DE102015218819A1

DE102015218819A1 - Verfahren und System zur Bestimmung einer Atemphase

Info

Publication number: DE102015218819A1
Application number: DE102015218819.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Hofmann
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2017-03-30
Also published as: CN106859684B; CN106859684A; US10417760B2; US20170091929A1

Abstract

Das vorgeschlagene Verfahren zur Bestimmung einer Atemphase beruht auf dem Empfangen tomographischer Rohdaten basierend auf einer Spiralaufnahme eines Untersuchungsbereiches eines Patienten, wobei der Untersuchungsbereich wenigstens einen Teil des Torsos und/oder des Abdomens des Patienten umfasst. Dann werden Schichtbildpaare basierend auf den tomographischen Rohdaten rekonstruiert, wobei ein Schichtbildpaar zwei Schichtbilder mit einem ersten zeitlichen Abstand an einer identischen Position entlang einer vorgegebenen Achse umfasst. Die Position bezieht sich dabei auf die Position des Untersuchungsbereiches. Diese Art der Rekonstruktion ermöglicht das Bestimmen von Differenzen zwischen Referenzlagen des Untersuchungsbereiches in jeweils zwei Schichtbildern eines Schichtbildpaares sowie das Bestimmen einer Atemphase basierend auf den Differenzen. Die Differenzen entsprechen dabei jeweils der Veränderung der Anatomie des Untersuchungsbereiches, wobei diese Veränderung während des ersten zeitlichen Abstands erfolgt. Bestimmte Differenzen sind charakteristisch für bestimmte Atemphasen. So lässt sich eine bestimmte Differenz einer bestimmten Atemphase zuordnen.

Description

Die Bestrahlung mit hochenergetischer Röntgenstrahlung, Elektronen, Protonen oder schweren Ionen wird regelmäßig zur Behandlung von Tumoren eingesetzt. Bei einer solchen Bestrahlung wird ein Zielvolumen innerhalb eines Patienten bestrahlt, wobei sich der Tumor wenigstens teilweise in dem Zielvolumen befindet. Dabei soll das Zielvolumen möglichst genau definiert sein, damit der gewünschte Effekt der Bestrahlung vor allem in dem Zielvolumen erreicht wird. Zur Planung der Bestrahlung und zur Definition des Zielvolumens ist es üblich zeitaufgelöste tomographische Planungsdaten des Patienten im Vorfeld der Bestrahlung aufzunehmen. Typischer Weise werden tomographische Rohdaten mit einem Computertomographie-Gerät, kurz CT-Gerät, aufgenommen, wobei die Planungsdaten aus den Rohdaten rekonstruiert werden. Die Planungsdaten umfassen mehrere Planungsbilder mit einer definierten Zeitauflösung. Aus diesen Planungsdaten lässt sich ableiten, wie sich die Anatomie des Patienten und die Lage des Tumors durch die Atmung des Patienten verändern. Die Lage des Tumors ändert sich dabei mit dem Atemzyklus des Patienten, welcher verschiedene Atemphasen umfasst. Da die Bestrahlung in der Regel kontinuierlich erfolgt, ist es wichtig die Veränderung der Anatomie durch die Atmung des Patienten bei der Planung der Bestrahlung und der Definition des Zielvolumens zu berücksichtigen.
Um die Veränderung der Anatomie dem Verlauf des Atemzyklus und damit verschiedenen Atemphasen des Patienten zuzuordnen, wird während der tomographischen Aufnahme die Atmung des Patienten mit Hilfe eines Atemsurrogats aufgenommen. Bei einem Atemsurrogat handelt es sich um ein Messsystem, welches dazu ausgelegt ist den Atemzyklus des Patienten aufzunehmen. Ein Atemsurrogat nimmt den Atemzyklus des Patienten nicht basierend auf Bildern des Patienten auf, sondern es misst den Atemzyklus durch direkte physikalische Wechselwirkung eines gegenständlichen Teils des Messsystems mit dem Patienten und/oder der von ihm durch die Atmung verursachten Bewegung. Beispielsweise kann ein Atemsurrogat durch einen Brustgurt oder durch einen auf der Brust des Patienten angebrachten Signalgeber realisiert werden. Weiterhin kann ein Atemsurrogat durch ein Gerät zur Messung der Temperatur des Atems des Patienten realisiert werden. Das Anbringen des Atemsurrogats am Patienten stellt einen zusätzlichen Arbeitsschritt dar und ist potentiell fehleranfällig. Weiterhin stellt das Atemsurrogat einen zusätzlichen Kostenfaktor dar.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Atemphase eines Patienten zuverlässig, genau und kostengünstig zu bestimmen. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und ein System gemäß den Ansprüchen.
Nachstehend wird die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe in Bezug auf die beanspruchten Vorrichtungen als auch in Bezug auf das beanspruchte Verfahren beschrieben. Hierbei erwähnte Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen sind ebenso auch auf die anderen beanspruchten Gegenstände zu übertragen und umgekehrt. Mit anderen Worten können die gegenständlichen Ansprüche (die beispielsweise auf eine Vorrichtung gerichtet sind) auch mit den Merkmalen, die in Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben oder beansprucht sind, weitergebildet sein. Die entsprechenden funktionalen Merkmale des Verfahrens werden dabei durch entsprechende gegenständliche Module ausgebildet.
Das vorgeschlagene Verfahren zur Bestimmung einer Atemphase beruht auf dem Empfangen tomographischer Rohdaten basierend auf einer Spiralaufnahme eines Untersuchungsbereiches eines Patienten, wobei der Untersuchungsbereich wenigstens einen Teil des Torsos und/oder des Abdomens des Patienten umfasst. Dann werden Schichtbildpaare basierend auf den tomographischen Rohdaten rekonstruiert, wobei ein Schichtbildpaar zwei Schichtbilder mit einem ersten zeitlichen Abstand an einer identischen Position entlang einer vorgegebenen Achse umfasst. Die Position bezieht sich dabei auf die Position des Untersuchungsbereiches. Diese Art der Rekonstruktion ermöglicht das Bestimmen von Differenzen zwischen Referenzlagen des Untersuchungsbereiches in jeweils zwei Schichtbildern eines Schichtbildpaares sowie das Bestimmen wenigstens einer Atemphase basierend auf den Differenzen. Die Differenzen entsprechen dabei jeweils der Veränderung der Anatomie des Untersuchungsbereiches, wobei diese Veränderung während des ersten zeitlichen Abstands erfolgt. Bestimmte Differenzen sind charakteristisch für bestimmte Atemphasen. So lässt sich eine bestimmte Differenz einer bestimmten Atemphase zuordnen. Dadurch können auch verschiedene Atemphasen des Patienten zuverlässig, genau und kostengünstig bestimmt werden. Insbesondere können die Atemphasen ohne Atemsurrogat bestimmt werden. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich auch ein Atemzyklus sowie eine Vielzahl von Atemphasen bestimmen. Weiterhin ermöglicht die Erfindung die verschiedenen Atemphasen basierend auf einer Spiralaufnahme zu bestimmen, wobei eine Spiralaufnahme im Vergleich zu einer schrittweisen Aufnahme besonders schnell ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weisen benachbarte Schichtbildpaare einen zweiten zeitlichen Abstand auf, wobei die Positionen benachbarter Schichtbildpaare entlang der vorgegebenen Achse einen dem zweiten zeitlichen Abstand entsprechenden räumlichen Abstand aufweisen. Durch die Wahl des zweiten zeitlichen Abstands kann die räumliche Abtastung eines Atemzyklus und damit die Genauigkeit der Bestimmung der Atemphase beeinflusst werden. Weiterhin weisen unterschiedliche Schichtbildpaare unterschiedliche Positionen entlang der vorgegebenen Achse auf. Damit ermöglicht die Erfindung sowohl einen Zusammenhang zwischen der Atemphase und der Zeit als auch zwischen der Atemphase und der Position herzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der zweite zeitliche Abstand geringer als der erste zeitliche Abstand. Ein Atemzyklus wird also mit einer hohen Frequenz im Vergleich zu den Differenzen der Referenzlagen abgetastet. Dadurch können Atemzyklen und Referenzphasen genau, zuverlässig und schnell bestimmt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die vorgegebene Achse durch die für die Aufnahme der tomographischen Rohdaten maßgebliche Systemachse eines CT-Gerätes gegeben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die vorgegebene Achse durch die Längsachse des Patienten gegeben. Weiterhin können die maßgebliche Systemachse des CT-Gerätes und die Längsachse des Patienten parallel zueinander liegen oder miteinander übereinstimmen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung bestimmen die Referenzlagen die räumlichen Lagen des Brustkorbs und/oder der Bauchdecke in den Schichtbildern. Die Referenzlagen geben damit an, welcher anatomische Bereich des Untersuchungsbereiches zum Bestimmen der Differenzen verwendet werden soll.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Differenzen durch Segmentierung des Untersuchungsbereiches in den Schichtbildern bestimmt. Durch die Segmentierung lassen sich Teilbereiche des Untersuchungsbereiches auswählen, welche zum Bestimmen der Differenzen verwendet werden sollen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Differenzen basierend auf einer Vielzahl von Punkten in den Schichtbildern bestimmt, wobei die Punkte den Referenzlagen des Untersuchungsbereiches entsprechen. Bei den Punkten kann es sich insbesondere um einzelne Bildpunkte oder zusammenhänge Gruppen von Bildpunkten handeln.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Referenzgröße innerhalb eines Schichtbildes bestimmt, indem ein Mittelwert der Punkte innerhalb dieses Schichtbildes bestimmt wird. Dieser Aspekt der Erfindung lässt sich mit besonders geringer Rechenkapazität realisieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Differenzen basierend auf einander entsprechenden Punkten bestimmt, wobei Punkte einander entsprechen, wenn sie den gleichen anatomischen Bereich des Untersuchungsbereiches kennzeichnen. Vorteilhafterweise werden dabei die Positionen einander entsprechender Punkte voneinander subtrahiert. Dieser Aspekt der Erfindung erlaubt eine besonders genaue Bestimmung der Differenzen und damit einer Atemphase.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Differenzen gegenüber der Zeit und/oder gegenüber den Positionen entlang der vorgegebenen Achse aufgetragen und ausgegeben. Dadurch wird ein direkter Zusammenhang zwischen den Differenzen und damit der Veränderung der Anatomie des Patienten zu der Zeit und/oder zu den Positionen entlang der vorgegebenen Achse hergestellt. Da die Veränderung der Anatomie den Atemphasen entspricht, wird damit auch ein Zusammenhang zwischen den Atemphasen und der Zeit und/oder der Positionen entlang der vorgegebenen Achsen hergestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt werden die tomographischen Rohdaten mit der wenigstens einen Atemphase korreliert, wobei für jede Atemphase wenigstens ein Planungsbild basierend auf den tomographischen Rohdaten rekonstruiert wird. Damit kann die Erfindung auch für eine verbesserte Bestrahlungsplanung genutzt werden. Die Bestrahlungsplanung wird dadurch verbessert, dass eine besonders genaue und zuverlässige Korrelation zwischen den tomographischen Rohdaten und den Atemphasen vorliegt. Die Atemphasen sind erfindungsgemäß basierend auf den tomographischen Rohdaten bestimmt worden.
Weiterhin können alle zuvor beschriebenen Schritte automatisch ausgeführt werden. "Automatisch" bedeutet im Kontext der vorliegenden Anmeldung, dass der jeweilige Schritt durch das beanspruchte System selbstständig abläuft, und für den jeweiligen Schritt im Wesentlichen keine Interaktion einer Bedienperson notwendig ist. Die Bedienperson muss höchstens berechneten Ergebnisse bestätigen oder Zwischenschritte ausführen. Beispielsweise kann die Bedienperson einen Saatpunkt zur Segmentierung setzen. In weiteren Varianten der Erfindung mit „vollautomatisch“ durchgeführten Schritten ist zur Durchführung dieser Schritte gar keine Interaktion einer Bedienperson notwendig. Insbesondere können alle Schritte des beanspruchten Verfahrens „vollautomatisch“ durchgeführt werden. Unabhängig davon, ob die einzelnen Schritte „automatisch“ oder „vollautomatisch“ ausgeführt werden, kann das erfindungsgemäße Verfahren Bestandteil eines Arbeitsablaufes sein, der zusätzlich eine Interaktion von einer Bedienperson erfordert. Die Interaktion mit der Bedienperson kann darin bestehen, dass dieser ein Aufnahmeprotokoll und/oder eine klinische Fragestellung manuell auswählt, beispielsweise aus einem mittels eines Bildschirms präsentierten Menu.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein System zum Bestimmen einer Atemphase, umfassend eine Schnittstelle zum Empfangen der tomographischen Rohdaten sowie einen Prozessor. Das System ist dazu ausgebildet das zuvor beschriebene Verfahren und seine Aspekte auszuführen, indem die Schnittstelle und der Prozessor dazu ausgebildet sind die entsprechenden Verfahrensschritte auszuführen. Insbesondere kann der Prozessor dazu programmiert sein Schritte des beschriebenen Verfahrens auszuführen. Gemäß einem weiteren Aspekt werden die die Rekonstruktion betreffenden Schritte durch eine von dem Prozessor separaten Rekonstruktionseinheit durchgeführt. Dann werden die das Bestimmen betreffenden Schritte weiterhin von dem Prozessor ausgeführt. Weiterhin kann das System zum Bestimmen einer Atemphase auch ein CT-Gerät umfassen, welches zur Aufnahme der tomographischen Rohdaten ausgelegt ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm sowie ein computerlesbares Medium. Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Systeme oder Computer auf einfache Weise durch ein Software-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile wie beispielsweise eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten sowie Hardware-Komponenten, wie z.B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
1 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung einer Atemphase,
2 zwei Längsschnitte des Untersuchungsbereiches,
3 ein Schichtbildpaar des Untersuchungsbereiches,
4 einen differentielle Atemkurve mit mehreren Atemphasen,
5 ein System zum Bestimmen einer Atemphase, und
6 ein System zum Bestimmen einer Atemphase mit einem CT-Gerät.
1 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung einer Atemphase. Die hier gezeigte Ausführungsform umfasst das Aufnehmen IMG tomographischer Rohdaten mit einem CT-Gerät 1 basierend auf einer Spiralaufnahme eines Untersuchungsbereiches 17 eines Patienten 3. Die tomographischen Rohdaten sind insofern vierdimensional ausgebildet, als dass sie drei räumliche Dimensionen sowie eine zeitliche Dimension aufweisen. Die tomographischen Rohdaten basieren auf einer Vielzahl von Röntgenprojektionen, wobei eine einzelne Röntgenprojektion räumlich zweidimensional ausgebildet ist. Da die Röntgengenprojektionen zu verschiedenen Zeitpunkten unter verschiedenen Projektionswinkeln aufgenommen werden, bilden sie einen vierdimensionalen Datensatz. Jedoch erlaubt eine entsprechend hohe Abtastung des Untersuchungsbereiches 17, dass identische Teilbereiche des Untersuchungsbereiches 17 zu unterschiedlichen Zeitpunkten in Form von Schichtbildern rekonstruiert werden können. Die Schichtbilder können als zweidimensionale Bilder dargestellt werden. Da die Schichtbilder eine endliche Schichtdicke aufweisen, sind sie auch räumlich dreidimensional ausgebildet. Die tomographischen Rohdaten können weiterhin vor dem Speichern oder Übertragen vorverarbeitet worden sein, beispielsweise können sie gefiltert worden sein. Daher können die tomographischen Rohdaten auch als 4D CT Datensatz bezeichnet werden.
Da die Veränderung der Anatomie durch die Atmung des Patienten 3 periodisch ist, können weiterhin Planungsbildern des Untersuchungsbereiches 17 rekonstruiert werden, wobei für ein gegebenes Planungsbild die zugehörige Atemphase bekannt sein muss. Damit Planungsbilder rekonstruiert verwendet werden können, müssen zuerst die einzelnen Atemphasen bestimmt und mit den tomographischen Rohdaten korreliert werden. Das im Folgenden beschriebene Verfahren erlaubt es die Atemphasen einfach und zuverlässig zu bestimmen und verbessert damit auch die Bestrahlungsplanung.
Damit die tomographischen Rohdaten eine Zeitauflösung aufweisen, die es erlaubt zu verschiedenen Zeitpunkten den gleichen Teilbereich des Untersuchungsbereiches 17 zu rekonstruieren, muss die Spiralaufnahme mit einem geringen Pitch erfolgen. Im Spiralmodus wird der Pitch definiert als das Verhältnis von Vorschub der Patientenliege 6 pro Rotation der Röntgenquelle 8 zur Strahlkollimierung. Die Strahlkollimierung ist gegeben durch die Ausdehnung der Röntgenstrahlen 2 entlang der Systemachse 5. Wird der Röntgendetektor 9 voll durch die Röntgenstrahlen 2 ausgeleuchtet, so ist die Strahlkollimierung durch die Ausdehnung des Detektionsbereiches des Röntgendetektors 9 entlang der Systemachse 5 gegeben. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann der Pitch maximal 0,5 oder maximal 0,25 oder maximal 0,1 betragen. Vorzugsweise erfolgt die Aufnahme der tomographischen Rohdaten mit einem besonders geringen Pitch von maximal 0,1, da dann die zeitliche Auflösung besonders groß ist. Beispielhaft beträgt die Rotationszeit der Aufnahmeeinheit 22 0,5 Sekunden bei einem Pitch von 0,09.
Dann erfolgt das Empfangen REC der tomographischen Rohdaten, insbesondere durch eine Schnittstelle 16. Weiterhin erfolgt das Rekonstruieren PIC von Schichtbildpaaren basierend auf den tomographischen Rohdaten, wobei die Schichtbildpaare jeweils zwei Schichtbilder mit einem ersten zeitlichen Abstand dt_1 an einer identischen Position entlang der vorgegebenen Achse umfassen. Der erste zeitliche Abstand dt_1 muss groß genug sein, damit eine deutliche Veränderung der Anatomie durch die Atembewegung des Patienten 3 erfolgt ist. Beispielsweise kann der erste zeitliche Abstand dt_1 gleich der Rotationszeit der Aufnahmeeinheit 22 sein und maximal 2 Sekunden, maximal 1 Sekunden oder maximal 0,5 Sekunden betragen. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der erste zeitliche Abstand dt_1 für alle Schichtbildpaare identisch ist.
Die Schichtbilder können mit üblichen Rekonstruktionsalgorithmen rekonstruiert werden, beispielsweise mit einem Feldkamp-Algorithmus oder durch iterative Rekonstruktion. Vorzugsweise weisen die Schichtbilder eines Schichtbildpaares eine identische Schichtdicke auf. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Schichtbilder aller Schichtbildpaare eine identische Schichtdicke aufweisen. Beispielsweise kann die Schichtdicke maximal 5 Millimeter, maximal 2,5 Millimeter oder maximal 1 Millimeter, betragen. Durch eine geringere Schichtdicke wird die räumliche Auflösung, mit der die Atemphase bestimmt werden kann, erhöht. Die Schichtbilder werden vorzugsweise derart rekonstruiert, dass die Ebenen der Schichtbilder senkrecht zu der vorgegebenen Achse orientiert sind. Die vorgegebene Achse ist in dem hier näher beschriebenen Beispiel durch die für die Aufnahme der tomographischen Rohdaten maßgebliche Systemachse 5 des CT Gerätes 1 gegeben.
Weiterhin kann die vorgegebene Achse durch die Längsachse des Patienten 3 gegeben sein.
Vorzugsweise erfolgt die Rekonstruktion der Schichtbilder als vollständige Rekonstruktion. Die Schichtbilder basieren dann jeweils auf tomographischen Rohdaten, welche innerhalb eines Winkelintervalls der Röntgenquelle 8 von wenigstens 180° + α stammen, wobei α der Öffnungswinkel der Röntgenstrahlen 2 in der Rotationsebene der Röntgenquelle 8 ist. Dabei können die Röntgenstrahlen 2 fächer-, konus- oder pyramidenförmig ausgebildet sein. Das Winkelintervall umfasst eine Vielzahl von Projektionswinkeln. Insbesondere können die Schichtbilder jeweils auf tomographischen Rohdaten basieren, welche innerhalb eines Winkelintervalls der Röntgenquelle 8 von genau 180° + α stammen. In diesem Fall erfolgt die vollständige Rekonstruktion mit einer möglichst hohen Zeitauflösung, so dass die Veränderung der Anatomie durch die Atmung des Patienten 3 möglichst genau bestimmt werden kann.
Bei einer Spiralaufnahme ist die Position der Röntgenquelle 8 entlang der vorgegebenen Achse in dem rekonstruierten Volumen eine stetig differenzierbare Funktion der Zeit t. Bei tomographischen Rohdaten basierend auf einer sequentiellen Aufnahme ist die entsprechende Position der Röntgenquelle 8 hingegen nicht stetig differenzierbar. Daher wird die zeitabhängige Position entlang einer vorgegebenen Achse im Folgenden auch als z-Position s_z(t) bezeichnet, wobei die Zeit t eine Variable ist. Durch die hohe Abtastung können einer z-Position s_z(t) jedoch auch mehrere Zeitpunkte zugeordnet werden. So sind den beiden Schichtbildern eines Schichtbildpaares zwar die gleichen, ersten z-Position s_z1 aber unterschiedlichen Zeitpunkten zugeordnet. Dieser Zusammenhang wird auch in 2 verdeutlicht, welche zwei Längsschnitte des Untersuchungsbereiches 17 zeigt. Diese Längsschnitte basieren auf den tomographischen Rohdaten. Die beiden in 2 hervorgehobenen Bereiche an der ersten z-Position s_z1 entspreche dabei den beiden in 3 gezeigten Schichtbildern. Dabei werden die beiden Schichtbilder des in 3 gezeigten ersten Schichtbildpaares auch als erstes Schichtbild 18 sowie als zweites Schichtbild 19 bezeichnet.
Vorzugsweise weisen benachbarte Schichtbildpaare einen zweiten zeitlichen Abstand dt_2 auf, wobei die z-Positionen s_z(t) benachbarter Schichtbildpaare einen dem zweiten zeitlichen Abstand dt_2 entsprechenden räumlichen Abstand aufweisen. Es ist besonders vorteilhaft, wenn alle zweiten zeitlichen Abstände dt_2 identisch sind. Ein erstes Schichtbildpaar ist gegenüber einem zweiten Schichtbildpaar dann benachbart, wenn die z-Position s_z(t) des zweiten Schichtbildpaars den geringsten Abstand gegenüber dem ersten Schichtbildpaar im Vergleich zu anderen Schichtbildpaaren aufweist. Durch den Pitch ist ein direkter Zusammenhang zwischen dem Zeitpunkt und der z-Position s_z(t) gegeben, welche einem Schichtbild zugeordnet werden kann. Dadurch weist das benachbarte zweite Schichtbildpaar gegenüber dem ersten Schichtbildpaar auch den geringsten zweiten zeitlichen Abstand dt_2 im Vergleich zu anderen Schichtbildpaaren auf.
Der zweite zeitliche Abstand dt_2 kann sich auf den Abstand der ersten Schichtbilder benachbarter Schichtbildpaare oder auf den Abstand der zweiten Schichtbilder benachbarter Schichtbildpaare oder auf einen Mittelwert dieser Abstände beziehen. Beispielsweise weist das erste Schichtbild 18 eines ersten Schichtbildpaares die erste z-Position s_z1 = s_z(t1) sowie den ersten Zeitpunkt t1 auf. Dann weist das zweite Schichtbild 19 des ersten Schichtbildpaares ebenfalls die erste z-Position s_z1 = s_z(t2) = s_z(t1 + dt_1) sowie einen zweiten Zeitpunkt t2 = t1 + dt_1 auf. Das erste Schichtbild eines benachbarten zweiten Schichtbildpaares weist die zweite z-Position s_z2 = s_z(t3) = s_z(t1 + dt_2) sowie einen dritte Zeitpunkt t3 = t1 + dt_2 auf, und das zweite Schichtbild des benachbarten zweiten Schichtbildpaares weist die zweite Position s_z2 = s_z(t4) = s_z(t2 + dt_2) sowie den vierten Zeitpunkt t4 = t2 + dt_2 auf.
Dabei sind dt_1 und dt_2 im Allgemeinen ungleich. Vorzugsweise ist der zweite zeitliche Abstand dt_2 geringer als der erste zeitliche Abstand dt_1. Denn ein ausreichend großer erster zeitlicher Abstand dt_1 bewirkt, dass die Veränderung der Anatomie zwischen den beiden Schichtbildern eines Schichtbildpaares sichtbar wird. Weiterhin bewirkt ein ausreichend kleiner zeitlicher Abstand dt_2, dass möglichst viele Differenzen dH bestimmt werden können. Damit können auch ein Atemzyklus des Patienten 3 sowie die einzelnen Atemphasen besonders genau bestimmt werden. Weiterhin bewirkt eine genaue Bestimmung des Atemzyklus und der Atemphasen, dass die Korrelation zwischen den tomographischen Rohdaten und den Atemphasen besonders genau erfolgen kann. Dadurch lassen sich wiederum besonders genaue und zuverlässige Planungsbilder rekonstruieren. Beispielsweise beträgt der zweite zeitliche Abstand dt_2 maximal 0,5 oder maximal 0,25 oder maximal 0,1 des ersten zeitlichen Abstands dt_1.
Dann erfolgt das erste Bestimmen DET-1 von Differenzen dH zwischen Referenzlagen 20, 21 des Untersuchungsbereiches 17 in jeweils zwei Schichtbildern des Schichtbildpaares sowie ein zweites Bestimmen DET-2 einer Atemphase basierend auf den Differenzen dH. Das erste Bestimmen DET-1 einer Differenz dH zwischen Referenzlagen wird anhand eines Schichtbildpaares auch in 3 gezeigt. Das zweite Bestimmen DET-2 wird anhand einer differentiellen Atemkurve 25 mit mehreren Atemzyklen in 4 gezeigt.
Die Referenzlagen des Untersuchungsbereiches 17 betreffen vorzugsweise räumlichen Lagen des Brustkorbs und/oder der Bauchdecke in den Schichtbildern. Dabei wird in dem ersten Schichtbild 18 eines ersten Schichtbildpaares eine erste Referenzlage 20 und in dem zweiten Schichtbild 19 eines ersten Schichtbildpaares die zweite Referenzlage 21 bestimmt. Die Differenzen dH der Referenzlagen können insbesondere als Differenzen dH von Positionen entlang einer vorgegebenen Achse bestimmt werden. In dem in 3 gezeigten Beispiel werden die Differenzen dH der Referenzlagen entlang der vertikalen Achse der Schichtbilder bestimmt. Weiterhin können die Differenzen dH durch Segmentierung des Untersuchungsbereiches 17 in den Schichtbildern bestimmt werden. Zur Segmentierung wird beispielsweise ein regionenorientierter Segmentierungsalgorithmus oder ein kantenbasierter Segmentierungsalgorithmus verwendet.
In dem in 3 gezeigten Beispiel wird die Differenz dH über die Länge des Torsos L in den Schichtbildern gemittelt. Dabei kann die Differenz dH basierend auf einer Vielzahl von Punkten in den Schichtbildern bestimmt werden, wobei die Punkte den Referenzlagen des Untersuchungsbereiches 17 entsprechen. Diese Punkte können insbesondere die Kontur eines Teilbereiches des Untersuchungsbereiches 17 markieren. Die Punkte können in verschiedenen Ausführungsformen automatisch oder durch Benutzerinteraktion teilautomatisch oder sogar manuell bestimmt werden. Ein Punkt kann dabei entweder als einzelner Bildpunkt oder als eine zusammenhängende Gruppe von Bildpunkten ausgebildet sein. Weiterhin kann eine Referenzgröße innerhalb eines Schichtbildes bestimmt wird, indem ein Mittelwert der Punkte innerhalb dieses Schichtbildes bestimmt wird. Der Mittelwert bezieht sich dabei auf den Mittelwert der Position der Punkte, insbesondere entlang einer vorgegebenen Achse. Bei dem in 3 gezeigten Beispiel kann der Mittelwert der Punkte entlang der vertikalen Achse der Schichtbilder bestimmt. Bei der Mittelung wird der Informationsgehalt der Bildwerte reduziert. Die Mittelung betrifft beispielsweise die Berechnung eines arithmetischen Mittels, eines geometrischen Mittels, eines harmonischen Mittels, eines quadratischen Mittels oder auch eines Medians.
Eine Differenz dH kann auch bestimmt werden, indem die Punkte einzelner Schichtbilder zuerst gemittelt und dann die Mittelwerte miteinander in Beziehung gesetzt, insbesondere subtrahiert, werden. Weiterhin ist es auch möglich, dass einander entsprechende Punkte in den Schichtbildern eines Schichtbildpaares bestimmt werden, wobei Punkte einander entsprechen, wenn sie den gleichen anatomischen Bereich des Untersuchungsbereiches 17 kennzeichnen. Bei einem anatomischen Bereich kann es sich insbesondere um einen bestimmten Teilbereich des Brustkorbs oder der Bauchdecke des Patienten 3 handeln. Dann können die Positionen der einander entsprechenden Punkte miteinander in Beziehung gesetzt, insbesondere subtrahiert, werden.
Wie in 4 gezeigt können die Differenzen dH gegenüber der Zeit t aufgetragen und ausgegeben werden. Dabei werden die Differenzen dH in Einheiten von Zentimetern gegenüber der Zeit t in Einheiten von Sekunden aufgetragen. Das Ausgeben SHW erfolgt typischer Weise über eine Ausgabeeinheit, beispielsweise über einen Bildschirm 11. Die Differenz dH zwischen einer ersten Referenzlage 20 sowie einer zweiten Referenzlage 21 kann dabei dem ersten Zeitpunkt t1 oder dem zweiten Zeitpunkt t2 oder einem Mittelwert von t1 und t2 zugeordnet werden. Es ist wichtig, dass die Zuordnung für alle Differenzen dH auf gleiche Art und Weise erfolgt, damit ein physikalisch sinnvoller Zusammenhang zwischen den Differenzen dH und der Zeit t besteht. Da es weiterhin einen direkten Zusammenhang zwischen den Differenzen dH und den z-Position s_z(t) gibt, können die Differenzen dH auch gegenüber den z-Positionen s_z(t) aufgetragen werden. Durch die Zuordnung der Differenzen dH entsteht ein differentielle Atemkurve 25. Damit diese differentielle Atemkurve 25 glatt erscheint und/oder differenzierbar ist, können die Differenzen dH miteinander verbunden werden. Insbesondere können dabei laufende Mittelwerte der aufgetragenen Differenzen dH bestimmt oder eine Funktion an die aufgetragenen Differenzen dH angepasst werden. Insbesondere kann eine Polynomfunktion an die aufgetragenen Differenzen dH angepasst werden.
Zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen dem für die tomographischen Rohdaten an einer bestimmten z-Position s_z(t) bestimmten Atemphase ist in 4 die differentielle Atemkurve 25 mit einem Längsschnitt des Untersuchungsbereiches 17 überlagert. Die differentielle Atemkurve 25 kann als Ableitung der ursprünglichen Atemkurve des Patienten 3 betrachtet werden, wobei die ursprüngliche Atemkurve in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die Veränderung der Höhe des Torsos des Patienten 3 gegeben ist. Das hat zur Folge, dass ein Wechsel der differentiellen Atemkurve 25 von einem positiven Wert zu einem negativen Wert bedeutet, dass die Steigung der ursprünglichen Atemkurve von einem positiven Wert zu einem negativen Wert wechselt und somit an dieser z-Position s_z(t) die Atemphase maximaler Inhalation vorliegt. Somit entsprechen die Zeitpunkte der Nulldurchgänge der fallenden Flanken in der differentiellen Atemkurve 25 den Zeitpunkten der maximalen Inhalation. Diese Zeitpunkte sind durch ausgefüllte Kreise in 4 hervorgehoben. Weiterhin entsprechen die Zeitpunkte der Nulldurchgänge der steigenden Flanken in der differentiellen Atemkurve 25 den Zeitpunkten der minimalen Inhalation.
Vorzugsweise werden wenigstens die Atemphasen der Inhalation 26 sowie der Exhalation 27 bestimmt. In 4 ist für einen Atemzyklus beispielhaft sowohl die Atemphase der Inhalation 26 als auch die Atemphase der Exhalation 27 gekennzeichnet. Es ist vorteilhaft die einzelnen Atemzyklen in weitere Atemphasen zu unterteilen. Beispielsweise kann jeder Atemzyklus innerhalb der differentiellen Atemkurve 25 in N = 5, 10, 15 oder 20 Atemzyklen unterteilt werden. Die Unterteilung kann insbesondere basierend auf dem Zeitpunkt der maximalen Inhalation und/oder der minimalen Inhalation erfolgen. Insbesondere können die Atemzyklen derart unterteilt werden, dass benachbarte Atemphasen jeweils den gleichen zeitlichen Abstand zueinander haben.
Weiterhin können die tomographischen Rohdaten mit den Atemphasen korreliert werden, wobei für jede Atemphase wenigstens ein Planungsbild basierend auf den tomographischen Rohdaten rekonstruiert wird. Die Korrelation kann insbesondere durch ein phasenbasiertes Verfahren sowie durch ein amplitudenbasiertes Verfahrens erfolgen. Bei einem phasenbasierten Verfahren werden die tomographischen Rohdaten für die Rekonstruktion so ausgewählt, dass die Atemzyklen des Patienten 3 zeitlich äquidistant abgetastet werden. Dann sind die Atemphasen so bestimmt worden, dass sie zeitlich äquidistant sind. Die Planungsdaten werden also so rekonstruiert, dass benachbarte Planungsbilder jeweils den gleichen zeitlichen Abstand zueinander aufweisen. Bei einem amplitudenbasierten Verfahren werden die tomographischen Rohdaten für die Rekonstruktion so ausgewählt, dass die Amplituden der Atemzyklen des Patienten 3 äquidistant abgetastet werden. Benachbarte Planungsbilder können dann unterschiedliche zeitliche Abstände zueinander aufweisen.
5 zeigt ein System zur Bestimmung einer Atemphase. Das System umfasst eine Schnittstelle 16 zum Empfangen tomographischer Rohdaten basierend auf einer Spiralaufnahme eines Untersuchungsbereiches 17 eines Patienten 3, wobei der Untersuchungsbereich 17 wenigstens einen Teil des Torsos und/oder des Abdomens des Patienten 3 umfasst. Weiterhin umfasst das System einen Prozessor 15, wobei der Prozessor 15 dazu ausgelegt ist wenigstens folgende Schritte auszuführen:

– Rekonstruieren PIC von Schichtbildpaaren basierend auf tomographischen Rohdaten, wobei ein Schichtbildpaar zwei Schichtbilder mit einem ersten zeitlichen Abstand dt_1 an einer identischen Position entlang einer vorgegebenen Achse umfasst,
– Erstes Bestimmen DET-1 von Differenzen dH zwischen Referenzlagen des Untersuchungsbereiches 17 in jeweils zwei Schichtbildern eines Schichtbildpaares sowie zweites Bestimmen DET-2 wenigstens einer Atemphase basierend auf den Differenzen dH.

Weiterhin kann das System zur Bestimmung einer Atemphase über eine Rekonstruktionseinheit 14 verfügen, welche speziell dazu ausgebildet ist den Schritt der Rekonstruktion PIC auszuführen. Dadurch ist es möglich, dass der Prozessor 15 nicht den Schritt der Rekonstruktion PIC ausführt. Auch kann das System mehrere Prozessoren 15 aufweisen, welche dazu ausgelegt sind die Schritte des vorgeschlagenen Verfahrens, insbesondere die Schritte des Bestimmens, auszuführen. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann der Prozessor 15 auch dazu ausgebildet sein die anderen zuvor beschriebenen Verfahrensschritte auszuführen. Weiterhin können tomographische Rohdaten auf einem Server 23 gespeichert sein, so dass die tomographischen Rohdaten über ein Netzwerk 24 an einen als Client ausgebildetes System zum Bestimmen einer Atemphase übertragen werden können. In dem hier gezeigten Beispiel ist der Client durch den Computer 12 realisiert. Auf dem Client ist dann ein Computerprogramm mit Programmabschnitten zum Ausführen des Verfahrens zum Bestimmen einer Atemphase gespeichert. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das System zum Bestimmen einer Atemphase sowohl den Client als auch den Server 23.
6 zeigt ein System zur Rekonstruktion von Planungsbildern mit einem CT-Gerät 1. Das hier gezeigte CT-Gerät 1 verfügt über eine Aufnahmeeinheit 22, umfassend eine Röntgenquelle 8 in Form einer Röntgenröhre sowie einen Röntgendetektor 9 in Form eines Zeilendetektors mit mehreren Zeilen. Die Aufnahmeeinheit 22 rotiert während der Aufnahme tomographische Rohdaten um eine Systemachse 5, und die Röntgenquelle 8 emittiert während der Aufnahme Röntgenstrahlen 2. In dem hier gezeigten Beispiel liegt ein Patient 3 bei der Aufnahme der tomographischen Rohdaten auf einer Patientenliege 6. Die Patientenliege 6 ist so mit einem Liegensockel 4 verbunden, dass er die Patientenliege 6 mit dem Patienten 3 trägt. Die Patientenliege 6 ist dazu ausgelegt den Patienten 3 entlang einer Aufnahmerichtung durch die Öffnung 10 der Aufnahmeeinheit 22 zu bewegen. Die Aufnahmerichtung ist in der Regel durch die Systemachse 5 gegeben, um welche die Aufnahmeeinheit 22 bei der Aufnahme der tomographischen Rohdaten rotiert. Bei einer Spiralaufnahme wird die Patientenliege 6 kontinuierlich durch die Öffnung 10 bewegt, während die Aufnahmeeinheit 22 um den Patienten 3 rotiert und die tomographischen Rohdaten aufnimmt. Damit beschreiben die Röntgenstrahlen 2 auf der Oberfläche des Patienten 3 eine Spirale.
In dem hier gezeigten Beispiel ist die Schnittstelle 16 als Teil eines Computers 12 ausgebildet. Bei der Schnittstelle 16 handelt es sich um allgemein bekannte Hard- oder Software-Schnittstellen, z.B. um die Hardware-Schnittstellen PCI-Bus, USB oder Firewire. Der Computer 12 ist mit einer Ausgabeeinheit in Form eines Bildschirms 11 sowie einer Eingabeeinheit 7 verbunden. Der Bildschirm 11 ist zum Darstellen verschiedener Informationen, insbesondere von Schichtbildern, ausgelegt. Die Eingabeeinheit 7 kann dazu verwendet werden, ein Computerprogramm mit Programmabschnitten zum Bestimmen einer Atemphase zu starten oder Parameter zum Ausführen des Verfahrens zum Bestimmen einer Atemphase auszuwählen. Bei der Eingabeeinheit 7 handelt es sich beispielsweise um eine Tastatur, eine Maus, einen sogenannten „Touch-Screen“ oder auch um ein Mikrofon zur Spracheingabe.
Weiterhin umfasst der Computer 12 des hier gezeigten Systems eine Rekonstruktionseinheit 14 auf. Das System verfügt auch über einen Prozessor 15. Der Prozessor 15 kann mit einem computerlesbaren Medium 13 zusammenwirken, insbesondere um durch ein Computerprogramm mit Programmcode ein Verfahren zum Bestimmen einer Atemphase durchzuführen. Weiterhin kann das Computerprogramm auf dem computerlesbaren Medium 13 abrufbar gespeichert sein. Insbesondere kann es sich bei dem computerlesbaren Medium 13 um eine CD, DVD, Blu-Ray Disc, einen Memory-Stick oder eine Festplatte handeln. Die Rekonstruktionseinheit 14 kann sowohl Bestandteile in Form von Hard- und/oder Bestandteile in Form von Software aufweisen. Beispielsweise kann die Rekonstruktionseinheit 14 als ein sogenanntes FPGA (Akronym für das englischsprachige "Field Programmable Gate Array") ausgebildet sein oder eine arithmetische Logikeinheit umfassen. Der Prozessor 15 kann als Mikroprozessor ausgebildet sein und mehrere Kerne aufweisen. Ein Prozessor 15 kann insbesondere dazu programmiert sein bestimmte Schritte auszuführen. Ein Prozessor 15 ist dann dazu ausgelegt bestimmte Befehle, welche in Form von Software realisiert sind, auszuführen.

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Atemphase, umfassend folgende Schritte: – Empfangen (REC) tomographischer Rohdaten basierend auf einer Spiralaufnahme eines Untersuchungsbereiches (17) eines Patienten (3), wobei der Untersuchungsbereich (17) wenigstens einen Teil des Torsos und/oder des Abdomens des Patienten (3) umfasst, – Rekonstruieren (PIC) von Schichtbildpaaren basierend auf den tomographischen Rohdaten, wobei die Schichtbildpaare jeweils zwei Schichtbilder mit einem ersten zeitlichen Abstand (dt_1) an einer identischen Position entlang einer vorgegebenen Achse umfassen, – Erstes Bestimmen (DET-1) von Differenzen (dH) zwischen Referenzlagen (20, 21) des Untersuchungsbereiches (17) in jeweils zwei Schichtbildern eines der Schichtbildpaare sowie zweites Bestimmen (DET-2) wenigstens einer Atemphase basierend auf den Differenzen (dH).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei benachbarte Schichtbildpaare einen zweiten zeitlichen Abstand (dt_2) aufweisen, und wobei die Positionen benachbarter Schichtbildpaare entlang der vorgegebenen Achse einen dem zweiten zeitlichen Abstand (dt_2) entsprechenden räumlichen Abstand aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der zweite zeitliche Abstand (dt_2) geringer als der erste zeitliche Abstand (dt_1) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorgegebene Achse durch die für die Aufnahme der tomographischen Rohdaten maßgebliche Systemachse (5) eines CT-Gerätes (1) gegeben ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorgegebene Achse durch die Längsachse des Patienten (3) gegeben ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Referenzlagen die räumlichen Lagen des Brustkorbs und/oder der Bauchdecke in den Schichtbildern bestimmen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Differenzen (dH) durch Segmentierung des Untersuchungsbereiches (17) in den Schichtbildern bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Differenzen (dH) basierend auf einer Vielzahl von Punkten in den Schichtbildern bestimmt werden, wobei die Punkte den Referenzlagen des Untersuchungsbereiches (17) entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine Referenzgröße innerhalb eines der Schichtbilder bestimmt wird, indem ein Mittelwert der Punkte innerhalb dieses Schichtbildes bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Differenzen (dH) basierend auf einander entsprechenden Punkten bestimmt werden, wobei Punkte einander entsprechen, wenn sie den gleichen anatomischen Bereich des Untersuchungsbereiches (17) kennzeichnen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Differenzen (dH) gegenüber der Zeit (t) und/oder gegenüber den Positionen entlang der vorgegebenen Achse aufgetragen und ausgegeben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die tomographischen Rohdaten mit der wenigstens einen Atemphase korreliert werden, und wobei für jede Atemphase wenigstens ein Planungsbild basierend auf den tomographischen Rohdaten rekonstruiert wird.
System zum Bestimmen einer Atemphase, umfassende folgende Module: – Schnittstelle (16) zum Empfangen tomographischer Rohdaten basierend auf einer Spiralaufnahme eines Untersuchungsbereiches (17) eines Patienten (3), wobei der Untersuchungsbereich (17) wenigstens einen Teil des Torsos und/oder des Abdomens des Patienten (3) umfasst, – Prozessor (15), ausgebildet folgende Schritte auszuführen: – Rekonstruieren (PIC) von Schichtbildpaaren basierend auf den tomographischen Rohdaten, wobei ein Schichtbildpaar zwei Schichtbilder mit einem ersten zeitlichen Abstand (dt_1) an einer identischen Position entlang einer vorgegebenen Achse umfasst, – Erstes Bestimmen (DET-1) von Differenzen (dH) zwischen Referenzlagen (20, 21) des Untersuchungsbereiches (17) in jeweils zwei Schichtbildern eines Schichtbildpaares sowie zweites Bestimmen (DET-2) wenigstens einer Atemphase basierend auf den Differenzen (dH).
System nach Anspruch 13, wobei die Schnittstelle (16) und der Prozessor (15) dazu ausgebildet sind ein Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12 auszuführen.
System nach Anspruch 13 oder 14, weiterhin umfassend ein CT-Gerät (1), ausgelegt zum Aufnehmen (IMG) der tomographischen Rohdaten.
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, welches direkt in einen Speicher eines Computers (12) ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen, wenn die Programmabschnitte von dem Computer (12) ausgeführt werden.
Computerlesbares Medium (13), auf welchem von einem Computer (12) lesbare und ausführbare Programmabschnitte gespeichert sind, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen, wenn die Programmabschnitte von dem Computer (12) ausgeführt werden.