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Die
medizinisch-diagnostische Bildgebung war bis zu Beginn der siebziger
Jahre des letzten Jahrhunderts eine Domäne der klassischen Röntgentechnik
mit ihren Projektionsbildern. Ultraschallbildgebung und auch die
Bildgebung der Nukearmedizin befanden sich noch am Anfang ihrer
Entwicklung. Die Röntgencomputertomographie
(CT) kam in den siebziger Jahren hinzu, die Magnetresonanztomographie
(MRT) in den achtzigern. CT und MRT liefern Querschnittbilder, die
unterschiedliche Eigenschaften des untersuchten Gewebes darstellen.
Die CT stellt die Eigenschaften der ortsabhängigen Röntgenstrahlungsschwächung des
untersuchten Gewebes dar, die MRT Eigenschaften, die mit dem Kernspin
der im Gewebe vorhandenen Atome, vor allem dem des Wasserstoffatoms
zusammenhängen.
Parallel zur Entwicklung der CT und der MRT hat sich auch die nuklearmedizische
Bildgebung in Richtung der Querschnittbilddarstellung weiterentwickelt.
Hier ist zum einen die als SPECT bezeichnete Bildgebung durch Messung
der Intensität
von Gammastrahlung oder von Photonen zu nennen, die von Gewebestellen
ausgeht, in denen mittels eines applizierten Radiopharmakons gezielt
diese Art von Strahlung abgebendes Material angereichert wurde (SPECT
= single photon emission computerized tomography). Das andere nuklearmedizinische
Verfahren ist PET, bei der ein Positronen emittierendes Material
in vergleichbarer Weise an Gewebestellen verbracht wird, wobei die
abgegebenen Positronen sich in unmittelbarer Nähe ihres Emissionsortes mit
einem Elektron vereinigen und so Gammastrahlung erzeugen (PET =
positron emission tomography). Auch die Bildgebung mit Ultraschall
hat wesentliche Fortschritte gemacht.
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Die
genannten nicht-nuklearmedizinischen Verfahren sprechen alle auf
unterschiedliche Gewebeeigenschaften an oder auf gleiche Gewebeeigenschaften
mit jedoch unterschiedlicher Sensitivität, Spezifität und der Art der Darstellung.
Je nach Fragestellung wird man ein bestimmtes Verfahren mit Vorzug
anwenden; auch kann für
bestimmte Fragestellungen die Anwendung mehrerer Verfahren die diagnostische
Information entscheidend erhöhen.
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Die
nuklearmedizinischen Bilder (SPECT, PET) zeigen in dem von ihnen
abgebildeten Gewebequerschnitt Intensitätsverteilungen, die je nach
Rezeptur des Radiopharmakons für
gesundes oder normal funktionierendes Gewebe wie z.B. für den Herzmuskel
aufgrund dessen Stoffwechsel stehen können oder für krankes Gewebe aufgrund dessen
pathologischen Stoffwechsels wie z.B. bei Karzinom-Metastasen in
der Leber oder im Knochen. In den nicht-nuklearmedizinischen Bildern
deutlich dargestellte Strukturen fehlen oder sind nur angedeutet, so
dass ein durch eine Intensitätsverteilung
dargestelltes stoffwechselaktives Gewebe nicht oder nur unzureichend
in die Morphologie des Körperquerschnitt
eingeordnet werden kann. Für
bestimmte Fragestellungen wäre
es aber von besonderem Vorteil, den genauen Ort einer Intensitätsverteilung
innerhalb eines Organs zu kennen, was man sich so vorstellen kann,
als würden
das nuklearmedizinische Schichtbild und das nicht-nuklearmedizinischen
Schichtbild punktgenau zur Deckung gebracht. Hier stellt sich die besondere
Aufgabe der Bildregistrierung (engl. registration, mit register
für eintragen,
einzeichnen), die die Orte gleicher Gewebe- oder Organpunkte des
in beiden Bildgebungsarten oder Bildmodalitäten dargestellten Körper- oder Gewebequerschnitts
so transformiert, dass sie in einem gemeinsamen Ortskoordinatensystem
die gleichen Ortskoordinaten haben oder eben in diesem Sinne solche
Orte im Koordinatensystem der einen Modalität in das Koordinatensystem
der anderen Modalität
transformiert. Eine solche Transformation kommt im allgemeinen nicht
allein mit einer Drehung und/oder Verschiebung aus, weil davon auszugehen
ist, dass bei den Bildaufnahmevorgängen mit beiden Modalitäten selbst dann,
wenn bei der Patientenlagerung der Bildschnitt auf gleicher Höhe angelegt
wird, z.B. durch Verlagerung von inneren Organen sich im Bild die
Umrandung des Körperquerschnitts
wie auch die dargestellten Organe unterschiedlich darstellen. Insofern
ist hier die Registrierung keinesfalls ein trivialer Vorgang.
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An
den Vorgang der Registrierung schließt der Vorgang der Zusammenführung beider
Bilder an zur "integrierten
Darstellung" beider
Bildinhalte. Dieser Vorgang wird als Bildfusion (engl. fusion, für Verschmelzung)
bezeichnet. Das geschieht durch Überlagerung
der beiden (registrierten) Bilder, wobei zur besseren Unterscheidung
der unterschiedlichen Inhalte z.B. das nuklearmedizinische Bild
in Farbe angelegt und so dem schwarz-weißen CT-Bild überlagert
wird. Da hier Bilder unterschiedlicher Modalitäten registriert und zusammengeführt werden,
wird von einer multimodalen Registrierung und Fusion gesprochen;
hier wäre,
weil von zwei Bildmodalitäten die
Rede ist, besser noch von bimodaler Registrierung und Fusion zu
reden.
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Dieser
Vorgang und seine grundsätzliche Bedeutung
sollen anhand von 1 und 2 erläutert
werden, wobei für
das gewählte
Beispiel der Idealfall unterstellt wird, dass im Übergang
von der Erstellung des Computertomogramms laut 1a zur Aufnahme des PET-Bild laut 1b der Patientenquerschnitt
keine Änderung
erfahren hat, z.B. durch Organverlagerung oder überhaupt durch unterschiedliche
Lagerung. 1a zeigt sehr
stark schematisiert einen Querschnitt 1 am Körperstamm
mit der Darstellung der Leber 2, der Aorta 3,
der Wirbelsäule 4 und
den beiden Nieren 5 und 6. Die nicht weiter bezeichneten
Strukturen stehen für
Lungengewebe (die große
dunkle karierte Fläche),
für die
Rippen und für
im Querschnitt befindliche Teile des Verdauungssystems. Die Struktur 8 steht
für die
Bauchspeicheldrüse,
in der ein Radiologe aufgrund ihrer Form und ihrer Struktur einen
Krebsherd diagnostiziert haben soll. Mit einer PET- Aufnahme soll
nun die Ausdehnung dieses Herdes festgestellt und vor allem die Frage
beantwortet werden, ob sich der Herd auf die Bauchspeicheldrüse beschränkt oder
sich in die Baucharterie 7 hineinzieht, die laut 1a auf einer Seite an die
Aorta 2 und mit einer anderen an die Bauchspeicheldrüse 8 angrenzt.
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In 1b ist das PET-Bild für den gleichen Patientenquerschnitt 1 dargestellt
mit dem strahlungsaktiven Bereich 9 in einem Gebiet, das
der Bauchspeicheldrüse
zuzuordnen ist, und den beiden strahlungsaktiven Bereichen 10 und 11,
die sich offensichtlich in Randgebieten der Nieren befinden und hier
aufgrund des über
die Nieren laufenden Ausscheidungsprozesses für das Radiopharmakon auftreten
mögen.
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Gelingt
es, das PET-Bild gemäß 1b dem CT-Bild gemäß 1a durch Sicherstellung
gleicher Abbildungsmaßstäbe als auch
gleicher räumlicher Bildorientierung
("Registrierung") ortsrichtig zu überlagern
("Fusion") so erhält man das
fusionierte Bild in 1c. Im Beispiel
wurde (mangels farblicher Darstellungsmöglichkeit für die Zeichnungen) in 1c dem Bereich 9', das dem strahlungsaktiven Bereich 9 in 1b entspricht, der Tonwert "weiß" zugeordnet; auch
wurden die in 1b als
strahlungsaktiv gekennzeichneten Nierenpartien, nämlich die
Bereiche 10 und 11 in 1c mit
gleichartiger Kennzeichnung als die Bereiche 10' und 11' übernommen
(auch, um die ortsrichtige Überlagerung
zu verdeutlichen).
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In
diesem Beispiel wäre
also das Ergebnis der Bildfusion, dass sich nicht nur die Krebsdiagnose laut
CT-Bild durch die PET-Untersuchung bestätigt, sondern sich auch die
Ausdehnung des Herdes darstellt mit der wichtigen Erkenntnis, dass
der Herd die Organgrenzen der Bauchspeicheldrüse 8 überschreitet
und sich in die Baucharterie 7 hineinzieht.
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Das
Beispiel anhand von 1a bis 1c würde
in praktisch identischer Weise für
die Bildgebungsart SPECT anstelle der von PET gelten. Gleiches gälte, wenn
an die Stelle von CT die MRT tritt. Grundsätzlich könnte man auch andere Bildgebungsarten
miteinander kombinieren, z.B. CT und Ultraschall, wobei bei der
Kombination unterschiedlicher Bildgebungsarten von multimodaler
Bildregistrierung und -fusion gesprochen wird in Gegensatz zur monomodalen,
wo z.B. Bilder der gleichen Bildgebungsart miteinander verschmolzen
werden, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen worden sind,
um z.B. den Verlauf einer Behandlung zu kontrollieren.
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Ein
umfassender Überblick über die
Bildregistrierung findet sich im Artikel "A Survey of Medical Image Registration" von J.B.A Maintz
und M.A. Viergever in Medical Image Analysis, Oxford University Press
1998.
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Hier
sei nun noch ein Beispiel für
die monomodale Bildregistrierung und -fusion besprochen. So läge die Aufgabe
vor, bei einer Weichteilerkrankung im Schädel den Krankheits- oder Heilungsfortschritt zuverlässig mit
den Mitteln der CT zu verfolgen. In einer die Ausgangssituation
darstellenden Bezugsaufnahme wird das sogenannte Bildfenster, besser
Signalhöhenfenster,
so gewählt,
dass ausschließlich oder überwiegend
der Schädelknochen
dargestellt wird. Bei Folgeaufnahmen nach gegebenen Zeiten oder
nach Eingriffen wird zunächst
mit dem gleichen Bildfenster der Schädelknochen dargestellt und
mit dem früher
gewählten
Bezugsbild durch Bilddrehung oder Verschiebung zur Deckung gebracht.
Dann wird das Bildfenster so eingestellt, dass kritische Weichteilveränderungen
bestmöglich
erkannt werden. Für den
Vergleich kann dann z.B. eine Subtraktion der beiden Bilder hilfreich
sein, deren Ergebnis dann die zwischenzeitlich aufgetretenen Änderungen
ausweist.
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Bei
dieser Betrachtung wurde das Problem nicht berücksichtigt, das sich durch
eine Verkippung des Patientenkopfes in Bezug auf seine Längsachse bei
neuen Aufnahmen ergibt, welche Verkippung bei aller Sorgfalt nicht
immer zu vermeiden ist. Abhilfe schaffen hier im Bild sich darstellende "Landmarken" von "Landmarkengebern", die am Schädel des
Patienten über
die Zeitdauer der Kontrolluntersuchungen fixiert bleiben, z.B. durch
Einschraubung in den Knochen. Damit kann sichergestellt werden,
dass nur identische Schädelquerschnitte,
nämlich
solche, die durch gleiches Auftreten der Landmarken in den Bildern
gekennzeichnet sind, verglichen werden.
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Die
Aufgabe der Registrierung wird jedoch auch im monomodalen Fall schwierig,
wenn ein Körperquerschnitt
in ähnlicher
Weise beobachtet werden soll, der kein festes Gerüst hat,
so wie es der Schädelknochen
für den
Schädel
ist. Zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommene CT-Bilder selbst eines
identischen Querschnitts vom Körperstamm
sind unterschiedlich, wenn z.B., wie schon oben beim Körperstamm-Beispiel
zur multimodalen Registrierung erwähnt, durch Verlagerung von
inneren Organen in den Bildern sich die die dargestellten Organe
als auch die Umrandung des Körperquerschnitts
unterschiedlich darstellen. Ein körpereigenes starres Bezugsystem
fehlt, an dem sich im Bild wiederfindende Landmarkengeber angebracht
werden könnten.
Der Prozeß der
Registrierung muß sich
also an den dargestellten Gewebe- bzw. Organstrukturen selbst orientieren,
ein Vorgang, der um so komplexer werden kann, je länger die
unterschiedlichen Untersuchungen des Patienten auseinander liegen.
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Schwieriger
jedoch wird die Registrierung im multimodalen, genauer gesagt, bimodalen
Fall z.B. von CT und PET, wie es auch schon am anhand von 1a bis 1c besprochenen
Beispiels erkennbar wurde.
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Unter
der Annahme, dass im Beispiel laut 1 beim Übergang
von der Untersuchung gemäß dem Bild
in 1a mit CT zur nuklearmedizinischen Untersuchung
gemäß dem Bild
in 1b sich Organverlagerungen
ergeben hätten,
könnte
sich anstelle von dem in 1b dargestellten
PET-Bild ein solches wie in 1d dargestellt
einstellen. Die in 1b dargestellten
aktiven Bereiche 9, 10 und 11 finden
sich in 1d als die Bereiche 9'', 10'' und 11'' wieder. Auch der Körperquerschnitt 1 gemäß 1a, in 1b als Querschnitt 1' gekennzeichnet,
hat sich, wie in 1d als Körperquerschnitt 1'' angedeutet, in Zusammenhang mit
der Organverlagerung in seiner Form geändert. Zur Verdeutlichung sind
Teile der Konturen der in 1b dargestellten
strahlungsaktiven Bereiche 9, 10 und 11 in
Entsprechung in 1d als 9*, 10* und 11* eingetragen.
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Nun
kann man versuchen, das Bild in 1d in
bestimmten Bildbereichen mittels elektronischer Bildverbeitung soweit
zu dehnen oder zu stauchen, zu drehen und zu verschieben, bis die
durch die Aktivitäten
angedeuteten Nierenkonturen 10'' und 11'' mit den voll ausgebildeten Konturen
der Nieren 5 und 6 in 1a zur Deckung kommen. Es besteht dann aber
immer noch die Frage, ob durch diese Transformation der Topologie
des Bildes in 1d das strahlenaktive
Gebiet 9'' sich im Bild
von 1a ganz oder näherungsweise
mit dem deckt, was das Bild in 1a offenbaren
wurde, wenn es dort "von
sich aus sichtbar" würde, oder,
anders ausgedrückt,
ob es sich mit dem deckt, was von 1b als
Gebiet 9 in das Bild von 1a eingebracht
wurde und sich dann in 1c als Bereich 9' darstellt.
Es sei noch vermerkt, dass die an sich vorteilhafte Möglichkeit,
einen Angleich des Körperquerschnitts 1'' in 1d an den
Körperquerschnitt 1 im
Bild von 1a vorzunehmen,
nicht zur Verfügung
steht, weil eben der Körperquerschnitt 1'' im PET-Bild gemäß 1d (wie auch der im Bild von 1b und hier als 1' gekennzeichnete)
sich nicht oder wenig zureichend abbildet.
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Ein
Algorithmus, der sozusagen ein Gummituch auf das Bild in 1d auflegt, das strahlenaktive Gebiet 9'' wie auch die in den aktiven Strahlungsbereichen 10'' und 11'' angedeuteten
Nierenkonturen auf das Gummituch durchpaust, gegebenenfalls nach
Verdeutlichung der Nierenkonturen durch einen erfahrenen Arzt, hätte dieses
Gummituch z.B. durch ortabhängigen
Zug auf dieses solange zu drehen und dabei als Ganzes oder auch
nur für
lokale Bildteile und dabei zu deren Grenzbereichen abnehmend zu drehen
oder zu verschieben, bis die in 1d mit den
Bereichen 10'' und 11'' dargestellten (und gegebenenfalls
durch Manipulation verdeutlichten) Nierenkonturen mit denen in 1a dargestellten sich decken.
Bei der Entwicklung eines solchen Algorithmus wäre es unumgänglich, in ihn Vorabinformation einzuarbeiten,
die ihn in die Lage versetzt, eventuelle Vorzugsrichtungen zu berücksichtigen,
in die z.B. die Bauchspeicheldrüse
ausweicht, wenn eine oder beide Nieren 5 und 6 durch
Verlagerung des Patienten in Richtung des Körperinnern verschoben werden.
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Eine
Bildfusion von CT-Bildern und PET-Bildern wird heute als so wesentlich
für die
Diagnostik und ihre korrekte Registrierung als so schwierig angesehen,
dass man den mathematischen Vorgang einer komplexen Bildtransformation
durch eine sozusagen physikalische Lösung umgeht: Man kombiniert CT
und PET in einem Gerät,
so dass bei der Verbringung des Patienten von dem einen in den anderen Aufnahmemodus
das Verschieben des Patientenlagerungstisches ausreicht; eine Umlagerung
also entfällt.
Die Aufnahmen der unterschiedlichen Arten werden in einem Untersuchungsgang,
also unmittelbar hintereinander abgearbeitet, so dass auch eine Eigenbewegung
der Organe, z.B. durch die Darmperistaltik als nicht gegeben oder
als nur gering angenommen werden kann. So ist davon auszugehen, dass
die Querschnittbilder der beiden in einem Gerät vereinigten Modalitäten CT und
PET von praktisch identischer Topologie sind.
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Kombinierte
CT/PET-Systeme sind bereits marktgängig, ein serienmäßig hergestelltes CT/SPECT-Gerät wurde
Mitte 2004 vorgestellt (Literatur: Medical Solutions including electromedica,
November 2004, Seite 16). Es sei hier noch einmal festgestellt,
dass die bisher angestellten und noch weiterzuführenden Betrachtungen für ein CT/PET-Gerät gleichermaßen für ein CT/SPECT-Gerät gelten.
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Eine
solche CT/PET-Maschine löst
jedoch das Registrierungsproblem nicht, wenn bei einem Patienten
nach einer Operation und oder im Verlauf einer andersartigen Behandlung
für die
Kontrolluntersuchungen primär
PET-Bilder indiziert sind, und man auf jeweils gleichzeitig zu erstellende
CT-Aufnahmen aus Gründen
der dem Patienten dafür
zu applizierenden Stahlendosis wie auch zusätzlicher Kosten verzichten
will. Eine ähnliche
Frage stellt sich, wenn ein Patient, bei dem eine Untersuchung mit
einem CT-Gerät
Anlaß zu
einer weiteren Untersuchung mit PET gibt, an eine Institution überwiesen wird,
die auch eine CT/PET- Maschine betreibt. Zudem kann man wohl davon
ausgehen, dass die noch neuen Doppelmodalitätssysteme nicht oder nur begrenzt
in radiologischen Instituten installiert werden. Radiologie und
Nuklearmedizin sind unterschiedliche Fachrichtungen, und in der
Regel haben nur nuklearmedizinische Institute eine Zulassung für den Umgang
mit offenen radioaktiven Stoffen, wie z.B. mit Radiopharmaka. Zudem
ist die Frage nicht ganz unberechtigt, ob und welche Kompromisse
für die
Anwendung einer der beiden Modalitäten einzugehen sind, wenn man
beide Modalitäten
in einem Gerät
vereinigt. So erscheint es wahrscheinlich, dass die genannten Doppelmodalitätssyssteme
Geräte
mit der einen oder der anderen ihrer beiden Einzelmodalitäten nicht
grundsätzlich
ablösen
werden.
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Das
Problem einer optimalen Bildregistrierung und -fusion bleibt also
bestehen.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Registrierungshilfe
für medizinische
Bilder zu schaffen, die mit dem Patienten in Bezug auf gewählte Körperstellen
reproduzierbar verbunden werden kann und an der sich Markierungen
befinden, die sich für
die multimodale Bildregistrierung eignen, also z.B. sich sowohl
im CT-Bild wie auch im PET-Bild darstellen.
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Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Patentanspruches 1. Ausgestaltungen ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung ist nachfolgend in Verbindung mit den 2 bis 6 näher erläutert.
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2a zeigt,
dass entlang dem Körperumfang
and der Stelle des abzubildenden Querschnitts ein Gürtel 12 angebracht
wird und mit der Schließe 13 befestigt
wird. Über
dem Umfang des Gürtels 12 sind
kreiszylindrische Hohlkörper 14 gemäß 2b angebracht,
die aus einem Material bestehen, das sich in einem CT-Bild gut darstellt.
Eine CT-Aufnahme führt
dann zu einem Bild gemäß 3a,
in dem sich die Hohlkörper 14 als
Landmarken 14' darstellen.
Die kreiszylindrischen Hohlkörper 14 sind
im wesentlichen senkrecht zur Querschnittebene ausgerichtet. (Eine
systematisierte Schrägstellung
der zylindrischen Hohlkörper 14 könnte durchaus
dazu genutzt werden, bei mehreren CT-Aufnahmen eines Aufnahmevorgangs
die Lage abgebildeter Querschnitte bezüglich der Systemachse des Gerätes und zueinander
zu kontrollieren und gegebenenfalls zu korrigieren, jedenfalls im
Bereich der Länge
der zylindrischen Hohlkörper 14,
weil diese sich dann in den Bildern ortsversetzt darstellen.)
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Wird
der Patient unmittelbar in Anschluß an die Untersuchung mit CT
auf ein PET-Gerät überführt, so
geschieht das mit angezogen bleibendem Gürtel 12, der durch
geeignete Breite und Elastizität seine
Position auf dem Körper
des Patienten möglichst
beibehält.
Unmittelbar vor der Untersuchung mit PET wird der kreiszylindrische
Hohlraum 15 im kreiszylindrischen Hohlkörper 14 mit einem
passenden kreiszylindrischen Gefäß 16 mit
dem Verschluß 17 beschickt,
das aufgrund seiner Füllung
mit einer radioaktiven Substanz 18 eine für seine
Darstellung in der PET-Aufnahme geeignete Strahlung emittiert, so
dass ein PET-Bild gemäß 3b zustande kommt,
in dem sich die in den am Gürtel 12 befestigen
zylindrischen Hohlkörpern 14 befindlichen
zylindrischen Gefäße 16 als
die Landmarken 14'' darstellen.
Hohlkörper 14 und
Gefäß 16 werden
also sinngemäß als Landmarkengeber
bezeichnet. Die Landmarkengeber bestehen dabei aus einem Material, das
für die
von der Substanz 18 abgegebenen Strahlung durchlässig ist.
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(Die
vorstehend angesprochene systematisierte Schrägstellung der zylindrischen
Hohlkörper 14 führt zur
systematisierten Schrägstellung
der zylindrischen Gefäße 16,
was dazu genutzt werden könnte,
bei mehreren PET-Aufnahmen eines Aufnahmevorgangs die Lage abgebildeter
Querschnitte bezüglich
der Systemachse des Gerätes
und zueinander zu kontrollieren und gegebenenfalls zu korrigieren,
jedenfalls im Bereich der Länge
der zylindrischen Gefäße 16,
weil diese sich dann in den Bildern ortsversetzt darstellen. Da
die systematisierte Schrägstellung
der zylindrischen Hohlkörper 14 auch für die eingesteckten
zylindrischen Gefäße 16 gilt, gelten
die angesprochenen Bezüge
auch zwischen CT- Aufnahmen und PET- Aufnahmen.)
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Das
Zentrum einer Landmarke 14' in 3a wie
auch das Zentrum der ihr zugehörigen
Landmarke 14'' in 3b entsprechen
beide dem Zentrum des Querschnitts des zugehörigen zylindrischen Hohlkörpers 14.
Alle Landmarken 14' und 14'' können nun als Registrierungshilfe
herangezogen werden, wobei die Registrierung eben die Aufgabe hat,
in einem gemeinsamen Koordinatensystem für beide Bilder die jeweils
einander zugehörigen
Landmarken 14' und 14'' mittels vorstehend diskutierten
Transformationsmaßnahmen
zur Deckung zu bringen, wobei nicht auf die Nutzung von Anreicherungen
des Radiopharmakons in Nicht-Zielgebieten verzichtet werden soll,
wie z.B. auf die Anreicherungen 10 und 11 gemäß 1b,
oder, wenn zwischen den Untersuchungen mit CT und PET Organverlagerungen
eingetreten sind, die adäquaten
Anreicherungen 10'' und 11'' gemäß 1d,
die ja alle Anreicherungen in den Randbereichen der Nieren 5 und 6 gemäß 1 bzw. 3a sind.
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Das
Strahlung emittierende zylindrische Gefäß 16 in 2b wäre vorzugsweise
als Hohlzylinder aus strahlendurchlässigem Material auszuführen, der vor
der Untersuchung des Patienten mit dem PET-Gerät z.B. mit einer Verdünnung des
bei der Untersuchung verwendeten Radiopharmakons gefüllt wird.
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Der
Gürtel 12 in 2a ist
zunächst
eine schematische Darstellung der Halterung der zylindrischen Hohlkörper 14.
Der Gürtel 12 kann
so ausgeführt
werden, dass die Hohlkörper 14 in
seiner Dicke eintauchen und z.B. in dort angebrachte Halterungen aus- und eingesteckt
werden können,
wie überhaupt die
Hohlkörper 14 nicht
fest mit dem Gürtel
verbunden sein müssen,
wenn sie sich nur reproduzierbar an der gleichen Stelle an- oder
einstecken lassen. Während
der CT-Untersuchung kann der Hohlraum 15 auch durch einen
passenden (Voll-) Zylinder aus dem gleichen Material gefüllt werden,
aus dem der Hohlkörper 14 besteht,
so dass die Landmarken 14' in 3a sich
nicht als Kreisring, sondern als Kreis darstellten.
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Sind
die Hohlkörper 14 in
den Gürtel 12 reproduzierbar
an- oder einsteckbar, so können
sie beim Übergang
von einer Untersuchung mit CT zu einer mit PET auch gegen die mit
radioaktiver Substanz 18 gefüllten und durch einen Verschluß 17 verschlossenen
zylindrischen Gefäße 16 ausgetauscht werden,
wenn diese Gefäße 16 z.B.
der Einfachheit halber in die gleiche äußere Form wie die der Hohlkörper 14 gebracht
werden. In diesem Fall kann der Hohlkörper 14 auch als Vollzylinder
ausgeführt
sein und müßte auch
nicht aus einem Material bestehen, das für die von der radioaktiven
Substanz 18 abgegebenen Strahlung hinreichend durchlässig ist.
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In
einer Ausführung
des Gürtels 12 kann
dieser als ein dem Patientenkörper
angeformtes Korsett oder Leibchen ausgestaltet werden, was auch
die Möglichkeit
böte, es
auch nach zwischenzeitlichem Ablegen wieder in Bezug auf Körperstellen
weitestgehend reproduzierbar anzulegen. Hilfreich wäre dabei,
die Konfiguration des Korsettverschlusses so auszulegen, dass sie
für jede
gewählte
Anpassung eindeutig und damit protokollierbar ist. Ein solches reproduzierbar
anzulegendes Korsett böte
nämlich nicht
nur den Vorteil, die Landmarkengeber 14 und 16 immer
wieder an den gleichen Stellen auf der Peripherie des Körperquerschnitts
zu positionieren, sondern könnte
auch in Weiterführung
der dem Gürtel 12 schon
zugesprochenen Stützfunktion
durch seine Form noch besser dafür
sorgen, die inneren Organe in Höhe
des darzustellenden Querschnitts in die Konfiguration zu bringen,
wie sie bei vorhergehenden Untersuchungen bestand. Dabei sei es gleichgültig, welcher
Art die vorhergehende Untersuchung war, ob z.B. CT oder PET.
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Auch
der kreiszylindrische Hohlkörper 14 wie auch
das in diesen einzulegende kreiszylindrische Gefäß 16 für die radioaktiven
Substanzen können Gegenstand
weiterer Ausgestaltung sein. So kann an die Stelle des kreiszylindrischen
Hohlkörpers 14 mit kreiszylindrischem
Hohlraum 16 ein, wie in 4a gezeigt,
konisch zulaufender Hohlkörper 19,
mit konisch verlaufendem Hohlraum 20 treten. Das zugehörige durch
einen Verschluß 22 verschlossene
Gefäß 21 anstelle
des Gefäßes 16 wäre in seiner
Form dem konisch verlaufenden Hohlraum 19 anzupassen. Vorteil
sich so zusammen-setzender und in Abmaßen bekannter Landmarkengeber
wäre der,
dass anhand der Landmarkenmaße
in den Bildern festgestellt werden kann, ob die Bilder beider Modalitäten auch
den gleichen Körperquerschnitt
darstellen oder ob gegebenenfalls Bilder von Querschnitten an anderer
Stelle zu wählen
wären,
nämlich
für Querschnitte an
anderer Stelle entlang der Patientenkörperachse (jedenfalls über den
Bereich, über
den sich auch die Landmarkengeber erstrecken). Das wäre insbesondere
dann bedeut-sam, wenn man die Bilder mehrerer zueinander passender
Bildpaare entlang der Körperachse
registriert. Die Registrierung auf der Körperachse hintereinander liegender
Bilder spielt eine Rolle für
den Übergang
der hier besprochenen zweidimensionalen Registrierung auf eine dreidimensionale.
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Eine
gleiche Betrachtung gälte
auch für
den Fall, dass man dem Hohlkörper 14 und
dem zugehörigen
Gefäß 16 oder
dem Hohlkörper 19 und
dem zugehörigen
Gefäß 21 statt
eines kreisförmigen
Querschnitts einen elliptischen oder rechteckigen gegeben hätte, die
sich mit definiertem Mittelpunkt in gleicher Weise wie ein kreisförmiger Querschnitt
als Registrierungshilfe eignen. 4b beschreibt
für einen rechteckigen
Querschnitt eine solche Anordnung mit dem Hohlkörper 23, seinem Hohlraum 24,
dem Gefäß 25 mit
der radioaktiven Füllung 18,
die sich in Bezug auf die kleine Achse des rechteckigen Querschnitts
im Verlauf ihrer Länge
verjüngen,
sowie mit einer Verschlußplatte 26 für dieses
Gefäß 25 mit
dem durch einen Verschluß 27 verschlossenen
Füllloch.
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Es
sei ergänzt,
dass für
den Hohlkörper 14 bzw. 19 bzw. 23 wie
auch für
das Gefäß 16 bzw. 21 bzw. 23 eine
Formgebung mit symmetrischen Querschnitten wie einem kreis-, ellipsen-
oder rechteckförmigen
grundsätzlich
nicht notwendig ist. Auch der Querschnitt eines Prismas wäre vorstellbar,
wenn nur in beiden zugehörigen
Landmarken, also der im CT-Bild wie auch der im PET-Bild auf einfache
Weise ein topologisch identischer Punkt ermittelt werden kann. Es
sei auch noch festgestellt, dass der Querschnitt der Hohlkörper 14 bzw. 19 bzw. 23 nicht
die gleiche Form wie ihre Hohlräume 15 bzw. 20 bzw. 24 haben
müßten; letztere
müßten nur
mit den Querschnitten der Gefäße 16 bzw. 21 bzw. 25 übereinstimmen.
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Gemäß den vorstehenden
Betrachtungen erscheint noch der Hinweis angebracht, dass bei Loslösung von
der Form eines Zylinders, Kegels, Kegelstumpfes oder Prismas für die Landmarkengeber (Hohlkörper gemäß 14, 19 und 23 und
die zugehörigen
Gefäße 16, 21 und 25)
es eines glatten, oder genauer ausgedrückt, eines sich stetig in Achsenrichtung ändernden
Kegel-, Kegelstumpf-, oder Prismenmantels für die Innenwand der Hohlkörper und
für die Außenwand
für der
Gefäße bedarf,
wenn die Gefäße von einer
Stirnseite der Hohlkörpers
in diese paßgenau
eingeschoben werden sollen.
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Diese
Notwendigkeit entfällt,
wenn aus den Hohlkörpern
ein Hohlkörper
abgeleitet würde,
der aus zwei Halbschalen bestünde,
und so in ihn ein von der Form her passendes Gefäß entsprechend eingelegt werden
könnte.
Dann wäre
man in der Formgestaltung für
den abgeleiteten Hohlkörper
mit seinem Innenraum und für
das zugehörige
und einzulegende Gefäß weitgehend
frei.
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Freiheit
von einer besonderen Form würde dann
Sinn machen, wenn mit der Formgebung eine Kodierung verbunden wäre, die
an den Landmarken in den Querschnittbildern die Position der Querschnitte
entlang den Landmarkengebern abzulesen erlaubt. Eine solche Kodierung
wäre auch
bei allen anderen bisher besprochenen Landmarkengebern möglich, nämlich durch
Anbringen von Gravuren oder Rillen z.B. auf dem Außenmantel
der Hohlkörper
mit jeweiliger Entsprechung auf der Außenseite der mit radioaktiver
Substanz 18 gefüllten
Hohlgefäße.
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Freiheit
bezüglich
der Form bestünde
auch, wenn man statt der Hohlkörper 14 bzw. 19 bzw. 23 Vollkörper benutzt,
die in am Gürtel 12 befindlichen Halterungen
eingelegt werden und beim Übergang von
der Untersuchung mit CT zur Untersuchung mit PET durch gleichgeformte
und mit der benötigten
radioaktiven Substanz gefüllte
Gefäße ausgetauscht werden.
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Ein
anderer Ansatz zur Ausgestaltung der Hohlkörper 14 bzw. 19 bzw. 23 in
ihrer Gesamtheit wäre
die eines flexiblen Rohrs oder Schlauches 28 mit den Enden 29,
die gemäß 5a und
b fest mit einer Unterlage, also einem breit gehaltenen Gürtel 12 oder
dem schon angesprochenen Korsett mit den Verschlußteilen 30 verbunden
sind, und die vor oder während
der Untersuchung mit dem PET-Gerät
mit der bildgebenden radioaktiven Flüssigkeit beschickt werden.
Bei den CT-Aufnahmen erzeugt die Wandung des Rohrs 28 die
Landmarke, bei den PET-Aufnahmen die radioaktive Flüssigkeit
in seinem Innenraum. In eine solche Anordnung kann voraussichtlich einfacher
und schneller als z.B. in eine Serie von Hohlkörpern 14 bzw. 19 bzw. 23 und
den zugehörigen Gefäßen 16 bzw. 21 bzw. 25 die
benötigte
radioaktive Substanz eingebracht und wieder entnommen werden. Das
könnte
auch von Vorteil beim Vorgang einer Untersuchung mit PET sein, wenn
man die Landmarkengebung durch Füllung
des flexiblen Rohres oder Schlauches 28 mit radioaktiver
Substanz erst dann einleiten wollte, wenn die gewünschte bildgebende
Wirkung des dem Patienten verabreichten Radiopharmakons verzögert eintritt.
Das flexible Rohr 28 kann auch in den Gürtel 12 eingearbeitet sein,
weil es ja über
seine Enden 29 zu füllen
und zu entleeren wäre.
-
Das
flexible Rohr oder der Schlauch 28 auf dem Gürtel 12 oder
dem daraus abzuleitenden Korsett oder Leibchen kann auch einen anderen
Verlauf haben z.B. wie den in 5c dargestellten,
bei dem das Rohr 28 mäanderförmig schräg über den
Gürtel 12 verläuft. Die
für dieses
Beispiel sich in den Querschnittbildern abbildenden Landmarken wären nicht allein
für die
Registerung geeignet, sondern erlaubten auch durch ihre Position
im Bild den Rückschluß auf den
Ort des Körperquerschnitts
im Bereich des Landmarkengebers, also des Rohres 28 auf
dem Gürtel 12.
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Bei
angelegtem Gürtel 12 oder
entsprechendem Korsett sollte dessen Sitz unverändert bleiben und beim wiederholten
Ab- und Anlegen möglichst reproduzierbar
sein. Hilfsmittel zur Sicherung bzw. Wiederherstellung des genaues
Sitzes könnten
Marken auf dem Patientenkörper
sein, die z.B. durch Sichtlöcher
oder Lochschablonen im Gürtel 12 auf die
Haut des Patienten vormarkiert oder gleich angebracht werden, wobei
diese Sichtlöcher
beim Wiederanlegen des Gürtels 12 mit
den Markierungen zur Kontrolle des richtigen Sitzes wieder zur Deckung
gebracht werden.
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Die
bislang mit dem Gürtel 12 angestellten Betrachtungen
mit den darauf oder darin als Landmarkengeber angebrachten Hohlkörpern 14 bzw. 19 bzw. 23 und
den zugehörigen
Hohlgefäßen 16 bzw. 21 bzw. 25 und
der Weiterführung
zum genannten Korsett, wurde für
Querschnitte am Körperstamm
angestellt. Beim Kopf gilt eine ganz ähnliche Betrachtungsweise,
wobei anstelle des Gürtels 12 eine
Kappe z. B. in Form einer ledernen Motorradkappe sich als Träger der
Landmarkengeber eignen würde,
insbesondere in Hinblick auf die Reproduzierbarkeit ihrer vorherigen
Lage beim Wiederanlegen.
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Bei
besonders hohen Anforderungen an die Reproduzierbarkeit der Lage
des Gürtels 12 als
Träger
der Landmarkengeber auf dem Leib des Patienten kann man auch daran
denken, den Gürtel 12 so auszugestalten,
dass man dem Patienten eine Körperschale 31 gemäß 6 anpaßt, indem
man den Patienten in eine vorgeformte aber noch plastisch verformbare
Schale legt, in deren Wand sich gegebenenfalls ein Gitter oder Geflecht
aus bei der Anpassung noch nicht ausgehärtetem Kunststoff oder aus einem
anderen geeigneten Material eingearbeitet ist. Diese Schale wird
in noch plastisch verformbarbarem Zustand an den Patienten angeschmiegt
und soll dann in diesem Zustand aushärten. Damit diese Schale 31 wieder
abgelegt werden kann, zum späteren
wiederholten Gebrauch, ist sie mit einer oder mehreren biegsamen
Nahtstellen, sozusagen Scharnieren 32 ausgestattet; der Öffnungsspalt 33 wird
mit einem Schließmechanismus 34 verschlossen,
der z.B. aus einem Klettverschlußsystem besteht. Die Schale 31 kann
mit Landmarkengebern gemäß den Hohlkörpern 14 bzw. 19 bzw. 23 und
den zugehörigen
Hohlgefäßen 16 bzw. 21 bzw. 25 laut 2a bis 4b ausgestattet
sein wie auch mit einem flexiblen Rohr 28 gemäß 5a bis
c, wobei die Landmarkengeber auf der Schale 31 aufliegen
oder in diese eingearbeitet sind. Für die Darstellung in 6 wurde
das Rohr 28 als Landmarkengeber gewählt; es wurden auch die schon
in Zusammenhang mit dem Gürtel 12 angesprochenen
Sichtlöcher
oder Lochschablonen als Hilfe für
die Lagemarkierung vor dem Ablegen der Schale 31 und zur
Kontrolle der Lage nach einem Wiederanlegen als Sichtlöcher 35 vermerkt.
Diese Körperschale 31 begleitet
einen Patienten z.B. dann während
des Zeitraums erforderlicher Kontrolluntersuchungen nach Heilbehandlung
oder Heilbehandlungen, um z.B. die Veränderungen von Größe, Form
und/oder Lage eines Krankheitsherdes zu verfolgen.
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Die
bisher angestellten Überlegungen
für bimodale
Systeme, hier für
die CT in Kombination mit einer der nuklearmedizinsichen Modalitäten PET oder
SPECT lassen sich analog auf ein bimodales System übertragen,
bei dem an die Stelle der CT die bildgebende Modalität MRT tritt.
Für die
Hohlkörper 14 bzw. 19 bzw. 23 und
gegebenenfalls die zugehörigen
Hohlgefäßen 16 bzw. 21 bzw. 25 laut 2a bis 4b oder
für das
flexible Rohr 28 gemäß 5a bis
c und 6 ist lediglich ein Material zu verwenden, das
sich in einem MRT-Bild einerseits gut darstellt und andererseits
für die
aus dem für
die Landmarkengebung im PET- oder SPECT-Bild benutzten radioaktiven
Material austretenden Strahlung hinreichend durchlässig ist.
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Auch
die Frage der Registrierungshilfe im Fall Bimodalität CT/MRT
ließe
sich in gleicher Weise diskutieren. Diese Frage wäre aber
unnötigerweise gestellt,
weil ja CT und MRT beide die Morphologie der Organe umfassend darstellen.
Vielleicht wäre
sie in Sonderfällen
interessant.
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Die
Kombination eines Ultraschall-Schnittbildes mit einem Bild nach
den vier oben genannten Verfahren wäre ebenfalls grundsätzlich möglich. Statt eines
Gürtels 12 käme hier
als Träger
von Landmarkengebern z.B. ein flacher gel- oder flüssigkeitsgefüllter Folienschlauch
infrage. Aber auch hier wird die Frage einer Registrierunghilfe
nicht weiter diskutiert, denn bei einem Ultraschallbildgerät wird durch
den untersuchenden und den Schallkopf führenden Arzt nach für die zu
erstellende Diagnose benötigten
und geeigneten Körperquerschnitten
gesucht, die in der Regel keine axialen sind (in Bezug auf die Längsache des
Patientenkörpers),
weswegen es auch kein festes, durch das Gerät gegebenes Bezugssystem für das Bild
gibt, was bei den anderen angeführten
Modalitäten
ja der Fall ist.
-
Immerhin
bietet ein Ultraschallbild, das in der Regel ein Lauf- oder Cinebild
ist, in dem also die zeitliche Veränderungen von Organstrukturen
dargestellt werden, einen neuen Aspekt, unter dem auch die anderen
Bimodalitäten
betrachtet werden könnten.
So könnten
beispielsweise die zeitlichen Änderungen der
in einem nukleardiagnostischen Bild dargestellten Strahlung eines
Krankheitsherdes einem statischen CT-Bild überlagert werden.
-
Eingangs
wurde ein Beispiel für
die monomodale Bildregistrierung und -fusion besprochen und zwar
für die
Aufgabe, bei einer Weichteilerkrankung im Schädel den Krankheits- oder Heilungsfortschritt zuverlässig mit
den Mitteln der CT zu verfolgen. Für die Registrierung von einer
die Ausgangssituation darstellenden Bezugsaufnahme und Folgeaufnahmen
bot der Schädelknochen
ein zuverlässiges
Bezugssystem. Für
Körperstellen,
die kein festes Gerüst
haben, so wie es der Schädelknochen
für den Schädel darstellt,
und das für
die Registrierung von in zeitlicher Abfolge erzeugten Bildern als
Bezugsystem dienen kann, ist die Registrierung auch im monomodalen
Fall eine schwierige Aufgabe, z.B. aufgrund einer Verlagerung von
inneren Organen. Die vorstehend beschriebenen multimodalen, im speziellen
bimodalen Registrierungshilfen sind auch für eine monomodale Registrierung
brauchbar, wobei diese, obwohl für
Bimodalität
ausgelegt, dann eben nur für eine
Modalität
angewendet werden. Sie können
auch von vornherein nur für
eine Modalität
ausgelegt werden, wie es für
CT-Bilder wäre,
würde man
sich z.B. bei der in 2 dargestellten
Registrierungshilfe auf den Gürtel 12 mit
den an seinem Umfang angebrachten kreiszylindrischen Hohlkörpern 14 (oder
ihren Weiterführungen),
die aus einem Material bestehen, das sich in einem CT-Bild gut darstellt,
beschränken.
-
- 1,
1', 1''
- Querschnitt
- 2
- Leber
- 3
- Aorta
- 4
- Wirbelsäule
- 5,
6
- Nieren
- 7
- Baucharterie
- 8
- Bauchspeicheldrüse
- 9,
10, 11
- Bereiche
- 9', 10', 11'
- Bereiche
- 9'', 10'', 11''
- Bereiche
- 9*,
10*, 11*
- Bereiche
- 12
- Gürtel
- 13
- Schließe
- 14
- Hohlkörper
- 14', 14''
- Landmarken
- 15
- Hohlraum
- 16
- Gefäße
- 17
- Verschluß
- 18
- Substanz
- 19
- Hohlkörper
- 20
- Hohlraum
- 21
- Gefäß
- 22
- Verschluß
- 23
- Hohlkörper
- 24
- Hohlraum
- 25
- Gefäß
- 26
- Verschlußplatte
- 27
- Verschluß
- 28
- Schlauch
- 29
- Schlauchende
- 30
- Verschlußteile
- 31
- Körperschale
- 32
- Scharniere
- 33
- Spalt
- 34
- Schließmechanismus
- 35
- Sichtlöcher