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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Planung einer Untersuchung, ein Verfahren zur Dokumentation derselben, ein Positionierungsverfahren und ein Tomosynthesesystem.
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Zur Früherkennung von Mammakarzinomen gibt es eine Vielzahl an Diagnosemethoden. Neben der klassischen ärztlichen Untersuchung durch Abtasten, werden häufig zweidimensionale Röntgenaufnahmen als Projektionen der Brust, sogenannte Mammogramme, angefertigt. Problematisch ist dabei, dass durch die Überlagerung verschiedener Gewebestrukturen krankhafte Veränderungen im Gewebe häufig verdeckt und daher nicht erkannt werden. Dieses Problem versucht man zu kompensieren, indem man die Brust aus zwei unterschiedlichen Winkeln, beispielsweise einmal craniocaudal, d. h. in Richtung vom Kopf zu den Füßen, und einmal im 45°-Winkel dazu, aufnimmt.
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Die Projektionsbilder geben allerdings noch keinen Aufschluss über die Dignität der Veränderung. Es bleibt also unklar, ob es sich um eine gutartige oder bösartige Gewebeveränderung handelt. Um dies aufzuklären, muss in der Regel im Rahmen einer Biopsie eine Gewebeprobe entnommen werden, deren Änderungen im feingeweblichen Aufbau folgend histologisch untersucht werden. Für die Probeentnahme ist es möglich, die Gewebeveränderung anhand der zwei Mammogramme zu lokalisieren. Zur Bestimmung der Position im dreidimensionalen Raum ist es dafür erforderlich, die Gewebeveränderung in beiden zweidimensionalen Mammogrammen zu markieren. Aufgrund der zwei zu setzenden Markierungen ergibt sich, beispielsweise aufgrund von Mittelwertbildung, eine gewisse Unsicherheit bei der Lokalisierung, die die Probenentnahme erschwert.
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Des Weiteren ist die Technik der sogenannten Tomosynthese bekannt. Sie beschreibt ein Bildgebungsverfahren, bei dem die Brust aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Winkeln aufgenommen wird. Beispielsweise werden Projektionen in Winkeln von 15 bis 50 Grad um die craniocaudale Winkelposition erfasst, wobei die Gesamtdosis in etwa der eines klassischen zweidimensionalen Mammogramms entspricht. Aus den erfassten Projektionsdaten werden üblicherweise Bilder für einzelne Schichten des Brustgewebes errechnet, d. h. rekonstruiert. Um einen Volumendatensatz eines zu untersuchenden Bereichs aus den erfassten Projektionsdaten zu rekonstruieren, kommt häufig das Verfahren der gefilterten Rückprojektion zum Einsatz. Der resultierende Volumendatensatz kann zu Diagnosezwecken schichtweise betrachtet werden. Da Schichten über und unter der jeweils zur Ansicht ausgewählten Schicht bei der Befundung ausgeblendet werden können, sind krankhafte Gewebeveränderungen in der Regel leichter zu erkennen. Allerdings werden dabei die Schichten aus lediglich einer Richtung dargestellt, sodass es sich je nach Richtung der Gewebeveränderung weiterhin als schwierig erweisen kann, diese festzustellen und exakt zu lokalisieren.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zur Untersuchungsplanung eine einfache und genaue dreidimensionale Lokalisierung einer interessierenden Position in einem Untersuchungsobjekt mittels eines Tomosynthesesystems zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Planung einer Untersuchung gemäß Patentanspruch 1, ein Positionierungsverfahren gemäß Patentanspruch 8, ein Verfahren zur Dokumentation einer Untersuchung gemäß Patentanspruch 9 und Tomosynthesesystem gemäß Patentanspruch 10 gelöst.
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Das eingangs genannte Verfahren zur Planung einer Untersuchung eines Untersuchungsobjekts mittels eines Tomosynthesegeräts weist folgende Schritte auf. Zunächst werden Rohdaten des Untersuchungsobjekts erfasst, welche aus definierten Akquisitionswinkeln akquiriert wurden. Aus den Rohdaten wird ein Hilfsdatensatz rekonstruiert. Auf Basis des Hilfsdatensatzes werden Tiefendaten berechnet. Ferner wird auf Basis des Hilfsdatensatzes oder auf Basis der Rohdaten eine Anzahl von Projektionen aus Sicht eines jeweils definierten Projektionszentrums berechnet. Eine Projektion stellt dabei eine virtuelle Sicht auf das erfasste Untersuchungsobjekt ausgehend vom virtuellen Projektionszentrum als Blickpunkt dar. Dabei umfassen die Projektionen jeweils eine Anzahl von Bildpunkten und jeder Bildpunkt ist mit den ihm zugeordneten Tiefendaten verknüpft. Folgend werden die Projektionen angezeigt und zumindest eine Projektion wird ausgewählt. In der zumindest einen, vorzugsweise genau einen, ausgewählten Projektion wird eine Position eines Untersuchungsbereichs des Untersuchungsobjekts markiert. Unter Verwendung der markierten Position und deren Tiefendaten werden eine reale dreidimensionale Position des Untersuchungsbereiches und vorzugsweise zusätzlich ein Untersuchungsweg zum Untersuchungsbereich berechnet.
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Bei dem Untersuchungsobjekt handelt es sich bevorzugt um einen Körperteil einer Patientin, beispielsweise um eine weibliche Brust, die auf krankhafte Gewebeveränderungen untersucht werden soll. Mit dem Tomosynthesesystem werden zunächst, wie bei derartigen Bilderfassungen üblich, Rohdaten in Form von Projektionen des Untersuchungsobjekts aufgenommen. Dafür wird von einer Röntgenquelle Röntgenstrahlung emittiert, die das Untersuchungsobjekt durchdringt und von einem Detektor erfasst wird. Dabei weisen unterschiedliche, das Untersuchungsobjekt bildende Materialien im Allgemeinen voneinander verschiedene Absorptionsverhalten auf, sodass der Detektor mit der projizierten Röntgenstrahlung Informationen über die Struktur des Untersuchungsobjekts erfasst. Die Rohdaten werden aus unterschiedlichen Winkeln aufgenommen, beispielsweise aus 9 bis 25 Winkelpositionen, die zum Beispiel mit variierenden Winkelabständen, bevorzugt jedoch äquidistant, auf einen Winkelbereich von ±15° bis ±50° um eine zentrale Winkelposition verteilt sind, d. h. die Akquisitionswinkel sind bevorzugt um die mittlere craniocaudale Richtung (vom Kopf zu den Füßen) zentriert. Aus den so erfassten Rohdaten wird ein Hilfsbilddatensatz, vorzugsweise ein Volumendatensatz, erzeugt. Der Hilfsbilddatensatz kann also mit einem üblichen Rekonstruktionsverfahren, beispielsweise der gefilterten Rückprojektion, als Volumendatensatz erhalten werden, der typischerweise zu einer schichtweisen Darstellung des Untersuchungsobjekts genutzt wird. Es kann sich bei dem Hilfsdatensatz aber auch um einen abstrakten, d.h. nicht unmittelbar darstellbaren, Datensatz handeln, aus dem beispielsweise lediglich Tiefendaten bzw. synthetische Projektionen berechnet werden können. Mit aktuellen Methoden ist es aber auch möglich eine synthetische Projektion direkt aus einer Anzahl von Projektionen der Rohdaten zu berechnen.
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Der Volumendatensatz stellt im Wesentlichen ein dreidimensionales Bild des Untersuchungsobjekts dar. Zur Visualisierung auf einer Anzeigeeinheit werden aus ihm meist Schichtbilder erzeugt, sodass nur die Bildinformationen einer Schicht dargestellt werden, während die zu den anderen Schichten gehörenden Bildinformationen ausgeblendet sind. Demgegenüber wird erfindungsgemäß eine Anzahl von synthetischen Projektionen des Untersuchungsobjekts erzeugt. Die synthetischen Projektionen sind dabei keine Projektionen im herkömmlichen Sinne, sondern sie heben bevorzugt die interessierenden Bereiche des Untersuchungsobjekts hervor. Die interessierenden Bereiche weisen dabei Merkmale auf, die beispielsweise regelmäßig eine Gewebeveränderung repräsentieren. Die Bildpunkte einer erfindungsgemäßen Projektion stammen also im Allgemeinen nicht aus einer Ebene bzw. Schicht des Volumendatensatzes, sondern bilden die interessierenden Bereiche ab, die beliebig im Volumendatensatz positioniert sein können. Vorteilhafterweise können so die interessierenden Bereiche in weitgehend allen Projektionen betrachtet werden. Es ist also nicht mehr erforderlich sich zu einer interessierenden Schicht durchzuarbeiten, da die entsprechenden Bereiche in jeder Projektion sichtbar sind.
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Dabei kann es in einer Projektion theoretisch zu einer Überdeckung mehrerer potentiell interessierender Bereiche kommen. Um die Bereiche zumindest in den anderen Projektionen unterscheiden bzw. voneinander trennen zu können, wird daher für eine Projektion jeweils ein Projektionszentrum definiert. Das Projektionszentrum stellt dabei den virtuellen Blickpunkt bzw. die Perspektive eines Betrachters dar, der den Volumendatensatz entlang einer zentralen Blickrichtung betrachtet. Dadurch ergibt sich eine Projektionsrichtung relativ zum Volumendatensatz. Diese unterscheidet sich bevorzugt zwischen den einzelnen Projektionen. Von einer Projektion zur anderen wird also bevorzugt der Blickwinkel auf den Volumendatensatz geändert. Dadurch wird vermieden, dass sich die interessierenden Bereiche auch in unterschiedlichen Projektionen überdecken.
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Die Bildpunkte der Projektionen sind zusätzlich zu Standarddaten, wie beispielsweise Koordinaten im zweidimensionalen Projektionsbild, Helligkeit und/oder Farbe oder dergleichen, auch mit Tiefendaten verknüpft. Diese geben beispielsweise in Form einer dritten Koordinate den Abstand des durch den Bildpunkt repräsentierten interessierenden Bereiches zum Projektionszentrum an; jedenfalls kann aus ihnen die dem Bildpunkt zugeordnete Position im Dreidimensionalen bestimmt werden.
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Die so erhaltenen Projektionen können beispielsweise als Einzelbilder dargestellt und auf diese Weise parallel oder nacheinander betrachtet werden, insbesondere mittels „Klicken“ durch die Einzelbilder. Dafür können zusätzliche Funktionen wie beispielsweise unterschiedliche Farbdarstellungen und/oder ein Zoom, also eine Vergrößerung, vorgesehen sein. Insbesondere kann von einem Betrachter in einer ersten Projektion eine interessierende Region eine sogenannte „ROI“ festgelegt werden, die entsprechend in den folgenden (dieser Auswahl entsprechend berechneten) Projektionen ausschnittweise dargestellt wird. Bevorzugt werden die Projektionen jedoch zeitlich aufeinanderfolgend in Form eines Videos abgespielt, das zum Beispiel auf Wunsch des Betrachters angehalten und wieder gestartet sowie beschleunigt und verlangsamt werden kann. Eine der Projektionen wird beispielsweise automatisch oder von einem Benutzer durch anhalten des Videos ausgewählt.
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In der ausgewählten Projektion wird, beispielsweise anhand eines geeigneten Algorithmus automatisch eine Position, d. h. ein Bildpunkt bzw. ein Bildbereich, markiert. Bevorzugt markiert jedoch ein Bediener manuell die Position zum Beispiel per Mausklick oder Anwahl auf einem Touchscreen. Die Position liegt möglichst zentral in einem interessierenden Bereich, in dem beispielsweise eine krankhafte Gewebeveränderung vermutet wird. Erfindungsgemäß ist bereits eine gesetzte Markierung ausreichend für die folgenden Verfahrensschritte. Es ist aber auch möglich mehrere Projektionen auszuwählen, in diesen Projektionen Markierungen für dieselbe Position zu setzen. Hierdurch kann gegebenenfalls eine höhere Genauigkeit erreicht werden.
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Mithilfe der Koordinaten des Bildpunkts der markierte Position und den damit verknüpften Tiefendaten wird wie oben beschrieben die Position im Volumendatensatz berechnet. Diese repräsentiert eine Position im realen Untersuchungsobjekt, sodass die reale dreidimensionale Position daraus beispielsweise mittels einer geeigneten Koordinatentransformation berechnet werden kann. „Real“ heißt dabei, dass eine Position im greifbar existenten Untersuchungsobjekt ermittelt wird. Darauf basierend wird bevorzugt auch ein Untersuchungsweg zu dieser Position berechnet. In die Berechnung eines möglichst günstigen Untersuchungswegs z. B. für eine Biopsienadel können neben der Position auch andere Parameter einfließen. Zum Beispiel können Gewebeeigenschaften auf einem potentiellen Untersuchungsweg wie die Lage von Blutgefäßen und/oder eine Positionierbarkeit eines Untersuchungsinstruments und dergleichen berücksichtigt werden.
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Bei dem eingangs genannten Positionierungsverfahren wird ein Untersuchungsweg unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Planung einer Untersuchung berechnet und ein Untersuchungsinstrument auf Basis des berechneten Untersuchungswegs positioniert. Bei dem Untersuchungsinstrument handelt es sich bevorzugt um eine Biopsieeinrichtung zur Entnahme einer Gewebeprobe. Diese umfasst eine Positionierungseinrichtung, einen Nadelhalter sowie eine Biopsienadel. Die Positionierungseinrichtung ist dabei, zum Beispiel in Form eines Roboterarms, mit motorischen bzw. Gelenkelementen so ausgebildet, dass sie den Nadelhalter und die Biopsienadel entsprechend dem Untersuchungsweg, insbesondere auf einer verlängerten Achse des Untersuchungswegs, positioniert. Dafür wird die Biopsienadel so ausgerichtet, dass sie entlang des Untersuchungswegs in das Gewebe vordringen kann, um im Untersuchungsbereich eine Gewebeprobe, beispielsweise mittels einer Vakuumbiopsie, zu entnehmen.
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Das eingangs genannte Verfahren zur Dokumentation einer Untersuchung mittels einer digitalen Tomosynthese eines Untersuchungsobjekts weist folgende Schritte auf. Zunächst wird die Untersuchung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Planung einer Untersuchung geplant. Ein Untersuchungsinstrument wird, insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Positionierungsverfahren, positioniert. Eine nachfolgende eigentliche Probenentnahme durch Einbringen eines Untersuchungsinstruments, beispielsweise einer Biopsienadel, kann dann mit einem üblichen Verfahren erfolgen. Dabei können zumindest zwei Projektionsdatensätze und/oder einem Tomosynthesescan, die vor, während und/oder nach einem Einbringen in das Untersuchungsobjekt sowie in Unterschiedlichen Betriebszuständen (z. B. vor und/oder nach dem „Abfeuern“ der Biopsienadel) des Untersuchungsinstruments akquiriert wurden, erfasst werden.
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Die vor dem Einbringen bzw. vor bestimmten Betriebszuständen des Untersuchungsinstruments erfassten Projektionen bzw. der Tomosynthesescan stellen dabei Kontrollaufnahmen dafür dar, dass das Untersuchungsinstrument korrekt positioniert wurde. Bei nicht exakter Positionierung werden die vorherigen Schritte der Markierung des interessierenden Bereichs bzw. Positionierung wiederholt, um die Untersuchung bestmöglich durchführen zu können. Die Kontrollaufnahmen, die nach dem Einbringen des Untersuchungsinstruments bzw. nach bestimmten Betriebszuständen akquiriert werden, dienen der Kontrolle, dass das Untersuchungsinstruments entlang des geplanten Weges auch tatsächlich bis zur markierten Position im interessierenden Bereich gelangt ist.
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Die erfassten Kontrollaufnahmen werden dabei derart mit dem Volumendatensatz kombiniert, dass das Untersuchungsinstrument in den berechneten Projektionen des ursprünglichen Volumendatensatzes in seiner jeweiligen Position dargestellt wird. Es ist also einerseits grundsätzlich nicht mehr nötig, für jede zu kontrollierende Position des Untersuchungsinstruments einen vollständigen weiteren Tomosynthesescan durchzuführen. Denn das erfindungsgemäße Verfahren zur Dokumentation einer Untersuchung ermöglicht es, die Daten der Kontrollaufnahmen mit den ursprünglichen Daten abzugleichen und entsprechend in diese einzubinden. Dies verringert vorteilhafterweise die verursachte Strahlenbelastung. Andererseits ist ein Vorteil eines weiteren mit dem ursprünglichen Volumendatensatz abgeglichenen Tomosynthesescans, dass er weit detailliere Informationen über die Untersuchung liefern kann, als es bisher möglich war. Welche Art von Kontrollaufnahme getätigt werden soll, ist also je nach Situation abzuwägen.
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Das eingangs genannte Tomosynthesesystem weist ein Tomosynthesegerät mit einer Quelle-Detektor-Anordnung auf, die zur Aufnahme von Rohdaten des Untersuchungsobjekts aus definierten Akquisitionswinkeln ausgebildet ist. Ferner umfasst das Tomosynthesesystem eine Anzeigeeinheit, ein Eingabegerät und eine Bildrekonstruktionseinrichtung, die so ausgebildet ist, dass sie das erfindungsgemäße Verfahren zur Planung einer Untersuchung ausführt. Für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Positionierungsverfahrens weist das Tomosynthesesystem bevorzugt auch eine Steuereinrichtung und ein entsprechendes Untersuchungsinstrument mit einem Nadelhalter sowie einer Biopsienadel auf, das mittels einer Positionierungseinrichtung positioniert werden kann.
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Die wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Bildrekonstruktionseinrichtung können zum überwiegenden Teil in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. 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.
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Insbesondere kann die erfindungsgemäße Bildrekonstruktionseinrichtung Teil eines Benutzerterminals eines Tomosynthesesystems sein.
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Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Bildrekonstruktionseinrichtungen 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 Bildrekonstruktionseinrichtungen eines Tomosynthesesystems ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in der Bildrekonstruktionseinrichtung 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.
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Zum Transport zur Bildrekonstruktionseinrichtung und/oder zur Speicherung an oder in der Bildrekonstruktionseinrichtung 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 Bildrekonstruktionseinrichtung einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen.
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Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.
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Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Planung einer Untersuchung wird zur Berechnung der Projektionen für eine Vielzahl von Strahlen, die vom Projektionszentrum ausgehen, pro Strahl je ein vom Volumendatensatzes umfasster Volumenbildpunkt verwendet, der eine Intensität aufweist, die entlang des Strahls maximal ist. Als Strahl ist hier eine dem Projektionszentrum entspringende Halbgerade zu verstehen, die durch den ihr zugeordneten Bildpunkt der Projektion verläuft. Es handelt sich bei dem Strahl also nicht um Röntgenstrahlung, sondern um ein geometrisches Konstruktionsmittel für die Berechnung der Projektion. Bei dieser auch MIP „maximum intensity projection“ genannten Art der Projektion werden eben nur die Bildpunkte des Volumendatensatzes dargestellt, deren Entsprechung im Untersuchungsobjekt den höchsten Absorptionskoeffizienten entlang des Strahls aufweist. Die maximale Intensität entspricht also nicht der Intensität der tatsächlich detektierten Röntgenstrahlung, sondern einem Helligkeitswert, der mit der Absorption des Volumenbildpunktes korreliert, der die meiste Röntgenstrahlung entlang des Strahls absorbiert. Dies ermöglicht eine verbesserte Darstellung von Kalzifikationen, die ein Indiz für krankhafte Gewebeveränderungen sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Planung einer Untersuchung wird zur Berechnung einer Projektion für eine Vielzahl von Strahlen, die vom Projektionszentrum ausgehen, pro Strahl je ein vom Volumendatensatzes umfasster Volumenbildpunkt verwendet, für den eine Gewichtungsfunktion entlang des Strahls maximal ist. Ähnlich wie oben beschrieben wird ein auf dem Strahl liegender Punkt ausgewählt, hier allerdings auf Basis der Gewichtungsfunktion. Besonders bevorzugt repräsentiert die Gewichtungsfunktion Merkmale einer Struktur des Untersuchungsobjekts und gewichtet bestimmte, nämlich interessierende, Strukturen stärker. So können beispielsweise Strukturen in einem definierten Größenregime hervorgehoben und demgegenüber der Hintergrund abgeschwächt werden.
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Die Gewichtungsfunktion ist dabei so ausgebildet, dass sie eben in Bereichen, in denen die interessierenden Strukturen angeordnet sind höhere Werte annimmt und in besonders interessanten Bereichen maximal wird. Dadurch können die Bereiche bzw. die Bildpunkte selektiert und hervorgehoben werden, die beispielsweise eine krankhafte Gewebeveränderung indizieren können. Zur Generierung der Gewichtungsfunktion wird bevorzugt eine eingehende Bildanalyse mit gängigen Mitteln der strukturellen Mustererkennung. In der auf diese Weise erhaltenen, HIP „highest interest projection“ genannten gewichteten Mittelwert-Projektion können so je nach Bedarf unterschiedliche Strukturen wie z. B. Gefäße, Kalzifikationen, Knoten und/oder spikulierte, d. h. Spitzen ausbildende, Knoten hervorgehoben werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die markierte Position und ggf. der Untersuchungsweg in zumindest einer Projektion und/oder einem rekonstruierten Schichtbild angezeigt. Die ermittelte reale Position bzw. der ermittelte Untersuchungsweg wird somit zur Kontrolle als Projektion dargestellt. Gegebenenfalls kann die Position bzw. der Untersuchungsweg dann noch manuell optimiert werden oder das Verfahren nochmals vom Schritt der Markierung der Position wiederholt werden, um ein günstigeres Ergebnis zu erhalten.
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Bevorzugt wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Planung einer Untersuchung der Untersuchungsweg in allen Projektionen angezeigt. Dies ermöglicht es einem Bediener, die Markierung aus unterschiedlichen Blickwinkeln zu betrachten und so besser zu kontrollieren, ob sie ausreichend genau platziert wurde bzw. ob der Untersuchungsweg bestmöglich geplant wurde.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung rotiert das Projektionszentrum zwischen den jeweiligen Projektionen relativ um den Volumendatensatz. Dadurch wird die Perspektive, also Blickwinkel und Projektionszentrum der jeweiligen Projektion im Verhältnis zur vorherigen Projektion um den Volumendatensatz bzw. um eine darin enthaltene ROI geschwenkt. Daraus ergibt sich eine Reihe von Projektionen, deren Perspektiven im Verhältnis zueinander bevorzugt zumindest auf einem Abschnitt einer, besonders bevorzugt auf einer vollständigen, Kreisbahn um den Volumendatensatz geschwenkt sind. Ein Betrachter kann so vorteilhafterweise, insbesondere bei einer Videodarstellung der so erhaltenen Projektionen, einen besonders gut die räumliche Struktur des Untersuchungsobjekts erfassen, was synergetisch mit den vorher beschriebenen Ausgestaltungsformen der Erfindung zusammenwirkt.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Die Figuren sind in der Regel nicht maßstäblich. Es zeigen:
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1 eine grob schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Tomosynthesesystems,
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2 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Planung einer Untersuchung,
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3 eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß angezeigten Projektion,
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4 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Positionierungsverfahrens und
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5 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Dokumentation einer Untersuchung.
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In 1 ist beispielhaft und grob schematisch ein erfindungsgemäßes Tomosynthesesystem 1 gezeigt. Relative Richtungsangaben wie oben, und etc. beziehen sich auf ein bestimmungsgemäß für den Betrieb aufgestelltes Tomosynthesesystem 1. Das Tomosynthesesystem 1 umfasst ein Tomosynthesegerät 2 und ein Rechnersystem 20. Das Tomosynthesegerät 2 weist eine Standsäule 17 und Quelle-Detektor-Anordnung 3 auf, die wiederum eine Röntgenstrahlungsquelle 4 und einen Detektor 5 mit einer Detektionsfläche 5.1 umfasst. Die Standsäule 17 steht im Betrieb auf dem Untergrund. Mit ihr ist die Quelle-Detektor-Anordnung 3 verschiebbar verbunden, sodass die Höhe der Detektorfläche 5.1, also der Abstand zum Untergrund, auf eine Brusthöhe einer Patientin eingestellt werden kann.
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Eine Brust O der Patientin (hier schematisch dargestellt) liegt als Untersuchungsobjekt O für eine Untersuchung oberseitig auf der Detektorfläche 5.1 auf. Über der Brust O und der Detektorfläche 5.1 ist eine Platte 6 angeordnet, die verschiebbar mit der Quelle-Detektor-Anordnung 3 verbunden ist. Für die Untersuchung wird die Brust O komprimiert und zugleich fixiert, indem die Platte 6 auf sie herabgesenkt wird, sodass auf die Brust O zwischen Platte 6 und Detektorfläche 5.1 ein Druck ausgeübt wird. Die Platte 6 weist mittig eine kreisförmige Ausnehmung 7 auf, durch die die Brust O für die Untersuchung zugänglich wird.
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Die Röntgenstrahlungsquelle 4 ist dem Detektor 5 gegenüberliegend so angeordnet und ausgebildet, dass der Detektor 5 von ihr emittierte Röntgenstrahlung erfasst, nachdem zumindest ein Teil der Röntgenstrahlung die Brust O der Patientin durchdrungen hat. Es werden also Projektionen der Brust O als Rohdaten RD erfasst. Dabei ist Röntgenstrahlungsquelle 4 relativ zum Detektor 5 mittels eines Dreharms 18 in einem Bereich von beispielsweise ±25° um eine Grundstellung schwenkbar, in der sie senkrecht über der Detektionsfläche 5.1 steht.
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Zusätzlich weist das Tomosynthesegerät 2 eine Biopsieeinrichtung 8 als Untersuchungsinstrument 8 und einen Roboterarm 9 als Positionierungseinrichtung 9 auf. Der Roboterarm 9 ist an einem festen Ende mit der Quelle-Detektor-Anordnung 3 verbunden. Er weist Gelenke und motorische Elemente zur Positionierung der Biopsieeinrichtung 8 auf, die mit seinem freien Ende verbunden ist. Die Biopsieeinrichtung 8 umfasst einen Nadelhalter 8.2 und eine darin gehaltene Biopsienadel 8.1 (siehe 3). Zur Vorbereitung einer Biopsie, also einer Gewebeentnahme zur histologischen Untersuchung, mittels des Tomosynthesesystems 1 wird, wie weiter unten beschrieben, das erfindungsgemäße Verfahren zur Planung einer Untersuchung durchgeführt.
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Das Rechnersystem 20 umfasst eine Rechnereinheit 12 und jeweils damit verbunden eine Maus 13, eine Tastatur 14 sowie einen Bildschirm 15. Der Bildschirm 15 dient hier als Anzeigeeinheit 15, Maus 13 und Tastatur 14 dienen jeweils als Eingabegerät. Die Rechnereinheit 12 umfasst eine Bildrekonstruktionseinrichtung 10 und eine Steuereinrichtung 11 (hier schematisch als Blöcke dargestellt) sowie ein Laufwerk 16 zum Einlesen von CD bzw. DVD. Dabei können die Bildrekonstruktionseinrichtung 10 die Steuereinrichtung 11 gemeinsam Komponenten der Rechnereinheit 12 nutzen, wie z. B. Speicher, Prozessoren und dergleichen. Das Rechnersystem 20 kann in demselben Raum wie das Tomosynthesegerät 2 angeordnet sein, es kann sich aber auch in einem angrenzenden Kontrollraum oder in einer noch weiteren räumlichen Entfernung befinden.
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2 zeigt beispielhaft ein Blockschema eines Verfahrens zur Planung einer Untersuchung I mittels eines Tomosynthesegeräts 2. In einem ersten vorbereitenden Schritt I.a werden Projektionsaufnahmen der Brust O als Rohdaten RD erfasst. Dafür wird die Brust O zunächst zwischen der Platte 6 und der Detektorfläche 5.1 komprimiert und fixiert. Durch die Komprimierung erstreckt sich die Brust O über eine größere Fläche, was zu einer besseren Unterscheidbarkeit einzelner Strukturen führt. Die Fixierung dient dazu, Bewegungsartefakte zu vermeiden. Folgend werden 25 Projektionsaufnahmen aus äquidistanten Winkeln im Bereich von ±25° um die craniocaudale Position erfasst, also um die Position, in der die Röntgenquelle 4 senkrecht über der Detektorfläche 5.1 steht. Es können je nach Bedarf aber auch mehr oder zur Reduktion der Strahlungsdosis auch weniger Projektionsaufnahmen erstellt werden, die gegebenenfalls auch über einen größeren oder kleineren Winkelbereich verteilt sein können. Diese Rohdaten RD werden an die Rechnereinheit 12 übertragen.
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Im zweiten Schritt I.b beginnt das eigentliche Planungsverfahren. Dabei wird in der Bildrekonstruktionseinheit 10 der Rechnereinheit 12 aus den Rohdaten RD mittels des gängigen Verfahrens der gefilterten Rückprojektion ein Volumendatensatz, also im Wesentlichen ein dreidimensionales Bild der Brust O der Patientin, rekonstruiert.
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Im Folgenden dritten Schritt I.c werden virtuelle Projektionen P aus dem Volumendatensatz berechnet. Dafür wird der Volumendatensatz virtuell aus Perspektiven, d. h. Blickpunkten und Blickwinkeln betrachtet, die regelmäßig auf einer Kreisbahn um den Volumendatensatz angeordnet sind, also beispielsweise um das Zentrum des Volumendatensatzes gedreht sind. Bildlich kann dies durch eine kreisförmige Kamerafahrt mit diskreten Positionen um den Volumendatensatz herum beschrieben werden.
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Dabei werden für die Beurteilung der Dignität besonders erhebliche Bereiche des Volumendatensatzes stärker gewichtet. Je nach Art der zu beurteilenden Gewebeveränderung wird eine MIP (maximum intensity projection) oder eine HIP (highest interest projection) auf den Volumendatensatz angewendet. Mit der MIP werden dabei (Mikro-)Kalzifikationen bevorzugt, die sich durch räumlich stark konzentrierte hohe HU-Werte auszeichnen. Bei der der HIP werden mittels einer umfangreicheren Bildanalyse mit gängigen Verfahren Bereiche ermittelt und priorisiert, die ihrer Struktur nach der zu beurteilenden Gewebeveränderung, also Knoten, spikulierte Knoten etc., ähnlich sind. In der Projektion P werden dann die Punkte des Volumendatensatzes als Bildpunkte mit ihrer gegebenenfalls gewichteten Helligkeit dargestellt, die entlang einer vom Blickpunkt ausgehenden Sichtlinie die höchste Gewichtung bzw. die höchste Priorität aufweisen. Die Entfernung der Bildpunkte zum Blickpunkt wird in Form einer Tiefenkarte, also als dem jeweiligen Bildpunkt zugeordneter Wert zusammen mit der Projektion P hinterlegt. Darüber lassen sich aus der Projektion die ursprünglichen Positionen der Bildpunkte im dreidimensionalen Volumen des Untersuchungsobjekts zurückrechnen.
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Die so erhaltenen Projektionen P werden im vierten Verfahrensschritt I.d auf dem Bildschirm 15 des Tomosynthesesystems 1 angezeigt. Die Anzeige erfolgt in Form eines aus den Projektionen gerenderten Videos, das das die Brust O in den Projektionen rotierend darstellt. Um im fünften Verfahrensschritt I.e eine Projektion P auszuwählen, wird das Video über eine Eingabe durch einen Bediener angehalten, wenn die gewünschte Projektion P angezeigt wird.
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Die ausgewählte Projektion P ist schematisch in 3 dargestellt. Aus weniger stark gewichteten Bereichen ist der Umriss bzw. die grobe Struktur als Projektion der Brust O ersichtlich. Innerhalb der Brust O befindet sich ein interessierender Bereich B, der eine zu untersuchende Gewebeveränderung beinhaltet und demgemäß hervorgehoben dargestellt ist.
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Im folgenden sechsten Verfahrensschritt I.f1 wird zunächst der Bereich B von einem Bediener beurteilt. Nach einer entsprechenden Einschätzung markiert der Bediener in der Projektion P mit Hilfe der Maus 13, der Tastatur 14 oder einem Touchscreen eine Position M in dem Bereich B, an der eine Gewebeprobe entnommen werden soll. Die Position M wird dabei durch ein Fadenkreuz oder eine ähnliche Markierung gekennzeichnet auf dem Bildschirm 15 dargestellt.
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In einem optionalen Verfahrensschritt I.f2 erfolgt eine nochmalige Anzeige des gerenderten Videos, wobei diesmal auch die markierte Position M in den Projektionen P dargestellt ist. Der Bediener kann hierdurch die markierte Position M auch aus anderen Blickwinkeln betrachten und somit deren Korrektheit überprüfen. Gegebenenfalls wird Schritt I.f1 wiederholt und die Markierung genauer positioniert oder es wird zu Schritt I.d zurückgekehrt um eine andere (günstigere) Projektion für die Markierung auszuwählen.
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Im siebten Schritt I.g wird ein Untersuchungsweg W für die Biopsie berechnet. Dieser verläuft geradlinig zur markierten Position M, wobei das umliegende Gewebe berücksichtigt wird, um die notwendige Verletzung möglichst gering zu halten.
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Der Untersuchungsweg W wird im achten Verfahrensschritt I.h in auf dem Bildschirm 15 in den zweidimensionalen Projektion dargestellt und in das (neu) gerenderte Video mit eingebunden. Des Weiteren wird auch ein Modell, d. h. eine Projektion, der Biopsieeinrichtung 8 mit in den Projektionen P angezeigt. Die Biosieeinrichtung 8 wird dabei in einer Position bzw. Ausrichtung in das Video eingebunden, in die sie für die Biopsie mit einem anhand von 4 geschilderten Positionierungsverfahren II gebracht wird. Auf Basis dieser Anzeige kann der Bediener den Verlauf des Untersuchungswegs W beurteilen und gegebenenfalls zu den Schritten I.d bzw. I.f1 zurückkehren, um eine günstigere markierte Position M zu bestimmen. Optional kann der Bediener den Untersuchungsweg W auch noch manuell ändern und an besondere Gegebenheiten anpassen.
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In 4 ist beispielhaft ein Blockschema eines erfindungsgemäßen Positionierungsverfahrens II dargestellt. Zur Berechnung eines Untersuchungswegs W wird zunächst das anhand von 2 erläuterte Verfahren zur Planung einer Untersuchung I durchgeführt. Auf Basis des so ermittelten Untersuchungswegs W wird folgend im Positionierungsverfahren II die Biopsieeinrichtung 8 mittels des Roboterarms 9 und der Steuereinrichtung 11 positioniert. Der Roboterarm 9 bewegt die Biopsieeinrichtung 8 mittels Gelenken und Motoren dabei relativ zur Brust O in eine Winkelausrichtung und Lage im dreidimensionalen Raum. So positioniert dringt die vom Nadelhalter 8.2 gehaltene Biopsienadel 8.1 im Rahmen einer folgenden Biopsie exakt zur markierten Position M im interessierenden Bereich B der Brust O vor.
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In 5 ist beispielhaft ein Blockschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Dokumentation einer Untersuchung III dargestellt. Zunächst werden die zuvor beschriebenen Schritte des Verfahrens zur Planung einer Untersuchung I und das Positionierungsverfahren II durchgeführt. Die Biopsieeinrichtung 8 befindet danach in der Ausgangsposition für die folgende Biopsie. In dieser Position werden im Schritt III.a zwei preshot-Projektionsaufnahmen erfasst, die aus unterschiedlichen Winkeln von der Brust O und der Biopsieeinrichtung 8 akquiriert wurden. Im Schritt III.b wird das Verfahren pausiert, um im Rahmen einer (nicht vom Dokumentationsverfahren umfassten) Biopsie die Biopsienadel 8.1 in die Brust O einzubringen. Bei eingebrachter Biopsienadel 8.1 werden im Schritt III.c erneut zwei post-shot-Projektionsaufnahmen erfasst, die aus unterschiedlichen Winkeln von der Brust O und der Biopsieeinrichtung 8 akquiriert wurden.
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Die in den Schritten III.a und III.b erfassten Projektionsaufnahmen werden anschließend mit dem ursprünglichen Volumendatensatz abgeglichen bzw. auf diesem registriert. Dadurch kann jeweils ein Video vor der Biopsie und ein Video nach dem Einbringen der Biopsienadel 8.1 generiert werden, das die jeweiligen Untersuchungsschritte quasi dreidimensional dokumentiert. Die Strahlenbelastung für die Patientin wird dabei trotz der umfangreichen Dokumentation vorteilhaft gering gehalten, da nach dem ursprünglichen Tomosynthesescan kein vollständigen Scan mehr akquiriert wird, sondern lediglich einzelne Projektionen der Brust aufgenommen werden.
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Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließen die Begriffe „Einrichtung“, „Einheit“ und „System“ nicht aus, dass die betreffende Komponente aus mehreren zusammenwirkenden Teilkomponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tomosynthesesystem
- 2
- Tomosynthesegerät
- 3
- Quelle-Detektor-Anordnung
- 4
- Röntgenstrahlungsquelle
- 5
- Detektor
- 5.1
- Detektionsfläche
- 6
- Platte
- 7
- kreisförmige Ausnehmung
- 8
- Untersuchungsinstrument, Biopsieeinrichtung
- 8.1
- Biopsienadel
- 8.2
- Nadelhalter
- 9
- Positionierungseinrichtung, Roboterarm
- 10
- Bildrekonstruktionseinrichtung
- 11
- Steuereinrichtung
- 12
- Rechnereinheit
- 13
- Maus
- 14
- Tastatur
- 15
- Anzeigeeinheit, Bildschirm
- 16
- Laufwerk
- 17
- Standsäule
- 18
- Dreharm
- 20
- Rechnersystem
- B
- Bereich
- M
- markierte Position
- O
- Untersuchungsobjekt, Brust
- P
- Projektion
- RD
- Rohdaten
- W
- Untersuchungsweg
- I
- Verfahren zur Planung einer Untersuchung
- I.a, ..., I.h
- Verfahrensschritte
- II
- Positionierungsverfahren
- III
- Verfahren zur Dokumentation einer Untersuchung
- III.a, III.b, III.b
- Verfahrensschritte
