Sowohl
spontan als auch nach größeren Operationen
bilden sich oft Flüssigkeitsansammlungen
im Körper
von Patienten. Die eindeutige und zuverlässige Identifizierung des Flüssigkeitstyps
spielen für
die ggf. erforderliche Behandlung des Patienten eine wesentliche
Rolle. Dabei ist insbesondere die Differenzierung zwischen Eiter,
Blut, Wundwasser (Lymphe) und Urin wichtig. Weitere mögliche Flüssigkeiten
sind bspw. Galle, Aszites und Exsudat im Pleuralraum. Die genaue
Zusammensetzung derartiger Flüssigkeitsansammlungen
kann dabei innerhalb gewisser Schwankungsbreiten variieren.
In
der Regel werden Flüssigkeitsansammlungen
im Körper
eines Patienten nach einer Computertomographie (CT)-Untersuchung
in den CT-Aufnahmen erkannt. Werden diese Flüssigkeitsansammlungen als kritisch
befunden, so ist derzeit regelmäßig eine
invasive Diagnostik, bspw. eine Punktion oder eine Operation, erforderlich,
um eine weitere Differenzierung des Befundes vorzunehmen, insbesondere
den Flüssigkeitstyp
zu bestimmen.
Das
Ergebnis radiographischer Verfahren, wie bspw. der Computer-Tomographie,
der Mammographie, der Angiographie, der Röntgen-Inspektionstechnik oder
vergleichbarer Verfahren, ist zunächst die Darstellung der Schwächung eines
Röntgenstrahls
entlang seines Weges von der Röntgenquelle
zum Röntgendetektor
in einem Projektionsbild. Diese Schwächung wird von den durchstrahlten Materialien
entlang des Strahlengangs verursacht, so dass die Schwächung auch
als Linienintegral über die
Schwächungskoeffizienten
aller Volumenelemente (Voxel) entlang des Strahlenweges verstanden werden
kann. Insbesondere bei Tomographie-Verfahren, bspw. bei der Röntgencomputertomographie, ist
es über
Rekonstruktionsverfahren möglich,
von den projizierten Schwächungsdaten
auf die Schwächungskoeffizienten μ der einzelnen
Voxel zurückzurechnen
und damit zu einer erheblich sensitiveren Untersuchung als bei reiner
Betrachtung von Projektionsbildern zu gelangen.
Zur
Darstellung der Schwächungsverteilung wird
statt des Schwächungskoeffizienten
in der Regel ein auf den Schwächungskoeffizienten
von Wasser normierter Wert, die sog. CT-Zahl, verwendet. Diese berechnet sich
aus einem aktuell durch Messung ermittelten Schwächungskoeffizienten μ und dem
Referenz-Schwächungskoeffizienten μ
H2O nach
folgender Gleichung:
mit der CT-Zahl C in der
Einheit Hounsfield [HU]. Für Wasser
ergibt sich ein Wert C
H2O = 0 HU und für Luft ein
Wert C
L = –1000 HU. Da beide Darstellungen
ineinander transformierbar bzw. äquivalent
sind, bezeichnet im Folgenden der allgemein gewählte Begriff Schwächungswert
oder Schwächungswertkoeffizient
sowohl den Schwächungskoeffizienten μ als auch
den CT-Wert.
Obgleich
die Aussagekraft eines auf den lokalen Schwächungskoeffizienten basierenden
Bildes deutlich erhöht
ist, kann es im Einzelfall dennoch Probleme bei der Interpretation
eines Bildes geben. Ein lokal erhöhter Schwächungswert lässt sich
nämlich entweder
auf Materialien höherer
Ordnungszahl, wie bspw. Calcium im Skelett oder Jod in einem Kontrastmittel
zurückführen, oder
auf eine erhöhte
Weichteildichte, wie etwa bei einem Lungenknoten. Der lokale Schwächungskoeffizient μ am Ort r → ist
abhängig
von der in das jeweilige Gewebe bzw. Material eingestrahlten Röntgenenergie
E und der lokalen Gewebe- bzw. Materialdichte ρ entsprechend der folgenden Gleichung: μ = μ (E, r →) =
(μ/ρ)(E, Z) × ρ(r →) mit dem energie-
und materialabhängigen
Massenschwächungskoeffizienten
(μ/ρ)(E,Z) und
der (effektiven) Ordnungszahl Z.
Die
energieabhängige
Röntgenabsorption eines
Materials, die von seiner effektiven Ordnungszahl Z bestimmt wird, überlagert
daher die von der Materialdichte ρ beeinflusste
Röntgenabsorption. Materialien
bzw. Gewebe unterschiedlicher chemischer wie physikalischer Zusammensetzung,
insbesondere auch Flüssigkeitsansammlungen,
können daher
im Röntgenbild
identische Schwächungswerte aufweisen.
Umgekehrt kann aus dem Schwächungswert
einer Röntgenaufnahme
nicht auf die Materialzusammensetzung eines Untersuchungsobjekts
geschlossen werden.
Im
Kontext dieser Beschreibung wird der Begriff Ordnungszahl, so weit
nicht anders angegeben, nicht im strengen, Elementbezogenen Sinn
verwendet, sondern bezeichnet statt dessen eine effektive Ordnungszahl
eines Gewebes bzw. Materials, die sich aus den chemischen Ordnungszahlen
und Atomgewichten der am Aufbau des Gewebes bzw. Materials beteiligten
Elemente berechnet.
Aus
der
US 4,247,774 ist
im Zusammenhang mit computergestützten
Tomographieverfahren bekannt, voneinander verschiedene Röntgenspektren oder
Röntgenquantenenergien
zur Erzeugung eines Bildes zu verwenden. Derartige Verfahren werden allgemein
als Zwei-Spektren-CT bezeichnet. Sie nutzen die Ordnungszahlbedingte
Energieabhängigkeit des
Schwächungskoeffizienten μ aus, d.
h. sie basieren auf dem Effekt, dass Materialien und Gewebe höherer Ordnungszahl
niederenergetische Röntgenstrah lung
deutlich stärker
absorbieren als Materialien bzw. Gewebe niederer Ordnungszahl. Bei
höheren Röntgenstrahlenergien
gleichen sich dagegen die Schwächungswerte
an und sind vorwiegend eine Funktion der Materialdichte. Bei der
Zwei-Spektren-CT
werden dann bspw. die Unterschiede in den bei unterschiedlichen
Röntgenröhrenspannungen aufgenommenen
Bildern berechnet.
Noch
spezifischere Aussagen werden erhalten, wenn zusätzlich die Methode der sog.
Basismaterialzerlegung bei Röntgenaufnahmen
angewendet wird, wie sie etwa W. Kalender et al. in „Materialselektive
Bildgebung und Dichtemessung mit der Zwei-Spektren-Methode, I. Grundlagen und
Methodik", Digit.
Bilddiagn. 7, 1987, 66–77,
Georg Thieme Verlag, beschreiben. Bei diesem Verfahren werden die
Röntgenschwächungswerte
eines Untersuchungsobjekts mit Röntgenstrahlen
niederer und höherer
Energie gemessen und die erhaltenen Werte mit den entsprechenden
Referenzwerten zweier Basismaterialien wie bspw. Calcium für Skelettmaterial und
Wasser für
Weichteilgewebe verglichen. Es wird angenommen, dass sich jeder
Messwert als lineare Superposition der Messwerte der beiden Basismaterialien
darstellen lässt.
So kann für
jedes Element der bildlichen Darstellung des Untersuchungsobjekts
aus dem Vergleich mit den Werten der Basismaterialien ein Skelettanteil
und ein Weichgewebeanteil berechnet werden, so dass eine Transformation
der ursprünglichen
Aufnahmen in Darstellungen der beiden Basismaterialien resultiert.
Die Basismaterialzerlegung bzw. das Zwei-Spektren-Verfahren eignen
sich damit zur Auftrennung bzw. Unterscheidung von vordefinierten
anatomischen Strukturen oder Materialarten in menschlichen und tierischen
Geweben mit stark unterschiedlicher Ordnungszahl.
Aus
der deutschen Patentanmeldung
DE 101 43 131 A1 ist weiterhin ein Verfahren
bekannt, dessen Sensitivität
und Aussagekraft die der Basismaterialzerlegung noch übertrifft
und bspw. eine funktionale CT-Bildgebung hoher Aussagekraft ermöglicht.
Mit dem Verfahren kann die räumliche
Verteilung der Dichte ρ (r)
und der effektiven Ordnungszahl Z (r) durch Auswertung der spektral
beeinflussten Messdaten einer Röntgenapparatur
berechnet werden. Aus einer kombinierten Auswertung der Verteilung
der Dichte sowie der effektiven Ordnungszahl lassen sich Körperbestandteile
wie bspw. Jod oder dergleichen quantitativ bestimmen und bspw. Calzifizierungen
basierend auf der Ordnungszahl heraus segmentieren. Eine zuverlässige Bestimmung
des Flüssigkeitstyps
von Flüssigkeitsansammlungen
im Körper
des Untersuchungsobjektes ermöglichen
die bisher bekannten Verfahren jedoch nicht.
Ausgehend
von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung
des Flüssigkeitstyps
einer Flüssigkeitsansammlung
in einem Objekt anzugeben, mit denen sich der Flüssigkeitstyp eindeutig und
zuverlässig identifizieren
lässt.
Die
Aufgabe wird mit den Verfahren sowie der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 5
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung
sind Gegenstand der Unteransprüche
oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Beim
vorliegenden Verfahren zur Bestimmung des Flüssigkeitstyps einer Flüssigkeitsansammlung
in einem Objekt, insbesondere in einem Körperbereich eines Patienten,
werden Röntgenschwächungsdaten
aus einer oder mehreren Röntgenaufnahmen
eines die Flüssigkeitsansammlung
im Objekt umfassenden Objektbereiches bereitgestellt, die mit zumindest
zwei unterschiedlichen Röntgenspektren
oder spektralen Detektorgewichtungen erfasst wurden. Aus den Röntgenschwächungsdaten werden
Werte der effektiven Ordnungszahl und der Dichte für die Flüssigkeitsansammlung
bestimmt und gemittelt, um einen Mittelwert der effektiven Ordnungszahl
und der Dichte der Flüssigkeitsansammlung
zu erhalten. Weiterhin werden Vergleichsdaten be reitgestellt, die
Schwankungsbereiche von Kombinationen der effektiven Ordnungszahl
und der Dichte unterschiedlicher Flüssigkeitstypen angeben. Die Mittelwerte
der effektiven Ordnungszahl und der Dichte der Flüssigkeitsansammlung
werden mit den Vergleichsdaten verglichen, um den Schwankungsbereich
zu ermitteln, in den die beiden Mittelwerte fallen. Schließlich wird
aus diesem Vergleich der Flüssigkeitstyp
der Vergleichsdaten als Flüssigkeitstyp der
Flüssigkeitsansammlung
bestimmt, der dem ermitteltem Schwankungsbereich in den Vergleichsdaten
zugeordnet ist.
Die
zugehörige
Vorrichtung zur Bestimmung des Flüssigkeitstyps einer Flüssigkeitsansammlung in
einem Objekt umfasst zumindest eine Röntgenquelle zur Emission von
Röntgenstrahlung
und mehrere der Röntgenquelle
gegenüberliegende
Röntgendetektoren
zum Erfassen von Röntgenschwächungsdaten
eines zwischen der Röntgenquelle
und den Röntgendetektoren
angeordneten Objekts sowie eine Auswerteeinheit zur Umwandlung von
elektrischen Signalen der Röntgendetektoren
in Röntgenschwächungsdaten.
Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Auswerteeinheit
ein Modul zur Flüssigkeitsbestimmung
umfasst, das aus Röntgenschwächungsdaten
einer oder mehrerer Röntgenaufnahmen
eines die Flüssigkeitsansammlung
im Objekt umfassenden Objektbereiches, die mit zumindest zwei unterschiedlichen
Röntgenspektren
oder Detektorgewichtungen erfasst wurden, Werte der effektiven Ordnungszahl
und der Dichte für
die Flüssigkeitsansammlung
bestimmt und darüber
mittelt, um einen Mittelwert der effektiven Ordnungszahl und einen
Mittelwert der Dichte der Flüssigkeitsansammlung
zu erhalten, und die Mittelwerte mit Vergleichsdaten einer Speichereinheit
vergleicht, die Schwankungsbereiche von Kombinationen der effektiven Ordnungszahl
und der Dichte unterschiedlicher Flüssigkeitstypen angeben, um
den Schwankungsbereich zu bestimmen, in den die beiden Mittelwerte
fallen. Das Modul der Auswerteeinheit ist weiterhin derart ausgebildet,
dass es dem Bediener einen Hinweis auf den Flüssigkeitstyp ausgibt, der dem durch
Vergleich automatisch bestimmten Schwankungsbereich zugeordnet ist.
Der
in der vorliegenden Beschreibung verwendete Begriff Röntgenspektrum
besitzt eine weiter gefasste Bedeutung als nur die Spektralverteilung
einer von der Röntgenquelle
der Vorrichtung emittierten Röntgenstrahlung.
Auch auf Seiten der Röntgendetektoren
können
unterschiedliche Spektralanteile einer Strahlung mit unterschiedlichen
Wirkungsgraden umgesetzt und somit verschieden gewichtet werden.
Die daraus resultierende effektive Spektralverteilung wird in der
vorliegenden Patenanmeldung ebenfalls als Röntgenspektrum bezeichnet.
Mit
dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich somit aus den Röntgenschwächungsdaten
einer oder mehrerer Röntgenaufnahmen
des interessierenden Objektbereiches, vorzugsweise unter Einsatz des
aus der
DE 101 43
131 A1 bekannten Technik der Ermittlung der räumlichen
Verteilung der Dichte und der effektiven Ordnungszahl, aus zumindest zwei
Röntgenaufnahmen
mit unterschiedlichen Röntgenspektren
die Flüssigkeitstypen
der jeweiligen Flüssigkeitsansammlungen
eindeutig identifizieren. Hierbei werden Vergleichsdaten eingesetzt,
die lediglich einmalig auf Basis entsprechender Vormessungen festgelegt
werden müssen.
Bei diesen Vormessungen wird eine hinreichend große Anzahl
von Proben einer bestimmten Körperflüssigkeit,
vorzugsweise 6 oder mehr Proben, mit den auch bei den nachfolgenden
Aufnahmen eingesetzten unterschiedlichen Röntgenspektren vermessen und
aus den erhaltenen Röntgenschwächungsdaten
unter Einsatz der vorgenannten Technik die Werte der Dichte und der
Ordnungszahl dieser Proben bestimmt. Die Vormessungen werden mit
unterschiedlichen Körperflüssigkeiten
durchgeführt,
wie sie typischerweise als Flüssigkeitsansammlungen
im Körper
eines Patienten auftreten. Auf Grund der schwankenden Zusammensetzung
derartiger Körperflüssigkeiten
werden aus diesen Vormessungen unterschiedliche Kombinationen der
Dichte und effektiven Ordnungszahl erhalten. Anschließend werden
Schwankungsbereiche dieser Kombinationen der effektiven Ord nungszahl und
der Dichte für
den jeweiligen Flüssigkeitstyp
festgelegt, in denen die gemessenen Werte des zugehörigen Flüssigkeitstyps
liegen. Die aus diesen Vormessungen erhaltenen Schwankungsbereiche
und zugeordneten Flüssigkeitstypen
werden beim vorliegenden Verfahren bzw. der zugehörigen Vorrichtung als
Vergleichsdaten bereitgestellt.
Für die Durchführung des
Verfahrens werden weiterhin die Röntgenschwächungsdaten aus einer oder
mehreren Röntgenaufnahmen
eines die Flüssigkeitsansammlung
im Objekt umfassenden Objektbereiches bereitgestellt, die mit den
zumindest zwei unterschiedlichen Röntgenspektren erfasst wurden.
Selbstverständlich
kann die Durchführung
dieser Röntgenaufnahmen
auch Bestandteil des vorliegenden Verfahrens sein. Unter Röntgenschwächungsdaten
werden in der vorliegenden Patentanmeldung die aus den Aufnahmen
erhaltenen Schwächungswerte,
d. h. entweder direkt die Schwächungskoeffizienten μ oder die
von diesem linear abhängige
CT-Zahl C, verstanden. Diese Röntgenschwächungsdaten
geben jeweils eine räumliche Verteilung
der Schwächungswerte
an, aus denen durch Auswertung eine räumliche Verteilung effektiver
Ordnungszahlen sowie eine räumliche
Verteilung der Dichte ermittelt werden kann. Einzelheiten zu der zugehörigen Technik
können
der
DE 101 43 131
A1 entnommen werden, deren Offenbarungsgehalt in die vorliegende
Patentanmeldung ausdrücklich
einbezogen wird. Beim vorliegenden Verfahren werden vorzugsweise
mittels dieser Technik zumindest die Werte der effektiven Ordnungszahl
und der Dichte für den
Bereich der Flüssigkeitsansammlung
in den Röntgenschwächungsdaten
bestimmt und über
diese Daten gemittelt. Auf diese Weise wird ein Mittelwert der effektiven
Ordnungszahl und ein Mittelwert der Dichte der Flüssigkeitsansammlung
erhalten. Je nach Art der durchgeführten Röntgenaufnahmen, bspw. Röntgen-CT-Aufnahme oder
einfache Röntgendurchleuchtung,
umfasst diese Mittelung entweder ein dreidimensionales oder ein
zweidimensionales Datenfeld. Durch einen Vergleich der entsprechend
gemittelten effektiven Ordnungszahl und der gemittelten Dichte der
Flüssigkeitsansammlung
mit den Vergleichsdaten kann der in den Vergleichsdaten definierte
Bereich, in den diese Mittelwerte fallen, und somit der Flüssigkeitstyp
der Flüssigkeitsansammlung
eindeutig bestimmt werden.
Das
vorliegende Verfahren lässt
sich dabei sowohl in-vivo als auch in-vitro durchführen. Auch
die Bestimmung von Flüssigkeitsansammlungen
in nicht menschlichen oder tierischen Körpern ist mit dem Verfahren
und der Vorrichtung selbstverständlich möglich.
Die
durch die Röntgenschwächungsdaten repräsentierten
beiden Schwächungswertverteilungen
müssen
nicht notwendiger Weise nacheinander als zwei Aufnahmen mit unterschiedlicher
Röhrenspannung
aufgezeichnet werden. Da jede Röntgenröhre ein
Spektrum mit einer gewissen Breite emittiert, ist es bei entsprechender
spektralselektiver Ausgestaltung der zugehörigen Empfangseinheit auch
möglich,
die beiden Schwächungswertverteilungen
weitestgehend oder völlig
simultan aufzunehmen. Hierzu könnten
z. B. in den Strahlengang zustellbare Filter und/oder zwei gesonderte
vorhandene Röntgendetektorarrays
verwendet werden. Weiterhin kann die Empfangseinheit zur Durchführung des
Verfahrens mit einem Quantenenergieselektiven Röntgendetektorarray ausgestattet
sein.
Die
Bestimmung der Dichtewerte und effektiven Ordnungszahlen der Flüssigkeitsansammlungen aus
den Röntgenschwächungsdaten
erfolgt vorzugsweise mit der Technik der bereits genannten
DE 101 43 131 A1 .
Hierbei wird eine erste funktionale Abhängigkeit eines ersten Schwächungswertes
der ersten Schwächungswertverteilung,
d. h. der mit dem ersten Röntgenspektrum
aufgezeichneten Röntgenschwächungsdaten,
von Dichte und Ordnungszahl und zumindest eine zweite funktionale
Abhängigkeit
eines dem ersten Schwächungswert
zugeordneten zweiten Schwächungswertes
der zweiten Schwächungswertverteilung,
d. h. der mit dem zweiten Röntgenspektrum
aufgezeichneten Röntgenschwächungsdaten, von
Dichte und Ordnungszahl bestimmt. Aus einem Vergleich der ersten
funktionalen Abhängigkeit
mit der zwei ten funktionalen Abhängigkeit
und ggf. weiterer funktionaler Abhängigkeiten wird die räumliche Ordnungszahlverteilung
sowie die räumliche
Dichteverteilung zumindest im Bereich der Flüssigkeitsansammlung ermittelt.
Vorzugsweise erfolgt hierbei die Bestimmung der funktionalen Abhängigkeit
der Schwächungswerte
von Dichte und Ordnungszahl für zumindest
ein Röntgenspektrum
mittels Referenzmessungen an einer Eichprobe oder in Form einer
Simulation auf der Basis eines physikalischen Modells.
In
einer anderen vorzugsweisen Ausgestaltung wird ein Umformen der
Schwächungswertverteilungen
in eine Verteilung der Dichte und eine Verteilung der Ordnungszahl
für jeden
der zugeordneten Schwächungswerte
der ersten Schwächungswertverteilung
und der weiteren Schwächungswertverteilungen
auf der Grundlage der Ermittlung eines Wertepaares für Dichte
und Ordnungszahl so vorgenommen, dass das Wertepaar die vorab bestimmten funktionalen
Abhängigkeiten
der Röntgenabsorption von
Dichte und Ordnungszahl für
das erste Röntgenstrahlspektrum
und zumindest ein weiteres Röntgenstrahlspektrum
erfüllt.
Damit können
Dichte und Ordnungszahl für
ein Bildelement einfach als Schnittmenge der funktionalen Abhängigkeiten
der jeweils einander zugeordneten Schwächungswerte der aufgezeichneten
Verteilungen der Schwächungswerte berechnet
werden.
Vorteilhafterweise
weist das erste Röntgenspektrum
eine Quantenenergie auf, die relativ zur Quantenenergie des zweiten
Röntgenspektrums eine
Röntgenabsorption
durch den Photoeffekt begünstigt,
so dass eine hohe Auflösung
in der Bestimmung der Ordnungszahlen erhalten wird.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird zum Verändern
eines Röntgenspektrums
für das
Aufzeichnen des Objekts eine Veränderung
zumindest eines Betriebsparameters der Röntgenröhre vorgenommen, wobei die
Röntgenquelle
in einem ersten Betriebszustand ein ersten Röntgenspektrum und in einem
zweiten Betriebszustand ein davon verschiedenes zweites Röntgenspekt rum
emittiert, so dass ein schneller Wechsel zwischen zwei Röntgenspektren
ermöglicht
wird.
Weiterhin
kann zum Verändern
eines Röntgenspektrums
für das
Aufzeichnen des Objekts eine Veränderung
der Detektorcharakteristik vorgenommen werden, wobei der Röntgendetektor
spektrale Teilbereiche der von der Röntgenquelle empfangenen Röntgenstrahlung
in voneinander unabhängige elektrische
Signale umsetzt und hierbei ein simultanes Aufzeichnen von Verteilungen
der Schwächungswerte
bei unterschiedlichen Röntgenspektren zulässt.
Das
vorliegende Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend
anhand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein
Ablaufdiagramm zur Erzeugung der Vergleichsdaten für das vorliegende
Verfahren;
2 ein
Beispiel für
die Definition unterschiedlicher Schwankungsbereiche der Kombination von
Dichte und effektiver Ordnungszahl unterschiedlicher Flüssigkeitstypen
anhand eines Z-ρ-Diagramms;
3 ein
Ablaufdiagramm des vorliegenden Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 anhand
einer Isoabsorptionslinie das Zustandekommen identischer Schwächungswerte bei
Materialien unterschiedlicher Zusammensetzung;
5a ein
beispielhaftes Funktionsschema einer Berechnungsmethode zur Ermittlung
von Isoabsorptionslinien als Teil des Verfahrens gemäß 3;
5b ein
beispielhaftes Ablaufdiagramm der Transformation der Röntgenschwächungsdaten in
Werte der Materialdichte und Ordnungszahl als Teil des Verfahrens
gemäß 3;
6 zwei
Isoabsorptionslinien eines Materials bei zwei unterschiedlichen
Röntgenspektren; und
7 schematisch
den grundsätzlichen
Aufbau der vorliegenden Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
für die Erzeugung
der Vergleichsdaten, wie sie beim vorliegenden Verfahren sowie der
zugehörigen
Vorrichtung zum Einsatz kommen. Hierbei werden in einem ersten Schritt 1 Proben
unterschiedlicher Flüssigkeitstypen
bereitgestellt, wie sie als Flüssigkeitsansammlungen
im Körper
eines Patienten auftreten. Beispiele für derartige Flüssigkeitstypen
sind Wasser, Blut, Blut mit Gerinnungsmitteln (Citrat/EDTA), Eiter,
Eiter mit starker Blutbeimengung, Drainage-Flüssigkeit einer Darm-OP, Urin,
Galle oder Wundwasser. Jeder dieser Flüssigkeitstypen wird in einer
hinreichend großen
Anzahl (> 5) von Proben bereitgestellt.
Im
nächsten
Schritt 3 werden diese Proben dann in einem nur angedeuteten
Röntgen-Computertomographen 2 untersucht,
wobei jeweils Röntgenaufnahmen
unter Anwendung eines ersten Röntgenspektrums
S1 als auch – gleichzeitig
oder nacheinander – unter
Anwendung eines zweiten Röntgenspektrums
S2 durchgeführt
werden. Durch eine Bildrekonstruktion (dritter Schritt 4)
basierend auf den so erhaltenen Rohdaten wird zu jedem der Röntgenspektren S1,
S2 eine Schwächungswertverteilung
erzeugt, bspw. als Verteilung μ1(x, y) bzw. μ2(x,
y) des Schwächungskoeffizienten μ innerhalb
eines Transversalschichtbildes mit Koordinaten x und y. In einem
vierten Schritt 5 findet computerunterstützt eine
Transformation der Verteilungen μ1(x, y) bzw. μ2 (x,
y) des Schwächungskoeffizienten
auf eine Ordnungszahlverteilung Z (x, y) sowie eine Dichteverteilung ρ(x, y) statt.
Dies wird für
sämtliche
zur Verfügung
gestellte Proben durchgeführt.
Aufgrund
der Schwankungen in der Zusammensetzung der mehreren Proben eines
Flüssigkeitstyps
werden auf diese Weise unterschiedliche Dichte- und Ordnungszahlwerte
für den
jeweiligen Flüssigkeitstyp
erhalten. Anschließend
wird in Schritt 6 zu jedem dieser Flüssigkeitstypen auf Basis der
erhaltenen Dichte und Ordnungszahldaten ein Schwankungsbereich festgelegt,
innerhalb dessen die unterschiedlichen Kombinationen von Dichte
und Ordnungszahl des jeweiligen Flüssigkeitstyps liegen. Die entsprechend
festgelegten Schwankungsbereiche werden anschließend als Vergleichsdaten bereitgestellt
(Schritt 7), insbesondere auf einer Speichereinheit gespeichert.
Die Vergleichsdaten enthalten hierbei die festgelegten Schwankungsbereiche
sowie den jeweils zugeordneten Flüssigkeitstyp.
2 zeigt
ein Beispiel für
die auf diese Weise ermittelten Kombinationen von Dichte und Ordnungszahl
für unterschiedliche
Flüssigkeitstypen
sowie die darauf basierend festgelegten Schwankungsbereiche anhand
eines Z-ρ-Diagramms.
Die Figur zeigt hierbei die zum Teil schwankende Verteilung der
Ordnungszahlen und Dichtewerte von Wasser, Blut, Blut mit Citrat,
Blut mit EDTA, Eiter, blutigem Eiter, Drainageflüssigkeit, Urin, Galle und Serum.
Auf Basis dieser Daten wird eine Clusterung vorgenommen, d. h. es
werden Schwankungsbereiche festgelegt, in denen jeweiligen Dichte-
und Ordnungszahlwerte der zugehörigen
Flüssigkeit
liegen bzw, schwanken. Die festgelegten Bereiche sind in der 2 mit
den jeweils durchgezogenen Linien erkennbar. Die Messgenauigkeit
bezüglich ρ und Z reicht
bei diesen in-vitro bestimmten Werten aus, um die Clusterung und
damit Unterscheidung der betroffenen Flüssigkeiten vornehmen zu können.
Diese
Bereitstellung der Vergleichsdaten für die Durchführung des
vorliegenden Verfahrens ist lediglich einmalig durchzuführen. Die
entsprechend gespeicherten Vergleichsdaten können dann für eine Vielzahl von Untersuchungen
eingesetzt werden.
3 zeigt
schematisch ein Ablaufdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel
des vorliegenden Verfahrens. Der Patient wird in dem hier ebenfalls
nur angedeuteten Röntgen-Computertomographen 2 in
Schritt 8 untersucht, wobei auch hier, wie bereits im Zusammenhang
mit 1 erläutert, Röntgenaufnahmen
mit den beiden unterschiedlichen Röntgenspektren S1 und S2 durchgeführt werden.
Diese beiden Röntgenspektren
müssen
identisch den Röntgenspektren
sein, mit denen die Vergleichsdaten aufgezeichnet wurden. Der Röntgen-Computertomograph 2 muss
daher mit den identischen Betriebsparametern betrieben werden.
Auch
hier wird über
eine Bildrekonstruktion (zweiter Schritt 9) basierend auf
den erhaltenen Rohdaten zu jedem der Röntgenspektren S1 und S2 eine Schwächungswertverteilung μ1(x,
y) bzw. μ2(x, y) des Schwächungskoeffizienten μ innerhalb
eines Transversalschichtbildes mit den Koordinaten x und y erzeugt.
Die Röntgenaufnahmen
des Patienten können dabei
selbstverständlich
sowohl einen größeren Bereich
umfassen, in dem die Flüssigkeitsansammlung liegt,
als auch nur einen enger um die Flüssigkeitsansammlung liegenden
Objektbereich.
Im
Schritt 10 findet wiederum computerunterstützt eine
Transformation der Verteilungen μ1(x, y) bzw. μ2(x,
y) des Schwächungskoeffizienten
auf eine Ordnungszahlverteilung Z (x, y) und eine Dichteverteilung ρ (x, y) statt.
Anschließend
wird in Schritt 11 die im vorliegenden Beispiel zweidimensionale
Fläche,
die der Flüssigkeitsansammlung
entspricht bzw. das zugehörige
zweidimensionale Datenfeld identifiziert und in den Dichte- und
Ordnungszahldaten segmentiert. Dies kann bspw. anhand einer bildlichen Darstellung
der Daten erfolgen, in der der entsprechende Bereich von einem Anwender
markiert wird. Auch eine Segmentierung aufgrund einer Vorgabe von
Dichte- und Ordnungszahlwerten ist möglich, die nach Eingabe dieser
Werte automatisch rechnergestützt
durchgeführt
werden kann. Im Falle eines dreidimensionalen Datenfeldes wird entsprechend
das der Flüssigkeitsansammlung
entsprechende 3D-Volumen
bzw. die zugehörigen
Dichte- und Ordnungszahldaten segmentiert.
Im
Schritt 12 erfolgt dann eine Mittelung über die Dichtewerte und die
Ordnungszahlwerte in dem so segmentierten bzw. de finierten Volumen
bzw. der entsprechenden Fläche.
Auf diese Weise wird eine mittlere Dichte sowie eine mittlere Ordnungszahl
der Flüssigkeitsansammlung
erhalten.
Diese
mittlere Dichte und mittlere Ordnungszahl wird im Schritt 13 mit
den durch Schritt 7 bereitgestellten Vergleichsdaten verglichen.
Bei diesem Vergleich wird ermittelt, in welchen der in den Vergleichsdaten
festgelegten Schwankungsbereiche die Kombination aus mittlerer Ordnungszahl
und mittlerer Dichte fällt,
so dass der zugehörige
Flüssigkeitstyp
erhalten wird (Schritt 14). Bei der zugehörigen beispielhaften
Vorrichtung gemäß 7 wird
der auf diese Weise ermittelte Flüssigkeitstyp an einem Monitor
ausgegeben.
Selbstverständlich lässt sich
das vorliegende Verfahren nicht nur mit Röntgen-Computertomographen,
sondern auch mit anderen Röntgengeräten, bspw.
C-Arm-Geräten
oder einfachen Röntgendurchleuchtungsgeräten mit
digitaler Bildverarbeitung, durchführen.
Die
computergestützte
Transformation der Schwächungswertverteilungen
auf eine Ordnungszahlverteilung sowie eine Dichteverteilung gemäß den Schritten
5 bzw.
10 der
1 und
3 kann bspw.
mit dem Verfahren der
DE
101 43 131 A1 durchgeführt
werden, auf die ausdrücklich
bezug genommen wird. Anhand der folgenden
4–
6 wird
diese Technik nochmals genauer erläutert. Die Isoabsorptionslinie
15 der
4 verbindet
alle Wertepaare (ρ,
Z) mit bei einem definierten Röntgenspektrum
identischen Schwächungswert μ bzw. C. Dieser
identische Schwächungswert
für unterschiedliche
Materialien ist auf unterschiedlich wirkende Schwächungsmechanismen
zurückzuführen, die vom
Material selbst, der Materialdichte und der Energie der Röntgenstrahlung
abhängen.
Auf diese Weise können
sich die aus der
4 ersichtlichen unterschiedlichen
Kombinationen von Dichte und Ordnungszahl ergeben, die jeweils zum
gleichen Schwächungswert
bei einer Röntgenaufnahme
führen.
Die
im Kontext dieser Beschreibung vereinfacht als Ordnungszahl titulierte
effektive Ordnungszahl Z einer bestimmten Gewebeart bzw. eines bestimmten
Materials errechnet sich aus den Ordnungszahlen Z
i der
am Aufbau beteiligten Elemente, deren Atomgewichte A
i und
deren lokalen materialäquivalenten
Dichten ρi
bspw. zu
Voraussetzung
für eine
Berechnung der Ordnungszahl- und Dichteverteilung in einem Objektbereich
sind zumindest zwei, in der Aufnahmegeometrie identische, aber mit
unterschiedlicher Energie der angewandten Röntgenstrahlung erstellte Röntgenaufnahmen
des Bereichs. Bei Verwendung von mehr als zwei mit unterschiedlicher
Röntgenstrahlenergie aufgezeichneten
Röntgenaufnahmen
können
die Z- und ρ-Auflösung verbessert
werden, doch erhöht sich
dadurch auch die Strahlenbelastung. Im Falle der Untersuchung eines
Patienten ist diese Möglichkeit
daher nicht immer gegeben.
Ausgangspunkt
der Umwandlung von Schwächungswert-basierenden
Bilddaten in Verteilungsbilder der Ordnungszahlen und der Material- bzw.
Gewebedichte ist die Kenntnis der Isoabsorptionslinien für jedes
Röntgenspektrum
einer Röntgenapparatur.
Wie bereits erwähnt,
ist hierbei unter Röntgenspektrum
nicht der eng gefasste Begriff der Spektralverteilung einer von
der Röntgenquelle
der Apparatur emittierten Röntgenstrahlung
zu verstehen, sondern ein erweiterter Begriff, der die unterschiedliche
Gewichtung unterschiedlicher Spektralbereiche des Emissionsspektrums
der Röntgenröhre auf
Seiten der Röntgendetektoren
berücksichtigt.
Ein gemessener Schwächungswert
ergibt sich daher aus der direkten Schwächung des von der Röntgenröhre emittierten
Strahlenspektrums und dem spektralen Wirkungsgrad der verwendeten
Röntgendetektoren. Beide
Werte sind anlagenspezifische Größen und müssen entweder
direkt oder indirekt mittels der Schwächungswerte von Eichproben
ermittelt werden. Sie sind die Grundlage zur Berechnung der Isoabsorptionslinien.
In 5a sind
drei Verfahren 300 zur Modellierung bzw. zur Berechnung
einer Schar von Isoabsorptionslinien skizziert. Nämlich eine
theoretische Modellierung, eine experimentelle Bestimmung und eine
theoretische Modellierung mit einer Kalibrierung der Kurven durch
experimentell bestimmte Parameter.
Prinzipiell
sind so viele Isoabsorptionslinien zu bestimmen, wie Schwächungswerte
zum Abdecken der Spanne von Röntgenschwächungen
in den Röntgenaufnahmen
erforderlich sind. Dabei ist nicht für jeden theoretisch auftretenden
Schwächungswert eine
Isoabsorptionslinie zu berechnen; nicht errechnete Isoabsorptionslinien
können
bei Bedarf durch Interpolation oder andere geeignete Mittelungsverfahren
verfügbar
gemacht werden.
Die
Grundschritte der theoretischen Modellierung sind im linken Ast
des Ablaufschemas der 5a dargestellt. Im Schritt S302
werden zunächst die
Daten der für
eine Anlage spezifischen Röntgenemissionsspektren
S(E) mit den verfügbaren
Röhrenspannungen
als Parameter eingelesen. Die Spektralverteilungen der Röntgenstrahlung
können
hierzu im Vorfeld experimentell für jede einzelne Röntgenanlage
ausgemessen werden, oder es werden die für einen speziellen Röntgenquellentyp
charakteristischen Daten verwendet. Das Ermitteln der Detektorapparatefunktion
w(E) erfolgt in Schritt S303. Auch hierzu kann im Vorfeld eine genaue
Vermessung der Detektoranordnung vorgenommen werden oder aber es
werden den Detektortyp charakterisierende Daten wie z. B. dessen
spektrale technische Spezifikation verwendet. Die Berechnung der
Isoabsorptionslinien in Form von Kurvenscharen Ci(ρ, Z) bzw. μi(ρ, Z) wird auf
der Basis eines physikalischen Modells in Schritt S304 vorgenommen,
das für
jede relevante Kombination von S(E) und w(E) die Röntgenschwächungen Ci bzw. μi für
Materialien mit unterschiedlichen Ordnungszahlen und bei unterschiedlichen
Materialdichten nachbildet.
Alternativ
zur theoretischen Modellierung der Schritte S302 bis S304 können die
Kurvenscharen der Isoabsorptionslinien auch experimentell ermittelt werden.
Hierzu werden in Schritt S305 die Röntgenschwächungen von Eichmaterialien
mit unterschiedlicher Dichte und mittlerer Ordnungszahl in der Röntgenapparatur
bei verschiedenen relevanten Kombinationen von S(E) und w(E) gemessen.
Die Messwerte bilden die Stützpunkte
für die
folgende Berechnung der Kurvenscharen von Isoabsorptionslinien Ci bzw. μi in Schritt S306.
Als
weitere Alternative können
die auf theoretischer Basis modellierten Kurvenscharen Ci bzw. μi mit experimentell ermittelten Röntgenschwächungswerten
kalibriert werden. In Schritt S307 werden die zum Eichen der theoretischen
Kurvenscharen notwendigen Schwächungswerte
wie oben für
Schritt 5305 beschrieben mit geeigneten Eichmaterialien bzw.
Phantomen in der Röntgenanlage
gemessen. Im Unterschied zur rein theoretischen Modellierung der
Schritte S302 bis S304 ist bei diesem Verfahren die exakte Kenntnis
der Röntgenemissionsspektren S(E)
und w(E) nicht Voraussetzung sondern Parameter der theoretischen
Modellierung der Kurvenscharen von Isoabsorptionslinien Ci bzw. μi in Schritt S308. Das Kalibrieren der Kurven
in Schritt S309 mit den in Schritt S307 experimentell ermittelten
Eichwerten definiert schließlich
Werte für
diese Parameter, die spezifisch für die Röntgenemissionsspektren und
Detektorapparatefunktionen der Röntgenapparatur
sind.
Mit
der Ermittlung der Isoabsorptionslinien für die erforderlichen Röntgenschwächungswerte und
Kombinationen von S(E) und w(E) sind die Voraussetzungen für eine Transformation
von Bilddaten, die Schwächungswerte
der Röntgenstrahlung
beim Durchgang durch ein Gewebe repräsentieren, in Bilddaten, die
eine Verteilung der Ordnungszahl bzw. der Materialdichte im entsprechenden
Gewebe repräsentieren,
geschaffen.
Je
nach Aufgabenstellung können
die drei Verfahren zur Isoabsorptionslinienbestimmung auch gemischt
verwendet werden. Beispielsweise können Werte, die experimentell
nur ungenau oder nur mit großem
Aufwand oder gar nicht zu ermitteln sind, mit Hilfe einer theoretischen
Modellierung ergänzt
oder in ihrer Genauigkeit präzisiert
werden. Die mit unterschiedlichen Methoden erschlossenen Daten werden dann
in Schritt S310 zu einem einheitlichen Datensatz zusammengefasst
und in Schritt S311 für
die Bildtransformationen bereitgehalten.
In 5b ist
ein für
das erfindungsgemäße Verfahren
geeignetes Transformationsverfahren 320 dargestellt. Es
stützt
sich auf die nach einem der zuvor beschriebenen Verfahren 300 ermittelten
und als Datensatz in Schritt S321 bereitgehaltenen Kurvenscharen
von Isoabsorptionslinien.
Eine
Transformation erfolgt bildelementweise. Im Folgenden wird von einer
Transformation einer Röntgenschwächungswertverteilung
basierend auf zwei bei unterschiedlichen Röntgenenergiespektren aber identischer
Aufnahmegeometrie aufgenommenen Röntgenbildern ausgegangen. Dies
ist die minimale Voraussetzung für
eine Durchführung
einer derartigen Transformation. Jedoch können auch mehr als zwei Röntgenaufnahmen
bei mehr als zwei unterschiedlichen Energieverteilungen der Röntgenstrahlung
Verwendung finden.
Die
Auswahl eines zu transformierenden Bildelements wird im Schritt
S322 getroffen und im folgenden Schritt S323 werden die Schwächungswerte C1 bzw. μ1 für
dieses Bildelement aus dem ersten und C2 bzw. μ2 aus
dem zweiten Röntgenbild
gelesen. Im anschließenden
Schritt S324 erfolgt die Abfrage des für die erste Röntgenaufnahme
verwendeten Röntgenstrahlspektrums
S1(E) und der Detektorapparatefunktionen
w1(E) sowie der entsprechenden Werte S2(E) und w2(E) für das zweite
Röntgenbild.
Diese Werte bilden die Parameter für eine nachfolgende Auswahl
der den jeweiligen Schwächungswerten
zuzuordnenden Isoabsorptionslinien. Die Spektralverteilungen Si(E) bzw. wi(E) können hierbei
auch indirekt, z. B. über
eine Abfrage der verwendeten Röhrenspannungen
U1 bzw. U2 bzw.
der Betriebsparameter der Röntgendetektoren
ermittelt werden.
Im
Schritt S325 werden aus dem in Schritt S321 bereitgehaltenen Datensatz
von Isoabsorptionslinien eine erste Kurve, welche die Bedingungen C1 bzw. μ1 bei den Parametern S1(E)
und w1(E) erfüllt, und eine zweite Kurve,
welche die Bedingungen C2 bzw. μ2 bei
den Parametern S2(E) und w2(E)
erfüllt ausgewählt. Ein
Beispiel einer dergestalt erhaltenen ersten Isoabsorptionslinie 15 und
einer zweiten 16 Isoabsorptionslinie ist in 6 dargestellt.
Der
Schnittpunkt 17 als Schnittmenge beider Kurven 15 und 16 wird
im Schritt S326 berechnet. Der Kurvenschnitt 17 lässt sich
z. B. durch eine lokale lineare Transformation oder mittels iterativer
Schnittpunktfindung ermitteln. Da die beiden Kurven 15 und 16 zwei
unterschiedliche Schwächungswerte
für das selbe
Bildelement und daher für
einen identischen Teilbereich eines untersuchten Gewebes repräsentieren,
müssen
beide Schwächungswerte
von der selben Material- bzw. Gewebeart verursacht sein. Die Koordinaten
(ρ, Z) des
Kurvenschnittpunktes 17 geben daher die Materialdichte
und die Ordnungszahl des dem Bildelement zuzuordnenden Gewebeteilbereiches
wieder.
Schließlich wird
in Schritt S327 der so ermittelte Ordnungszahlwert Z in die Ordnungszahlverteilung
als entsprechender Bildelementwert geschrieben, in Schritt S328
analog der ermittelte Materialdichtewert ρ in die Dichteverteilung. Die
Schritte S322 bis S328 werden für
alle verbleibenden Bildpunkte wiederholt, bis optional eine abschließende Bildausgabe
in Schritt S329 erfolgen kann. Dabei kann der Schritt S324 übersprungen
werden, da die Spektralverteilungen Si(E)
bzw. wi(E) für alle Bildelemente eines Bildes
identisch sind.
7 zeigt
schließlich
stark schematisiert den grundsätzlichen
Aufbau der vorliegenden Vorrichtung anhand eines Ausführungsbeispiels.
In dieser Figur ist ein Röntgen-CT-Gerät 2 mit
rotierendem Detektorsystem 18 zu erkennen. Die von der
Röntgenröhre 19 fächerförmige emittierten
Röntgenstrahlen 20 durchleuchten
das Untersuchungsobjekt 21 aus einer bestimmten Winkelstellung
und treffen schließlich
auf eine zeilenförmige
Anordnung diskreter Detektoren. Ein Aufnahmezyklus umfasst eine Vielzahl
solcher Durchleuchtungen in unterschiedlichen Winkelstellungen zum
Untersuchungsgegenstand. Die von den Röntgendetektoren 18 gelieferten elektrischen
Signale werden von einer Auswerteeinheit 22 in Röntgenschwächungsdaten
umgewandelt. Im vorliegenden Beispiel umfasst diese Auswerteeinheit 22 ein
Modul 23 zur Flüssigkeitsbestimmung, das
aus den Röntgenschwächungsdaten
einer oder mehrerer Röntgenaufnahmen
eines die Flüssigkeitsansammlung
im Objekt 21 umfassenden Objektbereiches, die mit zumindest
zwei unterschiedlichen Röntgenspektren
erfasst wurden, Werte der effektiven Ordnungszahl und der Dichte
für die
Flüssigkeitsansammlung
bestimmt und jeweils darüber
mittelt, um einen Mittelwert der effektiven Ordnungszahl und der
Dichte der Flüssigkeitsansammlung
zu erhalten. Die Mittelwerte werden von diesem Modul 23 anschließend mit
Vergleichsdaten verglichen, die aus einer Speichereinheit 24 abgerufen
werden. Hierbei wird der in den Vergleichsdaten festgelegte Schwankungsbereich
bestimmt, in den die beiden Mittelwerte fallen und ein Hinweis auf
den Flüssigkeitstyp
auf einem Monitor 25 ausgegeben, der dem auf diese Weise
bestimmten Schwankungsbereich zugeordnet ist.