DE102013201136B4 - Vorhersage eines voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Vorhersage eines voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs (CEP) für eine kontrastmittelunterstützte Untersuchung eines Untersuchungsobjekts (2) mit folgenden Schritten:- Erfassung von patientenspezifischen Blutflussverlaufsdaten (35) in einer Vormessung unter Verwendung eines definierten Untersuchungsprotokolls (47) und Bestimmung einer individuellen Impulsantwortfunktion (37, 43) auf Basis der Blutflussverlaufsdaten (35),- Erfassung eines der Vormessung zugeordneten Vormessungs-Herzratensignals (40) und Vorhersage (39) des voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs (CEP) auf Basis der individuellen Impulsantwortfunktion (37, 43), des Vormessungs-Herzratensignals (40) sowie eines aktuellen Untersuchungsprotokolls (48) und eines aktuell erfassten Herzratensignals (44, 52), dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis des Vormessungs-Herzratensignals (40) eine herzschlagbezogene Impulsantwortfunktion (43) ermittelt wird, welche eine individuelle Impulsantwortfunktion in Abhängigkeit von einer Herzschlaganzahl definiert.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorhersage eines voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs für eine kontrastmittelunterstützte Untersuchung eines Untersuchungsobjekts, insbesondere eines kontrastmittelunterstützten Bildgebungsverfahrens, bevorzugt im Rahmen eines angiographischen Untersuchungsverfahrens eines Patienten. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung eines medizintechnischen Bildgebungssystems.
• Aus der Druckschrift US 2008 / 0 097 197 A1 ist ein Verfahren zum Modellieren der Ausbreitung eines pharmazeutischen Fluids in einem Patienten bekannt. Es umfasst das Sammeln von Daten, die einer Zeitreaktionskurve entsprechen, die sich aus der Injektion des Fluids ergibt, und das Bestimmen mindestens eines mathematischen Modells, das die Daten beschreibt. Das mathematische Modell kann beispielsweise ein Modell sein, das nicht durch eine kontinuierliche oder eine zeitdiskrete Fourier-Transformation der Daten bestimmt ist.
• Aus der Druckschrift DE 10 2006 055 167 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung einer Kontrastmittelkurve bekannt. Das Verfahren umfasst das Anpassen einer Scanposition eines Patienten und das Implementieren einer Reihe von Scans an dem Patienten zu vordefinierten Scanzeitpunkten. Bei jeder Abtastung wird ein Schwächungswert erfasst, wobei die Konzentration eines Kontrastmittels an der Abtastposition durch die Erfassung des Schwächungswertes repräsentiert wird. Anhand des erfassten Schwächungswertes wird die Kontrastmittelkurve ermittelt.
• Aus der Druckschrift DE 10 2005 006 657 A1 ein Verfahren zur Vorhersage der sich zeitlich ändernden Kontrastmittelkonzentration eines Kontrastmittels bekannt. Das Verfahren umfasst das Injizieren eines bekannten Testbolus eines anderen Kontrastmittels, vorzugsweise in ein Blutgefäß und vorzugsweise intravenös, und mit einem bekannten Injektionsströmungsweg. Über einen begrenzten Zeitraum mit mehreren Messpunkten wird die zeitliche Konzentrationsänderung an mindestens einer Stelle im Körper beobachtet und mit einem tomographischen Verfahren bestimmt. Die sich zeitlich ändernde Kontrastmittelkonzentration des Kontrastmittels wird aus den Messdaten über die Verteilung des anderen Kontrastmittels und unter Verwendung eines linearen Ursache-Wirkungs-Zusammenhangs und einer gegebenen Gleichung vorhergesagt.
• Aus der Druckschrift US 2010 / 0 204 572 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen mindestens eines Parameters für ein Bildgebungsverfahren einschließlich der Injektion eines kontrastverstärkenden Fluids, das ein kontrastverstärkendes Mittel enthält, bekannt. Das Verfahren umfasst das Einsetzen diskreter Punktdaten, die aus mindestens einer unter Verwendung eines Bildgebungssystems gemessenen Kontrastzeitverstärkungskurve bestimmt wurden, in ein Modell für einen ersten interessierenden Bereich, welche aus der Injektion eines Bolus der kontrastverstärkenden Flüssigkeit resultieren. In mehreren Ausführungsformen kann eine ausreichende Anzahl von Datenpunkten in das Modell eingesetzt werden, um Werte für physiologische Variablen in dem Modell zu bestimmen. Die Variablen können sich beispielsweise auf die Herz-Lungen-Funktion beziehen.
• Aus der Druckschrift US 2010 / 0 030 073 A1 ist ein Verfahren zum Steuern der Injektion eines pharmazeutischen Fluids in einen Patienten unter Verwendung eines Injektors in einem medizinischen Verfahren bekannt. Das Verfahren umfasst das Sammeln von Daten, die einer Patientenreaktionskurve entsprechen, die sich aus der Injektion des Fluids ergibt, das Bestimmen mindestens eines mathematischen Modells, das die Daten beschreibt, und das Steuern des Injektors während des medizinischen Verfahrens, um die Injektion des Fluids in den Patienten zu steuern, um eine Patientenreaktion zumindest teilweise auf der Grundlage des mathematischen Modells zu erzeugen.
• Aus der Druckschrift US 2006 / 0 178 836 A1 ist ein Verfahren zur Nutzung der Bolusausbreitung und -steuerung zur Kontrastverstärkung bekannt. Das Verfahren umfasst das Messen einer Position eines Bolus, der sich entlang eines Pfades in einer biologischen Struktur bewegt, mit einer Abbildungsvorrichtung. Das Verfahren umfasst ferner das Vorhersagen einer zukünftigen Position des Bolus unter Verwendung eines vereinfachten Zielmodells und das Vergleichen der vorhergesagten zukünftigen Position des Bolus mit der gemessenen Position des Bolus. Eine Steueraktion wird bestimmt, um eine eventuelle Diskrepanz zwischen der vorhergesagten Position des Bolus und der gemessenen Position des Bolus und der relativen Position der Bildgebungsvorrichtung zu eliminieren, und die biologische Struktur wird gemäß der Steueraktion angepasst, um die Bewegung des Bolus zu verfolgen.
• In der älteren Patentanmeldung DE 10 2012 209 410 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung einer individuellen, patientenspezifischen Kontrastmittel-Impulsantwortfunktion (im Folgenden auch kurz als „Impulsantwortfunktion“ oder „Patientenfunktion“ bezeichnet) anhand von Testbolus-Daten beschrieben, mit der später eine Vorhersage des Kontrastmittelverlaufs bei einer kontrastmittelunterstützten bildgebenden Messung erzeugt werden kann. Diese Patientenfunktion beschreibt die kardiovaskulären Eigenschaften des Patienten zum Zeitpunkt, als der Testbolus gemessen wurde. Im Prinzip könnte man damit den Kontrastmittelverlauf für jedes beliebige Injektionsprotokoll unter der Annahme vorhersagen, dass die individuelle Patientenfunktion zu dem späteren Zeitpunkt noch gültig ist. Ein Injektionsprotokoll ist dabei eine genaue zeitliche Vorgabe, gemäß der an den Patienten die Kontrastmittelmenge abgegeben wird, und umfasst z. B. den Startzeitpunkt, die Flussrate und den Endzeitpunkt der Kontrastmittelgabe.
• Allgemein sind derartige sogenannte CEP-Algorithmen (engl. contrast enhancement prediction) aus verschiedenen Publikationen bekannt, wie beispielsweise:
• • Dominik Fleischmann et al., „Mathematical Analysis of Arterial Enhancement and Optimization of Bolus Geometry for CT Angiography Using the Discrete Fourier Transform“, Journal of Computer Assisted Tomography, 1999, Vol. 23, No. 3, Seiten 474 bis 484, und
• • Andreas H. Mahnken et al, „Quantitative prediction of contrast enhancement from test bolus data in cardiac MSCT“, Eur. Radiol. 2007, 17, Seiten 1310 bis 1319.
• Diese CEP-Algorithmen berechnen den voraussichtlichen Verlauf des Kontrastmittels im Patienten und sind meist aus zwei Subalgorithmen aufgebaut. Mit einem ersten Subalgorithmus wird eine patientenspezifische Kontrastmittel-Impulsantwortfunktion (engl. arterial impulse response, AIR) ermittelt, der sogenannte „AIR-Algorithmus“. Der zweite Subalgorithmus berechnet eine Vorhersage (engl. prediction) des voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs im Patienten, der sogenannte „PRED-Algorithmus“. Ein CEP-Algorithmus umfasst also meist eine Kombination aus einem AIR-Algorithmus und einem PRED-Algorithmus.
• In allen diesen bekannten Verfahren wird der zu untersuchende Patient als ein lineares zeitinvariantes System (engl. LTIsystem) betrachtet. Dies bedeutet im Allgemeinen, dass man die in der Zeit gemessene Kontrastmittelanreicherung im Patienten C(t) mathematisch als eine Faltung (engl. convolution) des Injektionsprotokolls IF(t) mit der Impulsantwort- bzw. Patientenfunktion AIR(t) beschreiben kann: $$\text{C}\left(\text{t}\right)=\text{IF}\left(\text{t}\right)\otimes \text{AIR}\left(\text{t}\right)$$

  

  Infolgedessen führen die CEP-Algorithmen alle Berechnungen in der Zeit- und/oder Fourier-Domäne durch, die von der ZeitDomäne abgeleitet ist.
• Dies setzt jedoch voraus, dass die treibende Kraft des Kontrastmittels, der Blutkreislauf, auch invariant und über die Zeit stabil ist. Dies ist jedoch oft nicht der Fall.
• Ein typisches Anwendungsfeld für kontrastmittelunterstützte Bildgebungsverfahren ist z. B. die CT-Angiographie (CTA), d. h. die Bildgebung der Gefäße mittels Computertomographie. Ein CTA-Scan ist dabei ein Durchlauf eines Computertomographen für die Bildgebung der Gefäße, und eine Herz-CTA oder ein Herz-Scan ist die Bildgebung des Herzens und Darstellung der Herzgefäße.
• Insbesondere bei solchen Herz-Scans in der CT-Angiographie (CTA) kann es sein, dass die Herzrate (Anzahl der Herzschläge pro Zeiteinheit) sich nach dem Testbolus dauerhaft erhöht oder gesenkt hat, beispielsweise unter Einfluss von Betablocker (z. B. Metoprolol), die typischerweise kurz vor dem Scan bei Patienten mit einer zu hohen Herzrate verabreicht werden. Da sich die Rezirkulationszeit des Blutes mit einer anderen Herzfrequenz ändert, hat sich in diesem Fall die Patientenfunktion auch geändert. Dies würde zu einer ungenauen Vorhersage des Kontrastmittelverlaufs führen.
• Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Verfahren zur Vorhersage eines voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs für eine kontrastmittelunterstützte Untersuchung, insbesondere eines kontrastmittelunterstützten Bildgebungsverfahrens, bevorzugt im Rahmen eines angiographischen Untersuchungsverfahrens, der eingangs genannten Art derart auszubilden, so dass vor allem bei unregelmäßigen Herzraten eine bessere Vorhersage des Kontrastmittelverlaufs zu einem späteren Zeitpunkt ermöglicht wird, insbesondere falls sich die Herzrate zwischen der Durchführung des Testbolus und der eigentlichen späteren Untersuchung geändert haben sollte.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zur Vorhersage eines voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs für eine kontrastmittelunterstützte Untersuchung eines Untersuchungsobjekts (im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als „Patient“ bezeichnet, weshalb auch der Begriff „patientenspezifisch“ stellvertretend für den Begriff „untersuchungsobjektspezifisch“ verwendet wird) folgende Schritte durchgeführt:
• - Zunächst werden in einer Vormessung patientenspezifische Blutflussverlaufsdaten unter Verwendung eines definierten Untersuchungsprotokolls erfasst und aus den Blutflussverlaufsdaten eine individuelle Impulsantwortfunktion für den Patienten bestimmt. Die Blutflussverlaufsdaten können dabei im Rahmen einer bildgebenden Messung, z. B. einer vorherigen CT-Messung, insbesondere CTA, unter Verwendung von entsprechendem Kontrastmittel wie in der späteren Untersuchung gewonnen werden. Dabei kann es sich um eine „echte“ frühere kontrastmittelunterstützte Untersuchung handeln. In der Regel handelt es sich aber um eine spezielle Testmessung, die mit nur einer kleinen Menge Kontrastmittel (dem „Testbolus“) durchgeführt wird. Die Blutflussverlaufsdaten können aber auch in anderer Weise bestimmt werden, beispielsweise optisch mit einem Testbolus in Form eines Mittels zur farblichen Markierung des Blutflussverlaufs, wie dies von F. Eisa et al in „Optical tracking of contrast medium bolus to optimize bolus shape and timing in dynamic computed tomography“, Physics in Medicine and Biology 2012, 57, Seiten N173 bis N182, beschrieben ist. Das Untersuchungsprotokoll umfasst dabei z. B. das definierte Injektionsprotokoll zur Gabe des Kontrastmittels bzw. Testbolus.
• - Außerdem wird ein der Vormessung zugeordnetes Vormessungs-Herzratensignal erfasst. Die Formulierung „der Vormessung zugeordnet“ ist dabei so zu verstehen, dass das Vormessungs-Herzratensignal in ausreichender Weise, je nach vorhandenen technischen Möglichkeiten und genauer Ausführungsvariante der Erfindung, die zu einem Zeitpunkt der Vormessung bzw. während der Vormessung vorliegende Herzrate des Patienten repräsentiert. Zum Beispiel kann das Vormessungs-Herzratensignal im Rahmen der Vormessung, d. h. bei der Vormessung oder kurz vorher oder danach erfasst werden.
• - Die Vorhersage des voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs erfolgt dann auf Basis der individuellen Impulsantwortfunktion, des Vormessungs-Herzratensignals (direkt oder - indem das Vormessungs-Herzratensignal bereits in die individuelle Impulsantwortfunktion eingegangen ist - indirekt) sowie eines aktuellen Untersuchungsprotokolls und eines aktuell erfassten Herzratensignals. Das aktuell erfasste Herzratensignal repräsentiert dabei die Herzrate bzw. den Herzschlag des Patienten zum Zeitpunkt der späteren Messung, für die der Kontrastmittelverlauf vorhergesagt werden soll. Es kann also beispielsweise in ausreichend kurzem Abstand vor oder bei der Untersuchung erfasst werden. Es wird an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass eine Kontrastmittelverlaufs-Vorhersage auch den Fall umfasst, dass während der späteren Untersuchung, beispielsweise der CTA, von Herzschlag zu Herzschlag in einer Art aktueller „Online-Vorausschau“ vorhergesagt wird, wie sich das Kontrastmittel im Blutkreislauf ausbreitet. Dies wird später noch im Einzelnen ausgeführt.
• - Auf Basis des Vormessungs-Herzratensignals wird eine herzschlagbezogene Impulsantwortfunktion ermittelt. Diese individuelle „herzschlagbezogene Impulsantwortfunktion“ definiert die individuelle Impulsantwortfunktion in Abhängigkeit von der Herzschlaganzahl. Mit anderen Worten: Während die oben erläuterte, bisher übliche individuelle Impulsantwortfunktion (im Folgenden auch zur Unterscheidung manchmal explizit „zeitbezogene Impulsantwortfunktion“ genannt) in der Zeitdomäne betrachtet wird, d. h. eine Funktion über der Zeit t ist, wird eine „herzschlagbezogene“ Impulsantwortfunktion in der „Herzratendomäne“ bzw. „Herzschlagdomäne“ betrachtet, d. h. es handelt sich um eine Funktion über der Herzschlaganzahl, die im Folgenden mit der Abkürzung HB (heart beat) benannt wird.
• Die Erfassung des Vormessungs-Herzratensignals und des Herzratensignals kann sich dabei sowohl auf jeden einzelnen Herzschlag (HB) beziehen, wenn z. B. die Herzrate mittels eines EKGs gemessen und aufgezeichnet worden ist, wie auch auf Informationen zu einer mittleren Herzrate (HR). Letztes kann beispielsweise bei Pulsmessern der Fall sein, die die Herzrate als Anzahl der Herzschläge pro Minute (engl. beats per minute, bpm) wiedergeben.
• Mit den Herzraten- bzw. Herzschlag-Informationen bei der Vormessung kann die Patientenfunktion so gebildet werden, dass sie die Herzrate zum Zeitpunkt der Vormessung explizit berücksichtigt. Anschließend kann man dann im Falle einer Änderung der Herzrate den Kontrastmittelverlauf zu einem späteren Zeitpunkt besser vorhersagen. Durch die Erfassung und Aufzeichnung bzw. Speicherung des Vormessungs-Herzratensignals und durch die Erfassung des aktuellen Herzratensignals ergibt sich also in der Regel eine erheblich verbesserte Vorhersage eines voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs für nicht-konstante Herzraten.
• Ein solches Verfahren kann dann wiederum bevorzugt in einem erfindungsgemäßen Verfahren zur automatischen Ansteuerung eines medizintechnischen Bildgebungssystems eingesetzt werden, wobei ein Referenzzeitpunkt - beispielsweise ein StartZeitpunkt zum Start einer Bildakquisition in einem bestimmten Bereich - für das Bildgebungssystem auf Basis eines Kontrastmittelgabe-Startzeitpunkts einer Kontrastmittelgabe und des vorhergesagten Kontrastmittelverlaufs bestimmt wird. Beispielsweise kann sich eine Verzögerungszeit zwischen dem Start der Kontrastmittelvergabe und einem Start der Abtastung durch das Bildgebungssystems aus der Lage eines lokalen Maximums eines vorhergesagten Kontrastmittelverlaufs ergeben.
• Die Ermittlung eines solchen Referenzzeitpunkts kann aber auch für andere Verfahren sinnvoll sein, beispielsweise für eine spätere Auswertung von Bilddatensätzen einer Kontrastmittelaufnahme. So ist es in vielen Fällen wesentlich zu wissen, in welcher Phase bestimmte Bilder aufgenommen wurden, beispielsweise ob es sich um eine Phase handelt, in der sich das Kontrastmittel erst in einer bestimmten Struktur verteilt bzw. anreichert, oder ob die Bilder in einer Phase erzeugt wurden, in der das Kontrastmittel wieder aus der Struktur verschwindet, d. h. abgebaut wird.
• Eine Vorrichtung zur automatischen Vorhersage eines voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs für eine kontrastmittelunterstützte Untersuchung eines Untersuchungsobjekts weist zumindest folgende Komponenten auf:
• - Eine Eingangs-Schnittstelle zur Erfassung von patientenspezifischen Blutflussverlaufsdaten in einer Vormessung unter Verwendung eines definierten Untersuchungsprotokolls. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Schnittstelle zu einem Speicher handeln, in dem die betreffenden Daten hinterlegt sind, aber auch um eine Schnittstelle zu einer Auswerteeinheit, in der aktuell gerade die Messdaten aus einer Testbolus-Messung ausgewertet werden und von der die Daten direkt übernommen werden können.
• - Eine Impulsantwortfunktions-Ermittlungseinheit zur Bestimmung einer individuellen Impulsantwortfunktion auf Basis der Blutflussverlaufsdaten.
• - Eine Eingangs-Schnittstelle zur Erfassung eines Herzratensignals. Auch hier kann es sich beispielsweise um eine Schnittstelle zu einem Speicher handeln oder um eine Schnittstelle zu einem Messgerät zur Messung bzw. Aufzeichnung des Herzratensignals, beispielsweise eine Schnittstelle zu einem EKG. Grundsätzlich können die Eingangs-Schnittstellen zur Erfassung der patientenspezifischen Blutflussverlaufsdaten und zur Erfassung eines Herzratensignals auch als gemeinsame Schnittstelle ausgebildet sein, sofern die Daten bzw. Signale gemeinsam hinterlegt sind.
• - Eine Berechnungseinheit zur Vorhersage des voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs auf Basis der individuellen Impulsantwortfunktion, eines der Vormessung zugeordneten Vormessungs-Herzratensignals (wobei das Vormessungs-Herzratensignal wieder direkt oder - indem es bereits in die individuelle Impulsantwortfunktion eingegangen ist - indirekt genutzt wird) sowie eines aktuellen Untersuchungsprotokolls und eines aktuell erfassten Herzratensignals.
• Die Kontrastmittelverlaufs-Vorhersage bzw. eine entsprechende Funktion oder Tabelle, welche den zu erwartenden Kontrastmittelverlauf repräsentiert, kann dann über eine Ausgangs-Schnittstelle der Vorrichtung beispielsweise an andere Einheiten ausgegeben werden, die mit der Kontrastmittelverlaufs-Vorhersage weiterarbeiten, insbesondere weitere Berechnungen durchführen oder diese speichern.
• Eine solche Vorrichtung zur automatischen Vorhersage des voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs ist besonders bevorzugt als Teil einer Steuereinrichtung für ein Bildgebungssystem ausgebildet. Das heißt, die Steuereinrichtung weist selbst diese Vorrichtung zur automatischen Vorhersage des voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs auf. In diesem Fall weist die Steuereinrichtung bevorzugt auch eine Schnittstelle zur Erfassung oder Ausgabe eines Kontrastmittelgabe-StartZeitpunkts sowie eine Referenzzeitpunkt-Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung eines Referenzzeitpunkts für das Bildgebungssystem auf Basis des Kontrastmittelgabe-Startzeitpunkts und des voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs auf. Dies hat dann den Vorteil, dass die Steuereinrichtung vollautomatisch unmittelbar die Kontrastmittelverlaufs-Vorhersage auf Basis der Vormessung ermitteln und später entsprechend das Bildgebungssystem mit Hilfe dieser Steuereinrichtung so gesteuert werden kann, dass bei der eigentlichen Messung mit der Bilddatenakquisition zum richtigen Zeitpunkt nach einer Kontrastmittelgabe begonnen werden kann und/oder die Bilddaten zeitlich mit dem Referenzzeitpunkt verknüpft und gespeichert werden können.
• Grundsätzlich kann eine Vorrichtung zur automatischen Vorhersage eines voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs aber auch auf anderen Rechnern realisiert werden, die beispielsweise die benötigten Blutflussverlaufsdaten von anderen Komponenten übernehmen und beispielsweise mit dem Bildgebungssystem über ein Netzwerk verbunden sind. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn rechenintensivere Aufgaben aus der Steuereinrichtung verlagert werden sollen, um die Rechenkapazität der Steuereinrichtung voll zur Steuerung anderer Messungen zur Verfügung zu stellen.
• Ein Bildgebungssystem zum Erzeugen von Bilddaten vom Inneren eines Untersuchungsobjekts umfasst vorzugsweise eine zuvor beschriebene Steuereinrichtung, welche auch eine Vorrichtung zur automatischen Vorhersage eines voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs aufweist.
• Insbesondere können die Impulsantwortfunktions-Ermittlungseinheit und die Berechnungseinheit der Vorrichtung zur automatischen Vorhersage eines voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs jeweils als Softwaremodule auf einem geeigneten Rechner mit entsprechenden Speichermöglichkeiten realisiert sein. Die Eingangs-Schnittstellen sowie die Ausgangs-Schnittstelle können ebenfalls in Form von reiner Software realisiert sein, sofern nur eine Übernahme der Blutflussverlaufsdaten bzw. eine Ausgabe der Kontrastmittelverlaufs-Vorhersage von anderen bzw. an andere - insbesondere auf der gleichen Rechnereinheit realisierte - weitere Einheiten oder Speicher erforderlich ist. Grundsätzlich können diese Schnittstellen aber auch als kombinierte Hardware-/Software-Schnittstellen realisiert sein, um eine externe Ein- und Ausgabe zu realisieren, beispielsweise mit Hilfe von Softwarekomponenten speziell konfigurierte Hardware-Schnittstellen. Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass beispielsweise auch schon bisher verwendete Steuereinrichtungen für Bildgebungssysteme auf einfache Weise durch ein Software-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein Computerprogrammprodukt gelöst, welches direkt in einen Speicher einer programmierbaren Steuereinrichtung ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in der Steuereinrichtung ausgeführt wird.
• Die abhängigen Ansprüche enthalten jeweils besonders vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung, wobei die Ansprüche einer Kategorie auch entsprechend den abhängigen Ansprüchen einer anderen Kategorie weitergebildet sein können.
• Abhängig von den Herzraten-Informationen, d. h. der Art der Erfassung bzw. Aufzeichnung des Herzratensignals und/oder Implementation der CEP-Algorithmen, ergeben sich ein oder mehrere Möglichkeiten, die Vorhersage des Kontrastmittelverlaufs für schwankende Herzraten zu optimieren.
• Zur Ermittlung einer herzschlagbezogenen Impulsantwortfunktion auf Basis des Vormessungs-Herzratensignals ist es möglich, die patientenspezifischen Blutflussverlaufsdaten und das Untersuchungsprotokoll jeweils bereits in der Herzschlagdomäne zu ermitteln. Zum Beispiel können die Daten jeweils gleich in Abhängigkeit von einem parallel ermittelten Herzschlag aufgezeichnet werden. Das Untersuchungsprotokoll könnte auch in Abhängigkeit von der Herzschlaganzahl vorgegeben sein bzw. herzschlaggesteuert abgearbeitet werden. Es ist aber ebenso möglich, alle Daten zunächst in der Zeitdomäne zu erfassen und dann in die Herzschlagdomäne umzurechnen.
• Analog zu der Gleichung [1] gilt auch in der Herzschlagdomäne $$\text{C}\left(\text{HB}\right)=\text{IF}\left(\text{HB}\right)\otimes \text{AIR}\left(\text{HB}\right)$$

  

  wobei (HB) hier wie gesagt die Abhängigkeit vom Herzschlag symbolisiert. Die herzschlagbezogene Impulsantwort- bzw. Patientenfunktion AIR(HB) lässt sich also auch bei bekannten patientenspezifischen Blutflussverlaufsdaten C(HB), d. h. der Kontrastmittelanreicherung im Patienten in Abhängigkeit vom Herzschlag, und bekanntem Injektionsprotokolls IF(HB) mathematisch durch eine Entfaltung ermitteln.
• Da aber für die Entfaltung in der Zeitdömäne bzw. Frequenzdomäne schon eine Vielzahl von Standardprogrammen zur Verfügung stehen, kann es hinsichtlich des Gesamtaufwands vorteilhafter sein, zunächst in der üblichen Weise eine zeitbezogene individuelle Impulsantwortfunktion AIR_TB(t) zu ermitteln und diese unter Nutzung des Vormessungs-Herzratensignals in eine herzschlagbezogene Impulsantwortfunktion AIR_TB(HB) umzurechnen. Dies ist z. B. mittels folgender Gleichung möglich: $${\text{AIR}}_{\text{TB}}\left(\text{HB}\right)={\text{AIR}}_{\text{TB}}\left(\text{t}\cdot {\text{HR}}_{\text{TB}}\right)$$

  

  HR_TB ist hierbei die zu der Vormessung ermittelte Herzrate. Dabei und im Folgenden wird allgemein der Index „TB“ (Testbolus) verwendet, um anzugeben, dass es sich um Daten aus der Vormessung handelt, unabhängig davon, ob hierzu ein Testbolus verwendet wurde. Das heißt, AIR_TB ist die gesuchte individuelle Impulsantwortfunktion, die auf Basis der Daten der Vormessung ermittelt wurde.
• Wie bereits oben erwähnt, kann die Herzrate unterschiedlich berechnet bzw. ermittelt werden. Häufig handelt es sich um eine mittlere Herzrate, die sich durch die Anzahl der Herzschläge in einem definierten Zeitraum ergibt. Dabei ist es möglich, den Zeitraum über alle bisherigen Herzschläge seit Messung der Herzrate zu legen und die Anzahl der gemessenen Herzschläge durch diesen Zeitraum zu teilen. Ebenso ist es auch möglich, eine Art gleitenden Mittelwert zu bilden, der sich über einen bestimmten zurückliegenden Zeitraum oder eine bestimmte zurückliegende Anzahl von Herzschlägen (beispielsweise die letzten zehn Herzschläge) erstreckt. Eine solche gleitende Mittelwertbildung wird beispielsweise bei einer üblichen Pulsmessung mit einem einfachen Pulsmesser implizit durchgeführt. Im Extremfall kann auch eine ganz aktuelle Herzrate nur auf dem letzten Herzschlag beruhen, indem als Herzrate einfach der Kehrwert des zeitlichen Abstands zwischen dem letzten und vorletzten Herzschlag verwendet wird.
• Sofern zur Ermittlung der Herzrate HR_TB nicht die gleiche Zeiteinheit verwendet wird wie zur Ermittlung der Zeit t, muss in Gleichung [3] zusätzlich ein Umrechnungsfaktor U berücksichtigt werden: $${\text{AIR}}_{\text{TB}}\left(\text{HB}\right)={\text{AIR}}_{\text{TB}}\left(\text{t}\cdot \frac{{\text{HR}}_{\text{TB}}}{\text{U}}\right)$$

  
• Wenn wie üblich die Zeit t in der Regel in der Einheit Sekunden (s) gemessen wird und die Herzrate in Herzschlägen pro Minute (bpm; beats per minute), gilt für den Umrechnungsfaktor U = 60, d.h. es gilt dann die Gleichung: $${\text{AIR}}_{\text{TB}}\left(\text{HB}\right)={\text{AIR}}_{\text{TB}}\left(\text{t}\cdot \frac{{\text{HR}}_{\text{TB}}}{60}\right)$$

  
• Ist die individuelle herzschlagbezogene Impulsantwortfunktion AIR_TB(HB) bekannt und wird bei der späteren kontrastmittelunterstützten Messung für die eigentliche Untersuchung das Untersuchungsprotokoll, insbesondere Injektionsprotokoll IF_CTA(HB) ebenfalls in der Herzschlagdomäne gesteuert oder in die Herzschlagdomäne umgerechnet (ein mögliches Verfahren hierzu wird später noch angegeben), so lässt sich auch die gesuchte Kontrastmittelverlaufs-Vorhersage C_EP(HB) ohne weiteres mit der folgenden Gleichung (vgl. Gleichung [1]) direkt durch die übliche Faltungsoperation ermitteln: $${\text{C}}_{\text{EP}}\left(\text{HB}\right)={\text{IF}}_{\text{CTA}}\left(\text{HB}\right)\otimes {\text{ATR}}_{\text{TB}}\left(\text{HB}\right)$$

  
• Die Funktion C_EP(HB) definiert hierbei letztlich die herzschlagbezogene Kontrastmittelverlaufs-Vorhersage, also eine erwartete Kontrastmittelanreicherung an einer bestimmten Position im Patienten in Abhängigkeit vom Herzschlag. Der Index „EP“ steht für die Vorhersage der Anreicherung (Enhancement Prediction). Außerdem wird allgemein zur Veranschaulichung der Index „CTA“ verwendet, um anzugeben, dass es sich um Daten der späteren kontrastmittelunterstützten Messung handelt, für die der Kontrastmittelverlauf vorherzusagen ist, und zwar unabhängig davon, ob es sich hierbei tatsächlich um eine CTA-Untersuchung oder um eine andere kontrastmittelunterstützte Untersuchung handelt.
• Die Verwendung der Gleichung [4] ist insbesondere vorteilhaft, wenn während der späteren kontrastmittelunterstützten Messung das Herzratensignal in einer Weise erfasst und bearbeitet wird, dass Herzschlag für Herzschlag beobachtet wird, um die Vorhersage effektiv zu nutzen.
• Sofern jedoch bei der späteren kontrastmittelunterstützten Messung nicht in der Herzschlagdomäne gearbeitet wird, bietet sich folgende alternativ bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens an. Hierbei wird z. B. auf Basis eines (kurz vor oder während des Hauptscans, d. h. der eigentlichen Messung) aktuell erfassten Herzratensignals und der herzschlagbezogenen Impulsantwortfunktion eine zeitbezogene korrigierte individuelle Impulsantwortfunktion gebildet. Alternativ kann eine solche zeitbezogene korrigierte individuelle Impulsantwortfunktion auch direkt aus der zeitbezogenen individuellen Impulsantwortfunktion ermittelt werden. In beiden Fällen erfolgt dann die Vorhersage des voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs C_EP(t) in der Zeitdomäne durch Kombination der korrigierten zeitbezogenen Impulsantwortfunktion AIR_CORR(t) mit dem aktuellen (ebenfalls in üblicher Weise auf die Zeit bezogenen) Untersuchungsprotokoll bzw. Injektionsprotokoll IF_CTA(t) gemäß $${\text{C}}_{\text{EP}}\left(\text{t}\right)={\text{IF}}_{\text{CTA}}\left(\text{t}\right)\otimes {\text{ATR}}_{\text{CORR}}\left(\text{t}\right)$$

  
• Bei diesen Varianten erfolgt also zur Untersuchung des Patienten unter Einsatz eines Kontrastmittels eine Korrektur einer patientenspezifischen arteriellen Kontrastmittel-Impulsantwortfunktion für nicht-konstante Herzraten zur verbesserten Vorhersage des voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs. Dabei können in vorteilhafter Weise in einer Variante Daten, die das Herzschlagsignal repräsentieren, und die Blutflussverlaufsdaten einem CEP-Algorithmus zugeführt werden, der aus diesen Werten die individuelle Impulsantwortfunktion berechnet. Aus dieser individuellen Impulsantwortfunktion und einer kurz vor der eigentlichen Untersuchung ermittelten CTA-Herzrate wird dann die korrigierte individuelle Impulsantwortfunktion abgeleitet. Oder es kann aus einer zunächst herkömmlich ermittelten zeitbezogenen Impulsantwortfunktion mittels der Daten, die das Herzratensignal bei der Vormessung repräsentieren, und der Daten, die ein kurz vor der eigentlichen kontrastmittelunterstützten Untersuchung ermitteltes Herzratesignal repräsentieren, als für die durchzuführende Untersuchung erforderliche Parameter die korrigierte individuelle Impulsantwortfunktion berechnet werden.
• Sofern zunächst eine individuelle herzschlagbezogene Impulsantwortfunktion AIR_TB(HB) ermittelt wurde, kann daraus die korrigierte individuelle Impulsantwortfunktion berechnet werden, indem die individuelle herzschlagbezogene Impulsantwortfunktion mit einem Zeitskalierungsfaktor skaliert wird, welcher durch den Kehrwert einer aus dem aktuell erfassten Herzratensignal ermittelten Herzrate HR_CTA gegeben ist: $${\text{AIR}}_{\text{CORR}}\left(\text{t}\right)={\text{AIR}}_{\text{TE}}\left(\text{HB}/{\text{HR}}_{\text{CTA}}\right)$$

  
• Wenn die Zeit t selbst und die Herzrate mit unterschiedlichen Zeiteinheiten ermittelt werden, kann wieder ein Umrechnungsfaktor U verwendet werden: $${\text{AIR}}_{\text{CORR}}\left(\text{t}\right)={\text{AIR}}_{\text{TB}}\left(\text{HB}/\left({\text{HR}}_{\text{CTA}}/\text{U}\right)\right)={\text{AIR}}_{\text{TB}}\left(\text{HB}/{\text{HR}}_{\text{CTA}}\cdot \text{U}\right)$$

  

  wobei bei den üblichen Einheiten (einerseits s und andererseits bpm) U = 60 gilt, wie dies oben in Zusammenhang mit Gleichung [3] schon erläutert wurde.
• Wurde dagegen nur eine individuelle Impulsantwortfunktion AIR_TB(t) wie üblich in der Zeitdomäne ermittelt, kann daraus die korrigierte individuelle Impulsantwortfunktion berechnet werden, indem die individuelle zeitbezogene Impulsantwortfunktion mit einem Zeitskalierungsfaktor skaliert wird, welcher durch eine aus dem Vormessungs-Herzratensignal ermittelten Herzrate HR_TB im Verhältnis zu einer aus dem aktuell erfassten Herzratensignal ermittelten Herzrate HR_CTA gegeben ist: $${\text{AIR}}_{\text{CORR}}\left(\text{t}\right)={\text{AIR}}_{\text{TB}}\left(\text{t}\cdot {\text{HR}}_{\text{TB}}/{\text{HR}}_{\text{CTA}}\right)$$

  
• In allen Gleichungen [6] bis [7] kann die Herzrate wie oben erläutert wieder eine mittlere Herzrate oder eine nur auf einen einzelnen Herzschlag bezogene Herzrate sein.
• In den obigen Gleichungen [6] bis [7] wurde jedoch noch nicht berücksichtigt, dass die Änderung de Herzrate letztlich auch dazu führt, dass bei einem bezüglich der Zeitdomäne unveränderten Injektionsprotokoll unterschiedliche Kontrastmittelmengen pro Herzschlag gegeben werden. Mit anderen Worten, eine Änderung der Herzrate führt zu einer Änderung des Injektionsprotokolls in der Herzschlagdomäne. Um dies zu berücksichtigen und die Vorhersage noch weiter zu verbessern, kann bei den obigen Gleichungen [6] bis [7] jeweils ein Korrekturfaktor hinzugenommen werden, der dies ausgleicht. Daher wird bevorzugt zur Bildung der korrigierten individuellen Impulsantwortfunktion die skalierte individuelle Impulsantwortfunktion mit dem Kehrwert des jeweiligen Zeitskalierungsfaktors multipliziert. Für Gleichung [6] erhält man dann $${\text{AIR}}_{\text{CORR}}\left(\text{t}\right)=\left({\text{HR}}_{\text{CTA}}\right)\cdot {\text{AIR}}_{\text{TB}}\left(\text{HB}/{\text{HR}}_{\text{CTA}}\right)$$

  

  und für die Gleichungen [6'] und [7] entsprechend: $${\text{AIR}}_{\text{CORR}}\left(\text{t}\right)=\left({\text{HR}}_{\text{CTA}}/\text{U}\right)\cdot {\text{AIR}}_{\text{TB}}\left(\text{HB}/{\text{HR}}_{\text{CTA}}\cdot \text{U}\right)$$

  

  $${\text{AIR}}_{\text{CORR}}\left(\text{t}\right)=\left({\text{HR}}_{\text{CTA}}/{\text{HR}}_{\text{TB}}\right)\cdot {\text{AIR}}_{\text{TB}}\left(\text{t}\cdot {\text{HR}}_{\text{TB}}/{\text{HR}}_{\text{CTA}}\right)$$

  
• Anschaulich betrachtet, sorgt dieser Korrekturfaktor (HR_CTA) , (HR_CTA /U) oder (HR_CTA / HR_TB) bzw. Vorfaktor in den zugehörigen Gleichungen jeweils dafür, dass bei einer Anpassung der AIR-Kurve in die Breite die Amplitude der individuellen Impulsantwortfunktion AIR sich reziprok ändert, damit die Fläche unter der AIR-Kurve konstant bleibt.
• Setzt man beispielsweise Gleichung [7a] in Gleichung [5] ein, dann ergibt sich die Vorhersage des voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs C_EP(t) auf Basis der üblichen zeitbezogenen individuellen Impulsantwortfunktion AIR_TB(t) und der Herzrate HR_TB bei der Vormessung sowie der aktuellen Herzrate HR_CTA bei der späteren Messung wie folgt: $${\text{C}}_{\text{EP}}\left(\text{t}\right)={\text{IF}}_{\text{CTA}}\left(\text{t}\right)\otimes \left({\text{HR}}_{\text{CTA}}/{\text{HR}}_{\text{TB}}\right)\cdot {\text{AIR}}_{\text{TB}}\left(\text{t}\cdot {\text{HR}}_{\text{TB}}/{\text{HR}}_{\text{CTA}}\right)$$

  
• Für die anderen Verfahren gemäß den Gleichungen [6] und [6'] erfolgt die Berechnung analog.
• Alternativ kann der Korrekturfaktor (HR_CTA / HR_TB), welcher die Herzratenabhängigkeit des Untersuchungsprotokolls berücksichtigt, auch mit dem Untersuchungsprotokoll bzw. Injektionsprotokoll IF_CTA(t) multipliziert werden: $${\text{C}}_{\text{EP}}\left(\text{t}\right)=\left({\text{HR}}_{\text{CTA}}/{\text{HR}}_{\text{TB}}\right)\cdot {\text{IF}}_{\text{CTA}}\left(\text{t}\right)\otimes {\text{AIR}}_{\text{TB}}\left(\text{t}\cdot {\text{HR}}_{\text{TB}}/{\text{HR}}_{\text{CTA}}\right)$$

  
• Da für die Faltungsoperation allgemein $$\text{a}\cdot \left(\text{f}\otimes \text{g}\right)=\left(\text{a}\cdot \text{f}\right)\otimes \text{g}=\text{f}\otimes \left(\text{a}\cdot \text{g}\right)$$

  

  gilt, führt dies zum gleichen Ergebnis. Gleichung [9] gibt dabei ein Beispiel für die Berechnungsvariante mit Gleichung [7]. Dies gilt aber ebenso für die Varianten mit den Gleichungen [6] und [6'].
• Wie bereits oben erwähnt, kann das Vormessungs-Herzratensignal auf verschiedene Weise erfasst werden. Es ist lediglich notwendig, dass es in ausreichender Weise die Herzrate während der Vormessung repräsentiert. Um eine möglichst genaue Korrektur zu erlauben, werden die Blutflussverlaufsdaten und das Vormessungs-Herzratensignal bevorzugt zeitlich korreliert, d. h. zeitlich parallel erfasst und aufgezeichnet. Besonders bevorzugt erfolgt dabei die Erfassung des Vormessungs-Herzratensignals durch die parallele Aufzeichnung von EKG-Daten während der Vormessung.
• Implementationsbedingt kann dabei auch aus den EKG-Daten eine während der Vormessung vorliegende mittlere Herzrate abgeleitet werden, wenn beispielsweise bei der späteren Messung kein EKG vorhanden ist, sondern ohnehin nur mit der mittleren Herzrate gearbeitet werden kann. Dies erleichtert dann die Berechnungen, indem beispielsweise gemäß den obigen Gleichungen [7] oder [7a] eine Korrektur der individuellen Impulsantwortfunktion bzw. gemäß den Gleichungen [8] oder [9] eine Korrektur der Kontrastmittelverlaufs-Vorhersage erfolgt.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 in perspektivischer schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Bildgebungssystem, welches zur Ausführung eines erfindungsgemäßen angiographischen Untersuchungsverfahrens zur Untersuchung eines Patienten unter Einsatz eines Kontrastmittels geeignet ist,
• 2 eine während einer Voruntersuchung ermittelte Kontrastmittelkurve,
• 3 ein bekanntes Verfahren zur Vorhersage des Kontrastmittelverlaufs in der Zeitdomäne gemäß dem Stand der Technik,
• 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Umrechnung der abgeleiteten Patientenfunktion AIR_TB(t)als Funktion der Zeit in eine Funktion AIR_TB(HB) der Anzahl der Herzschläge,
• 5 ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen Ereignissen in der Zeitdomäne und der Herzschlagdomäne,
• 6 ein Diagramm mit einem Injektionsprotokoll eines Testbolus und EKG-Daten sowie einem auf eine Herzrate umgerechneten Injektionsprotokoll,
• 7 eine Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vorhersage des Kontrastmittelverlaufs,
• 8 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vorhersage des Kontrastmittelverlaufs,
• 9 ein Diagramm mit einem Beispiel der zweiten Ausführungsform zur Anpassung der abgeleiteten Patientenfunktion AIR_TB(t) an veränderte Herzraten,
• 10 ein Diagramm zur Erläuterung der Verbesserung der Vorhersage durch die erfindungsgemäße Korrektur gemäß der zweiten Ausführungsform und
• 11 eine Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vorhersage des Kontrastmittelverlaufs in der Herzratendomäne.
• In den folgenden Beispielen wird der Einfachheit halber und ohne Beschränkung der Allgemeinheit davon ausgegangen, dass es sich bei der Vormessung um eine Testbolus-Messung und bei der eigentlichen kontrastmittelunterstützten Untersuchung um eine CTA handelt.
• In 1 ist ein medizintechnisches Bildgebungssystem (bzw. eine Diagnostikeinrichtung), in diesem Beispiel ein Computertomographiegerät 1, gezeigt, welches zur Ausführung des erfindungsgemäßen Untersuchungsverfahrens zur Untersuchung eines Patienten 2 unter Einsatz eines Kontrastmittels 3 geeignet ist. Anstelle des beschriebenen Computertomographiegeräts 1 kann z. B. auch ein Magnetresonanz- oder Ultraschalltomographiegerät eingesetzt werden.
• Dem Computertomographiegerät 1 ist ein Patientenlagerungstisch 4 mit einer beweglichen Tischplatte 5 zugeordnet, auf der der Patient 2 lagerbar ist. Die Tischplatte 5 ist in Richtung einer Drehachse 6 verstellbar, so dass ein mit dem Patienten 2 verbundener Untersuchungsbereich 7 durch eine Öffnung einer Gantry 8 des Computertomographen 1 in den Messbereich eines Aufnahmesystems 9, 10 bewegt werden kann. Der Patient 2 und das Aufnahmesystem 9, 10 sind auf diese Weise in Richtung der Drehachse 6 relativ zueinander verstellbar, so dass unterschiedliche Abtastpositionen eingenommen werden können. Der Untersuchungsbereich 7 kann beispielsweise das Herz des Patienten sein.
• Zur Erfassung von Projektionen weist das Aufnahmesystem 9, 10 einen Röntgenstrahler 9 in Form einer Röntgenröhre und einen diesem gegenüberliegend angeordneten Röntgendetektor 10 auf, wobei der Röntgendetektor 10 bogenförmig ausgebildet ist und mehrere zu Detektorzeilen aufgereihte Detektorelemente 11 umfasst. Der Röntgenstrahler 9 erzeugt eine Strahlung in Form eines fächerförmigen Röntgenstrahlenbündels, welches den Messbereich durchdringt und anschließend auf die Detektorelemente 11 des Röntgendetektors 10 auftrifft. Die Detektorelemente 11 erzeugen einen von der Schwächung der durch den Messbereich tretenden Röntgenstrahlung abhängigen Schwächungswert. Die Umwandlung der Röntgenstrahlung in einen Schwächungswert erfolgt beispielsweise jeweils mittels einer mit einem Szintillator optisch gekoppelten Photodiode oder mittels eines direkt konvertierenden Halbleiters. Der Röntgendetektor 11 erzeugt auf diese Weise einen Satz von Schwächungswerten, welcher auch als Projektion bezeichnet wird.
• Das Aufnahmesystem 9, 10 ist an der Gantry 8 drehbar angeordnet, so dass Projektionen aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen erfasst werden können. Je nach eingestellter Betriebsart des Computertomographiegerätes 1 erfolgt die Abtastung bei fest eingestellter oder veränderlicher Projektionsrichtung bei gleichzeitig fest eingestellter oder veränderlicher Abtastposition. Durch Rotation der Gantry 8 bei gleichzeitigem kontinuierlichem Vorschub des Patienten 2 in Richtung der Drehachse 6 werden beispielsweise Projektionen aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Projektionsrichtungen an verschiedenen Positionen entlang der Drehachse 6 bzw. entlang des Patienten 2 erfasst. Die auf diese Weise durch eine spiralförmige Abtastung - Drehung des Aufnahmesystem 9, 10 und gleichzeitiger Vorschub der Tischplatte 5 - gewonnenen Projektionen des Aufnahmesystems 9, 10 werden an eine Recheneinheit bzw. Steuereinrichtung 12 des Bildgebungssystems 1 übermittelt und zu Bilddaten rekonstruiert, welche auf einem Display 13 darstellbar sind. Die Bilddaten können beispielsweise eine oder mehrere Schicht- oder Volumenbilder des Untersuchungsbereichs 7 umfassen.
• Zur Untersuchung durchbluteter Organe, beispielsweise eines Herzens, einer Leber oder eines Gefäßes, kann dem Patienten 2 zur Erhöhung des sichtbaren Kontrastes gegenüber dem umliegenden Weichteilgewebe ein Kontrastmittel 3 mittels eines Kontrastmittel-Injektors 14 injiziert werden. Das Kontrastmittel 3 wird in automatisierter Form - vorgegeben durch einen Injektionsprotokoll - in der Regel zeitgesteuert aus einem Vorratsbehälter 15 über einen Kontrastmittelschlauch 16 in einer einstellbaren Menge und mit einer einstellbaren Flussgeschwindigkeit in eine Vene des Patienten 2 gepumpt. Durch eine elektrische Verbindung zwischen der Recheneinheit 12 und dem Kontrastmittel-Injektor 14 sind Steuerkommandos zur Kontrastmittelvergabe und Injektionsprotokolle übermittelbar.
• Bei der Ausbreitung des Kontrastmittels 3 im Körperinneren durchläuft das eingebrachte Kontrastmittel 3 den Blutkreislauf des Patienten 2 und erreicht erst nach einer gewissen Zeit den Untersuchungsbereich 7. Um diese im Voraus unbekannte Verzögerung zwischen Start der Injektion und Start der Kontrastmittelanreicherung bestimmen zu können, kann vor dem Hauptscan (CTA) eine kleine Menge Kontrastmittel injiziert werden, der sogenannte Testbolus. Bei Erreichen des Untersuchungsbereichs 7 steigt die Konzentration des Kontrastmittels 3 des Testbolus im Blut zunächst an, durchläuft ein Maximum 18 und fällt anschließend wieder ab. Das zeitliche Verhalten der Konzentration ist in Form eines Kontrastmittelverlaufs 25 in der Zeit 20 darstellbar, der durch das Testbolussignal 19 im Wesentlichen repräsentiert wird. In der klinischen Routine werden auf der Grundlage dieses Testbolussignals 19 oder aufgrund einer daraus abgeleitete Kontrastmittel-Vorhersage geeignete Betriebsparameter des Computertomographiegerätes 1 ermittelt, so dass die Abtastung des Hauptscans zu einem Zeitpunkt und mit einer Geschwindigkeit erfolgt, zu dem die Konzentration des Kontrastmittels 3 in dem Untersuchungsbereich 7 möglichst hoch ist. Die Betriebsparameter umfassen beispielsweise den Startzeitpunkt der Abtastung und die Abtastgeschwindigkeit bzw. den Pitchwert, also das Verhältnis zwischen dem Vorschub der Tischplatte 5 pro Rotation der Gantry 8 und der Schichtdicke des Röntgendetektors 10.
• Die Steuereinrichtung 12 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Vorrichtung 60 zur Vorhersage eines voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs C_EP ausgestattet, die später noch näher erläutert wird. Zudem weist die Steuereinrichtung 12 eine Schnittstelle 70 zur Erfassung oder Ausgabe eines Kontrastmittelgabe-Startzeitpunkts und eine Referenzzeitpunkt-Ermittlungseinrichtung 80 auf, die dann unter Berücksichtigung des Kontrastmittelgabe-Startzeitpunkts sowie auf Basis des voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs C_EP einen Referenzzeitpunkt für das Bildgebungssystem bestimmt, so dass beispielsweise automatisch kurz vor einem voraussichtlichen Zeitpunkt der maximalen Kontrastmittelanreicherung im untersuchten Bereich eine bildgebende Messung für diesen Bereich mit den passenden weiteren Parametern gestartet wird.
• Ein typischer Kontrastmittelverlauf 25 eines Testbolus ist beispielhaft in 2 dargestellt. Entlang der x-Achse ist die Zeit t in Einheiten von Sekunden (s) aufgetragen. Die y-Achse entspricht den relativen Schwächungswerten in Einheiten von Hounsfield-Units (HU). Bei dem Beispiel wurden Schwächungswerte 19 alle zwei Sekunden in Abtastzeitpunkten 20 erfasst. Nicht sämtliche Schwächungswerte 19 und nicht sämtliche Abtastzeitpunkte 20 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit mit einem Bezugszeichen versehen worden. Die Schwächungswerte 19 sind in dem Diagramm punktförmig eingetragen worden und können zur Berechnung einer patientenspezifischen Impulsantwortfunktion (AIR) dienen.
• Zur Ermittlung des Kontrastmittelverlaufs 25 eines Testbolus im Zusammenhang mit einer Vormessung werden im Wesentlichen folgende Verfahrensschritte durchgeführt:
• - Einstellen einer festen Abtastposition 21, vorzugsweise im Untersuchungsbereich (siehe 1),
• - Durchführen einer Serie von Abtastungen zu vordefinierten Abtastzeitpunkten 20 zur Ermittlung des Kontrastmittelverlaufs, wobei zu jedem Abtastungszeitpunkt 20 ein Schwächungswert 19 erfasst wird, durch den eine Konzentration des Kontrastmittels 3 an der Abtastposition 21 repräsentiert wird, und
• - Abspeichern der Schwächungswerte 19 des Kontrastmittelverlaufs und der Abtastzeitpunkte 20 zur Berechnung von Parametern und Vorhersagen für spätere Untersuchungen des Patienten 2.
• In der 3 ist ein bekannter Rechenvorgang zur Vorhersage des Kontrastmittelverlaufs gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Aus den Blutflussverlaufsdaten 35, im Folgenden auch als „Blutfluss-Signal“ 35 (BCS(t)) (engl. blood circulation signal) bezeichnet, die beispielsweise in der Vormessung aus dem Testbolus TB oder optisch bestimmt werden, sowie einem definierten Untersuchungsprotokoll 47, nämlich dem bei der Vormessung verwendeten Injektionsprotokoll IF_TB(t), wird mittels eines AIR-Algorithmus 36 die individuelle Patientenfunktion 37 (AIR_TB(t)) berechnet. Mit einem PRED-Algorithmus 38 und dem Kontrastmittelinjektionsprotokoll 48 des Hauptscans IF_CTA(t) wird eine Vorhersage 39 (C_EP(t)) des Kontrastmittelverlaufs des Hauptscans berechnet. Die verschiedenen Berechnungen des CEP-Algorithmus 46, beispielsweise mit dem in der älteren Patentanmeldung DE 10 2012 209 410.5 beschriebenen Verfahren, erfolgen dabei immer in der Zeitdomäne und/oder der von der Zeitdomäne abgeleiteten Fourierdomäne.
• Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass es sich bei Blutflussverlaufsdaten BCS(t) (sofern diese mit einem Kontrastmittel-Testbolus gemessen wurden) und der Kontrastmittelverlaufsvorhersage C_EP(t) im Prinzip um gleichartige Daten handelt, nämlich um eine Funktion der Schwächungswerte, welche die Kontrastmittelanreicherung an einem bestimmten Punkt innerhalb des Untersuchungsbereichs repräsentieren, in Abhängigkeit von der Zeit.
• Bei allen bisherigen Ansätzen, aufgrund einer Testbolus-Messung eine Vorhersage über die Kontrastmittelanreicherung im Patienten zu machen, wurde die Herzrate des Patienten für konstant angenommen. Da aber der Blutkreislauf und damit die Strömungsgeschwindigkeit des Kontrastmittels von der Herzrate abhängen, ist die nachfolgend beschriebene Vorhersage, wobei Herzraten-Informationen berücksichtigt werden und in die Berechnungen mit einfließen, potentiell besser oder „sollte besser sein“. Dies gilt vor allem bei Patienten mit zumindest über längeren Zeitabständen unregelmäßigen Herzraten.
• Durch das Bestimmen der Herzrate mittels eines Pulsmessgeräts oder einer EKG-Vorrichtung 22 während einer Testbolus-Messung kann die individuelle Patientenfunktion (AIR - Arterial Impulse Response - patientenspezifische arterielle Kontrastmittel-Impulsantwortfunktion) zu einer Patientenfunktion umgestaltet werden, die direkt abhängig von der Herzschlaganzahl und somit quasi „unabhängig“ von der Herzrate ist. Anders ausgedrückt, wird die Zeit-Achse zu einer Achse, die die Anzahl der Herzschläge wiedergibt. Graphisch veranschaulicht wird dies anhand eines Beispiels mit einer angenommenen regelmäßigen Herzrate von 90 Herzschlägen pro Minute (beats per minute (bpm)) in 4, in der im linken Diagramm die individuelle Patientenfunktion AIR(t) über der Zeit und im rechten Diagramm die individuelle Patientenfunktion AIR(HB) über der Herzrate aufgetragen ist.
• Wichtig ist, dass diese Umstellung der Zeit-Achse prinzipiell nur dann möglich ist, wenn man die Herzrate für die Testbolus-Messung, bevorzugt während der Testbolus-Messung, gemessen hat. Man kann diese Umstellung der Zeit-Achse in erster Näherung mit der mittleren Herzrate während der Testbolus-Messung durchführen. Auch wäre es möglich, statt der mittleren Herzrate jeden einzelnen Herzschlag mit in Betracht zu ziehen, wenn z. B. ein EKG von Anfang der Testbolus-Injektion gemessen und registriert worden ist. Auch kann es z. B. implementationsbedingt vorkommen, dass nur die mittlere Herzrate in den CEP-Algorithmus mit einfließen kann, obwohl jeder einzelne Herzschlag während des Testbolus mittels EKG gemessen worden ist.
• Vorzugsweise wird daher zeitgleich mit der Messung zur Ableitung einer AIR, d. h. der Testbolus-Messung, die Herzrate beispielsweise mit einem Pulsmessgerät oder einer EKG-Vorrichtung 22 gemessen (siehe 1). Eine solche Berücksichtigung der Herzraten-Informationen wird heutzutage nicht gemacht und ist für Testbolus-Scans an bekannten CT-Geräten derzeit auch nicht möglich. Mit diesen Informationen über die Herzrate kann die Patientenfunktion, welche aus dem Testbolus abgeschätzt worden ist, unabhängig von einer schwankenden oder wechselnden Herzrate gemacht werden, die zum Zeitpunkt des Testbolus vorhanden war. Anschließend kann man dann den Kontrastmittelverlauf zu einem späteren Zeitpunkt besser vorhersagen, falls sich die Herzrate geändert haben sollte.
• Dies bringt folgende Vorteile mit sich:
1. 1. Eventuelle Änderungen in der Herzrate zwischen der Testbolus-Messung und dem CTA-Scan können in der Vorhersage des Kontrastmittelverlaufs im Patienten während des CTA-Scans berücksichtigt werden. Anhand dieser Vorhersage kann beispielsweise der Scan-Start optimiert werden.
2. 2. Insbesondere für Patienten mit einer unregelmäßigen Herzrate wird eine bessere Vorhersage des Kontrastmittelverlaufs erwartet.
3. 3. Eine Patientenfunktion, die unabhängig von der Herzrate ist, bietet neue Möglichkeiten, um den kardiovaskulären Status eines Patienten zu charakterisieren. Dieser neue Biomarker könnte vielleicht bei Patienten nützlich sein, die systemische Chemotherapie bekommen oder die an einer degenerativen kardiovaskulären Krankheit leiden.
4. 4. Da CTA-Scans des Herzens bereits EKG-getriggert akquiriert werden, verursacht das Messen der Herzrate während des Testbolus und der späteren Messung für diese Patienten keine extra Kosten und keinen extra Aufwand für den medizinisch-technischen Radiologieassistenten.
5. 5. Wenn eine herzschlagbezogene Impulsantwortfunktion AIR(HB) bestimmt wurde, kann diese auch abgespeichert und später nicht nur für einen relativ kurz Zeit später nachfolgenden Hauptscan, sondern für beliebige weitere Untersuchungen verwendet werden. Es kann dann auf einen weiteren Testbolus-Scan verzichtet werden, da die herzschlagbezogene Impulsantwortfunktion AIR(HB) ja immer an die aktuelle Herzrate angepasst werden kann.
6. 6. Durch die Messungen des Vormessungs-Herzratensignal und des aktuellen Herzratensignals kann sehr einfach auch die Ankunftszeit (Bolus arrival time) besser vorhergesagt werden, wann das Kontrastmittel nach dem Startpunkt der Injektion erstmals am Messort auftritt. Dies ist unabhängig von den weiteren Berechnungen bzw. Korrekturen des Kurvenverlaufs der Impulsantwortfunktion möglich, d. h die Impulsantwortfunktion wird hierdurch nur entlang der Zeitachse verschoben.
• Die 5 dient zur Erläuterung der erfindungsgemäßen gleichzeitigen Akquirierung der Herzraten-Informationen und der Vormessung zur Ableitung der individuellen AIR und zeigt der Zusammenhang zwischen Ereignissen in der Zeitdomäne und in der Herzschlagdomäne. In der oberen Kurve der 5 ist das EKG eines Patienten über der Zeit t aufgetragen. Für jeden einzelnen Herzschlag HB ist bekannt, zu welchem Zeitpunkt t dieser stattgefunden hat. Weiterhin ist auf der unteren Kurve eine beispielhafte Kontrastmittel-Injektion CI[ml/s] eines Testbolus mit einer Gesamtmenge an Kontrastmittel von 15 ml bei einer Rate von 5 ml/s gezeigt (Bei dieser Kurve handelt es sich um ein typisches Injektionsprotokoll für einen Testbolus). Die Injektionszeit t[s] des Kontrastmittels von 3 Sek. ist äquivalent zu 4,3 Herzschlägen HB. Der CT-Scan beginnt nach 4 Sek., entsprechend 6,2 Herzschlägen HB. Analog zu diesen Beispielen kann man die Abtastzeitpunkte 20 der Testbolus-Messung 19 auch konvertieren von Sekunden nach Anzahl der Herzschläge HB[#]. Man erhält dann die Testbolus-Messung 19 als Funktion der Anzahl der Herzschläge HB[#]. Bei gleichzeitiger Aufzeichnung des Herzratensignals kann dieser Zusammenhang jederzeit im Nachhinein bestimmt werden.
• Für eine korrekte Anwendung der Herzraten-Informationen in der Vorhersage sollte man nicht nur die Zeit-Informationen konvertieren, sondern auch ggf. implementationsbedingt die Informationen des Untersuchungsprotokolls, in diesem Beispiel das Injektionsprotokoll des Testbolus, ändern. Wenn man z. B. einen AIR-Algorithmus verwendet, der wie nachfolgend erläutert unmittelbar in der Herzschlagdomäne rechnen kann, kann zuvor das Injektionsprotokoll von der Zeitdomäne in die Herzschlagdomäne transferiert werden. Das Injektionsprotokoll IF (CI in der Figur) in [ml/s] kann dabei wie in 6 dargestellt in die Einheit [ml/HB] umgerechnet werden, wenn die Analyse mit jedem einzelnen Herzschlag erfolgt. Mit einer Kontrastmittel-Injektion CI[ml/s] eines Testbolus mit 15 ml Kontrastmittel bei einer Rate von 5 ml/s ergibt sich der gezeigte Verlauf der Kontrastmittel-Injektion CI[ml/HB]. Die jeweilige Flussrate in [ml/HB] ergibt sich einfach aus der Multiplikation des Zeitintervals zwischen zwei Herzschlägen [s] und der Flussrate in [ml/s].
• 7 zeigt ein Flussdiagramm für ein erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem
• - die Implementation des AIR-Algorithmus es erlaubt, die Ableitung der individuellen, patientenspezifischen Impulsantwortfunktion oder Patientenfunktion AIR in der Herzschlagdomäne (HB) statt in der Zeitdomäne (t) zu berechnen,
• - das HR-Signal ein EKG-Signal ist, wobei jeder einzelne Herzschlag berücksichtigt werden kann, und
• - die korrigierte Vorhersage des Kontrastmittelverlaufs während des Hauptscans auf einer kurz vor dem Hauptscan gemessenen mittleren Herzrate (HR_CTA(t)) basiert.
• Hierzu wird neben dem Blutfluss-Signal 35 (BCS) auch ein die Herzrate kennzeichnendes Herzratensignal 40 (HR-Signal(t)), in diesem Falle ein EKG, ermittelt und herangezogen, das, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet - zeitlich korreliert mit dem Blutfluss-Signal 35 erfasst und aufgezeichnet wird.
• Aus diesem Herzratensignal 40 wird jeder einzelne Herzschlag HB_TB(t) während der Testbolusgabe als Funktion der Zeit bestimmt, wie dies in 5 durch den Verfahrensschritt 41 illustriert ist. Die Funktion HB_TB(t) repräsentiert also auch die Anzahl der Herzschläge nach einer bestimmten Zeit t. Das Identifizieren 41 der einzelnen Herzschläge HB_TB kann beispielsweise gemäß internationalen Standards erfolgen, wie sie z. B. von The CSE Working Party in „Recommendations for measurement standards in quantitative electrocardiography“, European Heart Journal (1985), Vol. 6, Seiten 815 bis 825 und in „Common Standards for Quantitative Electrocardiography: Goals and Main Results“ von J.L. Willems et al. for the CSE Working Party in Methods of Information in Medicine (1990) Bd. 29, Nr. 4, Seiten 263 bis 271, beschrieben sind.
• Die so ermittelten Herzschlagdaten HB_TB ermöglichen es, das Blutfluss-Signal 35 (BCS) und das Injektionsprotokoll 47 (IF_TB(t)) in die Herzschlagdomäne zu konvertieren, wie dies bereits anhand der 5 und 6 gezeigt wurde. Das Blutfluss-Signal 35 (BCS) und das Injektionsprotokoll 47 (IF_TB(t)) werden hierzu einem AIR-Algorithmus 42 zugeführt, der zunächst unter Berücksichtigung der ebenfalls zugeführten Herzschlagdaten 41 (HB_TB) diese Umwandlungen durchführt und dann in der Herzschlag-Domäne aus diesen Werten unter Verwendung von Gleichung [2] die individuelle Patientenfunktion 43 (AIR_TB(HB)) in Abhängigkeit vom Herzschlag berechnet (wobei die Funktion C(HB) durch die Blutflussverlaufsdaten BCS, umgerechnet in die Herzschlagdomäne, gegeben ist).
• Mit der herzschlagbezogenen individuellen Patientenfunktion 43 (AIR_TB(HB)) kann anschließend eine Vorhersage aufgrund einer kurz vor der eigentlichen Untersuchung ermittelten mittleren CTA-Herzrate 44 (HR_CTA(t)) (in bpm) erfolgen.
• Hierzu wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 zunächst eine korrigierte Patientenfunktion 45 (AIR_CORR (HB)) folgendermaßen berechnet: $${\text{AIR}}_{\text{CORR}}\left(\text{t}\right)=\left({\text{HR}}_{\text{CTA}}/60\right)\cdot {\text{AIR}}_{\text{TB}}\left(\text{HB}/{\text{HR}}_{\text{CTA}}\cdot 60\right)$$

  
• Diese Gleichung gilt, wegen des Umrechnungsfaktors 60, wenn die Zeit wie üblich in Sekunden, aber die Herzrate in bpm gemessen wird. Da der Blutkreislauf des Patienten ein geschlossenes System ist, sollte bei einer Anpassung der AIR-Kurve in der Breite, die Amplitude der Patientenfunktion sich reziprok ändern, damit die Fläche unter der AIR-Kurve konstant bleibt. Dafür sorgt in Gleichung [11] der Vorfaktor (HR_CTA/60) . Im Grunde genommen handelt es sich bei Gleichung [11] um einen Spezialfall der Gleichung [6'a].
• Mittels des PRED-Algorithmus 38 ergibt sich dann die Vorhersage 39 (C_EP(t)) des Kontrastmittelverlaufs im Zeitbereich gemäß Gleichung [5].
• 8 beschreibt ein zweites Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem
• - die Implementation des AIR-Algorithmus es nicht ermöglicht, die Ableitung der individuellen Impulsantwortfunktion AIR in der Herzschlagdomäne zu berechnen, wie es in 7 der Fall war,
• - das HR-Signal entweder ein EKG-Signal ist, aus dem die mittlere Herzrate während des Testbolus HR_TB(t) berechnet wird, oder die mittlere Herzrate HR_TB(t) genommen wird, wie sie z. B. von einem Pulsmesser wiedergegeben wird, und
• - die korrigierte Vorhersage des Kontrastmittelverlaufs während des Hauptscans auf einer kurz vor dem Hauptscan gemessenen mittleren Herzrate (HR_CTA(t)) basiert.
• In diesem Beispiel ist es implementationsbedingt unmöglich, die Berechnung der patientenspezifischen Impulsantwortfunktion AIR in der HB-Domäne auszuführen, weil beispielsweise der AIR-Algorithmus in der Fourier-Domäne rechnet und dafür eine homogene Abtastung der Signale erforderlich sein kann. Deshalb kann in diesem Beispiel nur die mittlere Herzrate HR_TB(t) während des Testbolus mit in die Korrektur einflie-ßen. Für Patienten, bei denen die Herzrate regelmäßig ist, aber zwischen dem Testbolus und dem Hauptscan Medikamente verabreicht worden sind, die die Herzrate dauerhaft gesenkt oder angehoben haben, wird dieses Ausführungsbeispiel trotzdem zu einer verbesserten Vorhersage führen, auch wenn nicht jeder einzelne Herzschlag berücksichtigt wird.
• Erfindungsgemäß wird auch hier neben dem Blutfluss-Signal 35 (BCS(t)), vorzugsweise gleichzeitig, wieder ein Herzratensignal 40 ermittelt.
• Die individuelle Patientenfunktion 37 (AIR_TB(t)) eines CEP-Algorithmus 50 als Funktion der Zeit wird dann mit dem normalen, unveränderten, bereits vorhandenen AIR-Algorithmus 36 berechnet und nachfolgend einfach in eine korrigierte Patientenfunktion 45 (AIR_CORR(t)) transformiert.
• Hierzu könnte zum Beispiel zunächst gemäß den Gleichungen [3], [3'] oder [3"] in einem Zwischenschritt eine individuelle herzschlagbezogene Patientenfunktion AIR_TB(HB) berechnet werden. Diese Umwandlung der abgeleiteten Patientenfunktion 37 AIR_TB(t) als Funktion der Zeit in eine neue Patientenfunktion AIR_TB(HB) als Funktion der Anzahl der Herzschläge ist graphisch anhand der 3 veranschaulicht. In diesem Falle sehen die Kurvenverläufe gleich aus, da die Herzrate über die Zeit konstant angenommen wird, es ist die mittlere Herzrate. Bei jedoch variierender Herzrate, und bei Berücksichtigung jedes einzelnen Herzschlags (7), würden die Kurvenverläufe unterschiedliche Formen aufweisen. Die Funktion der Anzahl der Herzschläge AIR_TB(HB) ist aber unabhängig von der Herzrate.
• Diese neue (zwischenzeitliche) Patientenfunktion AIR_TB(HB) ermöglicht es, eine Änderung in der mittleren Herzrate 44 (HR_CTA(t)) während des CTA-Scans zu berücksichtigen. Falls sich kurz vor dem CTA-Scan herausstellt, dass die mittlere Herzrate 44 (HR_CTA(t)) signifikant anders ist als die mittlere Herzrate 51 während der Vormessung, dann kann diese Umrechnung z. B. gemäß Gleichung [6], [6'], [6a] oder [6'a] erfolgen, je nachdem, in welchen Einheiten gemessen wird und ob die korrigierte Funktion bereits den Vorfaktor erhalten soll oder der Vorfaktor gemäß Gleichung [9] später mit dem Injektionsprotokoll multipliziert wird.
• Besonders bevorzugt kann aber auch ohne eine vorherige Umrechnung der zeitbezogenen Patientenfunktion AIR_TB(t) in eine herzschlagbezogene Patientenfunktion AIR_TB(HB) gemäß den Gleichungen [7] oder [7a] unmittelbar aus der zeitbezogenen Patientenfunktion AIR_TB(t) eine zeitbezogene korrigierte Patientenfunktion AIR_CoRR(t) berechnet werden. Wie zu ersehen ist, ist es in diesem Ausführungsbeispiel nicht notwendig, einen vorhandenen CEP-Algorithmus weitreichend zu ändern, da die AIR- 36 und PRED-Algorithmen 38 unverändert bleiben können, und nur in einem neuen Zwischenschritt die individuelle Impulsantwortfunktion AIR korrigiert werden muss. Eine Berechnung in der Herzschlagdomäne ist in diesem Ausführungsbeispiel also nicht notwendig.
• 9 zeigt an einem Beispiel eines 71-jährigen Patienten, bei dem während der Messung des Testbolus 30 die Herzrate 91 bpm betrug und bei dem sich nach Gabe eines Betablockers die Herzrate auf 74 bpm kurz vor dem CTA-Scan gesenkt hat, eine Anpassung der abgeleiteten Patientenfunktion AIR_TB(t) 23 mit einem Verfahren nach 8, so dass man eine korrigierte Patientenfunktion 24 (AIR_CORR(t)) erhält. Diese angepasste Patientenfunktion AIR_CoRR(t) führte bei diesem Patienten zu einer deutlich verbesserten Vorhersage des Kontrastmittelverlaufs, wie in 10 gezeigt wird.
• Anhand der 10 wird dies nun näher erläutert. Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die mittlere Herzrate während der Testbolus-Messung und kurz vor dem CTA-Scan. Die Punkte (◯ ◯ ◯) zeigen die Kontrastmittel-Anreicherung 30 des gemessenen Testbolus (TB). Durch einen AIR-Algorithmus wurde eine Kurvenanpassung 31 ermittelt, die die Funktion IF_TB(t) ⊗ AIR_TB(t) aus der Gleichung [1] darstellt. Die gestrichelte Kurve gibt eine daraus abgeleitete unkorrigierte CTA Vorhersage 32 wieder. Die Punkte (◇ ◇ ◇) zeigen die gemessene CTA Kontrastmittel-Anreicherung 33. Die durchgezogene Kurve gibt eine aus der Funktion AIR_CoRR(t) 24 abgeleitete korrigierte CTA Vorhersage 34 wieder.
• Vergleicht man die beiden Vorhersagen, die unkorrigierte CTA Vorhersage 32 und die korrigierte CTA Vorhersage 34 mit der tatsächlich gemessenen CTA Kontrastmittel-Anreicherung 33, ist sofort ersichtlich, dass die korrigierte CTA Vorhersage 34 der gemessenen CTA Kontrastmittel-Anreicherung 33 näherkommt und somit besser bzw. genauer ist.
• Die 11 beschreibt schließlich ein drittes Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem
• - die Implementation des AIR-Algorithmus es erlaubt, die Ableitung der individuellen Impulsantwortfunktion AIR in der Herzschlagdomäne (HB) statt in der Zeitdomäne (t) zu berechnen,
• - das HR-Signal ein EKG-Signal ist, wobei jeder einzelne Herzschlag berücksichtigt werden kann, und
• - die korrigierte Vorhersage des Kontrastmittelverlaufs während des Hauptscans auf einem während des Hauptscans gemessenen Herzratensignal (HB_CTA) in Form eines EKG basiert.
• Für Patienten mit einer sehr unregelmäßigen Herzrate wäre dieses Ausführungsbeispiel besonders vorteilhaft, da jeder einzelne Herzschlag, der während der Testbolus-Messung und während der späteren kontrastmittelunterstützten Messung gemessen worden ist, in die Berechnung mit einfließt.
• Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Aktualisierung der Vorhersage nach jedem einzelnen Herzschlag des aktuellen EKGs während der Hauptuntersuchung. Dabei erfolgt die Ableitung der individuellen Patientenfunktion AIR_TB(HB) wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7. Alternativ könnte, sowohl hier als auch bei dem Ausführungsbeispiel nach 7, das Blutflusssignal BCS(HB) gleich in Abhängigkeit vom Herzschlag aufgezeichnet werden, und das Injektionsprotokoll IF_TB(HB) könnte nicht zeitgesteuert, sondern herzschlaggesteuert sein. In diesem Fall erhält der AIR-Algorithmus 42 bereits alle Informationen in der Herzschlagdomäne.
• Anders als bei dem Ausführungsbeispiel nach 7 erfolgt aber nun die Vorhersage des Kontrastmittelverlaufs kontinuierlich aktualisiert aufgrund der laufend während der kontrastmittelunterstützten Untersuchung gemessenen Herzrate bzw. dem aktuellen Herzschlag 52 (HB_CTA(t)) des Patienten, welcher mithilfe des EKGs erfasst wird.
• Hierzu muss lediglich das aktuelle Injektionsprotokoll IF_CTA(t), sofern es zeitgesteuert ist, in ein herzschlagbezogenes Injektionsprotokoll 55 (IF_CTA(HB)) umgerechnet werden. Außerdem müssen der CEP-Algorithmus 53 und damit der PRED-Algorithmus 54 die Vorhersage innerhalb der Herzschlagdomäne rechnen können, und es sollten genügend Computer-Ressourcen zur Verfügung stehen, um die Vorhersage in Echtzeit berechnen zu können.
• Bei hier nicht dargestellten weiteren Alternativen wird gemäß den 7 und 8 gearbeitet, aber es wird permanent die aktuelle Herzrate während der kontrastmittelunterstützten Untersuchung aktualisiert (beispielsweise durch Neubildung eines Mittelwerts mit jedem weiteren Herzschlag) und dementsprechend die Kontrastmittelverlaufs-Vorhersage aktualisiert.
• Um die verschiedenen Verfahrensvarianten durchzuführen, umfasst die in 1 innerhalb der Steuereinrichtung 12 dargestellte Vorrichtung 60 zur Vorhersage eines voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs C_EP folgende Komponenten:
• - eine Eingangs-Schnittstelle 61, mit der die patientenspezifischen Blutflussverlaufsdaten 35 erfasst werden,
• - eine Impulsantwortfunktions-Ermittlungseinheit 62, welche so ausgebildet ist, dass sie eine individuellen Impulsantwortfunktion 37, 43 aus diesen Blutflussverlaufsdaten 35 bestimmen kann,
• - eine Eingangs-Schnittstelle 63 zur Erfassung des Herzratensignals 40, 44, 52,
• - eine Berechnungseinheit 64, welche ausgebildet ist, um z. B. nach einer der obigen Verfahrensvarianten den voraussichtlichen Kontrastmittelverlauf C_EP vorherzusagen, und
• - eine Ausgabeschnittstelle 65, um den voraussichtlichen Kontrastmittelverlauf C_EP an andere Komponenten zu übergeben.
• Falls eine herzschlagbezogene Impulsantwortfunktion AIR(HB) für eine spätere Verwendung gespeichert oder übergeben soll, könnte dies auch über die Ausgabeschnittstelle 65 erfolgen (die hierzu in geeigneter Weise ausgestaltet ist) oder über eine (in 1 nicht dargestellte) separate Ausgabeschnittstelle.
• Voraussetzung für alle diese Ausführungsbeispiele ist immer die Erfassung eines geeigneten Herzratensignals (z. B. mittels eines EKGs) in Verbindung mit der Vormessung und kurz vor oder während der CT-Hauptuntersuchung. Dies ermöglicht es, die Vorhersage unabhängig von der Herzrate zu machen, die während der Vormessung vorhanden war. Schwankungen in der Herzrate sowie eine dauerhafte Erhöhung oder Senkung der Herzrate werden die Vorhersage dann nicht mehr beeinträchtigen.
• Dabei gilt:
1. 1. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Herzrate aufzuzeichnen, beispielsweise über EKG, Pulsmesser oder Blutdruckmessgerät.
2. 2. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Messung zur Bestimmung der individuellen Impulsantwortfunktion AIR auszuführen, beispielsweise mit einem Testbolus oder optisch.
3. 3. Im Falle einer Testbolus-Messung gibt es mehrere bekannte Algorithmen, die eine patientenspezifische Impulsantwortfunktion aus dem Testbolus ableiten können, wie beispielsweise in der älteren Patentanmeldung DE 10 2012 209 410.5 beschrieben ist, oder eine Entfaltung im Fourierbereich oder eine Analyse mit einem pharmacokinetischen Modell.
4. 4. Abhängig vom CEP-, AIR- und/oder PRED-Algorithmus, der vorhanden ist, und von der Art des HR-Signals (vollständiges EKG oder nur Angaben zur mittleren Herzrate während der Akquisition), gibt es beliebig viele Ausführungsbeispiele, die Vorhersage für schwankende Herzraten zu korrigieren. Die Implementation der Herzraten-Korrektur sollte in jeden einzelnen Fall abgestimmt werden.
5. 5. Dieses erfindungsgemäße angiographische Untersuchungsverfahren beschränkt sich nicht nur auf Computertomographie, sondern kann potenziell auch für andere bildgebende Verfahren wie Magnetresonanz- oder Ultraschalltomographie angewendet werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Vorhersage eines voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs (C_EP) für eine kontrastmittelunterstützte Untersuchung eines Untersuchungsobjekts (2) mit folgenden Schritten: - Erfassung von patientenspezifischen Blutflussverlaufsdaten (35) in einer Vormessung unter Verwendung eines definierten Untersuchungsprotokolls (47) und Bestimmung einer individuellen Impulsantwortfunktion (37, 43) auf Basis der Blutflussverlaufsdaten (35), - Erfassung eines der Vormessung zugeordneten Vormessungs-Herzratensignals (40) und Vorhersage (39) des voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs (C_EP) auf Basis der individuellen Impulsantwortfunktion (37, 43), des Vormessungs-Herzratensignals (40) sowie eines aktuellen Untersuchungsprotokolls (48) und eines aktuell erfassten Herzratensignals (44, 52), dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis des Vormessungs-Herzratensignals (40) eine herzschlagbezogene Impulsantwortfunktion (43) ermittelt wird, welche eine individuelle Impulsantwortfunktion in Abhängigkeit von einer Herzschlaganzahl definiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine zeitbezogene individuelle Impulsantwortfunktion (37) ermittelt wird und dann unter Nutzung des Vormessungs-Herzratensignals (40) in eine herzschlagbezogene Impulsantwortfunktion (43) umgerechnet wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis des aktuell erfassten Herzratensignals (44) und der herzschlagbezogenen Impulsantwortfunktion (43) oder der zeitbezogenen individuellen Impulsantwortfunktion (37) eine zeitbezogene korrigierte individuelle Impulsantwortfunktion (45) gebildet wird, und die Vorhersage (39) des voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs (C_EP) durch Kombination der korrigierten Impulsantwortfunktion (45) mit dem aktuellen Untersuchungsprotokoll (48) erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der korrigierten individuellen Impulsantwortfunktion (45) die individuelle herzschlagbezogene Impulsantwortfunktion (43) mit einem Zeitskalierungsfaktor skaliert wird, welcher durch den Kehrwert einer aus dem aktuell erfassten Herzratensignal (44) ermittelten Herzrate (HR_CTA(t)) gegeben ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der korrigierten individuellen Impulsantwortfunktion (45) die individuelle zeitbezogene Impulsantwortfunktion (37) mit einem Zeitskalierungsfaktor skaliert wird, welcher durch eine aus dem Vormessungs-Herzratensignal (37) ermittelten Herzrate (HR_TB(t)) im Verhältnis zu einer aus dem aktuell erfassten Herzratensignal (44) ermittelten Herzrate (HR_CTA(t)) gegeben ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der korrigierten individuellen Impulsantwortfunktion (45) die skalierte individuelle Impulsantwortfunktion (37) mit dem Kehrwert des jeweiligen Zeitskalierungsfaktors multipliziert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blutflussverlaufsdaten und das Vormessungs-Herzratensignal (40) zeitlich korreliert erfasst werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung des Vormessungs-Herzratensignals (40) eine Aufzeichnung von EKG-Daten erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus den EKG-Daten eine während der Vormessung vorliegende mittlere Herzrate (51) abgeleitet wird.
10. Verfahren zur Ansteuerung eines medizintechnischen Bildgebungssystems (1), wobei ein Referenzzeitpunkt für das Bildgebungssystem (1) auf Basis eines Kontrastmittelgabe-Startzeitpunkts einer Kontrastmittelgabe und einem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 vorhergesagten voraussichtlichen Kontrastmittelverlaufs (C_EP) bestimmt wird.
11. Computerprogrammprodukt, welches direkt in einen Speicher einer Steuereinrichtung (12) eines Bildgebungssystems (1) ladbar ist, mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen, wenn das Programmprodukt auf der Steuereinrichtung (12) ausgeführt wird.

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