DE102016202605A1

DE102016202605A1 - Verfahren zur atemkorrelierten computertomographischen Bildaufnahme

Info

Publication number: DE102016202605A1
Application number: DE102016202605.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Hofmann
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2016-02-19
Filing date: 2016-02-19
Publication date: 2017-08-24
Also published as: US20170238895A1; CN107095688A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur atemkorrelierten computertomographischen Bildaufnahme, wobei eine patientenspezifische Atemkurve (1) aufgenommen und online ausgewertet wird, und wobei ein computertomographischer Scan (10, 15) eines Untersuchungsbereiches (91) eines Patienten (93), der eine Mehrzahl von Rohbildern liefert, synchron zur patientenspezifischen Atemkurve (1) in Abhängigkeit der Ergebnisse der Online-Auswertung gesteuert wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (81), mittels derer das Verfahren durchgeführt wird.

Description

Die Computertomographie (CT) ist ein Röntgenverfahren, mit dem ein dreidimensionales Objekt durch Auswertung von Rohbildern in Querschnittbildern dargestellt wird. Im Vergleich zu einer herkömmlichen durchleuchtenden Röntgenaufnahme, auf der nur vergleichsweise grobe Strukturen und Knochen erkennbar sind, wird in CT-Aufnahmen auch Weichteilgewebe mit geringen Kontrastunterschieden und detailliert erfasst. Computertomographische Bilder können in zwei Dimensionen (2D-CT) oder in drei Dimensionen (3D-CT) erzeugt werden. Bei der dreidimensionalen Computertomographie werden Absorptionsprofile des zu untersuchenden Bereiches aus vielen Richtungen erstellt und daraus die Volumenstruktur eines untersuchten Bereiches rekonstruiert (3D-CT-Volumina).
Rekonstruierte 3D-CT-Volumina werden mittlerweile routinemäßig zur Bestrahlungsplanung in der Strahlentherapie, beispielsweise bei Lungen- und Abdomen-Karzinomen, verwendet. Ziel der Strahlentherapie ist es, durch ionisierende Strahlung malignes Gewebe zu zerstören und dabei das gesunde Gewebe maximal zu schonen. Vor Beginn einer jeden Strahlentherapie erfolgt eine auf das maligne Gewebe abgestimmte Bestrahlungsplanung.
Bei der Aufnahme von Rohbildern zur Rekonstruktion der 3D-CT-Volumina muss hierzu insbesondere die Atmung des zu untersuchenden Patienten berücksichtigt werden. Durch die während der Bildgebung bewegten Gewebsstrukturen entstehen im rekonstruierten Bild unerwünschte Artefakte. Um diese Artefakte zu minimieren, verwendet man zu einer Rekonstruktion idealerweise nur solche Rohbilder, die zu einer spezifischen Atemphase korrelieren. Zu einer optimalen Rekonstruktion sollten daher für jede Atemphase genügend Rohbilder zur Verfügung stehen. Idealerweise sollte daher im Falle eines Scanverfahrens, wobei an verschiedenen Längs- oder Z-Positionen jeweils unter Aufnahme einer Vielzahl von Rohbildern ein umlaufender Scan durchgeführt wird, ein Scan wenigstens einen vollständigen Atemzyklus des Patienten abdecken. Auf diese Weise kann die Bewegung von Tumoren und Risikogewebe über den Atemzyklus eingegrenzt, und ein möglichst kleines Planungs-Zielvolumen (Planning Target Volume, PTV) erhalten werden. Um die Rohbilder einer spezifischen Atemphase zuordnen zu können, sind sogenannte atemkorrelierte Verfahren zur Bildaufnahme bekannt, wobei synchron zur Bildaufnahme eine Atemkurve, insbesondere als ein Atemsurrogat, aufgezeichnet und mit den Rohbildern abgespeichert wird.
Externe Atemsurrogate, die beispielsweise als Grundlage für die Rekonstruktion der 3D-CT-Volumina verwendet werden, werden gängigerweise mit Hilfe geeigneter Sensoren erzeugt. Solche Sensoren sind beispielsweise Spirometer oder Dehnungsgürtel. Ein Spirometer misst den Atemvolumenfluss des Patienten, wohingegen ein Dehnungsgürtel die Umfangsänderung von Thorax und Abdomen misst. Ebenfalls geeignet als Sensoren sind Kamerasysteme, die Bewegungen von reflektierenden Markern auf dem Thorax des Patienten aufzeichnen.
Die Genauigkeit der mittels atemkorrelierter Rekonstruktionsverfahren gewonnenen Voluminenbilder ist jedoch davon abhängig, dass der Patient während der Rohdatenaufnahme regelmäßig und reproduzierbar, also optimalerweise mit einer konstanten Atemfrequenz und einer gleichbleibenden Amplitude, atmet. Dies ist jedoch nicht bei jedem Patienten gegeben. Irregularitäten in der Atemfrequenz und der Amplitude führen jedoch zu inkonsistenten und unvollständigen Rohdaten. Insbesondere zeigen als Folge Rohbilder, die zur selben Atemphase korreliert sind, Unterschiede in der Anatomie. Dies wiederum führt zu unerwünschten Artefakten in den finalen Rekonstruktionen.
Der Erfindung liegt als eine erste Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur atemkorrelierten computertomographischen Bildaufnahme anzugeben, welches auch bei Irregularitäten in der Atmung eine Rekonstruktion artefaktarmer mehrdimensionaler Bilder ermöglicht.
Als eine zweite Aufgabe liegt der Erfindung zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mittels derer entsprechend auch bei Irregularitäten in der Atmung eine Rekonstruktion artefaktarmer Bilder ermöglicht ist.
Die erste Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur atemkorrelierten computertomographischen Bildaufnahme, wobei eine patientenspezifische Atemkurve aufgenommen und online ausgewertet wird, und wobei ein computertomographischer Scan, der eine Mehrzahl von Rohbildern liefert, synchron zur patientenspezifischen Atemkurve in Abhängigkeit der Ergebnisse der Online-Auswertung gesteuert wird.
Die Erfindung basiert in einem ersten Schritt auf der Tatsache, dass das Atemsignal eines Patienten während der Rohdatenaufnahme bzw. während des Scans derzeit lediglich zeitlich parallel zum Scan aufgezeichnet wird. Unregelmäßigkeiten in der Atmung werden zwar detektiert, eine unmittelbare Reaktion auf derartige Unregelmäßigkeiten während des Scans, wie beispielsweise eine Änderung der Scangeschwindigkeit, der Scandauer oder der Anzahl der pro Scan aufgenommenen Projektionen ist jedoch nicht möglich.
In einem zweiten Schritt geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass jede Position eines Untersuchungsbereiches eines Patienten für mindestens die Dauer eines vollständigen Atemzyklus gescannt werden muss, um einen vollständigen atemkorrelierten 4D-CT-Datensatz zu akquirieren. Bei Unregelmäßigkeiten, wie beispielsweise einer Änderung der Atmungsgeschwindigkeit, bei Atemaussetzern oder Husten, kann es jedoch passieren, dass keine vollständige Datenaufnahme an einer ersten Untersuchungsposition erfolgt und bereits vor Beendigung des Atemzyklus die Untersuchung an der folgenden Position des Untersuchungsbereiches fortgesetzt wird.
Die Erfindung erkennt nun in einem dritten Schritt, dass die Aufnahme eines vollständigen atemkorrelierten 4D-CT-Datensatzes auch bei Unregelmäßigkeiten in der Atmung eines Patienten dann möglich ist, wenn eine während des Scans aufgenommene patientenspezifische Atemkurve online ausgewertet wird, und der Scan synchron zur patientenspezifischen Atemkurve in Abhängigkeit der Ergebnisse der Online-Auswertung gesteuert wird. Mit anderen Worten wird die Durchführung des Scans direkt durch die zeitgleiche Atmung des Patienten beeinflusst. Die Steuerung des Scans folgt demnach der zeitlich parallel verlaufenden Atemkurve des Patienten. Der Begriff einer „Atemkurve“ bezeichnet hierbei einen zeitlichen Verlauf von Messwerten, der mit der Atmung des Patienten korreliert ist, also ein Atemsignal, und umfasst damit insbesondere die mit beliebigen Sensoren erfassten Atemsurrogate. Unter dem Begriff einer „Online-Auswertung“ wird insbesondere eine Auswertung in Echtzeit verstanden.
Durch die online Auswertung der patientenspezifischen Atemkurve in Echtzeit wird ermöglicht, insbesondere auf Atemfrequenzschwankungen oder auf Unregelmäßigkeiten in der Amplitude zu reagieren. Insbesondere wird die Zeit der Rohdatenaufnahme abhängig von der aktuell aufgenommenen Atemkurve angepasst. Hierzu wird zweckmäßigerweise, insbesondere für jede Position des Untersuchungsbereichs, die Dauer des Scans abhängig von der aktuell aufgenommenen Atemkurve verlängert, bis ausreichend Rohdaten oder Rohbilder zu genügend vielen Atemphasen vorliegen, die eine hinreichende Qualität der Atmung zeigen. Insbesondere wird die Dauer eines Scans bei Irregularitäten in der Atemkurve solange verlängert, bis für eine jeweilige Position des Untersuchungsbereichs wenigstens ein vollständiger Atemzyklus erfasst ist, wobei sich ein in diesem Sinne vollständiger Atemzyklus abhängig von der gewünschten Phasenauflösung aus genügend vielen Phasenabschnitten zusammensetzt, in denen jeweils eine reguläre Atmung mit hinreichender Qualität vorliegt. Auf diese Weise ist vermieden, dass in einem Scan einer Untersuchungsposition Rohdaten zu konkreten Atemphasen nicht oder nur mit ungenügender anatomischer Aussagekraft zur Verfügung stehen.
Mit anderen Worten ermöglicht die Online-Auswertung durch eine unmittelbare Reaktion auf atmungsbedingte Änderungen während des Scans die Erzeugung reproduzierbarer 3D-Bilder anhand von konsistenten Rohdaten und damit die Reduktion von 4D-Artefakten in den CT-Rekonstruktionen. Die während des Scans aufgenommene Atemkurve wird auch entsprechend der Erfindung gemeinsam mit den Rohdaten bzw. Rohbildern aufgezeichnet und abgespeichert. Über die Zuordnung einer Atemphase zu den Rohbildern ist eine atemkorrelierte Rekonstruktion der 3D-Bilddaten ermöglicht.
Die Atemkurve bildet das patientenspezifische Atemmuster ab, also den sich periodisch wiederholenden Vorgang des Ein- und Ausatmens des Patienten. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden aus der Atemkurve online für den Scan ein Startzeitpunkt und ein Endzeitpunkt ermittelt, wobei der Scan am Startzeitpunkt gestartet und am Endzeitpunkt beendet wird. Damit wird die Dauer des Scans unmittelbar mit der aktuellen Atemfrequenz bzw. der aktuellen Dauer eines Atemvorgangs des Patienten verknüpft. Eine Änderung der Atemfrequenz wird direkt erfasst und führt zu einer entsprechenden Änderung in der Dauer des Scans. Sowohl der Startzeitpunkt als auch der Endzeitpunkt sind zweckmäßigerweise als Zeitwerte signifikanter Punkte in der Atemkurve gewählt. Ein solcher signifikanter Punkt ist beispielsweise ein Extremum oder ein Wendepunkt in der Atemkurve. Wird das Erreichen eines solchen signifikanten Punktes in der Atemkurve festgestellt, so wird beispielsweise der entsprechende Zeitwert als Startzeitpunkt bewertet und ein Scan gestartet. Der Scan wird dann über einen Zeitraum Δt bis zum Feststellen des nächsten signifikanten Punktes durchgeführt. Der Zeitwert der Feststellung des nächsten signifikanten Punkts wird als Endzeitpunkt gesetzt und der Scan beendet. In einer alternativen Ausführungsvariante werden mehrere und/oder verschiedene signifikante Punkte in der Atemkurve bewertet und/oder gezählt und aus der Abfolge der mehreren signifikanten Punkte auf den Startzeitpunkt und auf den Endzeitpunkt geschlossen und damit die Dauer des Scans gesteuert.
Bevorzugt sind die signifikanten Punkte derart gewählt, dass der Zeitraum Δt zwischen dem Startzeitpunkt und dem Endzeitpunkt wenigstens der Dauer eines vollständigen Atemzyklus‘ entspricht, so dass in einem Scan alle Phasen eines vollständigen Atemzugs einschließlich Ein- und Ausatmung umfasst sind. Bei gleichmäßiger und unauffälliger Atmung des Patienten umfasst der Zeitraum Δt des Scans zwischen dem Startzeitpunkt und dem Endzeitpunkt damit unabhängig von der aktuellen Atemfrequenz einen vollständigen Atemzyklus. Bei Unregelmäßigkeiten, wie beispielsweise bei einer plötzlich abflachenden Atmung, wird in einem tatsächlichen Atemzyklus gegebenenfalls kein signifikanter Punkt als Endzeitpunkt in der online ausgewerteten patientenspezifischen Atemkurve erkannt. In diesem Fall erstreckt sich der Zeitraum Δt zwischen dem Startzeitpunkt und dem Endzeitpunkt des Scans bis zu einem erkannten signifikanten Punkt in der Atemkurve, wodurch die Konsistenz der aufgenommenen Rohdaten deutlich verbessert ist. Über die Auswertung und die Erkennung signifikanter Punkte in der Atemkurve wird zugleich die Qualität der Atmung bewertet.
Zweckmäßigerweise wird zeitlich parallel zu einem ersten Atemzyklus ein erster Scan an einer feststehenden Position in Patientenlängsrichtung durchgeführt wird, wobei nach Beendigung des ersten Scans zeitlich parallel zu einem zweiten Atemzyklus ein zweiter Scan an einer der Position in Patientenlängsrichtung nachfolgenden Position durchgeführt wird. Mit anderen Worten wird an jeder der gewünschten Auflösung oder der Detektorbreite entsprechenden Längsposition des Untersuchungsbereichs ein von der Online-Auswertung abhängiger vollständiger Scan durchgeführt. Das CT-Aufnahmesystem wird demnach vorzugsweise in einem Sequenzscan-Modus betrieben, bei welchem aufeinanderfolgende Positionen z_k bis z_k+x eines Untersuchungsbereiches eines Patienten nacheinander gescannt werden. Bei der Durchführung wird der zu untersuchende Patient auf einer Lagerungsvorrichtung, üblicherweise auf einem Tisch positioniert. Der Tisch wird an eine erste feststehende Position z_k gefahren und an dieser Position z_k ein Scan durchgeführt, dessen Dauer vorliegend von der Auswertung der zeitgleich aufgenommenen Atemkurve abhängig ist. Üblicherweise rotiert dabei eine Gantry des computertomographischen Systems an der Position z_k um den Untersuchungsbereich des Patienten, wobei der Patient aus verschiedenen Richtungen von Röntgenstrahlen durchdrungen wird, so dass eine Vielzahl von entsprechenden Rohbildern in Form von Projektionen erhalten werden. Die Rotationszeit der Gantry bei einmaliger Rotation bzw. einmaligem Umlauf um den Patienten liegt üblicherweise bei etwa 0,5 Sekunden. Je nach eingesetztem CT-System werden pro Umlauf der Gantry typischerweise zwischen 1000 und 2000 Projektionen aufgenommen. Bei einer typischen Atemzyklusdauer eines erwachsenen Menschen von 6 Sekunden rotiert die Gantry zur Erfassung eines vollständigen Atemzyklus damit etwa 12-mal um den Patienten, sodass innerhalb eines Atemzyklus etwa 12000 bis 24000 Projektionen erfasst werden.
Vorzugsweise wird der Startzeitpunkt als Zeitwert eines Extremums der Atemkurve ermittelt wird, welches einem ersten Inhalationsmaximum entspricht, und wobei der Endzeitpunkt als Zeitwert eines nachfolgenden Extremums der Atemkurve ermittelt wird, welches einem zweiten Inhalationsmaximum entspricht. Ein Atemsurrogat hat typischerweise pro Zyklus ein signifikantes Extremum, üblicherweise ein Amplitudenmaximum, welches dem Inhalationsmaximum innerhalb des Atemzyklus entspricht. Über die Erfassung dieses Extremums bzw. des zugeordneten Zeitpunkts, kann somit die Atemfrequenz aus der aktuellen Atemkurve erfasst werden. Der Scan wird somit durch das Inhaltionsmaximum (d.h. durch den Zeitpunkt seines Auftretens) eines ersten Atemzugs, gestartet und durch das Inhalationsmaximum (d.h. durch den Zeitpunkt seines Auftretens) eines nachfolgenden Atemzugs gestoppt. Anschließend wird an eine der ersten Position z_k nachfolgende Position z_k+1 verfahren und dort unter Wiederholung des Vorgangs gescannt. Der Zeitraum Δt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Inhalationsmaxima umfasst wenigstens einen Atemzyklus. Bei atmungsbedingten Unregelmäßigkeiten sind auch mehrere Atemzyklen von dem Zeitraum Δt umfasst. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Atmung des Patienten zeitweise so flach ist, dass in einem Atemzyklus kein Inhalationsmaximum als Extremum ermittelt wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden der Startzeitpunkt und/oder der Endzeitpunkt nur dann als Zeitwert des oder jeden Extremums ermittelt wird/werden, wenn der Betrag der Amplitude des jeweiligen Extremums einen vorgegebenen Sollwert überschreitet. Der Sollwert wird zweckmäßigerweise vor dem Scan anhand des Atemmusters bzw. der Atemkurve des ruhig und gleichmäßig atmenden Patienten ermittelt. Der Scan wird nur dann gestartet bzw. gestoppt, wenn ein Extremum erkannt und als zusätzliche Bedingung der Betrag der Amplitude des Extremums bzw. der Atemkurve den Sollwert überschritten hat. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Scan in einem regulären Atemzyklus gestartet und in einem regulären Atemzyklus gestoppt wird. Der Scan wird demnach solange fortgeführt, bis konsistente Projektionsdaten zu einem vollständigen Atemzyklus erhalten sind. Unregelmäßigkeiten in der Amplitude des Atemsignals, z.B. während eines Hustens oder einer flachen Atmung etc., führen nicht zu einem Abbruch des Scans.
Weiter bevorzugt wird die insbesondere abgespeicherte patientenspezifische Atemkurve nach Beendigung des Scans offline ausgewertet. Wenn der Patient während des Scannens unvorhergesehen hustet oder die Qualität der Atemkurve im Allgemeinen sehr schlecht ist, kann dies Einfluss auf die Amplitudenqualität eines Atemzyklus haben. Dies kann dazu führen, dass keine Extrema, also kein Startzeitpunkt und/oder kein Endzeitpunkt eines Scans an einer Position z_k gefunden werden und somit kein vollständiger Atemzyklus gescannt wird. Ebenso können in der Atemkurve Amplitudeninformationen zur Rekonstruktion eines gesamten Atemzyklus fehlen. Über eine Offline-Auswertung der Atemkurve können solche Irregularitäten erkannt und geeignete Maßnahmen ergriffen werden. Solche Maßnahmen können die wiederholte Durchführung eines Scans an einer bestimmten Position, die Selektion bestimmter Rohbilder zur Rekonstruktion oder eine Korrektur der Phasenzuordnung der Rohbilder sein. Vorteilhaft wird eine Offline-Auswertung nach jedem an einer bestimmten Position durchgeführten Scan vorgenommen, um gegebenenfalls eine Wiederholung des Scans durchzuführen, ohne dass ein Längsvorschub notwendig ist.
Alternativ werden anhand der Offline-Auswertung während des Scans aufgetretene Irregularitäten in der Atemkurve korreliert zu einer Position in Patientenlängsrichtung erkannt. Dies ermöglicht auch nach Abschluss der Untersuchung, Scans an einer spezifischen Position gezielt zu wiederholen. Im Falle von erkannten Irregularitäten in der Atemkurve an einer konkreten Position wird somit als eine geeignete und zweckmäßige Maßnahme ein erneuter Scan an dieser Position durchgeführt.
Zu einer Auswertung der aufgenommenen Atemkurve wird in einer bevorzugten Ausführungsvariante eine repräsentative Atemkurve vorgegeben und/oder anhand einer Mehrzahl patientenspezifischer Vorab-Atemkurven erlernt, wobei anhand der repräsentativen Atemkurve die patientenspezifische Atemkurve online ausgewertet wird. Diese und die hierzu nachfolgend erläuterten bevorzugten Weiterbildungen sind jeweils für sich eigenständig erfinderisch, wobei sich das Auswerteverfahren insbesondere und bevorzugt zu einer Online-Auswertung einer Atemkurve eignet, um hierdurch den Scan zu einer computertomographischen Bildaufnahme zu steuern. Die diesbezüglichen Merkmale eines solchen Verfahrens zur Bildaufnahme sind für das Auswerteverfahren mittels einer repräsentativen Atemkurve nicht wesentlich.
Eine repräsentative Atemkurve des Patienten wird bevorzugt anhand einiger Atemkurven des Patienten erlernt oder abgeleitet, die vor der eigentlichen Untersuchung bzw. vorab aufgenommen werden. Die Auswertung einer aktuellen oder konkret vorliegenden Atemkurve erfolgt zweckmäßig durch einen direkten Vergleich mit der repräsentativen Atemkurve. Insbesondere wird hieraus in der aktuellen Atemkurve eine Vorhersage von konkreten Zeitpunkten, beispielsweise des Erreichens des maximalen Inhalationszeitpunkts, ermöglicht. Die aktuell aufgenommene und sich fortsetzende Atemkurve wird somit rasch und insbesondere in Echtzeit zur Steuerung des Scans während einer Bildaufnahme ausgewertet.
Vorteilhafterweise wird aus der patientenspezifischen Atemkurve online für den Scan insbesondere der Startzeitpunkt und der Endzeitpunkt anhand der repräsentativen Atemkurve ermittelt. Insbesondere werden diese Zeitpunkte anhand des Erreichens entsprechender Extrema in der aktuellen Atemkurve durch einen Vergleich mit der repräsentativen Atemkurve bestimmt, wozu aus der repräsentativen Atemkurve bestimmte Bedingungen für das jeweilige Erreichen abgeleitet werden können. Solche Bedingungen sind beispielsweise der zeitliche Verlauf der Amplitude als solcher, spezifische Abschnitte in der Atemkurve, die spezifischen Atemphasen entsprechen, Steigungswerte oder der zeitliche Verlauf der Steigung, also die Änderungsgeschwindigkeit in der Atemkurve etc.
In einer weiter bevorzugten Variante werden zur Auswertung aus Werten der repräsentativen Atemkurve Tupel aus Amplitude und zeitlicher Ableitung gebildet, wobei aus den Tupeln die Koordinaten eines Zentrums ermittelt werden, wobei die Tupel bezüglich des Zentrums in Polarkoordinaten umgerechnet werden, wobei ein bestimmter Winkel einem Extremum der repräsentativen Atemkurve zugeordnet wird, welches einem Inhalationsmaximum entspricht, wobei Werte der patientenspezifischen Atemkurve online bezüglich des aus der repräsentativen Atemkurve ermittelten Zentrums in Polarkoordinaten umgerechnet werden, wobei hieraus ein jeweils aktueller Winkel ermittelt wird, und wobei durch einen Vergleich des aktuell ermittelten Winkels mit dem bestimmten Winkel jeweils der Zeitwert eines Extremums online bestimmt wird. Bevorzugt werden die Koordinaten des Zentrums als Koordinaten des geometrischen Schwerpunkts der Tupel aus Amplitude und Ableitung bestimmt.
Die vorbeschriebene Variante weist den Vorteil auf, dass das Erreichen eines Extremums in der aktuell aufgenommenen Atemkurve unmittelbar über den jeweils ausgewerteten Winkel angezeigt wird. Insbesondere wird der bestimmte Winkel, der das Erreichen des Extremums anzeigt, in der Auswertung einer Atemkurve nicht erreicht, wenn die Amplitude eines aktuellen Atemzyklus‘ gegenüber der Amplitude der repräsentativen Atemkurve erniedrigt ist. In diesem Fall liegt nämlich geometrisch betrachtet das Zentrum der repräsentativen Atemkurve außerhalb des durch die Wertepaare bzw. Tupel aus Amplitude und Ableitung beschriebenen Verlaufs der aktuellen Atemkurve, d.h. des jeweils aktuellen Atemzyklus‘, so dass die ausgewerteten Winkel bzgl. des Zentrums keinen vollständigen Umlauf beschreiben. Gleiches gilt entsprechend für die jeweiligen Ableitungswerte. Mit anderen Worten werden durch den angegebenen Auswertealgorithmus Atemzyklen mit Unregelmäßigkeiten im Verlauf und in der Amplitude als irregulär bewertet, da kein Extremum angezeigt wird. Damit wird aber der Scan in der gewünschten Art und Weise fortgesetzt, bis konsistente Rohdaten oder Rohbilder zu allen gewünschten Phasenabschnitten eines vollständigen Atemzyklus‘ erhalten sind.
Die zweite Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur atemkorrelierten computertomographischen Bildaufnahme, umfassend einen Computertomographen zur Durchführung eines Scans eines Untersuchungsbereiches eines Patienten, der eine Mehrzahl von Rohbildern liefert, einen Sensor zur Aufnahme einer patientenspezifischen Atemkurve, sowie eine Steuereinheit, die zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Der Computertomograph umfasst zweckmäßigerweise eine Gantry mit einer Röntgenstrahlungsquelle und einem Detektor, wobei die Gantry zur Durchführung eines Scans um einen Patienten rotierbar gelagert ist. Der Patient ist hierzu auf einem insbesondere in Patientenlängsrichtung verfahrbaren Tisch gelagert. Im Rahmen der Untersuchung wird der Patient mit dem zu untersuchenden Körperbereich entsprechend zur Gantry positioniert. Zur Durchführung eines Sequenzscan-Modus wird der Tisch dann an verschiedene, insbesondere aufeinanderfolgende Positionen z_k verfahren, wobei an jeder Position z_k ein Scan des Untersuchungsbereichs durchgeführt wird.
Als Sensor zur Aufnahme der Atemkurve, bzw. von Atemsurrogaten, ist zweckmäßigerweise ein Spirometer oder ein Dehnungsgürtel eingesetzt. Ein Spirometer misst zur Aufnahme der Atemkurve den Atemvolumenfluss des Patienten, wohingegen ein Dehnungsgürtel die Umfangsänderung von Thorax und Abdomen misst. Weiter zweckmäßig ist in einer alternativen Variante als Sensor ein Kamerasystem eingesetzt, über welches Bewegungen von insbesondere reflektierenden Markern beobachtet werden, die auf dem Thorax des Patienten positioniert sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen für die Vorrichtung ergeben sich aus den auf das Verfahren gerichteten Unteransprüchen. Dabei können die für das Verfahren und dessen Weiterbildungen benannten Vorteile sinngemäß auf die Vorrichtung übertragen werden.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine exemplarische patientenspezifische Atemkurve,
2 eine aus realen Atemkurven ermittelte repräsentative Atemkurve,
3 reale Atemkurven und die repräsentative Atemkurve in einem Amplituden-Geschwindigkeits-Diagramm, sowie
4 eine Vorrichtung zur atemkorrelierten computertomographischen Bildaufnahme, umfassend einen Computertomographen und einen Sensor zur Aufnahme von Atemkurven.
In 1 ist eine exemplarische Atemkurve 1 eines Patienten gezeigt. Die Atemkurve 1 ist als ein Atemsurrogat mit einem externen Sensor, beispielsweise mit einem Spirometer oder mit einem Dehnungsgürtel, gemessen bzw. aufgenommen. Zur Steuerung eines computertomographischen Scans, der eine Mehrzahl von Rohbildern eines Untersuchungsbereiches des Patienten liefert, wird die aufgenommene patientenspezifische Atemkurve online ausgewertet. Der Scan wird dann in Abhängigkeit der Ergebnisse der Online-Auswertung gesteuert. Eine entsprechende Vorrichtung hierzu und die entsprechenden Vorrichtungskomponenten sind in 4 dargestellt.
Durch die Steuerung des Scans über eine Online-Auswertung der synchron aufgenommenen Atemkurve wird insbesondere sichergestellt, dass an einer Position z_k des Untersuchungsbereiches des Patienten ausreichend konsistente Rohdaten zu einem vollständigen Atemzyklus aufgezeichnet werden, um 3D-Bilder des Untersuchungsbereiches ohne durch Irregularitäten in der Atmung hervorgerufene Artefakte rekonstruieren zu können.
Die in 1 gezeigte Atemkurve 1 umfasst vorliegend fünf Atemzyklen 3. Ein zweiter Atemzyklus 5 davon zeigt Irregularitäten in seiner Amplitude. Dies kann an den Messdaten oder an einer veränderten Atmung des Patienten liegen. Zur Durchführung eines Scan wird die aktuelle Atemkurve 1 online nach Punkten 7 der maximalen Inhalation ausgewertet. Vorliegend sind dies Punkte maximaler Amplitude, bzw. Extrema 8 entlang der Atemkurve 1. Auch der zweite Atemzyklus 5 zeigt ein Extremum 9. Dieses liegt jedoch im Vergleich zu den anderen Extrema 8 bei einer deutlich verringerten Amplitude.
Nach dem Start des Untersuchungsverfahrens soll an einer ersten feststehenden Position z_k in Patientenlängsrichtung ein erster Scan 10 durchgeführt werden. Aus der Online-Auswertung der Atemkurve 1 wird hierzu das Auftreten des ersten Extremums 8 als Startzeitpunkt 11 ermittelt. Bei Erreichen oder Feststellen des Startzweitpunktes 11 startet der erste Scan 10. Während der erste Scan unter Aufnahme einer Vielzahl von Rohbildern aus verschiedenen Richtung durchgeführt wird, wird die Atemkurve 1 weiter synchron bzw. zeitlich parallel ausgewertet. Das nächste Extremum 9 des zweiten Atemzyklus 5 wird nicht als ein relevantes Inhalationsmaximum erkannt, da sein Amplitudenwert gegenüber einem vorgegebenen Sollwert zu gering ist. Erst in einem weiteren Atemzyklus 3 ermittelt die Online-Auswertung ein weiteres Extremum 8 in der Atemkurve 1, da die Amplitude ausreichend hoch ist. Erst dieses Extremum 8 des weiteren Atemzyklus 3 wertet die Online-Auswertung als einen Endzeitpunkt 13, bei dessen Feststellen oder Erreichen der erste Scan 10 beendet wird.
Es wird ersichtlich, dass der erste Scan 10 eine Zeitdauer von zwei Atemzyklen 3 überstreicht. Der zweite, irreguläre Atemzyklus 5 wird als irregulär erkannt. Als Folge wird der Scan 10 fortgesetzt, bis über jede Phase eines regulären Atemzyklus 2 genügend konsistente Rohdaten erfasst sind. Insbesondere werden zur Rekonstruktion eines 3D-Bildes an der Position z_k Rohdaten aus einer Phase des Einatmens nicht aus dem irregulären, zweiten Atemzyklus 5, sondern aus einer Phase des Einatmens des nächsten regulären Atemzyklus 3 herangezogen.
Nach Beendigung des ersten Scans 10 wird unter geänderter Positionierung des Patienten (Steuerung des Tischvorschubs) ein zweiter Scan 15 an einer Position z_k+1 durchgeführt. Im Unterschied zum ersten Scan 10 zeigt die parallel weiter ausgewertete Atemkurve 1 hierbei Unregelmäßigkeiten in der Atmung. Bei Erkennen oder Erreichen eines Punkts 7 der maximalen Inhalation bzw. des Extremums 8 eines Atemzyklus 3 wird der zweite Scan 15 gestartet. Bei Erkennen oder Erreichen eines Punkts 7 der maximalen Inhalation bzw. des Extremums 8 des nachfolgenden Atemzyklus 3 wird der zweite Scan 15 beendet.
Die Amplitudenwerte an den beiden Extrema 8 überschreiten jeweils einen vorgegebenen Sollwert. Der zweite Scan 15 umfasst eine Zeitdauer von einem Atemzyklus.
Anschließend wird das Verfahren unter Verschiebung des Patienten fortgesetzt, bis an allen gewünschten Positionen z_k jeweils ein Scan durchgeführt ist. Unmittelbar wird auch ersichtlich, dass mit dem angegebenen Verfahren die Zeitdauer eines jeweiligen Scans direkt mit der Atemfrequenz verknüpft ist. Ein verlängerter oder verkürzter Atemzyklus führt zu einer entsprechenden Anpassung in der Zeitdauer des Scans.
In einer vorteilhaften Variante wird nach Durchführung eines Scans jeweils oder nach Abschluss des Scannens aller Positionen eine Offline-Auswertung der aufgenommenen Atemkurven 1 durchgeführt. Werden Irregularitäten oder eine sehr schlechte Qualität in der Atemkurve festgestellt, so wird, insbesondere priorisiert nach dem Schweregrad der Irregularität, an der entsprechenden Position z_k erneut gescant. Eine Irregularität, die zu einem erneuten Scannen führt, ist insbesondere das Fehlen von Amplitudeninformation in der Atemkurve, die zu einer phasenselektierten Rekonstruktion des 3D-Bildes benötigt wird.
2 zeigt über die Zeitdauer eines Atemzyklus‘ eine aus mehreren real gemessenen Vorab-Atemkurven 18 eines Patienten gemittelte bzw. gelernte repräsentative Atemkurve 20 (durchgezogene, dicke Linie). An einer Position t_max weist die repräsentative Atemkurve 20 einen Punkt 7 der maximalen Inhalation bzw. ihr Extremum 8 auf, wie dies für reguläre Atemkurven 3 entsprechend 1 typischerweise der Fall ist. Die repräsentative Atemkurve 20 wird vor der Durchführung einer Untersuchung vorab beispielsweise anhand einiger aufgenommener Atemkurven 18 des Patienten spezifisch gewonnen. Es ist auch möglich, die repräsentative Atemkurve 20 anhand von Erfahrungswerten patientenspezifisch vorzugeben, wozu auf entsprechende Datenbanken zugegriffen wird.
Die repräsentative Atemkurve 20 wird zur Online-Auswertung einer Atemkurve 1 entsprechend 1 herangezogen, um einen Scan zur CT-Bildgebung während einer Untersuchung oder einer Behandlung des Patienten zu steuern.
3 zeigt hierzu für eine Zeitdauer von jeweils einem Atemzyklus die repräsentative Atemkurve 20 sowie eine Schar von aktuell aufgenommenen Atemkurven 1 in einem Amplituden-Geschwindigkeits-Diagramm. Die jeweiligen Amplitudenwerte R sind hierbei über den als zeitliche Ableitung ermittelten Geschwindigkeitswerten V aufgetragen. Die Auftragung der Wertepaare oder Tupel (R_repr, V_repr) der repräsentativen Atemkurve 20 ergibt für einen Atemzyklus aufgrund der Periodizität des Signals den sichtbaren Umlauf eines charakteristischen in seinem Radius winkelabhängigen Kreises. Eine entsprechende Online-Auswertung einer aktuell aufgenommenen Atemkurve 1 ergibt eine mit oder weniger Abweichungen entlang dieses Kreises umlaufende Kurvenbahn.
Aus den Tupeln (Rrepr, Vrepr) der repräsentativen Atemkurve 20 wird ein geometrisches (Mittelpunkt) oder über Amplituden- und Geschwindigkeitswerte vorgegebenes Zentrum C ermitteln, bezüglich dessen die Tupel der Atemkurven 1, 20 in Polarkoordinaten, d.h. Abstand P und Phasenwinkel φ, umgerechnet werden. Das Zentrum C ist mit seinen Koordinaten (C_R, C_V) in 3 markiert. Insbesondere ergibt sich für die repräsentative Atemkurve 20 ein charakteristischer Winkel φ_max, der dem Extremum 8 bzw. dem Zeitpunkt der maximalen Inhalation 8 zugeordnet ist. Im Diagramm gemäß 3 ist das entsprechende Tupel mit (P_max, φ_max) markiert. Bei einer Online-Auswertung einer aktuellen Atemkurve 1, bei der fortlaufend bzw. in zeitdiskreten Schritten der Phasenwinkel φ(t) ermittelt wird, ergibt sich als eindeutiges Kriterium zum Feststellen des Auftretens des entsprechenden Extremums, dass φ(t_i) < φ_max und φ(t_i+1) > φ_max. In diesem Fall ist das Extremum erreicht bzw. überschritten, und der entsprechende Zeitwert kann als Startzeitpunkt oder Endzeitpunkt zum Starten bzw. Beenden eines Scans wie vorbeschrieben herangezogen werden.
Abhängig von der Wahl des Zentrums C werden durch die beschriebene Online-Auswertung im Falle eines irregulären Atemzyklus mit niedriger Amplitude keine Phasenwinkel im Bereich von φ_max ermittelt, wenn die entsprechende Atemkurve gemäß 3 beispielsweise unterhalb des Zentrums C liegt. In diesem Fall wird der Scan fortgeführt, bis ein reguläres Abbruchkriterium anhand eines regulären Atemzyklus festgestellt ist.
In regelmäßigen Abständen werden real gemessene Atemkurven 1 des Patienten zu einer Anpassung der repräsentativen Atemkurve 20 herangezogen. Damit wird auf Verschiebungen, insbesondere auf Baseline-Drift, in den Atemsignalen reagiert. Auch wird die repräsentative Atemkurve 20 beständig an die reale Atmung des Patienten angepasst. Abhängig von der jeweiligen repräsentativen Atemkurve 20 wird die Berechnung des Zentrums C entsprechend angepasst.
4 zeigt eine Vorrichtung 81 zur atemkorrelierten computertomographischen Bildaufnahme. Die Vorrichtung 81 umfasst einen Computertomographen 83 mit einer rotierbaren Gantry 85, die eine Röntgenstrahlungsquelle 87 mit einer fächerförmigen Strahlgeometrie und einen kreissegmentförmigen, flächigen Detektor 89 umfasst. Zur Durchführung eines Scans eines Untersuchungsbereiches (91) eines Patienten (93), der eine Mehrzahl von Rohbildern liefert, einen Sensor (97) zur Aufnahme einer patientenspezifischen Atemkurve (1), sowie eine Steuereinheit (99), die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Mittels des Computertomographen 83 wird zur Vorbereitung einer z.B. strahlenden Therapie ein computertomographischer Scan eines Untersuchungsbereiches 91 des Patienten 93 durchgeführt. Dabei werden nacheinander aufeinanderfolgende Positionen gescannt. Zur Durchführung der Untersuchung bzw. zur Bildaufnahme wird der Tisch 95, auf dem der Patient positioniert ist, an eine erste feststehende Position z_k gefahren. Die Gantry 85 rotiert an dieser Position z_k solange um den Patienten, bis konsistente Rohdaten zu wenigstens einem vollständigen Atemzyklus erhalten sind. Die Zeitdauer eines Scans an einer Position des Patienten 93 wird mittels einer Online-Auswertung einer synchron aufgenommen Atemkurve des Patienten 93 ermittelt. Die Atemkurve selbst wird während der computertomographischen Untersuchung mittels eines Sensors 97 als Atemsurrogat aufgenommen. Als Sensor 97 ist beispielhaft ein Dehnungsmessgürtel eingesetzt. Alternativ ist ein Spirometer verwendet. Anschließend wird der Tisch 95, auf dem der Patient positioniert ist, entlang der Patientenlängsrichtung 101 an eine nächste feststehende Position z_k+1 gefahren und ein neuer Scan durchgeführt.
Jeder Scan wird an der jeweiligen Position z_k in Abhängigkeit der Ergebnisse der online ausgewerteten patientenspezifischen Atemkurve gesteuert. Hierzu ist eine entsprechend ausgebildete Steuereinheit 99 eingesetzt. Die Steuereinheit 99 ist dazu eingerichtet, das Verfahren zur Steuerung eines Scans anhand einer Online-Auswertung der aktuell aufgenommenen Atemkurve wie vorbeschrieben auszuführen.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zur atemkorrelierten computertomographischen Bildaufnahme, – wobei eine patientenspezifische Atemkurve (1) aufgenommen und online ausgewertet wird, und – wobei ein computertomographischer Scan (10, 15) (93), der eine Mehrzahl von Rohbildern liefert, synchron zur patientenspezifischen Atemkurve (1) in Abhängigkeit der Ergebnisse der Online-Auswertung gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei aus der Atemkurve (1) online für den Scan ein Startzeitpunkt (11) und ein Endzeitpunkt (13) ermittelt werden, und wobei der Scan (10, 15) am Startzeitpunkt (11) gestartet und am Endzeitpunkt (13) beendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Zeitraum zwischen dem Startzeitpunkt (11) und dem Endzeitpunkt (13) wenigstens einen Atemzyklus (3, 5) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei zeitlich parallel zu einem ersten Atemzyklus (3) ein erster Scan (10) an einer feststehenden Position (z_k) in Patientenlängsrichtung (101) durchgeführt wird, und wobei nach Beendigung des ersten Scans (10) zeitlich parallel zu einem weiteren Atemzyklus (3) ein zweiter Scan (15) an einer der Position (z_k) in Patientenlängsrichtung (101) nachfolgenden Position (z_k+1) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Startzeitpunkt (11) als Zeitwert eines Extremums (8) der Atemkurve (1) ermittelt wird, welches einem ersten Inhalationsmaximum (7) entspricht, und wobei der Endzeitpunkt (13) als Zeitwert eines nachfolgenden Extremums (8) der Atemkurve (1) ermittelt wird, welches einem zweiten Inhalationsmaximum (7) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Startzeitpunkt (11) und/oder der Endzeitpunkt (13) nur dann als Zeitwert des oder jeden Extremums (8) ermittelt wird/werden, wenn der Betrag der Amplitude des jeweiligen Extremums (8) einen vorgegebenen Sollwert überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die patientenspezifische Atemkurve (1) nach Beendigung des Scans (10, 15) offline ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei anhand der Offline-Auswertung während des Scans (10, 15) aufgetretene Irregularitäten in der Atemkurve (1) korreliert zu einer Position (z_k) in Patientenlängsrichtung (101) erkannt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei im Falle von erkannten Irregularitäten in der Atemkurve (1) an einer Position (z_k) ein erneuter Scan (10, 15) an dieser Position (z_k) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine repräsentative Atemkurve (20) vorgegeben und/oder anhand einer Mehrzahl patientenspezifischer Vorab-Atemkurven (18) erlernt wird, und anhand der repräsentativen Atemkurve (20) die patientenspezifische Atemkurve (1) online ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei aus der patientenspezifischen Atemkurve (1) online für den Scan (10,15) der Startzeitpunkt (7, 31) und der Endzeitpunkt (8, 33) anhand der repräsentativen Atemkurve (20) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei aus der patientenspezifischen Atemkurve (1) online für den Scan der Startzeitpunkt (11) und der Endzeitpunkt (13) anhand der repräsentativen Atemkurve (20) als Zeitwerte von Extrema (8) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei aus Werten (R_repr) der repräsentativen Atemkurve (20) Tupel (R_repr, V_repr) aus Amplitude (R_repr) und zeitlicher Ableitung (V_repr) gebildet werden, wobei aus den Tupeln (R_repr, V_repr) die Koordinaten (C_R, C_V) eines Zentrums (C) ermittelt werden, wobei die Tupel (R_repr, V_repr) bezüglich des Zentrums (C) in Polarkoordinaten (P, φ) umgerechnet werden, wobei ein bestimmter Winkel (φ_max) einem Extremum (8) der repräsentativen Atemkurve (20) zugeordnet wird, welches einem Inhalationsmaximum entspricht, wobei Werte der patientenspezifischen Atemkurve (1) online bezüglich des aus der repräsentativen Atemkurve ermittelten Zentrums (C) in Polarkoordinaten (P, φ) umgerechnet werden, wobei hieraus ein jeweils aktueller Winkel (φ) ermittelt wird, und wobei durch einen Vergleich des aktuell ermittelten Winkels (φ) mit dem bestimmten Winkel (φ_max) jeweils der Zeitwert eines Extremums (8) online bestimmt wird.
Vorrichtung (81) zur atemkorrelierten computertomographischen Bildaufnahme, umfassend einen Computertomographen (83) zur Durchführung eines Scans eines Untersuchungsbereiches (91) eines Patienten (93), der eine Mehrzahl von Rohbildern liefert, einen Sensor (97) zur Aufnahme einer patientenspezifischen Atemkurve (1), sowie eine Steuereinheit (99), die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.