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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Korrektur von Bewegungsartefakten bei ortsaufgelösten Kernspinresonanzmessungen. Derartige ortsaufgelöste Kernspinresonanzmessungen dienen insbesondere zur nicht-invasiven Strukturaufklärung im Bereich der Werkstoffprüfung und der Medizintechnik. Ein wichtiges Beispiel stellt die Magnetresonanztomografie (MRT) dar.
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Eine Bewegung des zu vermessenden Objektes kann bei ortsaufgelösten Kernspinresonanzmessungen zu erheblichen Problemen mit der Bildqualität führen. Dies ist dadurch bedingt, dass in der Regel einzelne Bildpunkte oder Bildbereiche des zu vermessenden Objektes nacheinander vermessen werden, also beispielsweise durch ein sequenzielles Abtasten (Scan) einzelner Linien oder Ebenen des Objektes. Nach erfolgter Aufnahme werden dann meist die Bildinformationen der Linien bzw. Ebenen im Computer zu einem dreidimensionalen Bild zusammengesetzt. Sind jedoch die Linien bzw. Ebenen auf Grund einer Bewegung des zu vermessenden Objektes gegeneinander stark verschoben bzw. verkippt, so entstehen im rekonstruierten Bild sogenannte Bewegungsartefakte, also Unschärfen oder in der Realität nicht vorhandene Strukturen (”Ghosts”). Im Ortsfrequenzraum entspricht dem eine unerwünschte Veränderung von Betrag und Phase.
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Die ortsaufgelöste Kernspinresonanzmessung setzt also grundsätzlich voraus, dass sich das zu vermessende Objekt während der Durchführung des Scans im zu vermessenden Volumenbereich nicht nennenswert bewegt. In vielen Fällen ist diese Voraussetzung allerdings nicht erfüllt, da zwangsläufig Messungen an bewegten Objekten durchgeführt werden müssen.
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Im Bereich der Pharmakologie beispielsweise ist es in vielen Fällen von Interesse, die Ausbreitung bestimmter, im MRT gut sichtbarer Wirkstoffe im Körper eines Versuchstieres zeitaufgelöst zu bestimmen. Bisher werden zu diesem Zweck die Versuchstiere häufig derart betäubt, dass ihre Bewegungen stark eingeschränkt sind.
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In der Humandiagnostik, wo MRT-Aufnahmen teilweise bis zu mehrere Stunden dauern können, ist diese Vorgehensweise dagegen nicht praktikabel. Insbesondere bei unkooperativen Patienten, wie Kindern oder älteren Menschen, werden daher Aufnahmen häufig durch spontane Bewegungen gestört und müssen wiederholt werden. Weiterhin lassen sich derartige Messungen nur schwer unterbrechen und anschließend fortsetzen, was jedoch bei längeren Messungen in der Praxis wünschenswert wäre.
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Im Bereich der Werkstoffprüfung kann es interessant sein, durch Kernspinresonanzmessungen an bewegten Objekten beispielsweise Materialermüdungen zu untersuchen. Dies ist bislang nur für langsame Bewegungen mit kleiner Bewegungsamplitude möglich.
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Stand der Technik
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Zur Verhinderung bzw. Korrektur von Bewegungsartefakten werden bislang verschiedene Verfahren eingesetzt. Ein Verfahren, welches in mehreren Variationen eingesetzt wird, ist das sogenannte Navigator-Verfahren, welches aus den Druckschriften
US 4 937 526 ,
US 5 539 312 A und
US 2003/0153826 A1 bekannt ist. Bei diesen Verfahren wird in regelmäßigen Abständen zwischen die Scans eine Navigator-Messung eingeschoben. Bei dieser Navigator-Messung wird die Position des zu messenden Objektes und die Verschiebung bzw. Rotation des Objektes im Vergleich zur vorhergehenden Navigator-Messung mittels verschiedener Referenzmessungen bestimmt. Diese Referenzmessungen können in verschiedenen Richtungen im Raum der Wellenvektoren (k-Raum) erfolgen. Im Anschluss an die Messung werden die während der Messung gesammelten Daten mittels der Informationen aus den Navigator-Messungen rechnerisch korrigiert. Dabei werden die Daten jedes Scans (beispielsweise die Daten einer Bildebene) mittels einer Koordinatentransformation entsprechend den Bewegungen, welche das Objekt während der Messung durchgeführt hat, im Raum verschoben und verkippt.
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Die Navigator-Verfahren sind mit verschiedenen Nachteilen behaftet. Ein wesentlicher Nachteil besteht darin, dass die Referenzmessungen zeitaufwändig sind und daher die Dauer der gesamten Messung erheblich erhöhen. Außerdem können mit Hilfe dieser Verfahren nur relativ kleine Bewegungen des Objektes nachträglich korrigiert werden.
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Ein bekanntes Verfahren, mittels dessen Bewegungen des Objektes bereits während der Messung erkannt und korrigiert werden können, wird in
US 2002/0118373 A1 beschrieben. Bei diesem Verfahre, welches insbesondere für die funktionelle MR-Tomografie eingesetzt wird, wird das Prinzip der Laser-Triangulation angewandt. Drei Laserdioden emittieren Lichtstrahlen auf jeweils einen Retro-Reflektor, von dem die Strahlen parallel zum jeweils einfallende Strahl zurück reflektiert und am Ort oder in der Nähe der Laserdioden detektiert werden. Die reflektierten Laserstrahlen werden unter Verwendung einer Zeilenkamera der detektiert. Bewegungen des Objektes lassen sich durch diese Methode in Echtzeit detektieren und korrigieren.
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Auch dieses Verfahren ist jedoch mit verschiedenen Nachteilen behaftet. So ist beispielsweise die Umrechnung der aus den Detektorsignalen des Triangulationssystems berechneten Bewegung des Objekts in das absolute Koordinatensystem des MR-Tomografen aufwändig, da die genaue Position des Triangulationssystems nur ungenügend bekannt ist. Weiterhin ist der Toleranzbereich für Bewegungen des Objektes durch die Größe der Retro-Reflektoren begrenzt. Zudem besteht die Gefahr, dass die am Objekt, beispielsweise dem Kopf eines Patienten, befestigten Retro-Reflektoren verrutschen oder ihre Positionen relativ zum Körpervolumen verändern, beispielsweise durch Bewegungen der Kopfhaut.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, welche eine zuverlässige Verringerung bzw. Korrektur von Bewegungsartefakten bei ortsaufgelösten Kernspinresonanzmessungen ermöglichen. Das Verfahren soll eine Verfolgung der absoluten Position des Objektes im Koordinatensystem der Kernspinresonanzapparatur in Echtzeit ermöglichen. Insbesondere soll die Erfindung es ermöglichen, hochaufgelöste MR-Bilddaten von bewegungskritischen Objekten (z. B. einem Kopf eines lebenden Wirbeltieres oder Menschen) zu erhalten.
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Diese Aufgabe wird insbesondere durch die in den beigefügten Patentansprüchen definierten Erfindungsgegenstände gelöst.
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Es wird eine Anordnung und ein Verfahren zur Verringerung bzw. Korrektur von Bewegungsartefakten bei ortsaufgelösten Kernspinresonanzmessungen vorgeschlagen. Die Anordnung weist eine Kernspinresonanzapparatur zur ortsaufgelösten Kernspinresonanzmessung mit einem Bereich zur Aufnahme eines Messobjektes (Probenraum) auf. Bei dieser Kernspinresonanzapparatur kann es sich beispielsweise um einen MR-Tomografen handeln, wie er in der Medizintechnik eingesetzt wird. Es kann sich jedoch auch um Kernspinresonanzapparaturen handeln, welche speziell für Materialuntersuchungen konzipiert sind.
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Durch die Kernspinresonanzapparatur kann die Messung ortsaufgelöst erfolgen. Hierzu bestehen verschiedene Möglichkeiten. In handelsüblichen MR-Tomografen beispielsweise können gleichzeitig Signale von verschiedenen Orten des Messobjektes empfangen werden, welche aufgrund eines Gradienten des Magnetfeldes frequenzcodiert sind. Auf diese Weise lässt sich das Messobjekt beispielsweise Linie für Linie oder Ebene für Ebene ”abscannen”.
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Aber auch andere Arten der Ortsauflösung sind möglich. So kann beispielsweise das Messvolumen selbst durch geeignete Ausformung der Magnetfeldspulen auf wenige Kubikmikrometer oder Kubikmillimeter begrenzt sein. Um Informationen von verschiedenen Orten innerhalb des Messobjektes zu erhalten, wird das Messobjekt mittels einer Positionierungsvorrichtung geeignet verschoben bzw. gedreht. Derartige Vorrichtungen können insbesondere für Materialuntersuchungen eingesetzt werden.
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Mit dem Messobjekt wird ein Markersystem verbunden, welches mindestens ein divergierendes elektromagnetisches Strahlenbündel emittieren bzw. durch Reflexion einfallender elektromagnetischer Strahlen erzeugen kann. Unter Markersystem wird zumindest ein Marker verstanden sowie Befestigungsmittel, z. B. eine mechanische Halterung, über die das Markersystem an dem Messobjekt befestigt werden kann. Auch kann der Marker beispielsweise durch Kleben fixiert werden. Typischerweise handelt es sich bei den elektromagnetischen Strahlen um Licht einer oder mehrerer Wellenlängen vom infraroten bis in den ultravioletten Spektralbereich. Es ist von Vorteil, wenn ein hoher Prozentsatz der emittierten oder reflektierten Strahlungflussdichte des Strahlenbündels in einem engen Wellenlängenbereich liegt (z. B. 90% innerhalb eines Wellenlängenbereichs zwischen 810 nm und 830 nm). Vorzugsweise wird daher im Fall der Reflexion Licht einer definierten Wellenlänge in Richtung des Markersystems eingestrahlt. Das reflektierte bzw. emittierte Strahlenbündel ist vorzugsweise divergent, d. h. das Strahlenbündel kann gleichzeitig eine Mehrzahl von Detektorfeldern erreichen, die voneinander beabstandet angeordnet sind.
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Bei dem Markersystem kann es sich um ein System handeln, welches eigene Lichtquellen (beispielsweise batteriebetriebene Leuchtdioden oder phosphoreszierende oder chemolumineszierende Substanzen) aufweist. Andererseits kann es sich auch um ein Markersystem handeln, welches von außen eingestrahlte elektromagnetische Strahlen reflektieren kann.
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Weiterhin weist die Anordnung mindestens zwei räumlich getrennte Detektorfelder sowie ein oder mehrere bildgebende Systeme auf. Mittels dieser Detektorfelder soll es in Kombination mit den bildgebenden Systemen möglich sein, eine Information über die Position und/oder die Ausrichtung des Markersystems zu generieren. Beispielsweise kann es sich bei diesen Detektorfeldern und den bildgebenden Systemen um Kameras handeln, welche in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen Bilder vom Probenraum aufnehmen. Das von dem Markersystem emittierte bzw. reflektierte Licht soll auf diesen Bildern detektierbar sein, so dass, beispielsweise mit Hilfe einer Bildverarbeitungssoftware, die Position des Markersystems bestimmbar ist. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Markersysteme als helle Flecken auf den Bildern erscheinen, deren Schwerpunkt jeweils automatisch bestimmt werden kann.
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Weiterhin kann es sich bei den Detektorfeldern auch um andere Arten von Detektoren handeln, beispielsweise um Zeilenkameras.
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Nach der beschriebenen Methode lässt sich in jedem Detektorfeld eine Positionsinformation über das Markersystem erzeugen. Die räumliche Trennung der Detektorfelder bewirkt, dass mindestens zwei verschiedene Positionsinformationen erzeugt werden. Aus den Positionen der Detektorsysteme und den Positionsinformationen über das Markersystem lässt sich mittels eines an sich bekannten Triangulationsverfahrens auf die Position des Markersystems schließen. Diese Berechnung erfolgt in der vorgeschlagenen Anordnung mittels einer Positionsbestimmungsvorrichtung, beispielsweise einem auf einem Personal Computer ausgeführten Bildverarbeitungssystem.
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Soll neben der Position des Messobjektes auch eine Information über eine räumliche Ausrichtung gewonnen werden, so kann das Markersystem beispielsweise mehrere räumlich getrennte Bereiche (Marker) aufweisen, welche elektromagnetische Strahlen reflektieren bzw. emittieren. Diese räumlich getrennten Bereiche sollen von den Detektorfeldern auch räumlich getrennt wahrgenommen werden, beispielsweise in Form von räumlich getrennten Lichtflecken im Bild einer Kamera. Mittels der Positionsbestimmungsvorrichtung werden dann die Positionen der getrennten Bereiche des Markersystems separat ermittelt. Je nach Anzahl dieser Bereiche kann nun nicht nur die Position des Markersystems, sondern auch seine räumliche Ausrichtung bestimmt werden. In der Regel werden Markersysteme mit drei räumlich getrennten Bereichen verwendeten, um die Position und die Ausrichtung des Messobjektes in allen Raumrichtungen zu bestimmen.
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Diese Bestimmung der Position und/oder Ausrichtung kann während und/oder zwischen Sequenzen der Kernspinresonanzmessung zu verschiedenen Zeitpunkten erfolgen, wodurch sich mittels einer Bewegungsermittlungsvorrichtung (beispielsweise eines Personal Computers) eine Bewegung des Messobjektes detektieren lässt. Wird auf diese Weise festgestellt, dass sich das Messobjekt seit der letzten Positions- bzw. orientierungsbestimmung bewegt hat (Translation und/oder Rotation), so kann mittels einer Korrekturvorrichtung ein Korrektursignal erzeugt werden, welches eine Betriebsweise der Kernspinresonanzapparatur entsprechend ändert. Diese Korrekturvorrichtung, beispielsweise ein oder der Personal Computer, kann ausgestaltet sein, geeignete Bewegungskorrektursignale zu erzeugen, um das Magnetfeld in der Kernspinresonanzapparatur (z. B. durch Anpassen eines oder mehrerer Magnetfeldgradienten) zu verändern. Der nächste Scan erfolgt dann z. B. an einem neuen Messort, beispielsweise in einer Ebene bzw. entlang einer Linie, welche entsprechend der Bewegung des Messobjektes angepasst ist. Alternativ kann bei Kernspinresonanzapparaturen mit Positionierungsvorrichtung (siehe oben) auch die Position der Probe entsprechend angepasst werden, beispielsweise durch Translation oder Rotation.
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Die beschriebene Anordnung bietet den Vorteil, dass Bewegungen des Messobjektes in Echtzeit oder näherungsweise in Echtzeit, d. h. bereits während der Messung, erfasst werden können, so dass unmittelbar entsprechende Maßnahmen (Korrektur des Messverfahrens oder Korrektur der Position des Messobjektes) ergriffen werden können. Auch können die Korrekturmaßnahmen zwischen zwei oder mehreren Messungen durchgeführt werden.
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Beispielsweise können die für eine vollständige Untersuchung erforderlichen Informationen in mehreren Sequenzen der Kernspinresonanzmessung aufgenommen werden. Während einer Sequenz, zwischen zwei Sequenzen und/oder nach einigen Sequenzen kann eine Bewegungskorrektur durchgeführt werden. Z. B. kann während Messprozessen der Kernspinresonanzapparatur zur Vervollständigung von Informationen im Ortsfrequenzraum (k-Raum) – insbesondere jeweils nach Aufnahme der Informationen für eine k-Raum-Linie – eine Bewegungskorrektur durchgeführt werden, z. B. eine Nachführung des Koordinatensystems der Kernspinresonanzapparatur. Insbesondere ist dies bei lang andauernden Messungen (z. B. 3D-Echo-Sequenzen mit hoher Auflösung von beispielsweise 512 × 512 × 512 k-Raum Linien) von Vorteil. Die eigentliche Messung muss zu diesem Zweck nicht unterbrochen werden. Eine nachträgliche Korrektur der gewonnenen Daten ist i. d. R. nicht mehr erforderlich. Sie kann jedoch dennoch erfolgen, um z. B. geometrische Verzerrungen des MR Systems, auszugleichen. Dabei können auch die während der Messung gewonnenen Informationen über die Bewegung des Messobjektes genutzt werden.
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Die Korrektur während der Messung hat insbesondere bei modernen Kernspinresonanzapparaturen große Vorteile. Bei solchen Kernspinresonanzapparaturen werden zum Auslesen der Messinformationen mehrere Spulen, auch Spulenarrays genannt, verwendet. Hierdurch wird die Messauflösung wesentlich verbessert. Aufgrund dessen wirken jedoch Messartefakte durch Bewegung des Patienten oder Objekts noch störender als bei älteren Kernspinresonanzapparaturen und eine externe Bewegungsverfolgung wird noch wichtiger (bzw. ist empfehlenswert) um die Messzeit kleinstmöglich zu halten im Hinblick auf die klinische Routine.
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Die Kernspinresonanzapparatur weist eine Messungs-Steuereinrichtung zur Steuerung von Kernspin-Resonanzmessungen und eine Auswertungseinrichtung zur Auswertung von Messergebnissen der Kernspinresonanzapparatur auf. Bei der Messungs-Steuereinrichtung handelt es sich beispielsweise um die üblicherweise als MCU (Measurement Control Unit) bezeichnete Einheit einer Kernspinresonanzapparatur. Bei der Auswertungseinrichtung handelt es sich beispielsweise um das üblicherweise als IRS (Image Reconstruction System) bezeichnete System einer Kernspinresonanzapparatur. Die Messungs-Steuereinrichtung berechnet insbesondere die für die Kernspin-Resonanzmessungen erforderlichen Gradienten des Magnetfeldes in der Kernspinresonanzapparatur und weitere Steuergrößen. Daraus erzeugt sie die entsprechenden Steuersignale, mit denen die eigentlichen Messeinrichtungen (insbesondere die Magnetfeldspulen) angesteuert werden. Um die Messung korrekt durchzuführen, arbeitet die Messungs-Steuereinrichtung z. B. in Echtzeit, beispielsweise mit einer zeitlichen Genauigkeit des Steuerungsprozesses von wenigen Millisekunden.
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Bisher war es so, dass die Auswertungseinrichtung zur Korrektur von Bewegungen des Patienten zwischen den eigentlichen Messsequenzen aufgenommene Bilder auswertet und anhand von Konturen die ausgeführte Bewegung des Patienten berechnet. Anschließend übermittelt die Auswertungseinrichtung das Berechnungsergebnis an die Messungs-Steuereinrichtung, die daraus die erforderlichen Korrekturen ermittelt.
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Gemäß den beigefügten Patenansprüchen ist die Messungs-Steuereinrichtung nicht indirekt über die Auswertungseinrichtung, sondern direkt mit der oben beschriebenen Positionsbestimmungsvorrichtung verbunden, die mit dem Markersystem kombiniert ist. Die Messungs-Steuereinrichtung empfängt direkt von der Positionsbestimmungsvorrichtung (z. B. von einem Personal Computer der Positionsbestimmungsvorrichtung) Bewegungssignale, die Informationen über die Bewegung des Patienten oder Objekts aufweisen, wobei die Positionsbestimmungsvorrichtung die Informationen aus den Positionen des Markersystems ermittelt hat. Insbesondere beschreiben die Informationen die Bewegung des Patienten oder des Objekts hinsichtlich der sechs unabhängigen Freiheitsgrade der Bewegung vollständig. Aus den Bewegungssignalen ermittelt die Messungs-Steuereinrichtung die erforderlichen Änderungen an den Steuersignalen, mit denen die eigentlichen Messeinrichtungen angesteuert werden. Beispielsweise sind die Informationen in einem Datenspeicher der Positionsbestimmungsvorrichtung gespeichert und werden laufend aktualisiert. Die Messungs-Steuereinrichtung kann die Informationen in diesem Fall über eine definierte Schnittstelle (z. B. Ethernet-Schnittstelle) auslesen.
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Mit dieser Ausführungsform kann sogar während einer laufenden Messung eine Bewegung des Patienten oder des Objekts korrigiert werden. Weiterhin findet eine möglicherweise mit großem Rechenaufwand verbundene Ermittlung der Bewegung außerhalb der Messungs-Steuereinrichtung statt, sodass der präzise Zeitablauf der Steuerung nicht gestört wird.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Markersystem reflektierende Eigenschaften aufweist. Dafür kann das Markersystem mindestens einen Marker aufweisen, welcher ausgestaltet ist, elektromagnetische Strahlen zu reflektieren. Unter Reflektieren ist dabei sinngemäß auch eine Streuung der auftreffenden elektromagnetischen Strahlen zu verstehen.
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Weiterhin kann die Anordnung zusätzlich eine Quelle aufweisen, welche geeignet ist, ein elektromagnetisches Strahlenbündel zu emittieren, derart, dass das Markersystem von diesem Strahlenbündel erfasst wird. Insbesondere ist die Quelle so ausgestaltet, dass der gesamte Bereich, in dem sich das Markersystem bewegen kann, ausgeleuchtet wird.
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Diese Weiterbildung bietet den Vorteil, dass das Markersystem selbst keine Quelle elektromagnetischer Strahlen (z. B. eine Lichtquelle) aufweisen muss, wodurch das Markersystem technisch einfach gestaltet werden kann. Eine Batterie oder ähnliche Energiequelle ist nicht erforderlich.
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Es lassen sich Anordnungen mit einer oder mehreren Quellen elektromagnetischer Strahlen einsetzen. Dabei kann es sich beispielsweise um eine oder mehrere Infrarotlampen handeln.
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Das bzw. die von der Quelle emittierten elektromagnetischen Strahlenbündel werden von den (bevorzugtermaßen nichtplanaren) Oberflächen des Markersystems derart reflektiert, dass die reflektierten elektromagnetischen Strahlenbündel wiederum divergent sind, wodurch diese von mehreren Detektorfeldern gleichzeitig erfasst werden können. Eine genaue Ausrichtung der Detektorfelder und der bildgebenden Systeme auf das Messobjekt hin ist nicht erforderlich.
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Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn das Markersystem zusätzlich von der Kernspinresonanzapparatur detektiert werden kann, d. h. wenn die Position und/oder Ausrichtung des Markersystems bezüglich dem Koordinatensystem der Kernspinresonanzapparatur durch eine oder mehrere Kernspinresonanzmessungen ermittelt werden kann. Auf diese Weise lässt sich durch eine oder mehrere Referenzmessungen (beispielsweise zu Anfang eines oder vor einem Kernspinresonanzmessvorgang) eine Korrelation zwischen den Positionsinformationen der Detektorfelder und dem Koordinatensystem der Kernspinresonanzapparatur herstellen. Die Positionsinformationen der Detektorfelder können also zu jedem Zeitpunkt durch eine einfache Koordinatentransformation in Koordinaten der Kernspinresonanzapparatur überführt werden. Dies erleichtert die Korrektur von Bewegungsartefakten (sowohl online wie auch nachträglich) erheblich.
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Insbesondere wird vorgeschlagen, zusätzlich – durch eine ortsauflösende Kernspinresonanzmessung – die absolute Position und/oder Ausrichtung des Markersystems im Koordinatensystem der Kernspinresonanzapparatur zu bestimmen. Beispielsweise können auf diese Weise die Ursprünge und/oder Ausrichtungen der Koordinatensysteme des Markersystems und der Kernspinresonanzapparatur vor dem Beginn einer Messung eines Objektes oder Subjektes in Übereinstimmung gebracht werden. Z. B. wird das Koordinatensystem des Markersystems an das Koordinatensystem der Kernspinresonanzapparatur angepasst. Durch die Herstellung einer festen, bekannten Beziehung der Koordinatensysteme des Markersystems und der Kernspinresonanzapparatur ist es in jedem Fall möglich (und dies wird vorgeschlagen), für eine folgende Messung mit der Kernspinresonanzapparatur eine Transformationsvorschrift (z. B. eine Transformationsmatrix) festzulegen, mit der eine im Koordinatensystem des Markersystems festgestellte Bewegung (d. h. eine Bewegung des Objektes oder Subjektes) in eine auszuführende Bewegungskorrektur im Koordinatensystem der Kernspinresonanzapparatur transformiert wird.
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Insbesondere im Fall dieser Transformation wird bevorzugt, eine zur Bestimmung der Messinformation in der Kernspinresonanzapparatur vorgesehene Messeinrichtung (z. B. ein System von Auslesespulen, die zum Auslesen der Messinformation ein Magnet-Gradientenfeld erzeugen) derart anzusteuern, dass ein von der Messeinrichtung erzeugtes Messfeld (insbesondere das Magnet-Gradientenfeld) vor und nach der zu korrigierenden Bewegung dieselbe Position und/oder Ausrichtung relativ zu dem Koordinatensystem des Markersystems (und damit relativ zu dem Objekt oder Subjekt) hat.
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Um die Koordinatensysteme des Markersystems und der Kernspinresonanzapparatur in eine definierte Beziehung zueinander zu setzen, wird vorzugsweise das Markersystem ”sichtbar” für die Kernspinresonanzapparatur gemacht. Wiederum ist es sinnvoll, wenn dabei getrennte Bereiche (Marker) des Markersystems in der Kernspinresonanzapparatur getrennt sichtbar gemacht werden können. Auf diese Weise lässt sich wiederum nicht nur eine Position des Markersystems, sondern auch eine räumliche Ausrichtung des Markersystems im Koordinatensystem der Kernspinresonanzapparatur bestimmen.
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Das Markersystem kann beispielsweise so gestaltet sein, dass bestimmte Bereiche des Markersystems aus einem Material hergestellt sind, welches in der Kernspinresonanzapparatur mit einem hohen Kontrast sichtbar gemacht werden kann. Insbesondere kann es sich dabei um ein protonenreiches Material (beispielsweise um einen Kohlenwasserstoff mit einer hohen Dichte von Wasserstoffatomen oder um Wasser) handeln.
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Durch die beschriebene Anordnung lassen sich Bewegungsartefakte weitgehend, aber i. d. R. nicht vollständig, eliminieren. Verbleibende Unschärfen in den durch Kernspinresonanztomografie gewonnenen Bildinformationen sind häufig dadurch bedingt, dass die Detektorfelder (beispielsweise Kameras) ein Bildrauschen aufweisen, oder dass Vibrationen die Qualität der Positionsinformationen negativ beeinflussen.
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Diese verbleibenden Unschärfen bzw. Bewegungsartefakte lassen sich durch eine Weiterbildung zusätzlich verringern, wobei ein Referenzmarkersystem fest mit der Kernspinresonanzapparatur verbunden wird. Das Referenzmarkersystem soll derart ausgestaltet sein, dass es wiederum mindestens ein elektromagnetisches Strahlenbündel emittieren bzw. reflektieren kann, wobei das Referenzmarkersystem vorteilhafter Weise ähnliche oder baugleich ausgestaltet ist wie das Markersystem. Das Referenzmarkersystem soll derart angeordnet sein, dass die Position des Referenzmarkersystems mittels der Detektorfelder bestimmbar ist.
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Weiterhin kann die Anordnung eine Rauschkorrekturvorrichtung (beispielsweise ein Bildverarbeitungssystem, welches von einem Personal Computer ausgeführt wird) aufweisen, welche scheinbare Schwankungen der festgestellten Position und/oder Ausrichtung des mit dem Messobjekt verbundenen Markersystems, welche nicht durch die Bewegung des Messobjektes selbst verursacht sind, korrigieren oder verringern soll. Diese Korrektur kann dadurch erfolgen, dass zeitgleich oder zeitnah zur Bestimmung der Position und/oder Ausrichtung des Markersystems eine Bestimmung der Position und/oder Ausrichtung des Referenzmarkersystems erfolgt. Da das Referenzmarkersystem seine Position und Ausrichtung im Koordinatensystem der Kernspinresonanzapparatur i. d. R. nicht verändert, lassen sich dennoch festgestellte Schwankungen in der Position und/oder Ausrichtung des Referenzmarkersystems als unerwünschtes Rauschen oder Vibrationen einordnen, welche gleichzeitig auch den ermittelten Positionen und/oder Ausrichtungen des Markersystems überlagert sind. Durch einfache Differenzbildung zwischen den Positionen des Referenzmarkersystems und den Positionen des Markersystems lassen sich derartige Artefakte fast vollständig eliminieren, wodurch die Bildqualität erheblich gesteigert wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft die Gestaltung eines Markers, insbesondere eines Markers für das oben beschriebene Markersystem. Dieses Markersystem kann insbesondere einen oder mehrere Hohlkörper mit einem Hohlraum zur Verwendung als Marker aufweisen. Der Hohlkörper ist derart ausgestaltet, dass er mindestens ein den Hohlraum umgebendes, elektromagnetische Strahlen reflektierendes Material aufweist. Bei dem Marker kann es sich beispielsweise um eine Hohlkugel (z. B. mit zentriertem Hohlraum) handeln.
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Das den Hohlraum umgebende elektromagnetische Strahlen reflektierende Material muss nicht die Wand des Hohlraums bilden. Vielmehr kann zwischen dem reflektierenden Material und dem Hohlraum auch ein weiteres Material angeordnet sein. Insbesondere ist es möglich, dass lediglich die Oberfläche des Hohlkörpers die Strahlung reflektiert.
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Das reflektierende Material soll reflektierende Eigenschaften für die eingestrahlten elektromagnetischen Strahlen aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn es sich dabei um infrarote Strahlung handelt und beispielsweise die Oberfläche des Hohlkörpers in diesem Wellenlängenbereich (beispielsweise bei 820 nm) ein hohes Reflexionsvermögen aufweist.
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Weiterhin ist der Hohlraum des Hohlkörpers vorzugsweise mit einem Material gefüllt, welches durch eine Kernspinresonanzmessung detektierbar ist. Wie oben beschrieben, kann es sich dabei beispielsweise um einen Kohlenwasserstoff mit hoher Protonendichte und/oder um Wasser handeln, welches zur Erhöhung der Protonendichte dotiert wurde. Alternativ oder zusätzlich können jedoch auch andere Flüssigkeiten verwendet werden, welche im MR-Tomografen detektierbar sind.
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Die Befestigung des Markersystems am Messobjekt stellt häufig ein beachtliches technisches Problem dar. Insbesondere bei ortsaufgelösten Kernspinresonanzmessungen an Wirbeltieren oder Menschen muss diese Befestigung so erfolgen, dass auch eine Verschiebung der Haut relativ zum Muskelgewebe oder Skelett die Positionsbestimmung nicht negativ beeinflusst.
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Dabei hat es sich insbesondere bei Untersuchungen des Kopfes als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn das Markersystem ein zur Platzierung innerhalb des Mundes ausgestaltetes Mundstück und eine außerhalb des Mundes zu platzierende Befestigungsvorrichtung aufweist, wobei die Befestigungsvorrichtung und das Mundstück fest miteinander verbunden sind. An der Befestigungsvorrichtung des Markersystems kann mindestens ein Marker (beispielsweise ein Marker in einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen) befestigt sein, der mindestens ein elektromagnetisches Strahlenbündel emittieren bzw. reflektieren kann. Es kann sich dabei beispielsweise um eine Anordnung von drei der oben beschriebenen Hohlkörpern handeln. Diese Hohlkörper sollen derart an der Befestigungsvorrichtung angeordnet sein, dass sie voneinander beabstandet sind. Auf diese Weise können sie von den Detektorfeldern räumlich ausreichend getrennt wahrgenommen werden und ihre Positionen sind daher gut bestimmbar. Insbesondere sollten die Hohlkörper nicht in einer Linie angeordnet sein, so dass die Ausrichtung des Markersystems in allen drei Raumrichtungen bestimmbar ist.
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Die Befestigung im Mund des Wirbeltieres oder Patienten gewährleistet eine gute Fixierung des Markersystems relativ zum Schädelknochen und Gehirn, was insbesondere bei Aufnahmen im Kopfbereich von Vorteil ist. Bei Wirbeltieren und nichtkooperativen Patienten (beispielsweise älteren Patienten oder Kindern) kann das innerhalb des Mundes zu platzierende Mundstück zusätzlich noch mittels eines Unterdruckes am Gaumen oder Kiefer befestigt werden. Mit dieser schmerzlosen Fixierung lässt sich die Dauerhaftigkeit der Positionierung des Markersystems weiter verbessern.
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Neben den beschriebenen Anordnungen und dem Verfahren gehört zum Umfang der Erfindung ein Computerprogramm, das bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk diejenigen Teile des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer seiner Ausgestaltungen ganz oder teilweise ausführt, die eine Ansteuerung der beteiligten Vorrichtungen und/oder eine Verarbeitung der erhaltenen Informationen betreffen.
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Weiterhin gehört zum Umfang der Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um diejenigen Teile des erfindungsgemäßen Verfahrens, die eine Ansteuerung der beteiligten Vorrichtungen und/oder eine Verarbeitung der erhaltenen Informationen betreffen, ganz oder teilweise durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird. Insbesondere können die Programmcode-Mittel auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sein.
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Außerdem gehört zum Umfang der Erfindung ein Datenträger, auf dem eine Datenstruktur gespeichert ist, die nach einem Laden in einen Arbeits- und/oder Hauptspeicher eines Computers oder Computer-Netzwerkes diejenigen Teile des erfindungsgemäßen Verfahrens, die eine Ansteuerung der beteiligten Vorrichtungen und/oder eine Verarbeitung der erhaltenen Informationen betreffen, ganz oder teilweise ausführen kann.
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Auch gehört zum Umfang der Erfindung ein Computerprogramm-Produkt mit insbesondere auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln, um diejenigen Teile des erfindungsgemäßen Verfahrens, die eine Ansteuerung der beteiligten Vorrichtungen und/oder eine Verarbeitung der erhaltenen Informationen betreffen, ganz oder teilweise durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird.
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Dabei wird unter einem Computer-Programmprodukt das Programm als handelbares Produkt verstanden. Es kann grundsätzlich in beliebiger Form vorlegen, so zum Beispiel auf Papier oder einem computerlesbaren Datenträger und kann insbesondere über ein Datenübertragungsnetz verteilt werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Figuren schematisch dargestellt sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Beispiele beschränkt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:
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1 eine Draufsicht einer Anordnung zur Korrektur von Bewegungsartefakten von Kernspinresonanzmessungen mittels eines Kamerasystems, eines Beleuchtungssystems und einer Bildverarbeitung sowie eines Markersystems;
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2 eine Draufsicht einer zu 1 alternativen Anordnung mit einer einzelnen diffusen Lichtquelle;
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3 einen Hohlkörper mit einer gekrümmten, reflektierenden Oberfläche und einer Füllung eines in der Kernspinresonanzmessung sichtbaren Materials als Marker;
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4 ein mittels einer Vakuumvorrichtung fixierbares Markersystem mit einem Mundstück; und
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5 einen Ablaufplan einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung einer Anordnung zur Verringerung von Bewegungsartefakten. Eine Kernspinresonanzapparatur 110 für ortsaufgelöste Kernspinresonanzmessungen weist einen Probenraum 112 für die Aufnahme eines Messobjektes 114 (in diesem Fall schematisch als Kopf dargestellt) auf. Als Kernspinresonanzapparatur wird in diesem Fall ein Siemens Magnetom 3T Whole Body System des Herstellers Siemens Medical Systems GmbH eingesetzt.
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Die Kernspinresonanzapparatur ist verbunden mit einer Steuerungselektronik 116, welche eine zentrale Steuerungseinheit 118, ein Messdaten-Erfassungssystem 120 und eine Messungspositionierungsvorrichtung 122 aufweist.
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Zwei mit geeigneten Infrarotobjektiven 124, 126 ausgestattete digitale Kamerasysteme 128, 130 sowie zwei diffuse infrarote Lichtquellen 132, 134 sind auf einer Positionierungsschiene 136 fixiert. Die Positionierungsschiene wird im Abstand von 4 Metern vom Zentrum der Magnetfeldspulen installiert, wo nur noch ein Magnetfeld von 10 mT zu verzeichnen ist. Diese Maßnahme ist erforderlich, damit die Magnetkräfte auf Komponenten der Kamerasysteme nicht zu einer Beschädigung oder Dejustage der Anordnung führen. Es werden geschirmte Kabel eingesetzt, um negative Auswirkungen der Magnetfelder auf die Datensignale der Kamerasysteme zu verringern.
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Am Messobjekt 114 ist ein Markersystem 138 fixiert, wobei das Markersystem drei mit einer Infrarot-reflektierenden Oberfläche versehene Marker 140 aufweist. Die Kamerasysteme 128, 130 und die Lichtquellen 132, 134 sind so ausgerichtet, dass die Marker 140 sich im Bildfeld der Kamerasysteme 128, 130 und im Lichtkegel der Lichtquellen 132, 134 befinden.
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Die Kamerasysteme 128, 130 sind verbunden mit einem Personal Computer 142, welcher ein Bildverarbeitungssystem 144 und eine zentrale Recheneinheit 146 aufweist. Der Personal Computer 142 ist mit der Steuerungselektronik 116 verbunden.
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Während der Kernspinresonanzmessung (beispielsweise nach Aufnahme jeder Bildebene bei einer MR-Tomografie oder in bestimmten Zeitabständen während der Aufnahme einer Bildebene) wird die Position der Marker 140 mit Hilfe des Bildverarbeitungssystems 144 bestimmt. Dazu wird mit Hilfe der Objektive 124, 126 das von den diffusen infraroten Lichtquellen 132, 134 emittierte und von den Markern 140 reflektierte Licht auf die CCD-Chips der digitalen Kamerasysteme 128, 130 projiziert. Das Bildverarbeitungssystem 144 registriert somit die Marker 140 als helle Flecke im Bildbereich und kann die Position der Marker 140 beispielsweise durch Bestimmung des Schwerpunkts der hellen Flecke im jeweiligen Koordinatensystem der Kamerasysteme 128, 130 bestimmen. Somit ist die Raumrichtung bekannt, unter der jeder Marker 140 von jedem Kamerasystem 128, 130 aus betrachtet erscheint.
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Für die Bestimmung der absoluten Position der Marker 140 im Raum wird nun ein herkömmliches Triangulationsverfahren eingesetzt. Ausgehend von jedem Kamerasystem 128, 130 wird eine virtuelle Gerade in die Raumrichtung gezogen, in der der Marker von dem jeweiligen Kamerasysteme aus betrachtet erscheint. Die Position des Markers 140 ergibt sich aus dem Schnittpunkt dieser Geraden und aus der bekannten Position der Kamerasysteme 128, 130. Wenn die Position und die Winkelstellung der Kameras 128, 130 nicht genau bekannt ist, kann die Positionsbestimmung auch mittels einer Referenzmessung an einem (in 1 nicht dargestellten) Referenzmarkersystem kalibriert werden.
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Wenn auf diese Weise die Positionen aller drei Marker 140 des Markersystems 138 bestimmt worden sind, ist die Position und Ausrichtung des Messobjektes 114 für diesen Zeitpunkt ausreichend bestimmt. Um die Genauigkeit der Messung der Position und der Ausrichtung des Markersystems 138 weiter zu erhöhen, kann ein mit der Kernspinresonanzapparatur 110 fest verbundenes Referenzmarkersystem 148 herangezogen werden. Durch Vergleich der gemessenen Position und Ausrichtung des Markersystems 138 mit der gemessenen Position und Ausrichtung des Referenzmarkersystems 148 lassen sich Artefakte, die nicht durch Bewegungen des Messobjektes 114 entstehen (sondern durch Rauschen, Vibrationen etc.) vermeiden bzw. verringern.
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Wenn sich die Positionen und die Ausrichtungen des Markersystems 140 zwischen zwei Messungen (beispielsweise vor und nach dem MR-Scans einer Ebene des Messobjektes 114) verändert haben, so lässt sich dies mittels der beschriebenen Anordnung leicht feststellen. Dementsprechend werden geeignete Korrekturmaßnahmen ergriffen. Dies erfolgt dadurch, dass die zentrale Recheneinheit 146 die Veränderung der Position und Ausrichtung des Messobjektes 114 in geeignete Korrektursignale für die Steuerungselektronik 116 der Kernspinresonanzapparatur 110 umwandelt und an diese übergibt.
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Die zentrale Steuerungseinheit 118 der Steuerungselektronik 116 korrigiert entsprechend die Ansteuerung der Messpositionierungsvorrichtung 122, beispielsweise durch Veränderungen der Parameter der Ansteuerung der Spulenströme der Magnetfeldspulen. Der nächste MR-Scan einer Ebene des Messobjektes 114 wird dann mit den korrigierten Ansteuerungen vorgenommenen, so dass die Bewegung des Messobjektes 114 kompensiert worden ist. Die Ortsauflösung lässt sich nach diesem Verfahren auf bis zu 0,1 mm verbessern.
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Analog kann die Korrektur auch bereits während einem MR-Scan vorgenommenen werden, was die Genauigkeit der Messungen und die Verringerung von Bewegungsartefakten weiter verbessert.
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In 2 ist eine Variation des in 1 dargestellten Aufbaus abgebildet. In diesem Aufbau wird lediglich eine diffuse infrarote Lichtquelle 132 eingesetzt, welche in der Mitte zwischen den beiden Kamerasystemen 128, 130 auf der Positionierungsschiene 136 angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich die Anordnung kompakter ausbilden als die in 1 dargestellte Anordnung.
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In 3 ist ein Marker 140 entsprechend einem bevorzugten Aufbau dargestellt. Der Marker weist einen kugelförmigen Hohlkörper 310 mit einem Hohlraum 311 auf, welcher aus Kunststoff (in diesem Fall Polyethylen) gefertigt ist. Die Oberfläche 312 des Hohlkörpers 310 wird durch eine äußere Schicht gebildet (insbesondere eine Lackschicht) welche eine hohe Reflexion im infraroten Spektralbereich aufweist. Der Hohlkörper weist eine Befüllöffnung 314 auf, welche im Betrieb des Markers mit einem Kunststoffstopfen 316 flüssigkeitsdicht verschlossen ist. Der Kunststoffstopfen kann, wie in 3 dargestellt ist, auch zur Verbindung des Hohlkörpers 310 mit einer Befestigungsvorrichtung 410 genutzt werden. Der Hohlraum 311 des Hohlkörpers 310 ist mit Wasser 318 hoher Protonendichte gefüllt.
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In 4 ist dargestellt, wie die in 3 abgebildeten Marker 140 zu einem Markersystem 138 verbunden werden können. Drei Marker 140 sind über ihre Kunststoffstopfen 316 mit einer kreuzförmigen Befestigungsvorrichtung 410 verbunden. Die Befestigungsvorrichtung 410 ist mit einem Mundstück 412 verbunden. Das Mundstück weist eine Reihe von Ansaugöffnungen 414 auf, welche über eine Vakuumleitung 416 mit einer Vakuumspumpe 418 verbunden sind.
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Das Markersystem 138 wird dadurch fixiert, dass der Patient das Mundstück 412 in den Mund nimmt, wo es mit Hilfe der Ansaugöffnungen 414 durch Vakuum am Gaumen angesaugt und so fixiert wird.
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In 5 ist eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens zur Korrektur bzw. Verringerung von Bewegungsartefakten als Flussdiagramm dargestellt. Im ersten Schritt 510 erfolgt eine Positionierung des Messobjektes 114, also beispielsweise eine Positionierung eines Patienten auf einer räumlich verstellbaren Liege oder die Positionierung eines Versuchsaufbaus mit zu untersuchenden beweglichen Teilen innerhalb des Probenraums 112 der Kernspinresonanzapparatur 110.
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In Schritt 512 wird ein Markersystem 138 fest mit dem Messobjekt 114 verbunden. Dabei soll es sich um ein Markersystem 138 handeln, welches Marker 140 aufweist, welche mittels Kernspinresonanzmessungen sichtbar gemacht werden können. Im nächsten Schritt 514 kann daher die Position und die Ausrichtung des Markersystems 138 im Koordinatensystem der Kernspinresonanzapparatur 110 durch eine ortsaufgelöste Kernspinresonanzmessung bestimmt werden.
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Anschließend wird in Schritt 516 die Position und die Ausrichtung des Markersystems 138 mittels des in 1 beschriebenen optischen Systems im Koordinatensystem der Kameras 128, 130 bestimmt. In Schritt 517 wird aus der Position und Ausrichtung des Markersystems 138 im Koordinatensystem des MR-Tomografen und im Koordinatensystem des optischen Systems 128, 130 die Transformationsmatrix berechnet, welche die beiden Koordinatensysteme ineinander überführt.
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In Schritt 518 wird dann die ortsaufgelöste Kernspinresonanzmessung gestartet, in diesem Fall durch Start des ersten MR-Scans in Schritt 520.
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Nach Beendigung des MR-Scans der ersten Bildebene wird dann in Schritt 522 erneut die Position und die Ausrichtung des Markersystems 138 im optischen System durchgeführt. Dabei wird gleichzeitig (Schritt 524) eine Messung der Position und der Ausrichtung des Referenzmarkersystems 148 durchgeführt. Diese Informationen werden, wie oben beschriebenen, zur Unterdrückung von Artefakten infolge von Rauschen oder Vibrationen genutzt.
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Aus den in Schritt 522 und 524 gewonnenen Informationen über die Position und Ausrichtung des Messobjektes 114 wird in Schritt 526 eine mögliche Bewegung des Messobjektes ermittelt und daraus dementsprechend ein Korrektursignal für die Positionierung des nächsten Scans errechnet. Dieses Korrektursignal wird dann, wie oben beschrieben, in der Steuerungselektronik 116 der Kernspinresonanzapparatur 110 in eine Korrektur der Ortauflösung umgesetzt.
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Dieses Verfahren wird inklusive der Korrektur der Ortsauflösung insgesamt N mal wiederholt, wobei N die Anzahl der Bildebenen darstellt. Nach Messung der N. Bildebene wird in Schritt 530 die Tomografie beendet und die Datenverarbeitung gestartet.
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Bezugszeichenliste
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- 110
- Kernspinresonanzapparatur
- 112
- Probenraum
- 114
- Messobjekt
- 116
- Steuerungselektronik
- 118
- zentrale Steuerungseinheit
- 120
- Messdaten-Erfassungssystem
- 122
- Messungspositionierungsvorrichtung
- 124
- Objektiv
- 126
- Objektiv
- 128
- digitales Kamerasystem
- 130
- digitales Kamerasystem
- 132
- diffuse infrarote Lichtquelle
- 134
- diffuse infrarote Lichtquelle
- 136
- Positionierungsschiene
- 138
- Markersystem
- 140
- Marker
- 142
- Personal Computer
- 144
- Bildverarbeitungssystem
- 146
- zentrale Recheneinheit
- 148
- Referenzmarkersystem
- 310
- Hohlkörper
- 311
- Hohlraum
- 312
- Oberfläche des Hohlkörpers 310
- 314
- Befüllöffnung
- 316
- Kunststoffstopfen
- 318
- Wasserfüllung
- 410
- Befestigungsvorrichtung
- 412
- Mundstück
- 414
- Ansaugöffnung
- 416
- Vakuumleitung
- 418
- Vakuumpumpe
- 510
- Positionierung des Messobjektes
- 512
- Fixierung des Markersystems
- 514
- Bestimmung der Position und der Ausrichtung des Markersystems im MR-Tomografen
- 516
- Bestimmung der Position und der Ausrichtung des Markersystems im optischen System
- 517
- Berechnung der Transformationsmatrix
- 518
- Start der MR-Messung
- 520
- MR-Scan der i. Bildebene
- 522
- Bestimmung der Position und der Ausrichtung des Markersystems im optischen System
- 524
- Bestimmung der Position und Ausrichtung des Referenzmarkersystems im optischen System und Rauschunterdrückung
- 526
- Ermittlung der Messobjekt-Bewegung und Erzeugung eines Korrektursignals
- 528
- Korrektur der Ortauflösung
- 530
- Beendigung der Messungen und Beginn der Datenverarbeitung
