DE102006015452A1

DE102006015452A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von chemischen Anomalien und/oder Auffälligkeiten in Weichgewebe eines Objektbereiches

Info

Publication number: DE102006015452A1
Application number: DE102006015452A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Krauß
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-11
Also published as: US7936909B2; US20080037699A1; CN101044985A; JP5188741B2; JP2007268275A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur automatischen Detektion von chemischen Anomalien und/oder Auffälligkeiten im Weichgewebe eines Objektbereiches. Bei dem Verfahren werden zwei Bilddatensätze von zwei Computertomographie-Aufnahmen des Objektes bereitgestellt, die bei unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung aufgezeichnet wurden. Für jedes Voxel zumindest einer interessierenden Schicht, dessen Röntgenschwächungswerte für Weichgewebe charakteristisch sind, werden die nachfolgenden Schritte durchgeführt. Zunächst wird aus den beiden Röntgenschwächungswerten des Voxels oder aus zwei gemittelten Röntgenschwächungswerten der Umgebung des Voxels ein Datenpunkt des Voxels in einem Diagramm bestimmt, in dem die Röntgenschwächungswerte bei den beiden spektralen Verteilungen der Röntgenstrahlung gegeneinander aufgetragen sind. Dann wird ein senkrechter Abstand des Datenpunktes von einer Verbindungsgeraden (2) berechnet, die vorgegebene Datenpunkte für reines Fett und für reines Weichgewebe in dem Diagramm verbindet. Schließlich wird das Voxel markiert und hervorgehoben dargestellt, wenn dessen Abstand einen vorgegebenen Schwellwert für den Abstand überschreitet. Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung ermöglichen die automatische Detektion von chemischen Anomalien auf Basis der Computertomographie.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur automatischen Detektion von chemischen Anomalien und/oder Auffälligkeiten in Weichgewebe eines Objektbereiches, bei denen zwei Computertomographie-Aufnahmen des Objektbereiches bei unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung aufgezeichnet und aus Rohdaten der beiden Computertomographie-Aufnahmen zwei Bilddatensätze des Objektbereiches rekonstruiert werden, die Röntgenschwächungswerte von Voxeln des Objektbereiches bei der jeweiligen spektralen Verteilung der Röntgenstrahlung enthalten.
Die Erkennung einer besonderen chemischen Zusammensetzung von Weichgewebe im menschlichen oder tierischen Körper ist für viele medizinische Anwendungen erforderlich. Zu diesen Anwendungen gehören beispielsweise die exakte Lokalisierung von Bändern und Sehnen, beispielsweise bei Knochenbrüchen, der Nachweis von einsetzender Verkalkung von Bändern, die Abschätzung der vorhandenen Knorpelmenge in Gelenken oder die Unterscheidung von gesunden Körpergeweben und Hämatomen in einem gewissen Zeitbereich nach Entstehung des Hämatoms.
Bisher werden entsprechende chemische Anomalien und/oder Auffälligkeiten in Weichgewebe in erster Linie unter Einsatz der Magnetresonanz-Tomographie nachgewiesen. Dies erfordert jedoch den Einsatz eines Magnetresonanz-Tomographen, der nicht in jedem Fall ohne weiteres verfügbar ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Detektion bzw. zum Nachweis von chemischen Anomalien und/oder Auffälligkeiten in Weichgewebe eines Objektbereiches bereitzustellen, die eine automatische Detektion ohne Einsatz eines Magnetresonanz-Tomographen ermöglichen.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Bei dem vorliegenden Verfahren werden zwei Computertomographie-Aufnahmen des Objektbereiches bei unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung aufgezeichnet und aus den Rohdaten der beiden Computertomographie-Aufnahmen zwei Bilddatensätze des Objektbereiches rekonstruiert, die Röntgenschwächungswerte von Voxeln des Objektbereiches bei der jeweiligen spektralen Verteilung der Röntgenstrahlung enthalten. Unter Röntgenschwächungswerten können hierbei sowohl die Schwächungskoeffizienten μ als auch daraus abgeleitete Werte wie der CT-Wert verstanden werden. Für die Aufzeichnung der beiden Computertomographie-Aufnahmen wird ein Mehrenergie-Computertomograph eingesetzt, vorzugsweise ein so genannter Dual Energy Computertomograph, mit dem die Aufzeichnung von zwei Computertomographie-Aufnahmen mit unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung bzw. unterschiedlicher Röntgenenergie simultan oder zumindest nahezu simultan möglich ist. Unterschiedliche Techniken zur Erzeugung von zwei Computertomographie-Aufnahmen mit unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Hierzu können beispielsweise mehrere Röntgenquellen bei unterschiedlicher Röntgenspannung, unterschiedliche Detektoren mit unterschiedlicher spektraler Sensitivität, unterschiedliche Filter vor den Röntgenquellen und/oder Röntgendetektoren oder auch eine Kombination der genannten Techniken eingesetzt werden.
Bei dem vorliegenden Verfahren werden dann aus den jeweils zwei Röntgenschwächungswerten jedes Voxels zumindest einer interessierenden Schicht des Objektbereiches Mittelwerte ge bildet und für zumindest einen Teil der Voxel, deren Mittelwerte innerhalb eines vorgegebenen Wertebereiches liegen, der für Weichgewebe charakteristisch ist, zumindest die folgenden Schritte durchgeführt. Zunächst wird ein Datenpunkt des Voxels in einem Diagramm bestimmt, in dem die Röntgenschwächungswerte bei den beiden unterschiedlichen Röntgenenergien gegeneinander aufgetragen sind. Auf einer der beiden Achsen des Diagramms sind dabei die Röntgenschwächungswerte bei der einen Röntgenenergie und auf der zweiten Achse die Röntgenschwächungswerte bei der anderen Röntgenenergie aufgetragen. In einer Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens setzt sich der Datenpunkt eines Voxels aus den beiden Röntgenschwächungswerten zusammen, die diesem in den beiden Bilddatensätzen zugeordnet sind. In einer zweiten Alternative des Verfahrens werden für jedes der Voxel gemittelte Röntgenschwächungswerte berechnet, die sich getrennt für jeden Bilddatensatz aus den Röntgenschwächungswerten selektierter Voxel aus der Umgebung des betreffenden Voxels ergeben. In jedem Falle wird hierbei für jedes betreffende Voxel ein Datenpunkt erhalten, der sich aus einem Schwächungswert bei einer der beiden spektralen Verteilungen bzw. Röntgenenergien und einem Schwächungswert bei der anderen der beiden spektralen Verteilungen bzw. Röntgenenergien zusammensetzt.
Nach der Bestimmung des Datenpunktes in dem Diagramm wird ein senkrechter Abstand u des Datenpunktes des Voxels von einer Verbindungsgeraden berechnet, die vorgegebene Datenpunkte für reines Fett und für reines Weichgewebe in diesem Diagramm verbindet. Die Größe dieses Abstandes u stellt ein Wahrscheinlichkeitsmaß dafür dar, dass eine chemische Anomalie vorliegt. Die Grundlage für diesen Schritt ist eine 3-Material-Zerlegung, bei der das jeweilige Voxel als Mischung aus den Basis-Materialien Weichgewebe und Fett mit einer weiteren unbekannten Substanz interpretiert wird. Alle Voxel, die eine Mischung aus Weichgewebe und Fett (sowie Wasser) enthalten, liegen in dem Diagramm auf der Gerade zwischen den reinen Substanzen Weichgewebe und Fett. Datenpunkte, die weit von dieser Geraden entfernt liegen, weisen auf Anomalien oder Auffälligkeiten hin. Dies betrifft beispielsweise Weichgewebe, die schwere Atome wie z.B. Eisen eingelagert haben, oder Gewebe, die reich an Kohlenstoff sind, wie beispielsweise Bindegewebe. Beim vorliegenden Verfahren werden nun Voxel, deren Abstand u einen vorgegebenen Schwellwert für den Abstand überschreitet, markiert und geeignet hervorgehoben dargestellt. Dies kann durch isolierte Darstellung der markierten Voxel oder auch durch farbig hervorgehobene Darstellung dieser Voxel in einem Bild des Objektbereiches erfolgen.
Der Betrachter kann dann in den CT-Bildern sofort den Ort und die Ausdehnung entsprechender chemischer Anomalien und/oder Auffälligkeiten im Weichgewebe erkennen.
Das vorliegende Verfahren und die zugehörige Vorrichtung ermöglichen somit die Detektion oder den Nachweis von chemischen Anomalien und/oder Auffälligkeiten in Weichgewebe auch ohne Nutzung der Magnetresonanz-Tomographie. Das diagnostische Bildmaterial wird hierbei auch deutlich schneller bereitgestellt, als dies bei der Verarbeitung von Magnetresonanz-Tomographie-Aufnahmen der Fall ist. Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung besteht darin, dass in vielen Fällen ohnehin ein CT-Scan durchgeführt werden muss, beispielsweise bei Knochenbrüchen, und somit keine zusätzliche Untersuchung mit einem anderen bildgebenden Gerät, wie dem Magnetresonanz-Tomographen, erforderlich ist.
Beispiele für chemische Anomalien und/oder Auffälligkeiten in Weichgewebe, die mit dem vorliegenden Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung detektiert werden können, sind Gewebeteile, die ungewöhnlich viel Kohlenstoff enthalten, wie beispielsweise Bänder, Sehnen oder Knorpel. weitere Beispiele sind Gewebebereiche, die Anreicherungen von schweren Atomen (z.B. Eisen) enthalten, wie sie vorübergehend, beispielsweise bei einem Hämatom, oder dauerhaft, beispielsweise bei Kalkeinlagerungen, auftreten können. Die medizinischen Anwendun gen umfassen dabei die bereits einleitend genannten Anwendungsbeispiele, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden als Datenpunkte des jeweiligen Voxels nicht die reinen Röntgenschwächungswerte dieses Voxels bei den unterschiedlichen spektralen Verteilungen, sondern gemittelte Röntgenschwächungswerte genutzt, die sich aus Röntgenschwächungswerten einiger selektierter Voxel innerhalb eines Volumenbereiches um das betreffende Voxel, im Folgenden als zentrales Voxel bezeichnet, ergeben. Hierbei wird vor der Bestimmung des jeweiligen Datenpunktes ein dreidimensionaler Volumenbereich, vorzugsweise ein sphärisches Volumen, mit einer vorgegebenen Ausdehnung um das zentrale Voxel gebildet. Innerhalb dieses Volumenbereiches werden alle Voxel selektiert, deren Röntgenschwächungswerte ein vorgegebenes Kriterium erfüllen, das für Weichgewebe charakteristisch ist. Für jeden Bilddatensatz wird dann getrennt ein gemittelter Schwächungswert der selektierten Voxel berechnet, so dass insgesamt zwei gemittelte Röntgenschwächungswerte erhalten werden, d.h. für jede Röntgenenergie ein gemittelter Röntgenschwächungswert. Aus diesen beiden gemittelten Röntgenschwächungswerten wird dann der Datenpunkt des zentralen Voxels gebildet, von dem anschließend der senkrechte Abstand zur Verbindungsgeraden berechnet wird. Dieser Schritt ermöglicht eine systematische Auswahl von Nachbarvoxeln, die wahrscheinlich die gleiche Zusammensetzung haben. Es erfolgt keine blinde, großräumige Mittelung. Knorpel und Knochen können dadurch auf kurze Distanzen, Bänder und Weichgewebe auf lange Distanzen unterschieden werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die Schritte der Bestimmung des Datenpunktes sowie der Berechnung des Abstandes u zu der Verbindungsgeraden nicht für alle voxel durchgeführt, deren Mittelwerte innerhalb des vorgegebenen Wertebereiches liegen, sondern nur für einige dieser Voxel, die in folgender Weise festgelegt werden. Hierzu wird die Anzahl der selektierten Voxel in dem dreidimensionalen Volumenbereich um das jeweilige zentrale Voxel bestimmt, de ren Röntgenschwächungswerte das vorgegebene Kriterium erfüllen. Liegt diese Anzahl oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes für die Anzahl der selektierten Voxel, so wird der Datenpunkt dieses zentralen Voxels aus den gemittelten Röntgenschwächungswerten bestimmt, wie soeben beschrieben, und der Abstand des so erhaltenen Datenpunktes zu der Verbindungsgeraden berechnet. Liegt die Anzahl der selektierten Voxel jedoch unterhalb des Schwellwertes, so wird für dieses zentrale Voxel keinerlei weitere Berechnung durchgeführt. Es wird dann davon ausgegangen, dass dieses Voxel keine Stelle mit einer Anomalie und/oder Auffälligkeit im untersuchten Objektbereich darstellt.
Als Kriterium, nach dem die Voxel innerhalb des dreidimensionalen Volumenbereiches selektiert werden, kann in einer Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens herangezogen werden, dass der Mittelwert der beiden Röntgenschwächungswerte des jeweiligen Voxels, innerhalb des Wertebereiches für Weichgewebe liegen muss.
Vorzugsweise wird bei diesem Kriterium jedoch nicht der Mittelwert, sondern ein kombinierter Röntgenschwächungswert zugrunde gelegt, der einen vom Bildrauschverhältnis q zwischen den Bildern der beiden Computertomographie-Aufnahmen abhängigen gewichteten Wert x_m darstellt und nach folgender Vorschrift berechnet wird:
x₁ und x₂ stellen die Röntgenschwächungswerte, beispielsweise HU-Werte (HU: Hounsfield Units), bei den beiden unterschiedlichen Röntgenenergien dar. x_f entspricht dem Röntgenschwächungswert von reinem Fett bei der jeweiligen Röntgenenergie, x_g dem Röntgenschwächungswert von reinem Weichgewebe bei der jeweiligen Röntgenenergie. q stellt das Verhältnis des Bildrauschens der Bilder der beiden Computertomographie-Aufnahmen dar. Dieses Bildrauschverhältnis q ergibt sich aus q = dx₁/dx₂, wobei dx₁ und dx₂ die statistischen Fehler, d.h. die Standardabweichung, der Röntgenschwächungswerte x₁ und x₂ darstellen. Die Selektion der Voxel innerhalb des dreidimensionalen Volumenbereiches erfolgt dann auf Basis dieses kombinierten Röntgenschwächungswertes x_m. Alle Voxel, für die dieser kombinierte Röntgenschwächungswert x_m innerhalb des vorgegebenen Wertebereiches liegt, der für Weichgewebe charakteristisch ist, werden selektiert. Durch diese Vorgehensweise auf Basis des kombinierten Röntgenschwächungswertes, der einen vom Bildrauschverhältnis q abhängigen gewichteten Mittelwert darstellt, wird die Gefahr einer durch das Bildrauschen verursachten Fehlauswahl in der Nähe der Intervallgrenzen deutlich verringert, so dass ein zuverlässigeres Ergebnis erzielt wird. Das hierfür erforderliche Verhältnis q des Bildrauschens der beiden Bilddatensätze kann für die verwendete Computertomographie-Anlage bereits bekannt sein oder vorab aus den beiden Bilddatensätzen oder auch anderen Bilddatensätzen, beispielsweise vorab aufgenommenen Topogrammen, ermittelt werden.
Die Vorrichtung zur automatischen Detektion von chemischen Anomalien und/oder Auffälligkeiten in Weichgewebe eines Objektbereiches umfasst neben einer Speichereinheit für die beiden Bilddatensätze als Hauptbestandteil ein Bestimmungsmodul, das die Berechnungen und Bestimmungen gemäß dem vorher beschriebenen Verfahren und gegebenenfalls der einzelnen Weiterbildungen dieses Verfahrens durchführt. Das Bestimmungsmodul ist dabei vorzugsweise im Bildrechner einer Computertomographie-Anlage implementiert, die die Rohdaten für die beiden Computertomographie-Aufnahmen bei unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung liefern kann. In diesem Fall umfasst die Vorrichtung auch ein Bildrekonstruktionsmodul, das aus den Rohdaten der beiden Computertomographie-Aufnahmen die beiden Bilddatensätze des Objektbereiches rekonstruiert.
In einer Ausgestaltung kann die Vorrichtung jedoch auch nur das Bestimmungsmodul mit der Speichereinheit sowie eine Schnittstelle umfassen, über die bereits rekonstruierte Bilddatensätze aus den beiden Computertomographie-Aufnahmen empfangen werden. Das Bestimmungsmodul ist vorzugsweise mit einem Bilddarstellungsmodul verbunden, über das eine Bilddarstellung der Anomalien und/oder Auffälligkeiten in Weichgewebe darstellenden Voxel auf einem entsprechenden Bilddarstellungsgerät erfolgen kann.
Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für einen Verfahrensablauf bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens; und
2 ein Beispiel für ein HU-Wert-Diagramm zur Bestimmung des senkrechten Abstandes der Datenpunkte von der Verbindungsgeraden.
Im vorliegenden Beispiel wird mit einem Dual Energy Computertomographen ein Dual Energy CT-Scan des Objektes durchgeführt, bei dem simultan Rohdaten bei zwei unterschiedlichen Röntgenenergien erhalten werden. Diese unterschiedlichen Röntgenenergien werden durch unterschiedliche Röhrenspannung der eingesetzten Röntgenröhre, im vorliegenden Beispiel von 80 kV und 140 kV, erhalten. Aus den Rohdaten werden über bekannte Rekonstruktionsalgorithmen unabhängig voneinander zwei CT-Bilder rekonstruiert. Jeder der hierbei erhaltenen beiden Bilddatensätze umfasst für jedes Voxel des Untersuchungsvolumens einen entsprechenden HU-Wert bei der jeweiligen Röntgenenergie.
Unabhängig von der Datenaufzeichnung und dem verwendeten Computertomographen sollte dabei sichergestellt werden, dass die HU-Werte für die zu differenzierenden Körpermaterialien einigermaßen stabil sind, wenn sie an verschiedenen Stellen innerhalb des untersuchten Objektes auftreten bzw. positioniert werden. Dies ist für die meisten kommerziell verfügbaren Computertomographen jedoch gegeben.
Während einer Vorverarbeitung wird im vorliegenden Beispiel nur eine axiale Schicht betrachtet. Falls das Verhältnis q des Bildrauschens zwischen dem Bild bei 80 kV und dem Bild bei 140 kV für diese Schicht nicht bekannt ist, so kann dieses Verhältnis q beispielsweise aus dem Objektdurchmesser oder dem gemessenen Rauschen der HU-Werte von Luft näherungsweise bestimmt werden. Dazu kann beispielsweise für beide Röhrenspannungen das mittlere Rauschen für alle Pixel der Schicht unterhalb einer gewissen Schwelle, beispielsweise unterhalb von –950 HU, in der oberen Hälfte des Bildes berechnet und anschließend das Verhältnis gebildet werden. Ebenso kann dieses Verhältnis beispielsweise aus einem vorher aufgenommenen Topogramm ermittelt werden.
Für den Hauptteil der Verarbeitung werden neben der untersuchten Schicht auch mehrere Voxel-Schichten darüber und darunter benötigt. Der im Folgenden verwendete Begriff „kombinierter HU-Wert" bezeichnet den vom Bildrauschverhältnis abhängigen gewichteten Mittelwert x_m der HU-Werte bei 80 kV und 140 kV (x₈₀ bzw. x₁₄₀). Dieser lässt sich aus dem Verhältnis q und den HU-Werten von Gewebe (80 kV: x_g,80; 140 kV: X_g,140) und Fett (80 kV: x_f,80; 140 kV: x_f,140) berechnen:
Im Gegensatz dazu wird der Begriff „gemittelter HU-Wert" als arithmetisches Mittel der HU-Werte bei 80 kV und 140 kV, x₈₀ und x₁₄₀, berechnet.
Für jedes Voxel in der untersuchten Schicht werden dann die folgenden drei Schritte durchgeführt (vgl. 1), sofern sein gemittelter HU-Wert innerhalb eines typischen Intervalls für Weichgewebe liegt:

1. Selektions-Schritt: Es wird eine dreidimensionale, sphärische Umgebung des untersuchten Voxels betrachtet. Es werden nur Voxel verwendet, deren kombinierter HU-Wert innerhalb des Intervalls für Weichgewebe liegt. Auf diese Weise werden zunächst alle Nachbarvoxel mit möglicherweise gleicher chemischer Zusammensetzung selektiert. Falls für weniger als n_min Voxel im betrachteten Volumen der kombinierte HU-Wert innerhalb des Weichgewebe-Intervalls liegt, entfallen die folgenden Schritte und es wird keine Materialzuordnung getroffen. Ansonsten wird für diese selektierten Voxel wird ein mittlerer HU-Wert x₈₀ bei 80 kV und ein mittlerer HU-Wert x₁₄₀ bei 140 kV berechnet, jeweils durch Mittelung über die HU-Werte aller selektierten Voxel. Als Beispiel für die sphärische Umgebung kann ein Radius von 6 Voxel, als Beispiel für den Schwellwert n_min ein Wert von 40 angenommen werden. Selbstverständlich können diese Werte jedoch je nach Anwendung und Bildqualität auch anders gewählt werden.
2. 3-Material-Zerlegung: Die selektierten Voxel werden als Mischung aus den Basismaterialien Weichgewebe, Fett und einer weiteren unbekannten Substanz interpretiert. Alle Volumina, die eine Mischung aus Weichgewebe und Fett (sowie Wasser) enthalten, liegen in einem Diagramm, in dem x₈₀ gegen x₁₄₀ aufgetragen wird, auf einer Gerade 1 zwischen den reinen Substanzen Weichgewebe und Fett. 2 zeigt dieses HU-Wert-Diagramm, wobei ebenfalls das HU-Intervall 1 eingezeichnet ist, innerhalb dessen die gemittelten HU-Werte sowie die kombinierten HU-Werte der jeweiligen Voxel liegen müssen, d.h. innerhalb dessen das Vorliegen von Weichgewebe wahrscheinlich ist. In der Figur ist auch die Verbindungsgerade 2 zwischen reinem Weichgewebe und reinem Fett eingezeichnet. Datenpunkte, die weit von dieser Gerade 2 entfernt liegen, weisen auf chemische Anomalien hin. Oberhalb der Geraden liegen Weichgewebe, die schwere Atome eingelagert haben. Unterhalb der Geraden liegen Materialien, die reich an Kohlenstoff sind, wie beispielsweise Bindegewebe. Bindegewebe, das ausreichend Kalk eingelagert hat, liegt auch oberhalb der Geraden.
3. Bestimmung eines Wahrscheinlichkeitsmaßes: Die Wahrscheinlichkeit, dass eine chemische Anomalie vorliegt, skaliert unter der Annahme, dass das statistische Rauschen des 80 kV-Bildes und des 140 kV-Bildes näherungsweise konstant sind, mit dem Abstand u von der genannten Geraden. Oberhalb einer Schwelle, die in der Regel durch statistische und systematische Fehler bestimmt wird, ist die Wahrscheinlichkeit für eine Anomalie groß. Es wird daher für jeden betrachteten Datenpunkt der senkrechte Abstand u zur Geraden 2 bestimmt.

Für Knorpel und Bindegewebe (unterhalb der Geraden) hat sich zusätzlich folgende Skalierung bewährt: y =(x1·u)/su.
Dabei bezeichnet x₁ den gemittelten lokalen HU-Wert des betrachteten Voxels und s_u einen beliebigen Skalen-Faktor, der einige HU betragen kann. Diese gewichtete Größe y zeigt lokale Dichteänderungen wie beispielsweise Knorpel mit relativ hoher räumlicher Auflösung.
Für die Darstellung von Hämatomen (oberhalb der Geraden) ist x₁ dagegen unerheblich. In diesem Fall wird vorzugsweise y = u/s_u verwendet. Bei dieser Berechnung können Mischungen aus Knochen und Knochenmark störend in Erscheinung treten. Um das zu verhindern, können sehr hohe Werte von y durch Vorgabe eines entsprechenden Schwellwertes auch ausgeblendet, d.h. beispielsweise auf Null gesetzt werden.
Nach vollständiger Bearbeitung des Bildstapels bzw. der dreidimensionalen Bilddatensätze kann die so erstellte y-Karte dazu verwendet werden, um die chemische Anomalie farbig zu markieren oder um chemisch anomale Regionen isoliert darzustellen.
Für die Durchführung des Verfahrens sind in diesem Beispiel die folgenden Parameter erforderlich:
Bei dem vorliegenden Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung ermöglicht vor allem die 3-Material-Zerlegung die Unterscheidung von "normalem" Weichgewebe, das aus Weichgewebe, Fett oder Wasser besteht, und allen anderen Geweben, ohne aufwendige Unterscheidungskriterien anzuführen. Das Wahrscheinlichkeitsmab bewirkt, dass statistische Fluktuationen nur schwach dargestellt werden, während sichere Regionen deutlich markiert werden.

Claims

Verfahren zur automatischen Detektion von chemischen Anomalien und/oder Auffälligkeiten in Weichgewebe eines Objektbereiches, bei dem zwei Computertomographie-Aufnahmen des Objektbereiches bei unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung aufgezeichnet und aus Rohdaten der beiden Computertomographie-Aufnahmen zwei Bilddatensätze des Objektbereiches rekonstruiert werden, die Röntgenschwächungswerte von Voxeln des Objektbereiches bei der jeweiligen spektralen Verteilung der Röntgenstrahlung enthalten, wobei für zumindest einen Teil der Voxel zumindest einer interessierenden Schicht des Objektbereiches, deren Mittelwert aus den beiden zugeordneten Röntgenschwächungswerten der beiden Bilddatensätze innerhalb eines vorgegebenen Wertebereiches (1) liegt, der für Weichgewebe charakteristisch ist, zumindest die folgenden Schritte durchgeführt werden: – Bestimmung eines Datenpunktes des Voxels in einem Diagramm, in dem Röntgenschwächungswerte bei den beiden spektralen Verteilungen der Röntgenstrahlung gegeneinander aufgetragen sind, aus den beiden Röntgenschwächungswerten des Voxels oder aus zwei gemittelten Röntgenschwächungswerten, die durch Mittelung der Röntgenschwächungswerte von Voxeln innerhalb eines vorgegebenen Volumens um das Voxel in dem jeweiligen Bilddatensatz erhalten werden, – Berechnen eines senkrechten Abstandes u des Datenpunktes des Voxels von einer Verbindungsgeraden (2), die vorgegebene Datenpunkte für reines Fett und für reines Weichgewebe in dem Diagramm verbindet, und – Markierung und hervorgehobene Darstellung des Voxels, wenn dessen Abstand u einen vorgegebenen Schwellwert für den Abstand überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Voxel, dessen Mittelwert aus den beiden zugeordneten Röntgenschwächungswerten innerhalb des vorgegebenen Wertebereiches (1) liegt, der für Weichgewebe charakteristisch ist, zunächst ein dreidimensionaler Volumenbereich mit einer vorgegebenen Ausdehnung um das Voxel vorgegeben wird, innerhalb des Volumenbereiches alle Voxel selektiert werden, deren Röntgenschwächungswerte ein vorgegebenes Kriterium erfüllen, das für Weichgewebe charakteristisch ist, und für jeden Bilddatensatz getrennt ein gemittelter Schwächungswert der selektierten Voxel berechnet wird, um aus den beiden gemittelten Röntgenschwächungswerten den Datenpunkt des Voxels zu bestimmen, von dem anschließend der senkrechte Abstand zur Verbindungsgeraden (2) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Voxel, dessen Mittelwert aus den beiden zugeordneten Röntgenschwächungswerten innerhalb des vorgegebenen Wertebereiches (1) liegt, der für Weichgewebe charakteristisch ist, zunächst ein dreidimensionaler Volumenbereich mit einer vorgegebenen Ausdehnung um das Voxel vorgegeben wird, innerhalb des Volumenbereiches alle Voxel selektiert werden, deren Röntgenschwächungswerte ein vorgegebenes Kriterium erfüllen, das für Weichgewebe charakteristisch ist, eine Anzahl der selektierten Voxel in dem Volumenbereich bestimmt und mit einem vorgegebenen Schwellwert für die Anzahl verglichen wird, und für jeden Bilddatensatz getrennt ein gemittelter Schwächungswert der selektierten Voxel berechnet wird, um aus den beiden gemittelten Röntgenschwächungswerten den Datenpunkt des Voxels zu bestimmen, von dem anschließend der senkrechte Abstand zur Verbindungsgeraden (2) berechnet wird, wobei die Berechnung der gemittelten Röntgenschwächungswerte sowie die weiteren Schritte des Patentanspruches 1 nur bei Voxeln durchgeführt werden, bei denen die Anzahl der selektierten Voxel den vorgegebenen Schwellwert für die Anzahl überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als vorgegebenes Kriterium festgelegt wird, dass der Mittelwert der beiden Röntgenschwächungswerte des Voxels innerhalb des vorgegebenen Wertebereiches (1) liegt, der für Weichgewebe charakteristisch ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als vorgegebenes Kriterium festgelegt wird, dass ein kombinierter Schwächungswert x_m des Voxels innerhalb eines vorgegebenen Wertebereiches (1) liegt, der für Weichgewebe charakteristisch ist, wobei der kombinierte Schwächungswert aus folgender Rechenvorschrift erhalten wird:
und wobei x₁ und x₂ die beiden Röntgenschwächungswerte des Voxels bei den beiden unterschiedlichen spektralen Verteilungen der Röntgenstrahlung, x_f dem Schwächungswert von reinem Fett bei der jeweiligen spektralen Verteilung, x_g dem Schwächungswert von reinem Weichgewebe bei der jeweiligen spektralen Verteilungen und q das Verhältnis des Bildrauschens der Bilder der beiden Bilddatensätze darstellen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis q des Bildrauschens in einem Vorverarbeitungsschritt aus den beiden Bilddatensätzen oder aus vorab aufgezeichneten Topogrammen bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Schwellwert für den Abstand für eine Detektion von Knorpel und/oder Bindegewebe mit dem Mittelwert der beiden Röntgenschwächungswerte des Voxels skaliert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Schwellwert für den Abstand für eine Detektion von Hämatomen ein konstanter Wert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die hervorgehobene Darstellung durch isolierte Darstellung der Voxel, deren Abstand u den vorgegebenen Schwellwert für den Abstand überschreitet, oder durch farbige Darstellung dieser Voxel in einem Bild des Objektbereiches erfolgt.
Vorrichtung zur automatischen Detektion von chemischen Anomalien und/oder Auffälligkeiten in Weichgewebe eines Objektbereiches, mit einer Speichereinheit zur Speicherung von zwei Bilddatensätzen des Objektbereiches, die aus zwei Computertomographie-Aufnahmen des Objektbereiches bei unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung erhalten wurden und Röntgenschwächungswerte von Voxeln des Objektbereiches bei der jeweiligen spektralen Verteilung der Röntgenstrahlung enthalten, und einem Bestimmungsmodul, das so ausgebildet ist, dass es für jedes Voxel zumindest einer interessierenden Schicht des Objektbereiches einen Mittelwert aus den beiden zugeordneten Röntgenschwächungswerten der beiden Bilddatensätze bestimmt und für jedes Voxel, dessen Mittelwert innerhalb eines vorgegebenen Wertebereiches (1) liegt, der für Weichgewebe charakteristisch ist, zumindest die folgenden Schritte durchführt: – Bestimmung eines Datenpunktes des Voxels in einem Diagramm, in dem Röntgenschwächungswerte bei den beiden spektralen Verteilungen der Röntgenstrahlung gegeneinander aufgetragen sind, aus den beiden Röntgenschwächungswerten des Voxels oder aus zwei gemittelten Röntgenschwächungswerten, die durch Mittelung der Röntgenschwächungswerte von Voxeln innerhalb eines vorgegebenen Volumens um das Voxel in dem jeweiligen Bilddatensatz erhalten werden, – Berechnen eines senkrechten Abstandes u des Datenpunktes des Voxels von einer Verbindungsgeraden (2), die vorgegebene Datenpunkte für reines Fett und für reines Weichgewebe in dem Diagramm verbindet, und – Markierung und hervorgehobene Darstellung des Voxels, wenn dessen Abstand u einen vorgegebenen Schwellwert für den Abstand überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmungsmodul so ausgebildet ist, dass es für jedes Voxel, dessen Mittelwert aus den beiden zugeordneten Röntgenschwächungswerten innerhalb des vorgegebenen Wertebereiches (1) liegt, der für Weichgewebe charakteristisch ist, zunächst einen dreidimensionalen Volumenbereich mit einer vorgegebenen Ausdehnung um das Voxel festlegt, innerhalb des Volumenbereiches alle Voxel selektiert, deren Röntgenschwächungswerte ein vorgegebenes Kriterium erfüllen, das für Weichgewebe charakteristisch ist, und für jeden Bilddatensatz getrennt einen gemittelten Schwächungswert der selektierten Voxel berechnet, um aus den beiden gemittelten Röntgenschwächungswerten den Datenpunkt des Voxels zu bestimmen, von dem anschließend der senkrechte Abstand zur Verbindungsgeraden (2) berechnet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmungsmodul so ausgebildet ist, dass es für jedes Voxel, dessen Mittelwert aus den beiden zugeordneten Röntgenschwächungswerten innerhalb des vorgegebenen Wertebereiches (1) liegt, der für Weichgewebe charakteristisch ist, zunächst einen dreidimensionalen Volumenbereich mit einer vorgegebenen Ausdehnung um das Voxel festlegt, innerhalb des Volumenbereiches alle Voxel selektiert, deren Röntgenschwächungswerte ein vorgegebenes Kriterium erfüllen, das für Weichgewebe charakteristisch ist, eine Anzahl der selektierten Voxel in dem Volumenbereich bestimmt und mit einem vorgegebenen Schwellwert für die Anzahl vergleicht, und für jeden Bilddatensatz getrennt einen gemittelten Schwächungswert der selektierten Voxel berechnet, um aus den beiden gemittelten Röntgenschwächungswerten den Datenpunkt des Voxels zu bestimmen, von dem anschließend der senkrechte Abstand zur Verbindungsgeraden (2) berechnet wird, wobei die Berechnung der gemittelten Röntgenschwächungswerte sowie die weiteren Schritte des Patentanspruches 1 nur bei Voxeln durchgeführt werden, bei denen die Anzahl der selektierten Voxel den vorgegebenen Schwellwert für die Anzahl überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass als vorgegebenes Kriterium festgelegt ist, dass der Mittelwert der beiden Röntgenschwächungswerte des Voxels innerhalb des vorgegebenen Wertebereiches (1) liegt, der für Weichgewebe charakteristisch ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass als vorgegebenes Kriterium festgelegt ist, dass ein kombinierter Schwächungswert x_m des Voxels innerhalb eines vorgegebenen Wertebereiches (1) liegt, der für Weichgewebe charakteristisch ist, wobei das Bestimmungsmodul den kombinierten Schwächungswert aus folgender Rechenvorschrift erhält:
und wobei x₁ und x₂ die beiden Röntgenschwächungswerte des Voxels bei den beiden unterschiedlichen spektralen Verteilungen der Röntgenstrahlung, x_f dem Schwächungswert von reinem Fett bei der jeweiligen spektralen Verteilung, x_g dem Schwächungswert von reinem Weichgewebe bei der jeweiligen spektralen Verteilungen und q das Verhältnis des Bildrauschens der Bilder der beiden Bilddatensätze darstellen.