DE102004017478B4

DE102004017478B4 - Vorrichtung für die Gewinnung von Strukturdaten eines sich bewegenden Objekts

Info

Publication number: DE102004017478B4
Application number: DE102004017478A
Authority: DE
Inventors: Dr. Boese Jan
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2004-04-08
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2024-04-09
Also published as: US20050226485A1; DE102004017478A1; JP4602146B2; US7471760B2; JP2005296652A

Abstract

Vorrichtung für die Gewinnung von Strukturdaten eines sich bewegenden Objekts mit: – einer entlang einer Messbahn um das Objekt bewegbaren Strahlungsquelle (6); – einem auf einer gegenüberliegenden Seite des Objekts angeordneten und entsprechend der Bewegung der Strahlungsquelle (6) bewegbaren Detektor (7), der Projektionsbilder des Objekts erzeugt; und – eine Auswerteeinheit (8), die aus den Projektionsbildern die Strukturdaten des Objekts berechnet, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Modelator (14) der Auswerteeinheit (8) aus den Projektionsbildern in verschiedenen Zeitfenstern (25) jeweils ein für das jeweilige Zeitfenster (25) gültiges Objektmodell (27) bestimmt, – ein Bewegungsanalysator (15) der Auswerteeinheit (8) anhand der Objektmodelle (27) zweidimensionale Modellprojektionsbilder (28) ableitet sowie aus den Modellprojektionsbildern (28) Bewegungsfelder (31) für die Projektionsbilder bestimmt, – ein Bewegungskompensator (16) der Auswerteeinheit (8) auf Grundlage der Bewegungsfelder (31) bewegungskorrigierte Projektionsbilder berechnet, und – eine Rekonstruktionseinheit (17) der Auswerteeinheit (8) aus den bewegungskorrigierten Projektionsbildern die...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Gewinnung von Strukturdaten eines sich bewegenden Objekts mit:

– einer entlang einer Messbahn um das Objekt bewegbaren Strahlungsquelle;
– einem auf einer gegenüberliegenden Seite des Objekts angeordneten und entsprechend der Bewegung der Strahlungsquelle bewegbaren Detektor, der Projektionsbilder des Objekts erzeugt; und
– eine Auswerteeinheit, die aus den Projektionsbildern die Strukturdaten des Objekts bestimmt.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 101 29 631 A1 bekannt und betrifft das auf dem Gebiet der dreidimensionalen Angiokardiographie. Bei der Rotationsangiokardiographie werden dreidimensionale Strukturdaten des sich bewegenden Herzens gewonnen, indem eine Röntgenstrahlungsquelle und ein Röntgendetektor über einen Winkelbereich größer 180° um den Patienten rotieren und dabei Projektionsbilder des sich bewegenden Herzens aufnehmen. Aus den Projektionsbildern können dann grundsätzlich die Strukturdaten des Objekts in Form von dreidimensionalen Raumkoordinaten bestimmt werden.
Ein Problem dabei ist, dass während der langen Rotation von Röntgenstrahlungsquelle und Röntgendetektor, die typischerweise 3 bis 10 Sekunden dauert, das Herz des Patienten mehrfach schlägt. Durch die Bewegung des Herzens entstehen starke Artefakte bei der dreidimensionalen Rekonstruktion der Strukturdaten des Herzens.
Bei der bekannten Vorrichtung wird versucht, dieses Problem der Angiokardiographie dadurch zu lösen, dass mit Hilfe eines Elektrokardiographs während der Aufnahme der Projektionsbilder die jeweiligen Phasen der Herzbewegung bestimmt werden. Anhand des vom Elektrokardiograph ermittelten Elektrokardiogramms werden aus den Projektionsbildern aus mehreren Herzzyklen diejenigen Projektionsbilder ausgewählt, die mit jeweils dem gleichen Zeitabstand zum Beginn des Herzzyklus aufgenommen werden. Mit diesen ausgewählten Projektionsbildern werden dreidimensionale Modelle des Herzens erstellt, die den jeweiligen Zeitpunkten zugeordnet sind, zu denen die Projektionsbilder aufgenommen werden. Anhand der dreidimensionalen Modelle werden dann Zeitfenster bestimmt, in denen sich Teilbereiche des Herzens nur wenig bewegen. Innerhalb dieser Zeitfenster aufgenommene Projektionsbilder werden dann dazu verwendet, die Teilbereiche zu rekonstruieren. Das Gesamtbild wird schließlich aus den Teilbereichen zusammengesetzt.
Somit werden aus den während einer vollständigen Rotation aufgenommenen Projektionsbildern wenige Projektionsbilder ausgewählt, in denen sich das Herz oder ein Teilbereich davon in einer ruhigen Phase befindet.
Diese Auswahl hat zur Folge, dass sich sowohl die räumliche Auflösung als auch die Kontrastauflösung der dreidimensionalen Strukturdaten wesentlich verschlechtert.
Umgekehrt ist es zwar möglich, mehr Projektionsbilder für die Gewinnung der Strukturdaten herauszuziehen, aber in diesem Fall verschlechtert sich die zeitliche Auflösung.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der sich Strukturdaten eines sich bewegenden Objekts mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung gewinnen lassen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
Neben einer Strahlungsquelle und einem Detektor, die sich entlang einer Messbahn um das Objekt herum bewegen, verfügt die Vorrichtung über eine Auswerteeinheit, in der ein Modelator aus den Projektionsbildern in verschiedenen Zeitfenstern jeweils ein für das jeweilige Zeitfenster gültiges Objektmodell bestimmt. Ein Bewegungsanalysator der Auswerteeinheit kann dann anhand des Objektmodells Modellprojektionsbilder ableiten und aus den Modellprojektionsbildern Bewegungsfelder für die Projektionsbilder bestimmen. Ein Bewegungskompensator der Auswerteeinheit ist daraufhin in der Lage, auf Grundlage der Bewegungsfelder bewegungskorrigierte Projektionsbilder zu berechnen, so dass schließlich eine Rekonstruktionseinheit der Auswerteeinheit aus den bewegungskorrigierten Projektionsbildern die Strukturdaten des Objekts bestimmen kann.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass aus den vom Modelator berechneten Objektmodellen trotz der schlechten Orts- und Kontrastauflösung dennoch wertvolle Bewegungsinformationen gewonnen weben können. Denn aus den unterschiedlichen Objektmodellen, die den verschiedenen Zeitfenstern zugeordnet sind, können Bewegungsfelder der Projektionsbilder abgeschätzt wenden. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die Einzelheiten des sich bewegenden Objekts, die im zunächst konstruierten Objektmodell nicht erscheinen, sich ähnlich wie zugehörige grob strukturierte Bereiche des zu untersuchenden Objekts bewegen.
Da bei der Vorrichtung für die Rekonstruktion der Strukturdaten eine größere Anzahl von aufgenommenen Projektionsbildern verwendet werden kann, weisen die Strukturdaten im Vergleich zum Stand der Technik eine verbesserte Orts- und Kontrastauflösung auf. Zugleich ist es möglich, eine hohe Zeitauflösung zu erreichen, da die aufgenommenen Projektionsbilder grundsätzlich auf jeden beliebigen Zeitpunkt hin bewegungskorrigiert werden können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das zu untersuchende Objekt ein sich zyklisch bewegendes Objekt und die Vorrichtung verfügt über einen Bewegungssensor, mit dem sich die Phasen des Zyklus erfassen lassen. Dadurch wird die Bewegungskorrektur erleichtert, da die Phasen des Zyklus nicht aus den aufgenommenen Projektionsbildern selbst geschätzt werden müssen.
Wenn die Vorrichtung im Rahmen der Angiokardiographie zur Untersuchung eines sich bewegenden Herzens verwendet wird, ist der Bewegungssensor vorzugsweise ein Elektrokardiograph.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Auswerteeinheit der Vorrichtung für eine iterative Datenreduktion eingerichtet. In diesem Fall erstellt die Rekonstruktionseinheit verschiedenen Zeitpunkten zugeordnete Strukturdatensätze und der Bewegungsanalysator bestimmt aus den Strukturdatensätzen verfeinerte Modellprojektionsbilder, die zur Berechnung von um zusätzliche Details angereicherten Bewegungsfeldern für die ursprünglichen Projektionsbilder dienen. Die Auswerteeinheit kann die Datenreduktion so oft wiederholen, bis sich die errechneten Strukturdatensätze nur noch wenig ändern.
Ausführungsbeispiel
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen anhand der beigefügten Zeichnung erläutert werden. Es zeigen:
1 ein Angiographiegerät für die dreidimensionale Rotationsangiokardiographie;
2 eine Darstellung der logischen Funktionseinheiten einer Auswerteeinheit des Angiographiegeräts aus 1;
3 ein Diagramm, in das die zeitliche Entwicklung eines Projektionswinkels des Angiographiegeräts und ein Elektrokardiogramm eines untersuchten Patienten eingetragen ist;
4 ein Diagramm, in dem die Phasenlage von aufgenommenen Projektionsbildern in Bezug auf den Projektionswinkel des Angiographiegeräts und die relative Zeit eines Herzzyklus dargestellt ist;
5 ein Diagramm, das den Ablauf der von der Auswerteeinheit des Angiographiegeräts durchgeführten Datenreduktion veranschaulicht;
6 ein Diagramm, in das die Phasenlage von den ursprünglich aufgenommenen Projektionsbildern und die Phasenlage der bewegungskorrigierten Projektionsbilder in Bezug auf den Projektionswinkel des Angiographiegeräts und die relative. Zeit eines Herzzyklus eingetragen sind.
1 zeigt ein Angiographiegerät 1, das dazu dient, Strukturdaten von einem Herzen eines Patienten 2 zu gewinnen. Diese Strukturdaten können ein dreidimensionales Modell des Herzens des Patienten 2 sein. Die Strukturdaten können aber auch Schnitte durch das Herz des Patienten 2 sein. Ferner können die Strukturdaten mit oder ohne Zeitauflösung gewonnen werden.
Der Patient 2 liegt üblicherweise auf einem Tisch 3, der von einem C-Arm 4 umfahren werden kann. Der C-Arm 4 ist an einer Halterung 5 angebracht, die es gestattet, den C-Arm 4 um den Patienten 2 zu rotieren. Ferner verfügt der C-Arm 4 über eine Röntgenstrahlungsquelle 6 und einen Röntgendetektor 7, der dazu dient Projektionsbilder des Herzens des Patienten 2 aufzunehmen. Die von dem Röntgendetektor 7 erzeugten Projektionsbilder werden einer Auswerteeinheit 8 zugeführt, die über eine Bildverarbeitungseinheit 9 mit angeschlossenem Bildspeicher 10 sowie ein Elektrokardiograph 11 mit angeschlossenem Herzsignalspeicher 12 verfügt. Der Elektrokardiograph 11 ist über Elektroden 13 mit dem Patienten 2 verbunden.
2 zeigt logische Funktionseinheiten der Bildverarbeitungseinheit 9. Die Bildverarbeitungseinheit 9 verfügt über einen Modelator 14, der aus den im Herzsignalspeicher 12 abgespeicherten Herzsignaldaten und den im Bildspeicher 10 abgespeicherten Projektionsbildern jeweils verschiedenen Zeitfenstern zugeordnete Herzmodelle erzeugt. Ein Bewegungsanalysator 15 bestimmt anhand der vom Modelator 14 erstellten Modelle eine Reihe von Bewegungsfeldern, mit deren Hilfe ein Bewegungskompensator 16 die Bewegung des Herzens in den ursprünglichen Projektionsbildern korrigiert. Aus den vom Bewegungskompensator 16 gelieferten bewegungskorrigierten Projektionsbildern, bestimmt eine Rekonstruktionseinheit 17 die Strukturdaten des Herzens, die in einem Strukturdatenspeicher 18 abgelegt werden. In einer weiteren Iteration der Datenreduktion können die von der Rekonstruktionseinheit 17 erzeugten Strukturdaten dem Bewegungsanalysator 15 zur Verfügung gestellt wenden, der daraus verfeinerte Bewegungsfelder errechnet.
Die Funktion der einzelnen, in 2 dargestellten, logischen Funktionseinheiten der Bildverarbeitungseinheit 9 werden im Folgenden im Einzelnen erläutert.
3 zeigt ein Bewegungsdiagramm 19, in dem der Projektionswinkel 9 des C-Arms 4 gegen die Zeit t aufgetragen ist, während der sich der C-Arm 4 um den Patienten 2 bewegt. Aufgrund der kontinuierlichen Bewegung des C-Arms 4 steigt der Projektionswinkel θ kontinuierlich mit der Zeit an.
Ferner enthält 3 ein Elektrokardiogramm 20 eines Patienten 2. Deutlich erkennbar sind die so genannten R-Zacken 21 aufgrund derer es möglich ist, einem Rotationszustand 22 des C-Arms 4 einen Herzzyklus 23 des Herzens des Patienten 2 zuzuordnen. Ein Herzzyklus 23 erstreckt sich jeweils von einer R-Zacke 21 zu der nachfolgenden R-Zacke 21. Da sich die Bewegung des Herzens zyklisch wiederholt, kann dem Bewegungsablauf des Herzens innerhalb eines Zyklus eine relative Zeit t_rel zugeordnet werden, die Werte zwischen 0 und 1 annehmen kann.
Es sei angemerkt, dass der Projektionswinkel θ stellvertretend für den gesamtem Satz von Positionsdaten steht, der die Position des C-Arms 4 vollständig beschreibt.
4 zeigt nun ein Diagramm, in dem Phasenlagen 24 der vom Röntgendetektor 7 erzeugten Projektionsbilder in Bezug auf den Projektionswinkel 9 und die relative Zeit t_rel sind.
4 zeigt insbesondere die Phasenlage 24 von Projektionsbildern, die in einem Zeitfenster 25 liegen, das auf t_rel = 0,7 zentriert ist und eine Breite von Δ = 0,2 aufweist. Aus den Projektionsbildern, die dem Zeitfenster 25 zugeordnet werden können, berechnet nunmehr der Modelator 14 aus 2 ein Modell für das Herz des Patienten 2, das der relativen Zeit t_rel = 0,7 zugeordnet ist. Dieses Modell leidet im Allgemeinen unter einer schlechten Orts- und Kontrastauflösung.
Daneben berechnet der Modelator 14 in weiteren Zeitfenstern 25 weitere Modelle des Herzens. Die Phasenstreifen sind dabei vorzugsweise auf die relativen Zeiten t_rel = 0,1/n, 2/n, 3/n ... n – 1/n zentriert und gleichmäßig über den Herzzyklus 23 verteilt. Als Breite der Zeitfenster 25 wird ein Wert Δ = 1/n oder großer gewählt, wobei Letzteres zu überlappenden Zeitfenstern 25 führt.
Im Ergebnis erzeugt der Modelator 14 wie in 5 dargestellt einen vierdimensionalen Datensatz 26, der eine Vielzahl von verschiedenen Zeitpunkten t_rel Modellen 27 des Herzens enthält.
Der im Zusammenhang mit 3 erwähnte Bewegungsanalysator 15 erzeugt anhand der Modelle 27 Modellprojektionsbilder 28 zu verschiedenen Projektionswinkeln 9. Zum Erstellen der Modellprojektionsbilder 28 werden zum Beispiel dem Fachmann unter der Bezeichnung DRR (= digitally reconstructed radiograph) oder MIP (= maximum intensity projection) bekannte Verfahren verwendet.
In 5 ist ein dreidimensionaler Datensatz 29 dargestellt, der die einem bestimmten Projektionswinkel θ zugeordneten Modellprojektionsbilder 28 zu verschiedenen relativen Zeiten t_rel umfasst.
Der Bewegungsanalysator 15 berechnet nun in einem Analysevorgang 30 Bewegungsfelder 31, die die Bewegung der Bildstrukturen in den zweidimensionalen Modellprojektionsbildern 28 beschreiben. Dabei kann beispielsweise auf Suchalgorithmen zurückgegriffen werden, die im Zusammenhang mit der Videocodierung verwendet werden.
Nach dem Ableiten der Bewegungsfelder 31 führt der Bewegungskompensator 16 eine Bewegungskompensation von der in 6 dargestellten Art aus. In 6 sind in einem Zeitfenster 32 Phasenlagen 33 von Projektionsbildern dargestellt, die dem Zeitfenster 32 zugeordnet sind. Mit Hilfe des Bewegungskompensators 16 werden die ursprünglichen Phasenlagen 33 in korrigierte Phasenlagen 34 überführt, so dass die zugehörigen korrigierten Projektionsbilder jeweils Projektionsbildern entsprechen, die zu einem festen Zeitpunkt t_rel und bei verschiedenen Projektionswinkeln θ aufgenommenen worden sind. In 4 ist beispielsweise das Erzeugen von bewegungskompensierten Projektionsbildern zum Zeitpunkt t_rel = 0,7 veranschaulicht, wobei diejenigen Projektionsbilder verwendet werden, deren Phasenlagen 33 sich innerhalb eines Zeitfenster 32 der Breite Δ = 0,4 befinden.
Die auf diese Weise bewegungskompensierten Projektionsbilder werden schließlich der Rekonstruktionseinheit 17 zugeführt, die aus den bewegungskompensierten Projektionsbildern die Strukturdaten des Herzens des Patienten 2 erzeugt.
Wie bereits erwähnt, können die Strukturdaten auch verschiedenen relativen Zeiten t_rel zugeordnete dreidimensionale Modelle des Herzens des Patienten 2 sein, aus denen der Bewegungsanalysator 15 verfeinerte Bewegungsfelder 31 errechnen kann, so dass sich bei einer Iteration der von der Auswerteeinheit 8 durchgeführten Verfahren verfeinerte Strukturdatensätze ergeben, die wiederum dem Bewegungsanalysator zugeführt werden können, bis sich die Strukturdatensätze nicht mehr oder nur noch wenig ändern.
Es sei angemerkt, dass die Auswertung der Herzsignale des Elektrokardiographs 11 nicht in jedem Fall erforderlich ist. Vielmehr können die Herzzyklen 23 auch näherungsweise aus den ursprünglichen Projektionsbildern geschätzt werden.
Weiterhin sei angemerkt, dass die hier beschriebene Vorrichtung grundsätzlich auch zur Untersuchung von sich nicht zyklisch bewegenden Objekten verwendet werden kann.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass Begriffe wie Modelator, Bewegungsanalysator, Bewegungskompensator oder Rekonstruktionseinheit funktional zu verstehen sind. Diese logischen Einhei

Claims

Vorrichtung für die Gewinnung von Strukturdaten eines sich bewegenden Objekts mit: – einer entlang einer Messbahn um das Objekt bewegbaren Strahlungsquelle (6); – einem auf einer gegenüberliegenden Seite des Objekts angeordneten und entsprechend der Bewegung der Strahlungsquelle (6) bewegbaren Detektor (7), der Projektionsbilder des Objekts erzeugt; und – eine Auswerteeinheit (8), die aus den Projektionsbildern die Strukturdaten des Objekts berechnet, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Modelator (14) der Auswerteeinheit (8) aus den Projektionsbildern in verschiedenen Zeitfenstern (25) jeweils ein für das jeweilige Zeitfenster (25) gültiges Objektmodell (27) bestimmt, – ein Bewegungsanalysator (15) der Auswerteeinheit (8) anhand der Objektmodelle (27) zweidimensionale Modellprojektionsbilder (28) ableitet sowie aus den Modellprojektionsbildern (28) Bewegungsfelder (31) für die Projektionsbilder bestimmt, – ein Bewegungskompensator (16) der Auswerteeinheit (8) auf Grundlage der Bewegungsfelder (31) bewegungskorrigierte Projektionsbilder berechnet, und – eine Rekonstruktionseinheit (17) der Auswerteeinheit (8) aus den bewegungskorrigierten Projektionsbildern die Strukturdaten des Objekts bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Untersuchung eines sich zyklisch bewegenden Objekts für die Bestimmung der Zyklen (23) einen Bewegungssensor (11, 13) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Untersuchung eines sich bewegenden Herzens einen Elektrokardiographen (11) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) mehrere unterschiedlichen Bewegungsabschnitten zugeordnete Strukturdatensätze erzeugt und diese dem Bewegungsanalysator (15) zuführt, der aus den Strukturdatensätze verfeinerte Bewegungsfelder (31) erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) auf Grundlage der verfeinerten Bewegungsfelder (31) verfeinerte Strukturdatensätze des Objekts erzeugt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) bei der Untersuchung eines sich in Zyklen (23) bewegenden Objekts die Zyklen (23) anhand der vom Detektor (7) gelieferten Projektionsbildern bestimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle eine Röntgenstrahlungsquelle (6) und der Detektor ein Röntgendetektor (7) ist.