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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Bildaufnahmeparametern für eine Durchleuchtungsaufnahme zur Abbildung eines zu untersuchenden Objekts und eine entsprechende Vorrichtung. Insbesondere im Rahmen der medizinischen Röntgenbildgebung ist es wichtig, geeignete Bildaufnahmeparameter zu bestimmen, um die gewünschte Qualität der Aufnahme zu gewährleisten.
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Bei der Anfertigung von Röntgenbildern wird, um überflüssige Dosis für den zu behandelnden Patienten zu vermeiden, die Energie der Strahlung auf ein Minimum reduziert, allerdings nur soweit, dass alle medizinisch relevanten Inhalte in guter Qualität sichtbar sind. Die Dosis wird unter anderem indirekt durch den Beschleunigungsstrom der Röntgenröhre und/oder der Belichtungszeit des Detektors bestimmt, die derart gewählt werden, dass die Qualität des Bildes bei gleichzeitig möglichst geringer Dosisbelastung für den Patienten gewährleistet bleibt.
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Eine feste Einstellung der Bildaufnahmeparameter ist zwar am einfachsten zu bewerkstelligen, allerdings ist dies in der Regel deutlich zu unflexibel. Insbesondere, wenn unterschiedliche Bereiche abgebildet werden sollen, ist die nötige Flexibilität nicht gewährleistet.
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Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von organspezifischen Einstellungen der Bildaufnahmeparameter, sogenannten „Organ Programms“. Dabei werden im Wesentlichen mehrere vorgegebene, feste Einstellungen hinterlegt. Je nach Organ, das durch die Röntgenaufnahme abgebildet werden soll, werden die Parameter entsprechend der für dieses Organ hinterlegten Einstellungen gewählt.
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Eine weitere Möglichkeit ist es, unmittelbar vor Anfertigung der eigentlichen Röntgenaufnahme eine Testaufnahme mit sehr geringer Dosis, also mit sehr wenig Energie, anzufertigen. Diese Testaufnahme, gelegentlich auch als Fluoro-Aufnahme bezeichnet, kann daraufhin ausgewertet und hierauf basierend das Röntgengerät und insbesondere die Röntgenröhre so eingestellt werden, dass der für die Diagnose relevante Helligkeitsbereich des Bildes in guter Qualität abgebildet wird.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem sich die Bildaufnahmeparameter für die Anfertigung einer Durchleuchtungsaufnahme für ein abzubildendes Organ gleichzeitig flexibel und genau ermitteln lassen. Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Bildaufnahmeparametern für eine Durchleuchtungsaufnahme zur Abbildung eines zu untersuchenden Objekts umfasst folgende Schritte:
- – Laden eines dreidimensionalen Abbildungsdatensatzes des abzubildenden Objekts,
- – Analysieren des Abbildungsdatensatzes hinsichtlich einer zu erwartenden Schwächung von das Objekt durchdringenden Röntgenstrahlung,
- – Bestimmung der Bildaufnahmeparameter für die Durchleuchtungsaufnahme unter Verwendung der Analyse des Abbildungsdatensatzes.
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Es wurde erkannt, dass die Verwendung von festen, organabhängigen Einstellungen mitunter zu unbefriedigenden Ergebnissen führt, da nicht alle Besonderheiten, die auf Unterschiede zwischen den einzelnen Patienten zurückzuführen sind, ausreichend berücksichtigt werden.
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Es wurde auch erkannt, dass die Verwendung einer Fluoro-Aufnahme zur Ermittelung der Parameter den Nachteil mit sich bringt, dass eine zusätzliche Aufnahme – wenn auch mit geringer Energie – notwendig ist. Dies erhöht einerseits den Zeitaufwand, da die Fluoro-Aufnahme eigens angefertigt und ausgewertet werden muss, und geht andererseits auch mit einer erhöhten Strahlenbelastung für den Patienten einher.
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Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, dass oftmals von dem abzubildenden Patienten bereits eine dreidimensionale Aufnahme vorliegt, in der das abzubildende Organ dargestellt ist. Dies kann beispielsweise eine Computertomographie sein. Diese Volumendarstellung kann nun für den Zweck verwendet werden, die geeigneten Bildaufnahmeparameter zu ermitteln. Dies gewährleistet eine Anpassung der Bildaufnahmeparameter an die individuellen Patienteneigenschaften.
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Insbesondere im Arbeitsablauf bei einer Strahlentherapie, insbesondere der Partikeltherapie, wird bei einem Patienten mehrfach eine Röntgenaufnahme angefertigt, z.B. jeweils vor Beginn einer Bestrahlungssitzung, um einen Patienten korrekt in Bezug auf den Behandlungsstrahl zu positionieren.
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In einem derartigen Fall liegt aber bereits eine dreidimensionale Aufnahme des Patienten vor, da diese für die Erstellung der Bestrahlungsplanung angefertigt und verwendet wurde. Diese dreidimensionale Aufnahme, üblicherweise eine Computertomographie, kann nun zweckentfremdet und dafür herangezogen werden, die für die nachfolgende Röntgenaufnahme optimalen Bildaufnahmeparameter zu bestimmen.
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Dabei kann die dreidimensionale Aufnahme herangezogen werden, um die Patientin typische Schwächung der Röntgenstrahlung abzuschätzen. Aus dieser Abschätzung können dann die möglichst optimalen Bildaufnahmeparameter für die nachfolgende Durchleuchtungsaufnahme ermittelt werden.
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So kann beispielsweise im Vorfeld anhand der dreidimensionalen Abbildungsdatensatzes festgestellt werden, dass bei einem Patienten aufgrund der anatomischen Verhältnisse eine besonders starke Schwächung von Röntgenstrahlen zu erwarten ist und dementsprechend die Dosis für die nachfolgende Durchleuchtungsaufnahme angepasst – und in diesem Falle erhöht – werden.
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Die Bestimmung der Bildaufnahmeparameter kann in einer Ausführungsvariante zusätzlich unter Verwendung von hinterlegten, von dem zu untersuchenden Objekt abhängigen Daten durchgeführt werden. Bei dieser Variante werden die Bildaufnahmeparameter nicht allein durch die Auswertung des dreidimensionalen Abbildungsdatensatzes bestimmt, sondern es können auch zusätzliche Informationen einfließen, die zuvor organspezifisch z.B. in einer Tabelle hinterlegt worden sind. So kann z.B. aus diesen hinterlegten Daten entnommen werden, wie der Beschleunigungsstrom, die Beschleunigungsspannung und/oder die Belichtungszeit für die Röntgenvorrichtung bzw. für die Röntgenröhre organspezifisch angepasst werden sollen.
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Anhand dieser organspezifischen Aufnahmeeinstellungen kann darauf abgestellt werden, was für die anzufertigende Durchleuchtungsaufnahme relevant ist. So ist es beispielsweise vorteilhaft, für Knochen eine höhere Beschleunigerspannung zu verwenden als für andere Organe. Auch kann auf diese Weise z.B. die die bevorzugte maximale Belichtungszeit organspezifisch vorgegeben werden, um so im Falle von bewegten Organen die bevorzugte maximale Belichtungszeit einzustellen. Diese Informationen lassen sich mitunter nicht allein aus einer Analyse des dreidimensionalen Aufnahmendatensatzes gewinnen, sondern müssen zusätzlich hinterlegt werden.
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Die hinterlegten Daten sind üblicherweise vom verwendeten Röntgensystem abhängig (z.B. von der Art der Röntgenröhre, des Detektors, usw.). Die hinterlegten Daten können von Erfahrungswerten stammen und/oder durch eine Kalibrierung ermittelt werden.
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Bei der Analyse des Abbildungsdatensatzes hinsichtlich der zu erwartenden Schwächung von Röntgenstrahlung kann ein digital rekonstruiertes Röntgenbild berechnet werden (auch als DRR für engl: "digitally reconstructed radiograph" bezeichnet). Das DRR hat den Vorteil, dass es der anzufertigenden Röntgenaufnahme hinsichtlich der Bildeigenschaften sehr ähnlich ist. Daher kann anhand der DRR die zu erwartende Qualität einer Durchleuchtungsaufnahme auf einfache Weise abgeschätzt werden. Auf diese Weise können die Parametereinstellungen für eine optimale Qualität bestimmt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, zur Berechnung der DRR die Abbildungsgeometrie der Röntgenvorrichtung zu verwenden, mit der dann die Durchleuchtungsaufnahme anfertigt werden soll. Dies bedeutet letztlich eine der zu verwendenden Röntgenvorrichtung angepasste Auswertung des dreidimensionalen Abbildungsdatensatzes.
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Zur Berechnung der DRR können die in dem dreidimensionalen Abbildungsdatensatz hinterlegten Dichtewerte aufsummiert werden. Im Falle einer computertomographischen Aufnahme können die Hounsfield-Unit-Werte (HU-Werte) einfach aufsummiert werden. Die HU-Werte einer Computertomographie entsprechen der Dichte des abzubildenden Gewebes relativ zu Wasser.
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Die Berechnung des DRR kann also mithilfe von patientenspezifischen Daten, z.B. der zu röntgenden Region des Patienten, dem CT-Volumen, usw..., und mithilfe von Daten, die durch den Aufbau der Röntgenvorrichtung gegeben sind, erfolgen. Typische Daten diesbezüglich sind der Abstand Quelle-Detektor (engl.: "source-detector"), der Abstand Quelle-Patient (engl.: "source-patient"), also Daten, die letztlich die Abbildungsgeometrie der Röntgenvorrichtung charakterisieren.
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Im Unterschied zu DRR-Berechnungsalgorithmen, wie sie für herkömmliche DRR-Berechnungen verwendet werden, kann hier ein vereinfachter DRR-Berechnungsalgorithmus eingesetzt werden.
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Dies ist möglich, da die berechnete DRR nicht für die Bilddarstellung verwendet wird, sondern lediglich dazu dient, die Qualität der DRR abzuschätzen bzw. die Parametereinstellungen für die nachfolgende Durchleuchtungsaufnahme zu ermitteln. Es ist z.B. möglich, die HU-Werte entlang der virtuellen Röntgenstrahlen einfach lediglich aufzusummieren. Auch die Luft außerhalb des CT-Volumens kann dabei berücksichtigt werden. Ein derartiger Summationsalgorithmus ist besonders einfach zu implementieren.
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Die Bestimmung der Bildaufnahmeparameter für die Durchleuchtungsaufnahme kann nun durch Auswertung der DRR erfolgen. So kann das DRR-Bild automatisch ausgewertet werden, z.B. hinsichtlich der berechneten Grauwerte. Beispielsweise kann für den Fall, dass lediglich die HU-Werte aufsummiert werden, der minimale aufsummierte HU-Wert, der maximale aufsummierte HU-Wert und/oder der Durchschnitt der aufsummierten HU-Werte bestimmt werden. Aus diesen Werten lässt sich abschätzen, wie stark Röntgenstrahlung bei dem Durchgang durch das abzubildende Objekt absorbiert wird, und wie demzufolge die Bildaufnahmeparameter für eine optimale Durchleuchtungsaufnahme einzustellen sind.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Bildaufnahmeparametern für eine Durchleuchtungsaufnahme zur Abbildung eines zu untersuchenden Objekts umfasst eine Rechnereinheit mit:
einer Schnittstelle zum Laden eines dreidimensionalen Abbildungsdatensatzes des abzubildenden Objekts, einer Komponente zum Analysieren des Abbildungsdatensatzes hinsichtlich einer zu erwartenden Schwächung von das Objekt durchdringenden Röntgenstrahlen, und einer Komponente zum Bestimmung der Bildaufnahmeparameter für die Durchleuchtungsaufnahme unter Verwendung der Analyse des Abbildungsdatensatzes.
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Die Vorrichtung kann beispielsweise in eine Steuerungsvorrichtung für das Röntgenaufnahmegerät integriert sein.
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Insbesondere ist die Vorrichtung derart ausgebildet bzw. konfiguriert, um im Betrieb ein Verfahren nach einem der obigen Verfahrensansprüche durchzuführen.
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Die vorangehende und die folgende Beschreibung der einzelnen Merkmale, deren Vorteile und deren Wirkungen bezieht sich sowohl auf die Vorrichtungskategorie als auch auf die Verfahrenskategorie, ohne dass dies im Einzelnen in jedem Fall explizit erwähnt ist; die dabei offenbarten Einzelmerkmale können auch in anderen als den gezeigten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
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1 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine stark schematisierte Darstellung einer Röntgenbildgebungsvorrichtung.
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1 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens. Ziel des Verfahrens ist es, Parametereinstellungen für ein Röntgengerät zu ermitteln, die es erlauben, von einem abzubildenden Organ eines Patienten ein qualitativ möglichst hochwertiges Röntgenbild zu erstellen.
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Ausgangspunkt des Verfahrens ist ein dreidimensionaler Abbildungsdatensatz, der für den Patienten bereits vorliegt, und in dessen 3D-Volumen das abzubildende Organ bereits abgebildet ist (Schritt 11). Der Abbildungsdatensatz kann eine Computertomographie sein, die insbesondere Ausgangspunkt für die Erstellung eines Bestrahlungsplans war.
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Anhand des dreidimensionalen Datensatzes wird eine DRR berechnet (Schritt 13).
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Vorzugsweise wird der Berechnung der DRR die Abbildungsgeometrie des Röntgengeräts zu Grunde gelegt. Die Positionierung des Abbildungsdatensatzes in Bezug auf den virtuellen Strahlengang, der der Berechnung der DRR zu Grunde liegt, entspricht dabei der Positionierung des Patienten in Bezug auf das Röntgengerät, wie sie für die Anfertigung des Röntgenbildes geplant ist.
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In einer Strahlentherapieanlage beispielsweise wird die Positionierung des Patienten in Bezug auf ein Röntgengerät, mit dem eine Positionsverifikation unmittelbar vor Beginn einer Bestrahlung durchgeführt wird, im Rahmen der Planung der Bestrahlungssitzungen festgelegt und ist daher im Vorfeld bekannt. Diese Position ist üblicherweise im System hinterlegt und kann dann zur Berechnung des DRR herangezogen werden.
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Wie oben bereits geschildert, kann zur Berechnung der DRR ein vereinfachter Algorithmus herangezogen werden, bei dem HU-Dichtewerte einer Computertomographie lediglich entlang der virtuellen Röntgenstrahlen aufsummiert werden.
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Nachdem das DRR-Bild berechnet worden ist, erfolgt eine Auswertung des DRR-Bildes (Schritt 15).
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Aus dem DRR-Bild kann beispielsweise die aufsummierte minimale Dichte, die aufsummierte maximale Dichte, bzw. die aufsummierte Durchschnittsdichte entnommen werden. Diese Größen stellen Werte dar, die die zu erwartende Schwächung von Röntgenstrahlung beim Durchtritt durch den Patienten darstellen.
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Basierend auf diesen Werten können dann die Parametereinstellungen für eine optimierte Röntgenaufnahme bestimmt werden. Eine Möglichkeit z.B. ist es, zu den Größen, welche die Schwächung der Röntgenstrahlung beim Durchtritt durch den Patienten charakterisieren, die jeweils passenden Parametereinstellungen in einer Look-Up-Tabelle zu hinterlegen. Die Parametereinstellungen können die Röntgenröhren-Beschleunigerspannung (kV), den Röntgenröhren-Beschleunigerstrom (mA) und/oder die Belichtungszeit (ms) betreffen.
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Durch das Verfahren können die Einstellungen des Röntgengerätes an die individuellen Unterschiede verschiedener Patienten angepasst werden, ohne vorher eine Fluoro-Aufnahme tätigen zu müssen.
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Letztlich wird die Computertomographie dazu verwendet, die optimale Strahlungsenergie und/oder die Belichtungszeit für die nachfolgende Röntgenaufnahme abzuschätzen. Dadurch verringert sich die Zeit, bis eine qualitativ hochwertige Röntgenaufnahme getätigt wird. Zudem wird die Dosis für den Patienten verringert.
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In einem optionalen Schritt (Schritt 17) können die Parametereinstellungen noch zusätzlich – abhängig von dem abzubildenden Organ – modifiziert werden. So kann z.B. bei einem für Knochen optimierten Röntgenbild die Parametereinstellungen (zusätzlich zu der Anpassung an die Patientenspezifika) anders gewählt werden als bei einem für ein Weichteilorgan optimierten Röntgenbild. So kann z.B. für Knochen ein höherer kV-Wert vorgegeben werden als für abdominelle Organe. Auch kann im Falle von bewegten Organen eine bevorzugte maximale Belichtungszeit vorgegeben werden. Letztlich erfolgt damit eine Anpassung der Parametereinstellungen nicht nur lediglich an die inter-individuellen Gegebenheiten, sondern auch an die organ-spezifischen Erfordernisse. Auch die organspezifische Anpassung kann anhand einer Look-Up-Tabelle implementiert werden.
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Da die organspezifischen Einstellungen, die in der Look-Up-Tabelle hinterlegt sind, stark vom verwendeten Röntgensystem abhängen (z.B. von der Röntgenröhre, von dem Detektor, usw.) werden sie vorzugsweise aus Erfahrungswerten und/oder durch Kalibrierung ermittelt.
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Nachdem die Parametereinstellungen ermittelt worden sind, kann eine Röntgenaufnahme für das Organ des Patienten angefertigt werden (Schritt 19).
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2 zeigt stark schematisiert ein Röntgengerät. Zu sehen ist eine Röntgenröhre 31 und ein gegenüberliegender Detektor 33. Ein Patient 35 wird zur Bildgebung im Strahlengang positioniert.
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Das Röntgengerät wird durch eine Steuerungsvorrichtung 37 gesteuert. Die Steuerungsvorrichtung umfasst eine Rechnereinheit 39, in der das oben beschriebene Verfahren implementiert ist. Hierzu verfügt die Rechnereinheit über einen Eingang 41, über den ein bereits existierender Volumendatensatz bereitgestellt werden kann. Nachdem der Volumendatensatz geladen ist, kann die Rechnereinheit 39 unter Vorgabe des abzubildenden Organs das oben beschriebene Verfahren ausführen und so die durchzuführende Röntgenaufnahme an das abzubildende Organ und an die Individualität des Patienten 35 angepassten Parametereinstellungen ermitteln.
