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Die
vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität gegenüber der vorläufigen US-Anmeldung
mit der Seriennummer 60/606,781, eingereicht am 2. September 2004,
die durch diesen Verweis als insgesamt hierin aufgenommen gilt.
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Hintergrund der Erfindung
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1. Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die medizinische Bildanalyse und
insbesondere ein System und Verfahren zur kombinatorischen, computerunterstützten Diagnose
von Krankheiten.
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2. Stand der Technik
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Mit
der Entwicklung von wesentlichen anatomischen medizinischen Modalitäten (Magnetresonanz
(MR), Computertomographie (CT), ...) wächst das Interesse an computerunterstützten Diagnosesystemen
(CAD-Systemen). Diese Modalitäten
erzeugen sehr große
Datenmengen, die für
die Mediziner umständlich
und anstrengend zu lesen und zu interpretieren sind.
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Diese
wesentlichen Modalitäten
sind mit hohen Kosten verbunden. Viele Versicherungsgesellschaften
verlangen eine Genehmigung für
Diagnoseabtastungen und kommen in den meisten Fällen nicht für die Kosten
zum Zwecke der Untersuchung auf. Zudem bestehen Bedenken bezüglich der
Strahlenbelastung, die während
einer Abtastung mit einigen der Modalitäten auftritt. Aufgrund dieser
Bedenken sind die aus einer Abtastung erzeugten Daten wertvoll und
sollten gründlich
untersucht werden.
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Aufgrund
des Werts der Volumendaten sind Radiologen üblicherweise verantwortlich
für die
Berichterstattung über
alle Anomalien und Pathologien innerhalb der Volumendaten, unabhängig von
dem ursprünglichen
Zweck der Abtastung. Mit wachsender Datengröße wird dies immer umständlicher,
und in vielen Fällen
ist es schwierig, alle Details zu berücksichtigen.
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Angesichts
der Datenmenge in einem typischen Volumen verarbeiten CAD-Systeme
keine vollständige
Abtastung. Jedes CAD-System behandelt nur eine bestimmte Art von
Pathologien oder Krankheiten, beispielsweise erkennen LungenCAD-
und ColonCAD-Systeme Lungenkarzinome bzw. Kolonkarzinome.
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Es
besteht daher Bedarf nach einem System und Verfahren zur kombinatorischen,
computerunterstützten
Diagnose von Krankheiten.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Beschreibung beinhaltet ein computerimplementiertes
Verfahren zur kombinatorischen, computerunterstützten Diagnose (C-CAD) die
Bereitstellung von Volumendaten von Gewebe, die Bereitstellung einer
Krankheiten- und Pathologiendatenbank und die Bereitstellung von
Aktionselementen für
die Verarbeitung der Volumendaten. Das Verfahren umfasst zudem das
Auswählen
von mindestens zwei Krankheiten von Interesse für die Volumendaten, das Auswählen mindestens
eines für
jede ausgewählte Krankheit
durchzuführenden
Aktionselements, die Bestimmung eines Satzes von Entscheidungsregeln auf
der Grundlage einer Ausgabe eines ausgewählten Aktionselements und das
Erstellen eines kombinatorischen Berichts, der Vorhersagen über die
Volumendaten des Gewebes trifft.
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Jedes
ausgewählte
Aktionselement erkennt mindestens eine der ausgewählten Krankheiten
von Interesse. Jedes ausgewählte
Aktionselement quantisiert mindestens eine der ausgewählten Krankheiten
von Interesse.
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Das
Verfahren beinhaltet zudem die Speicherung eines Anweisungssatzes,
der eine Prozedur zur Ausführung
einer Vielzahl von ausgewählten
Aktionselementen definiert, einschließlich des ausgewählten Aktionselements,
und zwar entweder sequenziell oder parallel. Das Verfahren beinhaltet
zudem das Auswählen
einer Reihenfolge zur Durchführung
der Vielzahl von ausgewählten
Aktionselementen, wobei der Anweisungssatz Benutzereingaben verarbeitet
und eine C-CAD-Prozedur bestimmt.
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Das
Verfahren beinhaltet die Bereitstellung einer Benutzeroberfläche, die
eine Vielzahl auswählbarer
Aktionselemente auflistet.
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Das
ausgewählte
Aktionselement ist entweder eine Segmentierung, eine Messung, eine
Registrierung, eine Erkennung oder eine Auswertung.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Beschreibung wird eine maschinenlesbare Programmspeichervorrichtung
bereitgestellt, die physisch ein Programm aus Anweisungen verkörpert, die
von der Maschine ausführbar
sind, um Verfahrensschritte zur kombinatorischen, computerunterstützten Diagnose
(C-CAD) durchzuführen.
Die Verfahrensschritte umfassen die Bereitstellung von Volumendaten
von Gewebe, die Bereitstellung einer Krankheiten- und Pathologiendatenbank und die Bereitstellung
von Aktionselementen für
die Verarbeitung der Volumendaten. Das Verfahren beinhaltet zudem
das Auswählen
von mindestens zwei Krankheiten von Interesse für die Volumendaten, das Auswählen mindestens
eines für
jede ausgewählte
Krankheit durchzuführenden
Aktionselements, die Bestimmung eines Satzes von Entscheidungsregeln
auf der Grundlage einer Ausgabe eines ausgewählten Aktionselements und das
Erstellen eines kombinatorischen Berichts, der Vorhersagen über die
Volumendaten des Gewebes trifft.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Beschreibung beinhaltet ein System zur kombinatorischen,
computerunterstützten
Diagnose (C-CAD) eine Speicherkomponente zur Speicherung von Krankheits-
und Pathologieinformationen, ein subcomputerunterstütztes Diagnosemodul,
das verfügbare
Aktionselemente zur Verarbeitung von Volumendaten umfasst, und ein
kombinatorisches Berichtsmodul zur Bestimmung eines Satzes von Entscheidungsregeln
auf der Grundlage einer Ausgabe der Aktionselemente und zur Vorhersage
des Vorhandenseins von erkranktem Gewebe in den Volumendaten.
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Das
System beinhaltet ein Datenaufteilungsmodul zur Aufteilung der Volumendaten
in eine Reihe von Teilabschnitten, wobei jeder Teilabschnitt vorhergesagte
Pathologien umfasst.
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Das
System beinhaltet ein Visualisierungsmodul, das an einer Anzeige
einen von dem kombinatorischen Berichtsmodul erstellten kombinatorischen
Bericht anzeigt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend detaillierter unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Verfahren für
die kombinatorische, computerunterstützte Diagnose (C-CAD) von Krankheiten
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Beschreibung;
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2 ein
Diagramm eines Systems gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Beschreibung;
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3 ein
Ablaufdiagramm einer C-CAD gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Beschreibung;
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4 ein
Ablaufdiagramm von Aktionselementen eines Sub-CAD-Systems gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Beschreibung;
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5 eine
Darstellung einer Infodatenbank für eine Brust-Computertomographieabtastung (CT-Abtastung)
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Beschreibung; und
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6 eine
Darstellung einer kombinatorischen Visualisierung gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Beschreibung.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Beschreibung erkennt und misst ein Rahmen eines
kombinatorischen CAD-Systems (C-CAD-System) alle Pathologien in
Volumendaten. Der Radiologe konzentriert sich auf die Liste bestimmter
Lagen, die von dem System bezeichnet werden. Zudem kann das System
eine Empfehlung bezüglich
der Erkennung der Krankheit auf der Grundlage der Auswertung der
erkannten Pathologien aussprechen.
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Es
wird nun Bezug genommen auf 1, die ein
Verfahren zur kombinatorischen, computerunterstützten Diagnose (C-CAD) darstellt,
welches die Bereitstellung von Volumendaten für einen Patienten umfasst 101.
Eine Infodatenbank mit Krankheiten und Pathologien sowie Aktionselemente
zur Verarbeitung der Volumendaten werden von dem C-CAD-System bereitgestellt 102.
Ein Benutzer kann eine oder mehrere Krankheiten von Interesse für die jeweiligen
Volumendaten auswählen 103.
Für jede Krankheit
von Interesse wird ein durchzuführendes Aktionselement
oder werden mehrere durchzuführende
Aktionselemente zur Durchführung
ausgewählt 104.
Ein Satz von Entscheidungsregeln wird auf der Grundlage der Ausgabe
der Aktionselemente bestimmt 105, und erkranktes Gewebe
kann in den Volumendaten vorhergesagt/bestimmt werden 106.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung in verschiedener
Form von Hardware, Software, Firmware, Spezialprozessoren oder einer
Kombination daraus implementierbar ist. In einer Ausführungsform
ist die vorliegende Erfindung in Software als ein Anwendungsprogramm
implementierbar, das auf einer Programmspeichervorrichtung physisch
verkörpert
wird. Das Anwendungsprogramm kann auf eine Maschine, die eine beliebige geeignete
Architektur umfasst, hochgeladen und von dieser ausgeführt werden.
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Es
wird nun Bezug genommen auf 2, die gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Beschreibung ein Computersystem 201 zur
Implementierung eines Verfahrens für die C-CAD zeigt, das unter
anderem eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 202, einen
Speicher 203 und eine Ein-/Ausgabe-Schnittstelle (I/O) 204 umfasst.
Das Computersystem 201 ist allgemein über die Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 204 mit
einer Anzeige 205 und verschiedenen Eingabevorrichtungen 206 verbunden,
beispielsweise mit einer Maus und einer Tastatur. Die Anzeige 205 kann
Ansichten des virtuellen Volumens und der registrierten Bilder anzeigen.
Die Unterstützungsschaltungen
können
Schaltungen umfassen, wie beispielsweise Cache, Stromversorgungen,
Taktschaltungen und einen Kommunikationsbus. Der Speicher 203 kann
Schreib-/Lesespeicher (RAM), Lesespeicher (ROM), ein Plattenlaufwerk,
ein Bandlaufwerk usw. oder eine Kombination daraus beinhalten. Die
vorliegende Erfindung ist als eine Routine 207 implementierbar,
die in dem Speicher 203 gespeichert und von der CPU 202 ausgeführt wird,
um das Signal von der Signalquelle 208 zu verarbeiten.
Als solches ist das Computersystem 201 ein Universalcomputersystem,
das zu einem Spezialcomputersystem wird, wenn die erfindungsgemäße Routine 207 ausgeführt wird.
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Das
Computersystem 201 beinhaltet zudem ein Betriebssystem
und Mikroanweisungscode. Die hierin beschriebenen verschiedenen
Prozesse und Funktionen können
entweder Teil des Mikroanweisungscodes oder Teil des Anwendungsprogramms (oder
einer Kombination daraus) sein, der bzw. das über das Betriebssystem ausgeführt wird.
Zusätzlich hierzu
können
verschiedene weitere Peripherievorrichtungen mit dem Computersystem
verbunden sein, beispielsweise eine zusätzliche Datenspeichervorrichtung
und eine Druckvorrichtung.
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Weil
einige der das System bildenden Komponenten und Verfahrensschritte,
die in den beiliegenden Abbildungen dargestellt sind, in Software
implementiert sein können,
sei zudem darauf hingewiesen, dass die tatsächlichen Verbindungen zwischen den
Systemkomponenten (oder den Prozessschritten) abweichen können, und
zwar je nach Art und Weise, in der die vorliegende Erfindung programmiert wird.
Anhand der hierin bereitgestellten Erläuterungen der vorliegenden
Erfindung ist ein einschlägiger Fachmann
in der Lage, diese und ähnliche
Implementierungen oder Konfigurationen der vorliegenden Erfindung
zu verstehen.
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3 zeigt
ein Ablaufdiagramm für
das C-CAD-System. Das System beinhaltet eine Speicherkomponente 301 oder
Infodatenbank. Die Infodatenbank umfasst abstrakte Informationsgruppen über wesentliche
Krankheiten. Für
jede Krankheit sind in der Infodatenbank zugehörige Pathologien und/oder Anomalien
gespeichert. Mögliche
Aktionselemente sind gespeichert. Die möglichen Aktionselemente sind
vorprogrammierte Algorithmenmodule, z.B. 302, zur Erkennung
und/oder Quantisierung einer bestimmten Krankheit. Diese Algorithmenmodule umfassen
ein Sub-CAD-System für
diese Krankheit und sind in 4 detailliert
dargestellt.
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Über diese
Informationsgruppen hinaus speichert das System einen Anweisungssatz,
der Prozeduren zur Durchführung
der Aktionselemente von allen Sub-CAD-Systemen definiert, und zwar entweder
sequenziell oder parallel. Das System umfasst eine Benutzeroberfläche 303,
die die möglichen Aktionselemente
auflistet, womit der Benutzer in der Lage ist, zu bestimmen, welche
Elemente zuerst durchgeführt
werden sollen. Ein Anweisungssatz verarbeitet die Benutzereingabe
und bestimmt die durchzuführenden
kombinatorischen CAD-Prozeduren.
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Für jedes
Sub-CAD-System, wie in 4 gezeigt, beinhalten mögliche Aktionselemente
die Segmentierung (401A & 401B),
Messung 402, Registrierung 403, Erkennung 404 und
Auswertung 405. Weitere mögliche Aktionselemente werden
einem einschlägigen
Fachmann in Anbetracht der vorliegenden Beschreibung offensichtlich
sein.
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Die
Segmentierung bildet die Grundlage aller Analysen; sie trennt das
Objekt von Interesse von den Volumendaten im Hintergrund.
- – Segmentierung
der Anatomien von Interesse 401A
- – Segmentierung
der Anomalien 401B, wie Tumor, Läsion usw.
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Die
Messung 402 beinhaltet Volumen, Größenmessung, statistische und
Formenanalyse von der:
- – Anatomie von Interesse
- – Anomalie
von Interesse
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Für die Registrierung 403 ist
es in vielen Fällen
wichtig, Veränderungen
in mehr als einer Untersuchung nachzuverfolgen. Hierzu zählt:
- – Registrierung
von Anatomien oder Tumoren in Durchströmungsbebilderung
- – Registrierung
von Anatomien oder Tumoren in zwei zeitversetzten Untersuchungen
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Die
Erkennung 404 bestimmt die jeweilige Lage der Anomalien,
wie Tumore, Läsionen,
Deformierungen usw.
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Die
Auswertung 405, einschließlich der Empfehlung und Vorhersage,
speichert in jedem Sub-CAD-System einen Satz von Entscheidungsregeln 406.
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Zusammen
mit der Information aus dem Sub-CAD-System verwendet das System
diese Entscheidungsregeln 406, um die Möglichkeit einer bestimmten
Krankheit zu bestimmen oder die Wahrscheinlichkeit einer zukünftigen
Krankheit vorauszusagen.
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Auf
der Ebene des C-CAD-Systems werden mehrere Aufgaben durchgeführt, nachdem
die Aktionselemente der Sub-CAD-Systeme abgeschlossen worden sind,
einschließlich
der kombinatorischen Berichterstattung mithilfe eines kombinatorischen Berichtsmoduls 304 und
der Aufteilung und Übertragung
von Daten mithilfe des Datenaufteilungsmoduls 305.
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Das
kombinatorische Berichtsmodul 304 erstellt einen vollständigen Bericht,
der eine Auswertung des allgemeinen Gesundheitszustands des Patienten
bezüglich
des abgetasteten Körperteilabschnitts
beinhaltet. Dieser Bericht ist visueller und interaktiver Art. Der
kombinatorische Bericht wird mit eingebauten Visualisierungsinstrumenten/dem
Modul 306 ergänzt,
um Medizinern zu ermöglichen,
die Ergebnisse mit hoher Wirksamkeit und Effizienz zu prüfen. Die
Visualisierung bezeichnet eine Kombination wichtiger Pathologien,
so dass der Benutzer in der Lage ist, einige ein integrierter Bestandteil
des kombinatorischen Berichts. Dies ist eine 3D-Anzeige der Anomalien,
einschließlich
einer Rippendeformierung 601, eines T6 Metastasetumors 602 und
eines Volumens 603, das ein Wachstumsmuster aufweist, das
außerhalb
eines Normalbereichs liegt. Der Benutzer kann die Anzeige drehen
und zoomen, um die Lagen von Interesse zu sehen. Es werden nur relevante
Anatomien gezeigt. Die normalen Anatomien sind entfernt, um eine
Blockierung zu verhindern. Im oberen Teil der Anzeige werden kurze
Anmerkungen dargestellt. Wenn der Benutzer die Ansicht verändert, führen die
Anmerkungen selbsttätig
eine Aktualisierung durch, um auf die richtige Lage zu verweisen.
Hieraus sind drei besondere Merkmale erkennbar, ein gewachsenes
Lungenknötchen,
ein Metastasetumor in dem Wirbel und eine Deformierung auf einer
der Rippen. Diese Anzeige ist mit dem Hauptfenster verbunden, das
die Volumendaten anzeigt. Ein Klick auf die Anomalie bewirkt eine
Aktualisierung des Hauptfensters zur entsprechenden Lage in den Volumendaten.
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Das
Konzept oder der Rahmen des C-CAD-Systems kann vorteilhaft zur Deckung
des Bedarfs nach vorbeugender Gesundheitsbetreuung und zur Eindämmung der
hohen Kosten einer medizinischen Untersuchung sowie der Untersuchung großer Volumendaten
eingesetzt werden. Das System und Verfahren lässt sich in vorhandene und
zukünftige
CAD-Module systematisch integrieren. Das bedeutet, dass einer Ausführungsform
der vorliegenden Beschreibung entsprechende CAD-Module als Sub-CAD-Systeme
verwendbar sind, die zusammen mit Anweisungsprozeduren in einer „Infodatenbank" auf Systemebene
gespeichert werden. Die Ergebnisse können als kombinatorischer Bericht
wiedergegeben werden, in dem alle Informationen auf effektivste und
effizienteste Weise dargestellt werden. Insbesondere kann der Bericht
mit interaktiver Visualisierung erweitert werden. Der Aufbau des
C-CAD-Systems erfolgt schrittweise, was für die Implementierung praktisch
ist, beginnend mit den derzeit verfügbaren Modulen und unter Integration zusätzlicher Sub-CAD-Systeme,
sobald diese verfügbar
werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Beschreibung kann ein System und/oder Verfahren
für einen
bestimmten Bereich der Anatomie eines Patienten, z.B. der Brust,
implementiert werden. Anhand einer gegebenen Brust-CT-Abtastung
sagen das System und Verfahren beispielsweise das Vorhandensein
mehrerer Krankheiten voraus, beispielsweise eine Erkrankung der
Lunge, des Herzens und der umgebenden Knochen. Die Voraussage mehrerer
Krankheiten kann sogar dann durchgeführt werden, wenn ein betroffener
Mediziner Daten zu einer bestimmten Krankheit sucht.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Beschreibung erhält ein System und/oder Verfahren
eine Abtastung betreffend mehrerer Bereiche eines Patienten, z.B.
Brust, Becken, Beine usw., sagt das Vorhandensein mehrerer Krankheiten
in der Abtastung voraus und teilt die Abtastung und eine Analyse
gemäß diesen
mehreren Bereichen auf. Die Aufteilung wird von dem Datenaufteilungsmodul 305 gemäß gegebenen
Bereichen durchgeführt,
beispielsweise gemäß benutzerseitig
bestimmten Abmessungen eines zu analysierenden Brustbereichs. Eine
Analyse/Voraussage über
einen gegebenen Bereich, z.B. Becken, wird dann zur weiteren Untersuchung
an geeignetes Personal oder ein geeignetes Gerät weitergeleitet. Ein Mediziner,
der auf Ohr, Nase und Rachen spezialisiert ist, empfängt keine
Analyse und keinen Teil einer Abtastung, die sich auf eine Brust
beziehen. Gemäß einem
Beispiel können
Voraussagedaten an eine Datenbank gesendet werden. Durch Lieferung
einer reduzierten Datenmenge, z.B. einer Abtastung und Analyse eines
Brustbereichs aus einer Abtastung eines ganzen Körpers kann somit die Zeit zur
Lieferung der Analyse und die in einem Netz verwendete Bandbreite
zur Lieferung der Analyse reduziert werden.
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Nachdem
Ausführungsformen
eines Systems und Verfahrens für
C-CAD beschrieben wurden, sei darauf hingewiesen, dass Modifikationen und
Abwandlungen von einschlägigen
Fachleuten unter Berücksichtigung
der vorausgehenden Erläuterungen
vorgenommen werden können.
Demgemäß sei darauf
hingewiesen, dass Änderungen
in den beschriebenen speziellen Ausführungsformen der Erfindung
vorgenommen werden können,
die in die Rahmen und den Schutzbereich der Erfindung gemäß der Definition
in den beigefügten
Ansprüchen fallen.
Nachdem die Erfindung mit den Einzelheiten und Besonderheiten gemäß den patentrechtlichen Anforderungen
beschrieben worden ist, werden in den beigefügten Ansprüchen die Merkmale genannt, für die durch
Patentanmeldung Schutz beansprucht und begehrt wird.
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Zusammenfassung
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Ein
System zur kombinatorischen, computerunterstützten Diagnose (C-CAD) mit
einer Speicherkomponente (301) zur Speicherung von Krankheits- und
Pathologieinformationen, einem subcomputerunterstützten Diagnosemodul
(304), das verfügbare Aktionselemente
zur Verarbeitung von Volumendaten (307) umfasst, und ein
kombinatorisches Berichtsmodul (304) zur Bestimmung eines
Satzes von Entscheidungsregeln auf der Grundlage einer Ausgabe der
Aktionselemente und zur Vorhersage des Vorhandenseins von erkranktem
Gewebe in den Volumendaten.