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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung
der Größe eines
Objektdetails anhand eines Datensatzes von Datenwerten, die einem
mehrdimensionalen Raum zugeordnet sind und sich auf das Objekt beziehen.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Datenprozessor zum Bestimmen
der Größe eines
Objektdetails anhand eines Datensatzes von Datenwerten, die einem
mehrdimensionalen Raum zugeordnet sind und sich auf das Objekt beziehen.
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Ein
Verfahren und ein Datenprozessor dieser Art sind aus der internationalen
Patentanmeldung WO 97/13457 bekannt.
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Der
Datensatz weist Positionen in dem mehrdimensionalen Raum Datenwerte
zu. Der Datensatz umfasst insbesondere Dichtewerte, die die räumliche Dichteverteilung
des Objekts darstellen. Das bekannte Verfahren macht es möglich, die
Größe eines
Details, insbesondere eines Blutgefäßes, aus dem Datensatz abzuleiten,
insbesondere aus Dichtewerten eines zu untersuchenden Patienten.
Um die Stenose eines Blutgefäßes bestimmen
zu können,
muss die Breite des betreffenden Blutgefäßes genau ermittelt werden.
Zu diesem Zweck umfasst das bekannte Verfahren die Erfassung eines
Dichteprofils, und von dem Dichteprofil wird ein maximaler Dichtewert
des Details abgeleitet. Anschließend werden gemäß dem bekannten
Verfahren Randpunkte bestimmt, an denen die Dichtewerte im Dichteprofil
die Hälfte
des maximalen Dichtewerts betragen. Danach wird aus dem Abstand
zwischen den Randpunkten die Breite des Blutgefäßes berechnet. Obwohl das bekannte Verfahren
für die
Berechnung der Breite des Blutgefäßes die Tatsache berücksichtigt,
dass der gemessene Datensatz unscharf sein kann, hat sich gezeigt, dass
dennoch in der Messung der Breite des Blutgefäßes Ungenauigkeiten auftreten.
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Ungenauigkeiten
bei der Bestimmung der Breite von Blutgefäßen anhand von Daten, die mit Hilfe
der Computertomographie erfasst wurden, werden auch in dem Artikel „Evaluating
the potential and problems of three-dimensional computed tomography
measurements of arterial stenosis" von David S. Ebert et al. im Journal
of Digital Imaging 11 (1998), S. 151-157, besprochen. Ferner wird
ein automatisches digitales Verfahren zum Messen des Durchmessers von
Blutgefäßen in der
Abhandlung „Digital
Measurements of blood vessels diameters on chest radiographs" von F. Loup et al.
in den Proceedings of the Annual IEEE conference of the Engineering
in Medicine and Biology Society, Band 14 (1992), S. 1940-1941, beschrieben.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren zum Bestimmen der Größe eines Objektdetails
anhand des Datensatzes mit einer Genauigkeit zu schaffen, die der
des bekannten Verfahrens überlegen
ist. Eine Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, Ungenauigkeiten
aufgrund von Unterschieden in der räumlichen Auflösung in verschiedenen
Richtungen während
der Größenbestimmung
zu vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren gelöst, das
dadurch gekennzeichnet ist, dass in dem mehrdimensionalen Raum eine Vorzugsrichtung
gewählt
wird, wobei die räumliche Auflösung des
Datensatzes von Datenwerten in der Vorzugsrichtung höher ist
als die räumliche
Auflösung
der Datenwerte in mindestens einer von der Vorzugsrichtung abweichenden
Richtung, wobei die Detailgröße von Datenwerten
in der Vorzugsrichtung abgeleitet wird.
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Der
Datensatz von Datenwerten hat im Wesentlichen die höchste räumliche
Auflösung
in der Vorzugsrichtung. Die Auflösung
stellt die kleinste Größe eines
Objektdetails dar, die durch den Datensatz noch treu wiedergegeben
werden kann. Je kleiner das kleinste treu wiedergegebene Detail
ist, desto höher
ist die räumliche
Auflösung.
Speziell im Vergleich zu anderen Richtungen ist während der
Messung des Datensatzes die geringste Unschärfe in der Vorzugsrichtung
aufgetreten. Es hat sich gezeigt, dass vor allem Ungenauigkeiten
vermieden werden, die, wenn keine weiteren Schritte unternommen
werden, auftreten würden,
wenn die räumliche
Auflösung des
Datensatzes in verschiedenen Richtungen im Objekt unterschiedlich
ist. Wenn zum Beispiel der Datensatz mit Hilfe eines Röntgen-Computertomograpie-Verfahrens
erfasst wurde, liegt die Vorzugsrichtung in der Abtastebene. Dies
ist darauf zurückzuführen, dass
im Fall der Röntgen-Computertomographie
die bei weitem höchste
räumliche
Auflösung scheinbar
in der Abtastebene auftritt. Bei der Röntgen-Computertomographie werden
eine Röntgenquelle
und ein Röntgendetektor
gemeinsam um den Patienten in der Abtastebene gedreht. Während der Drehung
der Röntgenquelle
und des Röntgendetektors
können
auf der einen Seite der Patient und auf der anderen Seite die Röntgenquelle
mit dem Röntgendetektor
relativ zueinander verschoben werden, insbesondere in der Längsrichtung
des Patienten, so dass sich die Röntgenquelle und der Röntgendetektor
auf einem spiralförmigen
Pfad in Bezug auf den Patienten bewegen. In diesem Fall wird die
Abtastebene während
der Drehung relativ zum Patienten verschoben; die Abtastebene wird
insbesondere entlang der Längsachse
des Pati enten verschoben. In verschiedenen Ausrichtungen der Röntgenquelle und
des Röntgendetektors
relativ zu dem zu untersuchenden Patienten wird der Patient mit
Hilfe von Röntgenstrahlen
bestrahlt und es werden Dichteprofile des zu untersuchenden Patienten
erfasst, indem die Röntgenabsorption
in verschiedenen Richtungen im Körper
des zu untersuchenden Patienten gemessen wird. Anhand der Werte
der in verschiedenen Richtungen gemessenen Röntgenabsorption werden Dichtewerte
an verschiedenen Positionen im Körper des
Patienten rekonstruiert. Wenn die Datenwerte in der Vorzugsrichtung
verwendet werden, um die Größe des Details
abzuleiten, wird die Größe besonders genau
von dem Datensatz abgeleitet. Die Unschärfeeffekte während der
Bestimmung der Detailgröße können somit
weitgehend vermieden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere
zum Bestimmen der Größe von Details,
deren Größe sich
in verschiedenen Richtungen kaum unterscheidet. Das erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich zum Beispiel besonders zum Bestimmen der Größe des Querschnitts
von Arterien eines zu untersuchenden Patienten, weil Arterien praktisch
immer einen im Wesentlichen runden Querschnitt haben. Die Erfindung
bietet insbesondere den Vorteil, dass man ein genaues Ergebnis für die Größe des Objektdetails
erhält,
zum Beispiel für
die Breite der Arterie, wenn die Auflösung des Datensatzes in einer
Richtung, bei der es sich um die Vorzugsrichtung handelt, hoch ist,
und im Vergleich zu der Detailgröße in einer anderen
Richtung gering ist.
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Diese
und andere Aspekte der Erfindung werden anhand der in den abhängigen Ansprüchen definierten
Ausführungsformen
erläutert.
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Die
Datenwerte werden vorzugsweise in einer oder mehreren Abtastebenen
erfasst. Es hat sich gezeigt, dass die räumliche Auflösung der
Datenwerte in einer derartigen Abtastebene wesentlich höher ist
als die räumliche
Auflösung
in Richtungen außerhalb
der Abtastebene. Das bedeutet, dass die Vorzugsrichtung in der Abtastebene
liegt oder sich parallel zur Abtastebene erstreckt. Die Erfindung
eignet sich insbesondere zum Bestimmen der Größe eines Querschnitts eines
länglichen
Objektdetails. Eine Arterie im Körper
des zu untersuchenden Patienten stellt ein Beispiel für ein derartiges
längliches
Detail dar. Die Querebene eines derartigen länglichen Details wird im Wesentlichen
senkrecht zur Längsachse festgelegt.
Erfindungsgemäß kann die
Größe eines Details
genau bestimmt werden, indem man die Größe von Datenwerten in der Vorzugsrichtung
ableitet. Es hat sich gezeigt, dass die Vorzugsrichtung üblicherweise
in der Abtastebene liegt, in der die Datenwerte erfasst werden.
Dies ist vor allem der Fall, wenn die Datenwerte mit Hilfe eines
Röntgen-Computertomographie-Verfahrens
erfasst werden. Falls die Querebene parallel zur Abtast ebene liegt,
kann die Größe des Details
einfach von Datenwerten in einer beliebigen Richtung in der Querebene
abgeleitet werden, weil die Datenwerte in im Wesentlichen allen Richtungen
in der Querebene nur eine geringe Unschärfe aufweisen. Die Erfindung
bietet den Vorteil genauer Ergebnisse bezüglich der Größe des Details auch
in dem Fall, dass Datensätze
mit Hilfe eines Magnetresonanz-Bildgebungssytems oder eines 3D-Ultraschallverfahrens
erfasst wurden.
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Außerdem wird
die Größe des Details
vorzugsweise von Datenwerten abgeleitet, die sich auf einen senkrechten
Querschnitt des Details beziehen, so dass die Mitwirkung einer schrägen Projektion
relativ zur Längsachse
des Details bei der Bestimmung des Querschnitts des Details vermieden
wird. Zu diesem Zweck wird die (lokale) Längsachse des Details aus den
Datenwerten in dem Datensatz abgeleitet; es ist jedoch zu beachten,
dass die Längsachse
des Details auch von anatomischen Informationen abgeleitet werden
kann. Die Querebene verläuft
im Wesentlichen senkrecht zur lokalen Längsebene des Details. Die Datenwerte,
die die geringste Unschärfe aufweisen
und sich auf den Querschnitt des Details beziehen, liegen auf der
Schnittlinie der Querebene und der Abtastebene. Somit kann die Breite
des Details genau bestimmt werden, indem man die Größe von den
Datenwerten auf der Schnittlinie ableitet. Das Auftreten von Ungenauigkeiten
bei der Größenbestimmung,
die auf schräge
Querschnitte oder Unschärfe
der Datenwerte zurückzuführen sind,
wird dadurch so gut wie möglich
vermieden.
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Die
Größenwerte
des Details, zum Beispiel die Breite der Arterie, werden genau bestimmt,
indem zum Beispiel die Orte ermittelt werden, an denen starke Gradienten
in den Datenwerten in der Vorzugsrichtung auftreten. Derartige Gradienten
stellen die Ränder
der Arterie dar; vor allem wenn die Arterie während der Erfassung der Datenwerte
mit Hilfe von Röntgen-Computertomographie
mit einem röntgenabsorbierenden
Kontrastmittel gefüllt
ist, sind die Dichtewerte in der Arterie wesentlich höher als
die Datenwerte des umgebenden Gewebes. Ein weiterer Ansatz zur genauen
Bestimmung der Arterienbreite besteht darin, die Orte zu ermitteln,
an denen sich die Datenwerte auf einen vorgegebenen Bruchteil, zum Beispiel
die Hälfte,
des maximalen Dichtewertes in dem Detail, zum Beispiel der Arterie,
belaufen. Es hat sich gezeigt, dass die Positionen, an denen sich
die Dichtewerte auf die Hälfte
des maximalen Dichtewertes belaufen, eine genaue Angabe der Arterienränder bieten.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ergibt eine genaue Größe des Details,
zum Beispiel der Arterienbreite. Dieses Ergebnis stellt eine technische Hilfe
dar, die von dem Arzt beim Stellen einer Diagnose in Bezug auf Arterienstenose
bei dem zu untersuchenden Patienten genutzt werden kann.
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Diese
und andere Aspekte der Erfindung der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform und werden anhand von
dieser sowie unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Computertomograpie-Vorrichtung gemäß der Erfindung;
und
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2 graphisch
mehr oder weniger unscharfe Dichteverteilungen eines gleichmäßigen Details
mit einer Dichte, die erheblich von der Dichte in seiner Nachbarschaft
abweicht.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Computertomographie-Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Eine Röntgenquelle 1 liefert
in Verbindung mit einer schlitzförmigen
Blende 10 ein divergierendes flaches (fächerförmiges) Röntgenstrahlenbündel, um
das Objekt 2 zu bestrahlen, zum Beispiel einen zu untersuchenden
Patienten. Gegenüber
der Röntgenquelle 1 ist
ein Röntgendetektor 3 angeordnet.
In der vorliegenden Ausführungsform
ist der Röntgendetektor
ein positionsempfindlicher Röntgendetektor,
der eine Reihe einzelner Detektorzellen 11 enthält. Die
Detektorzellen 11 sind zum Beispiel gasgefüllte (mit
Xenon gefüllte)
Detektoren oder Halbleiterdetektoren. Die Dicke des fächerförmigen Röntgenstrahlenbündels beträgt im Allgemeinen
zwischen 1 mm und 10 mm, gemessen in der Mitte zwischen der Röntgenquelle
und dem Röntgendetektor. Die
Intensität
der Strahlung, die den Patienten durchquert hat und auf den Röntgendetektor
auftrifft, wird hauptsächlich
durch die Absorption innerhalb des Patienten 2 bestimmt,
der auf einem Tisch 12 zwischen der Röntgenquelle und dem Röntgendetektor angeordnet
ist. Durch Drehen der Röntgenquelle 1 gemeinsam
mit Röntgendetektor 3 um
den Patienten mit Hilfe eines Rahmens 13 wird die Absorption
entlang einer Vielzahl von Linien aus einer Vielzahl von Richtungen
gemessen. Die gemeinsame Drehung der Röntgenquelle und des Röntgendetektors
kann kontinuierlich erfolgen, aber auch intermittierend. Außerdem kann
der Patient während
der Bestrahlung und der Drehung auch entlang der Drehachse verschoben
werden, so dass der Röntgendetektor
Daten aus einem signifikanten dreidimensionalen Volumen des Patienten
erfasst. Neben einem drehbaren Rahmen mit einer Röntgenquelle
und einem Röntgendetektor
kann die Computertomographie-Vorrichtung auch ein Detektionssystem
enthalten, das nicht drehbar ist, sondern sich (im Wesentlichen) über den gesamten
Umfang um den Patienten herum erstreckt. Allgemein ausgedrückt werden
die Röntgen quelle
und der Röntgendetektor
vollständig
um den Patienten herum gedreht, also um 360°. Alternativ kann ein Detektionssystem
insgesamt um den Patienten herum angeordnet werden, wobei die Röntgenquelle
in diesem Fall vollständig
um den Patienten gedreht wird. Außerdem kann die Röntgenquelle auch
von einer ringförmige
Anode gebildet werden, die um den Patienten herum angeordnet ist;
der Einfallspunkt eines Elektronenstrahlbündels, das verwendet wird,
um aus dem Anodenmaterial austretende Röntgenstrahlen zu erzeugen,
bewegt sich dann gemeinsam mit der ringförmigen Anode um den Patienten
herum. Es reicht jedoch im Prinzip aus, ein fächerförmiges Strahlenbündel zu
verwenden, das sich in einen Winkel um den Patienten herum dreht,
der sich auf die Summe von 180° und
dem Aperturwinkel des fächerförmigen Strahlenbündels beläuft.
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Die
Intensität
der durch die einzelnen Detektorzellen in jeder Position oder Ausrichtung
der Röntgenquelle
und des Röntgendetektors
empfangenen Röntgenstrahlen
wird digitalisiert und der Rekonstruktionseinheit 4 zugeführt. Nach
der Korrektur bezüglich
bekannter Fehlerquellen und Störungen
werden diese Messdaten in der Rekonstruktionseinheit 4 in
Dichteprofile des zu untersuchenden Patienten konvertiert. Aus solchen
Dichteprofilen, die zu den aufeinanderfolgenden Richtungen gehören, in
denen der Patient bestrahlt wurde, rekonstruiert die Rekonstruktionseinheit
Dichteverteilungen in dem Körper des
Patienten. Zum Beispiel entsprechen hohe und niedrige Dichtewerte
in der Dichteverteilung Teilen des Patienten, in denen die Röntgenstrahlen
stärker bzw.
schwächer
absorbiert werden. Außerdem
kann die Rekonstruktionseinheit aus der Dichteverteilung ein Bild
eines Querschnitts in einer Ebene durch den Patienten ableiten.
Ein derartiges Bild kann zum Beispiel einen Querschnitt des zu untersuchenden
Patienten darstellen. Ein Bild dieser Art kann auf einem Monitor 14 angezeigt
werden, der mit der Rekonstruktionseinheit verbunden ist. Alternativ
kann das Bild in Form einer digitalen Bildmatrix gespeichert oder
einer Bildverarbeitungseinheit 15 zur weiteren Verarbeitung
zugeführt
werden. Die Computertomographie-Vorrichtung umfasst auch eine arithmetische Einheit 5,
die mit der Rekonstruktionseinheit 4 verbunden ist. Die
Rekonstruktionseinheit 4 führt der arithmetischen Einheit 5 die
Dichteverteilung zu. Die arithmetische Einheit 5 leitet
von der Dichteverteilung genaue Größenwerte von Details des Patienten
ab, zum Beispiel den Durchmesser der Arterien.
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2 zeigt
graphisch mehr oder weniger unscharfe Dichteverteilungen eines gleichmäßigen Details,
dessen Dichte von der Dichte in der Nachbarschaft des Details abweicht.
Genauer gesagt stellt die gestrichelte Kurve die tatsächliche
Dichte des Details in den Richtungen senkrecht zu (r⫠)
und parallel (r⫽) zu der Vorzugsrichtung
dar. Die Erfindung wird beispielhaft auf der Basis eines Details
beschrieben, das eine gleichmäßige Dichte
hat, die erheblich von der Dichte der Nachbarschaft des Details
abweicht. Außerdem
hat das Detail die gleichen Dimensionen in der Richtung senkrecht
und parallel zu der Vorzugsrichtung. Die durchgezogenen Linien stellen
die Dichte dar, die von den Dichtewerten abgeleitet wurden, welche
aus den mit Hilfe einer Computertomographie-Vorrichtung erfassten
Röntgenabsorptionswerten
rekonstruiert wurden. Die durchgezogenen Linien stellen also die
Veränderung
der gemessenen Dichtewerte in den jeweiligen Richtungen dar. Die
mit D⫠ bzw. D⫽ bezeichneten
Linien stellen die Veränderung
der gemessenen Dichtewerte senkrecht (D⫠) und
parallel (D⫽) zu der Vorzugsrichtung
dar. Aufgrund der begrenzten räumlichen
Auflösung,
mit der die Röntgenabsorption
gemessen wird, und weil die Dichtewerte daraus rekonstruiert werden,
kommt es zu Abweichungen zwischen der gemessenen Dichte und der
tatsächlichen
Dichte des Details. Derartige Abweichungen manifestieren sich als
ein geringerer maximal gemessener Dichtewert im Vergleich zu der tatsächlichen
maximalen Dichte des Details und manifestieren sich auch als die
Tatsache, dass gemessene Dichtewerte an Positionen außerhalb
des relevanten Details immer noch signifikante Werte aufweisen.
Derartige Phänomene
werden üblicherweise
als „Durchhängen" und „Unschärfe" der gemessenen Dichtewerte
bezeichnet. Es scheint, dass ein „Durchhängen" auftritt, wenn die räumliche
Auflösung
in einer Richtung gering im Vergleich zu der Größe des Details in dieser Richtung
ist. In einer Richtung, zum Beispiel in der Vorzugsrichtung, in
der die räumliche Auflösung hoch
im Vergleich zu der Größe des Details
in der betreffenden (bevorzugten) Richtung ist, kommt es kaum zu
einem „Durchhängen", jedoch liegt in
gewissem Maße
eine „Unschärfe" vor. Die arithmetische
Einheit 5 ist zum Beispiel als ein in geeigneter Weise
programmierter Computer oder (Mikro-) Prozessor konstruiert, der
mit einer speziell entworfenen elektronischen Schaltung ausgestattet
ist, um das erfindungsgemäße Verfahren
auszuführen. Die
arithmetische Einheit ist vor allem dafür eingerichtet, die Schnittlinie
der Querebene und der Abtastebene abzuleiten. Die arithmetische
Einheit ist auch dafür
eingerichtet, die Querebene als eine Ebene senkrecht zur Längsachse
des Details, zum Beispiel einer Arterie, abzuleiten. Die arithmetische
Einheit kann die Informationen bezüglich der Längsachse von den Dichtewerten
ableiten, jedoch können derartige
Informationen der arithmetischen Einheit auch separat zugeführt werden.
Die arithmetische Einheit umfasst zu diesem Zweck einen Eingangsanschluss 16.
Auch Informationen bezüglich
der Vorzugsrichtung, zum Beispiel zur Ausrichtung der Abtastebene,
werden der arithmetischen Einheit 5 über den Eingangsanschluss 16 zugeführt. Es
ist jedoch zu beachten, dass die Vorzugsrichtung auch von dem Datensatz
selbst abgeleitet werden kann. Die Vorzugsrichtung ist zum Beispiel
die Richtung in dem mehrdimensionalen Raum, in der die Gradienten
der Datenwerte vergleichsweise groß sind. Die arithmetische Einheit
ist auch dafür
eingerichtet, die Größe des Details
anhand der Dichtewerte entlang der Schnittlinie zu berechnen, zum
Beispiel durch Anwenden eines Halbwertsbreiteverfahrens auf derartige
Dichtewerte entlang der Schnittlinie.