DE10308641A1

DE10308641A1 - Verfahren zur Aufbereitung vorhandener zeit-/phasenabhängiger Primärdatensätze eines Computertomographen von einem sich bewegenden Objekt zu einer dreidimensionalen Bildserie

Info

Publication number: DE10308641A1
Application number: DE10308641A
Authority: DE
Inventors: Matthias Niethammer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-09-16
Also published as: US7715603B2; WO2004077361A1; JP2006519043A; CN1754190A; US20060188067A1

Abstract

Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung vorhandener zeit-/phasenabhängiger Primärdatensätze eines Computertomographen von einem sich bewegenden Objekt, vorzugsweise einem schlagenden Herzen, zur Erzeugung einer Bildserie von 3-D-Aufnahmesätzen zur Darstellung der Objektbewegung, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
- Berechnung und Darstellung einer dreidimensionalen Referenzdarstellung beliebiger Orientierung zu einer beliebigen Bewegungsphase aus einem vorhandenen Primärdatensatz einer CT-Abtastung,
- Festlegung der gewünschten Berechnungsparameter R_i der zu berechnenden Bildserie,
- einmalige Übergabe der Berechnungsparameter R_i an den Rechenprozess und
- automatische Erstellung der gesamten Bildserie mit den angegebenen Berechnungsparametern R_i.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung vorhandener zeit-/phasenabhängiger Primärdatensätze eines Computertomographen von einem sich bewegenden Objekt, vorzugsweise einem schlagenden Herzen, zur Erzeugung einer Bildserie von 3D-Bildsätzen zur Darstellung der Objektbewegung.
Die Technik der Computertomographiegeräte ist allgemein bekannt. Es wird diesbezüglich auf die beiden Schriften „Bildgebende Systeme für medizinische Diagnostik", ISBN 3-89578-002-0, insbesondere die Kapitel 5 und 9, und „Computertomographie", ISBN 3-89578-082-0, insbesondere das Kapitel 3, vorzugsweise auf das Kapitel 3.4, hingewiesen.
In der Patentliteratur wurden Cardio-Computertomographiegeräte, welche sich zur dreidimensionalen Darstellung der periodischen Herzbewegung eignen, ebenfalls beschrieben. Beispielhaft sei auf die Offenlegungsschriften DE 199 57 082 A1 , DE 199 57 083 A1 , DE 198 42 238 A1 , DE 198 42 240 A1 , DE 197 40 214 A1 und DE 196 22 075 A1 der Anmelderin verwiesen.
Mit Hilfe solcher Cardio-CT-Geräte wird es ermöglicht, die Bewegung des Herzens durch die Erzeugung dreidimensionaler Aufnahmen des Herzens über den gesamten Bewegungsverlauf darzustellen. Das heißt, es kann also eine Bildserie erzeugt werden, die in einer Art Film die Bewegung des Herzens dreidimensional durch eine Aneinanderreihung einer Vielzahl von zeitlich versetzten 3D-Bildsätzen darstellt.
Bei der Betrachtung solcher Bildserien in der Diagnostik ergibt sich das Problem, dass die vom Computertomographen aufgenommenen Bilder grundsätzlich zunächst in Ansichten vorlie gen, die der Patientenlängsachse entsprechen, da dies der normalen Vorschubrichtung der Patientenliege bei der Aufnahme im CT entspricht. Für die diagnostische Beurteilung ist es jedoch vorteilhaft, eine Darstellung des Herzens in bestimmten Vorzugsrichtungen, wie beispielsweise der „langen Herzachse", der „kurzen Herzachse" oder einer Aufnahmeachse zu betrachten, die dem sogenannten „4- beziehungsweise 5-Kammerblick" entspricht.
Bei den derzeit auf dem Markt befindlichen Geräten werden diese Aufnahmesequenzen in der gewünschten Betrachtungsweise dadurch erzeugt, dass die einzelnen dreidimensionalen Aufnahmen der gewünschten Bildserie jeweils einzeln aus den Primärdaten des CT's erzeugt und auf einem Monitor wiedergegeben werden, wobei anschließend der Operator die gewünschten Bildparameter, wie Schichtdicke, Achsenorientierung usw., eingeben muss. Anhand dieser Eingaben wird aus der vorliegenden 3D-Darstellung in z-Richtung die gewünschte Ansicht errechnet und abgespeichert. Bei dieser Prozedur ist während des Umwandlungsprozesses der Bildserie in die gewünschte Ansicht immer wieder die manuelle Eingabe der gewünschten Aufnahmeparameter notwendig. Es wird dabei der Vorgang der Rekonstruktion eines 3D-Aufnahmesatzes einer bestimmten Herzphase durch Eingabe der gewünschten Bildparameter, Umwandlung der Ansicht entsprechend der gewünschten Bildparameter und anschließendes Abspeichern dieses veränderten 3D-Aufnahmesatzes also solange wiederholt, bis alle Einzelphasen des Herzens dargestellt wurden, so dass anschließend eine gesamte Bildserie aus einer Vielzahl von 3D-Aufnahmesätzen mit den gewünschten Bildparametern vorliegt.
Ein solches Verfahren ist aufwendig und fehlerbehaftet. Des weiteren wird hierbei eine nicht unbedingt notwendig hohe Rechenkapazität gebunden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein vereinfachtes Verfahren zur Aufbereitung vorhandener zeit-/phasenabhängiger Pri märdatensätze eines Computertomographen von einem sich bewegenden Objekt zur Verfügung zu stellen, welches sich durch eine einfache Bedienungsweise und verbesserte Ausnutzung der Rechenkapazität auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
Der Erfinder hat erkannt, dass eine wesentliche Arbeitserleichterung bei der Erstellung von 3D-Bildserien möglich ist, indem anhand einer einzigen rekonstruierten 3D-Aufnahme die Bildparameter, unter denen die Bildserie entstehen soll, einmal bestimmt werden, so dass die gewünschte Orientierung der zu erstellenden 3D-Ansicht in die Parameter, die die Rekonstruktion des fertigen dreidimensionalen Bildes bestimmen, eingehen, und so durch eine einzige Eingabe die gesamte Bildserie mit einer Vielzahl von 3D-Aufnahmesätzen zu jeweils unterschiedlichen Zeitpunkten erstellt werden. Dies kann auch direkt aus dem vorhandenen Primärdatensatz der CT-Abtastung des bewegten Objektes, insbesondere eines bewegten Herzens, oder durch die automatische Reorientierung bereits rekonstruierter 3D-Aufnahmesätze geschehen.
Entsprechend dieser Erkenntnis schlägt der Erfinder ein Verfahren zur Aufbereitung vorhandener zeit-/phasenabhängiger Primärdatensätze eines Computertomographen von einem sich bewegenden Objekt, vorzugsweise einem schlagenden Herzen, zur Erzeugung einer Bildserie von 3D-Aufnahmesätzen zur Darstellung der Objektbewegung vor, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

– Berechnung und Darstellung einer dreidimensionale Referenzdarstellung beliebiger Orientierung zu einer beliebigen Bewegungsphase aus einem vorhandenen Primärdatensatz einer CT-Abtastung,
– Festlegung der gewünschten Berechnungsparameter R_i der zu berechnenden Bildserie,
– einmalige Übergabe der Berechnungsparameter R_i an den Rechenprozess und
– automatische Erstellung der gesamten Bildserie mit den angegebenen Berechnungsparametern R_i.

Hierbei kann die Berechnung der Bildserie aus zuvor in beliebiger Aufnahmerichtung für alle Zeitintervalle oder Aufnahmezeitpunkte t_x erstellten 3D-Aufnahmesätze erfolgen, wobei diese anschließend automatisch in die gewünschte Aufnahmerichtung transformiert werden.
Es besteht jedoch auch die grundsätzlich bevorzugte Möglichkeit, die Bildserie mit den eingegebenen Berechnungsparametern direkt aus dem Primärdatensatz zu rekonstruieren, wodurch zusätzliche Rechenkapazität eingespart werden kann.
Erfindungsgemäß enthalten die gewünschten Berechnungsparameter R_i die gewünschte Aufnahmeachse A relativ zur Referenzdarstellung, das gewünschte Zeit-/Phasenintervall Δt der zu berechnenden Bildserie und die Aufnahmedauer beziehungsweise die Anzahl der 3D-Aufnahmesätze, die zu berechnen sind.
Des weiteren kann vorgesehen werden, je nach gewünschter Darstellungsqualität, in den Berechnungsparametern eine gewünschte Schichtdicke d für die zu berechnenden Bildserie anzugeben.
Bezüglich der Definition der Orientierung der Aufnahmeachse A schlägt der Erfinder weiterhin vor, dass diese durch visuell kontrolliertes und manuelles Einlegen einer Achse in einer dreidimensionalen Referenzdarstellung auf einem Monitor vorgenommen wird.
Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Definition der Orientierung der Aufnahmeachse A durch ein Bilderkennungsverfahren für das betrachtete Objekt und eine automatische Zuordnung zu vorgegebenen Standardachsen durchzuführen.
Hierdurch ist es möglich, die Erstellung der gewünschten Bildserien zu vorgegebenen Standardachsen weiter zu automatisieren.
Bezüglich der Bilderkennungsverfahren können an sich bekannte Techniken, insbesondere neuronale Netzwerke, verwendet werden, die charakteristische Gebiete des Herzens, wie zum Beispiel die Herzspitze, Blutgefäßeintrittspunkte, etc., erkennen und entsprechend dieser charakteristischen Gebiete die Standardachsen, die dann den bekannten Ansichten „der langen Herzachse", „der kurzen Herzachse" oder dem „4- beziehungsweise 5-Kammerblick" entsprechen, automatisch bestimmen.
Des weiteren schlägt der Erfinder vor, dass als dreidimensionale Referenzdarstellung mindestens zwei zweidimensionale Darstellungen in unterschiedlichen, vorzugsweise senkrecht zueinander stehenden, Aufnahmeachsen verwendet werden. Durch diese Art der Darstellung ist es möglich, die gewünschte Aufnahmeachse in ihrer dreidimensionalen Orientierung durch zwei zweidimensionale Eintragungen zu bestimmen. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit das Herz direkt räumlich darzustellen, beispielsweise durch die Verwendung von sogenannten 3D-Brillen.
Entsprechend dem Grundgedanken des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt der Erfinder auch eine Auswerteeinheit zur Erstellung von Bildserien des bewegten Untersuchungsobjektes für ein Computertomographie-Gerät zur Abtastung eines bewegten Untersuchungsobjekts, vorzugsweise für ein Cardio-CT-Gerät, vor, welches Mittel zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens aufweist, wobei diese Mittel vorzugsweise durch Programme oder Programm-Module verwirklicht werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles mit Hilfe der Figuren näher beschrieben. Es zeigen im einzelnen:
1: Flussdiagramm zur Aufbereitung vorhandener Primärdatensätze zu einer dreidimensionalen Serie gemäß dem Stand der Technik;
2: Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Aufbereitung vorhandener Primärdatensätze eines CT's zur Erzeugung einer Bildserie.
Die 1 zeigt das derzeit bekannte Verfahren zur Aufbereitung vorhandener phasenabhängiger Primärdatensätze eines Computertomographen von einem schlagenden Herzen zur Erzeugung einer Bildserie von 3D-Aufnahmesätzen zur Darstellung der Herzbewegung.
Zunächst wird – links dargestellt – ein CT-Scan 11 eines Patienten durchgeführt, wobei die gewonnenen Daten des CT-Scans als Primärdatensatz 12 gespeichert werden und dann zur Weiterverarbeitung zur Verfügung stehen.
Das eigentliche Verfahren zur Aufbereitung der dreidimensionalen Bildserie beginnt am Startpunkt 1. Hier wird manuell durch einen Operator eine Auswahl einer 3D-Darstellung durch die Eingabe des gewünschten Zeitpunktes t_x und des zu berechnenden Volumens, gemäß Verfahrensschritt 2, festgelegt. Anschließend erfolgt die Rekonstruktion 3 des ausgewählten 3D-Bilddatensatzes, die im Verfahrensschritt 4 auf einem Monitor ausgegeben wird. Der Operator muss nun im Verfahrensschritt 5 anhand der ihm vorliegenden 3D-Darstellung die Parameterauswahl treffen, mit der der vorhandene 3D-Bilddatensatz umgerechnet wird, um in die gewünschte Aufnahmeachse transferiert zu werden. Im wesentlichen bedeutet dies eine Angabe der Orientierung der Aufnahmeachse in Relation zu der in der Referenzaufnahme verwendeten Achse, die in der Regel mit der z-Achse des aufnehmenden Tomographiesystems identisch ist.
Hat der Operator seine Parameterauswahl getroffen, so werden diese gewählten Parameter an den Computer übergeben, der mit diesen neuen Parametern eine Transformation des bereits berechneten 3D-Bilddatensatzes im Bezug auf die neue gewählte Aufnahmeachse und gegebenenfalls weiteren geänderten Bildparametern im Verfahrensschritt 6 durchführt. Dieser neu gewonnene 3D-Bilddatensatz für einen bestimmten Zeitpunkt beziehungsweise eine bestimmte Herzphase wird nun im Verfahrensschritt 7 gespeichert. Dies kann entweder durch eine manuelle Eingabe oder auch automatisch erfolgen. Anschließend ist am Entscheidungspunkt 8 die Entscheidung zu treffen, ob ein weiterer 3D-Bilddatensatz zu einem anderen Zeitpunkt beziehungsweise einer anderen Herzphase bearbeitet werden soll oder die Bildserie fertig ist.
Falls die manuelle Eingabe 9 des Operators die Situation „nicht fertig" definiert, wird zum Verfahrensschritt 3 zurückgesprungen, so dass solange Rekonstruktionen von 3D-Bilddatensätzen stattfinden und eine entsprechende Transformation auf die gewünschte Aufnahmeachse stattfindet, bis die gesamte Bildserie transformiert ist und am Entscheidungspunkt 8 die Schleife unterbrochen wird.
Falls die manuelle Eingabe 9 des Operators die Situation „fertig" definiert, wird das Ende 10 des Verfahrens eingeleitet.
Aufgrund dieser Verfahrensweise wird der Operator während des gesamten Bearbeitungsvorganges durch die Recheneinheit gebunden, da beim Schleifenablauf zwischen den Verfahrensschritten 3 und 8 immer wieder manuelle Eingaben notwendig werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet diese immer wiederkehrende manuelle Eingabe des Operators, indem durch eine einmalige Handlung die gewünschten Parameter der Bildserie definiert werden und sodann von der Recheneinheit eine automatische Abarbeitung der Herstellung der gewünschten 3D-Bilddatensätze der gesamten Bildserie automatisch erfolgen kann. Eine beispielhafte Ausführung eines solchen Verfahrens ist in der 2 dargestellt, wobei hier das spezielle Verfahren mit direkter Berechnung der gewünschten Ansicht der Bildserie aus den Primärdaten gezeigt ist.
Ebenso wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird durch einen CT-Scan 111 eines Patienten mit schlagendem Herzen ein Primärdatensatz 112 erstellt und gespeichert, der für die weitere Verarbeitung der eigentlichen Bilddarstellung zur Verfügung steht.
Die eigentliche Erstellung der Bildserie beginnt wiederum mit dem Startpunkt 101. Danach wird durch manuelle Eingabe eine 3D-Darstellung zu einem beliebigen Zeitpunkt im Verfahrensschritt 102 ausgewählt. Die Recheneinheit führt anschließend im Verfahrensschritt 103 eine Rekonstruktion des gewünschten 3D-Bilddatensatzes unter Zuhilfenahme des Primärdatensatzes 112 durch und gibt die so gewonnene 3D-Darstellung des Herzens im Verfahrensschritt 104 als dreidimensionale Darstellung auf einem Monitor aus.
Anschließend ist wiederum eine manuelle Eingabe notwendig, in der der Operator im Verfahrensschritt 105 die Festlegung der Parameter für die zu berechnende Bildserie trifft, insbesondere wird hierbei die Aufnahmeachse a, die Schichtdicke d und das Zeitintervall Δt der zu erstellenden Bildserie festgelegt.
Sind diese Daten an einem Eingabegerät der Recheneinheit eingegeben, so ist anschließend keine manuelle Tätigkeit des Operators mehr notwendig. Die anschließende Rekonstruktion eines 3D-Bilddatensatzes, die Speicherung des gewonnenen 3D-Bilddatensatzes und die Entscheidung, ob die Schleife nochmals mit verändertem Zeitparameter durchgeführt werden muss, lässt sich nun automatisch in der Recheneinheit durchführen, so dass die Schleife der Verfahrenspunkte 106 bis 108 ohne manuelles Eingreifen des Operators möglich ist. Hier wird im Verfahrensschritt 106 die Rekonstruktion eines 3D- Bilddatensatzes, im Verfahrensschritt 107 das Abspeichern des 3D-Bilddatensatzes und im Verfahrensschritt 108 die Entscheidung ob alle 3D-Bilddatensätze fertig sind, durch die automatische Eingabe im Verfahrensschritt 109, durchgeführt. Wird automatisch im Verfahrensschritt 108 entschieden, dass alle 3D-Bilddatensätze fertig sind, führt dies zum Ende 110 des Verfahrens. Sind alle 3D-Bilddatensätze errechnet, die für die Bildserie notwendig sind, so ist die Schleife beendet und es steht die Bildserie in gewünschter Weise zur Verfügung.
Analog zu dem in der 2 dargestellten Verfahren kann auch in der automatisierten Schleife zunächst die Bildserie mit allen 3D-Bildsätzen aus den Primärdatensätzen berechnet werden und aus diesen 3D-Bilddatensätzen die gewünschte Aufnahmerichtung für die gesamte Bildserie transformiert werden.
Durch dieses Verfahren ist eine wesentlich geringere Zeitbelastung des Operators notwendig, so dass sich hieraus Kosteneinsparungen ergeben. Des weiteren wird die Rechenkapazität aufgrund der rationelleren Art der Berechnung der Bildserie weniger in Anspruch genommen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Transformation auf eine gewünschte Bildebene geschieht bei dem Verfahren nach der Erfindung z.B. mittels der an sich bekannten multiplanaren Reformatierung (MPR).

Claims

Verfahren zur Aufbereitung vorhandener zeit-/phasenabhängiger Primärdatensätze eines Computertomographen von einem sich bewegenden Objekt, vorzugsweise einem schlagenden Herzen, zur Erzeugung einer Bildserie von 3D-Aufnahmesätzen zur Darstellung der Objektbewegung, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: 1.1. Berechnung und Darstellung einer dreidimensionale Referenzdarstellung beliebiger Orientierung zu einer beliebigen Bewegungsphase aus dem vorhandenen Primärdatensatz einer CT-Abtastung, 2.2. Festlegung der gewünschten Berechnungsparameter (R_i) der zu berechnenden Bildserie, 3.3. einmalige Übergabe der Berechnungsparameter (R_i) an den Rechenprozess und 4.4. automatische Erstellung der gesamten Bildserie mit den angegebenen Berechnungsparametern (R_i).
Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildserie mit den eingegebenen Berechnungsparametern direkt aus dem Primärdatensatz rekonstruiert wird.
Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erstellung der Bildserie zunächst für alle Aufnahmezeitpunkte (t_x) 3D-Aufnahmesätze mit einer beliebigen Aufnahmerichtung, vorzugsweise der z-Richtung, erstellt werden und anschließend automatisch alle 3D-Aufnahmesätze in die gewünschte Aufnahmerichtung transformiert werden.
Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Berechnungsparameter (R_i) die gewünschte Aufnahmeachse (A) relativ zur Referenzdarstellung darstellt.
Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Berechnungsparameter (R_i) das gewünschte Zeit-/Phasenintervalls (Δt) der zu berechnenden Bildserie darstellt.
Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Berechnungsparameter (R_i) die gewünschte Aufnahmedauer (T) darstellt.
Verfahren gemäß dem Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmedauer (T) durch die Anzahl der 3D-Aufnahmesätze und das Zeitintervall (Δt) bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Berechnungsparameter (R_i) die gewünschte Schichtdicke (d) der zu berechnenden Bildserie darstellt.
Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Definition der Orientierung der Aufnahmeachse (A) durch visuell kontrolliertes und manuelles Einlegen einer Achse in der dreidimensionalen Referenzdarstellung auf einem Monitor vorgenommen wird.
Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Definition der Orientierung der Aufnahmeachse (A) durch Bilderkennungsverfahren für das betrachtete Objekt und Zuordnung zu vorgegebenen Standardachsen automatisch erfolgt.
Verfahren gemäß dem Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass automatisch zumindest eine der Standardansichten „Lange Herzachse", „Kurze Herzachse", „4-Kammerblick" oder" 5-Kammerblick" vorgeschlagen wird.
Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als dreidimensionale Referenzdarstellung mindestens zwei zweidimensionale Darstellungen in unterschiedlichen, vorzugsweise senkrecht zueinander stehenden, Aufnahmeachsen verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als dreidimensionale Referenzdarstellung eine räumliche Darstellungen verwendet wird.
Auswerteeinheit zur Erstellung von Bildserien des bewegten Untersuchungsobjektes für ein Computertomographie-Gerät zur Abtastung eines bewegten Untersuchungsobjekts, vorzugsweise für ein Cardio-CT-Gerät, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 vorgesehen sind.
Auswerteeinheit gemäß dem Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Durchführung des Verfahrens mindest teilweise durch Programme oder Programm-Module verwirklicht werden.