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Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Microelektronik und der Medizintechnik und betrifft insbesondere eine Steuereinheit zur Steuerung einer Dual-Energy Tomosynthese.
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Die kontrastmittelgestützte Dual-Energy Tomosynthese (Contrast Enhanced Dual Energy Tomosynthes – CEDET) ist eine neue Methode in der Mammographie. Bei dieser Dual-Energy Bildgebung werden zunächst Niedrigenergiebilder ohne Kontrastmittelapplikation akquiriert und anschließend werden hochenergetische Röntgenbilder nach einer Kontrastmittelinjektion erzeugt. Daran schließt sich ein Berechnungsverfahren an, bei dem die hochenergetischen Röntgenbilder von den niedrigenergetischen Röntgenbildern gewichtet subtrahiert werden. Ziel ist es, bestimmte Gewebestrukturen (z. B. Tumorgewebe oder Mikrokalzifikationen) besser erkennen zu können. Die physikalischen Grundlagen für ein Tomosyntheseverfahren sind unter anderem beschrieben in Bittner U., Düber C., Koch R., et al, „Digital Multilayer Tomographie: A New Method of Implementing Classical Serioscopy”, Electromedica, 1989; 57:36. Bei der Tomosynthese werden eine Vielzahl von Projektionsaufnahmen aus unterschiedlichen Winkeln bzw. Richtungen akquiriert. Aus den so erhaltenen Bilddatensätzen wird anschließend ein Datenvolumen des zu untersuchenden Objektes (in der Regel der weiblichen Brust; die vorliegende Anmeldung ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt) rekonstruiert. Der Vorteil des Verfahrens ist darin zu sehen, dass auch solche Gewebeschichten besser erfasst werden können, die tiefer im Untersuchungsobjekt angeordnet sind und/oder die von dichteren Gewebestrukturen (z. B. Fettgewebe) überlagert werden.
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Eine Verbesserung der Tomosyntheseverfahren ist in der Verwendung einer konstrastmittelgestützten Tomosynthese zu sehen. Dabei wird vor Ausführung der hochenergetischen Röntgenbilder der Patientin ein Kontrastmittel (in der Regel Jod) intravenös verabreicht, bevor die Brust durchleuchtet wird. Die hochenergetischen Aufnahmen, die in der Regel mit einem Energielevel über 33 kV gefahren werden, dienen dazu, die Kontrastmittelanreicherung im Gewebe und dessen Verlauf über die Zeit zu erfassen. Da malignes Tumorgewebe einen anderen Kontrastmittelverlauf (Enhancement) über die Zeit aufweist als benignes Gewebe, kann aufgrund der Kontrastmitteldarstellung auf das Vorhandensein von Tumorgewebe geschlossen werden.
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Bei der digitalen Dual-Energy Subtraktions-Tomosynthese werden Bilddatensätze aus einer ersten niedrigenergetischen Röntgendurchleuchtung mit Bilddatensätzen aus einer zweiten hochenergetischen Röntgendurchleuchtung (nach Kontrastmittelinjektion) rekombiniert, um ein Subtraktionsbild zu erhalten. In der rekombinierten Subtraktionsaufnahme kann das Gewebe hervorgehoben dargestellt werden, indem sich das Kontrastmittel verstärkt angereicht hat.
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Dieses Verfahren setzt grundsätzlich voraus, dass die Patientin im Rahmen einer Untersuchung (bei der die Brust komprimiert und statisch gelagert bleibt) einer zweifachen Röntgendurchleuchtung unterzogen werden muss: Zum einen einer Durchleuchtung zur Erfassung von niedrigenergetischen Röntgenbildern (um morphologische Strukturen des Untersuchungsobjektes abbilden zu können) und zum anderen einer Durchleuchtung zur Erfassung von hochenergetischen Röntgenbildern (in denen die Kontrastmittelanreicherung dargestellt werden kann). Da die Patientin bei diesen Verfahren ohnehin einer erhöhten Strahlendosis ausgesetzt ist, besteht ein grundsätzlicher Bedarf darin, die Strahlenbelastung für die Patientin möglichst zu minimieren. Des Weiteren ist es wesentlich, die Qualität der rekonstruierten Bilddaten zu optimieren, um eine verbesserte Sensitivität und Spezifität und insgesamt ein besseres Befundungsergebnis gewährleisten zu können.
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Nachteiligerweise konnten bei den bisherigen CEDET-Verfahren die Aufnahmeparameter zur Ausführung des zweiten Tomosynthese-Scans mit hohem Energielevel nicht konfiguriert werden. Insbesondere konnten diese nicht an untersuchungsspezifische und patientenspezifische Bedingungen (wie Brustdichte, Gewebezusammensetzung etc.) angepasst werden, die aus den Bilddaten des ersten Tomosynthese-Scans ableitbar sind. Dies führte bei den bisherigen Verfahren nach dem Stand der Technik zu teilweise suboptimalen Bildergebnissen.
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Die
US 2005/0002550 zeigt beispielsweise ein Verfahren zur Akquisition von Bilddaten, die mit einem Tomosyntheseverfahren rekonstruiert werden. Dabei wird ein „Pre-Tomosynthese Bild” verwendet, um bestimmte Parameter für nachfolgende Bildaufnahmen einzustellen. Diese Druckschrift zeigt jedoch nicht, Grauwerte einer Niedrigenergie-Aufnahme zu analysieren, um daraus Zielgrauwerte für jeweils einen bestimmten Projektionswinkel eines Hochenergie-Tomosynthese-Scans zu berechnen und den Hochenergie-Tomosynthese Scan mit den berechneten Werten zu steuern.
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Die vorliegende Erfindung hat sich deshalb zur Aufgabe gestellt, die Bildqualität bei der Dual-Energy Tomosynthese zu verbessern und dabei die Strahlenbelastung für die Patientin möglichst gering zu halten. Des Weiteren sollen die Parameter zur Ausführung der Röntgendurchleuchtung an das jeweilige Untersuchungsobjekt angepasst werden können.
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Diese Aufgabe wird durch die beiliegenden Patentansprüche gelöst, insbesondere durch eine Steuereinheit, durch ein Steuerungsverfahren, eine Berechnungseinheit und ein Computerprogrammprodukt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der anordnungsbezogenen Lösung beschrieben. Hierbei erwähnte Vorteile, Merkmale oder vorteilhafte alternative Ausführungsformen sind auch auf die anderen Anspruchsformen (also insbesondere auf das Steuerungsverfahren und auf das Computerprogrammprodukt) zu übertragen und umgekehrt. Dabei sind die funktionalen Aspekte des Verfahrens als Microprozessoreinheiten (oder Hardwareeinheiten) implementiert, die die jeweilige Funktionalität ausführen bzw. aufweisen. Ebenso können die erwähnten Einheiten oder Module auch Bestandteil eines eingebetteten Systems (Embedded System) sein, das in eine Mammographieanlage oder in einen Rekonstruktionsrechner integriert ist und zur Steuerung der Tomosynthese verwendbar ist. Somit sind insbesondere die im Zusammenhang mit der Steuereinheit beanspruchten und/oder beschriebenen Merkmale (inklusive der jeweiligen Unteransprüche) ebenfalls auf die anderen Anspruchsformen (Verfahren und Computerprogrammprodukt) zu übertragen.
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Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung eine Steuereinheit zur Steuerung eines Hochenergie-Tomosynthese-Scans im Rahmen einer Dual-Energy Tomosynthese eines Untersuchungsobjektes (insbesondere der weiblichen Brust), umfassend:
- – Eine Erfassungseinheit, die dazu bestimmt ist, die Bilddaten zu erfassen, die mittels zumindest eines Niedrigenergie-Tomosynthese-Scans erfasst worden sind. Im einfachsten Fall kann es sich dabei um eine Schnittstelle der Steuereinheit zum Einlesen von Bilddatensätzen (von einem Zwischenspeicher oder direkt von der bildgebenden Modalität) handeln.
- – Eine Auswerteeinheit, die dazu bestimmt ist, die erfassten Bilddaten auszuwerten, um für jedes Volumensegment des Untersuchungsobjektes einen Grauwert zu ermitteln
- – Eine Bestimmungseinheit, die zur Bestimmung von zumindest einem jeweils korrespondierenden Projektionswinkel dient, unter dem der Niedrigenergie-Tomosynthese-Scan ausgeführt worden ist und ein nachfolgender Hochenergie Tomosynthese-Scan ausgeführt werden soll
- – Eine Berechnungseinheit, die zum Berechnen jeweils eines Zielgrauwertes für den Tomosynthesescan für jeweils einen bestimmten Projektionswinkel ausgebildet ist, wobei alle ermittelten Grauwerte des Niedrigenergie-Tomosynthese-Scans derjenigen Volumensegmente, die in einen Strahlbereich des jeweiligen Projektionswinkels fallen, bei der Berechnung des Zielgrauwertes berücksichtigt werden
- – Einen Speicher, in dem eine Zuordnungstabelle abgelegt ist, wobei in der Zuordnungstabelle zu jedem Grauwert oder zu jedem Zielgrauwert ein Röhrenstrom-Zeit-Produktwert und/oder ein Hochspannungswert zur Ausführung des Hochenergie-Tomosynthese-Scans abgelegt sind/ist
- – wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, den Hochenergie-Tomosynthese-Scan mit aus dem Speicher eingelesenen Werten für das Röhrenstrom-Zeit-Produkt und/oder für die Hochspannung für jeweils jeden bestimmten Projektionswinkel einzeln anzusteuern.
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Im Folgenden werden die im Rahmen dieser Patentanmeldung verwendeten Begrifflichkeiten näher spezifiziert.
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Bei der Tomosynthese handelt es sich vorzugsweise um eine kontrastmittelgestützte Dual-Energy Tomosynthese, die auch als Zwei-Spektren Tomosynthese bekannt ist. Alternativ kann jedoch auch auf die Injektion eines Kontrastmittels verzichtet werden. Die Tomosynthese basiert auf zwei Röntgenakquisitionsvorgängen: Einem Niedrigenergie-Tomosynthese-Scan (im Folgenden auch als: Low-Energy Tomosynthese-Scan bezeichnet) und – nach Kontrastmittelinjektion – einem Hochenergie-Tomosynthese-Scan (im Folgenden auch als High-Energy Tomosynthese-Scan bezeichnet). Üblicherweise wird als Kontrastmittel Jod verwendet. Alternativ können hier andere Kontrastmittel zum Einsatz kommen. Üblicherweise werden die Tomosynthese-Scans in einem Winkelbereich von z. B. +/–25° ausgeführt. Es ist jedoch auch möglich, den Winkelbereich weiter um einen Zentralstrahl (0°) zu beschränken und nur einen Winkelbereich von +/–10° auszuführen, um einen spezifischen Gewebebereich (Region of Interest – ROI) zu durchleuchten. Ebenso kann der Winkelbereich auch erweitert werden. Für die Niedrigenergieaufnahmen wird vorzugsweise mit Röntgenröhrenspannungen gearbeitet, die in einem Bereich von ca. 23 bis 35 kVp (Kilovolt) liegen. Diese Hochspannungswerte dienen dazu, Strukturen der weiblichen Brust mit Drüsengewebe, Bindegewebe, Fettgewebe, Haut und Unterhautfettgewebe darstellen zu können.
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Üblicherweise ist es vorgesehen, dass im Anschluss an den ersten Low-Energy Tomosynthese-Scan ein zweiter High-Energy Tomosynthese-Scan ausgeführt wird. Dieser zweite hochenergetische Scan dient zur Erfassung der Kontrastmittelkinetik. Üblicherweise findet vor dem ersten und dem zweiten Tomosynthese-Scan eine Kontrastmittelinjektion statt. Alternativ kann hier jedoch auch eine abweichende Reihenfolge gewählt werden, so dass beispielsweise die Kontrastmittelinjektion zu einem späteren Zeitpunkt vor dem zweiten Tomosynthese-Scan ausgeführt wird.
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Aus den Bilddaten, die mittels des Low-Energy Tomosynthese-Scans akquiriert wurden und/oder, die mittels des High-Energy Tomosynthese-Scans akquiriert wurden, wird ein Bildvolumendatensatz rekonstruiert. Mit anderen Worten wird ein Bildvolumendatensatz sowohl aufgrund des Low-Energy Tomosynthese-Scans akquiriert als auch aufgrund des High-Energy Tomosynthese-Scans.
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Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Bilddatensatz, der aufgrund des ersten niedrigenergetischen Tomosynthese-Scans mittels der Erfassungseinheit erfasst worden ist, zunächst der Auswerteeinheit zugeführt wird, um die so erfassten Bilddaten des ersten niedrigenergetischen Scans auszuwerten. Dabei wird vorzugsweise das zu untersuchende Volumen des Untersuchungsobjektes in einzelne Projektionsschichten zerlegt. Jede Projektionsschicht umfasst wiederum eine Vielzahl von Volumensegmenten. Die Auswerteeinheit ist nun ausgelegt, um für jedes Volumensegment einen Grauwert zu ermitteln. Darüber hinaus ist es möglich, ein Dichteprofil bzw. ein Grauwertprofil für alle Volumensegmente des Untersuchungsobjektes zu erstellen. Die Größe eines Volumensegmentes kann dynamisch angepasst werden und zunächst einen größeren Volumenbereich abdecken (der dann iterativ verringert wird), so dass die Auswerteeinheit möglichst schnell ein Auswerteergebnis bereitstellen kann. Iterativ kann also die Größe der Volumensegmente verringert werden, um ein feiner granuliertes Grauwerteprofil erstellen zu können.
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Die Steuereinheit wird in einer bevorzugten Ausführungsform als Embedded System bereitgestellt. Die Funktionalität der Steuereinheit kann als Firmware bereitgestellt werden. Die entsprechenden Befehle und Instruktionen können in einem Flashspeicher, insbesondere in einem EPROM, EEPROM oder in einem ROM gespeichert sein. Die Steuereinheit ist üblicherweise in eine Mammographieanlage eingebettet. Alternativ kann die Steuereinheit jedoch auch als separate Instanz der Mammographieanlage über eine entsprechende Schnittstelle zugeschaltet werden. Ebenso ist es möglich, die Steuereinheit auf einem Rekonstruktionsrechner bereitzustellen.
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Die Steuereinheit umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform die Erfassungseinheit, die Auswerteeinheit, die Bestimmungseinheit, die Berechnungseinheit und den Speicher. Üblicherweise sind die vorhergehend genannten Einheiten als separate Mikroprozessormodule oder gemäß einer alternativen Ausführungsform als separate Softwaremodule ausgebildet. Sie können jedoch auch in alternativen Ausführungsformen zu einer übergeordneten Einheit zusammengefasst sein. Ebenso ist es möglich, dass die erwähnten Einheiten auf unterschiedlichen Bauteilen verteilt implementiert sind. Dabei können die Einheiten über ein Bussystem oder eine Schnittstelle in Datenaustausch stehen. Bei der Software-basierten Lösung können die erwähnten Einheiten über ein Netzwerk – sozusagen als verteiltes System – miteinander in Datenaustausch stehen.
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Die Bestimmungseinheit dient zur Bestimmung von zumindest einem Aufnahmewinkel bzw. Projektionswinkel, unter dem der nachfolgende High-Energy Tomosynthese-Scan ausgeführt werden soll. Der Aufnahmewinkel kann entweder manuell durch einen Benutzer eingegeben werden oder er wird automatisch konfiguriert. Ebenso ist es möglich, dass der Projektionswinkel vorkonfiguriert ist. Die Vorkonfiguration kann entsprechend den Winkelvorgaben des Low-Energy Tomosynthese-Scans angepasst sein. Beispielsweise kann dieselbe Scan-Richtung wie beim Low-Energy-Scan gewählt werden oder eine gegenläufige Scan-Richtung unter den im Wesentlichen selben Aufnahmewinkeln wie beim Low-Energy-Scan.
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Die Berechnungseinheit dient zum Berechnen eines Zielgrauwertes für jeweils einen bestimmten Projektionswinkel. Dabei werden alle ermittelten Grauwerte derjenigen Volumensegmente berücksichtigt, die in den Strahlbereich des bestimmten Projektionswinkels fallen. Mit anderen Worten werden also alle ermittelten Grauwerte derjenigen Volumensegmente selektiert, die sich innerhalb des jeweiligen Strahlwinkels befinden. Gemäß einer Variante der Erfindung können diese ermittelten Grauwerte der ausgewählten Volumensegmente mit einem Signalzielwert verglichen und in linearer Korrelation gesetzt werden. Ebenso ist es möglich, dass der Zielgrauwert so bestimmt wird, dass ein konstantes Kontrast-/Rauschverhältnis (CNR – contrast noise ratio) in Bezug auf die jeweiligen Bilddatensignale entsteht (also beispielsweise das Kontrast-Rauschverhältnis des Kontrastmittels Jod zum (Gewebe-)Hintergrund (Parenchym)). Ebenso kann der Zielgrauwert so ermittelt werden, dass ein konstanter Signalmittelwert erreicht wird.
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In einer Variante der Erfindung können die Einheiten zu einem umfassenderen Modul zusammengefasst werden. So ist es beispielsweise möglich, dass die Auswerteeinheit, die Bestimmungseinheit und/oder die Berechnungseinheit zu einem Modul zusammengefasst sind. Es ist auch möglich, auf die Bestimmungseinheit zu verzichten und die Steuereinheit ohne Bestimmungseinheit auszubilden und dabei die Funktionalität der Bestimmungseinheit (nämlich die Iteration über die jeweiligen Projektionswinkel, in denen der Hochenergie-Scan ausgeführt werden soll) in die Berechnungseinheit zu verlegen. Ebenso kann die Auswerteeinheit in die Berechnungseinheit oder in andere Module der Steuereinheit integriert sein. In einer kompakten Variante der Erfindung ist die Erfassungseinheit durch eine Schnittstelle zum Einlesen der Bilddaten ausgebildet und die Auswerte-, Bestimmungs- und/oder Berechnungseinheit sind als eine zusammengefasste komplexere Berechnungseinheit direkt in die Steuereinheit integriert.
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In dem Speicher ist eine Zuordnungstabelle abgelegt, in der zu jedem Grauwert und/oder zu jedem Zielgrauwert ein Röhrenstrom-Zeit-Produktwert und/oder ein Hochspannungswert abgelegt ist/sind. Die Zuordnungstabelle kann in Form einer Lookup-Tabelle oder einer Mappingvorschrift implementiert sein. Zu jeweils einem Grauwert ist zumindest ein Röhrenstrom-Zeit-Produktwert hinterlegt. Üblicherweise hat dieser die Einheit „mAs” (Milliampersekunden). In einer alternativen Ausführungsform ist für jeden Grauwert zusätzlich zum Röhrenstrom-Zeit-Produktwert auch noch ein Wert für die Hochspannung hinterlegt. Dieser ist üblicherweise in der Einheit „kV” (Kilovolt) hinterlegt. In alternativen Ausführungsformen können hier noch weitere Aufnahmeparameter hinterlegt sein. In diesem Fall ist die Berechnungseinheit insofern erweitert, als sie zusätzlich zu den jeweiligen Zielgrauwerten noch andere Aufnahmeparameter bestimmt (beispielsweise eine separate Zeitdauer der Strahlenexposition/Bestrahlzeit). In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Zuordnungstabelle auch zu jedem berechneten Zielgrauwert zumindest einen Wert für den Röhrenstrom bzw. für das Röhrenstrom-Zeit-Produkt. Alternativ kann zusätzlich auch noch ein Hochspannungswert abgelegt sein. Vorzugsweise ist der Speicher direkt in der Steuereinheit vorgesehen. Alternativ kann es sich auch um einen externen Speicher handeln, auf den die Steuereinheit zugreifen kann.
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Die Steuereinheit ist demnach dazu ausgebildet, den High-Energy Tomosynthese-Scan mit den Daten zu steuern, die sie aus der Zuordnungstabelle des Speichers ausgelesen hat. Insbesondere beziehen sich die Daten auf den Röhrenstrom oder auf das Röhrenstrom-Zeit-Produkt. In einer Erweiterung der Erfindung beziehen sich die Daten auch noch auf die Hochspannung. Die Steuerwerte (Röhrenstromzeit, Hochspannung) werden jeweils separat bzw. einzeln für jeden Projektionswinkel bestimmt. So ist es möglich, dass für den Zentralstrahl ein anderer Röhrenstrom-Zeit-Produktwert und ein anderer Hochspannungswert für den High-Energy-Scan gewählt wird, als für den Projektionswinkel von +/–6°. Dies basiert auf der Tatsache, dass andere Gewebestrukturen von den unterschiedlichen Projektionswinkeln erfasst werden, die unterschiedliche Aufnahmeparameter (Röhrenstromzeit, Hochspannung) erfordern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Auswerteeinheit einen Rekonstruktor. Der Rekonstruktor ist zur Rekonstruktion eines Volumenbildes bestimmt auf Basis der erfassten Bilddaten, die mittels des Low-Energy Tomosynthese Scans akquiriert worden sind. Alternativ kann der Rekonstruktor jedoch auch als separates Modul der Steuereinheit hinzugeschaltet werden. Beispielsweise kann der Rekonstruktor ausgebildet sein, um Rekonstruktionsverfahren anzuwenden. So können hier gefilterte Rückprojektionen (Filtered Back Projections – FBP) oder iterative Rekonstruktionsalgorithmen (wie beispielsweise der Maximum Likelihood (ML) Algorithmus) zur Anwendung kommen. Der Rekonstruktor dient zur Bereitstellung eines dreidimensionalen Bilddatensatzes, der auf einer Anzeigeeinheit dargestellt werden kann und unterschiedliche Grauwerte für die einzelnen Volumensegmente umfasst.
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Die Berechnungseinheit dient zum Berechnen jeweils eines Zielgrauwertes für ein Volumensegment bei dem zweiten hochenergetischen Scan. Dafür werden erfindungsgemäß die Grauwerte der für den jeweils bestimmten Projektionswinkel relevanten Volumensegmente des niedrigenergetischen Scans berücksichtigt. Die Größe des Volumensegmentes ist konfigurierbar.
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Dies hat den Vorteil, dass zunächst ein größeres Volumensegment (Megavoxelsegmente) berücksichtigt werden, damit die Berechnungseinheit das Ergebnis der Berechnung möglichst schnell bereitstellen kann. Iterativ können dann kleinere Volumensegmente gewählt werden, so dass das Ergebnis der Berechnungseinheit in einer erforderlichen Auflösung bereitgestellt werden. Dabei kann ein sogenanntes Pixel-Binning-Verfahren zur Zeitgewinnung angewendet werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Steuereinheit und mit dem erfindungsgemäßen Steuerverfahren wird eine Reihe von Vorteilen erzielt. So können jeweils separat und differenziert für eine Patientenuntersuchung optimale Aufnahmeparameter für die Darstellung des Kontrastmittels eingestellt werden. Die Aufnahmeparameter werden auf Basis der Daten eingestellt, die von dem vorhergehenden Low-Energy Tomosynthese-Scan ermittelt worden sind. Des Weiteren kann die Bildqualität für den High-Energy-Scan verbessert werden, während gleichzeitig die Röntgenstrahlungsdosis für den Patienten möglichst gering gehalten werden kann. Insgesamt kann die Befundungsqualität dadurch verbessert werden, dass eine bessere Genauigkeit und Aussagekräftigkeit der erzielten Bilddaten gewährleisten werden kann. Die Aufnahmeparameter (insbesondere der Röhrenstrom-Zeit-Produktwert; aber auch die Hochspannungs- und möglicherweise andere Aufnahmeparameter) können jeweils spezifisch und von Patient zu Patient unterschiedlich ausgewählt und an die jeweiligen Untersuchungsbedingungen automatisch angepasst und bestimmt werden. Darüber hinaus kann auch eine projektionswinkel-spezifische und/oder untersuchungsspezifische Einstellung der Aufnahmeparameter bestimmt werden, die möglicherweise von einer ersten Untersuchung zu einer zweiten Untersuchung desselben Patienten voneinander abweichen können.
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Üblicherweise basiert das Tomosyntheseverfahren auf einem dreidimensionalen Datensatz, so dass unterschiedliche Projektionsschichten zu einem dreidimensionalen Datenvolumen rekombiniert werden. Ebenso ist es möglich, vierdimensionale Datensätze zur Darstellung zu bringen, etwa wenn eine animierte Darstellung des Kontrastmittelverlaufs über die Zeit dargestellt werden soll. In einer einfacheren Ausführungsform kann der erfindungsgemäße Vorschlag auch auf zweidimensionale Datensätze angewendet werden.
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Die Art der Befundung bzw. des medizinischen Einsatzzweckes ist nicht beschränkt. So kann das Verfahren neben einer Mammographie beispielsweise auch zur Diagnose von Lungenkrebs oder von Herzerkrankungen verwendet werden. Je nach Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden unterschiedliche Aufnahmeparameter für den zweiten hochenergetischen Tomosynthese-Scan bestimmt. In einer ersten Ausführungsform wird lediglich ein Röhrenstrom-Zeit-Produktwert bestimmt. In einer zweiten Ausführungsform wird zusätzlich zum Röhrenstrom-Zeit-Produktwert auch noch der Wert für die Hochspannung bestimmt. Weitere Ausführungsformen beziehen sich auf die Bestimmung von anderen Aufnahmeparametern.
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Eine weitere Lösung der vorstehend genannten Aufgabe besteht in einem Steuerungsverfahren gemäß dem beiliegenden Verfahrensanspruch. Dabei ist es vorgesehen, dass zunächst ein Low-Energy Tomosynthese-Scan erfasst wird, der anschließend ausgewertet wird, um für jede Projektionsschicht und für jeden Winkel einen Grauwert für die Volumensegmente zu bestimmen.
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Nach Durchführung des niedrigenergetischen Tomosynthese-Scans werden die jeweiligen korrespondierenden Projektionswinkel bestimmt, unter denen auch der hochenergetische Tomosynthese-Scan ausgeführt werden soll. Üblicherweise werden hier dieselben Projektionswinkel in derselben oder in umgekehrter Reihenfolge verwendet. Alternativ kann auch nur eine Auswahl der Projektionswinkel bestimmt werden.
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Anschließend können Zielgrauwerte für die jeweils vorhergehend bestimmten Projektionswinkel berechnet werden. Bei dieser Berechnung fließen die ermittelten Grauwerte des niedrigenergetischen Tomosynthese-Scans ein. Dafür werden nur die für den jeweiligen Projektionswinkel relevanten Voxel oder Volumensegmente berücksichtigt. Die relevanten Volumensegmente sind diejenigen, die sich im Strahl- oder Fächerbereich des jeweiligen Projektionswinkels befinden. Dies erfolgt unter Zugriff auf eine Mappingtabelle, in der zu jedem Grauwert und/oder Zielgrauwert ein Röhrenstrom-Zeit-Produktwert (und gegebenenfalls ein Hochspannungswert) abgelegt sind. Mit diesen ausgelesenen Werten wird dann der hochenergetische Tomosynthese-Scan gesteuert.
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Üblicherweise gliedert sich das erfindungsgemäße Verfahren in drei Zeitabschnitte: In einem ersten Niedrigenergie-Abschnitt wird die Low-Energy Tomosyntheseaufnahme ausgeführt. In einem zweiten Berechnungsabschnitt, wird die Low-Energy-Aufnahme hinsichtlich der Grauwerte ausgewertet. In einem dritten Zeitabschnitt wird der hochenergetische Tomosynthese-Scan anhand der ermittelten Grauwerte aus dem Low-Energy Scan gesteuert und ausgeführt.
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Eine alternative, einfachere Aufgabenlösung sieht eine Berechnungseinheit vor, die zur Steuerung eines High-Energy Scans verwendet werden kann oder die einer vorstehend beschriebenen Steuereinheit zugeschaltet werden kann. Die Berechnungseinheit dient (neben der Auswertung der Low-Energy Bilddaten) dazu, den High-Energy Tomosynthese-Scan hinsichtlich des Röhrenstrom-Zeit-Produktes und/oder hinsichtlich der Hochspannung zu steuern, indem für jedes Volumensegment des Untersuchungsobjektes ein High-Energy-Zielgrauwert ermittelt wird, um diesen mit dem jeweils korrespondierenden Grauwert des Low-Energy Tomosynthese-Scans zu vergleichen. Basierend auf diesem Grauwertvergleich, der jeweils – iterativ – für alle (korrespondierenden) Volumensegmente durchgeführt wird, kann dann ein Schwächungskoeffizient zur Bestimmung einer Objektdichte (insbesondere Brustdichte) abgeleitet und diesem zugeordnet werden. In einer Weiterbildung kann nachfolgend auch ein Brustdichteprofil erstellt und angezeigt werden. Unter Zugriff auf die Zuordnungstabelle kann für jeden berechneten Zielgrauwert der jeweilige Wert für Röhrenstrom/Hochspannung ermittelt werden, der zur Steuerung des High-Energy Tomosynthese-Scans dient.
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Eine alternative Ausführungsform sieht ein Computerprogrammprodukt vor, das direkt in einen internen Speicher eines digitalen Computers geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte mit Instruktionen umfasst, mit denen die Schritte gemäß dem vorhergehend beschriebenen Verfahren ausgeführt werden, wenn das Computerprogrammprodukt auf dem Computer läuft oder geladen ist.
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Eine weitere Aufgabenlösung besteht in einem Computerprogramm, umfassend Programminstruktionen zur Ausführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens. Das Computerprogramm kann auch auf einem digitalen Speichermedium geladen und gespeichert sein oder über ein Netzwerk geladen werden. Das Computerprogramm kann als Software- oder als Firmware- oder als Hardwareimplementierung vorliegen.
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Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit den beiliegenden Figuren näher erläutert. In dieser zeigen:
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1 Eine schematische Darstellung von Arbeitsschritten der erfindungsgemäßen Steuereinheit gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
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2 Eine schematische Darstellung eines durchstrahlten Gewebebereiches für zwei unterschiedliche Projektionswinkel,
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3 Eine Übersichtsdarstellung über eine Mammographieanlage mit einer erfindungsgemäßen Steuereinheit gemäß einer bevorzugten Ausführungsform und
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4 ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
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Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Figuren dargestellt sind.
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Unter Bezugnahme auf 3 wird der prinzipielle Aufbau einer Mammographieanlage 100 mit den erfindungsgemäßen Modulen näher erläutert, wie sie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sind. Dabei umfasst die Mammographieanlage 100 eine Steuereinheit 10. Die Steuereinheit 10 kann, wie in 3 schematisch angedeutet, als eingebettetes System (embedded system) auf der Mammographieanlage 100 oder auf zugeordneten computerbasierten Instanzen ausgebildet sein. Die Mammographieanlage umfasst eine Modalität zur Akquisition von Bilddaten, insbesondere ein Röntgensystem, bestehend aus Röntgenquelle 101, Röntgendetektor 102 und Kompressionssystem 103. Je nach Ausführungsform kann die Mammographieanlage 100 auch noch weitere Bestandteile aufweisen, beispielsweise wie Halterungen, eine oder mehrere Akquisitionsworkstations, Benutzerschnittstellen (Tastatur, Maus, Monitor), entsprechende Datenleitungen und Schnittstellen, die zum Zwecke der Übersichtlichkeit in 3 nicht dargestellt sind. Die Steuereinheit 10 steht in Datenaustausch mit elektronischen Modulen der Mammographieanlage 100, insbesondere mit den Röntgenstrahlquellen 101 (vorzugsweise sind hier mobile Röntgenstrahlquellen vorgesehen), mit dem Röntgendetektor 102 und/oder mit dem Kompressionssystem 103.
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Die Steuerungseinheit 10 umfasst ihrerseits wiederum mehrere elektronische Module, die über ein Bussystem oder ein Netzwerk miteinander in Datenaustausch stehen. Die Steuereinheit 10 umfasst in einer Ausführungsform eine Erfassungseinheit 12, eine Auswerteeinheit 14, die ihrerseits einen Rekonstruktor 15 beinhaltet, eine Bestimmungseinheit 16, eine Berechnungseinheit 18 und einen Speicher 20. In alternativen Ausführungsformen sind hier weitere Bauteile und/oder computerbasierte Instanzen vorgesehen, um das Steuerungsergebnis der Steuereinheit 10 beschleunigt darstellen zu können. Beispielsweise können dafür eine zusätzliche Speichereinheit und besondere Rechenwerke bzw. (mathematische) Co-Prozessoren bereitgestellt werden.
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Grundsätzlich dient die Steuereinheit 10 zur Steuerung eines Dual-Energy Tomosynthese-Scans, der mit zwei unterschiedlichen Energieniveaus gefahren wird. Die Steuereinheit 10 dient dabei dazu, die Aufnahmeparameter für die nachfolgenden Tomosynthese-Scan zu bestimmen. Die Parameter-Bestimmung der Steuereinheit 10 erfolgt dabei auf Basis einer Auswertung der Informationen und Bilddaten, die von dem ersten Tomosynthese-Scan ermittelt worden sind. Insbesondere basiert das Ergebnis der Steuereinheit 10 auf Basis von Bilddaten des Low-Energy Tomosynthese-Scans. Die Bilddaten umfassen Grauwerte und eine Grauwertverteilung über das untersuchte und durchstrahlte Volumen. Der erste Tomosynthese-Scan, der vorzugsweise mit einem niedrigen Energieniveau gefahren wird, dient zur Erfassung von morphologischen Strukturen des Untersuchungsobjektes. Dabei handelt es sich um eine Gewebezusammensetzung, um Bereiche von unterschiedlich dichtem Gewebe, um Mikrokalzifikationen oder um sonstige Gewebeformationen. Darüber hinaus können in diesem ersten Tomosynthese-Scan auch chirurgische Objekte, wie beispielsweise Implantate oder dergleichen, erfasst und dargestellt werden. Der erste Tomosynthese-Scan wird aus unterschiedlichen Projektionswinkeln gefahren. Dabei ist es üblicherweise vorgesehen, dass die Röntgenquelle 101 in einem Bereich von +/–25° geschwenkt wird. Die Schwenkebene ist dabei parallel zu einer Körpermittelängsachse der Patientin. Diese unterschiedlichen Strukturen führen zu unterschiedlichen Grauwerten der akquirierten Bilddaten des ersten Tomosynthese-Scans.
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Die Erfassungseinheit 12 dient zur Erfassung der Daten, die mittels des Low-Energy Tomosynthese-Scans akquiriert worden sind. Dabei steht die Erfassungseinheit 12 in Datenaustausch mit der Akquisitionsworkstation der Mammographieanlage 100.
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Die Auswerteeinheit 14 dient dazu, die mittels der Erfassungseinheit 12 erfassten Bilddaten auszuwerten. Insbesondere wertet die Auswerteeinheit 14 die Grauwerte des untersuchten Volumens aus. Dazu wird das untersuchte Volumen in eine Folge von Schichten bzw. Projektionsschichten aufgeteilt. Jede Projektionsschicht umfasst eine Vielzahl von Volumensegmenten.
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In 1 ist der vorausgehende Berechnungsvorgang zur Steuerung des zweiten Tomosynthese-Scans näher dargestellt. Auf der linken Seite von 1 ist das dreidimensionale Untersuchungsobjekt als Prinzipdarstellung für das Low-Energy-Volumen dargestellt. Es umfasst Schichten 1, 2, 3. Um zu verdeutlichen, dass die Bilddaten des Low-Energy Tomosynthese-Scans von der Erfassungseinheit 12 in Schritt A erfasst werden, findet sich in 1 bei den jeweiligen Arbeits- oder Berechnungsschritten ein Bezugszeichen für den grundsätzlichen Ablauf eines erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens, das nachstehend detaillierter unter Bezugnahme auf 4 erläutert wird. Nach Zerlegung des zu untersuchenden Volumens in einzelne Volumensegmente kann für jedes Volumensegment der Grauwert aus dem ersten Tomosynthese-Scan ermittelt werden. Daraus kann auch ein sogenanntes „Dichteprofil” abgeleitet werden. Alternativ können hier noch weitere statistische Größen berechnet werden, wie beispielsweise ein Signalrauschabstand (SNR), ein Mittelwert und weitere bildbezogene Daten. Daraufhin werden diejenigen Volumensegmente bestimmt, die sich innerhalb eines Fächerbereichs des jeweiligen (bestimmten) Winkels befinden. Je nach dem, in welchem Winkel die Röntgenquelle 101 das Untersuchungsobjekt durchstrahlt, bevor die durch das durchstrahlte Gewebe abgeschwächte Röntgenstrahlung vom Röntgendetektor 102 erfasst worden ist, werden unterschiedliche Volumensegmente von der Röntgenstrahlung erfasst. Diese relevanten Volumensegmente werden für jeden bestimmten Projektionswinkel ermittelt. Dabei ergeben sich für unterschiedliche Projektionswinkel unterschiedliche relevante Volumensegmente mit teilweise unterschiedlichen Grauwerten bzw. Grauwertverteilungen. Die Berechnungseinheit 18 dient nun dazu, einen Zielgrauwert für jeweils einen bestimmten Projektionswinkel zu berechnen. Mit anderen Worten wird für den Zentralstrahl, der mit einem Winkel von 90° von der Röntgenquelle 101 auf den Röntgendetektor 102 trifft, in der Regel ein anderer Zielgrauwert ermittelt werden, als für den Projektionswinkel, der in einem Winkel von +/–25° auf den Detektor 102 trifft. Bei der Berechnung des Zielgrauwertes für jeweils einen spezifischen Projektionswinkel werden alle Grauwerte derjenigen Volumensegmente berücksichtigt (die relevanten Volumensegmente), die sich in dem Strahlbereich des jeweiligen Projektionswinkels im Untersuchungsobjekt befinden.
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Erfindungsgemäß ist in dem Speicher 20 eine Zuordnungstabelle abgelegt, in der zu jedem Zielgrauwert ein Röhrenstrom-Zeit-Produktwert gespeichert ist. In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Zuordnungs- bzw. Mappingtabelle auch noch weitere Einträge für die jeweiligen Grauwerte umfassen. So kann beispielsweise zu jedem Zielgrauwert zusätzlich zum Röhrenstrom-Zeit-Produktwert auch noch ein Wert für die Hochspannung in Kilovolt abgelegt sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Berechnungseinheit 18 direkt auf den Speicher 20 zum Auslesen des Röhrenstrom-Zeit-Produktwertes und/oder des Hochspannungswertes für den jeweiligen Projektionswinkel zugreift.
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Die Berechnungseinheit 18 kann in unterschiedlichen Varianten betrieben werden.
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In einer ersten Variante werden alle Grauwerte aller Volumensegmente ermittelt, die sich im Strahlbereich des jeweiligen Projektionswinkels befinden. Gemäß einer ersten Variante wird der Zielgrauwert abgeleitet, der sich aus einem Maximum der Grauwerte aller Volumensegmente bestimmt. Dieser maximale Grauwert wird dann für die Bestimmung des Röhrenstrom-Zeit-Produktwertes (durch Zugriff auf die Mappingtabelle in Speicher 20) verwendet. In einer zweiten Variante wird der Zielgrauwert ermittelt, mit dem ein konstantes Kontrast-/Rauschverhältnis für alle beteiligten Volumensegmente ermittelt werden kann. Gemäß einer dritten Variante wird für alle Grauwerte aller beteiligten Volumensegmente ein statistischer Mittelwert ermittelt. Dieser Mittelwert wird verwendet, um den Röhrenstrom-Zeit-Produktwert aus der Zuordnungstabelle zu berechnen. Alternative Ausführungsformen beziehen sich hier auf eine Kombination der vorstehend erwähnten Varianten.
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2 betrifft eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens. Wie in 2 abgebildet, werden die Röntgenemitter 101 in unterschiedliche Positionen geschwenkt, so dass sie mit einem unterschiedlichen Projektionswinkel α, β auf den Röntgendetektor 102 treffen. Das zu untersuchende Objekt ist in 2 als gerasteter Quader dargestellt, der über dem Detektor 102 gelagert ist. Das Untersuchungsvolumen umfasst einzelne Volumensegmente in unterschiedlichen Projektionsschichten. Die in 2 unterschiedlich gekennzeichneten Volumensegmente (unterschiedliche Schraffur) sollen unterschiedliche Gewebestrukturen kennzeichnen. So soll beispielsweise die enge bzw. starke Schraffur dichte Gewebesegmente kennzeichnen, während helle Bereiche normales Gewebe repräsentieren sollen. In 2 durchstrahlt der linke, obere Röntgenemitter 101 das Untersuchungsobjekt mit einem Projektionswinkel α. Im in 2 dargestellten Beispiel trifft ein Mittelstrahl orthogonal auf den Röntgendetektor 102. Im Unterschied dazu durchstrahlt der rechte untere Emitter 101 das Untersuchungsgewebe in einem Projektionswinkel β und trifft in einem anderen Winkel auf den Röntgendetektor 102 (im Beispiel der 2 in einem Winkel von annähernd 45°). Aus 2 ist ersichtlich, dass abhängig vom jeweiligen Projektionswinkel unterschiedliche Volumensegmente des zu untersuchenden Volumens durchstrahlt werden. Diese jeweiligen Volumensegmente, die für einen bestimmten Projektionswinkel durchstrahlt werden, werden von der Berechnungseinheit 18 bestimmt. Deshalb sind die als relevant berechneten Volumensegmente projektionswinkelspezifisch. Für jedes einzelne Volumensegment werden die ermittelten Grauwerte rekonstruiert, um einen Zielgrauwert abzuleiten. Dieses Verfahren wird iterativ für alle Projektionswinkel und ebenfalls iterativ (in einer zweiten Iteration) für alle Volumensegmente des jeweiligen Projektionswinkels ausgeführt. Auf der rechten Seite von 2 sollen die relevanten Volumensegmente des Untersuchungsobjektes hervorgehoben sein, die sich im Fächerbereich eines Projektionswinkels α befinden und deren Grauwert rekonstruiert wird. Durch Zugriff auf die Mappingtabelle des Speichers 20 können anschließend anhand des ermittelten Gesamtsignalgrauwertes über den jeweils durchstrahlten Untersuchungsbereich (mit den jeweiligen Volumensegmenten) die jeweiligen Werte für den Röhrenstrom oder für die Röhrenstromzeit und für die Hochspannung in Milliampèresekunden und Kilovolt für jeweils jeden Projektionswinkel der nachfolgenden zweiten Tomosyntheseaufnahme ermittelt werden. Dabei werden Röhrenstrom (und fakultativ Hochspannung) jeweils separat und unabhängig für jeden Projektionswinkel der nachfolgenden High-Energy-Aufnahme berechnet.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 4 ein Ablauf gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens näher erläutert. Einzelne Verfahrensschritte können dabei auch in einer abgewandelten Reihenfolge angewendet werden.
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Nach Starten des Steuerungssystems werden in Schritt A die Bilddaten eines ersten Tomosynthese-Scans erfasst. Dies erfolgt unter Zugriff auf die Mammographieanlage 100. Dabei handelt es sich vorzugsweise um einen Tomosynthese-Scan mit einem niedrigen Energieniveau (Low-Energy).
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In Schritt B werden die erfassten Bilddaten ausgewertet, um für jedes Volumensegment einen Grauwert zu ermitteln. Diese Auswertung erfolgt in Kooperation mit Schritt C.
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In Schritt C wird jeweils ein Projektionswinkel bestimmt, unter dem der zweite Tomosynthese-Scan, insbesondere der High-Energy-Scan, ausgeführt werden soll oder der Low-Energy-Scan ausgeführt worden ist.
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Daraufhin kann die Auswerteeinheit 14 oder alternativ auch die Berechnungseinheit 18 alle Grauwerte aller derjenigen Volumensegmente ermitteln, die sich innerhalb des Fächerbereiches für den jeweils bestimmten Projektionswinkel α, β befinden. Nachdem alle Grauwerte der beteiligten Volumensegmente ermittelt worden sind, kann nach unterschiedlichen, oben bereits beschriebenen Varianten, ein Zielgrauwert für jeden Projektionswinkel bestimmt werden. Dies erfolgt in Schritt D.
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Wie in 4 dargestellt, ist es in einer Variante möglich, hier nochmals eine zusätzliche Winkelbestimmung vorzunehmen, um beispielsweise andere Winkel oder noch zusätzliche Winkel zu bestimmen, aufgrund derer dann eine erneute Berechnung durchgeführt wird.
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In Schritt D erfolgt ein Zugriff auf den Speicher 20, um zu jedem Grauwert einen Röhrenstrom-Zeit-Produktwert abzuleiten. Hier sind ebenfalls wieder unterschiedliche Varianten vorgesehen. So ist es in einer ersten Variante möglich, dass in der Zuordnungstabelle zu jedem Grauwert ein Röhrenstrom-Zeit-Produktwert (und fakultativ noch ein Wert für die Hochspannung) abgelegt ist (sind). In einer zweiten Variante ist es möglich, dass nur zu einem ermittelten Zielgrauwert ein Röhrenstrom-Zeit-Produktwert abgelegt ist. Die zweite Variante hat den Vorteil, dass nur einmal auf den Speicher 20 mit dem Zielgrauwert zugegriffen werden muss, um den Röhrenstrom für jeden Projektionswinkel einzeln zu bestimmen. Bei der Variante 1 muss für alle beteiligten Volumensegmente auf den Speicher 20 zugegriffen werden. Das jeweilige Ergebnis des Zugriffs muss in einem Pufferspeicher abgelegt werden. Daran anschließend kann ein Mittelwert oder andere statistische Verfahren auf die in dem Pufferspeicher abgelegten Werte für den Röhrenstrom als Endergebnis des Steuerungsverfahrens abgeleitet werden.
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In Schritt F wird dann der zweite Tomosynthese-Scan mit den ermittelten Werten für den Röhrenstrom und fakultativ für die Hochspannung für jeden einzelnen Projektionswinkel gesteuert.
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Danach endet das Verfahren.
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In einer Variante der Erfindung kann auf die Rekursion nach Schritt D zurückgehend vor Schritt C auch verzichtet werden.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens ist darin zu sehen, dass die Aufnahmeparameter, insbesondere die Werte für den Röhrenstrom oder das Röhrenstrom-Zeit-Produkt für jeden Patienten spezifisch, insbesondere für jede Untersuchung spezifisch und für jeden Projektionswinkel einzeln und unabhängig voneinander berechnet werden. Damit kann die Strahlenbelastung für den Patienten bei verbesserter Bildqualität verringert werden. Dies führt insgesamt zu einem besseren Tomosyntheseergebnis.
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Zusammenfassend lässt sich die Erfindung wie folgt beschreiben:
Es wird ein Steuerungsverfahren für eine Dual-Energy Tomosynthese vorgeschlagen, das in einer Steuereinheit 10 implementiert sein kann. Das Steuerverfahren wertet die Bilddaten, insbesondere die Grauwerte, eines ersten Tomosynthese-Scans aus, um aus den ermittelten Grauwerten unter Zugriff auf eine Mappingtabelle einen Wert für einen Röhrenstrom oder ein Röhrenstrom-Zeit-Produkt abzuleiten. Dies wird als Ergebnis und als Steuersignal zur Ansteuerung des zweiten Tomosynthese-Scans verwendet, der üblicherweise mit einem hohen Energieniveau gefahren wird. Dabei wird der so berechnete Röhrenstrom für jeden einzelnen Projektionswinkel und für jede Untersuchung einzeln (also unabhängig voneinander) und separat ausgeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Mammographieanlage
- 101
- Röntgenquelle
- 102
- Röntgendetektor
- 103
- Kompressionssystem
- 10
- Steuereinheit
- 12
- Erfassungseinheit
- 14
- Auswerteeinheit
- 15
- Rekonstruktor
- 16
- Bestimmungseinheit
- 18
- Berechnungseinheit
- 20
- Speicher
- α
- Fächerwinkel bzw. Projektionswinkel
- β
- Fächerwinkel bzw. Projektionswinkel
- A
- Erfassen von Low-Energy-Bilddaten
- B
- Auswerten der Low-Energy-Bilddaten
- C
- Bestimmung eines Projektionswinkels
- D
- Berechnen eines Zielgrauwertes für jeweils einen bestimmten Projektionswinkel
- E
- Zugriff auf Mappingtabelle zum Auslesen eines Röhrenstromwertes
- F
- Steuern des zweiten Tomosynthese-Scans mit ausgelesenem Röhrenstromwert
