DE102016203257B4 - Erzeugen von kontrastverstärkten Bilddaten auf Basis einer Multi-Energie-Röntgenbildgebung - Google Patents

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Abstract

Dynamisches zeitaufgelöstes Röntgenbildgebungsverfahren (100), vorzugsweise CT-Röntgenbildgebungsverfahren, zum Erzeugen von kontrastverstärkten Bilddaten (FBD(E3)) von einem Untersuchungsbereich (FOV) eines zu untersuchenden Objekts (O), aufweisend die Schritte:- Erfassen von ersten kontrastmittelbeeinflussten Röntgenprojektionsmessdaten (PMD1) mit einem ersten Röntgenenergiespektrum (RE1) und von mindestens zweiten kontrastmittelbeeinflussten Röntgenprojektionsmessdaten (PMD2) mit einem zweiten Röntgenenergiespektrum (RE2) von dem Untersuchungsbereich (FOV), wobei als Kontrastmittel Iod verwendet wird,- Rekonstruieren von pseudo-monoenergetischen Bilddaten (BD(E3), FBD(E3)), welche einem dritten Röntgenenergiespektrum (RE3) mit einem einzelnen dritten Energiewert (E3) zwischen 35 keV und 40 keV zugeordnet sind, auf Basis der erfassten ersten und mindestens zweiten Röntgenprojektionsmessdaten (PMD1, PMD2), wobei eine mittlere Energie (E1) des ersten Röntgenenergiespektrums (RE1) und eine mittlere Energie (E2) des zweiten Röntgenenergiespektrums (RE2) in Abhängigkeit von einem Abmessungsparameterwert (APW) des zu untersuchenden Objekts (O), welcher Informationen hinsichtlich der Abmessungen des Körpers des zu untersuchenden Objekts (O) umfasst, derart gewählt werden, dass bei einer dickeren Person als zu untersuchendem Objekt (O) die elektrische Spannung einer oder mehrerer für das Erfassen der ersten und mindestens zweiten kontrastmittelbeeinflussten Röntgenprojektionsmessdaten (PMD1, PMD2) verwendeten Röntgenröhren heraufgesetzt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein dynamisches zeitaufgelöstes Röntgenbildgebungsverfahren zum Erzeugen von kontrastverstärkten Bilddaten. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Bilddatenerzeugungseinrichtung. Überdies 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 meist 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. Röntgenprojektionsmessdaten 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“ statische anatomische Strukturen bildlich wiedergegeben werden. Dagegen war die dynamische Bildgebung und 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 dynamischen Bildgebung verbessert und diese hat ihren Weg in die klinische Routine gefunden.
  • Die sogenannten dynamischen CT-Bildgebungsverfahren umfassen Aufnahmen von CT-Projektionsmessdaten des gleichen Untersuchungsbereiches über einen längeren Zeitraum von zum Beispiel 5 bis 50s und die anschließende zeitaufgelöste Rekonstruktion von CT-Bilddaten zu verschiedenen Zeitpunkten während des genannten Zeitraums. Dabei sind im Wesentlichen zwei Anwendungen gebräuchlich: Eine erste Anwendung betrifft die Darstellung des Ein- und Ausfließens von Kontrastmittel in ein Gefäßsystem. Diese Art der dynamischen Bildgebung wird auch CT-Angiographie genannt. Ein Spezialfall davon ist die sogenannte Neuro-DSA-Technik, bei der aus einer Kontrastmittelaufnahme und einer nativen Aufnahme durch Registrierung aufeinander die den Knochen entsprechenden Bildstrukturen entfernt werden. Eine zweite Anwendung betrifft die Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Kontrastmittelanreicherung in einem Organ. Diese Anwendung wird auch dynamische CT-Perfusionsbildgebung genannt. Dabei werden zum Beispiel Perfusionsdefekte im Hirngewebe nach einem Schlaganfall aufgezeigt, Durchblutungsstörungen im Myokard sichtbar gemacht oder Tumore, zum Beispiel in der Lunge oder im Abdomen, durch ihre Kontrastmittelanreicherung charakterisiert und eventuell deren Therapieansprechen verfolgt.
  • Um den Bildkontrast des angewandten Kontrastmittels, beispielsweise Iod, zu verbessern und um die Strahlendosis für den Patienten zu reduzieren, werden für dynamische CT-Untersuchungen in der Regel niedrige Spannungen der Röntgenröhre, in etwa zwischen 70 kV und 100 kV, eingestellt. Bei der Wahl solch niedriger Röhrenspannungen verschiebt sich die mittlere Energie des von einer Röntgenröhre erzeugten Röntgenenergiespektrums zu niedrigeren Werten. Beispielsweise beträgt bei einer Röntgenröhrenspannung von 80 kV die mittlere Energie des Röntgenstrahlenspektrums etwa 55 keV. Als Röntgenenergiespektrum soll die Energieverteilung der von einer Röntgenröhre erzeugten Röntgenquanten verstanden werden.
  • Wenn im Folgenden von Energie des Röntgenspektrums oder des Röntgenenergiespektrums gesprochen wird, ist damit in der Regel die mittlere Energie des Röntgenenergiespektrums der emittierten Röntgenstrahlen gemeint. Im Fall von monoenergetischen Röntgenbildern kann diese mittlere Energie auch identisch mit einer einzigen Energie sein, welche in diesem speziellen Fall der Energie der Röntgenquanten entspricht, aus denen das jeweilige monoenergetische Röntgenbild rekonstruiert wurde. Bei solchen niedrigen Energien nähert man sich stark der K-Kante des Kontrastmittels Iod, welche bei einer Energie von 33 keV liegt. Dadurch erscheint Iod im CT-Bild mit höheren CT-Werten, weil es größere Anteile der verwendeten Röntgenstrahlung absorbiert. Damit kann man für ein gewünschtes Kontrast-Rauschverhältnis ein höheres Bildrauschen zulassen und so die Strahlendosis für den Patienten reduzieren. Gerade bei der dynamischen CT-Bildgebung ist eine niedrige Strahlendosis aufgrund der langen Bildaufnahmezeit erforderlich. Allerdings ist in herkömmlichen CT-Systemen bei niedrigen Röhrenspannungen, insbesondere bei 80 kV, die verfügbare Leistung der Röntgenstrahlenquelle begrenzt, so dass insbesondere bei dynamischen CT-Untersuchungen im Rumpfbereich eines Patienten der für das gewünschte Kontrast-Rauschverhältnis erforderliche Röhrenstrom nur bei dünneren Patienten erreicht wird und so nur dünnere Patienten mit niedriger Röhrenspannung untersucht werden können. Für beleibte Patienten dagegen reicht die bei niedrigen Röhrenspannungen vorhandene Leistungsfähigkeit der Röntgenquellen nicht mehr aus, so dass bei den CT-Bildaufnahmen erhöhtes Bildrauschen und andere Artefakte, wie zum Beispiel Striche oder eine Instabilität von CT-Werten, auftreten, welche den positiven Effekt der niedrigen Röhrenspannungen auf das Kontrast/Rauschverhältnis bei Weitem übersteigen.
  • Reicht bei herkömmlichen dynamischen CT-Bildgebungsverfahren die bei den gewünschten niedrigen Röhrenspannungen (80 kV) verfügbare Leistung der Röntgenquelle nicht aus, so werden die Untersuchungen mit höheren Röhrenspannungen (100 kV) durchgeführt, bei denen eine erhöhte Leistung der Röntgenquellen zur Verfügung steht. Allerdings ist bei 100 kV der Jodkontrast im Bild geringer. Um ein bestimmtes Kontrast/- Rauschverhältnis einzuhalten, muss deshalb das Bildrauschen stärker unterdrückt werden als bei niedrigeren Röhrenspannungen und es muss daher die Strahlendosis erhöht werden. Beispielsweise ist bei einer Anwendung einer Röhrenspannung von 100 kV eine um 30% höhere Strahlendosis erforderlich als bei einer Röhrenspannung von 80 kV. Da bestimmte Dosisgrenzwerte eingehalten werden müssen, reduziert sich der Anwendungsbereich der genannten Bildgebungsverfahren erheblich.
  • In McCollough, C. H. et al.: Dual- and Multi-Energy CT: Principles, Technical Approaches, and Clinical Applications. In: Radiology 276(3), 2015. 637 - 653 werden Verfahren zur Rekonstruktion von virtuellen monoenergetischen Bildern auf der Basis von Dual-Energy-CT-Bildaufnahmen beschrieben. Als Maßnahme zur Verbesserung der Bildqualität wird der Einsatz von Filtern vorgeschlagen, um eine spektrale Trennung der detektierten Röntgenstrahlen auf den unterschiedlichen Detektoren eines Dual-Energy-CT-Bildgebungssystems zu erreichen.
  • In Yu, L. et al.: Dual-Energy CT-Based Monochromatic Imaging. In: American Journal of Roentgenology 199, 2012. S9 - S15 wird die Qualität von virtuellen monoenergetischen Bildern, welche auf Basis von Dual-Energy-CT-Bildaufnahmen gewonnen wurden, mit der Qualität von polychromen Bildern verglichen, welche durch Einzel-Energy-CT-Bildaufnahmen gewonnen wurden.
  • InYu, L. et al.: Optimal Tube Potential for Radiation Dose Reduction in Pediatric CT: Principles, Clinical Implementations, and Pitfalls. In: Radiographics 31, 2011. 835 - 848 wird das Problem einer Wahl einer optimalen Röntgenröhrenspannung bei der CT-Bildgebung von Kindern beschrieben, wobei Aspekte der Dosisreduktion bei der CT-Bildgebung bei Kindern beleuchtet werden.
  • In Primak. A. N. et al.: Improved dual-energy material discrimination for dual-source CT by means of additional spectral filtration. In: Medical Physics 36(4), 2009. 1359 - 1369 werden Maßnahmen zur spektralen Trennung bei der Multi-Energy-CT-Bildgebung beschrieben.
  • InLeng, S. et al.: Maximizing Iodine Contrast-to-Noise Ratios in Abdominal CT Imaging through Use of Energy Domain Noise Reduction and Virtual Monoenergetic Dual-Energetic CT. In: Radiology 276 (2), 2015. 562 - 570 werden Verfahren zur Reduktion des Bildrauschens von virtuellen monoenergetischen Bilddaten bei der Multi-Energy-CT-Bildgebung beschrieben.
  • In DE 10 2011 083 727 A1 wird ein Verfahren zur Erzeugung eines rauschreduzierten CT-Bilddatensatzes durch Frequenzbandzerlegung beschrieben.
  • Es besteht mithin das Problem, ein kontrastverstärktes Röntgenbildgebungsverfahren sowie eine entsprechende Bilddatenerzeugungseinrichtung anzugeben, welche eine gute Bildqualität bei niedriger Röntgenstrahlenbelastung ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein dynamisches zeitaufgelöstes Röntgenbildgebungsverfahren zum Erzeugen von kontrastverstärkten Bilddaten gemäß Patentanspruch 1, eine Bilddatenerzeugungseinrichtung gemäß Patentanspruch 9 und ein Computertomographiesystem gemäß Anspruch 10 gelöst.
  • Bei dem erfindungsgemäßen dynamischen zeitaufgelösten Röntgenbildgebungsverfahren, vorzugsweise einem CT-Röntgenbildgebungsverfahren, zum Erzeugen von kontrastverstärkten Bilddaten von einem Untersuchungsbereich eines zu untersuchenden Objekts, beispielsweise eines Patienten, wird ein Satz von ersten kontrastmittelbeeinflussten Röntgenprojektionsmessdaten mit einem ersten Röntgenenergiespektrum und mindestens ein Satz von zweiten kontrastmittelbeeinflussten Röntgenprojektionsmessdaten mit einem zweiten Röntgenenergiespektrum von dem Untersuchungsbereich erfasst.
  • Zur Erfassung der Röntgenprojektionsmessdaten kann zum Beispiel ein sogenanntes Dual-Energie-Messverfahren eingesetzt werden, bei dem Röntgenstrahlen mit unterschiedlichen Röntgenenergiespektren in Richtung eines zu untersuchenden Bereichs emittiert werden, von diesem teilweise absorbiert werden und der transmittierte Anteil der Röntgenstrahlung anschließend von unterschiedlichen Detektoren erfasst wird.
  • Die Detektoren müssen nicht spektral sein. Im Fall der Dual Source, einem Verfahren, bei dem zwei separate Röntgenquellen mit unterschiedlichen Röntgenenergien verwendet werden, oder des kV-Switchings, bei dem die elektrische Spannung der Röntgenquelle zwischen verschiedenen Werten umgeschaltet wird, werden auch heute konventionelle Detektoren verwendet. Hier erfolgt die Aufnahme mit unterschiedlichen Spektren. Alternativ können die spektralen Daten auch mit einem spektral auflösenden Detektor aufgenommen werden. Hier reicht dann die Aufnahme mit nur einem Spektrum. Die Energieseparation erzielt man in diesem Fall am Detektor (im Gegensatz zu den Verfahren oben, bei denen man unterschiedliche Spektren verwendet). Generell ist es jedoch auch möglich, die obigen Verfahren mit einem spektralen Detektor zu kombinieren.
  • Auf Basis der erfassten ersten und mindestens zweiten Röntgenprojektionsmessdaten werden pseudo-monoenergetische Bilddaten ermittelt, welche einem dritten Röntgenenergiespektrum mit einem einzelnen dritten Energiewert zugeordnet sind. Dabei werden eine mittlere Energie des ersten Röntgenenergiespektrums und eine mittlere Energie des zweiten Röntgenenergiespektrums in Abhängigkeit von einem Abmessungsparameterwert des zu untersuchenden Objekts, welcher Informationen hinsichtlich der Abmessungen des Körpers des zu untersuchenden Objekts umfasst, gewählt. Vorzugsweise unterscheiden sich die Werte der mittleren Energie des ersten Röntgenenergiespektrums und des zweiten Röntgenenergiespektrums. Das dritte Röntgenenergiespektrum weist eine einzige Röntgenenergie auf. D.h., es liegt ein monoenergetisches Röntgenenergiespektrum als drittes Röntgenenergiespektrum vor, wobei der dritte Energiewert die Einzelenergie des monoenergetischen Röntgenenergiespektrums repräsentiert.
  • Es wird also auf der Basis der erfassten multispektralen Röntgenprojektionsmessdaten ein Röntgenbild mit einem Röntgenspektrum mit einem einzelnen dritten Energiewert, als eine Art pseudo-monoenergetisches Mischbild, berechnet. Vorteilhafterweise wird der einzelne dritte Energiewert so gewählt, dass das durch ein vorab zugegebenes Kontrastmittel beeinflusste Bildkontrast-/Rauschverhältnis der Bildaufnahme bei diesem dritten Energiewert besonders günstig ist. Oft ist das Bildrauschen selbst jedoch bei Energien, bei denen das Kontrastmittel besonders wirksam ist, sehr stark. Dieser Nachteil wird nun erfindungsgemäß dadurch überwunden, dass die ersten und zweiten Projektionsmessdaten bei einer anderen Energie als dem dritten Energiewert, und zwar in Abhängigkeit von den Abmessungen des zu untersuchenden Objekts, aufgenommen werden.
  • Beispielsweise zeigen dünne Personen eine deutlich geringere Absorption als dickere Personen. Um das sich mit einer stärkeren Absorption der Röntgenstrahlen vergrößernde Bildrauschen bei dickeren Personen auszugleichen, wird erfindungsgemäß die elektrische Spannung der für das Erfassen der ersten und mindestens zweiten kontrastmittelbeeinflussten Röntgenprojektionsmessdaten verwendeten Röntgenröhren, bei einer Dual-Energie-Aufnahme sind es üblicherweise zwei Röntgenröhren, heraufgesetzt. Bei höheren elektrischen Spannungen haben Röntgenröhren die Eigenschaft, dass sie eine erhöhte Strahlungsleistung aufweisen, da die verfügbaren Röhrenströme höher sind als bei niedrigeren Spannungen. Bei erhöhter Leistung der Röntgenröhre wird das Bildrauschen aufgrund des erhöhten Anteils transmittierter Röntgenstrahlung reduziert. Erfindungsgemäß werden also die Vorteile einer Bildaufnahme mit einem Röntgenenergiespektrum mit einer erhöhten mittleren Energie mit den Vorteilen einer in diesem Fall virtuellen Bildaufnahme bei einem einzelnen Energiewert verbunden, bei dem der Bildkontrast besonders stark ist, so dass bei der Erzeugung der virtuellen Bilddaten ein verbessertes Bildkontrast/Rauschverhältnis erzielt wird.
  • Alternativ kann auch bei unverändertem Bildkontrast/Rauschverhältnis die erforderliche Röntgendosis reduziert werden. Dieses kann zum Beispiel bei der Untersuchung von dünnen Patienten der Fall sein, bei denen grundsätzlich auch Bildaufnahmen mit Röntgenstrahlung mit einer mittleren Energie aufgenommen werden könnten, bei denen das Bildkontrast/Rauschverhältnis noch ausreichend ist, wobei jedoch herkömmlich eine höhere Strahlendosis benötigt würde als bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.
  • Die erfindungsgemäße Bilddatenerzeugungseinrichtung weist eine Röntgenenergie-Ermittlungseinheit, eingerichtet zum Ermitteln einer mittleren Energie eines ersten Röntgenstrahlenenergiespektrums und einer mittleren Energie eines zweiten Röntgenstrahlenenergiespektrums in Abhängigkeit von einem Abmessungsparameterwert eines zu untersuchenden Objekts, welcher Informationen hinsichtlich der Abmessungen des Körpers des zu untersuchenden Objekts umfasst, derart, dass bei einer dickeren Person als zu untersuchendem Objekt ein Heraufsetzen der elektrischen Spannung einer oder mehrerer für das Erfassen der ersten und mindestens zweiten kontrastmittelbeeinflussten Röntgenprojektionsmessdaten verwendeten Röntgenröhren erfolgt, auf.
  • Beispielsweise kann die Röntgenenergie-Ermittlungseinheit über eine Eingabeschnittstelle Informationen über die Abmessungen eines zu untersuchenden Objekts erhalten. Diese werden von der Röntgenenergie-Ermittlungseinheit beispielsweise unter Rückgriff auf bekannte theoretische Zusammenhänge zwischen den Abmessungen des zu untersuchenden Objekts und dessen Absorptionsverhalten ausgewertet, um zu ermitteln, wie stark Röntgenstrahlung in dem zu untersuchenden Bereich von dem zu untersuchenden Objekt absorbiert wird. Davon abhängig erfolgt dann die Wahl der mittleren Energie des ersten Röntgenenergiespektrums und des zweiten Röntgenenergiespektrums. Die Höhe der Werte der mittleren Energien der beiden Röntgenenergiespektren wird dabei so gewählt, dass ein Bildrauschen von mit Hilfe der ersten und zweiten Röntgenenergiespektren erzeugten Bilddaten einen Maximalwert nicht übersteigt. Alternativ kann auch für den Fall, dass das Bildrauschen bei allen Energien akzeptabel ist, durch die Wahl von geeigneten mittleren Energiewerten der beiden Röntgenenergiespektren die für die Akquisition der Projektionsmessdaten erforderliche Röntgendosis reduziert werden.
  • Teil der erfindungsgemäßen Bilddatenerzeugungseinrichtung ist zudem eine Steuerungseinheit, eingerichtet zum Ansteuern einer oder mehrerer Röntgenquellen eines CT-Systems derart, dass Röntgenstrahlen mit dem ersten Röntgenenergiespektrum und dem zweiten Röntgenenergiespektrum jeweils mit der ermittelten ersten und zweiten mittleren Energie erzeugt werden.
  • Die erfindungsgemäße Bilddatenerzeugungseinrichtung umfasst überdies eine Projektionsmessdatenerfassungseinheit, eingerichtet zum dynamischen zeitaufgelösten Erfassen von ersten kontrastmittelbeeinflussten Röntgenprojektionsmessdaten mit dem ersten Röntgenenergiespektrum und von zweiten kontrastmittelbeeinflussten Röntgenprojektionsmessdaten mit dem zweiten Röntgenenergiespektrum von einem Untersuchungsbereich des zu untersuchenden Objekts, wobei als Kontrastmittel Iod verwendet wird.
  • Außerdem weist die erfindungsgemäße Bilddatenerzeugungseinrichtung eine Bilddatenrekonstruktionseinheit, eingerichtet zum Rekonstruieren von pseudo-monoenergetischen Bilddaten, welche einem dritten Röntgenenergiespektrum mit einem einzelnen dritten Röntgenenergiewert zwischen 35 keV und 40 keV zugeordnet sind, auf Basis der erfassten ersten und mindestens zweiten Röntgenprojektionsmessdaten, auf.
  • Ein Verfahren zur Rekonstruktion bzw. Berechnung von pseudo-monoenergetischen Bilddaten ist aus Alvarez R.E. and Macovski A. „Energy-selective reconstructions in x-ray computed tomography", Phys. Med. Biol. 21, 733-744 (1976) bekannt.
  • Ein besonders geeignetes Verfahren zur Rekonstruktion bzw. Berechnung von pseudo-monoenergetischen Bilddaten ist in K.L. Grant et al. „Assessment of an Advanced Image-Based Technique to Calculate Virtual Monoenergetic Computed Tomographie Images From a Dual-Energy Examination to Improve Contrast-To-Noise Ratio in Examinations Using Iodinated Contrast Media“, Investigative Radiology 2014, beschrieben.
  • Bei der Erzeugung von pseudo-monoenergetischen Bilddaten erfolgt eine Zerlegung der erfassten Projektionsmessdaten im Rohdatenraum oder der daraus rekonstruierten Bilddaten im Bilddatenraum. Beispielsweise wird bei der Anwendung eines Iod-Kontrastmittels in eine Iod/Kalk-Komponente und in eine Wasser/Weichgewebe-Komponente zerlegt und dann mit Hilfe von tabellierten Werten für einen vom Benutzer gewählten Röntgenenergiewert (keV-Wert) basierend auf Dichtewerten ein Abschwächungswert (HU-Wert) für das jeweilige Voxel berechnet.
  • Das erfindungsgemäße Computertomographiesystem weist eine erfindungsgemäße Bilddatenerzeugungseinrichtung auf. Die erfindungsgemäße Bilddatenerzeugungseinrichtung kann insbesondere Teil einer Steuereinrichtung des Computertomographiesystems sein.
  • Die wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Bilddatenerzeugungseinrichtung können zum überwiegenden Teil in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Dies betrifft insbesondere die Röntgenenergie-Ermittlungseinheit, die Steuerungseinheit, die Projektionsmessdatenerfassungseinheit und die Bilddatenrekonstruktionseinheit. 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.
  • Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Bilddatenerzeugungseinrichtungen bzw. Steuereinrichtung von Computertomographiesystemen 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 erfindungsgemäßen Bilddatenerzeugungseinrichtung bzw. einer Speichereinrichtung einer Steuerungseinrichtung eines Computertomographiesystems ladbar ist und Programmabschnitte umfasst, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Bilddatenerzeugungseinrichtung bzw. von der Steuerungseinrichtung des Computertomographiesystems 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 Speichereinrichtung der Bilddatenerzeugungseinrichtung und/oder zur Speicherung an der Bilddatenerzeugungseinrichtung 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 Bilddatenerzeugungseinrichtung 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 die verschiedenen Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
  • In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahrens werden als mittlere Energie für das erste und das zweite Röntgenenergiespektrum Energiewerte gewählt, bei denen im Vergleich zu dem dritten Energiewert ein niedrigeres Bildrauschen auftritt. D.h., der Pegel der Störungen, die keinen Bezug zur Bildinformation selbst haben, wird bei der erfindungsgemäßen Röntgenbildaufnahme dadurch reduziert, dass die Energiespektren der Röntgenstrahlung, mit denen die ersten und zweiten Projektionsmessdaten akquiriert werden, zu Werten verschoben werden, bei denen das Bildrauschen reduziert ist.
  • Als mittlere Energie kann vorzugsweise für das erste und das zweite Röntgenenergiespektrum ein höherer Wert gewählt werden als für den dritten Energiewert des dritten Röntgenenergiespektrums. Bei höheren Energien der applizierten Röntgenstrahlen nimmt der Anteil der absorbierten Röntgenstrahlung relativ zur gesamten applizierten Röntgenstrahlung ab. Somit ergibt sich ein verbessertes Signal/Rauschverhältnis zu höheren Energien hin, wodurch die Bildqualität verbessert wird.
  • Beispiele für geeignete Röntgenröhrenspannungen sind 120 keV und 140 keV. Die Anwendung solch hoher Röhrenspannungen bringt den Vorteil mit sich, dass die bei hohen Spannungen vorhandenen hohen Leistungsreserven der Röntgenstrahler standardmäßig verwendet werden können, so dass insbesondere dynamische CT-Untersuchungen ohne spezielles Niedrig-kV-Protokoll und dennoch mit reduzierter Strahlendosis möglich sind.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahrens umfasst das dynamische zeitaufgelöste Röntgenbildgebungsverfahren ein CT-Angiographieverfahren oder ein CT-Perfusionsbildgebungsverfahren. Insbesondere bei dynamischen Bildgebungsverfahren ist die Zeitdauer, mit der ein bestimmter Bereich in einem bestimmten Zustand eines dynamischen Vorgangs bestrahlt werden kann, stark beschränkt. Damit ist jedoch insbesondere bei niedrigen Röntgenenergien die Röntgendosis, welche jeweils in einem entsprechenden Zeitintervall appliziert werden kann, ebenfalls stark reduziert. Um das daraus resultierende verstärkte Bildrauschen zu verringern, kann das erfindungsgemäße Röntgenbildgebungsverfahren besonders effektiv eingesetzt werden, da damit das Bildrauschen reduziert wird.
  • Bei dem dritten Energiewert zwischen 35 keV und 40 keV herrscht ein erhöhter Kontrast der zu erzeugenden Bilddaten vor. Auf diese Weise können die Vorteile der Bildakquisition bei hohen Energien, nämlich ein reduziertes Bildrauchen, und Energien in Bereichen mit zu erwartendem besonders stark ausgeprägtem Bildkontrast kombiniert werden, so dass bei der Bildakquisition vorteilhaft ein besonders günstiges Kontrast/Rauschverhältnis erzielt wird.
  • Der dritte Energiewert zwischen 35 keV und 40 keV liegt nahe bei einer Röntgenabsorptionskante des zur Kontrastverstärkung angewandten Kontrastmittels Iod. Da bei dem Einsatz von Röntgenstrahlung mit einer mittleren Energie nahe bei der Röntgenabsorptionskante des verwendeten Kontrastmittels ein grö-ßerer Teil der Strahlung in Bereichen, in denen das Kontrastmittel vorliegt, absorbiert wird, erscheinen diese Bereiche heller als bei der Anwendung von Röntgenstrahlung mit höherer Energie. Somit wird bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahrens ein verbessertes Kontrast/Rauschverhältnis erzielt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahren wird als Kontrastmittel Iod verwendet. Dabei wird ein besonders günstiges Kontrast/Rauschverhältnis dadurch erreicht, dass der dritte Energiewert zwischen 35 keV und 40 keV liegt. Dies hängt damit zusammen, dass die K-Kante bzw. K-Absorptionskante von Iod bei einer Energie von 33 keV legt, so dass der beschriebene Effekt auftritt, dass ein Großteil der in mit Iod beaufschlagten Bereichen auftreffenden Röntgenstrahlung absorbiert wird und diese Bereiche auf dem Röntgenbild daher sehr hell erscheinen.
  • In einer besonders vorteilhaft anzuwendenden Variante des erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahrens umfasst der Abmessungsparameterwert Informationen hinsichtlich der Körpermasse und/oder des BMIs des zu untersuchenden Objekts. Diese Arten von Informationen können dazu genutzt werden, ein Absorptionsprofil eines Untersuchungsobjekts zu ermitteln. Die genannten Informationen können zum Beispiel durch die Aufnahme eines Topogramms vorab ermittelt werden. Zur Aufnahme der Umrisse eines Untersuchungsobjekts können zum Beispiel auch Kameras oder andere Arten von Bildaufnahmeeinrichtungen eingesetzt werden. Zusätzlich können zur Ermittlung auch Referenzdaten genutzt werden, welche die Herstellung einer Beziehung zwischen den Abmessungen eines Untersuchungsobjekts und der dadurch verursachten Absorption erlauben.
  • Im Rahmen einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahrens wird zur Erfassung der ersten und mindestens zweiten Röntgenprojektionsmessdaten ein Multi-Source-CT-System, vorzugsweise ein Dual-Source-CT-System, verwendet, wobei die ersten und mindestens zweiten Röntgenprojektionsmessdaten vorzugsweise simultan erfasst werden. Bei einem solchen Multi-Source-CT-System gibt es mehrere Röntgenquellen mit unterschiedlichem Röntgenstrahlenspektrum, so dass damit ein sogenanntes Multi-Energie-Bildgebungsverfahren durchgeführt werden kann.
  • In einer besonders praktikablen Variante des erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahrens wird zur Erfassung der ersten und mindestens zweiten Röntgenprojektionsmessdaten ein Single-Source-CT-System mit einer einzigen Röntgenröhre verwendet. Dabei werden die ersten und mindestens zweiten Röntgenprojektionsmessdaten durch schnelle Umschaltung einer an der Röntgenröhre anliegenden elektrischen Spannung erfasst. D.h., das System weist in diesem Fall zwar nur eine Röntgenquelle auf, deren Röntgenröhrenspannung jedoch zwischen mindestens zwei verschiedenen Spannungswerten umgeschaltet wird, um Röntgenstrahlen mit verschiedenen Röntgenenergiespektren für die ersten und zweiten Projektionsmessdaten zu erzeugen.
  • In einer speziellen Variante des erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahrens wird zur Erfassung der ersten und mindestens zweiten Röntgenprojektionsmessdaten ein photonenzählender Röntgendetektor eingesetzt. Ein photonenzählender Röntgendetektor eignet sich besonders gut zur spektralaufgelösten Akquisition von Projektionsmessdaten.
  • In einer speziellen Variante des erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahrens werden zusätzlich Bilddaten zu einer vierten Röntgenenergie mit einem hohen Energiewert auf Basis der ersten und mindestens zweiten Röntgenprojektionsmessdaten ermittelt, wobei die zusätzlichen Bilddaten nicht-kontrastverstärkten Bilddaten entsprechen. Pseudo-monoenergetische Bilder bei hohen Energien haben die Eigenschaft, dass bei diesen Energien der von Kontrastmitteln, wie zum Beispiel Iod unterdrückt ist. Somit kann virtuell zusätzlich ein nicht kontrastverstärktes Bild erzeugt werden. Ein solches Bild kann hilfreich sein, wenn zum Beispiel das Scannen für die Perfusionsaufnahme zu spät gestartet wurde und Referenzdaten, auch als Baseline bezeichnet, noch fehlen. Als hoher Energiewert soll in diesem Zusammenhang ein relativ zu der Energie der relevanten Absorptionskante des verwendeten Kontrastmittels hohe Energie betrachtet werden. Ein hoher Energiewert soll insbesondere höher sein als die für die Erzeugung der pseudo-monoenergetischen Bilddaten verwendete dritte (mittlere) Energie.
  • Bei einer besonders effektiven Variante des erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahrens wird bei der Bildrekonstruktion ein Filterverfahren zur Reduktion des Bildrauschens durchgeführt. Ein solches Filterverfahren ist in DE 10 2011 083 727 A1 ausführlich beschrieben. Damit lässt sich das Bildrauschen in pseudo-monoenergetischen Bilddaten stark reduzieren. Somit haben pseudo-monoenergetische Bilder bei niedrigen Energien zum Beispiel bei der Anwendung von gängigen Dual-Energie-CT-Systemen wie dem SOMATOM Definition Flash ein höheres Kontrast-Rauschverhältnis als Bilder, die direkt durch Einzel-Energie-Bildaufnahmetechniken mit Energien im Bereich der Absorptionskante eines verwendeten Kontrastmittels aufgenommen wurden.
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Erzeugen von kontrastverstärkten Bilddaten von einem Untersuchungsbereich eines zu untersuchenden Objekts veranschaulicht,
    • 2 ein Blockdiagramm, mit dem ein Bilddatenerzeugungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt wird,
    • 3 eine schematische Darstellung eines Computertomographiesystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • In 1 ist ein Flussdiagramm 100 gezeigt, welches ein dynamisches CT-Bildgebungsverfahren mit Hilfe der sogenannten Dual-Energie-Technik, bei dem kontrastverstärke Bilddaten von einem beleibten Patienten erzeugt werden, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Bei einem dynamischen Bildgebungsverfahren mit Hilfe der Dual-Energie-Technik erfolgt eine dynamische, zeitaufgelöste Aufnahme von zwei Projektionsmessdatensätzen PMD1, PMD2, welche jeweils durch Röntgenstrahlen mit unterschiedlichen Röntgenenergiespektren RE1, RE2 mit unterschiedlichen mittleren Energien E1, E2 erzeugt werden. Zur Erzeugung der Röntgenstrahlen mit unterschiedlichen Röntgenenergiespektren RE1, RE2 können beispielsweise zwei Röntgenquellen 15a, 15b (siehe 3) genutzt werden, welche Röntgenstrahlen mit unterschiedlichen Röntgenenergien E1, E2 bzw. Röntgenenergiespektren RE1, RE2 emittieren.
  • Im Rahmen des dynamischen Bildgebungsverfahrens werden bei dem Schritt 1.I zunächst Daten bezüglich der Abmessungen eines zu untersuchenden Objekts, beispielsweise ein Patient, erfasst. Diese Daten, auch als Abmessungsparameterwerte APW bezeichnet, können zum Beispiel die Dicke des Patienten, dessen Größe, seinen BMI, seine Körpermasse, eine Dichteverteilung im Inneren des Körpers des Patienten oder andere Informationen enthalten, mit denen das Ausmaß der Absorption der Röntgenstrahlung durch den Patienten im Untersuchungsbereich ermittelt bzw. abgeschätzt werden kann. Weiterhin werden auch Informationen über die Art eines vor dem Start des Bildgebungsverfahrens vorab verabreichten Kontrastmittels KM erfasst. Unterschiedliche Kontrastmittel können unterschiedliche Röntgenabsorptionskanten, kurz auch als Röntgenkante bezeichnet, umfassen. Die Lage der Röntgenkante relativ zu der Energie E3 eines später zu ermittelnden pseudo-monoenergetischen Röntgenbilds wirkt sich auf den Bildkontrast dieses Röntgenbilds aus, so dass die Kenntnis des Energiewerts der Röntgenabsorptionskante des Kontrastmittels KM entscheidend für die Bildqualität des mit Hilfe des erfindungsgemäßen Bildgebungsverfahrens zu rekonstruierenden Röntgenbildes ist.
  • Bei dem Schritt 1.II werden anschließend auf Basis der bei dem Schritt 1.I erfassten Informationen APW, KM Werte für erste und zweite mittlere Energien E1, E2 von unterschiedlichen Röntgenspektren RE1, RE2 von Röntgenstrahlen ermittelt, mit denen der zu untersuchende Bereich FOV des Patienten O später untersucht werden soll.
  • Bei dem Schritt 1.III werden von zwei unterschiedlichen Röntgenröhren Röntgenstrahlen mit hochenergetischen ersten und zweiten Röntgenenergiespektren RE1, RE2 erzeugt. Diese Röntgenenergiespektren RE1, RE2 werden mit Hilfe von hohen ersten und zweiten Röhrenspannungen HURE1, HURE2 erzeugt. Mit Hilfe der ersten und zweiten Röhrenspannungen HURE1 und HURE2 werden die Röntgenröhren dazu angeregt, Röntgenstrahlen mit den ermittelten ersten und zweiten mittleren Energien E1, E2 zu erzeugen. Bei der Anwendung von Iod als Kontrastmittel liegen die ersten und zweiten Röhrenspannungen HURE1, HURE2 beispielsweise bevorzugt bei 120 kV und 140 kV.
  • Bei dem Schritt 1.IV werden die von den beiden Röntgenquellen erzeugten Röntgenstrahlen mit unterschiedlichen ersten und zweiten Röntgenspektren bzw. Röntgenenergiespektren mit hohen mittleren Energien E1, E2 von zwei den jeweiligen Röntgenquellen gegenüberliegend angeordneten Röntgendetektoren 16a, 16b (siehe 3) erfasst. Diese auch als Dual-Energie-Verfahren bekannte Bildgebungsmethode wird bei dem in 1 angewandten Verfahren zur Erzeugung von ersten und zweiten Projektionsmessdatensätzen PMD1, PMD2 verwendet, welche den jeweiligen unterschiedlichen Röntgenenergiespektren RE1, RE2 zugeordnet sind.
  • Bei dem Schritt 1.V werden dann die erfassten Röntgenprojektionsmessdaten PMD1, PMD2 zu pseudo-monoenergetischen Bilddaten BD(E3) rekonstruiert, deren zugeordnete virtuelle Röntgenenergie im Vergleich zu den mittleren Energien E1, E2 der ersten und zweiten Röntgenenergiespektren einen niedrigen Energiewert E3 aufweist.
  • Anschließend wird bei dem Schritt 1.VI auf die gewonnenen monoenergetischen Bilddaten BD(E3) ein Filterverfahren angewandt, mit dem das Bildrauschen der gewonnenen pseudo-monoenergetischen Bilddaten BD(E3) reduziert wird. Ein solches Verfahren ist zum Beispiel in DE 10 2011 083 727 A1 beschrieben, deren Inhalt hiermit in die vorliegende Patentanmeldung mit einbezogen ist. Die so erhaltenen gefilterten monoenergetischen Bilddaten FBD(E3) bei niedrigen Energien E3 haben bei gängigen Dual-Source-CT-Geräten wie dem SOMATOM Definition Flash ein höheres Kontrast-Rauschverhältnis als Bilder, die direkt durch Einzel-Energie-Aufnahmetechniken bei niedrigen Röhrenspannungen gewonnen wurden. Dabei erhöht sich im Vergleich zu Einzel-Energie-Bildaufnahmen bei der optimalen Röhrenspannung in Abhängigkeit von der Phantomgröße das Kontrast-Rauschverhältnis um 20-50 %, was direkt in eine entsprechende Reduktion der Strahlendosis umgesetzt werden kann.
  • Bei dem Schritt 1.VII erfolgt eine Ausgabe der gefilterten Bilddaten FBD(E3) zum Beispiel an eine Datenbank oder auf einem Ausgabebildschirm.
  • Bei dem CT-Bildgebungsverfahren, wie es im Zusammenhang mit der 1 beschrieben wurde, erfolgt eine Kombination der Vorteile des bei hohen Röntgenenergien auftretenden schwachen Bildrauschens mit den Vorteilen eines bei niedrigen Energien im Bereich der Energie einer Absorptionskante eines verwendeten Kontrastmittels auftretenden hohen Bildkontrasts. Somit kann im Vergleich zu einer herkömmlichen Herangehensweise, bei der Bilddaten mit Röntgenstrahlen mit Energien im Bereich des Energiewerts einer Absorptionskante eines verwendeten Kontrastmittels KM erfasst werden, ein stark verbessertes Bildkontrast/Rauschverhältnis erzielt werden, was zu einer stark verbesserten Bildqualität des CT-Bildgebungsverfahrens führt bzw. alternativ oder zusätzlich mit einer geringeren applizierten Röntgenstrahlendosis verbunden ist.
  • In 2 ist eine Bilddatenerzeugungseinrichtung 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Die Bilddatenerzeugungseinrichtung 20 umfasst eine Eingabeschnittstelle 25, mit der Informationen, welche Auskunft über das Absorptionsverhalten eines zu untersuchenden Bereichs FOV eines Patienten geben, insbesondere Abmessungsparameterwerte APW, sowie Informationen hinsichtlich der Art des vor einem Bildgebungsverfahren vorab dem Patienten verabreichten Kontrastmittels KM erfasst werden. Von der Eingabeschnittstelle 25 werden die erfassten Daten APW, KM an eine Röntgenenergie-Ermittlungseinheit 26 übermittelt. Die Röntgenenergie-Ermittlungseinheit 26 ermittelt Werte einer ersten mittleren Energie E1 eines ersten Röntgenenergiespektrums RE1 und einer zweiten mittleren Energie E2 eines zweiten Röntgenenergiespektrums RE2 in Abhängigkeit von einem Abmessungsparameterwert APW des zu untersuchenden Patienten bzw. der ermittelten Röntgenstrahlenabsorption des Patienten. Weiterhin ermittelt die Röntgenenergie-Ermittlungseinheit 26 auch einen dritten Röntgenenergiewert E3, zu dem mit Hilfe der Bilddatenerzeugungseinrichtung 20 sogenannte pseudo-monoenergetische Bilddaten BD(E3) ermittelt werden. Die mittleren Energiewerte E1, E2 sowie der Energiewert E3 können zum Beispiel derart gewählt werden, dass für ein gewünschtes Bildkontrast/Rauschverhältnis eine reduzierte benötigte Strahlendosis bei der Bildaufnahme erreicht wird. Die ermittelten Werte der ersten und zweiten mittleren Energien E1, E2 werden weiterhin an eine Steuerungseinheit 27 übermittelt, welche auf Basis der empfangenen Energiewerte E1, E2 Ansteuerungssignale AS erzeugt, die an eine Steuerschnittstelle 34 (siehe 3) des zugehörigen CT-Systems übermittelt werden. Weiterhin werden die ermittelten Werte der ersten und zweiten mittleren Energien E1, E2 sowie des dritten Energiewerts E3 an eine noch zu erläuternde Rekonstruktionseinheit 22 sowie eine noch zu erläuternde Filtereinheit 23 übermittelt.
  • Die in 2 gezeigte Bilddatenerzeugungseinrichtung 20 umfasst außerdem eine Projektionsmessdatenerfassungseinheit 21. Die Projektionsmessdatenerfassungseinheit 21 dient dem Erfassen von kontrastmittelbeeinflussten Röntgenprojektionsmessdaten PMD1, PMD2 mit unterschiedlichen Energiespektren E1, E2 von einem Untersuchungsbereich FOV eines Untersuchungsobjekts O während des eigentlichen Bildgebungsprozesses oder auch aus einer Datenbank, in der die Röntgenprojektionsmessdaten PMD1, PMD2 abgespeichert wurden. Die Röntgenprojektionsmessdaten PMD1, PMD2 werden bei dem Bildgebungsprozess dadurch erzeugt, dass der Untersuchungsbereich FOV mit Röntgenstrahlen mit ersten und zweiten Röntgenenergiespektren RE1, RE2 beaufschlagt wird und die transmittierten Röntgenstrahlen von voneinander getrennten Detektoren (siehe Detektoren 16a, 16b in 3) erfasst werden. Die von den Detektoren erzeugten und von der Projektionsmessdatenerfassungseinheit 21 erfassten Röntgenprojektionsmessdaten PMD1, PMD2 werden anschließend an eine Bilddatenrekonstruktionseinheit 22 weitergeleitet, welche daraus pseudo-monoenergetische Bilddaten BD(E3) rekonstruiert. Die Bilddatenrekonstruktionseinheit 22 umfasst eine Einzelbilddatenrekonstruktionseinheit 22a. Mit Hilfe der Einzelbilddatenrekonstruktionseinheit 22a werden zunächst Einzelbilder BD(E1), BD(E2) für das erste Röntgenenergiespektrum RE1 und das zweite Röntgenenergiespektrum RE1 bzw. die dazugehörigen ersten Röntgenprojektionsmessdaten PMD1 und die zweiten Röntgenprojektionsmessdaten PMD2 rekonstruiert. Anschließend werden diese Einzelbilder BD(E1), BD(E2) an eine Bildmischeinheit 22b übermittelt, welche auf Basis der Einzelbilder BD(E1), BD(E2) ein erstes pseudo-monoenergetisches Mischbild BDM1 = BD(E3) nach der folgenden Formel erzeugt: BD ( E 3 ) = w ( E 3 ) ⋅ BD ( E 1 ) + ( 1 − w ( E 3 ) ) ⋅ BD ( E 2 ) .
    Figure DE102016203257B4_0001
  • Dabei ist die Komposition w(E3) eine Funktion einer virtuellen Energie E3. Die pseudo-monoenergetischen Bilddaten BDM1 = BD(E3) sind dieser dritten virtuellen Röntgenenergie E3 zugeordnet.
  • Anschließend werden die erzeugten gemischten pseudo-monoenergetischen Bilddaten BDM1 an eine Filtereinheit 23 übermittelt, welche das Bildrauschen in den erzeugten gemischten Bilddaten BDM1 reduziert. Die Filterung wird dadurch erreicht, dass mindestens ein weiteres Mischbild BDM2 bzw. im allgemeinen Fall (m-1) zusätzliche Mischbilder BDM2 ... BDMm auf Basis der Einzelbilder BD(E1), BD(E2) mit Koeffizienten c1, c2 erzeugt werden, welche sich von den beiden Koeffizienten w(E3) und (1-w(E3)) und auch untereinander zumindest in einem Koeffizienten unterscheiden. Anschließend erfolgt eine Erzeugung von gefilterten Bilddaten FBD(E3) gemäß: FBD ( E 3 ) = FBDM 1 = ∑ j < = m g j ( r ) F j BDM j .
    Figure DE102016203257B4_0002
  • Dabei ist FBDM1 das gefilterte erste Mischbild BDM1. Die Skalierungsfunktion g1(r) hat den Wert 1 und die übrigen Skalierungsfunktionen gj(r) sind derart definiert, dass am Ort r ein Bild bzw. ein Intensitätswert entsteht, der dem des ersten Mischbildes BDM1, abgesehen vom Rauschen, entspricht. Die Filter Fj sind Spektralfilter und sind wie folgt definiert: ∑ j < = m F j = 1,
    Figure DE102016203257B4_0003
    wobei die einzelnen Spektralfilter Fj die Mischbilder jeweils in Frequenzbänder bzw. Energieanteile zerlegen und dem ersten Spektralfilter F1 ein Tiefpassfilter entspricht, der die Frequenz f = 0 bzw. die zugehörige Energie E = 0 in voller Stärke enthält.
  • Wie bereits erwähnt, wird ein solches Filterverfahren in DE 10 2011 083 727 A1 beschrieben. Auch in den Anmeldungen mit den Anmeldenummern 10 2015 223 601.4 und in 10 2015 223 606.4 beim Deutschen Patent- und Markenamt sind Filterverfahren zur Reduktion des Rauschens in Röntgenbildern beschrieben.
  • Die gefilterten, vom Rauschen weitgehend befreiten Bilddaten FBD(E3) werden anschließend an eine Ausgabeschnittstellte 24 übermittelt, von der die gefilterten Bilddaten FBD(E3) beispielsweise an eine Datenspeichereinheit (siehe 3, Datenspeichereinheit 32) ausgegeben werden oder an eine Anzeigeeinheit übermittelt werden, auf der sie bildlich dargestellt werden.
  • In 3 ist ein Computertomographiesystem 1 gezeigt, welches die in 2 gezeigte Bilddatenerzeugungseinrichtung 20 umfasst. Das CT-System 1, welches als Dual-Energie-CT-System ausgebildet ist, besteht dabei im Wesentlichen aus einem üblichen Scanner 10, in welchem an einer Gantry 11 eine Projektionsmessdatenakquisitionseinheit 5 mit zwei Detektoren 16a, 16b und zwei den Detektoren 16a, 16b gegenüberliegenden Röntgenquellen 15a, 15b 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 O zum Scanner 10 verschoben werden kann, um den Patienten O durch den Messraum 12 hindurch relativ zum Detektorsystem 16a, 16b zu bewegen. Angesteuert werden der Scanner 10 und der Patiententisch 3 durch eine Steuereinrichtung 30, von der aus über eine übliche Steuerschnittstelle 34 Akquisitionssteuersignale AS kommen, um das gesamte System gemäß vorgegebener Messprotokolle in der herkömmlichen Weise anzusteuern. Im Fall einer Spiralakquisition ergibt sich durch eine Bewegung des Patienten O entlang der z-Richtung, welche der Systemachse z längs durch den Messraum 12 entspricht, und den gleichzeitigen Umlauf der Röntgenquellen 15a, 15b für die Röntgenquellen 15a, 15b relativ zum Patienten O während der Messung eine Helixbahn. Parallel laufen dabei immer gegenüber den Röntgenquellen 15a, 15b die Detektoren 16a, 16b mit, um Projektionsmessdaten PMD1, PMD2 zu erfassen, die dann zur Rekonstruktion von Volumen- und/oder Schicht-Bilddaten genutzt werden. Ebenso kann auch ein sequentielles Messverfahren 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 PMD1, PMD2 erfasst werden, um ein Schnittbild an dieser z-Position zu rekonstruieren oder um aus den Projektionsmessdaten mehrerer z-Positionen Bilddaten zu rekonstruieren. Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich auch an anderen CT-Systemen, z.B. mit nur einer Röntgenquelle oder 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 von den Detektoren 16a, 16b akquirierten Projektionsmessdaten PMD1, PMD2 (im Folgenden auch Rohdaten genannt) werden über eine Rohdatenschnittstelle 33 an die Steuereinrichtung 30 übergeben. Diese Rohdaten werden dann, gegebenenfalls nach einer geeigneten Vorverarbeitung in einer Bilddatenerzeugungseinrichtung 20 weiterverarbeitet, die in diesem Ausführungsbeispiel in der Steuereinrichtung 30 in Form von Software auf einem Prozessor realisiert ist. Diese Bilddatenerzeugungseinrichtung 20 rekonstruiert auf Basis der Rohdaten PMD1, PMD2 pseudo-monoenergetische Bilddaten FBD(E3) mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der genaue Aufbau einer solchen Bilddatenerzeugungseinrichtung 20 ist in 2 ausführlich dargestellt.
  • Die von der Bilddatenerzeugungseinrichtung 20 erzeugten pseudo-monoenergetischen Bilddaten FBD(E3) werden dann in einem Speicher 32 der Steuereinrichtung 30 hinterlegt und/oder in üblicher Weise auf dem Bildschirm der Steuereinrichtung 30 ausgegeben. Sie können auch über eine in 3 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. Über die Bilddatenerzeugungseinrichtung 20 erfolgt auch eine Ermittlung von geeigneten Ansteuerparametern bzw. Ansteuersignalen AS auf der Basis von vorab eingegebenen Daten, insbesondere von Abmessungsparameterwerten APW. Die Ansteuersignale werden anschließend an die genannte Steuerschnittstelle 34 übermittelt. Von dort werden dann die direkt an der Bildgebung beteiligten Einheiten, wie zum Beispiel die Röntgenquellen 15a, 15b, die Detektoren 16a, 16b, die Patientenliege 3 usw. angesteuert
  • Zusätzlich ist in der 3 auch eine Kontrastmittel-Injektionseinrichtung 35 eingezeichnet, mit der dem Patienten O ein Kontrastmittel vorab, d.h. vor dem Start des CT-Bildgebungsverfahrens 100 injiziert wird. Das dynamische Verhalten des Kontrastmittels in einem zu untersuchenden Bereich kann dann mit Hilfe des Computertomographiesystems 1 unter Anwendung des erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahrens 100 bildlich erfasst werden.
  • Die Komponenten der Bilddatenerzeugungseinrichtung 20 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.
  • 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 Bilddatenerzeugungseinrichtung in erster Linie anhand eines Systems zur Aufnahme von medizinischen Bilddaten erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine Anwendung im medizinischen Bereich beschränkt, sondern die Erfindung kann auch grundsätzlich 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.

Claims (12)

  1. Dynamisches zeitaufgelöstes Röntgenbildgebungsverfahren (100), vorzugsweise CT-Röntgenbildgebungsverfahren, zum Erzeugen von kontrastverstärkten Bilddaten (FBD(E3)) von einem Untersuchungsbereich (FOV) eines zu untersuchenden Objekts (O), aufweisend die Schritte: - Erfassen von ersten kontrastmittelbeeinflussten Röntgenprojektionsmessdaten (PMD1) mit einem ersten Röntgenenergiespektrum (RE1) und von mindestens zweiten kontrastmittelbeeinflussten Röntgenprojektionsmessdaten (PMD2) mit einem zweiten Röntgenenergiespektrum (RE2) von dem Untersuchungsbereich (FOV), wobei als Kontrastmittel Iod verwendet wird, - Rekonstruieren von pseudo-monoenergetischen Bilddaten (BD(E3), FBD(E3)), welche einem dritten Röntgenenergiespektrum (RE3) mit einem einzelnen dritten Energiewert (E3) zwischen 35 keV und 40 keV zugeordnet sind, auf Basis der erfassten ersten und mindestens zweiten Röntgenprojektionsmessdaten (PMD1, PMD2), wobei eine mittlere Energie (E1) des ersten Röntgenenergiespektrums (RE1) und eine mittlere Energie (E2) des zweiten Röntgenenergiespektrums (RE2) in Abhängigkeit von einem Abmessungsparameterwert (APW) des zu untersuchenden Objekts (O), welcher Informationen hinsichtlich der Abmessungen des Körpers des zu untersuchenden Objekts (O) umfasst, derart gewählt werden, dass bei einer dickeren Person als zu untersuchendem Objekt (O) die elektrische Spannung einer oder mehrerer für das Erfassen der ersten und mindestens zweiten kontrastmittelbeeinflussten Röntgenprojektionsmessdaten (PMD1, PMD2) verwendeten Röntgenröhren heraufgesetzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als mittlere Energie (E1, E2) für das erste (RE1) und das zweite Röntgenenergiespektrum (RE2) Energiewerte gewählt werden, bei denen im Vergleich zu dem dritten Energiewert (E3) ein niedrigeres Bildrauschen auftritt, und/oder als mittlere Energie (E1, E2) für das erste (RE1) und das zweite Röntgenenergiespektrum (RE2) ein höherer Wert gewählt wird als für den dritten Energiewert (E3) des dritten Röntgenenergiespektrums (RE3).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das dynamische zeitaufgelöste Röntgenbildgebungsverfahren ein CT-Angiographieverfahren oder ein CT-Perfusionsbildgebungsverfahren umfasst.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Abmessungsparameterwert (APW) Informationen hinsichtlich der Körpermasse und/oder des BMIs des zu untersuchenden Objekts (O) umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, wobei zur Erfassung der ersten und mindestens zweiten Röntgenprojektionsmessdaten (PMD1, PMD2) ein Multi-Source-CT-System, vorzugsweise ein Dual-Source-CT-System (1), verwendet wird, wobei die ersten und mindestens zweiten Röntgenprojektionsmessdaten (PMD1, PMD2) vorzugsweise simultan erfasst werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zur Erfassung der ersten und mindestens zweiten Röntgenprojektionsmessdaten (PMD1, PMD2) ein Single-Source-CT-System mit einer einzigen Röntgenröhre verwendet wird, wobei die ersten und mindestens zweiten Röntgenprojektionsmessdaten (PMD1, PMD2) durch schnelle Umschaltung einer an der Röntgenröhre anliegenden elektrischen Spannung erfasst werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zur Erfassung der ersten und mindestens zweiten Röntgenprojektionsmessdaten (PMD1, PMD2) ein photonenzählender Röntgendetektor (16a, 16b) eingesetzt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zusätzlich Bilddaten zu einem vierten Energiespektrum (RE4) mit einer hohen mittleren Energie (E4) auf Basis der ersten und mindestens zweiten Röntgenprojektionsmessdaten (PMD1, PMD2) ermittelt werden, wobei die zusätzlichen Bilddaten nichtkontrastverstärkten Bilddaten entsprechen, und/oder bei der Bildrekonstruktion ein Filterverfahren zur Reduktion des Bildrauschens durchgeführt wird.
  9. Bilddatenerzeugungseinrichtung (20), aufweisend: - eine Röntgenenergie-Ermittlungseinheit (26), eingerichtet zum Ermitteln einer mittleren Energie (E1) eines ersten Röntgenenergiespektrums (RE1) und einer mittleren Energie (E2) eines zweiten Röntgenenergiespektrums (RE2) in Abhängigkeit von einem Abmessungsparameterwert (APW) eines zu untersuchenden Objekts (O), welcher Informationen hinsichtlich der Abmessungen des Körpers des zu untersuchenden Objekts (O) umfasst, derart, dass bei einer dickeren Person als zu untersuchendem Objekt (O) ein Heraufsetzen der elektrischen Spannung einer oder mehrerer für das Erfassen der ersten und mindestens zweiten kontrastmittelbeeinflussten Röntgenprojektionsmessdaten verwendeten Röntgenröhren erfolgt, - eine Steuerungseinheit (27), eingerichtet zum Ansteuern einer oder mehrerer Röntgenquellen eines CT-Systems (1) derart, dass Röntgenstrahlen mit dem ersten Röntgenenergiespektrum (RE1) und dem zweiten Röntgenenergiespektrum (RE2) jeweils mit der ermittelten ersten und zweiten mittleren Energie (E1, E2) erzeugt werden, - eine Projektionsmessdatenerfassungseinheit (21), eingerichtet zum dynamischen zeitaufgelösten Erfassen von ersten kontrastmittelbeeinflussten Röntgenprojektionsmessdaten (PMD1) mit dem ersten Röntgenenergiespektrum (RE1) und von zweiten kontrastmittelbeeinflussten Röntgenprojektionsmessdaten (PMD2) mit dem zweiten Röntgenenergiespektrum (RE2) von einem Untersuchungsbereich (FOV) des zu untersuchenden Objekts (O), wobei als Kontrastmittel Iod verwendet wird, - eine Bilddatenrekonstruktionseinheit (22), eingerichtet zum Rekonstruieren von pseudo-monoenergetischen Bilddaten (BD(E3), BDM1), welche einem dritten Röntgenenergiespektrum (RE3) mit einem einzelnen dritten Energiewert (E3) zwischen 35 keV und 40 keV zugeordnet sind, auf Basis der erfassten ersten und mindestens zweiten Röntgenprojektionsmessdaten (PMD1, PMD2).
  10. Computertomographiesystem, aufweisend eine Bilddatenerzeugungseinrichtung nach Anspruch 9.
  11. Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, welches direkt in eine Speichereinheit einer Bilddatenerzeugungseinrichtung (20) nach Anspruch 9 ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Bilddatenerzeugungseinrichtung (20) ausgeführt wird.
  12. Computerlesbares Medium, auf welchem von einer Prozesseinheit einer Bilddatenerzeugungseinrichtung (20) nach Anspruch 9 einlesbare und ausführbare Programmabschnitte gespeichert sind, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen, wenn die Programmabschnitte von der Prozesseinheit der Bilddatenerzeugungseinrichtung (20) ausgeführt werden.
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