DE102008048687A1

DE102008048687A1 - Verfahren und Ermittlungsmodul zur Ermittlung von Zyklussignalen, Signal-Gewinnungsverfahren und Signalgewinnungsmodul, Bildaufnahmeverfahren und bildgebendes System

Info

Publication number: DE102008048687A1
Application number: DE200810048687
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Grasruck
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-09-24
Filing date: 2008-09-24
Publication date: 2009-09-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Zyklussignalen (K), die eine zyklische Bewegung eines bewegten Objekts (1) repräsentieren, unter Zuhilfenahme von Bilddaten aus einem bildgebenden System (13). Es umfasst mindestens folgende Schritte: Erstellung eines gemittelten Volumenbilds (5) aus Bilddaten eines das Objekt (1) umfassenden Volumenbereichs, Ableitung von Zyklus-Phasen der Bewegung in einzelnen Bildaufnahmen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g) aus einem Abgleich der Bildaufnahmen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g) mit dem gemittelten Volumenbild (5) und Herleitung von Zyklussignalen (K) aus den einzelnen Zyklus-Phasen in Abhängigkeit von der Aufnahmezeit (t) der Bildaufnahmen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g), denen die Zyklus-Phasen zugeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Zyklussignalen, die eine zyklische Bewegung eines bewegten Objekts repräsentieren, unter Zuhilfenahme von Bilddaten aus einem bildgebenden System. Sie betrifft außerdem ein Ermittlungsmodul zur Ermittlung von Zyklussignalen, die eine zyklische Bewegung eines bewegten Objekts repräsentieren sowie ein Signal-Gewinnungsverfahren und ein Signal-Gewinnungsmodul zur Gewinnung von Trigger-Signalen für die Akquisition von Rohbilddaten und/oder für die Aufbereitung von Nutzbilddaten eines Tomographiesystems. Zudem umfasst sie ein Bildaufnahmeverfahren zur Gewinnung von Rohbilddaten, bei dem mit Hilfe von Trigger-Signalen Zeiträume für ein Gating für die Bildakquisition definiert werden, sowie ein bildgebendes System.
Bei der Aufnahme von Bildern durch bildgebende Systeme, beispielsweise durch Computertomographen (CT) oder Magnetresonanztomographen (MR), werden zunächst Rohbilddaten gewonnen und diese im Nachgang zu Nutzbilddaten aufbereitet. Praktisch allen Tomographieverfahren ist gemein, dass Bewegungen im Umfeld des bzw. des Untersuchungsobjekts selbst als Bewegungsartefakte in den aus den Rohbilddaten gewonnen Nutzbilddaten erkennbar sind. Derartige Rohbilddaten, die zu Bewegungsartefakten führen können, sind für eine qualitativ hochwertige Bildgebung eines Untersuchungsobjekts nicht verwendbar.
Es existieren zwei unterschiedliche sogenannte Gating-Verfahren, mit Hilfe derer Bilddaten mit Bewegungsartefakten vermieden werden können: Die erste Möglichkeit besteht in der getriggerten Akquisition von Rohbilddaten. Hierbei werden prospektiv Gatingzeiträume für das Tomographiesystem festgelegt, innerhalb derer das Tomographiesystem zeitlich selektiv Aufnahmen des Untersuchungsobjekts generiert. Dabei werden die Gatingzeiträume so gewählt, dass sie außerhalb von Zeiträumen liegen, in denen größere Bewegungen im Umfeld bzw. des Untersuchungsobjekt feststellbar sind.
Die zweite Möglichkeit sieht vor, dass Rohbilddaten kontinuierlich akquiriert werden und bei der Aufbereitung von Nutzbilddaten aus den Rohbilddaten mit Hilfe eines retrospektiven Gatings auf Basis festgelegter Gatingzeiträume diejenigen Rohbilddaten herausgefiltert werden, in denen wiederum keine bzw. nur geringe Bewegungsartefakte feststellbar sind.
Beiden Verfahren ist eine Selektion von Zeiträumen gemein, die auf Basis von Trigger-Signalen erfolgt. Diese Trigger-Signale werden aus Zyklussignalen abgeleitet, die eine zyklische Bewegung des Untersuchungsobjekts bzw. weiterer Objekte in seinem Umfeld repräsentieren.
Ein typischer Anwendungsbereich für derartige Akquisitionverfahren für Rohbilddaten bzw. Aufbereitungsverfahren von Nutzbilddaten ist der Tomographiescan des Herzens. Dabei kann typischerweise davon ausgegangen werden, dass das Herz eines erwachsenen Menschen eine Normalfrequenz von 60 bis 80 Hz aufweist. Gleichzeitig muss jedoch der jeweilige Patient, dessen Herz untersucht wird, während der Bildgebung die Bewegungen seiner Lunge dadurch unterdrücken, dass er den Atem anhält.
Solche Voraussetzungen sind jedoch nicht grundsätzlich immer gegeben. Beispielweise bei Tieren kann eine Unterdrückung der Lungenbewegung nicht gewährleistet werden. Erschwerend kommt hinzu, dass die Messung von Herz- und Lungenkurven bei Kleintieren – etwa in der Größe einer Maus oder eines kleineren Vogels – nur unter sehr erschwerten Bedingungen durchgeführt werden kann: Das Tier muss sediert und an EKG-Sonden angeschlossen werden, die meist nicht viel kleiner sind als es selbst. Die Atembewegung kann derzeit nur ungenau mit Hilfe eines Atemkissens, auf dem das Tier gelagert wird, beobachtet werden. Diese zusätzlichen Apparaturen stören die Bildgebung erheblich, insbesondere weil sie auch in der direkten Untersuchungsregion, also beispielsweise in der Nähe des Herzbereichs, positioniert sind. Hierdurch können sich Störeinflüsse bei der Bildgebung ergeben. Abgesehen davon stellt es ein kompliziertes und zeitaufwändiges Verfahren dar, ein Kleintier mit den EKG-Sonden auszustatten und richtig auf dem Atemkissen zu lagern.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit bereitzustellen, wie Zyklussignale, die eine zyklische Bewegung eines bewegten Objekts repräsentieren, insbesondere zum Zweck der Gewinnung von Trigger-Signalen zu ermitteln, die mit geringerem Aufwand, speziell Hardware-Aufwand und Verfahrensaufwand, zu bewerkstelligen ist. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Bildaufnahmeverfahren und ein bildgebendes System bereitzustellen, das auf verlässlichen Zyklussignalen basiert.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein Ermittlungsmodul gemäß Anspruch 13 gelöst. Außerdem wird sie durch ein Signal-Gewinnungsverfahren gemäß Anspruch 10 und ein Signal-Gewinnungsmodul gemäß Anspruch 14 gelöst. Letzterer Teil der Aufgabe wird durch ein Bildaufnahmeverfahren gemäß Anspruch 12 und ein bildgebendes System gemäß Anspruch 15 gelöst.
Demgemäß weist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung von Zyklussignalen der eingangs genannten Art mindestens folgende Schritte auf:

– Erstellung eines gemittelten Volumenbilds aus Bilddaten, vorzugsweise allen gewonnenen Bilddaten, eines das Objekt umfassenden Volumenbereichs,
– Ableitung von Zyklus-Phasen der Bewegung in einzelnen Bildaufnahmen aus einem Abgleich der Bildaufnahmen mit dem gemittelten Volumenbild und
– Herleitung von Zyklussignalen aus den einzelnen Zyklus-Phasen in Abhängigkeit von der Aufnahmezeit der Bildaufnahmen, denen die Zyklus-Phasen zugeordnet sind.

Die Ermittlung von Zyklussignalen – also beispielsweise eine Herz- oder einer Atemkurve – erfolgt erfindungsgemäß also intrinsisch rein aus den Bilddaten, wobei als Bilddaten bevorzugt Rohbilddaten verwendet werden. Aus den Bilddaten wird ein gemitteltes Volumenbild gewonnen. Ein solches Volumenbild repräsentiert ein aus den Bilddaten abbildbares Volumen; dabei handelt es sich vorzugsweise um ein dreidimensionales Bild, es kann jedoch auch eine zweidimensionale Repräsentation des dreidimensionalen Bilds sein. Das gemittelte Volumenbild repräsentiert im Endeffekt die während der Aufnahme der Bilddaten vollzogene zyklische Bewegung repräsentiert: Ähnlich wie das Bild von verschwommenen Landschaften während einer schnellen Zugfahrt stellt es sich als eine verschmierte Darstellung des bewegten Objekts dar. Das gemittelte Volumenbild beschreibt damit auch die mittlere Lage der Bewegung. Als scharfe Konturen sind im gemittelten Volumenbild diejenigen Teile des abgebildeten Volumenbereichs zu erkennen, in denen keine oder nur geringe Bewegung während der Akquisition der Bilddaten stattfindet. Im Abgleich des gemittelten Volumenbilds mit Einzel-Bildaufnahmen, die statische Momentaufnahmen repräsentieren kann die Bewegungslage, d. h. können einzelne Zyklusphasen bzw. Zyklusphasenlagen des bewegten Objekts zum jeweiligen Aufnahmezeitpunkt dargestellt und ermittelt werden. Ein solcher Abgleich kann vorzugsweise eine Subtraktion der Einzel-Bildaufnahmen vom gemittelten Volumenbild umfassen, er kann jedoch auch durch andere Bild-Vergleichsmethoden erfolgen, beispielsweise durch eine Bildaddition statt einer Subtraktion, wodurch der Ort des Objekts in der Einzel-Bildaufnahme dunkel vom gemittelten Volumenbild abgehoben erscheint.
Diese einzelnen Zyklusphasen ergeben – nach Aufnahmezeitpunkten hintereinander gereiht – ein Abbild der zyklischen Bewegung, die nun beispielsweise in Form einer Kurve dargestellt und weiterverwendet werden kann. So kann eine Herz- oder Atemkurve iterativ aus den Bilddaten hergeleitet werden, u. a. mit dem Vorteil, dass keine externen Monitore – etwa EKG-Sonden oder Atemkissen – mehr verwendet werden müssen. Somit sind die oben genannten Nachteile mit Hilfe des Verfahrens umgehbar. Stattdessen ist es zusätzlich möglich, nicht nur genaue Angaben über die Phase und Frequenz der zyklischen Bewegung zu machen, sondern auch über ihre Amplitude. Es liegen somit zusätzliche Daten vor, die aus einer Messung mit extern angebrachten Mess-Sensoren nur höchst unzureichend ableitbar wären.
Ein erfindungsgemäßes Ermittlungsmodul der eingangs genannten Art weist mindestens auf:

– eine Eingangsschnittstelle für Bilddaten aus einem bildgebenden System,
– eine Mittelungsbild-Erstellungseinheit zur Erstellung eines gemittelten Volumenbilds aus den Bilddaten,
– eine Phasen-Ableitungseinheit zur Ableitung von Zyklus-Phasen der Bewegung in einzelnen Bildaufnahmen aus einem Abgleich der Bildaufnahmen mit dem gemittelten Volumenbild,
– eine Signal-Herleitungseinheit zur Herleitung von Zyklussignalen aus den einzelnen Zyklus-Phasen und
– eine Ausgangsschnittstelle zur Weiterleitung der Zyklussignale.

Das Ermittlungsmodul ist damit analog zum erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildet, so dass das Verfahren mit Hilfe des Ermittlungsmoduls durchgeführt werden kann.
Die genannten Schnittstellen müssen nicht zwangsläufig als Hardware-Komponenten ausgebildet sein, sondern können auch als Software-Module realisiert sein, beispielsweise, wenn die Eingangsdaten von einer auf dem gleichen Gerät realisierten anderen Komponente, wie zum Beispiel einer Bildrekonstruktionsvorrichtung oder dergleichen, übernommen werden können oder an diese andere Komponente nur softwaremäßig übergeben werden müssen. Ebenso können die Schnittstellen auch aus Hardware- und Software-Komponenten bestehen, wie zum Beispiel eine Standard-Hardware-Schnittstelle, die durch Software für den konkreten Einsatz speziell konfiguriert wird.
Insgesamt können ein Großteil der Komponenten zur Realisierung des Steuerungsmoduls in der erfindungsgemäßen Weise, insbesondere die Mittelungsbild-Erstellungseinheit, die Phasen-Ableitungseinheit und die Signal-Herleitungseinheit, ganz oder teilweise in Form von Softwaremodulen auf einem Prozessor realisiert werden.
Die Erfindung umfasst daher auch ein Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Prozessor eines programmierbaren Bildbearbeitungssystems ladbar ist, mit Programmcodemitteln, um alle Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programmprodukt auf dem Bildbearbeitungssystem ausgeführt wird.
Ein erfindungsgemäßes Signal-Gewinnungsverfahren der eingangs genannten Art umfasst eine Ableitung von Trigger-Signalen aus in einem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenen Zyklussignalen. Es geht damit noch einen Schritt weiter und bezieht die wie oben beschrieben gewonnenen Zyklussignale in die Generierung von Trigger-Signalen für ein prospektives bzw. retrospektives Triggern bzw. Gating mit ein. Die Zyklussignale werden also – analog zur bisherigen Verfahrensweise – als Eingangsdaten für die Gewinnung von Triggersignalen verwendet. Der Unterschied besteht darin, dass die Zyklussignale rein aus den Bilddaten gewonnen sind und daher sogar noch exakter sein können als von außerhalb – ggf. mit einem leichten Zeitversatz – gemessene Zyklussignale.
Entsprechend weist ein erfindungsgemäßes Signal-Gewinnungsmodul der eingangs genannten Art eine Trigger-Signal-Ableitungseinheit auf, die mit einem erfindungsgemäßen Ermittlungsmodul gekoppelt ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Bildaufnahmeverfahren der eingangs genannten Art werden Trigger-Signale verwendet, die aus einem erfindungsgemäßen Signal-Gewinnungsverfahren gewonnen wurden. Im Rahmen der Bildaufnahme definieren die Trigger-Signale Anfangs- und Endzeitpunkte von Aufnahmezeitfenstern. Es wird also ein prospektives Triggern oder Gating auf Basis der indirekt aus den Bilddaten abgeleiteten Trigger-Signale durchgeführt. Das Bildaufnahmeverfahren umfasst also zwei prinzipielle Phasen, nämlich eine erste Aufnahmephase, in der ungetriggert Bilddaten akquiriert werden, und eine zweite Aufnahmephase, in der auf Basis der aus der ersten Aufnahmephase abgeleiteten Trigger-Signale prospektiv getriggert wird.
Analog weist ein erfindungsgemäßes bildgebendes System eine Scannereinheit auf sowie eine Kopplung an ein erfindungsgemäßes Ermittlungsmodul und/oder an ein erfindungsgemäßes Signal-Gewinnungsmodul.
Ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Prozessor eines programmierbaren Bildbearbeitungssystems ladbar ist, kann im Rahmen der Erfindung auch Programmcode-Mittel umfassen, um alle Schritte eines erfindungsgemäßen Signal-Gewinnungsverfahrens und/oder eines erfindungsgemäßen Bildaufnahmeverfahrens auszuführen, wenn das Programmprodukt auf dem Bildbearbeitungssystem ausgeführt wird.
Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung. Dabei können das Verfahren zur Ermittlung von Zyklussignalen, das Signal-Gewinnungsverfahren und Bildaufnahmeverfahren sowie das Ermittlungsmodul, das Signal-Gewinnungsmodul sowie das bildgebende System jeweils auch entsprechend den abhängigen Ansprüchen der anderen Verfahren bzw. Vorrichtungen weitergebildet sein.
Bevorzugt umfassen die Bilddaten Projektionen und die Erstellung des gemittelten Volumenbilds umfasst eine Volumen-Rekonstruktion von Bilddaten, bevorzugt durch ein Rückprojektionsverfahren. Derartige Projektionen werden beispielsweise bei der Computertomographie erzeugt, bei der ein Detektor um ein Objekt rotiert wird und als Rohbilddaten Projektionen des zu untersuchenden Bereichs aufzeichnet. Aus diesen Projektionen werden dann z. B. mit einem üblichen Rekonstruktionsverfahren Volumenbilddaten des von den Projektionen erfassten Volumens bzw. von Objekten in diesem Bereich erstellt. Im Rahmen der Erfindung bedeutet dies, dass z. B. bewusst aus Projektionen aus beliebigen unterschiedlichen Bewegungsphasen, vorzugsweise aus allen akquirierten Projektionen, ein gemitteltes Volumenbild erstellt wird, im Gegensatz zu den bisher verwendeten Verfahren bei denen versucht wird, nur solche Projektionen zur Rekonstruktion zusammenzufassen, die in der gleichen Bewegungsphase erzeugt wurden.
Die Einzel-Bildaufnahmen im Sinne der Erfindung sind in einem solchen Falle also beispielsweise die einzelnen Projektionen. Um einen sinnvollen Abgleich des beispielsweise durch Rückprojektion gewonnenen gemittelten Volumenbilds mit diesen Projektionen zu ermöglichen, ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass aus dem gemittelten Volumenbild für eine Projektionsrichtung – bevorzugt für alle Projektionsrichtungen –, in der eine Projektion vorliegt, zunächst ein virtuelles Projektionsabbild abgeleitet wird. Aus dem rekonstruierten mittleren Volumenbild wird also für jede ursprüngliche reale Projektion oder Projektionsrichtung wieder eine künstliche Projektion abgeleitet – d. h. ein virtuelles, gemitteltes Projektionsabbild. So ermittelte virtuelle, gemittelte Projektionsabbilder können nun sehr einfach mit den real vorliegenden Projektionen abgeglichen werden, da ihnen dasselbe Bezugssystem zugrunde liegt.
Außerdem wird bevorzugt aus dem gemittelten Volumenbild (im o. g. Fall einer Computertomograpieaufnahme beispielsweise auch indirekt über das jeweilige virtuelle, gemittelte Pro jektionsabbild) ein Referenz-Ort abgeleitet, der bei der Ermittlung der Vergleichs-Daten als Bezugsort zur momentanen Bewegungslage verwendet wird. Dieser Referenz-Ort, der beispielsweise eine Ebene oder ein Punkt sein kann, dient als Ausgangspunkt zur Feststellung einer Abweichung der momentanen Bewegungslage. Er repräsentiert besonders bevorzugt eine mittlere Bewegungslage, d. h. den Nullpunkt der zyklischen Bewegung. Dieser Punkt ist einfach zu ermitteln und kann insofern als ideale Referenz angesehen werden, als davon die Abweichung sowohl in die hierzu gesehen positive als auch in die negative Bewegungsrichtung leicht darstellbar ist, ähnlich wie bei einer Sinuskurve, die versetzt symmetrisch dies- und jenseits eines Nullpunkts verläuft. Alternativ kann auch eine Extrem-Position, also der Endpunkt bzw. die End-Ebene der Bewegung, vorzugsweise in beiden angezeigten Bewegungsrichtungen Verwendung finden.
In dreidimensionalen Darstellungen und bei der einer dreidimensionalen Bewegung eines Objekts können Bewegungen in unterschiedliche prinzipielle Bewegungsrichtungen beobachtet werden. Bevorzugt wird die momentane Bewegungslage in einer Einschubrichtung des Objekts in das bildgebende System ermittelt. Dies bedeutet, dass nur die Bewegung in der sogenannten z-Richtung überwacht zu werden braucht, die – auch bei CT-Systemen mit um das Objekt rotierenden Detektoren – jederzeit ohne Umrechnung aus den Rohbilddaten abgebildet werden kann. Alternativ oder zusätzlich können die Bewegungen in die x- und y-Richtung, d. h. die vertikale und horizontale Richtung senkrecht zur Einschubrichtung ermittelt werden. Dies erfolgt bei einem CT-System durch Herausrechnen der Detektorbewegung aus den Bilddaten durch eine Demodulation: Über die eigentliche Bewegung des Untersuchungsobjekts ist eine Sinuskurve überlagert, die sich aus der stets verändernden Aufnahmeperspektive der Detektoren aufgrund ihrer Rotation ergibt. In der Demodulation wird diese Sinuskurve wiederum mit Hilfe mathematischer Algorithmen herausgerechnet, so dass die eigentliche Objektbewegung darstellbar wird.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung bei einer Ermittlung der momentanen Bewegungslage in Einschubrichtung ist vorgesehen, dass das Objekt so gelagert wird, dass seine maximale Bewegungsbandbreite im Wesentlichen parallel zur Einschubrichtung liegt. Dies bedeutet, dass die Lagerung des Objekts so an der Einschubrichtung ausgerichtet ist, dass es sich am stärksten in dieser Einschubrichtung bewegt. Hierdurch wird erreicht, dass das System von vorneherein so eingestellt wird, dass die größtmögliche messbare Bewegung auf einfache Weise darstellbar ist. Diese Ausrichtung erhöht die Messgenauigkeit und verbessert die Möglichkeiten der Erkennung der genauen Phasenlage der Bewegung.
Bei Anwendung der Erfindung im Rahmen einer Computertomographie wird bevorzugt ein Computertomograph mit einem Detektor verwendet, der so dimensioniert ist, dass das Objekt vollumfänglich in einem Scandurchlauf bei Lagerung des Objekts auf einer stationären Objektlagerungseinrichtung gescannt werden kann. Der Detektor weist also beim CT-System mehrere Detektorzeilen auf. Ist das Objekt auf der Objektlagerungseinrichtung fest gelagert und die Objektlagerungseinrichtung fest in einer Scanposition positioniert, so soll die Dimensionierung des Detektors in z-Richtung, d. h. in Einschubrichtung, so sein, dass das Objekt voll erfasst werden kann, ohne dass es in weitere Scanpositionen befördert werden müsste bzw. ohne dass der Detektor an eine weitere Scanposition gefahren werden müsste. Diese Detektordimensionierung erleichtert im Speziellen beim Scan von Organen von Kleintieren die Untersuchung und die nachträgliche Bildbearbeitung: Sonst müsste nämlich eine zusätzliche Eingangsgröße, der Vorschub der Objektlagerungseinrichtung, bei der Ermittlung der Zyklussignale mit berücksichtigt werden, was prinzipiell möglich ist, das Verfahren aber verkomplizieren würde.
Wie erläutert, kann das erfindungsgemäße Verfahren für die Ermittlung von Zyklussignalen verschiedener zyklisch bewegter Objekte dienen, beispielsweise von bewegten Körperorganen wie eine Leber oder eine Niere, die aufgrund der Atmung mit be wegt wird. Bevorzugt umfasst das bewegte Objekt eine Lunge und/oder ein Herz, besonders bevorzugt eines Kleintiers. Hier können im Besonderen die Vorteile der Erfindung zur Geltung kommen, weil erstens die Bewegungen von Herz und Lunge sehr deutlich – und daher auch gut abbildbar – sind, und weil zweitens das externe Monitoring der zyklischen Bewegung von Kleintierorganen, wie oben beschrieben, sehr aufwändig ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung werden in einem ersten Schritt Zyklussignale der Lunge ermittelt und dann in einem zweiten Schritt innerhalb einer Lungenphase Bilddaten des Herzens gemacht, aus denen dann ein gemitteltes Volumenbild des Herzens während der betreffenden Lungenphase erstellt wird. Bevorzugt werden dabei sowohl die Zyklen der Lungen- als auch die der Herzbewegung mit einem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt, so dass keinerlei externe Mess-Sensoren angeschlossen werden müssen. Mit Hilfe der Abbildung der Lunge, die die kleineren Zyklusfrequenzen aufweist – bei Kleintieren liegt die Herzfrequenz in etwa bei 5 bis 10 Hz und die Atemfrequenz bei 1 bis 2 Hz – kann zunächst einmal die Bewegung des Organs ”herausgerechnet” werden, die einfacher zu ermitteln ist, nämlich die Bewegung mit der niedrigeren Bewegungsamplitude. Dieses ”Herausrechnen” erfolgt vorzugsweise dadurch, dass nur in einem von der Atemfrequenz abgeleiteten Zeitraum relativer Bewegungsruhe der Lunge die Bilddaten des Herzens für die Ermittlung der Herzkurve gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden.
Ein erfindungsgemäßes Signal-Gewinnungsverfahren umfasst vorzugsweise ein retrospektives Gating zur Aufbereitung von Nutzbilddaten des Tomographiesystems. Das nachträgliche Gating bzw. Triggern hat sich insofern als besonders vorteilhaft herausgestellt, da es die Fehlerrisiken des prospektiven Triggerns bzw. Gatings ausschließt. Zudem kann das retrospektive Gating parallel zur Ermittlung des Zyklussignals – sozusagen in einem Arbeitsgang – erfolgen.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines zyklisch bewegten Objekts in mehreren Bewegungslagen im dreidimensionalen Koordinatensystem,
2 einen schematischen beispielhaften Bewegungsablauf eines in einer Bewegungsrichtung zyklisch bewegten Objekts in mehreren zeitlich versetzten Bewegungslagen und eines aus der Bewegung abgeleiteten gemittelten Volumenbilds,
3 eine schematische Darstellung von aus den Bewegungslagen und dem gemittelten Volumenbild aus 2 abgeleiteten Vergleichs-Daten, zusammen mit einem Intensitäts-Querschnitt einer hieraus ausgewählten Vergleichs-Darstellung,
4 eine aus den Vergleichs-Daten in Figur abgeleitete Zykluskurve und
5 eine schematische Blockdarstellung eines bildgebenden Systems mit Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Ermittlungsmoduls und eines erfindungsgemäßen Signal-Gewinnungsmoduls.
1 zeigt ein zyklisch bewegtes Objekt 1 in einem Koordinatensystem mit beliebiger Skalierung. Das Objekt 1 bewegt sich im Raum, d. h. in einer ersten horizontalen Richtung x, einer vertikalen Richtung y und in einer zweiten horizontalen Richtung z. Der Übersichtlichkeit halber wird das Objekt 1 in seinen verschiedenen Positionen als immer gleich große Kugel dargestellt. Bei einem Organ eines Lebewesens, dessen Zyklusermittlung im Rahmen der Erfindung im Vordergrund steht (wo bei sie sich nicht darauf beschränkt), umfasst die Bewegung jedoch neben einer Ortsveränderung auch eine Größen- und Formveränderung. Eine solche Bewegung, die zyklisch ist, d. h. in der immer wiederkehrend näherungsweise dieselben Positionen und Objekt-Dimensionen erreicht werden, soll mit Hilfe der Erfindung ohne Verwendung externer Mess-Sonden ermittelt werden.
In 2 ist schematisch ein Objekt 1 – hier der Anschaulichkeit halber eine zylindrische Figur – in verschiedenen Bildaufnahmen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g in unterschiedlichen Bewegungslagen entlang einer nicht skalierten Zeitachse t dargestellt. Derartige Bildaufnahmen können zweidimensionaler oder dreidimensionaler Natur sein. Bei der Verwendung eines Computertomographen zur Bildakquisition bestehen sie beispielsweise aus zweidimensionalen Projektionen eines Objekts, die erst durch eine Rückprojektion unter Verwendung mehrerer Projektionen ein dreidimensionales Abbild des Objekts ergeben.
Das Objekt 1 bewegt sich zyklisch in einer Bewegungsrichtung y von einer obersten Bewegungslage in der ersten Bildaufnahme 3a in Richtung einer untersten Bewegungslage in der vierten Bildaufnahme 3d zurück in Richtung der obersten Bewegungslage. Aus all diesen Bildaufnahmen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g sowie weiteren Aufnahmen (nicht dargestellt), deren Bewegungslagen sukzessive zwischen den Bewegungslagen der einzelnen Bildaufnahmen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g angeordnet sind, wird im Rahmen der Erfindung ein gemitteltes Volumenbild 5 erstellt.
Dieses Bild hat in der hier vorliegenden schematischen dreidimensionalen Darstellung dieselbe Bildintensität wie die einzelnen Bildaufnahmen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, d. h. die Bildaufnahmen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, wurden nicht nur überlagert, sondern es wurde auch eine mittlere Intensität der Summe aller Intensitäten aller verwendeten Bildaufnahmen gebildet. Bei Verwendung eines Computertomographen zur Bild akquisition erfolgt die Erstellung des gemittelten Volumenbilds auf Basis der einzelnen Projektionen, wobei durch Rückprojektion aller Projektionen automatisch ein dreidimensionales Bemitteltes Volumenbild entsteht. Hierzu werden vorzugsweise eine Vielzahl von Projektionen aus mehreren Umläufen eines Detektors akquiriert und für die Bildung des gemittelten Volumenbilds herangezogen, so dass besonders bevorzugt aus jeder Projektionsrichtung Projektionen in jeder Bewegungsphase vorliegen.
In der 2 ist genau in der Bewegungsmitte des gemittelten Volumenbilds als Referenz-Ort 11 eine mittlere Bewegungsposition des Objekts 1 eingezeichnet. Dieser Referenz-Ort kann als Referenz dafür verwendet werden, wie weit das Objekt in einer bestimmten Bewegungslage vom Mittelpunkt seiner Bewegung entfernt ist.
3 zeigt einen Abgleich der Bildaufnahmen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g mit dem gemittelten Volumenbild 5 mit Hilfe von Vergleichs-Darstellungen 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f, 7g, in denen die Bildaufnahmen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g vom gemittelten Volumenbild 5 subtrahiert wurden. Die Bereiche der Bildaufnahmen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g sind aufgrund dieser Subtraktion heller dargestellt als der Rest der Vergleichs-Darstellungen 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f, 7g. Ein Querschnitt Q der ersten Vergleichs-Darstellung 7a, in dem deren Bildintensität I über die Höhe H der Bildbewegung aufgetragen ist (nicht maßstäblich), verdeutlicht diesen Effekt. Im oberen Bereich der 3 sind die Bewegungslagen der jeweiligen Einzel-Bildaufnahmen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g im Verhältnis zur Gesamtbewegung, die durch das gemittelte Volumenbild 5 repräsentiert wird, auszumachen.
Zum Abgleich einzelner Bildaufnahmen, d. h. Projektionen, aus einem Computertomographie-Scan kann einfach für jede Projektion aus dem wie oben beschrieben rekonstruierten, gemittelten dreidimensionalen Volumenbild 5 ein zugehöriges virtuelles, mittleres Projektionsabbild in der betreffenden Raum richtung erzeugt werden. Die jeweilige Projektion kann dann mit ihrem virtuellen, gemittelten Projektsabbild abgeglichen werden.
Die Bewegungslagen aller Bildaufnahmen sind in einer Bewegungskurve K in 4 dargestellt. Hierfür wurden die einzelnen Bildaufnahmen in Bezug zum Aufnahmezeitpunkt t gesetzt, in dem sie akquiriert wurden. Analog zu der obersten Bewegungslage in der ersten Bildaufnahme 3a (siehe 2, auch im Folgenden) und der untersten Bewegungslage in der vierten Bildaufnahme 3d ergeben sich Höhepunkte P1, P2 bzw. ein Tiefpunkt L1 der Bewegungskurve K, die über die Zeit t eine annähernd sinusartige Form aufweist. Neben ihrer Frequenz und ihrer Phasenlage kann auch ihre Amplitude A ermittelt werden.
Versteht man die Kurve K beispielsweise als eine Atemkurve, die aus Bilddaten einer Lunge gewonnen wurde, so bildet die Kenntnis von Frequenz, Phase und Amplitude der Atemkurve die Basis für ein umfassenderes Verständnis der Atemkurve als dies beispielsweise durch Messung mittels Bewegungssensoren, etwa eines Atemkissens bei Kleintieren, möglich gewesen wäre. Auf Basis einer solchen Atemkurve kann auch ein Zeitraum für ein Gating G ermittelt werden, das typischerweise in einer Phase relativer Ruhe der Bewegung durchgeführt wird. Hierzu können aus der Atemkurve ein Anfangs-Triggersignal T_A und ein End-Triggersignal T_E zum Start bzw. zum Beenden des Gatings G abgeleitet werden. Es sei angemerkt, dass das Gating G für eine Lungenbildgebung in die Kurve K nur der Illustration halber eingezeichnet wurde. Die Kurve K bezieht sich eigentlich nur auf das schematische Objekt 1 aus 2. Jedoch kann eine Lungen- bzw. Herzkurve, beispielsweise eines Kleintiers, nach demselben Verfahrensprinzip ermittelt werden wie hier erläutert.
5 zeigt in schematischer Blockdarstellung ein bildgebendes System 13 – hier einen Computertomographen – mit einem Ermittlungsmodul 23 zur Ermittlung von Zyklussignalen und einem Signal-Gewinnungsmodul 37.
Der Computertomograph 13 weist eine Scannereinheit 20 und eine Objektlagerungseinrichtung 21 auf. In der Scannereinheit sind an einer rotierenden Gantry eine Röntgenquelle 17 und auf der ihr gegenüberliegenden Seite ein Detektor 19 angeordnet. Weiterhin umfasst der Computertomograph 13 – neben vielen weiteren Elementen, die dem Fachmann bekannt sind und daher der Anschaulichkeit halber in der Darstellung weggelassen wurden, eine Eingangschnittstelle 43 für Zyklussignale K und für Trigger-Signale T_A, T_E.
In einer Einschubrichtung z werden Untersuchungsobjekte 1a, 1b, hier Herz und Lunge eines auf der Objektlagerungseinrichtung 21 gelagerten Chinchillas 15, in den Untersuchungsbereich der Scannereinheit 20 gebracht. Der Detektor 19 weist in Einschubrichtung z eine Dimension auf, die der maximalen Bewegungsbandbreite B_Max sowohl der Lunge 1a als auch des Herzens 1b übertrifft. Dabei sind sowohl die Lunge 1a als auch das Herz 1b so an der Einschubrichtung z ausgerichtet, dass ihre maximale Bewegungsbandbreite B_Max parallel zu ihr liegt, damit die Bewegungen beider Organe im Rahmen der Bildgebung optimal in z-Richtung dargestellt werden können.
Das Ermittlungsmodul 23 empfängt vom Detektor 19 generierte Bilddaten BD über eine Eingangsschnittstelle 25 und gibt über eine Ausgangsschnittstelle 35 Zyklussignale K in Form von Atem- bzw. Herzkurven an den Computertomographen 13 und an das Signal-Gewinnungsmodul 37 weiter. Zur Ermittlung dieser Zyklussignale K sind folgende Einheiten in Form von auf einem Prozessor angeordneten Softwaremodulen im Ermittlungsmodul enthalten: Eine Bilddaten-Auswahleinheit 26, eine Mittelungsbild-Erstellungseinheit 27, eine Vergleichsdaten-Ermittlungseinheit 29, eine Phasen-Ableitungseinheit 31 und eine Signal-Herleitungseinheit 33.
Die Mittelungsbild-Erstellungseinheit 27 erstellt aus den Bilddaten BD ein gemitteltes Volumenbild 5. Sie kann zum Beispiel eine übliche Bildrekonstruktionseinheit sein, die so ausgebildet ist, dass sie ein gemitteltes Volumenbild aus allen Projektionen des Computertomographen 13 erzeugt.
Die Vergleichsdaten-Ermittlungseinheit 29 ermittelt Vergleichs-Daten aus den Bilddaten BD und dem gemittelten Volumenbild 5 wie oben in Verbindung mit 3 beispielhaft beschrieben.
Die Phasen-Ableitungseinheit leitet Zyklus-Phasen der Bewegung des jeweils zu untersuchenden Objekts, d. h. der Lunge und/oder des Herzens aus den Vergleichs-Daten ab, woraus die Signal-Herleitungseinheit 33 die Zyklussignale K herleitet.
Die Zyklussignale K des zu untersuchenden Objekts werden innerhalb des Ermittlungsmoduls 23 auch weiterverwendet, indem sie in die Bilddaten-Auswahleinheit 26 eingespeist werden. Dort werden auf Basis der Zyklussignale eines ersten Objekts, beispielsweise einer Lunge, Zeiträume für die Auswahl von Bilddaten eines zweiten Objekts, beispielsweise eines Herzens, abgeleitet. Durch dieses iterative Auswahlverfahren kann eine Analyse des Herzzyklus immer in gleichen Zeitbereichen innerhalb einer Lungenphase durchgeführt werden.
Das Signal-Gewinnungsmodul 37 weist eine Eingangsschnittstelle 40, eine Trigger-Signal-Ableitungseinheit 39 und eine Ausgangsschnittstelle 41 auf. Über die Eingangsschnittstelle 40 nimmt sie die Zyklussignale K entgegen und verarbeitet sie in der Trigger-Signal-Ableitungseinheit 39 weiter. Die Trigger-Signal-Ableitungseinheit 39 leitet aus den Zyklussignalen K Trigger-Signale T_A, T_E ab, wie sie für ein prospektives oder retrospektives Gating G (vgl. 4) verwendet werden können. Dies kann herkömmlich in der Art und Weise erfolgen, wie Triggersignale auch bisher beispielsweise aus EKG-Kurven oder durch Atemkissen gewonnene Atemkurven abgeleitet wurden. Diese Trigger-Signale T_A, T_E werden an den Computertomographen 13 über seine Eingangsschnittstelle 43 weitergeleitet, um hiermit einen prospektiv getriggerten Scan durchführen zu können. Außerdem werden sie an eine Bildverarbeitungseinheit 45 weitergegeben, die sie in einer Bildaufbereitung für ein retrospektives Gating bzw. Triggern verwenden kann.
Das Ermittlungsmodul 13, das Signal-Gewinnungsmodul 37 und die Bildverarbeitungseinheit 45 sind hier als einzelne Module dargestellt. Sie können jedoch auch ganz oder teilweise zusammengefasst sein, beispielsweise gemeinsam auf einem Prozessor ein und derselben Rechnereinheit, und zudem Teil des Computertomographen 13 sein oder einer mit dem Computertomographen 13 verbundenen Datenverarbeitungseinheit.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Verfahren sowie bei den dargestellten Vorrichtungen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Dabei kann anstelle eines Computertomographen auch ein anderes bildgebendes System – beispielsweise ein Magnetresonanztomograph – zur Akquisition der Bilddaten verwendet werden. Die Bilddaten werden dann nicht aus Projektionen weiterverarbeitet, sondern liegen bereits von vorneherein als dreidimensionale Volumenbilddaten vor. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein” bzw. „eine” nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.

Claims

Verfahren zur Ermittlung von Zyklussignalen (K), die eine zyklische Bewegung eines bewegten Objekts (1) repräsentieren, unter Zuhilfenahme von Bilddaten aus einem bildgebenden System (13), mit mindestens folgenden Schritten: – Erstellung eines gemittelten Volumenbilds (5) aus Bilddaten eines das Objekt (1) umfassenden Volumenbereichs, – Ableitung von Zyklus-Phasen der Bewegung in einzelnen Bildaufnahmen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g) aus einem Abgleich der Bildaufnahmen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g) mit dem gemittelten Volumenbild (5) und – Herleitung von Zyklussignalen (K) aus den einzelnen Zyklus-Phasen in Abhängigkeit von der Aufnahmezeit (t) der Bildaufnahmen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g), denen die Zyklus-Phasen zugeordnet sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilddaten Projektionen umfassen und die Erstellung des gemittelten Volumenbilds (5) eine Volumen-Rekonstruktion von Bilddaten, vorzugsweise durch ein Rückprojektionsverfahren, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem gemittelten Volumenbild (5) für eine Projektionsrichtung, in der eine Projektion vorliegt, ein virtuelles Projektionsabbild abgeleitet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem gemittelten Volumenbild (5) ein Referenz-Ort (11) abgeleitet wird, der bei der Ermittlung der Vergleichs-Daten als Bezugsort zur momentanen Bewegungslage verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine mittlere Bewegungslage als Referenz-Ort (11).
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die momentane Bewegungslage in einer Einschubrichtung (z) des Objekts (1, 1a, 1b) in das bildgebende System (13) ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (1, 1a, 1b) so gelagert wird, dass seine maximale Bewegungsbandbreite (B_Max) im Wesentlichen parallel zur Einschubrichtung (z) liegt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verwendung eines Computertomographen (13) mit einem Detektor (19), der so dimensioniert ist, dass das Objekt (1, 1a, 1b) vollumfänglich in einem Scandurchlauf bei Lagerung des Objekts (1, 1a, 1b) auf einer stationären Objektlagerungseinrichtung (21) gescannt werden kann.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegte Objekt eine Lunge (1a) und/oder ein Herz (1b), vorzugsweise eines Kleintiers (15), umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt Zyklussignale (K) der Lunge (1a) ermittelt werden und dann Bilddaten des Herzens (1b) innerhalb einer bestimmten Lungenphase genutzt werden, aus denen dann ein gemitteltes Volumenbild (5) des Herzens (1b) während der betreffenden Lungenphase erstellt wird.
Signal-Gewinnungsverfahren zur Gewinnung von Trigger-Signalen (T_A, T_E) für die Akquisition von Rohbilddaten und/oder für die Aufbereitung von Nutzbilddaten eines Tomographiesystems (13), gekennzeichnet durch eine Ableitung von Trigger-Signalen (T_A, T_E) aus in einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche gewonnenen Zyklussignalen (K).
Signal-Gewinnungsverfahren gemäß Anspruch 11, gekennzeichnet durch ein retrospektives Gating (G) zur Aufbereitung von Nutzbilddaten des Tomographiesystems (13).
Bildaufnahmeverfahren zur Gewinnung von Rohbilddaten, bei dem mit Hilfe von Trigger-Signalen (T_A, T_E) Zeiträume für ein Gating (G) für die Bilddatenakquisition definiert werden, gekennzeichnet durch eine Verwendung von Trigger-Signalen (T_A, T_E), die aus einem Signal-Gewinnungsverfahren gemäß Anspruch 11 oder 12 gewonnen wurden.
Ermittlungsmodul (23) zur Ermittlung von Zyklussignalen (K), die eine zyklische Bewegung eines bewegten Objekts (1, 1a, 1b) repräsentieren, mindestens aufweisend: – eine Eingangsschnittstelle (25) für Bilddaten (BD) aus einem bildgebenden System (19), – eine Mittelungsbild-Erstellungseinheit (27) zur Erstellung eines gemittelten Volumenbilds (5) aus den Bilddaten (BD), – eine Phasen-Ableitungseinheit (31) zur Ableitung von Zyklus-Phasen der Bewegung in einzelnen Bildaufnahmen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g) aus einem Abgleich der Bildaufnahmen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g) mit dem gemittelten Volumenbild (5), – eine Signal-Herleitungseinheit (33) zur Herleitung von Zyklussignalen (K) aus den einzelnen Zyklus-Phasen und – eine Ausgangsschnittstelle (35) zur Weiterleitung der Zyklussignale (K).
Signal-Gewinnungsmodul (37) zur Gewinnung von Trigger-Signalen (T_A, T_E) für die Akquisition von Rohbilddaten und/oder für die Aufbereitung von Nutzbilddaten eines bildgebenden Systems (13), mit einer Trigger-Signal-Ableitungseinheit (39), die mit einem Ermittlungsmodul gemäß Anspruch 13 gekoppelt ist.
Bildgebendes System (13) mit einer Scannereinheit (20) und einer Kopplung an ein Ermittlungsmodul (23) gemäß Anspruch 14 und/oder an ein Signal-Gewinnungsmodul (37) gemäß Anspruch 15.
Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Prozessor eines programmierbaren Bildbearbeitungssystems ladbar ist, mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder eines Signal-Gewinnungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12 und/oder eines Bildaufnahmeverfahrens gemäß Anspruch 13 auszuführen, wenn das Programmprodukt auf dem Bildbearbeitungssystem ausgeführt wird.