DE60029078T2

DE60029078T2 - Verfahren und Gerät zur automatischen Patientenpositionierung

Info

Publication number: DE60029078T2
Application number: DE60029078T
Authority: DE
Inventors: Jianying New Berlin Li; Thomas Louis Brookfield Toth
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 2000-12-21
Publication date: 2007-01-18
Anticipated expiration: 2020-12-22
Also published as: EP1114617B1; IL140352A0; JP2001224585A; DE60029078D1; EP1114617A3; JP4664493B2; IL140352A; US6269501B1; EP1114617A2

Description

Diese Erfindung betrifft im Wesentlichen Computertomographie-(CT)-Bildgebung und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zur automatischen Positionierung eines Patienten für den Scanvorgang unter Verwendung von Vorscan-Erkundungsdaten.
In wenigstens einer bekannten Computertomographie-(CT)-Bildgebungssystemkonfiguration sendet eine Röntgenquelle ein fächerförmiges Strahlbündel aus, welches so kollimiert ist, dass es in einer X-Y-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems und allgemein als "Abbildungsebene" bezeichneten Ebene liegt. Das Röntgenstrahlbündel durchtritt das abzubildende Objekt, wie z.B. einen Patienten. Das Strahlbündel trifft nach der Abschwächung auf eine Matrix von Strahlungsdetektoren auf. Die Intensität der bei der Detektormatrix empfangenen Bündelstrahlung hängt von der Abschwächung des Röntgenstrahlbündels durch das Objekt ab. Jedes Detektorelement erzeugt ein getrenntes elektrisches Signal, das ein Messwert der Strahlbündelabschwächung an der Detektorstelle ist. Die Abschwächungsmesswerte aus allen Detektoren werden getrennt erfasst, um ein Durchlässigkeitsprofil zu erzeugen.
In bekannten CT-Systemen der dritten Generation werden die Röntgenquelle und die Detektormatrix mit einem Portal innerhalb der Bildgebungsebene und um das abzubildende Objekt herum so gedreht, dass sich der Winkel, in welchem das Röntgenstrahlbündel das Objekt schneidet, konstant verändert. Eine Gruppe von Röntgenstrahlabschwächungsmesswerten, d.h. von Projektionsdaten aus der Detektormatrix bei einem Portalwinkel, wird als "Ansicht" bezeichnet. Ein "Scan" des Objektes umfasst einen Satz von Ansichten, die bei unterschiedlichen Portalwinkeln oder Ansichtswinkeln während einer Umdrehung der Röntgenquelle und des Detektors erzeugt wurden. In einem axialen Scan werden die Projektionsdaten verarbeitet, um ein Bild aufzubauen, das einer durch das Objekt hindurch aufgenommenen zweidimensionalen Scheibe entspricht. Ein Verfahren zum Rekonstruieren eines Bildes aus einem Satz von Projektionsdaten wird im Fachgebiet als gefilterte Rückprojektionstechnik bezeichnet. Dieser Prozess wandelt die Abschwächungsmessungen aus einem Scan in als "CT-Zahlen" oder "Hounsfield-Units" bezeichnete ganzzahlige Werte um, welche dazu genutzt werden, die Helligkeit eines entsprechenden Pixels auf einer Kathodenstrahlröhrenanzeige zu steuern.
Ein bereichsübersteuerndes Signal während der Datenerfassung kann Bildartefakte verursachen. Trotzdem ist es erwünscht, höhere Verstärkungsfaktoren in der Datenerfassung anzuwenden, um elektronisches Rauschen zu minimieren. Da eine Übersteuerung am wahrscheinlichsten in der Mitte des Detektors auftritt, ist es möglich, eine Übersteuerung zu vermeiden, indem sichergestellt wird, dass der Patient einen Flächenbereich der Detektormitte blockiert. Es ist jedoch schwierig, den Patienten auf einem Tisch für den Scanvorgang zu zentrieren. Aufgrund unterschiedlicher Größen und Formen an unterschiedlichen Körperstellen ist es insbesondere schwierig, alle Körperteile gleichzeitig und ausreichend zu zentrieren, um eine Übersteuerung an der Detektormitte zu verhindern. Es wäre wünschenswert, ein Verfahren zur Zentrierung aller Körperteile des Patienten während des Scanvorgangs zu schaffen, um eine Übersteuerung zu verhindern.
US 5 457 724 A betrifft eine Computertomographie-(CT)-Bildgebungsvorrichtung und insbesondere die automatische Er mittlung eines Scan-Sichtfeldes, eines Anzeigesichtfeldes und von Patientenzentrierungsparametern vor dem Scannen.
US 4 481 657 A betrifft eine Patientenlagerungsvorrichtung. Diese Veröffentlichung lehrt die automatische Durchführung einer Höhenanpassung, so dass das Isozentrum einem Pfad in Bezug auf die Lagerungseinrichtung folgt, die mit einer Linie parallel zu der Patientenlagerungseinrichtung zusammenfällt.
Es wird daher in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur automatischen Positionierung eines Objektes, wie z.B. eines Patienten, auf einen beweglichen Tisch unter Verwendung von Vorscan-Erkundungsdaten geschaffen. Ober- und Unterkanten und ein Mittelpunkt des Objektes werden als eine Funktion der Lage des Objektes in einer z-Achsenrichtung ermittelt. Mindestens ein Schwellenwert wird ermittelt, aus dem zu ermitteln ist, ob der Tisch zu bewegen ist. Der Tisch wird auf der Basis des Vergleichs der Schwellenwerte mit entsprechenden Abständen der Oberkante, der Unterkante und des Mittelpunktes des Objektes von Isozentrum automatisch neu positioniert.
Das vorstehend beschriebene Verfahren ermöglicht eine automatische und dynamische Einstellung der Tischhöhe auf eine Position, die eine Übersteuerung verhindert, während sie gleichzeitig die Verwendung von höheren Verstärkungen zur Reduzierung von Bildrauschen ermöglicht.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine bildliche Ansicht eines CT-Bildgebungssystems ist;
2 eine schematische Blockdarstellung des in 1 dargestellten Systems ist; und
3 eine graphische Darstellung ist, welche Zentrum, Ober- und Unterkanten eines Patienten als Funktionen der z-Richtung des Tisches darstellt.
In den 1 und 2 ist ein Computertomographie-(CT)-Bildgebungssystem 10 mit einem Portal 12 repräsentativ für einen CT-Scanner der "dritten Generation" dargestellt. Das Portal 12 besitzt eine Röntgenquelle 14, die ein Bündel von Röntgenstrahlen 16 auf eine Detektormatrix 18 auf der gegenüberliegenden Seite des Portals 12 projiziert. Die Detektormatrix 18 wird durch Detektorelemente 20 gebildet, welche zusammen die projizierten Röntgen-Strahlen erfassen, die durch ein Objekt 22, wie z.B. einem medizinischen Patienten, hindurchtreten. Die Detektormatrix 18 kann in einer Einzelscheiben- oder Mehrscheibenkonfiguration hergestellt sein. Jedes Detektorelement 20 erzeugt ein elektrisches Signal, das die Intensität eines auftreffenden Röntgenstrahlbündels und somit die Abschwächung des Bündels bei dessen Durchtritt durch den Patienten 22 repräsentiert. Während eines Scanvorgangs zum Erfassen von Röntgenprojektionsdaten drehen sich das Portal 12 und die darauf montierten Komponenten um einen Drehmittelpunkt oder ein Isozentrum 24.
Die Drehung des Portals 12 und der Betrieb der Röntgenquelle 14 werden von einem Steuermechanismus 26 des CT-Systems 10 gesteuert. Der Steuermechanismus 26 enthält eine Röntgenstrahlsteuerung 28, die Energie- und Zeittaktsignale an eine Röntgenquelle 14 liefert, und eine Portalmotorsteuerung 30, die die Drehgeschwindigkeit und die Position des Portals 12 steuert. Ein Datenerfassungsystem (DAS) 32 im Steuermechanismus 26 tastet analoge Daten aus den Detektorelementen 20 ab und wandelt die Daten in digitale Signale zur anschließenden Verarbeitung um. Eine Bildrekonstruktionseinrichtung 34 empfängt die abgetasteten und digitalisierten Röntgendaten aus dem DAS 32 und führt eine Hochgeschwindigkeits-Bildrekonstruktion durch. Das rekonstruierte Bild wird als eine Eingabegröße an einen Computer 36 gegeben, der das Bild in einer Massenspeichervorrichtung 38 speichert.
Der Computer 36 empfängt auch Befehle und Abtastparameter von einer Bedienungsperson über eine Konsole 40, die eine Tastatur aufweist. Eine zugeordnete Kathodenstrahlröhrenanzeige 42 ermöglicht es der Bedienposition, das rekonstruierte Bild und weitere Daten aus dem Computer 36 zu betrachten. Die von der Bedienposition gelieferten Befehle und Parameter werden von dem Computer 36 genutzt, um Steuersignale und Information an das DAS 32, die Röntgensteuerung 28 und Portalmotorsteuerung 30 zu liefern. Zusätzlich betreibt der Computer 36 eine Tischmotorsteuerung 44, welche einen motorisierten Tisch 46 so steuert, dass er den Patienten 22 im Portal 12 positioniert. Insbesondere bewegt der Tisch 46 Abschnitte des Patienten 22 durch die Portalöffnung 48. Der Tisch 46 ist durch die Portalöffnung 48 entlang einer z-Achsenrichtung bewegbar.
In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum automatischen Positionieren eines Patienten für den Scanvorgang einen Erkundungs-Scanvorgang des Patienten 22 vor der Durchführung regulärer Scanvorgänge. Gemäß Darstellung in 3 werden Ober- und Unterkanten des Patienten 22 Hi(z) und Lo(z) aus Erkundungs-Scandaten ermittelt. Hi(z), Lo(z) und C(z) werden als Funktionen der Tischposition in der z-Achsenrichtung ermittelt. Ein Scanbereich Sr wird ebenfalls aus den Erkundungs-Scandaten ermittelt und ist in 3 beispielsweise zwischen den Tischpositionen z₁ und z₂ dargestellt.
Das Bildgebungssystem 10 ermittelt dann einen Abstand ΔC(z) zwischen dem Zentrum C(z) des Patienten 22 und dem Isozentrum 24, einen Abstands ΔA_H(z) zwischen der Oberkante Hi(z) des Patienten 22 und dem ISO-Zentrum 24, und eines Abstands ΔA_L(z) zwischen der Unterkante Lo(z) des Patienten 22 und dem ISO-Zentrum 24 jeweils: ΔC(z) = C(z) – ISO z1 < z < z2 ΔAH(z) = Hi(z) – ISO z1 < z < z2 ΔAL(z) = ISO – Lo(z) z1 < z < z2 wobei z₁ und z₂ Grenzen des Scanbereichs darstellen und ISO das Isozentrum 24 darstellt. Ein Maximum des Abstandes ΔC(z) und Minima der Abstände ΔA_H(z) und ΔA_L(z) werden dann gemäß: ΔC(max) = MAX(ΔC(z)) ΔAH(min) = MIN(ΔAH(z)) ΔAL(min) = MIN(ΔAL(z)). ermittelt.
Schwellenwerte V₁ und V₂ werden dann aus voreingestellten Verstärkungen des DAS 32 ermittelt und dazu genutzt, um beispielsweise zu ermitteln, ob der Patient 22 zu bewegen ist und wie weit gemäß: IFΔC(max) < V1 THEN Nicht bewegen, ELSE IFΔAH(min) > V2 AND ΔAL(min) > V2 THEN Nicht bewegen, ELSE IFΔAH(min) < V2 THEN Bewege Tisch AUFWÄRTS um (V2 – ΔAH(min) IFΔAL(min) < V2 THEN Bewege Tisch ABWÄRTS um (V2 – ΔAL(min)
Wenn der Tisch 46 bewegt worden ist, wird die Richtigkeit oder Falschheit des nachstehenden Vergleichs nochmals ermittelt: IFΔAH(min) > V2 AND ΔAL(min) > V2
Wenn die vorgenannte Anweisung nicht zutrifft, kann es ratsam sein, den Scanbereich SR in Unterbereiche zu unterteilen, wobei jeder Unterbereich seine eigenen geeigneten Schwellenwerte besitzt.
Das vorstehend beschriebene Verfahren wird in einer Ausführungsform verwendet, um den Tisch 46 in einer Aufwärts- und Abwärts-, d.h., in einer y-Achsenrichtung konstant während des Scannens so zu bewegen, dass der Patient 22 immer zentriert ist. In einer weiteren Ausführungsform wird ein Scanbereich in Unterbereiche unterteilt, welche unterschiedliche Tischhöhen erfordern. Geeignete Schwellenwerte werden dann so ausgewählt, dass die Tischhöhe über einen spezifischen Scan-Unterbereich konstant gehalten wird, während gleichzeitig eine optimale Patientenposition eingehalten wird. Unterschiedliche Bilder werden dann gemäß der Tischbewegung rekonstruiert, um einen (nicht dargestellten) Bildsatz zu erzeugen, der in der y-Achsenrichtung so ausgerichtet ist, als ob sich der Tisch nicht bewegt hätte. Die vorstehend beschriebene Ausführungsform kann auch verwendet werden, um die linke und rechte Positionierung des Patienten einzurichten, um die Zentrierung sicherzustellen, wenn der Patient auf der Seite positioniert ist. Die vorstehend beschriebene Ausführungsform ermöglicht die Verwendung von höheren DAS-Verstärkungsfaktoren, um das Bildrauschen bei gleichzeitiger Vermeidung von Übersteuerung zu reduzieren.
Obwohl spezielle Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und im Detail dargestellt wurden, dürfte es sich klar verstehen, dass dieselben nur zur Veranschaulichung und als Beispiel gedacht sind und nicht als Einschränkung zu betrachten sind. Die Schwellenwerte V₁ und V₂ sind lediglich exemplarisch und in weiteren Ausführungsformen werden Sätze von Schwellenwerten oder nur ein einzelner Schwellenwert verwendet. Die Erfindung kann unter Verwendung von Hardware, Software, Firmware oder Kombinationen davon implementiert werden. Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf ein CT-System beschrieben wurde, kann die Erfindung mit anderen Arten von Bildgebungssystemen verwendet werden. Zusätzlich ist das hierin beschriebene CT-System ein System der "dritten Generation", in welchem die Röntgenquelle und der Detektor mit dem Portal rotieren. Viele weitere CT-Systeme einschließlich Systemen der "vierten Generation", in welcher der Detektor ein stationärer Vollringdetektor ist und nur die Röntgenquelle mit dem Portal rotiert, können verwendet werden, wenn die individuellen Detektorelemente korrigiert werden, um im Wesentlichen gleichmäßige Antworten auf ein gegebenes Röntgenstrahlbündel zu liefern. Ferner führt das hierin beschriebene System einen axialen Scan aus; die Erfindung kann jedoch auch bei einem schraubenartigen Scan angewendet werden.

2

28: RÖNTGENSTEUERUNG
30: PORTALMOTORSTEUERUNG
32: DAS
34: BILDREKONSTRUKTIONSEINRICHTUNG
36: MASSENSPEICHER
40: BEDIENERKONSOLE
44: TISCHMOTORSTEUERUNG
46: TISCH

3

A

SCANBEREICH SR

B

H₁(z)-OBERKANTE DER PROJEKTION

C

C_Z-PATIENTENMITTE

D

L_O(z)-UNTERKANTE DER PROJEKTION

E

TISCHRICHTUNG (z)

Claims

Verfahren für den Betrieb eines Bildgebungssystems (10) zum Abbilden eines Objekts (22), wobei das Bildgebungssystem ein Isozentrum (24) hat und einen das Objekt lagernden Tisch (46) enthält, wobei der Tisch in einer z-Achsen-Richtung verschiebbar ist, und das Verfahren die Schritte aufweist: Ermitteln einer Objektoberkante und einer Objektunterkante und einer Objektmittelpunktlage als eine Funktion der Objektlage in der z-Achsen-Richtung; Ermitteln wenigstens eines Schwellenwerts, aus welchem zu ermitteln ist, ob der Tisch zu bewegen ist; gekennzeichnet durch automatisches Neupositionieren des Tisches auf der Basis eines Vergleichs des wenigstens einen Schwellenwertes mit entsprechenden Abständen der Oberkante, der Unterkante und des Mittelpunkts des Objekts von dem Isozentrum.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der automatischen Neupositionierung des Tisches (46) auf der Basis eines Vergleichs des wenigstens einen Schwellenwertes mit entsprechenden Abständen der Oberkante, der Unterkante und des Mittelpunkts des Objektes (22) von dem Isozentrum die Schritte aufweist: Ermitteln eines Abstands ΔC(z) zwischen dem Objektzentrum (Cz) und dem Isozentrum ISO (24), eines Abstands ΔA_H(z) zwischen der Objektoberkante Hi(z) und dem ISO-Zentrum ISO, und eines Abstands ΔA_L(z) zwischen der Objektunterkante Lo(z) und dem ISO-Zentrum ISO jeweils gemäß: ΔC(z) = C(z) – ISO z1 < z < z2 ΔAH(z) = Hi(z) – ISO z1 < z < z2 ΔAL(z) = ISO – Lo(z) z1 < z < z2 wobei z₁ und z₂ Grenzen des Scan-Bereichs darstellen; und Ermitteln eines maximalen ΔC(z), eines minimalen ΔA_H(z), und eines minimalen ΔA_L(z) gemäß: ΔC(max) = MAX(ΔC(z)) ΔAH(min) = MIN(ΔAH(z)) ΔAL(min) = MIN(ΔAL(z)).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der wenigstens eine Schwellenwert Schwellenwerte V₁ und V₂ enthält, der Tisch (46) in Aufwärts- und Abwärtsrichtungen bewegbar ist, und das Verfahren ferner den Schritt der Ermittlung, ob der Tisch zu bewegen ist, aufweist, indem die Schwellenwerte V₁ und V₂ verglichen werden gemäß: IFΔC(max) < V1 THEN Nicht bewegen, ELSE IFΔAH(min) > V2 AND ΔAL(min) > V2 THEN Nicht bewegen, ELSE IFΔAH(min) < V2 THEN Bewege Tisch AUFWÄRTS um (V2 – ΔAH(min) IFΔAL(min) < V2 THEN Bewege Tisch ABWÄRTS um (V2 – ΔAL(min).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ermittlung einer Oberkante des Objekts (22), einer Objektunterkante und einer Objektmittelpunktlage in der z-Achsen-Richtung den Schritt der Durchführung eines Erkundungs-Scans über das Objekt beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bildgebungssystem (10) dafür konfiguriert ist, Verstärkungsfaktoren in der Datenerfassung anzuwenden, und der wenigstens eine Schwellenwert in Abhängigkeit von einem Erfassungsverstärkungsfaktor festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner den Schritt der Neupositionierung (29) des Objektes (22) auf der Basis eines Vergleichs des wenigstens einen Schwellenwerts mit Abständen der Oberkante, Unterkante und des Mittelpunktes des Objektes von dem ISO-Zentrum (24) aufweist.
Bildgebungssystem (10), das einen beweglichen Tisch (46) mit einer z-Achsen-Bewegungsrichtung aufweist, wobei der Tisch dafür konfiguriert ist, ein Objekt (22) zum Scannen zu lagern, das Bildgebungssystem ein Isozentrum (24) besitzt und dafür konfiguriert ist: eine Objektoberkante, eine Objektunterkante und eine Objektmittelpunktslage als eine Funktion der Objektlage in der z-Achsen-Richtung zu ermitteln; und wenigstens einen Schwellenwert zu ermitteln, aus welchem zu ermitteln ist, ob der Tisch zu verschieben ist; gekennzeichnet durch die automatische Neupositionierung des Tischs auf der Basis eines Vergleichs des wenigstens einen Schwellenwerts mit entsprechenden Abständen der Objektoberkante, der Unterkante und des Mittelpunkts von dem ISO-Zentrum.
System (10) gemäß Anspruch 7, wobei das System dafür konfiguriert ist, automatisch den Tisch (46) auf der Basis eines Vergleichs des wenigstens einen Schwellenwerts mit entsprechenden Abständen der Oberkante, der Unterkante und des Mittelpunkts des Objektes (22) von dem ISO-Zentrum neu zu positionieren, wobei das System dafür konfiguriert ist: einen Abstand ΔC(z) zwischen dem Objektzentrum (Cz) und dem Isozentrum ISO, einen Abstand ΔA_H(z) zwischen der Objektoberkante Hi(z) und dem ISO-Zentrum ISO, und einen Abstand ΔA_L(z) zwischen der Objektunterkante Lo(z) und dem ISO-Zentrum ISO, jeweils gemäß: ΔC(z) = C(z) – ISO z1 < z < z2 ΔAH(z) = Hi(z) – ISO z1 < z < z2 ΔAL(z) = ISO – Lo(z) z1 < z < z2 zu ermitteln, wobei z₁ und z₂ Grenzen des Scan-Bereichs darstellen; und ein maximales ΔC(z), ein minimales ΔA_H(z), und ein minimales ΔA_L(z) gemäß: ΔC(max) = MAX(ΔC(z)) ΔAH(min) = MIN(ΔAH(z)) ΔAL(min) = MIN(ΔAL(z))zu ermitteln.
System (10) nach Anspruch 7, wobei das System dafür konfiguriert ist, eine Oberkante des Objekts (22), eine Objektunterkante und eine Objektmittelpunktlage in der z-Achsen-Richtung zu ermitteln, wobei das System dafür konfiguriert ist, einen Erkundungs-Scans über das Objekt auszuführen.
System (10) nach Anspruch 7, das dafür konfiguriert ist, Verstärkungsfaktoren in der Datenerfassung anzuwenden, und den wenigstens einen Schwellenwert in Abhängigkeit von Erfassungsverstärkungsfaktoren festzulegen.