DE102013206113A1

DE102013206113A1 - Verfahren zur Überwachung der Gültigkeit der Systemkalibrierung eines C-Bogen-Systems

Info

Publication number: DE102013206113A1
Application number: DE201310206113
Authority: DE
Inventors: Rainer Graumann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2013-04-08
Filing date: 2013-04-08
Publication date: 2014-10-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Gültigkeit einer Kalibrierung einer Datenakquisition bei einem C-Bogen-System (1) im laufenden Betrieb, wobei im laufenden Betrieb bei einer 3D-Datenakquisition eines im Aufnahmebereich nicht bewegenden Patienten (5) mit zumindest einem Hochkontrastobjekt ein originäres Sinogramm gewonnen wird, das originäre Sinogramm mit aktuell zur 3D-Bilderzeugung verwendeten Kalibrierungsdaten zu einem korrigierten Sinogramm korrigiert wird, im korrigierten Sinogramm nach entsprechend der Aufnahmesituation typisch sinusähnlichen Kantenverläufen gesucht wird, die Abweichung der gefundenen Kantenverläufe von einem ideal glatten Kantenverlauf ermittelt wird, und das Vorliegen der Abweichung oder die Größe der Abweichung angezeigt und/oder gespeichert wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein C-Bogen-System (1) mit einem Computer mit einem Speicher für Programmcode, welcher das vorstehend genannte Verfahren ausführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Gültigkeit einer Kalibrierung einer Datenakquisition (=Systemkalibrierung) bei einem C-Bogen-System im laufenden Betrieb.
Grundsätzlich sind im Stand der Technik Kalibrierungsverfahren für C-Bogen-Systeme bekannt, bei denen die regelmäßig auftretenden Schwingungen und Bewegungen des C-Bogens bei der Ausführung einer 3D-Bildakquisition kompensiert werden. Dabei rotiert der C-Bogen auf reproduzierbare Weise von vorgegebenen Ausgangspunkten aus und tastet ein Untersuchungsobjekt kreisförmig über eine Rotation von mindestens 180° ab. Die dabei ermittelten Bewegungen – die sich durch Verschiebungen im Sinogramm zeigen – werden über ein entsprechendes Kalibrierungsverfahren bestimmt und bei weiteren Abtastungen dazu verwendet, die während einer folgenden 3D-Abtastung wiederholt in gleicher Weise auftretenden unerwünschten Bewegungen im Sinogramm zu kompensieren.
Bezüglich solcher bekannter Kalibrierungsverfahren wird beispielhaft auf die Druckschriften EP 2098168 B1 , DE 10215808 A1 (~ US 6,851,855 B2 ), die DE 10210287 A1 (~ US 6,932,506 B2 ) und US 7,251,522 B2 verwiesen.
Da sich im Laufe der Zeit die mechanischen Belastungen auf einen C-Bogen summieren wird es notwendig, solche Kalibrierungen von Zeit zu Zeit zu wiederholen. Bekannt ist dabei, dass entweder nach vorgegebenen Zeitintervallen oder Nutzungsperioden oder vorgezogen bei einer auffälligen Verschlechterung der Bildergebnisse eine solche Kalibrierung wiederholt wird.
Nachteilig ist dabei, dass die mechanische Belastung des C-Bogens nur sehr schwer vorhersagbar ist beziehungsweise auch von zufälligen Ereignissen bei der Nutzung oder Lagerung des C-Bogen-Systems abhängt und daher gemessen an der tatsächlichen Notwendigkeit entweder zu häufig oder auch zu selten ausgeführt wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Überwachung der Gültigkeit einer Kalibrierung bei der Datenakquisition bei einem C-Bogen-System im laufenden Betrieb zu finden, ohne dass die Kalibrierung selbst unnötig ausgeführt werden muss und ohne dass zusätzliche Phantommessungen vorgenommen werden müssen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
Der Erfinder hat erkannt, dass der Prozess der Re−Kalibrierung nicht nach festgesetzten zeitlichen Abständen, sondern nach der augenblicklich vorhandenen Kalibrierungsqualität auf der Basis einer Sinogrammauswertung aktueller Patientenaufnahmen ausgeführt werden kann. Dafür wird vorgeschlagen, eine automatische Analyse aktueller Sinogramme von Patienten im laufenden Betrieb auszuführen. Bei dieser Analyse können aufgenommene Hochkontrastobjekte im Patienten, wie beispielsweise Knochen in Gewebe oder Implantate, oder auch im Bild aufgenommene zusätzliche Markierungen am oder um den Patienten verwendet werden. Wesentlich ist dabei, dass die dafür genutzten Hochkontrastobjekte, und damit die daran entstehenden signifikanten Helligkeitsstufen im Sinogramm, während der Datenakquisition selbst keiner Bewegung unterworfen sind.
Werden solche unbeweglichen Hochkontrastobjekte im Sinogramm abgebildet und durch ein Kalibrierungsverfahren mit an sich aktuellen Kalibrierungsdaten korrigiert, so sollten diese Hochkontrastobjekte im korrigierten Sinogramm einen ideal sinusförmigen Verlauf abbilden. Liegt jedoch eine Verschlechterung der Systemkalibrierung vor, so führt diese zu einer Verschmierung der Sinogrammstrukturen. Diese Verschmierung oder Abweichung des tatsächlichen Verlaufs solcher Kanten von der idealen Sinusform ist zu bestimmen.
Es ist möglich, solche Objektgrenzen im Sinogramm automatisch durch Kantenerkennung aufzufinden und deren Verlauf beziehungsweise deren Abweichung vom sinusförmigen Verlauf zu analysieren und automatisch zu quantifizieren. Dazu kann eine geeignete glatte Funktion, vorzugsweise eine Sinuskurve, an eine solche Objektkante im Sinogramm angepasst und mit dem Kantenverlauf zeilenweise verglichen werden. Aus den Abweichungen können entsprechende Grenzwerte abgeleitet werden. Ein Überschreiten der Grenzwerte ist ein Hinweis auf vorhandene Fehlkalibrierungen. Bei Überschreitung eines Grenzwertes kann beispielsweise der Service informiert werden und eine neue Kalibrierung in die Wege geleitet werden.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die 3D-Bildqualität konstant über einem vorgegebenen Grenzwert liegt und bei Verschlechterungen der 3D-Bildqualität sehr schnell eine neue Systemkalibrierung erfolgen kann. Es wird weiterhin vermieden, dass neue Systemkalibrierungen stattfinden, ohne dass dafür eine technische Notwendigkeit besteht, wobei die 3D-Bildqualität durch einen standardisierten Messprozess aus ohnehin anfallenden Patientendaten sichergestellt wird.
Demgemäß schlägt der Erfinder ein Verfahren zur Überwachung der Gültigkeit einer Kalibrierung einer Datenakquisition bei einem C-Bogen-System im laufenden Betrieb vor, wobei:

– im laufenden Betrieb bei einer 3D-Datenakquisition eines im Aufnahmebereich nicht bewegenden Patienten mit zumindest einem Hochkontrastobjekten ein originäres Sinogramm gewonnen wird,
– das originäre Sinogramm mit aktuell zur 3D-Bilderzeugung verwendeten Kalibrierungsdaten zu einem korrigierten Sinogramm korrigiert wird,
– im korrigierten Sinogramm nach entsprechend der Aufnahmesituation typisch sinusähnlichen Kantenverläufen gesucht wird,
– die Abweichung der gefundenen Kantenverläufe von einem ideal glatten Kantenverlauf ermittelt wird, und
– das Vorliegen der Abweichung oder die Größe der Abweichung angezeigt und/oder gespeichert wird.

Vorteilhaft ist es, wenn die Untersuchung ausschließlich an medikamentös ruhiggestellten und gegebenenfalls fixierten Patienten ausgeführt wird. Denn hierdurch wird sichergestellt, dass sonst mögliche Bewegungen der Hochkontrastobjekte während der Datenakquisition zu falschen Abweichungen der Kantenverläufe im Sinogramm führen.
Weiterhin wird vorgeschlagen, zur Ausführung des Verfahrens als zumindest ein Hochkontrastobjekt ein vorliegendes Implantat und/oder zumindest eine Knochenpartie zu verwenden beziehungsweise zumindest ein zusätzliches Markierungsobjekt in den Aufnahmebereich einzubringen, so dass durch den dadurch erreichten Kontrastsprung im Aufnahmebereich eine entsprechend signifikante sinusartige Kante im Sinogramm entsteht. Hierzu kann eventuell von Zeit zu Zeit auch ein hochkontrastiges Objekt, zum Beispiel eine Markierungskugel, in das Strahlenfeld gelegt werden.
Weiterhin werden zur Bestimmung der Abweichungen zwischen dem ideal glatten Kantenverlauf einer Hochkontrastkante in einem idealen Sinogramm und der mindestens einen gefundenen Hochkontrastkante im gemessenen und korrigierten Sinogramm bevorzugt zwei Verfahren vorgeschlagen, nämlich die Durchführung eines Vergleiches der gemessenen und korrigierten Hochkontrastkante mit einer Sinuskurve, also die Ausführung eines Sinefits, also eines Least Square Fits der ermittelten Daten mit einer Sinuskurve. Beispielsweise wird bezüglich dieses Vergleichsverfahrens auf den Link http://www.math.unl.edu/~sdunbar1/sinefit.html verwiesen. Dabei kann bevorzugt als Maß für die Abweichung die ermittelte Standardabweichung verwendet werden.
Alternativ kann auch an Stelle einer anzunähernden Sinuskurve auch ein Polynom verwendet werden, so dass ein Least Square Polynom Fit ausgeführt wird und dann als Maß für die Abweichung ebenso die ermittelte Standardabweichung verwendet werden kann.
Obwohl die oben genannten Kurventypen, insbesondere die geometrisch sich ohnehin ergebende Sinusfunktion, bevorzugt verwendet werden, können jedoch auch andere glatte Funktionen zu Anpassung verwendet werden und beispielsweise nur eine Vielzahl kurzer Kurvenabschnitte betrachtet werden. Denn Fehler in der zuvor ausgeführten Systemkalibrierung auf der Basis der bis dahin aktuellen Kalibrierungsdaten zeigen sich bereits auf Teilabschnitten der aufgenommenen und kalibrierten Hochkontrastkurve.
Der Erfinder schlägt weiterhin vor, dass auf der Basis mehrerer Messungen ein Trend der ermittelten Abweichungen bestimmt wird, so dass auch hier ungewöhnliche Ausreißer schnell erkannt werden können und entsprechend durch eine Neukalibrierung oder gegebenenfalls eine notwendige Reparaturmaßnahme an der Mechanik des C-Bogens eingeleitet werden kann.
Weiterhin wird auch vorgeschlagen, dass nach dem Überschreiten der Abweichung des gefundenen Kantenverlaufs im korrigierten Sinogramm vom ideal glatten Kantenverlauf über ein vorgegebenes Maß eine Meldung ausgegeben wird, die auf die Notwendigkeit einer neuen Kalibrierung hinweist.
Zum Rahmen der Erfindung zählt nicht nur das oben beschriebene Verfahren, sondern auch ein C-Bogen-System mit einem Computer mit einem Speicher für Programmcode, der im Betrieb ausgeführt wird, wobei im Speicher ein Programmcode vorliegt, welcher das hier beschriebene Verfahren ausführt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet: 1: C-Bogen-System; 2: Röntgenröhre; 3: Flachdetektor: 5: Patient; 6: Gehäuse; 7: C-Bogen; 8: Patiententisch; 10: Steuer- und Recheneinheit; Prg₁–Prg_n: Computerprogramme.
Es zeigen im Einzelnen:
1: C-Bogen-System mit erfindungsgemäßem Programmcode;
2: Beispielhaftes korrigiertes Sinogramm eines Patienten aus einer aufgenommenen Knochenpartie als Hochkontrastobjekt;
3: Sinogramm aus 2 mit einer gefundenen sinusartig verlaufenden Kontrastkante.
Die 1 zeigt ein C-Bogen-System 1 mit einem Gehäuse 6 an dem der C-Bogen 7 in einem Orbitalbogen beweglich angeordnet ist. Am C-Bogen 7 befindet sich an einem Ende eine Röntgenröhre 2 und am anderen Ende ein Flachdetektor 3. Zur Datenakquisition wird der C-Bogen 7 aus einer vorgegebenen Drehposition heraus um mindestens 180° mit einer Orbitalbewegung um den auf dem Patiententisch 8 befindlichen Patienten 5 bewegt und tastet diesen in der Untersuchungsregion ab, um einen zur Rekonstruktion verwendbaren Sinogrammdatensatz zu gewinnen. Je fragiler solche C-Bögen sind, insbesondere bei mobilen C-Bogen-Systemen, umso mehr treten Eigenschwingungen des C-Bogens auf, die diesen aus der idealen Orbitalbewegung ablenken, so dass diese zur Erlangung einer guten Bildqualität kompensiert werden müssen. Die hierfür anzuwendenden Verfahren sind allgemein bekannt.
Die Steuerung des C-Bogen-Systems und die Bildrekonstruktion werden durch eine angeschlossene Steuer- und Recheneinheit 10 unter Anwendung der darin gespeicherten Computerprogramme Prg₁ bis Prg_n ausgeführt. Bei einer erfindungsgemäßen Ausstattung des C-Bogen-Systems befindet sich unter diesen Programmen auch Programmcode, der das erfindungsgemäße Verfahren im Betrieb ausführt.
Demgemäß werden die während der Untersuchungen von Patienten ermittelten Sinogramme zunächst an Hand der vorliegenden Kalibrierungsdaten bezüglich der unvermeidbaren Eigenbewegungen des C-Arms kompensiert und ein kalibriertes Sinogramm erstellt. Ein solches beispielhaftes, bereits kalibriertes Sinogramm ist in der 2 gezeigt. Es ist unschwer zu erkennen, dass in diesem Sinogramm einige aus der Orbitalbewegung resultierende sinusartige Kantenverläufe bestimmt werden können, die aus hochkontrastigen Objekten im Untersuchungsbereich stammen. Beispielsweise können dies Knochen bei orthopädischen Aufnahmen sein, wobei zur Sicherstellung einer optimalen Aufnahme der entsprechende Körperteil des Patienten fixiert und der Patient durch eine entsprechende Anästhesie ruhiggestellt ist. Sind die Basisdaten der vorgenommenen Kalibrierung noch aktuell, so werden durch diese auch tatsächlich die Eigenbewegungen des C-Bogens kompensiert und die so gewonnenen Kantenverläufe erscheinen ideal sinusförmig und insbesondere glatt.
Sind jedoch zwischen der letzten Kalibrierung und der aktuellen Untersuchung mechanische Belastungen aufgetreten, die den C-Bogen oder seine Halterung verändert haben oder haben sich Gewichtsverteilungen auf dem C-Bogen verändert, so kann die Kalibrierung die sich dadurch verändernden Eigenbewegungen nicht mehr vollständig kompensieren. Entsprechend treten Abweichungen zwischen einem ideal glatten Kantenverlauf und dem tatsächlich ermittelten Kantenverlauf auf. Ein idealer sinusförmiger Kantenverlauf ist in der 3 gestrichelt in das korrigierte Sinogramm an einer korrespondierenden Kontrastkante des Sinogramms aus der 2 eingetragen.
Erfindungsgemäß kann nun der ideale Kantenverlauf über die Zeilen des Sinogramms mit einem ideal glatten Kantenverlauf verglichen werden und die Abweichungen bestimmt werden. Überschreiten die Abweichungen ein vorgegebenes Maß, so sollte eine Neukalibrierung ausgeführt oder zumindest vorgeschlagen werden. Zur Bestimmung der Abweichung kann beispielsweise ein Least Square Fit mit einer entsprechend geeigneten Funktion, insbesondere einer Sinusfunktion oder einer Polynomfunktion, ausgeführt werden, wobei die dabei ermittelte Größe der Standardabweichung als Maß für die Präzision der vorhandenen Kalibrierung beziehungsweise als Maß für die Fehlerhaftigkeit der Kalibrierungsdaten genommen werden kann.
Durch dieses Verfahren ist es also möglich ohne besondere zusätzliche Maßnahmen, wie Phantommessungen, im laufenden Betrieb eines C-Bogen-Systems zu bestimmen, ob eine neue Kalibrierung notwendig ist oder nicht. Entsprechend kann auch auf routinemäßiges Kalibrieren nach vorgegebenen Intervallen verzichtet werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: C-Bogen-System
2: Röntgenröhre
3: Flachdetektor
5: Patient
6: Gehäuse
7: C-Bogen
8: Patiententisch
10: Steuer- und Recheneinheit
Prg₁–Prg_n: Computerprogramme

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2098168 B1 [0003]
DE 10215808 A1 [0003]
US 6851855 B2 [0003]
DE 10210287 A1 [0003]
US 6932506 B2 [0003]
US 7251522 B2 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://www.math.unl.edu/~sdunbar1/sinefit.html [0015]

Claims

Verfahren zur Überwachung der Gültigkeit einer Kalibrierung einer Datenakquisition bei einem C-Bogen-System (1) im laufenden Betrieb, wobei: 1.1. im laufenden Betrieb bei einer 3D-Datenakquisition eines im Aufnahmebereich nicht bewegenden Patienten (5) mit zumindest einem Hochkontrastobjekt ein originäres Sinogramm gewonnen wird, 1.2. das originäre Sinogramm mit aktuell zur 3D-Bilderzeugung verwendeten Kalibrierungsdaten zu einem korrigierten Sinogramm korrigiert wird, 1.3. im korrigierten Sinogramm nach entsprechend der Aufnahmesituation typisch sinusähnlichen Kantenverläufen gesucht wird, 1.4. die Abweichung der gefundenen Kantenverläufe von einem ideal glatten Kantenverlauf ermittelt wird, und 1.5. das Vorliegen der Abweichung oder die Größe der Abweichung angezeigt und/oder gespeichert wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Untersuchung ausschließlich an medikamentös ruhiggestellten Patienten (5) ausgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausführung des Verfahrens als zumindest ein Hochkontrastobjekt ein vorliegendes Implantat vorausgesetzt wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausführung des Verfahrens als zumindest ein Hochkontrastobjekt zumindest eine Knochenpartie im Aufnahmebereich vorausgesetzt wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausführung des Verfahrens als zumindest ein Hochkontrastobjekt zumindest ein zusätzliches Markierungsobjekt in den Aufnahmebereich eingebracht wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Abweichungen zwischen dem ideal glatten Kantenverlauf einer Hochkontrastkante und der mindestens einen gefundenen Hochkontrastkante im korrigierten Sinogramm ein Vergleich mit einer Sinuskurve ausgeführt wird und als Maß für die Abweichung die ermittelte Standardabweichung verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Abweichungen zwischen dem ideal glatten Kantenverlauf einer Hochkontrastkante und der mindestens einen gefundenen Hochkontrastkante im korrigierten Sinogramm ein Vergleich mit einer Polynomkurve ausgeführt wird und als Maß für die Abweichung die ermittelte Standardabweichung verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Basis mehrerer Messungen ein Trend der ermittelten Abweichungen bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Überschreiten der Abweichung des gefundenen Kantenverlaufs im korrigierten Sinogramm vom ideal glatten Kantenverlauf über ein vorgegebnes Maß eine Meldung ausgegeben wird, die auf die Notwendigkeit einer neuen Kalibrierung hinweist.
C-Bogen-System (1) mit einem Computer mit einem Speicher für Programmcode, der im Betrieb ausgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Speicher ein Programmcode (Prg₁–Prg_n) vorliegt, welcher das Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 9 ausführt.