DE102012217555A1

DE102012217555A1 - Verfahren und Computertomographie-System zur Ermittlung von Knochenmineraldichtewerten

Info

Publication number: DE102012217555A1
Application number: DE102012217555.5A
Authority: DE
Inventors: Kerstin HUWER; Bernhard Krauss; Michael Scheuering
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-03-27
Also published as: US20140086383A1; CN103690184A; CN103690184B; US9274037B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Knochenmineraldichtewerten (KD) eines Untersuchungsobjekts (17) mittels eines Computertomographie-Systems (1) mit den Schritten einer Akquisition von ersten zweidimensionalen Projektions-Übersichtsbilddaten (PU1) des Untersuchungsobjekts (17) in einem Aufnahmeausschnitt (A) mit einer ersten Röntgenstrahlenergie (R1), einer Akquisition von mindestens zweiten zweidimensionalen Projektions-Übersichtsbilddaten (PU2) des Untersuchungsobjekts (17) im Aufnahmeausschnitt (A) mit mindestens einer zweiten Röntgenstrahlenergie (R2), die sich von der ersten Röntgenstrahlenergie (R1) unterscheidet, einer Ermittlung eines Knochen-Übersichtsbilddatensatzes (KU) unter Verwendung der ersten Projektions-Übersichtsbilddaten (PU1) und der zweiten Projektions-Übersichtsbilddaten (PU2), einer Ermittlung zumindest eines bestimmten Auswertebereichs (WW, WE) des Aufnahmeausschnitts (A) unter Verwendung des Knochen-Übersichtsbilddatensatzes (KU) sowie einer Ermittlung eines Knochenmineraldichtewerts (KD) für den bestimmten Auswertebereich (WW, WE) des Aufnahmeausschnitts (A) unter Verwendung der Bilddaten des Knochen-Übersichtsbilddatensatzes (KU) in dem bestimmten Auswertebereich (WW, WE). Außerdem betrifft die Erfindung ein Computertomographie-System (1) zu einer Umsetzung eines solchen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Knochenmineraldichtewerten eines Untersuchungsobjekts mittels eines Computertomographie-Systems. Außerdem betrifft die Erfindung ein Computertomographie-System zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Röntgenstrahlung wird zur Darstellung der inneren Beschaffenheit und Struktur von dreidimensionalen und nicht transparenten Untersuchungsobjekten eingesetzt. Bei einem Untersuchungsobjekt kann es sich um einen belebten, d.h. um einen menschlichen oder tierischen Körper handeln. Daneben werden jedoch auch unbelebte Gegenstände wie z.B. Reifen, Schweißnähte oder andere industrielle Produkte zum Zwecke der Materialprüfung oder der Qualitätskontrolle von Verarbeitungsprozessen mit Röntgensystemen gescannt. Für lebendige Organismen erweist sich eine zu hohe Dosis an Röntgenstrahlung als schädlich, da sie Gewebe irreparabel schädigen kann und eine karzinogene Wirkung besitzen kann. Im Sinne der Patienten wird daher versucht, die Röntgenstrahlenbelastung durch eine fortlaufende Verbesserung von radiographischen Aufnahmegeräten und durch eine Beschränkung auf notwendige Röntgenaufnahmen zu verringern.
Häufig werden an Menschen und Tieren unkoordiniert mehrere Radiographieaufnahmen mit unterschiedlichen Aufnahmegeräten durchgeführt, wobei häufig die gleiche Körperregion mehrmals bestrahlt wird. Beispielsweise ist für Patienten, die eine Computertomographie-Aufnahme im Bereich der Wirbelsäule, des Abdomens oder des Femurkopfes erhalten, in einigen Fällen auch eine DXA/DEXA (Dual Energy X-Ray Absorptiometry)-Untersuchung zur Knochendichteanalyse indiziert. Die wiederholte und potentiell nicht aufeinander abgestimmte Anfertigung von Röntgenbildern mittels unterschiedlicher Aufnahmegeräte führt zu einer hohen Röntgenstrahlenbelastung und zu einem erheblichen Zeit- und Kostenaufwand für die Probanden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung von Knochenmineraldichtewerten hinsichtlich einer Reduzierung der Röntgenstrahlenbelastung für den Probanden und einer Beschleunigung des Messvorgangs fortzubilden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch ein Computertomographie-System nach Anspruch 13 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst mindestens die folgenden Schritte:

– Akquisition von ersten zweidimensionalen Projektions-Übersichtsbilddaten des Untersuchungsobjekts in einem Aufnahmeausschnitt mit einer ersten Röntgenstrahlenergie,
– Akquisition von mindestens zweiten zweidimensionalen Projektions-Übersichtsbilddaten des Untersuchungsobjekts im Aufnahmeausschnitt mit mindestens einer zweiten Röntgenstrahlenergie, die sich von der ersten Röntgenstrahlenergie unterscheidet,
– Ermittlung eines Knochen-Übersichtsbilddatensatzes unter Verwendung der ersten Projektions-Übersichtsbilddaten und der zweiten Projektions-Übersichtsbilddaten,
– Ermittlung zumindest eines bestimmten Auswertebereichs des Aufnahmeausschnitts unter Verwendung des Knochen-Übersichtsbilddatensatzes,
– Ermittlung eines Knochenmineraldichtewerts für den bestimmten Auswertebereich des Aufnahmeausschnitts unter Verwendung der Bilddaten des Knochen-Übersichtsbilddatensatzes in dem bestimmten Auswertebereich.

Die beschriebenen Verfahrensschritte werden vorzugsweise in der Reihenfolge ihrer Nennung ausgeführt, wobei die Erfassung der ersten und zweiten zweidimensionalen Projektions-Übersichtsbilddaten in beliebiger Reihenfolge oder auch parallel erfolgen kann. Weiterhin kann das Verfahren auch Zwischenschritte umfassen, die in der Beschreibung nicht und/oder nicht detailliert beschrieben werden.
Das Computertomographie-System (im Folgenden auch als CT-System bezeichnet) ist bekannt als Vorrichtung zur Erzeugung von Schnittbildern von einem Untersuchungsobjekt mittels Röntgenstrahlung. Dabei dringt die von einer Röntgenquelle emittierte Röntgenstrahlung unterschiedlich stark durch das in einem Messraum platzierte Untersuchungsobjekt hindurch und wird von einer Detektoranordnung an einer der Röntgenquelle gegenüber liegenden Seite des Messraums gemessen. Röntgenquelle und Detektoranordnung rotieren während eines Messvorgangs mit hoher Geschwindigkeit kreisförmig um den Messraum. Durch eine rechnerbasierte Auswertung einer Vielzahl aus verschiedenen Richtungen aufgenommener Röntgenprojektionen eines Untersuchungsobjektes können Schnittbilder und/oder 3D-Volumendaten rekonstruiert werden.
Unter dem Aufnahmeausschnitt ist im Rahmen der Erfindung eine Teilfläche des Untersuchungsobjekts zu verstehen, die zur Gewinnung von Messdaten mit Röntgenstrahlung durchstrahlt wird. Das Untersuchungsobjekt kann, wie erwähnt, z.B. ein lebendiger oder toter Körper eines Menschen oder Tieres sein oder auch Teil eines Körpers sein, der es umgibt, wobei das Untersuchungsobjekt einen Knochenanteil, z.B. als Teil eines Skeletts, aufweist. Der Aufnahmeausschnitt kann einen beliebigen Teil des Untersuchungsobjekts umfassen, z.B. einen menschlichen Torso von der Brust bis zum Oberschenkel, oder ein Handgelenk. Vorzugsweise umfasst der Aufnahmeausschnitt jedoch die gesamte Ausdehnung des Untersuchungsobjekts.
Unter „Projektions-Übersichtsbilddaten“ werden im Rahmen der Erfindung die von der Detektoranordnung bei einer festen Winkelstellung der Röntgenquelle an der Detektoranordnung gemessenen Röntgenstrahlintensitätswerte bezeichnet, die in üblicher Weise abhängig von der Dicke und von den Absorptionseigenschaften des Untersuchungsobjekts variieren. Zur Erzeugung eines Übersichtsbilds erfolgt dabei in der Regel eine (kontinuierliche oder sequenzielle) relative Bewegung des Untersuchungsobjekts zur Röntgenquelle bzw. der Detektoranordnung in einer Vorschubrichtung, die üblicherweise parallel zu einer Längsrichtung des Untersuchungsobjekts verläuft. Dies hängt von der Breite des Detektors in Vorschubrichtung und von der gewünschten Ausdehnung des Übersichtsbilds in dieser Richtung ab. Anders als bei der üblichen Aufnahmeweise von CT-Projektionsmessdaten zur Rekonstruktion von dreidimensionalen Bilddaten oder Schnittbildern rotieren also hierbei Röntgenquelle und Detektoranordnung nicht um den Messraum, sondern bleiben fest an einer Winkelposition stehen, beispielsweise mit der Röntgenquelle über dem Untersuchungsobjekt, um eine frontale Projektion zu erzeugen, oder mit der Röntgenquelle in einer seitlichen Position, um eine sagittale Projektion zu erzeugen. Diese Projektions-Übersichtsbilddaten können folglich, abgesehen davon, dass eventuell entlang der Bewegungsrichtung angefertigte Daten zur Erzeugung eines kompletten Übersichtsbilds aneinander gesetzt werden, direkt ohne weitere Rekonstruktion als Projektionsbilder genutzt werden. Die Projektions-Übersichtsbilddaten bilden dementsprechend bereits ein zweidimensionales Bild wie ein einfaches Röntgenbild. Üblicherweise werden solche Projektions-Übersichtsbilddaten vor einer Durchführung von Messungen einzelner Schichtaufnahmen eines Untersuchungsobjekts mit dem Computertomographen durchgeführt, um ein Topogramm zu erzeugen, anhand dessen dann die weiteren Aufnahmen geplant werden können. Ein Verfahren zur Erzeugung eines derartigen Topogramms ist in der DE 10 2008 037347 A1 offenbart.
Messungen, bei denen vom Untersuchungsobjekt Bilddatensätze mit zwei bzw. mehreren unterschiedlichen Röntgenenergien aufgenommen werden, werden üblicherweise als sogenannte „Dual-Energy-Verfahren“ (Zwei-Energien-Verfahren) bzw. „Multiple-Energy“-Verfahren (Mehr-Energien-Verfahren) bezeichnet. Der Begriff „Energie“ der Röntgenstrahlung (im Folgenden auch als „Röntgenenergie“ oder „Röntgenstrahlungsenergie“ bezeichnet) wird in diesem Zusammenhang als Energieverteilung respektive als Energiespektrum verstanden. Das Energiespektrum der von einer Röntgenröhre emittierten Röntgenstrahlung ist von der angelegten Röhrenspannung abhängig. Es wird durch einen Wert der Röntgenenergie repräsentiert, welcher üblicherweise ein Maximum oder einen Mittelwert des Energiespektrums bildet. Dabei wird die Röntgenenergie üblicherweise als Spannungswert der an der Röntgenröhre eingestellten Röhrenspannung angegeben. Da die Abschwächung der Röntgenstrahlen in den verschiedenen Materialien von der Röntgenenergie abhängig ist, ist es mit dem „Dual-Energy-Verfahren“ oder dem „Multiple-Energy“-Verfahren möglich, zusätzliche Informationen gegenüber einer Messung mit nur einer Röntgenenergie zu erhalten.
Die zur Gewinnung der ersten und zweiten Projektions-Übersichtsbilddaten eingesetzte mindestens erste und zweite Röntgenstrahlenergie zeichnen sich gemäß dem „Dual-Energy-Verfahren“ vorzugsweise durch eine hohe Energieseparation aus. Häufig wird für die Erzeugung eines niederenergetischen Röntgenenergiespektrums an einer Röntgenröhre eine Spannung zwischen 70 kV und 100 kV angelegt, während für die Erzeugung eines relativ zur ersten Röntgenstrahlenergie höherenergetischen Röntgenenergiespektrums eine Röhrenspannung zwischen 120 kV und 150 kV gewählt wird. Vorzugsweise ist die erste Röntgenstrahlenergie niederenergetisch (z.B. 80 kV) und die zweite Röntgenstrahlenergie relativ dazu höherenergetisch (z.B. 140 kV) oder vice versa.
Der Knochen-Übersichtsbilddatensatz umfasst vorzugsweise im Wesentlichen Informationen zu Umrissen, Dicke und Materialqualität der im Aufnahmeausschnitt erfassten Knochenanteile des vorzugsweise menschlichen oder tierischen Untersuchungsobjekts. Die Informationen können z.B. mittels Grauwertabstufung und/oder farblicher Kodierung dargestellt und damit für den Bediener erkennbar werden. Der Aufnahmeausschnitt der Übersichtsbilddatensätze kann identisch mit dem Aufnahmeausschnitt der ersten und der zweiten Projektions-Übersichtsbilddaten oder kleiner sein.
Der Knochen-Übersichtsbilddatensatz kann beispielsweise durch eine Bildverarbeitungsmethode erzeugt werden, die auf einer gewichteten Subtraktion von Projektionsübersichtsdaten beruht und eine Eliminierung von Weichteilstrukturen des Untersuchungsobjekts ermöglicht. Dabei werden Weichgewebebilddaten, z.B. von Muskeln, Sehnen oder Fett aus den Projektions-Übersichtsbilddaten in bestimmter Gewichtung subtrahiert bzw. herausgerechnet. Im Falle eines Menschen oder Tieres kann der Knochen-Übersichtsbilddatensatz die Konturen eines Skeletts oder Teilskeletts umfassen. Als Basismaterial für die Berechnung des Knochen-Übersichtsbilddatensatzes wird vorzugsweise Kalzium verwandt, da der Kalzium-Anteil in Knochenmaterial in der Regel besonders hoch ist. Die Berechnung des Knochen-Übersichtsbilddatensatzes bietet den Vorteil einer präzisen Darstellung möglicher Auswertebereiche, die in folgenden Schritten zur Ermittlung des Knochenmineraldichtewerts herangezogen werden können.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann alternativ zu diesem Ansatz der Knochen-Übersichtsbilddatensatz durch Anwendung einer zweidimensionalen Funktion errechnet werden, welche der gemessenen Schwächung in den Hoch- und Nieder-Energie-Projektions-Übersichtsbilddaten direkt einen Flächendichtewert des Knochens zuordnet. Dies vereinfacht eine spätere Ermittlung eines Knochenmineraldichtewerts für den bestimmten Auswertebereich, da dann nicht zwingend weitere Kalibrierfunktionen ermittelt werden müssen.
Der innerhalb des Aufnahmeausschnitts bestimmte Auswertebereich umfasst in jedem Fall Bilddaten von einem Knochenanteil. Er kann weitere Auswertebereiche, d.h. jeweils kleinere Auswerteflächen, umfassen, die damit Teilbereiche des ersten Auswertebereichs bilden. Die Isolierung weiterer Auswertebereiche erfolgt jeweils nach dem Zweck einer größeren Aussagekraft im Hinblick auf die Ermittlung des Knochenmineraldichtewerts. Vorzugsweise umfasst ein erster Auswertebereich im Falle eines Menschen oder Affen einen linken und/oder rechten Oberschenkelhals (Femurhals) und/oder die Lendenwirbelsäule, besonders bevorzugt die ersten drei oder vier Glieder der Lendenwirbelsäule. Diese Skelettbereiche erweisen sich bekanntermaßen als besonders aussagekräftig für die Bestimmung des Knochenmineraldichtewerts. Der Schritt der Bestimmung des ersten Auswertebereichs und ggf. weiterer enger eingegrenzter Auswertebereiche kann nach definierten Kriterien und Abläufen selbständig durch das Röntgensystem erfolgen und/oder in verschiedenen Zwischenschritten durch den Bediener gesteuert werden, beispielsweise durch Eingabe über eine graphische Benutzeroberfläche.
Der Knochenmineraldichtewert zeigt an, in welcher Konzentration ein bestimmtes Mineral, z.B. Kalzium oder Magnesium, in einem Knochen oder in einem Knochensegment vorhanden ist. Die Bestimmung des Knochenmineraldichtewerts erfolgt im Auswertebereich bzw. in der kleinsten festgelegten Auswertefläche des Knochen-Übersichtsbilddatensatzes. Der Knochenmineraldichtewert ist in diesem Zusammenhang vorzugsweise definiert als Menge von Kalzium-Hydroxylapatit pro Flächeneinheit im Auswertebereich, da diese Kalzium-Verbindung besonders aussagekräftig einen Knochenmineraldichtewert anzeigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sich z.B. im Rahmen einer weitergehenden bildgebenden Untersuchung mittels eines Computertomographen als besonders vorteilhaft erweisen. Nach dem derzeitigen Stand der Technik wird, wie erwähnt, zur Planung einer Tomographieaufnahme regelmäßig ein zweidimensionales Übersichtsbild (Topogramm) des Untersuchungsobjekts bzw. eines Patienten aufgenommen. Wenn in das Erkenntnisinteresse, das der Durchführung der Tomographieaufnahme zugrunde liegt und z.B. die Gewinnung eines detaillierten Bildes von einer Knochenfraktur umfassen kann, zusätzlich die Ermittlung eines Knochenmineraldichtewerts des Patienten fällt, kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein zweites Topogramm mit einer abweichenden Röntgenstrahlenergie aufgenommen werden, sodass aus dem gewonnenen Dual-Energy-Topogramm ein Knochenmineraldichtewert ermittelt werden kann. Im Rahmen der Erfindung können nun dieselben gemessenen Projektions-Übersichts-bilddaten gleichzeitig zur Planung einer CT-Untersuchung und zur Ermittlung eines Knochenmineraldichtewerts verwendet werden. Im Vergleich zu einer herkömmlichen CT-Untersuchung und einer zusätzlichen herkömmlichen Messung eines Knochenmineraldichtewerts mittels eines DXA/DEXA-Scanners reduziert somit das erfindungsgemäße Verfahren die Gesamtstrahlenbelastung des Patienten bei gleichen technischen Kenndaten der verwendeten Geräte um die für eine einfache Radiographieaufnahme benötigte Röntgenstrahlungsmenge. Da die Messzeit für die Aufnahme des zweiten Topogramms nur wenige Sekunden beträgt, ergibt sich der weitere Vorteil einer erheblichen Zeiteinsparung für einen Patienten, an dem beide Messungen vorgenommen werden.
Als besonders günstiger Effekt erweist sich auch, dass ein separates DXA/DEXA-Gerät in einer radiologischen Praxis nicht mehr notwendig ist, falls ein Computertomographie-System verfügbar ist. Dies erspart dem Betreiber der Praxis erhebliche Anschaffungs- und Unterhaltskosten und bedeutet für den Patienten eine weitere Zeiteinsparung, indem beide Untersuchungen in einer einzigen Praxis durchgeführt werden können. Gegenüber der weiteren alternativen Methode einer dreidimensionalen Messung der Knochenmineraldichte mittels der quantitativen Computertomographie bietet das erfindungsgemäße Verfahren wiederum den Vorteil einer geringeren Strahlungsbelastung des Probanden, da lediglich eine einzige Akquisition von Röntgenprojektionsdaten anstelle einer Mehrzahl von Röntgenprojektionen zur Rekonstruktion von dreidimensionalen Bilddaten bei einer zweiten Röntgenenergie durchgeführt wird. Darüber hinaus bietet die zweidimensionale Messmethode die Vorteile einer Energie- und Zeiteinsparung.
Ein erfindungsgemäßes Computertomographie-System zur Durchführung der Erfindung weist neben einer üblichen Akquisitionseinheit zur Akquisition von ersten und zweiten zweidimensionalen Projektions-Übersichtsbilddaten des Untersuchungsobjekts in einem Aufnahmeausschnitt mit der besagten ersten und einer zweiten Röntgenstrahlenergie eine Knochenübersichts-Ermittlungseinheit zur Ermittlung eines Knochen-Übersichtsbilddatensatzes unter Verwendung der ersten Projektions-Übersichtsbilddaten und der zweiten Projektions-Übersichtsbilddaten auf. Darüber hinaus besitzt das Computertomographie-System eine Auswertebereichs-Ermittlungseinheit zur Ermittlung zumindest eines bestimmten Auswertebereichs des Aufnahmeausschnitts unter Verwendung des Knochen-Übersichtsbilddatensatzes und eine Mineraldichtewert-Ermittlungseinheit zur Ermittlung eines Knochenmineraldichtewerts für den bestimmten Auswertebereich des Aufnahmeausschnitts unter Verwendung der Bilddaten des Knochen-Übersichtsbilddatensatzes in dem bestimmten Auswertebereich.
Die Akquisitionseinheit umfasst dabei vorzugsweise eine Röntgenquelle (z.B. eine Röntgenröhre) zur Emission von Röntgenstrahlung, die besonders bevorzugt zu einer schnellen Umschaltung zwischen einer ersten Röntgenstrahlenergie und einer zweiten Röntgenstrahlenergie ausgebildet ist, wobei sich die zweite von der ersten Röntgenstrahlenergie unterscheidet. Außerdem umfasst sie wie üblich eine Detektoranordnung zur Akquisition von Projektions-Übersichtsbilddaten eines Untersuchungsobjekts, das im Betrieb der Akquisitionseinheit in einem Messraum angeordnet ist.
Ein Großteil der Komponenten des erfindungsgemäßen CT-Systems, insbesondere die Knochenübersichts-Ermittlungseinheit, die Auswertebereichs-Ermittlungseinheit und die Mineraldichtewert-Ermittlungseinheit, können auch als Softwaremodule z.B. auf einer Steuereinrichtung und/oder Bilderzeugungseinheit eines CT-Systems ausgebildet sein. Eine weitgehende softwaremäßige Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat den Vorteil, dass bereits existierende Computertomographie-Systeme auf einfache Weise durch ein Software-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein Computerprogrammprodukt gelöst, welches direkt in einen Speicher einer programmierbaren Steuereinrichtung und/oder einer Bilderzeugungseinheit eines Computertomographie-Systems ladbar ist, mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programmprodukt auf der Steuereinrichtung und/oder Bilderzeugungseinheit ausgeführt wird.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform umfasst der Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, in welchem die ersten und die zweiten Projektions-Übersichtsbilddaten akquiriert werden, folgende Schritte:

– Bewegung des Untersuchungsobjekts relativ zu einem Messraum des Computertomographie-Systems,
– Umschaltung einer Röntgenquelle zwischen der ersten Röntgenstrahlenergie und der zweiten Röntgenstrahlenergie,
– Akquisition von ersten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätzen mit der ersten Röntgenstrahlenergie und von zweiten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätzen mit der zweiten Röntgenstrahlenergie von dem Untersuchungsobjekt im Aufnahmeausschnitt mittels einer Detektoranordnung.

Der Aufnahmeausschnitt kann durch die Abmessungen des „Sichtbereichs“ (Field of View) der Detektoranordnung des Computertomographen begrenzt sein. Er kann gegenüber diesem Sichtbereich erweitert werden, indem das Untersuchungsobjekt während eines Messvorgangs in üblicher Weise in einer Vorschubrichtung auf einer Plattform bzw. dem Patiententisch durch den Messraum bewegt wird und/oder der Messraum über das Untersuchungsobjekt hinweg bewegt wird.
Dabei werden die Projektions-Übersichtsbilddaten in Form von Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätzen akquiriert. Diese Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätze bilden also jeweils eine Teilmenge eines Satzes der Projektions-Übersichtsbilddaten, die bei der ersten oder zweiten Röntgenenergie akquiriert wurden, da sie nur den jeweils zu einem bestimmten Zeitpunkt von der Detektoranordnung erfassten Bruchteil der Fläche des gesamten Aufnahmeausschnitts aufweisen. Diese Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätze können z.B. in einem Zwischenspeicher abgelegt und in einem Bildverarbeitungsverfahren zur Bildung der kompletten ersten und zweiten Projektions-Übersichtsbilddaten zusammengefügt werden.
Ein Messvorgang, d.h. eine Akquisition der ersten und der zweiten Projektions-Übersichtsbilddaten bzw. der Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätze kann für jede der Energien separat in einem oder zwei oder mehreren Messdurchläufen erfolgen. In einem ersten Messdurchlauf kann das Untersuchungsobjekt beispielsweise in üblicher Weise auf einer Plattform eines Patiententisches liegen und von einer Ausgangsposition mittels des Patiententischs durch den Messraum bewegt werden, während der Computertomograph, wie oben beschrieben, bei feststehender Winkelposition von Röntgenquelle und Detektor einen Scan (d.h. eine Messdatenakquisition) mit der ersten Röntgenstrahlenergie durchführt und dabei erste Projektions-Übersichtsbilddaten vom Untersuchungsobjekt gewinnt. Aus einer Endposition des Patiententischs nach dem ersten Messvorgang kann der Patiententisch anschließend in die Ausgangsposition zurückgefahren werden. Daraufhin kann ein zweiter Messdurchlauf erfolgen, der sich von dem ersten Messdurchlauf lediglich durch die Verwendung der zweiten Röntgenstrahlenergie unterscheidet, mittels welcher zweite Projektions-Übersichtsbilddaten erzeugt werden. Alternativ kann auch der zweite Messdurchlauf direkt beim Rückfahren des Patiententisches in die Ausgangsposition erfolgen.
Um die bei den verschiedenen Energien erzeugten Projektions-Übersichtsbilddaten später verarbeiten zu können, sollten der Aufnahmeausschnitt des Untersuchungsobjekts und die Lage des Untersuchungsobjekts in beiden Messdurchläufen möglichst identisch sein, sodass Binnenstrukturen des Untersuchungsobjekts in den beiden Messdurchläufen an identischen Bildpunktpositionen (Pixeln) der Detektoranordnung abgebildet werden. Während der Bewegung relativ zum Messraum werden daher die Bewegungen des Untersuchungsobjekts besonders bevorzugt auf ein Minimum reduziert.
Nach einer anderen, bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren derart ausgestaltet, dass die Akquisition der ersten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätze und der zweiten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätze mittels einer wechselweisen Umschaltung zwischen der ersten Röntgenstrahlenergie und der zweiten Röntgenstrahlenergie erfolgt.
Die wechselweise Umschaltung kann vorzugsweise in kurzen Zeitintervallen und mehrfach während einer Topogramm-Aufnahme bzw. eines Messdurchlaufs vorgenommen werden. Der Wechsel zwischen den zwei Röntgenstrahlenergien kann durch eine Umschaltung der an die Röntgenquelle des Röntgensystems angelegten Röhrenspannung und/oder des Röhrenstroms erfolgen. Ein derartiges Verfahren ist bekannt als „fast kVp-/mA-switching“, wobei die Umschaltung innerhalb von z.B. 0,5 Millisekunden passieren kann. Durch die wechselweise und vorzugsweise schnelle Umschaltung (schneller, vorzugsweise viel schneller, als die Dauer eines Messdurchlaufs) kann garantiert werden, dass bei einer Bewegung des Untersuchungsobjekts relativ zum Messraum des Computertomographen während einer einzigen Topogramm-Aufnahme bzw. eines einzigen Messdurchlaufs das Untersuchungsobjekt im Aufnahmeausschnitt quasi zeitlich parallel vollständig mit der ersten und vollständig mit der zweiten Röntgenstrahlenergie gemessen wird. Der große Vorteil des Verfahrens liegt in der Reduzierung von Bewegungsartefakten bei der Akquisition der zweidimensionalen Projektions-Übersichtsbilddaten, die insbesondere im Bereich der Wirbelsäule eines Menschen oder Tieres, z.B. durch Atem- und/oder Darmbewegungen während des Messvorgangs, entstehen können.
Vorzugsweise wird dabei zwischen der ersten Röntgenstrahlenergie und der zweiten Röntgenstrahlenergie in einer Frequenz umgeschaltet, dass bei einer Bewegung des Untersuchungsobjekts relativ zum Messraum der erste Projektions-Übersichtsbild-Teildatensatz und der unmittelbar danach akquirierte zweite Projektions-Übersichtsbild-Teildatensatz, welche bei einer gleichen ersten oder zweiten Röntgenstrahlenergie akquiriert wurden, Projektions-Übersichtsbilddaten von einem identischen Teilbereich des Untersuchungsobjekts umfassen.
Ein erster Projektions-Übersichtsbild-Teildatensatz und ein unmittelbar danach (benachbart) akquirierter zweiter Projektions-Übersichtsbild-Teildatensatz weisen demnach eine Schnittdatenmenge auf, wenn das Untersuchungsobjekt in einem zwischen den Akquisitionsvorgängen mit der ersten oder zweiten Röntgenstrahlenergie liegenden Zeitraum nicht bewegt wurde. Ein nachfolgender erster Projektions-Übersichtsbild-Teildatensatz umfasst wiederum vorzugsweise Projektions-Übersichtsbilddaten von einem identischen Teilbereich des Untersuchungsobjekts, wie sie der vorhergehende zweite Projektions-Übersichtsbild-Teildatensatz umfasst. Vorzugsweise umfasst also jeder Projektions-Übersichtsbild-Teildatensatz, der auf einen mit der gleichen ersten oder zweiten Röntgenstrahlenergie akquirierten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensatz folgend erfasst wird, Projektions-Übersichtsbilddaten von einem identischen Teilbereich des Untersuchungsobjekts. Anders formuliert, wird ein Scan des Untersuchungsobjekts mit lokalen Überlappungen der jeweiligen Aufnahmeausschnitte durchgeführt. Dies erfordert eine Abstimmung einer Geschwindigkeit der Bewegung der Patientenliege relativ zum Messraum des Computertomographen und einer Umschaltfrequenz zwischen den zwei Röntgenstrahlenergien. Wenn die Umschaltfrequenz während der Akquisition der Projektions-Übersichtsbilddaten regelmäßig ist, ist vorzugsweise auch die Geschwindigkeit der Bewegung der Patientenliege relativ zum Messraum konstant. Der besondere Vorteil des Verfahrens liegt in einer vereinfachten Zusammenfügung der einzelnen Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätze zu jeweils einem Gesamtbilddatensatz für die erste und/oder für die zweite Röntgenstrahlenergie durch die Möglichkeit der Überlagerung der Schnittdatenmengen zu Abgleichszwecken. Zudem können etwaige Unterschiede in der Schnittdatenmenge aufeinander folgend akquirierter Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätze, die z.B. durch Bewegungen des Untersuchungsobjekts hervorgerufen werden können, z.B. durch automatische Interpolationsverfahren beseitigt oder reduziert werden.
Bevorzugt werden aus den mit der ersten Röntgenstrahlenergie akquirierten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätzen ein niederenergetischer Bilddatensatz und aus den mit der zweiten Röntgenstrahlenergie akquirierten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätzen ein höherenergetischer Bilddatensatz erzeugt, um daraus den Knochen-Übersichtsbilddatensatz zu ermitteln.
Die Erzeugung des niederenergetischen und des relativ zum niederenergetischen Bilddatensatz höherenergetischen Bilddatensatzes erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von Berechnungsverfahren, welche die jeweils zugrunde liegenden Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätze getrennt nach der jeweils bei der Akquisition verwandten Röntgenstrahlenergie zusammenfügen. Der dem niederenergetischen Bilddatensatz zugrunde liegende erste Projektions-Übersichtsbild-Teildatensatz wurde zuvor bei der ersten Röntgenstrahlenergie akquiriert, die vorzugsweise mit einer Röntgenröhrenspannung zwischen 70 kV und 100 kV generiert wurde. Der dem höherenergetischen Bilddatensatz zugrunde liegende zweite Projektions-Übersichtsbild-Teildatensatz wurde zuvor bei der zweiten Röntgenstrahlenergie akquiriert, die vorzugsweise mit einer Röhrenspannung zwischen 120 kV und 150 kV generiert wurde.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung des Knochen-Übersichtsbilddatensatzes eine Registrierung des niederenergetischen Bilddatensatzes und des höherenergetischen Bilddatensatzes aufeinander, was gegebenenfalls auch eine Erzeugung eines lagekorrigierten niederenergetischen Bilddatensatzes und/oder eines lagekorrigierten höherenergetischen Bilddatensatzes umfasst.
In der Registrierung können der niederenergetische und der höherenergetische Bilddatensatz vorzugsweise derart in Übereinstimmung gebracht werden, dass unterschiedliche Bildpunktwerte möglichst identischen Koordinatenpunkten im Ausschnitt des Untersuchungsobjekts zugeordnet sind. Eine Zuordnung oder Überlagerung der Bilddatensätze kann mittels einer Orientierung an eindeutigen Bezugspunkten erfolgen, die z.B. bestimmte, in beiden Bilddatensätzen lokalisierbare anatomische Merkmale des Untersuchungsobjekts sein können. Die Lageunterschiede innerer und/oder äußerer Strukturen des Untersuchungsobjekts können durch eine Bewegung einzelner Bestandteile oder des gesamten Untersuchungsobjekts verursacht werden und am Beispiel eines Menschen oder Tieres auf Atem- und davon herrührende Rumpfbewegungen während des/der Messvorgänge zurückzuführen sein. Resultiert der Registrierungsvorgang in der Feststellung derartiger Lageunterschiede zwischen dem niederenergetischen und dem höherenergetischen Bilddatensatz, wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Bilddatensatz dem anderen mittels einer Lagekorrektur der verlagerten Strukturen angepasst. Die Anpassung kann am nieder- und/oder am höherenergetischen Bilddatensatz vorgenommen werden und erfolgt mit Hilfe von einschlägigen Berechnungsverfahren. Die Eliminierung von ungünstigen Bewegungseinflüssen des Untersuchungsobjekts begünstigt eine präzisere Auswertung der Messdaten und eine zuverlässigere Ermittlung des Knochenmineraldichtewerts.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltungsform wird zusätzlich zum Knochen-Übersichtsbilddatensatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Weichteil-Übersichtsbilddatensatz aus dem niederenergetischen Bilddatensatz und aus dem höherenergetischen Bilddatensatz oder aus dem registrierten, insbesondere lagekorrigierten, niederenergetischen Bilddatensatz und/oder aus dem registrierten, insbesondere lagekorrigierten, höherenergetischen Bilddatensatz, erzeugt.
Der Weichteil-Übersichtsbilddatensatz umfasst vorzugsweise im Wesentlichen Informationen zu Umrissen, Dicke und Materialqualität der im Aufnahmeausschnitt erfassten Weichteile (z.B. Organe, Muskeln, Sehnen, Gefäße) des vorzugsweise menschlichen oder tierischen Untersuchungsobjekts. Die Informationen können z.B. mittels Grauwertabstufung und/oder farblicher Kodierung dargestellt und damit für den Bediener erkennbar werden. Der Weichteil-Übersichtsbilddatensatz kann durch eine Bildverarbeitungsmethode erzeugt werden, die auf einer gewichteten Subtraktion von Weichteilbilddaten beruht und zu einer Eliminierung von Knochenstrukturen des Untersuchungsobjekts führt.
Alternativ hierzu kann zur Berechnung des Weichteil-Übersichtsbilddatensatzes eine Funktion verwendet werden, welche der Schwächung in den Hoch- und Nieder-Energie-Projektions-Übersichtsbilddaten einen Flächendichtewert des Weichteilgewebes zuordnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich den Umstand zunutze, dass die Abschwächung von Röntgenstrahlung einem materialspezifischen und einem energiespezifischen Muster folgt. Durch das materialspezifische Schwächungsverhalten der Röntgenstrahlung wird eine Materialzerlegung und eine entsprechend quantitative Materialidentifikation, -detektion und -analyse ermöglicht. Ausgangspunkt der Materialzerlegung sind zwei Basismaterialien. Die Basismaterialien werden zu Beginn der Zerlegung vorgegeben oder mittels einer Referenzmessung bestimmt.
Vorzugsweise erfolgt der Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung eines bestimmten Auswertebereichs in einem Aufnahmeausschnitt des Untersuchungsobjekts teil- oder vollautomatisch. Unter dem Begriff „vollautomatisch“ wird eine selbständige Abarbeitung von definierten Abläufen nach bestimmten Programmen durch das Computertomographie-System verstanden. Auch hierbei kann jedoch der Programmablauf eine oder mehrere Bestätigungsabfragen an einen Bediener umfassen. Die Einschränkung „teilautomatisch“ bedeutet, dass einer oder mehrere Zwischenschritte des Programmablaufs vom Bediener gesteuert und/oder verändert werden können. Die Programmabläufe können als Computerprogrammprodukt realisiert sein, das von einer Recheneinheit des Computertomographen ausgeführt wird.
Die Programmabläufe bestimmen den Auswertebereich vorzugsweise mittels in einer Datenbank gespeicherter topographischer Daten von menschlichen und/oder tierischen Skeletten, besonders bevorzugt von Oberschenkelknochenhälsen und/oder Lendenwirbeln und/oder Handgelenkknochen, wobei die Knochenmodelle repräsentativ für ein breites Spektrum von individuellen Knochen sind. Die Festlegung des Auswertebereichs erfolgt dabei nach einem Abgleich der gespeicherten Knochenmodelle mit dem erzeugten Knochen-Übersichtsbilddatensatz.
Bevorzugt erfolgt die Bestimmung eines Auswertebereichs unter Nutzung eines Segmentierungsverfahrens. Das Segmentierungsverfahren kann mehrstufig erfolgen, beispielsweise in folgenden zwei Stufen: Ein auf das gesamte im Knochen-Übersichtsbilddatensatz repräsentierte Untersuchungsobjekt bezogener Vorsegmentierungs-Schritt kann zu einer Lokalisierung von bestimmten Knochen oder bestimmten Regionen eines Skeletts führen, z.B. der Beckenknochenregion. Zur Durchführung dieses ersten Segmentierungs-Programmmoduls kann beispielsweise in einer dem Fachmann bekannten Weise automatisch oder durch Eingabe über eine graphische Benutzerschnittstelle eine „Bounding-Box“ gesetzt werden, die den später auszuwählenden Bereich grob umschließt. Ein auf die Beckenknochenregion bezogener zweiter Segmentierungs-Schritt kann daraufhin zu einer weiteren Eingrenzung führen und z.B. die ersten vier Wirbel der am Beckenknochen ansetzenden Lendenwirbelsäule isolieren. Zur Durchführung dieses zweiten Segmentierungs-Programmmoduls eignet sich beispielsweise das erprobte „region-growing“-Verfahren, welches homogene Bildelemente zu Regionen zusammenfassen und damit eine Identifikation eines bestimmten Knochenteils bewirken kann. Das beschriebene Verfahren erweist sich deswegen als besonders vorteilhaft, indem ein Auswertebereich ausgewählt wird, in welchem ein möglichst aussagekräftiger Knochenmineraldichtewert ermittelt werden kann. Dadurch, dass ein Bediener nicht oder nur geringfügig in den Segmentierungsprozess eingreifen muss, erbringt das Verfahren schnell zuverlässige Ergebnisse.
Nach der Bestimmung des kleinsten Auswertebereichs des im Knochen-Übersichtsbilddatensatz repräsentierten Teils des Untersuchungsobjekts erfolgt in diesem Auswertebereich die Ermittlung des Knochenmineraldichtewerts.
Im kleinsten untersuchten Auswertebereich wird dabei vorzugsweise ein Mittelwert einer Konzentration von Kalzium-Hydroxylapatit berechnet. Eine bildliche Darstellung des Anteils von Kalzium-Hydroxylapatit für den Bediener kann beispielsweise durch eine Grauwertabstufung und/oder durch eine farbliche Kodierung erfolgen, die mit bestimmten Messwertbereichen korreliert.
Als Ergebnis einer Materialzerlegung für den Knochen-Übersichtsbilddatensatz können vorzugsweise – wie bereits oben angedeutet – bereits direkt Knochendichtewerte bestimmt werden. In diesem Fall kann die Knochendichte im Auswertebereich mit Hilfe einer Kalibrierfunktion bzw. von Kalibrierfaktoren errechnet werden.
Hierzu können spezielle Referenzmessobjekte (Kalibrierkörper bzw. Kalibrierphantome) mit unterschiedlichen Materialien in bekannter Konzentration bzw. Dichte gemessen werden.
Als Referenzmessobjekt dient vorzugsweise ein Objekt mit einem definierten Anteil an Kalzium-Hydroxylapatit (z.B. 200 mg Ca-Ha pro cm³ Fluid) in Verbindung mit einem Wasseranteil. Eine Kalibrierung des CT-Systems mittels des Kalibrierphantoms wird ermöglicht, indem die mit Hilfe eines Auswertungsprogramms erzeugten Graudichtewerte im kleinsten Auswertebereich des Knochen-Übersichtsbilddatensatzes in Kalzium-Hydroxylapatit-Äquivalente umgerechnet werden. Die aus einem Topogramm-Scan des Kalibrierphantoms resultierenden Graudichtewerte für Wasser und Kalzium-Hydroxylapatit bilden dafür die Umrechnungsgrundlage. Durch Interpolation mittels geeigneter Algorithmen kann für jeden bei einem Untersuchungsobjekt ermittelten Röntgenstrahlungsschwächungswert ein entsprechender Knochenmineraldichtewert in der Einheit g Ca-Ha pro cm² errechnet werden.
Die Kalibriermessung kann entweder vorab im Rahmen einer regelmäßigen Anlagenwartung oder auch während einer CT-Aufnahme erfolgen. Im letzteren Fall wird das Kalibrierphantom bei der CT-Aufnahme eines Patienten mitgescannt.
Vorzugsweise erfolgen die Akquisition der ersten und der zweiten zweidimensionalen Projektions-Übersichtsbilddaten und die Akquisition von ersten und zweiten Projektions-Referenzbilddaten von einem Referenzmessobjekt zur Ermittlung der Kalibrierfunktion in einem gemeinsamen Messdurchlauf. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, indem das Referenzmessobjekt so neben dem Untersuchungsobjekt auf der Patientenliege abgelegt wird, dass es nicht von einem Teil des Untersuchungsobjekts abgeschattet wird und in jeweils derselben Intensität von Röntgenstrahlung durchdrungen wird wie das Untersuchungsobjekt selbst.
Die erfindungsgemäße Verwendung eines Referenzmessobjekts garantiert durch eine unmittelbare Kalibrierung der Akquisitionseinheit des Computertomographen eine besonders präzise Ermittlung des Knochenmineraldichtewerts des Untersuchungsobjekts. Sofern eine Ermittlung von Kalibrierfunktionen mittels des Kalibrierphantoms in einem dreidimensionalen Verfahren erfolgt, was prinzipiell auch möglich wäre, müssen die Werte entsprechend umgerechnet werden, da ja bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Berechnung der Knochenmineraldichtewerte auf Basis von zweidimensionalen Projektions-Übersichtsbilddaten erfolgt.
Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt einer Ermittlung von Knochenmineraldichtebezugswerten unter Verwendung des Knochenmineraldichtewerts. Ein Knochenmineraldichtebezugswert setzt den am Untersuchungsobjekt ermittelten absoluten Knochenmineraldichtewert in Bezug zu einem Knochenmineraldichte-Mittelwert, der anhand einer statistisch aussagekräftigen Gruppe von gleichartigen Untersuchungsobjekten gewonnen wurde. Ist das Untersuchungsobjekt ein Mensch, können vorzugsweise zwei normierte Knochenmineraldichte-Mittelwerte in Bezug zu dem absoluten Knochenmineraldichtewert des Untersuchungsobjekts gesetzt werden. Das kann zum einen der Knochenmineraldichte-Mittelwert einer gesunden jungen Normalpopulation sein, zum anderen der Knochenmineraldichte-Mittelwert einer Normalpopulation, deren Altersdurchschnitt dem Alter des Untersuchungsobjekts entspricht. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein geschlechtsspezifischer Mittelwert in Bezug zum absoluten Knochenmineraldichtewert gesetzt werden. Ein unter Verwendung des ersten Knochenmineraldichte-Mittelwerts berechneter Knochenmineraldichtebezugswert kann z.B. der „T-Score“ (entsprechend einer WHO-Definition) sein. Ein unter Verwendung des zweiten Knochenmineraldichte-Mittelwerts berechneter Knochenmineraldichtebezugswert kann z.B. durch den „Z-Score“ (entsprechend einer WHO-Definition) gebildet werden. Der besondere Vorteil des Verfahrens liegt in der Vergleichbarkeit des ermittelten absoluten Knochenmineraldichtewerts. Unterscheidet sich der absolute Knochenmineraldichtewert außerhalb bestimmter Toleranzen von dem ersten und/oder dem zweiten Mittelwert, kann dies ein Anlass zur Einleitung weiterer Prozesse sein.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt einer Ausgabe eines Reports von Messdaten des Untersuchungsobjekts. Der Report stellt vorzugsweise ein standardisiertes Auswertungsformular dar und kann mittels einer Ausgabeeinrichtung, z.B. auf einem Bildschirm oder als gedruckte Handreichung, für den Bediener bereitgestellt werden und/oder zu einer späteren Verwendung in einem Speicher abgelegt werden. Der Report umfasst mindestens eine Angabe des ermittelten Knochenmineraldichtewerts und der Knochenmineraldichtebezugswerte. Vorzugsweise umfasst er eine Kennzeichnung des kleinsten Auswertebereichs des Untersuchungsobjekts in einer Abbildung des Knochen-Übersichtsbilddatensatzes, in welchem Auswertebereich der Knochenmineraldichtewert ermittelt wurde. Die Kennzeichnung kann z.B. mittels einer farblichen Hervorhebung erfolgen. Zusätzlich können auch Informationen des Weichteil-Übersichtsbilddatensatzes in die Abbildung des Knochen-Übersichtsbilddatensatzes integriert werden. Darüber hinaus kann der Report auch spezifische Röntgenprojektionsparameter umfassen. Die Ausgabe des Reports bietet den Vorteil eines für den Bediener und etwaige Zweit- und Drittbenutzer einfach verständlichen Ergebnisprotokolls.
Es ist wie erwähnt prinzipiell möglich, das erfindungsgemäße Verfahren ohne Einwirkung durch einen Nutzer vollautomatisiert ablaufen zu lassen. Bevorzugt wird jedoch das ausgewählte Scanprotokoll einem Bediener zur Modifikation und/oder zur Bestätigung übergeben, wobei Bestätigungs- bzw. Modifikationssignale vom Bediener über eine Bedienerschnittstelle eingegeben werden, die mit der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung verbunden bzw. in diese integriert ist. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass das Erfahrungswissen von langjährig geschultem Bedienungspersonal nicht außen vor bleibt und dass ggf. ein zusätzliches Finetuning des ausgewählten Scanprotokolls, d.h. beispielsweise die Abänderung einzelner Scanprotokollparameter, ermöglicht wird. Speziell im medizintechnischen Bereich ist es weiterhin notwendig, dass ein medizintechnisch geschultes Personal letztendlich die Entscheidung trifft, dass ein Scan mit einer bestimmten ausgewählten Scanmethode durchgeführt wird. Hierzu dient die Möglichkeit der Rückbestätigung.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen.
Es zeigen:
1 ein Ablaufdiagramm einer Ermittlung von Knochenmineraldichtewerten von einem Untersuchungsobjekt gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 ein Ablaufdiagramm einer Ermittlung von Knochenmineraldichtewerten von einem Untersuchungsobjekt gemäß einer zweiten Ausführungsform,
3 eine schematische Detailskizze zur Gewinnung von niederenergetischen und höherenergetischen Übersichtsbild-Teildatensätzen in einem Verfahren gemäß 2,
4 eine schematische Detailskizze der Verarbeitung der Übersichtsbild-Teildatensätze zu einem niederenergetischen und einem höherenergetischen Topogramm,
5 ein Ablaufdiagramm einer Knochendichteanalyse nach einer Akquisition des niederenergetischen und des höherenergetischen Topogramms,
6 ein schematisches Bild eines Computertomographie-Systems.
In der 1 wird in einem ersten Schritt 1.I. ein Untersuchungsobjekt, hier ein Patient, auf eine Patientenliege eines Computertomographie-Systems gelegt, um mit einem bestimmten Erkenntnisinteresse eine Tomographie des Untersuchungsobjekts vorzunehmen. In einem weiteren Schritt 1.II. wird ein erstes Topogramm, d.h. eine zweidimensionale Übersichtsaufnahme, von dem gesamten Untersuchungsobjekt erzeugt, wobei dem ersten Topogramm zugrunde liegende erste Projektions-Übersichtsbilddaten PU₁ mit einer ersten Röntgenstrahlenergie von ca. 80 kV gewonnen werden. Aus dem ersten Topogramm können beispielsweise Rückschlüsse auf Lage, Größe oder Besonderheiten des Untersuchungsobjekts gezogen werden. Die Erstellung eines Topogramms mittels des CT-Systems ist meist ohnehin standardmäßig als Teil eines CT-Scans vorgesehen, so dass dieser Verfahrensschritt vor Durchführung einer Computertomographieaufnahme keinen Zusatzaufwand bedeutet. In einem weiteren Schritt 1.III. wird abgefragt, ob in Erweiterung des ursprünglichen Erkenntnisinteresses eine Knochendichteanalyse des Untersuchungsobjekts durchgeführt werden soll. Bei einer Entscheidung für die Knochendichteanalyse (Abzweig „y“) wird in einem weiteren Schritt 1.IV. ein zweites Topogramm des Untersuchungsobjekts in einem identischen Aufnahmeausschnitt erzeugt. Das zweite Topogramm in Form von zweiten Projektions-Übersichtsbilddaten PU₂ wird mit einer zweiten Röntgenstrahlenergie von ca. 140 kV gewonnen und ermöglicht in Verbindung mit dem ersten Topogramm eine spätere Ermittlung eines Knochenmineraldichtewerts KD. Bei einer Entscheidung für oder gegen (Abzweig „n“) die Knochendichteanalyse wird in einem weiteren Schritt 1.V. der geplante CT-Scan des Untersuchungsobjekts durchgeführt.
Nach diesem Schritt 1.V. beginnt ein Verarbeitungsverfahren (postprocessing) der akquirierten CT- und Topogramm-Messdaten, der in einer Informationsverarbeitungseinrichtung des CT-Systems oder einer externen, an das CT-System angeschlossenen Recheneinrichtung durchgeführt wird. Einen weiteren Schritt 1.VI. bildet eine weitere Abfrage über die Durchführung einer Knochendichteanalyse, wenn zuvor in dem beschriebenen sequenziellen Verfahren ein Dual-Energy-Topogramm, d.h. zwei aufeinanderfolgend mit zwei verschiedenen Röntgenstrahlenergien erzeugte Röntgenübersichtsbilder, erzeugt wurde. Bei einer Entscheidung gegen die Durchführung der Knochendichteanalyse (Abzweig „n“) werden in einem weiteren Schritt 1.VIII.B. lediglich die während des CT-Scans akquirierten Schnittbilddaten des Untersuchungsobjekts ausgewertet und an den Bediener ausgegeben. Bei einer Entscheidung für die Knochendichteanalyse (Abzweig „y“) werden in einem weiteren Schritt 1.VII. der Knochenmineraldichtewert KD und weitere, davon abgeleitete Knochenmineraldichtebezugswerte KD_B (z.B. T-Score, Z-Score) ermittelt. Dann werden in einem zum Schritt 1.VIII.B. alternativen Schritt 1.VIII.A. die während des CT-Scans akquirierten und ausgewerteten Schnittbilddaten in Verbindung mit den Knochendichteanalysedaten an den Bediener ausgegeben. Das sequenzielle Dual-Energy-Topogramm, welches aus zwei separaten Topogramm-Akquisitionen (d.h. in getrennten Messdurchläufen) erzeugt wird, eignet sich insbesondere für die Messung menschlicher Extremitäten wie z.B. einen Oberschenkelhals oder ein Handgelenk, da deren Abbildungsqualität durch kaum vermeidbare Atembewegungen des Probanden kaum beeinträchtigt wird.
Die 2 zeigt eine Verfahrensvariante, die in einzelnen Schritten identisch mit dem in der 1 gezeigten Vorgang ist. Gleichartig sind insbesondere alle Schritte des Verarbeitungsverfahrens (postprocessing) 2.V., 2.VI., 2.VII.A., 2.VII.B., welches nach der Akquisition des ersten und ggf. des zweiten Topogramms und der CT-Schnittbildaufnahmen durchgeführt wird. Der in der 2 gezeigte Ablauf unterscheidet sich von dem Ablauf nach 1 vor allem darin, dass eine Abfrage über die Durchführung einer Knochendichteanalyse des Untersuchungsobjekts bereits in einem Schritt 2.II. vor der Durchführung des ersten Planungs-Topogramms durchgeführt werden muss. Bei einer Entscheidung für die Knochendichteanalyse (Abzweig „y“) wird in einem Teilschritt 2.III.A ₁ ein simultanes Dual-Energy-Topogramm aufgenommen, das mittels hochfrequenter wechselseitiger Umschaltung zwischen der ersten (80 kV) und der zweiten (140 kV) Röntgenstrahlenergie korrespondierend während eines einzigen Messdurchlaufs wechselweise erste T₁₁, T₂₁, ..., T_N1 und zweite T₁₂, T₂₂, ..., T_N2 Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätze bzw. Einzelbildfragmente umfasst.
Der Teilschritt 2.III.A ₁ kann den Schritt einer Akquisition von ersten und zweiten Projektions-Referenzbilddaten mit den beiden unterschiedlichen Röntgenstrahlenergien von einem Kalibrierphantom umfassen, das gleichzeitig mit dem Untersuchungsobjekt gescannt wird, indem es z.B. während des Messvorgangs neben dem Untersuchungsobjekt auf einem Patiententisch liegt. Die ersten bzw. zweiten Projektions-Referenzbilddaten können in diesem Fall auch gemeinsam mit den ersten T₁₁, T₂₁, ..., T_N1 und zweiten T₁₂, T₂₂, ..., T_N2 Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätzen in jeweils einer Datei aufgezeichnet werden. Infolge der definierten Materialzusammensetzung und Röntgenstrahlungsschwächungseigenschaften des Kalibrierphantoms dienen die ersten und zweiten Projektions-Referenzbilddaten als Bezugswerte für eine spätere Berechnung des Knochenmineraldichtewerts.
Durch Interpolation der Einzelbildfragmente können in einem weiteren Teilschritt 2.III.A ₂ aus den ersten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätzen T₁₁, T₂₁, ..., T_N1 ein niederenergetischer Bilddatensatz BD_L und aus den zweiten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätzen T₁₂, T₂₂, ..., T_N2 ein relativ dazu höherenergetischer Bilddatensatz BD_H berechnet werden. Bei Durchführung einer Bewegungskorrektur im Zuge eines Registrierungsvorgangs der Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätze können dabei ein lagekorrigierter niederenergetischer Bilddatensatz BDK_L und ein lagekorrigierter höherenergetischer Bilddatensatz BDK_H erzeugt werden. Das derart erzeugte, im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Vorgang simultan akquirierte „Dual-Energy-Topogramm“ (umfassend die Einzel-Topogramme für die beiden Röntgenenergien) kann sowohl als Planungs-Topogramm für einen CT-Scan 2.IV. dienen als auch für eine spätere Knochendichteanalyse 2.VI. des Untersuchungsobjekts. Im Vergleich zu einem Single-Energy-Planung-Topogramm führt diese Erzeugung des simultan akquirierten Dual-Energy-Topogramms nicht zu einem zusätzlichen Zeitaufwand. Die Strahlenbelastung für den Patienten erhöht sich ebenfalls nicht oder allenfalls marginal. Das in 2 gezeigte Verfahren ist in besonderem Maße zur Ermittlung eines Knochenmineraldichtewerts in Wirbelkörpern der menschlichen Lendenwirbelsäule geeignet, da die schnelle Umschaltung zwischen den zwei Röntgenstrahlenergien Bewegungsartefakte im Bereich der Wirbelsäule aufgrund von Darm- oder Atem- oder sonstigen Patientenbewegungen während oder zwischen den beiden Aufnahmen minimiert.
Die 3 zeigt schematisch die Erzeugung einer Topogramm-Aufnahme nach dem in der 2 beschriebenen Verfahren. Eine schnelle Umschaltung der Röntgenquelle zwischen der ersten R₁ und der zweiten R₂ Röntgenstrahlenergie (Zeitintervall z.B. 0,5 Millisekunden: fast kVp-switching) erfolgt in Verbindung mit einer konstanten Bewegung des Patiententisches in einer Bewegungsrichtung Z. Ein geeignetes Verhältnis von Umschaltfrequenz und Bewegungsgeschwindigkeit führt dazu, dass eine Detektoranordnung des CT-Systems, die in der Regel eine mehrzeilig aufgebaute Sensorfläche umfasst, stets eine Mehrzahl von Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätzen T₁₁, T₂₁, ..., T_N1, T₁₂, T₂₂, ..., T_N2 akquiriert, die Projektionsbilddaten von einer identischen Teilfläche des Untersuchungsobjekts enthalten. Dies gilt sowohl für Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätze T₁₁, T₂₁, ..., T_N1, die bei einer ersten, niederen Röntgenenergie aufgenommen werden, als auch für Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätze T₁₂, T₂₂, ..., T_N2, die bei einer zweiten, im Vergleich zur ersten Röntgenenergie höheren Röntgenenergie gewonnen werden. Die hier schematisch dargestellte Überlappung bzw. Verschachtelung der Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätze T₁₁, T₂₁, ..., T_N1, T₁₂, T₂₂, ..., T_N2 in der Messung des Untersuchungsobjekts mit einer gleichen und/oder unterschiedlichen Röntgenstrahlenergie bietet die Möglichkeit zu einer Erzeugung präziserer Abbildungen vom Untersuchungsobjekt durch die Bildung von Mittelwerten von den einzelnen akquirierten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätzen T₁₁, T₂₁, ..., T_N1, T₁₂, T₂₂, ..., T_N2 und/oder durch eine Auswahl der jeweils besten Teildatensätze T₁₁, T₂₁, ..., T_N1, T₁₂, T₂₂, ..., T_N2.
Die 4 zeigt ein Verfahren, das auf das in der 3 gezeigte Verfahren folgt. Die mit der ersten Röntgenenergie R₁ akquirierten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätze T₁₁, T₂₁, ..., T_N1 und die mit der zweiten Röntgenenergie R₂ akquirierten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätze T₁₂, T₂₂, ..., T_N2 werden demnach durch ein Interpolationsverfahren I bzw. geeignete Algorithmen separat in einen niederenergetischen Bilddatensatz BD_L (Topogramm) und einen relativ dazu höherenergetischen Bilddatensatz BD_H (Topogramm) weiterverarbeitet bzw. zusammengesetzt. Das Interpolationsverfahren I umfasst hier einen Schritt der Mittelung und/oder der Auswahl in Bezug auf eine Teiloberfläche des Untersuchungsobjekts, die aufgrund einer überlappenden Messfläche sowohl in einem ersten T₁₁ als auch in einem zweiten T₁₂ Projektions-Übersichtsbild-Teildatensatz abgebildet wurde. Eine Auswahl kann dabei derart erfolgen, dass ein Programm des Interpolationsverfahrens I automatisch eine qualitativ bessere von zwei Abbildungen der Teiloberfläche erkennt und auswählt sowie in einen nachfolgenden Bildverarbeitungsvorgang einspeist. Eine Mittelung bezeichnet eine Bildung von Mittelwerten im Abgleich von zwei Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätzen T₁₁, T₁₂, die eine Schnittmenge in Form von Projektions-Bilddaten derselben Teiloberfläche aufweisen. Die Mittelwerte können die ursprünglichen akquirierten Projektions-Bilddaten ersetzen und in einen nachfolgenden Bildverarbeitungsvorgang eingespeist werden.
Die 5 zeigt einen Postprocessing-Vorgang nach der Akquisition von Einzelbildfragmenten bzw. Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätzen T₁₁, T₂₁, ..., T_N1, T₁₂, T₂₂, ..., T_N2 mit der ersten und der zweiten Röntgenstrahlenergie mit dem Ziel der Ermittlung eines Knochenmineraldichtewerts KD des Untersuchungsobjekts bzw. des Patienten. In einem ersten Teilschritt 5.I.A. wird aus den mit der ersten Röntgenenergie von 80 kV erzeugten ersten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätzen T₁₁, T₂₁, ..., T_N1 ein niederenergetischer Bilddatensatz BD_L und in einem darauf folgenden Teilschritt 5.I.B. aus den mit der zweiten Röntgenenergie von 140 kV erzeugten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätzen T₁₂, T₂₂, ..., T_N2 ein höherenergetischer Bilddatensatz BD_H berechnet. Insbesondere bei der Durchführung des sequenziellen Dual-Energy-Topogramms (wie in 2 beschrieben) können der erste 5.I.A. und/oder der zweite 5.I.B. Teilschritt den Zwischenschritt eine Bewegungskorrektur zur Beseitigung von Bewegungsartefakten umfassen. In diesem Fall werden ein lagekorrigierter niederenergetischer Bilddatensatz BDK_L und/oder ein lagekorrigierter höherenergetischer Bilddatensatz BDK_H erzeugt, die in den weiteren Bildverarbeitungsprozess eingespeist werden. Hierauf folgt ein dem Fachmann bekannter Schritt 5.II. der Materialzerlegung. Er basiert auf dem Umstand, dass Materialien unterschiedlicher Dichte einen charakteristischen Verlauf der Schwächungskoeffizienten in Abhängigkeit von der applizierten Röntgenenergie aufweisen. Durch die Materialzerlegung kann die Absorptionscharakteristik eines Körpers, im Speziellen eines organischen Gewebes bzw. darin eingelagerter Strukturen, bei der Bildgebung mit berücksichtigt werden. Der Knochen-Übersichtsbilddatensatz KU wird infolge der vergleichsweise hohen Kalzium-Konzentration in menschlichen und tierischen Knochen anhand der Röntgenstrahlungsschwächungswerte von Kalzium gewonnen. Hierbei ist es möglich, mit Hilfe einer zweidimensionalen Funktion der gemessenen Schwächung in den Hoch- und Nieder-Energie-Projektions-Übersichtsbilddaten direkt einen Flächendichtewert im Knochen-Übersichtsbilddatensatz KU zuzuordnen.
Die Materialzerlegung resultiert in der Erzeugung eines Knochen-Übersichtsbilddatensatzes KU 5.III.A. und eines Weichteil-Übersichtsbilddatensatzes WU 5.III.B. des Untersuchungsobjekts.
Die folgenden Verfahrensschritte 5.IV., 5.V., 5.VI., 5.VIII. beziehen sich dann ausschließlich auf den Knochen-Übersichtsbilddatensatz KU. Zunächst wird eine ein- oder mehrstufige Segmentierung 5.IV. des Knochen-Übersichtsbilddatensatzes KU durchgeführt, um eine Anzahl von Auswertebereichen W_W, W_E zur Ermittlung des Knochenmineraldichtewerts KD festzulegen. Ein erster, weiterer Auswertebereich W_W, kann beispielsweise einen kompletten Beckenbereich des Patienten umfassen (siehe 6), der grob durch eine Bounding-Box festgelegt werden kann. Ein enger Auswertebereich W_E kann dann innerhalb des weiten Auswertebereichs W_W segmentiert werden. Er umfasst hier vorzugsweise die ersten vier Wirbelkörper der Lendenwirbelsäule und/oder einen oder zwei Oberschenkelhälse. Zusätzlich können auch ein oder zwei Handgelenke als enger Auswertebereich W_E oder Teile davon segmentiert werden.
Der Auswahl des Auswertebereichs folgt die Bereitstellung des Knochen-Übersichtsbilddatensatzes KU mit den segmentierten Auswertebereichen W_E 5.V. In einem weiteren Schritt 5.VI. erfolgt zur Bestimmung des Knochenmineraldichtewerts KD eine Mittelung des Knochenmineraldichtewerts KD über den segmentierten Auswertebereich W_E. Falls bei der Materialzerlegung für den Knochen-Übersichtsbilddatensatz KU nicht schon Knochenmineraldichtewerte KD ermittelt wurden, erfolgt an dieser Stelle eine Umrechnung des Bilddaten-Mittelwerts in einen physikalischen Dichtewert in der Einheit Kalzium-Hydroxylapatit pro cm² Fluid unter Verwendung einer mittels des Kalibrierphantoms (siehe 2) zuvor ermittelten Kalibrierfunktion KF.
Anschließend werden darauf basierend die Knochenmineraldichtebezugswerte KD_B (T-Score, Z-Score) ermittelt. In einem letzten Schritt 5.VII. wird ein Report erstellt, der mindestens einen Knochen-Übersichtsbilddatensatz KU mit dem/den segmentierten Auswertebereich(en) W_W, W_E enthält, einen absoluten Knochenmineraldichtewert KD sowie relative Knochenmineraldichtewerte bzw. Knochenmineraldichtebezugswerte KD_B in Form des T-Scores und des Z-Scores.
In der 6 ist ein Scanner 14 eines Computertomographie-System 1 dargestellt. Er ist verbunden mit einem elektronischen Steuerungssystem 25, das einen Bestandteil des CT-Systems 1 bildet. Der Scanner 14 umfasst im Wesentlichen einen Patiententisch 23 als Untersuchungsobjektlagerungseinheit und einen Messraum 12, um den ringförmig eine im Scannergehäuse rotierbar gelagerte Gantry (nicht dargestellt) mit einer Röntgenquelle 2 und einer der Röntgenquelle 2 gegenüber liegenden Detektoranordnung 3 angeordnet ist. Durch den Messraum 12 verläuft im Betrieb des CT-Systems 1 ein von der Röntgenquelle 2 ausgehender Röntgenfächer- oder Röntgenkegelstrahl in Richtung der Detektoranordnung 3. Bei einem Topographie-Scan rotieren Röntgenquelle 2 und Detektoranordnung 3 jedoch nicht um den Messraum, sondern stehen jeweils an einer festen Winkelposition, die im Falle der Röntgenquelle 2 eine 12-Uhr-Position oberhalb des Patiententischs 23 und im Falle der Detektoranordnung 3 eine 6-Uhr-Position unterhalb des Patiententischs 23 darstellt, um eine frontale Projektion des Körpers 17 zu erzeugen.
Der Patiententisch 23 kann hier in den Messraum 12 eingefahren werden – alternativ ist es auch möglich, den Scanner 14 mitsamt seinem Gehäuse in Richtung des Patiententischs 23 zu bewegen. Auf dem Patiententisch 23 ist als Untersuchungsobjekt ein Körper 17 eines Patienten gelagert sowie als Referenzmessobjekt ein Kalibrierphantom 19. Ein Aufnahmeausschnitt A umfasst in diesem Zusammenhang das gesamte Röntgenprojektionsbild bzw. Durchleuchtungsbild des Körpers 17 und des Kalibrierphantoms 19, die in einem Messvorgang von einer Röntgenstrahlung der Röntgenquelle 2 beaufschlagt und von der Detektoranordnung gemessen werden. Grundsätzlich kann der Aufnahmeausschnitt A aber auch nur einen Abschnitt des Körpers umfassen, z.B. nur den Unterkörper. Ein weiter Auswertebereich W_W bildet einen Teilbereich des Aufnahmeausschnitts A. Innerhalb des weiten Auswertebereichs W_W sind hier zwei Bestandteile des Körpers 17 als ein enger Auswertebereich W_E definiert: Eine Lendenwirbelsäule 15a und ein Oberschenkelhals 15b.
Zur Durchführung eines Tomographiescans mit Hilfe des CT-Systems 1 wird das Steuerungssystem 25 verwendet. Es umfasst Ein- bzw. Ausgangsschnittstellen 27, 29, 31, 33, 35, 37, über die Steuerungsdaten SD₁, SD₂, SD₃ ausgegeben bzw. Messdaten entgegengenommen werden. Die Messdaten umfassen die bei einem simultanen oder sequenziellen Dual-Energy-Topogramm vom Körper 17 akquirierten ersten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätze T₁₁, T₂₁, ..., T_N1 und zweiten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätze T₁₂, T₂₂, ..., T_N2. Außerdem umfassen die Messdaten die bei einem simultanen oder sequenziellen Dual-Energy-Topogramm vom Kalibrierphantom 19 akquirierten ersten Projektions-Referenzbilddaten PR₁ und die zweiten Projektions-Referenzbilddaten PR₂.
Das Steuerungssystem 25 umfasst weiterhin eine zentrale, auf einem Prozessor angeordnete erfindungsgemäße Steuereinrichtung 10 und einen damit in Verbindung stehenden Scanprotokollspeicher 41. Die Steuereinrichtung 10 generiert Steuerungsdaten SD₁, SD₂, SD₃ zur Steuerung des CT-Systems 1. Über die Ausgangsschnittstelle 31 werden Steuerungsdaten SD₁ zur Steuerung der Detektoranordnung 3 ausgesandt. Von der Detektoranordnung 3 gelangen die ersten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätze T₁₁, T₂₁, ..., T_N1 und die zweiten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätze T₁₂, T₂₂, ..., T_N2 und die ersten Projektions-Referenzbilddaten PR₁ und die zweiten Projektions-Referenzbilddaten PR₂ über die Eingangsschnittstelle 27 in die Steuereinrichtung 10. Diese generiert weiterhin Steuerungsdaten SD₂, die über die Ausgangsschnittstelle 29 an die Röntgenquelle 2 zur Steuerung derselben weitergeleitet werden. Weitere Steuerungsdaten SD₃ gehen über die Ausgangsschnittstelle 33 an die Untersuchungsobjektlagerungseinheit 23, wodurch z.B. deren Vorschub gesteuert wird.
Die Steuereinrichtung 10 umfasst eine Bilderzeugungseinheit 21, eine Knochenübersichts-Ermittlungseinheit 51, eine Auswertebereichs-Ermittlungseinheit 53 sowie eine Mineraldichtewert-Ermittlungseinheit 55.
Die Bilderzeugungseinheit 21 erzeugt aus den ersten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätzen T₁₁, T₂₁, ..., T_N1 einen niederenergetischen Bilddatensatz BD_L und aus den zweiten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätzen T₁₂, T₂₂, ..., T_N2 einen hochenergetischen Bilddatensatz BD_H. Sie verfügt über eine Funktion der Registrierung, insbesondere der Durchführung einer Lagekorrektur des niederenergetischen Bilddatensatzes BD_L und des hochenergetischen Bilddatensatz BD_H.
Die Knochenübersichts-Ermittlungseinheit 51 erzeugt wie oben beschrieben aus dem niederenergetischen Bilddatensatz BD_L und dem hochenergetischen Bilddatensatz BD_H (ggf. lagekorrigiert) einen Knochen-Übersichtsbilddatensatz KU und vorzugsweise zusätzlich einen Weichteil-Übersichtsbilddatensatz WU.
Die Auswertebereichs-Ermittlungseinheit 53 ermittelt wie oben beschrieben im Knochen-Übersichtsbilddatensatz KU einen weiten Auswertebereich W_W und innerhalb des weiten Auswertebereichs W_W einen engen Auswertebereich W_E.
Die Mineraldichtewert-Ermittlungseinheit 55 berechnet für den engen Auswertebereich W_E des segmentierten Knochen-Übersichtsbilddatensatzes KU einen Knochenmineraldichtewert KD und Knochenmineraldichtebezugswerte KD_B (T-Score, Z-Score).
Die Steuereinrichtung 10 ist über eine erste Ausgangsschnittstelle 35 mit einem Terminal 43 verbunden. Hierüber können Auswahl- und Steuerungsinformationen in der Interaktion mit einem Bediener ein- und ausgegeben werden.
Eine zweite Ausgangsschnittstelle 37 ist mit einem Bus 45 verknüpft, an dem ein Massenspeicher 47 und ein radiologischen Informations- und Bildgebungssystem 49 angeschlossen sind. Über die Ausgangsschnittstelle 37 können beispielsweise Bilddaten, Bildverarbeitungsbefehle und weitere Informationen weitergeleitet werden, die einer Nachbearbeitung, Abspeicherung oder Weiterleitung an weitere Bilddatennutzer zugeführt werden sollen. Darunter fallen alle von der Steuereinrichtung 10 oder von einer ihrer Subeinheiten berechneten Daten, d.h. der niederenergetische Bilddatensatz BD_L, der hochenergetische Bilddatensatz BD_H, der lagekorrigierte niederenergetische Bilddatensatz BDK_L, der lagekorrigierte hochenergetische Bilddatensatz BDK_H, der Knochen-Übersichtsbilddatensatz KU, der Weichteil-Übersichtsbilddatensatz WU, der Knochenmineraldichtewert KD, der Knochenmineraldichtebezugswert KD_B und die Kalibrierfunktion KF. Das radiologische Informations- und Bildgebungssystem 49 kann somit (Teil-)Funktionen der Bilderzeugungseinheit 21, der Knochenübersichts-Ermittlungseinheit 51, der Auswertebereichs-Ermittlungseinheit 53 und der Mineraldichtewert-Ermittlungseinheit 55 ausführen. Beispielsweise kann sie ein Segmentierungsverfahren ausführen, welches in der Lokalisierung des weiten Auswertebereichs W_W und des engen Auswertebereichs W_E besteht, und zur Ermittlung des Knochenmineraldichtewerts KD und der Knochenmineraldichtebezugswerte KD_B notwendig ist. In unterschiedlichen Zwischenschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens können Datensätze im Massenspeicher 47 zwischengespeichert und dann erneut der Verarbeitungskette durch eine Datenverarbeitungseinheit zugeführt werden.
In der 6 sind nur ausgewählte, zur Verdeutlichung der Erfindung besonders geeignete Komponenten des CT-Systems 1 und des darin enthaltenen Steuerungssystems 25 dargestellt. Selbstverständlich umfassen beide Geräte noch eine Vielzahl weiterer Funktionsbestandteile.
Es wird außerdem abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Verfahren sowie bei der dargestellten Vorrichtung lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren zusammenwirkenden Teil-Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008037347 A1 [0010]

Claims

Verfahren zur Ermittlung von Knochenmineraldichtewerten (KD) eines Untersuchungsobjekts (17) mittels eines Computertomographie-Systems (1) mit folgenden Schritten: – Akquisition von ersten zweidimensionalen Projektions-Übersichtsbilddaten (PU₁) des Untersuchungsobjekts (17) in einem Aufnahmeausschnitt (A) mit einer ersten Röntgenstrahlenergie (R₁), – Akquisition von mindestens zweiten zweidimensionalen Projektions-Übersichtsbilddaten (PU₂) des Untersuchungsobjekts (17) im Aufnahmeausschnitt (A) mit mindestens einer zweiten Röntgenstrahlenergie (R₂), die sich von der ersten Röntgenstrahlenergie (R₁) unterscheidet, – Ermittlung eines Knochen-Übersichtsbilddatensatzes (KÜ) unter Verwendung der ersten Projektions-Übersichtsbilddaten (PU₁) und der zweiten Projektions-Übersichtsbilddaten (PU₂), – Ermittlung zumindest eines bestimmten Auswertebereichs (W_W, W_E) des Aufnahmeausschnitts (A) unter Verwendung des Knochen-Übersichtsbilddatensatzes (KU), – Ermittlung eines Knochenmineraldichtewerts (KD) für den bestimmten Auswertebereich (W_W, W_E) des Aufnahmeausschnitts (A) unter Verwendung der Bilddaten des Knochen-Übersichtsbilddatensatzes (KU) in dem bestimmten Auswertebereich (W_W, W_E).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte der Akquisition der ersten (PU₁) und der zweiten Projektions-Übersichtsbilddaten (PU₂) folgende Schritte umfassen: – Bewegung des Untersuchungsobjekts (17) relativ zu einem Messraum (M) des Computertomographie-Systems (1), – Umschaltung einer Röntgenquelle (2) zwischen der ersten Röntgenstrahlenergie (R₁) und der zweiten Röntgenstrahlenergie (R₂), – Akquisition von ersten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätzen (T₁₁, T₂₁, ..., T_N1) mit der ersten Röntgenstrahlenergie (R₁) und von zweiten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätzen (T₁₂, T₂₂, ..., T_N2) mit der zweiten Röntgenstrahlenergie (R₂) von dem Untersuchungsobjekt (17) im Aufnahmeausschnitt (A).
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Akquisition der ersten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätze (T₁₁, T₂₁, ..., T_N1) und der zweiten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätze (T₁₂, T₂₂, ..., T_N2) mittels einer wechselweisen Umschaltung zwischen der ersten Röntgenstrahlenergie (R₁) und der zweiten Röntgenstrahlenergie (R₂) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei zwischen der ersten Röntgenstrahlenergie (R₁) und der zweiten Röntgenstrahlenergie (R₂) in einer Frequenz umgeschaltet wird, dass bei einer Bewegung des Untersuchungsobjekts (17) relativ zum Messraum (M) der erste Projektions-Übersichtsbild-Teildatensatz (z.B. T₁₁ oder T₁₂) und der unmittelbar danach akquirierte zweite Projektions-Übersichtsbild-Teildatensatz (z.B. T₂₁ oder T₂₂), welche bei einer gleichen ersten (R₁) oder zweiten Röntgenstrahlenergie (R₂) akquiriert wurden, Projektions-Übersichtsbilddaten von einem identischen Teilbereich des Untersuchungsobjekts (17) umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, umfassend den Schritt einer Erzeugung eines niederenergetischen Bilddatensatzes (BD_L) aus den mit der ersten Röntgenstrahlenergie (R₁) akquirierten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätzen und eines höherenergetischen Bilddatensatzes (BD_H) aus den mit der zweiten Röntgenstrahlenergie (R₂) akquirierten Projektions-Übersichtsbild-Teildatensätzen (T₁₂, T₂₂, ..., T_N2) zur Ermittlung des Knochen-Übersichtsbilddatensatzes (KU).
Verfahren nach Anspruch 5, wobei zur Ermittlung des Knochen-Übersichtsbilddatensatzes (KU) der niederenergetische Bilddatensatz (BD_L) und der höherenergetische Bilddatensatz (BD_H) aufeinander registriert werden, gegebenenfalls unter Erzeugung eines lagekorrigierten niederenergetischen Bilddatensatzes (BDK_L) und/oder eines lagekorrigierten höherenergetischen Bilddatensatzes (BDK_H).
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei zusätzlich zum Knochen-Übersichtsbilddatensatz (KU) ein Weichteil-Übersichtsbilddatensatz (WU) aus dem niederenergetischen Bilddatensatz (BD_L) und dem höherenergetischen Bilddatensatz (BD_H) oder aus dem registrierten niederenergetischen Bilddatensatz (BDK_L) und/oder dem registrierten höherenergetischen Bilddatensatz (BDK_H) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt der Ermittlung eines bestimmten Auswertebereichs (W) teil- oder vollautomatisch erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt der Ermittlung des Knochenmineraldichtewerts (KD) im bestimmten Auswertebereich (W_W, W_E) unter Verwendung einer Kalibrierfunktion (KF) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Ergebnis einer Materialzerlegung im Knochen-Übersichtsbilddatensatz (KU) direkt Knochendichtewerte bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Akquisition der ersten (PU₁) und der zweiten (PU₂) zweidimensionalen Projektions-Übersichtsbilddaten und die Akquisition von ersten (PR₁) und zweiten (PR₂) Projektions-Referenzbilddaten von einem Referenzmessobjekt (19) zur Ermittlung der Kalibrierfunktion (KF) in einem gemeinsamen Messdurchlauf erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt einer Ermittlung von Knochenmineraldichtebezugswerten (K_B) unter Verwendung des Knochenmineraldichtewerts (KD).
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, umfassend den Schritt einer Ausgabe eines Reports von Messdaten des Untersuchungsobjekts.
Computertomographie-System (1) mit – einer Akquisitionseinheit (2, 3) zur Akquisition von ersten (PU₁) und zweiten (PU₂) zweidimensionalen Projektions-Übersichtsbilddaten eines Untersuchungsobjekts (17) in einem Aufnahmeausschnitt (A) mit einer ersten (R₁) und einer zweiten (R₂) Röntgenstrahlenergie, wobei sich die zweite (R₂) von der ersten (R₁) Röntgenstrahlenergie unterscheidet, – einer Knochenübersichts-Ermittlungseinheit (51) zur Ermittlung eines Knochen-Übersichtsbilddatensatzes (KU) unter Verwendung der ersten Projektions-Übersichtsbilddaten (PU₁) und der zweiten Projektions-Übersichtsbilddaten (PU₂), – einer Auswertebereichs-Ermittlungseinheit (53) zur Ermittlung zumindest eines bestimmten Auswertebereichs (W_W, W_E) des Aufnahmeausschnitts (A) unter Verwendung des Knochen-Übersichtsbilddatensatzes (KU), – einer Mineraldichtewert-Ermittlungseinheit (55) zur Ermittlung eines Knochenmineraldichtewerts (KD) für den bestimmten Auswertebereich (W_W, W_E) des Aufnahmeausschnitts (A) unter Verwendung der Bilddaten des Knochen-Übersichtsbilddatensatzes (KU) in dem bestimmten Auswertebereich (W_W, W_E).
Computerprogrammprodukt, welches direkt in einen Prozessor einer programmierbaren Steuereinrichtung und/oder einer Bilderzeugungseinheit ladbar ist, mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen, wenn das Programmprodukt auf der Steuereinrichtung und/oder einer Bilderzeugungseinheit ausgeführt wird.