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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung zweier korrespondierender,
zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommener Abbilder eines Organs
sowie ein medizinisches Abbildungssystem.
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Zur
Klärung
vieler medizinischer Fragestellungen sind longitudinale bildgebende
Untersuchungen notwendig. Dies bedeutet, dass ein zu untersuchendes
Organ, Organsystem oder Körperteil
mit demselben bildgebenden Verfahren mehrmals zu unterschiedlichen
Zeitpunkten untersucht wird. Durch einen Vergleich der Abbilder
des Organs kann beispielsweise das Fortschreiten einer bestimmten
Erkrankung bestimmt werden. Oftmals können bestimmte Krankheiten,
vor allem degenerative Erkrankungen, auch nur durch eine Änderung,
die sich im Laufe der Zeit an einem Organ manifestiert, erkannt oder
zumindest in Betracht gezogen werden.
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Ein
Beispiel einer solchen Erkrankung ist die Alzheimer-Demenz. Diese Erkrankung
kann mit herkömmlichen
Untersuchungsverfahren nur sehr schwer diagnostiziert werden, insbesondere,
wenn sie sich in einem frühen
Stadium befindet. Diese Erkrankung wird zu den neurodegenerativen
Erkrankungen gezählt
und es ist bekannt, dass sich im Laufe der Alzheimererkrankung aufgrund
des Unterganges von Nervenzellen eine Atrophie in bestimmten Hirnregionen
zeigt, unter anderem in der grauen Hirnsubstanz (oder auch Hirnrinde
genannt) des Parietallappens und Temporallappens.
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Obwohl
das Auftreten dieser Veränderungen eine
bekannte Tatsache ist, eignen sich bildgebende Verfahren, insbesondere
die MRT (Magnet-Resonanz-Tomographie), nur sehr bedingt zur Diagnostik der
Alzheimererkrankung, selbst dann nicht, wenn volumetrische Verfahren
zur Ausmessung bestimmter kortikaler Bereiche eingesetzt werden.
Dies liegt teilweise daran, dass das zu messende und detektierende
Ausmaß der
Atrophie quantitativ unterhalb der interindividuellen Schwankungsbreite
der Größe bestimmter
Hirnregionen liegt.
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Eine
Möglichkeit,
dem zu begegnen, ist es, das Gehirn eines Patienten zu verschiedenen
Zeitpunkten zu untersuchen und durch einen Vergleich der Abbilder
das Fortschreiten der Atrophie festzustellen. Diese Methode weist
jedoch den Nachteil auf, dass die zu detektierenden Differenzen
teilweise sehr gering sind, sodass ein Anwender, der die Abbilder vergleicht,
die Unterschiede leicht übersehen
kann.
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Darüber hinaus
weisen die Abbilder – wenn sie
wie in der Neurologie üblich
mittels MRT-Verfahren angefertigt worden sind – die Besonderheit auf, dass
die zu unterschiedlichen Zeitpunkten angefertigten Abbilder unterschiedliche
Verzeichnungen, insbesondere Verzerrungen, aufweisen können. Dies liegt
daran, dass MRT-Verfahren, bei denen zur Bildgebung in bekannter
Weise unterschiedliche, genauestens aufeinander abgestimmte Magnetfelder
eingesetzt werden, empfindlich auf störende Einflüsse reagieren. Daher wird es
in der Regel nicht gelingen, bei den Abbildern stets genau dieselben
Aufnahmebedingungen zu gewährleisten,
sodass die unterschiedlichen Abbilder stets dieselben – und damit vergleichbaren – geometrischen
Verzerrungen aufweisen. Lediglich wenn die geometrischen Verzerrungen
mittels vor einer Aufnahme angefertigter Messungen eines Phantoms
detektiert und ausgeglichen würden,
könnten
die geometrischen Verzerrungen besser ausgeglichen werden. Dies
wird aufgrund des hohen Aufwandes und den damit verbunden Kosten
in der Praxis jedoch nicht angewendet.
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Einem
Anwender ist es daher in der Regel nicht möglich zu entscheiden, ob die
geringen, aber diagnostisch relevanten Unterschiede in den verschiedenen
Abbildern auf eine geometrische Verzerrung zurückzuführen sind oder auf eine tatsächliche Änderung
der anatomischen Begebenheiten in einem Organ.
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Aufgrund
dieser Tatsachen gehört
eine MRT-Untersuchung bislang nicht zu den anerkannten und etablierten
Methoden der Alzheimer-Diagnostik, sondern wird vornehmlich zum
Ausschluss anderer Erkrankungen eingesetzt.
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Verschiedene
Ansätze
existieren bislang, um den geschilderten Problemen zu begegnen.
In der Schrift von Freeborough PA, Fox NC, The boundary shift
integral: an accurate and robust measure of cerebral volume changes
from registered repeat MRI", IEEE
Trans. Med. Imaging 1997; 16: 623–629, wird eine Methode
zur Messung von Volumenänderungen bei
wiederholten, dreidimensionalen MRT-Aufnahmen offenbart. Hierbei
werden die zu unterschiedlichen Zeitpunkten angefertigten MRT-Aufnahmen
rigide zueinander ausgerichtet und ihre Intensitätswertdifferenzen integriert.
Mit dieser Methode können zwar
Volumenunterschiede des gesamten Gehirns detektiert werden, jedoch
berücksichtigt
das Verfahren unterschiedliche geometrische Verzerrungen nicht.
Zudem können
Volumenänderungen
nicht bestimmten Hirnregionen zugeordnet werden, sodass das Verfahren
einem Anwender oftmals eine unzureichende Hilfestellung beim Auffinden
oder Ausschließen
einer bestimmten Diagnose bietet.
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Es
gibt zwar Abwandlungen, lediglich bestimmte Hirnregionen mit dem
Verfahren zu untersuchen, um so wenigsten eine grobe Lokalisation
der morphologischen Veränderungen
zu erhalten, doch auch hier werden geometrische Verzerrungen nicht berücksichtigt.
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Auch
wenn das Problem am Beispiel der Alzheimer-Demenz und ihrer Diagnostik
mittels MRT geschildert wurde, finden sich ähnliche Probleme bei anderen
medizinischen Fragestellungen. Als Beispiel erwähnt sei die Progredienz einer
Tumorerkrankung oder einer Osteoporose. Ebenso ergeben sich die oben
geschilderten Probleme einer geometrischen Verzerrung vornehmlich
bei einer MRT-Untersuchung, jedoch können auch andere Untersuchungsmodalitäten, wie
z.B. eine Computer-Tomographie, ähnliche
Probleme aufweisen, beispielsweise bei einer fehlerhaften Kalibrierung.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, bei
dem ein Anwender bei der Auswertung zweier Abbildungen eines Organs,
die zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen wurden, auf effektive
Weise unterstützt
wird. Zudem ist es die Aufgabe der Erfindung, ein medizinisches
Abbildungssystem anzugeben, das einen Anwender bei der Auswertung
zweier Abbildungen eines Organs, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten
aufgenommen wurden, auf effektive Weise unterstützt.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie ein medizinisches Abbildungssystem
nach Anspruch 12.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Auswertung zweier korrespondierender, zu verschiedenen Zeitpunkten
aufgenommener Abbilder zumindest eines Organsystems zur Feststellung
einer pathologischen Veränderung
bei einem medizinischen Krankheitsbild, wobei das zumindest eine
Organsystem einen ersten Bereich und einen zweiten, in den Abbildern
von dem ersten Bereich unterscheidbaren Bereich aufweist, und wobei
der zweite Bereich von der pathologischen Veränderung bei dem medizinischen
Krankheitsbild stärker
als der erste Bereich erfasst wird, umfasst folgende Schritte:
- – Bestimmung
einer Registrierung für
den ersten Bereich, sodass durch die Registrierung der erste Bereich
des ersten Abbildes und der erste Bereich des zweiten Abbildes zueinander
registriert werden,
- – Erweiterung
der Registrierung für
den ersten Bereich zu einer erweiterten Registrierung, sodass durch
die erweiterte Registrierung der zweite Bereich mit erfasst wird,
- – Transformation
eines der beiden Abbilder anhand der erweiterten Registrierung,
- – Darstellung
des transformierten Abbildes und des anderen Abbildes und/oder Ermittelung
eines Unterschiedes bei den beiden Abbildern im zweiten Bereich
durch Vergleich des zweiten Bereiches des transformierten Abbildes
und des zweiten Bereiches des anderen Abbildes.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
nützt dabei
die Tatsache aus, dass die pathologische Veränderung den zweiten Bereich
stärker
erfasst als den ersten Bereich. Durch einen Vergleich des ersten
Bereiches, der von der pathologischen Veränderung weniger stark betroffen
ist, in den beiden Abbildern können
nun Rückschlüsse auf
abbildungssystembedingte Verzeichnungen gezogen werden. Besonders dann,
wenn die pathologische Veränderung
im ersten Bereich kleiner ist als die Verzeichnungen, die üblicherweise
bei dem Abbildungssystem auftreten, mit dem die Abbilder aufgezeichnet
wurden, können
die abbildungssystembedingten Verzeichnungen durch den Vergleich
des ersten Bereiches in einem der beiden Abbilder zu dem ersten
Bereich in dem anderen Abbild mit großer Genauigkeit detektiert
werden.
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In
dem erfindungsgemäßen Verfahren
erfolgt dies durch Bestimmen einer Registrierung für den ersten
Bereich, sodass durch die Registrierung der erste Bereich des ersten
Abbildes und der erste Bereich des zweiten Abbildes, zueinander
registriert sind. Dies bedeutet, dass diejenige Transformation bestimmt
wird, welche den ersten Bereich des ersten Abbildes und den ersten
Bereich des zweiten Abbildes miteinander weitgehend in Deckung bringt.
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Nachdem
durch die Bestimmung der Registrierung der erste Bereich in dem
einen Abbild und der erste Bereich in dem anderen Abbild zueinander
registriert sind und hierüber
abbildungssystembedingte Verzeichnungen im ersten Bereich bekannt
sind, wird die Registrierung, die für den ersten Bereich vorliegt, zu
einer erweiterten Registrierung erweitert, sodass durch die erweiterte
Registrierung der zweite Bereich mit erfasst wird.
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Auf
diese Weise werden abbildungssystembedingte Verzeichnungen, insbesondere
Verzerrungen, in den zweiten Bereichen weitgehend entfernt, sodass
die verbleibenden Unterschiede auf die pathologische Veränderung
zurückgeführt werden
können.
Lediglich, wenn die abbildungssystembedingten Verzeichnungen lokal
stark im Abbild variieren würden,
kann das Verfahren an seine Grenzen stoßen, da in diesem Falle die
abbildungssystembedingten Verzeichnungen im zweiten Bereich nicht
aus den Verzeichnungen des ersten Bereiches ermittelt werden können. Stark
lokal variierende Verzeichnungen sind aber bei den zurzeit eingesetzten
Abbildungssystemen üblicherweise
nicht zu erwarten.
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Die
erweiterte Registrierung wird nun dazu verwendet, um eines der beiden
Abbilder zu transformieren.
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Nach
erfolgter Transformation eines der beiden Abbilder kann der verbleibende
Unterschied zwischen den beiden Abbildern, der sich nun vornehmlich
im zweiten Bereich zeigt, auf verschiedene Weise dargestellt und/oder
ermittelt werden. In einer besonders einfachen Weise werden dem
Anwender beide Abbilder, also das transformierte und das andere
Abbild, parallel dargestellt, sodass er den Unterschied intuitiv
durch einen visuellen Vergleich der beiden Abbilder erkennen kann.
Der Anwender kann aber auch bei der Ermittelung des Unterschiedes
unterstützt
werden, indem die Ermittelung des Unterschiedes automatisch oder
halbautomatisch durchgeführt
wird, und der ermittelte Unterschied dargestellt wird. Beispielsweise
können
beide Abbilder voneinander subtrahiert werden, sodass hierüber der Unterschied
zwischen den beiden Abbildern ermittelt wird. Der ermittelte Unterschied
kann dann beispielsweise in Form eines Subtraktionsbildes dargestellt werden,
oder die ermittelten Unterschiede können in der Darstellung der
Abbilder markiert werden.
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Üblicherweise
werden die ermittelten Unterschiede oder die beiden Abbilder, von
denen eines transformiert ist, anschließend in einem Speichermedium
gespeichert.
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Bevorzugterweise
wird das Verfahren dann angewendet, wenn der erste Bereich von der
pathologischen Veränderung
bei dem medizinischen Krankheitsbild im Wesentlichen nicht erfasst
wird. Wenn der erste Bereich durch die pathologische Veränderung
nicht erfasst wird, bleibt er im Wesentlichen konstant, sodass – falls
in den zwei zu den unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommenen Abbildern Unterschiede
in der Darstellung des ersten Bereiches auftreten sollten – diese
Unterschiede auf das Abbildungssystem, mit dem die Abbildungen angefertigt
worden sind, zurückzuführen sind.
Diese abbildungssystembedingten Unterschiede können nun besonders genau durch
die Registrierung des ersten Bereiches in dem einen Abbild zu dem
ersten Bereich in dem anderen Abbild ermittelt werden.
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Bevorzugterweise
wird bei der Bestimmung der Registrierung für den ersten Bereich die Registrierung
lediglich für
den ersten Bereich bestimmt. Auf diese Weise kann die Registrierung
einfacher, schneller und effektiver ermittelt werden, da lediglich der
erste Bereich des einen Abbildes mit dem ersten Bereich des anderen
Abbildes in Beziehung gesetzt wird.
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Vorteilhafterweise
ist die Registrierung für den
ersten Bereich eine nichtlineare Registrierung. Die Verwendung einer
nichtlinearen Registrierung kann abbildungssystembedingte Unterschiede
genauer erfassen, sodass die Genauigkeit des Verfahrens erhöht wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird bei der Erweiterung der Registrierung der in
einem der Abbilder abgebildete erste Bereich ausgeweitet und die
Registrierung für
den ersten Bereich auf den ausgeweiteten ersten Bereich ausgedehnt.
Hierdurch wird die Erweiterung der Registrierung in zwei Teilschritten
vollzogen. Der erste Teilschritt umfasst dabei lediglich die Ausweitung
des ersten Bereiches, und erst im zweiten Teilschritt wird die Registrierung
für Bildpunkte
im ausgeweiteten ersten Bereich ermittelt. Die Aufteilung in zwei
Teilschritte hat den Vorteil, dass die einzelnen Teilschritte einfacher
implementiert werden können,
da hierfür bekannte
Algorithmen existieren.
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Die
Ausweitung des ersten Bereiches kann z.B. über ein Aufblähen des
ersten Bereiches, beispielsweise auf einfache Weise mit einem morphologischen
Bildverarbeitungsoperator zur Dilatation durchgeführt werden,
z.B. mit einem sogenannten Dilatationsfilter. Insbesondere bei konvexen
ersten Bereichen ist es aber auch möglich, die Ausweitung über eine
Skalierung vorzunehmen.
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Bei
der Ausdehnung der Registrierung auf den ausgeweiteten ersten Bereich
können
ebenso verschiedene Verfahren eingesetzt werden. Beispielsweise
ist es möglich,
zu einem Bildpunkt im ausgeweiteten ersten Bereich den diesem Bildpunkt am
nächsten
liegenden Bildpunkt aus dem ersten Bereich zuzuordnen und daraufhin
die Registrierung, die für
den am nächsten
liegenden Bildpunkt des ersten Bereiches bekannt ist, auf den Bildpunkt
im ausweiteten Bereich zu übertragen.
In einer anderen Variante kann die Registrierung des ersten Bereiches auf
den ausgeweiteten ersten Bereich extrapoliert werden.
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Vorteilhafterweise
wird bei der Erweiterung der Registrierung die Ausweitung des ersten
Bereiches mit nachfolgender Ausdehnung der Registrierung iterativ
durchgeführt.
Durch die iterative Erweiterung der Registrierung können die
Teilschritte der Ausweitung des ersten Bereiches mit nachfolgender Ausdehnung
der Registrierung einfacher ausgebildet werden, da die Erweiterung
der Registrierung derart, dass auch der zweite Bereich mit erfasst
wird, nun nicht in einem einzigen Schritt gewährleistet werden muss. Der
zweite Bereich kann auf diese Weise auch durch sukzessives und wiederholtes
Anwenden der Erweiterung erfasst werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird vor der Bestimmung der Registrierung für den ersten
Bereich der erste Bereich segmentiert. Auf diese Weise kann das
Auffinden der Registrierung, die die ersten Bereiche in den beiden
Ab bildern zueinander registriert, d.h. das Bestimmen der Transformation,
welche die ersten Bereiche in den beiden Abbildern räumlich zueinander
in bestmögliche
Deckung bringt, anhand der zuvor vorgenommenen Segmentierung unterstützt werden.
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Vorteilhafterweise
sind die beiden Abbilder dreidimensionale, mit einem Magnet-Resonanz-Gerät oder mit
einem Computer-Tomographen angefertigte Abbilder des Organsystems.
Mit der Verwendung dreidimensionaler Abbilder kann die Registrierung
der ersten Bereiche und die Erweiterung der Registrierung genauer
und effektiver durchgeführt
werden, da alle drei Dimensionen berücksichtigt und Verzerrungen
in allen Raumrichtungen detektiert und ausgeglichen werden können. Insbesondere
Verzerrungen, die bei Magnet-Resonanz-Bildern aufgrund von Magnetfeldinhomogenitäten auftreten
können, können so
auf effektive Weise detektiert und bei der Auswertung der Bilder
berücksichtigt
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens ist das Organsystem ein Gehirn eines Patienten. Die
Anwendung des Verfahrens auf Abbilder des Gehirns ist daher besonders
vorteilhaft, da im Gehirn zu detektierende Veränderungen oftmals von geringem
Ausmaß sind,
die aber – wenn
vorhanden – von
hoher diagnostischer Aussagekraft sind.
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Bevorzugterweise
ist der erste Bereich eine weiße
Hirnsubstanz und der zweite Bereich eine graue Hirnsubstanz. Auf
diese Weise können
die geringfügigen
Veränderungen
bei neurodegenerativen Prozessen, wie sie beispielsweise beim Morbus
Alzheimer in der grauen Hirnsubstanz auftreten, detektiert werden.
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Vorteilhafterweise
weisen die Zeitpunkte, an denen die zwei korrespondierenden Abbilder
aufgenommen werden, einen Abstand von ein bis zwölf Monaten, vorzugsweise von
drei bis sechs Monaten auf. Dieser Zeitraum ist bei der Diagnose
vieler Erkrankungen des Gehirns, insbesondere bei neurodegenerativen
Erkrankungen, vorteilhaft.
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Das
erfindungsgemäße medizinische
Abbildungssystem steht mit einer Rechnereinheit in Verbindung, die
zur Durchführung
eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.
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Die
Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Merkmalen der Unteransprüche werden
nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
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Es
zeigen:
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1a und 1b jeweils
einen Transversalschnitt durch ein Gehirn, der zu unterschiedlichen Zeitpunkten
aufgezeichnet worden ist,
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2a und 2b die
jeweils zu den Transversalschnitten gehörigen Bereiche des Hirnmarks mit
einer Überlagerung
beider Bereiche,
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3 einen
Ausschnitt aus 2a, bei dem zusätzlich zum
Bereich des Hirnmarks zwei Dilatationsbereiche eingezeichnet sind,
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4 eine
Transformation des zweiten Transversalschnittes mit Hilfe einer
ermittelten Registrierung,
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5 eine überlagerte
Darstellung des ersten und des zweiten transformierten Transversalschnittes,
und
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6 ein
schematisches Diagramm mit den einzelnen Verfahrensschritten, die
bei der Durchführung
des Verfahrens durchgeführt
werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird anhand von 1 bis 5 bei
Abbildungen des menschlichen Gehirns veranschau licht und erläutert. 6 zeigt
eine schematische Übersicht über die einzelnen
Verfahrensschritte.
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1a und 1b zeigen
einen ersten Transversalschnitt1 und einen zweiten Transversalschnitt 3 eines
Gehirns an gleicher Position. Die beiden Transversalschnitte entstammen
dabei jeweils einem 3D-Volumendatensatz, der mit einem MRT-Gerät aufgezeichnet
worden ist. In den 3D-Volumendatensätzen sind die Hirnrinde 5 – oder die graue
Hirnsubstanz – und
das Hirnmark 7 – oder
die weiße
Hirnsubstanz – deutlich
voneinander abgrenzbar abgebildet.
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Die
beiden 3D-Volumendatensätze
sind dabei zu unterschiedlichen Zeitpunkten angefertigt worden.
Eine typische Fragestellung, für
die derartige 3D-Volumendatensätze
aufgezeichnet werden, kann beispielsweise die Frage nach dem Vorliegen
einer Alzheimer-Demenz sein. In diesem Falle werden die 3D-Volumendatensätze vorzugsweise
in einem zeitlichen Abstand von drei bis sechs Monaten aufgezeichnet.
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Der
zweite Transversalschnitt 3 weist im Vergleich zum ersten
Transversalschnitt 1 eine ungleichmäßige geometrische Verzerrung
auf. In 1a und 1b ist
diese Verzerrung durch die dargestellten Rechtecke 9 verdeutlicht.
Derartige Rechtecke 9 dienen hier lediglich zur Veranschaulichung
der ansonsten schwer nachweisbaren und sichtbaren Verzerrung und
sind in Abbildungen, wie sie üblicherweise vorliegen,
nicht sichtbar.
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Die
Verzerrung des zweiten Transversalschnittes 3 kann auf
unterschiedlichen Ursachen beruhen. Bei Magnet-Resonanz-Geräten ist
sie meist auf eine während
des Betriebes auftretende, geringfügige Veränderung der Magnetfelder, die
zur Anfertigung der Abbildung angelegt werden, zurückzuführen. Die
dabei auftretenden Verzerrungen können dabei im Millimeterbereich
liegen. Es können
jedoch auch andere Ursachen dafür
verantwortlich sein, beispielsweise eine fehlerhafte oder veränderte Kalibrierung
des medizinischen Abbildungssystems.
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Wenn
ein Anwender die beiden Transversalschnitte auswerten möchte, steht
er vor dem Problem, dass er Veränderungen
der Hirnrinde im temporalen Bereich 11 vermuten kann, da
hier die Hirnrinde im zweiten Transversalschnitt 3 schmäler erscheint
als im ersten Transversalschnitt 1. Letztlich kann er sich
jedoch nicht sicher sein, da die Veränderungen zumindest teilweise
auch auf die Verzerrungen zurückzuführen sein
können.
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Da
die Alzheimer-Demenz jedoch eine Erkrankung ist, bei der die degenerativen
Prozesse zu einer volumetrischen Veränderung hauptsächlich in der
Hirnrinde 5 führen,
während
das Hirnmark 7 morphologisch weitgehend unverändert bleibt,
kann die Verzerrung durch einen Vergleich des Hirnmarks 7 ermittelt
werden. Dieser Schritt wird nun in 2a und 2b erläutert.
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Zunächst wird
aus dem ersten und aus dem zweiten Transversalschnitt 1, 3 jeweils
der Hirnmarksbereich extrahiert – im Folgenden als erster Hirnmarksbereich 13 und
zweiter Hirnmarksbereich 15 bezeichnet. Dies kann – da sich
im 3D-Volumendatensatz
das Hirnmark 7 deutlich von der Hirnrinde 5 abgrenzt – beispielsweise
anhand von Verfahren vorgenommen werden, die das Hirnmark 7 aufgrund der
spezifischen Signalintensität
der einzelnen Voxel identifiziert. Es können aber auch andere automatische
oder semi-automatische, übliche
Segmentierungsalgorithmen angewendet werden. Beispielsweise kann
ein Anwender in eine zentrale Region des Hirnmarks 7 klicken
und so einen Segmentierungsalgorithmus auslösen, der ausgehend von dem
gewählten
Startpunkt den Umriss des zusammenhängenden Hirnmarks 7 auffindet.
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Der
erste Hirnmarksbereich 13 und der zweite Hirnmarksbereich 15 weisen
verzerrungsbedingte Unterschiede auf. Dies ist am zweiten Hirnmarksbereich 15 in 2b verdeutlicht
dargestellt, da hier der erste Hirnmarksbereich 13 gepunktet über lagert
dargestellt wird, sodass die Verzerrung deutlich sichtbar wird.
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Über einen
Vergleich des ersten Hirnmarksbereiches 13 mit dem zweiten
Hirnmarksbereich 15 wird eine Registrierung ermittelt,
die den ersten und den zweiten Hirnmarksbereich 13, 15 ineinander überführen. Dies
bedeutet, dass anhand der Registrierung für jeden Pixel des ersten Hirnmarksbereiches 15 ein
Transformationsvektor bekannt ist, der diesem Punkt einen korrespondierenden
Punkt des zweiten Hirnmarksbereiches 15 und umgekehrt zuordnet.
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Die
gewählte
Art der Registrierung ist dabei vornehmlich dem medizinischen Abbildungssystem angepasst
und stellt einen Kompromiss zwischen Genauigkeit der Registrierung
und Rechenzeit zur Ermittlung der Registrierung dar. Für Abbildungssysteme,
bei denen beispielsweise gehäuft
lediglich eine affine Verzerrung auftritt, kann es genügen, lediglich eine
affine Registrierung zu ermitteln, die die beiden Bereiche bestmöglich zueinander
in Beziehung setzt. Bei anderen Abbildungssystemen, wie beispielsweise
bei einem MRT-Gerät,
bei dem aufgrund von Magnetfeldinhomogenitäten Bildbereiche vornehmlich nichtlinear
verzerrt sind, kann dies dazu genutzt werden, um die passende nichtlineare
Registrierung zu ermitteln. Die passende Registrierung kann auch sukzessive
ermittelt werden, indem beispielsweise zuerst eine rigide oder affine
Registrierung und darauf basierend dann eine nichtlineare Registrierung ermittelt
werden.
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Durch
die Registrierung der beiden Hirnmarksbereiche 13, 15 ist
nun bekannt, wie Bildpunkte des ersten Hirnmarksbereiches 13 mit
dem zweiten Hirnmarksbereich 15 zusammenhängen oder – anders
ausgedrückt – ist für jeden
Bildpunkt des einen Hirnmarksbereiches ein Transformationsvektor
bekannt, der diesen Bildpunkt auf den korrespondierenden Bildpunkt
des anderen Hirnmarksbereiches abbildet.
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Nachdem
die Registrierung gefunden wurde, die den ersten und den zweiten
Hirnmarksbereich 13, 15 ineinander überführt, wird
die Registrierung auf weitere Bereiche ausgedehnt. In einem ersten
Schritt wird hierzu der erste (oder der zweite) Hirnmarksbereich 13 dilatiert,
d.h. ausgeweitet. Diese Ausweitung kann beispielsweise auf einfache
Weise anhand eines morphologischen Bildverarbeitungsoperators zur Dilatation
durchgeführt
werden. Den Pixeln des dilatierten Bereichs, die durch die Registrierung
noch nicht erfasst worden sind, da die Registrierung lediglich für den ersten
und zweiten Hirnmarksbereich 13, 15 vorgenommen
wurde, können
in einem zweiten Schritt Transformationsvektoren zugeordnet werden, wie
nachfolgend anhand 3 erläutert wird.
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3 zeigt
einen Ausschnitt aus dem ersten Hirnmarksbereich 13 entsprechend
dem Rechteck III in 2a. Zusätzlich zu dem ersten Hirnmarksbereich 13 ist
ein erster Dilatationsbereich 17 eingezeichnet. Der erste
Dilatationsbereich 17 geht dabei aus einer Dilatation des
ersten Hirnmarksbereichs 13 hervor.
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Die
Pixel des ersten Dilatationsbereichs 17 liegen alle nahe
am ersten Hirnmarksbereich 13. Einem Pixel 21,
das in dem ersten Dilatationsbereich 17 liegt, und das
durch die Registrierung noch nicht erfasst ist, wird nun ein Transformationsvektor
zugeordnet. Beispielsweise kann diesem Pixel 21 der Transformationsvektor
des nächstliegenden
Pixels 23 aus dem ersten Hirnmarksbereich 13 zugeordnet werden.
Alternativ kann aber auch eine (gegebenenfalls gewichtete) Mittelung
von Transformationsvektoren mehrerer, dem Pixel 21 nahe
liegenden Pixeln des Hirnmarks 13 zugeordnet werden. Alternativ kann
der Transformationsvektor für
das Pixel 21, das in dem ersten Dilatationsbereich 17 liegt,
auch aus einer Extrapolation der Transformationsvektoren für Pixel
des ersten Hirnmarksbereiches 13 ermittelt werden. In allen
Fällen
wird die Registrierung von dem ersten Hirnmarksbereich 13 auf
den ersten Dilatationsbereich 17 erweitert bzw. extrapoliert.
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Nachdem
nun die Registrierung auf den ersten Dilatationsbereich 17 erweitert
worden ist, kann diese Erweiterung iterativ erneut durchgeführt werden,
sodass die Erweiterung nun auch einen zweiten Dilatationsbereich 19 und
sukzessive weitere Bereiche erfasst, bis auch Bereiche erfasst werden,
die die Hirnrinde 5 abbilden.
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Die
erweiterte Registrierung hat den Vorteil, dass sie zwar die Bereiche,
anhand derer sie ermittelt wurde, – in diesem Fall also das Hirnmark 7 – ineinander überführt, sodass
sie sich weitgehend decken. Die restlichen Bereiche – also die
Hirnrinde 5 in diesem Fall – werden jedoch durch die erweiterte
Registrierung nur insofern verändert,
als dass verzerrungsbedingte Verzeichnungen ausgeglichen werden.
Die Veränderungen,
die auf eine Veränderung
der anatomischen Verhältnisse
der restlichen Bereiche zurückzuführen sind,
werden durch die Registrierung nicht ausgeglichen, sodass diese
Information beim Anwenden der Registrierung erhalten bleibt.
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Die
hier gezeigte Registrierung wurde durch einen Vergleich des ersten
und zweiten Hirnmarksbereichs 13, 15 des ersten
bzw. zweiten Transversalschnittes 1, 3 ermittelt,
d.h. durch einen Vergleich zweier zweidimensionaler Abbilder. Die
Ermittelung der Registrierung ist jedoch nicht auf zweidimensionale
Schnittbilder beschränkt.
Die Extraktion des Hirnmarkes 7 kann auch am gesamten 3D-Volumendatensatz
erfolgen, sodass jeweils die dreidimensionale Struktur des Hirnmarkes 7 bekannt
ist. Die Registrierung kann daraufhin auch durch einen Vergleich
der beiden dreidimensionalen Strukturen des Hirnmarks 7 erfolgen.
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Die
Verwendung dreidimensionaler Strukturen zur Ermittelung der Registrierung
hat den Vorteil, dass auf diese Weise auch Verzerrungen, die sich
in Richtung der Abfolge der einzelnen Transversalschnitte ergeben,
erfasst werden. Hierdurch ergibt sich eine noch genauere Registrierung,
die jeweils das Hirnmark des einen und des anderen 3D-Volumendatensatzes
ineinander überführt.
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Nach
der Erweiterung der Registrierung kann einer der beiden Transversalschnitte – in diesem
Falle der zweite Transversalschnitt 3 – mit der Registrierung transformiert
werden, wie in 4 gezeigt. Wenn nun der transformierte
zweite Transversalschnitt 25 mit dem ersten Transversalschnitt 1 verglichen
wird, sind der erste und der zweite Hirnmarksbereich 13, 15,
die Ausgangspunkte für
die Registrierung waren, weitgehend deckungsgleich. Bei der Hirnrinde 5 hingegen
werden durch die Registrierung lediglich verzerrungsbedingte Unterschiede weitgehend
korrigiert, während
die Unterschiede, die sich aufgrund einer pathologischen Veränderung
ergeben, größtenteils
erhalten bleiben.
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Auf
eine besonders einfache Weise kann beispielsweise der zweite transformierte
Transversalschnitt 25 und der erste Transversalschnitt 1 parallel
einem Anwender dargestellt werden. Dadurch, dass abbildungssystembedingte
Verzeichnungen nun ausgeglichen sind, kann der Anwender sein Augenmerk
auf Unterschiede zwischen den beiden Abbildern richten, die nun
auf pathologische Veränderungen
zurückzuführen sind.
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Deutlich
sichtbar werden pathologische Veränderungen durch eine überlagerte
Darstellung 29 des transformierten zweiten Transversalschnittes 25 mit
dem ersten Transversalschnitt 1, wie in 5 gezeigt.
Die Unterschiede 27 zwischen beiden Transversalschnitten
lassen sich nun auf einfache Weise visualisieren, beispielsweise
durch eine Subtraktion des ersten Transversalschnittes 1 und
des transformierten zweiten Transversalschnittes 25 oder
durch farbliche Kennzeichnung der Unterschiede 27. Ebenso
können
im Anschluss an das Ermitteln der Unterschiede Auswerteverfahren
angeschlossen werden, die das Ausmaß der Veränderung quantitativ erfassen,
beispielsweise durch eine volumetrische Messung.
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Die
hier in 1 bis 5 anhand
von MR-Bildern des Gehirns erläuterten
Verfahrensschritte sind jedoch nicht auf das in 1 bis 5 gezeigte
spezielle Organsystem, die spezielle Abbildungsmodalität oder die
spezielle medizinische Fragestellung beschränkt. Ein Fachmann kann das
Verfahren ebenso bei anderen Abbilddungsmodalitäten und bei anderen medizinischen
Fragestellungen anwenden, bei denen ein Organsystem erste und zweite
Bereiche aufweist, die sich in einem Abbild unterscheidbar darstellen
und bei denen sich eine pathologische Veränderung vornehmlich in einem
der beiden Bereiche manifestiert, während der andere Bereich von
der pathologischen Veränderung
im Wesentlichen unberührt
und konstant bleibt.
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6 zeigt
zusammenfassend ein Schema der einzelnen Verfahrensschritte, die
bei der Durchführung
des Verfahrens ausgeführt
werden.
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Ausgangspunkt
des Verfahrens sind ein erstes Abbild 31 und ein zweites,
zum ersten Abbild 31 korrespondierendes Abbild 33 eines
Organsystems, die jeweils mit einem medizinischen Abbildungssystem 35 zu
verschiedenen Zeitpunkten aufgenommen wurden. Das Organsystem umfasst
dabei einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich, die sich in den
beiden Abbildern 31, 33 jeweils unterscheidbar darstellen.
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An
diesen beiden Abbildern 31, 33 soll durch das
Verfahren das mögliche
Auftreten einer pathologischen Veränderung, die zu einem medizinischen Krankheitsbild
gehört,
detektiert werden. Von der pathologischen Veränderung ist bekannt, dass sie
lediglich im zweiten Bereich des Organsystems eine Veränderung
hervorruft, während
der erste Bereich von einer pathologischen Veränderung bei dem Krankheitsbild
nicht erfasst wird.
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In
einem ersten Verfahrensschritt 37 wird eine Registrierung
für die
ersten Bereiche bestimmt, sodass durch die Registrierung der erste
Bereich des ersten Abbildes 31 und der erste Bereich des
zweiten Abbildes 31 zueinander registriert werden.
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In
einem zweiten Verfahrensschritt 39 wird die Registrierung,
durch die bislang lediglich der erste Bereich in den beiden Abbildern
zueinander registriert ist, erweitert, sodass durch diese Erweiterung der
Registrierung auch der zweite Bereich der beiden Abbilder mit erfasst
wird.
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In
einem dritten Verfahrensschritt 41 wird eines der beiden
Abbilder anhand der erweiterten Registrierung transformiert, um
in einem vierten Verfahrensschritt 43 einen Unterschied
der beiden Abbilder im zweiten Bereich durch Vergleich des zweiten
Bereiches des transformierten Abbildes und des zweiten Bereiches
des anderen Abbildes automatisch oder halbautomatisch zu ermitteln.
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Alternativ
werden in einem fünften
Verfahrensschritt 45 das transformierte Abbild und das
andere Abbild einem Anwender parallel dargestellt, sodass der Anwender
den Unterschied zwischen den beiden Abbildungen durch visuelles
Betrachten der beiden Bilder ermitteln kann.
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In
einem sechsten Verfahrensschritt 47 wird das Ergebnis des
Verfahrens, also der ermittelte Unterschied und/oder das transformierte
Abbild und das andere Abbild auf einem Speichermedium gespeichert.
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Vorteilhafterweise
wird das Verfahren mit Hilfe einer Rechnereinheit 49, die
mit dem medizinischen Abbildungssystem in Verbindung steht, durchgeführt, da
eine derartige Rechnereinheit 49 oftmals über Bildauswertungs-
und Bilddarstellungsfunktionen verfügt, die in dem hier durchzuführenden
Verfahren vorteilhaft eingesetzt werden können.