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Die Erfindung betrifft ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung von Flussgeschwindigkeiten auf Basis von aus wenigstens einer Angiographieaufnahme abgeleiteten Kontrastintensitätskurven.
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Die Blutversorgung kann unter anderem durch Stenosen in Blutgefaßen beeintrachtigt werden. Diese können entweder medikamentös oder durch eine Angioplastie (mit oder ohne Stent) behandelt oder alternativ durch einen Bypass, beispielsweise von Koronarien, umgangen werden.
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Der Erfolg dieser Behandlungen wird üblicherweise am Durchmesser des Gefäßes sowohl vor als auch nach der Behandlung festgemacht bzw. nach der subjektiv optischen Verteilung des Kontrastmittels in einer Gefäßaufnahme, beispielsweise mittels DSA (Digitale Subtraktions-Angiographie), bestimmt. Insbesondere aber die medikamentöse Behandlung hat keinen Einfluss auf den Gefäßdurchmesser.
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Derartige Angiographieaufnahmen können mit einer in der 1 als Beispiel dargestellten Röntgendiagnostikeinrichtung erstellt werden, die als sogenanntes Biplan-System im Wesentlichen zwei sogenannte Ebenen mit zwei C-Bogen aufweist, wobei die erste Ebene 1 aus einer Röntgendiagnostikeinrichtung mit einem ersten C-Bogen 2 bestehen kann, an dessen Enden eine erste Rontgenstrahlungsquelle, beispielsweise ein Röntgenstrahler 3 mit Röntgenrohre und Kollimator, und ein erster Röntgenbilddetektor 4 als Bildaufnahmeeinheit angebracht sind. Dieser erste C-Bogen 2 kann an einem Ständer in Form eines sechsachsigen Industrie- oder Knickarmroboters (nicht dargestellt) drehbar gelagert sein.
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Mittels dieses beispielsweise aus der
US 7,500,784 B2 bekannten Knickarmroboters, welcher bevorzugt sechs Drehachsen und damit sechs Freiheitsgrade aufweist, kann der C-Bogen
2 beliebig räumlich verstellt werden, zum Beispiel indem er um ein Drehzentrum zwischen dem Rontgenstrahler
3 und dem Röntgendetektor
4 gedreht wird. Das Röntgensystem
1 bis
4 ist insbesondere um Drehzentren und Drehachsen in der C-Bogen-Ebene des Röntgenbilddetektors
4 drehbar, bevorzugt um den Mittelpunkt des Röntgenbilddetektors
4 und um den Mittelpunkt des Röntgenbilddetektors
4 schneidende Drehachsen.
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Der bekannte Knickarmroboter weist ein Grundgestell auf, welches beispielsweise auf einem Boden fest montiert ist. Daran ist drehbar um eine erste Drehachse ein Karussell befestigt. Am Karussell ist schwenkbar um eine zweite Drehachse eine Roboterschwinge angebracht, an der drehbar um eine dritte Drehachse ein Roboterarm befestigt ist. Am Ende des Roboterarms ist drehbar um eine vierte Drehachse eine Roboterhand angebracht. Die Roboterhand weist ein Befestigungselement für den C-Bogen 2 auf, welches um eine fünfte Drehachse schwenkbar und um eine senkrecht dazu verlaufende sechste Rotationsachse rotierbar ist.
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Die Realisierung der Rontgendiagnostikeinrichtung ist nicht auf den Industrieroboter angewiesen. Es können auch übliche C-Bogen-Gerate Verwendung finden.
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Bei der zweiten Ebene 5 der in der 1 dargestellten Röntgendiagnostikeinrichtung mit zwei C-Bogen ist uber eine Deckenhalterung 9 ein deckengehängter zweiter C-Bogen 6 mit einem zweiten Röntgenstrahler 7 und einem zweiten Röntgenbilddetektor 8 gehalten. Aber auch hier kann dieser C-Bogen 6 in Form eines sechsachsigen Industrie- oder Knickarmroboters drehbar gelagert sein.
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Die beiden Röntgenbilddetektoren 4 und 8 konnen rechteckige oder quadratische, flache Halbleiterdetektoren sein, die vorzugsweise aus amorphem Silizium (a-Si) erstellt sind. Es können aber auch integrierende und eventuell zählende CMOS-Detektoren Anwendung finden.
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Im Strahlengang der beiden Röntgenstrahler 3 und 7 befindet sich auf einem Patientenlagerungstisch 10 zur Röntgenbildaufnahme ein zu untersuchender Patient 11 als Untersuchungsobjekt. An der Röntgendiagnostikeinrichtung ist eine Systemsteuerungseinheit 12 mit einem Bildsystem angeschlossen, das die Bildsignale der beiden Röntgenbilddetektoren 4 und 8 empfängt und verarbeitet (Bedienelemente sind beispielsweise nicht dargestellt). Die Röntgenbilder können dann auf einer an der Decke angebrachten Monitorampel 13 mit einem ersten Display 14 für die erste Ebene 1 und einem zweiten Display 15 für die zweite Ebene 5 betrachtet werden. Neben der Systemsteuerungseinheit 12 ist ein Hochspannungsgenerator 16 fur die beiden Röntgenstrahler 3 und 7 vorgesehen.
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Informationen bzgl. einer verbesserten Flussgeschwindigkeit sind heute in der derartig beschriebenen bildgebenden Diagnostik, abgesehen von Ultraschall-Bildgebung, nicht vorhanden.
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Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, zwischen zwei Punkten auf unterschiedlichen Gefäßabschnitten die Flussgeschwindigkeiten auf einfache Weise zu ermitteln.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen sind in den abhangigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Schritte gelöst:
- S1) Aufnahme einer Angiographieszene unter Kontrastmittelzugabe mit einer Vielzahl einzelner Angiographiebilder in einem Gefaßabschnitt,
- S2) Aufsummation aller einzelnen Angiographiebilder der Angiographieaufnahme der Angiographieszene zu einem Summationsbild,
- S3) Festlegung des Start- und Endpunktes des Messbereichs eines Gefäßabschnittes für die Flussgeschwindigkeitsevaluation,
- S4) Ermittlung einer Centerline des Gefäßabschnitts,
- S5) Verteilung von stückweise linearen Markierungen in Bezug auf die Centerline,
- S6) Ermittlung von Kontrastintensitätskurven der einzelnen Markierungen,
- S7) Übereinanderlagerung der einzelnen Kontrastintensitätskurven,
- S8) Bestimmung der Zeitdeltas von einer Markierung zur nächsten,
- S9) Berechnung der Flussgeschwindigkeiten aus den bestimmten Zeitdeltas der maximalen Intensitäten der Kontrastintensitätskurven und
- S10) visuelle Darstellung der Flussgeschwindigkeiten.
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Durch diese nachträglichen Berechnungen der Pixel-Kontrastintensitätskurven auf unterschiedlichen Streckenabschnitten des Gefäßes kann die Flussgeschwindigkeit zwischen den zwei Punkten bzw. Markierungen ermittelt werden.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Angiographiebilder der Angiographieszene gemäß Schritt S1) mit einer Biplan-C-Bogen-Röntgenanlage erstellt werden, wobei erfindungsgemaß die Aufnahme einer Angiographieszene gemaß Schritt S1) eine subtrahierte oder native Aufnahme sein kann.
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In vorteilhafter Weise kann die Festlegung des Start- und Endpunktes des Messbereichs eines Gefäßabschnittes gemäß Schritt S3) durch Festlegen des Gefäßabschnittes erfolgen, welcher orthogonal zum Detektor verlauft.
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Erfindungsgemäß kann die Verteilung von stückweise linearen Markierungen in Bezug auf die Centerline gemäß Schritt S5) auf der Centerline, orthogonal zur Centerline des Gefäßes und/oder in gleichen Abständen genommene Flächensummen erfolgen, wobei die Markierungen gemäß Schritt S5) Strecken-, Punkt-, Pixel- oder Flächenmarkierungen sein konnen.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Festlegung des Start- und Endpunktes der Flussgeschwindigkeitsevaluation gemäß Schritt S3), die Ermittlung der Centerline des Gefaßabschnitts gemäß Schritt S4) sowie die Verteilung von stuckweise linearen Streckenmarkierungen gemäß Schritt S5) automatisch erfolgen.
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Die Berechnung der Flussgeschwindigkeiten gemäß Schritt S9) kann erfindungsgemäß absolut oder relativ erfolgen.
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Die Sichtbarkeit lässt sich erhohen, wenn die visuelle Darstellung der Flussgeschwindigkeiten gemäß Schritt S10) durch Einfärben der Gefäßabschnitte erfolgt.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine bekannte Biplan-C-Bogen-Rontgenanlage,
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2 einen Gefäßausschnitt auf Basis einer Angiographieaufnahme als Aufsummation der einzelnen Bilder einer Szene,
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3 einen Gefäßabschnitt mit Markierungen auf der Centerline von stückweise linearen Abschnitten,
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4 einen Gefäßabschnitt mit gleichen Flächenabschnitten auf der Centerline in stückweise linearen Abschnitten,
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5 Kontrastintensitatskurven von den sieben verschiedenen Markierungen auf der Centerline des Gefäßausschnitts,
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6 Auf der Zeit/Kontrastintensitätsachse übereinandergelegte Kontrastintensitätskurven und
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7 einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf.
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In der
2 ist ein Gefäßabschnitt
20 eines Gefaßes auf Basis einer Angiographieaufnahme als Aufsummation der einzelnen Bilder einer Angiographieszene dargestellt. Das Gefäß im Gefäßabschnitt
20 weist eine Gefaßwand
21 auf, in deren Mitte eine Centerline
22 wiedergegeben ist, die sich beispielsweise mittels des von H. Greenspan et al. in ”Evaluation of Center-Line Extraction Algorithms in Quantitative Coronary Angiography” IEEE Transactions an Medical Imaging, Vol. 20, No. 9, September 2001, Seiten 928 bis 941, bekannten Verfahrens ermitteln und darstellen lässt. Der interessierende zu untersuchende Bereich des Gefaßabschnitts
20 weist einen Startpunkt
23 der mit
markiert ist, und Endpunkt
24 auf, der mit
markiert ist. Dazwischen sind die Markierungen
bis
in gleichen Abständen angeordnet.
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Die
3 zeigt den Gefäßabschnitt
20 mit Markierungen
bis
auf der Centerline
22 von stückweise linearen Abschnitten
25. Diese mit Nummern
bis
gekennzeichneten Markierungen sind Punkte auf der Centerlinie
22, die sich in gleichen Abständen befinden, so dass der Abstand von einer Markierung
bis
und der nachsten
bis
dementsprechend immer gleich ist. Dadurch gilt auch, dass die Abschnitte
25 jeweils gleiche Längen aufweisen, die zur weiteren Betrachtung als Länge L bezeichnet werden.
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In der
4 ist der Gefäßabschnitt
20 mit gleichen Flachenabschnitten oder Flachenmarkierungen
26 auf der Centerline in stückweise linearen Abschnitten dargestellt, wobei der besseren Übersicht halber nur die Flächenmarkierungen
26 der Markierungen
und
abgebildet sind. Der Abstand von einer Markierung
bis
bis zur nächsten ist immer gleich – genauso wie die Fläche.
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Wie heute schon möglich, können auch für Flächen bzw. Flachensummen Kontrastintensitätskurven ermittelt werden.
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Alle Flachenmarkierungen
26 weisen gleich große Flachen auf. Diese Flächenmarkierungen
26 sollten möglichst orthogonal zu dem Vektor der Centerline
22 an den festgelegten Abstandspunkten der Markierungen
bis
sein.
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In der
5 sind in Kontrastintensitätskurven von den sieben verschiedenen Markierungen
bis
auf der Centerline
22 des Gefäßabschnitts
20 gemäß den vorhergehenden Figuren die Kontrastintensitäten K über der Zeit t aufgetragen. Wie den einzelnen Kontrastintensitätskurven zu entnehmen ist, tritt das Maximum der Kontrastintensität K bei den Markierungen
bis
zu unterschiedlichen Zeiten auf.
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Die
6 zeigt nun eine Überlagerung der einzelnen Kontrastintensitätskurven auf der Zeit/Kontrastintensitätsachse gemaß
5. Da die Streckendistanz von einer Markierung
bis
bis zur nächsten
bis
immer gleich ist, zeigt der Zeitverlauf, in welchem Streckenabschnitt das Kontrastmittel langsamer oder schneller geflossen ist. Wird nun die Zeitdifferenz zwischen dem Peak der Markierung
und dem Peak der Markierung
ermittelt, so lasst sich aufgrund der Zeitdeltas
die Flussgeschwindigkeit berechnen. Teilt man die bekannte Strecke der Lange L durch die jeweiligen Zeiten bzw. Zeitdeltas
bis
ergibt sich die Geschwindigkeit
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Wenn alle Maxima der Kontrastintensitatskurven gleichmaßig auf der t-Achse verteilt wären, dann wären die Geschwindigkeiten konstant. Liegen jedoch zwischen Maximum 4 und Maximum 5 beispielsweise ein Zeitdelta
von 1,5 Sek. und zwischen Maximum 5 und Maximum 6 z. B. ein Zeitdelta
von 3 Sek., kann abgeleitet werden, dass die Flussgeschwindigkeit zwischen 4 und 5 doppelt so schnell ist, wie zwischen 5 und 6, da die Strecke gleich ist.
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In der 7 ist nun der erfindungsgemäße Verfahrensablauf naher dargestellt. In einem ersten Schritt S1) wird in wenigstens einer Angiographieszene unter Kontrastmittelzugabe eine Vielzahl einzelner Angiographiebilder in einem Gefäßabschnitt 20 aufgenommen. Anschließend erfolgt gemaß einem zweiten Schritt S2) eine Aufsummation aller einzelnen Angiographiebilder der Angiographieaufnahme der Angiographieszene, so dass man ein Summationsbild erhält.
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In einem dritten Schritt S3) werden Start- und Endpunkte des Gefaßabschnittes festgelegt, der orthogonal zum Detektor verläuft. Dabei wird der Messbereich bestimmt, der für die Flussgeschwindigkeitsevaluation benötigt wird.
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Gemäß einem vierten Schritt S4) wird in bekannter Weise (beispielsweise aus ”syngo Workplace – InSpace AX Vessel Analysis/Operator Manual”, Seiten 22ff, der Siemens AG) eine Centerline 22 des Gefäßabschnitts 20 ermittelt. Dazu wird ausgehend von den Gefäßwanden 21 des Gefäßabschnitts 20 die mittlere Lage bestimmt.
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In einem funften Schritt S5) erfolgt eine ggf. automatische Verteilung von stückweise linearen Markierungen oder Abschnitten
25 zwischen den Markierungen
bis
in Bezug auf die Centerline
22, wobei die Lange L aller Abschnitte
25 gleich ist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass auf der Centerline
22 und/oder orthogonal zur Centerline
22 des Gefäßes und/oder in gleichen Abstanden genommene Flächensummen die Verteilung erfolgt. Diese Markierungen oder Abschnitte
25 können erfindungsgemäß Strecken-, Punkt-, Pixel- oder Flachenmarkierungen sein.
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Nachfolgend werden gemäß einem sechsten Schritt S6) Kontrastintensitätskurven (Kontrastintensität pro Zeitabschnitt) in den einzelnen Streckenmarkierungen 25 gemäß 5 ermittelt.
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In einem siebten Schritt S7) werden die einzelnen Kontrastintensitätskurven ubereinandergelegt und/oder übereinandergelagert.
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Gemaß einem achten Schritt S8) werden die Zeitdeltas
bis
von einer Markierung
bis
bis zur nächsten Markierung
bis
bestimmt.
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In einem neunten Schritt S9) wird eine Berechnung der absoluten oder relativen Flussgeschwindigkeiten durchgeführt: v = x/t (v = Geschwindigkeit, x = Strecke, t = Zeit) .
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Abschließend erfolgt in einem zehnten Schritt S10) eine visuelle Darstellung der berechneten Flussgeschwindigkeiten beispielsweise durch Einfärben der Gefäßabschnitte 20, um schnelle bzw. langsame Flussgeschwindigkeiten einfach erkennen zu können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist die Vorteile auf, so dass es ermöglicht, dass auf einfache Weise die Flussgeschwindigkeiten von Kontrastmittel und damit des Blutes in Gefäßen oder Gefäßabschnitten 20 bei Röntgenaufnahmen darstell- und visualisierbar werden.
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Erfindungsgemäß werden bei einem bildgebenden Verfahren zur Darstellung von Flussgeschwindigkeiten auf Basis von aus wenigstens einer Angiographieaufnahme abgeleiteten Kontrastintensitätskurven folgende Schritte durchgeführt:
- S1) Subtrahierte oder native Aufnahme einer Angiographieszene unter Kontrastmittelzugabe mit einer Vielzahl einzelner Angiographiebilder,
- S2) Aufsummation aller einzelnen Bilder der Szene zu einem Summationsbild,
- S3) manuelles oder automatisches Festlegen der Start- und Endpunkte des Gefäßabschnittes, der orthogonal zum Detektor verlauft, wodurch der Messbereich bestimmt wird, der für die Flussgeschwindigkeitsevaluation benötigt wird,
- S4) automatisches Ermitteln der Centerline des Gefäßabschnitts,
- S5) automatisches Verteilen von stückweise linearen Streckenmarkierungen oder Abschnitten 25 zwischen den Markierungen bis auf der Centerline 22 und/oder orthogonal zur Centerline des Gefäßes und/oder in gleichen Abständen genommene Flächensummen, wobei die Lange L aller Abschnitte 25 gleich ist. Diese Abschnitte 25 konnen erfindungsgemäß Strecken-, Punkt-, Pixel- oder Flächenmarkierungen sein,
- S6) Ermitteln der Kontrastintensitätskurven (Kontrastintensität pro Zeitabschnitt) der einzelnen Streckenmarkierungen oder Abschnitte 25,
- S7) Übereinanderlegen bzw. Ubereinanderlagerung der einzelnen Kontrastintensitatskurven,
- S8) Ermitteln der Zeitdeltas bis von einer Markierung bis bis zur nachsten Markierung bis
- S9) Berechnen der Flussgeschwindigkeit (absolut oder relativ): v = x/t (v = Geschwindigkeit, t = Zeit, x = Strecke) und
- S10) visuelle Darstellung z. B. durch Einfärben der Gefäßabschnitte, um schnelle bzw. langsame Flussgeschwindigkeiten einfach erkennen zu können.
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Dieses erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht nicht nur die generelle Visualisierung und/oder Berechnung der Flussgeschwindigkeit, sondern auch einen Vorher/Nachher-Vergleich, einen Vergleich des Zustands des Gefäßabschnitts vor der Therapie verglichen mit dem Zustand nach Abschluss der Therapie.
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Durch Berechnen einer Centerline in einem Volumen (z. B Siemens Advanced Vessel Analysis) und einer gleichzeitigen Aufnahme aus zwei unterschiedlichen Winkeln beispielsweise mittels einer Biplan-Anlage können durch den oben beschriebenen Ablauf auch Flussgeschwindigkeiten in Gefäßen ermittelt werden, die nicht parallel zum Detektor verlaufen.
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Die Kontrastintensitätskurven des gleichen aufgenommenen Punktes können aufeinander gemappt werden – somit ist die Berechnung des Punktes im Raum moglich. Dies kann dadurch erfolgen, dass ein 3-D-Modell basierend auf Biplan-Aufnahmen (Fluoroskopie/Akquisition) mit Kontrastmittel basierend auf den digitalen Bildinformationen und unter Einbeziehung der Kontrastintensitätskurven erstellt wird. Während einer DSA-Biplan-Aufnahme werden zwei Szenen gleichzeitig unter Kontrastmittelgabe aus unterschiedlichen Winkeln aufgenommen. Somit entstehen zwei Aufnahmen mit 2-D-Informationen. Soll nun aus diesen 2-D-Informationen ein 3-D Modell errechnet werden, dann muss feststehen, welcher Bildpunkt auf dem einen 2-D-Bild zu welchem Bildpunkt auf dem dazugehörigen anderen 2-D-Bild zuzuordnen ist. Dies ist durch ein „Mappen” von Kontrastintensitatskurven möglich. Da die Kontrast-über-Zeit-Verteilung auf beiden Aufnahmen für den jeweiligen Punkt identisch ist, kann die Kontrastintensitätskurve eines Pixels auf einem Bild der Kontrastintensitätskurve des anderen Bildes zugeordnet werden. Die Winkel der dazugehörigen Aufnahmemedien, zum Beispiel Detektoren, sind jeweils durch die Systemparameter bekannt und können somit in die Berechnung mit einbezogen werden. Da nun die zusammengehörigen Pixel und die Winkel der Aufnahmen zueinander bekannt sind, kann im 3-D-Modell der Punkt eingezeichnet werden.
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Die minimale Verzögerung der Aufnahmen im Biplan-Betrieb wird nachträglich durch Korrekturalgorithmen angepasst, so dass nahezu von zeitgleichen Aufnahmen für die Kalkulation der Kontrastintensitätskurven bzw. des 3-D-Modells ausgegangen werden kann.
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Um einen Biplan-Betrieb zu simulieren, kann auch eine Monoplan-Anlage verwendet werden. Dies bedeutet allerdings eine zweimalige Kontrastmittelgabe und dass die Messung der Kontrastintensitätskurven bei einer vergleichbaren Kontrastmittelgabe, beispielsweise per Injektor, stattfindet und zu einem vergleichbaren Punkt, manuell oder automatisch getriggert, gestartet wird.
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Durch nachträgliche Berechnungen der Pixel-Kontrastintensitatskurven auf unterschiedlichen Streckenabschnitten des Gefäßes kann die Flussgeschwindigkeit zwischen den zwei Punkten ermitteln werden.
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Das bildgebende Verfahren wurde zwar anhand einer Biplan-C-Bogen-Rontgenanlage beschrieben, das Verfahren lässt sich aber auch mit einer monoplanen C-Bogen-Röntgenanlage in ausreichender Weise durchführen, wenn das Gefäß parallel zum Detektor verläuft. Eine Biplan-C-Bogen-Röntgenanlage ist dann erforderlich, wenn das Gefaß nicht parallel zum Detektor verläuft. Dann muss aber basierend auf den zwei Aufnahmen einer Kontrastmittelgabe zuvor die Centerline des Gefäßes in 3-D ermittelt werden. Die Centerline kann durch Berechnung eines 3-D-Modells auf Basis von zwei Projektionen bestimmt werden.
bis
in gleichen Abständen angeordnet.
auf der Centerline
gekennzeichneten Markierungen sind Punkte auf der Centerlinie
und der nachsten
bis
dementsprechend immer gleich ist. Dadurch gilt auch, dass die Abschnitte
abgebildet sind. Der Abstand von einer Markierung
bis
bis zur nächsten ist immer gleich – genauso wie die Fläche.
sein.
auf der Centerline
zu unterschiedlichen Zeiten auf.
bis zur nächsten
bis
immer gleich ist, zeigt der Zeitverlauf, in welchem Streckenabschnitt das Kontrastmittel langsamer oder schneller geflossen ist. Wird nun die Zeitdifferenz zwischen dem Peak der Markierung
und dem Peak der Markierung
ermittelt, so lasst sich aufgrund der Zeitdeltas
die Flussgeschwindigkeit berechnen. Teilt man die bekannte Strecke der Lange L durch die jeweiligen Zeiten bzw. Zeitdeltas
bis
ergibt sich die Geschwindigkeit
von 3 Sek., kann abgeleitet werden, dass die Flussgeschwindigkeit zwischen 4 und 5 doppelt so schnell ist, wie zwischen 5 und 6, da die Strecke gleich ist.
in Bezug auf die Centerline
von einer Markierung
bis
bis zur nächsten Markierung
bis
bestimmt.
auf der Centerline
von einer Markierung
bis
bis zur nachsten Markierung
bis
) von einer Markierung (
bis
) bis zur nächsten Markierung (
bis
), S9) Berechnung der Flussgeschwindigkeiten aus den bestimmten Zeitdeltas (
bis
) der maximalen Intensitäten der Kontrastintensitatskurven und S10) visuelle Darstellung der Flussgeschwindigkeiten.