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Die
vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Medizintechnik und
beschreibt ein Verfahren zum Erfassen und Anzeigen von medizinischen
Bilddaten, insbesondere von MR-Bilddaten
(MR: Magnet-Resonanz).
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Bekanntermaßen erlaubt
die Magnetresonanz-Bildgebung (MRI engl. Magnetic Resonance Imaging)
die Darstellung der Dichte von Kernspins, insbesondere von 1H-, 31P- und 123Na-Atomen, im Volumen eines Untersuchungsobjektes
als Funktion des Ortes. Dabei werden unterschiedliche Gewebearten
im MR-Bild mit unterschiedlicher Signalstärke wiedergegeben, die im Wesentlichen
auf den in den Geweben unterschiedlichen Spin-Relaxationszeiten beruhen. Die vom Magnetresonanztomographen
bei der Abtastung erfassten, den jeweiligen Voxeln des Untersuchungsobjektes
zugeordneten Signalstärken hängen von
zahlreichen Parametern ab und werden in den Bilddaten typischerweise
als entsprechende Grauwerte abgebildet. Bei der Magnetresonanztomographie
gibt es somit keine Normwerte für
das Abtastsignal bestimmter Gewebearten und keine Einheit vergleichbar
den Hountsfield-Units bei der Computertomographie. Die MR-Bilddaten
geben vielmehr grundsätzlich
willkürliche
Einheiten an, die diagnostisch nicht unmittelbar verwertbar sind.
Die Bildinterpretation stützt
sich typischerweise auf den Gesamtkontrast, die jeweilig zugrundeliegende
Gewichtung der Bilddaten (bspw. T1-, T2-, T2*- oder PD-Gewichtung),
und die Signalunterschiede zwischen verschiedenen Geweben.
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Die
Visualisierung von MR-Bilddaten (2D-, oder 3D-MR-Bilddaten) erfordert häufig das
Entfernen von in den MR-Bilddaten
abgebildeten anatomischen Strukturen, um letztlich eine ungehinderte
Ansicht der interessierenden anatomischen Objekte zu haben. So ist
der Arzt im Fall von Untersuchungen, Behandlungen oder Eingriffen
am Gehirn eines Patienten an ei ner ausschließlichen Darstellung bzw. Anzeige
des Gehirns mit seinen Strukturen ohne störende Schädelknochen oder andere, die
direkte Sicht auf das Gehirn behindernde anatomische Strukturen interessiert.
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Heute
wird in der klinischen Praxis das so genannte direkte „Volume
Rendering” (DVR)
zur 3D-Darstellung von MR-Bilddaten routinemäßig eingesetzt. Dabei bilden
Transferfunktionen den Messwert der Originaldaten auf Farben und
Opazitäten
ab, um möglichst
aussagekräftige
Bilder zu generieren. Bei räumlich
getrennten Bereichen eines MR-Bilddatensatzes mit gleichem Intensitätswert ist
eine unterschiedliche Darstellung durch Transferfunktionen jedoch
nicht möglich,
und es kommt zur Verdeckung der dahinterliegenden Strukturen. Ein
Beispiel dafür sind
die vorgenannten MR-Bilddaten Datensätze des Kopfes, bei dem das
Gehirn durch gleiche Messwerte stets von weiter außen liegendem
Gewebe verdeckt wird. In solchen Anwendungen werden vor der Visualisierung/Anzeige/Darstellung
von entsprechenden MR-Bilddaten, die in den MR-Bilddaten abgebildeten störenden Elemente,
bspw. Schädelknochen
oder Objekte, die nicht zur anatomischen Struktur des Gehirns zählen, entfernt.
Im Stand der Technik sind Verfahren zum Entfernen der in MR-Bilddaten
abgebildeten Schädelknochen
als sog. Skull-Stripping-Verfahren
bekannt.
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Da
T1-, T2-, T2*- oder PD-gewichtete MR-Bilddaten jeweils unterschiedliche
Signalintensitäten
für Knochenmaterial
und Gehirn aufweisen, muss dies bei den Skull-Stripping-Verfahren
berücksichtigt
werden. Eine weitere Problematik bei den bekannten Skull-Stripping-Verfahren
besteht darin, dass die MR-Bilddaten
häufig
anisotrope Eigenschaften aufweisen, d. h. bspw. Bilddatenwerte für ein und dasselbe
abgebildete Material können
in verschiedenen Bereichen eines MR-Bildes unterschiedlich sein. Zudem
können
die Voxelgeometrien in den MR-Bilddaten
variieren. Dies sind wesentliche aber nicht alle Problemstellungen,
die im Stand der Technik von den besten Skull-Stripping-Verfahren
zumindest weitestgehend gelöst
werden müssen.
Skull-Stripping-Verfahren bedingen daher komplexe Bildverarbeitungsprozesse,
und erfordern einen hohen Rechenaufwand und eine entsprechend hohe
Rechenzeit.
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Skull-Stripping-Verfahren
werden heute im Rahmen der MR-Bilddaten-Postprocessing
eingesetzt. Sie genügen.
weitgehend hohen Anforderungen an Qualität und Genauigkeit. Diese Verfahren werden
bspw. genutzt um Änderungen
der Gehirnmasse bzw. des Gehirnvolumens oder seiner Teile zu untersuchen.
Das Skull-Stripping-Verfahren ist dabei Teil eines komplexen Bilddatenauswerteprozesses, der
als Ergebnis die gewünschten
numerischen Angaben zu Abweichungen der Gehirnmasse oder des Gehirnvolumens
liefert. Die hierbei angewendeten Algorithmen zeichnen sich durch
hohe Komplexität aus.
Sie sind allerdings in ihrer Anwendbarkeit zumeist auf MR-Bilddaten
beschränkt,
die mit bestimmten Aufnahmeparametern erzeugt wurden. Damit sind
die Algorithmen nicht universell einsetzbar. Zusätzlich erfordern die bekannten
Skull-Stripping-Verfahren teilweise, dass in den MR-Bilddaten das
Gehirn vollständig
abgebildet ist und dass sich die MR-Bilddaten durch annähernd isotrope
Eigenschaften auszeichnen.
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Die
im Stand der Technik bekannten Skull-Stripping-Verfahren lassen
sich hauptsächlich in
folgende drei Kategorien einteilen: Regionen-basierte Verfahren,
Modell-basierte Verfahren und Hybrid-Verfahren, die eine Kombination
der vorgenannten Verfahren umfassen.
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Alle
bekannten Skull-Stripping-Verfahren verwenden als Eingangsdaten
diejenigen MR-Bilddaten, die bspw. ohne Schädelknochen oder andere störende Elemente
später
angezeigt werden sollen. Auf Basis dieser MR-Bilddaten wird mittels
Segmentierungsverfahren eine Maske erzeugt, mit der bspw. die in
diesen MR-Bilddaten abgebildeten Schädelknochen mit hoher Genauigkeit
ausgeblendet werden können.
Weiterhin sind diese Verfahren derart optimiert und spezifisch,
dass sie sich jeweils nur auf MR-Bilddaten anwenden lassen, die
mit speziellen Parametern aufgenommen wurden.
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Die
bekannten Skull-Stripping-Verfahren benötigen typischerweise einige
10 Sekunden Rechenzeit, bevor die mit dem Skull-Stripping-Verfahren bearbeiteten MR-Bilddaten
anzeigbar sind. Diese relativ langen Rechenzeiten sind im klinischen
Betrieb vielfach nicht akzeptabel. Häufig besteht für den behandelnden
Arzt das Erfordernis, einen schnellen Überblick über die in MR-Bilddaten abgebildete
Kortexoberfläche
zu bekommen. Dies schließt
insbesondere schnelle Überblicksdarstellungen
auch von aus mehreren MR-Bilddaten zusammengesetzten Bilddarstellungen
mit ein (bspw. im Rahmen der funktionellen Magnetresonanztomographie;
fMRI = engl. functional Magnetic Resonance Imaging).
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zum Erfassen und Anzeigen von Bilddaten anzugeben, bei dem bei gleichbleibender
Qualität
der angezeigten Bilddaten vorgebbare Bildelemente vor der Anzeige
ausgeblendet werden können.
Das Verfahren soll sich insbesondere zur Darstellung von MR-Bilddaten
und eines darin abgebildeten Gehirns ohne Schädelknochen (Skull-Stripping)
eignen und die für
im Stand der Technik bekanntes Skull-Stripping-Verfahren üblichen
Rechenzeiten minimieren. Weiterhin sollen die vorstehend bezeichneten
weiteren Nachteile bekannter Skull-Stripping-Verfahren vermindert werden.
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Die
Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen sowie
der weiteren Beschreibung zu entnehmen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Erfassen und Anzeigen von Bilddaten weist folgende Verfahrensschritte
auf:
- 1.1. Abtasten eines Untersuchungsobjektes
mittels eines Magnetresonanz-Tomographen und nachfolgendes Erzeugen
von ersten Bilddaten des Untersuchungsobjektes, wobei beim Abtasten
Abtastparameter derart gewählt
werden, dass interessierende Bereiche des abgetasteten Unter suchungsobjektes
hohe Bilddatenwerte, und nicht interessierende Bereiche des Untersuchungsobjektes
relativ dazu geringe Bilddatenwerte in den ersten Bilddaten aufweisen,
- 1.2. auf Basis der ersten Bilddaten Erzeugen einer Maske mit
der Bereiche in den ersten Bilddaten, die die geringen Signalstärken aufweisen, ausblendbar
sind,
- 1.3. Abtasten des Untersuchungsobjektes mittels eines bildgebenden
medizinischen Systems und Erzeugen von zweiten Bilddaten des Untersuchungsobjektes,
- 1.4. Anwenden der Maske auf die ersten und/oder zweiten Bilddaten,
und
- 1.5. Anzeigen der mit der Maske bearbeiteten ersten und/oder
zweiten Bilddaten.
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Die
Erfindung basiert auf der Idee, eine Maske aus ersten (MR-)Bilddaten
eines Untersuchungsobjektes zu erzeugen, wobei hierfür beim entsprechenden
Abtasten des Untersuchungsobjektes Abtastparameter derart gewählt werden,
dass interessierende Bereiche des abgetasteten Untersuchungsobjektes
hohe Signalstärken
(Bilddatenwerte), und nicht interessierende Bereiche des Untersuchungsobjektes
relativ dazu geringe Signalstärken
(Bilddatenwerte) in den ersten (MR-)Bilddaten aufweisen. Die Maske
lässt sich
so mit einer einfachen, robusten, Rechenzeit sparenden Schwellwertoperation
erzeugen.
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Die
Maske blendet bei Anwendung auf die ersten und/oder zweiten Bilddaten
all jene Bilddaten aus, die die relativ niedrigen Signalstärken, d.
h. unterhalb des gewählten
Schwellwertes liegenden Signalstärken,
aufweisen. Die so erzeugte Maske legt damit ein zwei- bzw. dreidimensionales
Filtervolumen fest, das ausgeblendet oder gelöscht werden kann, so dass in
Schritt 1.5. nur diejenigen interessierenden 2D- bzw. 3D-Bilddaten angezeigt
werden, die nicht durch die Maske ausgeblendet werden.
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Neben
weiteren Parametereinstellungen eignen sich für das Erzeugen der ersten Bilddaten
bspw. die Parametereinstellungen, wie sie zur Aufnahme von Bilddaten
im Rahmen der funktionellen Magnetresonanz-Tomographie (so genannten „BOLD-fMRI”-Zeitreihen; BOLD
= Blood Oxygen Level Dependence; fMRI = Functional Magnetic Resonance
Imaging) üblich
sind. Weiterhin eigenen sich ebenso Aufnahmeparameter, wie sie zur
Aufnahme von Bilddaten im Rahmen der sogenannten Diffusionsgewichteten
Magnetresonanz-Tomographie (engl. Trace Weighted Diffusions Scans)
verwendet werden. In beiden Fällen
wird bspw. das Gehirn mit hohen Signalstärken wiedergegeben, während Knochenmaterial
mit nur sehr geringen Signalstärken
in den Bilddaten erfasst wird.
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Vorzugsweise
werden die Abtastparameter in Schritt 1.1. derart gewählt, dass
in den ersten Bilddaten die Signalstärken der nicht interessierenden Bereiche
des Untersuchungsobjektes im Bereich des Signalrauschens der den
ersten Bilddaten zugeordneten Bilddatenwerte liegen. Zur Erzeugung
der Maske ist demzufolge ein Schwellwert zu verwenden, der alle
Bilddaten, deren Bilddatenwerte im Bereich des Signalrauschens liegen
entsprechend ausblendet.
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Vorzugsweise
erfolgt das Erzeugen der Maske automatisierte durch Anwenden eines
vorgebbaren und/oder interaktiv veränderbaren Schwellwertes auf
die ersten MR-Bilddaten.
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Nach
dem Erzeugen der Maske in den Schritten 1.1. und 1.2. werden eine
oder mehrere weitere Abtastungen des Untersuchungsobjektes durchgeführt. Dies
erfolgt vorzugsweise mit dem Magnetresonanz-Tomographen von Schritt
1.1. Bei diesen weiteren Abtastungen (Schritt 1.3.) ist der Operateur
in der Wahl der Abtastparameter frei. So können in Schritt 1.3. MR-Bilddaten mit den
unterschiedlichsten Abtastparametern oder Wichtungen (bspw. T1, T2,
T2*, PD, ...) erzeugt werden. Natürlich kann als bildgebendes
medizinisches System in Schritt 1.3. anstelle eines MR-Tomographen
auch ein anderes bildgebendes medizinisches System, bspw. ein CT- oder
ein MRPET System, eingesetzt werden. In diesem Fall erfolgt zwingend
vor dem Anwenden der Maske auf die zweiten Bilddaten ein re gistrieren
des Maskendatensatzes auf den zweiten Bilddatensatz.
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Ein
wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin,
dass durch die Maske bewirkte Ausblendungen von nicht interessierenden oder
sogar bei der Anzeige störenden
Bildbereichen weitestgehend unabhängig von den Aufnahmeparametern
oder der Bildgewichtung der zweiten Bilddaten ist.
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Vorzugsweise
entsprechen die zweiten Bilddaten einer Zeitreihe von Bilddaten,
die durch mehrmalig aufeinanderfolgendes Abtasten des Untersuchungsobjektes
erzeugt werden, und die Maske jeweils auf die dabei erzeugten Bilddaten
angewendet wird. Natürlich
lässt die
Maske auch auf aus mehreren Einzelaufnahmen zusammengesetzte zweite Bilddaten
oder auf zweite Bilddaten, die mit dritten Bilddaten überlagert
wurden anwenden.
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Solange
jeweils sichergestellt ist, dass sich das Untersuchungsobjekt seit
dem Erfassen der ersten (MR-)Bilddaten nicht bewegt hat, kann in
Schritt 1.4. die Maske auf die jeweils erzeugten zweiten Bilddaten
direkt angewendet werden, um nicht interessierende oder störende Bildelemente
auszublenden und bspw. die interessierenden Bereiche direkt anschließend in
Schritt 1.5. anzuzeigen. Hat sich das Untersuchungsobjekt jedoch
zwischenzeitlich bewegt, oder besteht zumindest diese Möglichkeit,
so erfolgt vorzugsweise vor dem Anwenden der Maske in Schritt 1.4.
auf die zweiten Bilddaten, ein Registrieren der Maske mit den zweiten
Bilddaten. Somit wird sichergestellt, dass durch die Maske jeweils
nur nicht interessierende Bereiche der zweiten bzw. ersten Bilddaten
ausgeblendet werden.
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Was
die zeitliche Abfolge der Verfahrensschritte betrifft, so sind zumindest
zwei verschiedene Szenarien denkbar. Einerseits können zunächst erste
Bilddaten mit den entsprechenden Aufnahmenparametern erzeugt werden,
um das Ermittelnder Maske zu ermöglichen
(Schritte 1.1. und 1.2.). Anschließend wer den weitere Abtastungen
des Untersuchungsobjektes durchgeführt und aus den dabei gewonnenen
Abtastdaten jeweils die zweiten Bilddaten erzeugt. Die Maske wird
auf diese zweiten Bilddaten jeweils angewandt und schließlich die
mit der Maske gefilterten zweiten Bilddaten jeweils in Schritt 1.5.
angezeigt. Andererseits kann das Abtasten zum Erzeugen der Maske
in den Schritten 1.1. und 1.2. auch anschließend an den Schritt 1.3. jedoch
vor den Schritten 1.4. und 1.5. erfolgen.
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Die
zur Erzeugung der Maske ermittelten ersten Bilddaten können auch
Teil einer Zeitreihe von weiteren zweiten (MR-)Bilddaten sein, die
mittels zeitlich hintereinander folgender Abtastungen des Untersuchungsobjektes
gewonnen werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens entspricht das Untersuchungsobjekt dem Kopf eines
Patienten und die nicht interessierenden Bereiche des Untersuchungsobjektes
in den ersten und zweiten Bilddaten den Schädelknochen. Diese Verfahrensvariante
entspricht einem Skull-Stripping-Verfahren.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
erlaubt eine einfache, robuste und insbesondere Rechenzeit sparende
Anzeige von Bilddaten, insbesondere von MR-Bilddaten, bei denen
nicht interessierende Bildbereiche, wie bspw. Knochen oder andere
anatomische Elemente, die andere interessierende anatomische Bereiche
verdecken, vor der Anzeige eliminiert oder ausgeblendet werden können. Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
dass unterschiedliche Voxelgeometrien der ersten und zweiten Bilddaten,
bzw. der aus den ersten (MR-)Bilddaten gewonnenen Maske, keinen
wesentlichen Einfluss auf das Verfahren haben. So liefert das Verfahren
gute Ergebnisse auch bei bspw. anisotropen Voxelgeometrien.
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1 zeigt
einen schematischen Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das Verfahren soll in diesem Ausführungsbeispiel dem Anzeigen
der Oberflächenstrukturen
des Ge hirns eines Patienten auf einem Monitor dienen, ohne dass die
Sicht auf das Gehirn durch Schädelknochen
behindert wird.
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Hierzu
erfolgt in Schritt 101 ein Abtasten des Kopfes des Patienten
mittels eines Magnetresonanz-Tomographen und ein nachfolgendes Erzeugen von
ersten MR-Bilddaten des Kopfes, wobei beim Abtasten Abtastparameter
derart gewählt
werden, dass interessierende Bereiche des abgetasteten Untersuchungsobjektes
hohe Signalstärken,
und nicht interessierende Bereiche des Untersuchungsobjektes relativ
dazu geringe Signalstärken
in den ersten MR-Bilddaten aufweisen. Vorliegend werden hierzu Aufnahmeparameter
gewählt,
die der sogenannten Diffusionsgewichteten Magnetresonanz-Tomographie
entsprechen.
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In
Schritt 102 erfolgt auf Basis der ersten MR-Bilddaten das
Erzeugen einer Maske, mit der Bereiche in den ersten MR-Bilddaten, die die
geringen Signalstärken
aufweisen, ausblendbar sind. Die dreidimensionale Maske wird durch
Anwendung eines entsprechend gewählten
Schwellwertes auf die ersten MR-Bilddaten erzeugt.
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In
Schritt 103 erfolgen ein weiteres Abtasten des Kopfes mittels
des Magnetresonanz-Tomographen und ein Erzeugen von zweiten MR-Bilddaten des
Untersuchungsobjektes.
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In
Schritt 104 wird die Maske auf die zweiten MR-Bilddaten
angewendet. Dabei werden alle nicht interessierenden MR-Bilddaten ausgeblendet.
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Schließlich erfolgt
in Schritt 105 das Anzeigen der mit der Maske bearbeiteten
zweiten MR-Bilddaten auf einem Monitor.