DE102010006981A1 - Verfahren und bildgebende medizinische Einrichtung zum Erzeugen einer Vielzahl von zeitlich nacheinander von einem durch eine Atembewegung ortsveränderlichen Untersuchungsbereich eines Patenten aufgenommenen Bildern - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren und einer bildgebende medizinische Einrichtung zum Erzeugen einer Vielzahl von mit einem medizinischen Bildgebungssystem unter verschiedenen Aufnahmepositionen von einem durch eine Atembewegung ortsveränderlichen Untersuchungsbereich eines Patienten (16) während eines mehrere Atemzyklen (Z) umfassenden Aufnahmezeitraums zeitlich nacheinander aufgenommenen Bildern, wird aus einem bis zu einem Zeitpunkt (t) gemessenen zeitlichen Verlauf einer eine Mehrzahl von Atemzyklen (Z) umfassenden Atemkurve (R) der nach diesem Zeitpunkt (t) erwartete zeitliche Verlauf der Atemkurve (Rc) abgeleitet, und es wird auf der Grundlage der auf diese Weise abgeleiteten Atemkurve (Rc) die Bewegungsgeschwindigkeit des Bildgebungssystems zwischen den unterschiedlichen Aufnahmepositionen gesteuert.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen einer Vielzahl von zeitlich nacheinander von einem durch eine Atembewegung ortsveränderlichen Untersuchungsbereich eines Patienten aufgenommenen Bildern. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine nach diesem Verfahren arbeitende bildgebende medizinische Einrichtung.
• Bei der medizinischen Bildgebung ist es in einer Vielzahl von Anwendungsfällen erforderlich, in kurzen Zeitabständen nacheinander eine Vielzahl von Bildern von einem Untersuchungsbereich eines Patienten unter verschiedenen Aufnahmepositionen aufzunehmen und in Beziehung zueinander zu setzen. Dies ist beispielsweise der Fall bei der Erzeugung eines 3D-Bildes aus einer Mehrzahl von zeitlich nacheinander mit einem rotierenden C-Bogen-Röntgengerät aufgenommenen 2D-Projektionsbildern. Dabei kann es jedoch vorkommen, dass der Untersuchungsbereich durch eine während der Gesamtdauer der Rotationsbewegung des C-Bogens, d. h. während des Aufnahmezeitraums mehrere Atemzyklen umfassende Atembewegung des Patienten seine Lage im Raum zwischen den einzelnen Aufnahmen verändert.
• Um den Einfluss der Atembewegung auf das rekonstruierte 3D-Bild zu minimieren, ist es grundsätzlich bekannt, bei narkotisierten Patienten die Atmung während der Aufnahme der 2D-Projektionsbilder nach vorheriger Oxigenisierung abzustellen. Dies ist gängige Praxis im Operationssaal und liefert auch entsprechend zufriedenstellende Ergebnisse. Bei nicht narkotisierten Patienten ist es bekannt, die Atembewegung beispielsweise durch einen Atemgürtel zu erfassen und die Aufnahme der Röntgenbilder jeweils zu einem Zeitpunkt durchzuführen, in dem ein Atemsignal einen vorher festgelegten Schwellwert erreicht. Zwischen den einzelnen Aufnahmen bewegt sich dabei der C-Bogen mit konstanter Rotations- oder Winkelgeschwindigkeit, so dass eine unregelmäßige Atembewegung dazu führt, dass der Winkelabstand zwischen den einzelnen zeitlich nacheinander aufgenommenen 2D-Projektionsbildern nicht gleich ist. Eine derartige nicht äquidistante Abtastung erschwert jedoch die nachträgliche Rekonstruktion eines 3D-Bildes.
• Um eine äquidistante Abtastung zu erzielen, wäre es grundsätzlich möglich, den C-Bogen diskontinuierlich in äquidistanten Schritten weiterzubewegen und bei ruhendem C-Bogen die Aufnahmen jeweils bei Erreichen des Schwellwertes vorzunehmen.
• Alternativ hierzu ist es bekannt, die räumliche Bewegung des Untersuchungsbereiches beispielsweise mit einem Positionserfassungssystem zu messen und in der Rekonstruktion des 3D-Bildes zu berücksichtigen.
• Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den C-Bogen mit konstanter Winkelgeschwindigkeit zu bewegen und in äquidistanten Winkelschritten 2D-Projektionsbilder bei gleichzeitig erfolgender Messung und Aufzeichnung der Atembewegung aufzunehmen. Auf dies Weise kann jedem aufgenommenen 2D-Projektionsbild ein Punkt in der Atemkurve zugeordnet werden.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen einer Vielzahl von mit einem medizinischen Bildgebungssystem unter verschiedenen Aufnahmepositionen von einem durch eine Atembewegung ortsveränderlichen Untersuchungsbereich eines Patienten während eines mehrere Atemzyklen umfassenden Aufnahmezeitraums zeitlich nacheinander aufgenommenen Bildern anzugeben, mit dem es auf einfache Weise möglich ist, die Bilder räumlich zueinander in Beziehung zu setzen. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine mit diesem Verfahren arbeitende bildgebende medizinische Einrichtung anzugeben.
• Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen wird aus einem bis zu einem Zeitpunkt gemessenen zeitlichen Verlauf einer eine Mehrzahl von Atemzyklen umfassenden Atemkurve der nach diesem Zeitpunkt erwartete zeitliche Verlauf der Atemkurve abgeleitet, und es wird auf der Grundlage der auf diese Weise abgeleiteten Atemkurve die Bewegungsgeschwindigkeit des Bildgebungssystems zwischen den unterschiedlichen Aufnahmepositionen gesteuert.
• „ableiten” im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine mit mathematischen Methoden vorgenommene Prognose oder Schätzung zu verstehen als eines Kurvenverlaufs oder einer Zeitreihe auf der Grundlage vorheriger Messwerte.
• Durch eine derartige Prädiktion der Atemkurve ist es möglich, die Bewegungsgeschwindigkeit des Bildgebungssystem vorausschauend derart zu steuern, dass nacheinander vorgegebene Aufnahmepositionen erreicht und die Aufnahmen in vorgegebenen Phasen der Atmung erzeugt werden können.
• In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Bilder ausschließlich während eines innerhalb eines Atemzyklus liegenden Messzyklus aufgenommen, wobei die Messzyklen durch Messpausen voneinander getrennt sind. Dadurch ist es möglich, die Aufnahmen ausschließlich in einer Phase der Atembewegung zu erzeugen, in der die durch die Atmung verursachte Bewegung des Untersuchungsbereiches minimal ist. Dies ist beispielsweise am Ende des Ausatmens der Fall. Auf diese Weise können Bewegungsartefakte auch bei Aufnahmeprozeduren unterdrückt werden, bei denen eine Vielzahl von Bildern innerhalb eines Atemzyklus erzeugt werden müssen.
• Wenn zum Aufnehmen der Bilder ein C-Bogen-Röntgengerät verwendet wird und Aufnahmen in unterschiedlichen Winkelpositionen aufgenommen werden, und die Rotationsgeschwindigkeit des C-Bogens derart gesteuert wird, dass die Winkelschritte zwischen zeitlich aufeinander folgenden Aufnahmen gleich groß sind, ist die Rekonstruktion eines 3D-Bildes aus 2D-Projektionsbildern vereinfacht.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.
• Hinsichtlich der bildgebenden medizinischen Einrichtung wird die genannte Aufgabe gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 7, die sinngemäß den in Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrensmerkmalen entsprechen.
• Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
• 1 eine bildgebende medizinische Einrichtung gemäß der Erfindung in einer schematischen Prinzipdarstellung,
• 2 bis 4 jeweils ein Diagramm, in dem eine gemessene Atemkurve eines Patienten, ein Abschnitt einer abgeleiteten Atemkurve bzw. die Rotationsgeschwindigkeit des C-Bogens jeweils gegen die Zeit aufgetragen sind.
• Gemäß 1 umfasst eine bildgebende medizinische Einrichtung als medizinisches Bildgebungssystem ein C-Bogen-Röntgengerät 2. Bei einem solchen C-Bogen-Röntgengerät 2 sind eine Röntgenquelle 4 und ein Röntgenempfänger 6 einander gegenüberliegend an den Freienden eines C-Bogens 8 angeordnet. Der C-Bogen 8 ist in einer Lagereinheit 10 schwenkbar um eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Achse 12 (Orbitalachse) gelagert. Darüber hinaus ist der C-Bogen 8 schwenkbar um eine dazu senkrechte parallel zur Zeichenebene verlaufende Achse 14 (Angulationsachse) angeordnet. Auf diese Weise können von einem Untersuchungsbereich eines Patienten 16 eine Mehrzahl von 2D-Projektionsbildern unter verschiedenen Aufnahmepositionen, im Beispiel aus unterschiedlichen Richtungen aufgenommen werden, aus denen dann ein 3D-Bild rekonstruiert wird. Dies ist in der Figur durch zwei Winkelpositionen φ₁ und φ₂ des C-Bogens 8 dargestellt, in denen zeitlich nacheinander jeweils eine Röntgenaufnahme angefertigt wird. In der Figur ist der Winkelschritt Δφ zwischen zwei aufeinanderfolgende Röntgenaufnahmen übertrieben eingezeichnet. In der Praxis werden für einen zur Rekonstruktion von 3D-Röntgenbildern bei einem Angulationswinkel durchgeführten 180°-Scan etwa 50 bis 100 Röntgenaufnahmen erzeugt, so dass die Winkelschritte Δφ in der Größenordnung von 1 bis 3° liegen. Der zur Aufnahme aller bei einem vollständigen Orbitalschwenk erzeugten Röntgenbilder benötigte Aufnahmezeitraum liegt dabei in der Größenordnung von 1 min und umfasst daher eine Mehrzahl von Atemzyklen.
• Am Patienten 16 ist eine Einrichtung 18 zum Erfassen des zeitlichen Verlaufes einer Atembewegung des Patienten 16, beispielsweise ein Atemgürtel, angebracht. Eine von dieser Einrichtung 18 aufgenommene Atemkurve R wird einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 20 zugeleitet, dort ausgewertet, und es wird ein Steuersignal S generiert, mit dem die Aufnahmezeitpunkte und die Bewegungsgeschwindigkeit des C-Bogens 8 zwischen den zeitlich nacheinander erfolgenden Aufnahmen gesteuert werden.
• 2 zeigt nun den zeitlichen Verlauf einer gemessenen Atemkurve R des Patienten 16 mit einer Mehrzahl von Atemzyklen Z. Die Maxima entsprechen den Endpunkten des Einatmens und dem jeweiligen Beginn des Ausatmens. Am Ende des Ausatmens erreicht die Atemkurve R ein Minimum und es folgt ein erneuter Anstieg bei Beginn des Einatmens. In der Umgebung der Minima, d. h. in den Tälern der Atemkurve R ist die durch die Atmung verursachte räumliche Verlagerung des Untersuchungsbereiches minimal. Zur Unterdrückung von Bewegungsartefakten ist es deshalb zweckmäßig, die Röntgenaufnahmen ausschließlich in der Umgebung dieser Minima vorzunehmen.
• Vor Beginn der Röntgenaufnahmen und Start des C-Bogens wird nun in einer Analysephase T_a der Verlauf der Atemkurve R über eine Mehrzahl von Atemzyklen Z (im Beispiel ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Zeitraum zwischen dem jeweiligen Beginn des Ausatmens veranschaulicht) gemessen und ausgewertet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden in dieser Analysephase T_a zwei vollständige Atemzyklen Z erfasst. In dieser Analysephase T_a werden einerseits aus dem zeitlichen Verlauf der Atemkurve R ein Schwellwert S₀ für den Beginn und das Ende eines eine Mehrzahl n von Röntgenaufnahmen umfassenden Messzyklus M = M_0,1,2,3... entweder vom Benutzer oder von der Steuer- und Auswerteeinrichtung festgelegt. Die Analysephase T_a endet wenn der Schwellwert S₀ erreicht wird. Zu dem Zeitpunkt t₀, in dem dies der Fall ist, beginnt die Aufnahmeprozedur, deren Gesamtdauer mehrere Atemzyklen Z umfasst, und es beginnt eine Prädiktionsphase T_p, in der ein mit Hilfe statistischer Methoden berechneter erwarteter Verlauf der Atemkurve Rc vorliegt. Dieser wird beispielsweise mit Methoden der Zeitreihenanalyse, insbesondere mit Hilfe eines ARMA-Modells (AutoRegressive Moving Average Model) berechnet und für jeden Zeitpunkt t > t₀ innerhalb der an die Analysephase T_a anschließende Prädiktionsphase T_P auf der Grundlage der vor diesem Zeitpunkt t über zumindest eine Mehrzahl von Atemzyklen Z gemessenen Atemkurve R fortlaufend, d. h. nach jedem neuen Messwert oder jeweils nach einer vorgegebenen Anzahl von neuen Messwerten aktualisiert.
• Der Verlauf der aus der vor dem Zeitpunkt t₀ gemessenen Atemkurve R für t > t₀ prognostizierten oder abgeleiteten Atemkurve Rc ist im Diagramm der 3 gestrichelt dargestellt. 3 zeigt dementsprechend nur den zum Zeitpunkt t₀ prognostizierten Verlauf der abgeleiteten Atemkurve Ac.
• Anhand des Verlaufs der abgeleiteten Atemkurve Rc wird die Zeitdauer eines ersten Messzyklus M₀ abgeleitet. Innerhalb dieses Messzyklus M₀ sollen nun N Röntgenaufnahmen in unterschiedlichen vorgegebenen Aufnahmepositionen, ..., im Beispiel aus unterschiedlichen Winkelpositionen äquidistanten Winkelschritten Δφ aufgenommen, wobei zwischen den Messzyklen M keine Röntgenaufnahme erfolgt. Bei einer typischen Dauer eines Messzyklus M, in der Größenordnung von etwa 3 s und einer angestrebten Gesamtzahl von beispielsweise 110 Röntgenaufnahmen in äquidistanten Winkelschritten Δφ von etwa 1,5° sowie einer Gesamtdauer des Aufnahmezeitraums von etwa 60 s entsprechend etwa 10 Atemzyklen für die Anfertigung aller Röntgenaufnahmen in einem Orbitalschwenk von 180°, müssen innerhalb eines jeden Messzyklus M etwa N = 11 Röntgenaufnahmen vorgenommen werden. Innerhalb eines jeden Messzyklus M muss deshalb der C-Bogen um etwa 15° geschwenkt werden.
• Aufgrund des Verlaufs der abgeleiteten Atemkurve wird der Zeitpunkt t₀ + Δt₀ ermittelt, an dem der Schwellwert S₀ erneut überschritten wird. In dem für den ersten Messzyklus M₀ berechneten Zeitfenster Δt₀ wird nun der C-Bogen auf eine Rotations- oder Winkelgeschwindigkeit w beschleunigt, so dass innerhalb dieses ersten Messzyklus M₀ N Röntgenaufnahmen in den geforderten Winkelschritten Δφ vorgenommen werden können. Am Ende des ersten Messzyklus M₀ wird der C-Bogen abgebremst, so dass er sich bis zum Beginn des nächsten Messzyklus M₁ zum Zeitpunkt t₁ lediglich um denselben Winkelschritt Δφ weiterbewegt, so dass der Winkelschritt zwischen der letzten Röntgenaufnahme des vorhergehenden Messzyklus M und der ersten Röntgenaufnahme des nachfolgenden Messzyklus M den Winkelschritten Δφ zwischen den innerhalb eines Messzyklus M erfolgenden Röntgenaufnahmen entspricht.
• Der zeitliche Verlauf der Rotationsgeschwindigkeit w des C-Bogens ist in 4 dargestellt. Deutlich ist zu erkennen, dass die Rotationsgeschwindigkeit w zwischen den Messzyklen M₀ bis M₃ deutlich niedriger ist als innerhalb dieser Messzyklen M₀ bis M₃ wobei aufgrund der Trägheit des C-Bogens innerhalb der Messzyklen M und zwischen den Messzyklen M keine konstante Geschwindigkeit erzielt werden kann und muss. Wesentlich ist nur, dass der Winkelschritt zwischen jeder Röntgenaufnahme gleich ist. Dies ist in der 4 zu erkennen, bei der zum Beginn der Messzyklen M eine Beschleunigung erfolgt und bereits innerhalb jedes Messzyklus ein Abbremsen eingeleitet wird, wenn erkennbar ist, dass die N-te Aufnahme auch bei verringerter Rotationsgeschwindigkeit w noch innerhalb des Messzyklus erzeugt werden kann. Ebenso kann bereits innerhalb einer zwischen den Messzyklen M liegenden Zeitspanne bereits eine Beschleunigung eingeleitet werden, damit die nächste Röntgenaufnahme (nach Durchlaufen des Winkelschrittes Δφ) innerhalb des folgenden Messzyklus erzeugt wird. Dabei ist es auch nicht zwingend erforderlich, dass in jedem Messzyklus M dieselbe Anzahl von Röntgenbildern aufgenommen werden. Wird beispielsweise ein sehr schmales Tal der Atemkurve prognostiziert, kann es aus Gründen der Gleichmäßigkeit von Beschleunigungs- und Abbremsvorgängen des C-Bogens von Vorteil sein, in dem diesem Tal zugeordneten Messzyklus M eine geringere Anzahl von Röntgenaufnahmen vorzunehmen.
• Der Zeitpunkt t₁ des Beginns des nächsten Messzyklus M₁ kann nun entweder anhand der gemessenen Atemkurve R und des vorher in der Analysephase T_a festgelegten Schwellwertes S₀ ermittelt werden, wobei das Ende dieses Messzyklus M₁ ebenso wie für den vorangegangenen Messzyklus M₀ mit Hilfe der zum Zeitpunkt t₁ aktualisiert vorliegenden abgeleiteten Atemkurve Rc ermittelt wird. Alternativ hierzu ist in den 2 bis 4 eine Situation dargestellt, gemäß der auch der Beginn eines jeden folgenden Messzyklus M_1,2,3,... bei unterschiedlichen Werten S_1,2,3,... der gemessenen Atemkurve R erfolgt. Im Beispiel der 2 beginnt der zweite Messzyklus M₁ zu einem Zeitpunkt t₁ + Δt₁, bei dem der Wert S₁ der gemessenen Atemkurve niedriger ist als der vorher eingestellte Schwellwert S₀. Ursache hierfür ist, dass auf der Grundlage der abgeleiteten Atemkurve Rc eine größere Atemtiefe, d. h. größere Breite des Tals der Atemkurve prognostiziert wird, so dass eine ausreichende Breite Δt₁ des Messzyklus M₁ auch dann erzielt wird, wenn dieser bei einem Wert S₁ beginnt, der kleiner ist als S₀. Dabei wird angestrebt, dass die Zeitfenster Δt_1,2,... eines jeden Messzyklus M_1,2,... etwa annähernd gleich sind. Auf diese Weise kann eine gleichmäßig variierende und deshalb schwingungsarme Rotation des C-Bogens erzielt werden. Wenn außerdem Anfang und Ende eines jeden Messzyklus M_1,2,... bei etwa gleichen Werten der Atemkurve liegen, d. h. R(t_i) ≈ R(t_i + Δt_i) ist, wird erreicht, dass in jedem Messzyklus eine minimale Ortsveränderung des Untersuchungsbereiches stattfindet.
• Die Erfindung ist ohne Einschränkung der Allgemeinheit anhand einer bildgebenden medizinischen Einrichtung erläutert, bei der ein rotierendes C-Bogen-Röntgengerät als Bildgebungssystem verwendet wird. Grundsätzlich ist aber die Erfindung auch bei allen anderen bildgebenden Modalitäten anwendbar, bei denen eine Vielzahl von Bildern aus unterschiedlichen Aufnahmepositionen zueinander in Beziehung gesetzt werden müssen und der Untersuchungsbereich durch Atembewegung zwischen den einzelnen Aufnahmen eine Ortsveränderung erfährt.
• Bezugszeichenliste

2

C-Bogen-Röntgengerät

4

Röntgenquelle

6

Röntgenempfänger

8

C-Bogen

10

Lagereinheit

12

Achse

14

Achse

16

Patient

18

Einrichtung

20

Steuer- und Auswerteeinrichtung

C

Steuersignal

M, M0,1,2,...

Messzyklus

R

Atemkurve

Rc

Atemkurve

S0,1,2...

Schwellwert

Ta...

Analysephase

Tp...

Prädiktionsphase

Z

Atemzyklus

t

Zeit

t0, t1...

Zeitpunkt

w

Rotationsgeschwindigkeit

Δφ

Winkelschritt

Δt0,1,...

Zeitfenster

φ1, φ2

Winkelposition

Claims (8)

1. Verfahren zum Erzeugen einer Vielzahl von mit einem medizinischen Bildgebungssystem unter verschiedenen Aufnahmepositionen von einem durch eine Atembewegung ortsveränderlichen Untersuchungsbereich eines Patienten (16) während eines mehrere Atemzyklen (Z) umfassenden Aufnahmezeitraums zeitlich nacheinander aufgenommenen Bildern, bei dem aus einem bis zu einem Zeitpunkt (t) gemessenen zeitlichen Verlauf einer eine Mehrzahl von Atemzyklen (Z) umfassenden Atemkurve (R) der nach diesem Zeitpunkt (t) erwartete zeitliche Verlauf der Atemkurve (R) abgeleitet wird, und bei dem auf der Grundlage der auf diese Weise abgeleiteten Atemkurve (R_c) die Bewegungsgeschwindigkeit des Bildgebungssystems zwischen den unterschiedlichen Aufnahmepositionen gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Bilder ausschließlich während eines innerhalb eines Atemzyklus (Z) liegenden Messzyklus (M) aufgenommen werden und die Messzyklen (M) durch Messpausen voneinander getrennt sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die abgeleitete Atemkurve (R_c) aus der gemessenen Atemkurve (R) einer Zeitreihenanalyse, insbesondere mit einem ARMA-Modell berechnet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die abgeleitete Atemkurve (R_c) fortlaufend aktualisiert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der zeitliche Verlauf der Atemkurve (R) mit einem Atemgürtel gemessen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zum Aufnehmen der Bilder ein C-Bogen-Röntgengerät (2) verwendet wird und Aufnahmen in unterschiedlichen Winkelpositionen (φ₁, φ₂) aufgenommen werden, und die Rotationsgeschwindigkeit (w) des C-Bogens derart gesteuert wird, dass die Winkelschritte (Δ4) zwischen zeitlich aufeinander folgenden Aufnahmen gleich groß sind.
7. Bildgebende medizinische Einrichtung zum Erzeugen einer Mehrzahl von zeitlich nacheinander von einem Untersuchungsbereich eines Patienten aufgenommenen Bildern, mit einer Einrichtung (18) zum Erfassen des zeitlichen Verlaufes einer Atembewegung des Patienten und mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung (20) mit einer darin implementierten Software zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Bildgebende medizinische Einrichtung nach Anspruch 7, mit einem C-Bogen-Röntgengerät (2) als medizinisches Bildgebungssystem zum Aufnehmen von Röntgenbildern aus unterschiedlichen Winkelpositionen.

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