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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Bildgebung mittels Computertomographie
(CT). Sie findet insbesondere Anwendung in Verbindung mit Cardiac-Gating-Spiral-CT-Scannern
und wird unter besonderer Bezugnahme darauf beschrieben. Hervorzuheben
ist jedoch, dass die vorliegende Erfindung auch für andere
Anwendungen, insbesondere diagnostische Anwendungen, offen ist.
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Beim
typischen Spiral- oder Helikal-CT-Scannen emittiert eine Röntgenquelle
oder -röhre
ein Fächerstrahlenbündel, während sie
kontinuierlich um einen Untersuchungsbereich rotiert und ein Patientenauflagetisch
mit einer konstanten, linearen Geschwindigkeit durch dieses Strahlenbündel hindurch
bewegt wird. Um den Untersuchungsbereich der Röntgenröhre herum positionierte Detektoren
wandeln Röntgenstrahlen,
die den Patienten durchqueren, in entsprechende elektronische Daten
um. Die erfassten Daten repräsentieren
effektiv einen spiralförmigen
Pfad mit konstanter Steigung durch den Patienten. Die Helikaldaten
werden zu einer volumetrischen Bilddarstellung rekonstruiert, in
der Regel zu einer Reihe aufeinander folgender Schichtbilder einer
interessierenden Region des Patienten. Siehe beispielsweise die
US-amerikanischen Patentschriften 5.544.212, 5.485.493, 5.262.946
und 5.396.418.
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Darüber hinaus
zielt eine Anzahl von Verfahren darauf ab, Abbildungen des Herzens
mit reduzierten Bewegungsartefakten zu rekonstruieren. Beispielsweise
wurde ein prospektives Elektrokardiogramm-Gating-Verfahren (EKG-Gating)
mit axialer Schicht-CT-Erfassung
für die
Rekonstruktion von Abbildungen des Herzens verwendet, wie in der
US-amerikanischen
Patentschrift 5.751.782 von Yoshitome gezeigt; ein retrospektives
EKG-Gating-CT-Datenerfassungs-
und Rekonstruktionsverfahren unter Verwendung von Spiral-CT ist ebenfalls
bekannt: ein prospektives EKG-Gating-Verfahren mit Spiral-CT-Datenerfassung zur
Abbildung allein der diastolischen Phase des Herzens ist bekannt;
und man kennt ein prospektives EKG-Gating-Verfahren, das eine Abtastzeit
von 100 ms/Schicht in einem Elektronenstrahl-CT (EBCT)-Scanner wie
dem in der US-amerikanischen
Patentschrift 4.573.179 von Rutt beschriebenen verwendet. Allerdings konnten
die oben genannten Verfahren kein generalisiertes Schema für die kardiale
Rekon struktion einer beliebigen gewählten kardialen Phase für verschiedene
Herzfrequenzen und/oder unterschiedliche Gantry-Geschwindigkeiten
und -Konfigurationen liefern. Zusätzlich leiden die oben genannten
Verfahren unter verschiedenen Nachteilen und sind unter gewissen
Aspekten daher weniger als ideal für die diagnostische Abbildung des
Herzens geeignet.
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Ein
Nachteil des in der US-amerikanischen Patentschrift 5.751.782 beschriebenen
Verfahrens und anderer derartiger Cardiac-Gating-Axialschichtsysteme
besteht darin, dass sie für
die Rekonstruktion einer einzelnen Schicht mehrere Rotationen verwenden
und damit eine längere
Abtastzeit haben. Ein Nachteil der retrospektiven EKG-Gating-CT-Datenrekonstruktion
besteht darin, dass die Verarbeitung von zu vielen Bildern Prozessorressourcen
und Zeit beansprucht. Das zuvor erwähnte prospektive EKG-Gating-Verfahren mit Spiral-CT-Erfassung
ist weniger ideal, weil es auf eine vorgegebene Herzphase begrenzt
ist und die Detektorkonfiguration, die Scannergeschwindigkeit und
das Bildgebungsprotokoll nicht optimal zur Entfernung von Bewegungsartefakten
geeignet sind.
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Der
Einsatz der EBCT-Bildgebung in kardiodiagnostischen Anwendungen
hat ebenfalls gewisse Nachteile. Zunächst ist die EBCT-Bildgebung
vor allem ein Forschungsmittel und für klinische Anwendungen weitgehend
nicht so verfügbar
wie konventionelle Spiral-CT-Scanner. Zusätzlich sind EBCT-Scanner im
Allgemeinen sehr viel teurer. Zudem haben EBCT-Scanner häufig eine
schlechte Bildqualität
und aufgrund ihrer z-Achsen-Auflösung eine
eingeschränkte
Brauchbarkeit.
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Aus
dem Dokument
US 5.383.231 ist
ein helikal abtastendes Röntgen-CT-Gerät bekannt,
mit dem eine Vielzahl von Bildern synchron mit den Herzschlägen eines
Patienten rekonstruiert werden. Die Zeitinformationen aus den Elektrokardiogrammdaten
werden in Positionsinformationen umgewandelt. Der Rekonstruktionsschritt
verwendet die Positionsinformationen, so dass Bilder mit einer spezifischen
Beziehung zu den Herzschlägen
erzeugt werden.
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Die
internationale Patentanmeldung WO 99/07283 A1 beschreibt einen Kardio-CT-Scanner,
bei dem die Verwendung eines gemessenen mittleren Herzschlags eine
asynchrone Abtastung zwischen Rotationszeit und mittlerem Herzschlag
ermöglicht,
so dass für
die Rekonstruktion aufeinander folgende Datensegmente einer gegebenen
Herzphase zu 180-Grad-Daten hinzugefügt werden.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Cardiac-Gating-Spiral-CT-Scanner
eine Quelle durchdringender Strahlung, die für eine Drehung um einen Untersuchungsbereich
mit einer sich in z-Richtung erstreckenden Zentralachse eingerichtet
ist. Die Quelle emittiert ein Strahlenbündel, das den Untersuchungsbereich
durchquert, während
sich die Quelle dreht. Eine Patientenauflage hält einen zu untersuchenden
Patienten zumindest teilweise innerhalb des Untersuchungsbereichs
und befördert
ihn in z-Richtung durch
den Untersuchungsbereich, während
die Quelle so gedreht wird, dass sie einem helikalen Pfad relativ zum
Patienten folgt. Ein Steuerungsprozessor implementiert ein patientenspezifisches
Abtastprotokoll in Reaktion auf gemessene Patientenmerkmale und
Scannermerkmale. Strahlungsdetektoren sind vorgesehen, um die von
der Quelle emittierte Strahlung zu empfangen, nachdem sie den Untersuchungsbereich
durchquert hat. Ein EKG-Monitor erfasst die EKG-Daten des Patienten.
Die EKG-Daten werden verwendet, um Phasen des Patientenherzens präzise mit
von den Strahlungsdetektoren erfassten Daten zu korrelieren. Ein
Bildrekonstruktionsprozessor rekonstruiert die Bilddarstellungen
des Patienten basierend auf den von den Strahlungsdetektoren und
dem EKG-Monitor erhaltenen Daten. Schließlich werden auf einer von
Menschen ablesbaren Anzeigevorrichtung die Bilddarstellungen zur
Bewertung der Herzfunktion selektiv angezeigt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Spiral-CT-Bildgebung mittels Cardiac-Gating geschaffen. Das Verfahren
beinhaltet das Bewerten einer Atemanhaltezeit für einen Patienten, das Messen
einer mittleren Herzfrequenz des Patienten, und das Bestimmen eines
Abtastbereichs. Als Nächstes
wird basierend auf den Ergebnissen der anfänglichen Schritte ein patientenspezifisches Abtastprotokoll
ausgewählt.
Gemäß dem ausgewählten Abtastprotokoll
wird eine Spiral-CT-Abtastung des Patienten durchgeführt, währenddessen
EKG-Daten des Patienten erfasst werden. Mit Hilfe der EKG-Daten
werden die Phasen des Patientenherzens mit den über die Spiral-CT-Abtastung erfassten
Röntgenstrahlendaten korreliert.
Schließlich
wird anhand der erfassten Röntgenstrahlendaten
eine Bilddarstellung einer interessierenden Region des Patienten
zu einem Zeitpunkt rekonstruiert, der einer ausgewählten Phase
des Patientenherzens entspricht.
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Im
Folgenden werden Möglichkeiten
zur Ausführung
der Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des Cardiac-Gating-Spiral-CT-Scanners gemäß Aspekten
der vorliegenden Erfindung; und
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2 ein
Ablaufdiagramm, das Spiral-CT-Bildgebungsverfahren mittels Cardiac-Gating
gemäß Aspekten
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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Unter
Bezugnahme auf 1 enthält ein Cardiac-Gating-Spiral-CT-Scanner 10 einen
stationären Gantry-Teil 12,
der einen Untersuchungsbereich 14 mit einer sich in der
z-Richtung erstreckenden Zentralachse definiert. Auf dem stationären Gantry-Teil 12 ist
ein rotierender Gantry-Teil 16 befestigt, der sich um den Untersuchungsbereich 14 dreht.
An dem rotierenden Gantry-Teil 16 ist eine Quelle durchdringender
Strahlung 20, beispielsweise eine Röntgenröhre, so angeordnet, dass ein
Strahlenbündel 22 den
Untersuchungsbereich 14 durchquert, während sich der rotierende Gantry-Teil 16 dreht.
Eine Kollimator- und Blenden-Anordnung 24 formt das Strahlenbündel 22 zu
einem schmalen, fächerförmigen Strahlenbündel und
blendet das Strahlenbündel 22 selektiv
ein und aus. Alternativ kann das fächerförmige Strahlenbündel 22 auch
an der Quelle 20 elektronisch ein- und ausgeblendet werden.
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Eine
Patientenauflage 30, beispielsweise eine Liege oder dergleichen,
trägt oder
hält einen
untersuchten oder abgebildeten Patienten anderweitig zumindest teilweise
innerhalb des Untersuchungsbereichs 14. Des Weiteren wird,
wenn sich der rotierende Gantry-Teil 16 dreht, die Auflage 30,
und folglich der Patient darauf, in z-Richtung verschoben. Auf diese
Weise folgt die Quelle 20 einem helikalen Pfad relativ
zum Patienten.
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Bei
dem dargestellten Scanner der vierten Generation ist am stationären Gantry-Teil 12 ein
Ring aus Strahlungsdetektoren 40 peripher um den Untersuchungsbereich 14 herum
angebracht. Alternativ wird ein Scanner der dritten Generation eingesetzt,
bei dem die Strahlungsdetektoren 40 am rotierenden Gantry-Teil 16 auf
einer der Quelle 20 gegenüberliegenden Seite des Untersuchungsbereichs 14 angebracht
sind, so dass sie den vom fächerförmigen Strahlenbündel 22 definierten
Bogen aufspannen. Ungeachtet der Konfiguration sind die Strahlungsdetektoren 40 dafür eingerichtet,
die von der Quelle 20 emittierte Strahlung zu empfangen, nachdem
sie den Untersuchungsbereich 14 durchquert hat.
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In
einer alternativen bevorzugten Ausführungsform gibt es mehrere
Sätze von
Strahlungsdetektoren 40, die sich in getrennten entsprechenden
parallelen Ebenen befinden. Die Ebenen sind in z-Richtung gegeneinander
verschoben. In einem Scanner der vierten Generation wird diese Konfiguration
dadurch erreicht, dass mehrere Ringe (jeder Ring in z-Richtung gegenüber dem
anderen verschoben) von Strahlungsdetektoren 40 peripher
um den Untersuchungsbereich 14 herum am stationären Gantry-Teil 12 angebracht
sind. Ähnlich
werden bei einem Scanner der dritten Generation mehrere Bögen von
Strahlungsdetektoren 40 eingesetzt. Beim Einsatz von Mehrfachring-
oder Mehrfachbogenkonfigurationen ist das verwendete Strahlenbündel 22 ein
Kegelstrahlenbündel,
das dafür
vorgesehen ist, in zwei Dimensionen zu divergieren.
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Bei
einer Quellen-Fächergeometrie
werden in einem Bogen, der die von der Quelle 20 abgegebene Strahlung überspannt,
angeordnete Detektoren gleichzeitig in kurzen Zeitintervallen abgetastet,
während
die Quelle 20 hinter dem Untersuchungsbereich 14 rotiert,
um eine Quellen-Fächeransicht
zu erzeugen. In einer Detektor-Fächergeometrie
werden die Detektoren mehrere Male abgetastet, während die Strahlungsquelle 20 hinter
dem Untersuchungsbereich 14 rotiert, um einen Detektor-Fächeransicht
zu erzeugen. Der Pfad zwischen der Quelle und jedem der Strahlungsdetektoren 40 wird
als ein Strahl bezeichnet.
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Die
Strahlungsdetektoren 40 wandeln die detektierte Strahlung
in elektronische Daten um. Das heißt, jeder der Strahlungsdetektoren
erzeugt ein Ausgangssignal, das proportional zu einer Intensität der empfangenen
Strahlung ist. Optional kann ein Referenzdetektor Strahlung detektieren,
die den Untersuchungsbereich 14 nicht durchquert hat. Die
Differenz zwischen der Größe der vom
Referenzdetektor und jedem der Strahlungsdetektoren 40 empfangenen
Strahlung liefert einen Hinweis auf das Ausmaß der Strahlungsdämpfung entlang
eines entsprechenden Strahls eines abgetasteten Strahlungsfächers.
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Bei
einer Detektor-Fächergeometrie
stellt jede Ansicht oder Datenlinie einen Strahlenfächer dar,
dessen Scheitelpunkt bei einem der Strahlungsdetektoren 40 liegt
und der in kurzen Zeitintervallen vom Detektor erfasst wird, während die
Quelle 20 hinter dem Untersuchungsbereich 14 rotiert.
Bei einer Quellen-Fächergeometrie
stellt jede Ansicht oder Datenlinie einen Strahlenfächer dar,
dessen Scheitelpunkt bei der Quelle 20 liegt und der durch
gleichzeitige Abtastung aller Detektoren erfasst wird. Aneinander
angrenzende Fächeransichten,
die 180° plus
den Winkel des Fächers überspannen,
bilden einen vollständigen
Datensatz für
die Rekonstruktion zu einem Schichtbild.
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Ein
Abtastprozessor 50 empfängt
die abgetasteten Daten von den Strahlungsdetektoren 40.
Optional ordnet der Abtastprozessor 50 die Daten um, um
sie von einer Detektor-Fächergeometrie
in eine Quellen-Fächergeometrie
umzuwandeln oder umgekehrt, und führt eine Welligkeitsfilterung
durch, bevor er die Daten weiterleitet. Die abgetasteten Fächeransichten
entsprechen jeder Winkelposition der Quelle 20 um den Untersuchungsbereich 14 herum
für jede
aus einer Vielzahl von Rotationen. Die Scheitelpunkte der Fächeransichten sind
auf einem helikalen Pfad angeordnet und werden durch eine Winkelausrichtung ϕ um
das abgebildete Volumen herum sowie durch eine Längsposition in der z-Richtung
entlang des abgebildeten Volumens definiert. Die Daten oder Strahlengänge innerhalb
jedes Fächers
werden weiterhin durch ihren Winkel α innerhalb des Fächers definiert.
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Ein
Darstellungsprozessor 52 wandelt die abgetasteten Spiralansichten
in planare Datensätze
um. Der Darstellungsprozessor enthält einen Speicher 54,
in dem abgetasteten Spiralansichten abgelegt werden. Ein integrierender
Interpolator 56 integriert mittels einer aus einem Speicher 58 abgerufenen
Filter- oder Interpolationsfunktion entsprechende Strahlengänge aus
einer vorgewählten
Anzahl aufeinander folgender Spiraldatensätze, um parallele axiale Schichten
zu erzeugen. Im Speicher 58 sind eine Vielzahl von Filter-
oder Interpolationsfunktionen für
die Integration einer unterschiedlichen Anzahl von Spiralfächeransichten
gespeichert. Je mehr Ansichten kombiniert werden, desto dicker ist
die entsprechende Bildschicht.
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Anschließend wird
der kombinierte Datensatz zu einem Bildrekonstruktionsprozessor 60 weitergeleitet.
Der Bildrekonstruktionsprozessor 60 verarbeitet die Daten
des Darstellungsprozessors 52 und projiziert sie zurück in einen
Bildspeicher 66. Genauer gesagt nimmt der Bildrekonstruktionsprozessor 60 mathematische Manipulationen
vor, bei denen jeder Datensatz mit einer geeigneten Filter- oder
Faltungsfunktion für
das Ansichtsformat gefaltet wird. Der Bildrekonstruktionsprozessor 60 der
bevorzugten Ausführungsform
enthält
eine Faltungsvorrichtung 62, die die interpolierten Datensätze der
Dickschicht faltet, und einen Rückprojektor 64. Der
Rückprojektor 64 projiziert
die gefalteten Datensätze
zurück
in den Bildspeicher 66. Schließlich ruft ein Videoprozessor 68 selektiv
Schichten, Projektionen, dreidimensionale (3D) Wiedergaben und andere
Bildinformationen aus dem Bildspeicher 66 ab und formatiert
entsprechend eine Bilddarstellung für die Anzeige auf einer von
Menschen lesbaren Anzeigevorrichtung 70, wie einen Videomonitor
oder dergleichen.
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Über am Patienten
angebrachte Kabel erfasst ein EKG-Monitor 80 (vorzugsweise
digital) EKG-Daten vom Patienten. Mit Hilfe der EKG-Daten werden
Phasen des Patientenherzens mit den von den Strahlungsdetektoren 40 erfassten
Daten korreliert. Genauer gesagt markiert der Abtastprozessor 50 in
einer bevorzugten Ausführungsform
abgetastete Datenansichten mit den EKG-Daten.
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Im
Betrieb führt
ein Steuerungsprozessor 90 ein patientenspezifisches Abtastprotokoll
in Reaktion auf gemessene Patientenmerkmale und Scannermerkmale
aus. Genauer gesagt greift der Steuerungsprozessor in einer bevorzugten
Ausführungsform
auf eine Verweistabelle 92 zu, die verschiedene Abtastprotokolle
enthält.
Der Zugriff auf die Verweistabelle 92 erfolgt auf der Basis
folgender gemessener Patientenmerkmale: die festgestellte Atemanhaltezeit
des Patienten (d.h. wie lange der Patient seinen Atem anhalten kann,
was bei einer Single-Breath-Hold-Abtastung die Gesamtabtastungszeit
begrenzt), die durchschnittliche oder mittlere Herzfrequenz des
Patienten (erhalten vom EKG-Monitor 80), und der Bereich
der Abtasterfassung in der z-Richtung (der Bereich der Abtasterfassung
in der z-Richtung wird auf der Basis der besonderen Anatomie des
Patienten und der gewünschten
abzubildenden interessierenden Region gewählt; in einer bevorzugten Ausführungsform
ist die interessierende Region das Herz des Patienten und das zugehörige Gefäßsystem).
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Bezug
nehmend auf 2 sowie weiterhin Bezug nehmend
auf 1 wird ein Verfahren zur Spiral-CT-Bildgebung
mittels Cardiac-Gating gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im abgebildeten Ablaufdiagramm dargelegt.
Die in der folgenden Beschreibung verwendeten Parameter sind wie
folgt:
- – die
Abtastrate (scan rate; sr) (z.B. 60, 90, 120 oder 300 rpm) ist die
Rotationsfrequenz des rotierenden Gantry-Teils 16;
- – die
Steigung (pitch, p) (z.B. 0 bis 8 mm) ist die Steigung des helikalen
Pfades, dem die Quelle 20 folgt, und wird bestimmt durch
die Rate, mit der die Patientenauflage 30 den Patienten
durch den Untersuchungsbereich 14 bewegt;
- – die
Detektorringbreite (d) (z.B. 1,3 oder 4 mm) ist die Ausdehnung der
Strahlungsdetektoren 40 in der z-Richtung;
- – effektive
rekonstruierte Schichtdicke (est) ist die effektive Schichtbilddicke
in der z-Richtung;
- – rekonstruierte
Ringe (rr) (z.B. 1, 2 oder 3);
- – die
Anzahl der Detektorringe (nr) (z.B. 1, 2, 3, 5 oder 9) berücksichtigt
Mehrfachring- oder Mehrfachbogen-Scanner-Konfigurationen;
- – die
Herzfrequenz (hr) (z.B. 40-180 Schläge pro Minute (bpm)) wird durch
den EKG-Monitor 80 gemessen;
- – die
Gesamtabtastzeit (T) (z.B. 20-40 Sekunden) wird durch die festgestellte
Atemanhaltezeit bei Single-Breath-Hold-Abtastungen begrenzt;
- - zeitliche Auflösung
(Δt) (z.B.
250 ms);
- – der
Gesamtabtastbereich (C) (z.B. 6-32 cm) in der z-Richtung wird durch
die Anatomie des Patienten und die gewünschte interessierende Region
bestimmt;
- – eine
minimale anwendbare Herzfrequenz (hrmin) für einen gewünschte Abtastbereich; und
- – der
maximale Patientenauflagenvorschub in der z-Richtung gemessen in
Millimeter pro Herzschlag (mmpb).
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Der
erste Schritt 100 besteht darin, das Abtastprotokoll basierend
auf den Patientenparametern auszuwählen. Der Patient hält den Atem
an, und seine Atemanhaltezeit wird festgestellt. Über den
EKG-Monitor 80 wird die Herzfrequenz des Patienten über einen
Zeitraum hinweg gemessen und die durchschnittliche oder mittlere
Herzfrequenz für
den Patienten berechnet. In einer bevorzugten Ausführungsform
wird die durchschnittliche oder mittlere Herzfrequenz gemessen,
während
der Patient seinen Atem anhält,
um die anstehenden Bedingungen beim Bildgebungsverfahren zu simulieren.
Eine Probeabtastung wird durchgeführt, um den Abtastbereich in
der z-Richtung zu bestimmen. Das heißt, die Probeabtastung bildet
die Anatomie des Patienten grob ab, so dass der Abtastbereich in
der z-Richtung, der die interessierende Region enthält, leicht
erkennbar ist. In einer bevorzugten Ausführungsform findet auch dies
statt, während
der Atem angehalten wird. Basierend auf diesen Patientenparametern
und der speziellen verwendeten Scannerkonfiguration wählt der
Steuerungsprozessor 90 ein Abtastprotokoll aus der Verweistabelle 92 aus.
Auf diese Weise wird das Abtastprotokoll für jeden Patienten individuell
eingerichtet (d.h. Steigung, Schichtdicke usw. werden an die Patientenparameter
und die Scannerkonfiguration angepasst). In einer bevorzugten Ausführungsform
arbeitet das ausgewählte
Protokoll mit maximaler Auflösung
in der z-Richtung, indem es einen kontinuierlichen Satz von Schichtbilddaten
in der z-Richtung beibehält.
Das heißt,
Steigung und Schichtdicke werden so eingestellt, dass benachbarte
Schichten sich entweder überlappen
oder zumindest nahtlos aneinander grenzen. Die nachstehende Tabelle
1 veranschaulicht Beispielprotokolle für verschiedene Patientenparameter
und Scannerkonfigurationen (siehe unten für eine detaillierte Ableitung
der Tabellenparameter).
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Beispiele
für Kardio-CT-Konfigurationen
und -Protokolle bei 20 Sekunden Atemanhaltezeit
Tabelle
1
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Der
nächste
Schritt 102 besteht darin, die bildgebende Spiral-CT-Abtastung
gemäß dem gewählten Protokoll
durchzuführen.
Mit Hilfe des EKG-Monitors 80 werden EKG-Daten simultan
mit der Spiral-CT-Abtastung erfasst. In einer Ausführungsform
wird vor der Abtastung eine Kalibrierung vorgenommen, um jede Latenzzeit
zwischen der Lieferung der EKG-Daten und den von den Strahlungsdetektoren 40 erfassten
Daten zu berücksichtigen.
Wie in Schritt 104 veranschaulicht wird jede abgetastete
Fächeransicht
von Daten vom Abtastprozessor 50 mit der EKG-Amplitude
markiert und als Teil jeder Fächeransicht
gespeichert, so dass verschiedene Herzphasen genau mit den Ansichtsdaten
korreliert werden. Die Quelle der durchdringenden Strahlung 20 bleibt
während
der gesamten Bildgebungsabtastung eingeschaltet, um die Rekonstruktion
jeder ausgewählten
Herzphase zu ermöglichen.
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In
Schritt 106 findet die Bildrekonstruktion planarer Schichten
gemäß den EKG-Daten
statt, um Cardiac-Gating-Bilder 108 zu erzeugen. Die rekonstruierten
Schichtbilder entsprechen einem Zeitpunkt, zu dem sich das Herz
in einer ausgewählten
Phase befindet. In einer bevorzugten Ausführungsform bleibt die Gesamtbildkontinuität aufrechterhalten,
indem aneinander angrenzende Schichtbilder von aneinander angrenzenden Herzschlägen rekonstruiert
werden. In jedem Fall sind die interpolierten Axialschichten, aus
denen sich das Volumenbild zusammensetzt, in transversalen Axialebenen
entlang des helikalen Pfades zentriert, wobei sich die Herzphase
an derselben Position in ihrem biologischen Zyklus befindet wie
anhand der EKG-Daten vorausgesagt. Das heißt, der Interpolator 56 zentriert
die aus dem Speicher 58 abgerufene Interpolationsfilterfunktion
an diesem Punkt auf dem helikalen Pfad. Auf diese Weise hat das
Verfahren eine prospektive Eigen schaft, und die Bildrekonstruktion
findet statt, während
die Daten weiterhin von den Strahlungsdetektoren 40 erfasst
werden. Vorausgesetzt, die Quelle 20 bleibt während der
gesamten Bildabtastung eingeschaltet und es wird ein kompletter
helikaler Datensatz erfasst, werden zusätzlich jedoch optional unterschiedliche
Bilder (die unterschiedlichen Punkten im Herzzyklus entsprechen)
retrospektiv rekonstruiert, indem eine Reihe von Zentrierpunkten
entlang des helikalen Pfades ausgewählt werden, an denen sich das
Herz in einer anderen Phase befindet.
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In
Schritt 110 werden die Gating-Bilder aus 108 für eine 3D-Bilddarstellung
und andere klinische Anwendungen (später hierin erörtert) verwendet,
die die kardiale Struktur messen und überwachen und dreidimensional
arbeiten, um eine Diagnose oder andere Resultate 112 zu
erzielen.
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Die
mit einer bestimmten Scannerkonfiguration verbundenen Abtastprotokolle
werden gemäß Berechnungen
unter Verwendung der in der obigen Liste aufgeführten Parameter ausgewählt. Darüber hinaus
sind die Abtastprotokolle auf eine Reihe unterschiedlicher Scannerkonfigurationen
anwendbar.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Scannerkonfiguration nicht spiralförmig. Das heißt, die Steigung
des helikalen Pfades ist Null, so dass Axialschichtdaten erfasst
werden. Die Abtastungen bei einer Steigung von Null werden in der
z-Richtung durch die Anzahl der bei der Abtastung verwendeten Detektorringe begrenzt.
Bei nr Detektorringen werden nr axiale Schichtbilder entlang der
z-Richtung rekonstruiert, und der Abtastbereich ist durch folgende
Gleichung gegeben: C
= nr·d (1).
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Im
Betrieb werden die EKG-Daten verwendet, um die Schichtbilder simultan
bei einer oder mehreren ausgewählten
Phasen des Herzzyklus zu rekonstruieren und anzuzeigen. Optional
werden diese Gating-Bilder über
mehrere Herzzyklen hinweg gemittelt, um die Kontrastauflösung zu
verbessern, oder über
die Zeit hinweg verglichen, mit dem Risiko einer Patientenbewegung,
in welchem Fall es wünschenswert
ist, dass der Patient seinen Atem anhält.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
ist die Scannerkonfiguration spiralförmig. In diesem Fall ist das
Ziel, so viel vom Herzen wie möglich
abzutasten (d.h. mindestens bis zu 20 cm), während für eine ausgewählte Phase
des Herzzyklus eine gute Auflösung
in z-Richtung entlang des abgetasteten Volumens aufrechterhalten
bleibt. Vorzugsweise wird diese Abtastung in einer einzelnen Phase
angehaltenen Atems (z.B. 20 bis 40 Sekunden) durchgeführt. Um
das richtige Abtastprotokoll und Rekonstruktionsverfahren wählen zu
können,
ist die Kenntnis der durchschnittlichen Herzfreqùenz nützlich. Um eine geeignete Auflösung in z-Richtung über das
abgetastete Volumen aufrechtzuerhalten, wird folgende Bedingung
erfüllt: mmpb<(nr-rr+1)·d (2).
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Mit
anderen Worten, die von der Liege innerhalb eines Herzschlags (mmpb)
zurückgelegte
Strecke in mm muss geringer als der Abstand zwischen der ersten
und der letzten Teilmenge rr aus nr Ringen (nr-rr+1) sein, die für eine simultane
Rekonstruktion kardialer Bilder in einer ausgewählten Phase des Herzzyklus
verwendet werden. Beispielsweise ist bei einer Einzelringabtastung
nr = rr = 1, oder mmpb < d,
und bei einer 5-Ring-Abtastung,
bei der jeder Ring separat zur Rekonstruktion von Schichtbildern
entlang der Spirale benutzt wird, ist mmpb < (5-1+1)·d = 5·d. Für eine gegebene Steigung p
und eine gegebene Abtastrate sr ergibt dies wie folgt eine von der
kardialen Rekonstruktion unterstützte
minimale Herzfrequenz: hrmin
= sr·p
/ (nr-rr+1)·d (3).
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Für eine gegebene
Gesamtabtastzeit T ergibt sich der entsprechende Abtastbereich C
in cm wie folgt: C
= sr·T/600 (4).
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Mit
Hilfe dieser Beziehungen zwischen Herzfrequenz, Abtastrate und Abtastbereich
gilt Folgendes für eine
Einzelringabtastung und einer Mehrfachringabtastung. Man betrachtet
beispielsweise eine Einzelringabtastung mit einer Detektorbreite
(d) von 4 mm. Der Abtastbereich reicht in diesem Fall von 6 bis
16 cm bei Herzfrequenzen von 45 – 120 bpm. Bei einer Mehrfachringabtastung
mit einer 3×4-Konfiguration
und einer Abtastgeschwindigkeit von 60 rpm unter Verwendung einer
Doppelring(rr = 2)-Rekonstruktion beträgt der Abtastbereich 32 cm
in 20 Sekunden, so lange die Herzfrequenz größer ist als 60 bpm. Wie diese
Zahlen zeigen, werden Abtastbereich und Auflösung durch die Verwendung einer
Mehrfachring-Abtastkonfiguration erheblich verbessert.
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Zusätzlich wird
die zeitliche Auflösung
durch die Verwendung einer 180-Plus-Fächer-Rekonstruktionsgewichtungsfunktion
(d.h. die im Speicher 58 abgelegten Interpolations- oder
Filterfunktionen) maximiert, deren FWHM-Werte irgendwo zwischen
0,4 und 0,55 von einer Umdrehung liegen, während weiterhin eine Gewichtung
mit einer Summe gleich Eins über
180 Grad aufrechterhalten bleibt. In diesem Fall ergibt sich die
zeitliche Auflösung
wie folgt: (Δt) = (0,4
bis 0,55)·60/sr (5).
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird mit Hilfe einer Einzel-Nebenkeulen-Gewichtungsfunktion höherer Ordnung
ein FWHM-Wert von 0,4 Umdrehungen erreicht, was die zeitliche Auflösung verbessert,
aber auch das Rauschen in der Rekonstruktion erhöht. Eine Parallelstrahlrekonstruktion über 180
Grad mit gleichförmiger
Gewichtung erreicht einen FWHM-Wert von 0,5 Umdrehungen. Der standardmäßige Spiral-Interpolator (Smooth
Triangle mit Spitzenwert 0,9) erreicht einen FWHM-Wert von 0,55
Umdrehungen. Darüber
hinaus werden in Reaktion auf die spezielle abgebildete Herzphase
verschiedene Gewichtungsfunktionen aus dem Speicher 58 ausgewählt, die
am besten geeignet sind, um diese Phase zu betonen oder hervorzuheben. Das
heißt,
es werden unterschiedliche Funktionen verwendet, um kardiale Bilder
höherer
Qualität
zu erzeugen, die auf der rekonstruierten Herzphase basieren.
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Optional
wird die Gewichtungsfunktion so aus dem Speicher 58 ausgewählt, dass
sie Winkelsegmente von Spiraldaten verwendet, die zu Teilen benachbarter
Herzzyklen gehören,
um eine höhere
zeitliche Auflösung
zu erreichen. Für
dieses Verfahren wird die Geschwindigkeit der rotierbaren Gantry
auf der Basis der durchschnittlichen Herzfrequenz ausgewählt, um
sicherzustellen, dass sich die vorgenannten Winkelsegmente minimal überlappen.
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Der
Cardiac-Gating-Spiral-CT-Scanner und die Bildgebungsverfahren der
vorliegenden Erfindung eignen sich insbesondere für die diagnostische
3D-Visualisierung und Abbildung des Herzens und des zugehörigen Gefäßsystems,
sind jedoch nicht hierauf begrenzt. In einer bevorzugten Ausführungsform
dienen die kardialen Bilder zur Quantifizierung von Kalkeinlagerungen.
Die Bewertung von Kalkeinlagerungen ist bei Gating-Bildern genauer als
bei Bildern, die nicht mit Hilfe von Gating-Verfahren erstellt wurden,
da die Gating-Bilder weniger Bewegungsartefakte haben. Die Auswahl
des geeigneten patientenspezifischen Abtastprotokolls führt außerdem zu
einer gleichförmigen
und kontinuierlichen Auflösung
in der z-Richtung. Aufgrund der gleichförmigen und kontinuierlichen
Auflösung
in der z-Richtung besteht (a) eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit,
dass eine koronare Kalkeinlagerung übersehen wird, und wird (b)
das Herz dreidimensional abgebildet und dadurch eine genauere Algorithmusgrundlage
für die
kardiale Bewertung bei 3D-Messungen
erreicht.
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Eine
weitere klinische Anwendung ist die Bewertung der Koronararterien
anhand von Bildern, die, wie in dieser Erfindung vorgeschlagen,
im Anschluss an das Inji zieren eines strahlenundurchlässigen Farbstoffs rekonstruiert
werden. Ein CT-basierendes Koronar-Screening-Verfahren ist praktisch
nichtinvasiv und kann dieselben diagnostischen Informationen liefern
wie sie von der Koronar-Angiographie geliefert werden. Somit können die
gewünschten
diagnostischen Informationen für
erste Screening-Zwecke nichtinvasiv erfasst werden. Zusätzlich bieten
Volumenbilder die Flexibilität,
die Arterien aus jedem Winkel in drei Dimensionen zu betrachten
und auszuwerten. Die Angiographie andererseits erlaubt nur eine
begrenzte Anzahl zweidimensionaler Projektionsansichten.
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Darüber hinaus
wird in einer anderen, die Prinzipien der kontinuierlichen Computertomografie
anwendenden Ausführungsform
eine funktionale Abbildung des Herzens vorgenommen. Unter Verwendung
einer Abtastung mit einer Steigung von Null wird ein Kontrastmittel-Bolus
für dieselbe
Herzphase über
die Zeit verfolgt. Dies gibt Einblick in verschiedene flussbezogene
Herzanomalien. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird ein Vergleich der Herzanatomie in unterschiedlichen Herzphasen
vorgenommen. Ein Segmentierungs- und Messpaket liefert präzise klinisch
signifikante Größen wie
enddiastolisches Volumen, Schlagvolumen, Auswurffraktion sowie die
Dynamik der ventrikulären
Wandbewegung.
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Ein
Vorteil des oben beschriebenen Cardiac-Gating-Spiral-CT-Scanners
besteht darin, dass er ein vielseitiges und selektives Protokoll
für die
Spiral-CT-Bildgebung mittels Cardiac-Gating liefert, das patientenspezifisch
ist. Ein weiterer Vorteil sind verbesserte kardiale Bilder mit geringeren
Bewegungsartefakten. Noch ein weiterer Vorteil sind die kürzeren Abtastzeiten
im Vergleich zur Gating-Axialschicht-CT und prospektiven Einzel-Herzphasen-Spiral-CT.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Auflösung entlang der Abtastlängsachse
für eine
verbesserte dreidimensionale Abbildung und diagnostische Bewertungen
des Herzens und des zugehörigen
Gefäßsystems
aufrechterhalten wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine beliebige
Herzphase abgebildet werden kann.
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Text in den
Figuren
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Figur 1
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- FUNCTION MEMORY
- FUNKTIONSSPEICHER
- SAMPLE PROCESSOR
- ABTASTPROZESSOR
- VIEW MEMORY
- ANSICHTSPEICHER
- INTERPOL.
- INTERPOLATOR
- L.U.T.
- TABELLE
- ECG
- EKG
- CONVOLVE
- FALTUNGSVORRICHTUNG
- BACK PROJECT
- RÜCKPROJEKTOR
- VIDEO
- VDEPROZESSOR
- IMAGEMEMORY
- BILDSPEICHER
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Figur2
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- DETERMINE SCAN PROTOCOL
BASED ON PATIENT PARAMETERS
- BESTIMMEN DES ABTASTPROTOKOLLS
BASIEREND AUF DEN PATIENTENPARAMETERN
- SCAN PERFORMED
- DURCHFÜHREN DER
ABTASTUNG
- SOURCE FAN + EKG
- QUELLENFÄCHER + EKG
- GATED IMAGES
- GATING-BILDER
- CARDIAC SCORE AND OTHER
RESULTS
- KARDIOLOGISCHE BEWERTUNG
UND ANDERE RESULTATE
- RECONSTRUCT IMAGES
BASED ON EKG
- REKONSTRUIERTE BILDER
BASIEREND AUF EKG
- 3D RENDERING
- 3D-BILDAUFBEREITUNG
- 3D SCORING ALGO.
- 3D-AUSWERTUNGSALGORITHMUS
- 3D MEASUREMENTS
- 3D-MESSUNGEN
