DE102012213197A1

DE102012213197A1 - Verfahren und CT-System zur Bestimmung der Kontur eines Patienten

Info

Publication number: DE102012213197A1
Application number: DE201210213197
Authority: DE
Inventors: Marcus Wagner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2014-01-30
Also published as: CN103565454B; CN103565454A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein CT-System (1) zur Bestimmung der Kontur (KP) eines Patienten (P) durch eine Röntgen-CT-Abtastung im Rahmen einer Bestrahlungsplanung, wobei der Patient (P) mit einer Lagerungshilfe (L) aus einem vorgegebenen Material unterstützt wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Abtastung des Patienten (P) unter Differenzierung der gewonnenen Schwächungsdaten für mindestens zwei sich unterscheidende Röntgenenergiebereiche erfolgt, tomographische Bilddaten je Röntgenenergiebereich rekonstruiert werden, mit den tomographischen Bilddaten für die mindestens zwei Röntgenenergiebereiche Bildbereiche bestimmt werden, die das Material der Lagerungshilfe (L) aufweisen, und vor der Bestimmung der Kontur (KP) des Patienten (P) die Bildbereiche, die das Material der Lagerungshilfe (L) enthalten, entfernt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Kontur eines Patienten durch eine Röntgen-CT-Abtastung im Rahmen einer Bestrahlungsplanung und ein CT-System, wobei der Patienten auf einer Patientenliege des CT-Systems unter Verwendung mindestens einer zusätzlichen mechanischen Lagerungshilfe aus einem vorgegebenen Material gelagert wird, der Patient mit dem CT-System in mindestens einer Querschnittsebene abgetastet wird, tomographische Bilddaten der mindestens einen Querschnittsebene rekonstruiert werden und die Kontur des Patienten für die folgende Bestrahlungsplanung aus den Bilddaten bestimmt wird.
Es ist allgemein bekannt, dass zur Ausführung einer Bestrahlungsplanung ein CT−Scan eines Patienten durchgeführt wird, wobei über die rekonstruierten Schwächungswerte, die in Houndfield−Einheiten (HU) angegeben werden, die Elektronendichte des Gewebes bestimmt und daraus letztlich die zu applizierende Strahlung berechnet wird, mit der eine vorgegebene Dosis im zu bestrahlenden Volumen des Patienten bestimmt wird. Als initialer Schritt in dieser Arbeitskette wird dazu das Patienten−Volumen im CT−Bild konturiert. Dies erfolgt bei den derzeitigen Standard−CT-Verfahren über eine schwellwertbasierte Methode. Dabei wird alles was oberhalb eines minimalen HU−Wertes und/oder alles was unterhalb eines maximalen HU−Wertes liegt als Patientenvolumen angesehen. Alle anderen Pixel bzw. Voxel gelten als "Luft" und damit nicht als Teil des Patienten−Volumens.
Durch die Verwendung von Lagerungshilfen, wie beispielsweise sogenannte "Wingboards" oder auch Bauchpressen zur Atmungs− und damit Bewegungsverringerung, tritt in fast jedem Fall das Problem auf, dass diese meist aus Kunststoff oder Karbonfasern bestehenden Lagerungshilfen HU−Werte aufweisen, die durch das schwellwertbasierte Verfahren in das Patientenvolumen mit einbezogen werden. Wählt man nun die HU−Schwellen so, dass die Lagerungshilfen nicht mit einbezogen werden, so werden in den allermeisten Fällen Volumenteile des tatsächlichen Patientenvolumens durch den Algorithmus fälschlicherweise ausgeschlossen. In beiden Fällen ist es notwendig eine manuelle Korrektur der Bilddaten, meist für jede rekonstruierte Schicht einzeln, vorzunehmen bis die korrekte Kontur des Patienten erstellt ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein CT-System zur Bestimmung der Kontur eines Patienten bei gleichzeitig aufgenommener Lagerungshilfe zu finden, welches eine solche manuelle Korrektur erübrigt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
Der Erfinder hat erkannt, dass die Anwendung einer Dual- oder Multi-Energy-CT – sowohl durch Dual-Source- oder Single-Source-CT-Systeme – eine Materialdifferenzierung zwischen menschlichem Gewebe und dem üblichen Material der Lagerungshilfen derart ermöglicht, dass eine nachträgliche manuelle Korrektur ausbleiben kann. Dies wird beispielsweise erreicht, indem das zu scannende Volumen mit mindestens zwei unterschiedlichen Röhrenspannungen und damit mit mindestens zwei unterschiedlichen Röntgenenergiespektren gescannt wird und aufgrund des unterschiedlichen Absorptionsverhaltens von menschlichem Gewebe und Material der Lagerungshilfen beide Materialarten unterscheidbar werden. Bezüglich der konkreten Ausführung solcher Unterscheidungsverfahren wird auf die allgemein bekannte Literatur zu Zwei- oder Mehrkomponenten- Zerlegungsverfahren mit Hilfe von Dual- oder Multi-Energy-CT-Untersuchungen verwiesen.
Besonders günstig ist bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren, dass die Lagerungshilfen situationsbedingt stets positionsfest im Messbereich angeordnet sind. So können ohne besondere Maßnahmen bezüglich Bildregistrierung mehrere zeitversetzte sequenzielle CT−Scans mit Single−Source−Geräten ausgeführt werden, die jeweils Abtastdaten für unterschiedliche Röntgenenergiebereiche liefern.
Werden durch solche Multi-Energy-Scans mit anschließender Materialdifferenzierung die Lagerungshilfen automatisch aus den Bilddaten herausgerechnet, so benötigen die dann daraus entstehenden Ergebnisbilder bei der Konturerkennung des Patienten keine manuellen Korrekturen mehr, so dass sich je Untersuchung Arbeitsersparnisse im Bereich von 5−10 Minuten ergeben und der entsprechende Planungs-Workflow entsprechend optimiert ist.
Entsprechend dieser Erkenntnis schlägt der Erfinder die Verbesserung eines Verfahrens zur Bestimmung der Kontur eines Patienten durch eine Röntgen-CT-Abtastung im Rahmen einer Bestrahlungsplanung vor, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

– lagern des Patienten auf einer Patientenliege eines CT-Systems unter Verwendung mindestens einer zusätzlichen mechanischen Lagerungshilfe aus einem vorgegebenen Material,
– abtasten des Patienten mit dem CT-System in mindestens einer Querschnittsebene,
– rekonstruieren von tomographischen Bilddaten der mindestens einen Querschnittsebene,
– bestimmen der Kontur des Patienten für die folgende Bestrahlungsplanung.

Zur erfindungsgemäßen Verbesserung des Verfahrens wird vorgeschlagen, dass

– die Abtastung des Patienten unter Differenzierung der gewonnenen Schwächungsdaten für mindestens zwei sich unterscheidende Röntgenenergiebereiche erfolgt,
– die tomographischen Bilddaten je Röntgenenergiebereich rekonstruiert werden,
– mit den tomographischen Bilddaten für die mindestens zwei Röntgenenergiebereiche Bildbereiche bestimmt werden, die das Material der Lagerungshilfe aufweisen, und
– vor der Bestimmung der Kontur des Patienten die Bildbereiche, die das Material der Lagerungshilfe enthalten, entfernt wird.

Dadurch dass nun eine Materialdifferenzierung mit Hilfe des energieabhängig unterschiedlichen Schwächungsverhaltens des Materials der Lagerungshilfen im Verhältnis zum menschlichen Gewebe stattfindet, kann eine erheblich genauere Differenzierung stattfinden als bei einer einfachen monoenergetischen Betrachtung der Schwächungswerte beider Materialtypen. Grundsätzlich ausreichend ist es hierbei, wenn genau zwei Röntgenenergiebereiche zur Abtastung verwendet werden.
Häufig wird als Material für die Lagerungshilfe ein Kohlefaser-Material verwendet. Hierbei eignen sich zur Differenzierung besonders die Röntgenenergiebereiche die durch die Verwendung der beiden Beschleunigungsspannungen 100 kVp und 140 kVp entstehen.
Grundsätzlich kann zur Identifizierung der Bildbereiche der Lagerungshilfe ein – an sich bekanntes – Materialzerlegungsverfahren auf der Basis der unterschiedlichen Schwächungsdaten bei unterschiedlichen Röntgenenergien ausgeführt werden.
In einer besonders einfachen Weise kann allerdings auch zur Identifizierung der Bildbereiche der Lagerungshilfe ein HU-Wertediagramm mit den Schwächungswerten der unterschiedlichen verwendeten Röntgenenergien erstellt werden. Dabei werden zum Beispiel die Schwächungswerte-Paare (=HU-Werte) aller Bildpixel oder -voxel in einem Diagramm aufgetragen, das auf einer Achse die Schwächungswerte in Bezug auf eine erstes Röntgenenergiespektrum und auf der anderen Achse die Schwächungswerte in Bezug auf ein zweites Röntgenenergiespektrum beschreibt. Da das Schwächungsverhalten des Materials der Lagerungshilfe bekannt ist, kann auch eindeutig der Bereich im HU-Wertediagramm bestimmt werden, auf dem Pixel oder Voxel der Lagerungshilfe liegen werden. Entsprechend können diese Pixel oder Voxel als zur Lagerungshilfe gehörend identifiziert und aus den zur Bestimmung der Kontur des Patienten genutzten Bilddaten entfernt werden.
Die Abtastung des Patienten kann in einer Ausführungsvariante gleichzeitig mit zwei Strahlungsquellen mit unterschiedlichen Röhrenspannungen ausgeführt werden.
Alternativ kann auch die Abtastung des Patienten mit einer einzigen Strahlungsquelle ausgeführt werden, wobei zeitlich versetzt unterschiedliche Röhrenspannungen verwendet werden.
Eine andere Möglichkeit zur Bestimmung des unterschiedlichen Absorptionsverhaltens der gescannten Materie bei unterschiedlichen Röntgenenergien besteht darin, dass die Abtastung des Patienten mit einer Strahlungsquelle und einem einzigen Strahlungsspektrum ausgeführt wird, wobei jedoch ein Detektor verwendet wird, der mindestens zwei unterschiedliche Energiebereiche auflöst. Hierfür kann beispielsweise ein Detektor mit direktkonvertierendem Halbleitermaterial verwendet werden, bei dem die Energieniveaus der eintreffenden Photonen über Pulshöhendiskriminatoren zumindest in zwei Energiebereiche differenziert werden.
Zum Rahmen der Erfindung zählt neben dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren auch ein CT-System mit einem Computer zur Steuerung und Bildverarbeitung, wobei im Computer eine Computerprogramm gespeichert ist, welches im Betrieb die Verfahrensschritte der erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet: 1: CT-System; 2: erste Röntgenröhre; 3: erster Detektor; 4: zweite Röntgenröhre; 5: zweiter Detektor; 6: Gantrygehäuse; 8: Patientenliege; 9: Systemachse; 10: Computersystem; 11: Schnittbild; B_L: HU-Wertepaar-Bereich der Lagerungshilfe; B_P: HU-Wertepaar-Bereich des Patienten; K_L: Kontur der Lagerungshilfe; K_P: Kontur des Patienten; L: Lagerungshilfe; P: Patient; Prg₁ - Prg_n: Computerprogramme.
Es zeigen im Einzelnen:
1: Dual-Energy- und Dual-Source-CT-System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2: invertierte schwarz/weiße Darstellung eines tomographischen Schnittbildes durch einen, auf einer Lagerungshilfe liegenden Patienten;
3: verbleibende Kontur des Patienten nach einem schwellenbasierten Verfahren;
4: HU-Wertediagramm mit eingetragenen CT-Bilddaten aus einer Dual-Energy-CT-Abtastung;
5: verbleibende Kontur des Patienten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise mit Hilfe einer CT-Abtastung mit einem Dual-Energy- und Dual-Source-CT-System ausgeführt werden, wie es in der 1 dargestellt ist. Dieses CT-System 1 besteht im Wesentlichen aus einem Gantrygehäuse 6, in dem sich eine nicht näher dargestellte, rotierbare Gantry befindet, an der zwei Strahler-Detektor-Systeme befestigt sind. Jedes Strahler-Detektor-System weist eine Röntgenröhre 2 beziehungsweise 4 und ein gegenüberliegend angeordnetes Detektorsystem 3 beziehungsweise 5 auf. Beide sind um 90° winkelversetzt auf der Gantry angeordnet und können mit unterschiedlichen Röntgenspektren betrieben werden. Dies kann durch einstellen unterschiedlicher Beschleunigungsspannungen und/oder durch einsetzen einer unterschiedlichen Filterung geschehen.
Zur CT-Untersuchung, hier zur Bereitstellung von CT-Daten für eine auszuführende Bestrahlungsplanung, wird der Patient P auf einer verfahrbaren Patientenliege 8 entlang der Systemachse 9 – um die sich die Gantry mit den Strahler-Detektor-Systemen dreht – sequentiell für eine Kreisabtastung oder kontinuierlich für eine Spiralabtastung durch die als Messfeld dienende Öffnung im Gantrygehäuse 6 geschoben und mit zwei unterschiedlichen Röntgenspektren aus einer Vielzahl von Projektionswinkeln abgetastet. Zur sicheren und über einen längeren Zeitraum bequemen Positionierung des Patienten wird dieser mit Hilfe einer Lagerungshilfe L unterstützt.
Die Steuerung des Systems und die Datenerfassung erfolgt durch das Computersystem 10, welches in seinem Speicher die hier stilisiert dargestellten Computerprogramme Prg₁ bis Prg_n enthält, welche im Betrieb des Systems ausgeführt werden und unter anderem auch die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführen beziehungsweise steuern.
Hierbei werden mindestens zwei tomographische Bilddatensätze in mindestens einer Schnittebene mit jeweils unterschiedlichen Röntgenenergiespektren aufgenommen. Die 2 zeigt beispielhaft ein solches tomographisches Schnittbild 11 eines Patienten P mit Lagerungshilfe L, das mit einem Röntgenenergiespektrum aufgenommen wurde. Dabei ist zu erkennen, dass die Schwächungswerte der Lagerungshilfe L – betrachtet man isoliert nur die CT-Darstellung aus einem Röntgenenergiespektrum – kaum von den Schwächungswerten, die im Patienten P vorkommen, zu unterscheiden sind.
Wird also die Kontur des Patienten ausschließlich durch Schwellwertbildung in einer solchen CT-Darstellung bestimmt, so entsteht eine Kontur, wie sie in der 3 gestrichelt dargestellt ist. Diese gestrichelte Kontur besteht aus einer Überlagerung einerseits aus der Kontur K_P des Patienten und andererseits der Kontur K_L der Lagerungshilfe und würde ohne zusätzliche manuelle Korrektur zu Fehlern bei der Bestrahlungsplanung führen.
Zur Vermeidung der Auswahl von Pixeln oder Voxeln in tomographischen Darstellungen bei der Konturbestimmung eines Patienten wird erfindungsgemäß das unterschiedliche energieabhängige Absorptionsverhalten zwischen dem Material einer Lagerungshilfe und dem menschlichen Gewebe genutzt. Hierzu kann beispielhaft ein HU-Wertediagramm verwendet werden, wie es in der 4 dargestellt ist. Dort werden auf den beiden Achsen des Diagramms die unterschiedlichen HU-Werte gleicher Pixel oder Voxel aus CT-Darstellungen, die auf den Absorptionsmessungen mit unterschiedlichen Röntgenenergiespektren stammen, aufgetragen. In der gezeigten Darstellung sind dies die HU-Werte einer CT-Darstellung, aufgenommen mit einem 80kVp-Spektrum, auf der Abszisse und der gleichen CT-Darstellung, jedoch aufgenommen mit einem 140kVp-Spektrum, auf der Ordinate.
Dabei lassen sich – zum Beispiel aus vorhergehenden Abtastungen ausschließlich von Patienten ohne Lagerungshilfe einerseits und aus vorhergehenden Abtastungen ausschließlich der verwendeten Lagerungshilfen andererseits – Bereiche bestimmen, in denen entweder ausschließlich die HU-Wertepaare von Pixeln oder Voxeln von Patienten vorkommen und/oder Bereiche bestimmen, in denen ausschließlich HU-Wertepaare von Materialien der Lagerungshilfen zu finden sind.
In dem gezeigten Diagramm, das die HU-Wertepaare aus zwei CT-Darstellungen entsprechend der 2 mit jeweils 80kVp- beziehungsweise 140kVp-Röntgenspektrum zeigt, ist ein Bereich B_L markiert, in dem sich die HU-Wertepaare aus einer Lagerungshilfe aus einem Karbonfaser-Material befinden. Entsprechend können die in diesem Bereich B_L wiedergegebenen Pixel aus einer CT-Darstellung entfernt werden, um danach die Kontur des Patienten, zum Beispiel mit Hilfe eines schwellwertbasierten Verfahrens, zu bestimmen, ohne dass Konturen der Lagerungshilfe die oben beschriebenen Fehler verursachen. Selbstverständlich ist es entsprechend auch möglich zur Entfernung der Pixel/Voxel der Lagerungshilfe auch ausschließlich die Pixel/Voxel zur Konturbestimmung zu verwenden, die innerhalb eines zu erwartenden und vorbestimmten Bereiches B_P von HU-Wertepaaren liegen, in denen erfahrungsgemäß ausschließlich Pixeln/Voxel aus einer Patientenwiedergabe liegen.
Wird dieses Verfahren angewandt, so lässt auf der Basis der so gewonnen Darstellung unter Ausschluss der Pixel/Voxel der Lagerungshilfe und ohne manuelle Korrektur über das an sich bekannte schwellwertbasierte Konturbestimmungsverfahren die korrekte Patientenkontur K_P bestimmen, wie sie beispielhaft in der 5 dargestellt ist. Diese Kontur K_P kann darauf für die Bestrahlungsplanung verwendet werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Kontur eines Patienten (P) durch eine Röntgen-CT-Abtastung im Rahmen einer Bestrahlungsplanung, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte: 1.1. lagern des Patienten (P) auf einer Patientenliege (8) eines CT-Systems (1) unter Verwendung mindestens einer zusätzlichen mechanischen Lagerungshilfe (L) aus einem vorgegebenen Material, 1.2. abtasten des Patienten (P) mit dem CT-System (1) in mindestens einer Querschnittsebene, 1.3. rekonstruieren von tomographischen Bilddaten der mindestens einen Querschnittsebene, 1.4. bestimmen der Kontur (K_P) des Patienten (P) für die folgende Bestrahlungsplanung, dadurch gekennzeichnet, dass 1.5. die Abtastung des Patienten (P) unter Differenzierung der gewonnenen Schwächungsdaten für mindestens zwei sich unterscheidende Röntgenenergiebereiche erfolgt, 1.6. tomographische Bilddaten je Röntgenenergiebereich rekonstruiert werden, 1.7. mit den tomographischen Bilddaten für die mindestens zwei Röntgenenergiebereiche Bildbereiche bestimmt werden, die das Material der Lagerungshilfe (L) aufweisen, und 1.8. vor der Bestimmung der Kontur (K_P) des Patienten (P) die Bildbereiche, die das Material der Lagerungshilfe (L) enthalten, entfernt wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei Röntgenenergiebereiche zur Abtastung verwendet werden. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die Lagerungshilfe (L) ein Kohlefaser-Material verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Identifizierung der Bildbereiche der Lagerungshilfe (L) ein Materialzerlegungsverfahren auf der Basis der unterschiedlichen Schwächungsdaten bei unterschiedlichen Röntgenenergien ausgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Identifizierung der Bildbereiche der Lagerungshilfe (L) ein HU-Wertediagramm mit den Schwächungswerten der unterschiedlichen Röntgenenergien erstellt wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Bildpixel beziehungsweise -voxel mit Wertepaaren in einem vorgegebenen Gebiet (B_L) des HU-Wertediagramms als zur Lagerungshilfe (L) gehörend angesehen werden.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung des Patienten (P) gleichzeitig mit zwei Strahlungsquellen (2, 4) mit unterschiedlichen Röhrenspannungen ausgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung des Patienten (P) mit einer Strahlungsquelle (2) ausgeführt wird, wobei zeitlich versetzt unterschiedliche Röhrenspannungen verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung des Patienten (P) mit einer Strahlungsquelle (2) und einem einzigen Strahlungsspektrum ausgeführt wird, wobei ein Detektor (3) verwendet wird, der mindestens zwei unterschiedliche Energiebereiche auflöst.
CT-System (1) mit einem Computer (10) zur Steuerung und Bildverarbeitung, dadurch gekennzeichnet, dass im Computer (10) eine Computerprogramm (Prg₁–Prg_n) gespeichert ist, welches im Betrieb die Verfahrensschritte gemäß einem der voranstehenden Verfahrensansprüche ausführt.