DE102012216652A1 - Angiographisches Untersuchungsverfahren - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein angiographisches Untersuchungsverfahren eines Organs, Gefäßsystems oder anderer Körperregionen als Untersuchungsobjekt eines Patienten mittels einer 4-D-Rotationsangiographie mit folgenden Verfahrensschritten: S1) Akquisition von Projektionsbildern (24) in verschiedenen Herzphasen (c0 bis cN), S2) Rekonstruktion von 3-D-Volumenbildern (26) in den verschiedenen Herzphasen (c0 bis cN), S3) Berechnung einer Motion-Map (28, 38), S4) Bildkombination der 3-D-Volumenbilder (26) mit der Motion-Map (28, 38) zur Erzeugung von resultierenden, korrigierten 3-D-Volumenbildern (40) in den verschiedenen Herzphasen (c0 bis cN) und S5) Darstellung der resultierenden, korrigierten 3-D-Volumenbilder (40).
Description
- Die Erfindung betrifft ein angiographisches Untersuchungsverfahren eines Organs, Gefäßsystems oder anderer Körperregionen als Untersuchungsobjekt eines Patienten mittels einer 4-D-Rotationsangiographie.
- Ein derartiges oben genanntes angiographisches Untersuchungsverfahren lässt sich beispielsweise mit einem aus der
US 7,500,784 B2 bekanntem Angiographiesystem durchführen, das anhand der1 nachfolgend erläutert ist. - Die Standard-4-D-Rotationsangiographie resultiert in Rekonstruktionen von einzelnen Volumina pro Herz-Phase. Typischerweise sind diese Einzelvolumina sehr stark von Streifen-Artefakten beeinflusst, die durch die geringe Anzahl an vorhandenen Projektionen pro Herzphase entstehen.
- Die 4-D-Rotationsangiographie, eine sogenannte 4-D-DynaCT®, kann mit mehreren Rotationen durchgeführt werden, kann aber auch mit nur einer Rotation auskommen. Bei Standard-Verfahren spielt die Anzahl von vorhandenen Projektionen pro Phase eine Rolle. In der Regel sind es bei 4-D-DynaCT® mit einer Rotation ca. 30 Projektionen pro Phase. Dadurch entstehen Streifen-Artefakte in den rekonstruierten Schichten, wie dies nachfolgend noch erläutert wird. Je weniger Projektionen genutzt werden, desto mehr Streifen-Artefakte entstehen bei der Rekonstruktion, da diese Rekonstruktionsart keine redundanten Informationen nutzt.
- Andere aus der Literatur bekannte Verfahren arbeiten mit iterativer Rekonstruktion und Minimierungsverfahren auf Basis der Rohdaten, wie es beispielsweise in "Prior image constrained compressed sensing (PICCS): A method to accurately reconstruct dynamic CT imgages from highly undersampled projection data sets" von Guang-Hong Chen et al., veröffentlicht in Med Phys. 2008 February, Vol. 35, No. 2, Seiten 660 bis 663 beschrieben ist. Dies ist in der Regel sehr aufwändig und benötigt eine neue Rekonstruktionskette.
- Die
1 zeigt ein als Beispiel dargestelltes biplanes Röntgensystem zur Durchführung einer 4-D-Rotationsangiographie mit zwei von je einem Ständer1 und1' in Form eines sechsachsigen Industrie- oder Knickarmroboters gehaltenen C-Bogen2 und2' , an deren Enden je eine Röntgenstrahlungsquelle, beispielsweise Röntgenstrahler3 und3' mit Röntgenröhren und Kollimatoren, und je ein Röntgenbilddetektor4 und4' als Bildaufnahmeeinheit angebracht sind. Der Ständer1 ist dabei auf dem Fußboden5 montiert, während der zweite Ständer1' an der Decke6 befestigt sein kann. - Mittels des beispielsweise aus der
US 7,500,784 B2 bekannten Knickarmroboters, welcher bevorzugt sechs Drehachsen und damit sechs Freiheitsgrade aufweist, können die C-Bogen2 und2' beliebig räumlich verstellt werden, zum Beispiel indem sie um ihre Drehzentren zwischen den Röntgenstrahlern3 und3' sowie den Röntgenbilddetektoren4 und4' gedreht werden. Das erfindungsgemäße angiographische Röntgensystem1 bis4 ist insbesondere um Drehzentren und Drehachsen in der C-Bogen-Ebene der Röntgenbilddetektoren4 und4' drehbar, bevorzugt um den Mittelpunkt der Röntgenbilddetektoren4 und4' und um den Mittelpunkt der Röntgenbilddetektoren4 und4' schneidende Drehachsen. - Der bekannte Knickarmroboter weist ein Grundgestell auf, welches beispielsweise auf dem Boden
5 oder an der Decke6 fest montiert ist. Daran ist drehbar um eine erste Drehachse ein Karussell befestigt. Am Karussell ist schwenkbar um eine zweite Drehachse eine Roboterschwinge angebracht, an der drehbar um eine dritte Drehachse ein Roboterarm befestigt ist. Am Ende des Roboterarms ist drehbar um eine vierte Drehachse eine Roboterhand angebracht. Die Roboterhand weist ein Befestigungselement für den C-Bogen2 oder2' auf, welches um eine fünfte Drehachse schwenkbar und um eine senkrecht dazu verlaufende sechste Rotationsachse rotierbar ist. - Die Realisierung der Röntgendiagnostikeinrichtung ist nicht auf den Industrieroboter angewiesen. Es können auch übliche C-Bogen-Geräte Verwendung finden.
- Die Röntgenbilddetektoren
4 und4' können rechteckige oder quadratische, flache Halbleiterdetektoren sein, die vorzugsweise aus amorphem Silizium (a-Si) erstellt sind. Es können aber auch integrierende und eventuell zählende CMOS-Detektoren Anwendung finden. - Im Strahlengang der Röntgenstrahler
3 und3' befindet sich eine Tischplatte7 eines Patientenlagerungstisches8 zur Aufnahme eines zu untersuchenden Patienten als Untersuchungsobjekt. Der Patientenlagerungstisch8 ist mit einem Bedienpult9 versehen. An der Röntgendiagnostikeinrichtung ist eine Systemsteuerungseinheit10 mit einem Bildsystem11 angeschlossen, das die Bildsignale der Röntgenbilddetektoren4 und4' empfängt und verarbeitet (Bedienelemente sind beispielsweise nicht dargestellt.). Die Röntgenbilder können dann auf Displays einer Monitorampel12 betrachtet werden. Das Bildsystem11 weist eine Vorrichtung auf, deren Funktion noch genauer beschrieben wird. - Anstelle des in
1 beispielsweise dargestellten Röntgensystems mit den Ständern1 und1' in Form des sechsachsigen Industrie- oder Knickarmroboters kann, wie in2 vereinfacht dargestellt, das angiographische Röntgensystem auch eine normale decken- oder bodenmontierte Halterung für den C-Bogen2 aufweisen. - Anstelle der beispielsweise dargestellten C-Bogen
2 und2' kann das angiographische Röntgensystem auch getrennte decken- und/oder bodenmontierte Halterungen für die Röntgenstrahler3 und3' und die Röntgenbilddetektoren4 und4' aufweisen, die beispielsweise elektronisch starr gekoppelt sind. - Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein angiographisches Untersuchungsverfahren der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass eine Reduktion von Streifen-Artefakten in der herzkorrelierten 4-D-Rotationsangiographie, der sogenannten DynaCT®, unterdrückt wird.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für ein angiographisches Untersuchungsverfahren der eingangs genannten Art durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
- Die Aufgabe wird für ein angiographisches Untersuchungsverfahren erfindungsgemäß durch folgende Schritte gelöst:
- S1) Akquisition von Projektionsbildern in verschiedenen Herzphasen und Positionen,
- S2) Rekonstruktion von 3-D-Volumenbildern in den verschiedenen Herzphasen aus den Projektionsbildern,
- S3) Berechnung einer Motion-Map aus den 3-D-Volumenbildern,
- S4) Bildkombination der 3-D-Volumenbilder mit der Motion-Map zur Erzeugung von resultierenden, korrigierten 3-D-Volumenbildern in den verschiedenen Herzphasen und
- S5) Darstellung der resultierenden, korrigierten 3-D-Volumenbilder.
- Dieses erfindungsgemäße Verfahren benutzt redundante Daten, um die Streifen-Artefakte in den Bildern der herzkorrelierten 4-D-Rotationsangiographie, wie beispielsweise bei DynaCT®, zu reduzieren.
- Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein bekanntes biplanes C-Bogen-Angiographiesystem mit je einem Industrieroboter als Tragvorrichtungen, -
2 die Verhältnisse bei einer EKG-korrelierten Akquisition während einer Rotation mit einem Rotations-Angiographiesystem gemäß1 , -
3 eine Serie von nach einem Standard-Verfahren der Rotationsangiographie gemäß2 akquirierten Projektionsbildern, -
4 Erstellung einer Motion-Map aus rekonstruierten 3-D-Volumenbildern, -
5 bis8 zeichnerische Erläuterungen zur Nachverarbeitung der gemäß4 erstellten Motion-Map, -
9 zeichnerische Darstellung einer linearen Bildkombination mit linearer Interpolation und -
10 bis13 zeichnerische Erläuterungen zum zeitlichen Ablauf der Nachverarbeitung und deren Ergebnisse. - In der
2 sind die Verhältnisse bei einer EKG-korrelierten Akquisition mit einem C-Bogen-Gerät gemäß1 während einer Rotation veranschaulicht, die bei einer Herzrate von 90 bis 131 bpm, einer Dauer von 10s bis 15s sowie mit oder ohne Herzphasensteuerung (Pacing) durchgeführt wird. Erfolgt kein Pacing, dann wird eine bekannte manuelle Sortierung der Phasen aus dem EKG bewirkt. - In dieser Figur ist ein erstes EKG
13 dargestellt, das verschiedene Herzphasen c0 bis cN aufweist. Diesen Herzphasen c0 bis cN sind verschiedene Projektionswinkel θ0 bis θ0 + n·Δθ zugeordnet. So ergibt sich für ein erstes Bild14 einer ersten Herzphase c0 ein Wert P(θ0, c0), ein erstes Bild15 einer zweiten Herzphase P(θ0 + Δθ, c1), ein erstes Bild16 einer dritten Herzphase P(θ0 + 2Δθ, c2) und ein erstes Bild17 einer N-ten Herzphase P(θ0 + NΔθ, cN) P(θ0 + NΔθ, cN). - Dies lässt sich fortsetzen, wie dies durch den Pfeil
18 symbolisiert wird, bis man zu einem zweiten EKG19 gelangt. - Diesen Herzphasen c0 bis cN sind wieder verschiedene Projektionswinkel θ0 + n·Δθ bis θ0 + (n + N)·Δθ zugeordnet. So ergibt sich für ein zweites Bild
20 einer ersten Herzphase c0 ein - Wert P(θ0 + nΔθ, c0), ein zweites Bild
21 einer zweiten Herzphase P(θ0 + (n + 1)Δθ, c1), ein zweites Bild22 einer dritten Herzphase P(θ0 + (n + 2)Δθ, c2) und ein zweites Bild23 einer N-ten Herzphase P(θ0 + (n + N)Δθ, cN). - In der
3 ist die nach einem Standard-Verfahren mit ca. 30 Projektionen pro Herzphase bei 120 bpm und 13 s Scanzeit erstellte Serie von Projektionsbildern24 dargestellt, die die störenden Streifen-Artefakte25 aufweisen. Die Indizes c0 bis cN bezeichnen die Projektionsbilder24 der aktuellen Herzphasen. -
- einer bildbasierten Bewegungskarte oder -plan, einer sogenannten Bewegungs-Map oder Motion-Map
28 erfolgt. Die Indizes fc0 bis fcN der 3-D-Volumenbilder26 bezeichnen das rekonstruierte 3-D-Volumen bei der entsprechenden Herzphase (c0 bis cN) und enthalten die Bildinformationen. - Da die Motion-Map
28 auch störende Streifen-Artefakte25 aufweist, wird eine Nachverarbeitung der Motion-Map28 durchgeführt, die anhand der5 bis8 näher erläutert wird. - Ein Verfahren ist die Analyse im Frequenzbereich. In
5 werden in einem 3-D-Volumenbild26 sowie der Motion-Map28 repräsentativ gewählte zwei Pixel29 und30 betrachtet, von denen das erste Pixel29 eine große Bewegung mit niedriger Frequenz und das zweite Pixel30 eine geringe Bewegung mit hoher Frequenz aufweisen. - Die
6 gibt die Signalverläufe der Pixel29 und30 wieder, wobei der Signalverlauf31 des ersten Pixels29 eine niedrigere Frequenz als der Signalverlauf32 des zweiten Pixels30 aufweist. - In der
7 sind nun die Gegebenheiten der Modulation der Herzbewegung und der Streifen-Artefakte25 über der Ortsfrequenz u aufgetragen, wobei ein modulierter Signalverlauf33 des ersten Pixels29 und ein modulierter Signalverlauf34 des zweiten Pixels30 dargestellt sind, die eine Modulationsrichtung35 aufweisen. - Die
8 stellt die Gegebenheiten nach einer Demodulation der Herzbewegung und der Streifen-Artefakte25 aufgetragen über der Ortsfrequenz u mit einem demodulierten Signalverlauf36 des ersten Pixels29 und einem demodulierter Signalverlauf37 des zweiten Pixels30 dar. - Bei dem Prinzip der Modulation und Demodulation geht es im Wesentlichen darum, dass sich die Pixelwerte an einigen Stellen, beispielsweise beim zweiten Pixel
30 , nur aufgrund der Streifen-Artefakte25 quasiperiodisch ändern. Diese quasiperiodischen Änderungen der Streifen-Artefakte25 beruhen auf dem sogenannten Windmühlen-Effekt. Sie sind Abtastartefakte als Funktion der Zeit. An anderen Stellen, beispielsweise beim ersten Pixel29 , ist die Änderung dieses Pixels30 als Funktion der Zeit aufgrund des Windmühlen-Effekts und Herzbewegungs-Artefakten zurückzuführen. Diese Art der Änderung gilt es zu erkennen und diese mit Filtern, z.B. Demodulation, selektive Weichzeichnung zu bearbeiten. - Die Prinzipien der Modulation und Demodulation sind allgemein aus der Signaltheorie oder Signalverarbeitung bekannt; dabei können Fourier-Analyse oder Bandfilterung eingesetzt werden. Die Modulation ist durch die Aufnahme selber gegeben; die Demodulation wird dazu genutzt, um das "Träger"-Signal von dem "Echten"-Signal zu trennen. Bei dieser hier vorliegenden bestimmten Aufnahmeform geht das relativ einfach, da die Windmühlen-Artefakte eine ziemlich definierte Frequenz aufweisen, die lediglich von der Aufnahmegeometrie abhängt und demnach einfach vorher zu berechnen ist.
- Als weitere Verfahren zur Nachverarbeitung der Motion-Map
28 sind morphologische Operationen wie beispielsweise Erosion und/oder Dilatation der Motion-Map28 anwendbar. - Auch kann das Verfahren des Sub-Sampling und der Interpolation, beispielsweise bilinear oder spline, der Motion-Map
28 zur Nachverarbeitung angewandt werden. - Als Resultat der Nachverarbeitung der Motion-Map
28 durch eines dieser Verfahren erhält man eine korrigierte Motion-Map, die nahezu frei von Streifen-Artefakten25 ist. - Ein in
9 dargestelltes Beispiel einer Bildkombination ist eine lineare Kombination mit linearer Interpolation Es sind jedoch auch andere Kombinationsarten wie beispielsweise polynomische oder quadratische Bildkombinationen möglich. Auch Bildkombinationen mit einem Faltungsoperator sind denkbar. - Anhand der
9 wird nun eine der möglichen Bildkombinationen erklärt, die sich allgemein aus folgender Gleichung ergibt:F(x, y, z, cn) = f(x, y, z, cn)·MM(x, y, z) + f (x, y, z)·(1 – MM(x, y, z)) - Die Pixel der rekonstruierten 3-D-Volumenbilder
26 f(x, y, z, cn) werden mit den Pixeln der korrigierten Motion-Map38 MM(x, y, z) multipliziert. Dazu wird das Produkt aus Eins minus korrigierter Motion-Map38 MM(x, y, z) und dem Mittelwertbild39 f (x, y, z)40 . - Diese Multiplikation stellt den einfachsten Fall einer Bildkombination dar, bei der eine pixel- oder voxelweise Multiplikation (Gewichtung) der zwei Bilder (oder Volumen) immer pro Phase durchgeführt wird, wobei die Motion-Map nach der Nachverarbeitung konstant bleibt.
- Anders formuliert würde das Ergebnis für das Beispiel der ersten Herzphase c0 folgendermaßen aussehen:
Fc0(x, y, z) = fc0(x, y, z)·MM(x, y, z) + f (x, y, z)·(1 – MM(x, y, z)) - Dies ist beispielhaft für eine lineare Interpolation so dargestellt. Im Falle einer nicht-linearen Kombination müsste eine entsprechende Funktion f(MM(x, y, z)) definiert werden, z.B. polynomisch. Im vorliegenden Falle geht es hauptsächlich darum, die Einzelvolumina entsprechend der Motion-Map zu gewichten.
- Das Ergebnis der Nachverarbeitung kann auch anhand der
10 bis13 näher erläutert und symbolisch gezeigt werden, die die zeitliche Reihenfolge der Bildentstehungen wiedergeben. Der Ausgangspunkt ist die Bildserie "vor Motion-Map – Nachverarbeitung" der rekonstruierten 3-D-Volumenbilder26 . Daraus wird die Motion-Map28 berechnet. Diese Motion-Map28 wird dann anhand der in den5 bis8 beschriebenen Bearbeitung in eine "Motion-Map – Nachverarbeitung", der korrigierten Motion-Map38 korrigiert. Zum Schluss werden gemäß oben genannter Gleichung die resultierenden, korrigierten 3-D-Volumenbilder40 "nach Motion-Map – Nachverarbeitung" berechnet. - Das oben vorgeschlagene Verfahren arbeitet auf Basis der rekonstruierten Schichten, der 3-D-Volumenbilder
26 . - Eine Akquisitionsart ist eine Rotation mit guter Winkelabtastung, beispielsweise einer Abtastzeit von 13 s, 0,5° Winkelinkrement und 2 × 2 Binning. Daraus resultieren in etwa 380 Projektionen über alle Phasen. Vorhandene, redundante Informationen werden ausgenutzt, da sich nur einige der Voxel im Bild ändern. Die Änderung der Voxel wird durch die Motion-Map
28 pro Schicht ausgerechnet. Die Motion-Map28 gibt den Gehalt der Bewegung oder Änderung der Voxel-Werte über die Zeit wieder. Ein Voxel weist eine unterschiedliche Bewegungsfunktion, d.h. Änderungsfunktion oder Gradient, im Herzen auf, als wenn es sich in einem anderen Körperteil befände. - Die Motion-Map
28 ist im ersten Schritt auch durch Streifen-Artefakte25 beeinflusst. Um diese zu reduzieren, werden drei Nachverarbeitungsmethoden vorgeschlagen, um Änderungen durch Streifen-Artefakte25 und Änderungen durch reine Herzbewegung zu trennen. Daraus resultiert eine Reduzierung der Streifen-Artefakte25 in der Motion-Map28 . - Die Motion-Map
28 wird als Kombinationsgewicht zwischen der Rekonstruktion einer einzelnen Phase (z.B. c0) und dem Mittelwertbild aus allen Phasen genutzt. Es wird dabei angenommen, dass die Voxel-Werte in der Motion-Map28 mit einem kleinen Wert weniger zur Herzbewegung beitragen. - Die Bildkombination kann durch lineare Interpolation gemacht werden, aber auch andere Kombinationsarten sind möglich.
- Die resultierenden korrigierten 3-D-Volumenbilder
40 weisen deutlich weniger Streifen-Artefakte25 auf. - Das erfindungsgemäße Verfahren ist für Monoplan- und Biplan-Systeme anwendbar. Entgegen vielen anderen bekannten Verfahren ist es ein reines bild-basiertes Verfahren. Es sind weder Rohdaten, noch Geometrie- oder andere Informationen erforderlich.
- Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden Streifen-Artefakte
25 aus 4-D-Rotationsangiographien, sogenannte 4-D-DynaCT®-Bilder, nahezu vollständig mit begrenzten Raum- und Zeit-Auflösungsverlust eliminiert. - Die Generierung und Nachverarbeitung der Motion-Map
28 verringert weiterhin störende Streifen-Artefakte25 . - Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch anwendbar für andere Protokolle mit Änderungen in der Zeitrichtung, beispielsweise Perfusion.
- Für die Berechnungen wird die vorhandene Rekonstruktionskette effektiv ausgenutzt.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- US 7500784 B2 [0002, 0007]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- "Prior image constrained compressed sensing (PICCS): A method to accurately reconstruct dynamic CT imgages from highly undersampled projection data sets" von Guang-Hong Chen et al., veröffentlicht in Med Phys. 2008 February, Vol. 35, No. 2, Seiten 660 bis 663 [0005]
Claims (5)
- Angiographisches Untersuchungsverfahren eines Organs, Gefäßsystems oder anderer Körperregionen als Untersuchungsobjekt eines Patienten mittels einer 4-D-Rotationsangiographie gekennzeichnet durch folgende Schritte: S1) Akquisition von Projektionsbildern (
24 ) in verschiedenen Herzphasen (c0 bis cN) und Positionen, S2) Rekonstruktion von 3-D-Volumenbildern (26 ) in den verschiedenen Herzphasen (c0 bis cN) aus den Projektionsbildern (24 ), S3) Berechnung einer Motion-Map (28 ,38 ) aus den 3-D-Volumenbildern (26 ), S4) Bildkombination der 3-D-Volumenbilder (26 ) mit der Motion-Map (28 ,38 ) zur Erzeugung von resultierenden, korrigierten 3-D-Volumenbildern (40 ) in den verschiedenen Herzphasen (c0 bis cN) und S5) Darstellung der resultierenden, korrigierten 3-D-Volumenbilder (40 ). - Angiographisches Untersuchungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den 3-D-Volumenbildern (
26 ) ein Mittelwertbild (39 )f (x, y, z) - Angiographisches Untersuchungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die resultierenden, korrigierten 3-D-Volumenbilder (
40 ) gemäß folgender Gleichung berechnen:F(x, y, z, cn) = f(x, y, z, cn)·MM(x, y, z) + f (x, y, z)·(1 – MM(x, y, z)),26 ), – MM(x, y, z) eine Motion-Map (28 ,38 ), –f (x, y, z)39 ) über alle Phasenbilder und – F(x, y, z, cn) resultierende, korrigierte 3-D-Volumenbilder (40 ) darstellen. - Angiographisches Untersuchungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Motion-Map (
28 ,38 ) eine nachverarbeitete, korrigierte Motion-Map (38 ) ist.
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