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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer Positronenemissionstomographie, insbesondere einer kombinierten Magnetresonanz-Positronenemissionstomographie, eines Untersuchungsobjekts in einer Hybridanlage, welche eine Positronenemissionstomographieanlage und eine weitere Tomographieanlage, insbesondere eine Magnetresonanztomographieanlage, umfasst. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Hybridanlage hierfür. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Durchführung einer kombinierten Magnetresonanz-Positronenemissionstomographie, bei welcher Magnetresonanz- und Positronenemissionsdaten an verschiedenen Tischpositionen nacheinander erfasst werden und die Verarbeitung der Daten zumindest teilweise zeitlich parallel zur Datenerfassung durchgeführt wird.
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Bei der Rekonstruktion von Positronenemissionstomographiebildern in herkömmlichen Positronenemissionstomographiesystemen (PET-Systemen) werden iterative Rekonstruktionsverfahren verwendet, wie z. B. AW-OSEM (Attenuation Weighted Ordered Subsets Expectation Maximization) oder OP-OSEM (Ordinary Poisson Ordered Subsets Expectation Maximization), welche beispielsweise in der Veröffentlichung Hudson, H. M., Larkin, R. S. (1994) ”Accelerated image reconstruction using ordered subsets of projection data”, IEEE Trans. Medical Imaging, 13 (4), 601–609, im Detail beschrieben werden. Diese Rekonstruktionsalgorithmen berechnen Bilder, welche unter Verwendung eines gegebenen Poisson-Rauschmodels und einer gemessenen Schwächungskarte (Attenuation Map, μ-map) eine hohe Übereinstimmung zu den gemessenen Daten aufweisen. Aufgrund ihrer iterativen Natur sind diese Algorithmen sehr zeitintensiv und ihre Rechenzeit steigt linear mit der Anzahl der Iterationen. Um die Rechenzeit zumindest teilweise zu verringern kann beispielsweise lediglich eine geordnete Anzahl von Untergruppen von Rohdatengruppen, sogenannten Bins, für jede Aktualisierung des rekonstruierten Bildes während der Iterationen verwendet werden. Doch sogar dann sind die Rechenzeiten immer noch so lang, dass in typischen klinischen Verwendungen die Rekonstruktion abgebrochen wird, bevor die Algorithmen konvergieren.
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Bei kombinierten Magnetresonanz-Positronenemissionstomographiesystemen (MR-PET) wird ferner eine humane Schwächungskorrektur für die Schwächungskarte für die Positronenemissionstomographie basierend auf Magnetresonanzdaten bestimmt. Bei MR-PET-Systemen werden daher die Rekonstruktionszeiten durch die Tatsache weiter verlangsamt, dass die Schwächungskorrektur auf Bildern basiert und üblicherweise auf der Grundlage eines zusammengesetzten Bildvolumens von mehreren Tischstationen durchgeführt wird, wobei eine größtmögliche Abdeckung des Gesichtsfeldes (FoV, Field of View) der Magnetresonanzanlage bevorzugt wird, um einen größtmöglichen anatomischen Kontext für modellbasierte oder modellgestützte Segmentierungsalgorithmen von z. B. der Lunge oder den Knochen verwenden zu können. Ein Überblick über Magnetresonanz(MR)-basierte Schwächungskorrekturtechniken findet sich z. B. in der Veröffentlichung Hofmann, M., B. Pichler, B. Schölkopf and T. Beyer: ”Towards quantitative PET/MRI: a review of MR-based attenuation correction techniques” European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging 36 (Supplement 1), 93–104 (03 2009). Eine Verwendung der größtmöglichen FoV-Abdeckung hat jedoch zur Folge, dass eine Rekonstruktion einer MR-PET an verschiedenen Tischstationen, ein sogenannter MR-PET-Multi-Station-Scan, erst nach der Akquisition an der letzten Tischstation durchgeführt werden kann, wenn eine Zusammensetzung mit einer größtmöglichen Abdeckung vollständig verfügbar ist, wohingegen beispielsweise bei einer Positronenemissionstompographie/Computertomographie (PET/CT) eine Berechnung für jede Tischposition sofort durchgeführt werden kann, nachdem die Akquisition der Emissionsdaten abgeschlossen wurde.
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In diesem Zusammenhang wird in der
US 2013/0320973 A1 ein Verfahren einer Schwächungskorrektur von Positronenemissionstomografiedaten auf der Grundlage von Magnetresonanztomografiedaten unter Verwendung eines kombinierten PET-MRT-Systems bereitgestellt. Die PET-Daten und die MRT-Daten werden für einen interessierenden Bereich eines Patienten erfasst. Das Verfahren umfasst ein Erfassen der PET-Daten für den interessierenden Bereich mittels einer PET-Bildgebungseinheit während einer ersten Bildgebungsdauer, wobei die PET-Daten mehrere PET-Datensegmente umfassen. Das Verfahren umfasst ferner ein Erfassen der MRT-Daten für den interessierenden Bereich und eines umgebenden Bereichs mittels einer MRT-Bildgebungseinheit während einer zweiten Bildgebungsdauer. Die MRT-Daten umfassen mehrere MRT-Datensegmente. Die erste Bildgebungsdauer und die zweite Bildgebungsdauer sind zumindest teilweise überlappend.
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Die
US 2005/0129295 A1 betrifft ein System und ein Verfahren zum Ausführen eines Abtastvorgangs umfassend die Schritte eines Erzeugens von CT-Bilddaten für eine Abtastung, Erzeugen von CT-Schwächungskorrekturdaten für die Abtastung, Erfassen eines derzeitigen Rahmens von PET-Daten für die Abtastung in einem 3D-Format und gleichzeitiges Ausführen der folgenden Schritte: Rekonstruieren von zumindest einem Abschnitt eines PET-Bildes für den derzeitigen Rahmen, einschließlich des Schrittes eines Überlappens eines Abschnitts des derzeitigen Rahmens mit einem benachbarten Rahmen, und Erfassen von mindestens einem Abschnitt eines nächsten Rahmens von PET-Daten.
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Wie zuvor beschrieben, ist die Magnetresonanz-basierte Schwächungskorrektur bildbasiert und kann weiterhin unterschiedliche Komplexitäts- und Genauigkeitsgrade in verschiedenen Stufen aufweisen. Jede dieser Stufen kann von vorhergehenden Ergebnissen abhängen und somit kann eine sequentielle Berechnung erforderlich sein. Z. B. kann in einem ersten Schritt der Berechnung der MR-basierten Schwächungskorrektur eine einfache Vordergrund-/Hintergrundtrennung durchgeführt werden, in einem zweiten Schritt kann eine Lungensegmentierung innerhalb des Vordergrundbereichs durchgeführt werden, und ein dritter Schritt kann aus einer Segmentierung von Fett- und Weichgeweben innerhalb des Vordergrundbereichs bestehen. Ein nächster Schritt kann beispielsweise eine Segmentierung einer Knochenmaske mithilfe von Orientierungspunkten und Modell-basierten Bildverarbeitungstechnologien umfassen. In einem weiteren Schritt können Objekte außerhalb des regulären Gesichtsfeldes hinzugefügt werden, wie es beispielsweise in der Veröffentlichung Johan Nuyts, Christian Michel, Matthias Fenchel, Girish Bal, Charles Watson. ”Completion of a truncated attenuation image from the attenuated emission data”. IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record, Knoxville, 2010, beschrieben ist. Ein weiterer Schritt kann die Berechnung einer sogenannten Hardware-Schwächungskorrekturkarte für jede Tischstation umfassen. Diese Hardware-Schwächungskorrekturkarte berücksichtigt Vorrichtungen, wie z. B. Lokalspulen, welche in der MR-PET-Anlage im Untersuchungsbereich angeordnet sind. In einem weiteren Schritt kann die berechnete segmentierte Schwächungskarte lokal verfeinert werden, um beispielsweise eine Konsistenz oder Widerspruchsfreiheit zu verbessern, beispielsweise auf der Grundlage eines DCC-Verfahrens (Discrete Consistency Condition) oder eines MLAA-Verfahrens (Maximum Likelihood of Attenuation and Activity), beispielsweise indem die zuvor definierten linearen Schwächungskoeffizienten an individuellere spezifische lineare Schwächungskoeffizienten angepasst werden.
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Die zuvor genannten Schritte benötigen eine erhebliche Zeit für die Berechnung und können daher die Berechnung des endgültigen PET-Bildes um einige Minuten verzögern. Die schwächungskorrigierten PET-Bilder werden für eine endgültige Qualitätsüberprüfung der Bilder benötigt, bevor der Patient aus der Magnetresonanz-Positronenemissionstomographieanlage entlassen werden kann. Durch die langen Berechnungszeiten verlängert sich der Aufenthalt des Patienten in der MR-PET-Anlage, was für den Patienten unangenehm sein kann und darüber hinaus die Anlage für weitere Patienten blockiert.
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Aufgrund der Tatsache, dass die Schwächungskorrektur bei einer MR-PET bildbasiert ist und auf einem zusammengesetzten Bild basiert, welches vorzugsweise eine größtmögliche Gesichtsfeldabdeckung verwendet, wird die schwächungskorrigierte PET-Rekonstruktion erst bestimmt, wenn die fertiggestellte und vollständige Schwächungskorrekturkarte vorliegt. Anders ausgedrückt wird die schwächungskorrigierte PET-Rekonstruktion solange verzögert, bis die fertige Schwächungskorrekturkarte verfügbar ist. 1 zeigt schematisch einen Ablauf einer schwächungskorrigierten PET-Rekonstruktion. Zunächst werden Magnetresonanz- und Positronenemissionstomographiedaten zeitlich nacheinander an drei verschiedenen Tischpositionen erfasst (Schritte 110–112), um einen gewünschten Abdeckungsbereich des Patienten zu erfassen. Zeitlich gesehen erfolgt nach der letzten Erfassung 112 die Berechnung der Schwächungskorrekturkarten in verschiedenen Schritten 113–115, welche zumindest teilweise voneinander abhängen können. Danach erfolgt im Schritt 116 die Rekonstruktion der Positronenemissionstomographiebilder beispielsweise unter Verwendung einer OSEM (Ordered Subsets Expectation Maximization) Technologie, welche wiederum verschiedene Iterationen benötigen kann. Erst nach Abschluss der PET-Rekonstruktion können Qualitätsüberprüfungen und Auswertungen der Positronenemissionstomographiebilder erfolgen und der Patient aus der MR-PET-Anlage entlassen werden.
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In der Praxis kann die Berechnung der Schritte 113–116 beispielsweise fünf Minuten für eine übliche Untersuchung mit fünf Tischpositionen erfordern. Diese Berechnungszeiten können sich bei mehr Tischpositionen und bei verbesserten Schwächungskorrekturalgorithmen erhöhen.
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Die zuvor beschriebenen zeitintensiven Abläufe bei der Bestimmung der Schwächungskorrekturkarten und der Positronenemissionstomographiebilder können nicht nur in Verbindung mit einer Magnetresonanz-Positronenemissionstomographie auftreten, sondern können auch bei anderen Hybridanlagen auftreten, welche eine Positronenemissionstomographieanlage und eine weitere Tomographieanlage umfassen. Die weitere Tomographieanlage kann eine beliebige schichtbildgebende Modalität, wie z. B. eine Ultraschalltomographieanlage, sein.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Berechnung von Positronenemissionstomographiebildern bei einer durch eine weitere Tomographieanlage gestützten Positronenemissionstomographie zu beschleunigen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Durchführung einer Positronenemissionstomographie eines Untersuchungsobjekts in einer Hybridanlage nach Anspruch 1, eine Hybridanlage nach Anspruch 15 und einen elektronisch lesbaren Datenträger nach Anspruch 17 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Durchführung einer Positronenemissionstomographie eines Untersuchungsobjekts in einer Hybridanlage bereitgestellt. Die Hybridanlage umfasst eine Positronenemssionstomographieanlage und eine weitere Tomographieanlage oder schichtbildgebende Modalität, insbesondere eine Magnetresonanztomographieanlage. Die vorliegende Erfindung betrifft daher insbesondere ein Verfahren zur Durchführung einer kombinierten Magnetresonanz-Positronenemissionstomographie (MR-PET) des Untersuchungsobjekts in einer Magnetresonanz-Positronenemissionstomographieanlage. In N aufeinanderfolgenden Zeitintervallen werden jeweils Tomographiedaten mittels der weiteren Tomographieanlage und Positronenemissionsdaten des Untersuchungsobjekts erfasst. Die N aufeinanderfolgenden Zeitintervalle können beispielsweise jeweilige Verweilzeiten eines Untersuchungstischs an einer entsprechenden Untersuchungstischposition sein, während sich das Untersuchungsobjekt, beispielsweise ein Patient, auf dem Untersuchungstisch befindet und von einer Tischposition zur nächsten Tischposition verfahren wird. Anders ausgedrückt kann beispielsweise ein Patient in einer bestimmten Anzahl N Untersuchungstischpositionen relativ zu der Hybridanlage angeordnet werden und zu jeder dieser Tischpositionen werden Tomographiedaten und Positronenemissionsdaten des Patienten erfasst. Eine typische Anzahl der Tischpositionen N kann beispielsweise im Bereich von drei bis zehn oder darüber hinaus liegen. Bei einer Durchführung des Verfahrens in einer Magnetresonanz-Positronenemissionstomographieanlage werden als Tomographiedaten entsprechende Magnetresonanzdaten mittels der Magnetresonanzanlage erfasst. Das Verfahren umfasst ein iteratives Durchführen der folgenden Schritte (a)–(c) für die ersten N – 1 Zeitintervalle bzw. Tischpositionen. Bei der Beschreibung der Durchführung der Verfahrensschritte (a)–(c) wird eine Laufvariable n verwendet, welche demzufolge von n = 1 bis n = N – 1 läuft. Im Schritt (a) werden n-te Tomographiedaten und n-te Positronenemissionsdaten für das n-te Zeitintervall erfasst. Im Schritt (b) werden abhängig von den im Schritt (a) erfassten Daten Schwächungskorrekturwerte für eine Positronenemissionstomographie bestimmt, und zwar während des (n + 1)-ten Zeitintervalls, d. h. während bereits die nächsten Magnetresonanzdaten und Positronenemissionsdaten für die nächste Tischposition erfasst werden. Anders ausgedrückt werden im Schritt (b) n-te Schwächungskorrekturwerte für eine Positronenemissionstomographie in Abhängigkeit von den n-ten Tomographiedaten während des (n + 1)-ten Zeitintervalls bestimmt. Die Bestimmung der n-ten Schwächungskorrekturwerte im (n + 1)-ten Zeitintervall bedeutet in diesem Zusammenhang ferner, dass die n-ten Schwächungskorrekturwerte alternativ oder zusätzlich im (n + 2)-ten, (n + 3)-ten oder noch einem späteren Zeitintervall bestimmt werden können, sofern in diesem späteren Zeitintervall weitere Tomographiedaten und Positronen-emissionsdaten erfasst werden. Im Schritt (c) werden abhängig von den im Schritt (a) erfassten Positronenemissionsdaten und den im Schritt (b) bestimmten Schwächungskorrekturwerten bereits vorläufige Positronenemissionstomographien bestimmt, wobei diese Bestimmung ebenfalls durchgeführt wird, wenn sich der Untersuchungstisch bereits in der nächsten oder noch einer weiteren Tischposition befindet. Anders ausgedrückt wird im Schritt (c) eine n-te vorläufige Positionsemissionstomographie in Abhängigkeit von den n-ten Positronenemissionsdaten und den n-ten Schwächungskorrekturwerten während des (n + 1)-ten Zeitintervalls bestimmt. Die Schritte (a)–(c) werden für jedes Zeitintervall 1 bis N – 1 durchgeführt, wobei jeweils während einer Erfassung von Tomographiedaten und Positronenemissionsdaten in einem Zeitintervall die Tomographiedaten und die Positronenemissionsdaten, welche in dem vorhergehenden Zeitintervall erfasst wurden, ausgewertet werden. Da jedoch zu diesem Zeitpunkt jeweils noch keine vollständigen Tomographiedaten über das gesamte Gesichtsfeld vorliegen, können beispielsweise zunächst nur Schwächungskorrekturwerte bestimmt werden, welche unabhängig von den gesamtanatomischen Eigenschaften des Untersuchungsobjekts bestimmt werden können. Anders ausgedrückt können zur Bestimmung der n-ten Schwächungskorrekturwerte der Schritte (a)–(c) Informationen aus den Tomographiedaten verwendet werden, welche lokal für eine bestimmte Tischposition bereits bestimmt werden können. Beispielsweise kann daher das Bestimmen der n-ten Schwächungskorrekturwerte ein Zuordnen einer jeweiligen Vordergrund-/Hintergrundinformation zu aus den Tomographiedaten bestimmten Bildpunkten umfassen. Die jeweilige Vordergrund/-Hintergrundinformation gibt an, ob der jeweilige Bildpunkt einem Bereich des Untersuchungsobjekts zugeordnet ist oder nicht. Alternativ oder zusätzlich kann zur Bestimmung der n-ten Schwächungskorrekturwerte der Schritte (a)–(c) eine Zuordnung einer jeweiligen Fett-/Weichgewebe-Information zu aus den Tomographiedaten bestimmten Bildpunkten umfassen. Die jeweilige Fett-/Weichgewebeinformation gibt an, ob der jeweilige Bildpunkt einem Weichgewebebereich des Untersuchungsobjekts (beispielsweise mit überwiegendem Wasseranteil) oder einem Bereich des Untersuchungsobjekts mit überwiegendem Fettanteil zugeordnet ist. Diese Informationen sind üblicherweise aus beispielsweise Magnetresonanzdaten, welche lokal an einer Tischposition aufgenommen werden, bestimmbar und daher bereits am Ende einer Erfassung von Magnetresonanzdaten einer Tischposition verfügbar. Weiterhin kann das Bestimmen der n-ten Schwächungskorrekturwerte ein Zuordnen einer jeweiligen Geräteinformation zu aus den Tomographiedaten bestimmten Bildpunkten umfassen. Die jeweilige Geräteinformation gibt an, ob der jeweilige Bildpunkt einem Bereich eines in dem Untersuchungsbereich der Hybridanlage angeordneten zusätzlichen Geräts zugeordnet ist. Ein derartiges zusätzliches Gerät kann beispielsweise eine Lokalspule umfassen, welche an oder auf einem Patienten angeordnet ist, wenn die weitere Tomographieanlage beispielsweise eine Magnetresonanz tomographieanlage umfasst. Auch diese Information lässt sich bereits aus Magnetresonanzdaten bestimmen, oder Metadaten, die die Spulenkonfiguration/Hardwarekonfiguration beschreiben, welche lokal an einer Tischposition erfasst werden. Mit Hilfe der zuvor genannten Informationen kann aus den Tomographiedaten eine Schwächungskorrekturkarte bestimmt werden, welche zwar noch keine gesamtanatomische Daten umfasst, jedoch bereits hinreichend genau ist, um zumindest eine vorläufige Positronenemissionstomographie zu bestimmen. Wenn die Schritte (a)–(c) für n = 1 bis n = N – 1 durchgeführt wurden, werden im N-ten Zeitintervall, also im letzten Zeitintervall oder an der letzten geplanten Untersuchungstischposition, N-te Tomographiedaten und N-te Positronenemissionsdaten erfasst und auf der Grundlage dieser Daten und der zuvor in den Schritten (a)–(c) für die bisherigen Tischpositionen oder Zeitintervalle bestimmten Schwächungskorrekturen und vorläufigen Positronenemissionstomographien werden schließlich endgültige Schwächungskorrekturwerte und eine endgültige Positronenemissionstomographie bestimmt. Indem bereits während der Erfassung der Tomographiedaten und der Positronenemissionsdaten bei den verschiedenen Tischpositionen zumindest vorläufige Schwächungskorrekturkarten und Positronenemissionstomographie-bilder erstellt werden, kann der Rechenaufwand zur Bestimmung der endgültigen Positronenemissionstomographiebilder nach der Erfassung der Tomographiedaten und Positronenemissionsdaten an der letzten Tischposition erheblich verringert werden, sodass eine Beurteilung der Qualität der erfassten Daten nach der Erfassung an der letzten Tischposition früher möglich ist und daher auch der Patient früher aus der Anlage entlassen werden kann. Dadurch kann die Verweilzeit des Patienten in der Anlage verringert werden und ein Patientendurchsatz an der Anlage erhöht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform werden die gesamten endgültigen Schwächungskorrekturwerte in Abhängigkeit von anatomischen Eigenschaften des Untersuchungsobjekts bestimmt. Beispielsweise kann den aus den Magnetresonanzdaten bestimmten Bildpunkten eines Magnetresonanzbildes jeweils eine Lungeninformation zugeordnet werden, welche für jeden Bildpunkt angibt, ob der jeweilige Bildpunkt einem Bereich der Lunge des Untersuchungsobjekts zugeordnet ist oder nicht. Alternativ oder zusätzlich kann jedem Bildpunkt eines Magnetresonanzbildes eine jeweilige Knocheninformation zugeordnet werden, welche für jeden Bildpunkt angibt, ob der jeweilige Bildpunkt einem Bereich eines Knochens des Untersuchungsobjekts zugeordnet ist oder nicht. Derartige anatomische Eigenschaften können mithilfe von Orientierungspunkten, sogenannten Landmarks, oder mit Hilfe von Modellen zugeordnet werden. Durch die Berücksichtigung der anatomischen Eigenschaften des Untersuchungsobjekts können Schwächungskorrekturwerte mit hoher Genauigkeit und somit eine sehr genaue Schwächungskorrekturkarte bestimmt werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform werden die n-ten Schwächungskorrekturwerte, welche für eine jeweilige Tischposition beim Durchführen der oben genannten Schritte (a)–(c) bestimmt werden, basierend auf vorgegebenen diskreten Konsistenzbedingungen bestimmt, welche auf lokalen Informationen beruhen und somit dazu beitragen, lokale Widersprüche zu erkennen und zu korrigieren. Dazu können beispielsweise übliche Technologien, wie z. B. DCC (Discrete Consistency Conditions) oder MLAA (Maximum Likelihood of Attenuation and Activity) verwendet werden. Die so bestimmten Schwächungskorrekturwerte stellen bereits eine hinreichende Genauigkeit bereit, um zumindest vorläufige Positronenemissionstomographiebilder zu rekonstruieren, d. h. schwächungskorrigierte PET-Bilder für jede Tischposition zu erzeugen. Die vorläufigen PET-Bilder werden gespeichert bis eine Schwächungskarte mit einem nächsten Genauigkeitsgrad verfügbar ist. Dies führt zu einer Vielzahl von Rechenschritten, aber jeder dieser Schritte konvergiert schneller, da lediglich ein geringer Unterschied zu dem vorhergehenden Zustand besteht.
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Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das Bestimmen der vorläufigen Positronenemissionstomographien sowie das Bestimmen der endgültigen Positronenemissionstomographie jeweils ein Bestimmen von Koinzidenzereignissen, welche durch gestreute Photonen hervorgerufen wurden. Die Koinzidenzereignisse können in Abhängigkeit von den verfügbaren Schwächungskorrekturwerten bestimmt werden. Auf diese Art und Weise können Streuungseinflüsse, ein sogenannter „Scatter”, bereits auf der Grundlage von groben Schwächungskorrekturkarten, welche in den Schritten (a)–(c) für die verschiedenen Tischpositionen bestimmt werden, berechnet werden und iterativ mit der Verfügbarkeit von detaillierteren und genaueren Stufen der Schwächungskorrekturkarten verfeinert werden. Dadurch kann ein Großteil der Berechnung des Scatters bereits während der Erfassung der Magnetresonanzdaten und Positronenemissionsdaten durchgeführt werden, sodass Berechnungen nach der letzten Tischposition entsprechend verkürzt werden können.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird eine vorläufige Positronenemissionstomographie bestimmt, indem ein iteratives Rückprojektionsverfahren unter Verwendung eines Erwartungsmaximierungsalgorithmus für Objektuntermengen durchgeführt wird. Der Erwartungsmaximierungsalgorithmus für Objektuntermengen wird in Abhängigkeit von den Positronenemissionsdaten durchgeführt, welche an der entsprechenden Tischposition erfasst wurden. Erwartungsmaximierungsalgorithmen für Objektuntermengen sind unter dem Begriff „Ordered Subsets Expectation Maximization” (OS-EM) bekannt und können zur Erstellung von zumindest vorläufigen Positronenemissionstomographien auf der Grundlage von lokalen Positronenemissionsdaten, welche mit Hilfe von lokalen Schwächungskorrekturwerten korrigiert wurden, bestimmt werden. Somit können bereits viele Schritte des Rückprojektionsverfahrens durchgeführt werden, während weitere Tomographiedaten und Positronenemissionsdaten an nachfolgenden Tischpositionen erfasst werden. Nach der Erfassung der Tomographiedaten und Positronenemissionsdaten an der letzten Tischposition kann das iterative Rückprojektionsverfahren unter Verwendung des OS-EM-Algorithmus unter Berücksichtigung der Positronenemissionsdaten für die letzte Tischposition und den Ergebnissen der zuvor bestimmten vorläufigen Positronenemissionstomographien bestimmt werden. Durch die Verwendung der vorläufigen Positronenemissionstomographien kann die endgültige Positronenemissionstomographie schneller konvergieren und somit in kürzerer Zeit bestimmt werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiterhin eine Hybridanlage bereitgestellt, welche eine Positronenemissionstomographieanlage und eine weitere Tomographieanlage, insbesondere eine Magnetresonanztomographieanlage, umfasst. Die Hybridanlage kann daher beispielsweise eine Magnetresonanz-Positronenemissionstomographieanlage umfassen, welche einen Grundfeldmagneten, ein Gradientenfeldsystem, eine Hochfrequenzantenne und eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Gradientenfeldsystems und der Hochfrequenzantenne, zum Empfang von von der Hochfrequenzantenne aufgenommenen Messsignalen, zur Auswertung der Messsignale und zur Erstellung von Magnetresonanztomographiebildern umfasst. Die Hybridanlage umfasst weiterhin Detektoren zum Erfassen von Photonen, welche durch eine Annihilation von Elektronen und Positronen in einem Untersuchungsobjekt erzeugt werden, sowie eine Steuereinrichtung zur Auswertung von Signalen der Detektoren und zur Erstellung von Positronenemissionstomographiebildern. Die Hybridanlage ist in der Lage, in N aufeinanderfolgenden Zeitintervallen jeweils mittels der weiteren Tomographieanlage Tomographiedaten und mittels der Positronenemissionstomographieanlage Positronenemissionsdaten des Untersuchungsobjekts zu erfassen. Dabei ist die Anlage ausgestaltet, für die Zeitintervalle von n = 1 bis n = N – 1 jeweils
- (a) n-te Tomographiedaten und n-te Positronenemissionsdaten im n-ten Zeitintervall zu erfassen,
- (b) n-te Schwächungskorrekturwerte für eine Positronenemissionstomographie abhängig von den n-ten Tomographiedaten während des (n + 1)-ten Intervalls zu bestimmen und
- (c) eine n-te vorläufige Positronenemissionstomographie abhängig von den n-ten Positronenemissionsdaten und den n-ten Schwächungskorrekturwerten während des (n + 1)-ten Zeitintervalls zu bestimmen.
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Die Hybridanlage ist ferner in der Lage, in dem letzten Zeitintervall, d. h. im N-ten Zeitintervall, entsprechende N-te Tomographiedaten und N-te Positronenemissionsdaten zu erfassen und abhängig von den N-ten Tomographiedaten und den ersten bis (N – 1)-ten Schwächungskorrekturwerten gesamte Schwächungskorrekturwerte für eine Positronenemissionstomographie zu bestimmen und abhängig von den gesamten Schwächungskorrekturwerten, den N-ten Positronenemissionsdaten und den ersten bis (N – 1)-ten vorläufigen Positronenemissionstomographien eine gesamte Positronenemissionstomographie zu bestimmen. Die Hybridanlage ist daher zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens und seiner Ausführungsformen geeignet und umfasst daher auch die im Zusammenhang mit dem Verfahren zuvor beschriebenen Vorteile.
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Weiterhin wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm bereitgestellt, welches in einen Speicher einer programmierbaren Steuerung einer Hybridanlage geladen werden kann. Mit diesem Computerprogramm können alle oder verschiedene der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Computerprogramm in der Steuerung läuft. Dabei benötigt das Computerprogramm evtl. Programmmittel, z. B. Bibliotheken oder Hilfsfunktionen, um die entsprechenden Ausführungsformen des Verfahrens zu realisieren. Anders ausgedrückt soll mit dem auf das Computerprogramm gerichteten Anspruch insbesondere ein Computerprogramm oder eine Software unter Schutz gestellt werden, mit welcher eine der oben beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden kann bzw. welche diese Ausführungsform ausführt. Dabei kann es sich bei der Software um einen Quellcode, z. B. C++, welcher noch kompiliert oder übersetzt und gebunden oder welcher nur interpretiert werden muss, oder um einen ausführbaren Softwarecode handeln, welcher zur Ausführung nur noch in die entsprechende Steuerung zu laden ist.
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Schließlich stellt die vorliegenden Erfindung einen elektronisch lesbaren Datenträger, beispielsweise eine DVD, ein Magnetband oder einen USB-Stick bereit, auf welchem elektronisch lesbare Steuerinformationen, insbesondere Software, wie sie zuvor beschrieben wurde, gespeichert sind. Wenn diese Steuerinformationen von dem Datenträger gelesen und in einer Steuerung gespeichert werden, können alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen des beschriebenen Verfahrens durchgeführt werden.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert werden.
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1 zeigt ein Verfahren zur Durchführung einer kombinierten Magnetresonanz-Positronenemissionstomographie eines Untersuchungsobjekts in einer Magnetresonanz-Positronenemissionstomographieanlage gemäß dem Stand der Technik.
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2 zeigt schematisch eine Magnetresonanz-Positronenemissionstomographieanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt schematisch ein Verfahren zur Durchführung einer kombinierten Magnetresonanz-Positronenemissionstomographie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Magnetresonanz-Positronenemissionstomographieanlage 1. Die Anlage 1 umfasst einen Tomographen 2, einen Untersuchungstisch 3 für einen Patienten 4, welcher auf dem Untersuchungstisch 3 durch eine Öffnung 5 des Tomographen bewegt werden kann, eine Steuereinrichtung 6, eine Auswertevorrichtung 7 und eine Antriebseinheit 8. Die Steuereinrichtung 6 steuert den Tomographen 2 an und empfängt Signale von dem Tomographen 2, welche von dem Tomographen 2 aufgenommen werden. Mit Hilfe des Tomographen 2 können sowohl Magnetresonanzdaten als auch Positronenemissionsdaten bereitgestellt werden. Zur Erzeugung der Magnetresonanzdaten weist der Tomograph 2 einen nicht gezeigten Grundfeldmagneten auf, welcher ein Grundmagnetfeld B0 erzeugt, sowie ein nicht gezeigtes Gradientenfeldsystem zur Erzeugung von Gradientenfeldern. Weiterhin umfasst der Tomograph 2 eine oder mehrere Hochfrequenzantennen zur Erzeugung von Hochfrequenzsignalen und zum Empfangen von Messsignalen, welche von der Steuereinrichtung 6 und der Auswertevorrichtung 7 zur Erzeugung von Magnetresonanzbildern verwendet werden. In dem Tomographen 2 sind ferner Detektoren zum Erfassen von Photonen angeordnet, welche durch Annihilation von Elektronen und Positronen in dem Untersuchungsobjekt 4 erzeugt werden. Die Steuereinrichtung 6 ist ferner zum Empfang von Signalen von den Detektoren ausgestaltet und in der Lage, die Signale zur Erstellung von Positronenemissionstomographiebildern auszuwerten. Die Steuereinrichtung 6 steuert weiterhin die Antriebseinheit 8 an, um den Untersuchungstisch 3 entlang einer Richtung Z zusammen mit dem Patienten 4 durch die Öffnung 5 des Tomographen 2 zu bewegen. Die Steuereinrichtung 6 und die Auswertevorrichtung 7 können beispielsweise ein Computersystem mit einem Bildschirm, einer Tastatur und einem Datenträger 12 umfassen, auf welchen elektronisch lesbare Steuerinformationen gespeichert sind, welche derart ausgestaltet sind, dass sie bei einer Verwendung des Datenträgers 12 in der Auswertevorrichtung 7 und der Steuereinrichtung 6 das nachfolgend beschriebene Verfahren durchführen.
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Anstatt, wie es in Verbindung mit 1 gezeigt wurde, zuerst in den Schritten 110–112 Magnetresonanzdaten und Positronenemissionsdaten an verschiedenen Tischposition zu erfassen und dann anschließend eine komplette Schwächungskorrekturkarte und die PET-Rekonstruktion auf der Grundlage der kompletten Schwächungskorrekturkarte auszuführen (Schritte 113–116), wird das nachfolgend in Verbindung mit 3 beschriebene Verfahren durchgeführt.
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3 zeigt schematisch den Ablauf des Verfahrens, wobei in der x-Achse eine räumliche Abdeckung der ermittelten Informationen bzgl. des Patienten zu verschiedenen Tischpositionen dargestellt ist und auf der y-Achse ein zeitlicher Verlauf, wann welche Informationen erfasst und berechnet werden. Im Schritt 310 befindet sich der Patient 4 zusammen mit dem Untersuchungstisch 3 an einer ersten Tischposition. An dieser ersten Tischposition werden erste Magnetresonanzdaten und Positronenemissionsdaten erfasst. Nachdem die Erfassung der Magnetresonanzdaten und Positronenemissionsdaten an der ersten Tischposition abgeschlossen ist, wird der Tisch zu einer zweiten Position verfahren. Dort werden im Schritt 320 zweite Magnetresonanzdaten und Positronenemissionsdaten für die zweite Tischposition erfasst. Gleichzeitig werden auf der Grundlage der an der ersten Tischposition erfassten ersten Magnetresonanzdaten Schwächungskorrekturwerte für eine Positronenemissionstomographie berechnet. Die Schwächungskorrekturwerte können in eine Schwächungskorrekturkarte, eine sogenannte μ-map, eingetragen werden. Beispielsweise kann in einem Schritt 311 eine Vordergrund-/Hintergrundtrennung und/oder eine Fett- und Weichgewebesegmentierung in dem Vordergrund durchgeführt werden. Im Schritt 312 können die Schwächungskorrekturwerte beispielsweise durch lokal durchgeführte Konsistenzüberprüfungen verfeinert werden, beispielsweise auf der Grundlage einer DCC (Discrete Consistency Condition) oder MLAA (Maximum Likelihood of Attenuation and Activity), indem z. B. die vordefinierten linearen Schwächungskoeffizienten zu individuelleren spezifischen linearen Schwächungskoeffizienten modifiziert werden. Weiterhin können im Schritt 312 Hardwarekomponenten berücksichtigt werden, welche bei der Erfassung der ersten Magnetresonanzdaten und Positronenemissionsdaten bei der ersten Tischposition in dem Tomographen 2 angeordnet waren, beispielsweise Lokalspulen. Entsprechende Schwächungskorrekturwerte für diese Hardwarekomponenten können in dem Schritt 312 bestimmt werden. Auf der Grundlage der so bestimmten Schwächungskorrekturwerte werden im Schritt 313 vorläufige Positronenemissionstomographien unter Verwendung der im Schritt 310 an der ersten Tischposition erfassten Positronenemissionsdaten bestimmt. Auch der Schritt 313 wird durchgeführt, während der Tisch bereits an der zweiten Position angeordnet ist und die zweiten Magnetresonanzdaten und Positronenemissionsdaten an der zweiten Position im Schritt 320 erfasst werden. Zur Bestimmung der vorläufigen Positronenemissionstomographie kann im Schritt 313 beispielsweise ein Algorithmus zur Erwartungsmaximierung für Objektuntermengen verwendet werden, welcher unter dem Begriff OSEM (Ordered Subsets Expectation Maximization) bekannt ist. Andere Verfahren zur Auswertung der Positronenemissionsdaten unter Verwendung der Schwächungskorrekturwerte können jedoch ebenso verwendet werden.
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Nachdem die zweiten Magnetresonanzdaten und Positronenemissionsdaten an der zweiten Tischposition in Schritt 320 bestimmt wurden, wird der Untersuchungstisch 3 zusammen mit dem Patienten 4 in eine weitere Position 3 verfahren und dort werden im Schritt 330 dritte Magnetresonanzdaten und Positronenemissionsdaten erfasst. Während dieser Erfassung der dritten Magnetresonanzdaten und Positronenemissionsdaten werden in den Schritten 321, 322 und 323 wiederum Schwächungskorrekturwerte und vorläufige Positronenemissionstomographien auf der Grundlage der an der zweiten Tischposition erfassten zweiten Magnetresonanzdaten und Positronenemissionsdaten bestimmt. Nachdem im Schritt 330 die dritten Magnetresonanzdaten und Positronenemissionsdaten an der dritten Tischposition erfasst wurden, werden in den Schritten 331, 332 und 333 entsprechende Schwächungskorrekturwerte und vorläufige Positronenemissionstomographien für die dritte Tischposition bestimmt. Danach erfolgt im Schritt 334 eine Bestimmung von Schwächungskorrekturwerten für den gesamten Untersuchungsbereich, welcher alle drei Tischpositionen umfasst. Dabei können beispielsweise anatomieabhängige Informationen wie z. B. eine Lungensegmentierung oder eine Knochensegmentierung verwendet werden, um genauere Schwächungskorrekturwerte und somit eine genauere Schwächungskorrekturkarte zu erstellen. Dabei werden die Schwächungskorrekturwerte, welche in den Schritten 311, 312, 321, 322 und 331, 332 bestimmt wurden, verwendet, wodurch die Bestimmung der endgültigen Schwächungskorrekturkarte im Schritt 334 erheblich weniger Rechenaufwand erfordert als die Bestimmung der Schwächungskorrekturkarte in den Schritten 113–115 gemäß dem Stand der Technik.
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Auf der Grundlage der im Schritt 334 erstellten Schwächungskorrekturkarte wird im Schritt 335 eine endgültige Positronenemissionstomographie bestimmt, wobei wiederum die vorläufigen Positronenemissionstomographien der Schritte 313, 323 und 333 verwendet werden, sodass beispielsweise der OSEM-Algorithmus schneller konvergiert, wodurch die Positronenemissionstomographiebilder schneller bestimmt werden können, als dies beispielsweise im Stand der Technik im Schritt 116 möglich ist.
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In dem zuvor beschriebenen Beispiel wurden die Magnetresonanzdaten und Positronenemissionsdaten an drei unterschiedlichen Tischpositionen nacheinander bestimmt. Das vorliegende Verfahren ist jedoch nicht auf drei Tischpositionen beschränkt, sondern kann auf beliebig viele Tischpositionen erweitert werden. Entscheidend ist dabei, dass die Auswertung der Magnetresonanzdaten und Positronenemissionsdaten von einer Tischposition bereits beginnt, wenn der Tisch zur nächsten Position verfahren wird und dort weitere Magnetresonanzdaten und Positronenemissionsdaten erfasst werden. Daher werden vorläufige schwächungskorrigierte PET-Bilder nach jeder Tischposition berechnet. Diese Zwischen-PET-Bilder werden gespeichert, bis nächstgenauere Schwächungskorrekturkarten verfügbar sind. Dies führt zu einer Vielzahl von Berechnungsschritten, aber jeder dieser Schritte kann erheblich schneller konvergieren, da jeweils lediglich ein kleiner Unterschied zu dem vorhergehenden Zustand vorhanden ist. Darüber hinaus können diese Schritte parallel zu der Berechnung der Schwächungskorrekturkarte durchgeführt werden, sodass insgesamt eine Leistungssteigerung erreicht werden kann.
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Das zuvor beschriebene Verfahren kann ferner dahingehend erweitert werden, dass eine sogenannte „Scatter-Simulation” iterativ berechnet wird. Scatter betrifft Koinzidenzereignisse, welche durch gestreute Photonen hervorgerufen werden. Dieser Scatter kann zunächst auf der Grundlage von groben vorläufigen Schwächungskorrekturwerten berechnet werden und bei Verfügbarkeit von detaillierteren und genaueren Schwächungskorrekturwerten verfeinert werden.
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Zusammenfassend wird die PET-OSEM-Rekonstruktion und die Scatter-Simulation mit der Berechnung der Schwächungskorrekturkarte zu den verschiedenen Erfassungszeiten der verschiedenen Tischpositionen verschachtelt. Dadurch sind schwächungskorrigierte PET-Bilder mit allmählich steigender Genauigkeit schnell verfügbar. Dies ermöglicht eine schnelle Qualitätsüberprüfung und ein schnelleres Erfassen und Zur-Verfügung-Stellen der Positronenemissionstomographien.
