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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich ein tomographisches Bildgebungsverfahren,
und insbesondere auf ein CT- oder MR-Verfahren, zur wiederholten
Erzeugung von diagnostischen Schichtbildern eines Körperteils
eines Patienten, mit den folgenden Verfahrensschritten:
- a) Aufnahme von aktuellen Referenz-Schichtbildern des Körperteils,
- b) Bestimmung einer geometrischen Transformation, durch welche
die aktuellen Referenz-Schichtbilder mit früheren Referenz-Schichtbildern
des Körperteils
in Übereinstimmung
gebracht werden,
- c) Berechnung von aktuellen Bildgebungsparametern, indem frühere Bildgebungsparameter
gemäß der in
Schritt b) bestimmten geometrischen Transformation transformiert
werden,
- d) Erzeugung eines aktuellen diagnostischen Schichtbildes, wobei
die räumliche
Lage und Orientierung der Bildebene des diagnostischen Schichtbildes
durch die in Schritt c) berechneten aktuellen Bildgebungsparameter
bestimmt wird.
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Ferner
bezieht sich die Erfindung auf ein Computerprogramm sowie auf ein
tomographisches Bildgebungsgerät
mit Bildaufnahme-Mitteln zur Durchführung des Verfahrens.
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Tomographische
Bildgebungsverfahren, und insbesondere CT- und MR-Verfahren, haben
sich als leistungsfähige
Instrumentarien in der modernen medizinischen Diagnostik erwiesen.
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Um
pathologische Befunde, beispielsweise bei fortschreitenden Tumor-Erkrankungen, über einen
längeren
Zeitraum untersuchen zu können,
ist es erforderlich, diagnostische Schichtbilder eines Körperteils
eines Patienten zu unterschiedlichen Zeiten wiederholt aufzunehmen.
Aufgrund der unterschiedlichen Kontrasteigenschaften verschiedener
bildgebender Untersuchungsmethoden ergeben sich diagnostische Vorteile
auch aus Schichtbildern eines Untersuchungsobjektes, die mit unterschiedlichen
Modalitäten
aufgenommen werden.
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Bei
der wiederholten Aufnahme von diagnostischen Schichtbildern ist
es entscheidend, dass die zu unterschiedlichen Zeiten bzw. mit unterschiedlichen
Modalitäten
aufgenommenen Schichtbilder in ihrer räumlichen Lage und Orientierung
in Bezug auf das untersuchte Körperteil
des Patienten so gut wie möglich übereinstimmen,
damit beispielsweise der Fortschritt der Erkrankung präzise beobachtet
werden kann. Zu diesem Zweck ist es üblich, vor der Aufnahme des
eigentlichen diagnostischen Schichtbildes Referenz-Schichtbilder des
Körperteils
aufzunehmen. Mittels Berechnung einer geometrischen Transformation
gelingt es, dass ein neu aufgenommenes aktuelles Referenz-Schichtbild
mit früheren Referenz-Schichtbildern
kongruiert. Bei dem hierzu erforderlichen Verfahren handelt es sich
um ein Optimierungsverfahren, bei welchem die Bilddatensätze der
zeitversetzt aufgenommenen Referenz-Schichtbilder in Übereinstimmung
gebracht werden. Aus der berechneten geometrischen Transformation
werden Transformationsparameter gewonnen, welche der Berechnung
von aktuellen Bildgebungsparametern zugrunde gelegt werden. Für diagnostische
Schichtbildaufnahmen werden die berechneten aktuellen Bildgebungsparameter
sodann benutzt, um reproduzierbar die Bildebenen der diagnostischen
Schichtbilder festzulegen (vgl. z. B. J. M. Fitzpatrick, D. L. Hill, und
C. R. Maurer, Jr.: „Chapter
8: Image Registration" in
M. Sonka and J. M. Fitzpatrick (Hrsg.) „Handbook of Medical Imaging
Volume 2: Medical Image Processing and Analysis", Seiten 447–513, SPIE Press, Bellingham
WA, 2000; J. B. Maintz und M. A. Viergever: „A Survey of Medical Image
Registration", Medical Image
Analysis, Band 2(1), Seiten 1–36,
1998).
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Nachteilig
ist bei den bekannten Verfahren, dass die Genauigkeit bei der Berechnung
der Bildgebungsparameter oft ungenügend ist. Insbesondere hängt nämlich die
Genauigkeit bei der Bestimmung der geometrischen Transformation
stark von der Vorgabe der Bildebenen der Referenz-Schichtbilder
ab, weil die Bildauflösung
innerhalb der vorgegebenen Bildebene in der Regel wesentlich größer ist
als senkrecht dazu. Aus Gründen
der für
die Aufnahme der Referenz-Schichtbilder benötigten Zeit besteht nachteiligerweise
nicht die Möglichkeit,
im Rahmen der Referenz-Bildaufnahme Bilddaten mit einer ausreichenden
Auflösung
in allen Raumrichtungen aufzunehmen. Hierzu wäre eine hochauflösende Volumenbildgebung
nötig,
was praktisch nicht durchführbar
ist.
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Davon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabenstellung
zugrunde, ein verbessertes tomographisches Bildgebungsverfahren
bereit zu stellen, welches eine präzise Berechnung der für die Aufnahme
des diagnostischen Schichtbildes benötigten Bildgebungsparameter
gestattet und welches mit einer minimalen Bildaufnahmezeit für die Aufnahme
der Referenz-Schichtbilder auskommt.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabenstellung durch ein tomographisches Bildgebungsverfahren
der eingangs genannten Art gelöst,
bei dem im Verfahrenschritt a) wenigstens zwei aktuelle Referenz-Schichtbilder
aufgenommen werden, deren Bildebenen derart vorgegeben werden, dass
deren relative räumliche
Lage und Orientierung in den drei Raumrichtungen mit der relativen
räumlichen
Lage und Orientierung der früheren
Referenz-Schichtbilder in den drei Raumrichtungen übereinstimmt,
und dass in Schritt b) die geometrische Transformation derart bestimmt
wird, dass dadurch gleichzeitig alle aktuellen Referenz-Schichtbilder
mit den korrespondierenden früheren
Referenz-Schichtbildern in Übereinstimmung
gebracht werden.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es vorteilhaft ist,
wenn zur Berechnung der Bildgebungsparameter gleichzeitig Bilddatensätze aus mehreren
aktuellen und früheren
Referenz-Schichtbildern, bei denen die relativen räumlichen
Lagen und Orientierungen der Bildebenen in den drei Raumrichtungen
fest vorgegeben und immer gleich sind, mittels einer einzigen geometrischen
Transformation in Übereinstimmung
gebracht werden. Dadurch dass ein Satz aus mehreren Referenz-Schichtbildern,
deren Bildebenen nach Möglichkeit
unterschiedlich orientiert sind, zur Bestimmung der geometrischen
Transformation herangezogen wird, erhöht sich die dabei in unterschiedlichen
Raumrichtungen effektiv zur Verfügung
stehende Bildauflösung,
ohne dass es aber erforderlich ist, eine zeitraubende hochauflösende Volumenbildgebung
für die Aufnahme
der Referenz-Schichtbilder
durchzuführen.
Insgesamt vergrößert sich
gemäß der Erfindung der
mit den Referenz-Schichtbildern abgedeckte Untersuchungsbereich
(FOV, Field of View) gegenüber den
aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, was sich positiv
auf die Genauigkeit und insbesondere auch auf die Eindeutigkeit
bei der Detektion von Rotationen und Translationen des untersuchten Körperteils
auswirkt. Es können
gemäß der Erfindung
in kurzer Zeit mehrere Referenz-Schichtbilder aufgenommen werden,
deren jeweilige Auflösung vergleichsweise
niedrig sein kann. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht,
dass eine geringe Bildauflösung
eines Referenz-Schichtbildes in einer Raumrichtung durch eine entsprechend
höhere Bildauflösung eines
anderen Referenz-Schichtbildes in dieser Raumrichtung kompensiert
wird.
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Bei
dem Verfahren gemäß der Erfindung kann
im Verfahrensschritt b) die geometrische Transformation beispielsweise
bestimmt werden, indem in den aktuellen Referenz-Schichtbildern
Referenzpunkte identifiziert werden, welche mit entsprechenden Referenzpunkten
in den früheren
Referenz-Schichtbildern übereinstimmen.
Durch das Auffin den von übereinstimmenden
Referenzpunkten werden Bildbereiche definiert, in deren Zentrum
sich jeweils die Referenzpunkte befinden. Die geometrische Transformation
ergibt sich dann daraus, dass die Koordinaten der Referenzpunkte
in den früheren Referenz-Schichtbildern in
die Koordinaten der in den aktuellen Referenz-Schichtbildern identifizierten Referenzpunkte überführt werden.
Bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens können die
ineinander zu überführenden
Referenzpunkte beispielsweise von einem Benutzer manuell identifiziert werden,
indem der Benutzer die früheren
und die aktuellen Referenz-Schichtbilder, welche hierzu auf einem
geeigneten Ausgabegerät
angezeigt werden, miteinander vergleicht und dabei interaktiv die
entsprechenden Punkte in den Referenz-Schichtbildern auswählt.
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Es
erweist sich bei dem Verfahren gemäß der Erfindung als vorteilhaft,
wenn es sich bei der im Verfahrensschritt b) bestimmten geometrischen Transformation
um eine starre oder um eine affine Transformation handelt, welche
durch einen entsprechenden Transformations-Parametersatz beschrieben
wird. Starre Transformationen als Spezialfall der affinen Transformationen
beschreiben Drehungen und Verschiebungen, d. h. Rotationen und Translationen,
wohingegen affine Transformationen Punkte auf Punkte, Geraden auf
Geraden und Ebenen auf Ebenen abbilden, wobei Parallelität und Streckenverhältnisse
erhalten bleiben. Durch die starren Transformationen können demnach
beispielsweise Verschiebungen des Kopfes eines zu untersuchenden Patienten
bei einer wiederholten Aufnahme eines diagnostischen Schichtbildes
erfasst werden.
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Gemäß einer
zu dem oben beschriebenen manuellen Vorgehen bei der Bestimmung
der geometrischen Transformation alternativen oder auch ergänzenden
Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann der Transformations-Parametersatz automatisch bestimmt werden,
indem ein die Ähnlichkeit der
aktuellen mit den korrespondierenden früheren Referenz-Schichtbildern
wiedergebendes Ähnlichkeitsmaß mittels
eines geeigneten Algorithmus optimiert wird. Damit der Transformations-Parametersatz,
durch welchen die Referenz-Schichtbilder in Übereinstimmung gebracht werden,
automatisch bestimmt werden kann, ist es erforderlich, dass die Ähnlichkeit
der geometrisch transformierten aktuellen Referenz-Schichtbilder
mit den korrespondierenden früheren
Referenz-Schichtbildern quantifizierbar ist. Hierzu eignen sich
bekannte Ähnlichkeitsmaße, wie z.
B. die Summe der Abweichungsquadrate der Bildpunkt-Grauwerte (SSD – „Sum of
Squares of Differences")
oder der Korrelationskoeffizient (CC – „Correlation Coefficient") oder auch informationstheoretische Ähnlichkeitsmaße (z. B.
MI – „Mutual
Information"). Als
Optimierungsalgo rithmen kommen herkömmliche Algorithmen, wie z.
B. der Gauß-Newton- oder
der Downhill-Simplex-Algorithmus, in Frage.
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Vorzugsweise
werden im Verfahrensschritt a) jeweils mehrere parallele Referenz-Schichtbilder in
Kopf-Fuß-,
Anteriori-Posteriori- und Rechts-Links-Richtung aufgenommen, wobei
die Bildauflösung
innerhalb der Bildebenen höher
gewählt
wird als senkrecht dazu. Gemäß der Erfindung kann
demnach eine geringe Bildauflösung
beispielsweise in der Kopf-Fuß-Richtung
durch hohe Bildauflösungen
in den anderen genannten Richtungen kompensiert werden. Vorteilhaft
ist, dass dadurch nur vergleichsweise kurze Bildaufnahmezeiten für die Aufnahme
der Referenz-Schichtbilder erforderlich sind.
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Für die Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
beispielsweise auf einem an ein tomographisches Bildgebungsgerät angeschlossenen Computer,
eignet sich ein Computerprogramm gemäß Anspruch 5. Die hierfür benötigte Software
kann den Benutzern von tomographischen Bildgebungsgeräten vorteilhafterweise
auf einem geeigneten Datenträger,
wie einer Diskette oder einer CD-ROM, oder zum Herunterladen über ein
Datennetz (Internet) zur Verfügung
gestellt werden.
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Ein
tomographisches Bildgebungsgerät
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist Gegenstand von Anspruch 6, wonach ein Computer programmtechnisch
derart eingerichtet ist, dass die Aufnahme der diagnostischen Schichtbilder
gemäß dem oben
beschriebenen Verfahren erfolgt.
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Diese
und andere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend
beschriebenen Ausführungsformen
und werden unter Bezugnahme darauf erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen tomographischen Bildgebungsverfahrens;
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2 eine
Ansicht von Referenz-Schichtbildern des erfindungsgemäßen tomographischen
Bildgebungsverfahrens.
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1 zeigt
schematisch die Aufnahme eines aktuellen Referenz-Schichtbildes 1 eines
Körperteils eines
Patienten, welches insbesondere in MR- oder CT-Bildgebungsverfahren erzeugt wird. Zur
Bestimmung einer geometrischen Transformation 2 wird ein früheres Referenz-Schichtbild 3 mit
dem aktuellen Referenz-Schichtbild 1 in Übereinstimmung
gebracht. Aus einem Transformations-Parametersatz 4 der
geometrischen Transformation 2 werden nun aktuelle Bildgebungsparameter 5 berechnet,
welche sodann zur Festlegung der Lage und der Orientierung der Bildebene
eines diagnostischen Schichtbildes 6 verwendet werden.
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Auf
diese Weise ist gewährleistet,
dass zu unterschiedlichen Zeiten bzw. mit unterschiedlichen Modalitäten aufgenommene
diagnostische Schichtbilder in ihrer räumlichen Lage und Orientierung
in Bezug auf den untersuchten Körperteil
möglichst übereinstimmen.
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Gemäß der Erfindung
werden wenigstens zwei aktuelle Referenz-Schichtbilder 1, 1' aufgenommen.
Die durch den Pfeil 7 symbolisierte relative räumliche
Lage und Orientierung der Referenz-Schichtbilder 1 und 1' stimmt dabei
mit der relativen räumlichen
Lage und Orientierung 8 der entsprechenden früheren Referenzschichtbilder 3, 3' überein.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die geometrische
Transformation 2 derart bestimmt, dass dadurch gleichzeitig beide
aktuelle Referenz-Schichtbilder 1, 1' mit den korrespondierenden
früheren
Referenz-Schichtbildern 3, 3' in Übereinstimmung gebracht werden.
Der Transformations-Parametersatz 4 wird dabei automatisch
bestimmt, indem ein die Ähnlichkeit
der aktuellen Referenz-Schichtbilder 1 und 1' mit den dazu korrespondierenden
früheren
Referenz-Schichtbildern 3 und 3' wiedergebendes Ähnlichkeitsmaß mittels
eines geeigneten Algorithmus optimiert wird. Auf dieser Grundlage
werden dann die aktuellen Bildgebungsparameter 5 berechnet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann mit Hilfe eines tomographischen Bildgebungsgerätes 9 erfolgen,
welches Bildaufnahme-Mittel 10 aufweist. Die Bildaufnahme-Mittel 10 nehmen
die Referenz-Schichtbilder 1, 1', 3 und 3' sowie das diagnostische
Schichtbild 6 auf, wobei ein zum tomographischen Bildgebungsgerät gehörender Computer 11 die
Bildaufnahme-Mittel 10 ansteuert und die Bildgebungsparameter 5 nach
dem oben beschriebenen Verfahren automatisch berechnet.
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2 zeigt,
dass dem Benutzer eines tomographischen Bildgebungsgerätes bei
der Aufnahme von Referenz-Schichtbildern beispielsweise die Kopf-Fuß- (FH),
Anteriori-Posteriori- (AP) und die Rechts-Links-Richtung (RL) zur
Verfügung
stehen, deren räumliche
Lagen und Orientierungen 12, 13 unterschiedlich
sind, wobei innerhalb einer der genannten Richtung mehrere parallele
Referenz-Schichtbilder 14, 15, 16 (sog. „stacks") aufgenommen werden
können.
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Aktuelle
und frühere „stacks" von Referenz-Schichtbildern
können
gemäß dem oben
beschriebenen Verfahren zur Berechnung von aktuellen Bildgebungsparametern
herangezogen werden.