DE102015205959A1

DE102015205959A1 - Ermitteln der Geschwindigkeit eines Fluids mit Hilfe eines bildgebenden Verfahrens

Info

Publication number: DE102015205959A1
Application number: DE102015205959.6A
Authority: DE
Inventors: Johannes Georg KORPORAAL; Rainer Raupach
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-04-01
Publication date: 2016-09-01
Also published as: US9999401B2; CN105919616B; US20160249874A1; CN105919616A

Abstract

Es wird ein Verfahren (400, 700, 1000) zum Ermitteln der Geschwindigkeit (vfld) eines Fluids in einem mit Hilfe eines bildgebenden Verfahrens, vorzugsweise der Computertomographie, abzubildenden Volumen (VOL) eines Untersuchungsobjekts (P) beschrieben. Bei dem Verfahren (400, 700, 1000) werden Abschwächungswerte (μ(z, t)) anhand von Bilddaten (BD) des abzubildenden Volumens (VOL) in Abhängigkeit von Ort (z) und Zeit (t) erfasst. Es wird ein zeitlich und örtlich abgegrenzter Bereich auf Basis der erfassten Abschwächungsdaten (μ(z, t)), in dem sich die erfassten Abschwächungsdaten (μ(z, t)) annähernd linear verhalten, festgelegt. Anschließend werden zeitliche und/oder räumliche Gradienten (Gt(t), Gz(z)) und/oder eine Kombination (Gs(z, t)) aus einem zeitlichen und einem räumlichen Gradienten auf Basis der dem zeitlich und örtlich abgegrenzten Bereich zugeordneten Abschwächungswerte (μ(z, t) ermittelt. Schließlich wird die Geschwindigkeit (vfld) des Fluids auf Basis der ermittelten zeitlichen und/oder räumlichen Gradienten (Gt(t), Gz(z)) oder aus der Kombination (Gs(z, t)) aus einem zeitlichen und einem räumlichen Gradienten und aus dem zeitlichen Gradienten (Gt(t)) berechnet. Es wird auch eine Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung (130) beschrieben. Überdies wird ein Computertomographiesystem (1) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines Fluids in einem mit Hilfe eines bildgebenden Verfahrens, vorzugsweise der Computertomographie, abzubildenden Volumen eines Untersuchungsobjekts. Zudem betrifft die Erfindung eine Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computertomographiesystem.
Mit Hilfe moderner bildgebender Verfahren werden häufig zwei- oder dreidimensionale Bilddaten erzeugt, die zur Visualisierung eines abgebildeten Untersuchungsobjekts und darüber hinaus auch für weitere Anwendungen genutzt werden können.
Häufig basieren die bildgebenden Verfahren auf der Erfassung von Röntgenstrahlung, wobei sogenannte Projektionsmessdaten erzeugt werden. Beispielsweise können Projektionsmessdaten mit Hilfe eines Computertomographie-Systems (CT-Systems) akquiriert werden. Bei CT-Systemen läuft gewöhnlich eine an einer Gantry angeordnete Kombination aus Röntgenquelle und gegenüberliegend angeordnetem Röntgendetektor um einen Messraum um, in dem sich das Untersuchungsobjekt (das im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Patient bezeichnet wird) befindet. Das Drehzentrum (auch „Isozentrum“ genannt) fällt dabei mit einer sogenannten Systemachse z zusammen. Bei einem oder mehreren Umläufen wird der Patient mit Röntgenstrahlung der Röntgenquelle durchstrahlt, wobei mit Hilfe des gegenüberliegenden Röntgendetektors Projektionsmessdaten bzw. Röntgenprojektionsdaten erfasst werden.
Die erzeugten Projektionsmessdaten sind insbesondere von der Bauart des Röntgendetektors abhängig. Röntgendetektoren weisen gewöhnlich eine Mehrzahl an Detektionseinheiten auf, die meist in Form eines regelmäßigen Pixelarrays angeordnet sind. Die Detektionseinheiten erzeugen jeweils für auf die Detektionseinheiten auftreffende Röntgenstrahlung ein Detektionssignal, welches zu bestimmten Zeitpunkten hinsichtlich Intensität und spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung analysiert wird, um Rückschlüsse auf das Untersuchungsobjekt zu erhalten und Projektionsmessdaten zu erzeugen.
Mit Hilfe der CT-Bildgebung konnten lange Zeit „nur“ anatomische Strukturen bildlich wiedergegeben werden. Dagegen war die funktionale Bildgebung mittels Computertomographie lange Zeit nicht möglich, unter anderem auch wegen einer zu hohen Strahlenbelastung für den Patienten. In den letzten Jahren aber haben sich dank technologischer Fortschritte die Möglichkeiten zur funktionalen Bildgebung verbessert und ihren Weg in die klinische Routine gefunden. Dennoch geht die Suche nach funktionalen Messgrößen weiter, und eine davon steht schon sehr lange auf der Wunschliste: das Messen der Flussgeschwindigkeit in Blutgefäßen.
Einerseits kann die Erkenntnis über Blutflussgeschwindigkeiten helfen, Pathologien zu finden und/oder zu charakterisieren (z.B. Stenosen). Andererseits ermöglicht sie eine Optimierung der Akquisitionsparameter bei durch Kontrastmittel unterstützten CT-Scans, wie z.B. Angiographien. Das Bestimmen der Blutflussgeschwindigkeit ist bereits möglich mit medizinischen Messverfahren wie z.B. Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) und Ultraschall (US). Bei der Bestimmung der Blutflussgeschwindigkeit mit Hilfe der Magnetresonanz-Tomographie wird Körpergewebe mittels Magnetfeldern in einen bestimmten elektromagnetischen Zustand gebracht. Aus der Veränderung der Magnetisierung, z.B. durch den Blutfluss, wird dann die Geschwindigkeit des Blutes bestimmt („Magnetic Resonance Velocimetry“). Kontrastmittel sind für diese Verfahren nicht immer notwendig.
Bei der Bestimmung der Blutflussgeschwindigkeit mit Hilfe eines Ultraschall-Verfahrens wird dagegen der Doppler-Effekt benutzt, wobei durch die Frequenzverschiebung der Schallwellen ausgedrückt wird, wie hoch die Blutflussgeschwindigkeit ist. Auch bei diesem Verfahren sind keine Kontrastmittel notwendig, und es gibt analog dazu auch optische Verfahren (z.B. mit Laser), um über den Doppler-Effekt die Blutflussgeschwindigkeit zu messen.
Für CT-Bildgebungsverfahren gibt es einige patentierte Verfahren für das Messen der Blutflussgeschwindigkeit, wie es z.B. in den folgenden wissenschaftlichen Publikationen und Patentanmeldungen beschrieben ist: Eine erste Methode umfasst ein Verfahren, wobei aus dem Zeitversatz der einzelnen Projektionen auf dem Detektor die Blutflussgeschwindigkeit während eines kontrastmittel-gestützten Scans zu bestimmen ist. Diese Methode ist beschrieben in PREVRHAL S. et al. „CT angiographic measurement of vascular blood flow velocity by using projection data", Radiology 2011; 261: 923–929 und in der Patentanmeldung US 2011/0274333 A1 .
Eine zweite Methode umfasst ebenfalls ein Verfahren, wobei aus dem Zeitversatz der einzelnen Projektionen auf dem Detektor die Blutflussgeschwindigkeit während eines kontrastmittel-gestützten Scans zu bestimmen ist. Bei diesem Verfahren wird ebenso wie bei der ersten Methode nur mit Projektionsdaten bzw. Sinogrammen gearbeitet, aber nicht mit Bilddaten. Diese zweite Methode ist in JJ Barfett et al. "Intra-vascular blood velocity and volumetric flow rate calculated from dynamic 4D CT angiography using a time of flight technique", Int J Cardiovasc Imaging 2014, DOI: 10.1007/s10554-014-0471-3 sowie in US 2013/0172734 A1 beschrieben.
Eine dritte Methode hat grundsätzlich den gleichen Ansatz wie die erste und die zweite Methode, stützt sich jedoch auf die Verarbeitung von Bilddaten statt von Projektionsdaten. Diese dritte Methode ist in der Patentanmeldung US 2009/0086882 A1 beschrieben. Bei der dritten Methode finden Akquisitionen zu unterschiedlichen diskreten Zeitpunkten parallel zur z-Achse statt. In diesem Zusammenhang soll unter der z-Richtung die virtuelle Achse, auch Systemachse genannt, verstanden werden, um die sich das Messsystem dreht. Diese Akquisitionen werden als wiederholte Sequenz-Scans mit einer breiten Kollimierung durchgeführt. Daraus lassen sich räumliche Gradienten zu den unterschiedlichen Akquisitionszeiten ableiten. Analog werden dazu auch zeitliche Gradienten G_t an festen z-Positionen abgeleitet.
Weiterhin wird die Akquisition durch die maximale Abdeckung des Detektors in z-Richtung einschränkt. Aus der Verschiebung der räumlichen Gradienten wird dann die Blutflussgeschwindigkeit dz/dt berechnet. Die skizierten Verfahren haben aber folgende Einschränkungen: Sie funktionieren nur dann, wenn sich das Messsystem und das zu untersuchende Objekt nicht relativ zueinander in z-Richtung bewegen. Dies ist eine essentielle Randbedingung für die beschriebenen herkömmlichen Verfahren. Diese ergibt sich daraus, dass herkömmlich in die Berechnung der Blutflussgeschwindigkeit eine Verschiebung der Gradienten in räumlicher und zeitlicher Richtung entlang der räumlichen und zeitlichen Koordinatenachsen eingeht und daher die herkömmlichen Methoden auf Abtastungen, denen eine nicht-parallele Trajektorie zu den Koordinatenachsen im Raumzeitkoordinatensystem entspricht, nicht anwendbar sind. Die Länge des zu untersuchenden Bereiches wird durch die Größe bzw. die Abmessungen des Detektors in z-Richtung eingeschränkt.
Die Akquisitionsverfahren der beschriebenen Methoden sind auf zeitlich unterschiedliche Messungen an der gleichen z-Position oder räumlich unterschiedliche Messungen zu den gleichen Zeitpunkten beschränkt. Solche Messungen, bei denen die relative Geschwindigkeit zwischen dem Untersuchungsobjekt und dem Messsystem in z-Richtung den Wert Null beträgt, lassen sich als Sequenz-Messung bezeichnen. Im Unterschied dazu sollen im Folgenden Messungen, bei denen die relative Geschwindigkeit zwischen dem Untersuchungsobjekt und dem Messsystem in z-Richtung ungleich Null ist, als Spiralakquisition bezeichnet werden.
Zudem hängt die Genauigkeit der Blutflussgeschwindigkeitsmessung davon ab, wie groß der Detektor in z-Richtung ist: Je kleiner der Detektor ist, desto schlechter ist die Genauigkeit. Ferner sind bei den beschriebenen Methoden die zeitliche wie die räumliche Auflösung diskret, da der Detektor eine feste Anzahl an Detektor-Elementen in z-Richtung (Schichten) und eine minimale zeitliche Auflösung aufweist, die von der Rotationsgeschwindigkeit der Gantry abhängt. Überdies ist es bei den skizzierten Methoden gewöhnlich erforderlich, dass der zu untersuchende Bereich des Objektes mindestens zweimal gescannt wird. Für viele CT-Geräte mit kleinen Detektorbreiten von z.B. 1–2 cm sind oben genannte Verfahren also nicht vernünftig anwendbar. Üblicherweise sind mit den genannten Verfahren Fluidgeschwindigkeitsmessungen mit zufriedenstellender Genauigkeit nur mit sehr breiten Detektoren mit beispielsweise Breiten von 16 cm möglich.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ermitteln der Flussgeschwindigkeit in einem zu untersuchenden Körperbereich zu entwickeln, das auch mit herkömmlichen CT-Geräten mit hinreichender Genauigkeit anwendbar ist und für verschiedene CT-Bildaufnahmearten, beispielsweise auch bei einer Relativbewegung zwischen Untersuchungsobjekt und CT-Detektor in z-Richtung flexibel einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines Fluids gemäß Patentanspruch 1, durch eine Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung gemäß Patentanspruch 15 und durch ein Computertomographiesystem gemäß Patentanspruch 16 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines Fluids in einem mit Hilfe eines bildgebenden Verfahrens, vorzugsweise der Computertomographie, abzubildenden Volumen eines Untersuchungsobjekts werden Abschwächungswerte anhand von Bilddaten des abzubildenden Volumens in Abhängigkeit von Ort und Zeit erfasst. Diese Abschwächungswerte können zum Beispiel von Bilddaten eines mit Hilfe des bildgebenden Verfahrens, vorzugsweise eines CT-Aufnahmeverfahrens, erfassten Kontrastmittels sein, das nach Injektion durch ein Blutgefäß in dem abzubildenden Volumen fließt.
Es wird ein zeitlich und örtlich abgegrenzter Bereich auf Basis der erfassten Abschwächungsdaten ermittelt und festgelegt, in dem sich die erfassten Abschwächungsdaten zeitlich und räumlich annähernd linear verhalten. Für die zeitliche Festlegung können zum Beispiel die in 2 gezeigten zeitlich linearen Abschnitte der Kontrastmittelkonzentrationskurve verwendet werden.
Anschließend werden zeitliche und/oder räumliche Gradienten oder ein Kombination aus zeitlichen und räumlichen Gradienten auf Basis der dem zeitlich und örtlich abgegrenzten Bereich zugeordneten Abschwächungswerte ermittelt. Aufgrund der Annahme der linearen Eigenschaften des bei der Ermittlung der Gradienten berücksichtigten Bereichs sind die Gradienten für den gesamten abgegrenzten Bereich gültig. Auf Basis der ermittelten zeitlichen und/oder räumlichen Gradienten wird die Geschwindigkeit des Fluids berechnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat im Vergleich zu den herkömmlichen ersten bis dritten Methoden, welche in der Beschreibungseinleitung diskutiert wurden, folgende Vorteile: Die Länge des zu untersuchenden Bereiches wird nicht mehr durch die Größe des Detektors in z-Richtung eingeschränkt, da man sich nicht mehr notwendigerweise parallel an der Zeit- oder Raumachse bewegen muss. Dies gilt zum Beispiel für Spiral-Akquisitionen, bei denen die relative Geschwindigkeit zwischen dem Untersuchungsobjekt und dem Messsystem in z-Richtung ungleich Null ist.
Die Genauigkeit der Blutflussgeschwindigkeitsmessung hängt nicht mehr von der Größe des Detektors in z-Richtung ab, da man sich die Länge der Abtastung in z-Richtung (und damit die Genauigkeit) z.B. einer Spiralakquisition frei wählen kann.
Sowohl die zeitliche als auch die räumliche Auflösung sind beispielsweise mit einer Spiralakquisition z.B. durch Pitch, Schichtdicke und Inkrement der Bilder frei wählbar.
Es ist nicht mehr absolut notwendig, den zu untersuchenden Bereich mindestens zweimal zu scannen, wenn man z.B. mit einer Spirale mit variabler Geschwindigkeit eine vernünftige Abtastung des linearen zeitlich und räumlich abgegrenzten Bereichs erzielt.
Die erfindungsgemäße Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung weist eine Messwerterfassungseinheit zum Erfassen von Abschwächungswerten anhand von Bilddaten eines abzubildenden Volumens eines Untersuchungsobjekts in Abhängigkeit von Ort und Zeit auf. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung eine Bereichsfestlegungseinheit zum Festlegen eines zeitlich und räumlich abgegrenzten Bereichs auf Basis der erfassten Abschwächungsdaten, in dem sich die erfassten Abschwächungsdaten annähernd linear verhalten. Die erfindungsgemäße Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung umfasst zudem eine Gradienten-Ermittlungseinheit zum Ermitteln von zeitlichen und/oder räumlichen Gradienten auf Basis der dem zeitlich und örtlich abgegrenzten Bereich zugeordneten Abschwächungswerte. Schließlich weist die erfindungsgemäße Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung auch eine Geschwindigkeits-Berechnungseinheit zum Berechnen der Geschwindigkeit des Fluids auf Basis der ermittelten zeitlichen und/oder räumlichen Gradienten auf.
Das erfindungsgemäße Computertomographiesystem weist die erfindungsgemäße Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung auf.
Das erfindungsgemäße Computertomographiesystem weist zum Beispiel zusätzlich eine Projektionsdatenakquisitionseinheit auf. Die Projektionsdatenakquisitionseinheit umfasst eine Röntgenquelle und ein Detektorsystem zur Akquisition von Projektionsmessdaten eines Objekts. Ferner umfasst das erfindungsgemäße Computertomographiesystem auch eine Rekonstruktionseinheit zum Rekonstruieren von erfassten Projektionsmessdaten und zusätzlich die erfindungsgemäße Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung.
Die wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung können zum überwiegenden Teil in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Dies betrifft insbesondere die Bereichsfestlegungseinheit, die Gradienten-Ermittlungseinheit und die Geschwindigkeits-Berechnungseinheit. Grundsätzlich können diese Komponenten aber auch zum Teil, insbesondere wenn es um besonders schnelle Berechnungen geht, in Form von softwareunterstützter Hardware, beispielsweise FPGAs oder dergleichen, realisiert sein. Ebenso können die benötigten Schnittstellen, beispielsweise wenn es nur um eine Übernahme von Daten aus anderen Softwarekomponenten geht, als Softwareschnittstellen ausgebildet sein. Sie können aber auch als hardwaremäßig aufgebaute Schnittstellen ausgebildet sein, die durch geeignete Software angesteuert werden.
Insbesondere kann die erfindungsgemäße Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung Teil eines Benutzerterminals bzw. einer Steuereinrichtung eines CT-Systems sein.
Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Steuereinrichtungen auf einfache Weise durch ein Software-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung einer Steuereinrichtung eines Computertomographiesystems ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in der Steuereinrichtung ausgeführt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile wie z. B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten auch Hardware-Komponenten, wie z.B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen.
Zum Transport zur Steuereinrichtung und/oder zur Speicherung an oder in der Steuereinrichtung kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit der Steuereinrichtung einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen.
Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Dabei können insbesondere die Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein. Zudem können im Rahmen der Erfindung auch die verschiedenen Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines Fluids handelt es sich bei dem Fluid um Blut, das durch ein Blutgefäß in dem abzubildenden Volumen fließt. Beispielsweise wurde in das Blut ein Kontrastmittel injiziert, das mit Hilfe eines bildgebenden Verfahrens sichtbar gemacht wird.
Vorteilhaft wird in dem zeitlich und örtlich abgegrenzten Bereich eine Ebene von Abschwächungswerten in Abhängigkeit von Ort und Zeit auf Basis der erfassten Abschwächungswerte ermittelt. Aus den die Ebene definierenden Parametern ergeben sich die räumlichen und zeitlichen Gradienten, wobei der Vorteil besteht, dass nun die Trajektorie der Erfassung der Abschwächungswerte in Raum und Zeit im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden keinen Beschränkungen mehr unterliegt, da die Gradienten nicht direkt aus den erfassten Abschwächungswerten, sondern aus der von diesen aufgespannten Ebene ermittelt werden. Beispielsweise müssen die Abschwächungswerte nicht mehr parallel zur Zeit- und Raumachse aufgenommen werden. Der Begriff „Ebene“ soll in diesem Zusammenhang nicht eingeschränkt auf ein zweidimensionales Ort-Zeit-Diagramm verstanden werden. Liegen der Berechnung der Fluidgeschwindigkeit zum Beispiel mehrere räumliche Dimensionen zugrunde, soll der Begriff „Ebene“ dahingehend verstanden werden, dass jedem Abschwächungswert in dem abgrenzten Bereich der gleiche räumliche Gradient (in diesem Fall ein Vektor) zugeordnet werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Ebene mit Hilfe eines Verfahrens der Ausgleichsrechnung auf Basis der erfassten Abschwächungswerte in Abhängigkeit von Ort und Zeit ermittelt. Mit Hilfe der Mittelung beispielsweise mit einer Methode, welche auf dem Prinzip der kleinsten Fehlerquadrate beruht, können statistische Fehler bei der Aufnahme der Messdaten korrigiert werden.
Bevorzugt werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als zeitlicher Gradient und als räumlicher Gradient der zeitliche Gradient und der räumliche Gradient der ermittelten Ebene ermittelt. Darunter sind die Steigungswerte der Ebene in z-Richtung und in Zeitrichtung zu verstehen.
In einer besonders praktikablen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zeitliche Gradient aus der Steigung der Schnittgerade zwischen der Ebene und der von der Achse der Abschwächungswerte und der z-Achse gebildeten μ-z-Ebene ermittelt und der räumliche Gradient aus der Steigung der Schnittgerade zwischen der Ebene und der von der Achse der Abschwächungswerte und der Zeit-Achse gebildeten μ-t-Ebene ermittelt.
Besonders bevorzugt wird die Geschwindigkeit eines Fluids anhand des Produkts aus dem ermittelten zeitlichen Gradienten und dem ermittelten räumlichen Gradienten ermittelt. Bei dieser Variante ist der räumliche Gradient als der Reziprokwert der Steigung der Schnittgerade zwischen der Ebene und der von der Achse der Abschwächungswerte und der Zeit-Achse gebildeten μ-t-Ebene zu verstehen.
Definiert man den räumlichen Gradienten wie herkömmlich als Steigung der Schnittgerade zwischen der Ebene und der von der Achse der Abschwächungswerte gebildeten μ-t-Ebene so erhält man die Geschwindigkeit des Fluids anhand des Quotienten aus dem ermittelten zeitlichen Gradienten und dem ermittelten räumlichen Gradienten.
In einer besonders vorteilhaft anzuwendenden Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Geschwindigkeit des Fluids im Fall einer Relativbewegung zwischen Untersuchungsobjekt und Messsystem anhand einer zur Dopplergleichung analogen Beziehung ermittelt. Diese Beziehung besteht zwischen einer Kombination aus einem zeitlichen Gradienten und einem räumlichen Gradienten und einem zusätzlich ermittelten zeitlichen Gradienten. In dieser Variante wird eine Bildaufnahme beispielsweise mit einem bewegten Untersuchungstisch durchgeführt. Wird nun der Detektor, wie es bei CT-Aufnahmen üblich ist, während der Bildaufnahme gedreht, so ergibt sich ein sogenannter Spiral-Scan. In Analogie zur Dopplergleichung wird bei dieser speziellen Variante die zur Ermittlung der Fluidgeschwindigkeit angewandte einfache Produktbeziehung dahingehend modifiziert, dass nun zusätzlich zu dem zeitlichen Gradienten auch eine Kombination aus zeitlichem und räumlichen Gradienten zur Berechnung der Fluidgeschwindigkeit herangezogen wird.
Die Geschwindigkeit des Fluids kann in dieser speziellen Variante dann nach folgender Gleichung ermittelt werden:
wobei v_fld die Geschwindigkeit des Fluids ist, v_tb die Geschwindigkeit des bewegten Untersuchungsobjekts ist, G_s(t) eine Projektion einer Kombination aus zeitlichem und räumlichem Gradient in die μ-t-Ebene ist, welche von der Zeitachse und der Achse der Abschwächungswerte (μ(z, t)) gebildet wird, und G_t(t) ein ermittelter zeitlicher Gradient ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der ermittelte zeitliche Gradient auf Basis eines Bolus-Tracking-Scans ermittelt werden.
Der Bolus-Tracking-Scan kann zum Beispiel mit einer breiten Kollimierung angewandt werden. In diesem Fall kann die Ebene zur Ermittlung der Gradienten und damit die Fluidgeschwindigkeit sogar allein aus dem Bolus-Tracking-Scan ermittelt werden.
Im Rahmen dieser Variante können die auf Basis des Bolus-Tracking-Scans erfassten Abschwächungswerte dazu dienen, die Geschwindigkeit des Fluids zu ermitteln und auf Basis der ermittelten Geschwindigkeit kann ein Pitch-Wert der Bildaufnahme des bewegten Untersuchungsobjekts derart gewählt werden, dass die bei der Bildaufnahme des bewegten Untersuchungsobjekts erfassten Abschwächungswerte näherungsweise konstant sind. Anschließend erfolgt vorzugsweise bei einer nachfolgenden Bildgebung eine Ansteuerung des Messsystems mit dem ermittelten Pitch-Wert. Diese Variante hat den Vorteil, dass bei der eigentlichen Bildgebung die Kontrastwerte für gleiche Materialien sehr einheitlich sind, was bei der Diagnose anhand von erfassten Bilddaten sehr vorteilhaft sein kann.
Alternativ kann auch während der Bildaufnahme des bewegten Untersuchungsobjekts die Bewegungsrichtung und/oder die Geschwindigkeit des bewegten Untersuchungsobjekts geändert werden.
In einer speziellen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Bildaufnahme mit einer Relativbewegung zwischen dem Untersuchungsobjekt und dem Messsystem eine Änderung der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Untersuchungsobjekts und dem Messsystem und eine Änderung der Kollimierung der Bildaufnahme. Eine solche Aufnahme wird auch als VVS-Scan bezeichnet, wobei VVS für Spiralakquisition mit einer variablen Geschwindigkeit steht.
Bei den beschriebenen Varianten, welche auch mit Hilfe von zu den Dopplerbeziehungen analogen Gleichungen behandelbar sind, dürfen sich das Messsystem und das zu untersuchende Objekt relativ zueinander in z-Richtung bewegen (sprich, „insbesondere Spiral-Akquisitionen sind erlaubt“). In diesen Fällen lässt sich die Fluidgeschwindigkeit mit Hilfe von zu den Doppler-Gleichungen analogen Beziehungen besonders einfach berechnen.
Vorteilhaft weist die erfindungsgemäße Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung eine Ebenen-Ermittlungseinheit zum Ermitteln einer Ebene von Abschwächungswerten in Abhängigkeit von Ort und Zeit auf Basis der erfassten Abschwächungswerte auf. Wird auf Basis der ermittelten Abschwächungswerte zunächst eine Ebene ermittelt, so lassen sich die für die Berechnung der Fluidgeschwindigkeit zu ermittelnden räumlichen und zeitlichen Gradienten unabhängig von der Trajektorie der CT-Bildaufnahme ermitteln. Weiterhin lässt sich durch den Zwischenschritt des Ermittelns einer Ebene auch eine Fehlerkorrektur von lokalen statistischen Fehlern bei der CT-Bildaufnahme realisieren.
Alle diese Ausführungsformen bieten sehr viele Möglichkeiten, Blutflussgeschwindigkeitsmessungen an bildgebenden Einrichtungen, wie zum Beispiel CT-Geräten, effektiv durchzuführen. Eine Anwendung des Doppler-Prinzips auf kontrastmittel-gestützte CT-Scans liegt überhaupt nicht auf der Hand, da das Messprinzip nichts mit optischen oder akustischen Wellen zu tun hat.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Herangehensweise zum Ermitteln einer Blutflussgeschwindigkeit,
2 den zeitlichen Verlauf einer Kontrastmittelkurve,
3 ein Schaubild zur Darstellung des linearen Verhaltens der Kontrastmittelkonzentration in einem Blutgefäß,
4 ein Flussdiagramm zur Darstellung des Verfahrens zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines Fluids gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
5 ein Schaubild, welches das Verfahren zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines Fluids gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
6 ein Schaubild, welches das Verfahren zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines Fluids gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
7 ein Flussdiagramm zur Darstellung des Verfahrens zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines Fluids gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
8 ein Schaubild, welches das Verfahren zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines Fluids gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
9 ein Schaubild, welches das Verfahren zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines Fluids gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
10 ein Flussdiagramm zur Darstellung des Verfahrens zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines Fluids gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
11 ein Schaubild, welches das Verfahren zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines Fluids gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
12 ein Schaubild, welches das Verfahren zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines Fluids gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
13 ein Blockdiagramm, mit dem eine Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt wird,
14 eine schematische Darstellung eines Computertomographiesystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In 1 ist eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Herangehensweise zum Ermitteln einer Blutflussgeschwindigkeit gezeigt. Die in 1 veranschaulichte Vorgehensweise entspricht der oben beschriebenen dritten Methode. Die im linken Schaubild der 1 gezeigten HU-Werte bzw. Abschwächungswerte μ(z) werden zu unterschiedlichen diskreten Zeitpunkten t₁, t₂, t₃ parallel zur z-Achse mit Hilfe eines CT-Systems akquiriert. Diese Akquisitionen werden als wiederholte Sequenz-Scans mit einer breiten Kollimierung durchgeführt. Aus den ermittelten Funktionswerten bzw. aus der Steigung der entsprechenden Graphen lassen sich räumliche Gradienten zu den unterschiedlichen Akquisitionszeiten ableiten.
In dem rechten Schaubild in der 1 sind HU-Werte in Abhängigkeit von der Zeit gezeigt. Die Abschwächungswerte μ(t), auch HU-Werte genannt, werden üblicherweise in der Einheit HU angegeben, wobei HU für Hounsfield Unit steht. Diese HU-Werte wurden an unterschiedlichen diskreten Positionen z₁, z₂, z₃ in z-Richtung akquiriert.
Aus den Steigungen der ermittelten Graphen der HU-Werte werden zeitliche Gradienten an festen z-Positionen abgeleitet.
Aus den räumlichen und zeitlichen Verschiebungen ∆z und ∆t der erfassten räumlichen und zeitlichen Gradienten (wie sie bereits aus einem der beiden Teilschaubilder hervorgehen) lässt sich die Blutflussgeschwindigkeit v_fld wie folgt berechnen: v_fld = Δz / Δt. (2)
2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Kontrastmittelkonzentration in einem Blutgefäß bei einer Injektion eines Kontrastmittels in ein Gefäßsystem. Das Schaubild ist auf Basis von mit Hilfe eines CT-Systems gemessenen Abschwächungswerten μ(t) in dem Blutgefäß erstellt worden. Die erfassten Abschwächungswerte μ(t) wurden an einer konstanten z-Position gemessen. Dabei wird der Einfachheit halber vorausgesetzt, dass das Blutgefäß in z-Richtung ausgerichtet ist und einen festen Durchmesser hat. Weiterhin wird angenommen, dass kein Kontrastmittel durch die Gefäßwand austreten kann.
Der zeitliche Verlauf der in 2 gezeigten Kurve der HU-Werte lässt sich wie folgt interpretieren: Das Herz pumpt das Blut mit einem konstanten Herzzeitvolumen mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit v_fld durch das Gefäßsystem. Nach dem Start der Injektion eines Kontrastmittels nimmt zunächst die Kontrastmittelkonzentration im Blutgefäß mindestens für die Injektionsdauer des Kontrastmittels zu. Dies bedeutet, dass an einer festen z-Position im Laufe der Zeit der HU-Wert zuerst zunimmt und danach wieder abklingt, je nach Injektionsprotokoll, wie z.B. das in 2 gezeigte Beispiel illustriert, wobei die ansteigende Flanke der Kontrastmittelkurve, genauer gesagt der Kurve der HU-Werte, als zeitlicher Gradient G_t(t) des Kontrastmittels aufgefasst werden kann. Gleichzeitig tritt auch ein räumlicher Gradient G_z(z) im Blutgefäß auf, da die z-Positionen, die näher am Herzen sind, früher die höheren HU-Werte „sehen“ als die unteren z-Positionen. Dieser räumliche Gradient G_z(z) lässt sich in Patienten nachweisen.
Anhand der Kontrastmittelkurve ist zu erkennen, dass die genannten zeitlichen Gradienten G_t(t) in bestimmten Zeitintervallen, z.B. zwischen t = 12s und t = 20s einen konstanten Wert aufweisen. Auch im Bereich der abfallenden Kurve der HU-Werte zwischen t = 22s und t = 28s weisen die zeitlichen Gradienten G_t(t) einen im Wesentlichen konstanten Wert auf. Ähnlich lässt sich zeigen, dass auch in z-Richtung zumindest für einen bestimmten Bereich und ein gewisses Zeitintervall ein räumlicher Gradient G_z(z) mit konstantem Wert zu erwarten ist. Dies gilt unter der Annahme, dass das Herzzeitvolumen konstant ist.
Nun lässt sich die Blutflussgeschwindigkeit v_fld direkt aus diesen Gradienten G_t(t), G_z(z) durch eine einfache Multiplikation des zeitlichen Gradienten G_t(t) mit dem räumlichen Gradienten G_z(z) ermitteln, wobei in dieser Notation der räumliche Gradient G_z(z) wieder als der Reziprokwert der Steigung der Schnittgeraden zwischen der Ebene und der von der Achse der Abschwächungswerte und der Zeit-Achse gebildeten μ-t-Ebene zu verstehen ist: V_fld = G_z(z)[m/HU]·G_t(t)[HU/s]. (3)
Diese Formel hat eine Ähnlichkeit mit der bekannten Formel c = λ·f, (4) welche unter anderem bei Schallwellen die Beziehung zwischen der Schallgeschwindigkeit c, der Wellenlänge λ und der Frequenz f wiedergibt. Dabei entspricht in dieser Analogie die Wellenlänge λ dem räumlichen Gradienten G_z(z) in der Gleichung 3, die Frequenz f entspricht in dieser Analogie dem zeitlichen Gradienten G_t(t) in der Gleichung 3 und die Schallgeschwindigkeit c entspricht der Blutflussgeschwindigkeit v_fld in Gleichung 3.
Wenn man die den beiden Gradienten G_z(z) und G_t(t) entsprechenden Steigungen in einem Diagramm graphisch veranschaulicht, ergibt sich die in 3 gezeigte Darstellung. Von den beiden Gradienten G_z(z) und G_t(t), genauer gesagt von Geraden, welche die den beiden Gradienten G_z(z) und G_t(t) entsprechenden Steigungen aufweisen, wird eine Ebene E(μ(z, t)) aufgespannt, welche der Verteilung der bei einer Bildaufnahme erfassten Abschwächungswerte μ(z, t) während einer Kontrastmittelgabe entspricht. Exakt ausgedrückt, entspricht die Steigung der in der 3 mit dem Bezugszeichen G_z(z) bezeichneten Schnittgeraden zwischen der Ebene E(μ(z, t)) und der von der Achse der Abschwächungswerte und der Zeit-Achse gebildeten μ-t-Ebene dem Reziprokwert des Gradienten G_z(z) gemäß der für die Gleichung 3 verwendeten Definition. Bei dieser Verteilung handelt es sich hier um eine Ebene, da auf Basis des Schaubilds in 2 die Annahme gemacht wurde, dass zumindest für eine bestimmte Zeit t und einen bestimmten Raum z die zeitlichen und räumlichen Gradienten linear sind. Die Fluidgeschwindigkeit v_fld, deren Graph in dem Schaubild in 3 in der z-t-Ebene diagonal verläuft, ergibt sich aus der Gleichung 3.
In 4 ist ein Flussdiagramm gezeigt, in dem ein Verfahren 400 zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines Fluids gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht ist. Wie bereits erwähnt, besteht ein grundlegender Gedanke der Erfindung darin, dass die in 3 gezeigten Gradienten G_z(z) und G_t(t) von der Ebene E(μ(z, t)) bestimmt werden.
Bei dem Schritt 4.I werden zunächst Abschwächungswerte μ(z, t) mit Hilfe eines CT-Scans ermittelt. Im Gegensatz zu dem herkömmlichen Verfahren gemäß der dritten Methode ist nun jedoch die Wahl der räumlichen und zeitlichen Koordinaten, bei denen die Abschwächungswerte μ(z, t) ermittelt werden, in gewissen Grenzen, d.h. in den in 2 betrachteten linearen Bereichen bzw. Bereichen mit konstantem Gradienten, frei. Wie in den anschließenden konkreten Ausführungsbeispielen zu sehen sein wird, eröffnet diese Freiheit bei der Aufnahme der Abschwächungswerte μ(z, t) die Möglichkeit, sehr verschiedene Arten von CT-Bildgebungsverfahren mit verschiedenen Trajektorien in dem von den Koordinaten z und t definierten Messdatenraum einzusetzen, die bei den herkömmlichen Geschwindigkeitsbestimmungsmethoden nicht anwendbar sind.
Bei dem Schritt 4.II wird nun ein zeitlich und örtlich abgegrenzter Bereich B (z_min, z_max, t_min, t_max) auf Basis der erfassten Abschwächungsdaten (μ(z, t)) festgelegt, in dem sich die erfassten Abschwächungsdaten (μ(z, t)) annähernd linear verhalten. D.h., es werden Minimalwerte z_min, t_min und Maximalwerte z_max, t_max für Zeit und Ort festgelegt, innerhalb derer sich die erfassten Abschwächungsdaten (μ(z, t)) annähernd linear verhalten. Meistens gibt es eine Einschränkung in z-Richtung bedingt durch die Scanlänge die von einem Radiologen gewählt wird, und diese hängt von der zu untersuchenden Körperregion ab. Prinzipiell muss die Länge in z-Richtung nicht eingeschränkt werden. Man könnte theoretisch „unendlich“ lange in z-Richtung scannen, so lange die Annahme gilt, dass die Gradienten über so lange Zeit konstant und linear bleiben.
Bei dem Schritt 4.III wird eine Ebene E (μ(z, t)) auf Basis der bei der Bildaufnahme erfassten Abschwächungswerte μ(z, t) in dem abgegrenzten Bereich B (z_min, z_max, t_min, t_max) ermittelt. Beispielsweise kann auf Basis dieser Werte eine Ebenengleichung ermittelt werden. Da die Messwerte bzw. die erfassten Abschwächungswerte μ(z, t) aufgrund zu erwartender statistischer Messfehler und der daraus resultierenden Ungenauigkeiten bei der Bildgebung nicht exakt auf der Ebene liegen, ist es sinnvoll, die Ebene in Abhängigkeit von den erfassten Abschwächungswerten μ(z, t) mit Hilfe eines mathematischen Ausgleichsverfahrens, auch Regressionsverfahren genannt, festzulegen. Ein solches Verfahren ist zum Beispiel die orthogonale lineare Regression im 3D-Raum.
Bei dem Schritt 4.IV werden anschließend auf Basis der erfassten Ebene E Gradienten G_t(t), G_z(z) ermittelt. Diese Gradienten bzw. deren Werte entsprechen für den zeitlichen Gradienten G_t(t) der Steigung der Schnittgeraden der Ebene E und einer Ebene aus der t-Achse und der μ-Achse, auch μ-t-Ebene genannt, und für den räumlichen Gradienten G_z(z) der Steigung der Schnittgeraden der Ebene E und einer Ebene aus der z-Achse und der μ-Achse gebildeten Ebene, auch μ-z-Ebene genannt, wie es bereits in 3 angedeutet ist. Nach Ermittlung der Schnittgeraden ergeben sich die Werte der Gradienten G_t(t), G_z(z) aus der Steigung dieser Schnittgeraden.
Bei dem Schritt 4.V wird die Fluidgeschwindigkeit v_fld auf Basis der Gleichung 3 ermittelt, d.h. es wird ein Produkt aus dem zeitlichen und räumlichen Gradienten gebildet.
In 5 ist die Ermittlung der Ebene E beispielhaft auf Basis von erfassten Abschwächungswerten μ(z₁, t₁), μ(z₂, t₂), μ(z₃, t₃) in einem Schaubild gezeigt. Den erfassten Abschwächungswerten lassen sich entsprechende Punkte in dem Schaubild zuordnen, auf deren Basis eine Ebene E ermittelt wird. In dieser Variante sind die den erfassten Abschwächungswerten μ(z₁, t₁), μ(z₂, t₂), μ(z₃, t₃) entsprechenden Punkte im Schaubild drei nicht kolineare Punkte. Unter der Darstellung der Ebene in dem Schaubild sind zusätzlich die Projektionen der den Abschwächungswerten μ(z₁, t₁), μ(z₂, t₂), μ(z₃, t₃) zugeordneten Punkte auf die Ebene umfassend die t-Achse und die μ-Achse, im Folgenden auch μ-t-Ebene genannt, und auf die Ebene umfassend die z-Achse und die μ-Achse, im Folgenden auch μ-z-Ebene genannt, gezeigt. Es ist daraus erkennbar, dass aufgrund der fehlenden Kolinearität der den erfassten Abschwächungswerten μ(z₁, t₁), μ(z₂, t₂), μ(z₃, t₃) zugeordneten Punkte im Schaubild aus den unter dem Schaubild gezeigten Projektionen in die μ-t-Ebene und die μ-z-Ebene die gesuchten räumlichen und zeitlichen Gradienten G_z(z), G_t(t) nicht direkt ableitbar sind, wie es eine Voraussetzung für eine erfolgreiche Anwendung der herkömmlichen Methoden zur Fluidgeschwindigkeitsbestimmung, insbesondere der in der Einleitung ausführlich beschriebenen dritten Methode wäre.
Wie bereits erwähnt, lassen sich die räumlichen und zeitlichen Gradienten erfindungsgemäß für den zeitlichen Gradienten G_t(t) aus der Steigung der Schnittgeraden der Ebene E und einer Ebene aus der t-Achse und der μ-Achse, auch μ-t-Ebene genannt, und für den räumlichen Gradienten G_z(z) aus der Steigung der Schnittgeraden der Ebene E und einer Ebene aus der z-Achse und der μ-Achse, auch μ-z-Ebene genannt, ermitteln. Aus den Gradienten G_t(t) und G_z(z) ergibt sich die Fluidgeschwindigkeit v_fld nach der Gleichung 3, d.h. durch eine Multiplikation der beiden Gradienten G_t(t) und G_z(z).
Für die Durchführung der Aufnahme der Abschwächungswerte würde man drei Sequenzscans mit der schmälsten Kollimierung an drei unterschiedlichen z-Positionen zu drei unterschiedlichen Zeitpunkten vornehmen. Die Gradienten G_t(t) und G_z(z) lassen sich übrigens einfach durch eine algebraische Ableitung ermitteln.
In 6 ist die Ermittlung der Ebene E beispielhaft auf Basis von erfassten Abschwächungswerten in einem Schaubild für ein Verfahren zum Ermitteln der Fluidgeschwindigkeit in einem mit Hilfe eines bildgebenden Verfahrens abzubildenden Volumen eines Untersuchungsobjekts gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Dabei bildet die den erfassten Abschwächungswerten entsprechende Darstellung im Schaubild eine Gerade und einen nicht auf ihr liegenden Punkt. Diese Variante entspricht einer CT-Aufnahme mit zwei Sequenz-Akquisitionen, einmal breit und einmal schmal kollimiert. Diese Variante ist im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren vorteilhafter für den Patienten, da mit der Akquisition mit der schmalen Kollimierung weniger Strahlendosis appliziert wird. Dennoch ist auch hier die maximale Abtastung in z-Richtung durch die Abmessungen des Detektors beschränkt.
In 6 sind unter der Darstellung der Ebene E die Projektionen des Schaubilds auf die μ-t-Ebene aus der t-Achse und der μ-Achse und auf die μ-z-Ebene aus der z-Achse und der μ-Achse gezeigt. Auch hier ist zu erkennen, dass in diesem Fall die Ermittlung der Fluidgeschwindigkeit nach der herkömmlichen dritten Methode gemäß Gleichung 1 ohne die Ebene E auf Schwierigkeiten stoßen würde, da die zeitliche und räumliche Verschiebung der Gradienten aus den Projektionen nicht erkennbar ist. Aus der ermittelten Ebene E dagegen können erfindungsgemäß die gesuchten Gradienten G_z(z) und G_t(t) ermittelt werden und aus den ermittelten Gradienten G_t(t), G_z(z) anschließend wieder die Fluidgeschwindigkeit v_fld nach der Gleichung 3 berechnet werden. Die räumlichen und zeitlichen Gradienten G_z(z), G_t(t) lassen sich in diesem Spezialfall alternativ auch ohne Ermittlung einer Ebene E einfach aus den Messungen bzw. den dabei erfassten Abschwächungswerten μ(z, t) ableiten, da diese parallel zu der z-Achse und der t-Achse akquiriert wurden.
Andere Varianten der gezeigten Ausführungsformen betreffen die Erfassung von Abschwächungswerten, deren Darstellung im Schaubild zwei sich schneidende Geraden oder zwei echt parallele Geraden ergibt. Grundsätzlich gilt für die Genauigkeit bei der Ermittlung der Fluidgeschwindgkeit, je mehr Abtastungen man für die Ebene E hat (z.B. durch wiederholte Messungen der Abschwächungswerte zu unterschiedlichen Zeitpunkten oder an anderen z-Positionen), desto besser wird die Abschätzung der Fläche der Ebene E und damit auch die der Gradienten G_t(t), G_z(z).
Falls ein Blutgefäß nicht parallel zur z-Achse liegt, kann man die gemessene Blutflussgeschwindigkeit v_zfld entlang der z-Achse einfach in die tatsächliche Geschwindigkeit im Gefäß umrechnen: V_fld = v_zfld/cos(θ), (5) wobei θ der Winkel zwischen Gefäß und z-Achse ist.
In 7 ist ein Flussdiagramm gezeigt, mit dem ein Verfahren 700 zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines Fluids gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht ist. Bei dem Schritt 7.I werden die Abschwächungswerte μ(t₁), μ(t₂), μ(t₃) bei diesem Ausführungsbeispiel mit Hilfe eines sogenannten Bolus-Tracking erfasst. Dabei wird die Konzentration eines injizierten Kontrastmittels in Abhängigkeit von der Zeit gemessen. In diesem Fall werden mit dem Bolus-Tracking-Signal bei dem Schritt 7.I Abschwächungswerte erfasst, aus denen bei dem Schritt 7.II direkt der zeitliche Gradient G_t(t) ermittelt wird. Dies ist unter der Voraussetzung möglich, dass man davon ausgeht, dass die Steigung der Kontrastmittelkonzentrationskurve konstant bleibt. Diese Annahme ist gerechtfertigt während der Injektionsdauer und so lange das Blut im Patienten noch nicht rezirkuliert ist.
Nachfolgend werden bei dem Schritt 7.III zusätzliche Abschwächungswerte mit Hilfe eines CT-Spiralscans erfasst. Ein CT-Spiralscan ist eine Abtastungsart, bei der das zu untersuchende Objekt relativ zum Detektor des bildgebenden Systems bewegt wird. Ein Beispiel für diese Art der Erfassung der Abschwächungswerte ist in dem Schaubild der 8 veranschaulicht. Diese Variante ist sehr praktikabel, da sie bereits gängige klinische Praxis ausnutzt. Auf Basis der Spiral-Akquisition, welche in dem in 8 gezeigten Beispiel den gesamten gewünschten z-Bereich abdeckt, wird bei dem Schritt 7.IV ein zusätzlicher zeitlicher Gradient G_s(t) ermittelt. Der zusätzliche zeitliche Gradient G_s(t) ist dabei die Projektion der der Spiral-Akquisition entsprechenden Geraden der bei der Spiral-Akquisition erfassten Abschwächungswerte in dem oberen Schaubild der 8 auf die μ-t-Ebene.
Bei dem Schritt 7.V wird die Fluidgeschwindigkeit v_fld aus dem Bolus-Tracking-Signal und der Spiralakquisition ermittelt. Genauer gesagt, werden zur Ermittlung der Fluidgeschwindigkeit v_fld die bei den Schritten 7.II und 7.IV ermittelten Gradienten G_t(t) und G_s(t) herangezogen. Hierzu werden die für die Gleichung 4, d.h. die Anwendung auf Schallwellen, bekannten Doppler-Gleichungen verwendet. Für eine stationäre Schall-Quelle Q mit einem bewegenden Observer O gilt: f_O = f_Q(1 + v/c), (6) wobei f_O die Frequenz des Observers O, f_Q die Frequenz der Quelle Q, c die (Schall-/Wellen-)Geschwindigkeit und v die Geschwindigkeit des Observers (negativ wenn man sich weg von der Quelle bewegt) repräsentieren. Für die Anwendung auf die Gleichung 3, d.h. die Gleichung für die Ermittlung der Fluidgeschwindigkeit v_fld aus zeitlichen und räumlichen Gradienten G_t(t), G_z(z), welche mit Hilfe der Akquisition von Bilddaten unter Verwendung eines CT-Systems gewonnen wurden, lautet eine zu der Dopplerbeziehung der Gleichung 6 analoge Beziehung: G_s(t) = G_t(t)(1 + v_tb/v_fld), (7) wobei G_s(t) die Projektion einer Kombination G_s(z, t) aus zeitlichem und räumlichem Gradient auf die μ-t-Ebene ist, mit G_t(t) der zeitliche Gradient des Herzens, mit v_fld die Blutflussgeschwindigkeit und mit v_tb die Tischgeschwindigkeit symbolisiert sind. Die Tischgeschwindigkeit v_tb ergibt sich zum Beispiel aus dem Pitch, der Rotationszeit und der Detektorbreite bzw. der Kollimierung bei der CT-Aufnahme.
Die Blutflussgeschwindigkeit ergibt sich dann durch Umformen der Gleichung 7 zu:
Diese Beziehung wurde bereits in der Kurzbeschreibung der Erfindung erwähnt. Dabei gilt v_tb < 0, wenn man sich vom Herzen weg bewegt, also in Flussrichtung. Dieses Verfahren sowie das beschriebene Berechnen der Fluidgeschwindigkeit unter Anwendung einer Analogie zu den Doppler-Gleichungen wurden bereits erfolgreich an einem dynamischen Phantom durchgeführt.
In 8 ist ein Schaubild gezeigt, in dem das in 7 gezeigte Verfahren mit Hilfe einer dreidimensionalen Darstellung der erfassten Abschwächungswerte μ(z, t) sowie Projektionen in die μ-t-Ebene und die μ-z-Ebene veranschaulicht ist. Wie anhand des Schaubilds zu erkennen ist, ergibt sich aus der Steigung des Graphen der Abschwächungswerte μ(t₁), μ(t₂), μ(t₃), welche bei dem Bolus-Tracking BT erfasst wurden, direkt der zeitliche Gradient G_t(t) im Ruhesystem.
Wie anhand der Projektion in die μ-z-Ebene zu erkennen ist, gibt die Projektion der Geraden des Spiralscans SA in die μ-z-Ebene nicht die Steigung des räumlichen Gradienten G_z(z) wieder. Vielmehr ist der die Steigung der Geraden des Spiralscans SA repräsentierende Gradient G_s(z, t) eine Kombination aus zeitlichem und räumlichem Gradient. Jedoch ergibt sich aus der Projektion der Geraden des Spiralscans in die μ-t-Ebene ein zweiter zeitlicher Gradient G_s(t), aus dem zusammen mit dem zeitlichen Gradienten G_t(t) die Fluidgeschwindigkeit v_fld nach Gleichung 1 berechnet werden kann. Alternativ lässt sich auch bei dieser Variante eine Ebene E ermitteln, welche die erfassten Abschwächungswerte repräsentiert bzw. durch diese angenähert wird, und hieraus die Gradienten G_t(t) und G_z(z) ermitteln.
In 9 ist eine interessante Variation, umfassend einen Bolus-Tracking-Scan BT und eine anschließende Spiralakquisition SA, veranschaulicht. Dabei wird der Bolus-Tracking-Scan BT um einen Zeitpunkt t₄ erweitert, jetzt aber mit einer breiteren Kollimierung, was anhand der in z-Richtung verlaufenden linearen Verteilung der zusätzlich zu den bei den Zeitpunkten t₁, t₂, t₃ erfassten Abschwächungswerten μ(t₁), μ(t₂), μ(t₃) erfassten Abschwächungswerte μ(t₄) zu dem Zeitpunkt t₄ zu erkennen ist. Der Grund dafür besteht darin, dass man mit Hilfe der bei dem Bolus-Tracking-Scan erfassten Abschwächungswerte μ(t₁), μ(t₂), μ(t₃), μ(t₄) eigentlich schon die Blutflussgeschwindigkeit v_fld, kennt und z.B. den Pitch-Wert der Spiral-Akquisition anpassen kann, um ein homogenes Enhancement bzw. konstante Abschwächungswerte μ(z, t) während der Spiral-Akquisition zu gewährleisten. Die konstanten Abschwächungswerte gewährleisten einen konstanten Kontrast bei der CT-Bildgebung eines zu untersuchenden Patienten, was für die Stellung einer korrekten Diagnose anhand der Bildaufnahme erforderlich sein kann.
In 10 ist ein Flussdiagramm gezeigt, welches ein Verfahren zur Ermittlung der Fluidgeschwindigkeit gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Dabei kommen bei der Akquisition der Abschwächungswerte zwei ZigZag-Spiralen zum Einsatz. In 11 ist dazu wiederum ein Schaubild gezeigt, in dem das in 10 gezeigte Verfahren mit Hilfe einer dreidimensionalen Darstellung der erfassten Abschwächungswerte μ(z, t) sowie Projektionen in die μ-t-Ebene und die μ-z-Ebene veranschaulicht ist. Wie in der Projektion in die μ-z-Ebene zu erkennen ist, gibt die Projektion der Zig-Zag-Bewegung des Spiralscans in diesen Ebenen jeweils zwei Geraden mit unterschiedlichen Steigungen wieder.
Bei dem Schritt 10.I erfolgt zunächst das Abtasten eines größeren Bereichs entlang der z-Achse mittels wiederholter Spiralscans, welche sich in Scanrichtung abwechseln. Dabei reichen zwei von diesen „Sweeps“ (Zig & Zag) auch aus, um die Blutflussgeschwindigkeit v_fld bestimmen zu können. Anschließend werden bei dem Schritt 10.II die Gradienten G_S,Zig(t) und G_s,Zag(t) ermittelt, welche den Steigungen der in 11 gezeigten zeitlichen Projektionen, d.h. der Projektionen in die μ-t-Ebene entsprechen.
Bei dem Schritt 10.III wird die Besonderheit genutzt, dass im ZigZag-Modus die Tischgeschwindigkeit v_tb bei beiden Sweeps gleich groß ist, nur in gegengesetzte Richtung gerichtet ist. Auf dieser Basis wird bei dem Schritt 10.III der zeitliche Gradient G_t berechnet:
Aus den beiden gemessenen Gradienten G_S,Zig(t) und G_s,Zag(t) der Zig-Spiralakquisition und der Zag-Spiralakquisition lässt sich also ein Mittelwert berechnen, der dem zeitlichen Gradienten G_t(t) entspricht.
Aus den Gleichungen 1 und 8 wird bei dem Schritt 10.IV die Fluidgeschwindigkeit v_fld berechnet:
wobei G_S(t) entweder dem Gradienten der Zig- oder Zag-Spirale entspricht und die Tischgeschwindigkeit v_tb das entsprechende Vorzeichen bekommt. Alternativ könnte man aus den beiden gemessenen Gradienten G_S,Zig(z, t) und G_s,Zag(z, t) der Zig-Spiralakquisition und der Zag-Spiralakquisition, welche in diesem Fall eine Kombination aus zeitlichen und räumlichen Gradienten darstellen, einen mittleren räumlichen und mittleren zeitlichen Gradienten G_z(z), G_t(t) bestimmen und mittels Gleichung 3 die Geschwindigkeit v_fld bestimmen. Weiter alternativ wäre auch ein direktes Anfitten einer Ebene E an die gemessenen HU-Werte und ein anschließendes Ermitteln von die Steigung der Ebene in z-Richtung und in t-Richtung repräsentierenden räumlichen und zeitlichen Gradienten G_z(z), G_t(t) möglich.
In 12 ist ein sechstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer Fluidgeschwindigkeit veranschaulicht, wobei nur eine Spiral-Akquisition durchgeführt wird, die unter dem Siemens-Namen „Variable Velocity Spiral“ (VVS) bekannt ist. Diese Art der Spiral-Akquisition erlaubt bei gleichbleibendem Pitch eine gleichzeitige Änderung der Kollimierung und der Tischgeschwindigkeit. Mit dieser VVS würde sogar theoretisch eine einzelne Akquisition ausreichen, um die Blutflussgeschwindigkeit bestimmen zu können. Für die Bestimmung der Blutflussgeschwindigkeit v_fld besteht wieder die Möglichkeit, eine Ebene E an die gemessenen HU-Werte „anzufitten“ oder die Doppler-Gleichungen (siehe Gleichung 6, 7, 1) zu benutzen.
Im letzten Fall müsste man dann den folgenden allgemeinen Ansatz verfolgen:
wobei e →_QO der Einheitsvektor zur Beschreibung der Richtung von der Quelle Q zum Observer O ist, der im allgemeinen Fall, genauso wie der Geschwindigkeitsvektor v →, welcher der Tischgeschwindigkeit entspricht, zeitabhängig sein kann. Weiterhin sind die Größen G_s(t) und G_t(t) analog zu Gleichung 7 definiert. Im Allgemeinen gelten die Doppler-Gleichungen nur dann, wenn die Kontrastmittelanreicherung monoton zu- oder abnimmt, also nur in der steigenden oder fallenden Flanke der Kontrastmittelkurve, wie sie in 2 dargestellt ist.
Der Ansatz mit dem Anfitten einer Ebene an die gemessenen Abschwächungswerte μ(z, t) kann natürlich auch verfeinert werden, wenn man, z.B. auf Grund einer Vorhersage der Kontrastmittelkonzentration, den exakten Verlauf der Kontrastmittelkurve kennt und eine präzisere Beschreibung einer Fläche hat. Es wurde in der Anmeldung von Gradienten in Raum und Zeit gesprochen, wobei damit im Speziellen die partielle zeitliche Ableitung und die partielle Ableitung in Richtung der z-Achse der Abschwächungswerte μ(z, t) gemeint waren.
Die konkreten Ausführungsbeispiele wurden anhand der Blutflussgeschwindigkeit in einer Richtung beschrieben. Allerdings lässt sich die Erfindung genauso auch auf zweidimensionale oder dreidimensionale Fluidgeschwindigkeiten anwenden. Die Minimalanforderung für die Abtastung bzw. Erfassung der Abschwächungswerte wären dann n + 2 nicht kollineare Punkte, wobei n die Anzahl der räumlichen Dimensionen der Flussgeschwindigkeit ist.
Um weniger sensitiv auf Bildrauschen zu werden, sollten für die Fälle einer direkten Ermittlung einzelner zeitlicher und räumlicher Gradienten lineare Fits an den gemessenen Gradienten durchgeführt werden. Eventuell kann es auch sinnvoll sein, sich auf einen Teil der gemessenen Gradienten bei der Ermittlung der Fluidgeschwindigkeit v_fld zu beschränken, z.B. wenn sich der Patientendurchmesser oder der Winkel des Blutgefäßes mit der z-Achse stark ändert.
Es wurde ausführlich beschrieben, wie die Blutflussgeschwindigkeit bzw. allgemein die Fluidgeschwindigkeit v_fld ermittelt werden kann. Davon kann man aber auch (indirekt) wieder andere Größen ableiten, wie z.B. den Druck, der zum Beispiel in einem untersuchten Blutgefäß vorherrscht.
In 13 ist eine Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung 130 gezeigt. Die Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung 130 kann zum Beispiel Teil einer Steuereinrichtung eines CT-Systems 1 sein, wie es in 14 gezeigt ist. Die Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung 130 umfasst eine Messwert-Erfassungseinheit 131 zum Erfassen von Abschwächungswerten μ(z, t) auf Basis von Bilddaten BD eines abzubildenden Volumens VOL eines Untersuchungsobjekts P. Die erfassten Abschwächungswerte μ(z, t) werden an eine Ebenen-Ermittlungseinheit 132 übermittelt, welche auf Basis der Abschwächungswerte μ(z, t) eine Ebene E von Abschwächungswerten μ ermittelt. Die ermittelten Daten zu der Ebene E, beispielsweise eine Ebenengleichung, werden an eine Gradienten-Ermittlungseinheit 133 übermittelt, welche zum Beispiel zeitliche und/oder räumliche Gradienten G_t(t), G_S(t), G_z(t) auf Basis von der Ebene E zugeordneten Abschwächungswerten μ ermittelt. Die zeitlichen und/oder räumliche Gradienten G_t(t), G_s(t), G_z(z) werden anschließend an eine Fluid-Geschwindigkeits-Berechnungseinheit 134 übermittelt, welche die Geschwindigkeit v_fld des Fluids auf Basis der ermittelten zeitlichen und/oder räumlichen Gradienten G_t(t), G_S(t), G_z(z), wie oben beschrieben, berechnet. Die Information bezüglich der ermittelten Fluidgeschwindigkeit v_fld wird anschließend über eine Ausgangsschnittstelle 135 an andere Einheiten, wie zum Beispiel an eine Speichereinheit oder ein Terminal weitergeleitet.
In 14 ist ein Computertomographiesystem 1 gezeigt, welches die in 13 gezeigte Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung 130 umfasst. Das CT-System 1 besteht dabei im Wesentlichen aus einem üblichen Scanner 10, in welchem an einer Gantry 11 eine Projektionsdatenakquisitionseinheit 5 mit einem Detektor 16 und einer dem Detektor 16 gegenüberliegenden Röntgenquelle 15 um einen Messraum 12 umläuft. Vor dem Scanner 10 befindet sich eine Patientenlagerungseinrichtung 3 bzw. ein Patiententisch 3, dessen oberer Teil 2 mit einem darauf befindlichen Patienten P zum Scanner 10 verschoben werden kann, um den Patienten P durch den Messraum 12 hindurch relativ zum Detektorsystem 16 zu bewegen. Angesteuert werden der Scanner 10 und der Patiententisch 3 durch eine Steuereinrichtung 20, von der aus über eine übliche Steuerschnittstelle 24 Akquisitionssteuersignale AS kommen, um das gesamte System gemäß vorgegebener Messprotokolle in der herkömmlichen Weise anzusteuern. Im Fall einer Spiralakquisition (wie sie im Zusammenhang mit den 7 bis 12 beschrieben wurde) ergibt sich durch eine Bewegung des Patienten P entlang der z-Richtung, welche der Systemachse z längs durch den Messraum 12 entspricht, und den gleichzeitigen Umlauf der Röntgenquelle 15 für die Röntgenquelle 15 relativ zum Patienten P während der Messung eine Helixbahn. Parallel läuft dabei immer gegenüber der Röntgenquelle 15 der Detektor 16 mit, um Projektionsmessdaten RD zu erfassen, die dann zur Rekonstruktion von Volumen- und/oder Schicht-Bilddaten genutzt werden. Ebenso kann auch ein sequentielles Messverfahren, wie es im Zusammenhang mit den 4 bis 6 beschrieben wurde, durchgeführt werden, bei dem eine feste Position in z-Richtung angefahren wird und dann während eines Umlaufs, eines Teilumlaufs oder mehrerer Umläufe an der betreffenden z-Position die erforderlichen Projektionsmessdaten RD erfasst werden, um ein Schnittbild an dieser z-Position zu rekonstruieren oder um aus den Projektionsdaten mehrerer z-Positionen Bilddaten zu rekonstruieren. Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich auch an anderen CT-Systemen, z.B. mit mehreren Röntgenquellen und/ oder Detektoren und/oder mit einem einen vollständigen Ring bildenden Detektor, einsetzbar. Beispielsweise lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch auf ein System mit unbewegtem Patiententisch und in z-Richtung bewegter Gantry (einer sogenannten Sliding Gantry) anwenden.
Die vom Detektor 16 akquirierten Projektionsmessdaten RD (im Folgenden auch Rohdaten RD genannt) werden über eine Rohdatenschnittstelle 23 an die Steuereinrichtung 20 übergeben. Diese Rohdaten werden dann, gegebenenfalls nach einer geeigneten Vorverarbeitung (z. B. Filterung und/oder Strahlaufhärtungskorrektur), in einer Bildrekonstruktionseinrichtung 40 weiterverarbeitet, die in diesem Ausführungsbeispiel in der Steuereinrichtung 20 in Form von Software auf einem Prozessor realisiert ist. Diese Bildrekonstruktionseinrichtung 40 rekonstruiert auf Basis der Rohdaten RD Bilddaten BD mit Hilfe eines Rekonstruktionsverfahrens. Als Rekonstruktionsverfahren kann zum Beispiel ein auf der gefilterten Rückprojektion basierendes Rekonstruktionsverfahren verwendet werden.
Die rekonstruierten Bilddaten werden anschließend an eine Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung 130, wie sie in der 13 im Detail gezeigt ist, übermittelt. Die Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung 130 ermittelt auf Basis der ermittelten Bilddaten BD bzw. der damit korrelierten Abschwächungswerte μ(z, t) die Fluidgeschwindigkeit v_fld.
Die von der Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung 130 ermittelte Fluidgeschwindigkeit v_fld sowie die erfassten Bilddaten BD werden dann in einem Speicher 22 der Steuereinrichtung 20 hinterlegt und/oder in üblicher Weise auf dem Bildschirm der Steuereinrichtung 20 ausgegeben. Sie können auch über eine in 14 nicht dargestellte Schnittstelle in ein an das Computertomographiesystem 1 angeschlossenes Netz, beispielsweise ein radiologisches Informationssystem (RIS), eingespeist und in einem dort zugänglichen Massenspeicher hinterlegt oder auf dort angeschlossenen Druckern oder Filming-Stationen als Bilder ausgegeben werden. Die Daten können so in beliebiger Weise weiterverarbeitet und dann gespeichert oder ausgegeben werden.
Zusätzlich ist in der 14 auch eine Kontrastmittel-Injektionseinrichtung 25 eingezeichnet, mit der dem Patienten P ein Kontrastmittel injiziert wird, dessen Verhalten zum Beispiel in einem Herzgefäß mit Hilfe des Computertomographiesystem 1 bildlich erfasst wird.
Die Komponenten der Bildrekonstruktionseinrichtung 40 sowie der Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung 130 können überwiegend oder vollständig in Form von Softwareelementen auf einem geeigneten Prozessor realisiert sein. Insbesondere können auch die Schnittstellen zwischen diesen Komponenten rein softwaremäßig ausgebildet sein. Erforderlich ist lediglich, dass Zugriffsmöglichkeiten auf geeignete Speicherbereiche bestehen, in denen die Daten geeignet zwischengelagert und jederzeit wieder aufgerufen und aktualisiert werden können.
Die konkreten Ausführungsbeispiele der Erfindung wurden im Zusammenhang mit der Anwendung von CT-Akquisitionen beschrieben, wobei die Einheit der Abschwächung die Hounsfield Units (HU) sind. Natürlich kann man diesen Ansatz auch auf andere Modalitäten anwenden. Dies gilt zum Beispiel für die Messung anderer Materialeigenschaften als die Röntgenschwächung, wie zum Beispiel die Temperatur oder optische Dichte.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung handelt und dass die Erfindung vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. So wurden das Verfahren und die Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung in erster Linie anhand eines Computertomographie-Systems zur Aufnahme von medizinischen Bilddaten erläutert. Die Erfindung ist jedoch weder auf die Anwendung in der Computertomographie noch auf eine Anwendung im medizinischen Bereich beschränkt, sondern die Erfindung kann auch grundsätzlich auf andere bildgebende Systeme und auch auf die Aufnahme von Bildern für andere Zwecke angewandt werden. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2011/0274333 A1 [0008]
US 2013/0172734 A1 [0009]
US 2009/0086882 A1 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

PREVRHAL S. et al. „CT angiographic measurement of vascular blood flow velocity by using projection data”, Radiology 2011; 261: 923–929 [0008]
JJ Barfett et al. “Intra-vascular blood velocity and volumetric flow rate calculated from dynamic 4D CT angiography using a time of flight technique”, Int J Cardiovasc Imaging 2014, DOI: 10.1007/s10554-014-0471-3 [0009]

Claims

Verfahren (400, 700, 1000) zum Ermitteln der Geschwindigkeit (v_fld) eines Fluids in einem mit Hilfe eines bildgebenden Verfahrens, vorzugsweise der Computertomographie, abzubildenden Volumen (VOL) eines Untersuchungsobjekts (P), aufweisend die Schritte: – Erfassen von Abschwächungswerten (μ(z, t)) anhand von Bilddaten (BD) des abzubildenden Volumens (VOL) in Abhängigkeit von Ort (z) und Zeit (t), – Festlegen eines zeitlich und örtlich abgegrenzten Bereichs auf Basis der erfassten Abschwächungsdaten (μ(z, t)), in dem sich die erfassten Abschwächungsdaten (μ(z, t)) annähernd linear verhalten, – Ermitteln von zeitlichen und/oder räumlichen Gradienten (G_t(t), G_z(t)) und/oder einer Kombination (G_s(z, t)) aus zeitlichen und räumlichen Gradienten auf Basis der dem zeitlich und örtlich abgegrenzten Bereich zugeordneten Abschwächungswerte (μ(z, t)), – Berechnen der Geschwindigkeit (v_fld) des Fluids auf Basis der ermittelten zeitlichen und/oder räumlichen Gradienten (G_t(t), G_z(t)) oder aus der Kombination (G_s(z, t)) aus zeitlichen und räumlichen Gradienten und aus dem zeitlichen Gradienten (G_t(t)).
Verfahren (400, 700, 1000) nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Fluid um Blut handelt, das durch ein Blutgefäß in dem abzubildenden Volumen fließt.
Verfahren (400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei in dem zeitlich und örtlich abgegrenzten Bereich eine Ebene (E(μ(z, t))) von Abschwächungswerten (μ(z, t)) in Abhängigkeit von Ort (z) und Zeit (t) auf Basis der erfassten Abschwächungswerte (μ(z, t)) ermittelt wird.
Verfahren (400) nach Anspruch 1 bis 3, wobei die Ebene (E) mit Hilfe eines Verfahrens der Ausgleichsrechnung auf Basis der erfassten Abschwächungswerte (μ(z, t)) in Abhängigkeit von Ort (z) und Zeit (t) ermittelt wird.
Verfahren (400) einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei als zeitlicher Gradient (G_t(t)) und als räumlicher Gradient (G_z(z)) der zeitliche Gradient und der räumliche Gradient der ermittelten Ebene (E) ermittelt werden.
Verfahren (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der zeitliche Gradient (G_t(t)) aus der Steigung der Schnittgeraden zwischen der Ebene (E) und der von der Achse der Abschwächungswerte (μ(z, t)) und der z-Achse gebildeten μ-z-Ebene ermittelt wird und der räumliche Gradient (G_z(z)) aus der Steigung der Schnittgeraden zwischen der Ebene (E) und der von der Achse der Abschwächungswerte (μ(z, t)) und der Zeitachse gebildeten μ-t-Ebene ermittelt wird.
Verfahren (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Geschwindigkeit (v_fld) des Fluids anhand des Produkts aus dem ermittelten zeitlichen Gradienten (G_t(t)) und dem ermittelten räumlichen Gradienten (G_z(z)) ermittelt wird.
Verfahren (700, 1000) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Geschwindigkeit (v_fld) des Fluids im Fall einer Relativbewegung zwischen Untersuchungsobjekt (P) und Messraum (12) anhand einer zur Dopplergleichung analogen Beziehung zwischen einer Kombination (G_S(z, t)) aus einem zeitlichen Gradienten und einem räumlichen Gradienten (G_z(z)) und einem zeitlichen Gradienten (G_t(t)) ermittelt wird.
Verfahren (700, 1000) nach Anspruch 8, wobei die Geschwindigkeit (v_fld) des Fluids nach folgender Gleichung ermittelt wird:
wobei v_fld die Geschwindigkeit des Fluids ist, v_tb die Geschwindigkeit des bewegten Untersuchungsobjekts (P) ist, G_S(t) eine Projektion einer Kombination (G_s(z, t)) aus zeitlichem und räumlichem Gradient in die μ-t-Ebene ist, welche von der Zeitachse und der Achse der Abschwächungswerte (μ(z, t)) gebildet wird, und G_t(t) ein zeitlicher Gradient ist.
Verfahren (700, 1000) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei der zeitliche Gradient (G_t(t)) auf Basis eines Bolus-Tracking-Scans ermittelt wird.
Verfahren (700, 1000) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei ein Bolus-Tracking-Scan mit einer breiten Kollimierung angewandt wird.
Verfahren (700, 1000) nach Anspruch 11, wobei auf Basis der mit Hilfe des Bolus-Tracking-Scans erfassten Abschwächungswerte (μ(t₁), μ(t₂), μ(t₃), μ(t₄)) eine Geschwindigkeit (v_fld) des Fluids ermittelt wird und auf Basis der ermittelten Geschwindigkeit (v_fld) ein Pitch-Wert der Bildaufnahme des bewegten Untersuchungsobjekts (P) derart gewählt wird, dass die bei der Bildaufnahme des bewegten Untersuchungsobjekts (P) erfassten Abschwächungswerte (μ) näherungsweise konstant sind und vorzugsweise bei einer nachfolgenden Bildgebung eine Ansteuerung des Messsystems mit dem ermittelten Pitch-Wert erfolgt.
Verfahren (1000) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei während der Bildaufnahme des bewegten Untersuchungsobjekts (P) die Bewegungsrichtung und/oder die Geschwindigkeit (v_tb) des bewegten Untersuchungsobjekts (P) geändert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Bildaufnahme des bewegten Untersuchungsobjekts (P) eine Änderung der Geschwindigkeit (v_tb) des bewegten Untersuchungsobjekts (P) und eine Änderung der Kollimierung der Bildaufnahme umfasst.
Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung (130), aufweisend: – eine Messwerterfassungseinheit (131) zum Erfassen von Abschwächungswerten (μ(z, t)) anhand von Bilddaten (BD) eines abzubildenden Volumens (VOL) eines Untersuchungsobjekts (P) in Abhängigkeit von Ort (z) und Zeit (t), – eine Bereichsfestlegungseinheit (132) zum Festlegen eines zeitlich und örtlich abgegrenzten Bereichs auf Basis der erfassten Abschwächungsdaten (μ(z, t)), in dem sich die erfassten Abschwächungsdaten (μ(z, t)) annähernd linear verhalten, – eine Gradienten-Ermittlungseinheit (133) zum Ermitteln von zeitlichen und/oder räumlichen Gradienten (G_t(t), G_z(z)) und/oder einer Kombination (G_S(z, t)) aus zeitlichen und/oder räumlichen Gradienten auf Basis der dem zeitlich und örtlich abgegrenzten Bereich zugeordneten Abschwächungswerte (μ(z, t)), – eine Geschwindigkeits-Berechnungseinheit (134) zum Berechnen der Geschwindigkeit (v_fld) des Fluids auf Basis der ermittelten zeitlichen und/oder räumlichen Gradienten (G_t(t), G_z(z)) oder aus der Kombination (G_s(z, t)) aus einem zeitlichen und einem räumlichen Gradienten und aus dem zeitlichen Gradienten (G_t(t)).
Computertomographiesystem (1), aufweisend eine Fluid-Geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung (130) nach Anspruch 15.
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, welches direkt in eine Speichereinrichtung einer Steuereinrichtung eines Computertomographiesystems (1) ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Steuereinrichtung des Computertomographiesystems ausgeführt wird.
Computerlesbares Medium, auf welchem von einer Rechnereinheit einlesbare und ausführbare Programmabschnitte gespeichert sind, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 auszuführen, wenn die Programmabschnitte von der Rechnereinheit ausgeführt werden.