DE10146915B4 - Vefahren und Bildgebungsgerät für eine 3D-Untersuchung am Patienten in aufrechter oder teilweise aufrechter Körperhaltung - Google Patents

Abstract

Röntgenapparatur (100) zur Aufnahme dreidimensionaler Bilddatensätze mit
einer Aufnahmevorrichtung zum Erstellen radiographischer Bilddaten aufweisend
– eine Röntgenquelle (101) zur Emission von Röntgenstrahlen,
– einen Röntgendetektor (102) zum Nachweis einer von der Röntgenquelle (101) emittierten Röntgenstrahlung und zur Umsetzung der Röntgenstrahlung in elektrische Signale für eine weitere Verarbeitung,
– eine Signalverarbeitungseinrichtung (106) für das Verarbeiten der elektrischen Signale des Röntgendetektors (102) zu einem dreidimensionalen Bilddatensatz und
– eine mechanischen Halterung (103, 104, 105) zur Führung von Röntgenquelle (101) und Röntgendetektor (102) in einer sich gegenüberstehenden Anordnung und zur Orientierung und Positionierung der Anordnung aus Röntgenquelle und Röntgendetektor im Raum,
dadurch gekennzeichnet,
dass die mechanische Halterung (103, 104, 105) eine vertikal ausgerichtete Führung (105) aufweist, entlang derer die vertikale Position der Anordnung aus Röntgenquelle (101) und Röntgendetektor (102) für Aufnahmen an zumindest zwei vertikal beabstandeten Untersuchungsgebieten verschiebbar ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine bildgebende Röntgentechnik, insbesondere eine Röntgentechnik zur dreidimensionalen bildlichen Rekonstruktion einer Patientenanatomie unter natürlicher Belastung.
• Für bestimmte orthopädische und traumatologische Fragestellungen ist es erforderlich Röntgenuntersuchungen an Patienten mit einer für die zu untersuchende Körperregion typischen Belastung durchzuführen. Insbesondere bei Untersuchungen an Knie- oder Fußgelenken, oder bei Untersuchungen an der Wirbelsäule kann eine sinnvolle Interpretation der Röntgenaufnahmen nur vorgenommen werden, wenn die Belastungen der Strukturen während der Aufnahme den Belastungen entsprechenden Auswirkungen bzw. Ursachen durch die Untersuchung ermittelt werden sollen.
• Aufnahmen an liegenden Patienten zeigen in der Regel nicht die durch Belastung auftretenden Veränderungen am Knochenapparat und den Gelenken, da sich der Patient hierbei in einer, entspannten Position befindet.
• Röntgenaufnahmen am stehenden Patienten sind seit der Erfindung des Omniskops durch Ernst Pohl 1922 möglich. Das Omniskop nutzt einen mit der Röntgenröhre gekoppelten Leuchtschirm für zweidimensionale Aufnahmen von Körperregionen am stehenden Patienten. Auch heute sind Aufnahmen am stehenden Patienten nur als zweidimensionale Projektionsaufnahmen möglich.
• Eine sichere Beurteilung von Feinstrukturen des Knochenapparats wie z.B. von Gelenkflächen, -stufen oder -spalten auf der Grundlage zweidimensionaler Projektionsaufnahmen ist je doch infolge der Überlagerung der Strukturen aus verschiedenen Tiefen des durchstrahlten Körpervolumens nur sehr eingeschränkt möglich, oft sogar unmöglich.
• Bevorzugt wird daher als Basis einer sicheren Röntgendiagnostik die aus dreidimensionalen Bilddatensätzen der Computertomographie oder C-Bogen-Röntgenmethode gewonnenen Schichtbilder oder dreidimensionale Darstellungen von aus den Bilddatensätzen segmentierten anatomischen Strukturen.
• Bei den heute verfügbaren Systemen der Computertomographie bzw. der C-Bogen-Röntgenbildgebung erfolgt die Untersuchung stets am liegenden Patienten. Um eine Belastung bei einer liegenden Patientenlagerung zu simulieren muss ein Patient eine Kraft gegen einen fixierten Körperteil aufbringen. Zur Untersuchung eines Fuß- oder Kniegelenks wird beispielsweise der Fuß mit einer Auflage oder einem Anschlag an der Fußsohle fixiert und der Patient übt mit seinem Bein einen Druck gegen die Auflage aus, so dass eine kompressive Kraft auf die Gelenke wirkt. Die hierbei erzielte Kraftwirkung auf die Gelenke ist in der Regel jedoch deutlich geringer als wenn sie durch die dem Körpergewicht entsprechenden Kräfte verursacht wird. Da ein entlastetes Gelenk eine andere Geometrie zeigt als ein belastetes, bieten solche Verfahren hier nur eine eingeschränkte Diagnose.
• Die DE 199 47 809 A1 beschreibt eine Aufhängevorrichtung für ein C-Bogen-Röntgensystem, die eine Bewegung der Röntgeneinrichtung entlang verschiedenster Trajektorien, deren Symmetrieachse parallel zur Horizontalen der Patientenliege verläuft, zulässt. Eine Untersuchung am Patienten in natürlicher Belastungshaltung ist hierbei nicht gegeben.
• Die DE 199 58 864 A1 beschreibt eine flexibel positionierbare C-Bogen-Röntgenvorrichtung die an einem Gelenkarm montiert in der durch die Tragarme des Gelenkarms aufgespannten Ebene bewegt werden kann. Bei geeigneter Ausrichtung des Gelenkarms ist eine Veränderung der vertikalen Position, jedoch kein definiertes Verschieben der C-Bogenröntgenvorrichtung in vertikaler Richtung möglich.
• Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Röntgenapparatur und ein Bildaufzeichnungsverfahren für eine dreidimensionale Bildgebung anzugeben, die eine Untersuchung ausgedehnter oder nichtzusammenhängender Körperregionen unter natürlichen Belastungsverhältnissen am nichtliegenden Patienten gestatten.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Röntgenapparatur zur Aufnahme dreidimensionaler Bilddatensätze mit einer Aufnahmevorrichtung zum Erstellen radiographischer Bilddaten aufweisend eine Röntgenquelle zur Emission von Röntgenstrahlen, einen Röntgendetektor zum Nachweis einer von der Röntgenquelle emittierten Röntgenstrahlung und zur Umsetzung der Röntgenstrahlung in elektrische Signale für eine weitere Verarbeitung, eine Signalverarbeitungseinrichtung für das Verarbeiten der elektrischen Signale des Röntgendetektors zu einem dreidimensionalen Bilddatensatz und einer mechanischen Halterung zur Führung von Röntgenquelle und Röntgendetektor in einer sich gegenüberstehenden Anordnung und zur Orientierung und Positionierung der Anordnung aus Röntgenquelle und Röntgendetektor im Raum, wobei die mechanische Halterung eine vertikal ausgerichtete Führung aufweist, entlang derer die vertikale Position der Anordnung aus Röntgenquelle und Röntgendetektor für Aufnahmen an zumindest zwei vertikal beabstandeten Untersuchungsgebieten verschiebbar ist.
• Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Bildaufzeichnungsverfahren zum Erstellen dreidimensionaler radiographischer Bilddatensätze mit einer erfindungsgemäßen Röntgenapparatur mit einem Schritt zur Aufzeichnung unterschiedlich orientierter Röntgenprojektionsaufnahmen von zumindest einem Untersuchungsbereich, und einem Schritt zum Erstellen zumindest eines dreidimensionalen Bilddatensatzes auf der Basis der aufgezeichneten Röntgenprojektionsaufnahmen, wobei das Bildaufzeichnungsverfahren einen Schritt zum vertikalen Verschieben der Anordnung aus Röntgenquelle und Röntgendetektor zwischen vertikal beabstandeten Untersuchungsbereichen an einem zumindest teilweise in aufrechter Körperhaltung befindlichen Patienten aufweist.
• Durch die Verbindung einer Untersuchung von Körperregionen unter natürlicher Belastung mit einer dreidimensionalen bildlichen Wiedergabe des Untersuchungsbereichs bietet die vorgeschlagene Röntgenapparatur und das vorgeschlagene Bildaufzeichnungsverfahren eine sichere Diagnosefähigkeit bei der Beurteilung von Patientenanatomien.
• Weitere vorteilhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind in den entsprechenden Unteransprüchen definiert.
• Eine verstellbare Befestigungseinrichtung ermöglicht vorteilhaft eine Variation des Abstands zwischen Röntgenquelle und Röntgendetektor, so dass der Bildbereich der Projektionsaufnahmen der Größe eines jeweiligen Untersuchungsbereichs angepasst werden kann.
• Vorzugsweise ermöglicht die mechanische Halterung eine Wahl der Orientierung der Anordnung aus Röntgenquelle und Röntgendetektor durch Rotation der Anordnung in einer Ebene um eine reproduzierbare Abbildungsgeometrie für die Auswertung der Projektionsbilder zu einem dreidimensionalen Bilddatensatz zu erhalten.
• In einer bevorzugten Ausführungsform weist die mechanische Halterung eine Einrichtung zum Kippen der Ebene der Rotation der Anordnung für ein vorteilhaftes Anpassen von Schnittebenen an anatomische Strukturen in der untersuchten Körperregion auf.
• Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, wobei auf folgende Figuren verwiesen wird, von denen
• 1 eine erfindungsgemäßes Röntgenapparatur und
• 2 in einem Flussdiagramm die Schritte des erfindungsgemäßen Bildaufzeichnungsverfahrens zeigt.
• In der 1 ist schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Röntgenapparatur 100 zur Aufnahme dreidimensionaler Bilddatensätze am stehenden Patienten dargestellt. Die Apparatur besitzt eine, über eine mechanische Haltevorrichtung in Form eines C-Bogens zwangsgeführte Anordnung aus einer Röntgenquelle 101 und einem gegenüberliegenden Röntgendetektor 102. Die mechanische Haltevorrichtung setzt sich aus einem Stator 103 und einem verfahrbaren Schlitten 104 zusammen. Sie wird als C-Bogen bezeichnet. Röntgenquelle wie Röntgendetektor sind jeweils nahe den jeweiligen Enden des C-förmigen Schlittens 104 befestigt.
• Der Stator 103 des C-Bogens ist an einer vertikal ausgerichteten Führung 105 so befestigt, dass er nach oben oder unten verfahren werden kann. Bevorzugt weist die Vorrichtung zur Befestigung des C-Bogens an der vertikalen Führung 105 ein einstellbares Gelenk für ein definiertes Verkippen des C-Bogens um die Achse 107 aus der horizontalen Lage auf.
• Zur Untersuchung einer Körperregion wird der Patient im Bereich zwischen Röntgenquelle 101 und Röntgendetektor 102 platziert. Als Ausgangsbasis für das Erstellen eines Bilddatensatzes zur Repräsentation des Untersuchungsbereichs in der Signalverarbeitungseinrichtung 106 werden mit der Anordnung von Röntgenquelle und Röntgendetektor mehrere Projektionsaufnahmen der Körperregion erstellt. Für jede einzelne Projektionsaufnahme befindet sich der Schlitten 104 in einer definierten Position relativ zum Stator 103 des C-Bogens. Für eine nächstfolgende Projektionsaufnahme wird der Schlitten 104 in die für diese Aufnahme definierte Position gefahren, so dass senkrecht zur Achse des C-Bogens eine Serie von Projektionsaufnahmen aus verschiedenen Winkeln um diese Achse erstellt werden kann.
• Bei vielen Röntgenuntersuchungen wird eine Darstellung der dreidimensionale Bildinformation über einen Untersuchungsgegenstand in Form von Schnittbildern gefordert. Die Lage der Schnittebenen orientiert sich an den jeweils untersuchten anatomischen Strukturen damit ein Mediziner Auffälligkeiten schnell erfassen kann. Die Bildqualität der Schnittdarstellungen wird wesentlich von der Orientierung der Projektionsrichtung 108 beeinflusst. Sie ist optimal bei einer Projektionsrichtung 108 senkrecht zur gewünschten Schnittebene. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann hierzu die Projektionsrichtung 108 durch Drehen des C-Bogens um die Achse 107 senkrecht zur erwünschten Schnittebene justiert werden.
• Die körperlichen Abmessungen variieren mit den zu untersuchenden Körperregionen. Beispielsweise sind die Abmessungen eines Knies geringer als die Abmessungen eines Beckens. Bei einer Untersuchung eines Kniegelenks können daher Röntgenquelle 101 und Röntgendetektor 102 einen kleineren Abstand aufweisen als bei der Untersuchung eines Hüftgelenks. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Röntgendetektor 102 auf einer ausfahrbaren Befestigung 109 montiert, so dass der Abstand zwischen Röntgendetektor 102 und Röntgenquelle 101 der entsprechenden Untersuchungsaufgabe angepasst werden kann. Der Öffnungswinkel des Strahlkegels der Röntgenquelle 101 kann hierbei dem Bildfeld angepasst werden.
• Ein Hinführen des C-Bogens an die vertikale Lage eines Untersuchungsgebiets erfolgt mittels Verfahren bzw. Verschieben des C-Bogens entlang der vertikalen Führung 105 in die geeignete vertikale Position. Überschreitet die Ausdehnung eines Untersuchungsgebietes in vertikaler Richtung den vertikalen Projektionsbereich der Anordnung aus Röntgenquelle 101 und Röntgendetektor 102, so kann der Aufnahmebereich erweitert werden, indem Projektionsaufnahmen bei benachbarten vertikalen Positionen des C-Bogens erstellt werden.
• Alternativ zum dargestellten C-Bogen Röntgensystem kann auch eine Bestrahlungseinrichtung für computertomographische Röntgenaufnahmen, eine sogenannte Gantry verwendet werden. Vorzugsweise befindet sich die Ruhestellung der Gantry in oder nahe einer oberen Endposition der vertikalen Führung 105. Ein Patient kann so bequem am ebenerdigen Zugang 110 der Anlage 100 unterhalb der Gantry positioniert werden, ohne dass ein insbesondere für Patienten mit Einschränkungen der körperlichen Beweglichkeit schwieriges Einsteigen in die Röhre der Gantry erforderlich ist. Um eine Berührung zwischen Gantry und Patient im Zuge der Untersuchung zu vermeiden, werden Lage und Haltung des Patienten bei der Positionierung vorteilhaft durch optische und/oder mechanische Hilfsmittel überwacht.
• Der Ablauf eines erfindungsgemäßen Bildaufzeichnungsverfahrens ist in der 2 dargestellt. Ziel des Verfahrens ist ein Datensatz als dreidimensionales Abbild des Untersuchungsgebiets in geeigneter Belastungssituation, also unter den Belastungen, deren Auswirkungen bzw. Ursachen Gegenstand der Untersuchung sind.
• Im ersten Schritt des Verfahrens S1 wird daher zunächst die Belastungssituation des Untersuchungsbereichs definiert. Darauf aufbauend wird im folgenden Schritt S2 eine Körperhaltung festgelegt welche in geeigneter Weise die definierte Belastungssituation in der zu untersuchenden Körperregion erzeugt. Beispielsweise kommt es in einem geschädigten Sprunggelenk zu einer schmerzhaften Reaktion beim Laufen, insbesondere beim Abdrücken mit dem entsprechenden Fuß vom Boden. Die selbe Belastungssituation könnte z.B. statisch hergestellt werden, indem der Patient sich mit dem Fuß so vom Boden abdrückt, dass er auf den Fußballen steht. Analog werden Aufnahmen von Abschnitten der Wirbelsäule am besten bei sitzender Haltung des Patienten gemacht, falls entsprechende Beschwerden in dieser Haltung auftreten.
• Ist die Körperhaltung des Patienten für einen Aufnahmezyklus festgelegt, so erfolgt in Schritt S3 die Planung der Aufnahmeparameter, wie z.B. die Anzahl der erforderlichen Projektionsaufnahmen und Projektionsrichtungen, die Verkippung der Projektionsebene zur Horizontalen bzw. die Anzahl der Schichtebenen und dergleichen.
• Viele Belastungssituationen treten normalerweise unter dynamischen Bedingungen, wie z.B. während des Gehens auf. Da eine Messung mit einer erfindungsgemäßen Röntgenapparatur jedoch in etwa eine bis mehrere Minuten in Anspruch nimmt, ist eine statische Nachbildung der Belastungssituation erforderlich.
• Dies führt in vielen Fällen zu instabilen Positionen des Patienten, die durch geeignete Positionierhilfen in Schritt S4 abgestützt werden. Beispielsweise stützt der Patient bei einer Untersuchung des belasteten Sprunggelenks den vom Boden abgehoben Fuß auf oder an der Kante einer Stützvorrichtung wie z.B. eines Schemels oder dergleichen ab. Ähnlich ist bei einer sitzenden Haltung ein Stuhl oder dergleichen mit geeigneter Sitzhöhe zu verwenden, da ein freies Einnehmen dieser Körperhaltung eine falsche Belastungssituation erzeugt. Sind die Positionierhilfen in passender Weise und an der für die Aufnahmen geeigneten Stelle relativ zur Röntgenapparatur positioniert, erfolgt ein Positionieren des Patienten in einer kontrollierten Körperhaltung im Aufnahmebereich der Röntgenapparatur indem in Schritt S5 der Patient in die im Schritt S2 des Verfahrens zuvor festgelegte Körperhaltung gebracht wird. Damit keine störenden Verspannungen auftreten, werden in Schritt S6 angemessene Stützhilfen, beispielsweise ein Handlauf oder ähnliches nahe dem Patienten platziert. Dies verhindert, dass sich der Patient während der Aufnahmen bewegt und die hierdurch verursachte Bewegungsunschärfe die Qualität der Aufnahmen beeinträchtigt.
• Schließlich wird in Schritt S7 die Röntgenapparatur für die Aufnahme des gewünschten Untersuchungsbereiches ausgerichtet, indem beispielsweise die Anordnung aus Röntgenquelle 101 und, Röntgendetektor 102 in die erforderliche Höhe gefahren werden und die Verkippung der Projektionsebene durch Drehen des C-Bogens um die Achse 107 eingestellt wird. Im folgenden Schritt S8 werden die Röntgenaufnahmen entsprechend den im Schritt S3 geplanten Aufnahmeparametern durchgeführt.
• Nach Abschluss der für eine Bilddatensatz erforderlichen Röntgenaufnahmen wird aus den dabei erzeugten Daten in Schritt S9 eine dreidimensionale Rekonstruktion vorgenommen, deren Ergebnis ein dreidimensionaler, das Untersuchungsgebiet widerspiegelnder Bilddatensatz ist. Aus diesem Bilddatensatz werden die für eine gewünschte Darstellung gewünschten Bilder in Schritt S10 berechnet. Dies können u.a. Schnittbilddarstellungen aber auch dreidimensionale Darstellungen segmentierter anatomischer Strukturen des Untersuchungsgebiets sein. Schließlich erfolgt auf der Basis der berechneten Bilddaten im abschließenden Schritt S11 die Darstellung des entsprechenden Bildes auf einem Datensichtgerät.

Claims (8)

1. Röntgenapparatur (100) zur Aufnahme dreidimensionaler Bilddatensätze mit einer Aufnahmevorrichtung zum Erstellen radiographischer Bilddaten aufweisend – eine Röntgenquelle (101) zur Emission von Röntgenstrahlen, – einen Röntgendetektor (102) zum Nachweis einer von der Röntgenquelle (101) emittierten Röntgenstrahlung und zur Umsetzung der Röntgenstrahlung in elektrische Signale für eine weitere Verarbeitung, – eine Signalverarbeitungseinrichtung (106) für das Verarbeiten der elektrischen Signale des Röntgendetektors (102) zu einem dreidimensionalen Bilddatensatz und – eine mechanischen Halterung (103, 104, 105) zur Führung von Röntgenquelle (101) und Röntgendetektor (102) in einer sich gegenüberstehenden Anordnung und zur Orientierung und Positionierung der Anordnung aus Röntgenquelle und Röntgendetektor im Raum, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Halterung (103, 104, 105) eine vertikal ausgerichtete Führung (105) aufweist, entlang derer die vertikale Position der Anordnung aus Röntgenquelle (101) und Röntgendetektor (102) für Aufnahmen an zumindest zwei vertikal beabstandeten Untersuchungsgebieten verschiebbar ist.
2. Röntgenapparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine verstellbare Befestigungseinrichtung (109) eine Variation des Abstands zwischen Röntgenquelle (101) und Röntgendetektor (102) ermöglicht.
3. Röntgenapparatur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Halterung (103, 104, 105) eine Wahl der Orientierung der Anordnung aus Röntgenquelle (101) und Rönt gendetektor (102) durch Rotation der Anordnung in einer Ebene ermöglicht.
4. Röntgenapparatur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Halterung (103, 104, 105) eine Einrichtung zum Kippen (107) der Ebene der Rotation der Anordnung aufweist.
5. Bildaufzeichnungsverfahren zum Erstellen dreidimensionaler radiographischer Bilddatensätze mit einer Röntgenapparatur(100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit folgenden Schritten: – Aufzeichnen unterschiedlich orientierter Röntgenprojektionsaufnahmen von zumindest einem Untersuchungsbereich, und – Erstellen zumindest eines dreidimensionalen Bilddatensatzes auf der Basis der aufgezeichneten Röntgenprojektionsaufnahmen, dadurch gekennzeichnet, dass das Bildaufzeichnungsverfahren ferner den folgenden Schritt aufweist: vertikales Verschieben der Anordnung aus Röntgenquelle (101) und Röntgendetektor (102) zwischen vertikal beabstandeten Untersuchungsbereichen an einem zumindest teilweise in aufrechter Körperhaltung befindlichen Patienten.
6. Bildaufzeichnungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennenzeichnet, dass die zumindest teilweise aufrechte Körperhaltung eines Patienten eine geeignete Belastungssituation erzeugt.
7. Bildaufzeichnungsverfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung eines Patienten in einer kontrollierten Körperhaltung mit Positionierhilfen und/oder Stützhilfen vorgenommen wird.
8. Bildaufzeichnungsverfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionsebene senkrecht zur erwünschten Schnittebene justiert wird.