DE102004055460A1

DE102004055460A1 - Bildgebendes Verfahren sowie Vorrichtung zur Visualisierung von koronaren Herzkrankheiten, insbesondere von Herzinfarktschäden

Info

Publication number: DE102004055460A1
Application number: DE102004055460A
Authority: DE
Inventors: Björn Dr. Heismann; Andreas Horst Dr. Mahnken
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2006-04-20
Also published as: CN1781456A; JP2006142020A; US20060122500A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein bildgebendes Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Visualisierung von koronaren Herzkrankheiten, insbesondere von Herzinfarktschäden, bei denen mit der Technik der Computertomographie zumindest ein Bild des Herzens oder eines Bereiches des Herzens aufgezeichnet und rekonstruiert wird, das zumindest einen Teil des Myokards umfasst. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass durch eine Fensterung von Messdaten für das Bild oder daraus abgeleiteter Daten im Bereich des Myokards mangelhaft durchblutete und/oder geschädigte Areale segmentiert und in dem Bild gekennzeichnet dargestellt werden. Mit dem vorliegenden Verfahren sowie der zugehörigen Vorrichtung lässt sich insbesondere das Ausmaß der Schädigung nach einem Herzinfarkt bildlich darstellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein bildgebendes Verfahren zur Visualisierung von koronaren Herzkrankheiten, insbesondere von Herzinfarktschäden, bei dem mit der Technik der Computertomographie zumindest ein Bild des Herzens oder eines Bereiches des Herzens aufgezeichnet und rekonstruiert wird, das zumindest einen Teil des Myokards umfasst. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bildgebende Techniken zur Visualisierung koronarer Herzkrankheiten, insbesondere von koronaren Kalkablagerungen oder Stenosen, stellen ein wichtiges Hilfsmittel in der Bewertung in der Bewertung des Zustandes des Herzens dar. Dies betrifft sowohl Voruntersuchungen zur Früherkennung von Durchblutungsstörungen als auch die Überwachung einer koronaren Herzkrankheit, ggf. nach einer Bypassoperation oder einer Angioplastie, über einen längeren Zeitraum. Mit derartigen Untersuchungen lässt sich das Herzinfarktrisiko besser abschätzen und der Erfolg eines Eingriffs oder einer Therapie überprüfen. Die Computertomographie (CT) ist eine bekannte nichtinvasive bildgebende Technik, mit der sich Symptome von koronaren Herzkrankheiten visualisieren lassen.

Bei einem Herzinfarkt wird durch temporären oder dauerhaften Verlust der Durchblutung der Herzmuskel geschädigt. Dabei kommt es zum einen zu einer Reduktion der Perfusion, zum anderen verändert sich der Metabolismus. Eine der Folgen, eine Zunahme des Wassergehaltes im Infarktareal, tritt bereits im akuten Myokardinfarkt auf. Im weiteren Verlauf finden Umbauvorgänge mit vermehrter Vibrosierung und schließlich Narbenbildung statt. Diese Vorgänge sind allerdings bisher mit der Technik der Computertomographie nicht direkt zu beobachten.

Eine zuverlässige Erkennung des Infarktareals ist auch in der Kontrast-angehobenen Computertomographie nicht zuverlässig möglich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein nichtinvasives bildgebendes Verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, mit denen das Ausmaß einer Herzinfarktschädigung besser visualisiert werden kann.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Bei dem vorliegenden bildgebenden Verfahren zur Visualisierung koronarer Herzkrankheiten, insbesondere von Herzinfarktschäden, wird mit der Technik der Computertomographie zumindest ein Bild des Herzens oder eines Bereiches des Herzens aufgezeichnet und rekonstruiert, das zumindest einen Teil des Myokards umfasst. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass durch eine Fensterung von Messdaten für das Bild oder daraus abgeleiteter Daten im Bereich des Myokards mangelhaft bzw. nicht durchblutete und/oder geschädigte Areale segmentiert und in dem Bild gekennzeichnet, insbesondere hervorgehoben, dargestellt werden.

Durch die Fensterung der Mess- bzw. Bilddaten oder ggf. daraus abgeleiteter Daten in dem Bildbereich, der den zumindest einen Teil des Myokards umfasst, können gesunde und geschädigte Bereiche des Myokards unterschieden werden. In der nachfolgenden Bilddarstellung werden zumindest die nicht durchbluteten und/oder geschädigten Bereiche des Myokards hervorgehoben dargestellt. Auf diese Weise kann der Betrachter sofort die Auswirkung einer koronaren Herzkrankheit, beispielsweise die Auswirkung von Gefäßverengungen oder Gefäßverschlüssen im Herzen, auf das Myokard erkennen. Im Falle eines vorausgegangenen Herzinfarktes wird auf diese Weise das räumliche Ausmaß der Schädigung des Myokards sofort erkennbar.

Die Fensterung der Messdaten oder ggf. daraus abgeleiteter Daten erfolgt durch ein Schwellwertverfahren. Im Falle der Fensterung der Messdaten wird zumindest ein HU-Wertebereich (HU: Hounsfield Unit) vorgegeben, innerhalb dessen die HU-Messwerte von geschädigten bzw. nicht durchbluteten Bereichen des Myokards bei einer CT-Messung liegen. Sämtliche Pixel oder Voxel des aufgezeichneten Bildes, denen derartige HU-Messwerte zugrunde liegen, werden einem nicht durchbluteten bzw. geschädigten Bereich zugeordnet. Zusätzlich können auch gut durchblutete Bereiche durch Vorgabe entsprechender HU-Wertebereiche segmentiert und in der anschließenden Bilddarstellung als gesunde Bereiche kenntlich gemacht werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens werden zumindest zwei deckungsgleiche Bilder des Herzens oder des Bereiches des Herzens aufgezeichnet, denen eine unterschiedliche spektrale Verteilung der Röntgenstrahlung zugrunde liegt. Dies kann bspw. durch eine Bildaufzeichnung mit unterschiedlichen Röhrenspannungen, unterschiedlichen Röntgenröhren oder unterschiedlichen spektralen Charakteristiken der Röntgen-Detektoren erfolgen. Vorzugsweise wird hierfür ein sog. Dual-Energy-CT-System eingesetzt, das zumindest zwei Aufnahmesysteme bestehend aus Röntgenröhre und Röntgendetektor mit unterschiedlichen spektralen Eigenschaften aufweist. Aus den spektral unterschiedlichen Messdaten der zumindest zwei Bildaufnahmen kann dann eine räumliche Verteilung der effektiven Ordnungszahl Z und/oder der Dichte ρ berechnet werden. Die effektive Ordnungszahl eines Gewebes setzt sich dabei aus den chemischen Ordnungszahlen und Atomgewichten der am Aufbau des Gewebes beteiligten Elemente zusammen. Die Fensterung erfolgt dann auf Basis dieser von den ursprünglichen Messdaten abgeleiteten Daten, d.h. der Werte der Ordnungszahl Z und/oder der Dichte ρ. So ist aufgrund der mangelnden Durchblutung abgestorbener Areale des Myokards ein großer Unterschied in der effektiven Ordnungszahl Z zwischen gesunden und geschädigten Bereichen des Myokards zu erwarten. Gesundes Gewebe hat eine effektive Ordnungszahl von etwa 7,7 und eine Dichte ρ von 1,05 g/cm³. Abgestorbenes Gewebe weicht in der Ordnungszahl deutlich nach unten ab, da der Z-Beitrag des Blutes von ca. 7,8 fehlt und nekrotisches Gewebe generell einen deutlich geringeren Sauerstoffanteil erwarten lässt. Durch eine Fensterung der berechneten Z-Werte in einem Bereich unterhalb von 7,7 kann auf diese Weise eine Segmentierung des nicht durchbluteten bzw. geschädigten Gewebes vorgenommen werden. Diese Segmentierung wird anschließend in dem dargestellten Bild des Herzens kenntlich gemacht, bei dem es sich um eines der ursprünglich aufgezeichneten Bilder des Herzens oder Herzbereiches handelt.

Für die Berechnung der räumlichen Verteilung der effektiven Ordnungszahl Z und/oder der Dichte ρ kann bspw. die Technik der sog. ρ-Z-Projektion eingesetzt werden, wie sie bspw. aus B. J. Heismann et al., „Density and atomic number measurements with spectral x-ray attenuation method", Journal of Applied Physics, Volume 94, Number 3, Seiten 2073–2079 entnommen werden kann. Bei der ρ-Z-Projektion wird ausgenutzt, dass die mit der Technik der Computertomographie erhaltenen Messdaten, die Schwächungskoeffizienten μ am Ort r →, von der in das Gewebe eingestrahlten Röntgenenergie E und der lokalen Gewebedichte ρ entsprechend der folgenden Gleichung: μ = μ (E, r →) = (μ/ρ)(E,Z) × ρ(r →)abhängig sind, wobei (μ/ρ)(E,Z) der energie- und materialabhängige Massenschwächungskoeffizient und Z die effektive Ordnungszahl darstellen. Die energieabhängige Röntgenabsorption eines Gewebes, wie sie von seiner effektiven Ordnungszahl Z bestimmt wird, überlagert daher die von der Gewebedichte ρ beeinflusste Röntgenabsorption. Materialien bzw. Gewebe unterschiedlicher chemischer wie physikalische Zusammensetzung können daher im Röntgenbild identische Schwächungswerte aufweisen. Umgekehrt kann dagegen aus dem Schwächungswert einer einzigen Röntgenaufnahme nicht auf die Materialzusammensetzung eines Untersuchungsobjektes geschlossen werden. Werden allerdings zumindest zwei Bilder mit unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung aufgenommen, so lassen sich die beiden Anteile ρ und Z separieren. Das Ergebnis ist dann eine räumliche Verteilung der effektiven Ordnungszahl Z sowie eine räumliche Verteilung der Dichte ρ.

Alternativ zur ρ-Z-Projektion kann auch eine einfache pixel- oder voxelweise Quotientenbildung der Messdaten der beiden mit unterschiedlicher spektraler Verteilung aufgezeichneten Bilder erfolgen. Der erhaltene Quotient μ1/μ2 ist im Wesentlichen ein Maß für die Ordnungszahl. Die Fensterung für die Segmentierung kann dann über die Vorgabe eines oder mehrerer Wertebereiche für diesen Quotienten erfolgen.

Bei beiden vorgenannten Ausgestaltungsvarianten werden vorzugsweise CT-Geräte mit zwei Aufnahmesystemen, bestehend aus jeweils zwei Röntgenröhren mit zugeordneten Detektoren, oder CT-Geräte mit spektral auflösenden Detektorsystemen eingesetzt. Bei letzteren werden mit dem spektral auflösenden Detektorsystem aus einer Röntgenbestrahlung gleichzeitig Messdaten für zumindest zwei unterschiedliche Spektralbereiche erfasst.

Die vorliegende Vorrichtung umfasst ein Computertomographie-Gerät, das vorzugsweise zumindest zwei unterschiedliche Aufnahmesysteme für eine Bildaufzeichnung mit unterschiedlicher spektraler Verteilung und/oder ein spektral auflösendes Detektorsystem umfasst. Die Auswerteeinheit der vorliegenden Vorrichtung ist derart ausgebildet, dass sie die Segmentierung der nicht durchbluteten oder geschädigten Bereiche auf Basis vorgegebener Schwellwerte automatisiert durchführt und Bilddaten für eine Bilddarstellung erzeugt, in der die segmentierten Bereiche hervorgehoben sind. In der bevorzugten Ausgestaltung übernimmt die Auswerteeinheit auch die pixel- oder voxelweise Quotientenbildung der Messdaten aus spektral unterschiedlichen Bildaufzeichnungen oder die ρ-Z-Projektion, jeweils mit der nachfolgenden Segmentierung und Bilddarstellung, wie sie in Zusammenhang mit dem Verfahren bereits beschrieben wurden.

Das vorliegende Verfahren sowie die vorliegende Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel eines Computertomographie-Gerätes mit zwei Aufnahmesystemen, wie es beim vorliegenden Verfahren eingesetzt werden kann, in einer perspektivischen Gesamtdarstellung; und
2 ein Beispiel für ein Ablaufdiagramm zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens.
1 zeigt ein Röntgen-Computertomographiegerät 1 mit einer zugeordneten Lagerungseinrichtung 2 zur Aufnahme und Lagerung eines Patienten 3. Mittels einer beweglichen Tischplatte der Lagerungseinrichtung 2 ist der Patient 3 mit dem gewünschten Untersuchungsbereich in eine Öffnung 4 im Gehäuse 5 des Tomographiegerätes 1 einführbar. Bei einem Spiralscan wird mit der Lagerungseinrichtung 2 außerdem ein kontinuierlicher axialer Vorschub vorgenommen. Im Inneren des Gehäuses 5 ist mit hoher Geschwindigkeit eine in 1 nicht sichtbare Gantry um eine durch den Patienten 3 verlaufende Rotationsachse 6 rotierbar. Die Bedienung des Tomographiegerätes 1 erfolgt über eine Bedieneinheit 7.
Das vorliegende Tomographiegerät weist zwei Aufnahmesysteme auf der Gantry auf, die jeweils eine Röntgenröhre 8 bzw. 10 sowie einen mehrzeiligen Röntgendetektor 9 bzw. 11 umfassen. Die Anordnung der beiden Röntgenröhren 8, 10 und der beiden Detektoren 9, 11 auf der Gantry ist während des Betriebs des Tomographiegerätes 1 fest, so dass auch deren relative Abstände während des Betriebs konstant sind.
Im vorliegenden Beispiel werden die beiden Aufnahmesysteme mit unterschiedlicher spektraler Verteilung, d. h. mit unterschiedlicher Röhrenspannung und/oder unterschiedlichen spektralen Filtern im Strahlengang zwischen der Röntgenröhre 8, 10 und dem zugehörigen Detektor 9, 11 betrieben. Auch eine unterschiedliche spektrale Sensitivität von Detektor 9 und Detektor 11 ist selbstverständlich möglich.
Die Projektionsdaten der beiden kontinuierlich abtastenden Aufnahmesysteme werden in einem Steuer- und Bildrechner 12 gemäß dem vorliegenden Verfahren weiterverarbeitet und unter Anwendung eines Bildrekonstruktionsalgorithmus zum gewünschten Bild verarbeitet, in dem die geschädigten Bereiche des Myokard kenntlich gemacht sind. Hierfür umfasst der Bildrechner 12 neben dem üblichen Bildrekonstruktionsmodul auch eine speziell für die Durchführung des vorliegenden Verfahrens ausgebildete Auswerteeinheit 13.
Beim vorliegenden Verfahren wird dieses Computertomographiegerät mit unterschiedlichen Röhrenspannungen und/oder unterschiedlicher spektraler Filtercharakteristik der Filter betrieben, so dass mit jedem Messscan zwei Bilder bei unterschiedlicher spektraler Verteilung erhalten werden.
2 zeigt ein Beispiel für den Ablauf des vorliegenden Verfahrens, bei dem in einem ersten Schritt 100 die Röntgenaufnahmen mit dem in 1 dargestellten Computertomographiegerät 1 aufgezeichnet werden. Hierbei werden zwei Bilder des Herzens generiert, die jeweils das Myokard umfassen und auf einer unterschiedlichen spektralen Verteilung der Röntgenstrahlung basieren. Anschließend wird in Schritt 101 über eine Bildrekonstruktion basierend auf den erhaltenen Rohdaten zu jedem der Bilder eine Schwächungswertverteilung μ1 (x, y, z) bzw. μ2 (x, y, z) des Schwächungskoeffizienten μ innerhalb des aufgezeichneten 3D-Bildes oder eines 2D-Transversalschichtbildes mit den Koordinaten x, y, z bzw. x, y erzeugt. In Schritt 102 wird Computer-unterstützt eine Transformation der Verteilungen der Schwächungskoeffizienten auf eine Ordnungszahlverteilung Z (x, y, z) und eine Dichteverteilung ρ (x, y, z) vorgenommen.
Alternativ zum Schritt 102 kann in Schritt 103 eine einfache Quotientenbildung der Schwächungsdaten aus den beiden Bildern erfolgen, die selbstverständlich pixel- bzw. voxelweise erfolgt. Eine derartige Quotientenbildung ist ebenfalls ein Maß für die Ordnungszahl Z.
Im folgenden Schritt wird eine Fensterung der erhaltenen Daten, insbesondere der räumlichen Verteilung der Ordnungszahl Z (x, y, z) oder des Quotienten μ1 (x, y, z)/μ2 (x, y, z) auf Basis vorgegebener Schwellwerte durchgeführt, innerhalb derer die Messwerte von geschädigtem bzw. nicht durchblutetem Myokardgewebe bei einer CT-Messung liegen. Auf Basis dieser Fensterung werden die geschädigten Bereiche segmentiert (Schritt 104). Schließlich wird in Schritt 105 zumindest eines der ursprünglich aufgezeichneten Bilder auf dargestellt, wobei in der Bilddarstellung die segmentierten Bereiche, beispielsweise farbig, hervorgehoben sind.
In dem dargestellten Bild können somit sofort das Ausmaß der geschädigten Areale erkannt werden. Die Bilddarstellung kann sowohl als 2D-Schichtbild als auch als 3D-Volumenbild erfolgen.

Claims

Bildgebendes Verfahren zur Visualisierung von koronaren Herzkrankheiten, insbesondere von Herzinfarktschäden, bei dem mit der Technik der Computertomographie zumindest ein Bild des Herzens oder eines Bereiches des Herzens aufgezeichnet und rekonstruiert wird, das zumindest einen Teil des Myokards umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Fensterung von Messdaten für das Bild oder daraus abgeleiteter Daten im Bereich des Myokards mangelhaft durchblutete und/oder geschädigte Areale segmentiert und in dem Bild gekennzeichnet dargestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Bilder des Herzens oder des Bereiches des Herzens mit unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung aufgezeichnet und rekonstruiert werden, aus den Messdaten für die beiden Bilder eine räumliche Verteilung einer effektiven Ordnungszahl Z und/oder einer Dichte ρ im Bereich des Myokards berechnet wird und die Fensterung mit Werten der effektiven Ordnungszahl Z und/oder der Dichte ρ durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest zwei Bilder des Herzens oder des Bereiches des Herzens mit unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung aufgezeichnet und rekonstruiert werden, aus den Messdaten für die beiden Bilder im Bereich des Myokards pixel- oder voxelweise ein Quotient gebildet wird und die Fensterung mit Werten des Quotienten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Bilder mit einem Computerto mographen aufgezeichnet werden, der mehrere Aufnahmesysteme aus Röntgenquelle und Röntgendetektor zur gleichzeitigen Bildaufzeichnung aufweist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die ein Computertomographie-Gerät (1) mit einer Auswerteeinheit (13) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (13) derart ausgebildet ist, dass sie auf Basis vorgegebener Schwellwerte eine Segmentierung mangelhaft durchbluteter und/oder geschädigter Areale des Myokards in einem aufgezeichneten Bild des Herzens automatisiert durchführt und Bilddaten für eine Bilddarstellung erzeugt, in der die segmentierten Bereiche gekennzeichnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Computertomographie-Gerät (1) zumindest zwei unterschiedliche Aufnahmesysteme (8–11) für eine Bildaufzeichnung mit unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Computertomographie-Gerät (1) ein spektral auflösendes Detektorsystem (9, 11) für eine Bildaufzeichnung mit unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (13) derart ausgebildet ist, dass sie aus Messdaten von zwei mit unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung aufgezeichneten Bildern des Herzens pixel- oder voxelweise Quotienten bildet und die Segmentierung auf Basis der Werte der Quotienten durchführt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (13) derart ausgebildet ist, dass sie aus Messdaten von zwei mit unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung aufgezeichneten Bildern des Herzens eine räumliche Verteilung einer effektiven Ordnungszahl Z und/oder einer Dichte ρ im Bereich des Myokards berechnet und die Segmentierung auf Basis der Werte der effektiven Ordnungszahl Z und/oder der Dichte ρ durchführt.