächliche Struktur der nachfolgenden
Signalzyklen nicht so aussieht, wie sie bei der Bestimmung der Messzeitspanne
anhand der zu diesem Zeitpunkt aktuellen Struktur geschätzt wurde.
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Zwar
führt das
erfindungsgemäße Verfahren gegenüber einem
Verfahren, bei dem beispielsweise in Abhängigkeit von der durchschnittlichen
Frequenz des Zyklussignals die Messzeitspanne einmal zu Beginn festgelegt
wurde, auch zu längeren
Messzeitspannen, was wiederum zu einer etwas höheren Dosisapplikation führt. Dies
wird jedoch durch die Tatsache mehr als ausgeglichen, dass nahezu
aus allen Messzeitspannen auch verwertbare Bilddaten erzeugt werden
und unnötige
Wiederholungen von Messungen vermieden werden. Insbesondere ist
zu berücksichtigen,
dass dieses Verfahren auch bei stark arrhythmischen Zyklussignalen
anwendbar ist und daher nicht auf klassische Spiralscan-Verfahren mit
weit höherer
Dosis zurückgegriffen
werden muss. Insgesamt wird also mit dem Verfahren eine erhebliche
Dosisreduzierung für
derartige Untersuchungen erreicht.
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Eine
erfindungsgemäße Steuereinrichtung für ein Computertomographiesystem
der eingangs genannten Art benötigt
wie bisher einen Signaleingang zur Eingabe des Zyklussignals. Diese
Steuereinrichtung muss derart ausgebildet sein, dass sie das Computertomographiesystem
so ansteuert, dass der Umlaufring jeweils für eine Aufnahme eines Bilddatensegments
in einer Schnittebene während
eines Umlaufs der Röntgenstrahlquelle
relativ zum Körper in
einem Patienten feststeht und die Röntgenquelle, getriggert durch
das Zyklussignal, eine begrenzte Messzeitspanne lang aktiviert ist
und dass der Umlaufring für
eine Aufnahme von Bilddaten in weiteren Schnittebenen jeweils zwischen
den Aufnahmen sequenziell an die gewünschten weiteren Positionen entlang
des Körpers
verbracht wird. Außerdem
muss die Steuereinrichtung erfindungsgemäß eine Messzeitspannen-Ermittlungseinheit
aufweisen, welche die Messzeitspanne für ein aufzunehmendes Bilddatensegment
bezüglich
ihrer zeitlichen Lage und Länge
dynamisch an eine Struktur des Zyklussignals anpasst.
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Eine
solche Steuereinrichtung kann dabei an einem beliebigen Computertomographiesystem
eingesetzt werden, sofern ein entsprechendes Gerät zur Messung eines geeigneten
Zyklussignals, beispielsweise ein EKG-Gerät, zur Verfügung steht. Da die Messzeitspannen-Ermittlungseinheit
auch in Form eines Softwaremoduls aufgebaut sein kann, ist es vorteilhafterweise
auch möglich,
eine bestehende Steuereinrichtung, auf der bereits eine entsprechende
Software zur Steuerung des Computertomographiesystems in Abhängigkeit
von derartigen Zyklussignalen installiert ist, durch ein einfaches
Update erfindungsgemäß auszubilden.
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Die
abhängigen
Ansprüche
enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung, wobei insbesondere die erfindungsgemäße Steuereinrichtung
auch analog zu den abhängigen
Verfahrensansprüchen
weitergebildet sein kann.
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Die
Erfindung ist grundsätzlich
bei allen Typen von Computertomographiesystemen einsetzbar, d. h.
sowohl bei Systemen, bei denen eine Röntgenstrahlungsquelle mit einem
feststehenden, sich vollständig
entlang des Umlaufrings erstreckenden Detektorfeld verwendet wird,
als auch bei Computertomographiesystemen mit kreissegmentförmigen Detektorfeldern,
welche synchronisiert mit der Röntgenstrahlungsquelle
umlaufen. Ebenso ist eine Nutzung der Erfindung an einem sog. Dual-Source-Computertomographiesystem,
d. h. einem System mit zwei Röntgenstrahlern
und ggf. zwei Detektoren, oder an einem Computertomographiesystem
mit einer noch höheren
Anzahl an Röntgenstrahlern
und/oder Detektoren möglich.
Darüber
hinaus ist auch ein Einsatz an Elektronenstrahl-Tomographen möglich.
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Bei
einem besonders bevorzugten Verfahren wird die Messzeitspanne für eine nachfolgende
Messung aus einer Mindestzeitspanne, die von einer Rotationsgeschwindigkeit
der Röntgenquelle
und einem zu erfassenden Winkelbereich abhängt, sowie von einer von der
Struktur des Zyklussignals abhängigen variablen
Sicherheitsspanne gebildet. Dadurch ist zwangsläufig sichergestellt, dass die
Messzeitspanne immer lang genug ist, um das gewünschte Datensegment überhaupt
erfassen zu können.
Zusätzlich wird
durch die Sicherheitszeitspanne die Wahr scheinlichkeit erheblich
erhöht,
dass sich das Organ innerhalb der Messzeitspanne auch in der Phase
befindet, die aufgenommen werden soll.
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Dabei
wird bevorzugt die Sicherheitsspanne jeweils für die nachfolgende Messung
in Abhängigkeit
von der aktuellen Variabilität
des Zyklussignals gewählt.
Das heißt,
es werden Parameter für
die Bestimmung der Sicherheitsspanne herangezogen, die davon abhängen, wie
veränderlich
das Zyklussignal zum aktuellen Zeitpunkt bzw. in einer bestimmten
Anzahl vorangegangener Signalzyklen war.
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Besonders
bevorzugt wird zur Festlegung eines Startpunkts für eine nachfolgende
Messzeitspanne der Zeitpunkt abgeschätzt, wann das nächste Mal ein
bestimmtes charakteristisches Merkmal im Zyklussignal auftritt.
Diese Abschätzung
erfolgt auf Basis des Verlaufs vergangener Signalzyklen. Beispielsweise
kann bei einem EKG das Auftreten der nächsten R-Zacke abgeschätzt werden,
da diese R-Zacke in jedem EKG signifikant hervortritt und sich somit
als charakteristisches Merkmal besonders gut eignet.
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Sowohl
die Festlegung der variablen Sicherheitszeitspanne als auch die
Abschätzung
des Zeitpunkts des nächsten
Auftretens des bestimmten charakteristischen Merkmals kann in Abhängigkeit
von einem Mittelwert und/oder einem Median der Zykluslänge einer
Anzahl von vorgehenden Zyklen erfolgen.
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Ebenso
können
bevorzugt zu dieser Abschätzung
einer oder mehrere der folgenden Parameter herangezogen werden:
- – Minimale
Zykluslänge
einer Anzahl von vorangehenden Zyklen,
- – maximale
Zykluslänge
einer Anzahl von vorangehenden Zyklen,
- – Trendlinie
einer Anzahl von vorangegangenen Zyklen, und
- – Standardabweichung
(z. B. auch den Mittelwert normiert) von der Trendlinie einer Anzahl
von vorangegangenen Zyklen.
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Die
Berücksichtigung
auch der minimalen und maximalen Zykluslänge sowie der Trendlinie und der
Standardabweichung ermöglicht
eine besonders gute Abschätzung
in Abhängigkeit
von der aktuellen Variabilität
des Zyklussignals, wogegen eine alleinige Abschätzung in Abhängigkeit
von einem Mittelwert oder einem Median lediglich die Veränderung
der Frequenz berücksichtigt.
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Dabei
können
zur Bestimmung des Mittelwerts oder des Medians sowie der minimalen
Zykluslänge,
der maximalen Zykluslänge,
der Trendlinie, der Standardabweichung des Mittelwerts oder des Medians
jeweils die gleiche Anzahl von vorangegangenen Zyklen verwendet
werden. Es ist aber auch möglich,
für jeden
dieser Parameter eine eigene Anzahl von vorangegangenen Zyklen festzulegen,
die bei der Bestimmung dieses Parameters berücksichtigt werden.
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Besonders
bevorzugt hat die Sicherheitsspanne eine vorgebbare Mindestlänge, welche
für diese
Funktion nach Belieben vom Bediener oder auch werkseitig vorgegeben
sein kann. Diese Methode ist gleichbedeutend mit einem Verfahren,
bei dem auf die Mindestzeitspanne zunächst eine vorgebbare fixe Sicherheitszeitspanne
aufaddiert wird und dann eine weitere variable Sicherheitszeitspanne,
die wiederum von der aktuellen Variabilität des Zyklussignals abhängen sollte.
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Vorteilhafterweise
sollte das Verfahren auch plötzlich
auftretende zufällige
Ereignisse wie ein zusätzliches
bzw. vorzeitiges Auftreten eines neuen Zyklus bzw. einen verzögerten Zyklus
berücksichtigen. Typische
Beispiele für
solche Ereignisse sind im EKG sog. Extrasystolen oder verzögerte Zyklen,
bei denen die R-Zacke abnormal spät eintritt und daher ein Zyklus
sehr lange dauert.
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Daher
wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
des Verfahrens bei einem Auftreten eines bestimmten charakteristischen
Merkmals, beispielsweise der R-Zacke im EKG, während einer Aufnahme eines
Bilddatensegments die Bilddatenaufnahme abgebrochen. Dabei ist es
unerheblich, ob dieses betreffende charakteristische Merkmal vorzeitig
auftritt. Da bei einem EKG für
eine Cardio-CT-Untersuchung in der Ruhephase während der R-Zacke ohnehin keine
verwertbaren Bilddaten akquiriert werden können, ist es sinnvoll, die
Bilddatenaufnahme zu diesem Zeitpunkt abzubrechen, um eine unnötige Dosisapplikation
zu vermeiden.
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Weiterhin
kann bevorzugt in manchen Fällen,
in denen ein bestimmtes charakteristisches Merkmal vorzeitig, d.
h. vor dem geschätzten
Zeitraum des nächsten
Auftretens, auftritt, sofort mit einer Bilddatenaufnahme begonnen
werden. Auf diese Weise können
beispielsweise auch Bilddaten nach einer Extrasystole erfasst werden.
Umgekehrt kann, wenn in dem geschätzten Zeitraum des nächsten Auftretens
des bestimmten charakteristischen Merkmals das Merkmal nicht auftritt,
ab einem bestimmten Zeitpunkt, welcher z. B. am Ende des geschätzten Zeitraums
oder auch kurz danach liegen kann, mit einer Aufnahme eines Bilddatensegments
begonnen werden. Diese Messzeitspanne wird dann wieder abgebrochen,
wenn das bestimmte charakteristische Merkmal tatsächlich auftritt
oder spätestens,
wenn die kalkulierte Messzeitspanne beendet ist.
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Wie
bereits eingangs erläutert,
ist es bei einem sequenziellen Verfahren möglich, zur Verbesserung der
Zeitauflösung
an einer Position anstatt eines langen Bildsegments mehrere kurze
Segmente zu erfassen. Vorzugsweise wird daher nach einer Aufnahme
eines Bilddatensegments geprüft,
ob an der aktuellen Position eine Aufnahme eines weiteren Bilddatensegments
durchzuführen
ist. Dabei wird nach vorgegebenen Regeln geprüft, ob die Aufnahme eines solchen
Bilddatensegments zwingend erforderlich ist, um überhaupt in dieser Schnittbildebene
ein ausreichend gutes Bild rekonstruieren zu können, und/oder es wird geprüft, ob eine
solche weitere Aufnahme eines Bilddatensegments zumindest insoweit
sinnvoll ist, dass dadurch die Zeitauflösung in dieser Schnittbildebene
verbessert werden kann. Ist dies der Fall, wird dann die weitere Bilddatensegmentaufnahme
an der gleichen Position durchgeführt, andernfalls wird die neue
Position angefahren.
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Das
Verfahren ist – wie
erwähnt – besonders bei
einer Aufnahme des Herzens vorteilhaft. Daher wird bevorzugt ein
EKG-Signal als Zyklussignal
herangezogen. Darüber
hinaus kann das Verfahren aber auch zur Aufnahme anderer sich zyklisch
bewegender Organe verwendet werden. Sofern diese Bewegung durch
die Herzbewegung beeinflusst wird, weil es sich beispielsweise um
Organe unmittelbar neben dem Herzen handelt, die bei der Herzbewegung
mitbewegt werden, kann auch für
solche Aufnahmen das EKG-Signal als Zyklussignal herangezogen werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden noch einmal unter Hinweis auf die beigefügten Figuren
anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Computertomographiesystems,
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2 ein
Beispiel eines EKGs mit darin markierten Messzeitspannen, welche
mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
festgelegt wurden,
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3 eine
Graphik zur Verdeutlichung einer möglichen Methode zur Abschätzung einer
nachfolgenden Messzeitspanne,
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4a eine
schematische Darstellung einer Messzeitspanne innerhalb eines EKGs
mit einer Extrasystole, und
-
4b eine
schematische Darstellung einer Messzeitspanne innerhalb eines EKGs
mit verzögerter
R-Zacke.
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Im
Folgenden wird – ohne
die Erfindung darauf zu beschränken – davon
ausgegangen, dass es sich bei der CT-Aufnahme um eine Cardio-CT-Untersuchung
handelt, bei der das Herz des Patien ten in der Ruhephase aufgenommen
werden soll. Als Zyklussignal S wird dabei das EKG-Signal S des
Patienten, welches während
der CT-Untersuchung aufgenommen wird, herangezogen.
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Bei
dem in 1 gezeigten Computertomographiesystem 1 handelt
es sich um ein an sich handelsübliches
Computertomographiesystem, dessen Steuereinrichtung 10,
wie nachfolgend noch näher erläutert wird,
in der erfindungsgemäßen Weise
zur Erzeugung eines erfindungsgemäßen Computertomographiesystems
modifiziert wurde.
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Das
Computertomographiesystem 1 weist einen üblichen
Scanner mit einer entlang eines Umlaufrings 4 schnell rotierenden
Röntgenquelle 5 auf. Synchron
mit der Röntgenquelle 5 läuft am Umlaufring 4 auf
der jeweils gegenüberliegenden
Seite der Röntgenquelle 5 ein
Detektor (nicht dargestellt) um, wobei es sich vorzugsweise um einen
breiten Mehrzeilendetektor handelt. Der Körper K des Patienten liegt
auf einem Untersuchungstisch 2, welcher in Längsrichtung
durch den Umlaufring 4 verfahrbar auf einem Untergestell 3 gelagert
ist. Das Untergestell 3 ist hierzu als entsprechende Verstelleinrichtung 3 mit Motoren
etc. ausgestattet, so dass der Körper
des Patienten einmal komplett in z-Richtung durch den Umlaufring 4 verschoben
werden kann.
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Angesteuert
wird dieser Scanner mittels einer Steuereinrichtung 10. Über die
Steuereinrichtung 10 sind u. a. die Röntgenstrahlungsquelle 5,
beispielsweise eine klassische Röntgenröhre mit
einem zugehörigen
Röntgengenerator
(nicht dargestellt), sowie alle weiteren benötigten Aggregate wie Motoren
zur Bewegung der Röntgenröhre 5 und
der Detektoreinheit entlang des Umlaufring 4 und zur Bewegung
des Untersuchungstischs 2 ansteuerbar. Diese Steuereinrichtung 10 weist
eine erste Schnittstelle 11 auf, über die die Verstelleinrichtung 3 des
Untersuchungstischs 2 angesteuert werden kann, um den Körper K des
Patienten relativ zum Umlaufring 4 zu positionieren. Weiterhin
weist die Steuereinrichtung 10 eine Schnittstelle 12 auf, über die
die Röntgenquelle 5 (bzw.
der Röntgengenerator)
sowie die Umlaufgeschwindigkeit der Röntgenquelle 5 gesteuert werden. Über eine
weitere Schnittstelle 13 werden die vom Detektor kommenden
Bildrohdaten ausgelesen. Die Bildrohdaten werden dann an eine Rekonstruktionseinheit 14 weitergeleitet,
welche die Bilder rekonstruiert.
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Eine
zentrale Komponente innerhalb der Steuereinrichtung 10 ist
eine Messablauf-Steuereinheit 16. Diese sorgt dafür, dass
die Röntgenstrahlungsquelle 5,
die Röntgendetektoreinrichtung,
die Antriebsmotoren, um die Komponenten in Rotation zu versetzen,
sowie die Ansteuerung des Untersuchungstischs 2 entsprechend
vorgegebener Messprotokolle angesteuert werden. Solche Messprotokolle
können
beispielsweise in einem Speicher 18 hinterlegt sein. Zudem
können
die Messprotokolle von einem Bediener über ein Terminal 21,
welches zur Bedienung des gesamten Computertomographiesystems 1 dient,
verändert
und angepasst werden. Ebenso können über das
Terminal 21 neue Protokolle vorgegeben werden. Auf dem
Bildschirm dieses Terminals 21 können auch die von der Rekonstruktionseinheit 14 erzeugten
Bilder ausgegeben werden.
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Die
Steuereinrichtung 10 ist außerdem an ein Bussystem 22 angeschlossen,
an welches weitere Komponenten wie beispielsweise Bildmassenspeicher,
weitere Bildrechner, Filmingstationen etc. angeschlossen sein können. Über dieses
Bussystem 22 können
ebenfalls Messprotokolle geladen werden oder geladene Messprotokolle
versendet werden. Ebenso ist es auch möglich, die mittels der Schnittstelle 13 akquirierten
Bildrohdaten über
das Bussystem 22 an eine externe Rekonstruktionseinheit
zu versenden und erst dort die Bilder zu rekonstruieren.
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Die
Messablauf-Steuereinheit 16 ist dabei so ausgebildet, dass
sie – sofern
entsprechende Protokolle vorgegeben werden – sequenzielle Messungen durchführen lassen
kann, bei denen wie bereits eingangs beschrieben an verschiedenen
fixen Positionen Schnittbilder des Patienten erzeugt werden und die
Position des Patienten relativ zum Umlaufring 4 zwischen
den einzelnen Schnittbildaufnahmen sequenziell verändert wird.
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Selbstverständlich ist
nicht ausgeschlossen, dass die Messablauf-Steuereinheit 16,
wenn dies durch entsprechende Protokolle vorgegeben wird, den Scanner
zur Durchführung
eines Spiralscan-Verfahrens ansteuert.
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Für die Durchführung einer
sequenziellen Cardio-CT-Untersuchung ist die Messablauf-Steuereinheit 16 erfindungsgemäß mit einer
Messzeitspannen-Ermittlungseinheit 17 ausgestattet, welche
beispielsweise in Form von geeigneter Software innerhalb der Messablauf-Steuereinheit 16 realisiert
werden kann. Diese Komponente 17 bestimmt bei einer sequenziellen
Messung eines sich zyklisch bewegenden Organs individuell die Messzeitspanne
für ein
nachfolgend aufzunehmendes Bilddatensegment bezüglich ihrer zeitlichen Lage
und Länge
dynamisch in Abhängigkeit
von einer Struktur des aktuellen EKGs des Patienten. Hierzu weist
die Steuereinrichtung einen Signaleingang 15 auf, an dem
ein EKG-Gerät 20 angeschlossen
werden kann, welches das EKG-Signal S liefert. Das EKG-Gerät 20 weist Elektroden 19 auf,
die in üblicher
Weise am Körper
K des Patienten während
der Messung positioniert sind.
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Auf
welche Weise die Messzeitspannen-Ermittlungseinheit 17 eine
nachfolgende Messzeitspanne bestimmt, wird nachfolgend noch anhand
der 2 bis 4 erläutert.
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Das
gesamte Computertomographiesystem 1 weist darüber hinaus
auch alle weiteren an bekannten Computertomographiesystemen üblichen
Komponenten bzw. Merkmale auf. Diese sind jedoch der besseren Übersichtlichkeit
wegen in 1 nicht dargestellt.
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2 zeigt
ein typisches Beispiel für
ein EKG mit Unregelmäßigkeiten.
Markiert ist hierbei mit den Bezugsziffern T1, T2,
..., T14 jeweils das zeitliche Auftreten
der R-Zacke im EKG, welche als besonders signifikantes Merkmal R
hervorsticht und somit zur Identifizierung eines Zyklus besonders
gut geeignet ist. Dargestellt ist auch eine Kurve, welche während einer
Untersuchungsdauer DU die Positionierung des Umlaufrings 4 relativ
zum Körper
K des Patienten an drei Positionen P1, P2, P3 zeigt. In der
Realität
umfasst eine solche Untersuchung möglicherweise mehr Messungen
an einer Vielzahl von Positionen, abhängig von der Länge des
zu untersuchenden Volumens und der Detektorbreite. Lediglich der
Vereinfachung wegen ist hier nur die Messung über drei Positionen P1, P2, P3 dargestellt.
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Zwischen
den Positionen P1, P2,
P3 entlang der Abschnitte V1,
V2 wird jeweils der Patiententisch relativ
zum Umlaufring 4 verfahren.
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Es
sind in dieser Figur innerhalb des EKG die Messzeitspannungen MB,1, MB,2, MB,3, MB,4, MB,5 eingezeichnet, welche jeweils mindestens
benötigt
werden, um ein für
eine Rekonstruktion notwendiges Datensegment zu erfassen. Weiterhin
sind in der Graphik die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens jeweils
vorab bestimmten Messzeitspannen MP,1, MP,2, MP,3, MP,4, MP,5 dargestellt.
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Bei
dem hier gezeigten bevorzugten Verfahren werden sowohl die Länge dieser
Messzeitspannen MP,1, MP,2,
MP,3, MP,4, MP,5 als auch deren Startzeitpunkte t1, t2, t3,
t4, t5 mit folgendem
Verfahren festgelegt:
Zunächst
wird in einem ersten Schritt zu Beginn der Messung die Position
T5 der nächsten
R-Zacke abgeschätzt
und ausgehend von dieser Schätzung
sowie der zur Rekonstruktion erforderlichen Mindestzeitspanne die
nachfolgende Messzeitspanne MP,1 berechnet.
Hierbei können
etablierte Verfahren zum Einsatz kommen, wie sie z. B. zur EKG-korrelierten Röhrenstrommodulation
bei Spiralscanverfahren eingesetzt werden. Bevorzugt wird jedoch
dafür gesorgt, dass
die komplette Struktur des EKGs, d. h. deren Varianz, Trend etc.,
berücksichtigt
wird und nicht nur beispielsweise die mittlere Herzfrequenz über die letzten
Zyklen. Dies erhöht
die Sicherheit, dass die prospektiv geforderten Herzphasen auch
tatsächlich von
der Messzeitspanne MP,1 abgedeckt sind.
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3 zeigt
graphisch, wie eine solche Abschätzung
der Position der nächsten
R-Zacke auf Basis der zurückliegenden
Zyklen vorteilhafterweise erfolgen kann, um einen ausreichenden
Sicherheitsbereich zu haben. Abgeschätzt wird dabei die zu erwartende
Zykluslänge
des aktuellen Zyklus Z0 von der letzten
R-Zacke bis zur nächstfolgenden
R-Zacke. Dabei wird hier auf die zurückliegenden letzten drei Zyklen
zurückgegriffen,
die in 3 mit Z–3, Z–2,
Z–1 bezeichnet
sind. Aufgetragen ist jeweils über
den Zyklen Z–3,
Z–2,
Z–1 die
Zykluslänge,
d. h. das Zeitintervall zwischen den jeweils zwei begrenzenden R-Zacken.
Berücksichtigt
werden für
die Abschätzung
des nachfolgenden Zyklus bzw. der zeitlichen Position der nächsten R-Zacke
zum einen die minimale Zykluslänge
ZLmin und die maximale Zykluslänge ZLmax, zum anderen aber auch eine Trendlinie
TL, die sich beispielsweise durch eine lineare Regression aus den
Zykluslängen
der letzten drei Zyklen Z–3, Z–2,
Z–1 ergibt.
Unter Berücksichtigung
dieser Trendlinie TL bei einer Verlängerung auf den nächsten abzuschätzenden
Zyklus Z0 ergibt sich eine Zykluslänge ZLTrend, die etwas oberhalb der maximalen Zykluslänge ZLmax liegt. Als vorläufige Schätzung der maximalen Zykluslänge (Maximalschätzung) wird
das Maximum von ZLmax und ZLTrend,
als Schätzung
der minimalen Zykluslänge
(Minimalschätzung)
das Minimum von ZLmin und ZLTrend verwendet.
Abhängig
von den Schwankungen der Herzzykluslänge, d. h. den Abweichungen
von der Trendlinie, wird noch ein Sicherheitszeitabstand SZ von der Minimalschätzung abgezogen beziehungsweise
zur Maximalschätzung
hinzuaddiert, um so zu einem Maximalwert ZLmax,est und zu
einem Minimalwert ZLmin,est für die abgeschätzte Zykluslänge zu kommen.
Der Sicherheitszeitabstand wird vorzugsweise proportional zur Standardabweichung
der drei Zyklen Z–3, Z–2,
Z–1 von
der Trendlinie TL gewählt.
Auf Basis dieser Abschätzungen
ergibt sich ein Zeitintervall, in dem das Auftreten der nächsten R-Zacke
T6 erwartet wird. Davon ausgehend kann dann
unter Berücksichtigung
der üblichen
Lage der Ruhephase relativ zur R-Zacke sowie der minimal notwendigen
Länge der
Messzeitspanne zur Aufnahme des benötigten Segments die nachfolgende Messzeitspanne
MP,1 ge plant werden. In dieser geplanten
Messzeitspanne MP,1 werden mit diesem Berechnungsverfahren
also automatisch sowohl die Maximalwerte als auch die Minimalwerte
der Zykluslängen,
der Trend und die Variation des EKGs berücksichtigt, so dass die geplante
Messzeitspanne MP,1 die mindestens erforderliche
Messzeitspanne MB,1 abdeckt.
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Es
wird dann zum Startzeitpunkt t1 die Datenaufnahme
während
der geplanten Messzeitspanne MP,1 durchgeführt und
die Röntgenquelle
entsprechend aktiviert. Im Moment der Messung der nächsten R-Zacke
zum Zeitpunkt T6 kann dann retrospektiv berechnet
werden, welche Messzeitspanne tatsächlich erforderlich gewesen
wäre. Daher
wird dann die Datenaufnahme ggf. sofort beendet, auch wenn die an
sich geplante Messzeitspanne MP,1 länger gewesen
wäre.
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Es
wird dann wiederum die Position der nachfolgenden R-Zacke T7 mit dem zuvor beschriebenen Verfahren abgeschätzt. Aufgrund
der bekannten Länge
des nun vergangenen Zyklus und der geschätzten nächsten Länge kann beurteilt werden,
ob es sich um einen abnormalen Zyklus handelt, welcher beispielsweise
durch eine Extrasystole entstanden ist oder welcher signifikant
länger
war als eine vorgegebene Vergleichszykluslänge, beispielsweise als die
durchschnittliche Zykluslänge.
Ebenso wird auch geprüft,
ob ein ausreichendes Datensegment erfasst wurde oder ob eine Neuaufnahme
an dieser Position erforderlich ist bzw. ob es die aktuelle Herzfrequenz
erlaubt, die Zeitauflösung
durch ein Mehrsegmentverfahren zu verbessern. In diesem Fall wird ggf.
an derselben Position noch mal ein weiteres, in der Regel kürzeres Datensegment
aufgezeichnet, welches zusätzlich
zum ersten Datensegment bei der Rekonstruktion verwendet wird, um
so insgesamt ein besseres Schnittbild in dieser Schnittebene zu
erhalten. Ist dies der Fall, so wird die nächste Messzeitspanne MP,2 berechnet. Dies erfolgt mit dem zuvor beschriebenen
Verfahren auf Basis der bereits abgeschätzten aktuellen Zykluslänge. Sobald
der Startzeitpunkt T2 dieser nächsten geplanten
Messzeitspanne MP,2 erreicht ist, beginnt
eine erneute Messung an der glei chen Position. Diese wird wieder
bei Erreichen der nachfolgenden R-Zacke T7 abgebrochen.
Wie in 2 gezeigt, wird auch hier die tatsächliche
benötigte
Messzeitspanne MB,2 sehr gut abgedeckt.
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Anschließend wird
während
des Zeitabschnitts V1 der Tisch an die nächste Position
P2 verfahren, wobei dies je nach Verstellweg
länger
als ein Herzzyklus dauern kann.
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An
der neuen Position P2 werden dann in der oben
beschriebenen Weise zunächst
die zeitliche Position T9 des nächsten Auftretens
der R-Zacke geschätzt
und darauf basierend eine geplante Messzeitspanne MP,3 berechnet.
Ebenso kann auch hier geprüft
werden, ob die Aufnahme weiterer Segmente sinnvoll ist, und es können entsprechend
weitere Messzeitspannen MP,4 geplant und
Messungen durchgeführt
werden. Schließlich
erfolgt ein weiteres Verfahren im Zeitabschnitt V2 zur
Position P3 usw., bis schließlich die
komplette Messung durchgeführt
ist.
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Die 4a und 4b zeigen
Beispiele, wie die Steuereinrichtung 10 bzw. das erfindungsgemäße Computertomographiesystem 1 reagieren
kann, wenn Ausnahmesituationen innerhalb des EKGs auftreten. 4a zeigt
dabei den Fall einer Extrasystole. Wie hier dargestellt, zeigt sich
dies im EKG-Signal S dadurch, dass neben den Systolen zu den Zeitpunkten
T15, T16 und T18 eine frühzeitige kleinere R-Zacke nicht
nach dem geschätzten
Zeitpunkt T17',
sondern schon zum Zeitpunkt T17 auftaucht.
In diesem Fall wird bevorzugt sofort mit einer Datenaufnahme begonnen,
welche so lange fortgeführt
wird, bis die nächste
R-Zacke zum Zeitpunkt T18 detektiert wird. Dies
sorgt dafür,
dass auf jeden Fall auch der nachfolgende Herzzyklus zur Datenaufnahme
genutzt werden kann.
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4b zeigt
den Fall einer zu spät
kommenden R-Zacke. Hier kommen zunächst die R-Zacken im EKG-Signal
S in sehr gleichmäßigen zeitlichen Abständen zu
den Zeitpunkten T19, T20,
T21 Ausgehend von diesen zeitlichen Positionen
wird an sich er wartet, dass in einem Zeitraum spätestens bis zum Zeitpunkt T22 die nächste
R-Zacke auftritt. Tatsächlich
tritt diese aber erst zum Zeitpunkt T23 auf.
Aus diesem Grund wird zum Zeitpunkt T22 entschieden, die
Datenaufnahme nicht wie vorausberechnet zu beenden, sondern bis
zum tatsächlichen
Auftreten der nächsten
R-Zacke zum Zeitpunkt T23 fortzusetzen,
um auch diesen Zeitraum zu nutzen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wurde im Vergleich gegenüber
herkömmlichen
Spiralakquisitionen mit EKG-korrelierter Röhrenstrommodulation auf Basis
von 420 EKGs untersucht. Zum einen wurde dabei ein Vergleich des
erfindungsgemäßen Messverfahrens
mit einem Spiralscan-Verfahren durchgeführt, bei dem die Restdosis
bei der Röhrenstrommodulation
noch 20% betrug, wie dies in den meisten Fällen mit EKG-korrelierter Röhrenstrommodulation üblich ist.
Gegenüber
diesem Verfahren wurde mit dem erfindungsgemäßen Sequenzverfahren eine Dosisreduktion
um 51% erreicht. Als Alternative wurde auch ein Vergleich zu einem
Spiralscan-Verfahren durchgeführt,
bei der der Röhrenstrom
noch weiter (auf bis zu 2%) heruntergesetzt wurde, was einer quasi
kompletten Abschaltung gleichkam. Gegenüber einem solchen „dosisoptimierten" Spiralscan-Verfahren
wurde immer noch eine Dosisreduktion von 38% erzielt. Dabei war
das erfindungsgemäße Verfahren
von der Gesamt-Scanzeit her genauso schnell oder allenfalls unwesentlich
langsamer als die Spiralscan-Verfahren. Dies zeigt, dass auch ohne großen Zeitverlust
und Verlängerung
der Gesamtmesszeit – selbst
bei komplizierten unregelmäßigen EKGs – mit dem
erfindungsgemäßen Sequenzverfahren
gemessen werden kann und erhebliche Dosiseinsparungen gegenüber den
sonst in solchen Fällen
verwendeten Spiralscan-Verfahren erzielt werden.
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Es
wird abschließend
noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei dem vorhergehend
detailliert beschriebenen Computertomographiesystemen sowie den
beschriebenen Verfahren lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche
vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne
den Bereich der Erfindung zu verlassen.