DE102005000714A1

DE102005000714A1 - Verfahren zur Bildgebung eines periodisch bewegten Objektbereichs eines Objekts

Info

Publication number: DE102005000714A1
Application number: DE102005000714A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Greiser; Wilfried Landschütz; Peter Speier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-01-03
Filing date: 2005-01-03
Publication date: 2006-07-20
Also published as: US20060241379A1; CN1799500A

Abstract

Ein Verfahren zur Bildgebung eines periodisch bewegten Objektbereichs (20) eines Objekts (22) umfasst die Schritte: DOLLAR A - Erstellen eines Übersichtsbilddatensatzes, der eine Bewegung des Objektbereichs abbildet (30), DOLLAR A - Markieren von mindestens zwei Positionen (G¶1¶, G¶2¶), die der Objektbereich zu entsprechenden Zeitpunkten (t¶1¶, t¶2¶) einnimmt, auf dem Übersichtsbilddatensatz (32), DOLLAR A - Interpolieren von weiteren Positionen (G) des Objektbereichs zu weiteren Zeitpunkten (t) aus den markierten Positionen und weiteren Zeitpunkten (34), DOLLAR A - Durchführung einer nachfolgenden Bildgebung des bewegten Objektbereichs unter Verwendung der markierten und interpolierten Positionen (36).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildgebung eines periodisch bewegten Objektbereichs eines Objekts, insbesondere ein Verfahren zur medizinischen Bildgebung von sich bewegenden Organen.
Die Anforderungen an Bildgebungsverfahren sich bewegender Organe sind hoch. Um auch bewegte Bereiche deutlich abzubilden, muss das Bildgebungsverfahren neben einer guten räumlichen Auflösung auch eine ausreichende zeitliche Auflösung besitzen. Werden aus bestimmten Gründen, wie z.B. eine hohe räumliche Auflösung, langsamere Bildgebungsverfahren eingesetzt, kann auch der Aufnahmebereich für die Bildgebung entsprechend der Bewegung mitgeführt werden. Schließlich kommen auch noch Korrekturverfahren bei der Nachverarbeitung der gewonnenen Bilddaten zum Einsatz.
So werden heute zur dynamischen Magnetresonanz-Bildgebung von sich bewegenden Organen, wie z.B. des Herzens, Sequenzen verwendet, die die Bewegung einer bildgebenden Schicht zeitlich ausreichend hoch auflösen können. Die dazu eingesetzten Bildgebungssequenzen kann man zum einen einteilen in Echtzeitverfahren, bei denen die gesamte Schicht über der Bewegung so häufig aufgenommen wird, dass die Bewegung selbst ausreichend zeitlich aufgelöst dargestellt wird. Zum anderen sind segmentierende Verfahren bekannt, bei denen für einen Bewegungszyklus von jedem Bewegungszustand nur ein Teil der insgesamt für die Bildgebung der Schicht notwendigen Daten aufgenommen werden. Durch mehrfaches Wiederholen der Bildaufnahme über mehrere Bewegungsabläufe hinweg kann schließlich die gesamte Bildinformation gewonnen werden. Da die derzeit erreichbare räumliche Auflösung bei den Echtzeitverfahren sehr begrenzt ist, kann in vielen Anwendungen nur mit den segmentierten Aufnahmeverfahren eine diagnostische Bildqualität erreicht werden.
Auch Verfahren zur Nachführung des Bildaufnahmebereichs sind in der Magnetresonanz-Bildgebung bereits etabliert. Techniken, wie z.B. die Navigator-Technik oder die PACE-Technik (Prospective Acquisition Correction), ermöglichen eine Schichtnachführung bei einem bewegten Objekt auf der Basis von zusätzlich in Echtzeit akquirierter Positionsinformation. Diese Verfahren ermöglichen aber in der Regel nur eine Schichtnachführung senkrecht zu einer festen Schichtorientierung. Außerdem muss die Korrelation zwischen der gemessenen Positionsinformation und der tatsächlich darzustellenden Schicht bekannt sein. Der momentane Bewegungszustand bzw. die Position wird dann an der Verlagerung von Gebieten mit scharfer Kontraständerung ermittelt. Nachteilig bei diesen Techniken ist, dass ein Teil der Akquisitionszeit für das aufzunehmende Navigatorsignal aufgewendet werden muss.

Falls die physiologische Bewegung einen periodischen Verlauf hat, was z.B. insbesondere bei der Herzkontraktion in guter Nährung der Fall ist, kann a-priori-Information zur Optimierung der eigentlichen Messung zur Bildgebung verwendet werden. Damit kann der Einsatz der Navigator-Techniken zum Teil eingeschränkt werden. So ist aus der US 6,792,066 B1 (korrespondierende DE 102 21 642 A1 ) bekannt, den Bewegungsablauf in einem der eigentlichen Messung vorgelagerten Cine-Scan zu ermitteln. Dabei werden in einer im Wesentlichen senkrecht zur später benötigten Schichtorientierung Verschiebungen und/oder Verkippungen der abzubildenden Schicht bestimmt. In Referenzbildern wird zunächst eine Sequenz von zeitabhängigen Schichtpositionsmarkierungen gesetzt, wobei den einzelnen Schichtpositionsmarkierungen jeweils eine Zeitmarke zugeordnet ist. Mittels dieser Sequenz von zeitabhängigen Schichtpositionsmarkierungen werden dann die Positionen der nachfolgend aufzunehmenden Schichtbilder in Abhängigkeit von einem Aufnahmezeitpunkt des jeweiligen Schichtbildes relativ zu einem Referenzzeitpunkt bestimmt.

Aus dem Artikel von Kozerke, Scheidegger, Pedersen, Boesiger: „Heart Motion Adapted Cine Phase-Contrast Flow Mesurements Through the Aortic Valve", erschienen 1999 in Magnetic Resonance in Medicine, Volume 42, Seiten 970 bis 978, wird eine Technik vorgestellt, bei der durch eine Aufprägung eines Tagging-Musters, z.B. einer Linie, zu Beginn eines Herzzyklus und einer anschließenden Cine-Bildgebung der Bewegungsablauf der markierten Ebene über die Herzbewegung hinweg verfolgt werden kann. Durch eine dynamische Bildanalyse können die geeigneten Schichtgeometrien (also die Position und Orientierung der aufzunehmenden Schicht) für alle Herzphasen extrahiert werden. Es bestehen aber Einschränkungen bezüglich der Positionierung des Tagging-Musters. So wird in dem genannten Artikel nicht die eigentlich darzustellende, sondern eine dazu verschobene Schicht durch eine Tagging-Linie markiert. Eine alternative manuelle Positionierung aller typischerweise 20 bis 30 Schichten für die Hauptmessung ist aus Bediener- und Workflow-Sicht nicht akzeptabel, weil zum einen dies zu lange dauert und zum anderen die vielen Schichten nur schwierig akkurat relativ zueinander zu platzieren sind.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bildgebung eines periodisch bewegten Objektbereichs anzugeben, das einfach zu handhaben ist und schnell und robust abläuft.

Die vorstehende Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Dabei wird zunächst ein Übersichtsbilddatensatz erstellt, der eine Bewegung des Objektbereichs abbildet, anschließend werden mindestens zwei Positionen, die der Objektbereich zu mindestens zwei verschiedenen Zeitpunkten einnimmt, auf dem Übersichtsbilddatensatz markiert, danach werden weitere Positionen des Objektbereichs zu weiteren Zeitpunkten aus den markierten Positionen und den entsprechenden Zeitpunkten interpoliert, und schließlich wird eine nachfolgende Bildgebung des bewegten Objektbereichs zur Verwendung der markierten und interpolierten Positionen durchgeführt.

Im Vergleich zu einer festen Schichtpositionierung bei der Abbildung des bewegten Objektbereichs ergibt sich ein höherer diagnostischer Wert der Bilddaten, weil der Objektbereich in seiner vollen Bewegung abgebildet wird. Gegenüber einer manuellen Positionierung aller einzelnen Schichten ergibt sich für den Anwender eine signifikante Zeitersparnis. Da bei dem vorliegenden Verfahren keine Navigator-Techniken verwendet werden, ist die Bilderstellung insgesamt kürzer. Es besteht auch keine Notwendigkeit, eine scharfe Kontraständerung zur Bestimmung des momentanen Bewegungszustands auswerten zu müssen. Die Platzierung der Schicht kann direkt auf der gewünschten Anatomie erfolgen. Als Übersichtsbilddatensatz kann auch ein tagging-basierter Referenzscan verwendet werden, der zur visuellen Orientierung kombiniert werden kann, falls dort auf der Grundlage eines sich verschiebenden Taggingmusters die Positionierung der Schichten zu verschiedenen Zeitpunkten leicht möglich ist.

Mit der Markierung zweier Positionen, die der sich bewegende Objektbereich zu zwei verschiedenen Zeitpunkten einnimmt und die beispielsweise die Extrempositionen der darzustellenden Schicht repräsentieren, und die Zuordnung der entsprechenden Zeitpunkte, an denen diese Positionen von der darzustellenden Schicht erreicht werden, können die Geometrien aller Zeitpunkte über den gesamten Bewegungsablauf hinweg ermittelt werden. Die beiden Zeit-Positionspaare oder, wenn der Objektbereich auf eine Aufnahmeschicht beschränkt ist, auch Zeit-Schichtgeometriepaare, werden verwendet, um eine Interpolationsfunktion in Raum- und Zeitrichtung zu skalieren. Unter der Schichtgeometrie soll hier die Position und die Orientierung der abzubildenden Schicht verstanden werden. Dieses Prinzip kann auf alle, die Schichtgeometrie charakterisierenden Parameter, wie Verschiebung, Verkippung oder Lage des normalen Vektors und Verdrehung in der Schichtebene (in-plane Rotation), angewendet werden.

Wenn eine größere Anzahl von Schichten mit den dazugehörigen Zeitpunkten festgelegt werden, können insbesondere Pathologien, die eine charakteristische Abweichung des Bewegungsablaufs von der Norm aufweisen, abgebildet werden. Anwendungsspezifisch erfolgt dann eine Abwägung zwischen einer hohen Genauigkeit mit vielen Stützstellen und einem minimalen Zeitaufwand für die Messvorbereitung mit wenigen Stützstellen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand von fünf Figuren erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines diagnostischen Magnetresonanzgeräts zur Bildgebung eines periodisch bewegten Objektbereichs eines Objektes,
2 in einem Blockdiagramm eine Darstellung der wesentlichen Verfahrensschritte zur Bildgebung eines periodisch bewegten Objektbereichs,
3 in einer Übersichtsdarstellung die Lage einer ersten Schnittebene zu einem ersten Zeitpunkt,
4 die Lage einer zweiten Schnittebene zur Abbildung desselben Objektbereichs wie in 3 zu einem zweiten Zeitpunkt und
5 eine Interpolationsfunktion zur Berechnung der Schichtgeometrie weiterer Schnittebenen.
1 zeigt den Aufbau eines diagnostischen Magnetresonanzgeräts, mit dem eine Bildgebung eines bewegten Objektbereichs eines bewegten Objekts durchgeführt werden kann. Das Magnetresonanzgerät besitzt einen herkömmlichen Aufbau, ist jedoch in seiner Steuerung entsprechend zur Ausführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet.
Da der Aufbau eines diagnostischen Magnetresonanzgeräts vielerorts schon beschrieben ist, werden hier nur noch die wesentlichen Funktionsteile kurz zusammengefasst erwähnt. Das Magnetresonanzgerät umfasst einen supraleitenden Magneten 2, der in seinem zylindrischen Innenraum in einem Abbildungsbereich 4 ein konstantes und homogenes Magnetfeld erzeugt. In dem zylindrischen Innenraum befindet sich eine Hochfrequenzantenneneinheit 6 zur Anregung und zum Empfang von Magnetresonanzsignalen. Die Hochfrequenzantenneneinheit 6 ist mit einer Hochfrequenzsende- und -empfangseinheit 8 verbunden. Ebenfalls im Innenraum des Magneten 2 ist eine Gradientenspuleneinheit 10 zur Ortskodierung der Magnetresonanzsignale mit zeitlich und örtlich variablen magnetischen Gradientenfeldern angeordnet. Die dazu erforderlichen Ströme liefert eine Gradientenverstärkereinheit 12. Aus den empfangenen und ortskodierten Magnetresonanzsignalen rekonstruiert eine Bildeinheit 14 entsprechende Schnittbilder. Eine Steuerung 16, realisiert durch einen Rechner mit einem entsprechenden Steuerprogramm, steuert den gesamten Messablauf und die Bilderzeugung. Mit der Steuerung 16 ist eine Benutzerschnittstelle 18 verbunden, die im Allgemeinen einen Monitor, eine Eingabetastatur und eine Maus oder ein anderes Bedienelement für einen Cursor auf dem Monitor umfasst.
Zur Planung einer Magnetresonanzmessung für eine diagnostisch aussagekräftige Bildgebung werden häufig zunächst Übersichtsbilder erzeugt, auf denen dann mittels einer grafischen Schichtpositionierung die Lage und Ausrichtung der zur Abbildung vorgesehenen Schnittebenen bestimmt werden. Wenn eine bestimmte Schicht 20 innerhalb eines bewegten Organs 22, wie z.B. das Herz, abgebildet werden soll, ergibt sich für jeden Zeitpunkt eine andere Position der Schichtebene. Die periodische Verlagerung der abzubildenden Schicht oder auch des ab zubildenden Objektbereichs ist in 1 durch einen Doppelpfeil 24 symbolisiert.
2 zeigt die wesentlichen Verfahrensschritte zur Abbildung eines bewegten Objektbereichs eines Objekts. In einem ersten Schritt 30 wird mit einer geeigneten, schnellen Magnetresonanzsequenz, wie z.B. einer Cine TrueFISP-Sequenz in einer Schnittebene, in der die Bewegung des abzubildenden Objektbereichs gut darstellbar und analysierbar ist, ein Übersichtsbilddatensatz erstellt. Dabei wird mit einzelnen Übersichtsbildern in ausreichender zeitlicher Auflösung die Bewegung des Objektbereichs vollständig erfasst.
In einem anschließenden Markierungsschritt 32 werden beispielsweise die Extrempositionen in der Bewegung des Objektbereichs markiert. Die Bewegung von der ersten Extremposition zur zweiten Extremposition kann beispielsweise beschrieben werden durch eine Verschiebung, eine Verkippung und eine in der Ebene festgestellte Verdrehung der zweiten Extremposition gegenüber der ersten Extremposition.
In einem Interpolationsschritt 34 werden mittels einer geeigneten Interpolationsfunktion weitere Positionen zu weiteren Zeitpunkten aus den markierten Positionen und den entsprechenden Zeitpunkten bestimmt.
Schließlich erfolgt eine Bildgebung 36 des bewegten Objektbereichs unter Verwendung der vorher markierten und auch interpolierten Positionen mit einer Bildgebungssequenz, die eine für eine Diagnose ausreichende räumliche und zeitliche Auflösung der Bilddaten liefert. Beispielsweise wird für die Herzbildung eine Cine Sequenz mit TrueFISP- oder FLASH-Kontrast verwendet.
Anhand von 3 und 4 soll die Markierung von zwei Positionen, die der Objektbereich im Verlauf der Bewegung einnimmt, erläutert werden. 3 zeigt die Lage eines abzubil denden Bereichs eines bewegten Objekts in einer ersten Extremposition, die durch die Schichtgeometrie G₁(t₁) bestimmt ist. Dargestellt ist noch der Normalenvektor N₁ dieser Schichtgeometrie G₁(t₁). Der Normalenvektor dient allgemein der Bestimmung einer Verkippung oder Drehung des abzubildenden Bereichs. 4 zeigt eine zweite Extremposition desselben abzubildenden Bereichs, definiert durch die Schichtgeometrie G₂(t₂). Auch hier ist noch der Normalenvektor N₂ dieser Schichtgeometrie in die Abbildung eingezeichnet. Zu erkennen ist, dass die Schichtposition G₂(t₂₎ sich aus der Schichtposition G₁(t₁₎ durch eine Verschiebung 38 und durch eine Verkippung (siehe die veränderte Ausrichtung der beiden Normalenvektoren N₁ und N₂) überführen lässt. Gegebenenfalls ist noch eine Drehung in der Schichtebene zu berücksichtigen.
Zwischen den extremen Positionen des Objektbereichs oder der beiden Extrem-Schichtgeometrien und den dazu gehörenden Zeitpunkten, an diese Positionen eingenommen werden, werden für zwischen liegende Zeitpunkte weitere Schichtgeometrien interpoliert. Die Interpolationsfunktion ist durch eine typische Bewegung des bewegten Objektbereichs bestimmt. 5 zeigt eine Interpolationsfunktion, die sich für die Schichtverschiebung der Herzklappenebene des Herzens eignet. Die Interpolationsfunktion ist abschnittsweise definiert. Sie verläuft vom Zeitpunkt t₁ bis zum Zeitpunkt t₂ sinusförmig ansteigend, danach fällt sie von Bereich t₂ bis t₃ wiederum sinusförmig. Für Zeitpunkte nach t₃ ist die Interpolationsfunktion Null. Der Wert Null der Interpolationsfunktion bedeutet, dass die Schichtgeometrie zum Zeitpunkt t₁ vollständig von der in der Bildfolge definierten ersten Schichtgeometrie bestimmt wird. Beim Maximum der Interpolationsfunktion wird exakt die zweite Schichtgeometrie verwendet. Für alle anderen Zeitpunkte zwischen den beiden Zeitpunkten der Extrempositionen werden die entsprechenden Schichtgeometrien aus der Amplitude der Interpolationsfunktion und den Geometrien der beiden Geometriepositionen bestimmt. Dieser Zusammenhang kann formelmäßig wie folgt beschrieben werden: Gi(t) = I(t)G1 + (1 – I(t))G2,wobei G_i(t) die interpolierte Schichtgeometrie zum Zeitpunkt t und I(t) die oben schon erwähnte Interpolationsfunktion beschreibt.
Das vorstehend anhand von zwei Schichtgeometrien erläuterte Verfahren kann für eine größere Anzahl von markierten Schichtgeometrien mit den dazugehörigen Zeitpunkten angewendet werden, um die individuelle Anpassung der Interpolationsfunktion an die durch den Übersichtsbild-Datensatz vorgegebenen dynamischen Informationen zu ermöglichen. Dies ist besonders bei Pathologien vorteilhaft, da dann charakteristische Abweichungen des Bewegungsablaufs von der Norm berücksichtigt werden müssen.
Das vorstehende Verfahren ist beispielhaft an der Bildgebung mittels Magnetresonanz erläutert worden. Es lässt sich jedoch auch bei anderen Bildgebungsmodalitäten, wie z.B. für Ultraschallbildgebung, einsetzen.

Claims

Verfahren zur Bildgebung eines periodisch bewegten Objektbereichs (20) eines Objekts (22) mit den Schritten: – Erstellen eines Übersichtsbilddatensatzes, der eine Bewegung des Objektbereichs abbildet (30), – Markieren von mindestens zwei Positionen (G₁, G₂), die der Ojektbereich zu entsprechenden Zeitpunkten (t₁, t₂) einnimmt, auf dem Übersichtsbilddatensatz (32), – Interpolieren von weiteren Positionen (G) des Objektbereichs zu weiteren Zeitpunkten (t) aus den markierten Positionen und weiteren Zeitpunkten (34), – Durchführung einer nachfolgenden Bildgebung des bewegten Objektbereichs unter Verwendung der markierten und interpolierten Positionen (36).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Extremposition (G₁, G₂) des Objektbereichs (20) markiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Extrempositionen (G₁, G₂) des Objektbereichs markiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung der markierten und interpolierten Positionen aus einer Verschiebung (38) des Objektbereichs erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung der markierten und interpolierten Positionen aus einer Änderung eines Normalenvektors (N₁, N₂) des Objektbereichs (20) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung der markierten und interpolierten Positionen aus einer Rotation des Objektbereichs (20) in sich erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Interpolation der weiteren Positionen (G) mittels einer Interpolationsfunktion (I(t)) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Interpolationsfunktion (I(t)) abschnittsweise definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Interpolationsfunktion (I(t)) sinusförmige Abschnitte umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Interpolationsfunktion (I(t))zwischen den Extrempositionen (G₁, G₂) sinusförmig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10. dadurch gekennzeichnet, dass die Bildgebung mittels magnetischer Resonanz erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtebene im Herzen in einer Cine-Bildgebung abgebildet wird.