EP2770911A1 - Method for producing optimised tomography images - Google Patents

Method for producing optimised tomography images

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Publication number
EP2770911A1
EP2770911A1 EP12784529.5A EP12784529A EP2770911A1 EP 2770911 A1 EP2770911 A1 EP 2770911A1 EP 12784529 A EP12784529 A EP 12784529A EP 2770911 A1 EP2770911 A1 EP 2770911A1
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EP
European Patent Office
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data set
values
optimized
time
measurement
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12784529.5A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Frank-Detlef Scholle
Joachim Hütter
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Life Molecular Imaging SA
Original Assignee
Piramal Imaging SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Piramal Imaging SA filed Critical Piramal Imaging SA
Publication of EP2770911A1 publication Critical patent/EP2770911A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G06T11/008Specific post-processing after tomographic reconstruction, e.g. voxelisation, metal artifact correction
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    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/02Arrangements for diagnosis sequentially in different planes; Stereoscopic radiation diagnosis
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    • G06T2207/10072Tomographic images
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    • G06T2207/00Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/30Subject of image; Context of image processing
    • G06T2207/30004Biomedical image processing

Definitions

  • tomographic methods allow the generation of sectional images and three-dimensional representations (3D images).
  • a sectional image reflects the internal structures of the examined body as they were after cutting out a thin layer.
  • a 3D representation shows how the examined structures are spatially present.
  • CT computed tomography
  • X-ray absorption profiles of the body to be examined are generated from many directions. From these absorption profiles, the degree of absorption can then be calculated for each volume element of the body and sectional images and 3D representations can be constructed.
  • positron emission tomography is based on the detection of a variety of annihilation events.
  • the more events that are registered the higher the number of data used for reconstruction and the higher the signal-to-noise ratio.
  • the number of events can in principle be influenced both by the amount of tracer administered and the duration of the scan.
  • the burden of the body with radioactive substances should, however, be kept as low as possible in order to avoid side effects. To minimize side effects, the amount of tracer administered should therefore be minimized.
  • the extension of the scan duration is also limited.
  • the examined body area should not move during the recording, since movements in the recordings lead to a false representation of the tracer distribution.
  • Motionless persistence is a burden on the patient. Some movements, such as respiratory movements and cardiac muscle movements, can not be avoided when taking measurements on living organisms.
  • restrict factors such as the half-life of the radioactive isotopes of the tracer and / or the degradation of the tracer in the body its temporal detectability and / or informative value
  • the aim of the development is to provide a tracer that delivers specific biochemical information to the body under investigation with a high signal-to-noise ratio and low body stress. Any increase in the signal-to-noise ratio resulting from improvements in the measurement and containment technique would be a valuable contribution that could help minimize the burden on the body of a tracer.
  • a first subject of the present invention is a method for generating optimized tomography images, comprising at least the steps:
  • the method according to the invention comprises at least the following steps: a) provision of a data record which represents an area in a body during a measuring time, the representation of the body area in the data set being subdivided into a plurality of discrete partial areas, the measuring time in the data set being in a plurality is subdivided by discrete measurement intervals, wherein each subregion is assigned a discrete structure value for each measurement interval; b) establishing boundary conditions about the expected time course of a structure size in the region of the body during the measurement time; c) calculating optimized structure values for each individual subarea on the basis of structural values of the individual subarea at temporally successive measurement intervals taking into account the boundary conditions; d) Output of an optimized data set which represents the body or an area in the body at arbitrary times within the measuring time and which is based on the optimized structure values.
  • the method according to the invention generates from a first data set, which represents an area in a body during a measuring time, a second, optimized data set, which represents an area in the body during freely selectable times within the measuring time
  • representations of the body area can be generated at freely selectable times within the measuring time
  • Step b) can take place before or after step a), i. the designation of the steps with a) and b) does not necessarily mean that first step a) and then step b) takes place
  • the boundary conditions determine the laws that follow the temporal course of the structure size in the area of the body.
  • the temporal course of the structure size is not arbitrary but it inevitably follows the laws, for example, by the anatomy, morphology and / or physiology of the body area and use a tracer or contrast agent are determined by the physical and chemical properties of the tracer or contrast agent. For example, it is extremely unlikely that the absorbance in the computer tomography of a patient increases and decreases oscillatory as a structure size after a single application of a contrast agent
  • step c) of the inventive method optimized structural values are calculated for each individual subsection.
  • Step c) requires the presence of a first data set and of boundary conditions, so that step c) can take place only after the steps a) and b).
  • the calculation is based on the measured structural values and taking into account the boundary conditions.
  • measured structural values are correlated to temporally successive measurement intervals
  • the sections must contain at least one measuring interval. At z. As the computed tomography or magnetic resonance imaging this is to be considered in the measurement of the data set.
  • c2) Means of the structure values within each section, if there is more than one measurement time range in the selected temporal section. Alternatively, instead of the averaging in a section, a corresponding data record with the time length of the considered section can be reconstructed, as for example possible in the case of PET. c3) fitting a compensation curve into the averaged structure values, the compensation curve providing optimized structure values
  • the size of the sections is adapted to the existing measured structure values In the areas of the measuring time in which large changes in the structure values are to be found, the sections are shorter than in the areas of the measuring time in which the structure values are less from one measuring interval to the next measuring interval change strongly.
  • the decisive factor is therefore the first derivation of the structure values according to time. The larger this is, the shorter the sections are.
  • each section is inversely proportional to the amount of first derivative of the structure values by time.
  • the sections can be chosen such that two sections each adjoin one another; it is also conceivable to design the sections in such a way that two or more sections each overlap.
  • the sections are designed such that in each case two temporally successive sections overlap in their edge regions. In a particularly preferred embodiment, two temporally successive sections overlap each in one edge point
  • Averaging is understood to mean the formation of known mathematical mean values such as, for example, the arithmetic or geometric or harmonic or quadratic mean or weighted mean.
  • the choice of the respective mean value depends above all on the considered structure size and the existing boundary conditions.
  • the arithmetic mean is formed.
  • the average values are preferably assigned to the middle of the respective time segment, so that a mean value curve results which represents the average structural values as a function of time.
  • a mean value curve results which represents the average structural values as a function of time.
  • a compensation curve is fitted in the mean value curve.
  • the compensation curve is selected on the basis of the boundary conditions set up in step b) of the method according to the invention.
  • the compensation curve is adjusted so that the deviations between the mean value curve and the compensation curve are as small as possible. It is also a weighted adjustment conceivable. Weighting means that the compensation curve in the area of the higher-weighted structure values may have a smaller deviation from the mean value curve than in the area of the lower-weighted structure values.
  • spline functions are suitable as compensation curves.
  • apart from recirculation peaks for example, a global maximum for the application of a tracer or contrast agent and, if appropriate, in each case a local maximum at zJB. present extravasation, leakage in tumors, specific or unspecific enrichment in the mathematical function.
  • the beginning of the curve can be extrapolated with the aid of the slope of the first two mean values.
  • the compensation curve provides optimized structure values at arbitrary times within the measurement interval, since the compensation curve represents a continuous time curve and does not consist of discrete values
  • the result is a data set with optimized structure values at freely selectable times within the measurement interval. Due to the boundary conditions taken into account, in the optimized data record that has been taken there is information which makes it possible to specifically highlight or suppress morphological and / or physiological structures within the data record.
  • a mathematical model is used to calculate the optimized feature width in step c).
  • This embodiment of the method according to the invention comprises the following steps: c1) providing a mathematical model which describes the temporal behavior of the structure value in the regions of the body; c2) for each subarea: adapting at least one parameter of the model to the measured structure values and determining a model function which optimally reproduces the temporal course of the measured structure values as a result of a mathematical optimization method, the model function being optimized
  • the mathematical model represents the boundary conditions that have been set up in step b) of the method according to the invention.
  • auxiliary means such as e.g. a tracer or contrast agent - preferably a single or multi-compartment model.
  • the considered Kötper Scheme is considered as a built up of one or more compartments body.
  • a compartment in the model is used for each temporal change of the structure value. For example, after a bolus application in the blood of a patient, a tracer distributes itself in a manner and speed characteristic of the patient and the tracer and is gradually eliminated and, if necessary, metabolized.
  • a compartment in the model function is to be provided.
  • various mathematical methods can be used. For example, a model function can be obtained by solving the differential equations that can be established for the model, as is the case in pharmacokinetic modeling.
  • model function can also be obtained by simulating the time evolution of the considered structure values over the measurement time.
  • mode functional parameters By varying the mode functional parameters, a mathematical adaptation of the model function to the temporal behavior of the structure values is possible.
  • the determination of a model function by adaptation to a mathematical model is preferably carried out in the inventive method using the simulation approach.
  • the result is a model function that optimally reproduces the temporal behavior of the structure values in the mathematical sense.
  • the model function provides optimized structure values at arbitrary times within the measurement interval the model function represents a continuous time curve and does not consist of discrete values. For each subarea of the scanned body, a set of optimized parameters, which indicates the influence of each compartment on the temporal course of the structure value, results from the named method variant
  • the contrasting of the vascular system in the output data set can be suppressed or highlighted as required.
  • the result of the model adaptation is thus a data set with optimized structure values and a data set with associated mode parameters, with which the optimized data record can be output in various variants useful for understanding the examination data.
  • step d) of the method according to the invention the output of an optimized data set takes place.
  • the optimized data set represents an area in the examined body.
  • the range in step d) coincides with the range in step a).
  • the area in step d) represents only a partial area of the area from step a). It is conceivable that partial areas have been discarded in the course of or following the calculation of the optimized structural values in step c) or by a motion correction , This applies in particular to edge regions of the data set that may not spatially coincide due to motion in all measurement time intervals.
  • step d) can take place only after step c).
  • the optimized data set may be output in the form of one or more two- or three-dimensional representations of the area of the body on a screen or as an expression. Likewise, it is conceivable that the output takes place on a data carrier in the form of machine-readable data.
  • the optimized data set which has been produced by means of the method according to the invention is likewise an object of the present invention.
  • a further subject of the present invention is a computer program product with program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to the invention on a computer.
  • the method according to the invention is suitable for optimizing all known 3D images or tomography images, for example for optimizing SPECT, PET, CT or MRT images, or measurement data from a 3D or 4D ultrasound method or optical tomography ( See relevant literature such as: Ashok Kliurana, Nirvikar Dahiya: 3D & 4D Vitrasound - A Text and Atlas, Jaypee Brothers Medical Pubiishers (P) Ltd., 2004, R.
  • Movements which occur during the measuring time in the scanned body or in subregions of the scanned body are reduced by the method according to the invention in many cases, which is particularly advantageous in highly noisy data sets image blurring, as they are unavoidable in static recordings with only one record per total measurement time are reduced by the method according to the invention and the spatial resolution is closer to the physically possible resolution of the scanning device.
  • the structure values per section located in the different temporal sections are averaged and corrected according to the selected boundary conditions for a main maximum and at most a secondary maximum, if necessary, in the amount of the value.
  • the slightly higher average of the penultimate Section (Minute 44-52) down to the mean of the third last section (minute 36-44) down, since there may be no further maximum in the curve due to the boundary conditions except the much larger secondary maximum at less than 20 minutes.
  • FIGS. 2 to 4 show, by way of example, a section of a measurement data set in the anatomically customary planes.
  • FIG. 2 shows the data set without processing using the method according to the invention.
  • the noise reduction with the method according to the invention can be seen in FIG. 3 on the basis of structures which can be easily recognized and substantially fewer individual spots.
  • FIG. 4 the structure recognizable in FIG. 3 is confirmed.
  • the dataset illustrated in FIG. 4 does not allow any conclusions to be drawn about the kinetics of the tracer distribution in the scanbody, in contrast to the dataset from FIG. figure description
  • Figure 1 Representation of an exemplary time course of the tracer concentration during an in vivo PET scan in a discrete portion of a PET data set
  • the section bars in FIG. 1b are each entered at the level of the value obtained from the section average.
  • the start of the PET scan was done immediately after application of the tracer
  • Figure 2 representation of the anatomical views
  • the scan was performed on a C nomolgus monkey after application of a thrombus tracer from PET tracer research with a small animal PET scanner. Shown is the measurement data record number 28 of 60 successive scans without noise reduction by the inventive method. The measurement duration of each measurement data set is 1 minute. The measurement of all data records took place one after the other without a break.
  • the planes for the views shown are identical to those of Figure 3a-c and Figure 4a-c.
  • the crosses recognizable in the figures represent the cursor position in the computer program product according to the invention with which the figures were created.
  • Figure 3 representation of the anatomical views
  • the scan was performed on a cynomolgus monkey after application of a thrombus tracer from PET tracer research with a small animal PET scanner. Shown is the measurement data set number 28 of 60 successive scans after application of the inventive method. The measurement duration of each measurement data set is 1 minute. The measurement of all data records took place one after the other without a break.
  • the planes for the views shown are identical to those of Figure 2a-c and Figure 4a-c.
  • the crosses recognizable in the figures represent the cursor position in the computer program product according to the invention with which the figures were created.
  • the scan was performed on a cynomolgus monkey after application of a thrombus tracer from PET tracer research with a small animal PET scanner. Shown is the averaging of all 60 individual data sets that were scanned during the total measurement time. The measurement duration of each measurement data set is 1 minute. The measurement of all data records took place one after the other without a break. The individual data sets have not been processed by the method according to the invention.
  • the planes for the views shown are identical to those of Figure 2a-c and Figure 3a-c.
  • the crosses recognizable in the figures represent the cursor position in the Computeiprograinm Cool invention, with which the figures were created.

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Abstract

The present invention relates to the technical field of imaging methods, in particular for diagnostic purposes. The subject matter of the present invention is a method for producing optimised tomography images, a computer program product for performing the method according to the invention on a computer, and the optimised images produced by means of the method according to the invention.

Description

Verfahren zur Erzeugung optimierter Tomografie-Aufnahmen  Method for generating optimized tomography images
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der bildgebenden Verfahren insbesondere zu diagnostischen Zwecken. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung von optimierten Tomografie-Aufnahmen, ein Computerprogrammprodukt zur Ausführung des erfmdungs gemäßen Verfahrens auf einem Computer sowie die mittels des erfindungs gemäßen Verfahrens erzeugten optimierten Aufnahmen. The present invention relates to the technical field of imaging methods, in particular for diagnostic purposes. The present invention is a method for generating optimized tomography images, a computer program product for performing the erfmdungs proper method on a computer and the generated by means of the inventive method optimized recordings.
In der heutigen Medizin kommen verschiedene bildgebende Verfahren zum Einsatz, um anatomische und funktionelle Strukturen bei lebenden Menschen oder Tieren sichtbar zu machen und so den Gesundheitszustand zu beurteilen. Im Gegensatz zu den Projektionsverfahren wie beispielsweise der gewöhnlichen Röntgenaufnahme, bei der sich Strukturen, die im Strahlengang der Röntgenstrahlen hintereinander liegen, in der Aufnahme überlagern, erlauben tomo grafische Verfahren die Erzeugung von Schnittbildern und dreidimensionalen Darstellungen (3D-Bilder). Ein Schnittbild gibt die inneren Strukturen des untersuchten Körpers so wieder, wie sie nach dem Herausschneiden einer dünnen Schicht vorlägen. Eine 3D-Darstellung zeigt, wie die untersuchten Strukturen räumlich vorliegen. In today's medicine, various imaging techniques are used to visualize anatomical and functional structures in living humans or animals and thus to assess the state of health. In contrast to the projection methods, such as the usual X-ray image, in which structures which lie one behind the other in the beam path of the X-rays are superimposed in the image, tomographic methods allow the generation of sectional images and three-dimensional representations (3D images). A sectional image reflects the internal structures of the examined body as they were after cutting out a thin layer. A 3D representation shows how the examined structures are spatially present.
Bei der Computertomografie (CT) werden beispielsweise Röntgenabsorptionsprofiie des zu untersuchenden Körpers aus vielen Richtungen erzeugt. Aus diesen Absorptionsprofilen können dann für jedes Volumenelement des Körpers der Absorptionsgrad errechnet und Schnittbilder sowie 3D-Darstellungen konstruiert werden. In computed tomography (CT), for example, X-ray absorption profiles of the body to be examined are generated from many directions. From these absorption profiles, the degree of absorption can then be calculated for each volume element of the body and sectional images and 3D representations can be constructed.
Während mittels Computertomografie, gegebenenfalls unter Einsatz von Kontrastmitteln, die morphologische/anatomische Struktur eines Körpers dargestellt werden kann, erlaubt beispielsweise die Positronen-Emissions-Tomografie (PET) die Darstellung von biochemischen Funktionalitäten eines Organismus. Bei der PET wird hierzu ein radioaktiv markierter Tracer in den Körper eines Patienten appliziert. Der Tracer bindet selektiv an bestimmte Biomoleküle und durch Aufnahme der vom Tracer abgegebenen Strahlimg kann die Aktivität der Biomoleküle im Körper sichtbar gemacht werden. Nach der Verabreichung eines Tracers dauert es einige Zeit, bis der Tracer eine gewünschte Verteilung im Körper erreicht hat. Üblicherweise wird der Tracer intravenös verabreicht und gelangt somit über die Blutbahn an das gewünschte Ziel. Ein Teil der verabreichten Tracer- Moleküle bindet spezifisch an die gewünschten Zielbereiche, ein anderer Teil verteilt sich unspezifisch. Um Tomografie-Aufhahmen mit einem hohen S ignal-Rausch- Verhältnis zu erhalten, ist es oftmals sinnvoll nach der Verabreichung mit den Aufnahmen zu warten, bis ein Großteil der unspezifisch bindenden oder verteilten Tracer-Moleküle den zu untersuchenden Körperbereich wieder verlassen hat, da die nicht spezifisch bindenden Tracer- Moleküle zum Hintergrundsignal in den PET-Aumahmen beitragen. While the morphological / anatomical structure of a body can be represented by means of computed tomography, optionally with the use of contrast agents, positron emission tomography (PET), for example, allows the representation of biochemical functionalities of an organism. In PET, a radiolabeled tracer is applied to the body of a patient. The tracer selectively binds to certain biomolecules, and by recording the radiation emitted by the tracer, the activity of the biomolecules in the body can be visualized. After the administration of a tracer it takes some time until the tracer has reached a desired distribution in the body. Usually, the tracer is administered intravenously and thus passes through the bloodstream to the desired destination. Some of the administered tracer molecules bind specifically to the desired target areas, while another part distributes nonspecifically. In order to obtain tomography images with a high signal-to-noise ratio, it often makes sense to wait after the administration with the images until a large part of the nonspecifically binding or distributed tracer molecules has left the body region to be examined, since the non-specifically binding tracer molecules contribute to the background signal in the PET frames.
In Abhängigkeit vom verwendeten Tracer und den physiologischen Parametern des untersuchten Patienten gibt es ein Zeitfenster nach der Verabreichung des Tracers und vor seinem Abtransport aus dem betrachteten Körperbereich oder seinem metabolischen Abbau, in dem ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis erzielt werden kann. Depending on the tracer used and the physiological parameters of the patient being examined, there is a window of time after administration of the tracer and before its removal from the body region under consideration or its metabolic degradation, in which an optimal signal-to-noise ratio can be achieved.
Die Aufnahme von PET-Scans nimmt eine gewisse Zeit in Anspruch, denn die Positronen- Emissions-Tomografie basiert auf der Detektion einer Vielzahl von Annihilaitonsereignissen. Je mehr Ereignisse registriert werden, desto höher ist die Zahl der zur Rekonstruktion verwendeten Daten und desto höher ist das S ignal-Raus ch- Verhältnis . Die Zahl der Ereignisse kann prinzipiell sowohl durch die Menge des verabreichten Tracers als auch die Scan-Dauer beeinflusst werden. Taking PET scans takes some time because positron emission tomography is based on the detection of a variety of annihilation events. The more events that are registered, the higher the number of data used for reconstruction and the higher the signal-to-noise ratio. The number of events can in principle be influenced both by the amount of tracer administered and the duration of the scan.
Die Belastung des Körpers mit radioaktiven Substanzen sollte jedoch möglichst gering gehalten werden, um Nebenwirkungen zu vermeiden. Zur Minimierung von Nebenwirkungen sollte die Menge des verabreichten Tracers daher möglichst gering gehalten werden. The burden of the body with radioactive substances should, however, be kept as low as possible in order to avoid side effects. To minimize side effects, the amount of tracer administered should therefore be minimized.
Auch der Ausdehnung der Scan-Dauer sind Grenzen gesetzt. Zum einen sollte sich der untersuchte Körperbereich wahrend der Aufnahme nicht bewegen, da Bewegungen in den Aufnahmen zu einer falschen Darstellung der Tracer-Verteilung führen. Das regungslose Verharren stellt für den Patienten jedoch eine Belastung dar. Manche Bewegungen wie beispielsweise Atembewegungen und Bewegungen des Herzmuskels können bei Messungen an lebenden Organismen nicht vermieden werden. Zum anderen beschränken Faktoren wie die Halbwertszeit der radioaktiven Isotope der Tracer und/oder der Abbau des Tracers im Körper seine zeitliche Detektierbariceit und/oder Aussagekraft The extension of the scan duration is also limited. On the one hand, the examined body area should not move during the recording, since movements in the recordings lead to a false representation of the tracer distribution. Motionless persistence, however, is a burden on the patient. Some movements, such as respiratory movements and cardiac muscle movements, can not be avoided when taking measurements on living organisms. On the other hand, restrict factors such as the half-life of the radioactive isotopes of the tracer and / or the degradation of the tracer in the body its temporal detectability and / or informative value
Bei der Entwicklung eines neuen Tracers spielen viele unterschiedliche Faktoren eine Rolle, Ziel der Entwicklung ist die Bereitstellung eines Tracers, der eine spezifische biochemische Information Ober den untersuchten Körper mit hohem Signal-Rausch- Verhältnis und bei geringer Belastung des Körpers liefert. Dabei wäre jede Erhöhung des Signal-Rausch- Verhältnisses, die durch Verbesserungen in der Mess- und Aufhahmetechnik zustande kommt, ein wertvoller Beitrag, der dazu fuhren kann, die Belastung des Körpers durch einen Tracer zu minimieren. Many different factors play a role in the development of a new tracer. The aim of the development is to provide a tracer that delivers specific biochemical information to the body under investigation with a high signal-to-noise ratio and low body stress. Any increase in the signal-to-noise ratio resulting from improvements in the measurement and containment technique would be a valuable contribution that could help minimize the burden on the body of a tracer.
Die obigen Überlegungen gelten in ahnlicher Weise auch für weitere Tomo grafic- Verfahren, insbesondere für solche Verfahren, bei denen Hilfsmittel zur Signalerzeugung oder Signalverstärkung wie beispielsweise Tracer, Kontrastmittel oder Fluoreszenzfarbstoffe dem zu untersuchenden Körper verabreicht werden. The above considerations apply in a similar manner to other Tomo grafic- method, in particular for those methods in which aids for signal generation or signal amplification such as tracers, contrast agents or fluorescent dyes are administered to the body to be examined.
Es wäre wünschenswert, Tomografie-Aufoahmen mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis erzeugen zu können, wobei die Belastung des untersuchten Patienten sowohl in Hinblick auf die dem Körper ausgesetzte Strahlendosis und/oder die Menge an appliziertem Hilfsmittel als auch in Hinblick auf die Untersuchungsdauer zu minimieren ist It would be desirable to be able to produce high signal-to-noise ratio tomography scans with the patient being exposed to both the dose of radiation exposed to the body and / or the amount of adjuvant applied and the duration of the study minimize
Die bisherigen Betrachtungen bezogen sich vornehmlich auf die Erzeugung von statischenThe previous considerations were primarily related to the generation of static
Momentaufnahmen anatomischer und/oder funktioneller Strukturen. Snapshots of anatomical and / or functional structures.
Sie gelten jedoch in besonderem Maße auch für die zeitliche Verfolgung von Vorgängen in einem Körper, wobei Körper hier sowohl den Körper eines Menschen oder Tieres als auch ein lebloses Objekt wie beispielsweise ein Messphantom oder eine Materialprobe umfasst Bei der Erzeugung von Aufnahmen, die das dynamische Verhalten eines applizierten Hilfsmittels in einem Körperbereich darstellen, werden Messungen am betrachteten Körperbereich über einen längeren Zeitraum vorgenommen. Hieraus lassen sich wertvolle Informationen zum zeitlichen Ablauf von physiologischen Prozessen gewinnen.  However, they are also particularly true for the temporal tracking of processes in a body, where body here includes both the body of a human or animal and a lifeless object such as a measuring phantom or a material sample. In the case of the production of images, the dynamic behavior represent an applied aid in a body area, measurements are made on the considered body area over a longer period. From this valuable information on the timing of physiological processes can be gained.
Anschließend werden die Messdaten in mehrere Zeitbereiche unterteilt, die Signalintensitäten in jedem Volumenelement für die einzelnen Zeitbereiche ermittelt und eine Signalintensitäts- Zeit-Kurve erstellt Hierbei tritt das Problem auf, dass die Unterteilung der Gesamtmesszeit in zunehmend kürzere Abschnitte zwar zu einer zunehmend höheren zeitlichen Auflösung führt, die Verkürzung der Zeitbereiche jedoch ein stärker verrauschtes Signal zur Folge hat. Subsequently, the measurement data are subdivided into a plurality of time ranges, the signal intensities in each volume element are determined for the individual time ranges and a signal intensity-time curve is generated Here, the problem arises that the subdivision of the total measurement time into increasingly shorter sections leads to an increasingly higher temporal resolution, but the shortening of the time periods results in a more noisy signal.
Man erhält also entweder eine hohe räumliche Auflösung mit geringem Rauschen bei geringer oder fehlender zeitlicher Information oder eine hohe zeitliche Auflösung bei geringer räumlicher Auflösung. So you get either a high spatial resolution with low noise with little or no temporal information or a high temporal resolution at low spatial resolution.
Es wäre daher wünschenswert, den durch die Erhöhung der zeitlichen Auflösung bedingten Verlust an räumlichem Auflösevermögen zumindest teilweise kompensieren zu können. It would therefore be desirable to be able to compensate at least partially for the loss of spatial resolution due to the increase in temporal resolution.
Erfindungsgemäß werden die genannten Aufgaben durch die Verknüpfung der räumlichen Messdaten mit dazugehörigen zeitlichen Informationen unter Berücksichtigung physiologischer Randbedingungen gelöst According to the invention, the stated tasks are achieved by linking the spatial measurement data with associated temporal information, taking into account physiological boundary conditions
Ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung optimierter Tomografie- Aufnahmen, mindestens umfassend die Schritte: A first subject of the present invention is a method for generating optimized tomography images, comprising at least the steps:
a) Bereitstellen eines Datensatzes, der einen Bereich im Körper eines Patienten während einer Messzeit repräsentiert, wobei die Repräsentation des Körperbereichs im Datensatz in eine Mehrzahl von diskreten Teilbereichen unterteilt ist, wobei die Messzeit im Datensatz in eine Mehrzahl von diskreten Messintervallen unterteilt ist, wobei jedem Teilbereich zu jedem Messintervall ein diskreter Stnikturwert zugeordnet ist;  a) providing a data set representing an area in the body of a patient during a measurement time, the representation of the body area in the data set being subdivided into a plurality of discrete subareas, wherein the measurement time in the data set is subdivided into a plurality of discrete measurement intervals, each one Partial area is assigned to each measurement interval, a discrete Stnikturwert;
b) Aufstellen von Randbedingungen über den zu erwartenden zeitlichen Verlauf einer Strukturgröße in dem Bereich des Körpers während der Messzeit; c) Berechnen von optimierten Strukturwerten für jeden einzelnen Teilbereich auf Basis von Strukturwerten des einzelnen Teilbereichs zu zeitlich aufeinander folgenden Messintervallen unter Berücksichtigung der Randbedingungen; d) Ausgabe eines optimierten Datensatzes, der einen Bereich im Körper zu beliebig wählbaren Zeitpunkten während der Messzeit repräsentiert und der auf den optimierten Strukturwerten basiert Unter einer Tomo grafie- Aufnahme wird ein Satz an Daten verstanden, der einen Bereich in einem Körper während einer Zeitspanne repräsentiert Der Begriff Tomografie- Aufnahme soll nicht auf Schnittbildcr beschrankt sein sondern soll auch Datensätze umfassen, die einen Körperbereich dreidimensional darstellen. Die Repräsentation des Körperbereichs erfolgt auf Basis einer Strukturgröße und entsprechenden Strukturwerten, die weiter unten naher beschrieben sind. b) establishing boundary conditions about the expected time course of a structure size in the region of the body during the measurement time; c) calculating optimized structure values for each individual subarea on the basis of structural values of the individual subarea at temporally successive measurement intervals taking into account the boundary conditions; d) Output of an optimized data set which represents an area in the body at arbitrary times during the measurement time and which is based on the optimized structure values A tomographic image is understood to mean a set of data that represents an area in a body during a period of time. The term tomography image should not be limited to a sectional image but should also include data sets that represent a body area in three dimensions. The representation of the body region is based on a feature size and corresponding structure values, which are described in more detail below.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst mindestens die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Datensatzes, der einen Bereich in einem Körper während einer Messzeit repräsentiert, wobei die Repräsentation des Körperbereichs im Datensatz in eine Mehrzahl von diskreten Teilbereichen unterteilt ist, wobei die Messzeit im Datensatz in eine Mehrzahl von diskreten Messintervallen unterteilt ist, wobei jedem Teilbereich zu jedem Messintervall ein diskreter Strukturwert zugeordnet ist; b) Aufstellen von Randbedingungen über den zu erwartenden zeitlichen Verlauf einer Strukturgröße in dem Bereich des Körpers während der Messzeit; c) Berechnen von optimierten Strukturwerten für jeden einzelnen Teilbereich auf Basis von Strukturwerten des einzelnen Teilbereichs zu zeitlich aufeinander folgenden Messintervallen unter Berücksichtigung der Randbedingungen; d) Ausgabe eines optimierten Datensatzes, der den Körper oder einen Bereich im Körper zu beliebig wählbaren Zeitpunkten innerhalb der Messzeit repräsentiert und der auf den optimierten Strukturwerten basiert. The method according to the invention comprises at least the following steps: a) provision of a data record which represents an area in a body during a measuring time, the representation of the body area in the data set being subdivided into a plurality of discrete partial areas, the measuring time in the data set being in a plurality is subdivided by discrete measurement intervals, wherein each subregion is assigned a discrete structure value for each measurement interval; b) establishing boundary conditions about the expected time course of a structure size in the region of the body during the measurement time; c) calculating optimized structure values for each individual subarea on the basis of structural values of the individual subarea at temporally successive measurement intervals taking into account the boundary conditions; d) Output of an optimized data set which represents the body or an area in the body at arbitrary times within the measuring time and which is based on the optimized structure values.
Das erfindungsgemäße Verfahren erzeugt aus einem ersten Datensatz, der einen Bereich in einem Körper während einer Messzeit repräsentiert, einen zweiten, optimierten Datensatz, der einen Bereich in dem Körper während frei wählbarer Zeitpunkte innerhalb der Messzeit repräsentiert The method according to the invention generates from a first data set, which represents an area in a body during a measuring time, a second, optimized data set, which represents an area in the body during freely selectable times within the measuring time
Der zweite, optimierte Datensatz ist durch folgende Punkte gekennzeichnet: der Rauschanteil ist gegenüber dem ersten Datensatz reduziert, The second, optimized data record is characterized by the following points: the noise component is reduced compared to the first data set,
Bildunscharfen, wie sie in zeitlich längeren Scans unumgänglich sind, sind reduziert, und die räumliche Auflösung liegt näher an der physikalischen Auflösung des Image blurs, such as are inevitable in longer scans, are reduced, and the spatial resolution is closer to the physical resolution of the
Scangerätes, Scan device,
Verschiebungen, Stauchungen, Dehnungen, Rotationen, usw., die im ersten Datensatz während der Messzeit enthalten sein können, sind in der Regel vermindert,  Displacements, compressions, strains, rotations, etc., which may be contained in the first data set during the measuring time, are generally reduced,
es lassen sich Darstellungen des Körperbereichs zu frei wählbaren Zeitpunkten innerhalb der Messzeit erzeugen,  representations of the body area can be generated at freely selectable times within the measuring time,
es lassen sich gezielt morphologische und/oder physiologische Funktionen hervorheben oder unterdrücken.  it is possible to specifically emphasize or suppress morphological and / or physiological functions.
Der erste Datensatz resultiert aus Messungen, die an einem menschlichen oder tierischen oder einem sonstigen Köper vorgenommen worden sind. Vorzugsweise sind die Messungen an einem lebenden Organismus vorgenommen worden. The first data set results from measurements made on a human or animal or other body. Preferably, the measurements have been made on a living organism.
Der erste Datensatz ist beispielweise eine Sequenz von PET-Rekonstruktionen, von CT- Aufhahmen, von Magnetresonanztomogiafie-Aufhahmen (MRT-Aufhahmen) oder vergleichbaren Aufnahmen. Jede einzelne Aufnahme ist innerhalb eines Messintervalls entstanden. Die Sequenz zeigt die Aumahmen zu aufeinander folgenden Zeitabschnitten bzw. Messintervallen. Die Begriffe„Sequenz" und„zeitliche Abfolge" werden hier synonym verwendet. For example, the first set of data is a sequence of PET reconstructions, CT scans, MRI scans, or comparable scans. Each single shot was taken within one measurement interval. The sequence shows the frames at successive time intervals or measuring intervals. The terms "sequence" and "time sequence" are used synonymously here.
Alle Messintervalle zusammengefasst ergeben die Messzeit  All measuring intervals combined give the measuring time
Beim ersten und zweiten Datensatz kann es sich um eine dreidimensionale Repräsentation handeln. Es kann sich jedoch auch um eine zweidimensionale Repräsentation, also um ein Schnittbild, handeln. Unabhängig davon, ob es sich um eine zwei- oder dreidimensionale Repräsentation handelt, wird im Folgenden auch von der Repräsentation eines räumlichen Bereichs gesprochen. Die Repräsentation des räumlichen Bereichs im Datensatz ist quantisiert, das heißt, der räumliche Bereich ist in eine diskrete Anzahl von Teilbereichen (Flächenelemente oder Volumenelemente) aufgeteilt, wobei jeder einzelne Teilbereich durch seine Koordinaten im Raum charakterisiert ist Die Koordinaten im Raum sollten sich idealerweise während der Messzeit nicht ändern. Sie ändern sich dann nicht, wenn der Bereich des Körpers bei der Aufnahme der Messwerte zur Erzeugung des ersten Datensatzes während der Messzeit in Bezug zur Messvorrichtung nicht bewegt worden ist. Zunächst wird der Einfachheit halber angenommen, dass während der Messzeit weder eine Bewegung des Bereichs noch Bewegungen innerhalb des Bereichs des Körpers stattgefunden haben, so dass die Koordinaten der einzelnen Teilbereiche wahrend der Messzeit konstant sind. The first and second data sets may be a three-dimensional representation. However, it can also be a two-dimensional representation, ie a sectional image. Regardless of whether it is a two- or three-dimensional representation, the following also refers to the representation of a spatial area. The representation of the spatial area in the dataset is quantized, that is, the spatial area is divided into a discrete number of partial areas (area elements or volume elements), each individual area being characterized by its coordinates in space Do not change measuring time. They do not change when the area of the body is at the Recording of the measured values for generating the first data record during the measuring time with respect to the measuring device has not been moved. First, for the sake of simplicity, it is assumed that neither movement of the region nor movements within the region of the body took place during the measurement time, so that the coordinates of the individual subregions are constant during the measurement time.
Den einzelnen Teilbereichen ist zu jedem Messintervall ein Strukturwert zugeordnet Die Strukturwerte charakterisieren den Zustand des Teilbereichs innerhalb des betrachteten Messintervalls. Der Zustand eines jeden Teilbereichs ist durch eine Reihe von Größen bestimmt Mindestens eine Größe, die hier als Strukturgröße bezeichnet wird, wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren betrachtet Es ist auch denkbar, mehrere Größen zu betrachten. Strukturgrößen können beispielsweise Größen wie Röntgenabsorption (CT), Anzahl der Zerfallsereignisse pro Zeit (PET), MR-Relaxationszeiten usw. sein. Um die obigen Definitionen näher zu verdeutlichen, seien beispielhaft die Computertomografie und die Positronen-Emis sions-Tomo grafie angeführt. Computertomografische Aufnahmen sind räumliche Datensätze, die aus einer diskreten Anzahl von Volumenelementen aufgebaut sind, wobei jedes einzelne Volumenelement durch seine Koordinaten im Raum und einen Absorptionswert charakterisiert ist Üblicherweise stellt der Absorptionsweit eine Graustufe dar, wobei beispielsweise „schwarz" den niedrigsten Absorptionsgrad (Graustufe 0) und„weiß" den höchsten Absorptionsgrad (z.B. bei 100 Graustufen die Graustufe 99) darstellt Dadurch lassen sich die räumlichen Datensätze bildlich darstellen. Die Strukturgröße, die im Fall der CT betrachtet wird, ist der Absorptionsgrad des Gewebes für Röntgenstrahlung. A structure value is assigned to the individual subareas for each measurement interval. The structure values characterize the state of the subarea within the considered measurement interval. The state of each subarea is determined by a number of quantities. At least one size, referred to herein as a feature size, is considered in the method of the invention. It is also conceivable to consider multiple magnitudes. For example, feature sizes may be such as X-ray absorption (CT), number of decay events per time (PET), MR relaxation times, and so on. To clarify the above definitions, the computer tomography and the positron emission Tomo graphy are exemplified. Computed tomography images are spatial data sets composed of a discrete number of volume elements, each individual volume element being characterized by its coordinates in space and an absorption value. Usually the absorption width represents a gray level, for example "black" having the lowest absorption level (gray level 0). and "white" represents the highest degree of absorption (eg gray level 99 in the case of 100 gray levels). Thus, the spatial data sets can be represented graphically. The feature size considered in the case of CT is the absorbance of the tissue for X-radiation.
Im Fall von PET werden die Zerfalle der verwendeten Radionuklide über der Messzeit detektiert. Die räumlichen Datensätze können dann für beliebige, die gesamte Messzeit unterteilende Zeitintervalle, rekonstruiert werden. Jedes einzelne Volumenelement ist hierbei durch seine Koordinaten im Raum und eine Zerfallsrate charakterisiert. Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert mehrere räumliche Datensätze, die jeweils den Zustand des untersuchten Körperbereichs in einem zeitlichen Abstand voneinander darstellen. Der zeitliche Abstand voneinander kann gleichbleibend oder variabel sein; wichtig ist, dass der zeitliche Abstand voneinander und die Zeitdauer bei den einzelnen Datensätzen bekannt sind. Des Weiteren sind die zeitlichen Abstände und die Zeitdauern entweder bei der Messung oder, wie im Fall von PET, bei der Rekonstruktion so zu wählen, dass die interessierenden zeitlichen Änderungen des betrachteten Strukturwertes zeitlich aufgelöst werden. Die zeitlichen Abstände und die Zeitdauern sollten also kleiner sein als die betrachteten zeitlichen Änderungen des Strukturwertes. In the case of PET, the decays of the radionuclides used are detected over the measurement time. The spatial data sets can then be reconstructed for any time intervals which subdivide the entire measuring time. Every single volume element is characterized by its coordinates in space and a decay rate. The method according to the invention requires a plurality of spatial data sets, each of which represents the state of the examined body region at a time interval from one another. The temporal distance from each other can be constant or variable; It is important that the time interval between each other and the duration of the individual data records are known. Furthermore, the time intervals and the durations are either during the measurement or, as in the case of PET, to be chosen during the reconstruction in such a way that the temporal changes of the considered structural value of interest are temporally resolved. The time intervals and the durations should therefore be smaller than the considered temporal changes of the structure value.
Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt die Bereitstellung eines ersten Datensatzes dar. Da dieser Datensatz aus Messungen resultiert, d.h. empirisch generiert wurde, weist er einen Rauschanteil auf. Insbesondere PET-Aufhahmen weisen einen signifikanten Rauschanteil aufgrund der Statistik der Zerfallsereignisse auf, der umso höher ist, je kürzer der Zeitabschnitt ist, währenddessen Annihilationsereignisse registriert werden, um eine PET-Aufnahme zu erzeugen. Step a) of the method according to the invention represents the provision of a first data set. Since this data set results from measurements, i. has been empirically generated, it has a noise component. In particular, PET frames have a significant noise due to the statistics of the decay events, which is the higher the shorter the period of time during which annihilation events are registered to produce a PET shot.
Die Reduktion des Rauschanteils gelingt erfindungsgemäß durch Verknüpfen der räumlichen Messdaten mit den zugehörigen zeitlichen Informationen unter Berücksichtigung physiologischer Randbedingungen. The reduction of the noise component succeeds according to the invention by linking the spatial measurement data with the associated temporal information taking into account physiological boundary conditions.
Diese Randbedingungen werden in Schritt b) des erfindungs gemäßen Verfahrens aufgestellt Schritt b) kann zeitlich vor oder nach Schritt a) erfolgen, d.h. die Bezeichnung der Schritte mit a) und b) bedeutet nicht zwangsläufig, dass zuerst Schritt a) und dann Schritt b) erfolgt These boundary conditions are set up in step b) of the process according to the invention. Step b) can take place before or after step a), i. the designation of the steps with a) and b) does not necessarily mean that first step a) and then step b) takes place
Die Randbedingungen legen die Gesetzmäßigkeiten fest, denen der zeitliche Verlauf der Strukturgröße in dem Bereich des Körpers folgt Der zeitliche Verlauf der Strukturgröße ist nicht beliebig sondern er folgt zwangsläufig den Gesetzmäßigkeiten, die beispielsweise durch die Anatomie, Morphologie und/oder Physiologie des Körperbereichs und bei Einsatz eines Tracers oder Kontrastmittels durch die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Tracers oder Kontrastmittels festgelegt sind. So ist es beispielsweise äußerst unwahrscheinlich, dass der Absorptionsgrad bei der Computertomografie eines Patienten als Strukturgröße nach einmaliger Applikation eines Kontrastmittels oszillatorisch zu- und abnimmt The boundary conditions determine the laws that follow the temporal course of the structure size in the area of the body. The temporal course of the structure size is not arbitrary but it inevitably follows the laws, for example, by the anatomy, morphology and / or physiology of the body area and use a tracer or contrast agent are determined by the physical and chemical properties of the tracer or contrast agent. For example, it is extremely unlikely that the absorbance in the computer tomography of a patient increases and decreases oscillatory as a structure size after a single application of a contrast agent
Wird ein Tracer oder Kontrastmittel verabreicht, so wird dieses in den betrachteten Körperbereich eintreten und diesen nach einer Verweilzeit wieder verlassen. Sieht man von Rezirkulationspeaks ab, sollte die messtechnische Verfolgung des Tracers oder Kontrastmittels daher einen Signalanstieg mit anschließendem Signalabfall zeigen (Hauptmaximum). Zusätzlich kann es jeweils höchstens zu einem weiteren Signalanstieg mit anschließendem Signalabfall aufgrund von z.B. Extravasation, Leakage in Tumoren, spezifischer oder unspezifischer Anreicherung kommen (Nebenmaxium), wobei das Nebenmaximum dem Hauptmaximum zeitlich nachgelagert ist If a tracer or contrast agent is administered, it will enter the body region under consideration and leave it again after a dwell time. Apart from recirculation peaks, the metrological tracking of the tracer or contrast agent should therefore show an increase in signal with subsequent signal decay (Main peak). In addition, in each case at most a further signal increase with subsequent signal drop due to eg extravasation, leakage in tumors, specific or unspecific enrichment can occur (secondary maxium), whereby the secondary maximum is temporally downstream of the main maximum
Die Randbedingungen legen demnach fest, in welchen Grenzen sich ein Strukturweit bewegen kann und welche zeitlichen Änderungen des Strukturwerts mit Naturgesetzen vereinbar sind. Randbedingungen können beispielsweise sein: The boundary conditions determine the limits within which a structure can move and which temporal changes of the structure value are compatible with natural laws. Boundary conditions can be, for example:
Zeitkonstante des Tracers oder Kontrastmittels in der betrachteten Spezies für die Verdünnung im Blutvolumen nach Applikation  Time constant of the tracer or contrast agent in the species considered for dilution in blood volume after application
Zeitkonstante des Tracers oder Kontrastmittels in der betrachteten Spezies für die Elimination aus dem Blut  Time constant of the tracer or contrast agent in the species considered for elimination from the blood
- Typische Zeitverläufe für die Konzentration eines Tracers oder Kontrastmittels. Typical time courses for the concentration of a tracer or contrast agent.
Beispielsweise kann es nach Applikation des Tracers oder Kontrastmittels nur einen For example, after application of the tracer or contrast agent, it may only be one
Signalanstieg mit anschließendem Abfall im Gefäßanteil in vivo geben sowie zusätzlich jeweils höchstens einem Anstieg und Abfall aufgrund z.B.Signal increase with subsequent drop in the vessel portion in vivo and in addition in each case at most an increase and decrease due to e.g.
Extravasation (wenn Tracer oder Kontrastmittel klein genug sind, um Gefäßwände zu durchdringen), Leakage in Tumoren, spezifische oder unspezifischeExtravasation (when tracers or contrast agents are small enough to penetrate vessel walls), leakage into tumors, specific or nonspecific
Anreicherung, usw. Enrichment, etc.
Diese Zeitverläufe können auch durch eine pharmakokinetische Modellfuiiktion beschrieben werden. In Schritt c) des erfmdungsgemäßen Verfahrens werden für jeden einzelnen Teilbereich optimierte Strukturwerte berechnet Schritt c) erfordert das Vorhandensein eines ersten Datensatzes und von Randbedingungen, so dass Schritt c) zeitlich nur nach den Schritten a) und b) erfolgen kann. Die Berechnung erfolgt auf Basis der gemessenen Strukturwerte und unter Berücksichtigung der Randbedingungen. Für die Berechnung der optimierten Strukturwerte werden gemessene Strukturwerte zu zeitlich aufeinanderfolgenden Messintervallen miteinander in Beziehung gesetzt  These time courses can also be described by a pharmacokinetic modeling. In step c) of the inventive method, optimized structural values are calculated for each individual subsection. Step c) requires the presence of a first data set and of boundary conditions, so that step c) can take place only after the steps a) and b). The calculation is based on the measured structural values and taking into account the boundary conditions. For the calculation of the optimized structure values, measured structural values are correlated to temporally successive measurement intervals
Die Berechnung kann auf verschiedene Weisen durchgeführt werden. Nachfolgend werden zwei bevorzugte Ausführungsformen näher beschrieben. /. Abschnittsweise Glättung The calculation can be carried out in various ways. Hereinafter, two preferred embodiments will be described in more detail. /. Sectional smoothing
In einer ersten bevorzugten AusfÜhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ftir jeden einzelnen Teilbereich die folgenden mathematischen Operationen durchgeführt: cl) Unterteilen der Messzeit in eine Mehrzahl von Abschnitten, wobei die einzelnen Abschnitte umso kürzer sind, je größer die Änderung der Strukturwerte in einem In a first preferred embodiment of the method according to the invention, the following mathematical operations are carried out for each individual subarea: cl) subdividing the measuring time into a plurality of sections, the shorter the larger the change of the structural values in one
Bereich der Messzeit ist Die Abschnitte müssen dabei mindestens ein Messintervall enthalten. Bei z. B. der Computertomografie oder der Magnetresonanztomografie ist dieses bei der Messung des Datensatzes zu berücksichtigen. c2) Mitteln der Strukturwerte innerhalb eines jeden Abschnitts, sofern mehr als ein Messzeitbereich im gewählten zeitlichen Abschnitt liegt Alternativ kann statt der Mittelung in einem Abschnitt auch ein entsprechender Datensatz mit der zeitlichen Länge des betrachteten Abschnitts rekonstruiert werden, wie beispielsweise im Fall von PET möglich. c3) Einpassen einer Ausgleichskurve in die gemittelten Strukturwerte, wobei die Ausgleichskurve optimierte Strukturwerte liefert Range of the measuring time The sections must contain at least one measuring interval. At z. As the computed tomography or magnetic resonance imaging this is to be considered in the measurement of the data set. c2) Means of the structure values within each section, if there is more than one measurement time range in the selected temporal section. Alternatively, instead of the averaging in a section, a corresponding data record with the time length of the considered section can be reconstructed, as for example possible in the case of PET. c3) fitting a compensation curve into the averaged structure values, the compensation curve providing optimized structure values
Die Schritte cl) bis c3) erfolgen nacheinander in der angegebenen Reihenfolge. In Figur 1 wird die Berechnung bildlich verdeutlicht und in dem unten beschriebenen Beispiel näher erläutert. The steps cl) to c3) are carried out successively in the order given. In Figure 1, the calculation is illustrated graphically and explained in more detail in the example described below.
Die Größe der Abschnitte wird an die vorliegenden gemessenen Strukturwerte angepasst In den Bereichen der Messzeit, in denen große Änderungen der Strukturwerte zu verzeichnen sind, sind die Abschnitte kürzer als in den Bereichen der Messzeit, in denen sich die Strukturwerte von einem Messintervall zum nächsten Messintervall weniger stark ändern. Ausschlaggebend ist demnach die erste Ableitung der Strukturwerte nach der Zeit Je größer diese ist, desto kürzer sind die Abschnitte. The size of the sections is adapted to the existing measured structure values In the areas of the measuring time in which large changes in the structure values are to be found, the sections are shorter than in the areas of the measuring time in which the structure values are less from one measuring interval to the next measuring interval change strongly. The decisive factor is therefore the first derivation of the structure values according to time. The larger this is, the shorter the sections are.
Vorzugsweise ist die Größe eines jeden Abschnitts umgekehrt proportional zum Betrag der ersten Ableitung der Strukturwerte nach der Zeit. Die Abschnitte können so gewählt werden, dass jeweils zwei Abschnitte aneinander angrenzen; ebenso ist es denkbar, die Abschnitte so zu gestalten, dass jeweils zwei oder mehr Abschnitte sich überlappen. Vorzugsweise werden die Abschnitte so gestaltet, dass sich jeweils zwei zeitlich aufeinander folgende Abschnitte in ihren Randbereichen überlappen. In einer besonders bevorzugten AusfÜhrungsform überlappen sich zwei zeitlich aufeinander folgende Abschnitte in jeweils einem Randpunkt Preferably, the size of each section is inversely proportional to the amount of first derivative of the structure values by time. The sections can be chosen such that two sections each adjoin one another; it is also conceivable to design the sections in such a way that two or more sections each overlap. Preferably, the sections are designed such that in each case two temporally successive sections overlap in their edge regions. In a particularly preferred embodiment, two temporally successive sections overlap each in one edge point
Sobald die Abschnitte festgelegt sind, erfolgt eine Mittelung der innerhalb eines jeden Abschnittes liegenden Strukturwerte. Als Mittelung wird die Bildung bekannter mathematischer Mittelwerte wie beispielsweise des arithmetischen oder geometrischen oder harmonischen oder quadratischen Mittelwerts oder gewichteten Mittels verstanden. Die Wahl des jeweiligen Mittelwertes richtet sich vor allem nach der betrachteten Strukturgroße und den vorliegenden Randbedingungen. Üblicherweise wird der arithmetische Mittelwert gebildet. As soon as the sections have been defined, an averaging of the structural values within each section takes place. Averaging is understood to mean the formation of known mathematical mean values such as, for example, the arithmetic or geometric or harmonic or quadratic mean or weighted mean. The choice of the respective mean value depends above all on the considered structure size and the existing boundary conditions. Usually, the arithmetic mean is formed.
Die Mittelwerte werden vorzugsweise der Mitte des jeweiligen Zeitabschnitts zugeordnet, so dass sich eine Mittelwertkurve ergibt, welche die mittleren Strukturwerte als Funktion der Zeit darstellt Es ist aber auch denkbar, die Mittelwerte jeweils dem ersten oder letzten oder einem anderen Zeitpunkt des entsprechenden Zeitabschnitts zuzuordnen. The average values are preferably assigned to the middle of the respective time segment, so that a mean value curve results which represents the average structural values as a function of time. However, it is also conceivable to associate the average values in each case with the first or last or another time of the corresponding time segment.
In die Mittelwertkurve wird eine Ausgleichskurve eingepasst Die Ausgleichskurve wird auf Basis der Randbedingungen, die in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgestellt worden sind, gewählt Die Ausgleichskurve wird so eingepasst, dass die Abweichungen zwischen der Mittelwertkurve und der Ausgleichskurve möglichst gering sind. Es ist auch eine gewichtete Anpassung denkbar. Unter Gewichtung wird verstanden, dass die Ausgleichskurve im Bereich der höher gewichteten Strukturwerte eine geringere Abweichung von der Mittelwertkurve haben darf als im Bereich der niedriger gewichteten Strukturwerte. Als Ausgleichskurven eignen sich beispielsweise Spline-Funktionen. Je nach Randbedingungen wird abgesehen von Rezirkulationspeaks beispielsweise ein globales Maximum für die Applikation eines Tracers oder Kontrastmittels und gegebenenfalls jeweils ein lokales Maximum bei zJB. vorliegender Extravasation, Leakage in Tumoren, spezifischer oder unspezifischer Anreicherung in der mathematischen Funktion zugelassen. A compensation curve is fitted in the mean value curve. The compensation curve is selected on the basis of the boundary conditions set up in step b) of the method according to the invention. The compensation curve is adjusted so that the deviations between the mean value curve and the compensation curve are as small as possible. It is also a weighted adjustment conceivable. Weighting means that the compensation curve in the area of the higher-weighted structure values may have a smaller deviation from the mean value curve than in the area of the lower-weighted structure values. For example, spline functions are suitable as compensation curves. Depending on the boundary conditions, apart from recirculation peaks, for example, a global maximum for the application of a tracer or contrast agent and, if appropriate, in each case a local maximum at zJB. present extravasation, leakage in tumors, specific or unspecific enrichment in the mathematical function.
Hierbei ist besonderes Augenmerk auf den Beginn der Ausgleichskurve zu legen. Da direkt nach Applikation eines Tracers oder Kontrastmittels schnelle Änderungen von hohen Signalwerten auftreten können, ist bei der Wahl der Ausgleichskurvenberechnung darauf zu achten, dass die Ausgleichskurve für die Zeitpunkte vor dem mittleren ersten Zeitabschnitt die Strukturwertentwicklung sinnvoll widerspiegelt Particular attention should be paid to the beginning of the compensation curve. Immediately after application of a tracer or contrast agent rapid changes of high When selecting the compensation curve calculation, it must be ensured that the compensation curve for the times before the middle first period of time reflects the structure value development in a meaningful way
Beispielsweise kann in einer einfachen Variante der Kurvenbeginn mit Hilfe der Steigung der ersten beiden Mittelwerte extrapoliert werden.  For example, in a simple variant, the beginning of the curve can be extrapolated with the aid of the slope of the first two mean values.
Für die Einpassung der Ausgleichskurve lassen sich die dem Mathematiker bekannten mathematischen Optimierungsverfahren verwenden (siehe z.B.: J. A. Snyman: Practical Mathematical Optimization; Springer- Verlag 2005 / C. Daniel et al. : Fitting equations to data; 2nd ed., Wiley 1980 / P. Dierckx: Curve and Surface Fitting with Splines, Oxford Science Publications 1996). The mathematical optimization method known to the mathematician can be used to fit the compensation curve (see, for example: JA Snyman: Practical Mathematical Optimization, Springer-Verlag 2005 / C. Daniel et al.: Fitting equations to data; 2nd ed., Wiley 1980 / P Dierckx: Curve and Surface Fitting with Splines, Oxford Science Publications 1996).
Die Ausgleichskurve stellt optimierte Strukturwerte zu beliebigen Zeitpunkten innerhalb des Messintervalls bereit, da die Ausgleichskurve eine kontinuierliche Zeitkurve darstellt und nicht aus diskreten Werten besteht The compensation curve provides optimized structure values at arbitrary times within the measurement interval, since the compensation curve represents a continuous time curve and does not consist of discrete values
Das Ergebnis ist also ein Datensatz mit optimierten Strukturwerten zu frei wählbaren Zeitpunkten innerhalb des Messintervalls. In dem gewonnnen optimierten Datensatz stecken aufgrund der berücksichtigten Randbedingungen Informationen, die es erlauben, morphologische und/oder physiologische Strukturen innerhalb des Datensatzes gezielt hervorzuheben oder zu unterdrücken. The result is a data set with optimized structure values at freely selectable times within the measurement interval. Due to the boundary conditions taken into account, in the optimized data record that has been taken there is information which makes it possible to specifically highlight or suppress morphological and / or physiological structures within the data record.
Diese Möglichkeit ist in der folgenden Ausfuhrungsform in optimaler Art und Weise gegeben, wobei entsprechende Operationen auch in der vorliegenden Ausfuhrungsform möglich sind. This possibility is given in the following embodiment in an optimal manner, with corresponding operations are also possible in the present embodiment.
2. Anpassen an ein mathematisches Modell 2. Adapt to a mathematical model
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein mathematisches Modell verwendet, um die optimierten Strukturweite in Schritt c) zu berechnen. In a second preferred embodiment of the method according to the invention, a mathematical model is used to calculate the optimized feature width in step c).
Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfässt die folgenden Schritte: cl) Bereitstellen eines mathematischen Modells, das das zeitliche Verhalten des Strukturwertes in den Bereichen des Körpers beschreibt; c2) für jeden Teilbereich: Anpassen mindestens eines Parameters des Modells an die gemessenen Strukturwerte und Ermitteln einer Modellfunktion, die den zeitlichen Verlauf der gemessenen Strukturwerte als Ergebnis eines mathematischen Optimierungsverfahrens optimal wiedergibt, wobei die Modellfunktion optimierteThis embodiment of the method according to the invention comprises the following steps: c1) providing a mathematical model which describes the temporal behavior of the structure value in the regions of the body; c2) for each subarea: adapting at least one parameter of the model to the measured structure values and determining a model function which optimally reproduces the temporal course of the measured structure values as a result of a mathematical optimization method, the model function being optimized
Strukturwerte liefert und wobei durch das Optimierungsverfahren auch optimierte Modellparameter gewonnen werden. Provides structure values and wherein the optimization process also optimizes model parameters are obtained.
Das mathematische Modell repräsentiert die Randbedingungen, die in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgestellt worden sind. The mathematical model represents the boundary conditions that have been set up in step b) of the method according to the invention.
Als mathematisches Modell wird - je nach untersuchtem Körperbereich und den physikalisch-biologisch-chemischen Eigenschaften eines eventuell applizierten Hilfsmittels wie eines z.B. eines Tracers oder Kontrastmittels - vorzugsweise ein Ein- oder Mehr- Kompartimenten-Modell verwendet. As a mathematical model, depending on the examined body area and the physical-biological-chemical properties of a possibly applied auxiliary means such as e.g. a tracer or contrast agent - preferably a single or multi-compartment model.
Solche Modelle sind dem Fachmann der Pharmakokinetik hinreichend bekannt (siehe z.B. Molecuiar Imaging: Computer Reconstruction and Practice, Proceedings of the NATO Advanced Study Institute on Molecuiar Imaging from Physical Principles to Computer Reconstruction and Practice, Springer-Verlag 2006 / Physiologically based pharmacokinetic modelling; ed. by M. B. Reddy et al. \ Wiley-Interscience 2005 / Peter L. Bonate: Pharmacokinetic-Pharmacodynamic Modeling and Simulation; 2nd ed., Springer- Verlag 2011). Such models are well known to those skilled in the art of pharmacokinetics (see, eg, Molecular Imaging: Computer Reconstruction and Practice, Proceedings of the NATO Advanced Study Institute on Molecular Imaging from Physical Principles to Computer Reconstruction and Practice, Springer-Verlag 2006 / Physiologically based pharmacokinetic modeling; by MB Reddy et al. \ Wiley-Interscience 2005 / Peter L. Bonate: Pharmacokinetic-Pharmacodynamic Modeling and Simulation; 2 nd Ed., Springer-Verlag 2011).
Bei solchen Modellen wird der betrachtete Kötperbereich als ein aus einem oder mehreren Kompartimenten aufgebauter Körper betrachtet. Dabei wird für jede zeitliche Änderung des Strukturwertes ein Kompartiment im Modell verwendet. So verteilt sich beispielsweise ein Tracer nach einer Bolus-Applikation im Blut eines Patienten in einer für den Patienten und den Tracer charakteristischen Art und Weise und Geschwindigkeit und wird allmählich eliminiert und ggf. metabolisiert. In such models, the considered Kötperbereich is considered as a built up of one or more compartments body. A compartment in the model is used for each temporal change of the structure value. For example, after a bolus application in the blood of a patient, a tracer distributes itself in a manner and speed characteristic of the patient and the tracer and is gradually eliminated and, if necessary, metabolized.
Ein weiteres Kompartiment wird beispielsweise für das Modell benötigt, wenn der Tracer das Gefäßsystem aufgrund seiner physiologisch-chemischen Eigenschaften verlassen und extravasieren kann. Für alle Effekte oder physiologischen Funktionen, die zu einer zeitlichen Änderung des Strukturwertes in dem betrachteten Datensatz fuhren, ist ein Kompartiment in der Modellfunktion vorzusehen. Um das zeitliche Verhalten der Strukturwerte mit Hilfe des Modells bestmöglich nachzubilden, können verschiedene mathematische Verfahren angewendet werden. So kann eine Modellfunktion beispielsweise durch Lösung der für das Modell aufstellbaren Differentialgleichungen erhalten werden, wie es bei pharmakokinetischen Modellierungen durchgeführt wird. For example, another compartment is needed for the model if the tracer can leave and extravasate the vasculature due to its physiochemical properties. For all effects or physiological functions which lead to a temporal change of the structure value in the considered data set, a compartment in the model function is to be provided. In order to simulate the temporal behavior of the structure values with the help of the model in the best possible way, various mathematical methods can be used. For example, a model function can be obtained by solving the differential equations that can be established for the model, as is the case in pharmacokinetic modeling.
Die Modellfunktion kann aber auch durch Simulation der zeitlichen Entwicklung der betrachteten Strukturwerte über die Messzeit erhalten werden. Durch Variation der ModeUfunktionsparameter ist hierbei eine mathematische Anpassung der Modellfunktion an das zeitliche Verhalten der Strukturwerte möglich.  However, the model function can also be obtained by simulating the time evolution of the considered structure values over the measurement time. By varying the mode functional parameters, a mathematical adaptation of the model function to the temporal behavior of the structure values is possible.
Die Ermittlung einer Modellfunktion durch Anpassung an ein mathematisches Modell wird im erfmdungsgemfißen Verfahren vorzugsweise mit dem Simulationsansatz durchgeführt Das Ergebnis ist eine Modellfunktion, die das zeitliche Verhalten der Strukturwerte im mathematischen Sinne optimal wiedergibt Die Modellfunktion stellt optimierte Strukturwerte zu beliebigen Zeitpunkten innerhalb des Messintervalls bereit, da die Modellfunktion eine kontinuierliche Zeitkurve darstellt und nicht aus diskreten Werten besteht Weiterhin resultiert aus der genannten Verfahrensvariante für jeden Teilbereich des gescannten Körpers ein Datensatz von optimierten Parametern, der den Einftuss eines jeden Kompartiments auf den zeitlichen Verlauf des Strukturwertes angibt  The determination of a model function by adaptation to a mathematical model is preferably carried out in the inventive method using the simulation approach. The result is a model function that optimally reproduces the temporal behavior of the structure values in the mathematical sense. The model function provides optimized structure values at arbitrary times within the measurement interval the model function represents a continuous time curve and does not consist of discrete values. For each subarea of the scanned body, a set of optimized parameters, which indicates the influence of each compartment on the temporal course of the structure value, results from the named method variant
Damit ist es möglich, die Beitrage der einzelnen Kompartimente hervorzuheben, zu vennindern oder ganz wegzulassen. Thus, it is possible to highlight the contributions of the individual compartments, vennindern or omit altogether.
Dies kann dadurch erfolgen, dass bei der Berechnung des Datensatzes für einen beliebigen Zeitpunkt innerhalb der Messzeit nicht alle durch die Anpassungsrechung ermittelten optimierten Werte der Modellparameter verwendet werden. Durch Eingrenzung des Wertebereiches eines oder mehrerer Parameter kann gezielt der Beitrag eines oder mehrerer Kompartimente beeinflusst werden. This can be done by not using all the optimized values of the model parameters determined by the adaptation calculation in the calculation of the data set for any time within the measurement time. By limiting the value range of one or more parameters, the contribution of one or more compartments can be influenced in a targeted manner.
So kann beispielsweise bei einer kontrastmittelgestützten MR-Tomografie am Patienten die Kontrastierung des Gefäßsystems in dem ausgegebenen Datensatz nach Bedarf unterdrückt oder hervorgehoben werden. Das Ergebnis der Modellanpassung ist somit ein Datensatz mit optimierten Strukturwerten und ein Datensatz mit zugehörigen Modeüparametern, mit dem sich der optimierte Datensatz in verschiedenen für das Verständnis der Untersuchungsdaten nützlichen Varianten ausgeben lässt. Thus, for example, in contrast-enhanced MR tomography on the patient, the contrasting of the vascular system in the output data set can be suppressed or highlighted as required. The result of the model adaptation is thus a data set with optimized structure values and a data set with associated mode parameters, with which the optimized data record can be output in various variants useful for understanding the examination data.
Oben wurde der Einfachheit halber angenommen, dass sich der Körperbereich bei der Erzeugung des ersten, auf Messwerten beruhenden Datensatzes in Bezug zur Messvorrichtung nicht bewegt hat. Hat er sich hingegen bewegt, so sind zeitliche Änderungen der Strukturwerte nicht allein auf Änderungen des strukturellen oder funktionellen Zustands des betrachteten Körperbereichs zurückzufuhren sondern auch darauf, dass sich die betrachteten Teilbereiche im Lauf der Zeit gegenüber der Messvorrichtung verschieben. Wenn diese zeitlichen Änderungen des Strukturwertes nicht mit den Randbedingungen vereinbar sind, werden sie durch das beschriebene Verfahren reduziert oder eliminiert. Dies gilt insbesondere für Strukturwcrtänderungen, die durch Bewegungen verursacht werden, welche schneller sind, als die betrachteten zeitlichen Änderungen des Strukturwertes oder welche oszillatorischen Charakter haben, wie beispielsweise die Bewegung des Herzmuskels. For the sake of simplicity, it has been assumed above that the body region did not move in the generation of the first, measured value-based data record with respect to the measuring device. If, on the other hand, it has moved, temporal changes in the structural values are not attributable solely to changes in the structural or functional state of the body region under consideration, but also to the fact that the subareas considered shift over the measuring device over time. If these temporal changes of the structure value are not compatible with the boundary conditions, they are reduced or eliminated by the described method. This is especially true for structural changes caused by movements that are faster than the considered temporal changes of the structure value or which have oscillatory character, such as the movement of the heart muscle.
Da ungewollte Bewegungen des Körpers während des Scanvorgangs immer zu einer Verfälschung der Darstellung des gescannten Körpers führen können, ist es grundsatzlich von Vorteil, diese bereits im ersten, auf Messwerten beruhenden Datensatz erkennen zu können und zu reduzieren oder zu eliminieren. Weist der erste Datensatz jedoch einen zu großen räumlichen Rauschanteil auf, so kann eine Bewegungskorrektur auch auf Basis des optimierten Datensatzes durchgeführt werden, d.h. nach der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, sofern die Bewegung nicht schon durch das erfindungs gemäße Verfahren genügend reduziert ist. Since unwanted movements of the body during the scanning process can always lead to a falsification of the representation of the scanned body, it is fundamentally advantageous to be able to recognize them already in the first data set based on measured values and to reduce or eliminate them. However, if the first data set has too large a spatial noise component, then a motion correction can also be performed on the basis of the optimized data set, i. after carrying out the method according to the invention, unless the movement is already sufficiently reduced by the fiction, contemporary method.
In Schritt d) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Ausgabe eines optimierten Datensatzes. Der optimierte Datensatz repräsentiert einen Bereich im untersuchten Körper. Üblicherweise stimmt der Bereich in Schritt d) mit dem Bereich in Schritt a) überein. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Bereich in Schritt d) nur einen Teilbereich des Bereichs aus Schritt a) darstellt Es ist denkbar, dass im Rahmen oder im Anschluss der Berechnung der optimierten Strukturwerte in Schritt c) oder durch eine Bewegungskorrektur Teilbereiche verworfen worden sind. Dies gilt insbesondere für Randbereiche des Datensatzes, die aufgrund von Bewegung eventuell nicht in allen Messzeitintervallen räumlich übereinstimmen. In step d) of the method according to the invention, the output of an optimized data set takes place. The optimized data set represents an area in the examined body. Usually, the range in step d) coincides with the range in step a). However, it is also conceivable that the area in step d) represents only a partial area of the area from step a). It is conceivable that partial areas have been discarded in the course of or following the calculation of the optimized structural values in step c) or by a motion correction , This applies in particular to edge regions of the data set that may not spatially coincide due to motion in all measurement time intervals.
Der optimierte Datensatz basiert auf den optimierten Strukturwerten aus Schritt c). Daher kann Schritt d) nur im Anschluss an Schritt c) erfolgen. The optimized data set is based on the optimized structure values from step c). Therefore, step d) can take place only after step c).
Der optimierte Datersatz kann in Form einer oder mehrerer zwei- oder dreidimensionaler Darstellungen des Bereichs des Körpers auf einem Bildschirm oder als Ausdruck ausgegeben werden. Ebenso ist es denkbar, dass die Ausgabe auf einem Datenträger in Form von maschinenlesbaren Daten erfolgt. The optimized data set may be output in the form of one or more two- or three-dimensional representations of the area of the body on a screen or as an expression. Likewise, it is conceivable that the output takes place on a data carrier in the form of machine-readable data.
Der optimierte Datensatz, der mittels des erfindungs gemäßen Verfahrens erzeugt worden ist, ist ebenfalls ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichertem Programmcode zur Durchführung des erfindungs gemäßen Verfahrens auf einem Computer. The optimized data set which has been produced by means of the method according to the invention is likewise an object of the present invention. A further subject of the present invention is a computer program product with program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to the invention on a computer.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Optimierung aller bekannten 3D- Aufnahmen oder Tomografieaufnahmen, wie beispielsweise zur Optimierung von SPECT-, PET-, CT- oder MRT- Aufnahmen, oder Messdaten aus einem 3D- oder 4D-Ultraschall- Verfahren oder der optischen Tomografie (siehe einschlägige Literatur wie z.B.: Ashok Kliurana, Nirvikar Dahiya: 3D & 4D Vitrasound - A Text and Atlas, Jaypee Brothers Medical Pubiishers (P) Ltd., 2004; R. Weissleder et alz. Molecular Imaging - Principles and Practice, Peopie's Medical Publishing House, USA, 2010; G. B. Saha; Basics of PET Imaging, 2nd edition, Springer 2010; S. A. Jackson, R. M. Thomas; CT, MRT, Ultraschall auf einen Blick, Elsevier 2009; Olaf Dössel: Bildgebende Verfahren in der Medizin, Springer- Verlag Berlin Heidelberg New York, 2000). Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich überraschenderweise aus einer Sequenz von gemessenen Tomografie-Aufnahmen in der Regel deutlich rauschreduzierte Tomografie-Aufnahmen erzeugen, ohne dass die Kinetik der Messdaten verloren geht, wie beispielsweise bei der Erstellung der sogenannten MIP (Maximum Intensity Projection) oder der Mittelung über alle Einzelscans. Bewegungen, die während der Messzeit im gescannten Körper oder in Teilbereichen des gescannten Körpers vorkommen, werden durch das erfindungsgemäße Verfahren in vielen Fallen vermindert, was insbesondere bei stark verrauschten Datensätzen vorteilhaft ist Bildunschärfen, wie sie bei statischen Aufnahmen mit nur einem Datensatz pro Gesamtmesszeit unumgänglich sind, werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren reduziert und die räumliche Auflösung liegt näher an der physikalisch möglichen Auflösung des Scangerätes. The method according to the invention is suitable for optimizing all known 3D images or tomography images, for example for optimizing SPECT, PET, CT or MRT images, or measurement data from a 3D or 4D ultrasound method or optical tomography ( See relevant literature such as: Ashok Kliurana, Nirvikar Dahiya: 3D & 4D Vitrasound - A Text and Atlas, Jaypee Brothers Medical Pubiishers (P) Ltd., 2004, R. Weissleder et al., Molecular Imaging - Principles and Practice, Peopie's Medical Publishing House, USA, 2010; GB Saha; Basics of PET Imaging, 2nd Edition, Springer 2010; SA Jackson, RM Thomas; CT, MRI, Ultrasound at a Glance, Elsevier 2009; Olaf Dössel: Medical Imaging, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 2000). Surprisingly, with the aid of the method according to the invention, significantly reduced noise tomography images can be generated from a sequence of measured tomography images without the kinetics of the measurement data being lost, such as, for example, the so-called MIP (Maximum Intensity Projection) or Averaging over all individual scans. Movements which occur during the measuring time in the scanned body or in subregions of the scanned body are reduced by the method according to the invention in many cases, which is particularly advantageous in highly noisy data sets image blurring, as they are unavoidable in static recordings with only one record per total measurement time are reduced by the method according to the invention and the spatial resolution is closer to the physically possible resolution of the scanning device.
Es lassen sich je nach Bedarf Darstellungen eines Körperbereichs erzeugen, in denen morphologische und/oder physiologische Strukturen gezielt hervorgehoben oder unterdrückt sind. Dies erlaubt beispielsweise die Erstellung besserer Diagnosen.  Depending on requirements, it is possible to generate representations of a body region in which morphological and / or physiological structures are specifically emphasized or suppressed. This allows, for example, the creation of better diagnoses.
Die Erfindung wird in der Figurenbeschreibung (Fig. 1 bis 4) und anhand eines Beispiels näher erläutert ohne es hierauf zu beschränken. The invention is explained in more detail in the description of the figures (FIGS. 1 to 4) and by way of example without being limited thereto.
Beispiel example
Die nachfolgende Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für den Fall der abschnittsweisen Glättung geführt Es sei ein zeitlicher Verlauf eines Strukturwertes für einen diskreten räumlichen Teilbereich aus einem tomografi sehen PET-Datensatz gegeben, wie er in Figur la dargestellt ist  The following explanation of the method according to the invention is carried out for the case of the section-wise smoothing. Let a temporal course of a structure value for a discrete spatial subregion be given from a tomographic PET data set, as shown in FIG
Zu Beginn dieses Zeitverlaufs ist ein Signalabfall zu erkennen, wie er nach Applikation und Anflutung des Tracers in vivo zu erwarten ist Danach durchläuft die Kurve anscheinend noch ein Maximum, bevor sie zum Ende der Scanzeit auf einen niedrigen Wert abfällt. Allem Überlagert ist das für PET-Daten nicht untypische Rauschen aufgrund der Statistik der Zerfallsereignisse. At the beginning of this time course, a signal drop is to be recognized, as expected after application and flooding of the tracer in vivo. Thereafter, the curve apparently passes through a maximum before it drops to a low value at the end of the scan time. Superimposed on all that is not atypical for PET data is noise due to the statistics of the decay events.
Einen solchen Verlauf würde man für einen Thrombus-Tracer erwarten, der ein Hauptmaximum in der Datenkurve aufgrund der Anflutung und Auswaschung des Tracers nach Applikation und ein weiteres Maximum aufgrund einer möglichen Anreicherung des Tracers in oder an eventuell vorhandene Thromben im Gefäßraum haben könnte. Dementsprechend werden die Randbedingungen für diesen Fall mit einem Haupt- und einem Nebenmaximum in der Strukturwert-Zeit-Kurve gewählt Die Längen der Abschnitte, welche für die abschnittsweise Glättung benötigt werden, sind in Figur lb eingetragen. Sie lassen sich grob aus der Messkurve ablesen. Schnelle Änderung des Strukturwertes am Anfang der Kurve erfordern kurze Abschnitte, wohingegen lange Abschnitte für das sich über einen längeren Zeitraum erstreckende Nebenmaximum zu wählen sind. Bei Messungen, die in der Kombination Tracer oder Kontrastmittel und untersuchte Spezies nicht zum ersten Mal durchgeführt werden, sind die möglichen Änderungen des Strukturwertes und damit auch die Abschnittslängen bekannt und können dementsprechend ausgewählt werden. Für den Fall der Anpassung der Messdaten an ein pharmakologisches Modell gilt Analoges. Such a course would be expected for a thrombus tracer, which could have a major peak in the data curve due to the flooding and leaching of the tracer after application and another maximum due to possible accumulation of the tracer in or on any existing thrombi in the vascular space. Accordingly, the boundary conditions for this case are chosen with a major and a minor maximum in the structural value-time curve The lengths of the sections which are required for the section-wise smoothing are entered in FIG. 1b. They can be roughly read from the measurement curve. Rapid change of the structure value at the beginning of the curve requires short sections, whereas long sections have to be chosen for the secondary maximum extending over a longer period of time. For measurements that are not carried out for the first time in the combination tracer or contrast agent and species tested, the possible changes in the structure value and thus also the section lengths are known and can be selected accordingly. In the case of adaptation of the measured data to a pharmacological model, the same applies.
Als nächstes werden die in den verschiedenen zeitlichen Abschnitten liegenden Strukturwerte pro Abschnitt gemittelt und gemäß der gewählten Randbedingungen für ein Hauptmaximum und maximal ein Nebenmaximum, wenn nötig, in der Höhe des Wertes korrigiert In der vorliegenden Stnikturwertkurve ist aus diesem Grund der etwas höhere Mittelwert des vorletzten Abschnitts (Minute 44-52) auf den Mittelwert des drittletzten Abschnitts (Minute 36-44) herunterzukorrigieren, da es aufgrund der Randbedingungen außer dem deutlich größeren Nebenmaximum bei kleiner 20 Minuten kein weiteres Maximum in der Kurve geben darf. Next, the structure values per section located in the different temporal sections are averaged and corrected according to the selected boundary conditions for a main maximum and at most a secondary maximum, if necessary, in the amount of the value. In the present track curve, therefore, the slightly higher average of the penultimate Section (Minute 44-52) down to the mean of the third last section (minute 36-44) down, since there may be no further maximum in the curve due to the boundary conditions except the much larger secondary maximum at less than 20 minutes.
Zum Schluss wurde mathematisch eine Ausgleichskurve durch die errechneten Mittelwerte der Abschnitte gelegt (siehe Figur 1 c) und damit ein optimierter Datensatz erstellt Finally, mathematically, a compensation curve was laid through the calculated mean values of the sections (see FIG. 1 c), thus creating an optimized data record
In den Figuren 2 bis 4 ist beispielhaft ein Ausschnitt aus einem Messdatensatz in den anatomisch üblichen Ebenen dargestellt Figur 2 zeigt den Datensatz ohne Bearbeitung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Im Vergleich hierzu ist in Figur 3 die erfolgte Rauschminderung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren anhand leichter erkennbarer Strukturen und wesentlich weniger Einzelspots ersichtlich. In Figur 4 wird die in Figur 3 erkennbare Struktur bestätigt Durch die Mittelung über alle Messzeitintervalle lässt der in Figur 4 dargestellte Datensatz jedoch keine Rückschlüsse mehr auf die Kinetik der Tracerverteilung im Scankörper zu, im Gegensatz zum Datensatz aus Figur 3. Figurenbeschreibung FIGS. 2 to 4 show, by way of example, a section of a measurement data set in the anatomically customary planes. FIG. 2 shows the data set without processing using the method according to the invention. In comparison, the noise reduction with the method according to the invention can be seen in FIG. 3 on the basis of structures which can be easily recognized and substantially fewer individual spots. In FIG. 4, the structure recognizable in FIG. 3 is confirmed. By averaging over all measuring time intervals, however, the dataset illustrated in FIG. 4 does not allow any conclusions to be drawn about the kinetics of the tracer distribution in the scanbody, in contrast to the dataset from FIG. figure description
Figur 1: Darstellung eines beispielhaften zeitlichen Verlaufs der Tracerkonzentration wahrend eines in vivo PET-Scans in einem diskreten Teilbereich eines PET- Datensatzes Figure 1: Representation of an exemplary time course of the tracer concentration during an in vivo PET scan in a discrete portion of a PET data set
a) ohne Rauschmindcrung durch das erfindungsgemäße Verfahren, b) ohne Rauschminderung durch das erfindungsgemäß e Verfahren und mit zusätzlich eingezeichneten geeigneten Abschnitten für die Abschnittsmittelung nach Schritt c2) der abschnittsweisen Glättung (horizontale Balken) und c) nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.  a) without noise reduction by the method according to the invention, b) without noise reduction by the method according to the invention and with additionally indicated suitable sections for the section averaging after step c2) of the section-wise smoothing (horizontal bars) and c) after application of the method according to the invention.
Die Abschnittsbalken in Figur lb sind jeweils in der Höhe des aus der Abschnittsmittelung erhalten Wertes eingetragen. Der Start des PET-Scans sei direkt nach Applikation des Tracers erfolgt  The section bars in FIG. 1b are each entered at the level of the value obtained from the section average. The start of the PET scan was done immediately after application of the tracer
Figur 2: Darstellung der anatomischen Ansichten Figure 2: representation of the anatomical views
(a) transversal,  (a) transversal,
(b) coronal und  (b) coronal and
(c) sagittal  (c) sagittal
aus einem in vivo 3 D -PET- Scan.  from an in vivo 3 D PET scan.
Der Scan wurde an einem C nomolgus Affen nach Applikation eines Thrombus-Tracers aus der PET-Tracer-Forschung mit einem Kleintier-PET- Scanner aufgenommen. Dargestellt ist der Messdatensatz Nummer 28 von 60 nacheinander durchgeführten Scans ohne Rauschminderung durch das erfindungsgemäße Verfahren. Die Messdauer jedes Messdatensatzes beträgt 1 Minute. Die Messung aller Datensätze erfolgte nacheinander ohne Pause. Die Ebenen für die dargestellten Ansichten sind identisch mit denen aus Figur 3a-c und Figur 4a-c. Die in den Figuren erkennbaren Kreuze stellen die Cursorposition in dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt dar, mit welchem die Figuren erstellt wurden.  The scan was performed on a C nomolgus monkey after application of a thrombus tracer from PET tracer research with a small animal PET scanner. Shown is the measurement data record number 28 of 60 successive scans without noise reduction by the inventive method. The measurement duration of each measurement data set is 1 minute. The measurement of all data records took place one after the other without a break. The planes for the views shown are identical to those of Figure 3a-c and Figure 4a-c. The crosses recognizable in the figures represent the cursor position in the computer program product according to the invention with which the figures were created.
Figur 3: Darstellung der anatomischen Ansichten Figure 3: representation of the anatomical views
(a) transversal,  (a) transversal,
(b) coronal und  (b) coronal and
(c) sagittal aus einem in vivo 3D-PET-Scan. (c) sagittal from an in vivo 3D PET scan.
Der Scan wurde an einem Cynomolgus Affen nach Applikation eines Thrombus-Tracers aus der PET-Tracer-Forschung mit einem Kleintier-PET- Scanner aufgenommen. Dargestellt ist der Messdatensatz Nummer 28 von 60 nacheinander durchgeführten Scans nach Anwendung des erfindungs gemäßen Verfahrens. Die Messdauer jedes Messdatensatzes beträgt 1 Minute. Die Messung aller Datensätze erfolgte nacheinander ohne Pause. Die Ebenen für die dargestellten Ansichten sind identisch mit denen aus Figur 2a-c und Figur 4a-c. Die in den Figuren erkennbaren Kreuze stellen die Cursorposition in dem erfindungsgemäßen Computerprograrnmprodukt dar, mit welchem die Figuren erstellt wurden.  The scan was performed on a cynomolgus monkey after application of a thrombus tracer from PET tracer research with a small animal PET scanner. Shown is the measurement data set number 28 of 60 successive scans after application of the inventive method. The measurement duration of each measurement data set is 1 minute. The measurement of all data records took place one after the other without a break. The planes for the views shown are identical to those of Figure 2a-c and Figure 4a-c. The crosses recognizable in the figures represent the cursor position in the computer program product according to the invention with which the figures were created.
Darstellung der anatomischen Ansichten Illustration of anatomical views
(a) transversal,  (a) transversal,
(b) coronal und  (b) coronal and
(c) sagittal  (c) sagittal
aus einem in vivo 3D-PET-Scan. from an in vivo 3D PET scan.
Der Scan wurde an einem Cynomolgus Affen nach Applikation eines Thrombus-Tracers aus der PET-Tracer-Forschung mit einem Kleintier-PET- Scanner aufgenommen. Dargestellt ist die Mittelung aller 60 Einzeldatensätze, die während der Gesamtmesszeit gescannt wurden. Die Messdauer jedes Messdatensatzes beträgt 1 Minute. Die Messung aller Datensätze erfolgte nacheinander ohne Pause. Die Einzeldatensätze sind nicht mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet worden. Die Ebenen für die dargestellten Ansichten sind identisch mit denen aus Figur 2a-c und Figur 3a-c. Die in den Figuren erkennbaren Kreuze stellen die Cursorposition in dem erfindungsgemäßen Computeiprograinmprodukt dar, mit welchem die Figuren erstellt wurden.  The scan was performed on a cynomolgus monkey after application of a thrombus tracer from PET tracer research with a small animal PET scanner. Shown is the averaging of all 60 individual data sets that were scanned during the total measurement time. The measurement duration of each measurement data set is 1 minute. The measurement of all data records took place one after the other without a break. The individual data sets have not been processed by the method according to the invention. The planes for the views shown are identical to those of Figure 2a-c and Figure 3a-c. The crosses recognizable in the figures represent the cursor position in the Computeiprograinmprodukt invention, with which the figures were created.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Erzeugung optimierter Tomografie-Aufhahmen, mindestens umfassend die Schritte: A method of generating optimized tomography scans comprising at least the steps of:
a) Bereitstellen eines Datensatzes, der einen Bereich im Korper eines Patienten wahrend einer Messzeit repräsentiert, wobei die Repräsentation des Körperbereichs im Datensatz in eine Mehrzahl von diskreten Teilbereichen unterteilt ist, wobei die Messzeit im Datensatz in eine Mehrzahl von diskreten Messintervallen unterteilt ist, wobei jedem Teilbereich zu jedem Messintervall ein diskreter Strukturwert zugeordnet ist; b) Aufstellen von Randbedingungen über den zu erwartenden zeitlichen Verlauf einer Strukturgröße in dem Bereich des Körpers wahrend der Messzeit; c) Berechnen von optimierten Strukturwerten für jeden einzelnen Teilbereich auf Basis von Strukturwerten des einzelnen Teilbereichs zu zeitlich aufeinander folgenden Messintervallen unter Berücksichtigung der Randbedingungen; d) Ausgabe eines optimierten Datensatzes, der einen Bereich im Körper zu beliebig wählbaren Zeitpunkten wahrend der Messzeit repräsentiert und der auf den optimierten Strukturwerten basiert  a) providing a data set representing an area in the body of a patient during a measurement time, the representation of the body area in the data set being subdivided into a plurality of discrete subareas, wherein the measurement time in the data set is subdivided into a plurality of discrete measurement intervals, each one Subarea for each measurement interval a discrete structure value is assigned; b) Establishing constraints on the expected time course of a feature size in the region of the body during the measurement time; c) calculating optimized structure values for each individual subarea on the basis of structural values of the individual subarea at temporally successive measurement intervals taking into account the boundary conditions; d) Output of an optimized data set which represents an area in the body at arbitrary times during the measurement time and which is based on the optimized structure values
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Teilbereich in Schritt c) die folgenden Operationen durchgeführt werden: cl) Unterteilen der Messzeit in eine Mehrzahl von Abschnitten, wobei die einzelnen Abschnitte umso kürzer sind, je größer die Änderung der Strukturwerte in einem Bereich der Messzeit ist; c2) Mitteln der Strukturwerte für jeden Teilbereich innerhalb eines jeden Abschnitts; c3) Einpassen einer Ausgleichskurve in die gemittelten Strukturwerte, wobei die Ausgleichskurve optimierte Strukturwerte liefert Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grüße eines jeden Abschnitts in Schritt cl) umgekehrt proportional zum Betrag der ersten Ableitung der2. The method according to claim 1, characterized in that the following operations are carried out for each subarea in step c): cl) subdividing the measuring time into a plurality of sections, wherein the individual sections are shorter, the greater the change in the structural values in a range of measuring time; c2) averaging the structure values for each subarea within each section; c3) fitting a compensation curve into the averaged structure values, wherein the compensation curve yields optimized structure values. Method according to claim 2, characterized in that the greetings of each section in step cl) are inversely proportional to the amount of the first derivative of the
Strukturwerte nach der Zeit ist Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte in Schritt cl) so gestaltet sind, dass sich jeweils zwei zeitlich aufeinander folgende Abschnitte in ihren Randbereichen Überlappen. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die folgenden Operationen durchgeftlhrt werden: cl) Bereitstellen eines mathematischen Modells, das das zeitliche Verhalten desStructure values after the time is method according to claim 2 or 3, characterized in that the sections in step cl) are designed so that in each case two temporally successive sections overlap in their edge regions. A method according to claim 1, characterized in that in step c) the following operations are performed: c1) providing a mathematical model which determines the temporal behavior of the
Strukturwertes in den Bereichen des Körpers beschreibt; c2) für jeden Teilbereich: Anpassen mindestens eines Parameters des Modells an die gemessenen Strukturwerte und Ermitteln einer ModeUfunktion, die den zeitlichen Verlauf der gemessenen Strukturwerte als Ergebnis eines mathematischen Optimierungsverfahrens optimal wiedergibt, wobei die Modellfunktion optimierte Strukturwerte liefert und wobei durch das Optimierungsverfahren auch optimierte Modellparameter gewonnen werden; Verfahren nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, dass das mathematische Modell ein pharmakokinetisches Ein- oder Mehr-Kompartimenten-Modell ist Verfahren nach einem der Ansprache 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Datensatz aus Messungen resultiert, die an einem lebenden Organismus vorgenommen wurden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Datensatz aus Messungen resultiert, die an einem nicht lebenden Objekt vorgenommen wurden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Datensatz um SPECT-, PET-, CT-, MRT-Aumahmen, oder einen Messdatensatz aus einem 3D- oder 4D-Ultraschall- Verfahren oder der optischen Tomografie handelt Describes structure value in the areas of the body; c2) for each subarea: adapting at least one parameter of the model to the measured structure values and determining a mode function that optimally reproduces the temporal course of the measured structure values as a result of a mathematical optimization method, wherein the model function supplies optimized structure values and wherein the optimization method also optimizes model parameters be won; A method according to claim S, characterized in that the mathematical model is a single or multi-compartment pharmacokinetic model. Method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the first data set results from measurements made on a living organism , Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the first data set results from measurements made on a non-living object. Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that it is the first record to SPECT, PET, CT, MRI Aumahmen, or a measurement data set from a 3D or 4D ultrasound method or the optical tomography These
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem optimierten Datensatz Strukturwerte auf Basis der Randbedingungen gezielt verändert werden, um morphologische und oder physiologische Strukturen hervorzuheben oder zu unterdrücken. Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that structure values are selectively changed in the optimized data set on the basis of the boundary conditions in order to highlight or suppress morphological and or physiological structures.
Optimierter Datensatz, erzeugt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10. Optimized data set generated by a method according to one of claims 1 to 10.
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Ausführung Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auf einem Computersystem. A computer program product having program code means for execution. Method according to one of claims 1 to 10 on a computer system.
EP12784529.5A 2011-10-25 2012-10-24 Method for producing optimised tomography images Withdrawn EP2770911A1 (en)

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