DE102009014051B4 - Verfahren zur Aufbereitung von CT-Bilddarstellungen und Recheneinheit zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Aufbereitung von CT-Bilddarstellungen mit den folgenden Verfahrensschritten:1.1. Erstellung von N≥2 CT-Bilddatensätzen eines Bereiches eines Patienten (P) auf der Basis von N unterschiedlichen Röntgenenergiespektren, wobei jedem Pixel oder Voxel ein N-Tupel an CT-Zahlen zugeordnet wird, wobei jede CT-Zahl des N-Tupels dem Absorptionswert eines der N Röntgenenergiespektren zugeordnet ist,1.2. Durchführung einer Materialzerlegung über mindestens einen vorbestimmten Teilbereich des in den CT-Bilddatensätzen dargestellten Bereichs des Patienten (P) bezüglich mindestens dreier Materialien, enthaltend zumindest Knochenmineral, gelbes Knochenmark und rotes Knochenmark, und1.3. Ausgabe und/oder Anzeige mindestens eines CT-Bilddatensatzes zumindest bezüglich des vorbestimmten Teilbereichs mit Absorptionswerten zu einem der N Röntgenenergiespektren oder einem mathematisch simulierten Spektrum, aus denen der Knochenmineralgehalt extrahiert ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von CT-Bilddarstellungen, die durch die Abtastung eines Patienten mit einem CT-System auf der Basis von mindestens zwei unterschiedlichen Röntgenenergiespektren erzeugt werden und eine Recheneinheit zur Durchführung dieses Verfahrens.
• Verfahren zur Abtastung von Patienten mit zwei oder mehr Röntgenenergiespektren beziehungsweise mit energieauflösenden Detektoren sind allgemein bekannt. Grundsätzlich ist auch bekannt, dass es durch solche Abtastverfahren möglich ist, CT-Bilddarstellungen derart aufzubereiten, dass unterschiedliche Materialien in CT-Bilddatensätzen erkannt werden können. Insbesondere werden diese Verfahren verwendet, um Kontrastmittel oder Kalzium auch in geringen Dosierungen erkennbar zu machen bzw. deren Konzentration zu quantifizieren.
• Soll jedoch eine nekrotische oder ödematöse Veränderung des Knochenmarks, wie es beispielsweise bei Sportverletzungen häufig vorkommt, erkannt werden, so lässt weder das CT-Bild noch der möglicherweise berechnete Kalzium- oder Weichgewebegehalt einen Schluss auf den Zustand des Knochenmarks zu. Aus diesem Grund ist es zur Zeit notwendig, zur Diagnostizierung von Knochenmarködemen in Verbindung mit möglichen Knochenbrüchen, Patienten sowohl der Untersuchung in einem Ein- oder Mehrspektren-CT-System zu unterwerfen, um Knochenbrüche, also Schäden in der Mineralstruktur der Knochen, zu finden, als auch eine Magnetresonanztomographieuntersuchung durchzuführen, in der möglicherweise vorhandene Knochenmarködeme erkennbar werden.
• Als Stand der Technik wird auf die Druckschriften DE 10 2006 009 222 A1 , WO 2005 / 076 222 A1 und DE 10 2007 017 629 A1 sowie auf die Veröffentlichung BOLOTIN, H.: „Analytic and quantitative exposition of patient-specific systematic inaccuracies inherent in planar DXA-derived in vivo BMD measurements" in Medical Physics, Vol. 25, 1998, No. 2, S. 139-151, verwiesen.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Aufbereitung von CT-Bilddarstellungen aus Multi-Energie-CT-Untersuchungen zu finden, bei dem auf der Basis einer einzigen Untersuchung neben der Darstellung der Knochenstrukturen zur Diagnose von Frakturen auch Ödeme oder Nekrosen im Knochenmark erkannt werden können.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
• Der Erfinder hat erkannt, dass der wesentliche Hinderungsgrund zur Erkennung von Knochenmarködemen in CT-Bilddarstellungen darin liegt, dass die durch ödematöse Veränderungen des Knochenmarks relativ leichten Absorptionsveränderungen in der Regel durch die benachbarte, stark sichtbare Knochenstruktur überlagert werden, so dass diese auf Grund von Partialvolumeneffekten kaum erkennbar sind. Dementsprechend lässt sich die Sichtbarkeit von Knochenmarködemen in CT-Bilddarstellungen dadurch wesentlich verbessern, dass in CT-Bilddatensätzen Knochenmineralanteile in der Bilddarstellung ausgeblendet werden. Hierzu ist es notwendig, die Pixel oder Voxel bei der Anzeige mit derart veränderten Pixel- oder Voxelwerten darzustellen, dass der optische Eindruck eines Knochenmarködems nicht mehr durch Knochenmineralanteile überlagert wird. Dies kann durch eine mathematische Extraktion der mineralbedingten Absorptionsanteile im Rahmen einer Materialzerlegung geschehen. Eine 2-Materialzerlegung in Knochenmineral und Restgewebe führt dabei allerdings nicht zum gewünschten Ergebnis.
• Entsprechend den Erkenntnissen des Erfinders kann nur durch eine Zerlegung in mindestens 3 Materialien, nämlich Knochenmineral, rotes Knochenmark und gelbes Knochenmark, das gewünschte Darstellungsergebnis erreicht werden. Bei der Extraktion der durch Knochenmineral bedingten Absorption aus den Pixel- oder Voxelwerten sollte allerdings darauf geachtet werden, dass entfernte Volumenanteile an Knochenmineral durch die verbliebenen Materialien wieder aufgefüllt werden, wobei deren Verhältnisse zueinander erhalten bleiben sollten. Es sollte also eine Normierung durchgeführt werden.
• Wird in erfindungsgemäßer Weise der durch Knochenmineral, also durch die Knochenstruktur erzeugte Absorptionsanteil entfernt, so entsteht ein Bildeindruck, der auch kleinere Unterschiede der Absorption im Bereich des Knochenmarks sichtbar werden lässt und auch ödematöse Veränderungen zeigt.
• Entsprechend der zuvor beschriebenen Erkenntnis des Erfinders schlägt dieser ein Verfahren zur Aufbereitung von CT-Bilddarstellungen mit den folgenden Verfahrensschritten vor:
• - Erstellung von N≥2 CT-Bilddatensätzen eines Bereiches eines Patienten auf der Basis von N unterschiedlichen Röntgenenergiespektren, wobei jedem Pixel oder Voxel ein N-Tupel an CT-Zahlen zugeordnet wird, wobei jede CT-Zahl des N-Tupels dem Absorptionswert eines der N Röntgenenergiespektren zugeordnet ist,
• - Durchführung einer Materialzerlegung über mindestens einen vorbestimmten Teilbereich des in den CT-Bilddatensätzen dargestellten Bereichs des Patienten bezüglich mindestens dreier Materialien, enthaltend zumindest Knochenmineral, gelbes Knochenmark und rotes Knochenmark, und
• - Ausgabe und/oder Anzeige mindestens eines CT-Bilddatensatzes zumindest bezüglich des vorbestimmten Teilbereichs mit Absorptionswerten zu einem der N Röntgenenergiespektren oder einem mathematisch simulierten Spektrum, aus denen der Knochenmineralgehalt extrahiert ist.
• Durch diese Maßnahme wird in dem dargestellten CT-Bilddatensatz der dominierende Eindruck von Pixeln und Voxeln, die vorbestimmte Kalziumanteile aufweisen, drastisch verringert bis aufgehoben, so dass das Auge auch geringe CT-Wert-Differenzen erkennen kann, die durch die Einlagerung von Flüssigkeit ins Knochenmark, also durch Knochenmarködeme, entsteht.
• In einer speziellen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird verwendet, dass sich die CT-Werte von gelbem Knochenmark, rotem Knochenmark und beliebigen Mischungen daraus näherungsweise um den gleichen Betrag ändern, wenn Knochenmineral der Konzentration c darin eingebettet wird.
• Hierbei kann zur Bestimmung der Volumenanteile der Materialien gelbes Knochenmark und rotes Knochenmark am gesamten Knochenmarkvolumen und der Konzentration des Knochenminerals die folgende energieabhängige Gleichung verwendet und die Lösung des folgenden Gleichungssystems je Pixel beziehungsweise Voxel berechnet werden: $$x\left(E\right)=g\times x_{gelb}\left(E\right)+r\times x_{rot}\left(E\right)+c\times \mathrm{\Delta }{x}_{Km}\left(E\right)\text{ mit }r=\left(1-g\right),$$

  

  wobei x(E) dem gemessenen Absorptionswert bezüglich des Energiespektrums E,
  g dem Volumenanteil des gelben Knochenmarks am Knochenmark, x_gelb(E) dem Absorptionswert von gelbem Knochenmark bezüglich des Energiespektrums E,
  r dem Volumenanteil des roten Knochenmarks am Knochenmark, x_rot(E) dem Absorptionswert von rotem Knochenmark bezüglich des Energiespektrums E,
  c der Konzentration des Knochenminerals und
  Δx_Km(E) der Änderung des Absorptionswert von Knochenmark pro Konzentration des Knochenminerals bezüglich des Energiespektrums E entspricht.
• Die dabei ausgegebenen Pixel- oder Voxelwerte können entsprechend der folgenden Formel berechnet werden: $$x_A\left(E\right)=g\times x_{gelb}\left(E\right)+\left(1-g\right)\times x_{rot}\left(E\right),$$

  

  mit x_A(E) dem ausgegebenen Absorptionswert zum Energiespektrum E. In dieser Gleichung können für x_gelb und x_rot auch Werte verwendet werden, die einem anderen (nicht gemessenen) Spektrum entsprechen. Da in dieser Variante der Berechnung der von Knochenmineral extrahierten Pixel- beziehungsweise Voxelwerte davon ausgegangen wird, dass das Knochenmineral die gleiche inkrementelle Änderung der Absorption für alle möglichen Knochenmarkmischungen bewirkt, kann auf eine anschließende Normierung der tatsächlichen Volumenanteile verzichtet werden.
• Gemäß einer anderen, der Realität näher kommenden Variante des Verfahrens wird weiterhin vorgeschlagen, dass bei der Materialzerlegung für die drei Materialien Knochenmineral, gelbes Knochenmark und rotes Knochenmark deren Volumenanteile jeweils bestimmt werden. Hierbei kann zur Bestimmung dieser Volumenanteile die folgende energieabhängige Gleichung verwendet und die Lösung eines Gleichungssystems je Pixel oder Voxel mit der folgenden Gleichung berechnet werden: $$x\left(E\right)=g\times x_{gelb}+r\times x_{rot}+k\times x_{Km},\text{ mit }r=1-g-k$$

  

  und:
• x(E) dem gemessenen Absorptionswert bezüglich des Energiespektrums E,
• g dem Volumenanteil an gelbem Knochenmark,
• x_gelb dem Absorptionswert von gelbem Knochenmark bezüglich des Energiespektrums E,
• r dem Volumenanteil an rotem Knochenmark,
• x_rot dem Absorptionswert von rotem Knochenmark bezüglich des Energiespektrums E,
• k dem Volumenanteil von Knochenminerals und
• x_Km dem Absorptionswert von Knochenmineral bezüglich des Energiespektrums E.
• Bei dieser letztgenannten Variante des Verfahrens können die jeweils ausgegebenen Pixel- oder Voxelwerte unter der Annahme berechnet werden, dass das Pixel oder Voxel ausschließlich aus den Materialien gelbes und rotes Knochenmark besteht, wobei die Relation der ermittelten Volumenanteile erhalten bleibt. Erfindungsgemäß kann dies dadurch geschehen, dass die ausgegebenen Pixel- oder Voxelwerte entsprechend der folgenden Formel berechnet und normiert werden: $$x_A\left(E\right)=\frac{g}{1-k}\times x_{gelb}\left(E\right)+\frac{1-k-g}{1-k}\times x_{rot}\left(E\right),$$

  

  mit x_A(E) dem ausgegebenen Absorptionswert zum Energiespektrum E. In dieser Gleichung können für x_gelb und x_rot wiederum Werte verwendet werden, die einem anderen (nicht gemessenen) Spektrum entsprechen. Es wird hierbei ein Pixel- oder Voxelwert ausgegeben, der einem Absorptionswert entspricht, bei dem das jeweilige Pixel oder Voxel anteilsmäßig bezüglich der Restmaterialien das Knochenmineral ersetzt. Grundsätzlich entspricht eine solche Darstellung dann einer Anzeige des CT-Bildes, bei der jegliches Knochenmineral virtuell aus dem CT-Bilddatensatz extrahiert wurde, so dass durch die wesentlich geringere Dynamik in den dargestellten Grauwerten nun auch kleinere Unterschiede in den Grauwerten leichter erkennbar werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, solche Aufnahmen künstlich mit einem größeren Dynamikbereich zu versehen, so dass für das menschliche Auge auch kleinere Unterschiede stärker hervortreten. Standardmäßig werden solche Bilddarstellungen bezüglich ihrer Absorptionswerte in Grauwerten dargestellt.
• Erfindungsgemäß besteht daher zusätzlich die Möglichkeit zu jedem Pixel oder Voxel den berechneten Absorptionswert linear oder nicht-linear zu skalieren und ergänzend zu einem anderen Bild, z.B. einem CT-Bild, anzuzeigen. Beispielsweise kann dies durch eine zusätzliche Färbung der Pixel geschehen, wobei sich die Größe des Abstandes von gelbem Knochenmark durch eine unterschiedliche Färbung oder durch einen Färbungsgrad des jeweiligen Pixels ausdrücken kann. Da ödematöses Knochenmark generell sich von der Linie zwischen gelbem Knochenmark und Knochenmineral innerhalb des Absorptionswertediagramms entfernt, lässt sich hierdurch besonders auffällig ein Bereich speziell in den Extremitäten erkennen, der ödematös verändert ist.
• Wie eingangs bereits beschrieben, soll bei der Darstellung eines CT-Bildes insbesondere ein vorbestimmter Teilbereich gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn als vorbestimmter Teilbereich der Bereich eines Knochens ausgewählt wird, wobei diese Bestimmung des Teilbereiches automatisch, beispielsweise durch eine Segmentierung, erfolgen kann. Es besteht dann die Möglichkeit entweder ausschließlich den ausgewählten Teilbereich, der erfindungsgemäß bearbeitet wurde, anzuzeigen oder es kann eine Bildkombination zwischen einem normalen CT-Bild und einer Knochendarstellung - entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren - gewählt werden.
• Erfindungsgemäß kann das zuvor beschriebene Verfahren sowohl auf der Basis von konventionellen Dual-Energy-CT-Aufnahmen oder Multi-Energie-CT-Aufnahmen ausgeführt werden, wobei solche Aufnahmen mit allen Problemen einer Strahlaufhärtung im Bild, insbesondere im Bereich von aufgenommenen Knochen, beaufschlagt sind. Es ist daher besonders günstig, wenn das hier beschriebene Verfahren auch auf der Basis mindestens zweier CT-Darstellungen durchgeführt wird, die jeweils durch Simulation einer monochromatischen Strahlung aus ursprünglich gemessenen Rohdaten berechnet wurden. Bei einer solchen Simulation, also einer virtuellen Erzeugung eines CT-Bildes auf der Basis einer monochromatischen Strahlung oder auch eines vorbestimmten schmalen Energiespektrums, können Aufhärtungsartefakte vollständig vermieden werden.
• Besonders gut eignet sich das hier beschriebene Verfahren, wie eingangs erwähnt, zur Darstellung von Extremitäten eines Patienten, wobei hier entweder 2-dimensionale CT-Bilddatensätze oder 3-dimensionale CT-Bilddatensätze ausgegeben werden können.
• Neben dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren gehört auch eine Recheneinheit, insbesondere eine Recheneinheit eines CT-Systems, zum Rahmen der Erfindung, wobei diese einen Speicher mit Programmcode enthalten soll, welcher die Verfahrensschritte der voranstehend beschriebenen Verfahren im Betrieb der Recheneinheit ausführt.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind und folgende Bezugszeichen verwendet werden: 1: CT-System/C-Bogen-System; 2: erste Röntgenröhre; 3: erster Detektor; 4: zweite Röntgenröhre (optional); 5: zweites Detektorsystem (optional); 6: Gantrygehäuse/C-Bogen-Antrieb; 7: C-Bogen; 8: verfahrbare Patientenliege; 9: Systemachse; 10: Steuer- und Recheneinheit; 11: Kontrastmittelapplikator; P: Patient; Prg₁-Prg_n: Computerprogramme; I bis VII: Verfahrensschritte.
• Es zeigen im Einzelnen:
• 1 eine schematische Darstellung des Verlaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens,
• 2 eine schematische Darstellung der Materialzerlegung im CT-Werte-Diagramm zweier Röntgenspektren,
• 3 ein CT-System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
• 4 ein C-Bogen-System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Die 1 zeigt eine schematische Darstellung des Verlaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens in sieben Verfahrensschritten. Mit dem ersten Verfahrensschritt I wird eine Abtastung eines Patienten durchgeführt. Dies kann beispielsweise durch einen Dual-Energy-Scan geschehen, bei dem seriell mit zwei unterschiedlichen Energiespektren abgetastet oder gleichzeitig mit Hilfe von Röhren-/Detektorsystemen oder durch eine während der Abtastung erfolgte schnelle Umschaltung zwischen zwei Beschleunigungsspannungen durchgeführte Abtastung erfolgt. Alternativ kann auch ein energieselektives Detektorsystem in Verbindung mit der Verwendung eines einzigen Röntgenspektrums zur Durchstrahlung des Patienten verwendet werden.
• Im Verfahrensschritt II werden aus den so ermittelten Abtastdaten zwei Bilddatensätze erzeugt, deren Absorptionsdaten sich jeweils auf unterschiedliche Röntgenenergiespektren oder Röntgenenergiewerte beziehen. Es folgt im Verfahrensschritt III nun eine Auswahl der zu betrachtenden Bildbereiche, beispielsweise durch eine Segmentierung des aufgenommenen Knochens, und daraufhin im Verfahrensschritt IV eine an sich bekannte Materialzerlegung, wobei zumindest die Volumenanteile von gelbem und rotem Knochenmark, und auch der Volumenanteil des Knochenminerals, berechnet werden. Im Verfahrensschritt V erfolgt dann die Extraktion des Absorptionsanteils von Knochenmineral mit der anschließenden Normierung der verbleibenden Volumenanteile im Verfahrensschritt VI. Nach erfolgter Normierung werden die entsprechend veränderten Pixel- oder Voxelwerte im Verfahrensschritt VII dargestellt, so dass dem betrachtenden medizinischen Personal eine optimierte Anzeige dargebracht wird, in der ödematöse Veränderungen im Knochenmark im Bereich von Knochen besonders gut beurteilbar sind.
• Die 2 verdeutlicht nochmals die Durchführung der Materialzerlegung anhand eines CT-Wertediagramms. Hier sind auf der Ordinate die CT-Werte x(E₁) bezüglich eines ersten Energiespektrums aufgetragen, während auf der Abszisse die CT-Werte x(E₂) bezüglich eines zweiten Energiespektrums aufgetragen werden. Jedes Pixel oder Voxels einer CT-Bilddarstellung erhält somit ein Tupel von CT-Werten, die in diesem Diagramm eingetragen werden können. Die zueinander passenden CT-Wert-Tupel bezüglich gelbem Knochenmark mit x_gelb, rotem Knochenmark mit x_rot und Knochenmineral x_Km sind in dieser Darstellung eingetragen. Da die Absorption von Knochenmineral wesentlich größer ist als die Absorption von gelbem oder rotem Knochenmark, ist die Ordinate unterbrochen dargestellt. Ein typischer Absorptionswert für ödematöses Knochenmark ist mit CT-Wert x_ödem auf der Verbindungslinie zwischen x_gelb und X_rot gezeigt.
• Betrachtet man nun die ermittelten CT-Werte aus zwei CT-Bilddarstellungen des gleichen Objektes entsprechend zweier unterschiedlicher Energiespektren oder Energiebereiche E₁ und E₂ so ergibt sich für jedes Pixel, entsprechend dem jeweiligen Volumenanteil g und r von gelbem und rotem Knochenmark am gesamten Knochenmark und einer Konzentration c von Knochenmineral das nachfolgende Gleichungssystem, welches es zu lösen gilt: $$x\left(E_1\right)=g\times x_{gelb}\left(E_1\right)+r\times x_{rot}\left(E_1\right)+c\times \mathrm{\Delta }{x}_{Km}\left(E_1\right)$$

  

  $$x\left(E_2\right)=g\times x_{gelb}\left(E_2\right)+r\times x_{rot}\left(E_2\right)+c\times \mathrm{\Delta }{x}_{Km}\left(E_2\right)$$

  

  wobei c von g unabhängig ist und angenommen wird, dass Δx_Km ∝ x_Km-x_g, was für rotes Knochenmark nur näherungsweise richtig ist. Laut Definition gilt außerdem r=(1-g), so dass gilt: $$x\left(E_1\right)=g\times x_{gelb}\left(E_1\right)+\left(1-g\right)\times x_{rot}\left(E_1\right)+c\times \mathrm{\Delta }{x}_{Km}\left(E_1\right)$$

  

  $$x\left(E_2\right)=g\times x_{gelb}\left(E_2\right)+\left(1-g\right)\times x_{rot}\left(E_2\right)+c\times \mathrm{\Delta }{x}_{Km}\left(E_2\right)$$

  
• Es lässt sich also damit mit zwei Absorptionswerten bezüglich eines Pixels auf der Basis zweier unterschiedlicher Energiebereiche die Konzentration c des Knochenminerals und der Volumenanteil g des gelben Knochenmarks einschließlich dem komplementären Volumenanteil des roten Knochenmarks berechnen. Wird nun vom gemessenen Absorptionswert der Anteil der Absorption des Knochenminerals abgezogen, so erhält man einen Absorptionswert, der lediglich das gelbe und rote Knochenmark wiedergibt.
• Eine verbesserte Betrachtungsweise der realen Situation liefert das folgende Gleichungssystem: $$x\left(E_1\right)=g\times x_{gelb}\left(E_1\right)+r\times x_{rot}\left(E_1\right)+k\times x_{Km}\left(E_1\right)$$

  

  $$x\left(E_2\right)=g\times x_{gelb}\left(E_2\right)+r\times x_{rot}\left(E_2\right)+k\times x_{Km}\left(E_2\right)$$

  
• Hierbei ist jedem Material - gelbem Knochenmark, rotem Knochenmark und Knochenmineral - ein eigener Volumenanteil g, r und k zugeordnet. Ausgehend von der Annahme, dass ausschließlich die hier angegebenen Materialien vorkommen, gilt 1 = (r+g+k) und damit r=(1-g-k) und somit das folgende Gleichungssystem: $$x\left(E_1\right)=g\times x_{gelb}\left(E_1\right)+\left(1-g-k\right)\times x_{rot}\left(E_1\right)+k\times x_{Km}\left(E_1\right)$$

  

  $$x\left(E_2\right)=g\times x_{gelb}\left(E_2\right)+\left(1-g-k\right)\times x_{rot}\left(E_2\right)+k\times x_{Km}\left(E_2\right)$$

  
• Somit lässt sich auch mit diesem Gleichungssystem durch Kenntnis zweier Absorptionswerte je Pixel oder Voxel bezüglich zweier Energiebereiche der jeweilige Volumenanteil der Materialien berechnen und damit auch der Absorptionsanteil des Knochenminerals aus den gemessenen Werten abziehen. Fällt somit der Volumenanteil des Knochenminerals weg, so muss der Rest der Volumenanteile wieder auf 1 normiert werden, so dass sich für den anzuzeigenden CT-Wert ohne Knochenmineralanteil ergibt: $$x_A\left(E\right)=\frac{g}{1-k}\times x_{gelb}\left(E\right)+\frac{1-k-g}{1-k}\times x_{rot}\left(E\right),$$

  

  wobei für E der jeweils gewählte Energiebereich E₁ oder E₂ eingesetzt werden kann.
• Ergänzend sei noch bemerkt, dass die hier angegebenen Werte x_gelb(E_i),x_rot(E_i),x_Km(E_i) den jeweiligen typischen CT-Werten bei der entsprechenden Energie bezüglich gelbem und rotem Knochenmark und Knochenmineral entsprechen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise mit Hilfe eines CT-Systems 1, wie es in der 3 dargestellt ist, durchgeführt werden. Bei einem solchen CT-System 1 befindet sich ein Patient P auf einer verfahrbaren Liege 8 und kann mit Hilfe dieser verfahrbaren Liege 8 während eines Scans durch ein offenes Messfeld innerhalb einer Gantry geschoben werden. Auf dieser Gantry befindet sich eine hier schematisch dargestellte Röntgenröhre 2 mit einem gegenüberliegenden Detektor 3, optional auch eine zweite Röntgenröhre 4 mit einem optionalen zweiten Detektor 5. Mit Hilfe dieses einen oder beider Röhren-/Detektorsysteme kann in bekannter Weise ein Multi-Energie-Scan durchgeführt werden, wobei die Steuerung des eigentlichen Scans durch die Rechen- und Steuereinheit 10, mit Hilfe der darin gespeicherten Programme Prg₁ bis Prg_n , erfolgt.
• Alternativ zum Scan mit mehreren Röntgenenergiespektren ist auch die Verwendung eines energieselektiven Detektors möglich. Hiermit können die gemessenen Absorptionen energiespezifisch aufgespalten werden und entsprechend zwei oder mehrere CT-Absorptions-Darstellungen bezüglich verschiedener Röntgenenergien- oder -spektren erstellt werden.
• Mit den ermittelten energiespezifischen CT-Darstellungen kann dann einerseits die Knochenstruktur zur Beurteilung von möglicherweise bestehenden Frakturen dargestellt werden und auf der Basis der gleichen Untersuchung entsprechend des vorne geschilderten erfindungsgemäßen Verfahrens ein Materialzerlegung durchgeführt und eine Darstellung ohne Knochenmineral zur Diagnose von Knochenmarksödemen ausgeführt werden.
• Falls gewünscht kann zusätzlich ein Kontrastmittel über einen Kontrastmittelapplikator 11 verabreicht werden, so dass gewünschte andere organische Strukturen besser erkennbar werden.
• Die 4 zeigt alternativ zum CT-System aus der 3 ein C-Bogen-System 1, bei dem sich ebenfalls ein Patient P auf einer Patientenliege 8 befindet. Das Röhren-/Detektorsystem mit der Röntgenröhre 2 und dem gegenüberliegenden Detektor 3 befindet sich hier an einem C-Bogen 7, der gesteuert durch die Steuer- und Recheneinheit 10 zum Scan des Patienten über einen Rotationswinkel von mindestens 180° um den Patienten geschwenkt werden kann, um auf diese Weise rekonstruierbare Absorptionsdaten des Patienten zu erhalten. Vorzugsweise wird in dem vorliegenden Fall ein Detektor 3 verwendet, der energieselektiv arbeitet, so dass mit Hilfe einer einzigen Röntgenröhre CT-Darstellung rekonstruiert werden können, die auf unterschiedlichen Röntgenenergiespektren basieren.
• Mit den in der Steuer- und Recheneinheit 10 vorliegenden Computerprogrammen Prg₁ bis Prg_n können die erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden, so dass auf einer Anzeigeeinheit, beispielsweise der Steuer- und Recheneinheit 10 selbst, eine Ausgabe einer CT-Bilddarstellung möglich ist, bei der einerseits Knochenstrukturen gut erkennbar sind, andererseits durch Entfernung der knochenmineralspezifischen Absorptionen eine bessere Erkennung von Knochenmarködemen möglich ist.
• Grundsätzlich ist es zwar vorteilhaft diese Aufbereitung der CT-Bilddatensätze direkt an einem CT-System oder C-Bogen-System durchzuführen, allerdings kann hierzu auch eine separate Recheneinheit verwendet werden, an die die CT-Bilddaten zur Weiterverarbeitung übertragen werden.

Claims (18)

1. Verfahren zur Aufbereitung von CT-Bilddarstellungen mit den folgenden Verfahrensschritten: 1.1. Erstellung von N≥2 CT-Bilddatensätzen eines Bereiches eines Patienten (P) auf der Basis von N unterschiedlichen Röntgenenergiespektren, wobei jedem Pixel oder Voxel ein N-Tupel an CT-Zahlen zugeordnet wird, wobei jede CT-Zahl des N-Tupels dem Absorptionswert eines der N Röntgenenergiespektren zugeordnet ist, 1.2. Durchführung einer Materialzerlegung über mindestens einen vorbestimmten Teilbereich des in den CT-Bilddatensätzen dargestellten Bereichs des Patienten (P) bezüglich mindestens dreier Materialien, enthaltend zumindest Knochenmineral, gelbes Knochenmark und rotes Knochenmark, und 1.3. Ausgabe und/oder Anzeige mindestens eines CT-Bilddatensatzes zumindest bezüglich des vorbestimmten Teilbereichs mit Absorptionswerten zu einem der N Röntgenenergiespektren oder einem mathematisch simulierten Spektrum, aus denen der Knochenmineralgehalt extrahiert ist.
2. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Materialzerlegung eine gleiche CT-Wert-Anhebung für gelbes und rotes Knochenmark durch Knochenmineral gleicher Konzentration angenommen wird und zumindest Volumenanteile der Materialien gelbes Knochenmark und rotes Knochenmark am Gesamtknochenmark und eine Konzentration von Knochenmineral bestimmt werden.
3. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Volumenanteile der Materialien gelbes Knochenmark und rotes Knochenmark und der Konzentration des Knochenminerals die folgende energieabhängige Gleichung verwendet und die Lösung eines Gleichungssystems je Pixel oder Voxel berechnet wird: $$x\left(E\right)=g\times x_{gelb}\left(E\right)+r\times x_{rot}\left(E\right)+c\times \mathrm{\Delta }{x}_{Km}\left(E\right)\text{ mit }r=\left(1-g\right)$$

   

   und: x(E) dem gemessenen Absorptionswert bezüglich des Energiespektrums E, g dem Volumenanteil von gelbem Knochenmark am Knochenmark, x_gelb(E) dem Absorptionswert von gelbem Knochenmark bezüglich des Energiespektrums E, r dem Volumenanteil von rotem Knochenmark am Knochenmark, x_rot(E) dem Absorptionswert von rotem Knochenmark bezüglich des Energiespektrums E, c der Konzentration des Knochenminerals und Δx_Km(E) der Erhöhung des Absorptionswertes von Knochenmark pro Konzentration des Knochenminerals bezüglich des Energiespektrums E entspricht.
4. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgegebenen Pixel- oder Voxelwerte entsprechend der folgenden Formel berechnet werden: $$x_A\left(E\right)=g\times x_{gelb}\left(E\right)+\left(1-g\right)\times x_{rot}\left(E\right),$$

   

   mit x_A(E) dem ausgegebenen Absorptionswert zum Energiespektrum E.
5. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Materialzerlegung für die drei Materialien Knochenmineral, gelbes Knochenmark und rotes Knochenmark deren Volumenanteile bestimmt werden.
6. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Volumenanteile der Materialien Knochenmineral, gelbes Knochenmark und rotes Knochenmark die folgende energieabhängige Gleichung verwendet und die Lösung eines Gleichungssystems je Pixel- oder Voxel berechnet wird: $$x\left(E\right)=g\times x_{gelb}+r\times x_{rol}+k\times x_{Km},$$

   

   mit r = 1–g-k und: x(E) dem gemessenen Absorptionswert bezüglich des Energiespektrums E, g dem Volumenanteil an gelbem Knochenmark, x_gelb dem Absorptionswert von gelbem Knochenmark bezüglich des Energiespektrums E, r dem Volumenanteil an rotem Knochenmark, x_rot dem Absorptionswert von rotem Knochenmark bezüglich des Energiespektrums E, k dem Volumenanteil von Knochenminerals und x_Km dem Absorptionswert von Knochenmineral bezüglich des Energiespektrums E entspricht.
7. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei den ausgegebenen Pixel- oder Voxelwerten der Ausgabewert unter der Annahme berechnet wird, dass das Pixel oder Voxel ausschließlich aus den Materialien gelbes und rotes Knochenmark besteht, wobei die Relation der ermittelten Volumenanteile erhalten bleibt.
8. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgegebenen Pixel- oder Voxelwerte entsprechend der folgenden Formel berechnet und normiert werden: $$x_A\left(E\right)=\frac{g}{1-k}\times x_{gelb}\left(E\right)+\frac{1-k-g}{1-k}\times x_{rot}\left(E\right),$$

   

   mit x_A(E) dem ausgegebenen Absorptionswert zum Energiespektrum E.
9. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixel- oder Voxelwerte bezüglich ihrer Absorptionswerte in Grauwerten dargestellt werden.
10. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixel- oder Voxelwerte in linear oder nicht-linear reskaliert werden.
11. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet , dass die Anzeige dieser reskalierten Größe durch unterschiedliche Färbung des Pixels oder Voxels dargestellt wird.
12. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Teilbereich ausschließlich Knochen umfasst.
13. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet , dass der Knochen umfassende Teilbereich aufgrund einer Segmentierung bestimmt wird.
14. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auf der Basis mindestens zweier CT-Darstellungen durchgeführt wird, die jeweils durch Simulation einer monochromatischen Strahlung aus ursprünglich gemessenen Rohdaten berechnet wurden.
15. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als abgetasteter Bereich des Patienten mindestens eine Extremität gewählt wird.
16. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein 2-dimensionaler CT-Bilddatensatz ausgegeben wird.
17. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet , dass ein 3-dimensionaler CT-Bilddatensatz ausgegeben wird.
18. Recheneinheit, insbesondere Recheneinheit (10) eines CT-Systems, enthaltend einen Speicher mit Programmcode, dadurch gekennzeichnet, dass im Speicher auch Programmcode (Prg₁-Prg_n) gespeichert ist, welcher die Verfahrensschritte gemäß einem der voranstehenden Verfahrensansprüche ausführt.

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