WO2001095615A1 - Verfahren zur kombinierten darstellung der morphologie und dynamik bei schnittbild- und volumenbildverfahren - Google Patents

Verfahren zur kombinierten darstellung der morphologie und dynamik bei schnittbild- und volumenbildverfahren Download PDF

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    • H04N5/30—Transforming light or analogous information into electric information
    • H04N5/32—Transforming X-rays
    • H04N5/3205—Transforming X-rays using subtraction imaging techniques

Definitions

  • the invention relates to a method for the combined representation of morphology and dynamics in slice image and nolumen image methods.
  • One possible area of application is computer tomography (CT), where the dynamics can be a contrast agent behavior.
  • CT computer tomography
  • the invention can be used both for tissue characteristics and for the detection of tissue disorders, for example in the liver.
  • a cross-sectional imaging method is an imaging method in which the object to be examined is broken down into slices of finite thickness, which in reality correspond to a specific imaging property (e.g. X-ray absorption or the like). The panes can but do not have to lie against each other without gaps.
  • a volume method is a method in which each finite partial volume of a defined size of an examined object corresponds or can be assigned to a defined partial volume of the recorded data set.
  • the volume data record can be displayed in slices, analogous to a sectional image method, or else as a three-dimensional volume (volume reconstruction).
  • anatomical information is used for diagnosis, but also often information from the dynamics, be it movement of the organ or parts of the organ, e.g. heart (Kachelriess M, Ulzheimer S, Calendar WA. ECG-correlated image reconstruction from subsecond multi-slice spiral CT scans of the heart.Med Phys 2000; 27: 1881-902.) or changes in the contrast medium distribution over a period of time.
  • Conclusions about the type of tissue can be drawn from the changes in the organ (dynamics); Many pathologies can only be identified by analyzing the dynamics (Momeburg, H .: Imaging systems for medical diagnostics. Publicis MCD Verlag, 1995, 275-292).
  • contrast medium is usually injected into the vascular system during image acquisition, which is distributed in a typical time course in the organ systems.
  • the current practice currently consists in taking several recordings or series of recordings of the corresponding organ system (e.g. of the liver, Foley WD, Mallisee TA, Hohenwalter MD, Wilson CR, Quiroz FA, Taylor AJ. Multiphase hepatic CT with a multirow detector CT scanner. AJR Am J Roentgenol 2000; 175: 679-85) and the dynamics, eg the contrast agent behavior, to be determined by comparing the images or series of images.
  • This so-called bi- or multiphase examination (recording at two or more points in time after contrast agent administration, so-called phases) has the disadvantage that the radiation exposure increases with each phase, often even linearly with the number of series.
  • a diagnostic image of a sectional or volume image procedure is composed on the one hand of the information from the anatomy, and on the other hand from the information from the dynamics, which, however, cannot be separated from one another in a single series (recording at a defined, finite point in time or time range) .
  • the morphology is unnecessarily recorded twice, although this does not change in the enclosed period.
  • the dose radiation exposure for the patient increases.
  • the object of the invention is to reduce the radiation exposure in an exposure sequence in an imaging method based on X-radiation and to eliminate the disadvantages of current practice.
  • the object was achieved in that a combined representation of the morphology and dynamics is provided by taking at least two images, image series or volume representations of correspondingly different phases of the corresponding tissue, preferably with half or the number of series of fractionated radiation doses.
  • the images, image series or volume representations are then added in anatomical agreement (if necessary, calculation steps are required, so-called anatomical registrations) according to a calculation rule, for example linear, logarithmic or similar.
  • a calculation rule for example linear, logarithmic or similar.
  • the difference between the images, image series or volume representations is calculated and, according to a calculation rule, for example linear, logarithmic or similar color-coded the changes in such a way that the entire visible color spectrum (blue to red) can be used. have increased, are encoded in one direction of the color spectrum, for example blue, parts of the picture which have lost intensity over time are encoded in the other direction of the color spectrum, for example red.
  • the coding takes place according to a calculation rule, for example according to a "look-up table".
  • the addition image and that The difference image is superimposed in one calculation step, for example in a variable percentage or logarithmically, so that - in the case of computer tomography without increasing the patient dose - not only morphology but also dynamics are contained in one image.
  • the advantage of the method is that the tissue characteristics in an image or image series or volume reconstruction can be assessed not only by their morphological properties, but also by their dynamics.
  • the method according to the invention is suitable according to the same principle for all sectional image and volume imaging methods, e.g. Ultrasound, magnetic resonance imaging, emission tomography, and computed tomography or array CT, which collect data over several points in time or over a period of time.
  • Typical areas of application can be examinations of the soft tissues, all internal organs, the lungs, the heart or the head.
  • the term "dynamics" is understood not only to mean movements or contrast medium behavior, but also all changes such as changes in magnetic field, activity, absorption or echogenicity, which can be measured with an examination method.
  • the essence of the invention consists of a combination of known - sectional or volume image recordings - and new elements - fractionated radiation dose, addition and difference formation according to the calculation rule, superimposition of the resulting images, image series or volume reconstructions according to the calculation rule in color coding - which influence each other and in their new overall effect result in an advantage in use and the desired success, which lies in the fact that dynamic images of tissues in images, image series or volume reconstructions are possible in the case of application of computed tomography without increasing the radiation exposure.
  • the dynamics have thus been encoded into the morphology picture.
  • the diagnostic advantage of the method according to the invention is that in an image, an image series or a volume reconstruction, the tissue characteristics are not only assessed by their morphological properties, but also by their dynamics.
  • the published patent application DE 3620261 AI describes a method for superimposing different images, but with fundamental differences from the solution according to the invention: the acute image described in the document does not consist of the arithmetically weighted addition of two or more individual images, and the weighted difference image is colored, but coded in monochrome.
  • the difference image is not - as proposed in the invention - encoded in such a way that image areas that have lost intensity over time in one direction of the color spectrum and image areas that have gained intensity over time in the other direction of the color spectrum, or also according to the regulation (look-up table).
  • the actual coding of the change in intensity of the actual diagnostic gain namely the visualization of the dynamic.
  • Example 1 The invention in Example 1 will be explained with reference to the figures.
  • Example 1 Two perfusion phases of the liver are taken after intravenous contrast medium administration with half the radiation dose. These half-dose images contain a correspondingly higher signal noise because of the lower dose. By adding the two phase images, the noise drops to the level of a standard dose image. The summation image has the image quality like the image of a single phase with a full dose (FIG. 1). You get a statement about the morphology.
  • FIGS. 5 and 6 show typical examination protocols of organs or of tissue (example neck and liver in computer tomography).
  • FIGS. 7 to 9 show the method according to the invention using an organ.
  • Figure 10 shows an image on the left according to the conventional method. Only the morphology can be seen.
  • the image on the right - taken using the method according to the invention - also contains the dynamics (here the contrast medium dynamics) which can be recognized by the - different colors, here with different intensities for printing reasons.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kombinierten Darstellung der Morphologie und Dynamik bei Schnittbild- oder Volumenbildverfahren. Das Verfahren besteht aus der Aufnahme mindestens zweier Bilder, Bildserien oder Volumenrekonstruktionen, aus deren Addition nach Rechenvorschrift und Differenzbildung nach Rechenvorschrift, wobei die Unterschiede im Differenzbild farbcodiert werden können, und aus der variablen Überlagerung nach Rechenvorschrift von Additions- und Differenzbild. Bei der Aufnahme mehrer Bilder, Bildserien oder Volumenredkonstruktionen kann im Falle der Anwendung einer mit ionisierender Strahlung einhergehender Untersuchungsmethode mit entsprechend fraktionierter Strahlendosis gearbeitet und damit die Patientendosis gesenkt werden.

Description

Verfahren zur kombinierten Darstellung der Morphologie und Dynamik bei Schnittbild- und Volumenbildverfahren
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kombinierten Darstellung von Morphologie und Dynamik bei Schnittbild- und Nolumenbildverfahren. Ein mögliches Anwendungsgebiet ist die Computertomographie (CT), wobei die Dynamik ein Kontrastmittelverhalten sein kann. Die Erfindung kann sowohl zur Gewebecharakteristik als auch zur Detektion von Gewebestörungen, zum Beispiel in der Leber, dienen.
Ein Schnittbildverfahren ist ein Abbildungsverfahren, bei dem das zu untersuchende Objekt in Scheiben einer endlichen Dicke zerlegt wird, die in der Realität mit Bezug auf eine bestimmte Abbildungseigenschaft (z.B. Röntgenabsorption oder ähnliches) entsprechen. Die Scheiben können, müssen aber nicht lückenfrei aneinanderliegen. Ein Nolumenverfahren ist hingegen ein Verfahren, bei dem jedes endliche Teilvolumen einer definierten Größe eines untersuchten Objektes einem definierten Teilvolumen des aufgenommenen Datensatzes entspricht oder zugeordnet werden kann. Die Darstellung des Volumendatensatzes kann in Scheiben, analog zu einem Schnittbildverfahren, oder aber auch als dreidimensionales Volumen (Volumenrekonstruktion) erfolgen.
In der Bildgebung lebender Organe oder Organabschnitte werden nicht nur anatomische Informationen zur Diagnosefmdung verwendet, sondern häufig auch Informationen aus der Dynamik, sei es Bewegung des Organs oder Teile des Organs, z.B. Herz (Kachelriess M, Ulzheimer S, Kalender WA. ECG-correlated image reconstruction from subsecond multi-slice spiral CT scans of the heart. Med Phys 2000; 27:1881-902.) oder auch Veränderungen der Kontrastmittelverteilung in einen Zeitspanne. Aus den Veränderungen des Organs (Dynamik) können Rückschlüsse über die Gewebeart gezogen werden; viele Pathologien sind auch erst durch die Analyse der Dynamik erkennbar (Momeburg, H.: Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik. Publicis MCD Verlag, 1995, 275-292). Im Anwendungsbeispiel der Computertomographie wird üblicherweise Kontrastmittel während der Bildaufnahme in das Gefäßsystem gespritzt, welches sich in einem typischen zeitlichen Verlauf in den Organsystemen verteilt. Die gängige Praxis besteht derzeit darin, mehrere Aufnahmen oder Aufnahmeserien von dem entsprechenden Organsystem anzufertigen (z.B. von der Leber, Foley WD, Mallisee TA, Hohenwalter MD, Wilson CR, Quiroz FA, Taylor AJ. Multiphase hepatic CT with a multirow detector CT Scanner. AJR Am J Roentgenol 2000; 175:679-85) und die Dynamik, z.B. das Kontrastmittelverhalten, durch Vergleich der Bilder oder Bilderserien zu bestimmen. Diese sogenannte bi- oder multiphasische Untersuchung (Aufnahme zu zwei oder mehreren Zeitpunkten nach Kontrastmittelgabe, sog. Phasen) hat den Nachteil, dass mit jeder Phase die Strahlenexposition steigt, häufig sogar linear mit der Anzahl der Serien.
Ein diagnostisches Bild eines Schnitt- oder Volumenbildverfahrens setzt sich zum einen aus der Information der Anatomie, zum anderen aber aus der Information aus der Dynamik zusammen, die jedoch bei einer einzelnen Serie (Aufnahme zu einem definierten, endlichen Zeitpunkt oder Zeitbereich) nicht voneinander trennbar sind. Bei einer biphasischen (zweizeitigen) Untersuchung, durchgeführt mit dem Ziel, die Dynamik des Organsystems (z.B. Bewegung, Kontrastmittelverteilung) zu erkennen, wird also die Morphologie unnötigerweise zweimal erfasst, obwohl sich diese im eingefassten Zeitraum nicht ändert. Im Anwendungsbeispiel der Computertomographie steigt somit die Dosis (Strahlenexposition) für den Patienten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem auf Röntgenstrahlung basierenden Bildgebungsverfahren die Strahlenbelastung bei einer Aufnahmefolge zu verringern und die Nachteile der gängigen Praxis zu beseitigen. Die Aufgabe wurde dadurch gelöst, dass eine kombinierte Darstellung der Morphologie und Dynamik bereitgestellt wird, indem mindestens zwei Bilder, Bildserien oder Volumendarstellungen von entsprechend unterschiedlichen Phasen des entsprechenden Gewebes, vorzugsweise mit halber oder entsprechend der Anzahl der Serien fraktionierter Strahlendosis, aufgenommen werden. Anschließend werden die Bilder, Bildserien oder Volumendarstellungen in anatomischer Übereinstimmung (ggf. sind dafür Rechenschritte erforderlich, sogenannte anatomische Registrierungen) nach einer Rechenvorschrift, z.B. linear, logarithmisch oder ähnlich, addiert. Damit erhält man zunächst einmal eine Aussage über die Morphologie des entsprechenden Gewebes, darin enthalten ist ein „Mischbild" der Dynamik. In einem weiteren Schritt wird nach einer Rechenvorschrift, z.B. linear, logarithmisch oder ähnlich, die Differenz der Bilder, Bildserien oder Volumendarstellungen berechnet und die Veränderungen farblich in der Weise codiert, dass das gesamte sichtbare Farbspektum (blau bis rot) zur Anwendung kommen kann. Bildanteile im Differenzbild, welche über die Zeit an Intensität (als Maß für die Veränderung) zugenommen haben, werden in eine Richtung des Farbspektrums, z.B. blau, codiert, Bildanteile, welche über die Zeit an Intensität verloren haben, werden in die andere Richtung des Farbspektrums, z.B. rot, codiert. Die Codierung erfolgt nach einer Rechenvorschrift, z.B. nach einer „Look-up-table". In einem letzten Schritt werden, ggf. nach üblicher Bildberabeitung des Additions- und Differenzbildes wie Rauschreduzierung, Artefaktreduktion, Kantenanhebung oder -glättung usw., das Additionsbild und das Differenzbild in einem Rechenschritt, z.B. in variablem Prozentsatz oder auch logarithmisch, überlagert. Damit wird erreicht, dass - im Falle der Computertomographie ohne die Patientendosis zu erhöhen - in einem Bild nicht nur Morphologie, sondern auch Dynamik enthalten sind.
Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass in einem Bild oder Bildserie oder einer Volumenrekonstruktion die Gewebecharakteristik nicht nur durch ihre morphologischen Eigenschaften, sondern gleichzeitig auch durch ihre Dynamik beurteilt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nach dem gleichen Prinzip für alle Schnittbild- und Volumenbildverfahren, z.B. Ultraschall, Kernspintomographie, Emissionstomographie, und Computertomographie oder Array-CT, welche Daten über mehrere Zeitpunkte oder eine Zeitspanne erfassen. Typische Einsatzgebiete können Untersuchungen der Weichteile, aller inneren Organe, der Lunge, des Herzens oder auch des Kopfes sein. Unter dem Begriff „Dynamik" werden nicht nur Bewegungen oder Kontrastmittelverhalten, sondern auch alle Veränderungen wie z.B. Magnetfeld- , Aktivitäts-, Absorptions- oder Echogenitätsverände- rungen verstanden, die mit einer Untersuchungsmethode messbar sind.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass durch die kombinierte Darstellung von Morphologie und Dynamik in einem Bild, einer Bildserie oder einer Volumenrekonstruktion eine Datenkompression in dem Sinne erreicht wird, dass zur Archivierung der diagnostischen Untersuchung nicht mehr alle primär aquirierten Bilder, Bildserien oder Volumenrekonstruktionen gespeichert werden müssen, sondern nur noch die Additions-, Differenz- und Ergebnisbilder. Da durch die Erfindung im Falle der Computertomographie die Strahlenexposition für den Patienten nicht notwendigerweise steigt, ist eine universelle Anwendung denkbar. Da bisher Aussagen über die Kontrastmitteldynamik in der Computertomographie nur mit einer erhöhten Strahlenexposition erreichbar waren, reduziert die sinngemäße Anwendung der Erfindung die Dosisbelastung für die Patienten. Das Wesen der Erfindung besteht aus einer Kombination bekannter - Schnitt- oder Volumenbildaufnahmen - und neuer Elemente - fraktionierte Strahlendosis, Addition und Differenzbildung nach Rechenvorschrift, Überlagerung der resultierenden Bilder, Bildserien oder Volumenrekonstruktionen nach Rechenvorschrift in Farbcodierung - die sich gegenseitig beeinflussen und in ihrer neuen Gesamtwirkung einen Gebrauchsvorteil und den erstrebten Erfolg ergeben, der darin liegt, dass dynamische Abbildungen von Geweben in Bildern, Bildserien oder Volumenrekonstruktionen im Anwendungsfalle der Computertomographie ohne Erhöhung der Strahlenexposition möglich sind. Die Dynamik ist damit in das Morphologiebild hineincodiert worden. Möchte der Betrachter der diagnostischen Resultatbilder lieber auf die Farbcodierung verzichten, kann er die Überlagerung des Differenzbildes abschalten und erhält den bisher gewohnten Eindruck eines konventionellen diagnostischen Bildes, einer Bildserie oder Volumenrekonstruktion. Der diagnostische Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass in einem Bild, einer Bildserie oder einer Volumenrekonstruktion die Gewebecharakteristik nicht nur durch ihre morphologischen Eigenschaften, sondern gleichzeitig auch durch ihre Dynamik beurteilt werden kami.
Aufgrund der bei vielen Organen bestehenden Atemverschieblichkeit müssen die beschriebenen Bilder, Bildserien oder Volumenrekonstruktionen (Phasen) in einem Atemstillstand aufgenommen werden. Durch die Anwendung von Mustererkennungs- oder Registrierungsprogrammen wird es möglich, auch ohne Atemstillstand die Serien aufzunehmen. Dem Schritt der Bildbearbeitung (Addition usw.) muss dann die anatomische Registrierung der Serien zuvor kommen.
In der Offenlegungsschrift DE 3620261 AI wird ein Verfahren zur Überlagerung unterschiedlicher Bilder beschrieben, jedoch mit grundsätzlichen Unterschieden zu der erfindungsgemäßen Lösung: Das in der Schrift beschriebene Akutbild besteht nicht aus der rechnerisch gewichteten Addition zweier oder mehrerer Einzelbilder, und das gewichtete Differenzbild wird in Farbe, aber monochrom codiert. Das bedeutet, dass das Differenzbild nicht - wie in der Erfindung vorgeschlagen - in der Art codiert wird, dass Bildareale, die Intensität über die Zeit verloren haben, in der einen Richtung des Farbspektrums, und Bildareale, die Intensität über die Zeit gewonnen haben, in der anderen Richtung des Farbspektrums, oder auch nach Vorschrift (Look-up-Table) codiert werden. Jedoch liegt in der fablichen Codierung der Intensitätsänderung der eigentliche diagnostische Gewinn, nämlich die Visualisierung der Dynamik.
Nach dem in der US 5003571 (C. Kido et al.) beschriebenen Verfahren werden Einzelbilder ebenfalls addiert und subtrahiert, aber die Farbcodierung, wie erfindungsgemäß beschrieben, fehlt, weshalb das Verfahren grundsätzlich mit einem anderen Ziel erfolgt, nämlich der Verbesserung der Detektion von Gewebeunterschieden in einem statischen Objekt ohne Dynamik. Die Projektionsradiographie (hier Mammographie) stellt auch kein Schnittbildoder Volumenbildverfahren dar.
Die folgenden Beispiele dienen der Verdeutlichung der Erfindung, ohne sie auf diese Beispiele zu beschränken.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung im Beispiel 1 soll anhand der Figuren erläutert werden.
Beispiel 1 Es werden zwei Perfusionsphasen der Leber nach intravenöser Kontrastmittelgabe mit halber Strahlendosis aufgenommen. Diese Halbdosisbilder enthalten ein wegen der geringeren Dosis entsprechend höheres Signalrauschen. Durch Addition der der beiden Phasenbilder sinkt das Rauschen auf das Niveau eines Standarddosis-Bildes. Das Summationsbild hat die Bildqualität wie Bild einer einzelnen Phase mit voller Dosis (Figur 1). Man erhält eine Aussage über die Morphologie.
Durch Berechnung der Differenz der Phasen, dargestellt in Figur 2 - (Bildrauschen spielt zunächst eine untergeordnete Rolle) - kann die Veränderung der Kontrastmittelkonzentration im Gewebe dargestellt werden. Diese Information, weil in schwarz-weiß, wird anhand einer ZuOrdnungsvorschrift (look-up-table) in Farbe codiert (alles was von einem mittleren Grauwert nach dunkel abweicht z.B. in rot, alles was heller geworden ist in blau; es kann aber auch jede andere Farbe sein - Figur 3). Im Falle der vorliegenden Abbildung wird aus drucktechnischen Gründen "rot" durch "dunkelgrau" und "blau" durch "hellgrau" ersetzt. Dieses Differenzbild soll nun in variablem Prozentsatz zum Additionsbild (Morphologie) überlagert werden, dargestellt in Figur 4. Damit ist erreicht, dass, ohne die Dosis zu erhöhen, in einem Bild nicht nur Morphologie, sondern auch Dynamik enthalten sind.
Die Figuren 5 und 6 zeigen typische Untersuchungsprotokolle von Organen bzw. von Gewebe (Beispiel Hals und Leber in der Computertomographie). Die Figuren 7 bis 9 zeigen das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Organs.
Figur 10 zeigt links ein Bild nach der herkömmlichen Methode. Es ist nur die Morphologie zu erkennen. Im rechten Bild - aufgenommen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren - ist zusätzlich die Dynamik (hier die Kontrastmitteldynamik) enthalten, die an den - unterschiedlichen Farben, hier aus drucktechnischen Gründen mit verschiedenen Intensitäten, zu erkennen ist.
Beispiel 2
In einem Array-CT, das mit einem großen Detektor ohne Tischvorschub etwa 20 Sekunden kontinuierlich um den Patienten kreist, werden Additions-Schnittbilder und Differenz- Schnittbilder (nicht nur zwei) berechnet, die dam nach Rechenvorschrift verarbeitet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur kombinierten Darstellung der Morphologie und Dynamik bei Schnittbild- und Volumenbildverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass aufgenommene Bilder, Bildserien oder Volumenrekonstruktionen zu einem Morphologiebild nach Rechenvorschrift addiert, nach Rechenvorschrift zur Differenzbildung verwendet sowie Additions- und Differenzbild überlagert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- Addition der aufgenommenen Bilder, Bildserien oder Volumemekonstruktionen zu einem Morphologiebild nach Rechenvorschrift,
Differenzbildung der aufgenommenen Bilder, Bildserien oder Volumenrekonstruktionen nach Rechenvorschrift,
- variable Überlagerung nach Rechenvorschrift von Additions- und Differenzbild.
3. Verfaliren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Bilder, Bildserien oder Volumenrekonstruktionen im Falle der Anwendung bei einer mit ionisierender Strahlung einhergehender Untersuchungstechnik mit entsprechend fraktionierter Strahlendosis aufgenommen werden.
4. Verfahren nach Anspuch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle der Anwendung bei einer mit ionisierender Strahlung einhergehender Untersuchungstechnik die Patientendosis nicht erhöht werden muss.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Darstellung der Unterschiede farbig erfolgt.
6. Verfahren nach Anspuch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Farcodierung nach einer Rechenvorschrift erfolgt.
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