DE60132004T2

DE60132004T2 - Verfahren und vorrichtung zur 3d-rotations-röntgenbildgebung

Info

Publication number: DE60132004T2
Application number: DE60132004T
Authority: DE
Inventors: Volker Rasche; Steffen Weiss; Johannes C. Op De Beek
Original assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2000-11-02
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2021-10-18
Also published as: JP2004512130A; DE60132004D1; EP1330186B1; US20020126794A1; EP1330186A1; US6959067B2; WO2002036011A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Röntgenbildgebungsverfahren, das Folgendes umfasst: Erstellen eines Satzes zweidimensionaler Röntgenbilder eines zu untersuchenden Objekts, zum Beispiel des Herzkranzgefäßsystems eines Patienten, mit Hilfe einer Scan-Rotation einer Röntgenquelle um das genannte Objekt über eine Lauflänge, wobei die Röntgenbilder zu vorgegebenen charakteristischen Zeitpunkten im Herzzyklus des Objekts erfasst werden, und eine Rekonstruktion eines dreidimensionalen Volumens hiervon. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein3D-Rotationsröntgengerät zum Anwenden dieses Verfahrens, wobei das Gerät einen kreisförmigen C-Bogen mit einem Antrieb umfasst, eine Röntgenquelle und eine Röntgenbild-Aufnahmevorrichtung an dem C-Bogen angebracht sind und der C-Bogen über einen Winkel von im Wesentlichen 180° um seinen Mittelpunkt gedreht werden kann, Auslösemittel zum Auslösen der Röntgenbilder zu vorgegebenen charakteristischen Zeitpunkten im Herzzyklus des Objekts und Mittel zum Verarbeiten der gewonnenen Bilder, um ein dreidimensionales Volumen des Objekts zu rekonstruieren.
Ein derartiges Verfahren und Gerät sind gut bekannt, zum Beispiel aus dem Dokument US-A-5.852.646 . In dem genannten Dokument kann mit Hilfe eines CT-Geräts ein dreidimensionales Volumen eines Objekts von einer Anzahl zweidimensionaler Computertomogramme abgeleitet werden. Das gewonnene dreidimensionale Volumen wird mit den Röntgenbildern in Beziehung gesetzt; eine Zuordnung von entsprechenden Projektionsbildern dieses Volumens zu den Röntgenbildern führt zu einer Reihe von Überlagerungsbildern, wodurch die zwei anatomischen Strukturen in geometrisch korrekter Zuordnung wiedergegeben werden. Auf diese Weise werden den CT-Messverfahren inhärente Informationen, z. B. Informationen über Tumore, mit typischen Röntgeninformationen, z. B. Informationen über Blutgefäße, kombiniert.
Im Allgemeinen kann man einen ähnlichen Satz Röntgenbilder erhalten, indem man ein Röntgengerät mit einer um ihr Isozentrum drehbaren Quelle verwendet. Um eine derartige Rotation zu ermöglichen, sind herkömmliche Röntgengeräte mit einem C-Bogen ausgestattet, wobei die technischen Details einer derartigen Konstruktion einem mit der Technik der Röntgenbildgebung vertrauten Fachmann im Allgemeinen geläufig sind. Wenn ein Verfahren wie eingangs beschrieben auf ein bewegliches Objekt, zum Beispiel ein schlagendes Herz oder spezieller auf das mit einem Kontrastmittel gefüllte Herzkranzgefäßsystem eines schlagenden Herzens eines Menschen oder Tieres angewandt wird, ist es oft gängige Praxis, eine C-Bogen-Rotationsgeschwindigkeit in dem Röntgengerät von ca. 30°/s (Grad pro Sekunde) oder eine Scan-Dauer oder Lauflänge von ca. 6 Sekunden zu verwenden. Während jedes Laufs werden Bilder für nur bestimmte Winkelbereiche gewonnen. Um den gesamten Winkelbereich von 180° abzudecken, sind mehrere Läufe erforderlich, wobei der Anfangswinkel jedes Laufs relativ zum Herzzyklus eingestellt wird, indem der Beginn des Laufs mit einer bestimmten Phase innerhalb des Herzzyklus ausgelöst wird. Die gewonnenen Bilder können für eine Rekonstruktion eines dreidimensionalen Volumens verwendet werden. Während dieses Prozesses trägt eine Bewegung des Herzens zu Artefakten in dem rekonstruierten Bild bei. Bei einer Herzfrequenz von 60 Schlägen pro Minute und einer Bildrate von zum Beispiel 25 Bildern pro Sekunde während einer Scan-Bewegung über 180° erhält man während jedes Herzschlags 25 Bilder, und bei 5 Bildern in jeder spezifischen Phase des Herzzyklus erhält man 6 mal 5 Bilder, oder anders ausgedrückt kann man während jedes Scans 5 mal 6 entsprechende Röntgenbilder eines quasistationären Herzens erhalten, die für die Rekonstruktion eines dreidimensionalen Volumens herangezogen werden können. Probleme des bekannten Verfahrens bestehen in der Notwendigkeit, die verschiedenen Teilläufe zu korrelieren, um den 180°-Lauf zu erzeugen, und in der mangelhaften Qualität des rekonstruierten Bildes.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, bei dem die obigen Probleme gelöst werden. Erfindungsgemäß ist das eingangs beschriebene Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Lauflänge der Scan-Rotation über im Wesentlichen 180° mindestens 15 Sekunden und vorzugsweise ca. 20 Sekunden beträgt. Im Gegensatz zu der gegenwärtigen Tendenz, die Rotationsgeschwindigkeit des C-Bogens zu erhöhen, hat sich herausgestellt, dass das obige Verfahren durch eine langsamere Rotationsabtastgeschwindigkeit verbessert werden kann. Bei einer Lauflänge von ca. 20 Sekunden, d. h. einer C-Bogen-Rotationsgeschwindigkeit von im Wesentlichen 10°/s, und den obigen Parameter können während jedes Scan-Vorgangs ca. 5 mal 20 entsprechende Röntgenbilder eines quasi-stationären Herzens erzielt werden. Durch Reduzieren der Rotationsgeschwindigkeit der Röntgenquelle um das Objekt werden somit mehr Röntgenbilder erfasst, die der gleichen Phase im Herzzyklus entsprechen. Dies führt zu einer Rauschreduzierung in dem resultie renden rekonstruierten dreidimensionalen Volumen.
Das erfindungsgemäße Röntgenbildgebungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass vor der Rekonstruktion Bilder, die zu vorgegebenen entsprechenden charakteristischen Zeitpunkten in aufeinanderfolgenden Herzzyklen gewonnen wurden, miteinander korreliert werden. Diese technische Maßnahme beruht auf der Erkenntnis, dass jede Phase im Spektrum der Herzaktivität im Allgemeinen die gleiche räumliche Orientierung und Geometrie des Herzmuskels darstellt. Durch Korrelieren der Röntgenbilder, die der gleichen Phase der Herzaktivität entsprechen, zum Beispiel durch bekannte mathematische Algorithmen, kann man das Rauschen in der endgültigen Rekonstruktion des dreidimensionalen Volumens weiter reduzieren.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristischen Zeitpunkte im Wesentlichen mit R-Zacken des Herzzyklus übereinstimmen. Diese technische Maßnahme bietet die Möglichkeit, Bilder des quasi-stationären Herzens zu erfassen, wenn der Herzmuskel entspannt ist, so dass das auf die Bewegung des Herzmuskels zurückzuführende Bildrekonstruktionsrauschen reduziert wird. Die Verfahren der EKG-Triggerung sind bekannt und stellen für den Fachkundigen keine technische Schwierigkeit dar.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass vor einer Rekonstruktion Bilder, die zu benachbarten Zeitpunkten in einem vorgegebenen charakteristischen Zeitintervall eines Herzzyklus gewonnen wurden, miteinander korreliert werden. Diese technische Maßnahme beruht auf der Erkenntnis, dass wenn man ein bestimmtes Zeitintervall um einen charakteristischen Zeitpunkt im EKG-Spektrum, zum Beispiel um die R-Zacke, herum bestimmt, die Bewegung des Herzmuskels innerhalb dieses Zeitintervalls in einem so geringen Maß stattgefunden hat, dass die innerhalb dieses vorgegebenen Zeitintervalls erfassten Röntgenbilder für die Bildrekonstruktion verwendet werden können. Diese technische Maßnahme sorgt für die Nettorauschreduzierung, da kleinere räumliche Bewegungen oder Verformungen des Herzmuskels durch die Gesamtzahl der nutzbaren Röntgenbilder, die zu dem endgültigen Datensatz beitragen, kompensiert werden. Außerdem ist es immer noch möglich, Messungen zu entsprechenden Zeitpunkten von aufeinanderfolgenden Herzzyklen miteinander zu korrelieren, und im Fall, dass man eine Rekonstruktion von verringerter Qualität erhält, die Rekonstruktion mit vorhandenen Modellierungsverfahren zu kombinieren.
Wie bereits erwähnt bezieht sich die Erfindung auch auf ein 3D- Rotationsröntgengerät zur Anwendung des obigen Verfahrens. Ein derartiges Gerät wurde bereits eingangs beschrieben und ist erfindungsgemäß weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb des C-Bogens auf eine Lauflänge einer Scan-Rotation über im Wesentlichen 180° eingestellt wird, die mindestens 15 Sekunden und vorzugsweise ca. 20 Sekunden beträgt.
In dem Dokument DE-A-198 53 964 werden ein Röntgenbildgebungsgerät und das Verfahren zur Verwendung dieses Gerätes beschrieben. Dieses Verfahren umfasst die Schritte des Erstellens eines Satzes von 2D-Röntgenbildern eines zu untersuchenden Objekts und des Rekonstruierens eines 3D-Volumens mit einer Lauflänge von 90 Sekunden.
Diese und andere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen und werden anhand von diesen sowie unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch ein Röntgenbildgebungsgerät, in dem das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden kann;
2 einen Herzzyklus und bevorzugte Datenerfassungszeiten.
Das Bildgebungsgerät aus 1 dient zum Erstellen von zweidimensionalen Röntgenbildern eines zu untersuchenden Objekts, insbesondere eines sich periodisch bewegenden Objekts wie dem Herzen und dem Herzkranzgefäßsystem des Herzens eines Patienten, wobei man von diesen zweidimensionalen Bildern über Rekonstruktion ein dreidimensionales Volumen des Objekts erlangen kann.
Das Bildgebungsgerät 1 umfasst einen kreisförmigen C-Bogen, der an einem (nur teilweise dargestellten) Ständer 11 montiert ist. Der C-Bogen kann mit Hilfe eines Motorantriebs (in der Figur nicht dargestellt) über einen Winkel von zum Beispiel 180° um seinen Mittelpunkt in der Richtung des Doppelpfeils 20 gedreht werden. Am C-Bogen 10 sind eine Röntgenquelle 12 und eine Röntgenbild-Aufnahmevorrichtung 13 angebracht, die auf derartige Weise aufeinander ausgerichtet sind, dass ein Röntgenbild eines zu untersuchenden Volumens um den genannten Mittelpunkt herum erstellt werden kann. Auf diese Weise kann eine Vielzahl von Röntgenbildern erstellt werden. Die Vielzahl von Röntgenbildern zeigt das zu untersuchende Volumen aus verschiedenen Winkelpositionen (von denen einige mit gestrichelten Linien dargestellt sind) des bilderstellenden Systems 12, 13. Bei der Röntgenbild-Aufnahmevorrichtung 13 kann es sich um einen Röntgenbildverstärker handeln, an den eine TV-Kette angeschlossen ist, deren Ausgangssignale durch einen Analog/Digital-Umsetzer 14 digitalisiert werden und in einem Speicher 15 gespeichert werden, so dass am Ende der Untersuchung die gesamte Röntgenbildserie (...D_i _-1, D_i, D_i+1, D_i+2,...) gespeichert worden sein wird. Diese Röntgenbilder können mittels bekannter Rekonstruktionsverfahren in einer Bildverarbeitungseinheit 16 verarbeitet werden, um das zu untersuchende dreidimensionale Volumen zu erhalten. Dieses Volumen oder Projektionen oder Querschnitte hiervon können auf einem Monitor 18 angezeigt werden. Die verschiedenen Komponenten des Bildgebungsgerätes 1 werden mit Hilfe einer Steuereinheit 17 gesteuert.
In 2 ist ein Diagramm dargestellt, das die im Wesentlichen periodischen Herzzyklen H und bevorzugte Datenerfassungszeitintervalle während der Enddiastole ED auf einer EKG-Skala zeigt. Ein Herz ist während des Zeitintervalls der Enddiastole relativ stationär.
Erfindungsgemäß ist der Antrieb des C-Bogens 10 in der Lage oder so eingestellt, dass ein Scan-Vorgang mit einer Lauflänge über 180° von mindestens 15 Sekunden und vorzugsweise 20 Sekunden durchgeführt wird. Bei einer Herzfrequenz von 60 Schlägen pro Sekunde und 25 Bildern pro Minute und einer Lauflänge von ca. 20 Sekunden, d. h. einer C-Bogen-Rotationsgeschwindigkeit von im Wesentlichen 10°/s, erhält man während jedes Scan-Vorgangs ca. 5 mal 20 entsprechende nicht-bewegliche Röntgenbilder, so dass eine verbesserte Rekonstruktion des dreidimensionalen Volumens möglich wird.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern bezieht sich auch auf Abwandlungen hiervon, soweit derartige Abwandlungen im Rahmen der folgenden Ansprüche liegen. So ist es möglich, die Anzahl der Messpunkt in den Enddiastole-Zeitintervallen zu reduzieren oder die Anzahl der entsprechenden Messpunkte in aufeinanderfolgenden Herzzyklen zu reduzieren. Obwohl eine derartige Reduzierung eine geringere Qualität der Rekonstruktion zur Folge hat, kann diese negative Auswirkung kompensiert werden, indem das Rekonstruktionsverfahren mit existierenden Modellierverfahren kombiniert wird. Natürlich kann auch bei der bevorzugten Ausführungsform mit einer großen Anzahl von Messpunkten in jedem Diastolen-Zeitintervall die Rekonstruktion mit Modellierverfahren kombiniert werden. Text in der Zeichnung Figur 1

Control unit Steuereinheit

A/D Analog/Digital-Umsetzer

Memory Speicher

Image processing unit Bildverarbeitungseinheit

Claims

Röntgenbildgebungsverfahren, das Folgendes umfasst: Erstellen eines Satzes zweidimensionaler Röntgenbilder (18) eines zu untersuchenden Objekts, zum Beispiel des Herzkranzgefäßsystems eines Patienten, mit Hilfe einer Scan-Rotation einer Röntgenquelle (12) um das genannte Objekt über eine Lauflänge (20), wobei die Röntgenbilder (3) zu vorgegebenen charakteristischen Zeitpunkten im Herzzyklus (ED) des Objekts erfasst werden, wobei vor der Rekonstruktion Bilder, die zu vorgegebenen entsprechenden charakteristischen Zeitpunkten in aufeinanderfolgenden Herzzyklen gewonnen wurden, miteinander korreliert werden, und – Rekonstruktion eines dreidimensionalen Volumens hiervon, wobei die Lauflänge (20) der Scan-Rotation über im Wesentlichen 180° mindestens 15 Sekunden beträgt.
Röntgenbildgebungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die genannte Lauflänge (20) der Scan-Rotation über im Wesentlichen 180° ca. 20 Sekunden beträgt.
Röntgenbildgebungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristischen Zeitpunkte im Wesentlichen mit R-Zacken des Herzzyklus übereinstimmen.
Röntgenbildgebungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer Rekonstruktion Bilder, die zu vorgegebenen benachbarten Zeitpunkten in einem vorgegebenen charakteristischen Zeitintervall eines Herzzyklus gewonnen wurden, miteinander korreliert werden.
Röntgenbildgebungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekonstruktion mit Modellierverfahren kombiniert wird.
3D-Rotationsröntgengerät (1) zum Anwenden des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei das Gerät Folgendes umfasst: – einen kreisförmigen C-Bogen (10) mit einem Antrieb, wobei an dem C-Bogen eine Röntgenquelle (12) und eine Röntgenbild-Aufnahmevorrichtung (13 angebracht sind und der C-Bogen mit Hilfe des genannten Antriebs über einen Winkel von im Wesentlichen 180° um seinen Mittelpunkt gedreht werden kann, – Auslösemittel zum Auslösen der Röntgenbilder zu vorgegebenen charakteristischen Zeitpunkten im Herzzyklus (ED) des Objekts, und – Mittel zum Verarbeiten der gewonnenen Bilder, um ein dreidimensionales Volumen des Objekts zu rekonstruieren, wobei vor der Rekonstruktion Bilder, die zu vorgegebenen entsprechenden charakteristischen Zeitpunkten in aufeinanderfolgenden Herzzyklen gewonnen wurden, miteinander korreliert werden, wobei der Antrieb des C-Bogens (10) auf eine Lauflänge einer Scan-Rotation über im Wesentlichen 180° eingestellt ist, die mindestens 15 Sekunden beträgt.
3D-Rotationsröntgengerät nach Anspruch 7, wobei die genannte Lauflänge (20) der Scan-Rotation über im Wesentlichen 180° ca. 20 Sekunden beträgt.