NL8901322A

NL8901322A - Roentgenbeeldsynchronisatiemethode.

Info

Publication number: NL8901322A
Application number: NL8901322A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1989-05-26
Filing date: 1989-05-26
Publication date: 1990-12-17
Also published as: EP0399606B1; JPH0382000A; DE69013571T2; DE69013571D1; JP3105520B2; EP0399606A1; US5040201A

Description

De uitvinding heeft betrekking op een röntgenbeeldsynchronisatiemethode voor het maken van in de tijd opeenvolgende röntgenbeelden van een periodiek bewegend object, waarbij het object wordt doorstraald met. een door een röntgenbron uitgezonden röntgenbundel,, waarbij door een opneeminrichting een bewegingsperiode van het object wordt gemeten en opneempulsen aan een synchronisatie-inrichting worden afgegeven, door welke synchronisatie-inrichting de röntgenbron wordt geactiveerd en gedeactiveerd.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een inrichting voorzien van een röntgenbron, een opneeminrichting en een synchronisatie inrichting, geschikt voor toepassing van de röntgenbeeidsynchronisatiemethode. Een dergelijke röntgenbeeldsynchronisatiemethode en een dergelijke inrichting zijn bekend uit de brochure "Philips Medical Systems", 4522 984 09241/744; DVI-V, januari 1985.

Bij het maken van een röntgenbeeld van een object, in bijvoorbeeld een menselijk lichaaam, zoals bijvoorbeeld een hart of bloedvaten,, wordt. de. röntgenbundel door het. object en de omgeving rondom het object verzwakt. In een menselijk lichaam bestaan het af te beelden object en de. omgeving grotendeels uit. water, waardoor de röntgenbundel door het object en de omgeving nagenoeg evenveel wordt verzwakt. Dit resulteert in een afbeelding van het object met een laag contrast.. Door het. weer te geven object te vullen met een relatief sterk röntgenstraling absorberend contrastmiddel, zoals jodium, en een opname van het met contrastmiddel gevulde object af te trekken van een opname van het. object zonder contrastmiddel, een zogenaamde achtergrondopnarae, wordt een contrastversterking bewerkstelligd. Indien de opname van het. met contrastmiddel gevulde object door beweging van het object is verschoven ten opzichte van de achtergrondopname, ontstaan hierdoor in het contrastversterkte beeld artefakten. Met name bij het maken van een serie opeenvolgende röntgenbeelden, die alvorens op een televisiemonitor te worden weergegeven, ten behoeve van ruisintegratie worden gesommeerd, of die een contrastmiddelstroom door het af te beelden object volgen, zal de techniek van contrastversterking door het aftrekken van een achtergrondopname door de beweging van het object sterk worden benadeeld. Bij het afbeelden van in de buurt van een hart gelegen vaten, treden door de hartbeweging bovengenoemde problemen op. Door het roeten van een bewegingsritme van een object met de opneeminrichting, bijvoorbeeld het maken van een elektro cardiogram, kan doorlichting worden gesynchroniseerd met het bewegingsritme. Dit gebeurt bijvoorbeeld in het Philips DVI-V systeem. Door de doorlichting te laten plaatsvinden na een voorbepaalde tijdvertraging ten opzichte van een door de opneeminrichting afgegeven opneempuls, zijn de röntgenbeelden in fase, en dekkend met de achtergrondopname. Hierbij is een optredend nadeel, dat bij veranderingen van het bewegingsritme van het af te beelden object, die bijvoorbeeld kunnen worden veroorzaakt door het contrastmiddel, de röntgenbeelden het object op verschillende posities weergeven, zodat ook bij deze röntgenbeeldsynchronisatiemethode artefakten zullen optreden.

De uitvinding heeft onder meer ten doel te voorzien in een röntgenbeeldsynchronisatiemethode waarbij het optreden van bewegingsartefakten wordt verminderd.

Hiertoe heeft een röntgenbeeldsynchronisatiemethode volgens de uitvinding tot kenmerk, dat in de synchronisatie-inrichting met rekenmiddelen uit de opneempulsen een tijdstip van een eerstvolgende toekomstige opneempuls wordt berekend.

Door uit de gemeten opneempulsen het tijdstip van de eerstvolgende opneempuls te bereken, kan de doorlichting op een in tijd constant moment tussen twee opeenvolgende opneempulsen, dus op een constante objectpositie, plaatsvinden. Veranderingen in het bewegingsritme worden door de berekening gedetekteerd en de synchronisatie van de röntgenbron wordt aan het veranderde bewegingsritme aangepast. Naarmate bij de berekening de invloed, van in tijd verder weg gelegen gemeten opneempulsen sterker of zwakker is, reageert de synchronisatie langzamer of sneller op ritmeveranderingen. Indien de objectbeweging naast systematische versnellingen en vertragingen ook stochastische bewegingen vertoont, zoals bijvoorbeeld extra systoles of premature ventriculaire contracties van een hart, volgen de opneempulsen elkaar niet op exact voorspelbare momenten op.

Voor een nauwkeurige berekening van de eerstvolgende opneempuls door combinatie van de gemeten opneempulsen, is het van belang dat een juiste weging van de voorafgaande pulsen plaats vindt, zodat niet elke fluctuatie leidt tot een verandering in de synchronisatie, zonder dat hierbij de synchronisatie ongevoelig wordt voor systematische ritmeveranderingen. indien van het stochastisch proces dat de Objectbeweging beschrijft karakteriserende parameters het gemiddelde bewegingsritme en de variantie zijn, kan een nauwkeurige voorspelling van de eerstvolgende opneempuls plaats vinden wanneer het gemiddelde en de variantie bekend zijn. Veelal is er voor een uitgebreide statistische analyse van de objectbeweging geen tijd en moet vanwege contrastmiddelverplaatsing snel een aantal röntgenbeelden worden gemaakt. De berekening dient binnen een gemiddelde periode van de opneempulsen een waarde voor het tijdstip van de eerstvolgende toekomstige opneempuls te genereren en dient derhalve weinig rekentijd te vergen. Een berekening van de eerstvolgende toekomstige opneempuls dient verder, ter bevordering van vereenvoudiging van het maken van de röntgenbeelden, geheel automatisch te zijn.

Een voorkeursuitvoering van een röntgenbeeldsynchronisatiemethode volgens de uitvinding heeft tot kenmerk, dat bij het berekenen van de eerstvolgende toekomstige opneempuls een recursieve kalman filtermethode wordt toegepast.

Door de toepassing van een kalman filtermethode wordt’ een recursieve beschrijving van het bewegingsritme gegeven, welke beschrijving zich aan veranderingen van dit stochastisch proces aanpast. Niet-systemat.ische variaties van het bewegingsritme worden met deze berekeningswijze adequaat onderscheiden van systematische variaties. Dit is vooral van voordeel bij cardiologisch angiografisch onderzoek,

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan.de hand van bijgevoegde tekening. In de tekening toont: figuur 1 een schematische weergave van een inrichting geschikt voor toepassing van de röntgenbeeldsynchrcinisatiemethode, figuur 2a tot en met 2f reeksen opneempulsen met bijbehorende synchronisatiepulsen en figuur 3 een stroomdiagram van een berekeningswijze van de eerstvolgende toekomstige opneempuls volgens de kalman filtermethode.

Figuur 1 toont een röntgenbron 1 die een object 3, dat een detail 4 omvat, doorstraalt met een röntgenbundel 5, Met een röntgendetektor 7, in dit geval een röntgenbeeldversterkerbuis, wordt een beelddragende röntgenbundel 6 omgezet in een lichtbeeld, dat op een uitgangsscherm van de röntgenbeeldversterkerbuis verschijnt en met een televisie opneembuis 9 wordt omgezet in een elektrisch signaal. Dit signaal wordt toegevoerd aan een analoog-digitaal convertor 11 en wordt vervolgens toegevoerd aan één der geheugens 12 of 13. Tn bijvoorbeeld geheugen 12 wordt een opname van het object 3 met een met contrastmiddel gevuld detail 4 opgeslagen en in geheugen 13 wordt een achtergrond opname van het object 3 opgeslagen. Na logaritmering van de signalen in de in de geheugens 12 en 13, worden de digitale beelden in de geheugens van elkaar afgetrokken in een aftrekinrichting 15, waardoor een contrastversterkt beeld van het detail 4 wordt verkregen. Dit beeld wordt na digitaal-analoog conversie met een digitaal-analoog convertor 16 weergegeven op een monitor 17. De in de geheugens 12 en 13 opgeslagen digitale röntgenbeelden kunnen worden opgeslagen in een achtergrondgeheugen 19, waaruit eveneens digitale beelden aan de geheugens 12 en 13 kunnen worden toegevoerd. Om een bewegingsritme van het object 3 te bepalen, is een opneeminrichting 20 met het object 4 verbonden, welke opneeminrichting op tijdstippen waarop het object 4 een voorbepaalde positie inneemt, een pulsvorraig signaal aan een synchronisatie-inrichting 22 toevoert. De synchronisatie-inrichting 22 berekent uit de opneempulsen het tijdstip van de eerstvolgende opneempuls, en detecteert systematische ritmeveranderingen van het object 4. De synchronisatie-inrichting 22 aktiveert de röntgenbron 1 synchroon met een frameperiode, bijvoorbeeld 40 ms, van een televisiemonitor 23, waarop een real time beeld van het object wordt weergegeven.

Figuur 2a toont een reeks opneempulsen t^-tg die elkaar met een interval T opvolgen, waarbij na tijdstip f3 een systematische ritmeverandering optreedt. Synchronisatie van de röntgenbron door de synchronisatie-inrichting op tijdstippen X.J-X4, die ten opzichte van de opneempulsen een voorbepaalde tijd vertraagd zijn, vindt, op tijdstippen vóór de ritmeverandering plaats op een fraktie van T die verschilt van de fraktie van T na de ritmeverandering. Door het toekomstig interval T te berekenen en door de synchronisatie op een voorbepaalde fraktie van T na de laatste opneempuls te laten plaatsvinden wordt, het hier geïllustreerde probleem vermeden. Figuur 2b toont een stochastische ritmevariatie die bij hartritmes voor komt, de extra systole. Hierbij treedt een extra hartcontractie op, tussen twee elkaar met interval T opeenvolgende hartslagen. Synchronisatie na een, ten opzichte van de laatste opneempuls, voorbepaalde tijdvertraging, leidt tot een in fase afwijkende doorlichting op momenten x2 en x-j. Figuur 2c toont dat, indien de fluctuatie geen invloed heeft op de berekende eerstvolgende toekomstige opneempuls, alleen op moment x2 een in fase afwijkende doorlichting plaatsvindt. Door het herkennen van opneempuls t.3 als stochastische fluctuatie, kan op grond hiervan de synchronisatie op tijdstip x2 worden onderdrukt. Een verdere fluctuatie die in een hartritme voorkomt, .is een zogenaamde premature ventriculaire contractie, waarbij één opneempuls vevroegd optreedt, en waarbij de daaropvolgende opneempuls op het verwachte moment optreedt. Hierbij treden bij de bekende synchronisatiemethode op momenten x^ en x2 in fase afwijkende doorlichtingen op, terwijl bij de synchronisatie volgens de uitvinding alleen op tijdstip x^ een in fase afwijkende doorlichting plaats vindt. Synchronisatie op tijdstip x2 kan na herkennen van opneempuls t2 als stochastische fluktuatie, worden onderdrukt..

Figuur 3 toont een stroomschema voor de kalman filtemethode. Om het probleem van het voorspellen van het bewegingsritme van het af te beelden object wiskundig te omschrijven, wordt het bewegingsritme voorgesteld als een stochastisch proces waarvan een drie dimensionale vektor x(t) de voor het proces relevante parameters omvat. Gebleken is dat. xi (tn) = tn, x2(tn} = Wi en X3(V = V2tn-1+tn-2 het proces voldoende karakteriseren. Het proces wordt voorgesteld door de relatie: x (k+1) = A x (k) + w (k) (1)

Hierin zijn onderlijnde grootheden kolomvektoren, en duidt een hóófdletter een matrix aan. w (k) wordt voorgesteld als een stochastisc wit proces, met een gemiddelde nul: E [ w (k)< w T(l)·]. (?)

Hierin is E de. verwachtings operator en w (k)T is de getransponeerde vektor van kolomvektor w (k).

Het autoregressieve proces van. de eerste orde, zoals beschreven in formule 1, wordt geobserveerd als een serie discrete metingen z (k), de opneempulsen, die aan het systeem gerelateerd zijn door: y(k) =C 2 (k) + v (k) (3)

Hierin is C = (1,0,0) en v (k) is een wit ruisproces dat de meetwaarden verstoort, met gemiddelde nul en met covariantiematrix: E[ v (k). v (1)] = R{k)5kl (4)

Voorts zijn w (k) en v (k) ongecorreleerd. Het probleem dat moet worden opgelost is dat uit de waargenomen opneempulsen y(0)...y(k) het bewegingsritme x (k+1) moet worden berekend. Deze schatter wordt aangeduid met x (k+1|k), waarbij x (k+1|k) = E[ x (k+1 -I z (k) ], het voorwaardelijke gemiddelde van x (k+1) bij gegeven y (k). Daar x (k) en y (k) gezamelijk Gaussisch zijn verdeeld, wordt de statistiek van het bewegingsritme volledig beschreven door het voorwaardelijk gemiddelde en de variantie van deze verdeling. De gezamelijke voorwaardelijke waarschijnlijkheidsverdeling wordt op recursieve wijze door de kalman filtermethode gegeven. De kalman filtermethode minimaliseert de gemiddelde gekwadrateerde fout in de voorspelde eerstvolgende opneempuls, E[(tn+j-tn)^]. Voor x (k+1Jk) geeft de kalman filtermethode: t (k+1|k) = A x(k|k-1)+G(k)[ y (k)-C i(k|k-l) (5)

Of: x (k+1[k)=A x (k|k) (5b)

Hierin is G(k) de voorspellingsversterkingsmatrix. G(k) is gegeven door: G(k) = AP(k|k~1)CT[CP(kjk-1)CT+R(k)r1 (6)

De kalman versterkingsmatrix K(k) wordt gedefinieerd als: AK(k) = G(k) (6b) P(k+1|k) is de voorspelde gemiddeld gekwadrateerde foutmatrix: P(k+1|k) = (A-G(k)C)P(k|k-1)AT+Q(k) (7)

De gemiddeld gekwadrateerde foutmatrix P(k|k) is: P(k|k) = E[( x(k)- x (k))( x(k)~ x (kj)T] (8)

Voor de hierboven beschreven toepassing geldt:

Aangenomen wordt dat:

Als initialisatie geldt: *1(3) = t3, x2(3) = t3-t2 en X3O) = ΐ3-2ΐ2+1.ι

Voor P(313) geldt, als initialisatie:

Met (5) volgt voor de voorspelde waarde van x: x (41 3) = A x. (3 l 3) = 3(t3~t2)+t.j en met (7) volgt voor de voorspelde waarde van P: P(41 3) = AP(3 13).AT+Q'(k)

Op het volgende tij stip is een correctie nodig: x (4|4) = x (4|3)+K(k)( z (4)—C x(4|3) (9) met K de kalman versterkingsmatrix: K(k) = P(4|3)CT(C.P(4|3)CT+0,5)_1 (10) P(4|4) is gegeven door: P(4l4) = P(4|3)-KCP(4|3) (11)

Na uitwerking van 9, 10 en 11 kan met behulp van 5 x(5|4) worden berekend enzovoorts.

Claims

1. Röntgenbeeldsynchronisatiemethode voor het maken van in de tijd opeenvolgende röntgenbeelden van een periodiek bewegend object, waarbij het object wordt doorstraald met een door een röntgenbron uitgezonden röntgenbundel, waarbij door een opneeminrichting een bewegingsperiode van het object wordt gemeten en opneempulsen aan een synchronisatie-inrichting worden afgegeven, door welke synchronisatie-inrichting de röntgenbron wordt geaktiveerd en gedeaktiveerd, met het kenmerk, dat in de synchronisatie-inrichting met rekenmiddelen uit de opneempulsen een tijdstip van een eerstvolgende toekomstige opneempuls wordt berekend.

2. Röntgenbeeldsynchronisatiemethode volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat bij het berekenen van de eerstvolgende toekomstige opneempuls een recursieve kalman filtermethode wordt toegepast.

3. Röntgenbeeldsynchronisatiemethode volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat een objectpositie als functie van de tijd wordt beschreven door een drie dimensionale vektor waarvan elementen worden berekend uit drie opeenvolgende opneempulsen tn, tn_^ en tn_2 waarbij een eerste element, gelijk is aan t , een tweede element gelijk is aan tn-t.n_^, en een derde element gelijk is aan *V^n-l+*n-2'

4. Inrichting voorzien van een röntgenbron, een opneeminrichting en een synchronisatie-inrichting, geschikt voor toepassing in een röntgenbeeldsynchronisatiemethode volgens één der voorgaande conclusies.