DE102009043633A1 - Verbesserte Abtastung eines zyklisch bewegten Untersuchungsobjektes unter Einsatz eines Kontrastmittels im Rahmen einer Voruntersuchung mittels eines CT-Gerätes - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtastung eines zyklisch bewegten Untersuchungsobjektes (1) unter Einsatz eines Kontrastmittels (2) im Rahmen einer Voruntersuchung mittels eines CT-Gerätes (3), bei welchem Messdaten zu einer Abfolge von Aufnahmezeitpunkten (S-S) erfasst werden, und bei welchem aus den Messdaten zu jedem der Aufnahmezeitpunkte (S-S) ein erstes Bild rekonstruiert wird, aus denen ein zeitlicher Verlauf einer Konzentration des Kontrastmittels (2) ermittelt wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Aufnahmezeitpunkte (S-S) zur Erfassung jeweils einer bestimmten Phasenlage (P-P) der Bewegung mit einem Bewegungssignal (4) des Untersuchungsobjektes (1) synchronisiert werden, wobei zu jedem der Aufnahmezeitpunkte (S-S) aus den Messdaten ein zweites Bild mit einem geringen zeitlichen Versatz zu dem ersten Bild rekonstruiert wird, und wobei durch Vergleich des ersten Bildes mit dem zweiten Bild für jeden der Aufnahmezeitpunkte (S-S) eine Bewegungskurve (5) ermittelt wird, welche einen zeitlichen Verlauf einer Intensität der zyklischen Bewegung repräsentiert. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass aus der zwingend erforderlichen Voruntersuchung auch Bewegungsinformationen bei minimal erhöhter Dosis gewonnen werden. Die Erfindung betrifft außerdem ein entsprechendes CT-Gerät (3) und ein Computerprogramm.

Description

• Verfahren zur Abtastung eines Untersuchungsobjektes mit CT-Gerät sind allgemein bekannt. Hierbei werden beispielsweise Kreisabtastungen, sequentielle Kreisabtastungen mit Vorschub oder Spiralabtastungen verwendet. Bei diesen Abtastungen werden mit Hilfe mindestens einer Röntgenquelle und mindestens eines gegenüberliegenden Detektors Messdaten in Form von Absorptionsdaten des Untersuchungsobjektes aus einem Winkelintervall gesammelt und mittels entsprechender Rekonstruktionsverfahren zu Bildern, beispielsweise Schnittbildern, verrechnet.
• Zur Rekonstruktion der Bilder wird heutzutage als Standardverfahren ein so genanntes gefiltertes Rückprojektionsverfahren (Filtered Back Projection; FBP) eingesetzt. Nach der Datenerfassung wird ein so genannter ”Rebinning”-Schritt durchgeführt, in dem die mit dem fächerförmig sich von der Quelle ausbreitenden Strahl erzeugten Messdaten so umgeordnet werden, dass sie in einer Form vorliegen, wie wenn der Detektor von parallel auf den Detektor zulaufenden Strahlen getroffen würde. Die Messdaten werden dann in den Frequenzbereich transformiert. Im Frequenzbereich findet eine Filterung statt, und anschließend werden die gefilterten Daten rücktransformiert. Mit Hilfe der so umsortierten und gefilterten Messdaten erfolgt dann eine Rückprojektion auf die einzelnen Voxel innerhalb des interessierenden Volumens.
• Ein Nachteil bei der Abtastung eines zyklisch bewegten bzw. sich bewegenden Untersuchungsobjekts, beispielsweise eines Herzens oder einer Lunge oder eines zumindest teilweise zyklisch bewegten Untersuchungsobjekts, besteht darin, dass bei diesen Berechnungsverfahren Bewegungsunschärfen in den Bildern entstehen können. Bei den während der Zeit eines Abtastvorgangs erfassten Messdaten, die für die Rekonstruktion des Bildes benötigt werden, kann nämlich in Abhängigkeit der erfassten Intensität der Bewegung ein Ortsversatz des Untersuchungsobjektes oder eines Teils des Untersuchungsobjektes vorliegen, so dass die Messdaten nicht alle räumlich identische Situation des Untersuchungsobjektes widerspiegeln. Dieses Bewegungsunschärfeproblem entsteht besonders verstärkt bei der Durchführung von Cardio-CT-Untersuchungen eines Patienten, bei denen aufgrund der Herzbewegung eine starke Bewegungsunschärfe im Herzbereich auftreten.
• Zur Vermeidung solcher Bewegungsunschärfen werden die Messdaten daher unter Auswertung eines Bewegungssignals erfasst, im Falle des Herzens unter Auswertung eines vom Patienten abgeleiteten EKG-Signals. Es existieren zwei Rekonstruktionsverfahren, die sich vom Ansatz prinzipiell her unterscheiden.
• Bei der retrospektiven Rekonstruktion werden während der gesamten Zyklusdauer der Herzbewegung Messdaten erfasst und zusammen mit dem EKG-Signal abgespeichert. Die Rekonstruktion eines Bildes erfolgt retrospektiv im Anschluss an die Datenerfassung, wobei Messdaten zu Ruhephasen des Herzens entweder durch Auswertung des EKG-Signals oder durch Auswertung der in den Datensätzen enthaltenen Bewegungsinformation mittels eines allgemein bekannten Motionmapping-Verfahrens ausgewählt werden. Ein Vorteil besteht darin, dass sich die Ruhephasen des Herzens für jeden Zyklus individuell bestimmen lassen, so dass das rekonstruierte Bild geringe Bewegungsartefakte aufweist. Voraussetzung zur retrospektiven Rekonstruktion eines Bildes ist jedoch, dass der Patient während der gesamten Abtastung mit voller Röntgendosis bestrahlt wird, so dass deutlich mehr Röntgendosis als erforderlich appliziert wird. Es werden also auch Messdaten während der Abtastung erfasst, die für die eigentliche Rekonstruktion nicht benötigt werden.
• Bei der prospektiven Rekonstruktion wird ein Aufnahmezeitpunkt zu einer zeitlich folgenden, abzutastenden Phasenlage der Bewegung des Herzens auf Basis einer registrierten R-Zacke und einer ermittelten RR-Intervalldauer geschätzt. Die R-Zacke des EKG-Signals wird dabei als Trigger dafür benutzt, um die Abtastung mit einer durch den Aufnahmezeitpunkt vorgegeben Verzögerung zu starten. Der Aufnahmezeitpunkt ist also die Zeitspanne zwischen der registrierten R-Zacke und dem Start der Erfassung von Messdaten innerhalb des folgenden Zyklus der Bewegung. Er kann wahlweise in Relation zur ermittelten RR-Intervalldauer, z. B. in Prozent, aber auch in Zeiteinheiten angegeben werden. In der Regel wird der Aufnahmezeitpunkt durch eine Bedienperson aufgrund von Erfahrung und in Abhängigkeit der beobachteten Charakteristik im EKG-Verlauf festgelegt. Dies hat insbesondere den Nachteil, dass das Ergebnis der Bildrekonstruktion stark von der Erfahrung der jeweiligen Bedienperson abhängt. So kann es vorkommen, dass mit dem vorgegebenen Aufnahmezeitpunkt die Phasenlage bzw. die Ruhephase der Herzbewegung nicht optimal getroffen wird, was zu einer Verschlechterung der erzielbaren Bildqualität führt. Ein Vorteil der prospektiven Rekonstruktion von tomographischen Bildern ist jedoch darin zu sehen, dass der Röhrenstrom so moduliert wird, dass nur in einem kleinen Zeitintervall Röntgendosis appliziert wird.
• Ein weiterer Gesichtpunkt, der die Abtastung erschwert, ist die Tatsache, dass die zyklisch bewegenden Untersuchungsobjekte des Patienten, nämlich das Herz oder die Lunge, im Vergleich zur Umgebung ähnliche Schwächungseigenschaften aufweisen, so dass sie sich in dem Bild ohne weitere Maßnahmen nur durch einen geringen Kontrast abzeichnen. Aus diesem Grund wird dem Patienten vor Untersuchungsbeginn ein Kontrastmittel injiziert. Das Kontrastmittel weist im Vergleich zu dem umliegenden Gewebe eine unterschiedliche Schwächungseigenschaft auf, so dass ein signifikanter Kontrast zwischen dem Untersuchungsobjekt und der Umgebung in dem Bild erzeugt wird.
• Die Ausbreitung des Kontrastmittels in dem Körper des Patienten ist ein hochdynamischer Prozess. Die Konzentration des Kontrastmittels in dem Untersuchungsobjekt steigt nach einer gewissen Zeitverzögerung zunächst steil an, erreicht ein Maximum und fällt anschließend wieder ab. Damit die Datenerfassung zu einem richtigen Zeitpunkt, nämlich zum Zeitpunkt einer maximalen Konzentration des Kontrastmittels in dem Untersuchungsobjekt, erfolgt, wird zu Beginn jeder Untersuchung zunächst eine Voruntersuchung mit einer geringen Menge des Kontrastmittels (Testbolus) mit dem Ziel durchgeführt, den zeitlichen Verlauf der Kontrastmittelkonzentration bzw. die Kontrastmittelkurve zu ermitteln.
• Dabei werden Messdaten zu einer Abfolge von Aufnahmezeitpunkten erfasst, wobei aus den Messdaten zu jedem der Aufnahmezeitpunkte ein erstes Bild rekonstruiert wird, aus denen ein zeitlicher Verlauf einer Konzentration des Kontrastmittels ermittelt wird.
• Bei Cardio-CT-Untersuchungen werden Messdaten beispielsweise im oberen Herzbereich der aufsteigenden Aorta in einem fest vorgegebenen Zeitintervall, beispielsweise im Einsekundentakt, erfasst. Aus den Messdaten wird zu jedem Aufnahmezeitpunkt ein Schichtbild rekonstruiert. Der zeitliche Verlauf der Kontrastmittelkonzentration wird anschließend aus dem Verlauf der Schwächungswerte aus einer in den Schichtbildern positionierten ROI im Bereich der Aorta ermittelt. Die Anzahl der notwendigen Abtastungen hängt individuell vom Patienten ab und variiert zwischen 3 und 15.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die Voraussetzungen für eine verbesserte Abtastung eines zyklisch bewegten Untersuchungsobjektes unter Einsatz eines Kontrastmittels mittels eines CT-Gerätes zu schaffen.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruch 1, sowie durch ein CT-Gerät, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt mit Merkmalen von nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weitergestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein Verfahren, welches im Rahmen einer Voruntersuchung mittels eines CT-Gerätes zur Abtastung eines zyklisch bewegten Untersuchungsobjektes unter Einsatz eines Kontrastmittels durchgeführt wird. Dabei werden Messdaten zu einer Abfolge von Aufnahmezeitpunkten erfasst, wobei aus den Messdaten zu jedem der Aufnahmezeitpunkte ein erstes Bild rekonstruiert wird. Aus den ersten Bildern wird ein zeitlicher Verlauf einer Konzentration des Kontrastmittels ermittelt. Die Aufnahmezeitpunkte werden erfindungsgemäß zur Erfassung jeweils einer bestimmten Phasenlage der Bewegung zusätzlich mit einem Bewegungssignal des Untersuchungsobjektes synchronisiert. Weiterhin wird zu jedem der Aufnahmezeitpunkte aus den Messdaten ein zweites Bild mit einem geringen zeitlichen Versatz zu dem ersten Bild rekonstruiert, wobei durch Vergleich des ersten Bildes mit dem zweiten Bild für jeden der Aufnahmezeitpunkte eine Bewegungskurve ermittelt wird, welche einen zeitlichen Verlauf einer Intensität der zyklischen Bewegung repräsentiert. Als Untersuchungsobjekt wird beispielsweise ein Herz oder eine Lunge und als Bewegungssignal ein EKG-Signal oder ein Atemsignal verwendet.
• Aus der durch die Verwendung von Kontrastmittel zwingend erforderlichen Voruntersuchung wird also nicht wie bislang nur der zeitliche Verlauf der Kontrastmittelkonzentration, sondern zusätzlich auch die Information über die Intensität der Bewegung korreliert zum Bewegungssignal ermittelt. Der zeitliche Verlauf der Intensität der Bewegung über einen Zyklus ist durch die Bewegungskurve angegeben. Aus dieser Bewegungskurve sind anschließend Abtastzeitpunkte zu Ruhephasen der zyklischen Bewegung in verbesserter Form bestimmbar. Somit lassen sich Bilder von hoher Qualität rekonstruieren, die nahezu keine Bewegungsartefakte aufweisen. Bei der Auswahl der richtigen Abtastzeitpunkte wird also nicht mehr die Erfahrung eines Arztes benötigt, so dass auch weniger geübte Anwender die Untersuchung durchführen können.
• Die Erfinder haben insbesondere erkannt, dass die Zusatzinformation über die Bewegung des Untersuchungsobjektes durch geringfügige Anpassung des zur Voruntersuchung verwendeten Scanprotokolls möglich ist. Die Abtastzeitpunkte werden nämlich nicht wie bislang in einem fest eingestellten Zeitintervall beabstandet angeordnet. Sie werden erfindungsgemäß mit dem Bewegungssignal synchronisiert. Wie eingangs erwähnt, wird dabei beispielsweise eine R-Zacke des EKG-Signals als Trigger dafür benutzt, um die Abtastung mit einer durch den Aufnahmezeitpunkt vorgegeben Verzögerung zu starten. Der Aufnahmezeitpunkt ist die Zeitspanne zwischen der registrierten R-Zacke und dem Start der Erfassung von Messdaten innerhalb des folgenden Zyklus der Bewegung. Er kann wahlweise in Relation zur ermittelten RR-Intervalldauer, z. B. in Prozent, aber auch in Zeiteinheiten, angegeben werden. Darüber hinaus werden die Aufnahmezeitpunkte innerhalb eines Zyklus so platziert, dass unterschiedliche Phasenlagen der Bewegung erfasst werden. Bewegungen äußern sich in Verschiebungen des Untersuchungsobjektes in den Bildern. Daher werden zu jedem Aufnahmezeitpunkt so viele Messdaten gesammelt, dass eine Rekonstruktion eines zweiten Bildes mit geringem zeitlichem Abstand zu dem ersten Bild möglich ist, wobei aus einem Vergleich der so gewonnenen Bilder die Bewegungsinformation gewonnen wird. Die Zusatzinformation über die Bewegung ist also mit minimal zusätzlicher Dosis im Rahmen der Voruntersuchung erzeugbar.
• In Ausgestaltung der Erfindung werden die Aufnahmezeitpunkte so gewählt, dass die erfassten Phasenlagen zu jedem betrachteten Zeitpunkt möglichst äquidistant über einen Zyklus der Bewegung verteilt angeordnet sind. Die Messdaten sollen also den gesamten Bereich zwischen 0% und 100% der Zyklusdauer gleichmäßig abdecken. Es ist also nicht sinnvoll, dass die Abfolge bei 0% beginnt und jeweils um einen festen Prozentsatz, beispielsweise von 5%, inkrementiert wird, da a priori die Anzahl der Abtastungen nicht festlegt und somit das optimale Inkrement zur gleichmäßigen Abdeckung nicht bestimmt werden kann.
• Vorteilhaft ist, die die Abfolge der Aufnahmezeitpunkte aus einer „Van der Corput”-Abfolge zur Basis Zwei bestimmt wird. Diese Abfolge füllt ein vorgegebenes Intervall zu jedem Zeitpunkt möglichst gleichmäßig auf und erlaubt eine beinahe äquidistante Abtastung.
• In Weiterbildung der Erfindung wird zu jedem Aufnahmezeitpunkt ein Bewegungsmesswert aus einer Differenz zwischen dem ersten Bild und dem zweiten Bild als Maß für die Intensität der zyklischen Bewegung ermittelt. Dabei werden korrespondierende Bilddaten des ersten und des zweiten Bildes bildpunktweise voneinander subtrahiert. Durch Summation der Absolutwerte der so gebildeten Differenzen und durch Normierung des Summenwertes in Bezug zur Anzahl der Bildpunkte und optional durch eine weitere Normierung auf das beobachtete Maximum der so normierten Summenwerte, ergibt sich zu jedem Aufnahmezeitpunkt ein Wert, welcher ein Maß für die Bewegung des Untersuchungsobjektes ist.
• In Ausgestaltung der Erfindung wird die Bewegungskurve durch Approximation einer Modellfunktion an die ermittelten Bewegungsmesswerte zu den Aufnahmezeitpunkten bestimmt. Die Modellfunktion enthält dabei a priori Wissen über den Bewegungsverlauf, so dass sich die Bewegungskurve mit einer geringen Anzahl von Stützstellen ermitteln lässt, wobei jede Stützstelle aus dem Wertepaar Aufnahmezeitpunkt und Intensitätswert der Bewegung gebildet wird. Die Approximation erfolgt dabei vorteilhaft unter Einsatz eines Chi-Quadrat-Fits basierend auf der Methode der kleinsten Quadrate.
• Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird zumindest ein zu einem lokalen Minimum der Bewegungskurve korrespondierender Abtastzeitpunkt geringer Bewegung des Untersuchungsobjektes ermittelt. Für diesen Abtastzeitpunkt sind die Bewegungsartefakte im rekonstruierten Bild am geringsten.
• Für diesen Abtastzeitpunkt wird vorzugsweise ein Signifikanzwert ermittelt, welcher ein Wahrscheinlichkeitsmaß für ein Eintreten des Minimums repräsentiert. Auf Basis dieser Information kann die Größe des Datenintervalls zur Erfassung von Messdaten an den Abtastzeitpunkten festgelegt werden. Ist bei vorliegender geringer Wahrscheinlichkeit das Risiko hoch, dass das Minimum der Bewegung bzw. die Ruhephase der zyklischen Bewegung nicht getroffen wird, kann das Datenintervall, welches dem Zeitintervall entspricht, aus den Messdaten gesammelt werden, so groß gewählt werden, dass eine retrospektive Rekonstruktion des Bildes zur optimalen Phase möglich ist.
• Das erfindungsgemäße CT-Gerät umfasst eine Steuer- und Recheneinheit, welche zur Rekonstruktion von Bildern des Untersuchungsobjektes aus Messdaten dienen. Es umfasst einen Programmspeicher zur Speicherung von Programmcode, wobei hierin – gegebenenfalls unter anderem – Programmcode vorliegt, der geeignet ist, ein Verfahren der oben beschriebenen Art auszuführen. Ferner kann es sonstige Bestandteile enthalten, welche z. B. zur Erfassung von Messdaten benötigt werden.
• Das erfindungsgemäße Computerprogramm verfügt über Programmcode-Mittel, die geeignet sind, das Verfahren der oben beschriebenen Art durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
• 1 in perspektivischer Darstellung ein CT-Gerät mit einem Bildrekonstruktionsbestandteil, welches zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist,
• 2 ein EKG-Signal und ein dazu korrespondierendes Profil einer Bewegungskurve einer Modellfunktion, und
• 3 eine Fehlerfunktion für die Bewegungsmesswerte.
• In 1 ist ein CT-Gerät 3 in Form eines Computertomographiesystems mit einer Bildrekonstruktionseinrichtung 8 dargestellt. In dem Gantrygehäuse befindet sich eine hier nicht gezeichnete geschlossene Gantry, auf der ein erstes Aufnahmesystem 9, 11 umfassend eine erste Röntgenröhre 9 mit einem gegenüberliegend angeordneten ersten Detektor 11. Optional ist in dem hier gezeigten CT-Gerät 3 ein zweites Aufnahmesystem 10, 12 angeordnet, welches um einen Winkel von beispielsweise 90 Grad gegenüber dem ersten Aufnahmesystem 9, 11 versetzt angeordnet ist. Durch das zusätzliche Aufnahmesystem 10, 12 kann eine höhere Zeitauflösung erreicht werden, oder bei der Verwendung unterschiedlicher Röntgenenergiespektren bei den Aufnahmesystemen 9, 11, 10, 12 auch „Dual-Energy”-Untersuchungen durchgeführt werden können.
• Das CT-Gerät 3 verfügt weiterhin über eine Patientenliege 13, auf der ein Patient 14 bei der Untersuchung entlang einer Systemachse 15, auch als z-Achse bezeichnet, in das Messfeld verstellt werden kann, wobei die Abtastung selbst sowohl als reiner Kreisscan ohne Vorschub des Patienten ausschließlich im interessierten Untersuchungsbereich stattfinden kann. Hierbei rotieren die Aufnahmesysteme 9, 11, 10, 12 um den Patienten 14, so dass Projektionsmessdaten aus unterschiedlichen Winkelrichtungen gewonnen werden, die dann zur Rekonstruktion von Bildern, beispielsweise Schicht- oder Volumenbildern, genutzt werden. Bei Abtastung eines Untersuchungsbereiches, welcher größer ist als die z-Abdeckung der Detektoren 10, 12, kann alternativ zu einem Kreisscan ohne Vorschub ein sequentieller Scan durchgeführt werden, bei dem der Patient 14 schrittweise zwischen den einzelnen Scans durch das Messfeld verstellt wird. Zur Abtastung größerer Untersuchungsbereiche werden ebenso Spiralscans durchgeführt, bei denen der Patient 14 während der umlaufenden Abtastung mit der Röntgenstrahlung kontinuierlich entlang der Systemachse 15 durch das Messfeld der Aufnahmesysteme 9, 11, 10, 12 verstellt wird. Durch die Bewegung des Patienten 14 entlang der Systemachse 15 und dem gleichzeitigen Umlauf der Aufnahmesysteme 9, 11, 10, 12 ergibt sich bei einem Spiralscan für die Röntgenröhre 9, 10 bzw. den Detektoren 11, 12 relativ zum Patienten 14 während der Messung eine Helixbahn.
• Gesteuert wird das CT-System 3 durch eine Steuer- und Recheneinheit 6 mit in einem Programmspeicher 7 vorliegendem Computerprogrammcode Prg₁ bis Prg_n. Von der Steuer- und Recheneinheit 6 aus können über eine Steuerschnittstelle 16 Akquisitionssteuersignale übertragen werden, um das CT-System 3 gemäß bestimmter Scanprotokolle anzusteuern.
• Die vom Detektor 11,12 akquirierten Projektionsmessdaten (im Folgenden auch Rohdaten genannt) werden über eine Rohdatenschnittstelle 17 an die Steuer- und Recheneinheit 6 übergeben. Diese Rohdaten werden dann, gegebenenfalls nach einer geeigneten Vorverarbeitung, in der Bildrekonstruktionseinrichtung 8 weiterverarbeitet. Die Bildrekonstruktionseinrichtung 8 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel den Programmspeicher 7, in welchem auf einem Prozessor der Bildrekonstruktionseinrichtung 8 ausführbarer Programmcode Prg₁ bis Prg_n gespeichert ist. Die von der Bildrekonstruktionseinrichtung 8 rekonstruierten Bilddaten werden dann in einem Speicher 18 der Steuer- und Recheneinheit 6 hinterlegt und/oder in üblicher Weise auf dem Bildschirm 19 der Steuer- und Recheneinheit 6 ausgegeben. Sie können auch über eine in 1 nicht dargestellte Schnittstelle in ein an das CT-System 3 angeschlossenes Netz, beispielsweise ein radiologisches Informationssystem (RIS), einspeist und in einem dort zugänglichen Massenspeicher hinterlegt oder als Bilder ausgegeben werden.
• Die Steuer- und Recheinheit 6 erfüllt zusätzlich die Funktion eines EKGs, wobei eine Leitung 20 zur Ableitung der EKG-Potenziale zwischen Patient 14 und Steuer- und Recheneinheit 6 verwendet wird. Zusätzlich verfügt das in der 1 gezeigte CT-System 3 auch über ein Kontrastmittelgerät 21, über das zusätzlich Kontrastmittel 2 in den Blutkreislauf des Patienten 14 injiziert werden kann, so dass sich die Gefäße und die mit ihnen verbundenen Organe des Patienten, insbesondere die Herzkammern des schlagenden Herzens 1, mit einem höheren Kontrast im Bild darstellen. Das Kontrastmittel 2 kann auf diese Weise in automatisierter Form zeitgesteuert aus einem Vorratsbehälter 22 über einen Kontrastmittelschlauch 23 in einer einstellbaren Menge und mit einer einstellbaren Flussgeschwindigkeit in eine Vene des Patienten 14 gepumpt werden. Durch eine elektrische Verbindung 24 zwischen der Steuer- und Recheneinheit 6 und dem Kontrastmittelgerät 21 sind die Parameter zur Kontrastmittelvergabe von der Steuer- und Recheneinheit 6 vorgebbar. Außerdem besteht hiermit auch die Möglichkeit, Perfusionsmessungen durchzuführen, für die sich das vorgeschlagene Verfahren ebenfalls eignet.
• Die Ausbreitung des Kontrastmittels 2 im Körperinneren ist ein hochdynamischer Prozess. Das in den Patienten 14 eingebrachte Kontrastmittel 2 durchläuft den Blutkreislauf und erreicht erst nach einer gewissen Zeit den Untersuchungsbereich. Bei Erreichen des Untersuchungsbereichs steigt die Konzentration des Kontrastmittels 2 dann zunächst steil an, durchläuft ein Maximum und fällt anschließend wieder ab. Wird bei einer Untersuchung Kontrastmittel 2 eingesetzt, muss daher der zeitliche Verlauf der Kontrastmittelkonzentration in dem Untersuchungsobjekt 1 im Vorfeld der Untersuchung im Rahmen einer Voruntersuchung zunächst ermittelt werden, damit die Abtastung zu einem Zeitpunkt erfolgt, bei dem die Konzentration und somit der im Bild erzeugte Kontrast maximal ist.
• Bei zyklisch bewegten oder von einer zyklischen Bewegung beeinflussten Untersuchungsobjekten 1 oder Teilen davon muss darüber hinaus die Erfassung von Messdaten zur Vermeidung von Bewegungsartefakten im rekonstruierten Bild mit einem Bewegungssignal 4 synchronisiert werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden anhand des Herzens 1 als Untersuchungsobjekt beschrieben. Es ist selbstverständlich auch für die Lunge, Teile dieser Untersuchungsobjekte aber auch für Untersuchungsbereiche einsetzbar, welche lediglich von einer zyklischen Bewegung beeinflusst werden.
• Eine besondere Schwierigkeit besteht insbesondere darin, die in der 2 gezeigten Abtastzeitpunkte T₁, T₂ innerhalb eines Herzzyklus T_RR zu identifizieren, bei dem die Bewegung des Herzen 1 minimal ist bzw. bei dem sich das Herz 1 in einer systolischen bzw. diastolischen Ruhephase befindet.
• Beide Informationen, die Information über den zeitlichen Verlauf der Kontrastmittelkonzentration zur Identifizierung einer Startzeit für die Abtastung des Herzens 1 und die Information über den zeitlichen Verlauf der Intensität der Herzbewegung zur Identifizierung der systolischen oder diastolischen Ruhephase werden in einer Voruntersuchung ermittelt, deren Ablauf durch ein auf der Steuer- und Rechnereinheit 6 gespeichertes Voruntersuchungsprotokoll vorgegeben ist.
• In dem Voruntersuchungsprotokoll sind folgende, nicht abschließend aufgezählte Informationen in Form von Scanparametern hinterlegt:
  Abtastposition: Die Abtastposition, an der die Voruntersuchung erfolgt, vorzugsweise im oberen Herzbereich an der aufsteigenden Aorta.
• Abfolge der Aufnahmezeitpunkte: Die Aufnahmezeitpunkte S₁–S₈ werden in Relation zur Herzzyklusdauer T_RR angegeben und über den gesamten Bereich des Herzzyklus zur Abtastungen unterschiedlicher Phasenlagen P₁–P₈ der Bewegung zwischen 0% und 100% gleichmäßig verteilt angeordnet, wobei die Abfolge so gewählt ist, dass zu jedem Zeitpunkt die Aufnahmezeitpunkte S₁–S₈ möglichst äquidistant zueinander im Herzzyklus angeordnet sind. Die Abfolge kann beispielsweise mittels einer sogenannten „Van der Corput”-Sequenz nach der folgenden Vorschrift errechnet werden: S(K) = modulus(100 – 100·V₂(K), 100), mit

V2

= „Van der Corput”-Sequenz zur Basis 2,

K

= Anzahl der Aufnahmezeitpunkte,

S

= Abfolge der Aufnahmezeitpunkte S₁–S_K in Prozent bezogen auf eine Herzzyklusdauer T_RR.

• Abfolgen für K = 8 und K = 15 sehen beispielsweise wie folgt aus: S(8) = [0, 50, 75, 25, 87.5, 37.5, 62.5, 12.5] S(15) = [0, 50, 75, 25, 87.5, 37.5, 62.5, 12.5, 93.75, 43.75, 68.75, 18.75, 81.25, 31.25, 56.25]
• Mit einer solchen Abfolge wird insbesondere der Vorteil erzielt, dass bei der von Voruntersuchung zu Voruntersuchung stark variierenden Gesamtzahl der notwendigen Abtastungen in jedem Fall Messdaten zu äquidistant beabstandeten Phasenlagen P₁–P₈ vorliegen.
• ROI: Die ROI repräsentiert den Bildbereich innerhalb eines Schichtbildes, innerhalb dessen Bilddaten bzw. Schwächungswerte zur Ermittlung der Dynamik des Kontrastmittels 2 gemessen werden.
• Die 2 zeigt im unteren Bereich ein Bewegungssignal 4 in Form eines EKG-Signals und darüber als Ergebnis einer Approximation eine Bewegungskurve 5 gezeigt, mit der ein zeitliches Profil der Intensität der Herzbewegung repräsentiert wird.
• Der Pegel eines EKG-Signals 4 ist über die Zeit t aufgetragen. Das EKG-Signal 4 veranschaulicht die periodische Bewegung des Herzens 1 des Patienten 14, wobei der Beginn eines Herzzyklus jeweils durch eine R-Zacke R und die Dauer des jeweiligen Herzzyklus durch das RR-Intervall T_RR, d. h. den Abstand der den jeweiligen Herzzyklus einleitenden R-Zacke R von der den folgenden Herzzyklus einleitenden R-Zacke R, bestimmt ist. Eine Herzphase startet bei einer R-Zacke R bei 0% und endet bei der nächsten R-Zacke R bei 100%. Eine Umrechung zwischen der Dimension der Zeit, so wie beim EKG-Signal 4 aufgetragen, und der Herzphase, so wie bei der Bewegungskurve 4 aufgetragen, ist jederzeit möglich.
• Aufnahmezeitpunkte sind mit S_i bezeichnet, wobei der Laufindex i Werte zwischen 1 und 8 annimmt und den Herzzyklus kennzeichnet, in dem die Abtastung zu dem entsprechenden Aufnahmezeitpunkt erfolgt. Obwohl zu jedem Herzzyklus somit jeweils nur zu einem Aufnahmezeitpunkt Messdaten erfasst werden, ist die ganze Abfolge von insgesamt acht Aufnahmezeitpunkten S₁–S₈ zur Verdeutlichung der Abtastung unterschiedlicher Phasenlagen P₁–P₈ eingezeichnet. Eine registrierte R-Zacke dient zur Triggerung der Aufnahmezeitpunkte S₁–S₈. Die Aufnahmezeitpunkte S₁–S₈ repräsentieren also Zeitspannen, nach denen die Abtastung gemessen von der R-Zacke verzögert gestartet wird. Eine Triggerung sollte so erfolgen, dass eine Pause von mindestens 0,8 Sekunden zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastungen vorliegt. Die zeitliche Variation der Abtastpulse bedingt durch die Synchronisation der Abtastung mit dem EKG-Signal 4 hat gegenüber einem festen Abstand von einer Sekunde für die Auswertung des Kontrastmittelflusses keinen signifikanten Einfluss. Der erste Aufnahmezeitpunkt S₁ wird zur Phasenlage P₁ bei 0%, also unmittelbar bei registrierter R-Zacke durchgeführt. An dieser Stelle wird die maximale Intensität der Bewegung des Herzens 1 erwartet.
• Die zu den Aufnahmezeitpunkten S₁–S₈ ermittelten Bewegungsmesswerte entsprechen Intensitäten der Herzbewegung und sind mit I₁–I₈ in dem oberen Diagramm der 2 bezeichnet. Eingezeichnet ist zudem die Bewegungskurve 5, welche auf Basis der gemessenen Bewegungsmesswerten I₁–I₈ bestimmt wird.
• Die Bewegungsmesswerte I₁–I₈ werden wie folgt berechnet: Zu jedem Aufnahmezeitpunkt S₁–S₈ werden so viel Messdaten gesammelt, dass insgesamt zwei Bilder mit geringem zeitlichen Versatz, beispielsweise in einem Abstand von 25 ms, rekonstruiert werden können. Die Differenz der beiden Bilder ist dabei ein Maß für die Bewegung des Herzens 1. Zur Differenzbildung werden die Absolutwerte der Differenzen aus korrespondierenden Bildelementen der beiden Bilder aufsummiert. Dieser Summenwert wird anschließend durch die Gesamtzahl der Bildelemente des Bildes bzw. der Summanden geteilt und gibt somit einen Mittelwert der Abweichung der Bilddaten pro Pixel an. Selbstverständlich kann bei der Differenzbild nicht das gesamte Bild, sondern auch nur ein für die Bewegungserfassung relevanter Bildausschnitt berücksichtigt werden. Die untere Grenze für den Mittelwert ist bei vollständig identischen Bildern Null. Eine obere Grenze hängt von der tatsächlich gemessenen Herzbewegung bzw. von der Phasenlage P₁–P₈ der Herzbewegung zum Aufnahmezeitpunkt S₁–S₈ ab und wird auch von der Lage der Abtastposition in z-Richtung in Bezug zum Herzen 1 beeinflusst. Für starke Herzbewegungen sind typischerweise Mittelwerte zwischen 40 HU (Hounsfield Units) und 60 HU zu erwarten. Die errechneten Mittelwerte werden auf den Mittelwert zur Phasenlage P₁ bei 0% normiert, da dort die maximale Bewegung und daher der maximale Mittelwert vorliegen. Die so normierten Mittelwerte entsprechen den zur Bestimmung der Bewegungskurve 5 verwendeten Bewegungsmesswerten I₁–I₈. Die gemessenen Intensitätswerte nehmen somit Werte zwischen 0 und 1 an.
• Die Anzahl der Aufnahmezeitpunkte und damit die Anzahl der Stützstellen zur Bestimmung der Bewegungskurve 5 können bei sehr früher voller Kontrastierung möglicherweise sehr kleinsein. Daher ist es sinnvoll, a priori Wissen über den Verlauf der Intensität der Herzbewegung und über eine sinnvolle Wahl der Aufnahmezeitpunkte S₁–S₈ zur Abtastung unterschiedlicher Phasenlagen P₁–P₈ mit einfließen zu lassen, so dass auch für beispielsweise weniger als fünf Aufnahmezeitpunkte verwertbare Ergebnisse erzielt werden.
• Die optimalen Abtastzeitpunkte T₁, T₂ bzw. die optimalen Phasenlagen für die Abtastung des Herzens in einer folgenden Hauptuntersuchung werden mit Hilfe eines Chi-Quadrat-Fits basierend auf der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt. Als Basis des Fits wird eine Modellfunktion als Ausgangsbewegungskurve verwendet, welche den erwarteten zeitlichen Verlauf der Intensitäten der Bewegung beschreibt. Die Modellfunktion weist zwei Minima, nämlich das systolische 25 und das diastolische Minimum 26 auf. Als Voreinstellung werden das systolische Minimum 25 bei der Phasenlage 30% und das diastolische Minimum 26 bei der Phasenlage 70% gesetzt. Bei der Fit-Prozedur handelt es sich um ein Approximationsverfahren, bei dem eine Fit-Kurve ausgehend von der Modellfunktion mit möglichst geringem Fehler an die gemessenen Bewegungsmesswerte I₁–I₈ angenähert wird. Der Fehler 27 der theoretischen Bewegungsmesswerte ist künstlich auf 0,1 festgelegt. In dem oberen Diagramm in 2 ist dieser Sachverhalt illustriert. Um nun zu vermeiden, dass eine Messreihe an einer falschen Z-Position (an der keine Bewegung sichtbar ist) zu völlig zufälligen Ergebnissen in den ermittelten Ruhephasen bzw. Abtastzeitpunkten T₁ und T₂ führt, wird den Bewegungsmesswerten I₁–I₈ ein Messfehler basierend auf der gemessenen Bewegung bei der Phasenlage 0% zugewiesen. In der 3 ist eine entsprechende Fehlerfunktion 28 abgebildet. Der Chi-Quadrat-Fit wird nun basierend auf den theoretischen Bewegungsmesswerten der Modellfunktion und den gemessenen Bewegungsmesswerten I₁–I₈ durchgeführt. Als Ergebnis der Approximation ergibt sich als Bewegungskurve 5 die Fit-Kurve, aus der sich die systolische und die diastolische Ruhephasen 25, 26 zusammen mit den Signifikanzwerten ermitteln lassen.
• Es sei erwähnt, dass anstelle des hier beschriebenen CT-Gerätes 3 in Form eines Computertomographiegerätes selbstverständlich auch ein C-Bogen-Gerät eingesetzt werden kann.
• Zusammenfassend kann Folgendes gesagt werden:
  Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtastung eines zyklisch bewegten Untersuchungsobjektes 1 unter Einsatz eines Kontrastmittels 2 im Rahmen einer Voruntersuchung mittels eines CT-Gerätes 3, bei welchem Messdaten zu einer Abfolge von Aufnahmezeitpunkten S₁–S₈ erfasst werden, und bei welchem aus den Messdaten zu jedem der Aufnahmezeitpunkte S₁–S₈ ein erstes Bild rekonstruiert wird, aus denen ein zeitlicher Verlauf einer Konzentration des Kontrastmittels 2 ermittelt wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Aufnahmezeitpunkte S₁–S₈ zur Erfassung jeweils einer bestimmten Phasenlage P₁–P₈ der Bewegung mit einem Bewegungssignal 4 des Untersuchungsobjektes 1 synchronisiert werden, wobei zu jedem der Aufnahmezeitpunkte S₁–S₈ aus den Messdaten ein zweites Bild mit einem geringen zeitlichen Versatz zu dem ersten Bild rekonstruiert wird, und wobei durch Vergleich des ersten Bildes mit dem zweiten Bild für jeden der Aufnahmezeitpunkte S₁–S₈ eine Bewegungskurve 5 ermittelt wird, welche einen zeitlichen Verlauf einer Intensität der zyklischen Bewegung repräsentiert. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass aus der zwingend erforderlichen Voruntersuchung auch Bewegungsinformationen bei minimal erhöhter Dosis gewonnen werden. Die Erfindung betrifft außerdem ein entsprechendes CT-Gerät 3 und ein Computerprogramm.

Claims (11)

1. Verfahren zur Abtastung eines zyklisch bewegten Untersuchungsobjektes (1) unter Einsatz eines Kontrastmittels (2) im Rahmen einer Voruntersuchung mittels eines CT-Gerätes (3), bei welchem Messdaten zu einer Abfolge von Aufnahmezeitpunkten (S₁–S₈) erfasst werden, und bei welchem aus den Messdaten zu jedem der Aufnahmezeitpunkte (S₁–S₈) ein erstes Bild rekonstruiert wird, aus denen ein zeitlicher Verlauf einer Konzentration des Kontrastmittels (2) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmezeitpunkte (S₁–S₈) zur Erfassung jeweils einer bestimmten Phasenlage (P₁–P₈) der Bewegung mit einem Bewegungssignal (4) des Untersuchungsobjektes (1) synchronisiert werden, wobei zu jedem der Aufnahmezeitpunkte (S₁–S₈) aus den Messdaten ein zweites Bild mit einem geringen zeitlichen Versatz zu dem ersten Bild rekonstruiert wird, und wobei durch Vergleich des ersten Bildes mit dem zweiten Bild für jeden der Aufnahmezeitpunkte (S₁–S₈) eine Bewegungskurve (5) ermittelt wird, welche einen zeitlichen Verlauf einer Intensität der zyklischen Bewegung repräsentiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abfolge der Aufnahmezeitpunkte (S₁–S₈) so gewählt wird, dass die erfassten Phasenlagen (P₁–P₈) zu jedem betrachteten Zeitpunkt (S₁–S₈) möglichst äquidistant über einen Zyklus der Bewegung verteilt angeordnet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abfolge der Aufnahmezeitpunkte (S₁–S₈) aus einer „Van der Corput”-Abfolge zur Basis Zwei errechnet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zu jedem Aufnahmezeitpunkt (S₁–S₈) ein Bewegungsmesswert (I₁–I₈) aus einer Differenz zwischen dem ersten Bild und dem zweiten Bild als Maß für die Intensität der zyklischen Bewegung ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Bewegungskurve (5) durch Approximation einer Modellfunktion an die ermittelten Bewegungsmesswerte (I₁–I₈) zu den Aufnahmezeitpunkten (S₁–S₈) bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Approximation unter Einsatz eines Chi-Quadrat-Fits basierend auf der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zumindest ein zu einem lokalen Minimum der Bewegungskurve (5) korrespondierender Abtastzeitpunkt (T₁, T₂) geringer Bewegung des Untersuchungsobjektes (1) ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei für den Abtastzeitpunkt (T₁, T₂) ein Signifikanzwert ermittelt wird, welcher ein Wahrscheinlichkeitsmaß für ein Eintreten des Minimums repräsentiert.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei als Untersuchungsobjekt (1) ein Herz oder eine Lunge und als Bewegungssignal (4) ein EKG-Signal oder ein Atemsignal verwendet wird.
10. CT-Gerät mit einer Steuer- und Recheneinheit (6) zur Abtastung eines zyklisch bewegten Untersuchungsobjektes (1) unter Einsatz eines Kontrastmittels (2) im Rahmen einer Voruntersuchung, enthaltend einen Programmspeicher (7) zur Speicherung von Programmcode (Prg₁–Prg_n), wobei der in dem Programmspeicher (7) vorliegende Programmcode (Prg₁–Prg_n) zur Ausführung eines Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 konfiguriert ist.
11. Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen, wenn der Programmcode (Prg₁–Prg_n) auf einem Computer ausgeführt wird.

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