DE102004043057A1

DE102004043057A1 - Verfahren zur Bestimmung ausgezeichneter coronaler und sagittaler Ebenen für die nachfolgende Aufnahme neuer Magnetresonanz-Schichtbildern oder die Darstellung von Magnetresonanz-Schichtbildern aus einem bereits vorhandenen Bilddatensatz eines Kniegelenks

Info

Publication number: DE102004043057A1
Application number: DE102004043057A
Authority: DE
Inventors: Sari Lehtonen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2004-09-06
Filing date: 2004-09-06
Publication date: 2006-03-30
Also published as: US7693321B2; CN100539941C; CN1745707A; US20060050945A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung ausgezeichneter coronaler und sagittaler Ebenen für die nachfolgende Aufnahme neuer Magnetresonanz-Schichtbilder oder die Darstellung von Magnetresonanz-Schichtbildern aus einem bereits vorhandenen Bilddatensatz eines Kniegelenks, mit folgenden Schritten: DOLLAR A - Aufnahme oder Verwendung eines transversalen Schichtbildes des Kniegelenks, DOLLAR A - Analyse des Schichtbild unter Verwendung wenigstens eines Analysealgorithmus zur Ermittlung der medialen und der lateralen Kondyle des als transversaler Schnitt gezeigten Oberschenkelknochenkopfs und Bestimmung je eines darauf liegenden Punkts, die die coronale Ebene definieren, DOLLAR A - Bestimmung der senkrecht zur definierten coronalen Ebene verlaufenden sagittalen Ebene und DOLLAR A - Aufnahme oder Ermittlung und Darstellung coronaler oder sagittaler Schichtbilder unter Orientierung an den bestimmten ausgezeichneten Ebenen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung ausgezeichneter coronaler und sagittaler Ebenen für die nachfolgende Aufnahme neuer Magnetresonanz-Schichtbildern oder die Darstellung von Magnetresonanz-Schichtbildern aus einem bereits vorhandenen Bilddatensatz eines Kniegelenks.

Erkrankungen im Bereich des Kniegelenks sind schmerzhaft und beeinträchtigen den Patienten in seiner Bewegungsfreiheit. Eine schonende Methode zur Untersuchung des Kniegelenks stellt die Magnetresonanztomographie dar. Um möglichst viele Informationen aus dem Untersuchungsbereich zu erhalten, um anhand dieser aussagefähige Schichtbilder erstellen zu können, wird das Kniegelenk in Form mehrerer Schichtbild-Sätze, die jeweils in bestimmten Ebenen aufgenommen werden, erfasst. Die Erfassung erfolgt dabei in transversaler, coronaler und sagittaler Richtung, wobei diese Ebenen nicht unbedingt senkrecht aufeinander stehen, sondern gegebenenfalls zueinander verkippt sein können. Jeder Schichtbild-Satz besteht aus beispielsweise zwanzig bis vierzig einzelnen Schichtbildern, die alle in parallelen, aneinander angrenzenden Schichtebenen aufgenommen wurden. Auf diese Weise kann das gesamte Untersuchungsvolumen erfasst werden.

Schwierigkeiten ergeben sich aber dann, wenn zu einem späteren Zeitpunkt eine Nachfolgeuntersuchung erfolgen soll, um eine Therapiekontrolle durchzuführen. Nachdem üblicherweise die einzelnen Schichtbild-Gruppen bzw. die verschiedenen Messprotokolle (z.B. T1 oder T2) in coronaler, sagittaler und transversaler Orientierung vom jeweiligen Untersucher manuell eingestellt werden, ergeben sich hier Schwierigkeiten hinsichtlich einer reproduzierbaren Schichtebenenpositionierung. Dies gilt selbst dann, wenn der selbe Untersucher zu einem späteren Zeitpunkt die Einstellung vornimmt, insbesondere, wenn der Untersucher wechselt. Die vormals aufgenommenen Schichtbilder liegen als Referenzen in der Regel nicht vor, so dass sich der Untersucher daran auch nicht orientieren kann.

Ähnliche Probleme ergeben sich auch, wenn aufgenommene Schichtbilder zu einem späteren Zeitpunkt ausgewertet werden sollen. Auch hier erfolgt die jeweilige Bilddarstellung anhand von Schichtbildern, die in coronaler, transversaler oder sagittaler Orientierung liegen. Je nachdem, wie nun der Arzt die jeweilige Orientierung legt, erhält er unterschiedliche Ebenenverläufe und damit auch unterschiedliche Bilddarstellungen. Auch hier ist keine Reproduzierbarkeit gegeben.

Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das eine reproduzierbare Ebenenbestimmung der coronalen und sagittalen Ebenen ermöglicht, um eine reproduzierbare Schichtbildaufnahme oder Schichtbilddarstellung zu ermöglichen.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, folgende Schritte durchzuführen:

– Aufnahme oder Verwendung eines transversalen Schichtbildes des Kniegelenks,
– Analyse des Schichtbilds unter Verwendung wenigstens eines Analysealgorithmus zur Ermittlung der medialen und der lateralen Kondyle des als transversaler Schnitt gezeigten Oberschenkelknochenkopfs und Bestimmung je eines darauf liegenden Punkts, die die coronalen Ebene definieren,
– Bestimmung der senkrecht zur definierten coronalen Ebene verlaufenden sagittalen Ebene, und
– Aufnahme oder Ermittlung und Darstellung coronaler oder saggitaler Schichtbilder unter Orientierung an den bestimmten ausgezeichneten Ebenen.

Unter Verwendung eines oder mehrerer Analysealgorithmen schlägt die Erfindung vor, ausgezeichnete anatomische Strukturen des Kniegelenks, die in dem transversalen Schichtbild eindeutig identifiziert werden können, zu ermitteln und diese zur Ebenenbestimmung heranzuziehen. Erfindungsgemäß werden ierzu die beiden Kondylen des Oberschenkelknochenkopfs, auch Tibia genannt, die im transversalen Schichtbild zu sehen sind, ermittelt. Über den Analysealgorithmus kann definiert werden, welche genauen Bereiche der Kondylen des als Transversalschnitt gezeigten Oberschenkelschnitts relevant sind, um durch diese die Ebene zu legen. Bevorzugt wird die Ebene tangential an die im Schnittbild rundlich dargestellten Konstruktionndylen gelegt, d.h. dort werden die zwei ausgezeichneten Punkte vom Algorithmus bestimmt, durch die nun die coronale Ebene entlang einer Geraden durch das Gelenk und damit das gesamte Untersuchungsvolumen gelegt.

In einem zweiten Schritt wird unter Orientierung an der bereits bestimmten coronalen Ebene die sagittale Ebene bestimmt. Diese verläuft orthogonal zur coronalen Ebene, d.h. es wird auf die bestimmte, die coronale Ebene definierende Linie die Orthogonale gelegt, die als Linie die Lage der Sagittalebene definiert. Auch die erfolgt im transversalen Schichtbild unter Verwendung des bereits verwendeten oder eines weiteren Analysealgorithmus.

Nun sind – neben der bereits bekannten Transversalebene – auch die coronale und die sagittale Ebene definiert, wobei dies ausschließlich anhand anatomischer Strukturen, die für das Kniegelenk typisch sind, erfolgte. Eine nachfolgend nötige Bildaufnahme kann nun auf Basis dieser automatisch ermittelten Ebenen erfolgen, gleich wie aus einem bereits aufge nommenen dreidimensionalen Bilddatensatz entsprechende Schnittbilder entlang dieser Ebenen ermittelt werden können.

Der Umstand, dass anatomische Landmarken zur automatischen Ebenenermittlung herangezogen werden, lässt ein reproduzierbares Bestimmen der Ebenen zu. Denn die Anatomie ändert sich in der Regel nicht. Voraussetzung ist lediglich, dass die transversale Schichtbildaufnahme, die Grundlage für die Anatomieanalyse ist, im Rahmen von Nachfolgeaufnahmen im Wesentlichen die gleiche ist. Entsprechendes gilt im Falle einer reproduzierbaren Bilddarstellung aus bereits vorhandenen Bilddaten. Auch hier kann eine nachfolgende Auswertung stets anhand von Bildern, die reproduzierbar in derselben Ebene liegen wie im Rahmen der Erstauswertung, erfolgen.

In Weiterbildung des Erfindung kann vorgesehen sein, dass für eine nachfolgende Schichtbildaufnahme nach der Ermittlung der coronalen oder der saggitalen Ebene unter Verwendung wenigstens eines Analysealgoritmus ein Zentrumspunkt, in den die coronale und die sagittale Ebene verschoben werden, bestimmt wird, wozu ein der Form des transversal geschnitten gezeigten Oberschenkelknochenkopfs genäherter Kreis um den Oberschenkelknochenkopf und dessen Mittelpunkt bestimmt wird, welcher Mittelpunkt der Zentralpunkt ist, in den die beiden Ebenen, die als Zentralebenen für die nachfolgend aufgenommenen ebenenparallelen Schichtbilder dienen, gelegt werden. Diese Erfindungsausgestaltung ermöglicht es, eine Coronal- und eine Sagittalebene als Zentrumsebene für die Aufnahme nachfolgender Ebenen paralleler Schichtbildscharen zu definieren. Eine zuvor bestimmte coronale bzw. sagittale Ebene wird erfindungsgemäß in die Mitte des ebenfalls als anatomische Landmarke dienenden Oberschenkelknochenkopfs, der über ein Analysealgorithmus ermittelt wird, ebenenparallel geschoben. Diese Ebene bildet die Zentralebene für die späteren Schichtbilder, die daran anschließend beidseitig ebenenparallel aufgenommen werden. Die Ermittlung des Zentrums des Oberschenkelknochenkopfes ist ebenfalls anhand des Analysealgorithmus ohne wei teres möglich, nachdem der Knochen im Wesentlichen hufeisenförmig im transversalen Schichtbild zu sehen ist. Anhand der Konturen des Knochenschnitts wird nun automatisch eine Kreislinie bestimmt, deren Lage und Radius sich an der Form oder Kontur des Knochenschnitts orientiert bzw. dieser weitestgehend genähert ist. Zu diesem Kreis wird nun vom Analysealgorithmus der Mittelpunkt bestimmt, der den Zentrumspunkt, in den die Ebenen verschoben werden, bildet. Diese Erfindungsausgestaltung ermöglicht also eine automatische Zentralebenenermittlung. Alternativ kann der Arzt natürlich ausgehend von der Ermittlung der beiden coronalen und sagittalen Orientierungsebenen selbst bestimmen, in welche Richtung das Untersuchungsvolumen aufgenommen werden soll, ausgehend von diesen beiden Orientierungsebenen.

Das transversale Schichtbild, das Basis für die Anatomieanalyse ist, kann erfindungsgemäß aus einer unmittelbar vorher aufgenommenen oder bereits länger vorhandenen Schar an ein Untersuchungsvolumen im Kniegelenkbereich erfassenden Schichtbildern ausgewählt werden, wobei diese Schichtbildauswahl manuell oder automatisch erfolgen kann, d.h. die transversale Ebene kann automatisch oder manuell bestimmt werden.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine Magnetresonanzanlage, ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens der beschriebenen Art.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzanlage,
2 ein transversales Schnittbild durch das Kniegelenk zur Darstellung der Ermittlung der coronalen Ebene und zur Ermittlung des Zentrums, und
3 ein Schnittbild entsprechend 2 mit den in den Zentrumspunkt verschobenen coronalen Ebene sowie der dadurch laufenden sagittalen Ebene.
1 zeigt als Prinzipskizze eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage 1, bestehend aus dem eigentlichen Untersuchungsanlagenteil 2, dem eine den Betrieb steuernde Steuerungseinrichtung 3 mit zugeordneter Bildverarbeitungseinrichtung 4 umfassend eine geeignet ausgebildete bzw. programmierte Recheneinrichtung zugeordnet ist. Die Steuerungseinrichtung 3 steuert den gesamten Betriebsablauf einschließlich der Bildaufnahme, die Bildverarbeitung erfolgt in der Bildverarbeitungseinrichtung 4, der ein Monitor 5 zur Bilddarstellung zugeordnet ist.
Soll nun eine Kniegelenksuntersuchung vorgenommen werden, so werden zunächst wie üblich drei Localiser-Aufnahmen, also Übersichtsbilder, in drei standardmäßig definierten orthogonalen Orientierungen vom Kniegelenksbereich aufgenommen, die der Erstellung eines groben Übersichtsbilds dienen. Anhand dieser Localiser-Aufnahmen wird nun automatisch eine Transversalebene bestimmt, die durch das Kniegelenk verläuft. Basierend auf dieser automatisch bestimmten Ausrichtung der Transversalebene wird nun automatisch eine erste Transversal-Schichtbild-Schar aufgenommen. Diese transversalen Schichtbilder, beispielsweise zwanzig bis vierzig Einzelbilder, beschreiben in ihrer Gesamtheit das Untersuchungsvolumen, also das Kniegelenk. Aus dieser transversalen Schichtbild-Schar wird nun ein ausgezeichnetes Schichtbild bevorzugt automatisch ausgewählt, in dem bestimmte anatomische Strukturen zu sehen sind, auf die in Bezug auf die 2 und 3 eingegangen wird. Die Auswahl kann gezielt im Hinblick auf die gesuchten und benötigten Strukturen erfolgen, d.h. es wird das für die durchzuführende Analyse am besten geeignete Schichtbild ausgewählt.
2 zeigt ein transversales Schichtbild 6, das das Kniegelenk 7 zeigt. Deutlich sichtbar ist der transversale Schnitt durch den Oberschenkelknochenkopf 8, auch Tibia genannt, mit seiner typischen Hufeisenform.
Unter Verwendung eines geeigneten Analysealgorithmus, beispielsweise einen Kantendetektionsalgorithmus, ermittelt nun die Bildverarbeitungseinrichtung 4 im Schnittbild 6 die laterale und die mediale Kondyle 9, die sich quasi an den Enden des hufeisenförmigen Oberschenkelknochenkopfes befindet. Dort wird jeweils ein Punkt P, markiert durch das Kreuz-Symbol, bestimmt, durch den dann die Linie C gelegt wird, die die Bezugslinie für die coronale Ebene ist. Die beiden Punkte P könne so bestimmt werden, dass die Linie C tangential zu den beiden Kondylen 9 verläuft.
Anschließend wird von dem oder einem weiteren Analysealgorithmus die Außenkontur des Oberschenkelknochenkopfs 8 erfasst und diese mit einer angenäherten Kreislinie K beschrieben. Das heißt, es wird ein "Region of Interest" über die Kreislinie K definiert, das sich an der Form und Lage des transversalen Schnittbilds des Oberschenkelknochenkopfs orientiert. Zu diesem Kreis, berandet über die Kreislinie K, wird nun automatisch vom Analysealgorithmus der Mittelpunkt M bestimmt, auch hier dargestellt durch ein Kreuz-Symbol.
Im nächsten Schritt, siehe 3, wird nun die Gerade oder Linie C, die die Coronalebene definiert, in den Mittelpunkt M ebenenparallel verschoben, wie durch die Gerade oder Linie C' dargestellt ist. Diese Linie C' definiert nun die zentrale coronale Ebene, beidseits welcher im Rahmen nachfolgender Schichtbildaufnahmen einzelne Schichten aufgenommen werden. Das heißt, die ursprünglich über die Linie C definierte Coronalebene dient der Ausrichtung und der korrekten Angolation der coronalen Schichtbilder, stellt aber nicht die zentrale Ebene für die nachfolgende Aufnahme der Schichtbildschar dar.
Im nächsten Schritt wird nun, siehe 3, die Sagittalebene bestimmt. Diese steht senkrecht auf der Coronalebene, definiert durch die Linie C'. In 3 ist die Sagittalebene über die Linie S definiert. Nachdem auch diese Linie S und damit die Sagittalebene durch den Mittelpunkt M, der den Zentralpunkt bildet, läuft, stellt auch sie die Zentralebene für nachfolgende daran anschließende Schichtbildaufnahmen dar.
Wie beschrieben wird erfindungsgemäß eine reproduzierbare Ebenenbestimmung allein anhand ausgezeichneter anatomischer Kniegelenksstrukturen, nämlich der Kondylen und der Tibia bestimmt. Die ermittelten Coronal- und Sagittallinien bzw. – ebenen C und S dienen der letztendlichen Ebenendefinierung sowie der korrekten Angulation für die nachfolgend aufzunehmenden Schichtbildscharen. Anhand der bestimmten ausgezeichneten Ebenen erfolgt dann die nachfolgende Bildaufnahme, gesteuert über die Steuerungseinrichtung 3 der Magnetresonanzanlage 1.

Claims

Verfahren zur Bestimmung ausgezeichneter coronaler und saggitaler Ebenen für die nachfolgende Aufnahme neuer Magnetresonanz-Schichtbildern oder die Darstellung von Magnetresonanz-Schichtbildern aus einem bereits vorhandenen Bilddatensatz eines Kniegelenks, mit folgenden Schritten: Aufnahme oder Verwendung eines transversalen Schichtbildes des Kniegelenks, – Analyse des Schichtbilds unter Verwendung wenigstens eines Analysealgorithmus zur Ermittlung der medialen und der lateralen Kondyle des als transversaler Schnitt gezeigten Oberschenkelknochenkopfs und Bestimmung je eines darauf liegenden Punkts, die die coronalen Ebene definieren, – Bestimmung der senkrecht zur definierten coronalen Ebene verlaufenden sagittalen Ebene, und – Aufnahme oder Ermittlung und Darstellung coronaler oder saggitaler Schichtbilder unter Orientierung an den bestimmten ausgezeichneten Ebenen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für eine nachfolgende Schichtbildaufnahme nach der Ermittlung der coronalen oder der saggitalen Ebene unter Verwendung wenigstens eines Analysealgoritmus ein Zentrumspunkt, in den die coronale und die sagittale Ebene verschoben werden, bestimmt wird, wozu ein der Form des transversal geschnitten gezeigten Oberschenkelknochenkopfs genäherter Kreis um den Oberschenkelknochenkopf und dessen Mittelpunkt bestimmt wird, welcher Mittelpunkt der Zentralpunkt ist, in den die beiden Ebenen, die als Zentralebenen für die nachfolgend aufgenommenen ebenenparallelen Schichtbilder dienen, gelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das transversale Schichtbild aus einer vorher aufgenommenen oder vorhandenen Schar an ein Untersuchungsvolumen im Kniegelenkbereich erfassenden Schichtbildern ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das transversale Schichtbild manuell oder automatisch ausgewählt wird.
Magnetresonanzanlage, ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche.