DE10352380A1

DE10352380A1 - Verfahren zur Erzeugung von CT-Bildern von einem zyklisch bewegten Untersuchungsobjekt

Info

Publication number: DE10352380A1
Application number: DE10352380A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Flohr; Bernd Ohnesorge; Stefan Dr. Schaller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-11-10
Filing date: 2003-11-10
Publication date: 2005-06-16
Also published as: CN1615799A; US20050101858A1; US7822467B2; JP2005137909A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von CT-Bildern von mindestens einem zyklisch durch ein sich selbst bewegendes erstes Organ zur Bewegung angeregten zweiten Organ oder Untersuchungsbereich mit Ruhe- und Unruhephasen eines Patienten, wobei das zweite Organ oder der Untersuchungsbereich abgetastet wird, vorzugsweise spiralförmig. Aufgrund der durch die Abtastung gewonnenen Daten in der Ruhephase des zweiten Organs oder Untersuchungsbereiches wird ein räumliches Bild der Absorptionskoeffizienten mit einer Vielzahl von Schnittebenen ermittelt und es werden die zur Bestimmung der Ruhephase notwendigen Bewegungsinformationen von ersten Organ gesammelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von CT-Bildern von einem zyklisch zur Bewegung angeregten Organ oder Untersuchungsbereich mit Ruhe- und Unruhephasen eines Patienten, wobei das Organ oder der Untersuchungsbereich, abgetastet wird, vorzugsweise spiralförmig, und aufgrund der durch die Abtastung gewonnenen Daten in der Ruhephase ein räumliches Bild der Absorptionskoeffizienten mit einer Vielzahl von Schnittebenen ermittelt wird.

Bei Mehrzeilen-CT-Geräten sind EKG-gegatete Mehrzeilen-Spiraluntersuchungen des Herzens allgemein bekannt. Beispielhaft wird auf die Schriften DE 196 22 075 C2 , DE 197 40 214 A1 , DE 198 42 240 A1 , DE 102 44 180 A1 , DE 199 57 082 A1 oder DE 198 42 238 A1 hingewiesen. Allen diesen bekannten Untersuchungsmethoden bewegter Objekte ist es gemein, dass bei der Untersuchung des bewegten Objektes die Bewegungsinformation beziehungsweise Pulsenergie vom darzustellenden bewegten Objekt selbst aufgenommen wird, wobei hier regelmäßig in den konkret dargestellten Ausführungen der oben genannten Patentanmeldungen das Herz als abzutastendes Organ gewählt ist und die Signalinformation über den Bewegungszustand durch eine EKG-Ableitung gewonnen wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung einen Weg zu finden, auch Untersuchungsobjekte mit einer verringerten Ortsunschärfe aufzunehmen, die selbst keine Bewegung initiieren.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.

Die Erfinder haben erkannt, dass auch herznahe Regionen, die durch die Pulsation des Herzens zur Bewegung angeregt werden, mit verbesserter Schärfe aufgenommen werden können, wenn bevorzugt nur die Daten während der Ruhephase dieser herznahen Umgebung zur Rekonstruktion eines CT-Bildes herangezogen werden. Bei den bekannten Verfahren zur Erzeugung von CT-Bildern eines Herzens wird allerdings lediglich ein sehr begrenzter Bereich, der ca. 30 % des gesamten Herzzyklus entspricht, zur Bilderstellung verwendet. Erfindungsgemäß besteht jedoch die Möglichkeit einen wesentlich größeren Bereich für die Abbildung herznaher Untersuchungsbereiche zu verwenden, da die Bewegungsübertragung des Herzens auf die benachbarten Regionen wesentlich gedämpfter ausfällt, als bei einer Betrachtung des Herzens selbst.

Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass durch die Reduktion des nicht verwertbaren Zyklusanteils eine höhere Vorschubgeschwindigkeit wählbar ist, so dass entweder ein wesentlich größerer Bereich, beispielsweise die gesamte Lunge, in einer Atemanhaltephase überstrichen werden kann oder andererseits mit wesentlich geringerer Schichtdicke der einzelnen Schichtbilder gearbeitet werden kann.

Entsprechend diesem zu Grunde liegenden Erfindungsgedanken schlagen die Erfinder ein Verfahren zur Erzeugung von CT-Bildern von mindestens einem zyklisch durch ein sich selbst bewegendes erstes Organ zur Bewegung angeregten zweiten Organ oder Untersuchungsbereich mit Ruhe- und Unruhephasen eines Patienten vor, wobei das zweite Organ oder der Untersuchungsbereich durch eine Gantry mit mindestens einem Fokus, der ein konusförmiges Strahlenbündel auf mindestens einen gegenüberliegenden mehrzeiligen oder flächig ausgebildeten Detektor ausstrahlt, abgetatstet wird, vorzugsweise spiralförmig abgetastet wird, wobei weiterhin die Abtastung mit einer relativen Vorschubgeschwindigkeit v in z-Richtung zwischen Gantry und Patient derart erfolgt, dass sich die abgetasteten Bereiche in der zyklisch auftretenden Ruhephase überlappen oder zumindest berühren und aufgrund der durch die Abtastung gewonnenen Daten in der Ruhephase des zweiten Organs oder Untersuchungsbereiches ein räumliches Bild der Absorptionskoeffizienten mit einer Vielzahl von Schnittebenen ermittelt wird, wobei die zur Bestimmung der Ruhephase notwendige Bewegungsinformationen vom ersten Organ gesammelt werden.

Bevorzugt wird hierbei, als erstes signalgebendes und die Bewegung initiierendes Organ, das Herz verwendet, wobei als Bewegungsinformation bevorzugt EKG-Signale verwendet werden.

Bezüglich des abgebildeten Untersuchungsbereiches beziehungsweise des zweiten Organs können die Lunge, der Aorta-Bereich, das Zwerchfell, die Leber, die Milz, der Magen und der Darm betrachtet werden.

Bezüglich der Relation von zur Rekonstruktion der CT-Bilder verwendeter und verworfener Daten eines Bewegungszyklus schlagen die Erfinder vor, dass mindestens Daten aus 50% des Herzzyklus und maximal 80 % des Herzzyklus, vorzugsweise Daten aus 60-70 % des Herzzyklus, zur Bildrekonstruktion verwendet werden. Beispielsweise kann dies erreicht werden, indem nur die, in der stark bewegten Phase um die R-Zacke ermittelten Daten von der Rekonstruktion ausgeschlossen werden.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn der zur Bildrekonstruktion genutzte Bereich im Herzzyklus während eines Scans veränderlich ist, vorzugsweise in Abhängigkeit von der Entfernung vom Herzen. Hierdurch kann eine fließende Anpassung an die zeitliche Ausdehnung der Bewegung des jeweils betrachteten Schnittes erreicht werden. Auch kann aufgrund des zeitverzögernden Übertragungsweges der Pulsation vom bewegungsinitiierenden Organ, z.B. dem Herzen, zum aktuell gescannten Untersuchungsbereich eine Phasenverschiebung der Grenzen zwischen erlaubtem und nichterlaubtem Bereich der zur Rekonstruktion verwendeten Daten während eines Scandurchlaufes vorteilhaft sein. Es ist also möglich, den zur Rekonstruktion genutzten Zyklusbereich sowohl in bezug auf seine zeitliche Ausdehnung als auch auf seine Phase zum bewegungsinitiierenden Organ, zum Beispiel dem Herzen, in Abhängigkeit des grundsätzlich betrachteten Bereiches oder auch jeweils gerade gescannten Bereiches anzupassen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei in den Figuren die folgenden Bezugszeichen verwendet werden: 1 Gantry, 2 Röntgenröhre mit Fokus, 3 Mehrzeilen-Detektor, 4 Patientenliege, 5 z-Achse, 6 Steuer-/Auswerteeinheit mit EKG, 7 Patient, 8 EKG-Messleitung, 9 Steuer-/Datenleitung zur Gantry, 10 Datenverwertungsbereich, 11 EKG-Signal, 12 verwertete Datensegmente, v Vorschub.

Die Figuren zeigen im Einzelnen:
1: Schematische Darstellung eines CT's;
2: Schematische Darstellung einer bekannten EKG-gegateten Mehrzeilen-Spiraluntersuchung des Herzens;
3: Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens, entsprechend der 2.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Computer-Tomographiegerätes mit einer Gantry 1 und darin integrierter Röntgenröhre 2 mit ihrem Fokus und dem gegenüberliegenden mehrzeiligen Detektor 3. Weiterhin wird eine auf der z-Achse 5 verschiebbare Patientenliege 4 gezeigt, die durch ihren Vorschub in Verbindung mit der gleichzeitigen Rotation des Fokus und des Detektors eine spiralförmige Abtastung des Untersuchungsbereiches erzeugt. Eine Steuer-/Auswerteeinheit 6 ist mit der Gantry 1 über eine Steuer-/Datenleitung 9 verbunden, so dass die Bewegung der Gantry 1, die Steuerung der Röntgenröhre 2 und die gleichzeitige Akquisition von Daten während der Abtastung erfolgen kann. Gleichzeitig werden durch ein in die Auswerteeinheit 6 integriertes EKG über die EKG-Messleitung 8 die EKG-Signale des Patienten 7 abgeleitet und mit den Datenströmen aus dem Detektor zeitsynchron abgeglichen. Hierdurch erhalten die Messdaten aus dem Detektor „Zeitstempel", die deren Phasenlage bezüglich der Herzbewegung wiedergeben.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines an sich bekannten EKG-gegateten Herzscans. In dieser Darstellung ist die z-Achse gegenüber der Zeitachse t dargestellt, wobei im unteren Koordinatenbereich der Verlauf des EKG-Signals 11 in Relation zum Vorschub dargestellt ist. Die Bereiche 10 definieren die Ruhephase des Herzens, in denen die eigentliche Datensammlung zur Rekonstruktion der CT-Bilder erfolgt, wobei die gestrichelten umrandeten Gebiete 12 die sogenannten Quickscan-Datensegmente einer Abtastung darstellen, die dann zur Datenrekonstruktion herangezogen werden.
Bei einer solchen Spiralrekonstruktion mit optimierter Zeitauflösung wird für jedes Bild ein solches Quickscan-Datensegment 12 zur Rekonstruktion herangezogen. Innerhalb eines Quickscans können Datensegmente 12 zwischen den Detektorzeilen auf die jeweilige Bildposition hin interpoliert werden. Das Quickscan-Datensegment kann hierbei, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, entweder vollständig aus einem Herzzyklus entnommen werden, oder aus mehreren Teilsegmenten aus aufeinanderfolgenden Herzzyklen zusammengesetzt werden. Charakteristisch für eine solche Rekonstruktion ist, dass alle Datensegmente in einer kleinen relativen Phase des Herzzyklus liegen, die einer relativen Ruhe des Herzens entsprechen. Dieses ist für eine artefaktarme Darstellung der Koronarien unerlässlich. Der maximal einstellbare Tischvorschub hängt dann von der Pulsrate ab, um eine lückenlose Volumenabdeckung zu gewähren. Für kleine Pulsraten (ungefähr 60 bpm) kann mit einem Vierzeilen-Scanner mit 0,5 sec. Rotationszeit ein Vorschub von 1,5 nicht überschritten werden. Dieses reicht aus, um das Herz innerhalb einer Atemanhaltephase mit 1mm-Schichten zu überdecken, ist aber für die Lungenuntersuchung oder Untersuchungen von Aortendissektionen zu wenig. Wird mit die ser Vorgehensweise der Pitch erhöht, resultiert dies in einer Verbreiterung des Schichtempfindlichkeitsprofils, wodurch man dann zwar innerhalb einer Atemanhaltephase ein größeres Volumen abdecken kann, aber gleichzeitig eine verschlechterte longitudinale Auflösung hinnehmen muss.
Die 3 zeigt die gleiche Abbildung wie 2, jedoch wird hier, da nicht das sich bewegende Organ, also das Herz, selbst aufgenommen wird, nicht nur ein sehr schmaler Bereich 10, sondern ein wesentlich breiterer Bereich 10 im Herzzyklus zur Datensammlung verwendet. Entsprechend kann eine größere Vorschubgeschwindigkeit verwendet werden. Für die Unterdrückung von Pulsationsartefakten in diesen herznahen Bereichen ist es nicht nötig, alle Quickscan-Datensegmente 12 wirklich in die exakt gleiche relative Phase des jeweiligen Herzzyklus zu legen, vielmehr reicht es aus, einen bestimmten Bereich des Herzzyklus als verboten zu markieren. Dies entspricht hierbei den nicht durch den Bereich 10 abgedeckten Phasen des Herzzyklus, die hier der stark bewegten systolischen Phase um die R-Zacke entsprechen. Im restlichen erlaubten Datenbereich 10 kann nun jedes Bild aus einem Quickscanintervall rekonstruiert werden, so dass man eine zeitliche Auflösung, die der halben Rotationszeit entspricht, hat. Allerdings kann das Quickscanintervall 12 floaten, das heißt die Startprojektion der Quickscanintervalle sind nicht fest definiert, sondern sie verschieben sich mit veränderter z-Position des zu rekonstruierenden Bildes innerhalb des erlaubten Datenbereiches. Auf diese Weise wird innerhalb des erlaubten Datenbereiches das jeweilige Quickscan-Segment 12 für ein Bild so verschoben, dass es sich optimal in die Spirale einfügt und so eine Spiralinterpolation zwischen den Detektorzeilen auf die jeweilige Bildposition hin möglich ist. Damit lässt sich der maximale Vorschub für einen Vierzeilenscan mit 0,5 sec. Rotationsdauer auf ca. 3,5 erhöhen, wobei 1mm Schichtdicke pro Bild erreicht wird. Dieser Pitch von 3,5 reicht aus, um innerhalb einer Atemanhaltephase mehr als 20 cm zu überstreichen.
Insgesamt wird also durch die Erfindung ein Verfahren zur verbesserten Erzeugung von CT-Bildern von mindestens einem zyklisch durch ein sich selbst bewegendes erstes Organ zur Bewegung angeregten zweiten Organ oder Untersuchungsbereich mit Ruhe- und Unruhephasen eines Patienten, vorgeschlagen, wobei das zweite Organ oder der Untersuchungsbereich spiralförmig abgetastet wird. Aufgrund der durch die Abtastung gewonnenen Daten in der Ruhephase des zweiten Organs oder Untersuchungsbereiches wird ein räumliches Bild der Absorptionskoeffizienten mit einer Vielzahl von Schnittebenen ermittelt, wobei die zur Bestimmung dieser Ruhephase notwendige Bewegungsinformationen vom ersten Organ gesammelt werden. Hierdurch wird einerseits die Orstunschärfe des betrachteten zweiten Organs oder Untersuchungsbereich gegenüber einer Aufnahme ohne Berücksichtigung von Ruhe- und Unruhephasen stark vermindert und entsprechend detailreichere Schnittbilder erreicht. Andererseits wirkt die zeitliche Beschränkung weniger stark als bei Aufnahmen des sich selbst bewegenden Organs, wenn die Stärke der Übertragung der Bewegung auf das betrachtete Organ berücksichtigt wird, die in vergrößerten Ruhephasen, in denen Daten gesammelt werden können, resultiert. Zusätzlich kann auch noch entsprechend dem Abstand zum sich selbst bewegenden Organ, meist dem Herzen, die Größe und Phasenverschiebung der Ruhephase relativ zur Periode des sich selbst bewegenden Organs angepasst werden. Gegebenenfalls kann dies auch während eines Scans fließend geschehen.
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.

Claims

Verfahren zur Erzeugung von CT-Bildern von mindestens einem zyklisch durch ein sich selbst bewegendes erstes Organ zur Bewegung angeregten zweiten Organ oder Untersuchungsbereich mit Ruhe- und Unruhephasen eines Patienten, wobei: 1.1. das zweite Organ oder der Untersuchungsbereich durch eine Gantry (1) mit mindestens einer Röntgenröhre mit einem Fokus (2), der ein konusförmiges Strahlenbündel auf mindestens einen gegenüberliegenden mehrzeiligen oder flächig ausgebildeten Detektor (3) ausstrahlt, abgetastet wird, vorzugsweise spiralförmig, wobei 1.2. die Abtastung mit einer relativen Vorschubgeschwindigkeit (v) in z-Richtung zwischen Gantry (1) und Patient (7) derart erfolgt, dass sich die abgetasteten Bereiche in der zyklisch auftretenden Ruhephase (10) überlappen oder zumindest berühren und 1.3. aufgrund der durch die Abtastung gewonnenen Daten in der Ruhephase des zweiten Organs oder Untersuchungsbereiches ein räumliches Bild der Absorptionskoeffizienten mit einer Vielzahl von Schnittebenen ermittelt wird, wobei 1.4. die zur Bestimmung der Ruhephase notwendige Bewegungsinformationen vom ersten Organ gesammelt werden.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Organ das Herz verwendet wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Bewegungsinformation EKG-Signale (11) verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als mindestens ein zweites Organ die Lunge betrachtet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als mindestens ein Untersuchungsbereich die Aorta betrachtet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als mindestens ein Untersuchungsbereich das Zwerchfell betrachtet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als mindestens ein zweites Organ die Leber betrachtet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als mindestens ein zweites Organ die Milz betrachtet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als mindestens ein zweites Organ der Magen betrachtet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als mindestens ein zweites Organ der Darm betrachtet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Daten aus einem Bereich von 50-80%, vorzugsweise 60-70%, des Herzzyklus zur Bildrekonstruktion verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Bildrekonstruktion genutzte Bereich (10) im Herzzyklus während eines Scans veränderlich ist, vorzugsweise in Abhängigkeit von der Entfernung vom Herzen.