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Die
Erfindung betrifft eine medizinische bildgebende Diagnostikeinrichtung
mit einer Erzeugungsvorrichtung für fortlaufende Bilddaten aufeinander
folgender Untersuchungsbilder, mit einer Auswertevorrichtung von
physiologischen, periodischen Daten und mit einer Speichervorrichtung
für die
Bilddaten.
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In
der
US 4,709,385 ist
eine derartige Röntgendiagnostikeinrichtung
beschrieben, bei der in einen Bildspeicher Bilder eines vollständigen Herzzyklus
EKG-gesteuert als Maskenszene eingelesen werden. Dadurch lässt sich
im Durchleuchtungsbetrieb zum aktuellen Videosignal das zu gleicher
Herzphase gehörende,
gespeicherte Videosignal des Gefäßsystems überlagern.
Eine solche Vorrichtung wird in der Pfadfindertechnik (Road Map)
eingesetzt.
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In
der Kardiologie wird häufig
das schlagende Herz mittels Röntgenstrahlung
abgebildet und in elektronischer Form als Bildsequenz gespeichert. Die
anfallenden Datenmengen können
dabei sehr groß werden.
Bei einer durchaus üblichen
Ortsauflösung
von 1024 × 1024
Bildpunkten und einer Bittiefe von 12 Bits – entsprechend einer Auflösung der
Helligkeit in 4096 Graustufen – werden
für jedes
Bild mindestens 1,5 MB benötigt.
Bei einer Bildwiederholfrequenz von bis zu 30 Bildern pro Sekunde
in der Kardiologie, oder von bis zu 60 Bildern pro Sekunde in der
Kinderkardiologie, und einer Aufnahmedauer von 10 s für eine Sequenz
erhält
man sehr schnell ein Datenvolumen von 450 MB bzw. 900 MB. Solange diese
Datenmenge als „flüchtig” angesehen
werden kann, also nur auf der Röntgenanlage
selbst zwischengespeichert wird, kann das Volumen mit der derzeitigen
Technologie noch gehandhabt werden. Sobald jedoch die Langzeitspeicherung
und -archivierung für
20 Jahre oder länger
angedacht wird, ergeben sich schnell logistische Probleme, die durch das
Volumen der kardiologischen Aufnahmen bedingt sind.
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In
der Bildverarbeitung sind Verfahren zur Kompression von Bildern
bekannt und weit verbreitet. Dabei ist zwischen „verlustfreier” und „verlustbehafteter” Kompression
zu unterscheiden. Bei verlustfreier Kompression ist aus dem komprimierten
Material jederzeit die vollständige,
bit-identische Bildinformation wieder herstellbar, während bei
verlustbehafteter Kompression nur ein annähernd gleiches Bild rekonstruiert
werden kann. Zur Verarbeitung und zum Transport medizinischer Bilder
ist der Standard „DICOM” sehr weit
verbreitet und von den führenden Herstellern
von bildgebenden Medizinprodukten akzeptiert, auch in der Übertragung
und Speicherung kardiologischer Bildsequenzen. Der DICOM-Standard
erlaubt neben der Codierung im Originalformat und der damit verbundenen
hohen Datenvolumina auch eine verlustfreie Kompression im Verfahren „JPEG lossless”. Dieses
Verfahren komprimiert jedes einzelne Bild der Sequenz für sich alleine.
Im typischen Einsatz erreicht „JPEG
lossless” eine
Kompressionsrate von 2:1 bis 3:1, die komprimierten Datensätze benötigen also
weniger als die Hälfte
des ursprünglichen
Platzbedarfs. Verlustbehaftete Kompressionsverfahren sind aus regulatorischen
Gründen
für den
Einsatz auf medizinischem Bildmaterial derzeit noch nicht zugelassen.
Es ist zu erwarten, dass in nächster
Zukunft auch bestimmte verlustbehaftete Verfahren zugelassen werden.
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Ein
weiterer Ansatz ist die Aufzeichnung der Durchleuchtungs- oder Aufnahmesequenzen
mit einem konventionellen Videorekorder, traditionell durch die
analoge Aufzeichnung eines PAL- oder
NTSC-gewandelten und unterabgetasteten Bildsignals. Bei diesem Verfahren
ist bereits eine Reduktion der Qualität akzeptiert und eine bit-genaue
Reproduktion des Ausgangsmaterials ist nicht mehr möglich. Die digitale
Aufzeichnung mit reproduzierbarem Ergebnis ist daher der analogen
Aufzeichnung vorzuziehen.
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Traditionell
wird eine Videosequenz in einzelne „Frames” unterteilt, wobei jedes Frame
die eigentliche Bildinformation für einen bestimmten Zeitpunkt
enthält.
Die Aneinanderreihung der Frames und das Abspielen mit einer bestimmten,
vorgegebenen oder dynamischen Frame-Rate erzeugen im Auge den Eindruck
eines bewegten Bildes. Die Codierung von Frames kann nun auf unterschiedliche Weise
erfolgen. Im einfachsten Fall wird für jedes Frame die vollständige Bildinformation
abgespeichert, d. h. jedes Frame für sich alleine kann dargestellt
werden. Diese Art der Codierung ist relativ speicheraufwändig. Bei
bewegten Bildern stellt man schnell fest, dass zwischen einem Frame
und dem direkten Folgeframe nur relativ geringe Unterschiede bestehen.
Indem nun lediglich diese Differenzinformation abgespeichert wird,
kann die Datenrate erheblich reduziert werden, ohne aber Information
zu verlieren. So werden zum Beispiel in den standardisierten „MPEG”-Verfahren
neben den I-Frames (intra-coded), die die vollständige Bildinformation enthalten,
auch P-Frames verwendet (predicted Frame, inter-coded), bei denen
lediglich Differenzinformationen enthalten sind, so dass die vollständige Bildinformation
nur zusammen mit I-Frame rekonstruiert werden kann. Diese Methodik
wird allgemein in der Filmindustrie eingesetzt. In der weithin verwendeten
Codierung von Spielfilmen mittels MPEG werden in vordefinierten,
regelmäßigen Abständen I-Frames
benutzt, wie dies der 1 zu entnehmen ist. Zwischen den
I-Frames werden die wesentlich platzsparenderen P-Frames oder auch,
wie in 2 dargestellt, B-Frames mit bidirektionaler Prädiktion
verwendet.
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In
der
DE 38 14 089 A1 ist
ein Röntgensystem
beschrieben, bei dem Reiheneinzelbilder in Bildspeichern gespeichert
werden, wobei ein Intervall zwischen R-Wellen des Elektrokardiogrammsignals eines
Untersuchungsobjekts durch einen Phasendetektor erfasst wird. Bei
dieser Anordnung kann jedes ausgelesene Reiheneinzelbild mittels
eines Fernseh-Monitors in der gleichen Periode wiedergegeben werden.
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Die
DE 101 50 364 A1 betrifft
ein Verfahren zur Codierung physiologischer Daten, während die vorliegende
Patentanmeldung die Codierung von Bilddaten betrifft. Die Codierung
erfolgt dabei gemäß einer
MPEG-Codierung.
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Aus
der
US 2002/0090140
A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur klinisch
adaptierten Kompression von Bilddaten bekannt, wobei eine Differenzkodierung
aufeinander folgender Bilder oder bezüglich eines Referenzbildes
besonders vorteilhaft ist, da bei klinischen Diagnostikeinrichtungen
die Bilder einer Folge stark korrelieren.
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Die
Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein medizinisches bildgebendes
System sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszubilden,
dass eine optimale Prädiktion
zur Komprimierung erfolgt.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß für das System
dadurch gelöst,
dass die Auswertevorrichtung von physiologischen, periodischen Daten
deren Wiederholrate bestimmt, wobei das bildgebende System eine
Codierungsvorrichtung der Bilddaten zur Komprimierung nach dem Verfahren
der Prädiktion
aufweist und die Codierungsvorrichtung mit der Auswertevorrichtung
verbunden ist, die diese derart steuert, dass die Prädiktion
sich dadurch dynamisch an die Periodenlänge der physiologischen Daten
anpasst, dass die Auswertevorrichtung die Periodenlänge eines
Herzzyklus ermittelt, die Codierungsvorrichtung die Prädiktion
eines Frames einer Herzschlag-Periode in Abhängigkeit des Frames berechnet,
der genau eine Herzschlag-Periode vorher aufgenommen wurde, die
Codierungsvorrichtung die Differenz der Frames aufeinanderfolgender
Herzschlag-Perioden durch die Codierungsvorrichtung ermittelt und
die Differenz als codierter Frame in der Speichervorrichtung zur
Langzeitspeicherung eingelesen wird. Durch die Nutzung der Information
beispielsweise aus dem EKG-Signal zur Kompression des Ausgangsmaterials
erhält
man eine dynamische Frame-Rate sowie die Möglichkeit, die Abhängigkeiten
der Prädiktion
derart zu steuern, dass sich ein minimaler Speicherbedarf ohne Datenverlust
ergibt.
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Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Auswertevorrichtung
derart umschaltet, dass die Codierungsvorrichtung die Bilder
- • in
einer ersten Betriebsart innerhalb der ersten Perioden der physiologischen
Daten mittels einer Prädiktion
des nachfolgenden Frames ausgehend von dem unmittelbar vorausgegangenen
Frame und
- • in
einer zweiten Betriebsart innerhalb der folgenden Perioden der physiologischen
Daten mittels einer Prädiktion
des nachfolgenden Frames ausgehend von dem korrespondierenden Frame
der vorausgegangenen Perioden der physiologischen Daten komprimiert.
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In
vorteilhafter Weise kann die Codierungsvorrichtung einen Speicher
für Untersuchungsbilder mit
einer Kapazität
von mindestens einer Periodenlänge
der physiologischen Daten aufweisen, der beispielsweise ein Ringpuffer
sein kann.
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Alternativ
kann die Auswertevorrichtung eine EKG-Auswertevorrichtung sein,
die die Herzschlagperiode mittels EKG-Elektroden bestimmt, oder
mit Respirations-Sensoren verbunden sein, die die Atmungsperiode
erfassen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren zur Komprimierung fortlaufender Bilddaten aufeinander
folgender medizinischer Untersuchungsbilder nach dem Verfahren der
Prädiktion
gelöst,
die aufgrund von physiologischen Daten derart steuerbar ist, dass
sich eine von der Periodenlänge der
physiologischen Daten abhängige
dynamische Frame-Rate ergibt, mit folgenden Schritten:
- a) Bestimmung der Periodenlänge
eines Herzzyklus,
- b) Berechnung der Prädiktion
eines Frames einer Herzschlag-Periode
in Abhängigkeit
des Frames, der genau eine Herzschlag-Periode vorher aufgenommen
wurde,
- c) Codierung eines Frames durch Ermittelung der Differenz der
Frames aufeinanderfolgender Herzschlag-Perioden und
- d) Speicherung des codierten Frames.
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In
vorteilhafter Weise können
die physiologischen Daten aus dem EKG-Signal und/oder aus der Atmung
abgeleitet werden.
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Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn
- • die Bilder
in der ersten Herzschlagperiode mittels einer Prädiktion des nachfolgenden Frames ausgehend
von dem unmittelbar vorausgegangenen Frame und
- • die
Bilder im eingeschwungenen Zustand der Codierungsvorrichtung mittels
einer Prädiktion des
nachfolgenden Frames ausgehend von dem korrespondierenden Frame
der vorausgegangenen Herzschlagperiode komprimiert werden.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 Erläuterung
einer MPEG Codierung mittels IPPP Frames,
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2 Erläuterung
der MPEG Codierung mittels IBPBP Frames,
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3 eine
Schaltungsanordnung einer erfindungsgemäßen Röntgendiagnostikeinrichtung,
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4 Darstellung
eines EKG-Signalverlaufs mit Periodenlänge und zugehöriger Frame-Nummer,
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5 Idealisierter
Verlauf einer EKG-Periode,
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6 Darstellung
der ermittelten Periodenlänge,
bezogen auf das Signal in 4 und
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7 ein
Beispiel für
die Prädiktion
unter Zuhilfenahme der Periodenlänge
des Herzschlags.
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In
der 3 ist eine erfindungsgemäße Röntgendiagnostikeinrichtung
mit einem Hochspannungsgenerator 1 dargestellt, der eine
Röntgenröhre 2 speist,
in derem Strahlengang 3 sich ein Patient 4 befindet.
Im Strahlengang 3 nachfolgend ist ein Röntgendetektor 5 angeordnet,
dessen Ausgangssignal über
eine Vorverarbeitungsstufe 6 einem Digital/Analog-Wandler
(D/A-Wandler 7)
zugeführt
wird, dessen analoges Ausgangssignal als aktuelles Röntgenbild auf
einem Monitor 8 dargestellt wird.
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Das
Ausgangssignal der Vorverarbeitungsstufe 6 wird weiterhin
in einen Bildspeicher 9 eingelesen, der eine Speicherkapazität von mehreren
Einzelbildern aufweist. An dem Bildspeicher 9 ist ein Videocoder 10 als
Codierungsvorrichtung angeschlossen, der das Videosignal zur Langzeitspeicherung
in einer Speichervorrichtung 11 nach einem nachfolgend
beschriebenen Verfahren mit Prädiktion
komprimiert.
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An
dem Patienten
4 sind EKG-Elektroden
12 angebracht,
die mit einer EKG-Schaltung
13 verbunden sind. Das EKG-Signal
der EKG-Schaltung
13 wird einem Diskriminator
14 für die Amplitude
und Phase des EKG-Signales zugeführt.
Der Diskriminator
14 ist mit einer Steuervorrichtung
15 verbunden, die
den Speichervorgang in dem Bildspeicher
9 sowie die Komprimierung
in dem Videocoder
10 steuert. Die EKG-Schaltung
13,
der Diskriminator
14 und die Steuervorrichtung
15 können beispielsweise
den in der
US 4,433,428 beschriebenen
Aufbau aufweisen.
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Nach
Einschaltung der Durchleuchtung werden die am Ausgang des Röntgendetektors 5 anliegenden
digitalen Videosignale über
wenigstens einen Herzzyklus in einen Speicherplatz des Bildspeichers 9 eingelesen.
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Nach
Auftreten eines Erkennungsmerkmales des EKG's, beispielsweise der R-Zacke, werden nacheinander,
zu unterschied lichen Herzphasen eines Herzzyklus gehörende Aufnahmen
in dem Bildspeicher 9 abgespeichert. Nach Beendigung der
Einspeicherung werden die in dem Bildspeicher 9 enthaltenen
Einzelbilder herzphasensynchron mit dem aktuellen Videosignal ausgelesen
und in dem Videocoder 10 Codiert.
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Zur
einfacheren Erläuterung
wird im Folgenden die Terminologie der MPEG-Codierung verwendet.
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Für die Codierung
von derartigen kardiologischen Röntgensequenzen
wird die Periodizität
des Ausgangsmaterials zunutze gemacht. Die durch den Herzschlag
verursachte Änderung
in der Bildinformation ist idealerweise periodisch, d. h. nach einer
bestimmten Zeit haben die im Bild sichtbaren Objekte wieder eine
nahezu identische Lage eingenommen. Mit anderen Worten erwartet
man, dass die Differenz zwischen dem aktuellen Frame und dem Frame,
das genau eine Herzschlag-Periode vorher aufgenommen wurde, sehr
gering sein wird. Die geringen Unterschiede lassen sich nun sehr
kompakt und Platz sparend codieren. Damit wird eine hohe Kompressionsrate
erreicht.
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Im
Gegensatz zur Codierung von Spielfilmen werden also keine vorgegebenen,
festen Intervalle für
I-Frames, sondern die Informationen über die Periode des Herzschlags
des Patienten verwendet. Die Information über den Herzschlag erhält man von
einem während
der Untersuchung aufgenommenen Elektrokardiogramm (EKG), aus dem
sich die Periode sehr gut ablesen lässt. Die 4 zeigt
ein Beispiel eines EKG-Signals und die zugehörigen Frame-Nummern. Weiterhin
sind die Periodenlängen dargestellt.
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Die
Auswertung des EKGs erfolgt automatisch. Zur Bestimmung der Periodenlänge kommt
ein Detektionsverfahren zum Einsatz, das die Zeitpunkte der markantesten
Merkmale des EKG-Signals, die so genannten QRS-Komplexe, ermittelt.
Die Zeitspanne von einem QRS-Komplex zum nächsten beschreibt dabei genau
eine Herzschlag-Periode, die in 5 wiedergegeben
ist. In der Literatur sind seit langem verschiedene Verfahren bekannt,
um die Herzfrequenz, also den Abstand aufeinander folgender QRS-Komplexe, zu bestimmen.
Solche Verfahren können
in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
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Da
das aufgenommene EKG-Signal und die Röntgenbildsequenz aufeinander
synchronisiert sind, ist eine eindeutige Zuordnung jedes Zeitpunktes
des EKG's zu genau
einem Frame möglich.
Die 6 stellt nun die berechnete Periodenlänge dar und
zeigt für
jedes Frame den Abstand zu demjenigen Frame, das genau eine Periode
vorher aufgenommen wurde. Für
die erste unvollständige
Periode ist noch keine Herzfrequenz bekannt, was mit dem Wert 0
repräsentiert
wird.
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Der
Kern der Erfindung beruht nun auf der Beobachtung, dass die Differenz
der Bildinformation eines Frames zu demjenigen, das genau einen
Herzschlag vorher war, minimal ist. Die Bewegung des Herzmuskels
wird zu zwei Zeitpunkten betrachtet, zu denen der Muskel jeweils
die gleiche Position und den gleichen Raum einnimmt. Daher sollte
im Idealfall diese Differenz der Bildinformationen geringer sein,
als die Differenz eines Frames zu seinem direkten Vorgängerframe.
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Die
durch die EKG-Auswertevorrichtung 12 bis 15 ermittelten
Werte der Periodenlänge,
ausgedrückt
in Frames, fließen
nun in den Videocoder 10 ein, der zusätzlich zum unmittelbar vorausgegangenen
Frame das korrespondierende Frame der letzten Herzschlag-Periode
zur Prädiktion
des nächsten P-Frames
verwendet. In 7 wird bis zum Frame Nummer
18 nur der jeweilige Vorgänger
zur Prädiktion
Pr verwendet. Ab dem Frame Nummer 18 kann die Information der Herzfrequenz
genutzt werden und das Frame der jeweiligen vorherigen Periode als Referenzframe
zur Prädiktion
Pz genutzt werden.
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Der
MPEG-4/AVC-Standard erlaubt bereits eine Prädiktion aus mehreren vorausgegangenen Frames
(„multiple
reference frames”-Technologie), wobei
allerdings nur die direkten Vorgän ger
berücksichtigt
werden. Durch jedes zusätzliche
Referenzframe steigt auch der Rechenaufwand. Im hier beschriebenen
Verfahren werden aus Gründen
der Rechenzeit zunächst
nur zwei Frames zur Prädiktion verwendet,
das direkte Vorgängerframe
und das entsprechende Frame der letzten Periode. Selbstverständlich können auch
noch mehr Kandidaten als Referenz-Frames in Betracht gezogen werden, etwa
die Nachbarn des Frames der vorherigen Periode usw.
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Insbesondere
ist auch die Entscheidung, ob ein I- oder ein P-Frame codiert wird, nicht von vorne herein
bestimmt, sondern wird abhängig
vom Datenmaterial während
der Codierung ermittelt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist unabhängig
von der Bildwiederholfrequenz des Materials. Es wird nicht die technische
Wiederholrate von beispielsweise 30 Frames pro Sekunde (fps) zur
Kompression benutzt, sondern die „physiologische Wiederholrate”, die durch
die Periodizität
der Herzschläge
gegeben ist und durch das EKG aufgezeichnet wurde.
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Zur
Realisierung des Verfahrens wird vorzugsweise ein Bildspeicher 9 eingesetzt,
der mindestens eine Periodenlänge
und Bilddaten aufnehmen kann, auch wenn jeweils nur ein Frame prädiziert wird.
Dieser Bildspeicher 9 kann zum Beispiel als Ringpuffer
realisiert werden, bei dem für
jedes hinzugekommene neue Frame das jeweils älteste Frame verworfen wird.
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In
unserer ersten Implementierung sind die Ergebnisse des in dieser
Erfindung beschriebenen Verfahrens sogar konform zum existierenden
Standard H.264/AVC, das heißt,
die hiermit komprimierten Sequenzen können von beliebigen H.264/AVC
kompatiblen Playern dargestellt werden.
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Erfindungswesentlich
ist also die Nutzung der Information aus dem EKG-Signal zur Kompression
des Ausgangsmaterials.
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In
einer weiteren Verwendung des hier vorgestellten Verfahrens kann
auch die Periodizität
der Atmung genutzt werden. Die Respiration verursacht eine in der
Röntgensequenz
sichtbare Bewegung des Brustkorbs und der Rippen. Eine Synchronisation
mit der Atmungsfrequenz kann also einen ähnlichen Effekt erzielen, wie
die Synchronisation mit der Herzfrequenz, wobei allerdings vergleichsweise
eine wesentlich längere
Aufnahmedauer notwendig ist, um die Periodenlänge zu ermitteln und zu nutzen.
Die Periodenlänge
der Atmung kann z. B. aus der Hüllkurve
des EKG-Signals geschätzt
werden, oder durch andere Respirationsmesser synchron zur Röntgensequenz
aufgezeichnet werden.
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Weiterhin
kann auch die Superposition beider Bewegungen ermittelt und zur
Bestimmung eines Referenz-Frames genutzt werden. Da sowohl die Kontraktion
des Herzmuskels als auch die Atmung periodisch sind, ist der beste
Kandidat für
ein Referenzframe sogar derjenige, bei dem sowohl die „Phasenlage” des EKGs
als auch die Phasenlage der Respiration mit der Phasenlage des gerade
betrachteten Frames übereinstimmen.
In der Praxis wird man in dieser speziellen Verwendung allerdings
sehr große
Entfernungen betrachten müssen
und verhältnismäßig viel
Aufwand in Rechenzeit und Speicheraufwand investieren müssen.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich
bei gleicher Bildinformation ein höherer Kompressionsfaktor erzielen,
als mit den bisher eingesetzten Verfahren. Für die beteiligten Systeme ergeben
sich verschiedene Vorteile.
- • Das kardiologische
Röntgensystem
erstellt das Ausgangsmaterial. Die notwendigen Datenraten und Volumina
können
bei erhöhter
Kompression entsprechend reduziert werden. Bei einer vorgegebenen
Größe des Datenspeichers
können
so entsprechend mehr Patienten untersucht werden, bevor die Übertragung
in ein Archivsystem notwendig ist. Durch die reduzierten Datenraten
ergeben sich auch geringere Anfor derungen an die internen Datenwege
des Röntgensystems
und damit geringere Anschaffungskosten des Aufnahmesystems.
- • Das
Archivsystem der Klinik muss für
die Langzeitarchivierung der Untersuchungsergebnisse sorgen. Der
Umfang des Archivs wächst
stetig mit der Anzahl der Untersuchungen. Indem die Daten besser
komprimiert werden, ist der Wachstumsgradient kleiner, d. h. die
nächste
Ausbaustufe des Archivsystems erfolgt zu einem späteren Zeitpunkt
als bei unkomprimierter Speicherung. Durch ein kleineres Wachstum
vermindern sich die laufenden Kosten der Archivierung.
- • Die Übertragung
der Daten, z. B. vom Aufnahmesystem zum Archiv oder vom Archiv zur
Befundungsstation, wird beschleunigt. Indem die Daten höher komprimiert
werden können,
wird bei vorgegebener Bandbreite des Kliniknetzwerkes die Übertragungszeit
reduziert. Für
den klinischen Anwender ergibt sich durch die raschere Reaktion ein
verbesserter Workflow. Die kürzere
Reaktionszeit erhöht
die Akzeptanz beim Anwender.