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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung einer tomographischen Temperaturkarte in einem Patienten mit einem CT-Gerät, wobei auf Grund einer gemessenen Dichteverteilung, die durch eine Rho/Z-Zerlegung tomographischer Bilddaten, die auf der Basis verschiedener Röntgenenergien gewonnen wurden, auf eine Temperaturverteilung geschlossen und diese bildlich dargestellt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine Recheneinheit mit Speichermedium, in dem Computerprogramme oder Programm-Module hinterlegt sind, welche im Betrieb das genannte Verfahren durchführen und ein CT-System mit einer solchen Recheneinheit.
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Aus der der nachfolgend beschriebenen Erfindung am nächsten kommenden Offenbarung der Druckschrift
DE 10 2008 049 604 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur oder Temperaturverteilung in einem Objektbereich, der eine Zusammensetzung aus n unterschiedlichen Materialkomponenten aufweist, bekannt, bei dem:
- – ein Röntgen-Computertomograph eingesetzt wird, mit dem Bilddatensätze bei unterschiedlicher spektraler Verteilung von Röntgenstrahlung aufgezeichnet werden können,
- – mit dem Computertomographen Bilddatensätze des Objektbereichs bei n unterschiedlichen spektralen Verteilungen der Röntgenstrahlung aufgezeichnet werden,
- – aus den Bilddatensätzen durch Materialzerlegung Dichten, Schwächungswerte oder CT-Werte für die n unterschiedlichen Materialkomponenten ermittelt werden, die eine bekannte Abhängigkeit von der Temperatur sowie gegebenenfalls vom Ort im Objektbereich aufweisen, und
- – auf Basis der ermittelten Dichten, Schwächungswerte oder CT-Werte sowie der bekannten Abhängigkeit zumindest einer dieser Größen von der Temperatur und gegebenenfalls vom Ort die Temperatur an einer oder mehreren Stellen des Objektbereichs bestimmt wird.
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Bei diesem vorgeschlagenen Verfahren wird also ein Röntgen-Computertomograph eingesetzt, mit dem Bilddatensätze bei unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung aufgezeichnet werden. Für die Bestimmung der Temperatur oder Temperaturverteilung in einem Objektbereich, der sich aus n unterschiedlichen Materialkomponenten zusammensetzt, werden mit dem Computertomographen n Bilddatensätze des Objektbereichs bei n unterschiedlichen spektralen Verteilungen der Röntgenstrahlung aufgezeichnet. Aus den n Bilddatensätzen werden anschließend mittels der bekannten Technik der Materialzerlegung die Dichten, Schwächungswerte oder CT-Werte für die n unterschiedlichen Materialkomponenten ermittelt. Auf Basis der ermittelten Dichten, Schwächungswerte oder CT-Werte sowie der bekannten Abhängigkeit dieser Größen von der Temperatur wird dann die Temperatur an einer oder mehreren Stellen des Objektbereichs bestimmt. Die Abhängigkeit der Dichte des jeweiligen Materials von der Temperatur kann dabei aus Tabellen entnommen oder vorab durch Messungen ermittelt werden.
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In der Praxis hat sich jedoch herausgestellt, dass die gemäß dem bekannten Verfahren ausgeführten Messungen noch nicht genau genug sind.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erstellung einer tomographischen Temperaturkarte in einem Patienten mit Hilfe von CT-Untersuchungen zu finden, welches eine verbesserte Genauigkeit liefert.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Die Erfinder haben erkannt, dass es für eine exakte Bestimmung einer Temperaturänderung nicht ausreichend ist, diese ausschließlich auf die Dichte einer Mehrspektren-CT-Messung zu beziehen, sondern, dass hierbei auch eine sich verändernde Zusammensetzung des jeweils betrachteten Bereiches notwendig ist. So kann in einem betrachteten Gewebebereich eines Patienten, beispielsweise durch eine dort hervorgerufene Temperaturänderung, sich nicht nur die Dichte dieses Bereiches verändern, sondern es besteht auch zusätzlich die Möglichkeit einer Veränderung der Materialzusammensetzung. Beispielsweise kann dies durch eine Dehydrierung des Gewebes oder die Bildung einer Kolliquationsnekrose geschehen.
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Entsprechend diesem Grundgedanken schlagen die Erfinder ein Verfahren zur Erstellung einer tomographischen Temperaturkarte in einem Patienten mit einem CT-Gerät vor, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
- – Abtastung und tomographische Rekonstruktion der Schwächungswerte des Gewebes auf der Basis mindestens zweier sich unterscheidender Röntgenenergien oder Röntgenenergiespektren zu mindestens zwei energieabhängigen Bilddaten,
- – Durchführung einer Rho/Z-Zerlegung der tomographischen Bilddaten, wobei für jeden Ort die aktuelle lokale Dichte und der aktuelle lokale mittlere Z-Wert (Z = Kernladungszahl) bestimmt werden,
- – Bestimmung einer lokalen Temperaturverteilung im Gewebe wobei aus zuvor experimentell ermittelten oder theoretisch berechneten Beziehungen zwischen Z-Werten, Dichte und Temperatur die aktuellen lokalen Temperaturwerte ermittelt werden, und
- – Ausgabe und/oder Darstellung der räumlichen Temperaturverteilung.
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Durch dieses Verfahren wird die Temperaturbestimmung mit Hilfe der durch eine CT-Untersuchung ermittelten Dichtewerte wesentlich genauer.
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Vorteilhaft können dabei zu einer Vielzahl von Z-Werten Dichte/Temperatur-Kurven oder -Tabellen zur Bestimmung der Temperatur verwendet werden.
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Weiterhin können dabei mittlere Z-Werte verwendet werden, bei denen die Zusammensetzung des aktuell betrachteten Gewebes berücksichtigt wird.
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Da mit der im vorliegenden Verfahren verwendeten Rho/Z-Zerlegung lediglich ein mittlerer Z-Wert ermittelt wird, der nicht auf die tatsächliche atomare Verteilung der Kernladungszahlen aufgrund gegebener Gewebezusammensetzungen zu schließen ist, kann es günstig sein zu erkennen, welche Gewebeart am betrachteten Ort vorliegt und entsprechend der Gewebeart, diesen zugeordnete Dichte/Temperatur-Kurven oder Dichte/Temperatur-Wertetabellen bei der Temperaturbestimmung zu verwenden. Es werden also mittlere Z-Werte verwendet, bei deren Zusammensetzung das aktuell betrachtete Gewebe mit seiner tatsächlichen atomaren Zusammensetzung berücksichtigt wird.
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Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch erreicht werden, dass:
- – vor der Untersuchung zu jedem Z0-Wert oder Z0-Wertebereich, der unter physiologischen Bedingungen ermittelt wird, bestimmt und zugeordnet wird, wie sich bei einer Erwärmung die Z-Werte ändern und zu diesen – historisch geprägten – Z(Z0)-Werten eine Dichte-Temperatur-Beziehung ermittelt wird, und
- – bei der Temperaturbestimmung die Dichte-Temperatur-Beziehungen verwendet werden, die einem anfänglich unter physiologischen Bedingungen ermittelten Z0-Wert zugeordnet sind.
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Bei dieser Ausführungsvariante des Verfahrens wird somit berücksichtigt, welches Verhalten ein bestimmtes Gewebe, charakterisiert durch dessen mittleren Z-Wert unter physiologischen Bedingungen, also bei etwa 37° Celsius und im nichtdenaturierten Zustand, bei einem Temperaturanstieg einerseits bezüglich seiner Veränderung des mittleren Z-Wertes aufweist und andererseits wie sich auch bei dem jeweiligen Material die Dichte-Temperatur-Beziehung verhält. Hierdurch wird also die tatsächliche Zusammensetzung des Gewebes und dessen individuelle Veränderung durch Erwärmung genauer berücksichtigt.
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Ergänzend kann auch die Art der Erwärmung und der Zeitverlauf der Erwärmung berücksichtigt werden, um nochmals genauere Temperaturwerte bestimmen zu können.
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Vorteilhaft kann das oben beschriebene Verfahren bezüglich der tomographischen Bilddaten auf Schnittbilddatensätze oder auch Volumenbilddatensätze angewendet werden.
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Weiterhin ist es besonders günstig, insbesondere wenn die Temperaturverteilung über einen längeren Zeitraum bestimmt werden soll, wenn bei mehrfacher Durchführung des Verfahrens die tomographischen Bilddaten jeweils aufeinander registriert werden. Hierdurch können kleine Verschiebungen des beobachteten Gewebes durch eine Bewegung des Patienten zwischen den Bildaufnahmen ausgeglichen werden.
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Schließlich kann die ermittelte Temperaturverteilung, also eine Temperaturkarte, mit darauf registrierten tomographischen Bilddaten überlagert werden. Zum Beispiel kann dabei die Temperatur des Gewebes durch unterschiedlich starke Einfärbung oder durch unterschiedliche Farben dargestellt werden, die dem an sich in schwarz-weiß vorliegenden CT-Bild überlagert werden können.
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Des Weiteren schlagen die Erfinder auch eine Recheneinheit mit Speichermedium vor, in dem Computerprogramme oder Programm-Module hinterlegt sind, und welche im Betrieb die Verfahrensschritte des oben beschriebenen Verfahrens durchführen. Außerdem wird auch ein CT-System beansprucht, welches eine solche Recheneinheit aufweist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet: 1: Dual-Energy-CT-System/C-Bogen-System; 2: erste Röntgenröhre; 3: erster Detektor; 4: zweite Röntgenröhre; 5: zweiter Detektor; 6: Gantrygehäuse/Antriebssystem; 7: C-Bogen; 8: Patientenliege; 9: Systemachse; 10: Regel- und Steuereinheit; M1–M3: Gewebebereiche; P: Patient; Prg1 bis Prgn: Computerprogramme; T: Gewebetemperatur; Z: Kernladungszahl; I–V: Phasen der Gewebeveränderung.
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Es zeigen im Einzelnen:
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1: Schnittbild durch einen Gewebebereich in physiologischen Zustand;
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2: Schnittbild entsprechend 1, mit partiell erwärmtem Gewebe;
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3: Beispielhafter Verlauf einer Temperaturänderung im Gewebe zur Energiedeposition;
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4: Schematische Darstellung der Abhängigkeit des mittleren Z-Wertes von der Temperatur verschiedener Gewebezusammensetzungen M1 bis M3;
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5: Schematische Darstellung der Abhängigkeit der Dichte verschiedener Gewebezusammensetzungen von der Temperatur;
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6: Dual-Energy-CT-System;
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7: C-Bogen-System.
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Die 1 und 2 zeigen einen identischen tomographischen Schnitt durch ein Gewebe, wobei in der 1 im Gewebe physiologische Bedingungen bei 37°C herrschen. Die gezeigten Schwarz-Weiß-Zeichnungen mit überwiegend hellen Flecken zeigen das betrachtete Gewebe mit seiner typischen Dichteverteilung bei ca. 37°C. Das lokal gleiche Schnittbild in der 2 zeigt eine Situation mit einer Temperaturerhöhung im zentralen Bereich, wobei hier zunächst keine signifikante substantielle Veränderung des Gewebes – also keine Veränderung des mittleren Z-Wertes – stattgefunden hat. Aufgrund der Temperaturerhöhung ergibt sich eine Reduktion der Dichte des Gewebes, was sich in einer verminderten Absorption der Röntgenstrahlung widerspiegelt und daher eine Zunahme dunkler Bereiche erzeugt. Findet eine weitere Temperaturerhöhung statt, so kommt es zu chemischen und physikalischen Prozessen, die auch eine Veränderung des mittleren Z-Wertes in Abhängigkeit der Temperatur aber auch des betrachteten Materials bewirkt.
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Der progressive Verlauf einer solchen Temperaturänderung ist in der 3 gezeigt. Hier ist die spezifische Energiedeposition im Gewebe auf der Abszisse gegenüber der dadurch erreichten Gewebetemperatur T auf der Ordinate dargestellt. Die unterschiedlichen Phasen der Gewebeveränderung mit einer Ausgangstemperatur von physiologischen 37°C sind mit den römischen Ziffern I bis V bezeichnet. Zunächst findet bei I eine Erwärmung des Gewebes statt. Diese Erwärmung führt bei ansteigender Temperatur zu Koagulation des Gewebes im Bereich II mit einer anschließenden Austrocknungsphase III. Diese wird gefolgt durch eine Karbonisation im Bereich IV und führt schließlich bei weitergehender Energiedeposition und damit verbundener Temperaturerhöhung zu einer Vaporisation im Bereich V.
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Da jede Gewebeart und auch jedes Gewebevolumen eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweist und gleichzeitig auch die Angabe einer mittleren Kernladungszahl Z nicht ausreicht die tatsächliche atomare Zusammensetzung – welche letztendlich für das Absorptionsverhalten eines betrachteten Voxels oder Bereiches entscheidend ist – eindeutig zu bestimmen, ist es vorteilhaft, auch die ”historische” Entwicklung eines Voxels oder Bereiches mehrerer Voxel zu kennen und auf der Basis des mittleren Z-Wertes zu einem Zeitpunkt mit physiologischen Bedingungen deren – gegebenenfalls aus Vorversuchen – bekannte Abhängigkeit von einer aufgrund von Temperaturerhöhung sich verändernder Dichte ρ zu kennen. Mit Hilfe dieser Funktionen und bekanntem physiologischen Z0-Wert lässt sich dann – ebenfalls auf entsprechende Vorversuche oder Berechnungen gestützt – aufgrund des ermittelten Dichtewertes nach einer Rho/T-Zerlegung auch die tatsächliche Temperatur exakt bestimmen.
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Bezüglich des Problems der nicht vorhandenen Eindeutigkeit des mittleren Z-Wertes wird beispielsweise darauf verwiesen, dass der mittlere Z-Wert sowohl von Cl-H (Chlorwasserstoff) und von F (Fluor) 9 ist, obwohl es sich um Stoffe mit unterschiedlichem Absorptionsverhalten handelt. Entsprechendes gilt auch bei den komplexeren organischen Verbindungen und Gemischen im Gewebe.
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In der 4 ist rein schematisch das Verhalten unterschiedlicher Materialien beziehungsweise Gewebebereiche M1 bis M3 dargestellt, die durch Energiezufuhr erhitzt werden und der Verlauf der Änderung des mittleren Z-Wertes über der sich ändernden Dichte aufgetragen. Die mit Kreis gekennzeichneten Anfangspunkte entsprechen jeweils der tatsächlichen Dichte unter physiologischen Bedingungen und dem dort ermittelten mittleren Z-Wert aus einer Rho/Z-Zerlegung mittels mindestens zweier CT-Aufnahmen auf der Basis unterschiedlicher Röntgenenergiespektren.
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Die 5 zeigt schematisch und beispielhaft einen Dichte/Temperaturverlauf der in 4 gezeigten unterschiedlichen Materialien M1 bis M3, woraus zu erkennen ist, dass die Kenntnis eines Dichtewertes allein noch nicht ausreicht, um die Temperatur eines Gewebebereiches eindeutig zu bestimmen. Lässt sich also aufgrund der Kenntnis einer Messung des mittleren Z-Wertes bei physiologischen Bedingungen, also des Z0-Wertes, bestimmen, an welcher Kurve man sich im Diagramm der 5 orientieren muss, so lässt sich die aktuelle Temperatur relativ genau bestimmen. Bezüglich der aus dem Diagramm erkennbaren Doppeldeutigkeit mancher Dichtewerte lässt sich ergänzend aufgrund des Verlaufs der Dichte und einer entsprechenden Plausibilitätsbetrachtung der jeweils korrekte Temperaturwert ermitteln.
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Falls beispielsweise Anfangsmessungen unter physiologischen Bedingungen nicht vorliegen, besteht auch noch die Möglichkeit, aufgrund einer Rho/Z-Zerlegung und des damit ermittelten Wertepaares von Dichte und Kernladungszahl im Diagramm der 4, eine Zuordnung zum entsprechenden Material vorzunehmen.
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Die 6 zeigt beispielhaft ein Dual-Energy-CT-System 1, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird. Das CT-System 1 besteht aus einem Gantrygehäuse 6, bei dem sich auf der Gantry ein erstes Röhren-/Detektorsystem, bestehend aus einer ersten Röntgenröhre 2 und einem gegenüberliegenden ersten Detektor 3, befindet. Optional kann ein weiteres Röhren-/Detektorsystem vorgesehen sein, wie das hier eingezeichnete Röhren-/Detektorsystem, bestehend aus der zweiten Röntgenröhre 4 und dem gegenüberliegenden zweiten Detektor 5. Beide Röhren-/Detektorsysteme rotieren während der Abtastung um ein Messfeld, welches hier durch eine Öffnung in dem Gantrygehäuse 6 beschrieben wird, während ein Patient P, der sich auf einer verfahrbaren Patientenliege 8 befindet, entlang einer Systemachse 9 durch das Messfeld geschoben wird. Die Bewegung des Patienten P kann hierbei sowohl kontinuierlich, als auch sequentiell erfolgen, beziehungsweise bei einer Untersuchung einer bestimmten Region kann der Patient an eine bestimmte Stelle verschoben werden, auf der er stationär während der Abtastung verharrt.
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Die Steuerung des CT-Systems 1 wird durch eine Regel- und Steuereinheit 10 übernommen, welche einen Speicher mit Computerprogrammen Prg1 bis Prgn aufweist, in denen die notwendigen Verfahren zur Steuerung des CT-Systems und zur Auswertung der empfangenen Detektordaten, einschließlich der Rekonstruktion entsprechender Bilddaten, gespeichert sind. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ebenfalls in einem Computerprogramm kodiert und im Programmspeicher der Steuer- und Regeleinheit 10, also einer Recheneinheit, implementiert sein, so dass dieses Verfahren im Betrieb des Systems in seinen Verfahrensschritten abgearbeitet wird.
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Die 7 zeigt ebenfalls ein CT-System in Gestalt eines C-Bogen-Systems 1, welches einen C-Bogen 7 aufweist, an dessen Enden sich eine Röntgenröhre 2 mit einem gegenüberliegenden Detektor 3 befinden. Dieser C-Bogen 7 kann mit Hilfe des Antriebsystems 6 rotatorisch um einen Patienten P bewegt werden, welcher sich auf einer Patientenliege 8 befindet. Aufgrund der Bauweise des C-Bogen-Systems 1 ist der Patient P während der Untersuchung leichter zugänglich.
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Die Regelung und Steuerung des C-Bogen-Systems 1 wird durch eine Regel- und Steuereinheit 10 ausgeführt, welche Computerprogramme Prg1 bis Prgn aufweist, wobei auch hier Programmcode im Speicher dieser Regel- und Steuereinheit vorgesehen sein kann, welcher im Betrieb das erfindungsgemäße Verfahren durchführt.
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Insgesamt wird also durch diese Erfindung ein Verfahren zur Erstellung einer tomographischen Temperaturkarte in einem Patienten mit einem CT-Gerät, eine Recheneinheit und CT-System mit Recheneinheit vorgestellt, wobei auf der Basis tomographischer Bilddaten aus unterschiedlichen Röntgenenergiebereichen die lokale Verteilung von Dichte und mittlerer Kernladungszahl ermittelt wird, und eine lokale Temperaturverteilung im Gewebe des Patienten aus zuvor experimentell ermittelten oder theoretisch berechneten Beziehungen zwischen Z-Werten, Dichte und Temperatur bestimmt werden.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008049604 A1 [0002]
