DE102020206729A1

DE102020206729A1 - Bewegungskorrekturverfahren

Info

Publication number: DE102020206729A1
Application number: DE102020206729.5A
Authority: DE
Inventors: Markus Jürgens
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2021-12-02
Also published as: US11571175B2; US20210369221A1

Abstract

Es wird ein Bewegungskorrekturverfahren beschrieben. Bei dem Bewegungskorrekturverfahren wird ein erstes virtuelles Röntgennativbild von einem Untersuchungsbereich auf Basis von mit einer ersten Kontrastverteilung behafteten ersten spektralen Röntgenrohdaten (PMD1) mit Hilfe einer Materialzerlegung ermittelt. Weiterhin wird ein zweites virtuelles Röntgennativbild von dem Untersuchungsbereich auf Basis von mit einer von der ersten Kontrastverteilung sich unterscheidenden zweiten Kontrastverteilung behafteten zweiten spektralen Röntgenrohdaten (PMD2) mit Hilfe einer Materialzerlegung ermittelt. Dann wird das erste virtuelle Röntgennativbild mit dem zweiten virtuellen Röntgennativbild registriert, wobei ein Transformationsfeld zwischen den beiden virtuellen Röntgennativbildern ermittelt wird. Schließlich werden auf den ersten Röntgenrohdaten (PMD1) basierende erste Röntgenbilddaten (BD1) mit auf den zweiten Röntgenrohdaten (PMD2) basierenden zweiten Röntgenbilddaten (BD2) auf Basis des ermittelten Transformationsfeldes registriert. Es wird auch ein Röntgenbildgebungsverfahren beschrieben. Zudem wird eine Bewegungskorrektureinrichtung (30) beschrieben. Ferne wird ein Röntgenbildgebungssystem (40) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bewegungskorrekturverfahren. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Röntgenbildgebungsverfahren. Ferner betrifft die Erfindung eine Bewegungskorrektureinrichtung. Außerdem betrifft die Erfindung ein Röntgenbildgebungssystem.
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 einer Röntgenbildaufnahme werden häufig Kontrastmittel eingesetzt, die dem Patienten injiziert werden, um den Kontrast der Bildaufnahme zu erhöhen und damit eine Diagnose zu erleichtern. Ein Beispiel für die Anwendung von Kontrastmitteln ist die Darstellung von Gefäßen mit Röntgenverfahren. Röntgenverfahren können dabei mit konventionellen Systemen, C-Bogensystemen, Angiographie-Systemen oder CT-Systemen durchgeführt werden. Herkömmlich wird bei einer solchen Bildgebung Iod als Röntgenkontrastmittel eingesetzt. Sollen nun unterschiedliche Gewebearten ein- und desselben Patienten sichtbar gemacht werden, so kann es sinnvoll sein, mehrere Röntgenbildaufnahmen von einem Patienten mit unterschiedlichen Kontrastmitteln oder unterschiedlichen Kontrastmittelkonzentrationen zu erzeugen.
Allerdings ergeben sich aufgrund des zeitlichen Versatzes zwischen den unterschiedlichen Aufnahmen Probleme der Registrierung aufgrund von Patientenbewegungen. Diese Probleme werden insbesondere dadurch verstärkt, dass unterschiedliche Kontrastmittel zu unterschiedlichen absoluten CT-Werten derselben Bereiche führen und auch die relativen Differenzen der CT-Werte zwischen unterschiedlichen Bereichen sich ändern. Die Problematik der Registrierung tritt insbesondere bei dem Auftreten unterschiedlicher Kontrastmittelkonzentrationen bei Perfusionsaufnahmen, Multiphasenaufnahmen und sogenannten Follow-up-Aufnahmen auf. Dabei ändert sich der Bildeindruck aufgrund der Kontrastmitteldynamik in Abhängigkeit von der Zeit sowie aufgrund von physiologischen Änderungen. Beispielsweise reichert ein Tumor vor einer Therapie Kontrastmittel mit der Zeit an, aber nach erfolgreicher Therapie nicht mehr.
Herkömmlich werden Bewegungskorrekturalgorithmen verwendet, bei denen Abstandsmessungen angewendet werden, die grundsätzlich nicht auf absolute CT-Werte sensitiv sind. Beispielsweise wird eine normierte wechselseitige Information NMI (normalized mutual information) oder die lokale Kreuzkorrelation verwendet. Bei der Verwendung einer normierten wechselseitigen Information NMI werden die Pixelwerte als Zufallsvariablen interpretiert. Die wechselseitige Information MI zweier Bilder X und Y ist dann MI(X;Y) = H(X) - H(X;Y), wobei H die Entropie ist. Anschaulich wird Auskunft darüber gegeben, wieviel Unsicherheit über X bleibt, wenn man Y kennt. Die normierte wechselseitige Information ist dann NMI = (H(X) + H (Y)) / H (X; Y).
Außerdem kann auch eine Landmarkendetektion verwendet werden, um ein Bewegungsfeld zu initialisieren. Jedoch muss die Landmarkendetektion robust gegen eine Änderung der Konzentration der verwendeten Kontrastmittel sein.
Es besteht also das Problem, exakte Röntgenbildaufnahmen mit unterschiedlichen Kontrastmittelkonzentrationen von ein- und demselben Bereich zu realisieren.
Diese Aufgabe wird durch ein Bewegungskorrekturverfahren gemäß Patentanspruch 1, ein Röntgenbildgebungsverfahren gemäß Patentanspruch 4, eine Bewegungskorrektureinrichtung gemäß Patentanspruch 7 und ein Röntgenbildgebungssystem gemäß Patentanspruch 8 gelöst.
Nachstehend wird die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe sowohl in Bezug auf die beanspruchten Verfahren, die beanspruchte Bewegungskorrektureinrichtung, das beanspruchte Röntgenbildgebungssystem und das beanspruchte Computerprogramm beschrieben. Hierbei erwähnte Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen sind ebenso auch auf die anderen beanspruchten Gegenstände zu übertragen und umgekehrt. Mit anderen Worten können die gegenständlichen Ansprüche (die beispielsweise auf die Bewegungskorrektureinrichtung gerichtet sind) auch mit den Merkmalen, die in Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben oder beansprucht sind, weitergebildet sein und umgekehrt. Die entsprechenden funktionalen Merkmale des Verfahrens werden dabei durch entsprechende gegenständliche Module bzw, Untereinheiten der Bewegungskorrektureinrichtung, des Röntgenbildgebungssystems bzw. des Computerprogramms ausgebildet.
Bei dem erfindungsgemäßen Bewegungskorrekturverfahren wird ein erstes virtuelles Röntgennativbild erzeugt. Das erste virtuelle Röntgennativbild wird auf Basis von ersten spektralen Röntgenrohdaten mit Hilfe einer Materialzerlegung ermittelt. Die ersten spektralen Röntgenrohdaten wurden von einem Untersuchungsbereich aufgenommen und sind mit einer ersten Kontrastverteilung behaftet bzw. mit dieser Kontrastverteilung aufgenommen. Weiterhin wird ein zweites virtuelles Röntgennativbild von demselben Untersuchungsbereich erzeugt. Dabei wird das zweite virtuelle Röntgennativbild auf Basis von zweiten spektralen Röntgenrohdaten von dem Untersuchungsbereich mit Hilfe einer Materialzerlegung erzeugt bzw. ermittelt. Die zweiten spektralen Röntgenrohdaten sind mit einer von der ersten Kontrastmittelverteilung sich unterscheidenden zweiten Kontrastverteilung behaftet bzw. aufgenommen.
Eine Berechnungsmethode zur Ermittlung von virtuellen Röntgennativbildern ist beispielsweise in US 7 778 454 B2 beschrieben. Auch in McCoulough et al, „Principles and Applications of Multi-energy CT“, Report of AAPM Task Group 291, ist die Berechnung von virtuellen monoenergetischen Bilddaten auf der Basis von Dual-Energie- und Multi-Energie-CT-Aufnahmen erläutert. Als Röntgennativbild soll ein Röntgenbild verstanden werden, welches ohne Kontrastmittel aufgenommen wurde bzw. dessen Kontrast nicht durch ein Kontrastmittel beeinflusst wird. Es soll in diesem Zusammenhang ausdrücklich erwähnt werden, dass eine oder mehrere der Aufnahmen von Röntgenrohdaten, beispielsweise die erste Aufnahme, sowohl mit als auch ohne Kontrastmittel erfolgen können. Wenn also von einer Kontrastverteilung gesprochen wird, kann es sich auch um ein reales Nativbild handeln. Als virtuelles Röntgenbild soll ein Röntgenbild verstanden werden, welche mit Hilfe einer Materialzerlegung berechnet wurde. Als virtuelles Röntgennativbild soll ein Röntgennativbild verstanden werden, welches auf Basis einer Materialzerlegung quasi „künstlich“ berechnet wurde. Unter spektralen Röntgenrohdaten sind Röntgenrohdaten zu verstehen, welche zumindest mit zwei unterschiedlichen Röntgenspektren oder Röntgenspektralanteilen erfasst wurde. Typische Verfahren für die Gewinnung spektraler Röntgenrohdaten sind Multienergie-Röntgenaufnahmen, Dual-Energie-Röntgenaufnahmen und spektrale bzw. spektral aufgelöste Röntgenaufnahmen mit photonenzählender Detektion.
Dann wird das erste virtuelle Röntgennativbild mit dem zweiten virtuellen Röntgennativbild registriert. Als Registrierung soll eine Bildregistrierung verstanden werden, bei der mehrere Bilder bestmöglich miteinander in Übereinstimmung gebracht werden. Um die beiden Bilder aneinander anzupassen, wird eine ausgleichende Transformation berechnet. Die beiden Bilder unterscheiden sich voneinander, weil sie zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfasst wurden. Beispielsweise hat sich der untersuchte Patient zwischen den beiden Zeitpunkten der Bildaufnahme desselben Bereichs mit unterschiedlichen Kontrastverteilungen bewegt oder einzelne Organe haben sich bewegt oder hinsichtlich ihres Zustands verändert.
Weiterhin wird ein Transformationsfeld, beispielsweise ein Verschiebungsfeld, auf Basis der Registrierung der virtuellen Röntgennativbilder ermittelt. Schließlich werden auf den ersten Röntgenrohdaten basierende erste Röntgenbilddaten mit auf den zweiten Röntgenrohdaten basierenden zweiten Röntgenbilddaten auf Basis des ermittelten Transformationsfeldes, beispielsweise ein Verschiebungsfeld, registriert. Vorteilhaft erfolgt die Ermittlung des Transformationsfeldes anhand von Bilddaten, die dasselbe Kontrastverhalten aufweisen. Dadurch lassen sich einzelne Bereiche und Segmente leichter miteinander identifizieren als bei Bilddaten mit unterschiedlichem Kontrast.
Bei dem erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahren wird eine erste spektrale Röntgenaufnahme von einem Untersuchungsbereich mit einer ersten Kontrastverteilung erfasst. Weiterhin wird eine zweite spektrale Röntgenaufnahme von dem Untersuchungsbereich mit einer zweiten Kontrastverteilung erfasst. Anschließend erfolgt eine Bewegungskorrektur der erfassten Aufnahmen mit Hilfe des erfindungsgemäßen Bewegungskorrekturverfahrens. Schließlich werden aufeinander registrierte erste und zweite Bilddaten auf Basis der durchgeführten Bewegungskorrektur erzeugt. Das erfindungsgemäße Röntgenbildgebungsverfahren teilt die Vorteile des erfindungsgemäßen Bewegungskorrekturverfahrens.
Die erfindungsgemäße Bewegungskorrektureinrichtung weist eine Zerlegungseinheit zum Ermitteln eines ersten virtuellen Röntgennativbilds und eines zweiten virtuellen Röntgennativbilds auf. Wie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bewegungskorrekturverfahren beschrieben, wird das erste virtuelle Röntgennativbild auf Basis von mit einer ersten Kontrastverteilung behafteten ersten Röntgenrohdaten mit Hilfe einer Materialzerlegung gewonnen. Das zweite virtuelle Röntgennativbild wiederum wird auf Basis von mit einer zweiten Kontrastverteilung behafteten zweiten Röntgenrohdaten mit Hilfe einer Materialzerlegung erzeugt.
Teil der erfindungsgemäßen Bewegungskorrektureinrichtung ist auch eine Registrierungseinheit zum Registrieren des ersten virtuellen Röntgennativbilds mit dem zweiten virtuellen Röntgennativbild. Die Registrierungseinheit dient außerdem dazu, ein Transformationsfeld auf Basis der Registrierung zu ermitteln. Die bereits erwähnte Registrierungseinheit ist weiterhin dazu eingerichtet, auf den ersten Röntgenrohdaten basierende erste Röntgenbilddaten mit auf den zweiten Röntgenrohdaten basierenden zweiten Röntgenbilddaten unter Anwendung des ermittelten Transformationsfeldes zu registrieren. Die erfindungsgemäße Bewegungskorrektureinrichtung teilt die Vorteile des erfindungsgemäßen Bewegungskorrekturverfahrens.
Das erfindungsgemäße Röntgenbildgebungssystem, vorzugsweise ein CT-Bildgebungssystem, weist die erfindungsgemäße Bewegungskorrektureinrichtung auf. Das erfindungsgemäße Röntgenbildgebungssystem teilt die Vorteile des erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahrens.
Die wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Bewegungskorrektureinrichtung können zum überwiegenden Teil in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Dies betrifft insbesondere die Zerlegungseinheit, die Registrierungseinheit und die Feldermittlungseinheit der erfindungsgemäßen Bewegungskorrektureinrichtung. 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 medizintechnische Bildgebungssysteme bzw. 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 eines Röntgenbildgebungssystems ladbar ist, mit Programmabschnitten, um die durch Software realisierbaren Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in dem Röntgenbildgebungssystem 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 zu dem Teilsystem und/oder zur Speicherung an oder in diesem Teilsystem kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Die Rechnereinheit kann z. B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen. Die Rechnereinheit kann zum Beispiel Teil eines Terminals oder einer Steuereinrichtung eines bildgebenden Systems, wie zum Beispiel einer CT-Anlage, sein, sie kann aber auch Teil eines entfernt positionierten Serversystems innerhalb eines Datenübertragungsnetzes sein, das mit dem bildgebenden System kommuniziert.
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 Variante des erfindungsgemäßen Bewegungskorrekturverfahrens unterscheidet sich die erste Kontrastverteilung von der zweiten Kontrastverteilung aufgrund einer unterschiedlichen Kontrastmittelkonzentrationsverteilung. Eine unterschiedliche Kontrastmittelkonzentrationsverteilung kann zum Beispiel durch die zeitliche Variabilität einer Kontrastmittelkurve an einem bestimmten Ort im Körper auftreten. Vorteilhaft können aufgrund der Nutzung der Nativbilder für die Ermittlung der Transformation für die Registrierung trotz der durch die unterschiedliche Kontrastmittelkonzentration der unterschiedlichen Bilder hervorgerufenen Bildunterschiede gleiche Bildbereiche und Segmente miteinander korrekt identifiziert werden.
In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bewegungskorrekturverfahrens unterscheidet sich die erste Kontrastverteilung von der zweiten Kontrastverteilung aufgrund einer Anwendung unterschiedlicher Kontrastmittel für das erste Röntgenbild und das zweite Röntgenbild. Beispielsweise kann das Kontrastmittel Iod zur Darstellung von Gefäßen und Weichgeweben verwendet werden, das Kontrastmittel Barium zur Darstellung des Darms und des Bauchraums und das Kontrastmittel Xenon für die Darstellung der Lunge und des Gehirns eingesetzt werden. Um ein Gesamtbild mehrerer unterschiedlichen Strukturen zu erhalten, kann es sinnvoll sein, die beiden Bilder aufeinander zu registrieren.
In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bewegungskorrekturverfahrens wird für die Registrierung die Methode der Summe der quadratischen Differenzen verwendet.
Dieses besonders einfache und wenig aufwendige Verfahren lässt sich normalerweise bei sehr unterschiedlichen Kontrasten unterschiedlicher Bilder für eine Registrierung dieser Bilder nicht einsetzen. Da bei dem erfindungsgemäßen Bewegungskorrekturverfahren jedoch die Ermittlung der Transformation zwischen den Bildern anhand von virtuellen Nativbildern mit derselben Kontrastverteilung erfolgt, kann erfindungsgemäß auf dieses einfache Verfahren zugrückgegriffen werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahrens werden die spektralen Röntgendaten auf Basis eines der folgenden Bildgebungsverfahren gewonnen:

- Photonenzählende Detektion,
- Dual-Source-CT,
- Rapid-kV-Switching-CT,
- Dual-Layer-CT,
- Aufeinanderfolgende Aufnahmen mit unterschiedlicher Röntgenröhrenspannung,
- Split-Filter-CT.

Eine photonenzählende Detektion erlaubt eine spektral aufgelöste Erfassung von Röntgenrohdaten.
Bei einer Dual-Source-CT werden Bildaufnahmen ein- und desselben Untersuchungsbereiches mit mindestens zwei unterschiedlichen mittleren Röntgenenergien durchgeführt.
Bei einer Rapid-kV-Switching-CT erfolgt ein Umschalten der Röntgenquelle zwischen unterschiedlichen Röntgenenergien, so dass ebenfalls simultan mehrere Bildaufnahmen mit unterschiedlichen Röntgenenergien erfolgen können.
Beim Dual-Layer-CT besteht der Detektor aus zwei oder mehr Lagen, von denen jede nur einen Teil des Röntgenspektrums detektiert.
Bei aufeinanderfolgenden Aufnahmen mit unterschiedlicher Spannung wird die gleiche Aufnahme zweimal kurz hintereinander durchgeführt, wobei die Röntgenenergie zwischen den Aufnahmen umgeschaltet wird.
Beim Split-Filter-CT wird der Röntgenstrahl durch zwei verschiedene Filter, z.B. Gold und Zinn, longitudinal in zwei Bereiche mit niedrigerem bzw. höherem Spektrum getrennt. Daher detektieren bei einem Mehrzeilen-CT die Hälfte der Zeilen das Signal des niedrigen Spektrums und die andere Hälfte das Signal des hohen Spektrums.
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 Bewegungskorrekturverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
2 ein Flussdiagramm, welches ein Röntgenbildgebungsverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
3 eine schematische Darstellung einer Bewegungskorrektureinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
4 eine schematische Darstellung eines CT-Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In 1 ist ein Flussdiagramm gezeigt, welches ein Bewegungskorrekturverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Das Ziel des Verfahrens besteht darin, zwei zu unterschiedlichen Zeiten von ein- und demselben Untersuchungsbereich mit unterschiedlichen Kontrastverteilungen aufgenommene Bilder miteinander zu registrieren, wobei Bewegungen des Patienten korrekt werden sollen. Die unterschiedlichen Kontraste können zum Beispiel dadurch entstehen, dass ein Kontrastmittel zu einem ersten Zeitpunkt t₁ dem Patienten injiziert wurde. Ein erstes Bild von dem Untersuchungsbereich wurde dann zu einem zweiten Zeitpunkt t₂ aufgenommen. Bei dem zweiten Zeitpunkt befand sich gerade eine Konzentration K1 des Kontrastmittels in dem Untersuchungsbereich, was zu einem ersten Bildkontrast KT1 beiträgt. Später wurde dann eine zweite Bildaufnahme von dem Untersuchungsbereich zu einem dritten Zeitpunkt t₃ erzeugt, bei dem eine zweite Konzentration K2 des Kontrastmittels vorherrschte, die sich von der ersten Konzentration zu dem zweiten Zeitpunkt t₂ unterschied. Die Änderung der Konzentration des genutzten Kontrastmittels ergibt sich einfach dadurch, dass das Kontrastmittel mit dem Blutfluss des Patienten dessen Körper durchfließt und daher zu unterschiedlichen Zeiten in ein- und demselben Untersuchungsbereich die Konzentration des Kontrastmittels variiert. Die mit unterschiedlichen Kontrastmittelkonzentrationen erstellten Röntgenbilder lassen sich nun schlecht direkt aufeinander registrieren, da der unterschiedliche Kontrast eine Segmentierung oder generell die räumliche Zuordnung von anatomischen Strukturen erschwert. Daher werden für die Röntgenbildaufnahmen von dem Untersuchungsbereich spektrale Röntgenrohdaten gewonnen. D.h., dass eine separate Erfassung von mindestens zwei Spektralanteilen der von dem Untersuchungsbereich abgeschwächten Röntgenstrahlung erfolgt.
Die spektral aufgelöste Erfassung der Röntgenrohdaten erlaubt es nun im Rahmen des Bewegungskorrekturverfahrens bei dem Schritt 1.1 ein erstes virtuelles Röntgennativbild von dem Untersuchungsbereich auf Basis der ersten spektralen Röntgenrohdaten, die bei dem Zeitpunkt t₂ gewonnen wurden, mit Hilfe einer Materialzerlegung zu erzeugen. Bei einer solchen Materialzerlegung erfolgt eine Zerlegung des erfassten Röntgenspektrums nach mindestens zwei Materialien, beispielsweise Calcium und Wasser bzw. den diesen Materialien zugeordneten Röntgenspektren. Auf Basis dieser Zerlegung lässt sich nun ein Bild mit einem beliebigen Röntgenspektrum konstruieren.
Wird nun bei der Konstruktion eines Bildes ein Spektralbereich gewählt, bei dem das Kontrastmittel keinerlei Wirkung hat, was zum Beispiel weit entfernt von der sogenannten Röntgenkante des Kontrastmittels der Fall ist, so wird ein sogenanntes virtuelles Nativbild erzeugt, welches den Untersuchungsbereich zu dem Zeitpunkt t₂ so darstellt, als wäre kein Kontrastmittel K benutzt worden.
Analog zu dieser Vorgehensweise wird dann bei dem Schritt 1.II auf Basis der bei dem Zeitpunkt t₃ gewonnenen zweiten spektralen Röntgenrohdaten ein zweites virtuelles Röntgennativbild von dem Untersuchungsbereich erzeugt. Dieser Vorgang erfolgt wiederum mit Hilfe einer Materialzerlegung der zweiten spektralen Röntgenrohdaten.
Bei dem Schritt 1.III werden nun die beiden virtuellen Röntgennativbilder aufeinander registriert. Die Registrierung der beiden Röntgennativbilder ist nun bedeutend zuverlässiger als eine Registrierung von unterschiedlich kontrastmittelbeeinflussten Bilddaten, da sie jeweils denselben Bildkontrast aufweisen und somit die Abschwächungswerte der anatomisch wichtigen Strukturen in der Bilddarstellung unabhängig von einer Kontrastmittelverteilung sind. Aufgrund der Unabhängigkeit der Abschwächungswerte von der Kontrastmittelverteilung wird eine Verfälschung des Abstandsmaßes der Registrierung, insbesondere der normierten wechselseitigen Information, der lokalen Kreuzkorrelation und der Summe der quadratischen Differenzen bei der Registrierung vermieden. Anders ausgedrückt wird das Abstandsmaß durch die tatsächlichen räumlichen Verschiebungen zwischen den beiden Bildaufnahmen dominiert.
Bei dem Schritt 1.III, d.h. bei der Registrierung, erfolgt eine Ermittlung eines Transformationsfelds. Das Transformationsfeld gibt darüber Auskunft, wie die beiden Röntgennativbilder verschoben, verzerrt und gedreht werden müssen, um anschaulich gesprochen miteinander zur Deckung gebracht werden zu können.
Dieses Transformationsfeld wird schließlich bei dem Schritt 1.IV auf kontrastmittelbeeinflusste Röntgenbilddaten angewendet, die auf Basis der ersten und zweiten spektralen Röntgenrohdaten rekonstruiert wurden. Auf diese Weise wird eine Patientenbewegung zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃ zuverlässig korrigiert.
In 2 ist ein Flussdiagramm gezeigt, welches ein Röntgenbildgebungsverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Bei dem Schritt 2.1 erfolgt zunächst eine erste spektrale Röntgenaufnahme von einem Untersuchungsbereich zu einem Zeitpunkt t₂, zu dem ein Kontrastmittel den Untersuchungsbereich bereits durchflutet. Weiterhin erfolgt bei dem Schritt 2.II eine zweite spektrale Röntgenaufnahme von dem Untersuchungsbereich zu einem weiteren Zeitpunkt t₃, bei dem in dem Untersuchungsbereich eine andere Kontrastmittelkonzentrationsverteilung auftritt als bei dem Zeitpunkt t₂. Bei dem Schritt 2.III erfolgt schließlich die Anwendung des in 1 veranschaulichten erfindungsgemäßen Bewegungskorrekturverfahrens.
In 3 ist eine schematische Darstellung einer Bewegungskorrektureinrichtung 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Die Bewegungskorrektureinrichtung 30 umfasst eine Eingangsschnittstelle 31. Die Eingangsschnittstelle 31 empfängt spektrale Röntgenrohdaten, welche mit unterschiedlichem Kontrast erfasst wurden. Die Röntgenrohdaten werden an eine Zerlegungseinheit 32 übermittelt, die dazu eingerichtet ist, ein erstes virtuelles Röntgennativbild auf Basis der mit einer ersten Kontrastmittelverteilung behafteten ersten Röntgenrohdaten mit Hilfe einer Materialzerlegung zu erzeugen und ein zweites virtuelles Röntgennativbild auf Basis von mit einer zweiten Kontrastmittelverteilung behafteten zweiten Röntgenrohdaten mit Hilfe einer Materialzerlegung zu erzeugen. Die erzeugten Nativbilder werden an eine Registrierungseinheit 33 übermittelt, die ebenfalls Teil der Bewegungskorrektureinrichtung 30 ist. Die Registrierungseinheit 33 registriert das erste virtuelle Röntgennativbild mit dem zweiten virtuellen Röntgennativbild. Auf Basis der Registrierung wird von der Registrierungseinheit 33 ein Transformationsfeld ermittelt. Die Daten des Transformationsfeldes werden dann von der Registrierungseinheit 33 dazu genutzt, auf den ersten Röntgenrohdaten basierende erste Röntgenbilddaten mit auf den zweiten Röntgenrohdaten basierenden zweiten Röntgenbilddaten unter Anwendung des ermittelten Transformationsfeldes zu registrieren. Die ersten Röntgenbilddaten und zweiten Röntgenbilddaten weisen jeweils eine unterschiedliche Kontrastverteilung auf. Die ersten und zweiten Röntgenbilddaten werden von einer Rekonstruktionseinheit (nicht gezeigt) erzeugt und über die Eingangsschnittstelle 31 an die Registrierungseinheit 33 übermittelt.
Von der Registrierungseinheit 33 werden die registrierten Bilddaten an eine Ausgangsschnittstelle 34 übermittelt, die die erzeugten Bilddaten ausgibt.
In 4 ist ein Röntgenbildgebungssystem, in diesem Fall ein CT-System 40, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
Das CT-System 40, welches als CT-System mit einem photonenzählenden Detektor 16 ausgebildet ist, besteht dabei im Wesentlichen aus einem üblichen Scanner 9, in welchem an einer Gantry 11 eine Projektionsmessdatenakquisitionseinheit 5 mit einem photonenzählenden Detektor 16 und einer dem photonenzählenden Detektor 16 gegenüberliegenden Röntgenquelle 15 um einen Messraum 12 umläuft. Vor dem Scanner 9 befindet sich eine Patientenlagerungseinrichtung 3 bzw. ein Patiententisch 3, dessen oberer Teil 2 mit einem darauf befindlichen Patienten O zum Scanner 9 verschoben werden kann, um den Patienten O durch den Messraum 12 hindurch relativ zum Detektorsystem 16 zu bewegen. Angesteuert werden der Scanner 9 und der Patiententisch 3 durch eine Steuereinrichtung 41, von der aus über eine übliche Steuerschnittstelle 44 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 Röntgenquelle 15 für die Röntgenquelle 15 relativ zum Patienten O während der Messung eine Helixbahn. Parallel läuft dabei immer gegenüber der Röntgenquelle 15 der Detektor 16 mit, um spektral aufgelöste 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 spektral aufgelösten 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 mehreren Röntgenquellen 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 dem Detektor 16 akquirierten spektral aufgelösten Projektionsmessdaten PMD1, PMD2 (im Folgenden auch Rohdaten genannt) werden über eine Rohdatenschnittstelle 43 an die Steuereinrichtung 41 übergeben. Diese Rohdaten werden dann, gegebenenfalls nach einer geeigneten Vorverarbeitung in einer Bewegungskorrektureinrichtung 30 weiterverarbeitet, die in diesem Ausführungsbeispiel in der Steuereinrichtung 41 in Form von Software auf einem Prozessor realisiert ist. Weiterhin werden die Rohdaten auch von einer Rekonstruktionseinheit 46 zu Bilddaten BD1, BD2 rekonstruiert bzw. verarbeitet. Die rekonstruierten Bilddaten BD1, BD2 werden dann ebenfalls der Bewegungskorrektureinrichtung 30 zugeführt. Die Bewegungskorrektureinrichtung 30 ist, wie in 3 veranschaulicht aufgebaut und erzeugt aus den zu verschiedenen Zeitpunkten erfassten Rohdaten PMD1, PMD2 aufeinander registrierte Bilddaten BD.
Die von der Bewegungskorrektureinrichtung 30 erzeugten aufeinander registrierten Bilddaten BD werden dann in einem Speicher 42 der Steuereinrichtung 41 hinterlegt und/oder in üblicher Weise auf dem Bildschirm der Steuereinrichtung 41 ausgegeben. Sie können auch über eine in 4 nicht dargestellte Schnittstelle in ein an das Computertomographiesystem 40 angeschlossenes Netz, beispielsweise ein radiologisches Informationssystem (RIS), eingespeist und in einem dort zugänglichen Massenspeicher hinterlegt oder auf dort angeschlossenen Druckern oder Filming-Stationen als Bilder ausgegeben werden. Die Daten können so in beliebiger Weise weiterverarbeitet und dann gespeichert oder ausgegeben werden.
Zusätzlich ist in 4 auch eine Kontrastmittel-Injektionseinrichtung 45 eingezeichnet, mit der dem Patienten O ein Kontrastmittel K vorab, d.h. vor dem Start des CT-Bildgebungsverfahrens injiziert wird. Die von dem Kontrastmittel K durchfluteten Bereiche können dann mit Hilfe des Computertomographiesystems 40 unter Anwendung des erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahrens bildlich erfasst werden.
Die Komponenten der Bewegungskorrektureinrichtung 30 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. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7778454 B2 [0012]

Claims

Bewegungskorrekturverfahren, aufweisend die Schritte: - Ermitteln eines ersten virtuellen Röntgennativbilds von einem Untersuchungsbereich auf Basis von mit einer ersten Kontrastverteilung behafteten ersten spektralen Röntgenrohdaten (PMD1) mit Hilfe einer Materialzerlegung, - Ermitteln eines zweiten virtuellen Röntgennativbilds von dem Untersuchungsbereich auf Basis von mit einer von der ersten Kontrastverteilung sich unterscheidenden zweiten Kontrastverteilung behafteten zweiten spektralen Röntgenrohdaten (PMD2) mit Hilfe einer Materialzerlegung, - Registrieren des ersten virtuellen Röntgennativbilds mit dem zweiten virtuellen Röntgennativbild, wobei ein Transformationsfeld zwischen den beiden virtuellen Röntgennativbildern ermittelt wird, - Registrieren von auf den ersten Röntgenrohdaten basierenden ersten Röntgenbilddaten (BD1) mit auf den zweiten Röntgenrohdaten basierenden zweiten Röntgenbilddaten (BD2) auf Basis des ermittelten Transformationsfeldes.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich die erste Kontrastverteilung von der zweiten Kontrastverteilung aufgrund einer unterschiedlichen Kontrastmittelkonzentrationsverteilung unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die erste Kontrastverteilung von der zweiten Kontrastverteilung aufgrund einer Anwendung unterschiedlicher Kontrastmittel für die ersten Röntgenbilddaten (BD1) und die zweiten Röntgenbilddaten (BD2) unterscheidet.
Röntgenbildgebungsverfahren, aufweisend die Schritte: - Durchführen einer ersten spektralen Röntgenaufnahme von einem Untersuchungsbereich mit einer ersten Kontrastverteilung, - Durchführen einer zweiten spektralen Röntgenaufnahme von dem Untersuchungsbereich mit einer zweiten Kontrastverteilung, - Durchführen eines Bewegungskorrekturverfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, - Erzeugen von aufeinander registrierten ersten und zweiten Bilddaten (BD1, BD2) auf Basis der durchgeführten Bewegungskorrektur.
Röntgenbildgebungsverfahren nach Anspruch 4, wobei die spektralen Röntgendaten auf Basis eines der folgenden Bildgebungsverfahren gewonnen werden: - Photonenzählende Detektion, - Dual-Source-CT, - Rapid-kV-Switching-CT - Dual-Layer-CT, - Aufeinanderfolgende Aufnahmen mit unterschiedlicher Röntgenröhrenspannung, - Split-Filter-CT.
Röntgenbildgebungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend ein CT-Bildgebungsverfahren.
Bewegungskorrektureinrichtung (30), aufweisend: - eine Zerlegungseinheit (32) zum Ermitteln eines ersten virtuellen Röntgennativbilds auf Basis von mit einer ersten Kontrastverteilung behafteten ersten Röntgenrohdaten (PMD1) mit Hilfe einer Materialzerlegung und eines zweiten virtuellen Röntgennativbilds auf Basis von mit einer zweiten Kontrastverteilung behafteten zweiten Röntgenrohdaten (PMD2) mit Hilfe einer Materialzerlegung, - eine Registrierungseinheit (33) zum Ermitteln eines Transformationsfeldes durch Registrieren des ersten virtuellen Röntgennativbilds mit dem zweiten virtuellen Röntgennativbild und zum Registrieren von auf den ersten Röntgenrohdaten (PMD1) basierenden ersten Röntgenbilddaten (BD1) mit auf den zweiten Röntgenrohdaten (PMD2) basierenden zweiten Röntgenbilddaten (BD2) unter Anwendung des ermittelten Transformationsfeldes.
Röntgenbildgebungssystem (40), aufweisend eine Bewegungskorrektureinrichtung (30) nach Anspruch 7.
Röntgenbildgebungssystem nach Anspruch 8, aufweisend eine CT-Bildgebungseinrichtung.
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, welches direkt in eine Speichereinrichtung eines Röntgenbildgebungssystems (40) ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen, wenn das Computerprogramm in dem Röntgenbildgebungssystem (40) ausgeführt wird.
Computerlesbares Medium, auf welchem von einer Rechnereinheit einlesbare und ausführbare Programmabschnitte gespeichert sind, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen, wenn die Programmabschnitte von der Rechnereinheit ausgeführt werden.