DE102006027483A1

DE102006027483A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abbildung eines beweglichen Objekts

Info

Publication number: DE102006027483A1
Application number: DE102006027483A
Authority: DE
Inventors: Francois Kotian; Régis VAILLANT
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2006-06-14
Publication date: 2006-12-28
Also published as: FR2887429A1; FR2887429B1; JP2007000630A

Abstract

Es sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur radiologischen Abbildung eines sich bewegenden Organs offenbart, bei denen eine Folge von Referenzbildern des Organs akquiriert wird (11). Die Folge von Bildern wird verarbeitet (13), um für jedes Bild wenigstens einen Bewegungsparameter oder Bewegungsdatum für das Organ, das dem Bild zugeordnet ist, zu bestimmen. Es wird ein Bewegungsparameter oder Bewegungsdatum ermittelt, das einer oder mehreren Phasen eines physiologischen Referenzsignals zugewiesen wird (14).

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abbildung eines sich bewegenden Objektes und bezieht sich insbesondere auf medizinische Bildgebung. Insbesondere befasst sie sich mit Röntgenbildern von Organen oder beweglichen Teilen von Organen.

Zu einem herkömmlichen Röntgenbildgebungsverfahren und einer herkömmlichen Röntgenbildgebungsvorrichtung gehören gewöhnlich eine Einrichtung zur Emission einer Strahlung, beispielsweise eine Röntgenquelle, sowie eine Einrichtung zur Detektion der emittierten Strahlung, beispielsweise einen Detektor mit einer Videokamera und einem Bildverstärker. Das abzubildende Objekt, beispielsweise ein Organ, wird zwischen der Quelle und dem Detektor platziert. Durch die Quelle ausgestrahlte Röntgenstrahlen durchdringen das Organ und werden durch den Detektor empfangen. Die Strahlen werden durch den Bildverstärker verstärkt und durch die Videokamera in Signale gewandelt, die die Belichtung oder Bestrahlung des Detektors kennzeichnen.

Für einige medizinische Untersuchungen oder einige chirurgische Operationen ist die Akquisition mehrerer aufeinander folgender Röntgenbilder des gleichen anatomischen Bereichs eines Patienten erforderlich. Um das Auftreten von Artefakten auf Bildern, die durch Verarbeitung unverarbeiteter akquirierter Bilder hervorgerufen werden, oder Fehler bei der Analyse dieser Bilder zu vermeiden, ist es erforderlich, dass sich der interessierende anatomische Bereich in der gleichen Position befindet, wenn jedes der aufeinander folgenden Bilder aufgenommen wird. Einige Bewegungen können jedoch nicht vermieden werden, und dies sind insbesondere Bewegungen, die auf die Kontraktion des Herzens zurückzuführen sind.

Wenn für die Erfordernisse der Untersuchung oder chirurgischen Operation ein einzelnes Bild pro Herzzyklus ausreicht, stellt die Hochgeschwindigkeitsakquisition und die nachfolgende Sortierung von Bildern keine akzeptable Lösung dar, weil dies zu einer unnötigen Bestrahlungsdosis mit Röntgenstrahlen für den Patienten und für das medizinische Personal führen würde.

Eine Lösung umfasst eine Synchronisation der Akquisition von Bildern mit dem Herzzyklus des Patienten. In anderen Worten werden die Quelle und der Detektor synchron mit einem gemessenen Herzsignal derart gesteuert, dass die Bilder mit einer zu dem Herzzyklus identischen Phase akquiriert werden. Somit wird gewöhnlich lediglich ein einzelnes Bild für jeden Herzzyklus erhalten.

Zur Erzeugung digitaler Bilder mit besserer Qualität im Vergleich zu Bildern, die durch Vorrichtungen mit einem herkömmlichen Detektor erzeugt werden, werden Bildgebungsvorrichtungen verwendet, die digitale ebene Röntgendetektoren aufweisen, die auch als digitale Flachfelddetektoren bzw. Flat-Panel-Detektoren bezeichnet werden. Jedoch erfordern Festkörper-Röntgendetektoren ein vollkommen periodisches Auslesen, um Qualitätsbilder zu erzeugen.

Da Herzbewegungen nicht wiederholbar sind, sind die Herzsignale nicht periodisch. Infolgedessen ist es praktisch unmöglich, einen Röntgendetektor in der Festkörperbauweise mit einem Herzsignal vollkommen zu synchronisieren. Eine derartige Synchronisation würde das Verhalten oder die Güte der Detektoren verschlechtern, und/oder die erforderliche Korrekturverarbeitung der akquirierten Bilder wäre viel zu komplex.

Die US-Patentschrift 6 643 536 beschreibt ein Verfahren zur Synchronisation der Akquisition von Röntgenbildern mit einem Herzsignal, um Doppelenergieabbildungen zu erzeugen. Dieses Verfahren umfasst einen Messung des Herzsignals, eine Detektion einer diastolischen Spitze und nach einer der systolischen Spitze (dem QRS-Komplex) folgenden vorbestimmten Verzögerung ein Auslösen einer Röntgenstrahlemission synchron mit dem Detektorsteuersignal während der diastolischen Phase. Dieses Synchronisationsverfahren kann dazu verwendet, während einer diastolischen Periode des Herzens (einer Periode, während der die Herzkavitäten mit Blut gefüllt werden) zwei Bilder der Lungen mit zwei unterschiedlichen Röntgenenergien zu erzeugen. Die diastolische Periode entspricht im Allgemeinen einer Periode des Herzzyklus, während der die Herzbewegung minimal ist. Das Verfahren begrenzt Schwankungen der Position der Lungen zwischen den akquirierten Bildern, selbst wenn diese Bilder nicht exakt in der gleichen Phase in dem Herzzyklus akquiriert werden. Erstens erzielt ein derartiges Verfahren nicht immer zufrieden stellende Ergebnisse, weil vorhandene Differenzen der Herzphase zwischen Patienten nicht berücksichtigt werden. Insbesondere ist festgestellt worden, dass der optimale Belichtungsstartzeitpunkt unter Verwendung des Kriteriums der geringsten Bewegung des betrachtenden Organs nicht notwendigerweise einer gegebenen Verzögerung (oder einer gegebenen Phase in dem Herzzyklus) entspricht, die nach der systolischen Startspitze identifiziert wird. Zweitens ist ein derartiges Verfahren zur Verarbeitung einer Sequenz, die eine große Anzahl von Bildern enthält, oder für eine Analyse des Herzens, dessen Bewegungen wesentlich größer sind als die Bewegungen, die es in nahe gelegenen Organen hervorruft, nicht geeignet.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Bildgebungsverfahren, das präziser arbeitet. Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abbildung eines beweglichen Objektes, zu dem gehören: Akquisition einer Folge von Referenzbildern des Objektes; Verarbeitung der Folge von Referenzbildern des Objektes, um für jedes Bild wenigstens einen Bewegungsparameter oder ein Bewegungsdatum für das dem Bild zugeordnete Objekt zu bestimmen; Zuordnung eines somit bestimmten Bewegungsparameters oder Bewegungsdatums zu einer oder mehreren Phasen eines physiologischen Referenzsignals.

Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ferner eine Röntgenvorrichtung, die eine Einrichtung zur Emission einer Strahlungsquelle, eine Einrichtung zur Detektion und eine Einrichtung zur Akquisition aufweist, die in der Lage ist, durch den Detektor akquirierte Bilder zu verarbeiten, wobei die Akquisitionseinrichtung programmiert ist, um das vorstehend beschriebene Verfahren auszuführen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Eigenschaften und Vorteile erschließen sich leichter aus der folgenden Beschreibung, die lediglich zu veranschaulichenden Zwecken angegeben und in keiner Weise beschränkend aufzufassen ist und die mit Bezug auf die beigefügten Figuren gelesen werden sollte, in denen:
1 zeigt in schematisierter Weise eine Bildgebungsvorrichtung, die einen Festkörper-Röntgendetektor aufweist;
2 zeigt ein Schaubild, das in schematisierter Weise ein Herzsignal und die Schwankung eines Geschwindigkeitsparameters während eines Herzzyklus für ein langsames Herz und für ein schnelles Herz veranschaulicht;
3 zeigt ein Blockschaltbild, das in schematisierter Weise einen Kalibrierungsvorgang in einem Bildgebungsverfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
4 zeigt ein Blockschaltbild, das einen Bildakquisitionsvorgang in einem Bildgebungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung in schematisierter Weise veranschaulicht;
5 veranschaulicht in schematisierter Weise die verschiedenen Steuerungssignale der Bildgebungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
6 zeigt ein Blockschaltbild, das in schematisierter Weise einen Kalibrierungsvorgang in einem Bildgebungsverfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
7 zeigt ein Blockschaltbild, das in schematisierter Weise einen Bildakquisitionsvorgang in einem Bildgebungsverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
8 zeigt ein Blockschaltbild, das in schematisierter Weise eine Bestimmung eines Bewegungsparameters in einem Bildgebungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
9 zeigt ein Blockschaltbild, das in schematisierter Weise eine Bestimmung der minimalen Bewegung in einem Bildgebungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht; und
10 zeigt ein Blockschaltbild, das in schematisierter Weise eine Bestimmung eines optimalen Akquisitionszeitpunkts in einem Verfahren zur Bilderzeugung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In 1 weist eine Bildgebungsvorrichtung eine Einrichtung zur Messung eines Herzsignals 1, eine Einrichtung zur Akquisition 2, eine Einrichtung zur Bereitstellung eines Hochspannungsgenerators 3, eine Einrichtung zur Emission einer Strahlung, beispielsweise eine Röntgenquelle 4, eine Einrichtung zur Detektion, beispielsweise einen Festkörper-Röntgendetektor 5, und eine Einrichtung zur Abstützung oder Auflage, beispielsweise einen Tisch 6, auf dem ein Patient 7 positioniert werden kann, auf. Der Tisch 6 ist zwischen der Quelle 4 und dem Detektor 5 positioniert. Die Einrichtung zur Messung eines Herzsignals 1 kann dazu verwendet werden, elektrische Signale, die durch das Herz abgegeben werden, als Funktion der Zeit zu messen. Die Messeinrichtung 1 übermittelt die Signale, die sie gemessen hat, an die Akquisitionseinrichtung 2. Die Akquisitionseinrichtung 2 weist eine Verarbeitungseinrichtung auf, die programmiert ist, um den Hochfrequenzspannungsgenerator 3 und den Festkörper-Röntgendetektor 5 zu steuern. Der Hochfrequenzspannungsgenerator 3 liefert Energie an die Röntgenquelle 4, so dass die Quelle Röntgenstrahlen 8 aussenden kann. Die Röntgenstrahlen 8, die durch die Quelle 4 ausgestrahlt werden, treten durch den Patienten 7 hindurch und werden durch den Detektor 5 empfangen. Die Akquisitionseinrichtung 2 ist in der Lage, den Detektor 5 zu steuern, um periodisch Bilder auszulesen.
2 zeigt ein Schaubild, das ein EKG-Herzsignal, wie es durch die Messeinrichtung 1 gemessen wird, und eine Schwankung oder Veränderung eines Koronargeschwindigkeitsparameters während eines Herzzyklus für ein langsam arbeitendes Herz und für ein schnell arbeitendes Herz veranschaulicht. Der Koronargeschwindigkeitsparameter entspricht der auf Herzschläge zurückzuführenden Verschiebungs- bzw. Verlagerungsgeschwindigkeit der Koronararterien. Dieser Parameter steht mit der Herzbewegung im Zusammenhang.
Die Veränderung des Herzgeschwindigkeitsparameters während eines Herzzyklus kann bei unterschiedlichen Personen sehr unterschiedlich ausfallen. Insbesondere kann die minimale Bewegungsphase in Bezug auf die diastolische Spitze sehr unterschiedlich lokalisiert sein. Es können sogar zwei Ruhebereiche vorhanden sein.
3 zeigt ein Blockschaltbild, das in schematisierter Weise einen Kalibrierungsvorgang 10 in einem Bildgebungsverfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Die erste Ausführungsform kann dazu verwendet werden, Bilder des Herzens eines Patienten zu akquirieren, wenn sich das Herz in einer Phase minimaler Bewegung befindet.
Die erste Ausführungsform weist einen ersten Kalibrierungsvorgang 10 auf, während dessen die Akquisitionseinrichtung 2 die Quelle 4 und den Detektor 5 steuert, um das folgende auszuführen. Der Patient 7 ist auf dem Tisch der Bildgebungsvorrichtung positioniert. In Schritt 11 steuert die Akquisitionseinrichtung 2 die Quelle 4 und den Detektor 5 an, um eine Folge von Bildern von einem Organ oder einem Teil eines Organs zu akquirieren. Die Bilder werden zeitlich aufeinander folgend, sukzessiv mit einer in Bezug auf die Herzrate ausreichend hohen Rate akquiriert, um eine gute zeitliche Auflösung (gewöhnlich in der Größenordnung von 30 Bildern pro Sekunde) zu erhalten. Die Bildsequenz wird durch die Akquisitionseinrichtung 2 als eine Folge von Referenzbildern aufgezeichnet.
Eine gewöhnliche Bildsequenz ist eine Folge von Bildern, die während einer Injektion eines Kontrastmittels in eine Koronararterie akquiriert werden. Die Bilder sind gewöhnlich Bilder, die aus 512 × 512 Pixeln oder 1024 × 1024 Pixeln bestehen. Die Bilder werden mit einer Rate in der Größenordnung von 30 Bildern pro Sekunde während einer Dauer von etwa 5 bis 10 Sekunden akquiriert.
Im Schritt 11 wird das Kontrastmittel durch das Blut transportiert und breitet sich in der Koronararterie aus. Das Kontrastmittel wird anschließend durch das Venensystem abgeführt. Die Bewegung des Kontrastmittels wird in der Bildfolge aufgezeichnet.
In Schritt 12 liest die Einrichtung zur Herzsignalmessung 1 das durch das Patientenherz im Laufe der Zeit erzeugte Signal. Das Herzsignal wird durch die Akquisitionseinrichtung 2 als ein Referenzherzsignal aufgezeichnet. Der Bildsequenzakquisitionsschritt 11 und der Herzsignalmessschritt 12 werden simultan mit Hilfe eines gemeinsamen Taktgebersignals durchgeführt. Infolgedessen enthält die Akquisitionseinrichtung 2 am Ende des ersten und des zweiten Schritts 11 und 12 eine Folge von Referenzbildern, wobei jedes Referenzbild einer Phase des Referenzherzsignals zugeordnet ist.
In Schritt 13 verarbeitet die Akquisitionseinrichtung 2 die Referenzbildfolge und bestimmt einen Bewegungsparameter, der jedem Referenzbild zugeordnet ist. Der ermittelte Bewegungsparameter ist beispielsweise ein Koronargeschwindigkeitsparameter, in anderen Worten ein Parameter, der die Verschiebungs- bzw. Verdrängungsgeschwindigkeit des Kontrastmittels in der Koronararterie angibt.
8 zeigt ein Schaubild, das in schematisierter Weise die Merkmale des Schritts 13 zur Bestimmung eines Bewegungsparameters veranschaulicht. Die Folge von Referenzbildern enthält N-Bilder, die während des Schritts 11 zeitlich aufeinan der folgend akquiriert werden. Die Bilder in der Referenzbildfolge sind mit einem Parameter i indexiert, der in Abhängigkeit von der Akquisitionsreihenfolge der Bilder von 1 bis N variiert. Gemäß dem Unterschritt 131 subtrahiert die Akquisitionseinrichtung 2 das Bild i von dem Bild i + 1 für jedes Bild i in der Referenzbildfolge. Der Unterschritt 131 ergibt eine Folge von N – 1 subtrahierten Bildern, die erhalten werden. Jedes Subtraktionsbild i in der Folge zeigt Strukturbewegungen zwischen zwei sukzessiv aufeinander folgenden Bildern i und i + 1 der Folge von Referenzbildern.
Im Unterschritt 132 filtert die Akquisitionseinrichtung 2 jedes Bild i in der Folge subtrahierter Bilder, um Rauschen zu beseitigen, das aus hohen Ortsfrequenzen bzw. Raumfrequenzen besteht.
Im Unterschritt 133 wandelt die Akquisitionseinrichtung jedes Bild i der gefilterten Bildsequenz in ein binäres Bild um. Um dies zu erzielen, wendet die Akquisitionseinrichtung 2 eine Schwellenwertfunktion auf jedes Pixel in dem gefilterten Bild i folgendermaßen an: Falls die Pixelintensität kleiner ist als ein vorbestimmter Schwellenwert, weist die Schwellenwertfunktion dem Pixel den Wert 0 zu; falls die Pixelintensität größer als oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert ist, weist die Schwellenwertfunktion dem Pixel den Wert 1 zu. Als Ergebnis des Unterschritts 133 wird eine Folge von Binärbildern erhalten, in denen die Pixel gleich 0 oder 1 betragen. In jedem Binärbild bestimmt die Anzahl von Pixeln, deren Wert 1 beträgt, quantitativ die Bewegung von Strukturen zwischen zwei aufeinander folgenden Bildern i und i + 1 in der Folge von Referenzbildern.
Im Unterschritt 134 berechnet die Akquistionseinrichtung 2 für jedes Bild i in der Folge binärer Bilder einen dem Bild i zugehörigen Bewegungsparameter als die Summe der Werte von Pixeln, die das binäre Bild i ausmachen. In anderen Worten entspricht der dem Bild i zugeordnete Bewegungsparameter der Anzahl von Pixeln in dem binären Bild, deren Wert gleich 1 ist. Es können auch andere Bildanalysealgorithmen verwendet werden, um charakteristische Bewegungseigenschaften aus einigen Strukturen aus einer Folge von Bildern zu gewinnen, vgl. beispielsweise US-Patentschrift 5 054 045.
Im Schritt 14 bestimmt die Akquisitionseinrichtung 2 die Augenblicke, in denen das abgebildete Organ eine minimale Bewegung aufweist, in andern Worten, die Zeitpunkte, in denen der Bewegungsparameter, wie er im Schritt 13 bestimmt worden ist, minimal ist.
9 veranschaulicht ein Schaubild, in dem Veränderungen des Wertes des Bewegungsparameters p_i in Abhängigkeit von dem Index i des Bildes in der Folge von Referenzbildern dargestellt sind.
Im Schritt 15 leitet die Akquisitionseinrichtung 2 eine Phase des Herzsignals, für die der Bewegungsparameter minimal ist, her. Die Phase des Herzsignals ist durch einen Prozentsatz oder prozentualen Anteil des Herzzyklus gebildet. Genauer gesagt, bestimmt die Akquisitionseinrichtung 2 eine optimale Akquisitionsverzögerung δ, die mit der diastolischen Spitze beginnt und für die der Bewegungsparameter minimal ist.
10 veranschaulicht eine schematische Darstellung, die die Schwankungen des Bewegungsparameters p_i, der jedem Bild i in der Referenzbildfolge zugeordnet ist, und das Herzsignal (EKG) über der Zeit veranschaulicht. Die somit bestimmte optimale Verzögerung δ ist für den untersuchten Patienten spezifisch. Diese optimale Verzögerung wird dazu verwendet, die Bildakquisition während eines nachfolgenden Akquisitionsvorgangs zu triggern bzw. auszulösen. In 10 entspricht δ einer Phase des Herzzyklus im Bereich zwischen 43 und 49%.
4 zeigt ein Blockschaltbild, das in schematisierter Weise einen Akquisitionsvorgang 20 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Der Akquisitionsvorgang, wie er in 4 dargestellt ist, erfolgt nach dem in 3 dargestellten Kalibrierungsvorgang.
Im Schritt 21 misst die Einrichtung zur Herzsignalmessung 1 ein Herzsignal und übermittelt das gemessene Signal an die Akquisitionseinrichtung 2. Im Schritt 22 erfasst die Akquisitionseinrichtung 2 eine diastolische Spitze in dem gemessenen Herzsignal und startet eine Stoppuhr. Im Schritt 23 steuert die Akquisitionseinrichtung 2 den Hochspannungsgenerator nach einer Zeitspanne δ, die gleich der optimalen Akquisitionsverzögerung ist, die während des Kalibrierungsvorgangs 10 bestimmt worden ist, an, um die Röntgenquelle zu triggern. Der Hochspannungsgenerator treibt die Quelle an, die Röntgenstrahlen emittiert. Der Detektor liest anschließend ein belichtetes Bild aus.
5 veranschaulicht die folgenden Signale über der Zeit: A: das durch die Herzsignalmessvorrichtung gemessene Herzsignal (EKG); B: das durch die Akquisitionseinheit erzeugte Energieversorgungssteuerungssignal; C: das Detektorlesesteuersignal; D: das Röntgenquellesteuersignal; und E: Röntgenstrahlen, die durch die Quelle emittiert und durch den Detektor erfasst werden.
Das Detektorlesesteuersignal ist ein periodisches Signal, das gewöhnlich eine Frequenz von etwa 30 Hz aufweist. Solange die Röntgenquelle nicht aktiviert ist, erzeugt der Detektor dunkle bzw. schwarze Bilder. Wenn die Röntgenquelle aktiviert ist, liest der Detektor ein belichtetes Bild aus. Nach einer Zeitspanne δ, die gleich der optimalen Akquisitionsverzögerung ist, die während des Kalibrierungsvorgangs 10 bestimmt worden ist, steuert die Akquisitionseinrichtung 2 den Hochspannungsgenerator 3 an, um die Röntgenquelle 4 zu triggern. Der Hochspannungsgenerator 3 versorgt die Quelle 4 mit Energie, wobei die Quelle 4 die Röntgenstrahlen emittiert. Der Detektor 5 liest während des Detektionszyklus, der unmittelbar auf die durch die Quelle vorgenommene Röntgenstrahlenemission folgt, ein belichtetes Bild aus.
In Anbetracht dessen, dass der Detektor 5 nicht mit dem Herzsignal des Patienten synchronisiert ist, variiert die Verzögerung bei der Detektion des Bildes im Vergleich zu dem Quellentriggersignal zwischen 0 und der Periode T des Detektorlesesteuersignals C. Somit beträgt für ein Lesesteuersignal C des Detektors mit einer Frequenz von 30 Hz die resultierende Detektionsverzögerung zwischen 0 und 33 Millisekunden. Für einen durchschnittlichen erwachsenen Patienten entspricht diese Verzögerung einem Phasenfehler, der im Bereich zwischen 0 und 4% der Dauer des Herzzyklus liegt. Wenn man bedenkt, dass das Bild während einer Phase des Zyklus akquiriert wird, in der die Bewegung des Organs minimal ist, weist der Phasenfehler nur wenig Einfluss auf die Position des Organs auf den akquirierten Bildern auf.
Deshalb kann die erste Ausführungsform des Verfahrens eine Folge von Bildern erzeugen, in denen das Organ als annähernd feststehend bzw. unbeweglich erscheint.
In einer Modifikation dieser ersten Ausführungsform kann die Röntgenquelle 4 nach einer Verzögerungszeit von δ – 1/2T getriggert werden. In dieser Modifikation liegt der Phasenfehler in einem Bereich zwischen –1/2T und 1/2T. Somit ist der Phasenfehler niemals größer als die halbe Periode des Detektorlesesignals.
In einer anderen Modifikation dieser ersten Ausführungsform kann die Röntgenquelle 4 nach einer Verzögerung von δ – τ getriggert werden, wobei τ die Reaktionszeit des Röntgenquellesteuerungssystems darstellt. Diese Modifikationsform wird dazu verwendet, die systematische Detektionsverzögerung zu korrigieren.
In einer weiteren Variante dieser ersten Ausführungsform kann die Röntgenquelle 4 nach einer Verzögerung von δ + θ getriggert werden, wobei θ einen Korrekturparameter darstellt, der von der momentanen Herzrate abhängig ist. Der Korrekturparameter θ berücksichtigt Schwankungen der Herzrate.
Gemäß einer noch weiteren Modifikation dieser ersten Ausführungsform kann die Röntgenquelle 4 nach einer Verzögerung getriggert werden, die gleich δ – 1/2pw ist, wobei pw die Röntgenemissionsdauer darstellt. Diese Variante ermöglicht es, die Mitte der Belichtung (die „mittlere" Stelle des im Laufe der Zeit akquirierten Bildes) in dem optimalen Zeitpunkt in dem Herzzyklus anzuordnen.
Die vorstehend beschriebenen vier Modifikationsformen können miteinander kombiniert werden, um eine Feineinstellung der optimalen Akquisitionszeit zu erzielen.
6 veranschaulicht ein Blockschaltbild, das in schematisierter Weise einen Kalibrierungsvorgang 30 einer Bildgebungsvorrichtung in einem Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die zweite Ausführungsform weist einen ersten Kalibrierungsvorgang 30 auf, in dem die Akquisitionseinrichtung 2, die Quelle 4 und den Detektor 5 steuert, um Folgendes durchzuführen. Der Patient 7 ist auf dem Tisch 6 der Bildgebungsvorrichtung positioniert. In Schritt 31 steuert die Akquisitionseinrichtung 2 die Quelle 4 und den Detektor 5 an, um eine Folge von Bildern eines Organs oder eines Teils eines Organs zu akquirieren. Die Bilder werden mit der Zeit in einer Folge akquiriert. Die Folge von Bildern wird durch die Akquisitionseinrichtung 2 als eine Folge von Referenzbildern aufgezeichnet. Im Schritt 32, der zur gleichen Zeit wie der Schritt 31 ausgeführt wird, misst die Vorrichtung das durch das Patientenherz im Laufe der Zeit erzeugte Herzsignal. Die Akquisitionseinrichtung 2 zeichnet das Herzsignal als ein Referenzherzsignal auf. Am Ende der Schritte 31 und 32 enthält die Akquisitionseinrichtung 2 eine Folge von Referenzbildern, wobei jedes Referenzbild einer Phase des Referenzherzsignals zugeordnet ist. Im Schritt 33 verarbeitet die Akquisitionseinrichtung 2 die Referenzbildfolge und bestimmt die Bewegungsdaten, die zu jedem Referenzbild gehören. Im Schritt 34 bestimmt die Akquisitionseinrichtung 2 eine Bewegungsfunktion, die Bewegungsdaten jeder Phase eines Herzzyklus zuweist.
7 zeigt ein Blockschaltbild, das in schematisierter Weise einen Bildakquisitionsvorgang 40 in einem Verfahren gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Der in 7 dargestellte Akquisitionsvorgang erfolgt nach dem in 6 dargestellten Kalibrierungsvorgang. Während dieses Akquisitionsvorgangs steuert die Akquisitionseinrichtung 2 die Quelle 4 und den Detektor 5, um die folgenden Schritte auszuführen. Im Schritt 41 steuert die Akquisitionseinrichtung 2 die Quelle 4 und den Detektor 5 an, um eine Folge von Bildern eines Organs oder eines Teils eines Organs zu akquirieren. Im Schritt 42 misst die Vorrichtung das Herzsignal, das durch das Herz des Patienten im Laufe der Zeit erzeugt wird.
Der Bildsequenzakquisitionsschritt 41 und der Herzsignalmessschritt 42 werden unter Verwendung eines gemeinsamen Taktgebersignals simultan ausgeführt. Als Ergebnis hiervon enthält die Akquisitionseinrichtung 2 am Ende der Schritte 41 und 42 eine Folge von Bildern, wobei jedes Bild einer Phase des Herzzyklus zugeordnet ist. Im Schritt 43 korrigiert die Akquisitionseinrichtung jedes akquirierte Bild durch Anwendung der Korrekturfunktion auf das Bild, das von der Herzphase abhängt, die basierend auf der während des Kalibrierungsvorgangs bestimmten Bewegungsfunktion dem Bild zugeordnet ist. Die zweite Ausführungsform des Verfahrens korrigiert jedes Bild in der Folge von Bildern, um das Organ in jedem akquirierten Bild in eine identische Position zu bringen. Diese zweite Ausführungsform erzeugt eine Folge von korrigierten Bildern, in denen das abgebildete Organ sich von einem Bild bis zu dem nächsten Bild in nahezu dergleichen Position befindet.
Die zweite Ausführungsform kann in Echtzeit ausgeführt werden; in anderen Worten werden für jedes akquirierte Bild sofort seine Position in dem Herzzyklus untersucht und die Korrekturen oder Verarbeitungen im Zusammenhang mit der entsprechend vorbestimmten Bewegungsfunktion (zum Beispiel eine Raum-Zeit-Filterung nach einer räumlichen Korrektur) vorgenommen. Außerdem kann die Bestimmung der Bewegungsfunktion, die während des Kalibrierungsvorgangs vorgenommen wird, verwendet werden, um auf jedes akquirierte Bild, das von den dem Bild zugeordneten Bewegungsdaten abhängig ist, eine Verarbeitung anzuwenden. Beispielsweise kann die angewandte Verarbeitung ein Raum-Zeit-Filter enthalten, um einige interessierende Objekte in dem Bild zu verstärken oder Rauschen zu reduzieren. Die Verarbeitungsparameter werden in Abhängigkeit von der dem Bild zugeordneten Phase des Herzsignals abgestimmt bzw. angepasst. In anderen Worten kombiniert der Schritt 43 eine Bildkorrektur mit einer Raum-Zeit-Filterung, wobei die angewandte Korrektur und Filterung von dem gemessenen Herzsignal abhängig sind.
Eine Ausführungsform des Verfahrens basiert auf einer vorherigen Akquisition einer Folge von Referenzbildern. Eine Verarbeitung dieser Referenzbildfolge ermöglicht eine Analyse der Bewegung eines Organs in einem bestimmten Patienten, wobei dann veranlasst wird, dass diese Bewegung dem physiologischen Signal entspricht. In einer ersten Ausführungsform wird dieses Verfahren verwendet: um wenigstens eine Phase des physiologischen Referenzsignals zu bestimmen, für die der zugehörige Bewegungsparameter minimal ist; um eine optimale Verzögerung zur Triggerung bzw. Ansteuerung einer Quelle einer Röntgenbildgebungsvorrichtung abzuleiten. Die somit bestimmte Referenzphase ist für jeden Patienten spezifisch. Wenn das Referenzsignal ein Herzsignal ist, stellt die Referenzphase die Phase des Herzzyklus dar, bei der die Herzbewegung minimal ist.
Eine Ausführungsform des Verfahrens ermöglicht somit eine Triggerung der Strahlungsquelle der Bildgebungsvorrichtung in einer geeigneten Weise in Abhängigkeit von jedem Patienten, um eine minimale Schwankung oder Veränderung der Position des Organs zu erhalten. Genauer gesagt, kann das Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform folgendes aufweisen: Messung eines physiologischen Signals; Detektion des Beginns eines Zyklus des physiologischen Signals; nachdem die optimale Verzögerungszeit (δ) abgelaufen ist, Steuerung der Strahlungsquelle in einer Röntgenbildgebungsvorrichtung in einer derartigen Weise, dass die Quelle einen oder mehrere Röntgenimpulse aussendet. Da die Quelle während einer Phase des Zyklus getriggert wird, in der die Bewegung minimal ist, weist das Fehlen einer strengen Synchronisation zwischen dem Detektor, der mit seinem eigenen Taktgeber arbeitet, und dem physiologischen Signal wenig Einfluss auf das akquirierte Bild auf.
In einer zweiten Ausführungsform ermöglicht das Verfahren eine Bestimmung einer Korrekturfunktion, die Bewegungsdaten jeder Phase des physiologischen Referenzsignals zuordnet.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann das Verfahren dazu verwendet werden, jedes Bild in der Bildsequenz zu korrigieren, um beispielsweise eine Folge korrigierter Bilder zu erhalten, in denen das abgebildete Organ sich in jedem aufeinander folgenden Paar von Bildern ungefähr in der gleichen Position befindet. Genauer gesagt, kann das Verfahren gemäß der zweiten Ausführungsform folgendes aufweisen: Akquisition einer Folge von Bildern; Messung eines physiologischen Signals simultan mit der Akquisition; Korrektur jedes Bildes basierend auf der Korrekturfunktion, die während eines vorherigen Schritts bestimmt worden ist, und auf der Phase des gemessenen physiologischen Signals. Die zweite Ausführungsform ist insbesondere hilfreich, um zu überwachen, wie sich das Organ auf der korrigierten Bildfolge verändert, wobei das Organ von einem Bild bis zu dem nächsten Bild näherungsweise unbeweglich ist. Insbesondere kann das Verfahren dazu verwendet werden, die Veränderung einer Blutströmung oder die Position einer Arterie während eines Herzzyklus oder die Position eines chirurgischen Operationswerkzeugs, beispielsweise eines Führungsinstrumentes, eines Katheters oder eines Stents, zu beobachten.
Das Verfahren kann ferner eine Filterung jedes Bildes basierend auf der Korrekturfunktion und der Phase des physiologischen Signals aufweisen, die beispielsweise durch Verwendung eines Zeitfilters gemessen wird, dessen charakteristische Eigenschaften durch die Bewegungsfunktion angepasst werden.
Während eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich für jeden Fachmann, dass zahlreiche Veränderungen in Bezug auf die Funktion und/oder den Weg bzw. die Mittel und/oder das Ergebnis vorgenommen werden können und dass Elemente durch äquivalente Mittel ersetzt werden können, ohne dass dadurch der Schutzumfang und Rahmen der Erfindung berührt werden. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehre der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Kern abzurücken. Deshalb besteht die Absicht, dass die Erfindung nicht auf eine hier zur Ausführung dieser Erfindung offenbarte bestimmte Ausführungsform beschränkt werden soll, sondern dass die Erfindung sämtliche Ausführungsformen umfassen soll, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen. Außerdem wird durch die Verwendung der Ausdrücke erste (r, s), zweite (r, s) etc. oder Schritte keine Reihenfolge oder irgendeine Wichtigkeit bezeichnet, vielmehr werden die Ausdrücke erste (r, s), zweite(r, s) etc. oder Schritte dazu verwendet, ein Element oder Merkmal von einem anderen zu unterscheiden. Ferner soll durch die Verwendung der Ausdrücke ein, eine, etc. keine Mengenbegrenzung, sondern die Gegenwart wenigstens eines des in Bezug genommenen Elementes oder Merkmals bezeichnet werden.
Es ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur radiologischen Abbildung eines sich bewegenden Organs offenbart, bei denen eine Folge von Referenzbildern des Organs akquiriert wird (11). Die Folge von Bildern wird verarbeitet (13), um für jedes Bild wenigstens einen Bewegungsparameter oder Bewegungsdatum für das Organ, das dem Bild zugeordnet ist, zu bestimmen. Es wird ein Bewegungsparameter oder Bewegungsdatum ermittelt, das einer oder mehreren Phasen eines physiologischen Referenzsignals zugewiesen wird (14).
1

1 Herzsignalmessvorrichtung
2 Akquisitionseinheit
3 Hochspannungsgenerator
4 Röntgenquelle
5 Festkörper-Röntgendetektor
6 Tisch
7 Patient
8 Röntgenstrahlen

2

Koronargeschwindigkeit
Geschwindigkeit (mm/s)
langsames Herz
schnelles Herz

3

Akquisition einer Folge von Referenzbildern
Bestimmung eines Bewegungsparameters
Bestimmung einer minimalen Bewegung
Bestimmung einer optimalen Akquisitionsverzögerung δ
Aufzeichnung eines Referenzherzsignals

4

Messung eines Herzsignals
Detektion einer diastolischen Spitze
Verzögerung δ
Triggerung der Röntgenquelle

5

EKG
Detektor
Quelle
Röntgenstrahlen

6

Akquisition einer Folge von Referenzbildern
Bestimmung eines Bewegungsparameters
Bestimmung einer Bewegungsfunktion
Aufzeichnung eines Referenzherzsignals

7

Akquisition einer Bildfolge
Korrektur der Bildfolge
Aufzeichnung eines Herzsignals

8

für i = 1 bis N
Subtraktion Bilder i + 1 – Bild i
Filterung
Schwellenwertfilterung
Pixelsumme
Bewegungsparameter p_i
Bilder 1 bis N
subtrahierte Bilder 1 bis N – 1
binäre Bilder 1 bis N – 1

10

Zeit (s)
EKG (%)

Claims

Verfahren zur Abbildung eines beweglichen Objektes, das aufweist: Akquisition (11; 31) einer Folge von Referenzbildern des Objektes; Verarbeitung (13; 33) der Folge von Referenzbildern des Objektes, um für jedes Bild wenigstens einen Bewegungsparameter oder Bewegungsdaten für das dem Bild zugeordnete Objekt zu bestimmten; und Zuordnung (14; 34) eines somit bestimmten Bewegungsparameters oder der somit bestimmten Bewegungsdaten zu einer oder mehreren Phasen eines physiologischen Referenzsignals.
Verfahren nach Anspruch 1, das aufweist: Bestimmung (14) wenigstens einer Phase des physiologischen Referenzsignals, für die der zugehörige Bewegungsparameter minimal ist; und Herleitung (15) einer optimalen Verzögerung (δ) zur Triggerung einer Röntgenbildgebungsvorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 2, das aufweist: Messung (21) des physiologischen Signals; Detektion (22) des Beginns eines Zyklus des physiologischen Signals; und nachdem (23) die optimale Zeitdauer (δ) abgelaufen ist, Steuerung einer Einrichtung zur Emission einer Strahlung (4) in einer derartigen Weise, dass die Einrichtung einen oder mehrere Impulse einer Röntgenstrahlung (8) aussendet.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die optimale Zeitdauer (δ) korrigiert wird, um wenigstens einen der folgenden Faktoren zu berücksichtigen: eine halbe Periode (1/2T) des Auslesesteuersignals (C) eines Detektors der Bildgebungsvorrichtung; eine Reaktionszeit (τ) eines Quellesteuerungssystems; einen Korrekturparameter (θ), der von der momentanen Frequenz des physiologischen Signals abhängig ist; und eine Strahlungsemissionsdauer (pw).
Verfahren nach Anspruch 1, das aufweist: Bestimmung (34) einer Korrekturfunktion, die Bewegungsdaten jeder Phase des physiologischen Referenzsignals zuordnet.
Verfahren nach Anspruch 5, das aufweist: Akquisition (41) einer Folge von Bildern; Messung (42) eines physiologischen Signals simultan mit der Akquisition; und Korrektur (43) jedes Bildes basierend auf der Korrekturfunktion und auf der Phase des gemessenen physiologischen Signals.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die akquirierten Bilder korrigiert werden, um eine Folge von korrigierten Bildern zu erhalten, in denen das abgebildete Objekt in jedem Paar von Bildern sich im Wesentlichen in der gleichen Position befindet.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, das eine Filterung jedes Bildes basierend auf der Korrekturfunktion und der Phase des gemessenen physiologischen Signals aufweist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das bewegliche Objekt ein Herz oder ein Teil des Herzens ist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das physiologische Signal ein zyklisches Signal ist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das physiologische Signal ein Herzsignal ist.
Röntgenbildgebungsvorrichtung, die aufweist: eine Einrichtung (4) zur Emission einer Strahlung; eine Einrichtung (5) zur Detektion der emittierten Strahlung; und eine Einrichtung (2) zur Akquisition, die durch den Detektor akquirierte Bilder verarbeiten kann, wobei die Akquisitionseinrichtung (2) programmiert ist, um das Bildgebungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.
Computerprogramm, das in einem von einem Computer verwendbaren Medium enthaltene Programmcodemittel zur Ausführung des Verfahrens gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 11 aufweist, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.
Computerprogrammprodukt mit einem von einem Computer verwendbaren Medium, das in dem Medium enthaltene computerlesbare Programmcodemittel aufweist, wobei die computerlesbaren Programmcodemittel das Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 11 ausführen.
Herstellungsartikel zur Verwendung mit einem Computersystem, wobei der Herstellungsartikel ein computerlesbares Medium mit computerlesbaren Programmcodemitteln aufweist, die in dem Medium enthalten sind, wobei die Programmcodemittel das Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 11 ausführen.
Programmspeichervorrichtung, die von einer zugrifffähigen Maschine lesbar ist und ein Programm aus Anweisungen enthält, die durch die Maschine ausführbar sind, um die Schritte des Verfahrens gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen, wobei das Programm aus Anweisungen auf einem Medium enthalten ist.