-
HINTERGRUND
ZU DER ERFINDUNG
-
Die
Erfindung betrifft Bildgebungssysteme und insbesondere Systeme und
Verfahren zum Analysieren einer Anomalie eines Objekts.
-
Die
Systeme und Verfahren betreffen multimodale medizindiagnostische
Bildgebungssysteme, die in der Lage sind, in verschiedenen Betriebsarten zu
scannen, wie zum Beispiel Positronenemissionstomographie (PET) und
Computertomographie (CT), jedoch ohne hierauf beschränken zu
wollen. Der Begriff "Multimodus" bezeichnet Systeme,
die Scandurchgänge
in unterschiedlichen Betriebsarten durchführen, beispielsweise in einem
fluoroskopischen Modus und einem Tomosynthesemodus. Der Begriff "multimodal" bezeichnet Systeme
die Scandurchgänge
in verschiedenen Betriebsarten durchführen, beispielsweise CT und
PET (Positron Emission Tomography = Positronenemissionstomographie). Es
wird in Erwägung
gezogen, dass die Vorteile von Systemen und Verfahren zum Analysieren
einer Anomalie eines Objekts sämtlichen
multimodalen Bildgebungssystemen zukommen, beispielsweise, jedoch ohne
darauf beschränkt
zu sein, einem PET-CT-Bildgebungssystem.
-
Ein
in einer CT-Untersuchung gefundener Knoten verlangt einem Patient
oft ab, nach mehreren Monaten wiederzukommen, um sich einer weiteren CT-Untersuchung
zu unterwerfen, um auf der Grundlage der Knotenverdopplungszeit
eine Bösartigkeit zu
ermitteln. PET-Scandurchgänge
können
aufgrund einer im Bereich des Knotens erhöhten metabolischen Aktivität in der
Diagnose nützlich
sein. Allerdings ist die Knotenaktivität in der PET-Scanaufnahmen
aufgrund der vergleichsweise niedrigeren Auflösung von PET-Bildern im Vergleich
zu CT-Bildern und aufgrund von Effekten der Atmung oder einer Bewegung
des Patienten während
eines PET-Scandurchlaufs möglicherweise
unscharf abgebildet. Folglich lässt
sich die Knotenaktivität
im Falle von PET gegebenenfalls nur schwer quantifizieren und vergleichen. Dieses
kann ein unsicheres Ergebnis der Diagnose über den Knoten zur Folge haben.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
In
einem Ausführungsbeispiel
ist ein Verfahren zum Analysieren wenigstens einer Anomalie eines
Objekts beschrieben. Zu dem Verfahren gehören die Schritte: Gewinnen
eines ersten Bildes, das eine Anomalie aufweist, mittels einer ersten
Modalität, Gewinnen
eines zweiten Bildes, das die Anomalie aufweist, mittels einer zweiten
Modalität,
Auswählen eines
ersten interessierenden Bereichs innerhalb des ersten Bildes, Ermitteln
einer anatomischen Abmessung der Anomalie auf der Grundlage des
ersten interessierenden Bereichs in dem ersten Bild und Ermitteln
einer relativen metabolischen Aktivität auf der Grundlage eines zweiten
interessierenden Bereichs innerhalb des zweiten Bildes.
-
In
einem anderen Aspekt ist ein Medium beschrieben, das mit einem von
einem Rechner auslesbaren Programm kodiert ist. Das Programm ist
konfiguriert, um einen Rechner anzuweisen, ein Computertomographie-(CT)-Bild
zu gewinnen, das eine Anomalie enthält, indem ein CT-Scandurchgang
an einem Objekt durchgeführt
wird, ein Positronenemissionstomographie-(PET)-Bild zu gewinnen, das die Anomalie aufweist,
indem ein PET-Scandurchgang an
dem Objekt durchgeführt
wird, einen innerhalb des CT-Bildes lokalisierten ersten interessierenden Bereich
auszuwählen,
auf der Grundlage des ersten interessierenden Bereichs in dem CT-Bild
eine anatomische Abmessung der Anomalie zu bestimmen, und auf der
Grundlage eines auf dem PET-Bild lokalisierten zweiten interessierenden
Bereichs eine relative metabolische Aktivität zu ermitteln.
-
In
noch einem weiteren Aspekt ist ein Rechner beschrieben. Der Rechner
ist programmiert, ein CT-Bild zu gewinnen, das eine Anomalie enthält, indem
ein Computertomographie-(CT)-Scandurchgang
an einem Objekt durchgeführt
wird, ein PET-Bild zu gewinnen, das die Anomalie aufweist, indem
ein Positronenemissionstomographie-(PET)-Scandurchgang an dem Objekte
durchgeführt
wird, einen innerhalb des CT-Bildes lokalisierten ersten interessierenden
Bereich auszuwählen, auf
der Grundlage des ersten interessierenden Bereichs in dem CT-Bild eine anatomische
Abmessung der Anomalie zu bestimmen, und auf der Grundlage eines
auf dem PET-Bild lokalisierten zweiten interessierenden Bereichs
eine relative metabolische Aktivität zu ermitteln.
-
In
noch einem weiteren Aspekt ist ein Bildgebungssystem beschrieben,
das dazu dient, wenigstens eine Anomalie eines Objektes zu analysieren. Zu
dem Bildgebungssystem gehören:
eine Strahlungsquelle, ein Strahlungsdetektor und ein geeignet an
die Strahlungsquelle und den Strahlungsdetektor angeschlossener
Controller. Der Controller ist konfiguriert, um ein erstes Bild
zu gewinnen, das eine Anomalie aufweist, indem ein Computertomographie-(CT)-Scandurchgang
an einem Objekt durchgeführt
wird, ein zweites Bild zu gewinnen, das die Anomalie aufweist, indem
ein Positronenemissionstomographie-(PET)-Scandurchgang an dem Objekt durchgeführt wird,
einen innerhalb des ersten Bildes lokalisierten ersten interessierenden
Bereich auszuwählen,
auf der Grundlage des ersten interessierenden Bereichs in dem CT-Bild
eine anatomische Abmessung der Anomalie zu bestimmen, und auf der Grundlage
eines auf dem zweiten Bild lokalisierten zweiten interessierenden
Bereichs eine relative metabolische Aktivität zu ermitteln.
-
In
einem anderen Aspekt ist ein Bildgebungssystem zur Analyse wenigstens
einer Anomalie eines Objektes beschrieben. Zu dem Bildgebungssystem
gehören:
eine Strahlungsquelle, ein Strahlungsdetektor und ein geeignet an
die Strahlungsquelle und an den Strahlungsdetektor angeschlossener
Controller. Der Controller ist dazu eingerichtet, ein Computertomographie-(CT)-Bild zu gewinnen,
das eine Anomalie aufweist, indem ein CT-Scandurchgang an einem
Objekt durchgeführt wird,
ein Po sitronenemissionstomographie-(PET)-Bild zu gewinnen, das die
Anomalie aufweist, indem ein PET-Scandurchgang an dem Objekt durchgeführt wird,
einen innerhalb des ersten Bildes lokalisierten ersten interessierenden
Bereich auszuwählen,
auf der Grundlage des ersten interessierenden Bereichs in dem CT-Bild
eine anatomische Abmessung der Anomalie zu bestimmen, und auf der Grundlage
eines auf dem zweiten Bild lokalisierten zweiten interessierenden
Bereichs eine relative metabolische Aktivität zu ermitteln.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt eine anschauliche
Ansicht eines CT-Bildgebungssystems, in dem die Systeme und Verfahren
zum Analysieren einer Anomalie eines Objekts verwirklicht sind.
-
2 zeigt ein Blockschaltbild
des in 1 veranschaulichten
CT-Bildgebungssystems.
-
3 zeigt eine isometrische
Ansicht eines Ausführungsbeispiels
eines PET-Bildgebungssystems, in dem Systeme und Verfahren zum Analysieren
einer Anomalie eines Objekts verwirklicht sind.
-
4 zeigt ein Blockschaltbild
des PET-Bildgebungssystems nach 3.
-
5 und 6 zeigen ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines Verfahrens zum Analysieren einer Anomalie eines Objekts.
-
7 zeigt PET- und CT-Bilder,
um das Verfahren nach 5 und 6 zu veranschaulichen.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Im
Falle von Computertomographie-(CT)-Bildgebungssystemkonfigurationen
projiziert eine Röntgenstrahlenquelle
einen fächerförmigen Strahl,
der so gebündelt
ist, dass er innerhalb einer xy-Ebene eines Kartesischen Koordinatensystems
verläuft,
die im allgemeinen als "Bildgebungsebene" bezeichnetet wird.
Der Röntgenstrahl
durchquert das abzubildende Objekt, beispielsweise einen Patienten.
Der Strahl trifft, nachdem er durch das Objekt geschwächt wurde,
auf ein Array von Strahlungsdetektoren. Die Intensität der an
dem Detektorarray aufgefangenen geschwächten Strahlung hängt von der
Schwächung
ab, die ein Röntgenstrahl
durch das Objekt erfährt.
Jedes Detektorelement in dem Array erzeugt ein eigenes elektrisches
Signal, das die Intensität
des Strahls an der Detektorposition kennzeichnet. Die Intensitätsmesswerte
sämtlicher
Detektoren werden getrennt erfasst, um ein Abstrahlungsprofil zu
erzeugen.
-
Im
Falle von CT-Systemen der dritten Generation werden die Röntgenstrahlenquelle
und das Detektorarray mittels eines Gantryrahmens innerhalb der
Bildgebungsebene und um das abzu bildende Objekt herum gedreht, so
dass sich der Winkel, unter dem der Röntgenstrahl auf das Objekt
fällt,
ständig ändert. Eine
Gruppe von Röntgenstrahlschwächungsmesswerten,
d. h. Projektionsdaten des Detektorarrays unter jeweils einem Gantrywinkel,
wird als eine "Ansicht" bezeichnet. Ein "Scandurchgang" des Objekts umfasst
einen Satz von Ansichten, der während
einer Umdrehung der Röntgenstrahlenquelle
und des Detektors unter verschiedenen Gantrywinkeln oder Blickwinkeln
erzeugt wird.
-
Im
Falle eines axialen Scannens werden die Projektionsdaten verarbeitet,
um ein Bild zu konstruieren, das einem zweidimensionalen, durch
das Objekt geführten
Schnitt entspricht. Ein Verfahren zum Rekonstruieren eines Bildes
aus einem Satz von Projektionsdaten ist in der Fachwelt als die
gefilterte Rückprojektionstechnik
bekannt. Dieses Verfahren wandelt die Schwächungsmesswerte eines Scandurchgangs
in mit "CT-Zahlen" oder "Hounsfield-Einheiten" bezeichnete Integerzahlen
um, die verwendet werden, um die Helligkeit eines entsprechenden
Pixels auf einem Datensichtgerät
zu steuern. Positronenemissionstomographie-(PET)-Scanner verkörpern ein ähnliches
Verfahren, wie es im Falle einer CT zu finden ist, insofern eine
Abbildung der auf ein Objekt zurückzuführenden
Schwächung
erzeugt werden kann. Ein Verfahren zum Durchführen dieser Schwächungsmessung
umfasst einen Einsatz von Drehstabquellen, die positronenemittierende
Radionuklide enthalten. Die Stäbe
rotieren außerhalb
des Patiententunnels, jedoch innerhalb des Durchmessers des PET-Detektorringes.
In den Stäben
stattfindende Annihilationsereignisse können ein Photon in einen auf
der nahen Seite angeordneten Detektor senden, während das zugehörige Paarphoton
das interessierende Objekt in einer dem CT-Röntgenstrahl vergleichbaren
Weise durchquert. Die mittels dieses Verfahrens ermittelten Daten
enthalten, mit Ausnahme der statistischen Qualität der daraus resultierenden
Daten, im Wesentlichen dieselbe Information wie die aus dem CT-Verfahren
gefundenen Daten. Im Falle der Drehstabtechnik ist die statistische
Qualität um
Größenordnungen
schlechter als die der am meisten verbreiteten CT-Scanaufnahmen. Für den Zweck
der PET werden auf diese Weise erlangte Daten verwendet, um die
Schwächung
zu kompensieren, die aufgrund der 511keV-Photonen in dem Objekt
beobachtet wird, was häufig
die wichtigste an den PET-Daten durchgeführte Korrektur darstellt.
-
Um
die Gesamtscanzeit zu reduzieren, kann ein "Spiral"-Scannen
durchgeführt
werden. Um ein "Spiral"-Scannen durchzuführen, wird
der Patient bewegt, während
die Daten für
die vorgegebene Anzahl von Schichtbildern akquiriert werden. Ein
derartiges System erzeugt anhand eines Fächerstrahlspiralscandurchgangs
eine einzelne Spirale. Die durch den Fächerstrahl abgebildete Spirale
liefert Projektionsdaten, aus denen sich Bilder in jeder vorgegebenen Schicht
rekonstruieren lassen.
-
Rekonstruktionsalgorithmen
zum Spiralscannen benutzen typischerweise Spiralwichtungsalgorithmen,
die die gesammelten Daten als Funktion des Blickwinkel und des Detektorkanalindexes
wichten. Insbesondere werden die Daten vor dem Vorgang einer gefilterten
Rückprojektion
gemäß einem Spiralwichtungsfaktor
gewichtet, der eine Funktion sowohl des Gantry winkels als auch des
Detektorwinkels ist. Die gewichteten Daten werden anschließend verarbeitet,
um CT-Zahlen zu erzeugen und ein Bild aufzubauen, das einer zweidimensionalen
Schicht entspricht, die durch das Objekt hindurch aufgenommen ist.
-
Zumindest
einige CT-Systeme sind darauf eingerichtet, eine Positronenemissionstomographie (PET)
durchzuführen,
und diese werden als PET-CT-Systeme bezeichnet. Positronen sind
elektrisch positiv geladene Elektronen ("Anti-Elektronen"), die durch Radionuklide emittiert
werden, die mittels eines Zyklotrons oder einer sonstigen Vorrichtung
erzeugt wurden. Die am häufigsten
in der diagnostischen Bildgebung verwendeten Radionuklide sind Fluor-18
(18F), Kohlenstoff-11 (11C),
Stickstoff-13 (13N) und Sauerstoff-15 (15O) . Als "Radiopharmazeutika" bezeichnete Radionuklide werden als
radioaktive Indikatoren verwendet, indem diese in Substanzen, wie
Glucose oder Kohlendioxid inkorporiert werden. Eine allgemeiner
Verwendungszweck von Radiopharmazeutika ist auf dem Gebiet der medizinischen
Bildgebung zu finden.
-
Um
ein Radiopharmazeutikum in der Bildgebung zu verwenden, wird es
einem Patienten injiziert, und dieses häuft sich in einem abzubildenden
Organ, Blutgefäß oder dgl.
an. Es ist bekannt, dass spezifische Radiopharmazeutika sich in
bestimmten Organen konzentrieren, oder dass im Falle eines Blutgefäßes spezifische
Radiopharmazeutika von einer Gefäßwand nicht
absorbiert werden. Der Vorgang des Konzentrierens erfolgt häufig im
Zusammenhang mit Prozessen wie Glukosemetabolismus, Fettsäuremetabolismus
und Proteinsynthese. Nachstehend wird zu Vereinfachung dieser Erläuterung
ein abzubildendes Organ einschließlich eines Blutgefäßes allgemein
als ein "interessierendes
Organ" bezeichnet, und
die Erfindung wird mit Bezug auf ein hypothetisches interessierendes
Organ beschrieben.
-
Nachdem
das Radiopharmazeutikum innerhalb eines interessierenden Organs
angehäuft
ist, und während
die Radionuklide zerfallen, emittieren diese Positronen. Die Positronen
bewegen sich eine sehr kurze Strecke bevor sie auf ein Elektron
treffen, und wenn das Positron mit einem Elektron in Wechselwirkung
tritt, wird das Positron vernichtet und in zwei Photonen, oder Gammastrahlen
umgewandelt. Dieses Annihilationsereignis ist durch zwei Merkmale gekennzeichnet,
die für
die medizinische Bildgebung und insbesondere für die PET verwendende medizinische
Bildgebung relevant sind. Erstens weist jeder aufgrund einer Annihilation
erzeugte Gammastrahl eine Energie von etwa 511 keV auf. Zweitens
werden die beiden Gammastrahlen in nahezu entgegengesetzte Richtungen
abgestrahlt.
-
Im
Falle der PET-Bildgebung kann, falls die allgemeinen Orte der Annihilation
in drei Dimensionen identifiziert werden können, ein dreidimensionales
Bild der radiopharmazeutischen Konzentration in einem interessierenden
Organ für
eine Beobachtung rekonstruiert werden. Um die Annihilationsorte
zu detektieren, wird eine PET-Kamera verwendet. Eine exemplarische
PET-Kamera enthält
eine Vielzahl von Detektoren und einen Prozessor, der u.a. einen
Koinzidenzdetektionsschaltkreis aufweist.
-
Der
Koinzidenzschaltkreis identifiziert Pulspaare, die im Wesentlichen
gleichzeitig auftreten, die Detektoren ent sprechen, die im wesentlichen
auf entgegengesetzten Seiten der Bildgebungsfläche angeordnet sind. Ein simultanes
Pulspaar zeigt daher an, dass auf einer zwischen einem zugeordneten
Detektorenpaar verlaufenden Geraden eine Annihilation aufgetreten
ist. Über
eine Akquirierungsperiode von einigen Minuten werden Millionen von
Annihilationen aufgezeichnet, wobei jede Annihilation genau einem Detektorenpaar
zugeordnet ist. Nach einer Akquirierungsperiode können die
aufgezeichneten Annihilationsdaten mittels einiger beliebiger unterschiedlicher, gut
bekannter Bildrekonstruktionsverfahren verwendet werden, um das
dreidimensionale Bild des interessierenden Organs zu rekonstruieren.
-
In
dem hier verwendeten Sinne sollten im Singular genannte Elemente
oder Schritte, denen ein unbestimmter Artikel vorangestellt ist,
nicht so verstanden werden, dass der Plural der Elemente oder Schritte
ausgeschlossen ist, es sei den ein derartiger Ausschluss ist ausdrücklich erwähnt. Außerdem sollen
Bezüge
auf "ein Ausführungsbeispiel" der vorliegenden
Erfindung nicht dahingehend interpretiert werden, dass das Vorhandensein
zusätzlicher,
die aufgeführten
Merkmale ebenfalls verkörpernder
Ausführungsbeispiele
ausgeschlossen wird.
-
Außerdem ist
in dem hier verwendeten Sinne mit dem Ausdruck "Rekonstruieren eines Bildes" nicht beabsichtigt,
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung auszuschließen, in denen zwar Daten erzeugt
werden, die ein Bild repräsentieren,
jedoch kein betrachtbares Bild erzeugt wird. Folglich bezieht sich
in dem hier verwendeten Sinne der Begriff "Bild" im
weitesten Sinn sowohl auf betrachtbare Bilder als auch auf Daten,
die ein betrachtbares Bild repräsentieren.
Allerdings erzeugen viele Ausführungsbeispiele
wenigstens ein betrachtbares Bild (oder sind konfiguriert, um ein
solches zu erzeugen).
-
Unter
Bezugnahme auf 1 und 2 wird ein Multischicht-Scanner-Bildgebungssystem,
beispielsweise ein CT-Bildgebungssystem 10 mit einem für ein CT-Bildgebungssystem
der "dritten Generation" typischen Gantryrahmen 12 gezeigt.
Der Gantryrahmen 12 weist eine Röntgenstrahlenquelle 14 auf,
die ein Bündel
von Röntgenstrahlen 16 auf
ein Detektorarray 18 projiziert, das auf der gegenüberliegenden
Seite des Gantryrahmens 12 angeordnet ist. Das Detektorarray 18 wird
durch eine Vielzahl von (nicht gezeigten) Detektorzeilen gebildet,
die jeweils eine Vielzahl von Detektorelementen 20 aufweisen,
die gemeinsam die projizierten Röntgenstrahlen
erfassen, die ein Objekt, beispielsweise einen Patienten 22 durchquert
haben. Jedes Detektorelement 20 erzeugt ein elektrisches
Signal, das die Stärke
eines auftreffenden Röntgenstrahls
kennzeichnet und somit ein Einschätzen der Schwächung erlaubt,
die der Strahl auf seinem weg durch das Objekt oder den Patienten 22 erfährt. Während eines
Scandurchgangs zum Akquirieren von Röntgenstrahlprojektionsdaten drehen
sich der Gantryrahmen 12 und die daran angebrachten Komponenten
um eine Rotationsachse 24.
-
2 zeigt lediglich eine Detektorzeile
der Detektorelemente 20. Allerdings weist das Multischicht-Detektor-
Array 18 eine Vielzahl paralleler Detektorzeilen von Detektorelementen 20 auf,
so dass während
eines Scandurchlaufs Pro jektionsdaten, die einer Vielzahl von quasi-parallelen
oder tatsächlich
parallelen Schichten entsprechen, gleichzeitig erlangt werden können.
-
Die
Drehbewegung des Gantryrahmens 12 und der Betrieb der Röntgenstrahlenquelle 14 werden
durch eine Steuervorrichtung 26 des CT-Systems 10 gesteuert.
Der Steuermechanismus 26 enthält einen Röntgenstrahlcontroller 28,
der Energie und Zeittaktsignale an die Röntgenstrahlenquelle 14 liefert,
und einen Gantryantriebscontroller 30, der die Drehgeschwindigkeit
und Position des Gantryrahmens 12 steuert. Ein Datenakquirierungssystem (DAS) 32 in
dem Steuermechanismus 26 tastet von Detektorelementen 20 stammende
analoge Daten ab und wandelt die Daten in digitale Signale um, um
diese anschließend
zu verarbeiten. Ein Bildrekonstruktor 34 nimmt die abgetasteten
und digitalisierten Röntgenstrahldaten
von dem DAS 32 entgegen und führt eine Hochgeschwindigkeits-Bildrekonstruktion durch.
Das rekonstruierte Bild wird als Eingabe an einen Rechner 36 ausgegeben,
der das Bild in einer Speichervorrichtung 38 speichert.
-
Der
Rechner 36 nimmt ferner über eine Konsole 40,
die eine Tastatur aufweist, Steuerbefehle und Scanparameter von
einem Benutzer entgegen. Ein zugeordnetes Datensichtgerät 42 ermöglicht es der
Bedienperson, das rekonstruierte Bild und andere von dem Rechner 36 ausgegebene
Daten zu beobachten. Die von der Bedienperson eingegebenen Steuerbefehle
und Parameter werden von dem Rechner 36 verwendet, um Steuersignale
und Daten an das DAS 32, den Röntgenstrahlcontroller 28 und den
Gantryantriebscontroller 30 auszugeben. Darüber hinaus betätigt der
Rechner 36 einen Liegenantriebscontroller 44,
der eine motorisch angetriebene Liege 46 steuert, um den
Patienten 22 innerhalb des Gantryrahmens 12 zu
positionieren. Insbesondere bewegt die Liege 46 den Patienten 22 abschnittsweise
durch die Gantrytunnel 48.
-
In
einem Ausführungsbeispiel
enthält
der Rechner 36 eine Vorrichtung 50, beispielsweise
ein Diskettenlaufwerk oder ein CD-ROM-Laufwerk, zum Lesen von Befehlen
und/oder Daten aus einem von einem Rechner auslesbaren Medium 52,
beispielsweise einer Diskette oder einer CD-ROM. In noch einem Ausführungsbeispiel
führt der
Rechner 36 Befehle aus, die in Form von (nicht gezeigter)
Firmware gespeichert sind. Der Rechner 36 ist programmiert, um
hier beschriebene Funktionen durchzuführen, und in dem hier verwendeten
Sinn ist der Begriff Rechner nicht lediglich auf jene integrierten
Schaltkreise beschränkt,
die in der Fachwelt als Rechner/Computer bezeichnet werden, sondern
bezieht sich im weitesten Sinn auf Rechner, Prozessoren, Mikrocontroller,
Mikrocomputer, programmierbare Logikcontroller, anwendungsspezifische
integrierte Schaltkreise und sonstige programmierbare Schaltkreise,
und diese Begriffe werden hier untereinander austauschbar verwendet.
-
Obwohl
sich das oben erwähnte
spezielle Ausführungsbeispiel
auf ein CT-System der dritten Generation bezieht, ist das Verfahren
zum Analysieren einer Anomalie eines Objekts in gleicher Weise auf
CT-Systeme der vierten Generation, die einen stationären Detektor
und eine rotierende Röntgenstrahlenquelle
aufweisen, CT-Systeme der fünften Generation,
die ei nen stationären
Detektor und eine Röntgenstrahlenquelle
aufweisen anwendbar.
-
Darüber hinaus,
obwohl die hier beschriebenen Verfahren in einem medizinischen Zusammenhang
beschrieben sind, wird in Betracht gezogen, dass die Vorteile der
Verfahren auch nicht medizinischen Bildgebungssystemen zugute kommen,
beispielsweise Systemen, die gewöhnlich
in einem industriellen Zusammenhang oder einem Transportsystem verwendet
werden, wie z.B., jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, in einem Gepäckkontrollsystem
eines Flughafens, in sonstigen Beförderungszentren, in Regierungsgebäuden, in
Bürogebäuden, und
dergleichen. Die Vorteile kommen ebenfalls Mikro-PET- und CT-Systemen zugute,
die dimensioniert sind, um anstelle von Menschen Labortiere zu untersuchen.
-
Zu
beachten ist, dass das CT-Bildgebungssystem mit einem weiter unten
beschriebenen PET-Bildgebungssystem kombiniert werden kann, um ein
(nicht gezeigtes) PET-CT-Bildgebungssystem zu bilden. In einem Ausführungsbeispiel
enthält
das PET-CT-Bildgebungssystem innerhalb des Gantryrahmens 12 eine
Vielzahl von (nicht gezeigten) PET-Detektoren 54, rotierende
Stabquellen und einen PET-Schaltkreis 56. Als Beispiel
eines PET-CT-Systems dient ein bei General Electric Medical Systems,
Waukesha, WI erhältliches
System mit der Bezeichnung Discovery LS PET-CT. In noch einem Ausführungsbeispiel
enthält
das PET-CT-Bildgebungssystem eine Vielzahl von PET-Detektoren 54 und
PET-Schaltkreisen 56, die auf einem gesonderten Gantryrahmen
untergebracht sind. Ein Beispiel eines derartigen PET-CT-Systems
stellt ein Discovery ST System dar, das von General Electric Medical
Systems zu beziehen ist.
-
3 zeigt eine isometrische
Ansicht eines Ausführungsbeispiels
eines PET-Bildgebungssystems 62, in dem Systeme und Verfahren
zum Analysieren einer Anomalie eines Objektes verwirklicht sind.
Das PET- Bildgebungssystem 62 enthält einen PET-Scanner 63.
Der PET-Scanner 63 weist einen Gantryrahmen 64 auf,
der eine um eine zentrale Öffnung
oder Tunnel 68 angeordnete Detektorringanordnung 66 trägt. Die
Detektorringanordnung 66 ist kreisförmig gestaltet und aus (nicht
gezeigten) mehrfachen Detektorringen aufgebaut, die beabstandet längs einer
Mittelachse 70 angeordnet sind, um eine zylindrische Detektorringanordnung
zu bilden. Eine Liege 72 ist vor dem Gantryrahmen 66 positioniert und
ist fluchtend mit der Mittelachse 70 der Detektorringanordnung
ausgerichtet. Ein (nicht gezeigter) Liegen-Controller bewegt in
Antwort auf von einer Bedienungsworkstation 76 über eine
serielle Datenverbindung 78 empfangene Steuerbefehle einen
Liegenschlitten 74 in die Öffnung 68. Ein Gantry-Controller 80 ist
innerhalb des Gantryrahmens 64 angebracht und spricht auf
von der Bedienungsworkstation 76 entgegengenommene Steuerbefehle
an, um den Gantryrahmen 64 über ein zweites serielles Datenverbindungsglied 82 zu
betreiben.
-
4 zeigt ein Blockschaltbild
eines PET-Bildgebungssystems 62 nach 3. Jeder Detektorring der Detektorringanordnung 66 enthält Detektoren 84.
Jeder Detektor 84 weist (nicht gezeigte) Szintillatorkristalle
auf. Jeder Szintillatorkristall ist vor einer (nicht gezeigten)
Lichtverstärker röhre (PMT
= Photomultiplier Tube) angeordnet. Die PMTs erzeugen analoge Signale
auf einer Leitung 86, wenn an einem der Szintillatorkristalle,
die vor den PMTs angeordnet sind, ein Szintillationsereignis auftritt.
Das Szintillationsereignis tritt auf, wenn von einem der Szintillatorkristalle
ein Photon empfangen wird. In einem Ausführungsbeispiel werden Photonen
erzeugt indem eine Verbindung, wie 11C-markierte
Glucose, 18F-markierte Glucose, 13N-markiertes Ammoniak und/oder 15O-markiertes Wasser in das Objekte hinein
verabreicht wird, Positronen von den Verbindungen emittiert werden,
die Positronen mit freien Elektronen des Objekts zusammenstoßen und
simultane Photonenpaare erzeugt werden. Alternativ werden die Photonen
durch rotierende Stab-Quellen innerhalb eines Blickwinkels (FOV
= Field of View) des PET-Bildgebungssystems 62 abgestrahlt.
Ein Satz von Akquirierungsschaltkreisen 88 ist innerhalb
des Gantryrahmens 64 angebracht, um die Signale entgegen
zu nehmen und digitale Signale hervorzubringen, die Ereignis- Koordinaten
(x,y) und die Gesamtenergie kennzeichnen. Diese werden durch ein
Kabel 90 zu einem in einem gesonderten Gehäuse untergebrachten
Ereignislokalisiererschaltkreis 92 übermittelt. Jeder Akquirierungsschaltkreis 88 erzeugt
ferner einen Ereignisdetektionspuls (EDP = Event Detection Pulse),
der den genauen Zeitpunkt anzeigt, zu dem das Szintillationsereignis
stattfand.
-
Die
Ereignislokalisiererschaltkreise 92 bilden einen Teil eines
Datenakquirierungsprozessors 94, der von den Akquirierungsschaltkreisen 88 erzeugte Signale
periodisch abtastet. Der Prozessor 94 enthält eine
Akquirierungszentraleinheit (CPU) 96, die den Datenverkehr
zwischen einem lokalen Netzwerk 98 und einem Platinenbus 100 steuert.
Die Ereignislokalisiererschaltkreise 92 assemblieren die
Daten jedes gültigen
Ereignisses zu einem Satz aus digitalen Zahlen, die den Zeitpunkt
des Ereignisses und die Position eines Szintillationskristalls,
der das Ereignis erfasst hat, genau angeben. Dieses Ereignisdatenpaket
wird einem Koinzidenzdetektor 102 übermittelt, der ebenfalls Teil
des Datenakquirierungsprozessors 94 ist. Der Koinzidenzdetektor 102 nimmt
die Ereignisdatenpakete von den Ereignislokalisierern 92 entgegen
und ermittelt, ob beliebige zwei von diesen gleichzeitig auftraten.
Nicht paarweise auftretende Ereignisse werden verworfen, während koinzidente Ereignispaare
geortet und als ein Koinzidenzdatenpaket aufgezeichnet werden, das
mittels eines seriellen Verbindungselements 104 einem Sortierer 106 übermittelt
wird.
-
Jedes
durch einen Koinzidenzdetektor 102 identifizierte Ereignisdatenpaketpaar
wird in einem Projektionsebenenformat dargestellt, das vier Variablen
r, v, θ und Φ verwendet.
Die Variablen r und Φ identifizieren
eine parallel zur Mittelachse 70 verlaufende Ebene 108,
wobei Φ die
Winkelrichtung der Ebene bezüglich
einer Referenzebene spezifiziert und r den gegenüber der Ebene senkrecht gemessenen
Abstand der Mittelachse von der Ebene spezifiziert. Die (nicht gezeigten)
Variablen v und θ identifizieren
ferner eine spezielle Gerade innerhalb der Ebene 108, wobei θ die Winkelrichtung
der Geraden innerhalb der Ebene bezüglich einer Referenzgeraden
innerhalb der Ebene spezifiziert, und v den senkrecht zu der Geraden
gemessenen Abstand der Mitte von der Geraden spezifiziert.
-
Der
Sortierer 106 bildet einen Teil eines Bildrekonstruktionsprozessors 110.
Der Sortierer 106 zählt
sämtliche
Ereignisse, die im Zusammenhang mit jedem Projektionsstrahl auftreten,
und speichert die Daten in dem Projektionsebenenformat. Der Bildrekonstruktionsprozessor 110 enthält ferner
eine Bild-CPU 112, die einen Platinenbus 114 steuert
und diesen mit einem lokalen Netzwerk 98 vernetzt. Ein Array-Prozessor 116 ist
ebenfalls mit dem Platinenbus 114 verbunden. Der Array-Prozessor 116 wandelt
die durch den Sortierer 106 gespeicherten Ereignisdaten,
in ein zweidimensionales Sinogramm-Array 118 um. Der Array-Prozessor 116 wandelt
Daten, wie z.B. Emissionsdaten, die durch Emission von Positronen
durch die Verbindung erlangt werden, oder Abstrahlungsdaten, die
durch Abstrahlung von Photonen durch die rotierenden Stabquellen
erlangt werden, von dem Projektionsebenenformat in das zweidimensionale
(2D) Sinogrammformat um. Zu Beispielen des 2D-Sinogramms zählt ein
PET-Emissionssinogramm, das aus Emissionsdaten erzeugt ist und ein
aus Emissionsdaten erzeugtes PET-Emissionssinogramm. Nach einer
Konvertierung der Daten in das zweidimensionale Sinogramm-Format,
lassen sich Bilder konstruieren. Zu der Bedienungsworkstation 76 gehört der Rechner 36,
ein Kathodenstrahlröhren-(CRT)-Display 120 und
eine Tastatur 122. Der Rechner 36 stellt eine
Verbindung zu einem lokalen Netzwerk 98 her und tastet
die Tastatur 122 nach Eingabedaten ab. Über die Tastatur 122 und
zugeordnete Steuerpultschalter steuert der Bediener die Kalibrierung
des PET-Bildgebungssystems 62, dessen Konfiguration und
ein Positionieren der Liege 72 für einen PET-Scandurchgang.
In ähnlicher
Weise steuert der Bediener, sobald der Rechner 36 ein PET-Bild und
ein CT-Bild empfängt,
die Anzeige der Bilder auf dem CRT-Display 120. Bei Empfang
des PET-Bildes und des CT-Bildes
führt der
Rechner 36 ein Verfahren zum Analysieren einer Anomalie
eines Objekts durch.
-
5 und 6 veranschaulichen ein Flussdiagramm
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
einer Erfindung zum Analysieren einer Anomalie eines Objekts, z.B.
eines Patienten 22, und 7 zeigt
ein CT-Bild 160 und ein PET-Bild 162, um ein Verfahren zum
Analysieren einer Anomalie eines Objekts zu veranschaulichen. Das
Verfahren wird durch den Rechner 36 ausgeführt. Das
Verfahren wird durch Software gesteuert und/oder es wird durch Hardware und/oder
Firmware gesteuert. Das Verfahren ist in einer Speichervorrichtung 38 oder
einem von einem Rechner auslesbaren Medium 52 gespeichert.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel
kann das Verfahren durch das oben beschriebene PET-CT-Bildgebungssystem
ausgeführt
werden. Zu dem Verfahren gehört
der Schritt, ein CT-Bild 160 von dem Bildrekonstruktor 34 zu
erhalten (Schritt 130). Das CT-Bild 160 wird erzeugt,
indem ein CT-System 10 verwendet wird, um einen CT-Scandurchgang
einer Anomalie des Patienten 22 durchzuführen. Zu
Beispielen von Anomalien zählen
eine Anomalie, wie ein Lungenknoten des Patienten 22, eine
Wirbelsäulenanomalie
des Patienten 22, eine Leberanomalie des Patienten 22,
eine Brustanomalie des Patienten 22, eine Anomalie eines
Arms des Patienten 22 und eine Gehirnanomalie des Patienten 22.
Zu dem Verfahren gehört
ferner der Schritt, ein PET-Bild 162 von der Bild-CPU 112 zu
erhalten (Schritt 132). Das PET-Bild 162 wird
erzeugt, indem ein PET-System 62 verwendet wird, um einen
PET-Scandurchgang der Anomalie innerhalb einer kurzen Zeitspanne
nach dem Ausführen
des CT-Scandurchgangs durchzuführen.
Die kurze Zeitspanne beträgt
beispielsweise weniger als fünf
Minuten.
-
Zu
dem Verfahren gehört
ferner der Schritt (Schritt 134), zu ermitteln, ob ein
Benutzer des PET-Systems 62 und des CT-Systems 10,
beispielsweise ein Arzt, einen als CT-ROI 164 bezeichneten interessierenden
Bereich (ROI) ausgewählt
hat, der auf dem CT-Bild 160 angeordnet ist. Der CT-ROI 164 entspricht
der Anomalie des Patienten 22. Falls der Benutzer den CT-ROI 164 nicht
ausgewählt
hat, wird das Verfahren beendet. Andernfalls, wenn der Benutzer
einen CT-ROI 164 ausgewählt
hat, fährt
das Verfahren fort, indem es (in Schritt 136) aus dem CT-ROI 164 eine
anatomische Abmessung der Anomalie ermittelt. Ein Beispiel der anatomischen
Abmessung der Anomalie ist eine Fläche des CT-ROI 164.
Ein weiteres Beispiel der anatomischen Abmessung ist ein Volumen
innerhalb des CT-ROI 164. Alternativ kann die anatomische
Abmessung durch Ausführen einer
Advanced Lung AnalysisTM-Software ermittelt werden,
wie sie von General ElectricTM Corporation hergestellt
wird.
-
Zu
dem Verfahren gehört
ferner der Schritt, einen relativen Wert metabolischer Aktivität innerhalb eines
als PET-ROI 166 bezeichneten
interessierenden Bereichs zu ermitteln (Schritt 140), der
auf einem PET-Bild 162 geortet wird. Der PET-ROI 166 entspricht
der Anomalie des Patienten 22. Die metabolische Aktivität ist relativ,
da der CT-ROI 164 und der PET-ROI 166 unterschiedliche
Abmessungen aufweisen. Beispielsweise ist die metabolische Aktivität in einem
CT-ROI, der einen Durchmesser von 1 Zentimeter aufweist, und in
einem PET-ROI, der einen Durchmesser von 2 Zentimeter aufweist,
relativ. Falls der CT-ROI 164 und der PET-ROI 166 dieselbe
Abmessung aufweisen, besteht eine 1:1 Entsprechung zwischen den
Abmessungen, und die metabolische Aktivität ist spezifisch.
-
Das
Verfahren bestimmt die relative metabolische Aktivität aus dem
PET-ROI 166, indem es die metabolische Aktivität innerhalb
des PET-ROI 166 von der metabolischen Aktivität außerhalb
des PET-ROI 166 unterscheidet. Ein Beispiel einer Technik
zum Berechnen und Unterscheiden metabolischer Aktivität ist dargelegt
in Lee JR, Madsen MT, Bushnel D, Menda Y, "A threshold method to improve standardized
uptake value reproducibility",
Nucl Med Commun., 21(7): S. 685-690, Juli 2000. Die metabolische
Aktivität
außerhalb
des PET-ROI 166 wird als "Hintergrundaktivität" bezeichnet. Zu Beispielen für die "Hintergrundaktivität" zählen die
metabolische Aktivität
von Geweben, die außerhalb
des PET-ROI angeordnet sind, die metabolische Aktivität von Knochen,
die außerhalb
des PET-ROI angeordnet sind, und die metabolische Aktivität von noch
nicht aus dem Darm ausgeschiedenen Verdauungsprodukten. Das Verfahren
unterscheidet die metabolische Aktivität innerhalb des PET-ROI 166 von
der Aktivität
der "Hintergrundaktivitäten", indem es ermittelt,
welches der Volumenelemente innerhalb der Daten des PET-Bildes 162 eine
Wahrscheinlichkeit von beispielsweise gleich 42 % oder größer aufweist,
mit der Anomalie des Patienten 22 in Beziehung zu stehen. Die
Volumenelemente des PET-ROI 166 weisen die Wahrscheinlichkeit
auf, für
die Anomalie des Patienten 22 kennzeichnend zu sein, da
dem Patienten 22 eine Verbindung wie beispielsweise 11C- markierte Glucose, 18F-markierte Glucose, 13N-markiertes
Ammoniak und 15O-markiertes Wasser verabreicht
ist, und die Verbindung die metabolische Aktivität der Anomalie steigert, die
dem ROI 166 entspricht.
-
Wie
in 6 gezeigt, gehört zu dem
Verfahren ferner der Schritt, die relative metabolische Aktivität innerhalb
des PET-ROI 166 mathematisch zu interpolieren (Schritt 142),
um eine spezifische metabolische Aktivität innerhalb des CT-ROI 164 zu
ermitteln. Die metabolische Aktivität ist spezifisch, da die relative
metabolische Aktivität
interpoliert wird, um die metabolische Aktivität innerhalb des CT-ROI 164 zu
ermitteln.
-
Folglich
kombinieren die Systeme und Verfahren zum Analysieren einer Anomalie
eines Objekts anatomische Daten, die aus einem CT-Scandurchgang
erhalten wurden und die metabolische Aktivität, die durch einen PET-Scandurchgang
erhalten wurden, um die unscharf dargestellte metabolische Aktivität auf einem
PET-Bild zu korrigieren. Die Systeme und Verfahren liefern Daten,
die ein Arzt dem Patienten 22 sofort mitteilen kann, anstatt über Monate
warten zu müssen,
um die Abmessung der Anomalie zu ermitteln.
-
In
einem Ausführungsbeispiel
ist ein Verfahren zum Analysieren wenigstens einer Anomalie eines
Objekts 22 beschrieben. Zu dem Verfahren gehören die
Schritte: Gewinnen 130 eines ersten Bildes 160,
das eine Anomalie aufweist, mittels einer ersten Modalität, Gewinnen 132 eines
zweiten Bildes 162, das die Anomalie aufweist, mittels
einer zweiten Modali tät,
Auswählen
eines innerhalb des ersten Bildes lokalisierten ersten interessierenden
Bereichs 160, Ermitteln 136 einer anatomischen
Abmessung der Anomalie auf der Grundlage des ersten interessierenden
Bereichs in dem ersten Bild 160, und Ermitteln 140 einer
relativen metabolischen Aktivität
auf der Grundlage eines zweiten interessierenden Bereichs innerhalb
des zweiten Bildes 162.
-
Während die
Erfindung anhand vielfältiger spezieller
Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass es möglich ist, die
Erfindung mit Abwandlungen zu verwirklichen, ohne von dem Schutzbereich
der Ansprüche
abzuweichen.
-
TEILELISTE:
-
- CT-Bildgebungssystem 10
- Gantryrahmen 12
- Röntgenstrahlenquelle 14
- Röntgenstrahlenbündel 16
- Detektorarray 18
- Detektorelemente 20
- Patient 22
- Rotationszentrum 24.
- Steuermechanismus 26
- Röntgenstrahlcontroller 28
- Gantryantriebscontroller 30
- Datenakquirierungssystem 32
- Bildrekonstruktor 34
- Rechner 36
- Speichervorrichtung 38.
- Konsole 40
- Datensichtgerät 42
- Liegenantriebscontroller 44
- motorbetriebene Liege 46
- Gantryöffnung 48.
- Vorrichtung 50
- von einem Rechner auslesbares Medium 52
- PET-Detektoren 54
- PET-Schaltkreis 56
- PET-Bildgebungssystem 62
- PET-Scanner 63
- Gantryrahmen 64
- Detektorringanordnung 66
- Öffnung/Tunnel 68
- Mittelachse 70
- Liege 72
- Bedienungsworkstation 76
- serielle Kommunikationsverbindung 78
- Gantry-Controller 80
- serielles Datenverbindungsglied 82
- Detektoren 84
- Leitung 86
- Satz von Akquirierungsschaltkreisen 88
- Anschlusskabel 90
- Ereignislokalisiererschaltkreis 92
- Datenakquirierungsprozessor 94
- Akquirierungszentraleinheit 96
- lokales Netzwerk 98
- Platinenbus 100
- Koinzidenzdetektor 102
- serielles Verbindungselement 104
- Sortierer 106
- Ebene 108
- Bildrekonstruktionsprozessor 110
- Bild-CPU 112
- Platinenbus 114
- Array-Prozessor 116
- zweidimensionales Sinogramm-Array 118
- Datensichtgerät 120
- Tastatur 122
- CT-Bild 160
- PET-Bild 162
- Gewinnen eines CT-Bildes 160 von dem Bildrekonstruktor 34 (Schritt 130)
- Gewinnen eines PET-Bildes 162 von der Bild-CPU 112 (Schritt 132)
- Ermitteln, ob ein Benutzer des PET-Systems 62 und des
CT-Systems 10 einen
auf dem CT-Bild 160 lokalisierten interessierenden Bereich
ausgewählt
hat (Schritt 134) CT-ROI 164 (ROI = Region Of
Interest = interessierender Bereich)
- Ermitteln einer anatomischen Abmessung der Anomalie anhand des
CT-ROI 164 (Schritt 136)
- Ermitteln einer relativen Quantität metabolischer Aktivität innerhalb
eines auf dem PET-Bild 162 lokalisierten interessierenden
Bereichs (Schritt 140)
- PET-ROI 166
-
B TEILELISTE
-
- CT-Bildgebungssystem 10
- Gantryrahmen 12
- Röntgenstrahlenquelle 14
- Röntgenstrahlenbündel 16
- Detektorarray 18
- Detektorelemente 20
- medizinischer Patient 22
- Rotationszentrum 24.
- Steuermechanismus 26
- Röntgenstrahlcontroller 28
- Gantryantriebscontroller 30
- Datenakquirierungssystem 32
- Bildrekonstruktor 34
- Rechner 36
- Speichervorrichtung 38.
- Konsole 40
- Datensichtgerät 42
- Liegenantriebscontroller 44
- motorbetriebene Liege 46
- Gantrytunnel 48.
- Vorrichtung 50
- von einem Rechner auslesbares Medium 52
- PET-Detektoren 54
- PET-Schaltkreis 56
- PET-Bildgebungssystem 62
- PET-Scanner 63
- Gantryrahmen 64
- Detektorringanordnung 66
- Öffnung 68
- Mittelachse 70
- Liege 72
- Bedienungsworkstation 76
- serielles Datenverbindungsglied 78
- Gantry-Controller 80
- serielles Datenverbindungsglied 82
- Detektoren 84
- Leitung 86
- Satz von Akquirierungsschaltkreisen 88
- Anschlusskabel 90
- Ereignislokalisiererschaltkreis 92
- Datenakquirierungsprozessor 94
- Akquirierungszentraleinheit 96
- lokales Netzwerk 98
- Platinenbus 100
- Koinzidenzdetektor 102
- serielles Verbindungselement 104
- Sortierer 106
- Ebene 108
- Bildrekonstruktionsprozessor 110
- Bild-CPU 112
- Platinenbus 114
- Array-Prozessor 116
- zweidimensionales Sinogramm-Array 118
- Datensichtgerät 120
- Tastatur 122
- CT-Bild 160
- PET-Bild 162
- Gewinnen eines CT-Bildes 160 aus dem Bildrekonstruktor 34 (Schritt 130)
- Gewinnen eines PET-Bildes 162 aus der Bild-CPU 112 (Schritt 132)
- Ermitteln, ob ein Benutzer des PET-Systems 62 und CT-Systems 10 einen
auf dem CT-Bild 160 lokalisierten interessierenden Bereich
ausgewählt
hat (Schritt 134) CT-ROI 164 (Region Of Interest
= interessierender Bereich)
- Ermitteln einer anatomischen Abmessung der Anomalie aus dem
CT-ROI 164 (Schritt 136)
- Ermitteln einer relativen Quantität metabolischer Aktivität innerhalb
eines auf dem PET-Bild 162 lokalisierten ROI (in Schritt 140)
- PET-ROI 166