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Dokumentenidentifikation DE102004057308A1 13.07.2006
Titel Angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung zur Rotationsangiographie
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Brunner, Thomas, Dr., 90427 Nürnberg, DE;
Klingenbeck-Regn, Klaus, Dr., 90429 Nürnberg, DE;
Maschke, Michael, 91475 Lonnerstadt, DE;
Nöttling, Alois, 91278 Pottenstein, DE;
Rührnschopf, Ernst-Peter, 91056 Erlangen, DE;
Scholz, Bernhard, Dr., 91336 Heroldsbach, DE;
Schreiber, Bernd, Dr., 91336 Heroldsbach, DE;
Strobel, Norbert Karl, Dr., Palo Alto, Calif., US;
Wiesent, Karl, 91052 Erlangen, DE;
Zellerhoff, Michael, Dr., 91052 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 26.11.2004
DE-Aktenzeichen 102004057308
Offenlegungstag 13.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.07.2006
IPC-Hauptklasse A61B 6/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse A61B 6/03(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung zur Rotationsangiographie
- mit einem um einen auf einem Patientenlagerungstisch (9) befindlichen Patienten (10) auf einer Kreisbahn bewegbaren Röntgenstrahler (3),
- mit einer auf der Kreisbahn dem Röntgenstrahler (3) gegenüberliegenden bewegbaren Bilddetektoreinheit (4),
- mit einem digitalen Bildsystem (6, 14) zur Aufnahme einer Vielzahl von Projektionsbildern durch Rotationsangiographie,
- mit einer Vorrichtung (20) zur Bildverarbeitung, durch die die Projektionsbilder zu einem 3-D-Volumenbild rekonstruiert werden, und
- mit einer Vorrichtung (19, 21, 22) zur Korrektur physikalischer Effekte und/oder Unzulänglichkeiten im Aufnahmesystem wie Truncation-Korrektur, Streustrahlungs-Korrektur, Überstrahlungs-Korrektur, Ringartefakt-Korrektur, Korrektur der Strahlaufhärtung und/oder des Low Frequency Drop zur Weichteildarstellung von Projektionsbildern und den daraus rekonstruierten 3-D-Volumenbildern.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung zur Rotationsangiographie mit einem um einen auf einem Patientenlagerungstisch befindlichen Patienten auf einer Kreisbahn bewegbaren Röntgenstrahler, mit einer auf der Kreisbahn dem Röntgenstrahler gegenüberliegenden bewegbaren Bilddetektoreinheit, mit einem digitalen Bildsystem zur Aufnahme einer Vielzahl von Projektionsbildern durch Rotationsangiographie und mit einer Vorrichtung zur Bildverarbeitung, durch die die Projektionsbilder zu einem 3D-Volumenbild rekonstruiert werden.

Eine der häufigsten Erkrankungen in der Welt sind Gefäßerkrankungen, wie beispielsweise der Schlaganfall („Stroke"), das Aneurysma oder das abdominelle Aortenaneurysma (AAA). Bei diesen Erkrankungen sind eine schnelle und sichere Diagnose und eine sofort eingeleitete Therapie von besonderer Bedeutung für den Genesungsprozess.

Die Diagnose derartiger Erkrankungen wird durch bildgebende Verfahren unterstützt. Dabei wird in erster Linie eine CT-Untersuchung durchgeführt, um das genaue Ausmaß der Blutung oder des nicht mehr durchbluteten Teils des Gehirns zu festzustellen. Bei einem Aneurysma oder der AAA wird ermittelt, welche Dimension und Form die Gefäßdeformation hat. Der Computertomograph liefert gute diagnostische Bilder dieser interessierenden Weichteilgewebe, aber CT-Geräte erlauben wegen der schlechten Zugänglichkeit zum Patienten keine Therapie. Daher wird die Therapie in der Regel immer mit Unterstützung eines angiographischen C-Bogen-Röntgensystems durchgeführt. Die bisher bekannten angiographischen Röntgensysteme bieten keine optimale Weichteilauflösung und erlauben deswegen beispielsweise nicht Gehirnblutungen zu sehen.

Dies führt dazu, dass der Patient nach der CT-Untersuchung in einen Raum verlegt werden muss, in welchem die angiographische Röntgenuntersuchung durchgeführt werden kann. Dadurch geht wertvolle Zeit für die Behandlung des Patienten verloren. Eine Verbesserung bieten Konzepte, bei denen der Computertomograph und das angiographische Röntgengerät in einem gemeinsamen Raum untergebracht sind. Diese Lösung hat den Nachteil, dass der Patient immer noch umgelagert werden muss und zwei relativ teure Geräte für nur eine Behandlung genutzt werden können.

Erste Methoden und Vorrichtungen für angiographische 3D-Aufnahmen mit Hilfe eines C-Bogen-Röntgengeräts sind bekannt. So können beispielsweise 3D-Aufnahmen von einem Schädel und den Gefäßen mit einer Röntgendiagnostikeinrichtung mit Workstation erstellt werden. Aus der DE 102 41 184 A1 ist ein derartiges Verfahren zur Erzeugung eines Volumendatensatzes bekannt. Weitere Beispiele für C-Bogen-Röntgengeräte, die 3D-Aufnahmen liefern, sind in der Electromedica 1/02 „Initial Clinical Experiences with the SIREMOBIL Iso-C3D" von Euler et al. auf den Seiten 48 bis 51, in DE 100 47 364 A1, DE 199 50 793 B4 und DE 103 06 068 A1 beschrieben. Mobile Vorrichtungen bringen in der Regel keine ausreichende Röntgenstrahlleistung auf und sind daher nur eingeschränkt geeignet. Aus DE 195 09 007 C2 ist ein C-Bogen-Röntgendiagnostikgerät zum Erstellen von Schichtaufnahmen bekannt. Allen bekannten C-Bogen-Lösungen fehlt jedoch eine optimale Darstellung von feinem Weichteilgewebe („Softtissue").

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung zur Rotationsangiographie der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass die Vorzüge der angiographischen Röntgenanlage mit der diagnostischen Möglichkeit von verbesserter Weichteil-Darstellung kombiniert werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zur Korrektur physikalischer Effekte und/oder Unzulänglichkeiten im Aufnahmesystem zur Weichteildarstellung von Projektionsbildern und den daraus rekonstruierten 3D-Volumenbildern gelöst. Eine derartige angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung zur Rotationsangiographie ermöglicht aufgrund der durchgeführten Korrekturen noch eine Visualisierung von Objekten mit einer Differenz von 10 Houndsfield Units (HU) und einer Größe von 10 mm. Die Vorrichtung zur Korrektur kann dabei ein getrennter Korrekturprozessor oder ein Softwaremodul in einem vorhandenen Korrekturprozessor oder in dem Bildsystem der Röntgendiagnostikeinrichtung sein.

Das durch die erfindungsgemäße Vorrichtung durchgeführte Verfahren ist ähnlich den für CT-Systeme bekannten Verfahren; aber bei den CT-Systemen rotieren Röntgenstrahler und Röntgendetektor in einer geschlossenen ringförmigen Gantry. Die Verwendung eines offenen C-Bogens erfordert zusätzliche Bildprozessoren und spezielle Anpassungen und Erweiterungen der bekannten Bildprozessoren.

Eine erfindungsgemäße Korrektur kann aus der Gruppe von Truncation-Korrektur, Streustrahlungs-Korrektur, Überstrahlungs-Korrektur, Ringartefakt-Korrektur, Korrektur der Strahlaufhärtung und des Low Frequency Drop bewirkt werden.

Erfindungsgemäß kann die Vorrichtung zur Korrektur einen getrennten Korrekturprozessor aufweisen.

In vorteilhafter Weise kann die Vorrichtung zur Korrektur derart ausgebildet sein, dass sie eine Kalibrierung des Aufnahmesystems, beispielsweise eine Geometrie-, Entzerrungs-, Intensitäts- und/oder Gain-Kalibration bewirken.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Vorrichtung zur Korrektur derart ausgebildet ist, dass sie eine Korrektur von Bewegungen des Patienten und/oder von Organbewegungen des Patienten bewirken.

Erfindungsgemäß können der Röntgenstrahler und die Bilddetektoreinheit an den jeweiligen Enden eines C-Bogens angeordnet sein. Alternativ kann der C-Bogen am Boden und/oder an der Decke montiert sein oder es kann ein mobiler C-Bogen verwendet werden.

In vorteilhafter Weise kann der Röntgenbilddetektor ein flacher, rechteckiger oder quadratischer Halbleiterdetektor, beispielsweise ein Flachdetektor (FD), vorzugsweise aus aSi, sein.

Auch lassen sich zwei Röntgenstrahler-Bilddetektoreinheiten vorsehen, die eine Zweiebenenanlage bilden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Röntgendiagnostikeinrichtung und

2 einen Untersuchungsablauf mit der Röntgendiagnostikeinrichtung gemäß 1.

In der 1 ist eine Röntgendiagnostikeinrichtung gezeigt, die einen an einem Ständer 1 drehbar gelagerten C-Bogen 2 aufweist, an dessen Enden ein Röntgenstrahler 3 und ein Röntgenbilddetektor 4 angebracht sind.

Anstelle des dargestellten Ständers 1 können auch Boden- und/oder Deckenstative Verwendung finden. Der C-Bogen 2 kann auch durch einen so genannten elektronischen C-Bogen 2 ersetzt werden, bei dem eine elektronische Kopplung von Röntgenstrahler 3 und Röntgenbilddetektor 4 erfolgt, die bewirkt, dass z.B. von einer Recheneinheit gesteuert eine kreisförmige Bahn vom Röntgenstrahler 3 und Röntgenbilddetektor 4 durchfahren wird.

Der Röntgenbilddetektor 4 kann ein flacher rechteckiger und/oder quadratischer Halbleiterdetektor sein, der vorzugsweise aus amorphem Silizium (aSi) erstellt ist.

Ein Hochspannungsgenerator 5 ist an einer Systemsteuerung 6 angeschlossen und treibt den Röntgenstrahler 3. Die Systemsteuerung 6 ist weiterhin mit dem Röntgenbilddetektor 4, beispielsweise dem aSi-Flachdetektor, zur synchronen Steuerung des Röntgenstrahlers 3 verbunden, wenn der Röntgenbilddetektor 4 aufnahmebereit ist. Ebenfalls steuert die Systemsteuerung 6 beispielsweise die in dem Ständer 1 untergebrachten Drehmotoren des C-Bogens 2 und erfasst die Rückmeldung der Position des C-Bogens 2.

Die aus dem Röntgenbilddetektor 4 ausgelesenen Bilddaten werden in einer Pre-Processing-Einheit 7 verarbeitet und einem System-Datenbus 8 zur weiteren Verteilung zugeführt. Die Systemsteuerung 6 und die Pre-Processing-Einheit 7 können Teil eines Bildsystems sein. Sie können weiterhin als getrennte Hardware oder Software realisiert sein.

Im Strahlengang des Röntgenstrahlers 3 befindet sich auf einem Patientenlagerungstisch 9 ein Patient 10, der entsprechend seiner Röntgenstrahlentransparenz eine Abschwächung der Röntgenstrahlen bewirkt, die von dem Röntgenbilddetektor 4 erfasst werden.

An dem Patienten 10 sind physiologische Sensoren angebracht, die beispielsweise EKG-Elektroden 11 und/oder Respirations-Sensoren (nicht dargestellt) sein können. Diese EKG-Elektroden 11 sind mit einer physiologischen Signalverarbeitung 12 verbunden. Eine Spannungsversorgungseinheit 13 versorgt die einzelnen Vorrichtungen mit den für sie erforderlichen Spannungen.

Die Bilddaten der durch die Pre-Processing-Einheit 7 verarbeiteten Signale des Röntgenbilddetektors 4 werden einer Bildverarbeitungseinheit 14 für Röntgenbilder zugeführt. Diese ist zum einen über eine 2D-Verarbeitung 15 mit einer 2D-3D-Displayeinheit 16 verbunden. Diese 2D-3D-Displayeinheit 16 bildet mit einer Eingabeeinheit 17 (USER I/O) und einer 3D-Displayansteuerung 18 eine Wiedergabeeinheit.

Zur Anpassung der 3D-Darstellung an Kopfbewegungen des untersuchenden und die 2D-3D-Displayeinheit 16 betrachtenden Arztes kann ein Empfänger 25 für einen Sensor für Kopfbewegungen an der 3D-Displayansteuerung 18 angeschlossen sein.

Die Bildverarbeitungseinheit 14 ist weiterhin mit einer Korrektureinheit 19 für Bildartefakte und Bilder verbunden. Die Ausgangssignale dieser Korrektureinheit 19 werden über eine 3D-Bildrekonstruktion 20 der 2D-3D-Displayeinheit 16 zur dreidimensionalen Wiedergabe zugeführt.

An dem System-Datenbus 8 sind auch eine Kalibrationseinheit 21 und ein Positionssensor-Interface 22 angeschlossen, das mit einem Empfänger 23 für von einem Sensor 24 für Patientenbewegung ausgehende Signale verbunden ist. Der Sensor 24 kann Bewegungen des auf dem Patientenlagerungstisch liegenden Patienten mittels elektromagnetischer Wellen, wie beispielsweise Ultraschall, erkennen und meldet diese beispielsweise über Funkwellen an den Empfänger 23.

An dem System-Datenbus 8 ist zur Kommunikation nach außen ein DICOM-Interface 26 angeschlossen, das über Datenleitungen mit dem HIS 27 Patientendaten und über weitere Datenleitungen 28 mittels des Intranets des Krankenhauses oder über das Internet Bilddaten austauscht. Das DICOM-Interface 26 kann die MPPS-Funktion (Modality Performed Procedure Step) aufweisen.

Weiterhin ist an dem System-Datenbus 8 ein Bilddatenspeicher 29 angeschlossen, der eine Zwischenspeicherung der von der Pre-Processing-Einheit 7 gelieferten Bilddaten bewirkt, damit sie anschließend von der Bildverarbeitungseinheit 14 abgerufen und/oder über das DICOM-Interface 26 weitergeleitet werden können.

Sämtliche Prozessoren können als getrennte Hardware oder Software realisiert und in dem Bildsystem integriert sein.

Es ist also eine angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung vorgesehen, die wenigstens einen drehbar gelagerten C-Bogen 2, an dessen Enden ein Röntgenstrahler 3 mit einer Strahlungsblende und eine Röntgenbilddetektoreinheit 4 angebracht sind, einen Hochspannungsgenerator 5, einen Patientenlagerungstisch 9, Strahler- und Detektorstative 1 und ein digitales Bildsystem 14 aufweist. Zusätzlich werden Bildverarbeitungsprozessoren 20 eingesetzt, welche erlauben, dass durch eine Rotationsangiographie eine Vielzahl von Projektionsbildern aufgenommen wird. Diese Projektionsbilder werden mit Hilfe der Bildverarbeitungsprozessoren 20 zu einem 3D-Volumenbild rekonstruiert.

Erfindungsgemäß sind Bildartefakt- und Korrekturprozessoren 19, 21 und 22 vorgesehen, die eine gute Weichteildarstellung von Projektionsbildern und den daraus rekonstruierten 3D-Volumenbildern erlauben. Gleichzeitig bleiben die bisherigen Vorzüge der angiographischen Röntgendiagnostikeinrichtung, wie gute Detailauflösung und Zugänglichkeit zum Patienten, erhalten.

Der C-Bogen 2 mit Röntgenstrahler 3 und Röntgenbilddetektor 4 bewegen sich dabei vorzugsweise um mindestens einen Winkelbereich von 180°, beispielsweise 180° plus Fächerwinkel, und nehmen in schneller Folge Projektionsbilder aus verschiedenen Projektionen auf. Die Rekonstruktion kann nur aus einem Teilbereich dieser aufgenommenen Daten erfolgen.

Dabei kann die Vorrichtung, bestehend aus C-Bogen 2, Röntgenstrahler 3 und Röntgenbilddetektor 4, boden- oder deckenmontiert sein. Alternativ kann für bestimmte Anwendungen ein mobiler C-Bogen verwendet werden.

Der Röntgenbilddetektor 4 ist vorzugsweise ein aSi-Flachdetektor.

Zur 3D-Rekonstruktion werden durch das C-Bogengerät 2 bis 4 während eines Teilkreisumlaufs zweidimensionale (2D) Kegelstrahlprojektionen eines dreidimensionalen (3D) Objektes aufgenommen. Aus diesem Satz an 2D-Projektionen lässt sich z.B. mit dem Feldkamp-Algorithmus, der in "Practical cone-beam reconstruction," von L. A. Feldkamp, L. C. Davis, and J. W. Kress, in J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 1, No.6, Seiten 612–619, 1984, beschrieben ist, die zugrunde liegende 3D-Objektfunktion berechnen oder abschätzen. Mit diesem Verfahren, das auf dem Prinzip "filtered backprojection" beruht, kann man allerdings höchstens eine Schicht mathematisch exakt berechnen, nämlich diejenige, welche im Orbit des Kreisumlaufs liegt, die Mittenebene. Schichten, die außerhalb der Mittenebene liegen, lassen sich nur approximativ berechnen. Dies rührt daher, dass bei einem Kreisumlauf nicht alle Daten gesammelt werden können, die man benötigt, um Schichten außerhalb der Mittenebene exakt zu berechnen. Trotz dieser Einschränkung bietet der Feldkamp-Algorithmus derzeit einen attraktiven Kompromiss zwischen Rechenaufwand und Ergebnis. Aus mathematischer Sicht genauere Ergebnisse lassen sich mit exakten 3D-Rekonstruktionsverfahren erzielen. Besonders interessant sind dabei effiziente, exakte 3D-Rekonstruktionsverfahren, die ebenfalls auf gefilterter Rückprojektion beruhen, wie sie beispielsweise aus "A general scheme for constructing inversion algorithms for cone beam CT," von A. Katsevich, aus Int. J. Math. Math. Sci. 21, Seiten 1305–1321, 2003, bekannt sind.

Die 3D-Bildrekonstruktion wird beispielsweise mit dem Feldkamp-Algorithmus durchgeführt. Andere Algorithmen für die Rekonstruktion können ebenfalls eingesetzt werden, z.B. die 3D Radon Inversion (Grangeat's Algorithmus), die Defrise-Clack Filtered Back Projection, Fourier Verfahren oder iterative Verfahren, wie sie beispielsweise in „Mathematical Methods in Image Reconstruction", von F. Natterer und F. Wübbeling in Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia 2001, beschrieben ist.

Dabei müssen allerdings zusätzlich die nicht-ideale Fokus- und Detektorbahntrajektorien berücksichtigt werden. Ein Rekonstruktionsverfahren, welches die nicht-ideale C-Bogen-Geometrie und den Teilkreisumlauf mit einbezieht, ist von K. Wiesent et al. in „Enhanced 3-D Reconstruction Algorithm for C-Arm Systems Suitable for Interventional Procedures", IEEE Trans. Med. Imag., Vol. 19, No.5, 2000, beschrieben. Alternativ können andere analytische Kegelstrahlverfahren, algebraische und/oder statistische Rekonstruktionsverfahren verwendet werden.

Die Artefakt- und Korrektur-Prozessoren bestehen aus mehreren Teilprozessoren, die als Hardware, Software oder aus einer Kombination von Hardware und Software bestehen können. Die jeweiligen Prozessoren sind einzeln abschaltbar. Die Reihenfolge, mit der diese Korrekturen durchgeführt werden, ist wählbar und in ihren Parametern konfigurierbar, so dass verschiedene Untersuchungsarten mit unterschiedlichen Parametern abgespeichert und durch Eingabe des Untersuchungsnamens, z.B. „Stroke" aktiviert werden können und die gesamte Röntgenanlage einschließlich der Bildverarbeitung und Bild-/Datenverteilung über das Netzwerk parametriert und voreingestellt wird.

Als Korrektureinheit 19 für Bildartefakte und Bilder kommen folgende Artefakt- und Korrektur-Prozessoren zum Einsatz:

Prozessoren zur Kalibrierung des Aufnahmesystems

Die zu Beginn durchzuführende Kalibrierung des Aufnahmesystems besteht aus mehreren Teilen:

  • 1. Geometrie-Kalibrierung:

    Mit der Geometrie-Kalibrierung wird die Röntgenoptik, d.h. die Position des Röntgen-Fokus sowie die Position und Orientierung des Röntgenbilddetektors 4, für jede Projektion bestimmt. Dies ist wichtig, um Rekonstruktionen mit hoher räumlicher Auflösung und frei von Artefakten erzielen zu können, da ein C-Bogen-Röntgensystem bedingt durch Instabilitäten Abweichungen von der idealen Kreisbahn aufweisen kann.
  • 2. Entzerrung nur für Röntgenbildverstärker, nicht nötig für Flachdetektoren:

    Die Projektionsbilder des Röntgenbildverstärkers weisen Verzerrungen auf, die zum Teil durch das Erdmagnetfeld, zum Teil durch Unzulänglichkeiten der Elektronenoptik entstehen. Diese Verzerrungen werden in einem Korrekturverfahren eliminiert.
  • 3. Intensitäts-Kalibration:

    Mit der Intensitäts-Kalibration wird jedem Grauwert im Projektionsbild eine Intensität I und (nach Bestimmung der Intensität I0 ohne Objekt) ein Linienintegral p = ln (I0/I) zugeordnet. Diese Linienintegrale sind der Input für den jeweiligen Rekonstruktionsalgorithmus.
  • 4. Gain-Kalibration:

    Mithilfe eines so genannten „Flat Field Image" wird eine Gain-Kalibration des Röntgenbilddetektors 4 gemacht. Diese Gain-Kalibration ist wichtig, um Fixed Pattern Noise zu unterdrücken, die Artefakte im rekonstruierten Bild verursacht (z.B. Ring Artefakte). Dazu wird jede gemessene Projektion mit dem „Flat Field Image" korrigiert.

Truncation-Korrektur

Jedes praktische Röntgenaufnahmegerät hat einen Röntgenbilddetektor endlicher Größe. Objekte, deren Projektion die Abmessungen des Röntgenbilddetektors übersteigt, können daher nicht mehr vollständig erfasst werden und es entstehen sog. abgeschnittene Projektionen. Eine exakte Rekonstruktion einer 3D-Objektfunktion aus abgeschnittenen Projektionen ist im Allgemeinen nicht möglich, selbst dann nicht, wenn der zugrunde liegende Algorithmus dies im Prinzip bei vollständig aufgenommenen Projektionen ermöglicht. Extrapolationsverfahren sind bekannt, mit denen man die Qualität eines rekonstruierten 3D-Volumens verbessern kann, wie dies beispielsweise von B. Ohnesorge, T. Flohr, K. Schwarz, J. P. Heiken, and K. T. Bae in "Efficient correction for CT image artifacts caused by objects extending outside the scan field of view," Med Phys, vol. 1, Seiten 39–46, 2000, beschrieben ist. Strebt man genauere Lösungen an, ist man in der Regel auf a-priori-Information angewiesen, z.B. einen CT-Datensatz (siehe K. Ramamurthi, J. L. Prince, "Tomographic Reconstruction for Truncated Cone Beam Data Using Prior CT Information," MICCAI (2), 134–141, 2003).

Streustrahlungs-Korrektur

Im Gegensatz zur Radiographie führt Streustrahlung („Scatter") bei CT-Rekonstruktion nicht nur zu einer Verschlechterung des Signal/Rausch-Verhältnisses, sondern zusätzlich zu objektabhängigen Grauwertverfälschungen, wie „Cupping" sowie Balken- oder Schattenartefakte, die sowohl die quantitative Genauigkeit als auch die Erkennbarkeit von niedrigen Kontrasten stark beeinträchtigen können.

Bei konventionellen CT-Geräten mit Detektorarrays aus einer oder mehreren Zeilen kann die Streustrahlung mittels schlitzförmiger Kollimatoren so weit reduziert werden, dass sie praktisch nicht mehr bildwirksam wird. Bei CT mit Flächendetektor fungiert aber der gesamte durchstrahlte Körperquerschnitt als Streustrahlungsquelle, wobei die Intensität der den Flächendetektor erreichenden Streustrahlung die der ungeschwächten Primärstrahlung sogar überschreiten kann. Durch Verwendung eines Streustrahlenrasters kann der Anteil der Streustrahlung zwar selektiv reduziert werden, ist jedoch immer noch bildwirksam und daher nicht vernachlässigbar (Scatter-Fraction ca. 25 % bei Schädelaufnahmen, bis über 50 % bei Thorax-, Becken- oder Abdomen-Aufnahmen).

Streustrahlungskorrekturverfahren bestehen aus zwei Komponenten, einem Verfahren zur Schätzung der Streustrahlungsverteilung in der Detektorebene und einem Korrekturalgorithmus. Zur Schätzung der Streustrahlung ist beispielsweise von R. Ning, X. Tang, D. L.Conover. in "X-ray scatter suppression algorithm for cone beam volume CT". Proc.SPIE, Vol.4682, 2002, Seiten 774–781, ein Messverfahren mit der bekannten Beamstop-Methode vorgeschlagen worden, das sich unteres Erachtens aber aus Gründen der Handhabbarkeit für den klinischen Workflow kaum empfiehlt. Andere Verfahren basieren auf Rechenmodellen, die sich mit hinreichender Genauigkeit an Messungen und/oder Monte-Carlo-Simulationsrechnungen adaptieren lassen und zu wesentlichen Bildverbesserungen führen. Es gibt Rechenmodelle, die direkt auf Projektionsbildern operieren und beispielsweise aus der US 5,666,391 bekannt sind, oder iterative Verfahren, die auch Informationen aus der Volumenrekonstruktion zu nutzen gestatten in der DE-Patentanmeldung 10 2004 029 009.1 beschrieben sind.

Überstrahlungs-Korrektur

Die Bittiefe der bei C-Bogen-Systemen eingesetzten Röntgenbilddetektoren ist momentan relativ klein gegenüber modernen CT-Detektoren (12 bit für CCD-Kamera und 14 bit für Flachdetektor gegenüber 18 bis 20 bit bei CT-Detektoren). Es kommt deswegen in den Projektionen öfters zu Überstrahlungen, die wiederum zu Artefakten in der Rekonstruktion führen. Diese Überstrahlungs-Artefakte können durch Extrapolation der Projektionswerte unter Vermeidung des Clipping reduziert werden.

Low Frequency Drop

Durch Streulicht im Röntgenbilddetektor kommt es zu einem Untergrund in den Projektionsbildern, der mathematisch einer Faltung mit einer Point Spread Function entspricht. Dieser Untergrund führt zu Artefakten im rekonstruierten Bild (ähnlich wie Streustrahlung) und kann durch eine entsprechende Dekonvolution der Projektionsdaten korrigiert werden.

Ringartefakt-Korrektur

Selbst bei sorgfältiger Kalibrierung des Röntgenbilddetektors 4 beinhalten die Messdaten einzelner Detektorpixel Messfehler und Schwankungen. Diese Fehler führen zu Ringartefakten in den rekonstruierten Bildern. Durch Anwendung geeigneter (radial und zirkular wirkender) Filter ist es möglich, ein Ringbild vom Objektbild zu trennen. Zunächst wird vorzugsweise durch radiale Medianfilterung des Orginalbildes und anschließende Subtraktion die Ringstruktur detektiert. Andere radiale glättende Filterungen können ebenfalls genutzt werden. Durch eine Glättung dieses Bildes in zirkularer Richtung wird der darin enthaltene Rauschanteil eliminiert. Das so erhaltene Ringbild wird abschließend vom Originalbild subtrahiert.

Korrektur der Strahlaufhärtung („Beam Hardening")

Die Aufhärtung der Röntgenstrahlung bei der Durchdringung eines absorbierenden Objektes nach H. Barrett, W. Swindell in Radiological Imaging, Vol.2, Kap. 7, bewirkt, dass in Axialbildern die Bildelemente zur Bildmitte hin mit geringer werdenden Grauwerten rekonstruiert werden. Dieser so genannte Schüsseleffekt verhindert einen homogenen Bildeindruck. Der Schüsseleffekt wird vermieden, wenn die Projektionsdaten auf eine gedachte monoenergetische Röntgenstrahlung umgerechnet werden. Diese Umrechnung erfolgt für Weichteilgewebe in einem prärekonstruktiven und für dichtere Objekte wie beispielsweise Knochen und Metall in einem postrekonstruktiven Schritt mit anschließender zweiter Bildrekonstruktion.

Prozessor zur Bewegungskorrektur von Patientenbewegungen

Diese Lösung kann auf der Berechnung der Bewegung aus den vorhandenen 2D-Aufnahmen basieren oder über einen am Patienten angebrachten Bewegungsdetektor kann die Bewegung ermittelt und zur Bildkorrektur herangezogen werden. Aus der US 6,233,476 und der US 2001/0031919 sind Bewegungsdetektoren zur Kompensation von Patientenbewegungen im Zusammenhang mit der elektromagnetischen Ortung von medizinischen Instrumenten bekannt. Der an den Patienten angebrachte Bewegungsdetektor 24 wird vorzugsweise kabellos, z.B mit „Blue-tooth", realisiert.

Korrektur von Organbewegungen durch das schlagende Herz („ECG-Gating")

Dazu wird das EKG des Patienten aufgezeichnet und der Korrektureinheit des Bildsystems zugeführt. Durch entsprechende Korrekturalgorithmen lassen sich Bewegungsartefakte aus der Bildrekonstruktion herausrechnen.

Prozessor zur Beseitigung von durch Atmung hervorgerufene Bewegungsartefakte

Zur Beseitigung der Atmungsartefakte kann ein Brustband genutzt werden, dass über entsprechende Sensoren die Atemamplitude und die Frequenz ermittelt und in der Bildverarbeitungseinheit Korrekturrechnungen einleitet, welche die Bewegungsartefakte aus den Bildinformationen herausrechnet. Alternativ können die Amplitude und die Frequenz aus der Hüllkurve des EKG-Signals berechnet werden und der Korrektureinheit 19 der Bildverarbeitungseinheit zugeführt werden. Durch entsprechende Berechnungen lassen sich die Bewegungsartefakte aus der Bildrekonstruktion herausrechnen.

Der Untersuchungsablauf mittels der erfindungsgemäßen angiographischen Röntgendiagnostikeinrichtung besteht aus folgenden, in der 2 dargestellten Schritten:

  • a) Eingang:

    Anmelden, Identifizieren und Registrieren des Patienten, entweder manuell oder über eine Datenschnittstelle, z.B. DICOM.
  • b) Positionierung:

    Lagern und Positionieren des Patienten auf dem Untersuchungstisch
  • c) Aufnahme:

    Aufnahme einer Rotationsangiographie von mindestens 180° mit mindestens zwei Projektionsaufnahmen (Eine Erhöhung der Anzahl von Projektionen und des Winkelbereiches verbessert die Bildqualität)
  • d) Korrektur:

    Artefaktkorrektur durch die erfindungsgemäßen Korrekturprozessoren
  • e) 3D-Rekonstruktion:

    Rekonstruktion des 3D-Volumenbildes
  • f) 3D-Darstellung:

    Darstellung des 3D-Volumenbildes auf einem Display oder Projektionsvorrichtung
  • g) Therapie:

    Durchführung der Therapiemaßnahme, vorzugsweise minimalinvasiv
  • h) Therapie erfolgreich?:

    Überprüfen der Therapiemaßnahme durch Wiederholen der Schritte c) bis f)
  • i) Dokumentation:

    Dokumentation der Diagnose und Therapie auf einer integrierten Recheneinheit
  • j) Ausgang:

    Entlassen des Patienten, Versenden und Archivieren der dokumentierten Diagnose und Therapiedaten, vorzugsweise über ein medizinisches Datennetzwerk (z.B. DICOM-MPPS).

Als alternative Ausführung für Anwendungen mit reduzierten Anforderungen an die Auflösung wird vorgeschlagen, dass die Röntgenbilder mit Methoden der Diskreten Tomographie aus wenigen Projektionen erzeugt werden. Insbesondere nachdem ein erster 3D-Bilddatensatz mit hoher Auflösung erzeugt wurde. Ein Verfahren zur Diskreten Tomographie ist beispielsweise in DE 102 24 011 A1 beschrieben. Dies hat den Vorteil, dass der Patient und das klinische Personal lediglich einer geringen Strahlenbelastung ausgesetzt werden.

Diese Aufnahmen können zusätzlich durch die Gabe von Kontrastmittel unterstützt werden. Wahlweise können die Aufnahmen im DSA-Modus oder ohne DSA durchgeführt werden.

Das Bildsystem enthält zur Darstellung von 3D-Aufnahmen ein 3D-Display, vorzugsweise einen Flachbildschirm. Diese Lösung erlaubt die dreidimensionale Betrachtung ohne Hilfsmittel, wie beispielsweise 3D-Brillen.

  • • Zusätzlich kann der Betrachter ein Kopfband oder eine normale Brille mit Positionssensoren tragen, so dass über entsprechende Prozessoren die Blickrichtung des Betrachters mit der Betrachtungsrichtung des 3D-Objektes synchronisiert wird. Ein Beispiel für die Bestimmung der Blickrichtung eines Betrachters und der Verfolgung eines Bildobjektes ist in der US 5,646,525 beschrieben.
  • • Alternativ oder zusätzlich können die 2D- bzw. 3D-Aufnahmen durch eine Projektionsvorrichtung („Beamer") in 2D- oder 3D-Darstellung auf eine Projektionsfläche, beispielsweise eine Wand des Untersuchungsraums, projiziert werden, wie das in der DE 100 36 143 C2 beschrieben ist.

Die Untersuchungsvorrichtung enthält ein DICOM-Interface 26 einschließlich MPPS (Modality Performed Procedure Step), das alle Bildinformationen und Patientendaten verarbeiten kann.

Mit der Vorrichtung lassen sich neben normalen 2D-Röntgenuntersuchungen 3D-Rekonstruktionen erstellen.

Es ist sinnvoll, den Patientenlagerungstisch 9 mit einer röntgenstransparenten Tischplatte und mit wenigstens einer der folgenden Eigenschaften auszustatten:

  • • Längskippung,
  • • motorische Unterstützung aller Bewegungen,
  • • Kippfähigkeit bis zu 90°,
  • • seitliche Kippung,
  • • Befestigungsschienen für Zubehörteile. Die Zubehörteile können wenigstens eines der genannten Systeme sein.

Es ist zweckmäßig, einen Kontrastmittelinjektor beispielsweise von den Firmen Medrad und Tyco Healthcare zu integrieren.

Weiterhin kann ein Patienten-Monitoringsystem zur Überwachung der Vitalfunktionen eines Patienten integriert sein. Damit kann ein Alarm ausgelöst werden, wenn bestimmte Grenzen der Vitalparameter eines Patienten unter/oder überschritten werden. Auch kann ein Subsystem zur Applikation einer Narkose, z.B. ein Narkoseventilator, eingefügt sein.

Die vorgeschlagene Lösung hat den Vorteil, dass die heutzutage mit mehreren medizinischen Geräten durchgeführten Diagnosen und Therapien mit einem einzigen System wesentlich sicherer und schneller durchgeführt werden. Mit dieser Lösung ist die Planung, Führung und Kontrolle der Behandlung mit einer Vorrichtung möglich.

Anstelle eines Flachdetektors als Röntgenbilddetektor 4 kann auch beispielsweise ein Röntgenbildverstärker mit einer angekoppelten CCD-Kamera Verwendung finden. Die erfindungsgemäße Rotationsangiographie lässt sich damit zwar schwieriger durchführen, da beim Röntgenbildverstärker ein kreisförmiges Bild erstellt wird, welches zusätzlich noch Verzerrungen am kreisförmigen Bildrand aufgrund geometrischer Verzerrungen am Röntgenbildverstärker aufweist. Dies würde eine Anpassung der Algorithmen zur Bildkonstruktion notwendig machen und eine zusätzliche Verzerrungskorrektur erfordern.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung verbessert die diagnostischen Möglichkeiten einer angiographischen Untersuchung durch die Anwendung der Angiographischen Computer Tomographie (ACT) mit einer angiographischen Röntgendiagnostikeinrichtung. Damit können CT-ähnliche Bilder während einer angiographischen Prozedur erzeugt werden.

Neurovaskuläre Behandlungen tragen immer das Risiko von Komplikationen. Lokale Blutungen aufgrund von aneurysmischen Brüchen können durch die erfindungsgemäße Vorrichtung bei angiographischen Untersuchungen visualisiert werden. Außerdem lässt sich das ventrikulare System des Gehirns zur Diagnoseunterstützung pathologischer Prozesse darstellen. Auch werden die Führung sowie die Beobachtung von Platzierungen während Drainage Prozeduren ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt bei abdominalen Prozeduren eine ausgezeichnete Diagnostik und interventionelle Unterstützung auch bei Punkturen und Drainagen.

Für onkologische Anwendungen ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung die Visualisierung von Tumoren innerhalb aller Körperteile, so dass vollständig neue Methoden zur Durchführung von Biopsien oder Behandlungen von Tumoren, wie beispielsweise Embolien oder Ablationen, realisiert werden können.


Anspruch[de]
  1. Angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung zur Rotationsangiographie

    – mit einem um einen auf einem Patientenlagerungstisch (9) befindlichen Patienten (10) auf einer Kreisbahn bewegbaren Röntgenstrahler (3),

    – mit einer auf der Kreisbahn dem Röntgenstrahler (3) gegenüberliegenden bewegbaren Bilddetektoreinheit (4),

    – mit einem digitalen Bildsystem (6, 14) zur Aufnahme einer Vielzahl von Projektionsbildern durch Rotationsangiographie,

    – mit einer Vorrichtung (20) zur Bildverarbeitung, durch die die Projektionsbilder zu einem 3D-Volumenbild rekonstruiert werden, und

    – mit einer Vorrichtung (19, 21, 22) zur Korrektur physikalischer Effekte und/oder Unzulänglichkeiten im Aufnahmesystem zur Weichteildarstellung von Projektionsbildern und den daraus rekonstruierten 3D-Volumenbildern.
  2. Angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (19, 21, 22) zur Korrektur derart ausgebildet ist, dass sie wenigstens eine Korrektur aus der Gruppe von Truncation-Korrektur, Streustrahlungs-Korrektur, Überstrahlungs-Korrektur, Ringartefakt-Korrektur, Korrektur der Strahlaufhärtung und des Low Frequency Drop durchführt.
  3. Angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (19, 21, 22) zur Korrektur einen getrennten Korrekturprozessor aufweist.
  4. Angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (19, 21, 22) zur Korrektur derart ausgebildet ist, dass sie eine Kalibrierung des Aufnahmesystems bewirkt.
  5. Angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (19, 21, 22) zur Korrektur derart ausgebildet ist, dass sie eine Geometrie-, Entzerrungs-, Intensitäts- und/oder Gain-Kalibration bewirkt.
  6. Angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (19, 21, 22) zur Korrektur derart ausgebildet ist, dass sie eine Truncation-Korrektur bewirkt.
  7. Angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (19, 21, 22) zur Korrektur derart ausgebildet ist, dass sie eine Streustrahlungs-Korrektur bewirkt.
  8. Angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (19, 21, 22) zur Korrektur derart ausgebildet ist, dass sie eine Überstrahlungs-Korrektur bewirkt.
  9. Angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (19, 21, 22) zur Korrektur derart ausgebildet ist, dass sie eine Korrektur des Low Frequency Drop bewirkt.
  10. Angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (19, 21, 22) zur Korrektur derart ausgebildet ist, dass sie eine Ringartefakt-Korrektur bewirkt.
  11. Angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (19, 21, 22) zur Korrektur derart ausgebildet ist, dass sie eine Korrektur der Strahlaufhärtung bewirkt.
  12. Angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (19, 21, 22) zur Korrektur derart ausgebildet ist, dass sie eine Korrektur von Bewegungen des Patienten (10) bewirkt.
  13. Angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (19, 21, 22) zur Korrektur derart ausgebildet ist, dass sie eine Korrektur von Organbewegungen des Patienten (10) bewirkt.
  14. Angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Röntgenstrahler (3) und die Bilddetektoreinheit (4) an den jeweiligen Enden eines C-Bogens (2) angeordnet sind.
  15. Angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der C-Bogen (2) am Boden und/oder an der Decke montiert ist.
  16. Angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 1 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein mobiler C-Bogen (2) verwendet wird.
  17. Angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Röntgenbilddetektor (4) ein flacher, rechteckiger oder quadratischer Halbleiterdetektor, vorzugsweise aus aSi, ist.
  18. Angiographische Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Röntgenstrahler-Bilddetektoreinheiten (4) vorgesehen sind, die eine Zweiebenenanlage bilden.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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