DE102009031549A1

DE102009031549A1 - Medizinisches Bildaufnahmeverfahren und zugehörige Vorrichtung

Info

Publication number: DE102009031549A1
Application number: DE102009031549A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Flohr
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2009-07-02
Filing date: 2009-07-02
Publication date: 2011-01-05
Also published as: US20110004112A1; US8971996B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein medizinisches Bildaufnahmeverfahren und zugehörige Vorrichtung zur Erzeugung eines Bilddatensatzes eines von einer zyklischen Herzbewegung beeinflussten Aufnahmebereichs eines Patienten (2), bei dem aus einem EKG-Signal (E) eine auf die Herzbewegung abgestimmte Serie von Aufnahmepulsen (A, A*) abgeleitet wird, mittels welcher die Bildaufnahme gepulst angesteuert wird, wobei ein Zeitfenster (F) eines zukünftigen Aufnahmepulses (A) unter Berücksichtigung zumindest eines die Schwankung der Zyklusdauer (T) charakterisierenden Streuungsparameters (T, T, a, b, σ) und eines den Erwartungswert der Zyklusdauer (T) charakterisierenden Lageparameters (T) berechnet wird, wobei der Streuungsparameter (T, T, a, b, σ) mit einem auf der Grundlage des Lageparameters (T) ermittelten Gewicht in die Berechnung des Zeitfensters (F) eingeht. Eine von dem Lageparameter (T) abhängige Berücksichtigung des Streuungsparameters (T, T, a, b, σ) ermöglicht in den Situationen unregelmäßiger Herzraten bei gleichzeitig vorliegender niedriger mittlerer Herzrate eine Reduzierung der applizierten Röntgendosis, ohne dass die Bildqualität des erzeugten Bilddatensatzes signifikant reduziert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein medizinisches Bildaufnahmeverfahren zur Erstellung eines Bilddatensatzes eines von einer zyklischen Herzbewegung beeinflussten Aufnahmebereichs eines Patienten, insbesondere auf ein sogenanntes Rotationsangiographieverfahren oder einen sogenannten Cardio-Scan im Rahmen einer computertomographischen Bildaufnahme. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei medizinischen Bildaufnahmeverfahren zur Abbildung des Herzens und der insbesondere herznahen Blutgefäße besteht generell das Problem, dass der aufzunehmende Körperbereich infolge des Herzschlags einer ständigen zyklischen Bewegung unterliegt. Dieser Umstand ist insbesondere bei röntgentomographischen Aufnahmeverfahren problematisch, bei denen der zu erstellende Bilddatensatz durch Rückprojektion einer Vielzahl von aus unterschiedlichen Projektionswinkeln aufgenommenen Projektionsbildern errechnet wird. Der Bilddatensatz repräsentiert im Regelfall ein Schnitt- oder Volumenbild des Aufnahmebereichs. Die Rückprojektion gelingt nur dann störungsfrei, wenn die zugrunde gelegten Projektionsbilder einen Körperbereich zur identischen Bewegungsphase des Herzens abbilden.
Es ist deshalb bei röntgentomographischen Aufnahmen des Herzens und/oder der herznahen Blutgefäße notwendig, die Aufnahme der Projektionsbilder mit der Herzbewegung des Patienten derart zu synchronisieren, dass die Bildaufnahme jeweils zur selben Bewegungsphase, vorzugsweise in der Ruhephase des Herzzyklus, vorgenommen wird. Eine entsprechende ”Triggerung” erfolgt hierbei anhand des EKG(Elektrokardiogramm)-Signals des Patienten. Die EKG-gestützte Steuerung der Bildaufnahme wird auch als ”EKG-Gating” bezeichnet. Die EKG-gestützte Modulation des Röhrenstroms wird hierbei als ”EKG-Pulsing” bezeichnet.
Da nur die innerhalb der Ruhephasen der Herzbewegung aufgenommenen Projektionsbilder in die Rekonstruktion des Bilddatensatzes einbezogen werden, ist eine Applikation von Röntgenstrahlung auf den Patienten nur während den zur Erfassung der Projektionsbilder erforderlichen Zeitfenstern notwendig. Zur Reduzierung der applizierten Röntgendosis wird daher angestrebt, die Bestrahlung außerhalb dieser Zeitfenster weitestmöglich zu reduzieren. Bei den Bildaufnahmeverfahren mit EKG-Pulsing wird daher das zeitlich nächstfolgende, d. h. in unmittelbarer Zukunft anschließende Zeitfenster auf Basis einer bestimmten Anzahl vorausgegangener Herzzyklen abgeschätzt, und ein dem vorausberechneten Zeitfenster entsprechender Aufnahmepuls zur Modulation des Röhrenstroms während der Bildaufnahme erzeugt.
Um sicherzustellen, dass die zur Bildrekonstruktion erforderliche Bildinformation auch bei einer fehlerhaften Schätzung des Zeitfensters erfasst wird, wird die Röntgenstrahlung außerhalb der prognostizierten Zeitfenster üblicherweise nicht gänzlich abgeschaltet, sondern auf einen bestimmten Bruchteil, z. B. 25%, reduziert. Hierdurch kann der Satz aus Projektionsbildern durch Verwendung einer Bildinformation außerhalb des Zeitfensters zur Rekonstruktion des Bilddatensatzes vervollständigt werden, was jedoch in der Regel mit einer deutlich eingeschränkten Bildqualität des rekonstruierten Bilddatensatzes, insbesondere mit einem erhöhten Bildrauschen, verbunden ist.
Das für die Generierung des Aufnahmepulses verwendete Zeitfenster wird üblicherweise auf der Grundlage der geschätzten Zyklusdauer des nächstfolgenden Herzzyklus bestimmt. Die Zyklusdauer wird dabei aus einer vorgegebenen Anzahl vorhergehender Herzzyklen abgeschätzt, wobei die Zyklusdauer dem Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden R-Wellen (oder R-Zacken) entspricht. Dieses Zeitintervall wird auch als ,RR-Intervall' bezeichnet.
Bei konventionellen Bildaufnahmeverfahren wird als nächstfolgendes Zeitfenster für den Aufnahmepuls der Mittelwert oder der Medianwert aus den so ermittelten RR-Intervallen verwendet. Unregelmäßigkeiten des Herzrhythmus, d. h. eine Änderung der Herzfrequenz auf der Zeitskala, führen bei diesem Verfahren zu einer Fehlberechnung der prognostizierten Zeitfenster und somit zu einer Beeinträchtigung der erzielbaren Bildqualität des Bilddatensatzes.
Zur Erzielung einer besseren Bildqualität in dem rekonstruierten Bilddatensatz auch bei vorliegender Unregelmäßigkeit des Herzrhythmus wird in der DE 10 2005 036 963 B3 daher vorgeschlagen, bei der Berechnung des Zeitfensters für den Aufnahmepuls zusätzlich einen Streuungsparameter zu berücksichtigen, durch den die Schwankung der Zyklusdauer charakterisiert wird. Ein solcher Streuungsparameter kann beispielsweise die auf einen Trend der analysierten Herzzyklen bezogene Standardabweichung der Zyklusdauer sein. Dabei wird mit zunehmender Schwankung der Zyklusdauer das zur Generierung des Aufnahmepulses verwendete Zeitfenster, also die Länge des Zeitintervalls bei voller Dosis, vergrößert, wodurch mit einer höheren Sicherheit die vom Benutzer vorgewählte Bewegungsphase innerhalb des Herzzyklus getroffen wird.
Die zur Rekonstruktion des Bilddatensatzes zu einer vorgewählten Bewegungsphase des Herzens benötigten Projektionsbilder können somit auch bei Vorliegen von Schwankungen der Zyklusdauer aus dem Zeitfensterbereich mit hohem Röhrenstrom gewonnen werden, so dass eine Rekonstruktion des Bilddatensatzes mit verbesserter Bildqualität möglich ist. Die verbesserte Bildqualität bei unregelmäßigem Herzrhythmus wird allerdings im Vergleich zu den konventionellen Dosismodulationsverfahren auf Kosten einer höheren Röntgendosis aufgrund der Vergrößerung des Zeitfensters erzielt, in dem eine Bestrahlung des Patienten mit hohem Röhrenstrom erfolgt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein medizinisches Bildaufnahmeverfahren zur Erzeugung eines Bilddatensatzes eines von einer zyklischen Herzbewegung beeinflussten Aufnahmebereichs eines Patienten so auszugestalten, dass in Abhängigkeit der vorliegenden Situation bei unregelmäßigem Herzrhythmus eine dem Patienten applizierte Röntgendosis ohne signifikante Verschlechterung der erzielten Bildqualität des erzeugten Bilddatensatzes reduziert wird. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung anzugeben.
Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach ist vorgesehen, aus einem EKG-Signal eines zu untersuchenden Patienten eine auf die Herzbewegung des Patienten abgestimmte Serie von Aufnahmepulsen abzuleiten, mittels derer die Bildaufnahme gepulst angesteuert wird. Dabei wird verfahrensgemäß ein Zeitfenster für den zukünftigen Aufnahmepuls unter Berücksichtigung zumindest eines die Schwankung der Zyklusdauer charakterisierenden Streuungsparameters und eines den Erwartungswert der Zyklusdauer charakterisierenden Lageparameters berechnet. Dabei wird auf der Grundlage des Lageparameters ein Gewicht ermittelt, mit dem der Streuungsparameter in die Berechnung des Zeitfensters eingeht.
Als ”Unregelmäßigkeit des Herzrhythmus” oder „Schwankung der Zyklusdauer” wird jede zeitliche Änderung der Herzfrequenz bzw. Herzzyklusdauer auf der Zeitskala eines Herzzyklus oder einiger weniger Herzzyklen bezeichnet. Die Aufnahmepulse sind dabei insbesondere derart gewählt, dass sie zeitlich auf die Ruhephase des Herzens innerhalb des Herzzyklus abgestimmt sind.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zu Grunde, dass die erzielte Bildqualität in dem rekonstruierten Bilddatensatz bei niedrigen Herzraten deutlich unabhängiger von einer exakten Positionierung des Zeitfensters innerhalb des Herzzyklus ist als bei höheren Herzraten. Bei einer Herzrate von beispielsweise weniger als 60 Schlägen pro Minute können in der Regel gute Bilder innerhalb eines ganzen Phasenbereichs, z. B. zwischen 50% bis 70% des Zeitintervalls eines Herzzyklus, rekonstruiert werden. Darüber hinaus werden bei niedrigen Herzraten im Vergleich zu höheren Herzraten relativ hohe Streuungswerte für die Zyklusdauer beobachtet. Die in der DE 10 2005 036 963 B3 beschriebene Berechnung des Zeitfensters führt bei niedrigen Herzraten somit im Vergleich zu Situationen, bei denen höhere Herzraten vorliegen, zu einer signifikanten Vergrößerung des Zeitintervalls und somit zu einer höheren dem Patienten applizierte Röntgendosis, obwohl in dieser Situation keine genaue Positionierung des Zeitfensters erforderlich ist.
Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Einfluss des Streuungsparameters in die Berechnung des Zeitfensters in Abhängigkeit eines Lageparameters festzulegen, wobei der Lageparameter einen Erwartungswert für die Zyklusdauer repräsentiert. Der Streuungsparameter wird dabei so mit Gewichtungsfaktoren beaufschlagt, dass bei niedrigen Herzraten der Streuungsparameter wenig oder gar nicht in die Berechnung des Zeitfensters eingeht, und dass bei zunehmenden Herzraten der Einfluss des Streuungsparameters in der Berechnung steigt.
Hierdurch wird das Zeitfenster bei niedrigen Herzraten trotz ermittelter hoher Streuungswerte nur wenig oder gar nicht vergrößert. In dieser Situation wird also ganz bewusst eine eventuell auftretende Fehlpositionierung des Zeitfensters innerhalb des Herzzyklus in Kauf genommen. Fehlpositionierungen des Zeitfensters bei niedrigen Herzraten haben nämlich keinen signifikanten Einfluss auf die Bildqualität, da die Zyklusdauer vergleichsweise lang und somit das zur Erfassung von Projektionsbildern prinzipiell geeignete Zeitintervall der Ruhephase des Herzens im Vergleich zu dem erforderlichen Zeitfenster für den Aufnahmepuls lang ist.
Im Gegensatz dazu wird der Streuungsparameter bei steigenden Herzraten zunehmend stärker berücksichtigt, so dass für diese Situationen das Zeitfenster bei ermittelter hoher Streuung bzw. großer Standardabweichung der Zyklusdauer vergrößert wird, damit sämtliche für die Rekonstruktion des Bilddatensatzes erforderlichen Projektionsbilder mit hoher Wahrscheinlichkeit aus dem Aufnahmepuls gewonnen werden. Da in dieser Situation das zur Erfassung von Projektionsbildern prinzipiell geeignete Zeitintervall im Vergleich zum Zeitfenster für den Aufnahmepuls nur unwesentlich größer ist, würde bereits bei geringer Fehlpositionierung des Zeitfensters die Gefahr bestehen, dass nicht genügend Projektionsbilder für die Ruhephase des Herzens innerhalb des Aufnahmepulses vorhanden sind.
Die funktionale Abhängigkeit zwischen dem Lageparameter und dem Gewicht des Streuungsparameters wird günstiger Weise im Vorfeld für sämtliche ECG-getriggerte Bildaufnahmeverfahren empirisch festgelegt. Der Streuungsparameter wird im einfachsten Fall mit Gewichtungsfaktoren in Abhängigkeit des ermittelten Mittelwertes der Zyklusdauer zwischen dem Wert 0 und dem Wert 1 beaufschlagt.
Die Lage und Länge des Zeitfensters wird durch die Berechnung von zwei Zeitpunkten festgelegt. Ein Anfangszeitpunkt legt dabei in zeitlich fortlaufender Richtung den Beginn des Zeitfenster und somit den Beginn des Aufnahmepulses bei hohem Röhrenstrom fest. Ein Endzeitpunkt legt in entsprechender Weise in zeitlich fortlaufender Richtung das Ende des Aufnahmefensters und somit das Ende des Aufnahmepulses fest, bei dem von einem hohen Röhrenstrom auf einen niedrigen Röhrenstrom umgeschaltet wird.
Bei niedrigen Herzraten kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren also im Vergleich zu dem aus der DE 10 2005 036 963 B3 bekannten Verfahren eine Reduzierung der applizierten Röntgendosis erzielt werden, ohne dass sich die Bildqualität des erzeugten Bilddatensatzes signifikant reduziert. Gleichzeitig bleiben die Vorteile einer Berücksichtigung des Streuungsparameters bei hohen Herzraten aufgrund einer stärkeren Gewichtung des Streuungsparameters in der Berechnung des Zeitfensters erhalten.
Bevorzugt wird mindestens einer der Streuungsparameter und/oder der Lageparameter statistisch durch Analyse einer vorgegebenen Anzahl vorangegangener Herzzyklen bestimmt.
Als Streuungsparameter werden hierbei alleine oder in Kombination die Minimaldauer, die Maximaldauer der analysierten Herzzyklen oder die Standardabweichung der Zyklusdauer berücksichtigt. Zusätzlich oder alternativ werden als Streuungsparameter ein Trend der Zyklusdauer über die analysierten Herzzyklen, und gegebenenfalls die Standardabweichung von dem ermittelten Trend berücksichtigt. Als Trend wird hierbei eine durch (insbesondere lineare) Regression bestimmte Funktion der Zyklusdauer bezeichnet, die eine gemittelte Änderung der Zyklusdauer während der analysierten vorangegangenen Herzzyklen charakterisiert und eine extrapolative Bestimmung der zukünftigen Zyklusdauer ermöglicht.
Als Lageparameter zur Charakterisierung des Erwartungswertes für die Zyklusdauer wird allein oder in Kombination wird der arithmetische Mittelwert oder der Medianwert der Zyklusdauer von den analysierten Herzzyklen berücksichtigt. Durch den nichtlinearen Zusammenhang zwischen den Eingangswerten und dem Ergebniswert bei der Medianfilterung können insbesondere einzelne Ausreißer in der Zyklusdauer der analysierten Herzzyklen unterdrückt werden, die beispielsweise durch Extra-Systolen verursacht werden und die zu einer fälschlicherweise zu gering abgeschätzten mittleren Zyklusdauer führen würden.
Bei dem Bildaufnahmeverfahren handelt es sich vorzugsweise um ein auf Röntgenstrahlung basierendes bildgebendes Verfahren, insbesondere ein röntgentomographisches Verfahren, bei dem eine Mehrzahl von Röntgenprojektionsbildern unter variierendem Projektionswinkel aufgenommen werden, aus welchen der Bilddatensatz durch Rückprojektion erstellt wird. Die Bildaufnahme wird nach Maßgabe der Aufnahmepulse unter Applikation von Röntgenstrahlung auf den Patienten so angesteuert, dass die auf den Patienten applizierte Röntgendosis während eines jeden Aufnahmepulses auf einen vergleichsweise hohen Aufnahmewert, und zwischen zwei aufeinander folgenden Aufnahmepulsen auf einen vergleichsweise niedrigen Grundwert, insbesondere auf etwa 25% des Aufnahmewerts, geschaltet wird.
Eine Dosismodulation wird beispielsweise auf Basis einer Modulation des Röhrenstroms erzielt, der in Abhängigkeit von Länge und Position des Zeitfensters für den Aufnahmepuls zwischen einem hohen Röhrenstromwert innerhalb des Zeitfensters, beispielsweise 800 mA, und einem niedrigen Röhrenstromwert außerhalb des Zeitfensters, beispielsweise 200 mA, wechselseitig geschaltet wird.
Das erfindungsgemäße ECG-Pulsing-Prinzip ist prinzipiell auch im Rahmen anderer medizinischer bildgebender Verfahren, bei denen eine Synchronisierung der Bildaufnahme mit dem Herzschlag erforderlich oder zweckmäßig ist, vorteilhaft einsetzbar.
Bezüglich der Vorrichtung wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 11 gelöst. Danach umfasst die Vorrichtung eine Bildaufnahmeeinheit zur Erzeugung eines Bilddatensatzes eines von einer zyklischen Herzbewegung beeinflussten Aufnahmebereichs eines Patienten sowie eine EKG-Einheit zur Erfassung eines EKG-Signals des Herzrhythmus des Patienten. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Kontrolleinheit, die dazu ausgebildet ist, die Bildaufnahmeeinheit gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren zu ”triggern”, d. h. in Abstimmung auf den Herzrhythmus des Patienten gepulst anzusteuern.
Bei der Bildaufnahmeeinheit handelt es sich insbesondere um einen Röntgentomographen im weiteren Sinne, insbesondere um ein Computertomographiegerät oder ein Rotationsangiographiegerät. Die Bildaufnahmeeinheit umfasst entsprechend vorteilhaft eine um eine Achse drehbare Röntgenstrahler-Detektor-Einheit zur Aufnahme von Röntgenprojektionsbildern sowie eine Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, den Bilddatensatz durch numerische Rückprojektion aus einer Mehrzahl von unter verschiedenem Projektionswinkel aufgenommenen Röntgenprojektionsbildern zu erstellen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
1 eine röntgentomographische Vorrichtung, hier ein Computertomographiegerät, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist,
2 in einem schematischen Diagramm gegen die Zeit ein von der EKG-Einheit erfasstes EKG-Sigal, ein an die Bildaufnahmeeinheit abgegebenes Steuersignal mit einer Serie von aus dem EKG-Signal abgeleiteten Aufnahmepulsen und die nach Maßgabe der Aufnahmepulse eingestellte Röntgendosis der Bildaufnahmeeinheit, und
3 und 4 in Darstellung gemäß 2 das EKG-Signal, das Steuersignal und die Röntgendosis bei niedriger und hoher Herzrate.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine röntgentomographische Vorrichtung 1, hier ein Computertomographiegerät, zur Erzeugung eines insbesondere zwei- oder dreidimensionalen Bilddatensatzes B in Form eines Schicht- oder Volumenbildes von einem durch die Herzbewegung eines Patienten 2 beeinflussten Aufnahmebereichs, insbesondere im Bereich des Herzens oder der Blutgefäße des Patienten 2.
Die Vorrichtung 1 umfasst im Wesentlichen eine Bildaufnahmeeinheit 3, eine EKG-Einheit 4 und eine Kontrolleinheit 5.
Die Bildaufnahmeeinheit 3 umfasst einen Röntgenstrahler 6 und einen Röntgendetektor 7, die in Gegenüberstellung an einem Drehrahmen 8 einer Gantry befestigt sind. Der Drehrahmen 8 ist dabei derart drehbar gelagert, dass unter Drehung des Drehrahmens 8 der Röntgenstrahler 6 und der Röntgendetektor 7 um eine gemeinsame isozentrische Achse 9 rotiert werden.
Zur Lagerung des Patienten 2 umfasst die Vorrichtung 1 ferner einen Patiententisch 10, auf dem der Patient 2 derart gelagert wird, dass ein zu untersuchender Körperbereich des Patienten 2 – insbesondere also das Herz oder die zu untersuchenden Blutgefäße – zwischen dem Röntgenstrahler 6 und dem Röntgendetektor 7, und damit insbesondere im Strahlengang 11 der von dem Röntgenstrahler 6 in Richtung des Röntgendetektors 7 emittierten Röntgenstrahlung positioniert ist.
Im Zuge der Bildaufnahme wird durch die Bildaufnahmeeinheit 3 unter Drehung des Drehrahmens 8 eine Vielzahl von Röntgenprojektonsbildern P aus unterschiedlicher Projektionsrichtung aufgenommen. Die Röntgenprojektionsbilder P werden einer Auswerteeinheit 12 zugeführt, die durch z. B. numerische Rückprojektion aus den Röntgenprojektionsbildern P den Bilddatensatz B errechnet. Zur Anzeige des Bilddatensatzes B umfasst die Bildaufnahmeeinheit 3 ferner Eingabe- und Ausgabemittel, insbesondere einen Bildschirm 13.
Um zu vermeiden, dass bei der Rekonstruktion des Bilddatensatzes B aus den Projektionsbildern P ersterer durch Bewegungsartefakte, die auf die Herzbewegung zurückzuführen sind, verfälscht wird, wird die Bildaufnahmeeinheit 3 von der Kontrolleinheit 5 derart angesteuert, dass die Aufnahme der Projektionsbilder P während bestimmter, einander entsprechender Phasen der Herzbewegung, insbesondere während der Ruhephasen der Herzbewegung, erfolgt. Die Kontrolleinheit 5 ermittelt diese Phasen anhand eines EKG-Signals E des Herzrhythmus des Patienten 2, das von der EKG-Einheit 4 erfasst und der Kontrolleinheit 5 als Eingangsgröße zugeführt wird.
Die Kontrolleinheit 5 wiederum erzeugt ein Steuersignal S, das zur Ansteuerung des Röntgenstrahlers 6 und des Röntgendetektors 7 der Bildaufnahmeeinheit 3 zugeführt wird.
Das Steuersignal S umfasst, wie in 2 schematisch in einem Diagramm gegen die Zeit t angedeutet ist, eine Serie von Aufnahmepulsen A_i (i = 0, 1, 2, ...), deren jeder durch ein Anfangssignal a_i und ein Endsignal e_i (jeweils i = 0, 1, 2, ...) zeitlich begrenzt ist. Das Anfangssignal a_i markiert somit einen Anfangszeitpunkt t_ai (i = 0, 1, 2, ...), das Endsignal e_i einen Endzeitpunkt t_ei (i = 0, 1, 2, ...) eines Zeitfensters F_i (i = 0, 1, 2, ...) für den jeweiligen Aufnahmepuls A_i. Die Aufnahmepulse A_i sind dabei beispielsweise durch jeweils einen Rechteckpuls des Steuersignals S gegeben, wobei das zugehörige Anfangssignal a_i durch einen Flankenanstieg und das Endsignal e_i durch einen Flankenabfall des Steuersignals S gegeben ist.
In der Darstellung sind bereits ausgegebene (d. h. vergangene) Aufnahmepulse A_i mit positivem Laufindex, d. h. i > 0, belegt, wobei der Wert des Laufindex i mit zunehmendem zeitlichen Abstand des Aufnahmepulses A_i gegenüber dem aktuellen Zeitpunkt t₀ zunimmt. Der gegenüber dem aktuellen Zeitpunkt t₀ in unmittelbarer Zukunft folgende Aufnahmepuls ist demgegenüber mit dem Laufindex i = 0 belegt, d. h. als Aufnahmepuls A₀ bezeichnet. Eine entsprechende Indizierung ist zur Unterscheidung der Zeitfenster F_i, der Anfangs- bzw. Endsignale a_i, e_i und der zugehörigen Zeitpunkte t_ai, t_ei verwendet.
Die Aufnahmepulse A_i sind, wie aus 2 anhand der Gegenüberstellung des Steuersignals S mit dem EKG-Signal E zu erkennen ist, derart auf den Herzrhythmus des Patienten 2 abgestimmt, dass ein Aufnahmepuls A_i im Regelfall einen vorgegebenen Abschnitt eines Herzzyklus Z_i (i = 0, 1, 2, ...), insbesondere das zwischen 40% und 70% der Zyklusdauer T_i (i = 0, 1, 2, ...) aufgespannte Zeitintervall einnimmt. Jeder Herzzyklus Z_i wird hierbei durch den jeweiligen Zeitpunkt t_ri (i = 0, 1, 2, ...) zweier aufeinanderfolgender R-Ausschläge R (oder R-Zacken) des EKG-Signals E zeitlich begrenzt.
Wie ebenfalls aus 2 zu erkennen ist, wird nach Maßgabe des Steuersignals S wiederum die Röntgendosis D der von dem Röntgenstrahler 6 emittierten Röntgenstrahlung gesteuert, derart, dass für die Dauer eines jeden Aufnahmepulses A_i die Röntgendosis D auf einen vergleichsweise hohen Aufnahmewert D_a gesetzt ist, während die Röntgendosis D außerhalb der Aufnahmepulse A_i auf einen niedrigen Grundwert D₀ reduziert ist, der etwa 25% des Aufnahmewerts D_a beträgt.
Für die Ausgabe des Anfangssignals a₀ und des Endsignals e₀ des zukünftigen Zeitfensters F₀ des Aufnahmepulses A₀ berechnet die Kontrolleinheit 5 den zugehörigen Anfangs- bzw. Endzeitpunkt t_a0, t_e0, wobei die Kontrolleinheit 5 die hierfür benötigte, zu erwartende Herzzyklusdauer des aktuellen Herzzyklus Z₀ durch statistische Analyse der letzten n (n = 2, 3, 4, ...), insbesondere n = 3, vorausgegangenen Herzzyklen Z₁, Z₂, ..., Z_n nach dem in der DE 10 2005 036 963 B3 näher beschriebenen Verfahren abschätzt.
Für die Berechnung des durch die Zeitpunkte t_a0 und t_e0 definierten Zeitfensters F₀ für den Aufnahmepuls führt die Kontrolleinheit 5 folgende Rechnungen durch: a) Streuungsparameter
Als Streuungsparameter wird die Standardabweichung σ der Zyklusdauer T_i von der Trendgeraden mit der Steigung a und dem Achsenabschnitt b aus n vorhergehenden Herzzyklen Z_i berechnet. Die Steigung a und der Achsenabschnitt b der Trendgeraden wird dabei mittels linearer Regression bestimmt. b) Lageparameter und Gewichtungsfaktor
g₀(T_μ) ∈ [0, 2.4] GL3
Als Lageparameter wird der Mittelwert T_μ aus n vorhergehenden Herzzyklen Z_i berechnet. Aus dem Mittelwert T_μ wird anschließend ein Gewichtungsfaktor g₀ bestimmt, mit dem die Standardabweichung σ bei der Berechnung der beiden Zeitpunkte t_a0 und t_e0 beaufschlagt wird. Der Gewichtungsfaktor g₀ nimmt in Abhängigkeit des Mittelwertes T_μ vorzugsweise Zahlen in einem Wertbereich zwischen 0 und 2,4 ein.
Die Abhängigkeit wird dabei so gewählt, dass bei einer langen mittleren Zyklusdauer T_μ, also niedrigen Herzraten, beispielsweise von 55 Herzschlägen pro Minute, der Gewichtungsfaktor g₀ einen geringen Wert oder den Wert 0 annimmt, so dass die Standardabweichung σ wenig oder gar nicht in die Berechnung der Zeitpunkte t_a0 und t_e0 eingeht. Umgekehrt nimmt der Gewichtungsfaktor g₀ bei einer kurzen mittleren Zyklusdauer T_μ, also bei hohen Herzraten, beispielsweise von über 80 Herzschlägen pro Minute, hohe Werte von bis zu 2,4 an, so dass die Standardabweichung σ in der Berechnung der Zeitpunkte t_a0 und t_e0 stark berücksichtigt wird.
Die funktionale Abhängigkeit zwischen der mittleren Zyklusdauer T_μ und dem Gewichtungsfaktor g₀ wird dabei im Vorfeld empirisch bestimmt und so gewählt, dass für die entgegenstehenden Aspekte einer maximalen Dosiseinsparung und einer hinreichenden Sicherheit in der Dimensionierung des Zeitfenster F₀ ein gangbarer Kompromiss gefunden wird.
c) Maximale T_max und minimale T_min Zyklusdauer aus n vorhergehenden Herzzyklen Z_i

T_max = max{T_i| i = 1, 2, ..., n} GL4
T_min = min{T_i| i = 1, 2, ..., n} GL5

d) Datenintervall für die Teilumlauf-Rekonstruktion T_recon
Dabei bezeichnet T_rot die Zeit für einen Vollumlauf des Röntgenstrahlers 6 und des Röntgendetektors 7 um 360°, R_m (z. B. 250 mm) die typische Dimension eines Cardio-Messfelds, R_f den Fokus-Bahn-Radius (z. B. 570 mm) und α_Trans = π/12 den bei der Rekonstruktion verwendeten Übergang der Sinogrammgewichtung.
Der Anfangs- und Endzeitpunkt t_a0, t_e0 des vorauszuberechnenden Zeitfensters F₀ für den Aufnahmepulses A₀ wird nun bestimmt nach t_a0 = t_r1 + p_Start·T_min·(1 – g₀(T_μ)·σ) GL7 und t_e0 = t_r1 + p_Ende·T_max(1 + g₀(T_μ)·σ) + T_recon GL8 wobei durch p_Start und p_Ende das Ausgangszeitfenster zur Erfassung der Ruhephase der Herzbewegung innerhalb des Herzzyklus Z₀ definiert ist (z. B. p_Start = 0,4 und p_Ende = 0,7). Der Anfangs- und Endzeitpunkt t_pa und t_pe des Ausgangszeitfensters ergeben sich entsprechend aus: t_pa = t_r1 + p_Start·T_min· GL9 und t_pe = t_r1 + p_Ende·T_max + T_recon GL10
Der über den Gewichtungsfaktor g₀ gesteuerte Einfluss der Standardabweichung σ in Abhängigkeit der mittleren Zyklusdauer bewirkt, dass das über die Zeitpunkte t_a0, t_e0 festgelegte Zeitfenster F₀ gegenüber dem Ausgangszeitfenster bei niedrigen Herzraten unverändert und bei hohen Herzraten vergrößert wird. Dieser Sachverhalt ist in den beiden 3 und 4 gezeigt, wobei 3 die Situation für niedrige und 4 für höhere Herzraten zeigen. Die R-Zacken R treten dabei um einen Erwartungswert in einem durch die Standardabweichung σ festgelegten Streuungsintervall t_σ auf. In der in 3 gezeigten Situation für niedrige Herzraten wird die Ruhephase auch ohne Berücksichtigung der Standardabweichung σ gut getroffen, so dass keine Vergrößerung des Zeitfensters F₀ gegenüber dem Ausgangszeitfenster F_start erforderlich ist. Im Gegenansatz dazu führt die in 4 gezeigte Situation für hohe Herzraten unter Umständen dazu, dass ein Teil des Ausgangszeitfensters F_start bereits die R-Welle mit umfasst. Durch die Berücksichtigung der Standardabweichung σ mit dem Gewicht g₀ wird das Zeitfenster F₀ gegenüber dem Ausgangszeitfenster so vergrößert, dass während des Aufnahmepulses A₀ genügend Projektionen zur Ruhephase der Herzbewegung zur Erzeugung des Datensatzes zur Verfügung stehen.
Aufgrund diverser Latenzen der Systemkomponenten (Signalübertragung, Erkennung der R-Ausschläge, etc.) ist die Information über das Auftreten eines R-Ausschlags R um eine vorgegebene Zeitspanne verzögert. Die zur Berechnung verwendeten Zeitpunkte sind hier stets als Angaben in der wahren Zeit, d. h. als um die Latenzen korrigiert zu verstehen, sofern die berechneten Ereignisse später als zu der aktuellen Zeit stattfinden.
Zusammenfassend kann gesagt werden:
Die Erfindung betrifft ein medizinisches Bildaufnahmeverfahren und zugehörige Vorrichtung zur Erzeugung eines Bilddatensatzes eines von einer zyklischen Herzbewegung beeinflussten Aufnahmebereichs eines Patienten 2, bei dem aus einem EKG-Signal E eine auf die Herzbewegung abgestimmte Serie von Aufnahmepulsen A_i, A* abgeleitet wird, mittels welcher die Bildaufnahme gepulst angesteuert wird, wobei ein Zeitfenster F₀ eines zukünftigen Aufnahmepulses A₀ unter Berücksichtigung zumindest eines die Schwankung der Zyklusdauer T_i charakterisierenden Streuungsparameters T_max, T_min, a, b, σ und eines den Erwartungswert der Zyklusdauer T_i charakterisierenden Lageparameters T_μ berechnet wird, wobei der Streuungsparameter T_max, T_min, a, b, σ mit einem auf der Grundlage des Lageparameters T_μ ermittelten Gewicht in die Berechnung des Zeitfensters F₀ eingeht. Eine von dem Lageparameter T_μ abhängige Berücksichtigung des Streuungsparameters T_max, T_min, a, b, σ ermöglicht in den Situationen unregelmäßiger Herzraten bei gleichzeitig vorliegender niedriger mittlerer Herzrate eine Reduzierung der applizierten Röntgendosis, ohne dass die Bildqualität des erzeugten Bilddatensatzes signifikant reduziert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102005036963 B3 [0008, 0013, 0019, 0044]

Claims

Bildaufnahmeverfahren zur Erzeugung eines Bilddatensatzes eines von einer zyklischen Herzbewegung beeinflussten Aufnahmebereichs eines Patienten (2), bei dem aus einem EKG-Signal (E) eine auf die Herzbewegung abgestimmte Serie von Aufnahmepulsen (A_i, A*) abgeleitet wird, mittels welcher die Bildaufnahme gepulst angesteuert wird, wobei ein Zeitfenster (F₀) eines zukünftigen Aufnahmepulses (A₀) unter Berücksichtigung zumindest eines die Schwankung der Zyklusdauer (T_i) charakterisierenden Streuungsparameters (T_max, T_min, a, b, σ) und eines den Erwartungswert der Zyklusdauer (T_i) charakterisierenden Lageparameters (T_μ) berechnet wird, wobei der Streuungsparameter (T_max, T_min, a, b, σ) mit einem auf der Grundlage des Lageparameters (T_μ) ermittelten Gewicht (g₀) in die Berechnung des Zeitfensters (F₀) eingeht.
Bildaufnahmeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Streuungsparameter (T_max, T_min, a, b, σ) und/oder der Lageparameter (T_μ) durch Analyse einer vorgegebenen Anzahl vorausgegangener Herzzyklen (Z_i) statistisch bestimmt wird.
Bildaufnahmeverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Lageparameter (T_μ) der Mittelwert oder der Medianwert der Zyklusdauer (T_i) der analysierten Herzzyklen (Z_i) berücksichtigt wird.
Bildaufnahmeverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Streuungsparameter die Minimaldauer (T_min) und/oder die Maximaldauer (T_max) der analysierten Herzzyklen (Z_i) berücksichtigt wird.
Bildaufnahmeverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anfangszeitpunkt (t_a0) des Zeitfensters (F₀) unter Berücksichtigung der Minimaldauer (T_min) und ein Endzeitpunkt (t_e0) des Zeitfensters (F₀) unter Berücksichtigung der Maximaldauer (T_max) der analysierten Herzzyklen (Z_i) bestimmt werden.
Bildaufnahmeverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Streuungsparameter die Standardabweichung (σ) der Zyklusdauer (T_i) der analysierten Herzzyklen (Z_i) berücksichtigt wird.
Bildaufnahmeverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Streuungsparameter die Standardabweichung (σ) der Zyklusdauer (T_i) gegenüber einem Trend (a, b) der Zyklusdauer (T_i) der analysierten Herzzyklen (Z_i) berücksichtigt wird.
Bildaufnahmeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahme unter Applikation von Röntgenstrahlung auf den Patienten (2) erfolgt, wobei die auf den Patienten applizierte Röntgendosis (D) während eines jeden Aufnahmepulses (A_i) auf einen vergleichsweise hohen Aufnahmewert (D_a), und zwischen zwei aufeinander folgenden Aufnahmepulsen (Ai) auf einen vergleichsweise niedrigen Grundwert (D₀) geschaltet wird.
Bildaufnahmeverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwert (D₀) etwa 25% des Aufnahmewertes (D_a) entspricht.
Bildaufnahmeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahme röntgentomographisch erfolgt, indem eine Mehrzahl von Röntgenprojektionsbildern (P) unter variierendem Projektionswinkel aufgenommen wird, aus welchen der Bilddatensatz (B) durch Rückprojektion erstellt wird.
Vorrichtung (1) mit einer Bildaufnahmeeinheit (3) zur Erzeugung eines Bilddatensatzes eines von einer zyklischen Herzbewegung beeinflussten Aufnahmebereichs eines Patienten, mit einer EKG-Einheit (4) zur Erfassung eines EKG-Signals (E) der Herzbewegung des Patienten (2) und mit einer Kontrolleinheit (5), die dazu ausgebildet ist, gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aus dem EKG-Signal (E) eine auf die Herzbewegung abgestimmte Serie von Aufnahmepulsen (A_i) abzuleiten und die Bildaufnahmeeinheit (3) nach Maßgabe der Aufnahmepulse (A_i) gepulst anzusteuern.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahmeeinheit (3) eine um eine Achse (9) drehbare Röntgenstrahler-Detektor-Einheit (6, 7) zur Aufnahme von Röntgenprojektionsbildern (P) sowie eine Auswerteeinheit (12) umfasst, die dazu ausgebildet ist, den Bilddatensatz (B) durch numerische Rückprojektion aus einer Mehrzahl von unter verschiedenem Projektionswinkel aufgenommenen Röntgenprojektionsbildern (P) zu erstellen.