DE102019207921B4

DE102019207921B4 - Verfahren zur Erstellung eines 3D DSA-Bildes und C-Bogen Röntgengerät

Info

Publication number: DE102019207921B4
Application number: DE102019207921.0A
Authority: DE
Inventors: Alois Regensburger; Amilcar ALZAGA
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2019-05-29
Filing date: 2019-05-29
Publication date: 2022-08-11
Anticipated expiration: 2039-05-30
Also published as: DE102019207921A1

Abstract

Verfahren zur Erstellung eines dreidimensionalen digitalen Subtraktionsangiographiebildes eines Gefäßsystems eines Patienten mit den folgenden Schritten:
• Bereitstellung eines ersten rekonstruierten dreidimensionalen Füllbildes, welches während einer zumindest teilweisen Kontrastmittelfüllung des Gefäßsystems mit einem ersten Kontrastmittel aufgenommen wurde,
• Bereitstellung eines zweiten rekonstruierten dreidimensionalen Füllbildes, welches während einer zumindest teilweisen Kontrastmittelfüllung des Gefäßsystems mit einem zweiten Kontrastmittel aufgenommen wurde, und
• Subtraktion des ersten dreidimensionalen Füllbildes von dem zweiten dreidimensionalen Füllbild, so dass ein dreidimensionales Subtraktionsangiographiebild entsteht, wobei sich das erste Kontrastmittel und das zweite Kontrastmittel darin unterscheiden, dass eines der beiden relativ zu einem Gefäßsystem ohne Kontrastmittel eine verstärkte Röntgenstrahlabsorption und das andere eine verringerte Röntgenstrahlabsorption bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung eines dreidimensionalen digitalen Subtraktionsangiographiebildes eines Gefäßsystems eines Patienten gemäß den Patentansprüchen 1 oder 2.
Die digitale Subtraktionsangiographie (DSA) dient im Allgemeinen der Untersuchung von Blutgefäßen. In der einfachsten, zweidimensionalen Variante werden von einem zu untersuchenden Gefäßsystems eines Patienten mittels eines Röntgenangiographiesystems (z.B. mittels eines C-Bogen-Systems) zeitlich aufeinander folgende (zweidimensionale) Projektionsbilder erstellt, währenddessen wird ein Kontrastmittel (im Allgemeinen eine Substanz, die eine verstärkte Röntgenstrahlabsorption relativ zu einem Gefäßsystem ohne Kontrastmittel bewirkt) eingespritzt. Es resultiert ein Projektionsbild ohne Kontrastmittel, auch als Maskenbild bezeichnet, und weitere Projektionsbilder mit Kontrastmittelverteilung in dem Gefäßsystem, die sogenannten Projektionsfüllbilder. Das digitale Maskenbild wird von den nachfolgenden Projektionsfüllbildern subtrahiert. Übrig bleiben nur die Teile, die sich unterscheiden, also im Allgemeinen genau das Gefäßsystem.
Die dreidimensionale Digitale Subtraktionsangiographie (3D DSA) erlaubt die hochauflösende Darstellung z.B. kontrastierter Gefäßsysteme als 3D Volumina. Dazu werden typischerweise ein Maskenlauf ohne Kontrastmittel und ein Fülllauf mit Kontrastmittel durchgeführt und dabei jeweils eine Serie von Projektionsbildern erstellt. Die zweidimensionalen Projektionsbilder entstammen hierbei üblicherweise einem um den Patienten rotierenden Aufnahmeprotokoll eines C-Bogen-Röntgengeräts (DynaCT).
Typischerweise wird die Serie von Projektionsmaskenbildern von der Serie von Projektionsfüllbildern abgezogen und die resultierende Serie von zweidimensionalen Subtraktionsbildern zu einem dreidimensionalen Subtraktionsangiographiebild rekonstruiert. Dreidimensionale DSA Bilder sind besonders anfällig gegenüber Bewegungen des Patienten und Verformungen des aufgenommenen Gefäßsystems, insbesondere wenn die Bewegung bzw. Verformung zwischen Masken- und Fülllauf stattgefunden hat. Die Konsequenz sind oftmals Subtraktionsartefakte, viele kleine Gefäße gehen verloren bzw. haben eine schlechte Bildqualität. Außerdem ist für den Fülllauf eine vergleichsweise hohe Dosis an nierenbelastendem jodhaltigem Kontrastmittel nötig.
Aus dem Stand der Technik, z.B. der DE 10 2015 224 806 A1 , der DE 10 2013 222 674 B3 und der DE 10 2012 205 351 A1 sind Verfahren zur Erstellung von dreidimensionalen digitalen Subtraktionsangiographiebildern bekannt, bei denen ein rekonstruiertes dreidimensionales Maskenbild ohne Kontrastmittel und ein rekonstruiertes dreidimensionales Füllungsbild mit Kontrastmittel bereitgestellt werden und daraus durch Subtraktion des Maskenbildes von dem Füllungsbild ein dreidimensionales Subtraktionsangiographiebild erzeugt wird.
Zur Vermeidung von Nachteilen der bekannten dreidimensionalen DSA sind einige neuere Verfahren bekannt.
So wird zum Beispiel eine sogenannte maskless DSA verwendet, bei der kein Maskenlauf mehr nötig ist. Allerdings sind hier häufig algorithmische Annahmen und/oder neuronale Netzwerke nötig, welche die Gefahr bergen, bei unerwarteten, komplexen Strukturen von der Realität signifikant abzuweichen.
Zur Bewegungskompensation kann z.B. eine 2D/2D Registrierung zwischen korrespondierenden Projektionsmaskenbildern und Projektionsfüllbildern verwendet werden. Der Nachteil besteht allerdings darin, dass im Maskenlauf Gefäßsysteme nicht kontrastiert sind, so dass die Registrierung bildbasiert nur auf Basis von Organumrissen und inneren Strukturen, die ohne Kontrast sichtbar sind, erfolgen kann. In Organen wie z.B. der Leber, welche im Maskenlauf recht homogen sind, ist das Resultat oftmals von schlechter Qualität.
Um eine Belastung der Nieren zu vermeiden, ist die alternative Verwendung von CO₂ als „negativem“ Kontrastmittel (d.h. eine verringerte Röntgenstrahlabsorption relativ zu einem Gefäßsystem ohne Kontrastmittel) bekannt - zum Beispiel aus der DE 92 16 558 U1 . Allerdings ist die Bildqualität mit CO₂-Kontrast deutlich schlechter als mit „positivem“, z.B. jodhaltigem Kontrastmittel (d.h. eine verstärkte Röntgenstrahlabsorption des Gefäßsystems relativ zu einem Gefäßsystem ohne Kontrastmittel).
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches dreidimensionale digitale Subtraktionsangiographiebilder eines Gefäßsystems von hoher Bildqualität gewährleistet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Erstellung eines dreidimensionalen digitalen Subtraktionsangiographiebildes eines Gefäßsystems eines Patienten gemäß den Patentansprüchen 1 und 2. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erstellung eines dreidimensionalen digitalen Subtraktionsangiographiebildes eines Gefäßsystems eines Patienten weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellung eines ersten rekonstruierten dreidimensionalen Füllbildes, welches während einer zumindest teilweisen Kontrastmittelfüllung des Gefäßsystems mit einem ersten Kontrastmittel aufgenommen wurde, Bereitstellung eines zweiten rekonstruierten dreidimensionalen Füllbildes, welches während einer zumindest teilweisen Kontrastmittelfüllung des Gefäßsystems mit einem zweiten Kontrastmittel aufgenommen wurde, und Subtraktion des ersten dreidimensionalen Füllbildes von dem zweiten dreidimensionalen Füllbild, so dass ein dreidimensionales Subtraktionsangiographiebild entsteht, wobei sich das erste Kontrastmittel und das zweite Kontrastmittel darin unterscheiden, dass eines der beiden relativ zu einem Gefäßsystem ohne Kontrastmittel eine verstärkte Röntgenstrahlabsorption und das andere eine verringerte Röntgenstrahlabsorption bewirkt.
Außerdem umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Erstellung eines dreidimensionalen digitalen Subtraktionsangiographiebildes eines Gefäßsystems eines Patienten mit den folgenden Schritten: Bereitstellung einer ersten Serie von Projektionsfüllbildern, welche während einer zumindest teilweisen Kontrastmittelfüllung des Gefäßsystems mit einem ersten Kontrastmittel aufgenommen wurden, Bereitstellung einer zweiten Serie von Projektionsfüllbildern, welche während einer zumindest teilweisen Kontrastmittelfüllung des Gefäßsystems mit einem zweiten Kontrastmittel aufgenommen wurden, paarweise Subtraktion der ersten Serie von Projektionsfüllbildern von der zweiten Serie von Projektionsfüllbildern, so dass eine Serie von Subtraktionsbildern entsteht, und Rekonstruktion der Serie von Subtraktionsbildern zu einem dreidimensionalen rekonstruierten Subtraktionsangiographiebild, wobei sich das erste Kontrastmittel und das zweite Kontrastmittel darin unterscheiden, dass eines der beiden relativ zu einem Gefäßsystem ohne Kontrastmittel eine verstärkte Röntgenstrahlabsorption und das andere eine verringerte Röntgenstrahlabsorption bewirkt.
Die erfindungsgemäßen Verfahren verwenden also anstelle von unkontrastierten, kontrastmittelfreien Projektionsmaskenbildern Projektionsfüllbilder aus einem Fülllauf, bei welchem ein zu dem „tatsächlichen“ Fülllauf konträres Kontrastmittel verwendet wurde. Durch die üblicherweise für einen Fülllauf verwendeten „positiven“ Kontrastmittel, z.B. jodhaltige Kontrastmittel, wird die Röntgenstrahlung im Bereich des Gefäßsystems stärker absorbiert als im umliegenden Bereich. Verwendet man ein „negatives“ Kontrastmittel, z.B. eines mit CO₂ (z.B. in Form von Microbubbles), so wird die Röntgenstrahlung im Bereich des Gefäßsystems weniger stark absorbiert als im umliegenden Bereich. Durch die Subtraktion der Projektionsbilder mit konträrer Röntgenstrahlabsorption können Gefäßsysteme mit deutlich verstärktem Kontrast im Vergleich zu bekannten DSA Verfahren dargestellt werden. Die Bildqualität wird verbessert, so dass auch eine deutlich verbesserte Diagnostik möglich ist. Außerdem können auf diese Weise sogar Gefäße oder Gefäßabschnitte des Gefäßsystems für eine (2D/2D oder 3D/3D) Registrierung verwendet werden und damit Kompensationen von Bewegungen des Patienten einfacher und qualitativ hochwertiger durchgeführt werden. Zusätzlich kann eine vergleichbare Bildqualität mit deutlich weniger nierenbelastendem „positivem“ (jodhaltigem) Kontrastmittel erzeugt werden. Das schont die Gesundheit des Patienten und reduziert bedrohliche allergische Reaktionen.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das eine Kontrastmittel jodhaltig und das andere Kontrastmittel enthält CO₂, z.B. in Form von Microbubbles.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zumindest eines der rekonstruierten dreidimensionalen Füllbilder mittels eines Verfahrens zur Bewegungskompensation, bei welchem eine Bewegung des Gefäßsystems während der Aufnahme der Serie von Projektionsbildern kompensiert wird, korrigiert oder als bereits korrigiertes rekonstruiertes dreidimensionales Füllbild verwendet. Es kann z.B. eines der beiden rekonstruierten dreidimensionalen Füllbilder als „vorrangig“ definiert werden, insbesondere das qualitativ besser kontrastierte, und das jeweils andere als „nachrangig“ definiert werden. Die Bewegungskompensation wird dann vor allem für das „vorrangige“ rekonstruierte dreidimensionale Füllbild und optional auch für das „nachrangige“ rekonstruierte dreidimensionale Füllbild durchgeführt. Die Bewegungskompensation kann z.B. mittels eines bekannten Verfahrens nach dem Stand der Technik, z.B. dem aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2019 201 079.2 (Offenlegungsschrift DE 10 2019 201 079 A1 ) bekannten Verfahren, durchgeführt werden.
In vorteilhafter Weise werden die Projektionsfüllbilder der einen der beiden Serien von Projektionsfüllbildern zu den Projektionsfüllbildern der anderen Serie von Projektionsfüllbildern jeweils paarweise mittels eines Registrierungsverfahrens registriert, wobei dies insbesondere anhand von Orientierungspunkten (wie z.B. Gefäßabschnitten oder Gefäßverzweigungen) des Gefäßsystems durchgeführt wird. Da durch das erfindungsgemäße Verfahren für beide Serien von Projektionsfüllbildern ein deutlicher Kontrast zu dem umliegenden Gewebe erkennbar ist, kann eine zuverlässige Registrierung anhand von Gefäßstrukturen durchgeführt werden. Dies ist insbesondere bei Organen und in Bereichen des menschlichen Körpers, in denen keine röntgensichtbaren Strukturen vorhanden sind, z.B. in der Leber, von besonderem Vorteil, da hier dann nicht auf Marker oder einen vergrößerten Bildbereich zurückgegriffen werden muss. Für die Registrierung wird ein bekanntes 2D/2D-Registrierungsverfahren verwendet. Derartige Verfahren sind z.B. aus der Schrift von Matl, Stefan et al., Vascular image registration techniques: A living review, Medical Image Analysis 35, 2017, pp. 1-17, bekannt. Zur Verbesserung kann das gewählte Verfahren darauf angepasst werden, speziell gleiche Strukturen, z.B. Gefäßabschnitte oder Gefäßverzweigungen, mit durch die unterschiedlichen Kontrastmittel zueinander gegensätzlicher Kontrastierung gegenüber dem Hintergrund bzw. mit zueinander gegensätzlichen Kanten zu registrieren. Eine Registrierung aufgrund von gegensätzlichen Kontrasten ist besonders robust und einfach durchführbar.
Es kann auch hier eine der beiden Serien von Projektionsfüllbildern als „vorrangig“, insbesondere die qualitativ besser kontrastierte, und die andere Serie als „nachrangig“ definiert werden. Die „nachrangige“ Serie von Projektionsfüllbildern wird dann bevorzugt zu der „vorrangigen“ Serie von Projektionsfüllbildern registriert. Die paarweise Registrierung erfolgt derart, dass Projektionsfüllbilder verschiedener Serien, welche Projektionsfüllbilder jeweils bei übereinstimmenden Projektionswinkeln von Rotationsumläufen um den Patienten aufgenommen wurden, miteinander registriert werden.
Zweckmäßigerweise bewirkt das Registrierungsverfahren eine rigide oder eine verformbare Registrierung.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird im Anschluss an das Registrierungsverfahren paarweise eine Verformung oder Verzerrung (digitale Manipulation, z.B. image warping) von Bildbereichen der Projektionsfüllbilder der einen Serie relativ zu den Projektionsfüllbildern der anderen Serie derart durchgeführt, dass die abgebildeten Gefäße des Gefäßsystems nach der Verformung auf den Projektionsfüllbildern übereinstimmend positioniert sind. Hierbei werden insbesondere die abgebildeten Gefäße des Gefäßsystems des jeweiligen Projektionsfüllbildes der einen Serien digital manipuliert, so dass sie dem Verlauf der Gefäße des entsprechenden Projektionsfüllbildes der anderen Serie entsprechen. Die zwischen den Gefäßen des Gefäßsystems befindlichen Bildbereiche können ebenfalls geeignet, z.B. interpoliert, verformt werden. Die „nachrangige“ Serie von Projektionsfüllbildern wird wiederum bevorzugt verformt, um an die „vorrangige“ Serie von Projektionsbildern angepasst zu sein.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zumindest eine Serie von Projektionsfüllbildern gefiltert, also einem Filterungsverfahren unterzogen, es können auch beide Serien von Projektionsbildern oder die Serie von Subtraktionsbildern gefiltert werden. Eine derartige Filterung ist im einfachsten Fall z.B. schwellwertbasiert oder ortfrequenzbasiert.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das eine rekonstruierte dreidimensionale Füllbild der beiden Füllbilder zu dem anderen rekonstruierten dreidimensionalen Füllbild registriert (3D/3D-Registrierung), insbesondere anhand von Orientierungpunkten (z.B. Gefäßabschnitten) des Gefäßsystems. Es kann z.B. eines der beiden rekonstruierten dreidimensionalen Füllbilder als „vorrangig“, insbesondere das qualitativ besser kontrastierte, und das andere als „nachrangig“ definiert werden. Die Registrierung wird dann vor allem für das „nachrangige“ rekonstruierte dreidimensionale Füllbild bezüglich des „vorrangigen“ rekonstruierten dreidimensionalen Füllbilds durchgeführt. Auch kann eine zuverlässige Registrierung anhand von Gefäßstrukturen durchgeführt werden. Alternativ können auch andere signifikante Gewebestrukturen wie Knochen oder äußerlich aufgebrachte Marker zur Registrierung verwendet werden. Im Rahmen der Registrierung wird insbesondere zuerst ein Rotations-, Verschiebungs- oder Deformationsfeld erzeugt, welches auf das entsprechende rekonstruierte dreidimensionale Füllbild angewendet wird.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele erfolgt. Es zeigen:

1 einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 einen weiteren Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 eine Darstellung einer Subtraktion eines Füllbildes von einem Maskenbild nach dem Stand der Technik;
4 eine Darstellung einer Subtraktion von zwei Füllbildern gemäß der Erfindung voneinander;
5 ein Beispiel für einen Ablauf eines Verfahrens gemäß der Erfindung mit optionalen Schritten;
6 ein weiteres Beispiel für einen Ablauf eines Verfahrens gemäß der Erfindung mit optionalen Schritten;
7 ein weiteres Beispiel für einen Ablauf eines Verfahrens gemäß der Erfindung mit optionalen Schritten; und
8 eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In der 3 ist noch einmal eine für eine digitale Subtraktionsangiographie typische paarweise Subtraktion von einem Projektionsmaskenbild MB und einem ersten Projektionsfüllbild FB1 gemäß dem Stand der Technik gezeigt, bei welcher Subtraktion ein bekanntes Subtraktionsbild SB0 resultiert, welches im Idealfall lediglich das Gefäßsystem zeigt. Das Projektionsmaskenbild MB wurde ohne Zugabe von Kontrastmittel aufgenommen, während das erste Projektionsfüllbild FB1 unter Gabe eines insbesondere jodhaltigen ersten Kontrastmittels aufgenommen wurde.
Die Grundidee der Erfindung basiert nun darauf - wie in 4 gezeigt - anstelle eines Projektionsmaskenbildes ein zweites Projektionsfüllbild FB2 zu verwenden, welches unter Gabe eines zweiten Kontrastmittels aufgenommen wurde, welches zweite Kontrastmittel sich von dem ersten Kontrastmittel durch eine gegenteilige Röntgenstrahlabsorption unterscheidet. Während bei dem ersten Kontrastmittel relativ zu einem Gefäßsystem ohne Kontrastmittel eine verstärkte Röntgenstrahlabsorption erfolgt (im Folgenden wegen der röntgenpositiven Wirkung „positives“ Kontrastmittel genannt), erfolgt bei dem zweiten Kontrastmittel relativ zu einem Gefäßsystem ohne Kontrastmittel eine verringerte Röntgenstrahlabsorption (im Folgenden wegen der röntgennegativen Wirkung „negatives“ Kontrastmittel genannt). Als Beispiel für ein positives Kontrastmittel gilt eine jodhaltige Lösung, als Beispiel für ein negatives Kontrastmittel ein Kontrastmittel mit CO₂ oder bestehend aus CO₂, z.B. als Gas oder in Form von Microbubbles. Bei der Subtraktion resultiert ein Subtraktionsbild SB, welches bei vergleichbarer Kontrastmittelkonzentration eine deutlich bessere Bildqualität aufweist. Bei Übertragung der Subtraktion auf 3D Füllbilder oder Serien von Projektionsfüllbildern ergibt sich das Verfahren der Erfindung. Die zweidimensionalen Projektionsfüllbilder werden hierbei üblicherweise als Aufnahmeprotokoll mit einem um den Patienten rotierenden Aufnahmesystem eines C-Bogen-Röntgengeräts bei einer Vielzahl von Projektionswinkeln (z.B. DynaCT) aufgenommen. Auch die Aufnahme mit einem CT-Scanner ist möglich.
Die gegensätzliche Kontrastierung der Gefäße in den beiden Füllläufen kann anschließend z.B. zur bildbasierten Bewegungskompensation anhand von Gefäßen verwendet werden.
In den 1 und 2 sind zunächst die grundsätzlichen Schritte der Verfahren gemäß der Erfindung gezeigt. Die 1 zeigt einen ersten Schritt 10, die Bereitstellung eines ersten rekonstruierten dreidimensionalen Füllbildes, welches während einer zumindest teilweisen Kontrastmittelfüllung des Gefäßsystems mit einem ersten Kontrastmittel aufgenommen wurde. In einem zweiten Schritt 11 wird ein zweites rekonstruiertes dreidimensionales Füllbild bereitgestellt, welches während einer zumindest teilweisen Kontrastmittelfüllung des Gefäßsystems mit einem zweiten Kontrastmittel aufgenommen wurde. Die Reihenfolge des ersten Schrittes 10 und des zweiten Schrittes 11 ist dabei nicht festgelegt. Anschließend wird in einem dritten Schritt 12 das erste dreidimensionale Füllbild von dem zweiten dreidimensionalen Füllbild subtrahiert, so dass ein dreidimensionales Subtraktionsangiographiebild entsteht. Alternativ kann dies auch umgedreht durchgeführt werden (zweites Füllbild von erstem Füllbild subtrahiert). Das erste Kontrastmittel und das zweite Kontrastmittel unterscheiden sich darin, dass eines der beiden relativ zu einem Gefäßsystem ohne Kontrastmittel eine verstärkte Röntgenstrahlabsorption und das andere eine verringerte Röntgenstrahlabsorption bewirkt. Optionale Schritte vor dem ersten Schritt 10 ist die Aufnahme der beiden Serien von Projektionsfüllbildern unter Kontrastmittelgabe (durch ein C-Bogen Röntgengerät wie in 8 gezeigt), die Rekonstruktion der ersten Serie von Projektionsfüllbildern zu dem ersten dreidimensionalen Füllbild und die Rekonstruktion der zweiten Serie von Projektionsfüllbildern zu dem zweiten dreidimensionalen Füllbild.
Eine zweite Variante des Verfahrens ist in der 2 gezeigt. In einem vierten Schritt 20 wird eine erste Serie von Projektionsfüllbildern, welche während einer zumindest teilweisen Kontrastmittelfüllung des Gefäßsystems mit einem ersten Kontrastmittel aufgenommen wurden, bereitgestellt, in einem fünften Schritt 21 wird eine zweite Serie von Projektionsfüllbildern, welche während einer zumindest teilweisen Kontrastmittelfüllung des Gefäßsystems mit einem zweiten Kontrastmittel aufgenommen wurden, bereitgestellt. Anschließend erfolgt in einem sechsten Schritt 22 eine paarweise Subtraktion der ersten Serie von Projektionsfüllbildern von der zweiten Serie von Projektionsfüllbildern (alternativ: zweite Serie von der ersten Serie), so dass eine Serie von Subtraktionsbildern entsteht. Unter einer paarweisen Subtraktion ist dabei die Subtraktion jeweils korrespondierender Projektionsfüllbilder, welche bei gleichem Projektionswinkel (Angulation) seitens des Aufnahmesystems aufgenommen wurden, zu verstehen. In einem siebten Schritt 23 wird die Serie von Subtraktionsbildern zu einem dreidimensionalen rekonstruierten Subtraktionsangiographiebild rekonstruiert. Das erste Kontrastmittel und das zweite Kontrastmittel unterscheiden sich darin, dass eines der beiden relativ zu einem Gefäßsystem ohne Kontrastmittel eine verstärkte Röntgenstrahlabsorption und das andere eine verringerte Röntgenstrahlabsorption bewirkt. Optionale Schritte vor dem vierten Schritt 20 ist dabei die Aufnahme der beiden Serien von Projektionsfüllbildern unter Kontrastmittelgabe (z.B. durch ein C-Bogen Röntgengerät wie in 8 gezeigt).
In der 5 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zusätzlichen Schritten zur bildbasierten Bewegungskompensation gezeigt. Optional werden eine erste Serie von Projektionsfüllbildern mit einem positiven Kontrastmittel und eine zweite Serie von Projektionsfüllbildern mit einem negativen Kontrastmittel aufgenommen, wobei hierfür z.B. sogenannte DynaCT Läufe um den Patienten durchgeführt werden. In einem vierten Schritt 20 wird die erste Serie von Projektionsfüllbildern, welche während einer zumindest teilweisen Kontrastmittelfüllung des Gefäßsystems mit dem ersten Kontrastmittel aufgenommen wurde, bereitgestellt, in einem fünften Schritt 21 wird die zweite Serie von Projektionsfüllbildern, welche während einer zumindest teilweisen Kontrastmittelfüllung des Gefäßsystems mit dem zweiten Kontrastmittel aufgenommen wurde, bereitgestellt.
In einem achten Schritt 24 wird eine Bewegungskompensation einer der beiden Serien von Projektionsfüllbildern, insbesondere der als „vorrangig“ verwendeten Serie, durchgeführt. Es kann eine der beiden Serien von Projektionsfüllbildern als „vorrangig“ definiert werden, insbesondere die qualitativ besser kontrastierte, und die jeweils andere als „nachrangig“ definiert werden. Die Bewegungskompensation wird dann vor allem für die „vorrangige“ Serie und optional auch für die „nachrangige“ Serie von Projektionsfüllbildern durchgeführt. Die Bewegungskompensation kann z.B. mittels eines bekannten Verfahrens nach dem Stand der Technik, z.B. dem aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 102019201079.2 bekannten Verfahren, durchgeführt werden. Bei diesem Verfahren werden die einzelnen Projektionsfüllbilder so transformiert, als wäre die Serie bewegungsfrei gewesen. Optional wird auch die nachrangige Serie bewegungskompensiert.
In einem neunten Schritt 25 wird eine paarweise Registrierung der korrespondierenden Projektionsfüllbilder der beiden Serien zueinander durchgeführt. Dabei wird das jeweils n-te Projektionsfüllbild (d.h. Projektionsfüllbilder, die aus dem gleichen Projektionswinkel bzw. der gleichen Angulation aufgenommen sind) der ersten Serie und der zweiten Serie auf Basis der positiv bzw. negativ kontrastierten Gefäße zueinander rigide oder deformierbar registriert. Die Registrierung findet anhand von Gefäßen oder Gefäßabschnitten des Gefäßsystems statt (z.B. größere Gefäße), die in beiden Projektionsbildern gut kontrastiert sind. Dabei können z.B. Feature-basierte Registrierungsmethoden zum Einsatz kommen, die gut identifizierbare Gefäßverzweigungen zueinander registrieren. Es wird bevorzugt die nachrangige Serie zu der vorrangigen Serie registriert. Außerdem können bei der Registrierung die gegensätzliche Kontrastierung bzw. die gegensätzlichen Kanten zwischen dem positiv und dem negativ kontrastierten Gefäßsystem jeweils berücksichtigt werden.
In einem zehnten Schritt 26 erfolgt anschließend eine paarweise Verformung der korrespondierenden Projektionsfüllbilder der beiden Serien zueinander. Dabei wird bevorzugt die n-te Projektion der nachrangigen Serie geometrisch derart verformt oder verzerrt (englischer Fachbegriff: „image warping“), dass ihre (mit anderem Vorzeichen kontrastierten) Gefäße des Gefäßsystems die gleichen Positionen auf den Projektionsfüllbildern haben wie die entsprechenden Gefäße des Gefäßsystems in der führenden Aufnahme. Zwischen den Gefäßen wird das Verformungsfeld geeignet interpoliert. Auf diese Weise können Bewegungen und Verformungen zwischen den beiden Serien von Projektionsfüllbildern sowie innerhalb der nachrangigen Serie ausgeglichen werden.
In einem elften Schritt 27 werden anschließend die bewegungskompensierte erste Serie von Projektionsfüllbildern und die bewegungskompensierte zweite Serie von Projektionsfüllbildern zu einem ersten dreidimensionalen rekonstruierten Füllbild und zu einem zweiten dreidimensionalen rekonstruierten Füllbild rekonstruiert und in einem zwölften Schritt 28 voneinander subtrahiert.
In der 6 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zusätzlichen Schritten zur Bewegungskompensation und Verzerrung der 3D Füllbilder gezeigt.
Optional werden eine erste Serie von Projektionsfüllbildern mit einem positiven Kontrastmittel und eine zweite Serie von Projektionsfüllbildern mit einem negativen Kontrastmittel aufgenommen und rekonstruiert, wobei hierfür z.B. sogenannte DynaCT Läufe um den Patienten durchgeführt werden.
In einem ersten Schritt 10 wird ein erstes rekonstruiertes dreidimensionales Füllbild bereitgestellt, welches während einer zumindest teilweisen Kontrastmittelfüllung des Gefäßsystems mit einem ersten Kontrastmittel aufgenommen wurde. In einem zweiten Schritt 11 wird ein zweites rekonstruiertes dreidimensionales Füllbild bereitgestellt, welches während einer zumindest teilweisen Kontrastmittelfüllung des Gefäßsystems mit einem zweiten Kontrastmittel aufgenommen wurde. Die Reihenfolge des ersten Schrittes 10 und des zweiten Schrittes 11 ist dabei nicht festgelegt. Eines oder beide der dreidimensionalen Füllbilder können bewegungskompensiert sein.
In einem dreizehnten Schritt 13 wird das erste 3D Füllbild zu dem zweiten 3D Füllbild registriert, insbesondere wird hier wieder das nachrangige 3D Füllbild zu dem vorrangigen 3D Füllbild registriert, z.B. anhand der Orte von Gefäßen oder Gefäßverzweigungen des Gefäßsystems. Dabei können aber auch Organumrisse und andere kontrastreiche Objekte als Landmarken für die Registrierung dienen. Ergebnis der Registrierung ist eine 3D-Verschiebung oder Rotation oder ein 3D-Deformationsfeld, die anschließend in einem vierzehnten Schritt 14 auf das nachrangige 3D Füllbild angewandt werden. Ziel ist, dass die Orte von Gefäßen in dem vorrangigen und in dem nachrangigen 3D Füllbild möglichst exakt übereinstimmen. In einem fünfzehnten Schritt 15 wird anschließend das zweite 3D Füllbild von dem ersten 3D Füllbild subtrahiert (oder umgekehrt).
In der 7 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zusätzlichen Schritten zur bildbasierten Bewegungskompensation ähnlich 5 gezeigt, wobei die Subtraktion hier vor der Rekonstruktion stattfindet. Nach einer Bereitstellung der ersten Serie von Projektionsfüllbildern in einem vierten Schritt 20 und einer Bereitstellung der zweiten Serie von Projektionsfüllbildern in einem fünften Schritt 21 wird in einem achten Schritt 24 eine Bewegungskompensation einer der beiden Serien von Projektionsfüllbildern, insbesondere der als „vorrangig“ verwendeten Serie, durchgeführt. Die Bewegungskompensation wird vor allem für die „vorrangige“ Serie und optional auch für die „nachrangige“ Serie von Projektionsfüllbildern durchgeführt. In einem neunten Schritt 25 wird eine paarweise Registrierung der korrespondierenden Projektionsfüllbilder der beiden Serien zueinander durchgeführt. Die Registrierung findet anhand von Gefäßen oder Gefäßabschnitten des Gefäßsystems statt (z.B. größere Gefäße), die in beiden Projektionsbildern gut kontrastiert sind. Es wird bevorzugt die nachrangige Serie zu der vorrangigen Serie registriert. In einem zehnten Schritt 26 erfolgt anschließend eine paarweise Verformung oder Verzerrung (englischer Fachbegriff: „image warping“) der korrespondierenden Projektionsfüllbilder der beiden Serien zueinander derart, dass ihre (mit anderem Vorzeichen kontrastierten) Gefäße des Gefäßsystems die gleichen Positionen auf den Projektionsfüllbildern haben wie die entsprechenden Gefäße des Gefäßsystems in der führenden Aufnahme. Zwischen den Gefäßen wird das Verformungsfeld geeignet interpoliert.
In einem sechzehnten Schritt 29 erfolgt anschließend eine paarweise Subtraktion der ersten Serie von Projektionsfüllbildern von der zweiten Serie von Projektionsfüllbildern (alternativ: zweite Serie von der ersten Serie), so dass eine Serie von Subtraktionsbildern entsteht. Unter einer paarweisen Subtraktion ist dabei die Subtraktion jeweils korrespondierender Projektionsfüllbilder, welche bei gleichem Projektionswinkel (Angulation) seitens des Aufnahmesystems aufgenommen wurden, zu verstehen. In einem siebzehnten Schritt 30 erfolgt eine Filterung der Serie von Subtraktionsbildern. Hierbei wird z.B. im Subtraktionsergebnis vorzugsweise per Bildverarbeitung nach „nicht-Gefäßstrukturen“ gesucht und diese Strukturen werden ganz oder teilweise aus den Subtraktionsbildern entfernt. Bei „nicht-Gefäßstrukturen“ kann es sich beispielsweise um Bildrauschen handeln. Die Filterung kann im einfachsten Fall schwellwertbasiert erfolgen, d.h. Bildinhalte unterhalb eines festgelegten Schwellwerts werden aus den Subtraktionsbildern gelöscht bzw. auf Nullabschwächung gesetzt. Optional findet auch eine räumliche Filterung oder Glättung der subtrahierten Projektionsbilder statt. In einem siebten Schritt 23 wird anschließend die Serie von Subtraktionsbildern zu einem dreidimensionalen rekonstruierten Subtraktionsangiographiebild rekonstruiert.
Die Beispiele in den 5 bis 7 beschreiben verschiedene Ansätze zur bildbasierten Bewegungskompensation auf Basis der durch die unterschiedlichen Kontrastmittel gegensätzlichen Gefäßkontraste in beiden Füllläufen.
Einige der Vorteile der erfindungsgemäßen Verfahren zur DSA mit dualem Kontrast können die Folgenden sein: Für gleiche Bildqualität des Subtraktionsergebnisses ist entweder weniger jodhaltiges Kontrastmittel oder weniger Strahlungsdosis erforderlich. Außerdem können kleine Gefäße, in die Jod und CO₂ unterschiedlich gut eindringen, in der Subtraktion sichtbar gemacht werden, während bei Verwendung nur eines Kontrastmittels ein Teil dieser kleinen Gefäße nicht sichtbar sind. Weiterhin werden mögliche Ungenauigkeiten im Timing der Kontrastmittelgabe durch zwei Füllläufe ausgeglichen. Alternativ kann in dem zweiten Fülllauf ein eher spätes Timing im Vergleich zum ersten Fülllauf gewählt werden, um zusätzlich eine zeitliche Information der Kontrastmittelfüllung der Gefäße zu bekommen - das ist mit der normalen DSA nicht ohne Umwege wie 4D DSA möglich. In der Subtraktion der Serien von Projektionsfüllbildern ergibt sich dann ein zusammengesetzter Gefäßbaum, in dem mit unterschiedlichen Kontrastmitteln gefüllte Gefäße des Gefäßbaums (z.B. nur mit CO₂ und nur mit Jod gefüllt) unterschiedlich eingefärbt sein können (z.B. auf Basis der Vorzeichen bzw. durch eine geeignet gewählte Farbskala im Subtraktionsbild).
Zusätzliche Vorteile der DSA mit dualem Kontrast und der beschriebenen Bewegungskompensation können die Folgenden sein: Es ist möglich, einen länger zurückliegend aufgenommenen ersten Fülllauf zu verwenden statt eines frisch aufgenommenen Maskenlaufs. Durch die gefäßbasierte Registrierung kann auch z.B. Brain Shift kompensiert werden, d.h. beispielsweise eine präoperative Serie von Projektionsfüllbildern mit negativem Kontrast von einer intraoperativen Serie von Projektionsfüllbildern mit positivem Kontrast. Außerdem kann durch die (bewegungskompensierte) Subtraktion von zwei Füllläufen mit positivem und negativem Kontrast auch ein vaskularer Behandlungsfortschritt visualisiert werden, z.B. wenn eine Stenose geöffnet oder ein Gefäß gezielt embolisiert wurde. Die erfindungsgemäße 3D DSA ist besonders geeignet für bewegliche und stark deformierbare Organe wie die Leber, sogar mit größerem Zeitunterschied zwischen den beiden Füllläufen.
Außerdem ist das Verfahren robust gegenüber fehlerhaftem Timing, da hier zweimal die Möglichkeit vorliegt, das richtige Timing der Kontrastmittelfüllung zu treffen. Möglich ist auch, gezielt beim ersten Fülllauf ein eher frühes Timing und beim zweiten Fülllauf ein eher spätes Timing zu wählen, um zusätzlich eine zeitliche Information der Kontrastmittelfüllung des Gefäßsystems zu erhalten; dies ist mit bekannten DSA-Verfahren nur über Umwege wie 4D-DSA möglich. Durch die Subtraktion erhält man dann einen zusammengesetzten Gefäßbaum, in dem z.B. nur mit positivem oder nur negativem Kontrastmittel gefüllte Gefäße unterschiedlich eingefärbt sein können (z.B. auf Basis der Vorzeichen bzw. durch eine geeignet gewählte Farbskala im Subtraktionsbild).
Ein beispielhaftes C-Bogen-Röntgengerät 1 ist in 8 gezeigt. An dem C-Bogen 2 ist eine Röntgenquelle 3 und ein flächiger Röntgendetektor 4 angeordnet und der C-Bogen 2 ist derart ausgebildet, dass er eine Rotationsbewegung um das Untersuchungsobjekt durchführen und währenddessen eine Serie von Projektionsbildern aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen aufnehmen kann. Eine derartige Aufnahmeart mit anschließender Rekonstruktion wird z.B. als ein sogenanntes Kegelstrahl-CT oder auch DynaCT bezeichnet. Das C-Bogen-Röntgengerät wird mittels einer Systemsteuereinheit 5 angesteuert. Außerdem weist das C-Bogen-Röntgengerät eine Recheneinheit 6 mit zumindest einem Prozessor und Software zur Bearbeitung von Projektionsfüllbildern, zur Subtraktion von Projektionsfüllbildern, zur Rekonstruktion von Projektionsfüllbildern zu einem rekonstruierten dreidimensionalen Füllbild, zur 2D/2D und/oder 3D-3D Registrierung von rekonstruierten Füllbildern und zur Berechnung von dreidimensionalen Digitalen Subtraktionsangiographien auf. Zur Anzeige der resultierenden Subtraktionsangiographiebilder und aller anderen Bilder ist eine Anzeigeeinheit vorgesehen.
Die Erfindung lässt sich in folgender Weise kurz zusammenfassen: Die Erfindung betrifft u.a. ein Verfahren zur Erstellung eines dreidimensionalen digitalen Subtraktionsangiographiebildes eines Gefäßsystems eines Patienten mit den folgenden Schritten: Bereitstellung eines ersten rekonstruierten dreidimensionalen Füllbildes, welches während einer zumindest teilweisen Kontrastmittelfüllung des Gefäßsystems mit einem ersten Kontrastmittel aufgenommen wurde, Bereitstellung eines zweiten rekonstruierten dreidimensionalen Füllbildes, welches während einer zumindest teilweisen Kontrastmittelfüllung des Gefäßsystems mit einem zweiten Kontrastmittel aufgenommen wurde, und Subtraktion des ersten dreidimensionalen Füllbildes von dem zweiten dreidimensionalen Füllbild, so dass ein dreidimensionales Subtraktionsangiographiebild entsteht, wobei sich das erste Kontrastmittel und das zweite Kontrastmittel darin unterscheiden, dass eines der beiden relativ zu einem Gefäßsystem ohne Kontrastmittel eine verstärkte Röntgenstrahlabsorption und das andere eine verringerte Röntgenstrahlabsorption bewirkt.

Claims

Verfahren zur Erstellung eines dreidimensionalen digitalen Subtraktionsangiographiebildes eines Gefäßsystems eines Patienten mit den folgenden Schritten: • Bereitstellung eines ersten rekonstruierten dreidimensionalen Füllbildes, welches während einer zumindest teilweisen Kontrastmittelfüllung des Gefäßsystems mit einem ersten Kontrastmittel aufgenommen wurde, • Bereitstellung eines zweiten rekonstruierten dreidimensionalen Füllbildes, welches während einer zumindest teilweisen Kontrastmittelfüllung des Gefäßsystems mit einem zweiten Kontrastmittel aufgenommen wurde, und • Subtraktion des ersten dreidimensionalen Füllbildes von dem zweiten dreidimensionalen Füllbild, so dass ein dreidimensionales Subtraktionsangiographiebild entsteht, wobei sich das erste Kontrastmittel und das zweite Kontrastmittel darin unterscheiden, dass eines der beiden relativ zu einem Gefäßsystem ohne Kontrastmittel eine verstärkte Röntgenstrahlabsorption und das andere eine verringerte Röntgenstrahlabsorption bewirkt.
Verfahren zur Erstellung eines dreidimensionalen digitalen Subtraktionsangiographiebildes eines Gefäßsystems eines Patienten mit den folgenden Schritten: • Bereitstellung einer ersten Serie von Projektionsfüllbildern (FB1), welche während einer zumindest teilweisen Kontrastmittelfüllung des Gefäßsystems mit einem ersten Kontrastmittel aufgenommen wurden, • Bereitstellung einer zweiten Serie von Projektionsfüllbildern (FB2), welche während einer zumindest teilweisen Kontrastmittelfüllung des Gefäßsystems mit einem zweiten Kontrastmittel aufgenommen wurden, • Paarweise Subtraktion der ersten Serie von Projektionsfüllbildern (FB1) von der zweiten Serie von Projektionsfüllbildern (FB2), so dass eine Serie von Subtraktionsbildern (SB) entsteht, und • Rekonstruktion der Serie von Subtraktionsbildern (SB) zu einem dreidimensionalen rekonstruierten Subtraktionsangiographiebild, wobei sich das erste Kontrastmittel und das zweite Kontrastmittel darin unterscheiden, dass eines der beiden relativ zu einem Gefäßsystem ohne Kontrastmittel eine verstärkte Röntgenstrahlabsorption und das andere eine verringerte Röntgenstrahlabsorption bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest eines der rekonstruierten dreidimensionalen Füllbilder mittels eines Verfahrens zur Bewegungskompensation korrigiert ist, bei welchem Verfahren zur Bewegungskompensation eine Bewegung des Gefäßsystems während der Aufnahme einer Serie von Projektionsfüllbildern, aus welchen das jeweilige dreidimensionale Füllbild rekonstruiert wurde, kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das rekonstruierte dreidimensionale Subtraktionsangiographiebild mittels eines Verfahrens zur Bewegungskompensation korrigiert ist, bei welchem Verfahren zur Bewegungskompensation eine Bewegung des Gefäßsystems während der Aufnahme zumindest einer der Serien von Projektionsfüllbildern kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, wobei die Projektionsfüllbilder der einen der beiden Serien von Projektionsfüllbildern zu den Projektionsfüllbildern der anderen Serie von Projektionsfüllbildern jeweils paarweise mittels eines 2D/2D Registrierungsverfahrens registriert werden, insbesondere anhand von Orientierungspunkten (wie z.B. Gefäßabschnitten) des Gefäßsystems.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Registrierungsverfahren anhand von Orientierungspunkten des Gefäßsystems, welche gegensätzlich kontrastiert sind, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei im Anschluss an das Registrierungsverfahren paarweise eine Verformung (image warping) der Projektionsfüllbilder der einen Serie relativ zu den Projektionsfüllbildern der anderen Serie derart durchgeführt wird, dass die abgebildeten Gefäße nach der Verformung auf den Projektionsfüllbildern übereinstimmend positioniert sind.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Serie von Subtraktionsbildern gefiltert wird, insbesondere schwellwertbasiert oder ortsfrequenzbasiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das eine rekonstruierte dreidimensionale Füllbild der beiden 3D Füllbilder zu dem anderen rekonstruierten dreidimensionalen Füllbild registriert wird, insbesondere anhand von Orientierungpunkten (z.B. Gefäßabschnitten) des Gefäßsystems.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei im Rahmen der Registrierung zuerst ein Rotations-, Verschiebungs- oder Deformationsfeld erzeugt wird, welches auf das entsprechende rekonstruierte dreidimensionale Füllbild angewendet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein Kontrastmittel jodhaltig ist und das andere Kontrastmittel CO₂ enthält.