DE102008026035A1

DE102008026035A1 - Betriebsverfahren für eine verschwenkbare Polyplan-Bildgebungsanlage zur Abbildung eines sich bewegenden Untersuchungsobjekts

Info

Publication number: DE102008026035A1
Application number: DE102008026035A
Authority: DE
Inventors: Benno Dr. Heigl
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2009-12-10
Also published as: US20090297005A1; US8135196B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine verschwenkbare Polyplan-Bildgebungsanlage (1), die eine erste und eine zweite unter einem Versatzwinkel gamma relativ zueinander angeordnete, mit einem Fächerwinkel ß aufnehmende, Bildgebungsebene (A, B) umfasst, zur Abbildung eines sich bewegenden Untersuchungsobjekts, sowie ein Betriebsverfahren hierfür, das folgende Schritte umfasst: - Aufnehmen von ersten Projektionsbildern (P1(ti)) und zweiten Projektionsbildern (P2(ti)) in verschiedenen Winkellagen zu jeweiligen Zeitpunkten (ti = (t0, t1, t2, ..., tn)) unter Verschwenken der Bildgebungsebenen (A, B) um einen Winkel, derart, dass die beiden Bildgebungsebenen (A, B) zusammen einen Winkel von insgesamt mindestens 180° + ß überstreichen, - Erfassen charakteristischer Strukturen (R(ti)) in den ersten Projektionsbildern (P1(ti)) und den zweiten Projektionsbildern (P2(ti)), - Segmentieren der charakteristischen Strukturen (R(ti)) in den ersten Projektionsbildern (P1(ti)) und den zweiten Projektionsbildern (P2(ti)) durch vektorielle Darstellung der charakteristischen Strukturen (R(ti)), - Triangulieren der charakteristischen Strukturen (R(ti)) in den ersten Projektionsbildern (P1(ti)) und den zweiten Projektionsbildern (P2(ti)) zur Gewinnung einer dreidimensionalen Darstellung der charakteristischen Strukturen (R(ti)), - Ermitteln von dreidimensionalen Verschiebungsvektorfeldern (M(ti)), die jeweils die Verschiebung der dreidimensionalen ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für eine verschwenkbare Polyplan-Bildgebungsanlage zur Abbildung eines sich bewegenden Untersuchungsobjekts, insbesondere ein Verfahren zur Herzbildgebung mittels einer Angiographie-Vorrichtung, wofür hier beispielhaft eine Biplan-C-Bogen-Vorrichtung stehen soll, sowie ein entsprechendes Computerprogramm, einen Datenträger, auf dem dieses gespeichert ist, und eine verschwenkbare Polyplan-Bildgebungsanlage zur Durchführung des Betriebsverfahrens.
Unter dem Begriff „Polyplan-Bildgebungsanlage” sei nachstehend eine Bildgebungsanlage zu verstehen, die zur Bildaufnahme nicht nur eine verschwenkbare Ebene, sondern mehrere verschwenkbare Ebenen, insbesondere zwei oder drei, aufweist.
In dieser Erfindung geht es insbesondere um Angiographiesysteme, wie sie für interventionelle Eingriffe z. B. am Herzen verwendet werden. Traditionell erzeugen Angiographiesysteme einfache Röntgen-Projektionsbilder, auf denen Strukturen wie Herzschatten, Führungsdrähte, Katheter und kontrastmittelgefüllte Katheter erkennbar sind. Typischerweise weisen Angiographie-Vorrichtungen neuerer Bauart einen C-förmigen Bogen auf, an dessen einem Ende eine Röntgenquelle und an dessen anderem Ende ein zugehöriger Röntgendetektor angebracht ist. Der C-Bogen ist frei um eine Patientenliege verschwenkbar und erlaubt dadurch die Aufnahme von zweidimensionalen Echtzeit-Röntgenbildern (Fluoroskopieaufnahmen) des Patienten aus verschiedensten Blickrichtungen. Somit können solche Angiographiesysteme durch Rotation des C-Bogens um den Patienten auch CT-ähnliche 3-D-Bilder erzeugen, was auch als C-Bogen-CT bezeichnet wird.
Für die Anwendung der Computertomographie und anderer dreidimensionaler Rekonstruktionsverfahren wie beispielsweise PET (Positronen-Emissions-Tomographie), SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) oder MR (Magnet-Resonanz) ist es erforderlich, dass die für die jeweilige Modalität der Bilderfassung benötigten Daten, aus welchen ein Volumendatenelement erzeugt werden soll, einem genau definierten Zustand des Untersuchungsobjekts entsprechen. In der Realität ist dies jedoch nicht immer gegeben, da bei vielen Untersuchungsobjekten beispielsweise die Atmung, der Herzschlag oder die Peristaltik Bewegungen beim Untersuchungsobjekt hervorrufen. Durch solche Bewegungen werden Artefakte in den erzeugten Bildern verursacht, die den klinischen Nutzen dieser Darstellungen teilweise deutlich einschränken oder sogar ganz verhindern. Besonders deutlich tritt dieses Problem bei sich ständig bewegenden Untersuchungsobjekten wie beispielsweise dem Herzen auf.
Es kann zwar versucht werden, dieses Problem dadurch zu lösen, dass die Aufnahmezeit der Rohdaten durch schnellere Umdrehungen des CT-Geräts oder durch Verwendung zweier CT-Geräte reduziert wird. Dieser Ansatz ist jedoch für heutige C-Bogen-Geräte nicht geeignet.
Ein umgekehrter Weg zur Lösung dieses Problems besteht darin, dass Eingangsdaten ausgewählt werden, welche einem genau definierten Zustand des Untersuchungsobjekts entsprechen, und zwar nachträglich durch sogenanntes „Gating” (z. B. nur Verwendung von Eingangsdaten entsprechend einer mittels EKG gemessenen Herzphase oder durch die Verwendung von Atmungssensoren) oder während der Datenaufnahme durch „Triggern”, d. h., Daten werden nur dann aufgenommen, wenn ein Signal beispielsweise aus einem EKG oder einem Atmungssensor angibt, dass sich das Untersuchungsobjekt im gewünschten Zustand befindet). Dies erfordert jedoch lange Zeiten für die Datenaufnahme, was insbesondere dann zu Problemen führt, wenn Kontrastmittel verwendet wird oder wenn z. B. weitere Bewegungen durch Anhalten des Atems unterdrückt werden müssen. Die Ver wendung dieses Ansatzes setzt darüber hinaus voraus, dass die Bewegung des Untersuchungsobjekts periodisch ist, was beispielsweise bei einer durch eine Kombination von Atmung und Herzschlag hervorgerufenen Bewegung oder durch Arrhythmien nicht gegeben ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Betriebsverfahren für eine verschwenkbare Polyplan-Bildgebungsanlage zur Abbildung eines sich bewegenden Untersuchungsobjekts sowie ein entsprechendes, gegebenenfalls auf einem Datenträger gespeichertes, Computerprogramm bereitzustellen, womit die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile behoben und verbesserte Messergebnisse, insbesondere Herz- und Gefäßdarstellungen, während einer Intervention oder Operation an dem Untersuchungsobjekt möglich sind. Außerdem soll eine verschwenkbare Polyplan-Bildgebungsanlage zur Durchführung des Betriebsverfahrens geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird mit einem Betriebsverfahren gemäß Anspruch 1, einem Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 8, einem Datenträger gemäß Anspruch 9, auf dem letzteres gespeichert ist, sowie einer verschwenkbaren Polyplan-Bildgebungsanlage gemäß Anspruch 10 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren nehmen die Bildgebungsebenen der Polyplan-Bildgebungsanlage in einem ersten Schritt in einem einzigen Rotationslauf jeweils das Untersuchungsobjekt auf. Dabei bedeutet der Begriff „Rotationslauf”, dass die beiden Bildgebungsebenen über einen Winkelbereich von (mindestens) 180° + Fächerwinkel verschwenkt werden, wobei in der Regel 50 bis 500 Bilder aufgenommen werden. Der „Fächerwinkel” entspricht dem Winkel, unter dem die Röntgenquelle die Röntgenstrahlen aussendet, und er beträgt in der Regel etwa 20°.
Damit nimmt die erste Bildgebungsebene erste Projektionsbilder auf, und die zweite Bildgebungsebene nimmt zweite Projektionsbilder auf. Außerdem nehmen gegebenenfalls vorhandene weitere Aufnahmeebenen weitere Projektionsbilder auf. Die Projektionsbilder werden dabei vorzugsweise mit konstanter Winkel-Schrittweite aufgenommen, d. h. die Bildaufnahme erfolgt vorzugsweise bei zuvor definierten Winkeln bzw. nach Durchlaufen vorgegebener Winkelelemente bzw. äquidistanter Zeitabschnitte. Die Aufnahmen erfolgen somit vorzugsweise zu äquidistanten Zeitpunkten t₀, t₁, t₂, ..., t_n. Alternativ wäre es möglich, die Projektionsbilder mit konstanter Bildrate aufzunehmen, wobei dann die Winkelinkremente nicht konstant wären, da die Polyplan-Bildgebungsanlage am Anfang zuerst beschleunigt und zum Schluss abgebremst werden muss und daher die Zeitabstände zwischen zwei aufeinander folgenden Bildaufnahmen nicht konstant sind. Die Bildgebungsebenen werden insgesamt um einen Winkel von (mindestens) 180° + Fächerwinkel β verschwenkt, wobei in der Regel 50 bis 500 Bilder aufgenommen werden. Wichtig hierbei ist, dass die beiden Bildgebungsebenen so überlappend aufnehmen, dass zwischen ihnen bei der Aufnahme keine „Lücke” entsteht. Das Untersuchungsobjekt wird somit von zwei Seiten, also unter zwei verschiedenen Winkeln, die sich um den Versatzwinkel unterscheiden, aufgenommen.
In einem zweiten Schritt werden in den beiden Projektionsbildern charakteristische Strukturen, die sich beispielsweise durch entsprechende Kontraste bzw. Kontrastunterschiede ermitteln lassen, erfasst.
In einem dritten Schritt werden die charakteristischen Strukturen in den beiden Projektionsbildern segmentiert, indem Sie vektoriell dargestellt werden. Der Begriff „Segmentierung” bedeutet, dass Strukturen, wie z. B. Konturen, analysiert und in eine vektorielle Beschreibung gebracht werden. Dadurch können sie identifiziert werden.
Diese charakteristischen Strukturen werden dann in einem vierten Schritt trianguliert, um sie in eine dreidimensionale Darstellung überführen zu können. Der dritte und der vierte Schritt müssen nicht zwangsläufig nacheinander ausgeführt werden, sondern sie können auch zu einem einzigen Schritt kombiniert und zusammen bzw. gleichzeitig ausgeführt werden, um dadurch z. B. Inkonsistenzen auszuräumen.
Danach werden in einem fünften Schritt dreidimensionale Verschiebungsvektorfelder aus den sich über die Zeit verändernden charakteristischen Strukturen geschätzt. Jedes Verschiebungsvektorfeld gibt dabei die Verschiebung der dreidimensionalen Darstellung jedes Punktes einer jeweiligen charakteristischen Struktur an, und zwar zwischen dem jeweiligen Aufnahmezeitpunkt und einem Referenzzeitpunkt.
In einem sechsten Schritt wird dann eine dreidimensionale Rekonstruktion durchgeführt, wobei die dreidimensionalen Verschiebungsvektorfelder verwendet werden, um das Untersuchungsobjekt im Zustand zum Referenzzeitpunkt darstellen zu können.
Somit können erfindungsgemäß hervorragende Darstellungen des Untersuchungsobjekts in sehr kurzer Zeit erstellt werden, wobei die Strahlendosis und die Menge des zu verabreichenden Kontrastmittels reduziert werden können. Außerdem können mit den in einem Rotationslauf aufgenommenen Bildern noch weitere Details wie z. B. Weichteile in der Nähe der charakteristischen Strukturen abgebildet werden. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Betriebsverfahren nicht darauf angewiesen, dass sich das Untersuchungsobjekt periodisch bewegt, sondern kann bei beliebigen Bewegungen eingesetzt werden. Des Weiteren ist kein EKG-Signal für eine erfolgreiche Ausführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens erforderlich.
Es ist bevorzugt, dass der Versatzwinkel γ zwischen 70 und 110°, vorzugsweise zwischen 80 und 100°, liegt, wobei ein Winkel von 90° besonders bevorzugt ist, weil hierbei die Präzision der Bilderzeugung in dem zuvor genannten vierten Schritt am höchsten ist.
Vorzugsweise werden Gefäße (wie z. B. deren Außenkonturen), deren Mittellinien oder beides als die charakteristischen Strukturen verwendet. Dies ermöglicht eine besonders einfache und effiziente Bilderzeugung, insbesondere dann, wenn es sich bei dem Untersuchungsobjekt um das Herz handelt.
Die Rekonstruktion der Bilder kann noch zuverlässiger gemacht werden, wenn Marker zur Berechnung zusätzlicher Stützpunkte für das Ermitteln der dreidimensionalen Verschiebungsvektorfelder angebracht werden. Dies ist insbesondere bei der Rekonstruktion des Herzens vorteilhaft, wobei dann die Marker am Brustkorb angebracht werden.
Bevorzugt wird als Bildgebungsanlage ein Biplan-C-Bogen-Angiographiesystem als medizinisches Röntgensystem verwendet, das in anderen Worten zwei Bildgebungsebenen aufweist. Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Betriebsverfahren analog auch unter Verwendung von drei oder mehr Bildgebungsebenen ausgeführt werden.
Die in der Regel erforderliche Gabe von Kontrastmitteln lässt sich in vorteilhafter Weise dadurch standardisieren und mittels eines Injektors automatisieren, dass synchronisiert mit dem Beginn des ersten Schrittes ein Kontrastmittel injiziert wird.
Die erfindungsgemäße verschwenkbare Polyplan-Bildgebungsanlage zur Abbildung eines sich bewegenden Untersuchungsobjekts umfasst (mindestens) eine erste und eine zweite unter einem Versatzwinkel γ relativ zueinander angeordnete, mit einem Fächerwinkel β aufnehmende, Bildgebungsebene. In jeder Bildgebungsebene ist ein Strahler und ein Detektor vorgesehen, die in Gegenüberstellung bezüglich ihrer Schwenkachse und des Untersuchungsobjekts angeordnet sind und dem Aufnehmen von ersten Projektionsbildern bzw. zweiten Projektionsbildern in verschiedenen Winkellagen zu jeweiligen, vorzugsweise äquidistanten, Zeitpunkten dienen. Das Aufnehmen der Projektions bilder erfolgt dabei unter Verschwenken der Bildgebungsebenen um einen Winkel von insgesamt mindestens 180° + β. Die Polyplan-Bildgebungsanlage weist des Weiteren ein Steuer- und Auswertesystem zu ihrer Steuerung auf. Das Steuer- und Auswertesystem ist so ausgestaltet, dass es zum einen den Strahler und den Detektor für die Bildaufnahme geeignet ansteuert und zum anderen die aufgenommenen Daten entsprechend einem der vorstehend beschriebenen Verfahren auswertet. Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen schematisch:
1 ein Flussdiagramm, das den grundlegenden Ablauf eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens zur Abbildung eines Herzens mit den zugehörigen Gefäßen darstellt,
2 eine erfindungsgemäß ausgestaltete Biplan-C-Bogen-Anlage, auf der das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ausgeführt werden kann,
3 verschiedene Stellungen des erfindungsgemäßen Biplan-C-Bogen-Geräts im Lauf einer Aufnahme,
4 ein Paar von Projektionsbildern mit jeweils segmentierten Gefäßmittellinien sowie die mittels symbolischer Rekonstruktion daraus rekonstruierte dreidimensionale Gefäßmittellinie,
5 eine schematische Darstellung von Gefäßbäumen zu verschiedenen Zeitpunkten sowie deren Abbildung auf einen Gefäßbaum zum Referenzzeitpunkt und
6 eine schematische Darstellung der Projektion eines Röntgenstrahls mit und ohne Berücksichtigung des Verschiebungsvektorfelds.
Die Erfindung verwendet in ihrer bevorzugten Ausführungsform zur Bildaufnahme nicht ein typischerweise verwendetes Monoplan-Röntgensystem, sondern ein Biplan-C-Bogen-Röntgensystem.
In 2 ist schematisch eine Vorrichtung 1 zur Erzeugung eines dreidimensionalen Bilddatensatzes eines Untersuchungsobjekts dargestellt. Bei der Vorrichtung 1 handelt es sich um einen Biplan-Röntgentomographen, insbesondere ein Biplan-3-D-Rotationsangiographiegerät. Bei dem Untersuchungsobjekt handelt es sich um den Brustbereich, insbesondere das Herz 7, eines Patienten 2.
Die Vorrichtung 1 umfasst in einer ersten Bildgebungsebene A eine Aufnahmeeinheit 3 mit einem Röntgenstrahler 4 und einem Röntgendetektor 5. Der Röntgenstrahler 4 und der Röntgendetektor 5 sind in Gegenüberstellung an den Enden eines sogenannten C-Bogens 6 (nur gestrichelt angedeutet) angebracht und definieren zusammen mit letzterem die erste Bildgebungsebene A. Der C-Bogen 6 ist wiederum etwa mittig an einem nicht dargestellten Stativ um eine isozentrische Achse 8 drehbar gelagert. Der Röntgenstrahler 4 und der Röntgendetektor 5 sind dabei durch Verschwenkung des C-Bogens 6 derart verdrehbar, dass ein Zentralstrahl der von dem Röntgenstrahler 4 in Richtung des Röntgendetektors 5 emittierten Röntgenstrahlung innerhalb einer zu der isozentrischen Achse 8 senkrechten Aufnahmeebene gegenüber dem umgebenden Raum in einem beliebigen Projektionswinkel (inklusive dem sogenannten Fächerwinkel) verschwenkbar ist, wobei der Zentralstrahl stets auf die isozentrische Achse 8 ausgerichtet ist.
Die Vorrichtung 1 umfasst außerdem in einer zweiten Bildgebungsebene B eine Aufnahmeeinheit 3' mit einem Röntgenstrahler 4' und einem Röntgendetektor 5'. Der Röntgenstrahler 4' und der Röntgendetektor 5' sind in Gegenüberstellung an den Enden eines zweiten C-Bogens 6' angebracht und definieren zusammen mit letzterem die zweite Bildgebungsebene B, die gegenüber der ersten Bildgebungsebene A um einen Versatzwinkel γ von 90° versetzt angeordnet ist.
Die Vorrichtung 1 umfasst weiterhin einen nicht dargestellten Patiententisch mit einer Tischplatte, auf welche der Patient 2 während einer Untersuchung derart gelagert wird, dass seine Körperlängsachse etwa mit der isozentrischen Achse 8 der Aufnahmeeinheit 3 fluchtet. Die Tischplatte ist für die Untersuchung derart in die Öffnung des C-Bogens 6 einschiebbar, dass der zu untersuchende Körperbereich des Patienten 7 zwischen dem Röntgenstrahler 4 und dem Röntgendetektor 5 zu liegen kommt.
Die Vorrichtung 1 umfasst des Weiteren ein Steuer- und Auswertesystem 14. Das Steuer- und Auswertesystem 14 umfasst eine Datenverarbeitungsanlage 15, in welcher zusätzlich zu (nicht näher dargestellten) Bedien- und Steuerfunktionen eine Leseeinrichtung für ein auf einem Datenträger 18 wie z. B. einer CD oder einem USB-Stick gespeichertes Computerprogramm 19 sowie eine Auswerteeinheit 16 zur Erzeugung eines dreidimensionalen (3-D-)Bilddatensatzes des untersuchten Körperbereichs des Patienten 2 implementiert ist. Das Steuer- und Auswertesystem 14 umfasst weiterhin Ein-/Ausgabemittel, wie z. B. Bildschirm 17a, Tastatur 17b, Maus 17c oder dgl., zur Eingabe von Steueranweisungen sowie zur Anzeige von Zustandsgrößen, Untersuchungsergebnissen, etc.
Im Zuge des von der Vorrichtung 1 durchgeführten Verfahrens werden der Auswerteeinheit 16 durch die Aufnahmeeinheit 3 digitale Bilddaten zugeführt.
Für eine 3-D-Rekonstruktion ist es grundsätzlich erforderlich, dass Projektionsbilder über einen Winkelbereich von (mindestens) 180° + Fächerwinkel β gewonnen werden, wobei in der Regel 50 bis 500 Bilder aufgenommen werden. Im Folgenden wird vereinfacht angenommen, dass der Fächerwinkel β 20° beträgt und somit ein Winkelbereich von 200° abgedeckt werden muss. Dieser Fächerwinkel β kann auch andere Werte annehmen, beispielsweise im Bereich von 0 bis 40° jedoch insbesondere im Bereich von 10 bis 30°. Beide C-Bögen 6, 6' der Bildge bungsebenen A bzw. B sind um den Versatzwinkel γ gegeneinander versetzt angeordnet, wobei γ ohne Beschränkung der Allgemeinheit als 90° angenommen wird. Daher starten die beiden C-Bögen in um 90° versetzten Ausgangslagen (vgl. 2). Nach dem Start der Aufnahme rotieren in einem ersten Schritt S1 (vgl. Flussdiagramm von 1) beide C-Bögen über einen Winkelbereich von 110°, d. h. der erste C-Bogen 6 nimmt Projektionsbilder im Bereich von 0° bis 110° auf, während der zweite C-Bogen 6' Projektionsbilder im Bereich von 90° bis 200° aufnimmt.
Beide Bildaufnahmesysteme nehmen also gegenseitig synchronisiert Projektionsbilder P₁(t_i) bzw. P₂(t_i) mit üblicherweise konstanter Winkel-Schrittweite auf. D. h., zu den Zeitpunkten t_i = t₀, t₁, t₂, ..., t_n werden jeweils Projektionsbilder von den beiden Bildaufnahmesystemen aufgenommen. Die Blutgefäße und gegebenenfalls zusätzlich die Herzkammern werden durch Kontrastmittel sichtbar bzw. besser sichtbar gemacht. Die Bildanzahl n beträgt üblicherweise 50 bis mehrere Hundert pro Bildaufnahmesystem. Der zeitliche Ablauf der Bildaufnahme der Bildpaare P₁(t_i) und P₂(t_i) sowie die zugehörigen Stellungen der Bildaufnahmesysteme sind in 3 dargestellt, wobei zum Zeitpunkt t₀ der Anfangszustand der Bildaufnahmesysteme gezeigt ist, während zum Zeitpunkt t_n der Endzustand (nach einem Rotationslauf) der Bildaufnahmesysteme gezeigt ist.
In einem Schritt S2 werden charakteristische Strukturen in den Projektionsbildern ermittelt. Dies sind insbesondere die Blutgefäße bzw. die sogenannten Gefäßbäume.
Danach wird eine sogenannte symbolische Rekonstruktion der Mittellinien der Gefäße aus jeweils zwei Projektionen P₁(t_i) und P₂(t_i), welche also beide zum gleichen Zeitpunkt t_i aufgezeichnet wurden, ausgeführt. Hierzu werden in einem Schritt S3 zunächst die Gefäßmittellinien der Blutgefäße in den Projektionsbildern segmentiert, d. h. die Gefäßmittellinien werden analysiert und in eine vektorielle Darstellung gebracht, so dass sie identifizierbar sind. Dieser Zustand ist in 4 für die beiden Projektionsbilder P₁(t_i) und P₂(t_i) schematisch dargestellt. Danach werden in einem Schritt S4 aus den zweidimensionalen Segmentierungen der dreidimensionale Gefäßbaum anhand der bekannten 3-D-Geometrie trianguliert, was durch die dreidimensionale Gefäßmittellinie R(t_i) bezeichnet ist. Dadurch erhält man zu jedem Zeitpunkt t_i der Bildaufnahme eine symbolische 3-D-Rekonstruktion R(t_i) der Gefäßmittellinien. Die Schritte S3 und S4 müssen nicht zwangsläufig nacheinander ausgeführt werden, sondern sie können auch zu einem einzigen Schritt kombiniert und zusammen bzw. gleichzeitig ausgeführt werden.
Aus den rekonstruierten Gefäßmittellinien R(t_i) werden danach in einem Schritt S5 dreidimensionale Verschiebungsvektorfelder M(t_i) zu jedem Zeitpunkt t_i für i = 2, 3, ..., n berechnet, welche die Verschiebung jedes Punktes auf den Gefäßmittellinien zum Zeitpunkt t_i relativ zum Zeitpunkt t₀ angeben. 5 veranschaulicht zum einen die Verschiebungsvektorfelder M(t_i), M(t₂) und M(t_n) und zum anderen die durch diese Verschiebungsvektorfelder dargestellten Verformungen der Gefäßbäume R(t₁), R(t₂) und R(t_n) zu den jeweiligen Zeitpunkten gegenüber dem als Referenzzeitpunkt ausgewählten Zeitpunkt (t₀).
Danach erfolgt in Schritt S6 eine bewegungskompensierte 3-D-Rekonstruktion, was auch als bewegungskompensierte Computertomographie bezeichnet wird. Dazu wird für den Zeitpunkt t₀ ein dreidimensionaler Volumendatensatz aus allen Eingangsbildern mittels Computertomographie berechnet. Hierbei werden bei der Verrechnung jedes einzelnen Projektionsbilds, das zum Zeitpunkt t_i aufgenommen wurde, die in Schritt S5 berechneten Bewegungsvektorfelder M(t_i) zum Zeitpunkt t_i so eingerechnet, dass der zum Zeitpunkt t₀ herrschende Objektzustand wiederhergestellt wird. 6 veranschaulicht für die zentrale Schicht des 3-D-Volumens und ein zum Zeitpunkt t_i aufgenommenes Bild, wie eine durch die Bewegung des Herzens verursachte Deformation durch Anwendung der Verschiebungsvektorfelder M(t_i) während der Rückprojektion eines an einem Element 5a eines Detektors 5 beobachteten Linienintegrals kompensiert wird. Dabei bezeichnen die Pfeile exemplarisch einzelne Vektoren aus einem Verschiebungsvektorfeld M(t_i), die eine scheinbar verzerrte, gekrümmte „Betrachtungslinie” des Röntgenstrahls wieder auf eine gerade zurückkorrigieren.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wurde der Referenzzeitpunkt t₀ als der Anfang der Aufnahme gewählt. Selbstverständlich kann auch jeder beliebige andere Zeitpunkt t_i als Referenzzeitpunkt gewählt werden. Entscheidend hierbei ist, dass im Endergebnis ein möglichst gutes Bild des Herzens mit den es umgebenden Gefäßen und gegebenenfalls der außerdem interessierenden Weichteile in der Nähe des Herzens erzeugt wird. Hierbei ist festzuhalten, dass beispielsweise eine andere Wahl des Referenzzeitpunkts oder eine erneute Computertomographie mit den gleichen Bildern eines einzigen Rotationslaufs ausgeführt werden kann. Mit anderen Worten erfolgen derartige Änderungen oder zusätzliche Maßnahmen retrospektiv und nicht nach der Durchführung eines neuen Rotationslaufs.
Es bleibt festzuhalten, dass das erfindungsgemäße Verfahren neben der Herzbildgebung auch auf beliebige andere bewegte Objekte anwendbar ist, welche diskrete, charakteristische Strukturen aufweisen, die sich in den Projektionsbildern eindeutig identifizieren lassen und somit die Bestimmung der Lage in dreidimensionaler Darstellung aus zwei aufeinander senkrecht oder nahezu senkrecht stehenden Projektionen ermöglichen. Außerdem können beispielsweise für die Rekonstruktion des Herzens durch Anbringen von Markern – die aus gegen Röntgenstrahlung opaken Teilen einer bestimmten Form wie z. B. Kreuzen bestehen, wobei üblicherweise 10 bis 20 solcher Marker verwendet werden – am Brustkorb zusätzliche Stützpunkte für die Bestimmung der dreidimensionalen Bewegungsvektorfelder berechnet werden. Diese zusätzlichen räumlichen Stützpunkte sind insbesondere für die Extrapolation in Bereichen außerhalb des Herzens, aber auch für die Interpolation in Bereichen, die sonst nicht optimal dargestellt werden können, bestimmt. Dadurch wird insgesamt eine noch zuverlässigere Re konstruktion auch in den Bereichen ermöglicht, die weiter entfernt von den Blutgefäßen liegen.
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Bildgebungsanlage in Verbindung mit dem entsprechenden Computerprogramm und dem Datenträger zu dessen Speicherung sind:

– Es können C-Bogen-Anlagen verwendet werden, die aufgrund der bekannten mechanischen Einschränkungen nur eine vergleichsweise niedrige Winkelgeschwindigkeit besitzen, jedoch während einer Intervention oder einer Operation am Herzen eingesetzt werden können.
– Die für die Bildaufnahme benötigte Gesamtzeit kann minimiert werden, wodurch eine Reduktion der Strahlung und der Menge des zu verabreichenden Kontrastmittels ermöglicht wird. Wenn sich beispielsweise beide C-Bögen synchron mit der gleichen Geschwindigkeit drehen wie ein einzelner C-Bogen für eine herkömmliche Rotationsangiographie, wird die Bildaufnahmezeit deutlich verringert. Wenn beispielsweise bei einem herkömmlichen Verfahren vier Rotationsläufe mit einem Monoplan-C-Bogen-Gerät erforderlich sind, ist eine Reduzierung um einen Faktor bis zu 8 möglich.
– Da mit den aufgenommenen Projektionsbildern nicht nur eine symbolische Rekonstruktion ausgeführt werden kann, sondern zusätzlich auch eine „normale” Computertomographie durchgeführt werden kann, können nicht nur diskrete Strukturen wie Blutgefäße dargestellt werden, sondern gleichzeitig auch Weichteile in der Umgebung dieser diskreten Strukturen abgebildet werden.
– Damit das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist, muss die Bewegung des Untersuchungsobjekts nicht periodisch sein. Dadurch können auch sich gegenseitig überlagernde Bewegungen wie z. B. Atmung und Herzschlag berücksichtigt werden. Auch Unregelmäßigkeiten der Periodizität, wie es z. B. Arrhythmien darstellen, bereiten somit keine Probleme. Darüber hinaus werden beliebige einmalige oder auch nicht-periodische Bewegungen wie Schlucken, Peristaltik, etc. kompensiert.

Es ist festzuhalten, dass die unter Bezug auf die dargestellte Ausführungsform beschriebenen Merkmale der Erfindung, wie beispielsweise die genaue Reihenfolge und der Ablauf einzelner Schritte, die Bemessung der verschiedenen Winkel und die Art der für die Auswertung verwendeten Bilder, auch bei anderen Ausführungsformen vorhanden sein können, außer wenn es anders angegeben ist oder sich aus technischen Gründen von selbst verbietet.

Claims

Betriebsverfahren für eine verschwenkbare Polyplan-Bildgebungsanlage (1), die eine erste und eine zweite unter einem Versatzwinkel γ relativ zueinander angeordnete, mit einem Fächerwinkel β aufnehmende, Bildgebungsebene (A, B) umfasst, zur Abbildung eines sich bewegenden Untersuchungsobjekts, umfassend folgende Schritte: – in einem ersten Schritt (S1) Aufnehmen von ersten Projektionsbildern (P₁(t_i)) und zweiten Projektionsbildern (P₂(t_i)) in verschiedenen Winkellagen zu jeweiligen Zeitpunkten (t₁ = (t₀, t₁, t₂, ..., t_n)) unter Verschwenken der Bildgebungsebenen (A, B) um einen Winkel derart, dass die beiden Bildgebungsebenen (A, B) zusammen einen Winkel von insgesamt mindestens 180° + β überstreichen, – in einem zweiten Schritt (S2) Erfassen charakteristischer Strukturen (R(t_i)) in den ersten Projektionsbildern (P₁(t_i)) und den zweiten Projektionsbildern (P₂(t_i)), – in einem dritten Schritt (S3) Segmentieren der charakteristischen Strukturen (R(t_i)) in den ersten Projektionsbildern (P₁(t_i)) und den zweiten Projektionsbildern (P₂(t_i)) durch vektorielle Darstellung der charakteristischen Strukturen (R(t_i)), – in einem vierten Schritt (S4) Triangulieren der charakteristischen Strukturen (R(t_i)) in den ersten Projektionsbildern (P₁(t_i)) und den zweiten Projektionsbildern (P₂(t_i)) zur Gewinnung einer dreidimensionalen Darstellung der charakteristischen Strukturen (R(t_i)), – in einem fünften Schritt (S5) Ermitteln von dreidimensionalen Verschiebungsvektorfeldern (M(t_i)), die jeweils die Verschiebung der dreidimensionalen Darstellung der zu den Zeitpunkten (t_i) aufgenommenen charakteristischen Strukturen (R(t_i)) relativ zu einem Referenzzeitpunkt (t₀) angeben, und – in einem sechsten Schritt (S6) dreidimensionale Rekonstruktion unter Verwendung der dreidimensionalen Verschiebungsvektorfelder (M(t_i)) zur Darstellung des Zustands des Untersuchungsobjekts zum Referenzzeitpunkt (t₀).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatzwinkel γ 70° bis 110° vorzugsweise, 80° bis 100°, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristischen Strukturen (R(t_i)) Gefäße und/oder deren Mittellinien sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersuchungsobjekt das Herz ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Marker zur Berechnung zusätzlicher Stützpunkte für das Ermitteln der dreidimensionalen Verschiebungsvektorfelder (M(t_i)) in der Nähe des Untersuchungsobjekts angebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bildgebungsanlage ein, vorzugsweise medizinisches, Röntgensystem, insbesondere ein C-Bogen-Angiographiesystem, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass synchronisiert mit dem Beginn des ersten Schrittes (S1) ein Kontrastmittel, vorzugsweise automatisch, injiziert wird.
Computerprogrammprodukt (19) für ein Steuer- und Auswertesystem (14) einer Polyplan-Bildgebungsanlage (1) zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Datenträger (18) mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt (19) gemäß Anspruch 8.
Verschwenkbare Polyplan-Bildgebungsanlage (1) zur Abbildung eines sich bewegenden Untersuchungsobjekts, umfassend: – eine erste und eine zweite unter einem Versatzwinkel γ relativ zueinander angeordnete, mit einem Fächerwinkel β aufnehmende, Bildgebungsebene (A, B), wobei in jeder Bildgebungsebene (A, B) ein Strahler (4, 4') und ein Detektor (5, 5') vorgesehen ist, die in Gegenüberstellung bezüglich ihrer Schwenkachse und des Untersuchungsobjekts angeordnet sind und dem Aufnehmen von ersten Projektionsbildern (P₁(t_i)) und zweiten Projektionsbildern (P₂(t_i)) in verschiedenen Winkellagen zu jeweiligen Zeitpunkten (t_i = (t₀, t₁, t₂, ..., t_n)) unter Verschwenken der Bildgebungsebenen (A, B) um einen Winkel derart, dass die beiden Bildgebungsebenen (A, B) zusammen einen Winkel von insgesamt mindestens 180° + β überstreichen, dienen, und – ein Steuer- und Auswertesystem (14) zur Steuerung der Polyplan-Bildgebungsanlage (1) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.