DE102007009182B4

DE102007009182B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bilddarstellung von sich zyklisch bewegenden Objekten

Info

Publication number: DE102007009182B4
Application number: DE102007009182.8A
Authority: DE
Inventors: Diana Martin; Sebastian Schmidt
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2016-09-22
Anticipated expiration: 2027-02-27
Also published as: US8290224B2; US20080219510A1; DE102007009182A1

Abstract

Verfahren zur Bilddarstellung von sich zyklisch bewegenden Objekten unter Verwendung eines ersten und eines zweiten bildgebenden Verfahrens, die sich zumindest hinsichtlich der Ortsauflösung oder der Sensitivität unterscheiden, mit folgenden Schritten: kontinuierliches Aufnehmen von Bilddaten des Objektes durch das erste bildgebende Verfahren; Extrahieren von zeitlich verschiedenen Phasen eines Bewegungszyklus des Objektes aus den durch das erste bildgebende Verfahren aufgenommenen Bilddaten; Aufnehmen von Bilddaten des Objektes durch das zweite bildgebende Verfahren; und Zuordnen der durch das zweite bildgebende Verfahren aufgenommenen Bilddaten zu den verschiedenen Phasen des Bewegungszyklus; gekennzeichnet durch einen Schritt zum zeitlichen Integrieren von Bilddaten, die durch das zweite bildgebende Verfahren jeweils an einer gleichen, wiederkehrenden Phase des Bewegungszyklus aufgenommenen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zur Bilddarstellung von sich zyklisch bewegenden Objekten unter Verwendung eines ersten und eines zweiten bildgebenden Verfahrens, die sich zumindest hinsichtlich der Ortsauflösung oder der Sensitivität unterscheiden. Das Verfahren und die Vorrichtung zur Bilddarstellung eignen sich insbesondere für medizinische Eingriffe.
In letzter Zeit gewinnen in der medizinischen Bildgebung so genannte „Hybridmodalitäten” zunehmend an Bedeutung, wie zum Beispiel PET/CT, SPECT/CT, MR/PET und MR/SPECT. Hierbei bedeuten:

PET:: Positronen-Emissions-Tomographie
CT:: Computertomographie
SPECT:: Single Photon Emission Computed Tomography
MR:: Magnetresonanztomographie
NM:: Nuklearmedizinische Bildgebung

Vorteilhaft an diesen Kombinationen ist die Verbindung einer Modalität mit einer hohen Ortsauflösung (insbesondere MR oder CT) mit einer Modalität mit hoher Sensitivität (insbesondere Nuklearmedizin wie zum Beispiel SPECT oder PET, die im Folgenden durch NM abgekürzt werden).
Ein besonderes Problem bei PET und SPECT stellen Bewegungsunschärfen dar, denn diese betreffen besonders stark das Herz, das während der Untersuchung zyklisch schlägt und dadurch erhebliche Bewegungsunschärfen aufweist, die eine Zuordnung des PET/SPECT-Signals zu bestimmten Herzgebieten sehr schwierig machen. Dadurch wird der Vorteil der hohen Ortsauflösung der kombinierten Modalität wieder zunichte gemacht. Besonders ungünstig ist dieses Problem dann, wenn Patienten mit Herzkrankheiten untersucht werden, die eine unregelmäßige oder sehr hohe Herzfrequenz haben.
Die beigefügte Figur verdeutlicht die Problematik. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet ein Herz. Die Bezugszeichen 2 und 3 bezeichnen die Herzwand in der Systole bzw. in der Diastole. Die Bezugszeichen V und V' bezeichnen jeweils einen bestimmten Voxel der Herzwand in der Systole bzw. in der Diastole. Aus der Figur wird ersichtlich, dass der bestimmte Voxel während eines Herzzyklus zwischen Diastole und Systole eine Verschiebung V'-V erfährt, wodurch die geschilderten Bewegungsunschärfen erzeugt werden.
Aus dem Stand der Technik sind so genannte Gating-Techniken bekannt, die auf EKG-Signalen beruhen. Dazu werden dem Patienten EKG-Elektroden angelegt. Ein Algorithmus identifiziert die R-Zacken im EKG-Signal und ermittelt daraus die Herzphasen, wobei der R-Zacken der erste positive Ausschlag im QRS-Komplex ist. Anschließend werden nur die Messdaten verwendet, die in eine bestimmte Herzphase (zum Beispiel die Diastole) fallen. Damit ließen sich bisher Bewegungsartefakte zufriedenstellend kompensieren.
Diese Verfahren haben jedoch weiterhin eine Reihe von Nachteilen. Das Anlegen der EKG-Elektroden ist ein zusätzlicher, zeitaufwändiger Arbeitsschritt. Bei dem Einsatz von MR werden die EKG-Elektroden durch die elektromagnetischen Felder gestört, so dass spezielle EKG-Systeme verwendet werden müssen. Dennoch ist es nicht immer möglich, ein hinreichend gutes Signal zu erhalten.
Durch die Verwerfung der Daten wird die Messzeit nur teilweise ausgenutzt und verlängert sich dementsprechend.
Bei Patienten mit kardialen Vorerkrankungen ist das EKG-Signal oft pathologisch verändert, so dass der Algorithmus zur automatischen Detektion der R-Zacken nicht funktioniert.
Aus der DE 10 2005 023 907 A1 ist ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, das eine Verbesserung hinsichtlich der räumlichen Verschmierung bei der Darstellung von PET-Daten ermöglicht.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bilddarstellung von sich zyklisch bewegenden Objekten unter Verwendung eines ersten und eines zweiten bildgebenden Verfahrens vorzusehen, die sich zumindest hinsichtlich der Ortsauflösung oder der Sensitivität unterscheiden, wobei das Verfahren und die Vorrichtung ohne Verwendung von EKG-Elektroden die Bewegungsunschärfen kompensieren können, die durch die zyklischen Bewegungen wie zum Beispiel Herzbewegungen verursacht werden.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bilddarstellung von sich zyklisch bewegenden Objekten verwendet ein erstes und ein zweites bildgebendes Verfahren, die sich zumindest hinsichtlich der Ortsauflösung oder der Sensitivität unterscheiden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bilddarstellung hat des Weiteren die folgenden Schritte:
kontinuierliches Aufnehmen von Bilddaten des Objektes durch das erste bildgebende Verfahren;
Extrahieren von zeitlich verschiedenen Phasen eines Bewegungszyklus des Objektes aus den durch das erste bildgebende Verfahren aufgenommenen Bilddaten;
Aufnehmen von Bildern des Objektes durch das zweite bildgebende Verfahren; und
Zuordnen der durch das zweite bildgebende Verfahren aufgenommenen Bilddaten zu den verschiedenen Phasen des Bewegungszyklus.
Das Verfahren weist erfindungsgemäß einen Schritt zum zeitlichen Integrieren von Bilddaten, die durch das zweite bildgebende Verfahren jeweils an einer gleichen, wiederkehrenden Phase des Bewegungszyklus aufgenommen werden, auf.
Hierbei kann das Objekt ein Herz sein, wobei die zeitlich verschiedenen Phasen zum Beispiel jeweils die Diastole und die Systole sein können. Ein sich wiederkehrender Bewegungszyklus erstreckt sich hierbei von der Diastole zur Systole oder umgekehrt.
Vorzugsweise werden die extrahierten, zeitlich verschiedenen Phasen eines Bewegungszyklus des Objektes aus den durch das erste bildgebende Verfahren aufgenommenen Bilddaten zu zyklisch aufeinanderfolgenden Zeitpunkten zugeordnet. Die Bilddaten des Objektes werden durch das zweite bildgebende Verfahren im Listmode aufgenommen und in einer Tabelle mit einem Zeitstempel abgespeichert. Das Zuordnen der durch das zweite bildgebende Verfahren aufgenommenen Bilddaten zu den verschiedenen Phasen des Bewegungszyklus erfolgt auf der Grundlage eines Abgleichs der zyklisch aufeinanderfolgenden Zeitpunkte und der Zeitstempel.
Vorzugsweise erfolgt das Extrahieren von verschiedenen Phasen des Bewegungszyklus des Objektes aus den durch das erste bildgebende Verfahren aufgenommenen Bilddaten durch eine zweidimensionale Segmentierung des Objektes, durch eine dreidimensionale Segmentierung des Objektes, durch eine Flächenmessung oder durch Volumetrie.
Vorzugsweise hat das Verfahren einen Schritt zum überlagerten Darstellen der durch das erste bildgebende Verfahren aufgenommenen Bilddaten mit den durch das zweite bildgebende Verfahren aufgenommenen Bilddaten.
Vorzugsweise hat das Verfahren einen Schritt zum Bestimmen eines Bewegungsvektors eines Objektpunktes des Objektes zwischen zwei vorbestimmten Phasen des Bewegungszyklus anhand der durch das erste bildgebende Verfahren aufgenommenen Bilddaten und einen Schritt zur Translation von Objektpunkten der durch das zweite bildgebende Verfahren aufgenommenen Bilddaten mittels des Bewegungsvektors zwischen den beiden vorbestimmten Phasen.
Vorzugsweise ist das erste bildgebende Verfahren ein Magnetresonanztomographie-Verfahren (MR). Die Verwendung der Computertomographie (CT) ist ebenfalls möglich, aufgrund der mit der zeitaufgelösten Messung verbundenen Strahlenbelastung jedoch weniger bevorzugt.
Vorzugsweise ist das zweite bildgebende Verfahren ein Single-Photon-Emission-Computed-Tomography-Verfahren (SPECT) oder ein Positronen-Emissions-Tomographie-Verfahren (PET).
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird in gleicher Weise durch eine Vorrichtung gelöst, die das vorstehend beschriebene Verfahren durchführt.
Nunmehr wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung konkreter beschrieben.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kommt ein kombiniertes MR/NM-Gerät zum Einsatz, wie zum Beispiel MR/PET oder MR/SPECT, das eine simultane und isozentrische Messung von MR- und NM-Daten erlaubt.
Die MR-Messung als erstes bildgebendes Verfahren wird kontinuierlich simultan während der NM-Messung als zweites bildgebendes Verfahren durchgeführt. Dabei werden Sequenzen benutzt, die es erlauben, das relevante Volumen mit hoher zeitlicher Auflösung zu erfassen (zum Beispiel Cine-TrueFISP). Ein derartiges Verfahren war mit den konventionellen PET- und CT-Verfahren nicht möglich, da die Strahlenbelastung für den Patienten zu hoch wäre. Die Erfassung kann in zeitaufgelöster 2D- oder 3D-Technik erfolgen. Zusammen mit den MR-Daten wird der Zeitpunkt der Akquisition gespeichert.
Die NM-Messung als zweites bildgebendes Verfahren erfolgt bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel im Listmode, dabei werden alle einzelnen Messereignisse in einer Liste zusammen mit einem Zeitstempel abgespeichert.
Aus den Daten der MR-Messung wird die Herzphase festgestellt. Im Ergebnis können gleiche Herzphasen, d. h. zyklisch wiederkehrende Herzphasen zu zyklisch aufeinanderfolgenden Zeitpunkten zugeordnet werden. Dies kann entweder über eine 2D- oder 3D-Segmentierung und Flächenmessung bzw. Volumetrie oder aber durch die Anwendung von „Self-Gating-Verfahren” bewirkt werden.
Alternativ erfolgt die Bestimmung der Herzphase im k-Raum. Ein geeignetes Verfahren hierzu ist z. B. in US 6 798 199 B2 beschrieben.
Ein Verfahren zur Segmentierung der Herzkammern ist u. a. in der WO 2006/083588 A1 beschrieben, wobei unter dem Begriff Segmentierung die Bestimmung von lokalen Objektmerkmalen gemeint ist, die eine Unterscheidung des Objekts von anderen Objekten und vom Hintergrund ermöglicht, und die eine Bestimmung erlaubt, ob ein Bildpunkt zu einem Objekt gehört.
Ein bekanntes Self-gating-Verfahren ist zum Beispiel in Magn Reson Med. 2005 Jan; 53(1): 159–168 beschrieben.
Die Daten der NM-Messung, vorzugsweise PET-Daten, werden bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel über die Zeitstempel den entsprechenden, durch die MR-Messung festgestellten Herzphasen zugeordnet und für jede Herzphase getrennt rekonstruiert, wobei über mehrere Herzzyklen integriert wird. Damit entstehen im einfachsten Falle ein diastolischer Datensatz und ein systolischer Datensatz. Gegebenenfalls können zusätzlich Zwischenphasen rekonstruiert werden.
Die Darstellung erfolgt bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel im günstigsten Fall als Film, wobei die PET-Bilder mit den MR-Bildern überlagert werden. Bevorzugt wird hierfür über mehrere Herzzyklen gemessen und anschließend über mehrere Datensätze integriert, die dem gleichen Zeitpunkt im Herzzyklus zuzuordnen sind.
In den segmentierten MR-Datensätzen werden über ein Verfahren der nicht-rigiden Transformation korrespondierende Voxel aus der Herzwand in der Diastole und der Systole ermittelt. Dies kann zum Beispiel durch Verfahren zur nicht-starren Transformation erreicht werden, wie sie beispielsweise aus WO 01/16886 bekannt sind. Für jedes dieser Voxel wird der Bewegungsvektor von Diastole zu Systole ermittelt und auf die NM-Voxel angewandt. Dadurch können die in der Systole akquirierten NM-Daten komplett für die Rekonstruktion eines Bild des Herzens in Diastole ohne Bewegungsartefakte verwendet werden (oder umgekehrt).
Gleichzeitig kann ein Verfahren zur Korrektur von Atembewegungen angewandt werden, das zum Beispiel aus der DE 10 2006 015 749 A1 bekannt ist.
Zum einfacheren Finden korrespondierender Voxel in den MR-Daten kann das Verfahren des „Cardiac Tagging” angewandt werden, das zum Beispiel in Seeger et al, ESMRMB 2006 beschrieben ist.
Für die MR-Messung werden Verfahren benutzt, die den Kontrastsprung zwischen Herzwand und Umgebung (Blut bzw. Herzbeutel) erhöhen, um die Segmentierung zu erleichtern. Bekannte derartige Verfahren sind zum Beispiel eine Verabreichung von Kontrastmitteln, Fat-Saturation oder Black-Blood-Techniken.
Die Erfindung ist nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es sind Abwandlungen und äquivalente Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der Erfindung möglich, der durch die Ansprüche definiert ist.
Insbesondere beschränkt sich die Anwendung der Erfindung nicht auf den Herzzyklus, sondern sie kann für beliebige Objekte mit zyklischen Bewegungen angewendet werden. Die Erfindung kann zum Beispiel auch auf die Lunge angewendet werden, die eine zyklische Atembewegung durchführt.

Claims

Verfahren zur Bilddarstellung von sich zyklisch bewegenden Objekten unter Verwendung eines ersten und eines zweiten bildgebenden Verfahrens, die sich zumindest hinsichtlich der Ortsauflösung oder der Sensitivität unterscheiden, mit folgenden Schritten: kontinuierliches Aufnehmen von Bilddaten des Objektes durch das erste bildgebende Verfahren; Extrahieren von zeitlich verschiedenen Phasen eines Bewegungszyklus des Objektes aus den durch das erste bildgebende Verfahren aufgenommenen Bilddaten; Aufnehmen von Bilddaten des Objektes durch das zweite bildgebende Verfahren; und Zuordnen der durch das zweite bildgebende Verfahren aufgenommenen Bilddaten zu den verschiedenen Phasen des Bewegungszyklus; gekennzeichnet durch einen Schritt zum zeitlichen Integrieren von Bilddaten, die durch das zweite bildgebende Verfahren jeweils an einer gleichen, wiederkehrenden Phase des Bewegungszyklus aufgenommenen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die extrahierten, zeitlich verschiedenen Phasen eines Bewegungszyklus des Objektes aus den durch das erste bildgebende Verfahren aufgenommenen Bilddaten zu zyklisch aufeinanderfolgenden Zeitpunkten zugeordnet werden; und die Bilddaten des Objektes durch das zweite bildgebende Verfahren im Listmode aufgenommen und in einer Tabelle mit einem Zeitstempel abgespeichert werden, wobei das Zuordnen der durch das zweite bildgebende Verfahren aufgenommenen Bilddaten zu den verschiedenen Phasen des Bewegungszyklus auf der Grundlage eines Abgleichs der zyklisch aufeinanderfolgenden Zeitpunkte und der Zeitstempel erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Extrahieren von verschiedenen Phasen des Bewegungszyklus des Objektes aus den durch das erste bildgebende Verfahren aufgenommenen Bilddaten durch eine zweidimensionale Segmentierung des Objektes, eine dreidimensionale Segmentierung des Objektes, eine Flächenmessung oder Volumetrie erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, des Weiteren mit einem Schritt zum überlagerten Darstellen der durch das erste bildgebende Verfahren aufgenommenen Bilddaten mit den durch das zweite bildgebende Verfahren aufgenommenen Bilddaten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, des Weiteren mit den folgenden Schritten: Bestimmen eines Bewegungsvektors (V'-V) eines Objektpunktes des Objektes zwischen zwei vorbestimmten Phasen des Bewegungszyklus anhand der durch das erste bildgebende Verfahren aufgenommenen Bilddaten; und Translation von Objektpunkten der durch das zweite bildgebende Verfahren aufgenommenen Bilddaten mittels des Bewegungsvektors (V'-V) zwischen den beiden vorbestimmten Phasen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das erste bildgebende Verfahren ein Magnetresonanztomographie-Verfahren (MR) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das zweite bildgebende Verfahren ein Single-Photon-Emission-Computed-Tomography-Verfahren (SPECT) oder ein Positronen-Emissions-Tomographie-Verfahren (PET) ist.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Objekt ein Herz ist.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Bilddaten des ersten bildgebende Verfahrens MR-Daten sind, die im k-Raum ausgewertet werden.
Vorrichtung, die das Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche durchführt.