DE102007018630A1

DE102007018630A1 - Multimodales Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs-, Bildarchivierungs- und Bildvisialisierungssystem zur Koregistrierung, Fusionierung, Archivierung und grafischen Visualisierung endoluminaler CT- bzw. MRT-Bilddaten mit eingeblendeten PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-Bilddaten

Info

Publication number: DE102007018630A1
Application number: DE102007018630A
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr. Gündel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-04-19
Filing date: 2007-04-19
Publication date: 2008-10-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein insbesondere im Bereich der radiologisch-nuklearmedizinischen Schnittbilddiagnostik einsetzbares multimodales Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs-, Bildarchivierungs- und Bildvisualierungssystem sowie auf ein von diesem System durchgeführtes Verfahren zur Koregistrierung, Archivierung, Fusionierung und grafischen Visualisierung von digitalen Bilddaten. Das erfindungsgemäße System verfügt dabei über ein Fusionierungs-, Registrierungs- und Visualisierungs-Tool (FRVT), welches Bilddaten von 2-D-Schnittbildern endoluminaler Ansichten von darzustellenden Organen, Gewebebereichen, Läsionen bzw. pathologischen Strukturen (z. B. Polypen, Metastasen, Tumoren etc.) im Körperinneren (z. B. im Darm- oder Bronchialtrakt) eines Patienten, die z. B. im Rahmen einer virtuellen Endoskopie mittels CT- bzw. MRT-gestützter Bildgebung generiert wurden, bzw. Bilddaten rekonstruierter 2-D-Projektionen bzw. 3-D-Ansichten dieser Areale und Bildobjekte zusammen mit Bilddaten eingeblendeter Bildobjekte, welche mittels PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-basierter nuklearmedizinischer Bildgebung akquiriert und gegebenenfalls in Form zweidimensionaler Projektionsdarstellungen bzw. in dreidimensionaler Form rekonstruiert wurden, verlinkt, koregistriert, archiviert und in fusionierter Form auf dem Anzeigebildschirm (AB) eines Bildschirm-Terminals zur Anzeige bringt.

Description

Multimodales Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs-, Bildarchivierungs- und Bildvisualisierungssystem zur Koregistrierung, Fusionierung, Archivierung und grafischen Visualisierung endoluminaler CT- bzw. MRT-Bilddaten mit eingeblendeten PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-Bilddaten Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein insbesondere im Bereich der radiologisch-nuklearmedizinischen Schnittbilddiagnostik einsetzbares multimodales Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs-, Bildarchivierungs- und Bildvisualisierungssystem sowie auf ein von diesem System durchgeführtes Verfahren zur Koregistrierung, Archivierung, Fusionierung und grafischen Visualisierung von endoluminalen CT- bzw. MRT-Bilddaten einer virtuellen Endoskopie mit eingeblendeten PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-Bilddaten, die zur Darstellung von regionalen Stoffwechsel- und Gewebeveränderungen sowie zur Darstellung der Morphologie dieses Gewebes dienen.
Mit der virtuellen Endoskopie wurde ein neues Verfahren der bildgebenden radiologischen Diagnostik eingeführt, das die computerunterstützte endoluminale Darstellung (Spiegelung) von Hohlräumen des menschlichen Körpers, wie zum Beispiel des Magen-Darm-Trakts, der Speiseröhre, der Luftröhre, des Bronchialtrakts, der Harnblase oder der Gebärmutter, ermöglicht. Anders als bei einer herkömmlichen Ileo-Koloskopie, Duodenoskopie, Gastroskopie, Ösophagoskopie, Tracheoskopie, Bronchoskopie, Urethrozystoskopie oder Hysteroskopie wird dabei ohne Eindringen eines Endoskops in die zu untersuchenden Organe gearbeitet. Mit Hilfe eines Hochleistungscomputers wird dann durch Nachverarbeitung akquirierter radiologischer Bilddaten eine gewünschte 2D-Projektion bzw. 3D-Ansicht des betreffenden Organs dargestellt. Die Grundlagen für die virtuelle Endoskopie liefern dabei Daten und Informationen aus computertomografischen und/oder magnetresonanztomografischen Untersuchungen, da diese Schnittbildverfahren eine sehr präzise und überlagerungsfreie Lokalisation der zu untersuchen den Strukturen ermöglichen. Besonders gut geeignet ist in diesem Zusammenhang die Darstellung von lufthaltigen Hohlräumen, wie zum Beispiel der Lunge oder des Magen-Darm-Trakts, da sich diese Areale mit vergleichsweise hoher Kontrastschärfe gegenüber dem angrenzenden Gewebe abbilden lassen. CT- bzw. MRT-gestützte radiologische Bildgebungsverfahren mit nachfolgender 3D-Rekonstruktion und Visualisierung der darzustellenden Gewebebereiche haben sich vor allem deswegen zur endoluminalen Betrachtung der Darmoberfläche (virtuelle Koloskopie) oder der Bronchien (virtuelle Bronchoskopie) durchgesetzt, weil sie eine vergleichsweise höhere Sensitivität bei der Suche nach Polypen, Metastasen, Tumoren oder Läsionen bieten als herkömmliche fluoroskopische 2D-Bildgebungsverfahren. Bei einer transbronchialen Biopsie kann die dazu verwendete Punktionsnadel von dem behandelnden Arzt mit einer höheren Präzision und Zielgenauigkeit gesteuert werden, wenn anstelle einer herkömmlichen Bronchoskopie die Untersuchungsmethode der virtuellen Bronchoskopie verwendet wird. Insbesondere was die Magenspiegelung anbelangt, hat die virtuelle Endoskopie für den Patienten den Vorteil, dass sich das Untersuchungsverfahren weniger unangenehm gestaltet als bei einer herkömmlichen Gastroskopie, da er/sie keinen Schlauch schlucken muss.
Abgesehen von der virtuellen Endoskopie haben insbesondere die Single-Photon-Emissions-Computer-Tomografie (SPECT) und der Positronen-Emissions-Tomografie (PET) im Bereich der endoluminalen Schnittbilddiagnostik Einzug erhalten. Während die planare Szintigrafie das nuklearmedizinsche Analogon zur Projektionsradiografie im Röntgenbereich darstellt, handelt es sich bei der Single-Photon-Emissions-Computer-Tomografie und der Positronen-Emissions-Tomografie um zwei verwandte Schnittbildverfahren, die nuklearmedizinische Analoga zur Röntgen-CT darstellen.
Grundlage einer Positronen-Emissions-Tomografie ist die Darstellung der Verteilung einer mit einem Radionuklid markierten Substanz (Radiopharmakon) im Organismus. Dabei werden die Struktur, vor allem aber biochemische und physiologische Vorgänge abgebildet (funktionelle Bildgebung). Im Gegensatz zur Szintigrafie verwendet die PET Radiopharmaka, die beim Zerfall Positronen emittieren (β⁺-Zerfall). Klinische Anwendungen der PET sind unter anderem in der Kardiologie, der Neurologie und der Onkologie zu sehen. Dabei erweist sich insbesondere die simultane Abbildung von großen Volumenbereichen, in denen der Stoffwechsel und die Biochemie des menschlichen Körpers in vivo quantitativ dargestellt werden können, als besonders vorteilhaft. In der Kardiologie gestattet die PET z. B. die Unterscheidung zwischen nekrotischem und vitalem Gewebe nach einem Herzinfarkt mit höchster Spezifität und Sensitivität. In der Neurologie können degenerative Erkrankungen diagnostiziert und voneinander unterschieden werden, epileptische Zentren werden iktal und interiktal dargestellt. Ein weiter Anwendungsbereich sind auch die Abbildung von Neurorezeptoren und die quantitative Darstellung von mentalen Funktionszentren. Für die Onkologie interessant ist die Möglichkeit, das Wachstum von Tumoren und Metastasen sowie den Tumorstoffwechsel quantitativ darzustellen und damit Therapiewege aufzuzeigen und den Therapieerfolg zu kontrollieren.
Auch bei Durchführung einer SPECT wird dem zu untersuchenden Patienten, basierend auf dem Prinzip der Szintigrafie, zu Beginn der Untersuchung ein mit einem Radionuklid (z. B. mit dem metastabilen radioaktiven Isotop ^99mTC) markiertes Radiopharmakon verabreicht, und zwar üblicherweise in Form einer Injektion in eine Armvene. Das verwendete Radionuklid emittiert dabei Gammastrahlung, die von Gamma-Kameras, welche um den Körper des Patienten rotieren, detektiert wird. Aus der zeitlichen und räumlichen Verteilung registrierter Zerfallsereignisse wird dann auf die Verteilung des Radiopharmakons im Körperinneren zurückgeschlossen und eine Serie von Schnittbildern errechnet. Durch die Applikation von nano- bis mikromolaren Konzentrationen lassen sich infolge einer Erkrankung gestörte Verteilungsprozesse dieser Biomoleküle mit einem hohen Kontrast gegenüber dem Normalgewebe darstellen. Von Nachteil ist dabei die erschwerte oder gar unmögliche räumliche Zuordnung von Herden mit erhöhter Radioaktivitätskonzentration zu anatomischen Strukturen. Ein Arzt muss dabei durch den Vergleich mit anatomischen Normalbefunden Veränderungen herausfinden und anhand von Form und Größe die pathologische Wertigkeit dieser Veränderungen definieren.
Ebenso wie die Positronen-Emissions-Tomografie gehört auch die Single-Photon-Emissions-Computer-Tomografie zu den funktionellen bildgebenden Verfahren, mit denen regionale metabolische (stoffwechselbedingte) Abläufe im Körper eines untersuchten Patienten sichtbar gemacht werden können. In der Krebsdiagnostik lässt sich mit Hilfe dieser bildgebenden Verfahren beispielsweise die gegenüber gesundem Gewebe erhöhte Stoffwechselaktivität von Tumorzellen sicher nachweisen, so dass auch verhältnismäßig kleine Gewebeveränderungen, wie sie in den Frühphasen eines Tumors auftreten, anhand von Stoffwechselveränderungen gut diagnostiziert werden können. Im Gehirn können mit Hilfe dieser Verfahren beispielsweise Epilepsieherde aufgespürt oder in der Schlaganfallakutdiagnostik minderversorgte Bereich lokalisiert werden. Vor Bypass-Operationen des Herzens lässt sich mit Hilfe dieser Verfahren abklären, welche Bereiche des Herzens noch vital sind, wann also ein operativer Eingriff Aussichten auf Erfolg hat. Ein Nachteil der PET- bzw. SPECT-basierten nuklearmedizinischen Bildgebung im Vergleich zur Röntgen-Computertomografie besteht jedoch darin, dass sich die Morphologie bestimmter Anatomien und pathologischer Gewebebereiche im Körperinneren eines Patienten, d. h. die Form bestimmter Gewebestrukturen und sichtbarer Gewebeveränderungen, mittels PET bzw. SPECT nur relativ grob beurteilen lässt, da sich morphologische Informationen aus den abgebildeten Stoffwechselinformationen nicht oder nur bedingt ableiten lassen. So ist es bei einem PET- bzw. SPECT-basierten nuklearmedizinischen Bildgebungsverfahren bisweilen schwierig, eine Region mit erhöhter Stoffwechselaktivität im dreidimensionalen Raum exakt zu lokalisieren. Abgesehen davon ist die Auflösung bei PET bzw. SPECT der Auflösung radiologischer Bildgebungsverfahren weit unterlegen.
Im Vergleich zur Positronen-Emissions-Tomografie ist SPECT weniger aufwändig und billiger, da einerseits keine kurzlebigen Radionuklide verwendet wurden, die in nächster Nähe zum Scanner hergestellt werden müssen, und andererseits die Scanner weniger Hardware erfordern und daher wesentlich kostengünstiger sind. Heutzutage gehen die Einsatzgebiete der beiden Verfahren jedoch fließend ineinander über. Auch bei der SPECT kommen mittlerweile die bei der PET gebräuchlichen schnell zerfallenden Radionuklide zum Einsatz. Die Hauptnachteile sind die im Vergleich zur PET geringere räumliche Auflösung und die geringere Sensitivität der Kameras (die Strahlung wird fast immer durch Kollimatoren „fokussiert").
In der nuklearmedizinischen Diagnostik mit SPECT wird allein auf Gamma-Strahler zurückgegriffen, da andere Strahlungsarten (α- und β^–-Strahlung) im Gewebe eine viel zu kurze Reichweite haben, um noch außerhalb des Körpers gemessen werden zu können. Diese Strahlungsarten finden in der nuklearmedizinischen Therapie Verwendung. Dagegen werden β⁺-Strahler bei der PET eingesetzt, wobei dort allerdings die Photoneu-Emission (Gamma-Strahlung) als sekundärer (vom primären Positron- oder β⁺-Teilchen ausgelöster) Effekt genutzt wird.
Um die Vorteile morphologischer und funktioneller Bildgebung miteinander kombinieren und auf diese Weise die diagnostische Aussagekraft deutlich verbessern zu können, bietet sich prinzipiell zwei verschiedene Wege an: zum Einen die Koregistrierung radiologischer und nuklearmedizinischer Bilddaten und zum Anderen die Anwendung hybrider Verfahren. Im ersteren Fall werden heute unter Verwendung geeigneter Software-Tools funktionelle Bilddaten, die mit Hilfe PET- bzw. SPECT-basierter nuklearmedizinischer Bildgebungsverfahren generiert wurden, und unter MRT- bzw. CT-gestützter radiologischer Bildgebung akquirierte morphologische Bilddaten miteinander kombiniert, d. h. mittels einer geeigneten Software retrospektiv überlagert und in koregistrierter, fusionierter Form zur Anzeige gebracht. Die dabei erhaltenen Fusionsbilder ermöglichen eine genaue Zuordnung funktioneller Auffälligkeiten zu bestimmten anatomischen Strukturen. Dieses Verfahren hat insbesondere Bedeutung bei der Beurteilung verschiedener Krebserkrankungen und deren Verlaufsuntersuchungen. Werden die aus der nuklearmedizinischen und radiologischen Bildgebung gewonnenen Informationen miteinander kombiniert, kann die diagnostische Sicherheit deutlich verbessert werden. Diese Vorgehensweise führt jedoch auch zu Problemen, da der zu untersuchende Patient zu unterschiedlichen Zeitpunkten in den Scannern zweier unterschiedlicher bildgebender Modalitäten radiologisch bzw. nuklearmedizinisch untersucht werden muss. Aufgrund der Tatsache, dass der zu untersuchende Patient nacheinander auf den Patientenliegen zweier bildgebender Modalitäten positioniert werden muss und dabei nie exakt die gleiche Lage einnehmen kann, kommt es bei einer seriellen Durchführung der beiden unterschiedlichen bildgebenden Verfahren unweigerlich zu Abweichungen in der genauen räumlichen Lage und Orientierung der abzubildenden anatomischen und pathologischen Strukturen. Aus diesem Grund sind Softwarelösungen im Allgemeinen nur zur Abbildung „starrer Körper", wie z. B. der Schädelkalotte, erfolgreich.
Um diese Probleme auszuräumen und Patienten, bei denen sowohl morphologische als auch funktionelle Bildgebung gefordert ist, nur einem einzigen bildgebenden Untersuchungsverfahren zu unterziehen, wurden so genannte PET-CT-Kombinationsscanner sowie Hybridkameras entwickelt, die ein nuklearmedizinsches bildgebendes Verfahren (PET oder SPECT) mit dem Verfahren der Röntgen-Computertomografie (CT) in einem Gerät vereinen. Diese Entwicklung wurde in den 1990er Jahren gemeinsam von David Townsend und Ron Nutt initiiert. Der erste Prototyp wurde im Rahmen eines vom National Cancer Institute in Bethesda (Maryland) finanzierten Projekts entwickelt und im Jahre 1998 an der Universität von Pittsburgh zur Durchführung klinischer Untersuchungen installiert. Die ersten kommerziellen PET-CT-Scanner sind seit 2001 auf dem Markt. Die neuesten hybriden PET-CT- und SPECT-CT-Gerätesysteme erlauben eine Kombination morphologischer und funktioneller Bildgebung mit ein und demselben Scanner sowie eine Datenauswertung an demselben Compu tersystem. Bei den meisten dieser Geräte sind eine CT- und eine PET-Gantry in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. PET-CT stellt dabei keine zusätzlichen Anforderungen an die CT-Technologie dar. Vorzugsweise werden heute Mehrschicht-Spiral-CT-Gantries eingesetzt, um die vollen diagnostischen CT-Leistungsmerkmale zur Verfügung zu haben, z. B. um eine CT-Angiografie durchführen zu können.
AUFGABE DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Ausgehend von dem oben geschilderten Stand der Technik, ist die vorliegende Erfindung der Aufgabe gewidmet, die Vorteile nicht-invasiver endoluminaler Bildgebung einer mittels CT bzw. MRT durchgeführten virtuellen Endoskopie mit den Vorteilen PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-basierter nuklearmedizinischer Bildgebung zu vereinen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele, die den Gedanken der Erfindung weiterbilden, sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich gemäß einem ersten Aspekt auf ein multimodales Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs-, Bildarchivierungs- und Bildvisualisierungssystem, das insbesondere im Bereich der radiologisch-nuklearmedizinischen Schnittbilddiagnostik zur Koregistrierung, Archivierung, Fusionierung und grafischen Visualisierung von digitalen Bilddaten eingesetzt werden kann. Das erfindungsgemäße System verfügt dabei über ein Fusionierungs-, Registrierungs- und Visualisierungs-Tool, welches Bilddaten von 2D-Schnittbildern endoluminaler Ansichten von darzustellenden Organen, Gewebebereichen, Läsionen bzw. pathologischen Strukturen (z. B. Polypen, Metastasen, Tumoren etc.) im Körperinneren (z. B. im Darm- oder Bronchialtrakt) eines Patienten, die z. B. im Rahmen einer virtuellen Endoskopie mittels CT- bzw. MRT- gestützter Bildgebung generiert wurden, bzw. Bilddaten rekonstruierter 2D-Projektionen bzw. 3D-Ansichten dieser Anatomien und Pathologien zusammen mit Bilddaten eingeblendeter Bildobjekte, welche mittels PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-basierter nuklearmedizinischer Bildgebung akquiriert und gegebenenfalls in Form zweidimensionaler Projektionsdarstellungen bzw. in dreidimensionaler Form rekonstruiert wurden, verlinkt, koregistriert, archiviert und in fusionierter Form auf dem Anzeigebildschirm eines Bildschirm-Terminals zur Anzeige bringt.
Das Fusionierungs-, Registrierungs- und Visualisierungs-Tool umfasst unter anderem ein Modul zur Durchführung einer Koordinatentransformation, durch die zu überlagernde identische Bildobjekte in den verlinkten, zu fusionierenden Bildern, sofern dies nicht bereits der Fall sein sollte, so überlagert werden, dass sie präzise aufeinander zur Deckung kommen. Darüber hinaus umfasst das Fusionierungs-, Registrierungs- und Visualisierungs-Tool ein Modul, welches dazu dient, den durch ein einzublendendes Bildobjekt im Vordergrund eines überblendenden Bildes gebildeten Bereich vom Objekthintergrund dieses Bildes zu segmentieren und anschließend die Pixelwerte des segmentierten Objekthintergrundes von den Pixelwerten des überblendenden Gesamtbildes zu subtrahieren. Die mit Hilfe des Fusionierungs-, Registrierungs- und Visualisierungs-Tools verlinkten und gemeinsam registrierten Bilddaten zu überblendender Bilder und die Bilddaten diese Bilder überblendender Bilder werden dann in fusionierter Form und/oder separat in einer dafür vorgesehenen Speichereinheit des Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs-, Bildvisualisierungs- und Bildarchivierungssystems gespeichert.
Bei den eingeblendeten, mittels PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-basierter nuklearmedizinischer Bildgebung akquirierten Bilddaten kann es sich erfindungsgemäß z. B. um Bilddaten einer rekonstruierten (gerenderten) Oberflächendarstellung zur Simulation eines 3D-Eindrucks handeln, bei der einer frei positionierbaren virtuellen Lichtquelle zugewandte Gewebebe reiche heller als abgeschattete Gewebebereiche dargestellt werden ("Surface-Shaded Display", SSD) und verdeckte Gewebebereiche nicht wiedergegeben werden. Auf diese Weise sind z. B. Dickdarmpolypen als makroskopische, stielförmige Ausstülpungen der Darmschleimhaut (Mukosa), die in das Lumen des Dickdarms (Kolon) hineinragen, deutlich erkennbar. Die PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-Bilddaten können dabei z. B. in farbkodierter Form eingeblendet werden. Geschwulstartige Ausstülpungen, die im PET-CT bzw. SPECT-CT als Bereiche mit erhöhter Stoffwechselaktivität dargestellt werden, können somit als Tumorgewebe identifiziert werden. Bei den rekonstruierten 2D-Projektionen bzw. 3D-Ansichten der darzustellenden Organe, Gewebebereiche, Läsionen bzw. pathologischen Strukturen kann es sich erfindungsgemäß z. B. um zwei- bzw. dreidimensionale Rekonstruktionen handeln, die, ausgehend von den mittels CT- bzw. MRT-basierter Bildgebung akquirierten Bilddaten, durch multiplanare Reformatierung, Maximum-Intensitäts-Projektion oder Volumen-Rendering-Technik berechnet wurden.
Gemäß einem zweiten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein von dem vorstehend beschriebenen Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs-, Bildarchivierungs- und Bildvisualisierungssystem durchgeführtes Verfahren zur Koregistrierung, Archivierung, Fusionierung und grafischen Visualisierung von multimodalen digitalen Bilddaten. Das Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass Bilddaten von 2D-Schnittbildern endoluminaler Ansichten von darzustellenden Organen, Gewebebereichen, Läsionen bzw. pathologischen Strukturen im Körperinneren eines Patienten, die im Rahmen einer virtuellen Endoskopie mittels CT- bzw. MRT-gestützter Bildgebung generiert wurden, bzw. Bilddaten rekonstruierter 2D-Projektionen bzw. 3D-Ansichten dieser Anatomien und Pathologien zusammen mit Bilddaten eingeblendeter Bildobjekte, die mittels PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-basierter nuklearmedizinischer Bildgebung akquiriert und gegebenenfalls in Form zweidimensionaler Projektionsdarstellungen bzw. in dreidimensionaler Form rekonstruiert wurden, verlinkt, kore gistriert, archiviert und in fusionierter Form zur Anzeige gebracht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei unter anderem die Durchführung einer Koordinatentransformation, durch die zu überlagernde identische Bildobjekte in den verlinkten, zu fusionierenden Bildern, sofern dies nicht bereits der Fall sein sollte, so überlagert werden, dass sie präzise aufeinander zur Deckung kommen. Darüber hinaus umfasst das Verfahren einen Verfahrensschritt, bei dem ein einzublendendes Bildobjekt im Vordergrundbereich eines überblendenden Bildes vom Objekthintergrund dieses Bildes segmentiert wird und die Pixelwerte des segmentierten Objekthintergrundes von den Pixelwerten des überblendenden Gesamtbildes anschließend subtrahiert werden. Die verlinkten und gemeinsam registrierten Bilddaten zu überblendender Bilder und die Bilddaten diese Bilder überblendender Bilder werden dann in fusionierter Form und/oder separat gespeichert.
Bei den eingeblendeten, mittels PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-basierter nuklearmedizinischer Bildgebung akquirierten Bilddaten kann es sich erfindungsgemäß wiederum z. B. um Bilddaten einer rekonstruierten (gerenderten) Oberflächendarstellung zur Simulation eines 3D-Eindrucks handeln, bei der einer frei positionierbaren virtuellen Lichtquelle zugewandte Gewebebereiche heller als abgeschattete Gewebebereiche dargestellt werden („Surface-Shaded Display", SSD) und verdeckte Gewebebereiche nicht wiedergegeben werden. Die PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-Bilddaten können dabei, wie bereits beschrieben, z. B. in farbkodierter Form eingeblendet werden. Bei den rekonstruierten 2D-Projektionen bzw. 3D-Ansichten der darzustellenden Organe, Gewebebereiche, Läsionen bzw. pathologischen Strukturen kann es sich erfindungsgemäß wiederum z. B. um zwei- bzw. dreidimensionale Rekonstruktionen handeln, die, ausgehend von den mittels CT- bzw. MRT-basierter Bildgebung akquirierten Bilddaten, durch multiplanare Reformatierung, Maximum-Intensitäts-Projektion oder Volumen-Rendering-Technik berechnet wurden.
Darüber hinaus kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass mittels PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-basierter nuklearmedizinischer Bildgebung akquirierte Bilddaten von detektierten Läsionen, die sich unterhalb der Oberfläche von darzustellenden Gewebebereichen befinden, auf deren Oberfläche abgebildet werden.
Gemäß einem dritten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Computersoftware-Programmprodukt, welches zur Durchführung des geschilderten Verfahrens bei Betrieb auf einem Bildschirm-Terminal des vorstehend beschriebenen multimodalen Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs-, Bildarchivierungs- und Bildvisualisierungssystems geeignet ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen, welche in den folgenden Zeichnungen abgebildet sind.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines multimodalen Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs-, Bildvisualisierungs- und Bildarchivierungssystems gemäß vorliegender Erfindung, das zur Koregistrierung, Archivierung, Fusionierung und grafischen Visualisierung von endoluminalen CT- bzw. MRT-Bilddaten einer virtuellen Endoskopie mit eingeblendeten PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-Bilddaten verwendet wird, und
2 zeigt ein Ablaufdiagramm, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Koregistrierung, Archivierung, Fusionierung und grafischen Visualisierung von endoluminalen CT- bzw. MRT-Bilddaten mit eingeblendeten PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-Bilddaten veranschaulicht wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In den folgenden Abschnitten werden die Systemkomponenten des erfindungsgemäßen multimodalen Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs-, Bildvisualisierungs- und Bildarchivierungssystems und die Schritte des zugehörigen erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der beigefügten Zeichnungen im Detail erläutert.
In 1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines multimodalen Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs-, Bildvisualisierungs- und Bildarchivierungssystems gemäß vorliegender Erfindung dargestellt, welches es ermöglicht, CT-Bilddaten einer virtuellen Endoskopie, welche endoluminale Ansichten von inneren Organen, Gewebebereichen, Läsionen bzw. pathologischen Strukturen im Körperinneren eines zu untersuchenden Patienten in Form von 2D-Schichtaufnahmen bzw. in Form von rekonstruierten 3D-Darstellungen zeigen, mit PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-Bilddaten von eingeblendeten Bildobjekten, die zur Darstellung von regionalen Stoffwechsel- und Gewebeveränderungen sowie zur Darstellung der Morphologie dieses Gewebes dienen, zu verlinken, zu registrieren, zu archivieren und in Form fusionierter grafischer Darstellungen auf dem Anzeigebildschirm AB eines Bildschirm-Terminals zur Anzeige zu bringen. Die zu matchenden radiologischen und nuklearmedizinischen Bilddaten werden dabei von ein und demselben, zur Bereitstellung von CT- bzw. MRT-Bilddaten und PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-Bilddaten dienenden multimodalen Bildgebungsgerät BGG generiert.
Wie in 1 skizziert, werden sowohl die von einem computer- bzw. magnetresonanztomografischen Bildgebungsprozess als auch die von einem PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-basierten Bildgebungsprozess generierten Bilddaten des multimodalen Bildgebungsgeräts BGG einem Bildverarbeitungssystem BVS über eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle I/O zugeführt. Das Bildverarbeitungssystem BVS kann dabei neben einer zentralen Steuerungseinrichtung ZSE, welche den Datenaustausch mit dem multimodalen Bildgebungsgerät BGG sowie den Datenaus tausch zwischen den einzelnen Systemkomponenten des Bildverarbeitungssystem BVS steuert, unter anderem ein Vorverarbeitungsmodul VVM mit einem digitalen Filter zur Rauschunterdrückung, Kontrastverbesserung und Kantendetektion umfassen. Eine in das Bildverarbeitungssystem BVS integrierte 2D-/3D-Bildrendering-Applikation BRA dient zur Generierung von rekonstruierten 2D-Projektionen und/oder 3D-Ansichten sowie zur grafischen Visualisierung darzustellender Gewebebereiche. Darüber hinaus umfasst das Bildverarbeitungssystem BVS auch ein eingangsseitig mit den Datenausgängen des Vorverarbeitungsmoduls VVM und der 2D-/3D-Bildrendering-Applikation BRA verbundenes Fusionierungs-, Registrierungs- und Visualisierungs-Tool FRVT, dessen genaue Funktion weiter unten erläutert wird.
Immer dann, wenn von dem multimodalen Bildgebungsgerät BGG Bilddaten eines computer- bzw. magnetresonanztomografischen Bildgebungsprozesses oder (im Anschluss daran) Bilddaten eines PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-basierten Bildgebungsprozesses generiert und dem Bildverarbeitungssystem BVS über dessen Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle I/O zugeführt werden, können diese, veranlasst durch die zentrale Steuerungseinrichtung ZSE, nach Abschluss der Vorverarbeitung in Vorbereitung für eine spätere grafischen Visualisierung je nach Systemkonfiguration temporär oder persistent in einem Bilddatenspeicher einer externen Speichereinheit SE gespeichert werden, wo sie in ein patientenspezifisches Untersuchungsprotokoll UP einer Protokolldatei geschrieben werden, welche in einem Speicherbereich der Speichereinheit SE hinterlegt ist. Neben den im Rahmen des multimodalen Bildgebungsvorgangs akquirierten Bilddaten können auch sämtliche Aufnahmeparameter, die von einem die Untersuchung durchführenden Radiologen 1 manuell eingestellt wurden, sowie alle zur Visualisierung rekonstruierter 2D-Projektionen bzw. 3D-Ansichten von bestimmten Bereichen im Körperinneren des Patienten benötigte Darstellungs- und Rekonstruktionsparameter in einem standardisierten Datenformat (z. B. im DICOM-Format) über eine als „DATA_OUT" bezeichnete Datenausgabeschnittstelle des Bildver arbeitungssystems BVS in das patientenspezifische Untersuchungsprotokoll UP der extern gespeicherten Protokolldatei geschrieben werden. Zur grafischen Visualisierung können die gespeicherten Bilddaten, Aufnahme- und Rekonstruktionsparameter über eine als „DATA_IN" bezeichnete Dateneingabeschnittstelle des Bildverarbeitungssystems BVS in einen nicht dargestellten, lokalen Temporärspeicher des Fusionierungs-, Registrierungs- und Visualisierungs-Tools FRVT geladen werden.
Wie aus 1 ersichtlich, werden dem Fusionierungs-, Registrierungs- und Visualisierungs-Tool FRVT zum Einen mittels CT- bzw. MRT-gestützter Bildgebung im Rahmen einer virtuellen Endoskopie akquirierte und von dem Vorverarbeitungsmodul VVM gefilterte Bilddaten zweidimensionaler Schnittbilder zugeführt, welche die zu untersuchenden Organe, Gewebebereiche, Läsionen bzw. pathologischen Strukturen im Körperinneren des Patienten in einer endoluminalen Querschnittsansicht zeigen, bzw. Bilddaten rekonstruierter, mit Hilfe der 2D-/3D-Bildrendering-Applikation BRA rekonstruierter 2D-Projektionen bzw. endoluminaler 3D-Ansichten dieser Areale und Bildobjekte. Zum Anderen werden dem vorgenannten Fusionierungs-, Registrierungs- und Visualisierungs-Tool FRVT von dem PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-basierten Bildgebungsprozesses generierte bzw. in zwei- bzw. dreidimensionaler Form rekonstruierte Bilddaten zugeführt, die dann mit den Bilddaten des CT- bzw. MRT-gestützten Bildgebungsprozesses bzw. mit deren 2D- bzw. 3D-Rekonstruktionen verlinkt, koregistriert und unter Anwendung einer Überblendungstechnik auf dem Anzeigebildschirm AB des Bildschirm-Terminals in fusionierter Form zur Anzeige gebracht werden. Zur Archivierung werden die Bilddaten der fusionierten Bilder über die eingangs erwähnte Datenausgabeschnittstelle DATA_OUT des Bildverarbeitungssystems BVS (z. B. wiederum unter Verwendung des DICOM-Formats) in das patientenspezifische Untersuchungsprotokoll UP der in der externen Speichereinheit SE hinterlegten Protokolldatei geschrieben und dort abrufbar und persistent gespeichert.
Wie vorstehend beschrieben, können mit Hilfe des Fusionierungs-, Registrierungs- und Visualisierungs-Tools FRVT koregistrierte Bilddaten eines unter CT- bzw. MRT-gestützter Bildgebung aufgenommenen endoluminalen 2D-Querschnittsbildes F₁ von inneren Organen, Gewebebereichen, Läsionen bzw. pathologischen Strukturen im Körperinneren eines Patienten bzw. Bilddaten einer unter einem beliebigen Projektionswinkel rekonstruierten 2D-Projektion oder einer rekonstruierten 3D-Ansicht M₁ dieser Anatomien bzw. Pathologien zusammen mit PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-Bilddaten eines einzublendenden Bildes F₂ (Overlay-Bild), welches regionale Stoffwechsel- und Gewebeveränderungen in einem interessierenden Gewebebereich zeigt, bzw. mit einer in die Projektionsebene des betreffenden 2D-Querschnittsbildes projizierten 3D-Rekonstruktion M₂ der in dem Overlay-Bild F₂ dargestellten Areale und Bildobjekte im Rahmen einer fusionierten 2D-/3D-Darstellung B (Gesamtbild) gemeinsam visualisiert werden. Die beiden zu fusionierenden Ausgangsbilder F₁ und F₂ bzw. ihre 2D-/3D-Rekonstruktionen M₁ und M₂ werden dabei (falls nötig) zunächst einer Koordinatentransformation unterzogen, durch die sowohl in F₁ als auch in F₂ bzw. sowohl in M₁ als auch in M₂ dargestellte identische Bildobjekte (sofern dies nicht bereits der Fall sein sollte) so überlagert werden, dass sie präzise aufeinander zur Deckung kommen. Nach Durchführung einer Segmentierung der im Vordergrund des überlagernden Bildes F₂ dargestellten Bildobjekte vom Hintergrund dieses Overlay-Bildes, wobei z. B. ein schwellwertbasiertes Wertdiskriminierungsverfahren zum Einsatz kommen kann, und Subtraktion einer durch den Bildhintergrund von F₂ gebildeten Maske vom Originalbild F₂ werden dann die segmentierten Bildobjekte des Overlay-Bildes F₂ bzw. der rekonstruierten 2D-Projektion bzw. 3D-Ansicht M₂ in das Fluoroskopiebild F₁ bzw. in dessen 2D- bzw. 3D-Rekonstruktion M₁ eingeblendet.
In 2 ist ein Ablaufdiagramm dargestellt, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulicht wird. Nach Generierung (S1a) endoluminaler CT- bzw. MRT-Bilddaten von Schichtaufnahmen abzubildender Organe, Gewebebereiche, Läsionen oder pathologischen Strukturen im Körperinneren eines zu untersuchenden Patienten und Generierung (S1b) einzublendender PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-Bilddaten von regionalen Stoffwechsel- und Gewebeveränderungen durch das multimodale Bildgebungssystem BGG werden die akquirierten Bilddaten über eine Hochgeschwindigkeits-Datenleitung der Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle I/O des Bildverarbeitungssystems BVS zugeführt (S2a) und in einem dafür vorgesehenen Modul VVM einer Vorverarbeitungsprozedur unterzogen, welche z. B. in einer zwecks Rauschunterdrückung, Kontrastverbesserung und Kantendetektion durchgeführten Filterung (S2b) der akquirierten Bilddaten besteht. Danach wird eine 2D-/3D-Bildrendering-Applikation BRA auf den akquirierten und gefilterten CT- bzw. MRT-Bilddaten und/oder PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-Bilddaten der einzelnen Schichtaufnahmen ausgeführt (S3), welche diese dann in Bilddaten rekonstruierter 2D-Projektionen und/oder 3D-Ansichten umrechnet. Ist eine Fusionierung der vorgenannten multimodalen Bilddaten vorgesehen, was über eine Abfrage (S4) ermittelt wird, werden die CT-(MRT-) und PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-Bilddaten dann in einem Schritt S5a gemeinsam registriert, archiviert und durch Überblendung fusioniert. Falls nötig, werden die beiden zu fusionierenden Ausgangsbilder zuvor einer (nicht in 2 wiedergegebenen) Koordinatentransformation unterzogen, durch die in diesen Bildern dargestellte identische Bildobjekte (sofern dies nicht bereits der Fall sein sollte) so überlagert werden, dass sie präzise aufeinander zur Deckung kommen. Die fusionierten Bilddaten werden dann auf einem Anzeigebildschirm AB eines Bildschirm-Terminals in grafischer Form dargestellt (S6a). Falls die Abfrage in Schritt S4 jedoch ergibt, dass keine Fusionierung vorgesehen ist, werden die multimodalen Bilddaten in einem Schritt S5b separat registriert und archiviert, bevor sie dann in getrennten Anzeigefenstern auf den Anzeigebildschirm AB des Bildschirm-Terminals visualisiert werden (S6b).

Claims

Multimodales Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs-, Bildarchivierungs- und Bildvisualisierungssystem zur Koregistrierung, Archivierung, Fusionierung und grafischen Visualisierung von digitalen Bilddaten, gekennzeichnet durch ein Fusionierungs-, Registrierungs- und Visualisierungs-Tool (FRVT), welches Bilddaten von 2D-Schnittbildern endoluminaler Ansichten von darzustellenden Organen, Gewebebereichen, Läsionen bzw. pathologischen Strukturen im Körperinneren eines Patienten, die im Rahmen einer virtuellen Endoskopie mittels CT- bzw. MRT-gestützter Bildgebung generiert wurden, bzw. Bilddaten rekonstruierter 2D-Projektionen bzw. 3D-Ansichten dieser Anatomien und Pathologien zusammen mit Bilddaten eingeblendeter Bildobjekte, die mittels PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-basierter nuklearmedizinischer Bildgebung akquiriert und gegebenenfalls in Form zweidimensionaler Projektionsdarstellungen bzw. in dreidimensionaler Form rekonstruiert wurden, verlinkt, koregistriert, archiviert und in fusionierter Form zur Anzeige bringt.
Multimodales Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs-, Bildarchivierungs- und Bildvisualisierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fusionierungs-, Registrierungs- und Visualisierungs-Tool (FRVT) über ein Modul (KTM) zur Durchführung einer Koordinatentransformation verfügt, durch die zu überlagernde identische Bildobjekte in den verlinkten, zu fusionierenden Bildern, sofern dies nicht bereits der Fall sein sollte, so überlagert werden, dass sie präzise aufeinander zur Deckung kommen.
Multimodales Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs-, Bildarchivierungs- und Bildvisualisierungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fusionierungs-, Registrierungs- und Visualisierungs-Tool (FRVT) ein Modul (SM) umfasst, welches dazu dient, den durch ein einzublendendes Bildobjekt im Vordergrund eines überblendenden Bildes gebildeten Bereich vom Objekthintergrund dieses Bildes zu segmentieren und anschließend die Pixelwerte des segmentierten Objekthintergrundes von den Pixelwerten des überblendenden Gesamtbildes zu subtrahieren.
Multimodales Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs-, Bildarchivierungs- und Bildvisualisierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Speichereinheit (SE), in der die mit Hilfe des Fusionierungs-, Registrierungs- und Visualisierungs-Tools (FRVT) verlinkten und gemeinsam registrierten Bilddaten zu überblendender Bilder und die Bilddaten diese Bilder überblendender Bilder in fusionierter Form und/oder separat gespeichert werden.
Multimodales Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs-, Bildarchivierungs- und Bildvisualisierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den eingeblendeten, mittels PET-CT- bzw. SPECT/CT-basierter nuklearmedizinischer Bildgebung akquirierten Bilddaten um Bilddaten einer rekonstruierten Oberflächendarstellung zur Simulation eines 3D-Eindrucks handelt, bei der einer frei positionierbaren virtuellen Lichtquelle zugewandte Gewebebereiche heller als abgeschattete Gewebebereiche dargestellt werden und verdeckte Gewebebereiche nicht wiedergegeben werden.
Multimodales Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs-, Bildarchivierungs- und Bildvisualisierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den eingeblendeten, mittels PET-CT- bzw. SPECT/CT-basierter nuklearmedizinischer Bildgebung akquirierten Bilddaten um farbkodiert wiedergegebene Bilddaten handelt.
Multimodales Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs-, Bildarchivierungs- und Bildvisualisierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den rekonstruierten 2D-Projektionen bzw. 3D-Ansichten der darzustellenden Organe, Gewebebereiche, Läsionen bzw. pathologischen Strukturen um Rekonstruktionen handelt, die, ausgehend von den mittels CT- bzw. MRT-basierter Bildgebung akquirierten Bilddaten, durch multiplanare Reformatierung, Maximum-Intensitäts-Projektion oder Volumen-Rendering-Technik berechnet wurden.
Verfahren zur Koregistrierung, Archivierung, Fusionierung und grafischen Visualisierung von multimodalen digitalen Bilddaten, dadurch gekennzeichnet, dass Bilddaten von 2D-Schnittbildern endoluminaler Ansichten von darzustellenden Organen, Gewebebereichen, Läsionen bzw. pathologischen Strukturen im Körperinneren eines Patienten, die im Rahmen einer virtuellen Endoskopie mittels CT- bzw. MRT-gestützter Bildgebung generiert wurden, bzw. Bilddaten rekonstruierter 2D-Projektionen bzw. 3D-Ansichten dieser Anatomien und Pathologien zusammen mit Bilddaten eingeblendeter Bildobjekte, die mittels PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-basierter nuklearmedizinischer Bildgebung akquiriert und gegebenenfalls in Form zweidimensionaler Projektionsdarstellungen bzw. in dreidimensionaler Form rekonstruiert wurden, verlinkt, koregistriert, archiviert und in fusionierter Form zur Anzeige gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch die Durchführung einer Koordinatentransformation, durch die zu überlagernde identische Bildobjekte in den verlinkten, zu fusionierenden Bildern, sofern dies nicht bereits der Fall sein sollte, so überlagert werden, dass sie präzise aufeinander zur Deckung kommen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, gekennzeichnet durch einen Verfahrensschritt, bei dem ein einzublendendes Bildobjekt im Vordergrundbereich eines überblendenden Bildes vom Objekthintergrund dieses Bildes segmentiert wird und die Pixelwerte des segmentierten Objekthintergrundes von den Pixelwerten des überblendenden Gesamtbildes anschließend subtrahiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die verlinkten und gemeinsam registrierten Bilddaten zu überblendender Bilder und die Bilddaten diese Bilder überblendender Bilder in fusionierter Form und/oder separat gespeichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den eingeblendeten, mittels PET-CT- bzw. SPECT/CT-basierter nuklearmedizinischer Bildgebung akquirierten Bilddaten um Bilddaten einer rekonstruierten Oberflächendarstellung zur Simulation eines 3D-Eindrucks handelt, bei der einer frei positionierbaren virtuellen Lichtquelle zugewandte Gewebebereiche heller als abgeschattete Gewebebereiche dargestellt werden und verdeckte Gewebebereiche nicht wiedergegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den eingeblendeten, mittels PET-CT- bzw. SPECT/CT-basierter nuklearmedizinischer Bildgebung akquirierten Bilddaten um farbkodiert wiedergegebene Bilddaten handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den rekonstruierten 2D-Projektionen bzw. 3D-Ansichten der darzustellenden Organe, Gewebebereiche, Läsionen bzw. pathologischen Strukturen um Rekonstruktionen han delt, die, ausgehend von den mittels CT- bzw. MRT-basierter Bildgebung akquirierten Bilddaten, durch multiplanare Reformatierung, Maximum-Intensitäts-Projektion oder Volumen-Rendering-Technik berechnet wurden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mittels PET-, PET-CT-, SPECT- bzw. SPECT-CT-basierter nuklearmedizinischer Bildgebung akquirierte Bilddaten von detektierten Läsionen, die sich unterhalb der Oberfläche von darzustellenden Gewebebereichen befinden, auf deren Oberfläche abgebildet werden.
Computersoftware-Programmprodukt zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 15 bei Betrieb auf einem Bildschirm-Terminal eines multimodalen Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs-, Bildarchivierungs- und Bildvisualisierungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 7.