DE102012217792B4

DE102012217792B4 - Angiographisches Untersuchungsverfahren zur Darstellung von Flusseigenschaften

Info

Publication number: DE102012217792B4
Application number: DE102012217792.2A
Authority: DE
Inventors: Markus Kowarschik; Thomas Redel
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2023-02-02
Anticipated expiration: 2032-09-29
Also published as: US9375157B2; US20140094680A1; DE102012217792A1

Abstract

Angiographisches Untersuchungsverfahren zur Darstellung von Flusseigenschaften von Gefäßen (16, 21) eines Untersuchungsobjekts (14), dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung von Blutflussparametern in 3-D mit hoher zeitlicher Auflösung, die nicht deutlich unterhalb einer Bildwiederholrate von 30/sec liegt, wenigstens eine 4-D-DSA-Sequenz zur Erzeugung von messbasierten 4-D-DSA-Datensätzen akquiriert wird, wobei mit einem modellbasierten Verfahren zeitabhängige Volumendatensätze bestimmt werden, die zeitlich zwischen den zeitabhängigen Volumendatensätzen der messbasierten 4-D-DSA- Datensätze liegen.

Description

Die Erfindung betrifft ein angiographisches Untersuchungsverfahren zur Darstellung von Flusseigenschaften von Gefäßen eines Untersuchungsobjekts. Ein derartiges Untersuchungsverfahren lässt sich beispielsweise bei der Durchführung einer digitalen Subtraktionsangiographie (DSA) einsetzen und ist aus der US 7 500 784 B2 bekannt, das nachfolgend anhand der 6 erläutert werden wird. Auch ENDRES, J. u.a.: „Virtual angiography using CFD simulations based on patient-specific parameter optimization“ in: 9th IEEE International Symposium on Biomedical Imaging (ISBI). 2 - 5 Mai 2012, S. 1200 - 1203 ist in diesem Zusammenhang zu nennen.
Die Quantifizierung von Blutfluss auf der Grundlage von Bilddaten während einer Intervention stellt eine klinisch relevante Fragestellung dar. Beispielsweise könnte die Messung von Blutflussraten in einem Blutgefäß (bspw. angegeben in ml/min) auf der Basis von Röntgenbildern herangezogen werden, um die interventionelle Behandlung von Stenosen beispielsweise in zerebralen oder in peripheren Gefäßen im Katheterlabor zu bewerten und somit dem Arzt Aufschluss über den Erfolg der Therapie zu geben. Der Arzt könnte somit beispielsweise bestimmen, ob die Wiedereröffnung eines verschlossenen Gefäßes mittels eines Ballons oder die Implantation eines Stents zu einer Erhöhung der Blutflussrate in gewünschtem Maße geführt hat.
Invasive Möglichkeiten zur Messung von Blutfluss existieren bereits und werden klinisch bereits eingesetzt. Ein Verfahren ist beispielsweise der Einsatz von Thermodilutions-Kathetern, die in das zu betrachtende Blutgefäß eingeführt werden. Bei der Thermodilution wird ein bestimmtes Volumen einer gekühlten Lösung intravenös injiziert. Die kalte Flüssigkeit durchläuft die rechte Herzhälfte, dann die Lunge sowie die linke Herzhälfte, woraufhin sie in den Körperkreislauf strömt. An einem Messpunkt wird die Temperatur des Blutes ermittelt und eine sogenannte Thermodilutions-Kurve aufgezeichnet. Diese Technologie ist jedoch vom Workflow her aufwändig, teuer, relativ ungenau und nur für hinreichend große Gefäße geeignet. Ferner existieren ultraschallbasierte invasive Messsonden, die von außen an das zu untersuchende Blutgefäß angelegt werden müssen, also einen offenen chirurgischen Eingriff erfordern und damit oft nicht praktikabel sind.
Nichtinvasive Möglichkeiten sind Blutflussmessungen im Bereich der Magnetresonanztomographie (MRT) beispielsweise auf der Grundlage von Phasenkontrast-MRT. Auch im Falle der Computertomographie gibt es ansatzweise Flussbestimmungen im Kontext der Perfusionsbildgebung. Diese Ansätze sind jedoch i. Allg. im interventionellen Umfeld liegend, also während ein Patient in einem Katheterlabor behandelt wird, nicht geeignet.
Ferner existieren auch nichtinvasive Techniken auf der Basis von Ultraschall, beispielsweise der Doppler-Sonographie, die zwar im interventionellen Umfeld zum Einsatz kommen können, aber nur relativ ungenau sind und außerdem ein gutes Schallfenster erfordern, was insbesondere im Falle intrakranieller Gefäße häufig schwierig ist.
Die Erfindung geht von der Frage aus, welche röntgenbildbasierten Ansätze im interventionellen Umfeld unter Verwendung eines C-Bogen-Systems zum Einsatz kommen können.
Heute im interventionellen Umfeld erhältliche Produkte zur Darstellung von Flusseigenschaften zerebraler Gefäße basieren ausschließlich auf zweidimensionalen Bildsequenzen. Dabei werden 2-D-DSA-Sequenzen mit hoher Bildfrequenz aufgenommen und der Kontrastmittelverlauf pixelweise analysiert. Aus der so entstehenden Zeit-Kontrast-Kurve werden geeignete temporale Flussparameter berechnet und farblich dargestellt. Die Software syngo iFlow von Siemens AG, Sector Healthcare, folgt diesem Prinzip und codiert den Time-to-Peak-Parameter des Kontrastmittels zur farblichen Darstellung, wie dies der Broschüre „syngo iFlow / Dynamic Flow Evaluation / Answers for life“, Order No. A91AX-20902-11C1-7600, Druckzeichen CC AX WS 12081.5, 12.2008, der Siemens AG, Medical Solutions, Angiography, Fluoroscopic and Radiographie Systems zu entnehmen ist. Bedingt durch die projektive Abbildung leidet die 2-D-Bildgebung bekanntermaßen jedoch unter fehlender Tiefeninformation und damit unter störenden Überlagerungseffekten, die durch komplexe Gefäßgeometrien beispielsweise im Gehirn bedingt sind.
Verfahren der Blutflussquantifizierung in 3-D sind Gegenstand aktueller Forschungen. Man kann die bislang existierenden Ansätze dahingehend unterscheiden, wie viele physikalische Modellannahmen ihnen zugrunde liegen.
Verfahren der numerischen Strömungssimulation (CFD = Computational Fluid Dynamics) basieren darauf, dass das Strömungsverhalten des Blutes unter Verwendung mathematischer Gleichungen, beispielsweise mittels der Navier-Stokes-Gleichungen, beschrieben wird. Diese Gleichungen werden per numerischer Simulation gelöst. Erforderliche Randbedingungen wie die Gefäßgeometrie, Pulsrate des Patienten, etc. können hierbei aus vorab akquirierten Bilddaten gewonnen werden. Dies können 2-D-DSA-Serien mit hoher Zeitauflösung oder 3-D-DSA-Bilder ohne Zeitinformationen sein. Je nach Art der Modellierung führt die Lösung dieser Gleichungen zu einer Vielzahl physikalischer Strömungsparameter wie Flussgeschwindigkeit, Blutdruck, Wandscherkräfte, etc.. Diese Parameter sind jeweils typischerweise sowohl orts- als auch zeitabhängig.
Die 1 zeigt exemplarisch eine per CFD-Verfahren (Computational Fluid Dynamics) errechnete Verteilung von Wandscherkräften in einem Aneurysma an einer Gefäß-Bifurkation zu einem Zeitpunkt während des Herzzyklus. Die CFD-Berechnung ergibt Bereiche mit niedrigen Wandscherkräften 16 und Bereiche mit hohen Wandscherkräften 17. Über eine Skala der Wandscherkräfte 18 ergibt sich eine Abschätzung der auftretenden Größen.
Im Gegensatz zu diesen modellbasierten Ansätzen wurde im Jahr 2010 das Verfahren 4-D-DSA von Prof. Dr. Charles A. Mistretta et al. in „4D-DSA and 4D Fluoroscopy: Preliminary Implementation“, Proceedings of the SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2010, Vol. 7622, Seiten 762227-1 bis 8, vorgeschlagen, das rein bildbasiert funktioniert und ohne jegliche Modellannahmen auskommt. Dies hat den Vorteil, dass keinerlei verallgemeinernde oder vereinfachende Modellannahmen verwendet werden müssen, um Aussagen bzgl. des Blutflusses zu bestimmen.
Die oben genannte 4-D-DSA ist im Gegensatz zu den modellbasierten Ansätzen, wie beispielsweise CFD-Verfahren, jedoch nicht in der Lage, komplexe physikalische Flussparameter, wie z. B. Blutdrücke, zu liefern. Hingegen liefert dieses Verfahren lediglich zeitliche Informationen zur Kontrastmittelpassage in 3-D (also ähnlich zu syngo iFlow in 2-D), die Schätzungen von Flussgeschwindigkeiten gestatten, aus welchen dann wiederum in einem nachgeschalteten Rechenschritt unter Verwendung von 3-D-Geometrieinformationen wie den Gefäßdurchmessern volumetrische Flussraten geschätzt werden können.
Die Idee hinter dem 4-D-DSA-Ansatz besteht darin, dass man aus den Projektionen einer Rotationsangiographie das dynamische Verhalten des Kontrastmittels in den Gefäßen extrahiert und mittels perspektivischer Rückprojektion in einem statischen 3-D-Bild des Gefäßbaums einblendet. Dabei entsteht eine zeitaufgelöste Serie von 3-D-Datensätzen; zu jedem Zeitpunkt dieser Serie gehört ein Volumendatensatz, welcher die Füllung des Gefäßbaums mit Kontrastmittel zum jeweiligen Zeitpunkt repräsentiert. Um Überlagerungseffekte näherungsweise zu kompensieren, verwendet man pro zu berechnendem zeitabhängigen 3-D-Datensatz Rückprojektionen aus mehreren Richtungen, was in naheliegender Weise zu einem Verlust an Zeitauflösung führt. Aus rein theoretischer Sicht liegt dem 4-D-DSA-Verfahren die Fragestellung zugrunde, ob man unter Verwendung von 3-D-Vorwissen, einem statischen 3-D-Bild, in welches hinein rückprojiziert wird, das Abtasttheorem verletzen darf und dennoch klinisch brauchbare Bilddaten mit hinreichend hoher zeitlicher Auflösung ermitteln kann.
Diese Vorgehensweise ist in der 2 veranschaulicht und wird noch nachfolgend genauer erläutert. Im Abschnitt V des Artikels „Sub-Nyquist acquisition and constrained reconstruction in time resolved angiography“ con C.A. Mistretta in Medical Physics 2011 ist beschrieben, wie die Zeitinformation der akquirierten Projektionen aus dem Winkelintervall von θ bis θ + Δθ verwendet wird, um einen zeitabhängigen Volumendatensatz zu errechnen.
In den 3 bis 5 ist eine Folge von DSA-Röntgenbildern dargestellt, die die Anwendung des 4-D-DSA-Verfahrens veranschaulichen sollen. Jedes derartige, im weiteren Verlauf als DSA-Volumenbild bezeichnete Röntgenbild entspricht einem Zeitpunkt und wurde per Vorwärtsprojektion des zu diesem Zeitpunkt gehörigen 3-D-Datensatzes gewonnen. Man sieht in den ersten Bildern der Serie (oben links beginnend) nur den arteriellen Einfluss des Kontrastmittels, während die letzten Bilder der Serie (unten rechts endend) bereits den venösen Abfluss des Kontrastmittels erkennen lassen.
In der 3 ist eine Sicht eines ersten DSA-Volumenbildes 20 mit einem Gefäßbaum 21 aus einem Winkel dargestellt. In einem ersten Bereich 22 weist der Gefäßbaum 21 eine starke, in einem zweiten Bereich 23 eine schwache und zwei weiteren Bereichen 24 und 25 gar keine Opazität auf, da das Kontrastmittel nur wenig in den in der 4 dargestellten Teil des Gefäßbaums 21 eingedrungen ist.
Die 4 zeigt ein zweites DSA-Volumenbild 26 zu einem späteren Zeitpunkt aus der gleichen Sicht wie das DSA-Volumenbild 20, bei dem der erste Bereich 22 des Gefäßbaums 21 eine sehr starke, der zweite Bereich 23 eine starke, der dritte Bereich 24 eine schwache und der vierte Bereich 25 keine Opazität aufweist, so dass erkennbar ist, dass das Kontrastmittel weiter in dem Gefäßbaum 21 vorangekommen ist.
Die 5 gibt nun ein drittes DSA-Volumenbild 27 wieder, in dem das Kontrastmittel sehr weit vorgedrungen ist, so dass es nahezu den ganzen Gefäßbaum 21 ausfüllt. Der erste Bereich 22 des Gefäßbaums 21 weist eine volle, der zweite Bereich 23 eine sehr starke, der dritte Bereich 24 eine starke und der vierte Bereich 25 eine schwache Opazität auf.
Ein Problem der 4-D-DSA-Verfahren ist, dass im Falle komplexer Gefäßgeometrien die Kontrastmitteldynamik nur sehr schlecht, d.h. nur mit sehr niedriger Zeitauflösung erfasst werden kann. Dies liegt an den komplexen Überlagerungseffekten, die es erschweren, in den Projektionen der zugrundeliegenden Rotationsangiographie das Flussverhalten in einzelnen Gefäßabschnitten zu erkennen und zu extrahieren. Im Hinblick auf die obige Abbildung ist also ein sehr großes Δθ erforderlich.
Jedoch ist es wünschenswert, bei der Anwendung von 4-D-DSA eine Zeitauflösung zu erhalten, die nicht deutlich unterhalb der sehr hohen Zeitauflösung einer 2-D-DSA Serie liegt. Bei der 2-D-DSA-Bildgebung sind derzeit Bildwiederholraten von 30/sec realisiert.
Ein oben genanntes angiographisches Untersuchungsverfahren lässt sich beispielsweise mit einem aus der US 7,500,784 B2 bekanntem Angiographiesystem durchführen, das nachfolgend erläutert ist.
Die 6 zeigt ein als Beispiel dargestelltes biplanes Röntgensystem mit zwei von je einem Ständer 1 und 1' in Form eines sechsachsigen Industrie- oder Knickarmroboters gehaltenen C-Bogen 2 und 2', an deren Enden je eine Röntgenstrahlungsquelle, beispielsweise Röntgenstrahler 3 und 3' mit Röntgenröhren und Kollimatoren, und je ein Röntgenbilddetektor 4 und 4' als Bildaufnahmeeinheit angebracht sind. Der Ständer 1 ist dabei auf dem Fußboden 5 montiert, während der zweite Ständer 1' an der Decke 6 befestigt sein kann.
Mittels des beispielsweise aus der US 7,500,784 B2 bekannten Knickarmroboters, welcher bevorzugt sechs Drehachsen und damit sechs Freiheitsgrade aufweist, können die C-Bogen 2 und 2' beliebig räumlich verstellt werden, zum Beispiel indem sie um ihre Drehzentren zwischen den Röntgenstrahlern 3 und 3' sowie den Röntgenbilddetektoren 4 und 4' gedreht werden. Das erfindungsgemäße angiographische Röntgensystem 1 bis 4 ist insbesondere um Drehzentren und Drehachsen in der C-Bogen-Ebene der Röntgenbilddetektoren 4 und 4' drehbar, bevorzugt um den Mittelpunkt der Röntgenbilddetektoren 4 und 4' und um den Mittelpunkt der Röntgenbilddetektoren 4 und 4' schneidende Drehachsen.
Der bekannte Knickarmroboter weist ein Grundgestell auf, welches beispielsweise auf dem Boden 5 oder an der Decke 6 fest montiert ist. Daran ist drehbar um eine erste Drehachse ein Karussell befestigt. Am Karussell ist schwenkbar um eine zweite Drehachse eine Roboterschwinge angebracht, an der drehbar um eine dritte Drehachse ein Roboterarm befestigt ist. Am Ende des Roboterarms ist drehbar um eine vierte Drehachse eine Roboterhand angebracht. Die Roboterhand weist ein Befestigungselement für den C-Bogen 2 oder 2' auf, welches um eine fünfte Drehachse schwenkbar und um eine senkrecht dazu verlaufende sechste Rotationsachse rotierbar ist.
Die Realisierung der Röntgendiagnostikeinrichtung ist nicht auf den Industrieroboter angewiesen. Es können auch übliche C-Bogen-Geräte Verwendung finden.
Die Röntgenbilddetektoren 4 und 4' können rechteckige oder quadratische, flache Halbleiterdetektoren sein, die vorzugsweise aus amorphem Silizium (a-Si) erstellt sind. Es können aber auch integrierende und eventuell zählende CMOS-Detektoren Anwendung finden.
Im Strahlengang der Röntgenstrahler 3 und 3' befindet sich eine Tischplatte 7 eines Patientenlagerungstisches 8 zur Aufnahme eines zu untersuchenden Patienten als Untersuchungsobjekt. Der Patientenlagerungstisch 8 ist mit einem Bedienpult 9 versehen. An der Röntgendiagnostikeinrichtung ist eine Systemsteuerungseinheit 10 mit einem Bildsystem 11 angeschlossen, das die Bildsignale der Röntgenbilddetektoren 4 und 4' empfängt und verarbeitet (Bedienelemente sind beispielsweise nicht dargestellt). Die Röntgenbilder können dann auf Displays einer Monitorampel 12 betrachtet werden.
Anstelle des in 1 beispielsweise dargestellten Röntgensystems mit den Ständern 1 und 1' in Form des sechsachsigen Industrie- oder Knickarmroboters kann, wie in 2 vereinfacht dargestellt, das angiographische Röntgensystem auch eine normale decken- oder bodenmontierte Halterung für den C-Bogen 2 aufweisen.
Anstelle der beispielsweise dargestellten C-Bogen 2 und 2' kann das angiographische Röntgensystem auch getrennte decken- und/oder bodenmontierte Halterungen für die Röntgenstrahler 3 und 3' und die Röntgenbilddetektoren 4 und 4' aufweisen, die beispielsweise elektronisch starr gekoppelt sind.
Die Röntgenstrahler 3 und 3' emittieren von Strahlenfoken ihrer Röntgenstrahlungsquellen ausgehende Strahlenbündel 12 und 12', die auf die Röntgenbilddetektoren 4 und 4' treffen. Sollen 3-D-Datensätze nach dem sogenannten DynaCT-Verfahren erstellt werden, werden die drehbar gelagerten C-Bogen 2 und 2' mit Röntgenstrahlern 3 und 3' und Röntgenbilddetektoren 4 und 4' derart gedreht, dass, wie die 2 schematisch in Aufsicht auf die Drehachse zeigt, sich der hier bildlich durch ihre Strahlenfoken dargestellte Röntgenstrahler 3 und 3' sowie der Röntgenbilddetektoren 4 und 4' um ein im Strahlengang der Röntgenstrahler 3 und 3' befindliches zu untersuchendes Objekt 14 auf einer Umlaufbahn 15 bewegen. Die Umlaufbahn 15 kann zur Erstellung eines 3-D-Datensatzes vollständig oder teilweise durchfahren werden.
Der C-Bogen 2 und 2' mit Röntgenstrahlern 3 und 3' sowie Röntgenbilddetektoren 4 und 4' bewegen sich dabei gemäß dem DynaCT-Verfahren vorzugsweise um mindestens einen Winkelbereich von 180°, beispielsweise 180° plus Fächerwinkel, und nehmen in schneller Folge Projektionsbilder aus verschiedenen Projektionen auf. Die Rekonstruktion kann nur aus einem Teilbereich dieser aufgenommenen Daten erfolgen.
Bei dem zu untersuchenden Objekt 14 kann es sich beispielsweise um einen tierischen oder menschlichen Körper aber auch einen Phantomkörper handeln.
Die Röntgenstrahler 3 und 3' sowie die Röntgenbilddetektoren 4 und 4' laufen jeweils so um das Objekt 14 herum, dass sich die Röntgenstrahler 3 und 3' sowie die Röntgenbilddetektoren 4 und 4' auf entgegengesetzten Seiten des Objekts 14 gegenüberliegen.
Bei der normalen Radiographie oder Fluoroskopie mittels einer derartigen Röntgendiagnostikeinrichtung werden die medizinischen 2-D-Daten der Röntgenbilddetektoren 4 und 4' im Bildsystem 8 ggf. zwischengespeichert und/oder verarbeitet und anschließend auf dem Monitor 9 wiedergegeben.
An jeder Aufnahmeposition werden 2-D-DSA-Röntgenbilder akquiriert, die mittels eines bekannten Rekonstruktionsverfahrens zu einem 3-D-DSA-Volumenbild berechnet werden.
Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein angiographisches Untersuchungsverfahren zur Darstellung von Flusseigenschaften von Gefäßen eines Untersuchungsobjekts der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass man 4-D-DSA-Datensätze erhält, die eine Quantifizierung von Blutfluss mit hoher Zeitauflösung in 3-D ermöglichen, wobei die Frage zugrunde liegt, welche röntgenbildbasierten Ansätze im interventionellen Umfeld unter Verwendung eines C-Bogen-Systems (nichtinvasiv) zum Einsatz kommen können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für ein angiographisches Untersuchungsverfahren der eingangs genannten Art durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Bestimmung von Blutflussparametern in 3-D mit hoher zeitlicher Auflösung wenigstens eine 4-D-DSA-Sequenz zur Erzeugung von messbasierten 4-D-DSA-Datensätzen akquiriert wird, wobei mit einem modellbasierten Verfahren (CFD) zeitabhängige Volumendatensätze bestimmt werden, die zeitlich zwischen den zeitabhängigen Volumendatensätzen des messbasierten 4-D-DSA-Verfahrens liegen. Dadurch erhält man 4-D-DSA-Datensätze, die eine Quantifizierung von Blutfluss mit hoher Zeitauflösung im interventionellen Umfeld unter Verwendung eines C-Bogen-Systems ermöglichen.
In vorteilhafter Weise kann eine CFD-basierte Interpolation entlang der Zeit mit vereinfachenden und verallgemeinernden Modellannahmen gerechnet werden, während dem messbasierten Verfahren keine vereinfachenden physikalischen und physiologischen Annahmen zugrunde liegen. Dies wird dadurch erreicht, dass nur das patientenspezifische akquirierte Bildmaterial als Input verwendet wird.
Die Aufgabe wird für ein angiographisches Untersuchungsverfahren weiterhin durch folgende Schritte gelöst:

S1) Akquisition einer 4-D-DSA-Sequenz zur Erzeugung von messbasierten 4-D-DSA-Datensätzen,
S2) Rekonstruktion einer zeitaufgelösten Serie von 3-D-Datensätzen zur Erzeugung des zeitlichen Verlaufs einer Kontrastmitteldichteverteilung,
S3) Erzeugung eines 3-D-Datensatzes mit kompletter Kontrastmittelfüllung der zu untersuchenden Gefäße,
S4) Definition einer Modellgeometrie für eine CFD-Simulation,
S5) Berechnung einer CFD-Simulation mit vorgegebenen initialen Randbedingungen und Simulationsparametern in wenigstens einem Zeitintervall von t_j bis t_j+1,
S6) Simulation des Kontrastmitteltransportes zur Erzeugung einer virtuellen Kontrastmitteldichteverteilung zum Zeitpunkt t_j+1,
S7) Lösung eines inversen Problems mit Hilfe der virtuellen und realen Kontrastmitteldichteverteilung zu den Zeitpunkten t_j und t_j+1 des wenigstens einen Zeitintervalls,
S8) Wiederholung der Verfahrensschritte 3 und 4 in einem folgenden Zeitintervall t_j+1 bis t_j+2, bis eine vollständige virtuelle Kontrastmittelfüllung des Gefäßbaumes erreicht ist,
S9) Berechnung der Kontrastmitteldichteverteilungen zu beliebigen Zwischenzeitpunkten t_j,n und
S10) Kombination der simulierten und berechneten Kontrastmitteldichteverteilungen und Visualisierung dieser Kombination.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zur Lösung des inversen Problems gemäß Verfahrensschritt S7) eine iterative Optimierung durch Anpassung der Freiheitsgrade der CFD-Simulation so lange durchgeführt wird, bis die Simulation ausgehend von den Anfangsdaten des 3-D-Datensatzes zum früheren Zeitpunkt t_j zu den Ergebnisdaten des 3-D-Datensatzes zum späteren Zeitpunkt t_j+1 führt.
Erfindungsgemäß können zur weiteren Verfeinerung die Freiheitsgrade in jedem Verfahrensschritt für alle bis dahin berechneten Zeitintervalle optimiert werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Darstellung zur Veranschaulichung des 4-D-DSA-Verfahrens,
2 eine S/W-Wiedergabe einer farbigen Verteilung von Wandscherkräften in einem Aneurysma an einer Gefäß-Bifurkation,
3 bis 5 Darstellungen einer nach dem 4-D-DSA-Verfahren erstellten Bildfolge,
6 ein biplanes C-Bogen-Angiographiesystem mit je einem Industrieroboter als Tragvorrichtungen,
7 den Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen angiographischen Untersuchungsverfahrens und
8 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Zeitpunkte der real gemessenen und der errechneten Volumendatensätze.

In der 8 sind die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen angiographischen Untersuchungsverfahren zur Darstellung von Flusseigenschaften von Gefäßen eines Untersuchungsobjekts näher beschrieben.
In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird eine 4-D-DSA-Sequenz zur Erzeugung von messbasierten 4-D-DSA-Datensätzen akquiriert.
Im zweiten Verfahrensschritt S2 wird eine zeitaufgelöste Serie von 3-D-Datensätzen zur Erzeugung einer zeitlichen Kontrastmitteldichteverteilung rekonstruiert, die sich als zeitlich entwickelnde Kontrastmitteldichteverteilung darstellt.
Gemäß dem dritten Verfahrensschritt S3 erfolgt eine Erzeugung eines 3-D-Datensatzes mit kompletter Füllung der zu untersuchenden Gefäße mit Kontrastmittel.
Im vierten Verfahrensschritt S4 wird eine Modellgeometrie für eine CFD-Simulation bestimmt und festgelegt.
Gemäß dem fünften Verfahrensschritt S5 resultiert eine Berechnung einer CFD-Simulation mit vorgegebenen initialen Randbedingungen und Simulationsparametern in einem Zeitintervall von t_j bis t_j+1.
Im sechsten Verfahrensschritt S6 wird eine Simulation des Kontrastmitteltransportes zur Erzeugung einer virtuellen Kontrastmitteldichteverteilung zum Zeitpunkt t_j+1 durchgeführt.
In einem siebten Verfahrensschritt S7 erfolgt eine Lösung des inversen Problems mit Hilfe der virtuellen und realen Kontrastmitteldichteverteilung zu den Zeitpunkten t_j und t_j+1.
Gemäß einem achten Verfahrensschritt S8 wird überprüft, ob eine vollständige Kontrastmittelfüllung des Gefäßbaumes erreicht ist. Ist dies nicht der Fall, werden die Verfahrensschritte 3 und 4 in einem nächsten Zeitintervall so lange wiederholt, bis eine vollständige Kontrastmittelfüllung des Gefäßbaumes erreicht ist.
Im neunten Verfahrensschritt S9 werden Kontrastmitteldichteverteilungen zu beliebigen Zwischenzeitpunkten t_j,n berechnet.
Im letzten Verfahrensschritt S10 werden die simulierten und berechneten Kontrastmitteldichteverteilungen kombiniert und beide visualisiert.
Dieser Erfindung liegt die Idee zugrunde, fehlende Information bei der Anwendung des 4-D-DSA-Verfahrens per CFD zu berechnen. Bildlich gesprochen nutzt man das CFD-Verfahren, um per „Interpolation in der Zeit“ weitere 3-D-Datensätze in einer per 4-D-DSA-Methode gewonnenen zeitaufgelösten Serie von 3-D-Datensätzen zu generieren.
Die nach der 4-D-DSA gewonnenen Volumendatensätze dienen hierbei als Stützstellen, während das CFD-Verfahren verwendet wird, um die Kontrastmitteldynamik zwischen den abgetasteten Zeitpunkten t_i der Stützstellen zu bestimmen. Man errechnet somit also per Interpolation in der Zeit eine höhere zeitliche Auflösung der zeitabhängigen 3-D-Datensätze.
Damit ergibt sich folgender Workflow:

1. Akquisition einer 4-D-DSA-Sequenz und Rekonstruktion einer zeitaufgelösten Serie von 3-D-Datensätzen, die die sich zeitlich entwickelnde Kontrastmitteldichteverteilung darstellen.
2. Erzeugung eines 3-D-Datensatzes mit kompletter Füllung und Definition der Modellgeometrie für die nachfolgende CFD-Simulation.
3. CFD-Simulation mit vorgegebenen initialen Randbedingungen und Simulationsparametern in einem ersten Zeitintervall von t_j bis t_j+1 und Simulation des Kontrastmitteltransportes zur Erzeugung einer virtuellen, d. h. simulierten Kontrastmitteldichteverteilung zum Zeitpunkt t_j+1.
4. Lösung des inversen Problems mit Hilfe der virtuellen und realen Kontrastmitteldichteverteilung zu den Zeitpunkten t_j und t_j+1. Per iterativer Optimierung können hierbei die Freiheitsgrade der CFD-Simulation angepasst werden, bis die CFD-Simulation ausgehend von den Anfangsdaten, dem 3-D-Datensatz zum früheren Zeitpunkt t_j gehörend, zu den Ergebnisdaten, dem 3-D-Datensatz zum späteren Zeitpunkt t_j+1 gehörend, führt.
5. Wiederholung der Schritte 3 und 4 in einem nächsten Zeitintervall, bis eine vollständige Kontrastmittelfüllung des Gefäßbaumes erreicht ist.
6. Berechnung der Kontrastmitteldichteverteilungen zu beliebigen Zwischenzeitpunkten t_j,n .

Eine weitere Verfeinerung kann darin liegen, die Optimierung der Freiheitsgrade in jedem Verfahrensschritt des Workflows für alle bis dahin berechneten Zeitintervalle durchzuführen.
Erfindungsgemäß erfolgt eine Kombination zweier gänzlich unterschiedlicher Ansätze zur Bestimmung von Blutflussparametern in 3-D mit hoher zeitlicher Auflösung. Dazu wird vorgeschlagen, ein modellbasiertes Verfahren (CFD) zu verwenden, um zeitabhängige Volumendatensätze zu bestimmen, die zeitlich zwischen den zeitabhängigen Volumendatensätzen liegen, die aus dem rein messbasierten 4-D-DSA-Verfahren resultieren.
Der Vorteil ist, dass nur lokal, also zwecks CFD-basierter Interpolation entlang der Zeit, mit vereinfachenden und verallgemeinernden Modellannahmen gerechnet wird, während global ein rein bildbasiertes bzw. messbasiertes Verfahren verwendet wird, wie beispielsweise das 4-D-DSA, dem keine vereinfachenden physikalischen und physiologischen Annahmen zugrunde liegen, da nur das patientenspezifische akquirierte Bildmaterial als Input verwendet wird.
Dieses Prinzip wird in der folgenden Abbildung nochmals erläutert. Die Volumendatensätze zu den dick markierten Zeitpunkten t_j und t_j+1 resultieren aus der Anwendung des 4-D-DSA-Verfahrens. Die zeitlich dazwischen angesiedelten, dünn markierten Volumendatensätze resultieren aus der Anwendung des CFD-Verfahrens, welche als Input neben der konkreten Gefäßgeometrie und weiteren Blutflussparametern den Kontrastmittelfüllstand der Gefäße zu den Zeitpunkten t_j und t_j+1 erhalten.
Alternativ kann die unter Punkt 3. beschriebene Maßnahme formal auch als iterative Optimierung der CFD-Simulation mit Hilfe von mehreren gemessenen, also per Anwendung des 4-D-DSA-Verfahrens gewonnenen 3-D-Dichteverteilungen verstanden werden. Damit kann die CFD-Simulation mit ihren Annahmen genauer an gemessene Daten angepasst und verbessert werden. Das Ergebnis werden optimierte patientenindividuelle Simulationsergebnisse sein. Diese Alternative ist also so zu verstehen, dass 4-D-DSA-Datensätze verwendet werden, um eine größere Realitätstreue der modellbasierten CFD-Simulation zu erzwingen.
Damit ist es möglich, zusätzlich zu den Zwischenzeitpunkten für die 4-D-DSA auch weitere physikalische Strömungsparameter, wie sie aus einer CFD-Simulation zu erhalten sind, zu generieren.

Claims

Angiographisches Untersuchungsverfahren zur Darstellung von Flusseigenschaften von Gefäßen (16, 21) eines Untersuchungsobjekts (14), dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung von Blutflussparametern in 3-D mit hoher zeitlicher Auflösung, die nicht deutlich unterhalb einer Bildwiederholrate von 30/sec liegt, wenigstens eine 4-D-DSA-Sequenz zur Erzeugung von messbasierten 4-D-DSA-Datensätzen akquiriert wird, wobei mit einem modellbasierten Verfahren zeitabhängige Volumendatensätze bestimmt werden, die zeitlich zwischen den zeitabhängigen Volumendatensätzen der messbasierten 4-D-DSA- Datensätze liegen.
Angiographisches Untersuchungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung von zeitabhängigen Volumendatensätzen mittels eines modellbasierten Verfahrens eine CFD-basierte Interpolation entlang der Zeit mit vereinfachenden und verallgemeinernden Modellannahmen gerechnet wird, während dem messbasierten Verfahren keine vereinfachenden physikalischen und physiologischen Annahmen zugrunde liegen.
Angiographisches Untersuchungsverfahren nach Anspruch 2 gekennzeichnet durch folgende Schritte: 51) Akquisition einer 4-D-DSA-Sequenz zur Erzeugung von messbasierten 4-D-DSA-Datensätzen, S2) Rekonstruktion einer zeitaufgelösten Serie von 3-D-Datensätzen zur Erzeugung des zeitlichen Verlaufs einer Kontrastmitteldichteverteilung, S3) Erzeugung eines 3-D-Datensatzes mit kompletter Kontrastmittelfüllung der zu untersuchenden Gefäße (16, 21), S4) Definition einer Modellgeometrie für eine CFD-Simulation, S5) Berechnung einer CFD-Simulation mit vorgegebenen initialen Randbedingungen und Simulationsparametern in wenigstens einem Zeitintervall von t_j bis t_j+1, S6) Simulation des Kontrastmitteltransportes zur Erzeugung einer virtuellen Kontrastmitteldichteverteilung zum Zeitpunkt t_j+1, S7) Lösung eines inversen Problems mit Hilfe der virtuellen und realen Kontrastmitteldichteverteilung zu den Zeitpunkten t_j und t_j+1 des wenigstens einen Zeitintervalls, S8) Wiederholung der Verfahrensschritte 3 und 4 in einem folgenden Zeitintervall t_j+1 bis t_j+2, bis eine vollständige virtuelle Kontrastmittelfüllung des Gefäßbaumes erreicht ist, S9) Berechnung der Kontrastmitteldichteverteilungen zu beliebigen Zwischenzeitpunkten t_j,n und S10) Kombination der simulierten und berechneten Kontrastmitteldichteverteilungen und Visualisierung dieser Kombination.
Angiographisches Untersuchungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Lösung des inversen Problems gemäß Verfahrensschritt S7) eine iterative Optimierung durch Anpassung der Freiheitsgrade der CFD-Simulation so lange durchgeführt wird, bis die Simulation ausgehend von den Anfangsdaten des 3-D-Datensatzes zum früheren Zeitpunkt t_j zu den Ergebnisdaten des 3-D-Datensatzes zum späteren Zeitpunkt t_j+1führt.
Angiographisches Untersuchungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Verfeinerung die Freiheitsgrade in jedem Verfahrensschritt für alle bis dahin berechneten Zeitintervalle optimiert werden.