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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur bildgebenden Untersuchung eines Untersuchungsobjekts, das für medizinische
Zwecke insbesondere ein Patient ist. Das Verfahren ist insbesondere
zur Anwendung im Rahmen eines Tomographie-Verfahrens oder zur Anwendung
bei einer bildgebenden tomographiefähigen Untersuchungseinrichtung,
beispielsweise bei einem Röntgencomputertomographiegerät, geeignet.
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Ergebnis radiographischer Verfahren,
wie beispielsweise der Computer-Tomographie, der Mammographie, der
Angiographie, der Röntgen-Inspektionstechnik
oder vergleichbarer Verfahren, ist zunächst die Darstellung der Schwächung eines
Röntgenstrahls
entlang seines Weges von der Röntgenquelle
zum Röntgendetektor
(Projektionsbild). Diese Schwächung
wird von den durchstrahlten Medien bzw. Materialien entlang des
Strahlengangs verursacht, sodass die Schwächung auch als Linienintegral über die
Schwächungskoeffizienten
aller Pixel entlang des Strahlenweges verstanden werden kann. Insbesondere
bei Tomographie-Verfahren, beispielsweise bei der Röntgencomputertomographie,
ist es mittels sogenannter Rekonstruktionsverfahren möglich, von
den projizierten Schwächungsdaten
auf die Schwächungskoeffizienten
(μ) der
einzelnen Pixel zurück
zurechnen und damit zu einer erheblich sensitiveren Untersuchung
als bei reiner Auswertung der Projektionsbilder zu gelangen.
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Zur Darstellung der Schwächungsverteilung
wird statt des Schwächungskoeffizienten
in der Regel ein auf den Schwächungskoeffizienten
von Wasser normierter Wert, die sogenannte CT-Zahl, verwendet. Diese berechnet
sich aus einem aktuell durch Messung ermittelten Schwächungskoeffizienten μ und dem Referenz- Schwächungskoeffizienten μ
H2O nach
folgender Gleichung:
mit der
CT-Zahl C in der Einheit Hounsfield [HU]. Für Wasser ergibt sich ein Wert
C
H2O = 0 HU und für Luft ein Wert C
L = – 1000 HU.
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Da beide Darstellungen ineinander
transformierbar bzw. äquivalent
sind, bezeichnet im folgenden der allgemein gewählte Begriff Schwächungswert
oder Schwächungskoeffizient
sowohl den Schwächungskoeffizienten μ als auch
den CT-Wert. Ferner werden im Sachzusammenhang dieser Erfindungsbeschreibung
die Begriffe Material und Gewebe austauschbar verwendet. Es wird
unterstellt, dass ein Material im Kontext einer medizinisch angezeigten
Untersuchung ein anatomisches Gewebe sein kann, und umgekehrt unter
Gewebe in der Material- und Sicherheitsprüfung ein beliebiges Material
eines Untersuchungsobjekts zu verstehen ist.
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Obgleich die Aussagekraft eines auf
den lokalen Schwächungskoeffizienten
(μ) basierenden
Bildes deutlich erhöht
ist, kann es im Einzelfall dennoch Probleme bei der Interpretation
eines Bildes geben. Ein lokal erhöhter Schwächungswert lässt sich
nämlich
entweder auf Materialien höherer
Ordnungszahl, wie beispielsweise Calcium im Skelett oder Jod in
einem Kontrastmittel zurückführen, oder
auf eine erhöhte
Weichteildichte, wie etwa bei einem Lungenknoten. Der lokale Schwächungskoeffizient μ am Ort rr ist
abhängig
von der in das Gewebe bzw. Material eingestrahlten Röntgenenergie
E und der lokalen Gewebe- bzw. Materialdichte ρ entsprechend der folgenden
Gleichung:
mit dem
energie- und materialabhängigen
Massenschwächungsko
effizienten
(E,Z) und der (effektiven)
Ordnungszahl Z.
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Die energieabhängige Röntgenabsorption eines Materials,
wie sie von seiner effektiven Ordnungszahl Z bestimmt wird, überlagert
daher die von der Materialdichte ρ beeinflusste
Röntgenabsorption.
Materialien bzw. Gewebe unterschiedlicher chemischer wie physikalischer
Zusammensetzung können
daher im Röntgenbild
identische Schwächungswerte
aufweisen. Umgekehrt kann dagegen aus dem Schwächungswert einer Röntgenaufnahme
nicht auf die Materialzusammensetzung eines Untersuchungsobjekts
geschlossen werden.
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Zur Lösung dieses Problems sind Verfahren
zur Darstellung materialcharakteristischer Werte erforderlich. Im
Zusammenhang mit computerunterstützten
Tomographieverfahren ist es zum Beispiel aus
US 4,247,774 bekannt, voneinander
verschiedene Röntgenspektren
oder Röntgenquantenenergien
zur Erzeugung eines Bildes zu verwenden. Derartige Verfahren werden
allgemein als Zwei-Spektren-CT bezeichnet. Sie nutzen die ordnungszahlbedingte
Energieabhängigkeit
des Schwächungskoeffizienten μ aus, d.h.
sie basieren auf dem Effekt, dass Materialien und Gewebe höherer Ordnungszahl
niederenergetische Röntgenstrahlung deutlich
stärker
absorbieren als Materialien bzw. Gewebe niederer Ordnungszahl. Bei
höheren
Röntgenstrahlenergien
gleichen sich dagegen die Schwächungswerte
an und sind vorwiegend eine Funktion der Materialdichte. Bei der
Zwei-Spektren-CT
werden dann beispielsweise die Unterschiede in den bei unterschiedlichen Röntgenröhrenspannungen
aufgenommenen Bildern berechnet.
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Im Kontext dieser Beschreibung wird
der Begriff Ordnungszahl, soweit nicht anders angegeben, nicht im
strengen, elementbezogenen Sinn verwendet, sondern bezeichnet stattdessen
eine effektive Ordnungszahl eines Gewebes, respektive Materials, die
sich aus den chemischen Ordnungszahlen und Atomgewichten der am
Aufbau des Gewebes bzw. Materials beteiligten Elemente berechnet.
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Zu noch spezifischeren Aussagen kommt
man, wenn zusätzlich
die Methode der sog. Basismaterialzerlegung bei Röntgenaufnahmen
angewendet wird, wie sie etwa W. Kalender et. al beschreiben in "Materialselektive
Bildgebung und Dichtemessung mit der Zwei-Spektren-Methode, I. Grundlagen
und Methodik", W. Kalender,
W. Bautz, D. Felsenberg, C. Süß und E.
Klotz, Digit. Bilddiagn. 7, 1987, 66–77, Georg Thieme Verlag. Bei
diesem Verfahren werden die Röntgenschwächungswerte
eines Untersuchungsobjekts mit Röntgenstrahlen
niederer und höherer
Energie gemessen und die erhaltenen Werte mit den entsprechenden
Referenzwerten zweier Basismaterialien wie beispielsweise Calcium
(für Skelettmaterial)
und Wasser (für
Weichteilgewebe) verglichen. Es wird angenommen, dass sich jeder
Messwert als lineare Superposition der Messwerte der beiden Basismaterialien
darstellen lässt.
Zum Beispiel kann für
jedes Element der bildlichen Darstellung des Untersuchungsobjekts
aus dem Vergleich mit den Werten der Basismaterialien ein Skelettanteil
und ein Weichgewebeanteil berechnet werden, so dass eine Transformation
der ursprünglichen
Aufnahmen in Darstellungen der beiden Basismaterialien Skelettmaterial
und Weichteilgewebe resultiert.
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Die Basismaterialzerlegung bzw. das
Zwei-Spektren-Verfahren eignen sich damit zur Auftrennung bzw. Unterscheidung
von vordefinierten anatomischen Strukturen oder Materialarten in
menschlichen und tierischen Geweben mit stark unterschiedlicher
Ordnungszahl.
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Aus der deutschen Patentanmeldung
mit der Anmeldenummer 101 43 131 ist ein Verfahren bekannt, dessen
Sensitivität
und Aussagekraft die der Basismaterialzerlegung noch übertrifft
und beispielsweise eine funktionale CT-Bildgebung hoher Aussagekraft
ermöglicht.
Es ermöglicht
die Berechnung der räum lichen
Verteilung der mittleren Dichte ρ(r )
und der effektiven Ordnungszahl Z(r ) aus einer Auswertung der spektral
beeinflussten Messdaten einer Röntgenapparatur.
Man erhält
hierüber
sehr gute Kontraste, insbesondere bezüglich der chemischen und physikalischen
Zusammensetzung des Untersuchungsobjekts. Beispielsweise erlaubt
die Darstellung der Verteilung der Ordnungszahl im Gewebe u.a. Einblicke
in die biochemische Zusammensetzung eines untersuchten Objekts,
Kontraste aufgrund des chemischen Aufbaus in bisher dichtehomogen
dargestellten Organen, eine quantitative Bestimmung von Körperbestandteilen
wie z.B. Jod oder dergleichen und ein Heraussegmentieren von Calcifizierungen
basierend auf der Ordnungszahl.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ein Verfahren anzugeben, welches neue Möglichkeiten zur Empfindlichkeitsverbesserung
oder zur Erhöhung
der Ausagekraft bei der material- oder
ordnungszahlabhängigen
röntgenstrahlenbasierten
Bildgebung schafft.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
durch ein Verfahren zur bildgebenden Untersuchung eines Untersuchungsobjekts,
insbesondere eines Patienten, wobei
- a) dem
Untersuchungsobjekt ein Kontrastmittel verabreicht wird,
- b) danach wenigstens zwei räumliche
Verteilungen von Röntgenschwächungswerten
ermittelt werden, welche Röntgenschwächungswerte
jeweils den lokalen Röntgenschwächungskoeffizienten
(μ(x,y))
oder eine von diesem linear abhängige
Größe (C) darstellen,
wobei die zwei räumlichen
Verteilungen zumindest umfassen:
– eine erste Schwächungswertverteilung,
deren Ermittlung auf einem ersten Röntgenstrahlspektrum basiert,
– eine zweite
Schwächungswertverteilung,
deren Ermittlung auf einem zweiten von dem ersten Röntgenstrahlspektrum
verschiedenen zweiten Röntgenstrahlspektrum
basiert,
- c) unter Auswertung der beiden Schwächungswertverteilungen eine
räumliche
Verteilung eines oder mehrerer vordefinierter Ordnungszahlwerte
(Z; Z1, Z2, ...) oder eine räumliche
Verteilung (Z(x,y)) nicht-vordefinierter, im Untersuchungsobjekt
vorhandener Ordnungszahlwerte ermittelt wird, die eine Information über die
Verteilung des verabreichten Kontrastmittels im Untersuchungsobjekt
enthält,
und
- d) die räumliche
Ordnungszahlverteilung zur bildgebenden Darstellung des Kontrastmittels
verwendet wird.
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Die Erfindung basiert auf dem Gedanken,
dass der Einsatz von Kontrastmitteln die funktionale Bildgebung
in der Röntgencomputertomographie
verbessern kann. Kontrastmittel waren hierbei bislang lediglich
verwendet worden, um z.B. Blut vor seinem Gewebehintergrund in der
Absorption abzuheben. Eine material- oder gewebeselektive Auswertung
fand nicht statt. Der Erfindung liegt ferner unter anderem die Erkenntnis
zu Grunde, dass durch Zugabe eines Kontrastmittels in einer verträglichen
Dosis oder Konzentration eine mittels zwei verschiedenen Röntgenspektren
messbare Ordnungszahldifferenz erzielbar ist.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung
kann ein Ordnungszahlwert des Kontrastmittels vordefiniert werden.
Das Verfahren kann insbesondere mit der eingangs genannten Basismaterialzerlegung
kombiniert werden.
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Vorzugsweise wird die räumliche
Ordnungszahlverteilung als zwei- oder dreidimensionales Feld ermittelt,
wobei der jeweilige Feldwert ein lokaler Ordnungszahlwert an dem
durch das betreffende Feld repräsentierten
Ort ist. Das Verfahren kann insbesondere mit dem Verfahren der eingangs
genannten deutschen Patentanmeldung 101 43 131 kombiniert werden.
Der Offenbarungsgehalt dieser Patentanmeldung wird in die vorliegende
Patentanmeldung ausdrücklich
einbezogen, insbesondere die dortigen Patentansprüche 1 bis
7.
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Außerdem bevorzugt wird zusätzlich zu
der Ordnungszahlverteilung ein weiteres zwei- oder dreidimensionales
Feld ermittelt, dessen Feldwerte jeweils einen lokalen Dichtewert
wiedergeben.
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Die Verwendung der räumliche
Ordnungszahlverteilung zur Bildgebung kann beispielsweise dadurch geschehen,
dass ein Bild angezeigt wird, welches nur Daten aus einem bestimmten – den Wert
der Ordnungszahl des Kontrastmittels z.B. einschließenden – Ordnungszahlintervall
oder jenseits eines bestimmten Ordnungszahlgrenzwertes anzeigt.
Es ist auch möglich,
die gemessenen Ordnungszahlwerte in eine Grauwert- oder Farbskala
umzusetzen, wobei der Wert der Ordnungszahl des Kontrastmittels
ausgezeichnet oder allein eingefärbt
sein kann, und diese Skala bildgebend anzuzeigen. Derartigen Bildern
kann ein gewöhnliches, nicht-funktionales
Schwächungsbild
unter- oder überlagert
sein.
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Nach einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
werden das ermittelte Feld mit den Ordnungszahlwerten und das ermittelte
Feld mit den Dichtewerten dazu verwendet, um eine lokale Konzentration
oder eine lokale Menge des Kontrastmittels zu berechnen.
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Unter einem Kontrastmittel werden
im Zusammenhang mit der Erfindung jegliche Mittel verstanden, welche
nach Zugabe in das Untersuchungsobjekt, insbesondere nach Injektion
in einen Patienten, zu einer Kontrastverbesserung oder Kontrastverstärkung in
der Absorption, also im Röntgenbild,
führen.
Hierunter fallen sowohl konventionelle Kontrastmittel, wie sie beispielsweise
bei Perfusionsmessungen in die Blutgefäße verabreicht werden um diese
im Bild hervorzuheben. Es werden unter „Kontrastmittel" aber auch Mittel
verstanden, die sich spezifisch oder selektiv, z.B. nach einem Schlüssel-Schloss-Prinzip, nur an bestimmten
Stellen im Untersuchungsobjekt ablagern oder anreichern und somit
die Überprüfung einer
Organfunktion erlauben. Solche letztgenannte Mittel können auch sogenannte
Marker oder Tracer sein. Ein solcher Marker setzt sich beispielsweise
aus einem biologischen Makromolekül, etwa einem Antikörper, einem
Peptid oder einem Zuckermolekül,
mit einer hohen Affinität
zu der zu untersuchenden Zielstruktur, sowie aus einem – beispielsweise
zudotierten – Kontraststoff
zusammen, welcher im Röntgenbild
gut sichtbar ist. Das Makromolekül
dient zum Beispiel als sogenannte "metabolische Markierung", die bewirkt, dass
sich das insgesamt auch als metabolischer Marker bezeichnete Kontrastmittel
entweder ausschließlich
in bestimmten Regionen, z.B. Tumoren, Entzündungen oder anderen bestimmten
Krankheitsherden, anreichert. Kontrastmittel sind beispielsweise
aus den eingangs genannten Schriften bekannt.
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Vorzugsweise wird ein Kontrastmittel
mit einer Ordnungszahl größer als
20 oder größer als
40 verwendet wird. Das Kontrastmittel weist insbesondere eine Ordnungszahl
kleiner als 83 oder kleiner als 70 auf.
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Besonders vorteilhafte Kontrastmittel
enthalten Gadolinium, Jod, Ytterbium, Dysposium, Eisen und/oder
Wismut.
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Nach einer anderen vorteilhaften
Ausgestaltung enthält
das Kontrastmittel eine organische Verbindung, insbesondere einen
aliphatischen Kohlenwasserstoff, beispielsweise Zucker, und/oder
eine Aminosäure oder
ein Peptid.
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Das Kontrastmittel kann zur selektiven
Ablagerung an bestimmten Stellen oder in bestimmten Gewebeteilen
des Untersuchungsobjekts ausgebildet sein.
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In vorteilhafter Ausgestaltung wird
das Kontrastmittel in einer Gewichtskonzentration aus dem Bereich 10–4 bis
10–7,
insbesondere aus dem Bereich 10–5 bis
10–6,
zugegeben.
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Der im Zusammenhang dieser Schrift
verwendete Begriff 'Röntgenspektrum' besitzt eine weiter
gefasste Bedeutung als nur die Spektralverteilung einer von der
Röntgenquelle
der Apparatur emittierten Röntgenstrahlung.
Auch auf Seiten der Röntgendetektoren
können
unterschiedliche Spektralanteile einer Strahlung mit unterschiedlichen
Wirkungsgraden umgesetzt und somit verschieden gewichtet werden.
Die daraus resultierende effektive Spektralverteilung wird in dieser
Schrift ebenfalls als Röntgenspektrum
bezeichnet.
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Die beiden Schwächungswertverteilungen müssen nicht
notwendigerweise nacheinander als zwei Bilder mit unterschiedlicher
Röhrenspannung
aufgenommen werden. Da jede Röntgenröhre ein
Spektrum mit einer gewissen Breite emittiert, ist es bei entsprechender
spektralselektiver Ausgestaltung einer zugehörigen Empfangseinheit auch
möglich,
die beiden Schwächungswertverteilungen
weitestgehend oder völlig
simultan aufzunehmen. Hierzu könnten
zum Beispiel in den Strahlengang zustellbare Filter und/ oder zwei
gesonderte vorhandene Röntgendetektorarrays
verwendet werden.
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Insbesondere ist eine Empfangseinheit
zur Durchführung
des Verfahrens mit einem quantenenergieselektiven Röntgendetektorarray
ausgestattet.
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Insbesondere im Hinblick auf eine
Verwendung des in der eingangs genannten deutschen Patentanmeldung
101 43 131 beschriebenen Verfahren ist es von besonderem Vorteil,
dass eine erste funktionale Abhängigkeit
eines ersten Schwächungswertes
der ersten Schwächungswertverteilung
von Dichte und Ordnungszahl und zumindest eine zweite funktionale
Abhängigkeit
eines dem ersten Schwächungswert
zugeordneten zweiten Schwächungswertes
der zweiten Schwächungswertverteilung
von Dichte und Ordnungszahl bestimmt werden, und dass aus einem
Vergleich der ersten funktionalen Abhängigkeit mit der zweiten funktionalen
Abhängigkeit
und ggf. weiterer funktionaler Abhängigkeiten die räumliche
Ordnungszahlverteilung – und optional
eine räumliche
Dichteverteilung – ermittelt
wird.
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Vorzugsweise erfolgt hierbei die
Bestimmung der funktionalen Abhängigkeit
der Schwächungswerte von
Dichte und Ordnungszahl für
zumindest ein Röntgenstrahlspektrum
mittels Referenzmessung an einer Eichprobe oder in Form einer Simulation
auf der Basis eines physikalischen Modells.
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Nach einer anderen vorzugsweisen
Ausgestaltung wird ein Umformen der Schwächungswertverteilungen in eine
Verteilung der Dichte und eine Verteilung der Ordnungszahl für jeden
der zugeordneten Schwächungswerte
der ersten Schwächungswertverteilung
und der weiteren Schwächungswertverteilungen
auf der Grundlage der Ermittlung eines Wertepaares für Dichte
und Ordnungszahl so vorgenommen, dass das Wertepaar die bestimmten
funktionalen Abhängigkeiten
der Röntgenabsorption
von Dichte und Ordnungszahl für das
erste Röntgenstrahlspektrum
und zumindest ein weiteres Röntgenstrahlspektrum
erfüllt.
Damit können Dichte
und Ordnungszahl für
ein Bildelement einfach als Schnittmenge der funktionalen Abhängigkeiten
der einander zugeordneten Röntgenabsorptionswerte
der aufgezeichneten Verteilungen der Röntgenabsorptionswerte berechnet
werden.
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Vorteilhafterweise weist das erste
Röntgenspektrum
eine Quantenenergie auf, die relativ zur Quantenenergie des zweiten
Röntgenspektrums
eine Röntgenabsorption
durch den Photoeffekt begünstigt,
so dass eine hohe Auflösung
in der Bestimmung der Ordnungszahlen erhalten wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird zum Verändern eines Röntgenstrahlspektrums
für das
Aufzeichnen des Untersuchungsobjekts eine Veränderung zumindest eines Betriebsparameters
der Röntgenröhre vorgenommen,
wobei die Röntgenquelle
in einem ersten Betriebszustand ein erstes Röntgenstrahlspektrum und in
einem zweiten Betriebszustand ein davon verschiedenes zweites Röntgenstrahlspektrum emittiert,
so dass ein schneller Wechsel zwischen zwei Röntgenspektren ermöglicht ist.
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Ferner wird zum Verändern eines
Röntgenstrahlspektrums
für das
Aufzeichnen des Untersuchungsobjekts vorteilhaft eine Veränderung
der Detektorcharakteristik vorgenommen, wobei der Röntgendetektor spektrale
Teilbereiche der von der Röntgenquelle
empfangenen Röntgenstrahlung
in voneinander unabhängige
elektrische Signale umsetzt und hierbei ein simultanes Aufzeichnen
von Verteilungen der Röntgenabsorption
bei unterschiedlichen Röntgenspektren
zulässt.
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Im Folgenden wird die vorliegende
Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
näher beschrieben, wobei
auf folgende Figuren verwiesen wird. Es zeigen:
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1 ein
Ablaufdiagramm des Verfahrens nach der Erfindung gemäß einem
Ausführungsbeispiel,
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2 anhand
einer Isoabsorptionslinie das Zustandekommen identischer Schwächungswerte μ bei Materialien
unterschiedlicher Zusammensetzung,
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3a ein
beispielhaftes Funktionsschema einer Berechnungsmethode zur Ermittlung
von Isoabsorptionslinien als Teil des Verfahrens gemäß 1,
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3b ein
beispielhaftes Ablaufdiagramm der Transformation der Röntgenschwächungswerte
in Werte der Materialdichte und Ordnungszahl als Teil des Verfahrens
gemäß 1, und
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4 zwei
Isoabsorptionslinien einer Gewebeart bei zwei unterschiedlichen
Röntgenstrahlspektren.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
für das
Verfahren nach der Erfindung schematisch als Ablaufdiagramm dargestellt.
In einem ersten Schritt 1 wird einem Patienten P ein Tracer oder
ein Kontrastmittel KM verabreicht, beispielsweise durch Injektion
in die Blutgefäße oder
durch Schlucken. Der Patient P wird dann in einem nur angedeuteten
Röntgencomputertomographiegerät 2 untersucht,
und zwar sowohl unter Auswertung eines ersten Röntgenspektrums S1 als auch – gleichzeitig
oder nacheinander – unter
Auswertung eines zweiten Röntgenspektrums
S2 (zweiter Schritt 3), die durch entsprechende Einstellung des
Röntgencomputertomographiegeräts 2 ausgewählt werden.
Mittels Durchführung
einer Bildrekonstruktion (dritter Schritt 5) basierend auf den so
erhaltenen Rohdaten wird zu jedem der Röntgenspektren S1, S2 eine Schwächungswertverteilung
erzeugt, beispielsweise als Verteilung μ1(x,y)
bzw. μ2(x,y) des (linearen) Röntgenschwächungskoeffizienten μ innnerhalb
eines Transversalschichtbildes mit Koordinaten x und y. In einem
vierten Schritt 7 findet computerunterstützt eine Transformation der
Verteilungen μ1(x,y) bzw. μ2(x,y)
des Röntgenschwächungskoeffizienten
auf eine Ordnungszahlverteilung Z(x,y) statt. Die Ordnungszahlverteilung
Z(x,y) wird in einem fünften Schritt
8 zur Darstellung einer Verteilung des Kontrastmittels KM auf einem
Monitor 9 genutzt.
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Geht man von einer beispielhaften
Injektion eines Gd-basierten Tracers mit einem Gd-Atom auf 106 Wassermolekülen (entsprechend ca. 9 ppm
Gewichtsanteil) aus, so ergibt sich ein effektives Z = 7,52. Verglichen
mit dem Wasserwert Z = 7,42 ist diese Konzentration mit dem Verfahren
gemäß der 3a und 3b nachweisbar. Das Verfahren gemäß der 3a und 3b kann als Teil des vierten Schritts
7 ausgeführt
werden. Einzelheiten dieses Verfahrens sind in der deutschen Patentanmeldung
mit der Anmeldenummer 101 43 131 beschrieben, auf die ausfrücklich Bezug
genommen wird.
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Falls gleichzeitig die Dichteverteilung ρ(x,y) ermittelt
wird, kann bei bekanntem, z.B. wasserähnlichen, Trägermaterial
die Konzentration des Tracerstoffes quantitativ ermittelt werden.
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Die Ordnungszahl des Kontrastmittels
KM sollte eine möglichst
hohe Abweichung von der Ordnungszahl des Untergrundmaterials, typischerweise
Wasser mit Z = 7,42, aufweisen.
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Alternativ zu dem Verfahren gemäß der 3a und 3b kann auch die herkömmliche eingangs beschriebene
Basismaterialzerlegung verwendet werden, um die räumliche
Verteilung zweier oder mehr vorher festgelegter Ordnungszahlwerte
Z1, Z2, ... in einer Transversalschichtebene (x,y) zu ermitteln.
Eine solche Verteilung kann ebenfalls zur Darstellung des Kontrastmittels
KM im Bild verwendet werden.
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Im Hinblick auf eine Erläuterung
des Verfahrens gemäß der 3a und 3b werden nachfolgend zunächst Erläuterungen
gegeben: Die Isoabsorptionslinie 11 der 2 verbindet alle Wertepaare (ρ,Z) mit,
bei einem definierten Röntgenstrahlspektrum
identischem Schwächungswert μ bzw. C.
Die Darstellung der 1 verdeutlicht,
dass Information über
Art und Zusammensetzung eines Gewebes bzw. Materials nicht allein
auf die Schwächungswerte
eines Röntgenbildes
gestützt
abgeleitet werden können.
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Röntgenstrahlung
wird von unterschiedlichen Materialien und abhängig von der Energie der Röntgenstrahlung
unterschiedlich stark geschwächt.
Dies ist auf unterschiedlich wirkende Schwächungsmechanismen bei den verschiedenen
Materialien zurückzuführen.
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Die im Kontext dieser Beschreibung
vereinfacht als Ordnungszahl titulierte effektive Ordnungszahl Z einer
bestimmten Gewebeart errechnet sich aus den Ordnungszahlen Z
i der am Aufbau beteiligten Elemente, deren
Atomgewichte A
i und deren lokalen materialäquivalenten
Dichten ρ
i beispielsweise zu:
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Für
reines Calcium erhält
man ZCa = 20, für Calciumhydrid ca. ZCaH2 ≅ 16,04
und für
Wasser etwa ZH2O ≅ 7,428. Die chemische oder
auch biochemische Zusammensetzung eines Objekts kann daher sehr
gut über die
Ordnungszahl Z erfasst werden.
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Voraussetzung für eine Berechnung der Ordnungszahl-
und Dichteverteilung in einem Untersuchungsgebiet sind zumindest
zwei, in der Aufnahmegeometrie identische, aber mit unterschiedlicher
Energie der angewandten Röntgenstrahlung
erstellte Röntgenaufnahmen
des Gebiets. Bei Verwendung von mehr als zwei mit unterschiedlicher
Röntgenstrahlenergie
aufgezeichneten Röntgenaufnahmen
können
die Z- und ρ-Auflösung verbessert
werden, doch erhöht
sich dadurch auch die Strahlenbelastung. Im Falle der Untersuchung
eines Patienten ist diese Möglichkeit
daher nicht immer gegeben.
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Ausgangspunkt der Umwandlung von
Schwächungswert
basierenden Bilddaten in Verteilungsbilder der Ordnungszahlen und
der Material- bzw. Gewebedichte ist die Kenntnis der Isoabsorptionslinien
für jedes Röntgenspektrum
einer Röntgenapparatur.
Wie bereits erwähnt,
ist hierbei unter Röntgenspektrum
nicht der eng gefasste Begriff der Spektralverteilung einer von
der Röntgenquelle
der Apparatur emittierten Röntgenstrahlung
zu verstehen, sondern ein erweiterter Begriff, der die unterschiedliche
Gewichtung unterschiedlicher Spektralbereiche des Emissionsspektrums
der Röntgenröhre auf
Seiten der Röntgendetektoren
berücksichtigt.
Ein gemessener Schwächungswert
ergibt sich daher aus der direkten Schwächung des von der Röntgenröhre emittierten
Strahlenspektrums und dem spektralen Wirkungsgrad des verwendeten
Röntgendetektors. Beide
Werte sind anlagenspezifische Größen und
müssen
entweder direkt o der indirekt mittels der Schwächungswerte von Eichproben
ermittelt werden. Sie sind die Grundlage zur Berechnung der Isoabsorptionslinien.
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In 3a sind
drei Verfahren 300 zur Modellierung bzw. zur Berechnung
einer Schar von Isoabsorptionslinien skizziert, nämlich eine
theoretische Modellierung, eine experimentelle Bestimmung und eine
theoretische Modellierung mit einer Kalibrierung der Kurven durch
experimentell bestimmte Parameter.
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Prinzipiell sind so viele Isoabsorptionslinien
zu bestimmen, wie Schwächungswerte
zum Abdecken der Spanne von Röntgenschwächungen
in den Röntgenaufnahmen
erforderlich sind. Dabei ist nicht für jeden theoretisch auftretenden
Schwächungswert
eine Isoabsorptionslinie zu berechnen; nicht errechnete Isoabsorptionslinien
können
bei Bedarf durch Interpolation oder andere geeignete Mittelungsverfahren
verfügbar
gemacht werden.
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Die Grundschritte der theoretischen
Modellierung sind im linken Ast des Ablaufschemas der 3a dargestellt. Im Schritt 5302 werden
zunächst
die Daten der für
eine Anlage spezifischen Röntgenemissionsspektren
S(E) mit den verfügbaren
Röhrenspannungen
als Parameter eingelesen. Die Spektralverteilungen der Röntgenstrahlung
können
hierzu im Vorfeld experimentell für jede einzelne Röntgenanlage
ausgemessen werden, oder es werden die für einen speziellen Röntgenquellentyp
charakteristischen Daten verwendet. Das Ermitteln der Detektorapparatefunktion
w(E) erfolgt in Schritt S303. Auch hierzu kann im Vorfeld eine genaue Vermessung
der Detektoranordnung vorgenommen werden oder aber es werden den
Detektortyp charakterisierenden Daten wie z.B. dessen spektrale
technische Spezifikation verwendet. Die Berechnung der Isoabsorptionslinien
in Form von Kurvenscharen Ci(ρ,Z) bzw. μi(ρ,Z) wird
auf der Basis eines physikalischen Modells in Schritt S304 vorgenommen,
das für
jede relevante Kombination von S(E) und w(E) die Röntgenschwächungen
Ci bzw. μi für
Materialien mit unterschiedlichen Ordnungszahlen und bei unterschiedlichen
Materialdichten nachbildet.
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Alternativ zur theoretischen Modellierung
der Schritte S302 bis S304 können
die Kurvenscharen der Isoabsorptionslinien auch experimentell ermittelt
werden. Hierzu werden in Schritt S305 die Röntgenschwächungen von Eichmaterialien
mit unterschiedlicher Dichte und mittlerer Ordnungszahl in der Röntgenapparatur bei
verschiedenen relevanten Kombinationen von S(E) und w(E) gemessen.
Die Messwerte bilden die Stützpunkte
für die
folgende Berechnung der Kurvenscharen von Isoabsorptionslinien Ci bzw. μi in Schritt S306.
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Als weitere Alternative können die
auf theoretischer Basis modellierten Kurvenscharen Ci bzw. μi mit experimentell
ermittelten Röntgenschwächungswerten
kalibriert werden. In Schritt S307 werden die zum Eichen der theoretischen
Kurvenscharen notwendigen Schwächungswerte
wie oben für
Schritt S305 beschrieben mit geeigneten Eichmaterialien bzw. Phantomen
in der Röntgenanlage
gemessen. Im Unterschied zur rein theoretischen Modellierung der
Schritte S302 bis S304 ist bei diesem Verfahren die exakte Kenntnis
der Röntgenemissionsspektren
S(E) und w(E) nicht Voraussetzung sondern Parameter der theoretischen
Modellierung der Kurvenscharen von Isoabsorptionslinien Ci bzw. μi in Schritt S308. Das Kalibrieren der Kurven
in Schritt S309 mit den in Schritt S307 experimentell ermittelten
Eichwerten definiert schließlich
Werte für
diese Parameter, die spezifisch für die Röntgenemissionsspektren und
Detektorapparatefunktionen der Röntgenapparatur
sind.
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Mit der Ermittlung der Isoabsorptionslinien
für die
erforderlichen Röntgenschwächungswerte
und Kombinationen von S(E) und w(E) sind die Voraussetzungen für eine Transformation
von Bilddaten, die Schwächungswerte
der Röntgenstrahlung
beim Durchgang durch ein Gewebe repräsentieren in Bilddaten, die eine Verteilung
der Ordnungszahl bzw. der Materialdichte im entsprechenden Gewebe
repräsentieren
geschaffen.
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Je nach Aufgabenstellung können die
drei Verfahren zur Isoabsorptionslinienbestimmung auch gemischt
verwendet werden. Beispielsweise können Werte, die experimentell
nur ungenau oder nur mit großem Aufwand
oder gar nicht zu ermitteln sind, mithilfe einer theoretischen Modellierung
ergänzt
oder in ihrer Genauigkeit präzisiert
werden. Die mit unterschiedlichen Methoden erschlossenen Daten werden
dann in Schritt S310 zu einem einheitlichen Datensatz zusammengefasst
und in Schritt S311 für
die Bildtransformationen bereitgehalten.
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In 3b ist
ein für
das erfindungsgemäße Verfahren
geeignetes Transformationsverfahren 320 dargestellt. Es
stützt
sich auf die nach einem der zuvor beschriebenen Verfahren 300 ermittelten
und als Datensatz in Schritt S321 bereitgehaltenen Kurvenscharen
von Isoabsorptionslinien.
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Eine Transformation erfolgt bildelementweise.
Im folgenden wird von einer Transformation einer Röntgenschwächungswertverteilung
basierend auf zwei bei unterschiedlichen Röntgenstrahlenergiespektren
aber identischer Aufnahmegeometrie aufgenommen Röntgenbildern ausgegangen. Dies
ist die minimale Voraussetzung für
eine Durchführung
einer erfindungsgemäßen Transformation.
Jedoch können
auch mehr als zwei Röntgenaufnahmen
bei mehr als zwei unterschiedlichen Energieverteilungen der Röntgenstrahlung
Verwendung finden.
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Die Auswahl eines zu transformierenden
Bildelements wird im Schritt S322 getroffen und im folgenden Schritt
S323 werden die Schwächungswerte
C1 bzw. μ1 für
dieses Bildelement aus dem ersten und C2 bzw. μ2 aus
dem zweiten Röntgenbild
gelesen. Im anschließenden
Schritt S324 erfolgt die Abfrage des für die erste Röntgenaufnahme
verwendeten Röntgenstrahlspektrums
S1(E) und der Detektorapparatefunktionen
w1(E) sowie der entsprechenden Werte S2(E) und w2(E) für das zweite
Röntgen- Bild. Diese Werte
bilden die Parameter für
eine nachfolgende Auswahl der den jeweiligen Schwächungswerten
zuzuordnenden Isoabsorptionslinien. Die Spektralverteilungen Si(E) bzw. wi(E) können hierbei
auch indirekt, z.B. über
eine Abfrage der verwendeten Röhrenspannungen
U1 bzw. U2 bzw.
der Betriebsparameter der Röntgendetektoren
ermittelt werden.
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Im Schritt S325 werden aus dem in
Schritt S321 bereitgehaltenen Datensatz von Isoabsorptionslinien eine
erste Kurve, welche die Bedingungen C1 bzw. μ1 bei
den Parametern S1(E) und w1(E)
erfüllt
und eine zweite Kurve, welche die Bedingungen C2 bzw. μ2 bei
den Parametern S2(E) und w2(E)
erfüllt
ausgewählt.
Ein Beispiel einer dergestalt erhaltenen ersten Isoabsorptionslinie 11 und
einer zweiten 41 Isoabsorptionslinie ist in 4 dargestellt.
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Der Schnittpunkt 42 als
Schnittmenge beider Kurven 11 und 41 wird im Schritt
S326 berechnet. Der Kurvenschnitt 42 lässt sich z.B. durch eine lokale
lineare Transformation oder mittels iterativer Schnittpunktfindung
ermitteln. Da die beiden Kurven 11 und 41 zwei
unterschiedliche Schwächungswerte
für das
selbe Bildelement und daher für
einen identischen Teilbereich eines untersuchten Gewebes repräsentieren,
müssen
beide Schwächungswerte
von der selben Material- bzw. Gewebeart verursacht sein. Die Koordinaten
(ρ,Z) des Kurvenschnittpunkts 42 geben
daher die Materialdichte und die Ordnungszahl des dem Bildelement
zuzuordnenden Gewebeteilbereichs wieder.
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Schließlich wird in Schritt S327
der so ermittelte Ordnungszahlwert Z in die Ordnungszahlverteilung als
entsprechender Bildelementwert geschrieben, in Schritt S328 analog
der ermittelte Materialdichtewert ρ in die Dichteverteilung. Die
Schritte S322 bis S328 werden für
alle verbleibenden Bildpunkte wiederholt, bis eine abschließende Bildausgabe
in Schritt S329 erfolgen kann. Dabei kann der Schritt S324 übersprungen
werden, da die Spektralverteilungen Si(E)
bzw. wi(E) für alle Bildelemente eines Bildes
identisch sind.