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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildgebung mit
einer tomographischen bildgebenden Modalität, insbesondere einem Computer-Tomographen,
bei dem in mehreren aufeinander folgenden Messscans ein Objektvolumen
eines Untersuchungsobjekts erfasst wird, durch Rekonstruktion jeweils
eines Hauptbildes aus Messdaten jedes Messscans eine Folge von Hauptbildern
erhalten wird und die Hauptbilder in zeitlicher Abfolge dargestellt
werden, wobei zur Erhöhung
einer Bildfolgefrequenz Zwischenbilder berechnet und zwischen den Hauptbildern
dargestellt werden.
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Bei
der Bildgebung mit tomographischen bildgebenden Modalitäten werden
Schicht- oder Volumenbilder des Inneren eines Untersuchungsobjektes
erhalten. Beispiele für
derartige tomographische bildgebende Modalitäten sind Geräte der Röntgenbildgebung,
insbesondere Computer-Tomographen und C-Bogen-Geräte,
Magnetresonanztomographen, Geräte
der Positronenemissions-Tomographie (PET), SPECT-Geräte (Single
Photon Emission Computed Tomographie) oder Geräte der Ultraschalltomographie.
Vor allem bei interventionellen medizinischen Eingriffen ist eine
Online-Bildkontrolle der in den Körper eingeführten Instrumente, wie bspw.
Katheter oder Biopsienadeln, für
die Orientierung des Arztes erforderlich. Die Tomographiebilder müssen dabei
so zeitnah wie möglich
dargestellt werden. Deshalb ist eine kurze Latenz- bzw. Verzögerungszeit
auf dem Weg zwischen Messdatenerfassung und Bilddarstellung bei
diesen Anwendungen von besonderer Bedeutung.
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Interventionelle
Eingriffe werden in vielen Fällen
mittels Röntgenbildgebung überwacht.
Zur Verringerung der Strahlenexposition des untersuchenden Arztes
bei Einsatz von Computer-Tomographen
ist es bekannt, während
jedes Umlaufs des Dreh rahmens (Gantry) des Computer-Tomographen die
Strahlung für
einen bestimmten Winkelbereich abzuschalten. Auf diese Weise ergibt
sich eine Folge von einzelnen Messscans. Aus jedem dieser Messscans
wird mit Hilfe eines geeigneten Algorithmus ein Hauptbild je vollständiger Umdrehung
des Drehrahmens rekonstruiert und anschließend dargestellt. Durch dieses
Vorgehen sinkt allerdings die Bildfolgefrequenz gegenüber einem
kontinuierlichen Messbetrieb des Computer-Tomographen deutlich ab.
Zur Verdopplung dieser Bildfolgefrequenz wird bisher jeweils zwischen
zwei zeitlich aufeinander folgende Hauptbilder ein synthetisches
Zwischenbild eingeschoben, das aus den Bilddaten dieser Hauptbilder
interpoliert wird.
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Bei
dieser Technik kann ein Zwischenbild zu zwei aufeinander folgenden
Messscans n-1 und n allerdings frühestens berechnet werden, wenn
der aktuelle Messscan n abgeschlossen ist. Die geringst mögliche Latenzzeit
für die
Darstellung der Hauptbilder wird dann erreicht, wenn die Generierung
des Zwischenbildes auf das Ende des aktuellen Messscans n gelegt
wird. Damit alle Bilder im Abstand einer halben Rotation des Drehrahmens
erscheinen, muss die Darstellung des aus diesem Messscan rekonstruierten,
qualitativ wesentlich hochwertigeren Hauptbildes jedoch in diesem
Fall um die Zeit einer halben Rotation des Drehrahmens künstlich
verzögert
werden. Weiterhin liefert die Generierung der Zwischenbilder durch
Interpolation der Pixelintensität
zwischen zwei Hauptbildern nur für Szenen
angemessene Ergebnisse, bei denen sich die Bildhelligkeit eines
Ortes über
der Zeit verändert, wie
bspw. bei Bolus-Injektionen. Bei der Bilddarstellung von Szenen,
in denen sich der Ort eines Gegenstandes über der Zeit ändert, bspw.
bei der Biopsie, liefert diese Art der Interpolation jedoch lediglich
eine Überlagerung
der Anfangs- und Endposition des Gegenstandes und nicht, wie erhofft,
die Zwischenposition.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, ein Verfahren zur Zwischen bildgenerierung mit einer
tomographischen bildgebenden Modalität anzugeben, mit dem eine geringere
Latenzzeit der Hauptbilder und eine erhöhte Bildqualität der Zwischenbilder
erreicht werden kann.
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Die
Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder
lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
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Bei
dem vorliegenden Verfahren zur Bildgebung mit einer tomographischen
bildgebenden Modalität,
insbesondere einem Computer-Tomographen, werden in mehreren aufeinander
folgenden Messscans ein Objektvolumen eines Untersuchungsobjekts
erfasst, durch Rekonstruktion jeweils eines Hauptbildes aus Messdaten
jedes Messscans eine Folge von Hauptbildern erhalten und die Hauptbilder
in zeitlicher Abfolge dargestellt. Zur Erhöhung einer Bildfolgefrequenz
werden Zwischenbilder berechnet und zwischen den Hauptbildern dargestellt. Das
Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Zwischenbilder zu
einem vorgebbaren Zeitpunkt innerhalb der Messscans direkt aus einer
Kombination der bis zu diesem Zeitpunkt erfassten Messdaten des jeweils
laufenden Messscans und der Messdaten des jeweils vorangehenden
Messscans rekonstruiert werden.
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Bei
dem vorliegenden Verfahren werden somit die Zwischenbilder zu jedem
beliebig vorgebbaren Zeitpunkt innerhalb der Messscans direkt aus den
Messdaten, d. h. aus den Rohdaten der Detektoren, ggf. nach einer üblichen
Vorverarbeitung, rekonstruiert. Die zu einer derartigen Rekonstruktion
für den
aktuellen Messscan noch fehlenden Messdaten werden aus dem vorangehenden
Messscan bezogen. Vorzugsweise wird für die Rekonstruktion der Zwischenbilder
zur Reduktion von Inkonsistenz-Artefakten nicht hart zwischen den
Readings der beteiligten Messscans umgeschaltet, sondern es erfolgt
ein weiches Überblenden
in einem Übergangsbereich zwischen
den beiden sich zu einem vollständigen Messscan
ergänzenden
Sca nabschnitten der beiden Messscans. Bei der bevorzugten Durchführung des Verfahrens
mit einem Computer-Tomographen werden somit in einem bestimmten
Winkelbereich des Drehrahmens die Messdaten der beiden beteiligten Messscans
mit wachsender Gewichtung vom einen zum anderen Messscan überlagert.
Im den verbleibenden Winkel- bzw. Scanbereichen werden lediglich
die Messdaten des einen oder des anderen Messscans für die Rekonstruktion
verwendet.
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Das
vorliegende Verfahren ermöglicht
die Rekonstruktion und Darstellung jedes Hauptbildes unmittelbar
am Ende des zugehörigen
Messscans, so dass keinerlei durch die Zwischenbildgenerierung bedingte
Verzögerungszeiten
mehr auftreten. Dies wird durch Berechnung des Zwischenbildes noch
vor Beendigung des jeweils laufenden Messscans erreicht. In jedes
Zwischenbild geht dabei bestmöglich die
aktuelle Ortsinformation aus den Messdaten ein, so dass diese Bilder
bzgl. Qualität
und Nutzen an die aus einem vollständigen Messscan rekonstruierten Bilder
heranreichen und insbesondere den aus benachbarten Hauptbildern
interpolierten Zwischenbildern des Standes der Technik weit überlegen
sind.
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Selbstverständlich kann
die Rekonstruktion der Haupt- und Zwischenbilder bei allen Ausgestaltungsmöglichkeiten
des vorliegenden Verfahrens jeweils bereits begonnen werden, sobald
die ersten Messdaten für
die Rekonstruktion vorliegen, um durch die Rekonstruktion bedingte
Verzögerungen möglichst
klein zu halten.
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Das
vorliegende Verfahren lässt
sich dabei grundsätzlich
mit allen tomographischen bildgebenden Modalitäten durchführen, falls bei der Bildgebung
mit diesen Modalitäten
eine Zwischenbildgenerierung erfolgen soll. Allerdings bietet das
vorliegende Verfahren besondere Vorteile bei der in der Beschreibungseinleitung
angeführten
bildgebenden Technik mit einem Computer-Tomographen, bei der die
Röntgenbestrahlung
des Untersuchungsobjektes zur Verringerung der Strahlenexpo sition
während
jedes Umlaufs des Drehrahmens für
einen bestimmten Winkelbereich abgeschaltet wird.
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Da
bei einem derartigen Betrieb eines Computer-Tomographen nicht in
jedem Falle davon ausgegangen werden kann, dass zwei aufeinander
folgende Messscans bei der gleichen Winkelposition des Drehrahmens
beginnen, kann der Winkelbereich der Daten, aus denen die Zwischenbilder
rekonstruiert werden, innerhalb gewisser Grenzen vom Winkelbereich
der Daten für
die Hauptbilder abweichen.
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Messdaten
von Messscans, zwischen denen eine längere Zeitspanne mit einer
evtl. Veränderung der
Liegenposition des Computer-Tomographen verstrichen ist, dürfen nicht
zu einem Zwischenbild verarbeitet werden. Durch Überwachung dieses zeitlichen
Abstandes und Vorgabe eines Grenzwertes für den zeitlichen Abstand kann
diese Kontrolle in das Verfahren implementiert werden. Als Kriterium
für den
Grenzwert kann bspw. der zeitliche Abstand der Startzeiten zweier
aufeinander folgender Messscans in Bezug zur Rotationszeit des Drehrahmens
ausgewertet werden.
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Das
vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Computertomographen für die Durchführung des
vorliegenden Verfahrens;
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2 eine
schematische Darstellung für
den zeitlichen Ablauf der Messscans und die Darstellung der zugehörigen Haupt-
und Zwischenbilder gemäß dem Stand
der Technik;
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3 eine
schematische Darstellung für
den zeitlichen Ablauf der Messscans und die Darstellung der zu gehörigen Haupt-
und Zwischenbilder gemäß einem
Ausführungsbeispiel
des vorliegenden Verfahrens;
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4 eine
schematische Darstellung für
den zeitlichen Ablauf der Messscans und die Darstellung der zugehörigen Haupt-
und Zwischenbilder gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
des vorliegenden Verfahrens; und
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5 eine
schematische Darstellung für
den zeitlichen Ablauf der Messscans und die Darstellung der zugehörigen Haupt-
und Zwischenbilder gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
des vorliegenden Verfahrens.
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1 zeigt
schematisch einen Teil des Aufbaus eines Röntgen-Computer-Tomographen,
wie er zur Durchführung
des vorliegenden Verfahren eingesetzt werden kann. Der Computer-Tomograph weist eine
Röntgenquelle
in Form einer Röntgenröhre 1 auf,
die ein fächerförmiges Röntgenstrahlbündel 5 in Richtung
auf eine Detektorzeile mit Röntgendetektorelementen 2 emittiert.
Sowohl die Röntgenröhre 1 als auch
die Detektorelemente 2 sind an einem Drehrahmen 6,
der so genannten Gantry, angeordnet, welcher während einer Messung kontinuierlich
um einen Patienten 4 rotiert. Der Patient 4 liegt
auf einer in 1 nicht dargestellten Patientenliege,
die sich in die Gantry 6 erstreckt. Die Gantry 6 rotiert
in einer x-y-Ebene
eines in 1 angedeuteten kartesischen Koordinatensystems
x-y-z. Die Patientenliege ist entlang der z-Achse, die der Schichtdickenrichtung
der jeweils darzustellenden Schichten des Patienten 4 entspricht,
beweglich. Die Ausdehnung des Röntgenstrahlbündels 5 in
z-Richtung, in der vorliegenden Darstellung die Richtung senkrecht
zur Zeichenebene, wird einerseits durch die Ausdehnung des Fokus 3 auf
der Drehanode der Röntgenröhre 1 und
andererseits durch die röhrenseitig
angeordnete Blende 7 vorgegeben, deren Blendenöffnung in
z-Richtung verstellbar ist.
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Die
Röntgenröhre 1 wird über einen
Hochspannungsgenerator 8 mit einer Hochspannung von beispielsweise
120 kV versorgt. Eine Steuerung 9 dient der Ansteuerung
der einzelnen Komponenten des Computer-Tomographen, insbesondere
des Hochspannungsgenerators 8, der Gantry 6, der
Detektorelemente 2 sowie der Patientenliege, zur Durchführung der
Messdatenaufnahme. Die von den Detektoren 2 gelieferten
Messdaten werden an einen Bildrechner 10 weitergeleitet,
in dem die Bildrekonstruktion, beim vorliegenden Verfahren die Rekonstruktion
der Haupt- und Zwischenbilder, aus den Messdaten durchgeführt wird.
Der Bildrechner 10 stellt diese Bilder in zeitlicher Abfolge
an einem Monitor 11 dar.
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Zur
Vermeidung der Strahlenexposition des untersuchenden Arztes wird
bei interventionellen Eingriffen die Röntgenstrahlung während jedes
einzelnen Umlaufs des Drehrahmens 6 für kurze Zeit unterbrochen.
Dadurch ergibt sich kein kontinuierlicher, über mehrere Umdrehungen andauernder
Messscan sondern eine Folge von einzelnen Messscans, wie dies in
der 2 beispielhaft anhand von drei aufeinander folgenden
Messscans 12(1)-12(3) für drei Umdrehungen des Drehrahmens
veranschaulicht ist. Zwischen den einzelnen Messscans 12(1)-12(3) liegen
Messpausen, in denen keine Messdatenerfassung erfolgt. Im unteren
Teil der Figur ist hierbei schematisch der Drehrahmen 6 dargestellt,
an dem der Winkelbereich ΔαH der
Messdatenerfassung für jeden
Messscan erkennbar ist. Jeder der einzelnen Messscans 12(1)-12(3) beginnt
bei der Winkelposition α.
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Bei
den bekannten Verfahren des Standes der Technik werden jeweils aus
den Hauptbildern 13(1), 13(2) zweier benachbarter
Messscans 12(1), 12(2) Zwischenbilder 14(1+2), 14(2+3) interpoliert. Wie
in der 2 erkennbar ist, muss für die Interpolation des Zwischenbildes 14(1+2) aus
den beiden Hauptbildern 13(1) und 13(2) der zweite
Messscan 12(2) beendet sein, da erst dann das Hauptbild 13(2) vollständig rekonstruiert
werden kann. Der erstmögliche
Zeitpunkt der Darstel lung dieses Zwischenbildes 14(1+2) liegt
daher unmittelbar am Ende des zweiten Messscans 12(2).
Für eine
vernünftige
Bildfolgedarstellung ist es damit erforderlich, das qualitativ hochwertige
Hauptbild 13(2) gegenüber
dem Ende des zweiten Messscans 12(2) zu verzögern, wie
dies in der 2 dargestellt ist. Die Hauptbilder 13(1) und 13(2) sind
dabei um die Zeit einer halben Rotation des Drehrahmens 6 künstlich
verzögert.
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Diese
Verzögerung
kann bei der Durchführung
des vorliegenden Verfahrens vollständig vermieden werden, wie
dies aus der 3 ersichtlich ist. Bei diesem
Ausführungsbeispiel
werden die Hauptbilder 13(1), 13(2) und 13(3) jeweils
am Ende der zugehörigen
Messscans 12(1), 12(2) bzw. 12(3) und
die Zwischenbilder 14(1+2) und 14(2+3) jeweils
zeitlich in der Mitte des jeweils laufenden Messscans 12(2) bzw. 12(3) dargestellt.
Diese Möglichkeit
ergibt sich aus der vorliegenden Art und Weise der Berechnung der
Zwischenbilder 14, die direkt aus den Rohdaten rekonstruiert
und nicht aus den Bilddaten benachbarter Hauptbilder 13 interpoliert
werden. Die bei dem laufenden Messscan 12 zum Zeitpunkt
der Generierung des Zwischenbildes 14 noch fehlenden Messdaten
werden von dem vorangehenden Messscan zugeführt. Diese Art der Bilderzeugung
führt weiterhin zu
einer deutlich verbesserten Bildqualität im Vergleich zu der Interpolation
aus zwei benachbarten Hauptbildern. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
ergibt sich durch die nicht durch die Zwischenbildgenerierung verzögerte Bilddarstellung
der Hauptbilder 13 und die Bilddarstellung der Zwischenbilder 14 in
der Mitte des jeweiligen Messscans 12 eine zeitlich unregelmäßige Bildfolge.
Ist eine gleichmäßige Bildfolge
erwünscht,
so lässt
sich dies entweder durch eine leicht verzögerte Bilddarstellung der Hauptbilder 13 oder
durch eine zeitlich vorverlagerte Rekonstruktion und Darstellung
der Zwischenbilder 14 erreichen. Dies ist in den 4 und 5 veranschaulicht.
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Wird
das Zwischenbild 14(1+2) bzw. 14(2+3) weiterhin
in der Mitte des jeweils laufenden Messscans 12(2) bzw. 12(3)
rekonstruiert und dargestellt, so kann ein gleichmäßiger zeitlicher
Abstand sämtlicher
Bilder der Bildfolge durch zeitliche Verzögerung der Hauptbilder 13(1), 13(2), 13(3) erreicht werden.
Die Hauptbilder müssen
hierbei um (1 – ΔαH/360°)/2 ×Rotationszeit
künstlich
verzögert
werden. Bei einem Erfassungswinkel von ΔαH =
240° und einer
Rotationszeit von 800 ms (= Zeit für eine vollständige Umdrehung
des Drehrahmens 6) ergibt das eine Verzögerung um 133 ms. Ist diese
Verzögerung unerwünscht, so
bietet sich auch die Möglichkeit,
die Rekonstruktion und Darstellung der Zwischenbilder zeitlich vorzuverlagern,
wie anhand der 5 ersichtlich ist. Hierbei werden
die Hauptbilder 13(1), 13(2) und 13(3) jeweils
unmittelbar nach Ende des zugehörigen
Messscans 12(1), 12(2) bzw. 12(3) rekonstruiert
und dargestellt, die Zwischenbilder 14(1+2) und 14(2+3) eine
halbe Rotationszeit später. Der
in das Zwischenbild eingehende Winkelbereich ΔαZ des
laufenden Messscans beträgt
dabei bei einem Erfassungswinkel von ΔαH =
240° lediglich ΔαH – 180° = 60°, beinhaltet
daher noch relativ wenig neue Information. Allerdings lässt sich
für jede
Anwendung ein Kompromiss zwischen einer Verzögerung der Darstellung der
Hauptbilder 13 und einer Vorverlagerung der Zwischenbilder 14 finden,
der zwischen den Fallgestaltungen der vorangehenden Ausführungsbeispiele
liegen kann.
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Bei
ausreichender Rechengeschwindigkeit können zwischen zwei Hauptbildern
auch mehrere Zwischenbilder berechnet werden, die sich dadurch voneinander
unterscheiden, dass jedes weitere Zwischenbild zunehmend mehr Messdaten
aus dem aktuellen Messscan verarbeitet.
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Vorzugsweise
wird bei den vorangehenden Beispielen zur Reduktion von Inkonsistenz-Artefakten
bei der Rekonstruktion der Zwischenbilder 14 nicht hart
zwischen den Readings der beteiligten Messscans umgeschaltet, sondern
in einem bestimmten Übergangs-Winkelbereich
weich übergeblendet.
Dies kann bspw. mit einer cos2-Funktion
in einem Winkelbereich von ca. 30° erfolgen,
in dem die Rohdaten beider beteiligter Messscans mit der durch die
cos2-Funktion vorgegebenen Gewichtung in
die Rekonstruktion des Zwischenbildes einfließen.