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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Erzeugung eines funktionellen Datensatzes eines perfundierten
Bereichs des menschlichen oder tierischen Körpers. Die
Erfindung betrifft des Weiteren ein Computerprogrammprodukt, das
das erfindungsgemäße Verfahren implementiert.
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Für
eine bildgebende Diagnostik zerebraler Erkrankungen wie z. B. einem
Schlaganfall, einer arteriell-venösen Malfunktion – kurz
AVM – oder Krebserkrankungen stehen neben etablierten Methoden
wie einer Computer-Tomographie (CT) und einer Magnetresonanztomographie
(MRT) auch eine auf einem C-Bogen basierende 3-D-Bildgebung zur
Verfügung. Allen diesen Methoden ist gemein, dass sie morphologische
Informationen über das Gewebe liefern.
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Die
Durchblutung von Gewebe, d. h. eine Perfusion von beispielsweise
einem Organ, ist ein weiterer, wichtiger funktioneller Parameter.
Durch die Bestimmung eines Perfusionsparameters (Durchblutungsparameters)
kann eine Störung der Durchblutung erkannt, lokalisiert
und deren Ausmaß bestimmt werden. Aus dieser Information
kann, insbesondere durch die Bestimmung von mehreren Perfusionsparametern,
eine optimale Therapie geplant und deren Erfolg durch eine erneute
Bestimmung kontrolliert werden.
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Bisher
wurden bildgebende Methoden wie Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie
(MRT) zur Bestimmung der Perfusion eines Gewebes verwendet. Hierbei
wird ein Kontrastmittelbolus in eine Vene injiziert, und das Einfluten des
Kontrastmittels in das Gewebe bildlich verfolgt. Ein derartiges,
auch ”Bolus Tracking” genanntes Verfahren ist
z. B. in dem Artikel von Leif Østergaard. "Principles
of cerebral perfusion imaging by bolus tracking". Journal
of Magnetic Resonance Imaging. 22(6): 710–717 beschrieben.
Derartige Methoden liefern aber nur eine Aussage über die
Gesamtperfusion des Gewebes, da das zur Bildaufnahme verwendete
Kontrastmittel nur in eine Peripherievene injiziert werden kann.
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Eine
selektive Injektion des Kontrastmittels in eine Arterie ist nicht
möglich, während der Patient sich in einem MRT-
oder CT-Gerät befindet. Der Grund dafür besteht
darin, dass die Einführung eines Katheters für
die Verabreichung des Kontrastmittels in eine Arterie nur mit einer
bildbasierten Führung möglich ist, wie sie z.
B. ein interventionelles Röntgengerät, z. B. Angiographiegerät,
bietet. Die von einem MRT- oder CT-Gerät produzierten Bilder
sind nicht dazu geeignet, die Einführung eines Katheters in
eine Arterie zu überwachen. Ist beispielsweise in der Praxis
eine selektive arterielle Injektion des Kontrastmittels notwendig,
so muss der zu behandelnde Patient zwischen dem Katheterlabor und
dem CT- bzw. MRT-Untersuchungsraum transportiert werden. Dieser
erhebliche Transportaufwand führt dazu, dass in der Praxis
nur wenige Gefäße in die Untersuchung eingeschlossen
werden können.
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Die
Embolisation ist beispielsweise eine wichtige interventionelle Methode
zur Behandlung von Blutungen, Gefäßfehlbildungen
oder blutgefäßreichen Tumoren durch einen künstlichen
Verschluss der Blutgefäße. Hierbei wird angestrebt,
möglichst nur die betroffenen Blutgefäße
zu schließen, ohne dabei die umliegenden gesunden Gefäße
zu gefährden. Ein Beispiel für einen blutgefäßreichen
Tumor ist ein Meningiom (Hirntumor), und die Therapie der Wahl zur
Behandlung dieses Tumors ist eine Operation, wobei immer häufiger
in der Vorbereitung der Operation gezielt die zum Tumor führenden
Blutgefäße interventionell verschlossen werden,
um den operativen Blutverlust zu minimieren. Für diese
Embolisation ist jedoch eine genaue Kenntnis der den Tumor versorgenden
Blutgefäße notwendig. Neben einer reinen Angiographie
ist hier die Messung der Perfusion und insbesondere des Blutvolumens
in 3-D sehr hilfreich.
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Eine
spezielle Problematik, die häufig bei Meningiomen auftritt,
ist, dass dieser Tumor über verschiedene Blutgefäße
versorgt wird. Die Embolisation muss aber hochselektiv erfolgen,
um die Versorgung des Hirnparenchyms auch nach erfolgter Embolisation
zu gewährleisten. Aus diesem Grund muss vor der Operation
eine sorgfältige Bestimmung der zuführenden Blutgefäße
und der durchbluteten Tumore-Areale mittels mehrerer selektiver
oder superselektiver arterieller Kontrastmittelinjektionen erfolgen.
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Die
Embolisation von Meningiomen mittels Perfusionsbildgebung wurde
beispielsweise von A. J. Martin, S. Cha, R. T. Higashida,
S. P. Cullen, V. Halbach, C. F. Dowd, M. W. McDermott und D. A.
Saloner in "Assessment of Vasculature of Meningiomas and
the Effects of Embolization with Intra-arterial MR Perfusion Imaging:
A Feasibility Study", AJNR Am. J. Neuroradiol., Oktober
2007, 28: 1771–1777, beschrieben. Darin beschreiben
Martin et al. ein Verfahren einer interventionellen Angiographie
und Katheterplatzierung, kombiniert mit einer Perfusionsmessung
mittels Magnetresonanz (MR). Dabei wird an einem angiographischen
System ein Katheter interventionell bei gleichzeitiger Durchleuchtung
in einem das Meningiom versorgenden Gefäß (z.
B. in der äußeren Halsschlagader (Arteria carotis
externa)) platziert. Anschließend wird der Patient in das
MRT-System transferiert und eine Perfusionsmessung mit einer selektiven
Kontrastmittelinjektion durchgeführt. Danach erfolgt die
Perfusionsmessung mittels selektiver Kontrastmittelinjektion in
ein weiteres, den Tumor versorgendes Gefäß. Hier
wird allerdings die nicht sehr selektive Halsschlagader (Arteria
carotis communis) gewählt. Der Grund für diese
Einschränkung besteht darin, dass der Katheter lediglich
durch ein einfaches Zurückziehen in diese Position gebracht werden
kann, da der Patient sonst erst zurück in das Durchleuchtungssystem
gebracht und nach erfolgter Repositionierung des Katheters wieder
zum MR transferiert werden müsste. Dieses Vorgehen ist
aufgrund des Patiententransportes sehr umständlich und
erfordert eine komplizierte Auswertung und Interpretation der Er gebnisse,
da keine zwei echten superselektiven Kontrastmittelinjektionen durchführbar sind.
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Ganz
allgemein besteht auch für andere Anwendungen, wie z. B.
die Perfusion von Lebertumoren, die Perfusion des Hirnparenchyms
nach einem Schlaganfall etc., der Bedarf bzw. die Notwendigkeit, eine
Aussage über die insgesamt resultierende Perfusion definierter
Strukturen auf der Basis mehrerer selektiver oder superselektiver
Einzelkontrastmittelinjektionen zu erzielen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen,
welches eine verbesserte Aussage über die insgesamt resultierende
Perfusion definierter Strukturen, wie z. B. von Geweben wie Leber
und Gehirn von Menschen und Tieren, gestattet.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale
der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die
abhängigen Ansprüche geben bevorzugte Ausführungsformen
an.
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Erfindungsgemäß wird
demnach ein erstes Verfahren zur Erzeugung zumindest eines funktionellen
Datensatzes eines perfundierten Bereichs des menschlichen oder tierischen
Körpers beansprucht, welches die folgenden Schritte umfasst:
- – Bereitstellen eines ersten Bilddatensatzes,
welcher zumindest zwei Bilder des perfundierten Bereichs umfasst,
die zu verschiedenen Zeitpunkten vor und nach einer Injektion von
Kontrastmittel in eine erste den Bereich speisende Arterie aufgenommen
wurden;
- – Bereitstellen eines zweiten Bilddatensatzes, welcher
zumindest zwei Bilder des perfundierten Bereichs umfasst, die zu
verschiedenen Zeitpunkten vor und nach einer Injektion von Kontrastmittel in
eine zweite den Bereich speisende Arterie aufgenommen wurden;
- – Erzeugung eines ersten funktionellen Datensatzes
durch pixelweise Berechnung von zumindest einem Perfusionsparameter
aus dem ersten Bilddatensatz und
- – Erzeugung eines zweiten funktionellen Datensatzes
durch pixelweise Berechnung von zumindest einem Perfusionsparameter
aus dem zweiten Bilddatensatz.
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Der
perfundierte Bereich des menschlichen oder tierischen Körpers
ist ein Bereich, in dem mit Blut versorgtes und somit kapillarisiertes
Gewebe vorhanden ist. Bevorzugt enthält der Bereich ein
Organ wie das Gehirn oder die Leber, Niere, Lunge, Prostata, Bauchspeicheldrüse
oder Herz. Es kann auch ein Muskel oder ein anderes Organ eines
Menschen oder Tieres sein.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Perfusionsmessung
nach einer selektiven Kontrastmittelinjektion in zwei verschiedene
Arterien, die denselben Bereich im Körper speisen, besonders aussagekräftige
Erkenntnisse liefert. Aufgrund der oben beschriebenen Schwierigkeiten
bei der Positionierung eines Katheters in verschiedenen Arterien
ist ein derartiges Verfahren bislang nicht bekannt. In dem genannten
Artikel von A. J. Martin et al. erfolgt die zweite
Kontrastmittelinjektion in die nicht sehr selektive Halsschlagader
(arteria carotis communis). Bei der Erfindung werden dagegen beide
Bilddatensätze nach einer selektiven bzw. superselektiven
Injektion von Kontrastmittel gewonnen. Bevorzugt weisen die erste
und zweite Arterie ungefähr die gleiche Größe
bzw. die gleiche Höhe im Gefäßbaum auf.
Die beiden Arterien versorgen z. B. angrenzende Bereiche wie die
rechte und linke Hirnhälfte, oder zumindest ungefähr
den gleichen Bereich.
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Das
Verfahren wird bevorzugt mit Bildern des ersten und zweiten Bilddatensatzes
durchgeführt, die mit einem Angiographiegerät,
insbesondere einem C-Bogen-Röntgengerät, erzeugt
wurden. Unter einem Angiographiegerät wird ein Röntgengerät
verstanden, welches für Interventionen geeignet ist. Insbesondere
weist ein derartiges Angiographiegerät eine Röntgenröhre und
einen Röntgendetektor auf, die um den perfundierten Bereich
bzw. um einen Patienten verfahrbar sind.
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Unter
einem C-Bogen-Röntgengerät wird ein Röntgengerät
verstanden, bei welchem die Röntgenröhre und der
Röntgendetektor an einem um das Objekt rotierbaren C-Bogen
befestigt sind.
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Derartige
Angiographiegeräte haben den Vorteil, dass der erste und
der zweite Bilddatensatz während der gleichen Sitzung oder
Intervention, also ohne den Patienten aus dem Angiographiegerät
herauszunehmen, aufgenommen werden können. Zwischen der
Aufnahme des ersten und zweiten Bilddatensatzes wird ein Katheter,
durch den das für die funktionellen Aufnahmen erforderliche
Kontrastmittel injiziert wird, aus der ersten Arterie ausgezogen
und in die zweite Arterie verschoben, dabei vorzugsweise vorgeschoben,
also im Gefäßbaum zu kleineren Arterien hin verschoben.
Dies erfolgt vorzugsweise bildgesteuert, also während durch
den C-Bogen in Echtzeit Röntgenbilder (Fluoroskopiebilder)
aufgenommen werden.
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Selbstverständlich
ist die Erfindung auch zur Verarbeitung von mehr als zwei Bilddatensätzen,
insbesondere drei oder vier Bilddatensätzen, verwendbar,
die alle vor und nach einer Injektion von Kontrastmittel in eine
weitere den Bereich speisende Arterie aufgenommen wurden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise unmittelbar
vor, während oder zur direkten Kontrolle nach einer Intervention
an einem Gefäß, z. B. beim Schlaganfall, verwendet.
Eine besonders vorteilhafte Anwendung liegt in der getrennten Kontrastmittelinjektion
in die linke und rechte innere Halsschlagader (Arteria carotis internes),
da dadurch im Wesentlichen nur die Perfusion der korrespondierenden
Gehirnhemisphäre gemessen wird. Zusätzlich wird
jedoch die gegenüberliegende Hemisphäre über
den Circulus Willisi (Arterienring des Hirns) durchblutet. Im Gegenzug
wird die zu untersuchende Hemisphäre über den
Circulus Willisi auch durch Blut, das kein Kontrastmittel enthält,
mitversorgt, was zu einer Verfäl schung der Ergebnisse führen
kann. Erst eine kombinierte Auswertung mittels zweier geeignet kombinierter
selektiver Kontrastmittelinjektionen in beide Karotiden kann ein
aussagekräftiges Ergebnis der Perfusion liefern. Zusätzlich
muss auch noch die Versorgung der Hemisphären über
die Vertebralarterien bzw. die Basilarisarterien mit einbezogen
werden. Dies wäre also ein Beispiel für die Verwendung
von mehr als zwei, insbesondere vier oder fünf, Bilddatensätzen
im Rahmen der Erfindung.
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Unter
einem Bild des perfundierten Bereichs wird eine 2-D-Matrix oder
3-D-Matrix verstanden, welche räumlich aufgelöste
Bilddaten in Form von Grauwerten enthält, die dem dargestellten
perfundierten Bereich entsprechen. Die Bilder werden vorzugsweise
mittels Röntgenstrahlen gewonnen; insbesondere handelt
es sich bei den 2-D-Bildern bevorzugt um Projektionsbilder. Ein
3-D-Bild des perfundierten Bereichs kann ebenfalls mit einem C-Bogen-Röntgengerät
gewonnen werden, und zwar durch einen sogenannten ”Rotationslauf”.
Hierbei wird der C-Bogen einmal um ca. 180° plus Fächerwinkel
der Röntgenquelle um den menschlichen oder tierischen Körper
verfahren und dabei werden in kurzen zeitlichen Abständen
2-D-Projektionsbilder aufgenommen. Beispielsweise werden dadurch
innerhalb von etwa 1 bis 5 Sekunden ca. 50 bis 500 Projektionsbilder
akquiriert. Aus diesen Bildern kann durch geeignete Rückprojektionsverfahren
(z. B. filtered back-projection) ein 3-D-Bildvolumen rekonstruiert
werden.
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Der
erste und zweite Bilddatensatz enthalten jeweils zumindest zwei
derartige (2-D- oder 3-D-)Bilder des perfundierten Bereichs, von
denen zumindest eins vor der Ankunft des injizierten Kontrastmittels
im perfundierten Bereich und zumindest eines nach Einfluten des
Kontrastmittels aufgenommen wurden. Z. B. aus der Differenz dieser
Bilder bzw. durch weitere Analyseverfahren können daraus
Perfusionsparameter errechnet werden. Dies geschieht pixelweise,
also für zumindest einige Pixel des ersten bzw. zweiten
Bilddatensatzes. Die derart berechneten Perfusionsparameter werden
Pixel für Pixel in einem funktionellen Datensatz gespeichert.
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Unter
einem funktionellen Datensatz wird somit ein 2-D- oder 3-D-Datensatz
verstanden, welcher räumlich aufgelöste Daten
enthält, die zumindest einem Perfusionsparameter entsprechen,
wie beispielsweise dem Blutvolumen (BV), dem Blutfluss (BF), der
Zeit bis zum Anstieg des Kontrastmittels (arrival time), der Zeit
zur maximalen Kontrastierung/Füllung (time to peak), der
mean-transit time (MTT) des Kontrastmittels über die Zeit
oder einem zu einem dieser Werte proportionalen oder aus diesen
Werten zusammengesetzten Parameter. Der funktionelle Datensatz kann
auch Daten zu mehreren dieser Perfusionsparameter enthalten, z.
B. zu jedem Pixel/Voxel einen Wert, der proportional zum Blutvolumen
(BV) und einen Wert, der proportional zum Blutfluss (BF) ist.
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Der
funktionelle Datensatz deckt beispielsweise den gleichen Raum im
menschlichen oder tierischen Körper ab wie die Bilder des
Bilddatensatzes, und hat insbesondere die gleichen Dimensionen (2-D bzw.
3-D, mit der gleichen Anzahl Pixe/Voxel).
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Es
ist ein Ziel der Erfindung, dass die aus dem ersten und zweiten
Bilddatensatz (also unter Injektion in verschiedene Arterien) gewonnenen
Bilddaten miteinander verglichen werden können. Dies kann
auf zwei verschiedene Arten geschehen:
Gemäß dem
ersten Verfahren wird durch entsprechende Analyse aus dem ersten
Bilddatensatz ein erster funktioneller Datensatz berechnet und aus dem
zweiten Bilddatensatz ein zweiter funktioneller Datensatz. Diese
können entweder nebeneinander dargestellt und dadurch ausgewertet
werden, oder sie werden miteinander überlagert. Bevorzugt
werden sie zu einem funktionellen Gesamtdatensatz verknüpft,
beispielsweise durch Addition. Dies Verfahren hat den Vorteil, dass
der erste und zweite funktionelle Gesamtdatensatz dadurch separat
dargestellt und ausgewertet werden können.
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Gemäß dem
zweiten Verfahren werden zuerst der erste und zweite Bilddatensatz
zu einem Gesamtbilddatensatz verknüpft, beispielsweise
durch Addition, gegebenenfalls mit vorheriger Gewichtung oder Normierung.
Aus dem Gesamtbilddatensatz wird dann ein funktioneller Gesamtdatensatz
durch pixelweise Berechnung von zumindest einem Perfusionsparameter
erzeugt. Beispielsweise weist der funktionelle Gesamtdatensatz die
gleichen Dimensionen (Anzahl Pixel/Voxel) wie der Gesamtbilddatensatz
auf. Der funktionelle Gesamtdatensatz repräsentiert vorzugsweise
die Gesamtperfusion des perfundierten Bereichs.
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Der
erste und zweite Bilddatensatz bzw. die darin enthaltenen Bilder
decken bevorzugt alle den gleichen Bereich im menschlichen bzw.
tierischen Körper ab. Insbesondere decken die mindestens zwei
Bilder in jedem Bilddatensatz jeweils den gleichen Bereich ab, zumal
sie jeweils kurz hintereinander aufgenommen wurden. Es ist jedoch
möglich, dass die Bilder des ersten und zweiten Bilddatensatzes
sich nur teilweise überlappen, insbesondere wenn die erste
und zweite Arterie jeweils Bereiche speisen, die sich nur teilweise überlappen.
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Der
erste und der zweite Bilddatensatz können Bilder gemäß den
im Folgenden beschriebenen vier Varianten enthalten:
Gemäß einer
ersten Variante umfassen der erste und zweite Bilddatensatz jeweils
zumindest ein natives 2-D-Bild und ein kontrastiertes 2-D-Bild,
wobei es sich bevorzugt um 2-D-Projektionsbilder handelt. Das kontrastierte
2-D-Bild ist bevorzugt bei maximaler Füllung des perfundierten
Bereichs mit Kontrastmittel oder zumindest bei annähernd
maximaler Füllung aufgenommen worden. Bevorzugt werden
mehrere kontrastierte 2-D-Bilder nacheinander aufgenommen, und dasjenige
mit dem stärksten Kontrast, also mit der stärksten
Füllung, wird ausgewählt. Das native 2-D-Bild
wird vor dem Anfluten des Kontrastmittels aufgenommen. Zur Berechnung
eines Perfusionsparameters wird das native 2-D-Bild vom kontrastierten
2-D-Bild subtrahiert. Dadurch erhält man einen Wert, der
proportional zum Blutvolumen, im Fall des Gehirns zum zerebralen
Blutvolumen (CBV) ist.
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Die
zweite Variante ist ähnlich wie die erste, anstelle des
nativen und kontrastierten 2-D-Bildes wird jedoch jeweils ein 3-D-Bild
verwendet. Dieses wird bevorzugt durch den beschriebenen Rotationslauf
aufgenommen. Da die Akquisition somit ein paar Sekunden dauert,
muss der Kontrastmittelbolus lang genug sein, z. B. fünf
Sekunden oder länger. Von dem 3-D-Bild, das aus den im
Rotationslauf während der Injektion akquirierten Projektionsbildern
rekonstruiert wird, wird dann ein entsprechendes natives 3-D-Bild
abgezogen. Im Übrigen kann die zweite Variante wie die
erste ausgestaltet sein.
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Um
den ersten und zweiten Bilddatensatz bzw. den daraus gewonnenen
ersten und zweiten funktionellen Datensatz miteinander vergleichen
zu können, ist es vorteilhaft, den Bilddatensatz bzw. die funktionellen
Daten auf die Kontrastmittel-Konzentration zu normieren. Dies geschieht
bevorzugt gegen die sogenannte arterielle Inputfunktion (AIF). Diese kann
zum Einen aus den protokollierten Injektionsparametern abgeleitet
werden. Um die AIF möglichst lokal zu bestimmen, d. h.
in den Gefäßen, die den perfundierten Bereich
versorgen, wird bevorzugt ein Pixel im kontrastierten Bild gewählt,
welches auf der zuführenden Arterie liegt, und dieses zur
Normierung verwendet.
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Sowohl
bei der ersten als auch zweiten Variante können sowohl
die zwei Bilder jedes Bilddatensatzes, als auch die beiden Bilddatensätze
untereinander miteinander registriert werden, bevor sie entsprechend
analysiert und verknüpft werden. Eine Registrierung ist
eine Abbildung bzw. eine Verschiebung eines Bildes gegenüber
einem anderen Bild des gleichen Bereichs derart, dass einander korrespondierende
Strukturen innerhalb des Bereichs aufeinander abgebildet werden.
Die Registrierung erfolgt bevorzugt anhand von Strukturen, die sowohl
in den nativen als auch in den kontrastierten Bildern vorhanden sind,
z. B. anhand von knöchernen Strukturen. Zum Beispiel werden
jeweils nur die nativen Bilder der beiden Bilddatensätze
miteinander registriert.
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Gemäß einer
dritten Variante umfasst der erste und zweite Bilddatensatz jeweils
eine Serie aus nacheinander aufgenommenen 2-D-Bildern. Diese decken
bevorzugt zumindest den Zeitraum des ”first pass”,
also den ersten Durchlauf des Kontrastmittels durch den perfundierten
Bereich. Beispielsweise umfasst die Serie 10 bis 1000 Bilder, die
jeweils hintereinander in zeitlichen Abständen von zwischen
5 ms und 500 ms akquiriert wurden. Bei den 2-D-Bildern handelt es
sich wiederum bevorzugt um Röntgenbilder, besonders bevorzugt
um mit einem C-Bogensystem erzeugte Fluoroskopiebilder. In der Regel
wird während der Akquisition einer Serie der C-Bogen nicht
verfahren, so dass alle Projektionsbilder aus der gleichen Richtung
aufgenommen wurden. Besonders bevorzugt wird der C-Bogen auch zwischen
der Aufnahme der Serie des ersten bzw. zweiten Bilddatensatzes nicht
verfahren. Es ist jedoch auch möglich, zwischen zwei Serien
den C-Bogen um den Patienten zu verfahren, um für jede
speisende Arterie die dazugehörige Serie aus einem idealen
Blickwinkel aufnehmen zu können.
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Die
Aufnahme einer Serie bietet den Vorteil, dass aus der Dynamik des
Kontrastmittelanstiegs und -abflutens weitere Perfusionsparameter
berechnet werden können, z. B. der Blutfluss, aber auch
die Zeit bis zum Anstieg des Kontrastmittels und die Zeit bis zum
Erreichen der maximalen Füllung. Diese Parameter liefern
wichtige Informationen über den Zustand der speisenden
Arterien. Genaue mathematische Formeln für die Berechnung
sind beispielsweise in dem genannten Artikel von Leif Østergaard beschrieben.
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Gemäß einer
vierten Variante umfasst der erste und zweite Bilddatensatz jeweils
eine Serie aus nacheinander aufgenommenen 3-D-Bildern. Hierbei kann
es sich wiederum um 3-D-Bilder handeln, die durch einen Rotationslauf
eines C-Bogen-Röntgengeräts erzeugt wurden. Dadurch
können die 3-D-Bilder derzeit nicht mit gleicher zeitlicher
Auflösung aufgenommen werden wie die 2-D-Bilder, so dass
auch hier vorzugsweise ein längerer Kontrastmittelbolus injiziert
wird. Es ist jedoch möglich, alle zwei bis drei Sekunden
ein 3-D-Bild zu erzeugen. Aus dem Konzentrationsverlauf kann z.
B. der BF, die MTT, etc. berechnet werden. Im Übrigen kann
die vierte Variante wie die dritte Variante ausgestaltet sein.
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Die
Injektion von Kontrastmittel findet jeweils kurz vor der Akquisition
jeweils einer Serie oder in der Anfangsphase der Akquisition einer
Serie von 2-D-Bildern oder 3-D-Bildern statt.
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Da
die Serien des ersten und zweiten Bilddatensatzes mit verschiedenen
Kontrastmittelinjektionen erzeugt werden, ist auch bei der dritten
und vierten Variante eine Normierung der erhaltenen Ergebnisse auf
die Kontrastmittelmenge und das Injektionsprofil sinnvoll. Die quantitative
Auswertung der Perfusionsparameter, wie z. B. BF, MTT, etc., hängt von
der Bolusgeometrie ab; deshalb ist auch in diesem Fall eine Normierung
des gemessenen Kontrastkonzentrations-Zeitverlaufs im Gewebe gegen die
AIF sinnvoll. Dabei wird beispielsweise eine ”region of
interest” (ROI) vom Anwender gewählt, welche vorzugsweise
in der den Bereich speisenden Arterie, in die auch das Kontrastmittel
injiziert wird, liegt. Die Zeitintensitätskurve in diesem
ROI wird als AIF angenommen. Bevorzugt wird dieses ROI jedoch automatisch
gewählt, z. B. indem das Areal mit der frühesten ”time
to peak” vom Rechenmodul als AIF angenommen wird. Den normierten
Zeitverlauf des Kontrastmittels im Gewebe erhält man beispielsweise
durch Entfaltung des gemessenen Kontrastkonzentrations-Zeitverlaufs
mit der AIF, wie von Leif Østergaard in
dem genannten Artikel beschrieben ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform werden somit aus dem ersten und zweiten
Bilddatensatz zunächst ein normierter erster und zweiter
Bilddatensatz berechnet, bei dem die Serie der aufgenommenen Bilder
Pixel für Pixel mit der AIF entfaltet ist.
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Es
versteht sich, dass bei der ersten und dritten Variante die funktionellen
Datensätze zweidimensional sind, während die zweite
und vierte Variante die Erzeugung von dreidimensionalen funktionellen Datensätzen
erlauben.
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Die
Verknüpfung des ersten und zweiten funktionellen Datensatzes
gemäß dem ersten Verfahren erfolgt z. B. durch
pixelweise Addition oder Multiplikation oder dem Maximum von den
beiden, wobei optional der erste und/oder der zweite funktionelle
Datensatz vorher segmentiert und/oder normiert werden, wie oben
beschrieben. Die Segmentierung kann dazu dienen, nicht-perfundierte
Bereiche, wie z. B. Knochen und Luft, auf Null zu setzen. Ferner können
hierdurch auch besonders interessante Bereiche, wie z. B. ein Tumor,
selektiv ausgewählt werden.
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Die
Verknüpfung des ersten und zweiten Bilddatensatzes zu einem
Gesamtbilddatensatz gemäß dem zweiten Verfahren
geschieht vorzugsweise durch pixelweise Addition oder gewichtete
Addition, wobei optional der erste und/oder der zweite Bilddatensatz
vorher segmentiert und/oder normiert werden. Bevorzugt werden die
Bilder des ersten und zweiten Bilddatensatzes vor ihrer Verknüpfung
bzw. vor der Erzeugung des ersten und zweiten funktionellen Datensatzes
miteinander registriert.
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Da
zwischen den einzelnen Aufnahmen der 2-D-Bilder oder 3-D-Bilder
innerhalb einer Serie eine geringfügige Bewegung des Patienten
nicht auszuschließen ist, werden die 2-D-Bilder und 3-D-Bilder einer
Serie bevorzugt untereinander registriert. Dies kann anhand der
kontrastierten Gefäße erfolgen.
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Wurden
die 2-D- bzw. 3-D-Bilder mit einem C-Bogen-Röntgengerät
erzeugt, wird diese Kalibrierung der Projektionsbilder ermöglichen,
die theoretische Position einer beliebigen dreidimensionalen Struktur
im Raum auf einem mit beliebigen Einstellungen (Angulation, Verschiebung
der Patientenliege, etc.) aufgenommenen Projektionsbild zu berechnen.
In anderen Worten kann, wenn die Position einer Struktur im Untersuchungsbereich
bekannt ist, berechnet werden, wo diese Struktur auf einem aus einer
beliebigen Projektionsberichtung aufgenommenen Projektionsbild abgebildet
würde. In der
US 2006/0285738
A1 ist beispielsweise ein derartiges Registrierungsverfahren
beschrieben.
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Es
ist auch möglich, die 2-D- bzw. 3-D-Bilder von verschiedenen
Serien untereinander zu registrieren. Dies ist insbesondere dann
vorteilhaft, wenn zwischen der Akquisition der einzelnen Serien
Zeit vergangen ist, z. B. durch Verschiebung des Injektionskatheters
in ein anderes Gefäß, und der Patient sich in
der Zwischenzeit bewegt hat. Ferner ist es auch möglich,
durch eine derartige Registrierung zwischen den einzelnen Serien
eine Verschiebung des C-Bogens zwischen den Serien auszugleichen.
Um die verschiedenen Serien untereinander zu registrieren, werden
wiederum beispielsweise jeweils die nativen Bilder miteinander registriert.
Dies erfolgt z. B. durch knöcherne Strukturen, die in den
Nativbildern vorhanden sind.
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Alternativ
könnten auch der erste und zweite funktionelle Datensatz
miteinander registriert werden.
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Der
erste und zweite funktionelle Datensatz werden vorzugsweise mittels
selektiver oder superselektiver Kontrastmittelinjektion in verschiedene
Arterien erzeugt.
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Unter
selektiver Kontrastmittelinjektion wird eine Injektion in ein Gefäß verstanden,
das den perfundierten Bereich versorgt, wie beispielsweise die linke
Halsschlagader (Arteria carotis communis), wenn ein funktioneller
Datensatz für die linke Hirnhemisphäre berechnet
werden soll. Mit superselektiver Kontrastmittelinjektion ist eine
Injektion in ein kleineres Gefäß gemeint, insbesondere
in eines von mehreren Gefäßen, die einen bestimmten
Bereich versorgen, z. B. die Injektion in eine Branch der inneren Halsschlagader
(Arteria carotis interna).
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Nach
Erzeugung der funktionellen Datensätze bzw. eines funktionellen
Gesamtdatensatzes werden diese vorzugsweise farbkodiert dargestellt,
so dass eine Analyse der Perfusion des betrachteten Bereichs erleichtert
wird. Eine derartige farbkodierte Darstellung kann beispielsweise überlagert
werden mit einer Grautondarstellung eines morphologischen Bilddatensatzes
des gleichen Bereichs. Dieser wurde beispielsweise vorher mittels
CT, MRT oder einem C-Bogen-Röntgengerät (mittels
C-Arm CT) aufgenommen und wird mit dem ersten und zweiten Bilddatensatz
bzw. mit den funktionellen Datensätzen registriert, damit
die Perfusionsdaten auf den entsprechenden Strukturen auf den morphologischen
Bildern dargestellt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren bietet weiterhin den
Vorteil, dass die Kollateralversorgung bestimmter Bereiche beurteilt
werden kann, was für verschiedene Krankheitsbilder ein
wichtiger prognostischer Faktor ist. Durch Vergleich eines ersten
und zweiten funktionellen Datensatzes kann man leicht feststellen,
ob ein bestimmter Bereich von mehreren Arterien versorgt wird, und
mit welcher Gewichtung. Zur qualitativen Auswertung können
bei Verknüpfung eines ersten und zweiten funktionellen
Datensatzes beispielsweise zwei Datensätze in voneinander
verschiedenen Farben dargestellt und übereinander gelegt
werden. Das gemischtfarbige Areal wird dann von beiden Arterien
versorgt.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung
anzugeben, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignet ist. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung umfasst:
- – ein Bildaufnahmesystem
zur Akquisition eines ersten und zweiten Bilddatensatzes, die jeweils zumindest
zwei Bilder eines perfundierten Bereichs des menschlichen oder tierischen
Körpers umfassen, die zu verschiedenen Zeitpunkten vor und
nach einer Injektion von Kontrastmittel in eine den Bereich speisende
Arterie aufgenommen wurden;
- – einen Datenspeicher zum Speichern des ersten und
zweiten Bilddatensatzes;
- – ein Rechenmodul zur Erzeugung von funktionellen Datensätzen
durch pixelweise Berechnung von zumindest einem Perfusionsparameter
aus dem ersten und zweiten Bilddatensatz bzw. aus einem Gesamtbilddatensatz,
der durch Verknüpfung aus dem ersten und zweiten Bilddatensatz erzeugt
wurde, und
- – einen Bildschirm zur Darstellung der funktionellen
Datensätze.
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Das
Aufnahmesystem ist vorzugsweise ein Röntgengerät,
insbesondere ein Angiographiegerät gemäß der
oben angegebenen Definition. Dieses ist bevorzugt zur Akquisition
von 2-D-Bildern und 3-D-Bildern mittels Rotationslauf geeignet.
Das Rechenmodul ist vorzugsweise dazu ausgelegt, die oben beschriebenen
Verknüpfungs- und Analyseschritte durchzuführen.
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Darüber
hinaus umfasst die Vorrichtung bevorzugt eine Steuereinrichtung,
die das Bildaufnahmesystem entsprechend so steuert, dass das erfindungsgemäße
Verfahren ausgeführt werden kann.
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Die
Vorrichtung kann ferner eine Injektionseinrichtung zur Verabreichung
des Kontrastmittels aufweisen, welche insbesondere zur Verabreichung
eines Kontrastmittelbolus mit bestimmtem Zeitverlauf steuerbar sein
kann.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die verbesserte Versorgung
von medizinischem Personal mit Informationen über Form
und Umfang einer Durchblutung eines Gewebes. Diese Aufgabe wird
durch die Verwendung eines Verfahrens und/oder einer Vorrichtung
nach einem der vorstehend genannten Ansprüche während
eines medizinischen Eingriffs gelöst. Vorzugsweise kann
während des Eingriffs mit einer auf C-Bogen basierenden Bildgebung
beispielsweise eine Abgrenzung von akut durch einen Schlaganfall
oder Infarkt geschädigten Gewebe oder angrenzendem Gewebe
erleichtert werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist diese auch auf die Verwendung
eines Angiographiegeräts zur Erzeugung von funktionellen
Datensätzen gerichtet, welche Perfusionsdaten eines in dem
funktionellen Datensatz dargestellten Bereichs enthalten. Bei den
Perfusionsdaten kann es sich um einen der weiter oben genannten
Perfusionsparameter handeln. Diese werden durch ”Bolus
Tracking”-Verfahren ermittelt, also durch Auswertung von
mindestens zwei Bildern, die zu verschiedenen Zeiten vor und nach
einer Injektion von Kontrastmittel in ein den Bereich speisendes
Gefäß, insbesondere eine Arterie, aufgenommen
wurden.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung und
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3 bis 5 Darstellungen
des Blutvolumens eines Gehirns durch intra-arterielle Kontrastmittelinjektion.
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Die 1 zeigt
ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es,
eine Aussage über die insgesamt resultierende Perfusion
perfundierter Strukturen, wie z. B. dem Gehirn, der Leber etc.,
auf der Basis mehrerer selektiver oder superselektiver Einzelkontrastmittelinjektionen
(I1 bis In) zu erzielen.
n ist eine ganze natürliche Zahl und gibt die Anzahl der Einzelkontrastmittelinjektionen
und gleichzeitig auch die Anzahl der jeweiligen Bilddatensätze
von dem perfundierten Bereich an. Jeder Bilddatensatz enthält in
diesem Ausführungsbeispiel eine Serie von nacheinander
aufgenommenen 2-D- oder 3-D-Bildern des Bereichs. Das Verfahren
besteht aus mehreren Schritten:
In einem ersten Schritt S1
wird zunächst jeweils eine Serie von Projektionsbildern
eines Bereichs des Objekts aufgenommen (Serie 1 bis n). Dies erfolgt
mit einem beliebigen medizinischen Bildgebungsverfahren, welches
geeignet ist, aufschlussreiche Bildaufnahmen des interessierenden
Objekts, z. B. das Gehirn eines Menschen oder eines Tieres, in ausreichender
zeitlicher Auflösung zur Verfolgung eines Kontrastmittelbolus
zu erzeugen, z. B. Projektionsradiographie. Danach kann eine Registrierung
der Serie von Bildern erfolgen.
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In
einem zweiten Schritt S2 wird von jeder Serie von aufgenommenen
Bildern (Serie 1 bis n) der zugehörige funktionelle Datensatz
extrahiert oder berechnet. Bei dem Datensatz kann es sich um einen 2-D-
oder 3-D-Datensatz – je nach Dimension der aufgenommenen
Bilder – handeln.
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Im
letzen Schritt S3 erfolgt die Verknüpfung der jeweiligen
funktionellen Datensätze zu einem funktionellen Gesamtdatensatz,
um so Aussagen über die Gesamtperfusion des perfundierten
Bereichs bzw. Gewebes oder Organs zu erhalten.
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In
der 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer zur
Ausführung der des beschriebenen Verfahrens geeigneten
Vorrichtung dargestellt. Diese umfasst ein Bildaufnahmesystem 8 mit
einem C-Bogen 10, an dessen Enden jeweils eine Röntgenröhre 12 und
ein Röntgendetektor 14 befestigt sind. Der C-Bogen 10 ist
frei um eine Patientenliege 16 vierfahrbar, auf der ein
Patient 18 gelagert ist. Dadurch können vom Patienten
Projektionsbilder aus beliebigen Projektionsrichtungen akquiriert
werden.
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Diese
Projektionsbilder werden in den Datenspeicher 22 eines
Steuerungs- und Bildverarbeitungsrechners 20 übertragen.
Der Rechner 20 enthält ferner ein Rechenmodul 24,
mit dem aus den aufgenommenen Projektionsbildern funktionelle Datensätze
berechnet werden können, die wiederum die Grundlage zur
Berechnung des funktionellen Gesamtdatensatzes des Organs bilden.
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An
den Steuerungs- und Bildverarbeitungsrechner 20 ist ferner
ein Bildschirm 26 zur Darstellung der Projektionsbilder
und der funktionellen Datensätze, sowie eine Maus 28 zur
Auswahl von Punkten, Linien, Bereichen etc. auf den Projektionsbildern angeschlossen.
Alternativ kann das Mittel 28 auch ein anderes Cursorbewegungsmittel
wie ein Trackball oder ein Touchscreen sein.
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In
den 3 bis 5 sind schließlich
Darstellungen des Blutvolumens eines Gehirns durch intra-arterielle
Kontrastmittelinjektion gezeigt. Die 3 zeigt
die Darstellung des ersten funktionellen Datensatzes, der erhalten
wurde durch Kontrastmittelinjektion in die linke innere Halsschlagader
(Arteria carotis internes) und anschließender Akquisition
einer Serie von Projektionsbildern des Gehirns. Wie deutlich erkennbar
ist, zeigt die linke Gehirnhemisphäre, bei der das Blut
mit Kontrastmittel versetzt ist, ein deutlich höheres Blutvolumen
als die rechte Gehirnhemisphäre, bei der das Blut kein
Kontrastmittel bzw. geringe Kontrastmittelmengen aufgrund des Circulus
Willisi (Circulus arteriosus cerebri) enthält. Die 4 zeigt
die Darstellung des zweiten funktionellen Datensatzes, der erhalten
wurde durch Kontrastmittelinjektion in die rechte innere Halsschlagader
(Arteria carotis internes) und anschließender Akquisition
einer Serie von Projektionsbildern des Gehirns. Wie deutlich erkennbar
ist, zeigt hier die rechte Gehirnhemisphäre, bei der das
Blut mit Kontrastmittel versetzt ist, ein deutlich höheres
Blutvolumen als die linke Gehirnhemisphäre, bei der das
Blut kein Kontrastmittel bzw. geringe Kontrastmittelmengen aufgrund
des Circulus arteriosus cerebri enthält. Die 5 zeigt
schließlich eine Darstellung des funktionellen Gesamtdatensatzes
des Gehirns, der durch eine Überlagerung (Addition) des
ersten und zweiten funktionellen Datensatzes aus den 3 und 4 erhalten
wurde.
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Im
Folgenden werden Ausführungsbeispiele des Workflows bei
der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kurz beschrieben:
Zunächst wird der Fall der ersten
bzw. zweiten Variante beschrieben, bei dem der erste und zweite
Bilddatensatz relativ statisch aus nur wenigen 2-D- oder 3-D-Bildern
bestehen:
- 1. Akquisition eines nativen Bildes.
- 2. Akquisition mehrerer Bilder kurz nach der selektiven oder
superselektiven Kontrastmittelinjektion in verschiedene Arterien.
- 3. Im Fall von 3-D-Bildern, Rekonstruktion der jeweils bei einem
Rotationslauf aufgenommenen Projektionsbilder zu einem 3-D-Bild.
- 4. Funktionelle Analyse der einzelnen Bilddatensätze,
beispielsweise Berechnung von CBV einschließlich AIF-Normierung.
- 5. Registrierung der im Schritt 4 berechneten funktionellen
Datensätze anhand der jeweiligen Nativbilder der einzelnen
Bilddatensätze.
- 6. Verknüpfung der funktionellen Datensätze.
- 7. Analyse des funktionellen Gesamtdatensatzes, z. B. Segmentierung
zur Volumenbestimmung, Gesamtblutvolumen, Kollateralversorgungsgrad, etc..
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Für
die funktionelle Analyse können entweder die jeweiligen
Bilder bei maximaler Füllung mit Kontrastmittel verwendet
werden, oder von dem Bild mit maximaler Füllung wird vorher
das native Bild subtrahiert. Werden subtrahierte Datensätze
verwendet, besteht die Möglichkeit, nur ein gemeinsames natives
3-D-Bild zur Subtraktion für die Erstellung aller funktionellen
Datensätze zu verwenden. Gegebenenfalls muss eine Bewegungskorrektur
stattfinden oder die Datensätze werden entsprechend miteinander
registriert.
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Der
Workflow bei der dritten und vierten Variante, bei der jeweils eine
Serie von 2-D- oder 3-D-Bildern aufgenommen wird, könnte
etwa wie folgt sein:
- 1. Akquisition mehrerer
Serien von zeitlich aufeinander folgenden 2-D- oder 3-D-Bildern,
bei selektiver oder superselektiver Kontrastmittelinjektion in verschiedene
Arterien.
- 2. Gegebenenfalls Rekonstruktion von 3-D-Bildern aus Rotationsläufen.
- 3. Erzeugung einer zeitkodierten Repräsentation für
jeden Bilddatensatz.
- 4. Normierung der verschiedenen Bilder anhand der AIF.
- 5. Registrierung der verschiedenen Bilder mittels der DSA-Informationen.
- 6. Verknüpfung der verschiedenen Bilddatensätze (2-D
oder 3-D) zu einem Gesamtbilddatensatz.
- 7. Analyse des Gesamtdatensatzes (Berechnung des Blutvolumens,
des Blutflusses, der MTT, der ”time of arrival”,
der ”time to peak” oder anderer funktioneller
Parameter).
- 8. Berechnung eines funktionellen Gesamtdatensatzes.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2006/0285738
A1 [0041]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Leif Østergaard. ”Principles
of cerebral perfusion imaging by bolus tracking”. Journal
of Magnetic Resonance Imaging. 22(6): 710–717 [0004]
- - A. J. Martin, S. Cha, R. T. Higashida, S. P. Cullen, V. Halbach,
C. F. Dowd, M. W. McDermott und D. A. Saloner in ”Assessment
of Vasculature of Meningiomas and the Effects of Embolization with Intra-arterial
MR Perfusion Imaging: A Feasibility Study”, AJNR Am. J.
Neuroradiol., Oktober 2007, 28: 1771–1777 [0008]
- - A. J. Martin et al. [0014]
- - Leif Østergaard [0032]
- - Leif Østergaard [0035]