DE102007013535A1

DE102007013535A1 - Patientengrid mit dedizierten Markern zur Bestimmung der Ortskoordinaten von diagnostischen Bilddaten, insbesondere MRT Daten und Verfahren zur Bestimmung von Ortskoordinaten für die Steuerung externer Systeme

Info

Publication number: DE102007013535A1
Application number: DE102007013535A
Authority: DE
Inventors: Michael Friebe
Original assignee: Friebe Michael Dipl-Ing Dr
Current assignee: Friebe Michael Dipl-Ing Dr
Priority date: 2007-03-18
Filing date: 2007-03-18
Publication date: 2008-09-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und Verfahren zur Echtzeitbestimmung von Ortskoordinaten eines bestimmten Bildausschnittes oder Bildpunktes eines 2-D- oder 3-D-Bilddatensatzes, aufgenommen zum Beispiel mit einem MRT-System, welche zur Steuerung von externen therapeutischen Geräten genutzt werden können, während sich der Patient oder das zu untersuchende Objekt im MRT-System befindet. Dazu werden angepasste Marker auf Patienten und Objekten eingesetzt, welche die Registrierung der aufgenommenen Bilddaten mit einem Bezugspunkt und damit die Ausgaben von Ortskoordinaten ermöglichen. Die Marker können passiv und aktiv ausgeführt werden und können im MRT-System damit sowohl signalverstärkend als auch signalreduzierend wirken und durch geeignete Programme leicht detektiert werden. Die Abstände und unterschiedliche Anordnung und Größen der Marker erlauben eine manuelle bzw. automatische Erkennung und damit die Bestimmung von Referenzkoordinaten zum Beispiel zum Iso-Zentrum des MRT- oder CT-Systems.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und Verfahren zur Echtzeitbestimmung von Ortskoordinaten eines bestimmten Bildausschnittes oder Bildpunktes eines 2D oder 3D Bilddatensatzes, aufgenommen zum Beispiel mit einem MRT System, welche zur Steuerung von externen therapeutischen Geräten genutzt werden können, während sich der Patient oder das zu untersuchende Objekt im MRT System befindet.
Beschreibung – Stand der Technik
Die bildgebende Diagnostik, zum Beispiel die Magnetresonanztomographie (MRT), die Computertomographie (CT), die Positron Emissions Tomographie (PET), die Ultraschalltechnologie (US), bzw. Kombination aus diesen Verfahren unter möglicher zusätzlicher Zuhilfenahme von radiographischen Verfahren (Röntgenaufnahmen) werden verstärkt auch dazu benutzt die gewonnen Informationen sofort therapeutisch einzusetzen. Beispiele dafür sind die so genannten minimal-invasiven Verfahren, bei denen der Patient nach erfolgter diagnostischer Bildgebung sofort behandelt wird, ohne zusätzlichen stationären Aufenthalt. Verfahren zur Behandlung von Rückgratverletzungen, Tumorbehandlung oder zur Entnahme von Gewebe (Biopsien) sind zwischenzeitlich im klinischen Einsatz.
Z. B. kann es sein, dass ein auf dem Bild identifizierter Tumor mit Hilfe der Bildgebung minimal-invasiv durch direkte Injektion von Pharmaka behandelt werden soll (vielfältigste andere Einsatzgebiete, einige davon sind die Behandlung und Manipulation des Patienten mit Hilfe der erzielten Bildinformation durch Biopsien mit oder ohne motorischen/mechanischen Manipulator, durch Laserablation, durch endoskopische Verfahren, durch Ultraschallerhitzung, ...).
Ein zusätzlicher Vorteil könnte sich ergeben, wenn die therapeutischen Verfahren komplett unter ständiger diagnostischer Kontrolle im MRT oder CT stattfinden könnten. Damit wäre der Operateur ständig über den Fortschritt des therapeutischen Einsatzes informiert.
Zum Beispiel wäre es von Vorteil, wenn über die Bilddaten eine bestimmte Position markiert werden könnte (z. B. eine Einstichstelle an einem menschlichen Körper zur Durchführung einer Biopsie), die dann von einem im MRT System befindlichen Laserpointer mit Einstichstelle und Einstichwinkel angezeigt werden kann. Der Patient müsste nicht bewegt werden und die entsprechende Stelle könnte vom Operateur sofort erkannt werden. Ein sofort durchgeführtes Verfahren könnte auch sofort im MRT kontrolliert werden.
Die vom MRT erzeugten Bilddaten beinhalten in der Regel Ortsinformation, die aber mehr oder weniger kompliziert kodiert sind und für externe Systeme nicht immer uneingeschränkt zur Verfügung stehen.
Zudem ist der Mittelpunkt des dargestellten Bilddatensatzes nicht unbedingt mit dem Mittelpunkt des Magnetsystems gleichzusetzen. Bei der Bildgebung der Schulter zum Beispiel macht man eine so genannte Off-Center Bildgebung, bei der der gesamte Datensatz um bis zu 30 cm in alle drei Richtungen des Koordinatensystems versetzt werden kann. Diese Off-Set Information steht wie schon erwähnt nicht immer zur Verfügung. Eine Steuerung externer Systeme ist daher nur aufgrund des Bilddatensatzes nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich.
Gerade im MRT gibt es aufgrund der sehr hohen Magnetfelder (gegenwärtig in der Regel 1.5 T–3.0 T = 30.000–60.000 faches Erdmagnetfeld) und der damit verbundenen Anziehungskräfte, sowie der Störungen der Bildgebung durch lokale und externe Magnetfelder größte Probleme derartige Verfahren direkt im MRT durchzuführen.
Aus diesem Grund werden viele der oben beschriebenen Verfahren im MRT nicht direkt im Magnet durchgeführt, sondern außerhalb des Systems. Der Patient muss dazu ständig hin- und her bewegt werden. Dies hat zur Folge, dass sich die Position des Patienten möglicherweise ständig ändert.
Aus der DE 103 33 543 A1 ist ein Verfahren bekannt bei dem die Bilddaten entweder vor oder nach Eingriffen, oder zwischen verschiedenen Verfahren, zueinander registrieren werden. Dazu werden bestimmte Marker, künstliche (aufgeklebte) oder natürliche (z. B. bestimmte anatomische Bezugspunkte), verwendet, die dann zur Positionsdarstellung von externen Systemen im Bezug zum Bilddatensatz genutzt werden. Allerdings erfolgt dies nicht in direktem Zusammenhang mit dem diagnostischen System. Von Nachteil ist, dass die Daten nur zur Registrierung mit anderen Verfahren genutzt werden, die zu einem späteren Zeitpunkt zur Therapie führen oder die für eine „vorher"/„nachher" Betrachtung angewendet werden.
Zudem geht es in diesem Verfahren um die Registrierung von Bilddaten, aber nicht um die Bestimmung von Ortskoordinaten zur Steuerung von externen Systemen bzw. um den Abgleich von Ortskoordinaten des Bilddatensatzes oder bestimmten Bilddatenpunktes mit der tatsächlichen Geometrie des bilderzeugenden Systems (z. B. MRT). Nur wenn dies erfolgt können die Daten für eine zweifelsfreie und sichere Steuerung von externen Systemen genutzt werden.
In der DE 101 61 160 A1 ist ebenfalls ein Verfahren beschrieben, welches mit Hilfe von künstlichen oder externen Markern die Relativposition von externen medizinischen Instrumenten zu einer Körperstruktur aufzeigt und dabei auch und vor allem die Bewegungs- und Atemänderungen berücksichtigt. Auch bei diesem Verfahren werden die gewonnen Informationen nicht verwendet, um einen Abgleich des Koordinatensystems und der geometrischen Position eines bestimmten Bildpunktes mit einem Referenzpunkt im diagnostischen System durchzuführen. Zudem werden in diesem Verfahren die gewonnen Daten über externe und außerhalb des MRT Systems angebrachte Sensoren ermittelt. Auch in diesem Verfahren muss der Patient also aus dem MRT System bewegt werden.
Es wäre also vorteilhaft ein Referenzsystem zu schaffen, welches die Bestimmung von Ortskoordinaten aus den Bilddaten z. B. eines MRT Bildes mit Hilfe eines Markersystems erlaubt, ohne den Patient aus dem MRT System zu bewegen, welches dann manuell oder bevorzugt automatisch und in nahezu Echtzeit Ortskoordinaten an externe Manipulatoren oder Anzeigesystem übertragen kann, die anschließend z. B. eine sichere Therapie im MRT erlauben.
Beschreibung – Aufgabenstellung
Entwicklung eines Systems und Verfahrens zur Bestimmung von Ortskoordinaten eines Bildpunktes im Bezug auf einen festen Referenzpunkt, z. B. das geometrische Zentrum des MRT Magnetsystems.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden die zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
Die Bilddaten, die über eine X-Y-Z Koordinatensystem identifizierbar sind, müssen um eine externe Steuerung zu ermöglichen, mit dem Koordinatensystem eines externen Systems koregistriert werden.
Beschreibung – Erfindung
Effizient, genau und sicher könnte die Koregistrierung z. B. mit Hilfe eines Gridsystems sein, welches auf dem Patienten angebracht wird (z. B. aufgeklebt) und welches von der Bildgebungsoftware erkannt wird und nachfolgend als Referenzpunkt(e) verwendet werden kann.
Die entsprechenden Registrierungspunkte können dabei für die Anwendung im MRT sowohl passiv sein (z. B. gezielte Artefakte durch Metalle oder durch Kontrastmittel) oder aktiv sein (kleinste Spulenelemente, die durch die induzierten Ströme und HF-Felder des MRT stimuliert werden und dabei ein kleines lokales Magnetfeld erzeugen). Im Fall der CT Anwendung würde auch ein Material mit entsprechend hoher Röntgendichte (HU-Zahl) funktionieren.
Dabei sollten die Marker in einem bestimmten Grid angeordnet sein, welches eine einfache Identifizierung durch automatische Programme ermöglicht und die zudem gewisse geometrische Abhängigkeiten zueinander haben (Winkel, Abstand, Markersequenz). Dabei kann das Grid z. B. wie in 1. oder 2. dargestellt aussehen. In beiden Beispielen werden unterschiedlich große Marker (1) und (2) verwendet, die in einem bestimmten Abstand zueinander stehen bzw. in bestimmten Winkeln zueinander stehen bzw. eine bestimmte geometrische Anordnung abbilden bzw. in einer bestimmten Reihenfolge (Markersequenz) zueinander stehen. Diese Informationen sind bekannt und können von einem geeigneten Programm verwendet werden, um die entsprechende Koregistrierung durchzuführen und damit Ortskoordinaten zu einem Referenzpunkt zu erzeugen.
Dabei können die Marker aus verschiedenen Materialien bestehen (z. B. Kontrastmitteldotierungen; Metallen) und entweder passive Kontraste (positiv – Signalverstärkung oder negativ – Signalreduktion) durch entsprechende Materialien (z. B. MRT – Suszeptibiliätsartefakte; CT – Metalle im Allgemeinen) erzeugen oder aktive ausgebildet sein (z. B. Marker in Form von RF-Spulen, die durch externe Strominduktion ein eigenes kleines Magnetfeld generieren, welches z. B. im MRT detektiert werden kann bzw. im diagnostischen Bild erkennbar ist), oder aus anderen detektierbaren Elementen bestehen (z. B. RFID).
Die Abmessung des Patientengrids, bei der die verschiedenen Marker (1) und (2) auf einem Trägermaterial (3) aufgebracht sind in der Regel bei einem Flächendurchmesser bzw. Abmessung in X/Y bzw. Z/Y bzw. X/Z Richtung bzw. mit einem Volumendurchmesser von 5 cm bis 70 cm.
Das Patientengrid kann dabei ausgeführt werden in zwei (Flächenstück) – oder dreidimensionaler (z. B. als Gürtelstück oder Körperhülle) Form, die auf den zu untersuchenden Patienten aufgelegt oder aufgeklebt wird, oder aber mit mehreren Markern, auch in unterschiedlichen Größen und Ausführungen, die eine eindeutige Zuordnung zur geometrischen Lage des Patientengrids im Verhältnis zum Nullpunkt des diagnostischen Systems ermöglichen.
Zur Bestimmung der Ortskoordinaten eines bestimmten Bildpunktes mit dem Patientengrid sollte folgendes Verfahren angewendet werden

1. Nullpunktbestimmung vor Beginn der Bildgebung (meistens durch einen Licht/Laserpointer) in mindestens zwei Ebenen außerhalb des diagnostischen Systems.
2. Nullpunktüberlagerung des Patientengrids mit dem Nullpunkt des Systems (z. B. durch auflegen oder aufkleben des Grids auf dem Untersuchungsobjekt/Patient).
3. Positionierung des Objekts/Patienten innerhalb des diagnostischen Systems.
4. Erstellung des diagnostischen Schnittbildes in mindestens zwei Ebenen. Dabei bleiben die entsprechenden Nullpunktverschiebungen durch die entsprechenden Einstellungen a, System unberücksichtig.
5. Gegebenenfalls Korrektur der Position und Bildgebung.
6. Berechnung der Position eines bestimmten Bildes bzw. Punktes auf einem Bild unter Zuhilfenahme und Analyse der im Bild befindlichen Informationen des Patientengrids. Dabei kann dies sowohl manuell durch den Nutzer, als auch automatisch unter Zuhilfenahme von automatisierten Softwareprogrammen erfolgen (z. B. Randerkennungen, kontextbasierte Analyseprogramme, etc.) und diese sowohl mit dem Rechner des diagnostischen Systems als auch mit einem externen Rechner.
7. Erstellung der Ortskoordinaten eines Punktes und Transfer der Information zu einem externen System (Ausgabe der Positionsinformation eines Bildes oder Punktes auf einem Bild in Form eines Positionsvektors mit drei Dimensionen, die sich auf den Nullpunkt des Systems oder eines anderen vorab definierten Punktes bezieht)
8. Möglicherweise erneute Bildgebung und Kontrolle einer eventuell durchgeführten Therapie oder Manipulation

Beschreibung – Zeichnungen
1. und 2. zeigen mögliche Ausführungsformen des Patientengrids. Möglich ist neben den dargestellten 2-dimensionalen Ausführungen auch eine 3-dimensionale Variante z. B. in Form eines Gürtels oder einer Hülse. Die Marker (1) und (2) können in unterschiedlichen Größen und Ausführungen gefertigt werden, die eine eindeutige Zuordnung zur geometrischen Lage des Patientengrids im Verhältnis zum Nullpunkt des diagnostischen Systems ermöglichen. Natürlich können mehr als 2 verschiedene Marker Anwendung finden.
3. zeigt den Magnet eines MRT System (4), der in diesem Fall mit Hilfe einer strombeaufschlagten Spule ein horizontales Magnetfeld erzeugt, (vertikale Magnetfelder sind auch möglich) welches ein geometrisches und magnetisches Zentrum besitzt, welches in der Regel mit dem geometrischen Mittelpunkt der Röhre (5) übereinstimmt. Der Patient (7) wird zur Bildgebung in die Röhre (oder eine andere Geometrie) geschoben. Das Patientengrid (6), welches mit dem geometrischen Zentrum des Magnetsystems registriert wurde, liegt auf dem Patienten.
4 zeigt den Ablauf der Bildgebung und die Problemstellung. Das zumindest in der X/Y Ebene zentrierte Patientengrid (6) liegt auf dem Patienten (7) im Magnetfeld. Das magnetische Zentrum (8), das so genannte Isozentrum könnte z. B. der Referenzpunkt und „0"-Punkt des Koordinatensystems sein. Im MRT ist eine Bildgebung in allen drei Ebenen möglich und auch in Winkeln zu den Ebenen. Beispielhaft dargestellt sind eine axiale (9) und sagitale (10) Aufnahme, bei der die Schichten in der Z bzw. Y Richtung aufgenommen werden. Zur Generierung, Rekonstruktion und Darstellung wird die entsprechende Hardware und Software (11) des MRT Systems eingesetzt. Die Marker (1) und (2), die auf den beiden Schichtebenen dargestellt sind werden nun manuell oder automatisch aufgenommen und mit Hilfe eines externen Computers die entsprechenden Ortskoordinaten berechnet (im Bezug zu einem Referenzpunkt) und nachfolgend an ein Steuergerät (12) geschickt.

1: Marker Größe 1
2: Marker Größe 2
3: Grid/Träger – auflegbar oder aufklebbar
4: CT/MRT/PET System
5: Untersuchungsröhre
6: Aufgelegtes Patientengrid
7: Untersuchungsobjekt/Patient
8: Isozentrum des MRT/CT/PET Systems, d. h. die geometrische Mitte (X = 0, Y = 0, Z = 0) im X/Y/Z Koordinatensystem
9: Schichtaufnahme (Schnittbild) in X/Y-Richtung mit Schichtdicke in Z-Richtung
10: Schichtaufnahme (Schnittbild) in X/Z-Richtung mit Schichtdicke in Y-Richtung
11: Hardware und Computer zur Erzeugung/Bearbeitung von Bilddaten
12: Hardware/Softwareempfänger von X/Y/Z Koordinaten
13: Eventuell externer Rechner zur Bearbeitung der Bilddaten und Ausgabe der X/Y/Z Koordinaten

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10333543 A1 [0010]
- DE 10161160 A1 [0012]

Claims

Verfahren zur Echtzeitbestimmung von Ortskoordinaten eines bestimmten Bildausschnittes oder Bildpunktes eines 2D oder 3D Bilddatensatzes, aufgenommen zum Beispiel mit einem MRT System, welche zur Steuerung von z. B. externen therapeutischen Geräten genutzt werden können, dadurch gekennzeichnet das ein auf dem Patienten angebrachtes Patientengrid gemäß 1 und 2 mit einer eindeutigen und erkennbaren geometrischen Struktur verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Patientengrid auf den Patienten oder ein zu untersuchendes Objekt aufgelegt oder aufgeklebt wird.
Verfahren nach Anspruch 1–2 dadurch gekennzeichnet, dass das Patientengrid zumindest in der X/Y Ebene zum Zentrum des Bildgebungssystem (z. B. MRT) zentriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1–3 dadurch gekennzeichnet, dass der Patient während der Bildgebung im Bildgebungssystem (z. B. MRT) verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 1–4 dadurch gekennzeichnet, dass das Patientengrid zweidimensional oder dreidimensional ausgeführt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1–5 dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung des Patientengrids, bei der die verschiedenen Marker (1) und (2) (oder drei oder vier oder fünf oder ... verschiedene Marker) auf einem Trägermaterial (3) aufgebracht sind in der Regel bei einem Flächendurchmesser bzw. Abmessung in X/Y bzw. Z/Y bzw. X/Z Richtung bzw. mit einem Volumendurchmesser von 5 cm bis 70 cm betragen.
Verfahren nach Anspruch 1–6 dadurch gekennzeichnet, dass die Marker unterschiedliche Größen haben können und in unterschiedlichen Anordnungen ausgeführt werden können.
Verfahren nach Anspruch 1–7 dadurch gekennzeichnet, dass folgendes Verfahren angewendet wird I. Nullpunktbestimmung vor Beginn der Bildgebung (meistens durch einen Licht/Laserpointer) in mindestens zwei Ebenen außerhalb des diagnostischen Systems. II. Nullpunktüberlagerung des Patientengrids mit dem Nullpunkt des Systems (z. B. durch auflegen oder aufkleben des Grids auf dem Untersuchungsobjekt/Patient). III. Positionierung des Objekts/Patienten innerhalb des diagnostischen Systems. IV. Erstellung des diagnostischen Schnittbildes in mindestens zwei Ebenen. Dabei bleiben die entsprechenden Nullpunktverschiebungen durch die entsprechenden Einstellungen a, System unberücksichtig. V. Gegebenenfalls Korrektur der Position und Bildgebung. VI. Berechnung der Position eines bestimmten Bildes bzw. Punktes auf einem Bild unter Zuhilfenahme und Analyse der im Bild befindlichen Informationen des Patientengrids. Dabei kann dies sowohl manuell durch den Nutzer, als auch automatisch unter Zuhilfenahme von automatisierten Softwareprogrammen erfolgen (z. B. Randerkennungen, kontextbasierte Analyseprogramme, etc.) und diese sowohl mit dem Rechner des diagnostischen Systems als auch mit einem externen Rechner. VII. Erstellung der Ortskoordinaten eines Punktes und Transfer der Information zu einem externen oder angeschlossenen System (Ausgabe der Positionsinformation eines Bildes oder Punktes auf einem Bild in Form eines Positionsvektors mit drei Dimensionen, die sich auf den Nullpunkt des Systems oder eines anderen vorab definierten Punktes bezieht) VIII. Möglicherweise erneute Bildgebung und Kontrolle einer eventuell durchgeführten Therapie oder Manipulation
Verfahren nach Anspruch 1–8 dadurch gekennzeichnet, dass die Marker für Anwendungen im MRT entsprechend ausgeführt sind und einen positiven oder negativen Kontrast auf dem MRT Bild erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass das System für Anwendungen im MRT über passive Marker verfügen kann, die Artefakte erzeugen oder Signalerhöhungen bzw. Signalreduktionen zur Folge haben und dadurch leicht identifizierbar sind.
Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass das System für Anwendungen im MRT über aktive Marker verfügen kann, die lokale Magnetfelder erzeugen und dadurch zu Signalerhöhungen bzw. Signalreduktionen führen und dadurch leicht identifizierbar sind.
Verfahren nach Anspruch 1–8 dadurch gekennzeichnet, dass die Marker für Anwendungen im CT entsprechend ausgeführt sind und einen positiven oder negativen Kontrast auf dem CT Bild erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1–8 dadurch gekennzeichnet, dass die Marker für Anwendungen im PET entsprechend ausgeführt sind und einen positiven oder negativen Kontrast auf dem PET Bild erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1–8 dadurch gekennzeichnet, dass die Marker für kombinierte Anwendungen im MRT, CT, PET, oder US eingesetzt werden.