DE102011006501B4

DE102011006501B4 - Verfahren, Bildverarbeitungseinrichtung und Computertomographie-System zur Gewinnung eines 4D-Bilddatensatzes eines Untersuchungsobjekts, sowie Computerprogrammprodukt mit Programmcodeabschnitten zur Ausführung eines solchen Verfahrens

Info

Publication number: DE102011006501B4
Application number: DE102011006501.6A
Authority: DE
Inventors: Dr. Thesen Stefan; Johann Uebler; Dr. Haras Gabriel; Dr. Thierfelder Carsten
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2021-12-23
Anticipated expiration: 2031-04-01
Also published as: IN2012DE00388A; CN102727233B; DE102011006501A1; US9247912B2; CN102727233A; US20120250820A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines 4D-Bilddatensatzes (14) eines Untersuchungsobjekts (12) unter Verwendung von Messdaten eines Computertomographie-Systems (1), bei dem Projektionsdaten (18) übernommen werden, die mittels des Computertomographie-Systems (1) nach einer Kontrastmittelzufuhr (KM) zum Untersuchungsobjekt (12) zu unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkten (t1, t2) mittels eines Helix-Scan-Verfahrens akquiriert wurden. Auf Basis der Projektionsdaten (18) werden dann Bilddaten (20) des Untersuchungsobjekts (12) rekonstruiert und mit den Aufnahmezeitpunkten (t1, t2) zu einem Raum-/Zeitdatensatz (22) verknüpft. Es wird dann ein vorgegebenes parametrisiertes 4D-Bilddatenmodell (34) unter Anpassung (AN) an den Raum-/Zeitdatensatz (22) durch Variation von Modellparametern individualisiert. Ferner werden eine Bildverarbeitungseinrichtung (10) sowie ein Computertomograph-System (1) mit einer derartigen Bildverarbeitungseinrichtung (10) beschrieben. Die Erfindung betrifft zudem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodeabschnitten zur Ausführung eines solchen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Bildverarbeitungseinrichtung zur Gewinnung eines 4D-Bilddatensatzes eines Untersuchungsobjekts unter Verwendung von Messdaten eines Computertomographie-Systems sowie ein Computertomographiesystem mit einer solchen Bildverarbeitungseinrichtung. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodeabschnitten zur Ausführung eines solchen Verfahrens.
Mit Hilfe der Computertomographie (CT) können durch geeignete Mess- und Auswertungsverfahren Aussagen über die wesentlichen diagnostischen relevanten Parameter eines untersuchten Organs, insbesondere eines Herzens, getroffen werden. Insbesondere bei Untersuchungen im Herzbereich ist es wichtig, dass möglichst alle klinisch relevanten Parameter mit hoher Präzision und geringer Patientenbelastung, d.h. möglichst geringer Röntgendosis und Kontrastmittelmenge, erfasst werden.
In der Computertomographie werden derzeit bei Herzuntersuchungen meist folgende prinzipielle Auswertungen durchgeführt, wofür in der Regel eine Vielzahl unterschiedlichster Messungen erfolgen muss:

1. Suche und Bewertung von Kalzifizierungen in Koronargefäßen, an Herzklappen sowie der Aorta. Hierfür reicht in der Regel eine einfache Messung des Herzbereichs, d.h. ein einziger Scan, der den Herzbereich abdeckt, ohne Kontrastmittel aus.
2. Analyse der Koronargefäße zur Diagnose einer koronaren Herzkrankheit. Hierfür wird nach dem heutigen Stand der Technik das Herz durch mehrere Messungen zu verschiedenen Zeitpunkten des Herzschlages (d.h. in unterschiedlichen Herzphasen) aufgenommen. Die hierzu benötigte Dosis liegt derzeit im Bereich von 5 bis 10 mSv. Anschließend werden die Daten üblicherweise Schicht für Schicht analysiert, indem die innere und äußere Kontur des Herzmuskels des linken und/oder rechten Ventrikels automatisch oder interaktiv bestimmt wird.
3. Funktionsanalysen des Herzens, wie zum Beispiel die räumliche und zeitliche Analyse des linken und rechten Ventrikels zur Bestimmung von Form und Volumenänderung des Myokards sowie Myokardmasse und Auswurffraktion. Hierfür wird heutzutage üblicherweise ein sogenannter Multiphasen-Scan aufgenommen, wobei zur Bewegungsanalyse des Herzens zumeist nahezu der gesamte Herzzyklus als vierdimensionales Volumen erfasst wird. D.h. es wird ein 4D-Bilddatensatz generiert, der dreidimensionale räumliche Bilddaten zu unterschiedlichen Zeitpunkten beziehungsweise Bewegungsphasen enthält, was letztlich einer Art Film der Bewegung des Herzens entspricht.
4. Perfusionsmessungen zur Untersuchung der Durchblutung des Herzmuskels sowie zur Ermittlung von diagnostischen Parametern zu Blutvolumen und Blutfluss. Hierzu werden verschiedene Kontrastmittelaufnahmen gegebenenfalls auch zu unterschiedlichen Zeitpunkten des Kontrastmitteldurchgangs angefertigt. Bei manchen Verfahren werden zudem zeitaufgelöste Messungen des Herzvolumens durchgeführt, d.h. wieder eine Art 4D-Bilddatensatz aufgezeichnet.

Das Dokument US 2010 / 0 266 182 A1 offenbart eine Vorrichtung, z.B. ein CT, zum Bestimmen eines Parameters eines bewegten Objekts, z.B. eines Herzens.
Das Dokument US 2009 / 0 003 513 A1 offenbart eine Rekonstruktionseinheit zum Rekonstruieren von CT-Bilddaten des Herzens.
Das Dokument US 2009 / 0 123 050 A1 offenbart ein Verfahren und System zur automatischen Quantifizierung der Aortenklappenfunktion aus 4D-Computertomographiedaten unter Verwendung eines physiologischen Modells.
Das Dokument US 2011/0060 576 A1 offenbart ein Verfahren und System zur rechnerischen Modellierung von Aorta und Herz.
Das Dokument DE 10 2007 051 548 A1 offenbart ein Verfahren zur Messung der Herzperfusion in einem Patienten und CT-System zur Durchführung dieses Verfahrens.
Das Dokument US 2009 / 0 141 855 A1 offenbart ein CT Gerät und Verfahren zur helikalen Abtastung eines Untersuchungsobjekts, das mindestens einen Teil aufweist, der einer periodischen Bewegung unterliegt.
Neuere High-End Computertomographen ermöglichen durch den Einsatz von Helix-Scan-Verfahren mit einem besonders hohen Pitch, d.h. einer großen Ganghöhe, in einem sogenannten „Flash-Modus“ Aufnahmen des Herzens zu akquirieren. Für das Akquirieren im „Flash-Modus“ wird häufig ein Dual-Source-Computertomographie-System verwendet, dessen verfahrbare Patientenliege während der Aufnahmen z.B. mit Geschwindigkeiten von 40 cm/s bewegt wird. Das Dokument Produktbroschüre „SOMATOM Definition Flash“, Siemens AG, München, Nov. 2010, URL:

http://www.medical.siemens.com/siemens/it_lT/gg_ct_FBAs/files /brochures/CT_Definition _Flash.pdf [recherchiert am 27.1.2012] offenbart ein derartiges CT-Gerät. Dies erlaubt es, ein Herz (mit einer Abmessung von ca. 15 cm in Bewegungsrichtung der Patientenliege) in ca. 200 bis 250 ms abzutasten. So kann eine komplette 3D-Aufnahme in einer einzigen Bewegungsphase des Herzens akquiriert werden, was zu einer erheblichen Dosiseinsparung gegenüber bisherigen Verfahren führen kann. Dieser „Flash-Modus“ liefert jedoch nur eine Momentaufnahme in einer Art „Standbild“ des Herzens und erlaubt daher keine Funktionsanalyse des Herzens. Um dieses zu gewinnen, sind nach wie vor eine ganze Serie von sequenziellen Aufnahmen oder EKG-getriggerte Gesamtaufnahmen des Herzens erforderlich. Dies hat jedoch eine entsprechend höhere Strahlenbelastung zur Folge.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren, eine Bilddatenverarbeitungseinrichtung und ein Computertomographie-System bereitzustellen, mit dem ein 4D-Bilddatensatz für eine Funktionsanalyse mit reduzierter Strahlenbelastung des Untersuchungsobjekts erzeugt werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Gewinnung eines 4D-Bilddatensatzes eines Untersuchungsobjekts unter Verwendung von Messdaten eines Computertomographie-Systems werden Projektionsdaten übernommen, die mittels des Computertomographie-Systems zu unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkten mittels eines Helix-Scan-Verfahrens akquiriert wurden. Die mittels des Computertomographie-System gewonnenen Projektionsdaten können hierbei z. B. in abgespeicherter Form aus einer vorher durchgeführten Messung vorliegen und werden zur Durchführung des Verfahrens beispielsweise von einer erfindungsgemäßen Bildverarbeitungseinrichtung aus dem Speicher geladen. Alternativ kann auch die Messung der Projektionen unter Verwendung des Computertomographie-Systems selber im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Gewinnung eines 4D-Bilddatensatzes eines Untersuchungsobjekts erfolgen.
Erfindungsgemäß ist das Untersuchungsobjekt das Herz.
Bei einem Helix-Scan-Verfahren (oft auch als „Spiral-Scan“ bezeichnet) umlaufen die zu dem Computertomographie-System gehörende Röntgenröhre und - je nach Bauart auch der Detektor - das Untersuchungsobjekt helix- bzw. wendelförmig. Das heißt, während der Aufnahme der Projektionsdaten rotieren die Röntgenröhre und ggf. der Detektor um eine Drehachse um das Untersuchungsobjekt und zugleich wird das Untersuchungsobjekt entlang der Drehachse in einer Vorschubrichtung relativ zu Röntgenröhre und Detektor transversal verlagert.
Auf Basis der Projektionsdaten werden dann in bekannter Weise, z.B. durch eine herkömmliche Rückprojektion, Bilddaten des Untersuchungsobjekts rekonstruiert. Entsprechend den Projektionen, die ja zu unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkten gemessen wurden, zeigen diese Bilddaten auch das Untersuchungsobjekt zu unterschiedlichen Zeiten bzw. Aufnahmezeitpunkten. Anschaulich betrachtet, können dabei die Bilddaten als dünne Schichten des Untersuchungsobjekts angesehen werden, die das Untersuchungsobjekt in der jeweiligen Schicht zu einer bestimmten Zeit bzw. einem sehr kurzen Zeitabschnitt zeigen, in dem die Projektionen gemessen wurden, die zur Rekonstruktion der betreffenden Schicht herangezogen wurden.
Die rekonstruierten Bilddaten des Untersuchungsobjekts werden dann mit ihren Aufnahmezeitpunkten zu einem Raum-/Zeitdatensatz verknüpft. Der Raum-/Zeitdatensatz ist also räumlich und zeitlich aufgelöst, d. h. er enthält neben den eigentlichen räumlichen Bilddaten (auch „Ortsdaten“ genannt) Informationen darüber, zu welchem Aufnahmezeitpunkt diese Bilddaten aufgenommen wurden, wobei hier z.B. exakt ein Zeitpunkt auch repräsentativ für einen kurzen Zeitabschnitt angenommen werden kann, in dem die für die jeweiligen Bilddaten verwendeten Projektionen gemessen wurden. Der Raum-/Zeitdatensatz kann dabei ein voller 4D-Bilddatensatz sein, der räumliche volle 3D-Bildinformationen (d.h. Volumenbilddaten) plus den Zeitinformationen enthält, oder ein Datensatz sein, der räumliche 2D-Bilddaten (also z.B. einzelne Schichtbilder) sowie deren Lage zueinander plus Aufnahmezeitinformationen enthält.
Das Verknüpfen der Bilddaten mit den Aufnahmezeitpunkten zu einem Raum-/Zeitdatensatz kann durch Bilden eines neuen Datensatzes erfolgen, in dem in einem bestimmten Datenformat die räumlichen Bilddaten und die Informationen über die Aufnahmezeitpunkte einander zugeordnet eingetragen werden. Ein Beispiel ist hier wieder eine Art 3D-Film. Alternativ kann der Raum-/Zeitdatensatz auch mit Hilfe von Zeigern gebildet werden, die z. B. von Dateien mit den Ortsdaten auf die Zeitdaten verweisen oder umgekehrt.
Dieser Raum-/Zeitdatensatz wird in einem weiteren Schritt verwendet, um ein parametrisiertes 4D-Bilddatenmodell durch Variation von Modellparametern zu individualisieren. Das 4D-Bilddatenmodell ist dabei eine Art „Normfilm“, der z.B. aus einer Vielzahl von entsprechenden Messungen an Patienten oder Probanden ermittelt wurde. „Parametrisiert“ heißt dabei, dass das 4D-Bilddatenmodell bestimmte variable Parameter aufweist, durch die das 4D-Bilddatenmodell verändert werden kann. Es handelt sich somit um ein verallgemeinertes, aber variabel anpassbares Modell eines normierten Bewegungsablaufs eines „Norm-Untersuchungsobjekts“. Bei dem Bewegungsablauf kann es sich z. B. um den Herzzyklus eines schlagenden Herzens handeln. Bei den variablen Parametern des 4D-Bilddatenmodells kann es sich zum einen um räumliche Parameter handeln, wie z.B. bestimmte Abmessungen oder sonstige Formparameter des Untersuchungsobjekts (bei einem Herz zum Beispiel die Gesamtlänge des Herzens, die Abmessungen der Herzkammern, die Dicke der Wände der Herzkammer etc.), aber auch um zeitliche Parameter, die sich auf den Bewegungsablauf beziehen. Ein solches parametrisiertes 4D-Bilddatenmodell weist dabei in der Regel eine Vielzahl solcher variabler Parameter auf, beispielsweise bis zu 50 Parameter.
Da das 4D-Bilddatenmodell in generalisierter Form den Bewegungsvorgang des Untersuchungsobjekts wiedergibt, können nun die zu den verschiedenen Aufnahmezeitpunkten gewonnenen Bilddaten als Stützstellen verwendet werden, um die variablen Parameter des 4D-Bilddatenmodells so zu optimieren, dass das 4D-Bilddatenmodell möglichst gut an diese Bilddaten und an die zugehörigen Zeitpunkte angepasst ist. Als Ergebnis liegt dann ein individueller 4D-Bilddatensatz vor, der ein räumliches Bild des Untersuchungsobjekts während eines Bewegungsablaufs wiedergibt.
Somit erlaubt das Verfahren eine Reduzierung der Strahlenbelastung, da es zur Gewinnung des 4D-Bilddatensatzes lediglich nötig ist, zu im Verhältnis zur Gesamtdauer des Bewegungszyklus nur sehr wenigen ausgewählten Aufnahmezeitpunkten Messungen des Untersuchungsobjekts durchzuführen, wobei die Aufnahmezeitpunkten bevorzugt in nur wenigen, z.B. ein bis vier, vorzugsweise zwei, im Verhältnis zur Gesamtdauer des Bewegungszyklus kürzeren Messzeiträumen liegen. Durch die Aufnahme von Projektionsdaten lediglich zu den Aufnahmezeitpunkten muss also keine komplette Messung der gesamten Bewegungsphase des Untersuchungsobjekts erfolgen, um eine funktionelle Analyse des Untersuchungsobjekts durchführen zu können, was die Strahlenbelastung reduziert. So reicht es nun beispielsweise aus, mit einem dosisoptimierten Helix-Scan, insbesondere einem Scan im oben erwähnten „Flash-Modus“, jeweils ein schnelles „Standbild“ in einer systolischen und einer diastolischen Phase eines Herzens durchzuführen, um daraus ausreichende Informationen zur Beurteilung des vollen Bewegungszyklus zu ermitteln.
Vorzugsweise wird daher ein mit einem solchen Verfahren ermittelter 4D-Bilddatensatz in einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung von Struktur- und/oder Funktionsdaten eines Untersuchungsobjekts, besonders bevorzugt eines Herzens, eingesetzt, in dem dieser 4D-Bilddatensatz hinsichtlich der gewünschten Struktur- und/oder Funktionsdaten analysiert wird. Zu den vorzugsweise im Rahmen dieses Verfahrens analysierten Struktur- und/oder Funktionsdaten gehören zum einen Funktionsaussagen, wie bei einem Herzen die Bestimmung der Auswurffraktion, zum anderen aber auch Perfusionsmessungen. Welche genauen Struktur- und/oder Funktionsdaten mit Hilfe des 4D-Bilddatensatzes gewonnen werden können, hängt davon ab, welche Herzphasen erfasst wurden, unter welchen Bedingungen die Messungen durchgeführt wurden, also z.B. mit oder ohne Kontrastmittel, zu welchem Zeitpunkt der Kontrastmittelgabe, und welche weiteren Bilddatensätze eventuell vorhanden sind, z.B. ob neben einer Kontrastmittelmessung auch eine native Vergleichsmessung vorliegt oder ob ggf. eine Dual-Energy-Messung durchgeführt wurde. Verschiedene Möglichkeiten werden später noch erläutert.
Eine erfindungsgemäße Bildverarbeitungseinrichtung sollte zur Durchführung des Verfahrens zum einen eine Schnittstelle zur Übernahme von Projektionsdaten eines Untersuchungsobjekts, die mittels eines Computertomographie-Systems in der oben beschriebenen Weise akquiriert wurden, und zur Übernahme von Zeitdaten aufweisen, welche Informationen über die zu den Projektionsdaten gehörenden Aufnahmezeitpunkten enthält. Dabei kann eine solche Schnittstelle auch durch zwei separate Teilschnittstellen realisiert sein, zum Beispiel einer Projektionsdatenschnittstelle zum Scanner und einer Zeitdatenschnittstelle, die mit einer Zeitmesseinrichtung, einem Taktgeber oder dergleichen, beispielsweise einem EKG bei einer Herzuntersuchung, verbunden ist.
Die Bildverarbeitungseinrichtung weist weiterhin eine Rekonstruktionseinrichtung auf, um auf Basis der Projektionsdaten Bilddaten des Untersuchungsobjekts zu rekonstruieren und mit den Aufnahmezeitpunkten zu einem Raum-/Zeitdatensatz zu verknüpfen. Dabei kann es sich z. B. um eine herkömmliche Rekonstruktionseinheit handeln, welche zusätzlich entsprechend ausgestattet oder mit einer separaten Verknüpfungseinheit gekoppelt ist, um die Verknüpfung der Bilddaten mit den Zeitdaten zu realisieren.
Weiterhin wird eine Modellschnittstelle zur Übernahme eines vorgegebenen parametrisierten 4D-Bilddatenmodells benötigt. Hierbei kann es sich um eine Schnittstelle zu einem einfachen Speicher handeln, in dem das 4D-Bilddatenmodell hinterlegt ist. Prinzipiell können in einem solchen Speicher aber auch mehrere verschiedene 4D-Bilddatenmodelle hinterlegt sein und die Bildverarbeitungseinheit weist zusätzlich eine Auswahleinheit (zum Beispiel unter Verwendung einer Benutzerschnittstelle) aus, um ein 4D-Bilddatenmodell auszuwählen. So kann zwar zur Gewinnung des individualisierten 4D-Bilddatensatzes grundsätzlich ein einziges 4D-Bilddatenmodell für alle Untersuchungsobjekte eines bestimmten Untersuchungsobjekttyps, wie z. B. ein menschliches Herz, ausreichen. Eine erheblich schnellere und eventuell im Ergebnis noch bessere Anpassung des 4D-Bilddatenmodells an einen gemessenen Raum-/Zeitdatensatz kann jedoch dadurch erreicht werden, dass z.B. eine Auswahl des aktuellen 4D-Bilddatenmodells aus einer Vielzahl von patientenspezifischen 4D-Bilddatenmodellen erfolgt. Die verschiedenen 4D-Bilddatenmodelle können beispielsweise auf männliche und weibliche Patiententypen zugeschnitten sein. Ferner können 4D-Bilddatenmodelle zur Auswahl stehen, die z. B. auch auf Kinder, Jugendliche, Erwachsene oder anders gestaffelt nach Altersstufen zugeschnitten sind. Ebenso können unterschiedliche 4D-Bilddatenmodelle für verschiedene typische Krankheitsbilder vorliegen. Die Auswahl eines geeigneten 4D-Bilddatenmodells kann dabei automatisch, zum Beispiel auf Basis von Daten aus einer elektronischen Patientenakte, oder durch einen Benutzer erfolgen.
Schließlich benötigt eine erfindungsgemäße Bildverarbeitungseinrichtung eine Modellindividualisierungseinrichtung, um zur Erzeugung des individualisierten 4D-Bilddatensatzes das 4D-Bilddatenmodell unter Anpassung an den Raum-/Zeitdatensatz durch Variation von Modellparametern zu individualisieren.
Eine solche Bildverarbeitungseinrichtung kann Teil eines Computertomographie-Systems sein, d. h. sie kann beispielsweise auf einem Steuer- und Auswerterechner des Computertomographie-Systems installiert sein. Dementsprechend gehört zur Erfindung auch ein Röntgen-Computertomographie-System mit wenigstens einer Röntgenquelle und wenigstens einem Detektor, zur Akquisition von Projektionsdatensätzen eines Untersuchungsobjekts, und mit einer derartigen Bildverarbeitungseinrichtung. Grundsätzlich kann eine solche Bildverarbeitungseinrichtung aber auch als eigenständige Rechnereinheit bzw. auf einer anderen Rechnereinheit realisiert sein, die beispielsweise mit einem Röntgen-System über ein Netzwerk zur Datenübernahme verbunden ist und in sonstiger Weise mit entsprechenden Daten versorgt werden kann.
Insbesondere können die Rekonstruktionseinrichtung, ggf. die Verknüpfungseinheit, und die Modellindividualisierungseinrichtung jeweils als Softwaremodule auf einem geeigneten Rechner mit entsprechenden Speichermöglichkeiten realisiert sein. Ferner kann eine Schnittstelle z. B. in Form von reiner Software realisiert sein, sofern eine Übernahme der Daten aus anderen Programmeinheiten erfolgen kann. Grundsätzlich kann die Schnittstelle aber auch als kombinierte Hardware-/Software-Schnittstelle realisiert sein, um eine externe Eingabe zu realisieren, beispielsweise mit Hilfe von Softwarekomponenten mit speziell konfigurierten Hardware-Schnittstellen. Insofern gehört zur Erfindung ein Computerprogrammprodukt, welches direkt in einen Speicher eines Computers der Bildverarbeitungseinrichtung und/oder eines Computertomographie-Systems ladbar ist, mit Programmcodeabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
Die abhängigen Ansprüche und die weitere Beschreibung enthalten besonders vorteilhafte Gestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, wobei insbesondere die Ansprüche einer Kategorie auch analog den Ansprüchen einer anderen Kategorie weitergebildet sein können.
Das Untersuchungsobjekt kann prinzipiell ein Körper eines Lebewesens oder ein Körperteil hiervon sein. Bei dem Körperteil kann es sich insbesondere um ein Organ, wie z. B. das Herz, die Lunge, den Darm etc., eines Lebewesens handeln oder auch nur um einen Teil eines Organs oder funktionellen Organismuses, wie z.B. bestimmte Blutgefäßbereiche oder ein Darmabschnitt.
Das Verfahren kann vorteilhaft zur Gewinnung eines 4D-Bilddatensatzes bei beliebigen bewegten Objekten eingesetzt werden. Bei den Bewegungen kann es sich um peristaltische Bewegungen handeln, wie Schluckvorgänge oder Darmbewegungen. Vorzugsweise wird das Verfahren aber bei Untersuchungsobjekten eingesetzt, die sich zyklisch bewegen, d.h. die (mehr oder weniger regelmäßig) periodisch einen definierten Bewegungszyklus durchlaufen. Das Untersuchungsobjekt kann also z. B. auch eine Lunge sein, die während der Akquisition der Projektionsdaten Atmungsbewegungen durchführt. Besonders vorteilhaft ist, wie bereits oben erwähnt, der Einsatz des Verfahrens zur Datenaufnahme an einem schlagenden Herzen.
Die Aufnahmezeitpunkte werden vorzugsweise in Bezug zu der Bewegung definierte, z.B. bei einer zyklischen Bewegung auf einen bestimmten Referenzzeitpunkt im Bewegungszyklus bezogen. Im Falle der Datenaufnahme an einem Herzen kann z. B. ein Referenzzeitpunkt durch die R-Zacke im EKG des Herzens festgelegt werden.
Vorzugsweise werden Projektionsdaten in zumindest zwei zeitlich voneinander beabstandeten Aufnahmezeiträumen akquiriert. Das heißt, die beiden Aufnahmezeiträume sind durch eine Pause voneinander getrennt, in der das Computertomographie-System u. U. keine Projektionsdaten akquiriert. Es werden also die Aufnahmezeitpunkte so gewählt, dass zumindest ein Teil der Aufnahmezeitpunkte einen zeitlich großen Abstand in Bezug zur Gesamtdauer der Bewegung aufweisen. Dies führt bei nur relativ wenigen Stützstellen, d.h. nur geringer Datenmenge im Raum-/Zeitdatensatz, zu einer besseren Anpassung des 4D-Bilddatenmodells an den Raum-/Zeitdatensatz.
Besonders bevorzugt werden die unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkte hierbei so gelegt, dass sie mehrere Zeitpunkte innerhalb mindestens zweier im Bewegungszyklus voneinander beabstandeter, unterschiedlicher Bewegungsphasen des Untersuchungsobjekts umfassen. Im Fall eines Herzens können dies vorzugsweise die systolische Phase und die diastolische Phase sein. Da die Herzbewegung in der diastolischen Phase relativ gering ist, führt eine Akquisition von Projektionsdaten während der diastolischen Phase zu einer Aufnahme mit geringen Bewegungsartefakten. Die Datenakquisition in den verschiedenen Bewegungsphasen kann dabei in separaten Messungen bzw. Scans erfolgen. D.h. bei einer Herzaufnahme wird z.B. eine erste Messung durchgeführt, mit der ein Bilddatensatz während der diastolischen Phase gewonnen wird, und es wird eine zweite Messung durchgeführt, mit der ein Bilddatensatz während der systolischen Phase gewonnen wird. Dabei ist es grundsätzlich möglich, sowohl zuerst während der diastolischen Phase und anschließend während der systolische Phase Projektionsdaten zu akquirieren oder alternativ zuerst während der systolischen Phase und dann während der diastolische Phase. In der Zwischenzeit werden vorzugsweise keine Projektionsdaten akquiriert. Dies reduziert die Strahlenbelastung des Untersuchungsobjekts nochmals erheblich.
Die Akquisition der Projektionsdaten über verschiedene Aufnahmezeitpunkte hinweg kann mehrere Bewegungszyklen des Untersuchungsobjekts umfassen. Das heißt, ein erster Aufnahmezeitpunkt liegt innerhalb eines ersten Durchlaufs des Bewegungszyklus des Untersuchungsobjekts, während ein zweiter Aufnahmezeitpunkt innerhalb eines zweiten Durchlaufs des Bewegungszyklus des Untersuchungsobjekts liegt. Dies kann zu Abbildungsfehlern führen, da sich zwischen zwei Bewegungszyklen die Position des Untersuchungsobjekts verändern kann. Vorzugsweise werden daher die zu unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkten aufgenommenen Projektionsdaten, die innerhalb einer Bewegungsphase erfasst werden, auch innerhalb eines Bewegungszyklus erfasst. Werden also beispielsweise Projektionen eines Herzens in zwei unterschiedlichen Bewegungsphasen aufgenommen, so wird vorzugsweise versucht, die Messung zumindest so schnell zu machen, dass eine komplette Erfassung des Herzens in jeweils einer der Phasen innerhalb eines Herzzyklus abgeschlossen werden kann. Entsprechend gering ist damit die Wahrscheinlichkeit eines Auftretens von störenden Bewegungsartefakten.
Wie schon erwähnt, kann grundsätzlich auch ein Computertomographie-System mit nur einer Röntgenquelle und einem Detektorsystem verwendet werden. Vorzugsweise wird aber - insbesondere im Hinblick auf die bevorzugte schnelle Erfassung der Projektionen - im Rahmen der Erfindung ein Computertomographie-System mit zumindest zwei Röntgenröhren, also z.B. ein Dual-Source-CT, verwendet. Ein solches Dual-Source-CT weist üblicherweise zwei um 90° winkelversetzt an einer Gantry angeordnete und somit um eine gemeinsame Achse rotierbare Röntgenstrahler auf. Ein derartiges Computertomographie-System erlaubt eine schnellere Akquisition der für eine vollständige Rekonstruktion benötigten Projektionsdaten, da durch die beiden Röntgenröhren mit entsprechenden zugeordneten Detektorsystemen simultan unterschiedliche Projektionen des Untersuchungsobjekts erfasst werden können. Dies kann fast zu einer Halbierung der Messzeit führen. Anschaulich betrachtet beschreiben die beiden Röntgenröhren bei einem Helix-Scan die Trajektorien zweier verschlungener Helices bzw. Wendeln.
Dabei werden die beiden Röntgenröhren, wenn es nur um eine Beschleunigung der Messzeit geht, mit der gleichen Röntgenspannung betrieben. Alternativ können die beiden Röntgenröhren mit unterschiedlichen Röntgenspannungen betrieben werden, um so eine Dual-Energy-Messung durchzuführen. In einer derartigen Dual-Energy-Messung werden Bilddaten mit unterschiedlichen Röntgenenergien bzw. Röntgenenergiespektren erzeugt. Da die Abschwächung der meisten Materialien röntgenenergieabhängig ist, können aus den so gewonnenen Bilddaten zusätzlich ein kontrastverstärktes Bild und ein Nativbild rechnerisch erzeugt und dann zur weiteren Auswertung z. B. des Herzens verwendet werden. Jedoch erfordert eine derartige Dual-Energy-Messung eine längere Messzeit, als wenn die beiden Röntgenquellen zur Erstellung von gemeinsamen Bilddaten bei nur einer Röntgenenergie eingesetzt werden.
Während eines Helix-Scans wird das Untersuchungsobjekt auf einer Patientenliege relativ zum Projektionsaufnahmesystem, d.h. der Röntgenröhre bzw. den Röntgenröhren und zugehörigen Detektoren, verfahren. „Relativ“ heißt in diesem Zusammenhang, dass die Liege bei feststehendem Projektionsaufnahmesystem im Raum verfahren wird, oder umgekehrt das Projektionsaufnahmesystem relativ zur Liege verfahren wird, oder dass beide Komponenten gegeneinander verfahren werden. Da bei den meisten Systemen die Liege verfahren wird, wird auch im Folgenden - soweit nicht anders erwähnt ohne Beschränkung auf diese Variante - nur beispielhaft davon ausgegangen, dass die Liege verfahren wird und das Projektionsaufnahmesystem feststeht, beziehungsweise nur um die Vorschubrichtung rotiert.
Besonders bevorzugt wird das Verfahren der Patientenliege in Abhängigkeit von einem EKG-Signal eines zu untersuchenden Patienten oder Probanden bzw. dessen Herzen gesteuert. Durch das Heranziehen eines EKG-Signals zum Steuern des Verfahrens der Patientenliege kann sichergestellt werden, dass ein Aufnahmezeitpunkt in einer bestimmten Bewegungsphase, z. B. in der systolischen oder diastolischen Phase, liegt, wobei natürlich auch das Projektionsaufnahmesystem, d.h. die Röntgenröhre(n) und das Detektorsystem passend getriggert werden müssen. Als Referenzzeitpunkt, bzw. Triggerzeitpunkt kann beispielsweise die R-Zacke des EKGs herangezogen werden.
Um dann eine Aufnahme eines Herzens in ca. 200 bis 250 ms durchführen zu können, wird während der Akquisition der Projektionsdaten die Patientenliege vorzugsweise wenigstens zeitweise mit einer Vorschubgeschwindigkeit von bis zu 45 cm/s oder mehr bewegt. Dies erlaubt quasi eine Aufnahme von Standbildern in der diastolischen Phase und der systolischen Phase des Herzens.
Die Bewegungsrichtung der Patientenliege kann während der Aufnahme der beiden Phasen gleich sein. Hierzu wird am Ende der Messung z. B. der systolischen Phase die Bewegungsrichtung der Patientenliege zunächst umgekehrt und die Patientenliege wieder in ihre Ausgangsstellung zurückbewegt. Anschließend erfolgt ein erneuter Durchlauf in der diastolischen Phase des Herzens. Dies bedingt, dass die Aufnahmezeitpunkte der verschiedenen Bewegungsphasen in unterschiedlichen Herzzyklen liegen. Zudem wird durch das Zurückfahren der Patientenliege in die Ausgangsposition die Gesamtdauer des Messvorgangs unnötig verlängert, was Bewegungsartefakte, z.B. durch Bewegungen des Patienten/Probanden zwischen den einzelnen Aufnahmen, begünstigt. Vorzugsweise wird daher die Bewegungsrichtung der Patientenliege zwischen einer Aufnahme von Projektionsdaten in einer ersten und einer zweiten Bewegungsphase, besonders bevorzugt während eines Bewegungszyklus, umgekehrt. Das bedeutet, dass die Bewegungsrichtung der Patientenliege nach der ersten Aufnahme in der ersten Bewegungsphase umgekehrt wird und sofort darauf folgend während einer Rückfahrt des Tisches, entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung während des ersten Aufnahme, die Aufnahme in der zweiten Bewegungsphase erfolgt. Hierdurch kann die Gesamtmesszeit erheblich verkürzt werden, da keine Zeit für das Zurückfahren zur Ausgangsstellung der Patientenliege nötig ist. Insbesondere können so im Rahmen einer Herzaufnahme bei einer Optimierung der Tischbewegung und bei Verwendung von besonders schnellen Messverfahren wie dem „Flash-Modus“ die Aufnahmen in der systolischen Phase und in der diastolischen Phase sehr schnell hintereinander, beispielsweise in einem Zeitfenster von nur 6 s, gemessen werden.
Ein Parameter der bei einem Helix-Scan-Verfahren Einfluss auf die benötigte Zeit zur Erfassung eines Projektionsdatensatzes zu Rekonstruktion von Bilddaten für ein bestimmtes Volumens hat, ist der sogenannte „Pitch“ (Ganghöhe). Der Pitch ist definiert als der Quotient aus zurückgelegter Vorschubstrecke (normiert auf die Detektorbreite in z-Richtung, d.h. in Vorschubrichtung) pro vollständigen Umlauf der Röntgenquelle bzw. des Projektionsaufnahmesystems. Eine beschränkende Größe ist die Detektorbreite in Vorschubrichtung. Um z.B. ein Volumen mit einem Field of View von 50 cm gerade noch lückenfrei am Messrand zu erfassen, darf der Pitch maximal 1.5 sein, sprich der Vorschub in Detektorbreite in z-Richtung das 1.5 fache der Detektorbreite nicht überschreiten. Um im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens z.B. das komplette Herz während einer Herzphase zu erfassen, wird vorzugsweise für den Pitch ein Wert von mindestens 3 gewählt, besonders bevorzugt kann ein Pitch von bis zu 3,5 gewählt werden. Ein derartig hoher Pitch bewirkt neben einer Verkürzung der Messzeit zur Akquisition der Projektionsdaten und damit einer Reduzierung der Strahlenbelastung auch den negativen Einfluss von Bewegungsartefakten auf die Bildqualität.
Die Akquisition von Projektionsdaten kann bei variablen Geschwindigkeiten der Patientenliege erfolgen. Vorzugsweise wird jedoch vor Beginn der Akquisition der Projektionsdaten die Patientenliege während einer Beschleunigungsphase auf eine Messgeschwindigkeit beschleunigt. Somit ist sichergestellt, dass während der Akquisition der Projektionsdaten die Patientenliege, d. h. insbesondere zu den Aufnahmezeitpunkten, mit einer definierten konstanten Messgeschwindigkeit, von vorzugsweise z. B. 40 cm/s, bewegt wird und die Qualität der Bilddaten nicht durch Vorschubgeschwindigkeitsschwankungen negativ beeinflusst wird.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Computertomographie-Systems mit einer Bildverarbeitungseinrichtung,
2 eine schematische Darstellung eines EKGs,
3 ein Geschwindigkeitsprofil der Patientenliege,
4 ein Ablaufschema zur Gewinnung von Projektionsdaten,
5 ein Ablaufschema eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
6 eine schematische Darstellung zur Individualisierung eines 4D-Bilddatenmodells.

Bei dem in 1 gezeigten Computertomographie-System 1 handelt es sich um einen Dual-Source-Computertomographen 1. Dieser weist eine in einem Gantry-Gehäuse 6 untergebrachte Gantry (nicht dargestellt) auf, auf der zwei Strahler-/Detektorsysteme 42, 44 um 90° winkelversetzt angebracht sind, welche jeweils durch eine Röntgenröhre 2, 4 und einen gegenüberliegenden Detektor 3, 5 gebildet werden. Die Gantry mit den Röntgenröhren 2, 4 und den Detektoren 3, 5 rotiert während einer Aufnahme von Projektionsdaten um eine Systemachse 9. Das Untersuchungsobjekt 12 ist hier das Herz 12 eines Patienten 16. Der Patient 16 befindet sich auf einer entlang der Systemachse 9 verschiebbaren Patientenliege 8 und kann auf diese Weise während der Untersuchung entlang der Systemachse durch von den Strahler-/Detektorsystemen 42, 44 erfasstes Messfeld geschoben werden. Dabei kann die Patientenliege 8 in und entgegen der Richtung I verfahren werden. Der Dual-Source-Computertomograph 1 ist so aufgebaut, dass die Patientenliege 8 mit einem Pitch von bis 3,5 verfahren werden kann. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit einem Helix-Scan-Verfahren gemessen, d.h. dass gleichzeitig während des Umlauf der Strahler-/Detektorsysteme 42, 44 und der Akquisition von Projektionsdaten der Tisch bewegt wird.
Die Steuerung des Dual-Source-Computertomographen 1 und ggf. die Bildaufbereitung und das Verfahren zur Gewinnung eines 4D-Bilddatensatzes kann durch eine übliche Steuereinrichtung 7 durchgeführt werden. Diese Steuereinrichtung 7 weist daher hier zusätzlich eine erfindungsgemäß aufgebaute Bildverarbeitungseinrichtung 10 auf. Die Bildverarbeitungseinrichtung 10, insbesondere die nachfolgend beschriebenen Komponenten der Bildverarbeitungseinrichtung 10, können dabei zumindest teilweise auch in Form von Softwaremodulen auf einem oder mehrere zusammenwirkende Prozessoren mit entsprechenden Speichern realisiert sein. Dabei können auch Speicher und Prozessoren mitbenutzt werden, die ansonsten von der Steuereinrichtung 7 für andere Aufgaben, z. B. die Ansteuerung, verwendet werden.
Die Bildverarbeitungseinrichtung 10 weist hier eine Schnittstelle 24 zur Übernahme der Projektionsdaten 18 des Herzens 12 auf, die von den Detektoren 3, 5 während eines Helix-Scan-Verfahrens zu unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkten erfasst wurden. Außerdem erfolgt über diese Schnittstelle 24 auch eine Übernahme von Zeitdaten, welche Informationen über die zu den Projektionsdaten 18 gehörenden Aufnahmezeitpunkten t₁, t₂ enthält. Diese Zeitdaten können bereits mit den Projektionsdaten in einem Datenformat übermittelt werden. Sie können aber auch von einem separaten Gerät, beispielsweise einem an den Patienten 16 angeschlossenen EKG-Gerät (nicht dargestellt), übernommen werden.
Weiterhin weist die Bildverarbeitungseinrichtung 10 eine Rekonstruktionseinrichtung 26 auf, um auf Basis der Projektionsdaten 18 dreidimensionale Bilddaten 20 des Untersuchungsobjekts 12 zu rekonstruieren. Hierbei kann es sich um eine übliche Rekonstruktionseinrichtung handeln. Diese muss lediglich so ausgestaltet bzw. modifiziert sein, dass sie in der Lage ist, die rekonstruierten Bilddaten mit den Aufnahmezeitpunkten t₁, t₂ zu einem Raum-/Zeitdatensatz 22 zu verknüpfen und in einem passenden Datenformat abzuspeichern.
Dies kann zum einen so erfolgen, dass die Rekonstruktionseinheit fortlaufend während der Rekonstruktion die Bilddaten den jeweiligen Zeitpunkten zuordnet. Alternativ kann die Rekonstruktionseinrichtung auch zunächst aus den Projektionsdaten des Helix-Scans ein komplettes dreidimensionales Bilddatenvolumen rekonstruieren und die Bilddaten dann z.B. in einer Zerlegeeinheit entsprechend ihrer Aufnahmezeitpunkte und - position in einzelne Schichtbilder zerlegen und anschließend die Schichtbilder in einer Zuordnungseinheit den Zeitdaten in einem Raum-/Zeitdatensatz zuordnen. Die Zerlegeeinheit und die Zuordnungseinheit (beide nicht dargestellt) können beispielsweise auch in Form von geeigneter Software, auch als Teil einer modifizierten Rekonstruktionseinheit, realisiert sein.
Außerdem besitzt die Bildverarbeitungseinrichtung 10 eine Modellschnittstelle 28 zur Übernahme eines vorgegebenen parametrisierten 4D-Bilddatenmodells 34. Hierzu können in einem Speicher (nicht dargestellt) eine Anzahl verschiedener 4D-Bilddatenmodelle hinterlegt sein und über eine Auswahleinheit der Modellschnittstelle 28, wird für die aktuelle Untersuchung ein geeignetes 4D-Bilddatenmodell ausgewählt.
Eine Modellindividualisierungseinrichtung 30, dient dann dazu, das 4D-Bilddatenmodell 34 an den Raum-/Zeitdatensatz 22 durch Variation von Modellparametern anzupassen. Hierzu können übliche Anpassungsverfahren bzw. Fit-Verfahren verwendet werden, beispielsweise Optimierungsverfahren, die darauf abzielen, eine mittlere quadratische Abweichung zwischen bestimmten Punkten des Raum-/Zeitdatensatzes 22 und des 4D-Bilddatenmodells 34 zu minimieren. Auf diese Weise wird das 4D-Bilddatenmodell 34 individualisiert bzw. somit ein individueller 4D-Bilddatensatz 14 erzeugt, der die tatsächlichen Vorgänge und Geometrien im konkreten Untersuchungsobjekt, im vorliegenden Fall beispielsweise die exakte Bewegung des Herzens, die maximale und minimale Ausdehnung der Herzkammer, die Bewegung der Herzklappen, die Änderung der Herzwanddicken etc., während eines Bewegungszyklus sehr gut wiedergibt.
In einer Analyseeinheit 32 der Bildverarbeitungseinrichtung 10 wird dann, wie später noch erläutert wird, der individuelle 4D-Bilddatensatz 14 hinsichtlich bestimmter Parameter wie z.B. die zuvor erwähnte maximale und minimale Ausdehnung der Herzkammer, die Änderung der Herzwanddicken etc. analysiert. Die Daten werden dabei beispielsweise für einen Befunder bereits aufbereitet und in einer gewünschten Darstellung, z.B. einem Polarplot, ausgegeben.
Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass das Computertomographie-System 1 und insbesondere die Steuereinrichtung 7 mit der Bildverarbeitungseinrichtung 10 auch in anderer Weise ausgestaltet sein kann, und vor allem auch noch weitere Komponenten aufweisen kann, als sie vorstehend beschrieben wurden. So kann beispielsweise die Steuereinrichtung 7 noch eine oder mehrere Speichereinheiten aufweisen, in der z.B. die Projektionsdaten, daraus rekonstruierte Bilddaten, individualisierte 4D-Bilddatensätze etc. abgespeichert werden können. Außerdem kann die Steuereinrichtung 7 über eine geeignete Schnittstelle mit einem Netzwerk (nicht dargestellt) verbunden sein, über das Daten übernommen und versendet werden können, beispielsweise um 4D-Bilddatenmodelle zu übernehmen und fertig rekonstruierte Bilddaten und individualisierte 4D-Bilddatensätze an Massenspeicher, Befundungsstationen zu übertragen.
Im Folgenden wird nun die Gewinnung von Projektionsdaten 18 eines Untersuchungsobjekts 12 anhand der 2, 3 und 4 erläutert, wobei hier als Beispiel von einer Kontrastmittelaufnahme eines Herzens 12 ausgegangen wird.
Hierzu wird ein in 2 dargestelltes EKG-Signal 56 des Herzens 12 ausgewertet, welches mit einem üblichen EKG-Gerät (nicht dargestellt), das beispielsweise mit der Steuereinrichtung 7 datentechnisch verbunden ist, am Patienten 16 aufgezeichnet wird. Das dargestellte EKG-Signal 56 gibt einen Herzzyklus 52 grob schematisch wieder, den das schlagende Herz 12 periodisch ständig durchläuft. Der Herzzyklus 52 umfasst eine in etwa mit einer sogenannten „R-Zacke“ 54 beginnende systolische Phase 36 und sich daran anschließende diastolische Phase 38.
Vor Beginn der Akquisition AK (siehe 4) der Projektionsdaten 18 wird das EKG-Signal 56 über einen längeren Zeitraum ausgewertet, um sicherzustellen, dass ein gleichmäßiger Herzrhythmus vorliegt und somit der Herzzyklus 52 in gewissen Grenzen möglichst gut vorhersagbar ist.
Wenn ein regelmäßiger Herzrhythmus vorliegt oder der Herzrhythmus z.B. durch Trendanalysen ausreichend vorhersagbar ist, erfolgt eine Festlegung der Aufnahmezeitpunkte t₁, t₂ (siehe 2) für die Akquisition AK der Projektionsdaten 18, z. B. durch die Steuereinrichtung 7. Hierzu wird der Herzrhythmus ausgewertet und zusammen mit der Zeitdauer zum Verteilen des Kontrastmittels ein Beschleunigungsprofil für die Patientenliege 8 ermittelt, um sicherzustellen, dass nach einer Kontrastmittelgabe KM (siehe 4) zum Zeitpunkt t_k (siehe 2) sich das Herz 12 während der Aufnahmezeitpunkte t₁, t₂ im Messfeld der Strahler-/Detektorsysteme 42, 44 befindet. In 2 sind nur zwei Aufnahmezeitpunkte t₁, t₂ in unterschiedlichen Herzphasen dargestellt. Jeder dieser Aufnahmezeitpunkte t₁, t₂ repräsentiert eine Vielzahl von eng benachbarten Aufnahmezeitpunkten, an denen jeweils zur Rekonstruktion der Bilddaten des kompletten Herzens in dieser Herzphase ausreichende Projektionsdaten 18 aufgenommen werden.
Üblicherweise erfolgt die Kontrastmittelgabe KM in einem ersten Schritt 40s bis 50s bevor die ersten Projektionsdaten 18 akquiriert werden. Die Akquisition AK der Projektionsdaten 18 erfolgt dann wie nachfolgend beschriebenen in zwei Teilschritten in einem so genannten High-Pitch-Spiralverfahren mit einer Tischgeschwindigkeit von 45 cm/s und einem Pitch von 3,4. Dabei werden die beiden Röntgenröhren der beiden Strahler-/Detektorsysteme 42, 44 mit der gleichen Röntgenspannung betrieben, um die Aufnahmezeit zu beschleunigen und eine optimale Zeitauflösung zu erhalten. Da sich so Scangeschwindigkeiten bis zu 450 mm/s erreichen lassen, können auch „Momentaufnahmen“ von schnell bewegten Organen wie einem Herzen angefertigt werden. Zudem sind mit derartigen Aufnahmeverfahren sehr dosisarme Darstellungen, insbesondere der Koronargefäße, möglich. So benötigen entsprechende Messungen nur eine Dosis von ca. 1 mSv.
Hierzu wird Z.B. nach Detektion einer R-Zacke 54 des EKG 56 zum Zeitpunkt t₀ in einem zweiten Schritt in einer Beschleunigungsphase TB (siehe 4) die Patientenliege 8 in die Richtung I entlang der Systemachse 9 (siehe 1) beschleunigt, bis diese die Geschwindigkeit von 40 cm/s erreicht hat (siehe 3).
Die Beschleunigungsphase TB wird dabei so gewählt, dass sich das Herz 12 zum Zeitpunkt einer diastolischen Phase 38 im Messfeld der Strahler-/Detektorsysteme 42, 44 befindet, und sämtliche Projektionsdaten zur Erfassung des Herzvolumens in dieser Phase 38 in einem Schritt „Abtasten der Diastole“ AD während eines ersten Herzzyklus 52 erfasst werden. Dieser Schritt dauert aufgrund des schnellen optimierten Scan-Verfahrens nur ca. 200-250 ms. Dennoch handelt es sich hierbei um eine Vielzahl von einzelnen kurz aufeinanderfolgenden Messzeitpunkten, die in den Figuren durch einen einzelnen Zeitpunkt t₁, beispielsweise dem Start-Zeitpunkt, der Messung repräsentiert wird.
Nachdem das Herz in der diastolischen Phase 38 komplett erfasst wurde, wird in einer reziproken Beschleunigungsphase TB' die Patientenliege 8 gestoppt und in einer zur Richtung I entgegen gesetzten Bewegungsrichtung entlang der Systemachse 9 beschleunigt, bis sie wieder die Messgeschwindigkeit von 40 cm/s erreicht hat. Dabei erfolgt das Abbremsen und erneute Beschleunigen so, dass der Tisch mit der richtigen Geschwindigkeit zum passenden Zeitpunkt sich relativ zum Scanner an einem Ort befindet, dass sich das Herz 12 während der systolischen Phase 36 im Messfeld der Strahler-/Detektorsysteme 42, 44 befindet und eine weitere Aufnahme des kompletten Herzens erfolgen kann. Es folgt dann der Schritt „Abtasten der Systole“ AS zum Zeitpunkt t₂ (siehe 4), wobei auch hier die gesamte, aus einer Vielzahl von einzelnen Messzeitpunkten gebildete Zeitspanne nur durch einen Zeitpunkt t₂ repräsentiert wird.
3 zeigt grob schematisch ein Geschwindigkeitsprofil der Patientenliege während des gesamten Messablaufs dieser beiden aufeinanderfolgenden Messungen. Um die Anpassung des Geschwindigkeitsprofils an die Herzphasen zwischen den beiden Messungen zu erreichen, wird am einfachsten eine auf den Herzzyklus abgestimmte Pause berechnet und zwischen den beiden Messungen eingefügt, bevor die Rückfahrt des Tisches erfolgt. Vorzugsweise erfolgt aber eine dynamische Anpassung der Länge des Verfahrweges des Tisches, so dass es zu keiner Bewegungspause kommt und sich eine für den Patienten angenehme Pendelbewegung des Tisches ergibt. Diese Pendelbewegung vermeidet zusätzliche Bewegungsartefakte, da Ruckbewegungen vermieden werden. Der Gesamtablauf der Messung erfolgt wie oben beschrieben a priori aufgrund einer Prädiktion des EKG-Signals. Alternativ kann der beschriebene Vorgang auch in Echtzeit unter Berücksichtigung des aktuellen EKG-Signals dynamisch gestaltet bzw. optimiert werden.
Die Messungen in den beiden Herzphasen können beispielsweise mit einem Somatom Definition Flash der Firma Siemens mit dem zuvor beschriebenen Verfahren in einem Zeitfenster von nur ca. 6 s erfolgen, was die Anwendung eines normalen Injektionsprotokolls ermöglicht.
Somit liegen als Ergebnis der beiden Akquisitionsschritte AK Projektionsdaten 18 vor, die zu unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkten t₁, t₂ während unterschiedlicher Herzphasen 36, 38 aufgenommen wurden, wobei der erste Aufnahmezeitpunkt t1 in der diastolischen Phase 38 liegt, während der zweite Aufnahmezeitpunkt t₂ in der systolischen Phase 36 der Herzens 12 liegt.
Es ist klar, dass das Verfahren ebenso durchgeführt werden kann, dass zuerst in der systolischen Phase eine Aufnahme erfolgt und dann in der diastolischen Phase. Beispielsweise kann an einer Benutzerschnittstelle für jeden Scan individuell die gewünschte Herzphase bestimmt werden und auch eine Anzahl von möglichen Wiederholungen festgelegt werden. Die Berechnung des jeweils optimalen Verfahrweges des Tisches oder der benötigten Pausen wird dementsprechend angepasst.
Es wird nun anhand der 5 der Vorgang der Erstellung eines 4D-Bilddatensatzes 14 auf Basis der Projektionsdaten 18 erläutert.
In einem ersten Schritt werden die Projektionsdaten 18 einer Rekonstruktion RE unterzogen. Eine derartige Rekonstruktion RE ist dem Fachmann geläufig und wird daher hier nicht weiter erläutert.
Als Ergebnis der Rekonstruktion RE liegen Volumen-Bilddaten 20 vor. Diese Bilddaten 20 werden in der Speichereinheit 24 der Bildverarbeitungseinrichtung 10 (siehe 1) abgespeichert.
Die Bilddaten 20 stellen quasi 3D-Momentaufnahmen eines schlagenden Herzens 12 dar, die in den beiden Herzphasen 36, 38 aufgenommen wurden. Da das Akquirieren der Projektionsdaten 18 zu den beiden Aufnahmezeitpunkten t₁, t₂ eine gewisse Messdauer in Anspruch nimmt, enthalten die Bilddaten 20 aber genau genommen eine Vielzahl von räumlich unterschiedlichen Bildabschnitten, die während der Messdauer zu unterschiedlichen Messzeitpunkten akquiriert wurden.
In einem weiteren Schritt „Zerlegen“ ZE werden die Bilddaten 20 z.B. in einzelne Schichtbilder zerlegt und die zerlegten Bilddaten 40 werden dann in einen Zuordnungsschritt ZO jeweils bestimmten exakten Aufnahmezeitpunkten zugeordnet, an denen die Projektionsdaten akquiriert wurden, welche für die Rekonstruktion des betreffenden Schichtbilds herangezogen wurden. Durch diese Zuordnung der zerlegten Bilddaten 40 zu den Aufnahmezeitpunkten wird ein Raum-/Zeitdatensatz 22 gebildet. Dabei sind die Zeitpunkte jeweils relativ zu einem Referenzzeitpunkt innerhalb des Herzzyklus angegeben, unabhängig davon, in welchem Herzzyklus die Aufnahme des jeweiligen Bildes erfolgte.
In einem weiteren Schritt „Modellauswahl“ MA wird ein geeignetes parametrisiertes 4D-Bilddatenmodell 34 ausgewählt, welches die innere und äußere Kontur des Herzens 12 während eines gesamten Herzzyklus 52 oder über mehrere Herzzyklen beschreibt. Ein solches 4D-Bilddatenmodell umfasst dabei eine Vielzahl von 3D-Datensätzen 58 eines Herzens 12, die zeitlich hintereinander angeordnet sind und bei einer Wiedergabe auf einem Display beim Betrachter den Eindruck eines schlagenden Herzens 12 erzeugen würden. In 6 ist ein solches 4D-Bilddatenmodell 34 in Form mehrere 3D-Datensätzen 58 über einer Zeitachse t schematisch dargestellt. Es handelt sich somit bei dem 4D-Bilddatenmodell 34 um eine Art „Normfilm“ eines standardisierten Herzens 12, wobei verschiedene 4D-Bilddatenmodelle für unterschiedliche Patiententypen zur Auswahl zur Verfügung stehen.
In einem nachfolgenden Anpassungsschritt AN erfolgt eine Anpassung des 4D-Bilddatenmodells 34 an den Raum-/Zeitdatensatz 22, um einen individuellen 4D-Bilddatensatz 14 für das aktuelle Untersuchungsobjekt 12, von dem der Raum-/Zeitdatensatz 22 stammt, zu erzeugen. Hierzu werden die Daten des Raum-/Zeitdatensatzes 22, wie in 6 schematisch dargestellt, quasi als Stützstellen verwendet, um die variablen Parameter des parametrisierten 4D-Bilddatenmodells 34 so einzustellen, dass die 3D-Bilddatensätze 58' an den zeitlichen Positionen, an denen Bilddaten des Raum-/Zeitdatensatzes 22 vorliegen, möglichst gut an diese Bilddaten angepasst werden. Das Ergebnis ist dann ein individualisiertes 4D-Bilddatenmodell bzw. ein individueller 4D-Bilddatensatz 14 für das zu untersuchende Herz 12.
Unter Verwendung des so erzeugten 4D-Bilddatensatzes 14 ist dann eine Funktionsaussage für das aktuell untersuchte Herz durch eine Analyse der Herzbewegungen ermöglicht. So können durch die Analyse der Form und Volumenänderung des Myokards des linken und rechten Ventrikels Aussagen über die Auswurffraktion, die Masse des Myokards etc. gewonnen werden. Ebenso sind die innere und äußere Herzkontur über der Zeit bekannt. Die daraus gewonnenen Daten beziehungsweise Parameter werden dann z.B. in üblicher Weise als Polar Plot, beispielsweise als 12-Segmentdarstellung, wiedergegeben.
Die obigen Messungen betreffen eine Erfassung der diastolischen Phase und der systolischen Phase nach einer Kontrastmittelgabe. Beide Messungen sind mit einem High-Pitch-Spiral-Scan einer relativ geringen Dosis von jeweils nur ca. 1 mSv durchführbar. Vorzugsweise wird zusätzlich für eine nahezu vollständige Herzuntersuchung noch ein weiterer High-Pitch-Spiral-Scan in der diastolischen Phase ohne Kontrastmittel (native Messung) durchgeführt. Diese Messung ist mit einer noch geringeren Dosis von nur ca. 0,3 mSv möglich.
Mit diesen drei Messungen sind bereits folgende Auswertungen möglich:

Die native Messung ermöglicht eine Auswertung und Diagnose von Koronar-, Herzklappen- und Aortenkalk.

Die Kontrastmittelmessung in der Diastole ermöglicht eine Auswertung und Diagnose der Herzkranzgefäße und umliegenden Organe.
Durch eine Kombination der nativen Messung und der diastolischen Kontrastmittelmessung lässt sich die sogenannte „First Pass Enhancement Myocardperfusion“ analysieren. Dabei wird eine mit einer Dual-Energy-Messung vergleichbare Qualität erreicht, jedoch mit einer deutlich geringeren Dosis.
Durch die erfindungsgemäße Erstellung eines individuellen 4D-Bilddatensatzes 14 auf Basis der diastolischen und der systolischen Messung sind alle notwendigen Funktionsauswertungen möglich.
Insgesamt erlaubt also das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Dosis von unter 3 mSv nahezu die gleichen Informationen zu erhalten wie bisher übliche Verfahren mit mehr als 10 mSv.
Optional können noch weitere Zusatzmessungen durchgeführt werden, die auch jeweils nur eine Dosis von ca. 1 mSv benötigen.
So kann beispielsweise ohne weitere Kontrastmittelgabe nach einer Wartezeit ein weiterer Scan in der diastolischen Phase erfolgen, um eine Analyse des sogenannten „Late Enhancement“ des Myokards (Rest oder Stress) durchzuführen. Hierzu wird die native Messung (nach geeigneter elastischer Registrierung der Bilddaten zur Reduzierung von Bewegungsartefakten) zur Kalibrierung des Myokardbildes der „Late Enhancement Myokardsperfusion“ aus dieser Zusatzmessung verwendet. Hierdurch wird eine vergleichbare Qualität wie bei einer Dual-Energy-Messung mit extrahiertem Jod- und Nativbild erreicht, jedoch wieder mit deutlich geringerer Dosis.
Weiterhin ist es möglich bei einer weiteren Kontrastmittelgabe noch eine Messung der diastolischen Phase unter Stress durchzuführen, um eine so genannte Reststressanalyse des Herzmuskels zu erlauben. Dabei wird auch die native Messung nach einer entsprechenden Registrierung zur Kalibrierung des Myokardbildes dieser zusätzlichen Stressmessung verwendet. Auch bei dieser Messung wird eine vergleichbare Qualität wie bei einer Dual-Energy-Messung mit extrahiertem Jod- und Nativbild jedoch mit deutlich geringerer Dosis erreicht.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Verfahren und Einrichtungen lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung handelt und dass die Erfindung vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung des unbestimmten Artikels „ein“ bzw. „eine“ nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.

Claims

Verfahren zur Gewinnung eines 4D-Bilddatensatzes (14) eines Herzens (12), bei dem Projektionsdaten (18) übernommen werden, die mittels des Computertomographie-Systems (1) zu unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkten (t₁, t₂) mittels eines Helix-Scan-Verfahrens mit einem Pitch von mindestens drei akquiriert (AK) wurden, auf Basis der Projektionsdaten (18) Bilddaten (20) des Herzens (12) rekonstruiert werden und mit den Aufnahmezeitpunkten (t₁, t₂) zu einem Raum-/Zeitdatensatz (22) verknüpft werden, und ein vorgegebenes parametrisiertes 4D-Bilddatenmodell (34) unter Anpassung (AN) an den Raum-/Zeitdatensatz (22) durch Variation von Modellparametern individualisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkte (t₁, t₂) mehrere Zeitpunkte innerhalb mindestens zweier voneinander beabstandeter Bewegungsphasen (36, 38), nämlich eine systolische Phase (36) und eine diastolische Phase (38) eines Herzens (12) umfassen.
Verfahren zur Gewinnung eines 4D-Bilddatensatzes (14) eines Herzens (12) unter Verwendung eines Computertomographie-Systems (1), bei dem zu unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkten (t₁, t₂) mittels eines Helix-Scan-Verfahrens Projektionsdaten (18) mit einem Pitch von mindestens drei akquiriert (AK) werden, und dann auf Basis der Projektionsdaten (18) mit einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche mit den Aufnahmezeitpunkten (t₁, t₂) korrigierte Bilddaten (20) des Herzens (12) rekonstruiert (RE) werden und auf Basis dieser Bilddaten (20) ein 4D-Bilddatenmodell (34) individualisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die innerhalb einer Bewegungsphase (36, 38) des Herzens (12) zu unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkten (t₁, t₂) aufgenommenen Projektionsdaten (18) innerhalb eines Bewegungszyklus (52) des Herzens(12) erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dual-Source-Computertomograph (1) mit mindestens zwei Röntgenröhren (2, 4) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Messungen zur Gewinnung von 4D-Bilddatensätzen (14) des Herzens (12) unter Verwendung des Computertomographie-Systems (1) durchgeführt werden, bei denen jeweils zu unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkten (t₁, t₂) mittels des Helix-Scan-Verfahrens Projektionsdaten (18) akquiriert (AK) werden, wobei zumindest eine der Messungen nach einer Kontrastmittelgabe (KM) zum Herz (12) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Herz (12) auf einer Patientenliege (8) des Computertomographie-Systems (1) relativ zu einem Projektionsaufnahmesystem des Computertomographie-Systems (1) in Abhängigkeit von einem EKG-Signal (56) verfahren wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Bewegungsrichtung einer Patientenliege (8) des Computertomographie-Systems (1) zwischen einer Aufnahme von Projektionsdaten in einer ersten und einer zweiten Bewegungsphase (36, 38) des Herzens (12) umgekehrt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor Beginn der Akquisition (AK) der Projektionsdaten (18) die Patientenliege (8) während einer Beschleunigungsphase (TB) relativ auf eine Messgeschwindigkeit beschleunigt wird.
Verfahren zur Ermittlung von Struktur- und/oder Funktionsdaten eines Herzens (12), auf Basis einer Computertomographie-Messung, wobei mit einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche ein 4D-Bilddatensatz (14) des Herzens (12) generiert wird und dieser 4D-Bilddatensatz (14) hinsichtlich der Struktur- und/oder Funktionsdaten analysiert wird.
Bildverarbeitungseinrichtung mit - einer Schnittstelle (24)zur Übernahme von Projektionsdaten (18) eines Herzens (12), die mittels eines Computertomographie-Systems (1) zu unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkten (t₁, t₂) mittels eines Helix-Scan-Verfahrens mit einem Pitch von mindestens drei akquiriert (AK) wurden, und zur Übernahme von Zeitdaten, welche Informationen über die zu den Projektionsdaten (18) gehörenden Aufnahmezeitpunkten (t₁, t₂) enthält, - einer Rekonstruktionseinrichtung (26), um auf Basis der Projektionsdaten (18) Bilddaten (20) des Herzens(12) zu rekonstruieren und mit den Aufnahmezeitpunkten (t₁, t₂) zu einem Raum-/Zeitdatensatz (22) zu verknüpfen, - eine Modellschnittstelle (28) zur Übernahme eines vorgegebenen parametrisierten 4D-Bilddatenmodells (34), - eine Modellindividualisierungseinrichtung (30), um das 4D-Bilddatenmodell (34) unter Anpassung (AN) an den Raum-/Zeitdatensatz (22) durch Variation von Modellparametern zu individualisieren.
Computertomographie-System (1) mit wenigstens einer Röntgenquelle und wenigstens einem Detektor zur Akquisition von Projektionsdatensätzen eines Herzens und mit einer Bildverarbeitungseinrichtung (10) nach Anspruch 11.
Computerprogrammprodukt, welches direkt in einen Speicher einer Bildverarbeitungseinrichtung (10) und/oder eines Computertomographie-Systems (1) ladbar ist, mit Programmcodeabschnitten, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen, wenn das Programm in der Bildverarbeitungseinrichtung (10) und/oder dem Computertomographie-System (1) ausgeführt.