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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Bestimmung
einer Ruhephase des Herzens bei einer Untersuchungsperson in einer
Bildgebungsvorrichtung. Die Erfindung findet insbesondere, jedoch
nicht ausschließlich,
bei Magnetresonanzanlagen Anwendung, sie kann jedoch auch bei anderen
bildgebenden Vorrichtungen verwendet werden.
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Bei
einigen Aufnahmen von Herzbildern ist es insbesondere bei der Magnetresonanz-(MR)Bildgebung
notwendig, die Aufnahmen dann zu erstellen, wenn das Herz sich nicht
bewegt, also in der Ruhephase ist. Die Feststellung, wann diese
Zeit im Herzzyklus ist, ist ausschlaggebend für die resultierende Bildqualität der Bildaufnahme,
wobei die Ruhephase im Herzzyklus für die Aufnahme von weiteren
Bildern des Herzens verwendet werden soll.
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Im
Stand der Technik ist es bekannt, durch Aufnahme mehrerer Bilder
des Herzens während
eines Herzzyklus eine Art Filmsequenz der Herztätigkeit zu erzeugen. Diesen
Film der Herzbewegung kann die Bedienperson der Bildgebungsvorrichtung sich
nach der Messung ansehen und durch visuelle Analyse feststellen,
wann das Herz sich in der Ruhephase befindet. Bisher muss die Bedienperson
diese Ruhephase in den Bildern selbst bestimmen. Bei dieser Bestimmung
können
potentiell folgende Fehler auftreten:
Erstens ist es möglich, dass
die Zeit für
die Ruhephase des Herzens durch die Bedienperson nicht genau genug
ausgewählt
wird. Zweitens kann es vorkommen, dass aus der Ruhephase bestimmte
Bildgebungsparameter für
die nachfolgende Herzmessung falsch angepasst werden. Dies kann
zu einer schlechten Bildqualität
führen
und eine Wiederholung der Messung notwendig machen, wodurch sich die
Untersuchungszeit der Bedienperson in der Bildgebungsvorrichtung
unnötig
verlängert.
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Aus
diesem Grund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die
Bestimmung der Ruhephase des Herzens so zu optimieren, dass sie
einfach und weniger fehleranfällig
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. In den
abhängigen Ansprüchen sind
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt wird ein Verfahren zur automatischen Bestimmung der
Ruhephase bereitgestellt, bei dem mehrere Bilder des Herzens während des
Herzzyklusses aufgenommen werden und auf Grundlage der aufgenommenen
Bilder automatisch die Ruhephase des Herzens bestimmt wird. Durch
die automatische Bestimmung der Ruhephase wird nicht nur die Untersuchung
insgesamt beschleunigt, sondern es werden auch potentielle Fehlerquellen
vermieden, die die Bedienperson bei der Festlegung und Übertragung
der Zeitspanne für
die Ruhephase auf die nachfolgenden Messungen machen kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform werden
die Bilder unter den während
des Herzzyklusses aufgenommenen Bildern identifiziert, welche den Anfangszeitpunkt
und den Endzeitpunkt der Ruhephase des Herzzyklusses darstellen,
wobei durch den Aufnahmezeitpunkt des Bildes zum Anfangszeitpunkt
der Ruhephase und den Aufnahmezeitpunkt des Bildes zum Endzeitpunkt
die Zeitpunkte bestimmt werden, welche die Ruhephase des Herzens im
Herzzyklus begrenzen. Im vorliegenden Fall wird bei der Aufnahme
der Bilder von Zeitpunkten gesprochen, obwohl klar ist, dass die
Bilder, insbesondere MR-Bilder, nicht in einem infinitesimal kleinen
Zeitbereich aufgenommen werden können.
Jedoch sind Aufnahmen in der Magnetresonanztomographie im Bereich
von Millisekunden möglich,
so dass hierfür bei
der vorliegenden Anmeldung von Zeitpunkten gesprochen wird. Diese
Zeitpunkte grenzen sich ab gegenüber
der Zeitspanne, welche die Ruhephase des Herzens im Herzzyklus ist.
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Wenn
die Ruhephase des Herzens automatisch bestimmt wurde, kann diese
ebenfalls automatisch auf eine nachfolgende Bildgebungssequenz übertragen
werden, wobei die Bildgebungsparameter der nachfolgenden Bildgebungssequenz
automatisch derart angepasst werden, dass die während der nachfolgenden Bildgebungssequenz
aufgenommenen Bilder des Herzens in der Ruhephase des Herzens aufgenommen
werden. Beispielsweise kann in der nachfolgenden Bildgebungssequenz
das Akquisitionsfenster, eine Triggerverzögerung bei EKG-getriggerten
Messungen oder die Anzahl der aufgenommenen Segmente während der
Ruhephase angepasst werden. In der Magnetresonanztomographie sind
segmentierte Aufnahmetechniken bekannt, bei denen während eines
Herzzyklusses nicht die gesamten Rohdaten für ein MR-Bild, sondern nur
Segmente des Rohdatenraums aufgenommen werden. Die Länge der
Ruhephase beeinflusst nun die Größe der Segmente,
die während
eines Herzzyklusses aufgenommen werden können.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Bilder des Herzens im Kurzachsenschnitt aufgenommen.
Der Kurzachsenschnitt erlaubt es, gut sichtbar die systolische Phase
von der diastolischen Phase zu unterscheiden. Selbstverständlich sind
auch andere Schnittebenen durch das Herz möglich, um aus den daraus bestehenden
Bildern durch Nachverarbeitung automatisch die Ruhephase zu detektieren.
Einige der nachfolgend genannten Möglichkeiten können beispielsweise
auch bei einem Langachsenschnitt durch das Herz detektiert werden.
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Eine
Möglichkeit,
automatisch die Ruhephase des Herzens zu bestimmen, besteht darin,
die während
eines Herzzyklusses aufgenommenen Bilder im zeitlichen Verlauf zu
betrachten und hierbei einen Volumenparameter des Herzens zu untersuchen,
wobei als Ruhephase die Zeitspanne definiert wird, bei der in den
Bildern im zeitlichen Verlauf der Volumenparameter im Wesentlichen
konstant bleibt. In einem Ausführungsbeispiel
ist der Volumenparameter das Volumen des endokardialen Bereichs.
Im Kurzachsenschnitt kann der endokardiale Bereich gut identifiziert
werden, wobei beispielsweise die im Bild darge stellte Fläche ein
Maß für das Volumen
des endokardialen Bereichs ist. Durch Untersuchung der Fläche im aufgenommenen
MR-Bild im zeitlichen Verlauf kann dann auf die Ruhephase während der Diastole
geschlossen werden.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Bestimmung der Ruhephase des Herzens besteht darin, die räumliche
Lage eines vorbestimmten Bereichs im Herzen im zeitlichen Verlauf
der aufgenommenen Bilder während
des Herzzyklusses zu verfolgen und zu untersuchen, ob die räumliche
Lage dieses Bereiches im Wesentlichen konstant ist. Eine Möglichkeit,
die insbesondere auch graphisch dargestellt werden kann, besteht
darin, bei jedem aufgenommenen Bild einen Signalintensitätsquerschnitt
an einer vorbestimmten Stelle durch das Bild zu erstellen und diesen
Signalintensitätsquerschnitt
im zeitlichen Verlauf zu untersuchen. Dieser Querschnitt sollte
den vorbestimmten Bereich enthalten. Ändert sich die Lage dieses
vorbestimmten Bereichs im zeitlichen Verlauf nur geringfügig, so
kann daraus geschlossen werden, dass die Lage dieses Bereichs über den
Herzzyklus im Wesentlichen unverändert
blieb, wodurch auf die Ruhephase des Herzens geschlossen werden
kann. Eine Möglichkeit
zur Wahl des vorbestimmten Bereichs ist die Wahl der Grenzen des
linken Ventrikels des Herzens. Dieser kann im Bild bzw. im Querschnitt auf
einfache Weise, beispielsweise durch Segmentieren, identifiziert
werden. Falls die Lage des linken Ventrikels über die Zeit im Wesentlichen
unverändert bleibt,
kann auf die Ruhephase des Herzens geschlossen werden. Damit die
Lage des linken Ventrikels über
den Herzzyklus in den betrachteten Bilder konstant ist, sollte ebenfalls
die Lage des Herzens im Bild konstant sein. Hierzu ist es möglich, die
Lage eines vorbestimmten Punktens im Herzen, beispielsweise die
Herzmitte, in den Bildern zu identifizieren und die Bilder derart
nachzuverarbeiten, falls notwendig, dass der vorbestimmte Punkt,
wie die Herzmitte, immer in der gleichen Bildkoordinate im zeitlichen
Verlauf liegt. Die Bilder, bei denen im zeitlichen Verlauf die Ventrikelgrenzen
im Wesentlichen konstant sind, können
als Bilder identifiziert werden, die bei der Ruhephase des Herzens
aufgenommen wurden.
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Aus
der Ruhephase können
dann jeweils der Anfangszeitpunkt und der Endzeitpunkt der Ruhephase
identifiziert werden, die die Zeitspanne begrenzen, die für die nachfolgende
Bildgebung vorzugsweise verwendet wird.
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Eine
weitere Möglickheit
zur automatischen Detektion der Ruhephase des Herzens ist die Verwendung
von Differenzbildern der aufgenommenen Bilder. Durch Bilder der
Differenz von jeweils nacheinander aufgenommenen Bildern kann auf
die zwischen der Aufnahme der beiden Bilder erfolgte Bewegung geschlossen
werden. Enthält
das Differenzbild bzw. ein vorbestimmter Bereich im Differenzbild nur
sehr wenig Signalintensität,
so kann daraus gefolgert werden, dass das abgebildete Herz im Wesentlichen
in Ruhe war. Beispielsweise können
zwei Bilder als während
der Ruhephase aufgenommene Bilder identifiziert werden, wenn die
Signalintensität in
einem vorbestimmten Bereich des Differenzbildes geringer als ein
vorbestimmter Grenzwert ist oder die Form des Herzens im Differenzbild
nicht mehr erkennbar ist. Hierbei können die Signalintensitäten in den
Bildpunkten des betrachteten Bereichs kumuliert werden, es ist jedoch
auch eine Mittelwertbildung möglich.
Gemäß einer
Ausführungsform
werden jeweils die Anfangszeitpunkte und die Endzeitpunkte der Ruhephase
automatisch bestimmt und sofort ohne Überprüfung durch die Bedienperson
als Grundlage für
die Berechnung von Bildgebungsparametern der weiteren Herzbildgebungssequenzen verwendet.
In einer anderen Ausführungsform
ist es ebenso möglich,
der Bedienperson die berechneten Anfangs- und Endzeitpunkte darzustellen,
damit diese die Berechnung überprüfen kann
und bei Bedarf die Zeitpunkte ändern
kann.
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Die
Erfindung betrifft ebenso eine Bildgebungsvorrichtung wie oben beschrieben,
die eine Bildaufnahmeeinheit zur Aufnahme von mehreren Bildern des
Herzens während
des Herzzyklusses aufweist. Weiterhin ist eine Berechnungseinheit
vorgesehen, die automatisch die Ruhephase des Herzens durch Nachverarbeiten
der aufgenommen Bilder berechnet. Auf einer Anzeigeein heit können die berechneten
Werte für
die Bedienperson dargestellt werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher
erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 schematisch
eine MR-Anlage mit automatischer Berechnung der Ruhephase im Herzzyklus,
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2 Bilder
für eine
Berechnung der Ruhephase mit Hilfe des Endokardvolumens,
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3 Kurzachsenschnitte
mit der Bestimmung des Herzmittelpunktes,
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4 Signalintensitätsquerschnitte
der Bilder von 3 im zeitlichen Verlauf zur
Bestimmung der Lage der Ventrikelgrenzen, und
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5 schematisch
ein Verfahren zur Bestimmung der Ruhephase im Herzen durch Bilden von
Differenzbildern.
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1 zeigt
schematisch eine Magnetresonanzanlage 10, mit der automatisch
die Zeitspanne der Ruhephase des Herzzyklusses bestimmt werden kann.
Die Magnetresonanzanlage weist einen Magneten 11 zur Erzeugung
eines Polarisationsfeldes B0 auf. Eine Untersuchungsperson 12 wird
auf einer Liege 13 in den Magneten geschoben, wodurch in
der Untersuchungsperson eine resultierende Magnetisierung erzeugt
wird. Weiterhin sind im Magneten nicht gezeigte Gradientenspulen
zur Erzeugung eines Gradientenfeldes und HF-Spulen zur Einstrahlung von
HF-Pulsen vorgesehen. Wie dem Fachmann auf dem Gebiet der Magnetresonanztomographie
hinlänglich
bekannt ist, werden in zeitlicher Abfolge durch Schalten von HF-Pulsen
in Verbindung mit Gradienten Messsignale aufgenommen, die durch Nachverarbeitung
in einer Steuereinrichtung 14 in ein MR-Bild umgerechnet
werden. Die Steuereinrichtung 14 weist eine Bildaufnahmeeinheit 15 auf,
mit deren Hilfe eine Bedienperson über eine nicht gezeigte Eingabeeinheit
die Bildgebungsparameter wie Akquisitionszeit, Echozeit, Größe des Gesichtsfeldes,
etc. eingeben kann. Die Bildaufnahmeeinheit steuert dann die Schaltung
der Gradienten- und HF-Pulse in der zeitlichen Abfolge. Die berechneten
MR-Bilder können
auf einer Anzeigeeinheit 16 dargestellt werden. Weiterhin
ist eine Berechnungseinheit 17 vorgesehen, mit deren Hilfe
automatisch die Ruhephase des Herzens berechnet werden kann. Eine
Steuereinheit 18 steuert insgesamt den Ablauf. Die allgemeine
Funktionsweise einer MR-Anlage ist dem Fachmann bekannt, so dass
auf eine genauere Beschreibung der Teile, die für die Erfindung nicht wesentlich
sind, aus Übersichtlichkeitsgründen verzichtet
wird.
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Mit
Hilfe der MR-Anlage können
nun von der Untersuchungsperson MR-Bilder im Kurzachsenschnitt in
einer Technik aufgenommen werden, die es ermöglicht, während eines Herzzyklusses von
ca. einer Sekunde eine Vielzahl von Bildern aufzunehmen. In 2 sind
zwei MR-Bilder 21, 22 dargestellt, die einen Kurzachsenschnitt
durch das Herz darstellen. In den aufgenommenen Kurzachsenschnitten
kann das Volumen eines vorbestimmten Bereichs, wie beispielsweise
des endokardialen Bereichs, untersucht werden. Hierfür wird durch
halbautomatische oder automatische Segmentierung der endokardiale
Bereich im MR-Bild
bestimmt. Aus der in den den verschiedenen Kurzachsenschnitten dargestellten
Fläche
kann auf das Volumen des endokardialen Bereichs geschlossen werden.
Das Volumen des endokardialen Bereichs ist in dem Graph 24 in 2 dargestellt,
wie es aus den aufgenommenen MR-Bildern berechnet wurde. Wie in
dem Graph 24 zu erkennen ist, nimmt das endokardiale Volumen
während
der Kontraktion der Systole ab, während es in der diastolischen
Phase wieder zunimmt. In dem Graph von 2 sind weiterhin
die beiden Zeitpunkte t1 und t2 eingezeichnet, zwischen denen das
endokardiale Volumen im Wesentlichen konstant bleibt. Diese Zeitpunkte
t1 und t2 definieren die Ruhephase des Herzens. Aus den Zeitpunkten
t1 und t2, zu denen die entsprechenden MR-Bilder aufgenommen wurden, kann
im Herzzyklus genau die Zeitspanne identifiziert werden, während der
die nachfolgende Bildgebungssequenz ablaufen soll. Beispielsweise
kann die Berechnungseinheit 17 derart ausgebildet sein,
dass sie ein endokardiales Volumen als Ruhephase identifiziert,
deren Fläche
sich nicht mehr als beispielsweise 5% ändert und die in den Bildern
im zeitlichen Verlauf aufeinander folgen. Die automatisch berechneten Zeitpunkte
für die
Ruhephase können
der Bedienperson auf der Anzeigeeinheit 16 dargestellt
werden, wobei diese den Anfangszeitpunkt und den Endzeitpunkt der
Ruhephase prüfen
kann und bei Bedarf ändern
kann, beispielsweise durch Anwahl eines früheren oder späteren Zeitpunkts
durch Verschieben der Markierung in der Kurve oder durch Auswahl
eines anderen Bildes.
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In 3 und 4 ist
eine weitere Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. In 3 sind wiederum
zwei MR-Bilder 21, 22 im Kurzachsenschnitt dargestellt.
Weiterhin sind in 3 die beiden Mittelpunkte 25 des
Herzens dargestellt, wie sie entweder vom System automatisch berechnet
wurden oder wie sie beispielsweise durch die Bedienperson markiert
wurden. Durch die Bestimmung des Mittelpunktes des Herzens in den
verschiedenen Bildern des Herzzyklusses ist es möglich, die Bilder derart nachzuarbeiten,
dass die Mittelpunkte 25 auf einer x- y-Koordinate im Raum bleiben. Dies
bedeutet, dass sich der Mittelpunkt 25 bei Betrachtung
der einzelnen MR-Bilder über
die Zeit nicht ändert.
Weiterhin kann in den verschiedenen MR-Bildern ein Intensitätsquerschnitt
durch den Mittelpunkt gebildet werden, wie es durch die Achse 26 in
den Bildern 21 und 22 dargestellt ist. Dieser
Intensitätsquerschnitt
kann nun wie in 4 gezeigt über die Zeit dargestellt werden,
wobei in 4 in dem Bild 27 der
Intensitätsquerschnitt
für einen
bestimmten Radius ausgehend von dem Mittelpunkt 25 der
Intensitätsverlauf über die
Zeit dargestellt wird. In y-Richtung
ist in 4 der Intensitätsquerschnitt
in einem Zeitpunkt dargestellt, die x-Achse stellt diesen Intensitätsquerschnitt
zu verschiedenen Zeitpunkten dar. Im Bild 27 ist die Bewegung
des linken Ventrikels 28 gut zu erkennen. Bei dem in 4 dargestellten
Verfahren wird nun die Lage des linken Ventrikels untersucht. Falls
die Lage des linken Ventrikels über
einen längeren
Zeitraum konstant ist, so kann auf die Ruhephase im Herzzyklus geschlossen
werden. Durch Nachverarbeiten des berechneten Bildes 27 können beispielsweise
die inneren Grenzen des linken Ventrikels ermittelt werden, wobei
bei diesen inneren Grenzen ein geradliniger Verlauf detektiert wird,
wie er durch die beiden Verläufe 29 dargestellt
ist, wenn das Herz in Ruhe ist. Das Bild, das zu dem Intensitätsquerschnitt
am linken und rechten Ende des Verlaufs 29 gehört, bildet
wiederum den Anfangszeitpunkt und den Endzeitpunkt für die Ruhephase
im Herzzyklus bzw. wurde zu diesen Zeitpunkten aufgenommen. Diese
sind im rechten Bild 27 durch die beiden Markierungen 30, 31 dargestellt.
Die Bilder, die zu den Markierungen 30, 31 gehören, können dann
der Bedienperson angezeigt werden, wobei die Bedienperson wiederum
den Anfangs- und den Endzeitpunkt der Ruhephase prüfen und
bei Bedarf durch Verschieben der Markierungen 30, 31 durch
Auswahl eines früheren
oder späteren Bildes ändern kann.
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In 5 ist
eine weitere Möglichkeit
zur automatischen Bestimmung der Ruhephase des Herzens dargestellt.
Hierzu werden die jeweils nacheinander aufgenommenen Bilder der
Kurzachsenschnitte voneinander subtrahiert. Beispielsweise wird
das zweite Bild vom ersten subtrahiert und das dritte vom zweiten,
etc. Dies führt
dann zu den Differenzbildern 32, 33 und 34 von 5.
Wie aus den Bildern 1 und 2 in 5 zu erkennen
ist, ist hier die Bewegung des Herzens relativ groß, so dass
im Differenzbild Herzkonturen noch relativ gut erkennbar sind und
insgesamt recht viel Differenzsignalintensität vorhanden ist. Dies gilt
ebenso für
das Bild 33, welches die Differenz des zweiten und dritten
Bildes darstellt. Bei dem Differenzbild 34, welches die
Differenz des 19. und 20. Bildes darstellt, ist
jedoch die Bewegung zwischen dem 19. und 20. Bild
so gering, dass insgesamt die Herzkontur im Differenzbild 34 nicht
mehr zu erkennen ist. Durch Analyse der Differenzbilder kann somit
ebenfalls auf die Ruhephase im Herzen geschlossen werden. Beispielsweise
ist es möglich,
die Summe der Bildpunktintensitäten
in einem vorbestimmten Bereich innerhalb des Differenzbildes zu bilden
und zu überprü fen, ob
diese geringer als ein vorbestimmter Schwellwert ist. Selbstverständlich sind
auch andere Nachverarbeitungsmöglichkeiten denkbar,
beispielsweise die Überprüfung, ob
die Herzkontur in den subtrahierten Bildern noch erkennbar ist oder
nicht. Aus den Differenzbildern, bei denen das Signal unterhalb
eines Schwellwerts liegt, kann wiederum auf die Bilder geschlossen
werden, die während
der Ruhephase des Herzens aufgenommen wurden. Der Anfangs- und der
Endzeitpunkt der Ruhephase können
der Bedienperson wiederum angezeigt werden, die dann bei Bedarf
die Anfangs- und Endzeitpunkte ändern
kann.
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Die
festgestellte Zeitspanne der Ruhephase des Herzens kann dann automatisch
in die nachfolgende Messung integriert werden. Dazu ist es notwendig,
einige Parameter auf die Dauer der Ruhephase anzupassen. Diese Parameter
können
in der Folgemessung mit Startwerten versehen sein, die dann vom
System automatisch angepasst werden. Mögliche Werte, die angepasst
werden können,
sind beispielsweise das Akquisitionsfenster, was im EKG-Signal üblicherweise
die Zeitspanne definiert, während
der die Signalaufnahme erfolgt. Ebenfalls kann eine Triggerverzögerung automatisch
eingestellt werden, welche den Start der Bildakquisition nach der
R-Zacke im EKG-Signal initiiert. Bei segmentierten Messtechniken
kann ebenfalls unter Berücksichtigung
der Dauer der Ruhephase des Herzens die Anzahl der Segmente angepasst
werden, so dass dieser Zeitraum optimal zur Datenaufnahme verwendet
werden kann. Bei so genannten Single-Shot-Messtechniken, bei denen
der gesamte Rohdatenraum während
einer Ruhephase gemessen wird, kann es vorkommen, dass die Ruhephase
des Herzens kürzer
ist als die benötigte
Aufnahmedauer, um den gesamten Rohdatenraum in einem Herzschlag
zu füllen.
Sollte dies der Fall sein, kann die Bedienperson auf diese Tatsache
hingewiesen werden und diese erhält
die Möglichkeit,
andere Messparameter zu verwenden, wie beispielsweise durch Verringerung
der räumlichen
Auflösung,
Einschränkung des
Gesichtsfeldes, etc., damit das gesamte MR-Bild in einer Ruhephase
aufgenommen werden kann.
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Die
oben beschriebenen drei Möglichkeiten können ebenfalls
kombiniert werden, um die automatische Detektion der Ruhephase zu
verbessern.