DE102007017789A1

DE102007017789A1 - Quantitative Myokarddiagnose

Info

Publication number: DE102007017789A1
Application number: DE200710017789
Authority: DE
Inventors: Albert H. Walenta; Katrin Walenta; Michael Böhm; Jörg Mielebacher; Werner Schenk; Stefan Möhlenkamp; Oliver Kalthoff
Original assignee: Walenta Albert H Prof Dr
Current assignee: Walenta Albert H Prof Dr
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2007-04-16
Publication date: 2008-10-23

Abstract

Krankheitszustände innerer Organe in Patienten werden mit abbildenden Systemen durch die Veränderung der anatomischen Strukturen oder durch Veränderungen der Lebensprozesse diagnostiziert, wobei idealerweise beide Informationen benötigt werden. Die bekannten Verfahren der Radiologie oder der Nuklearmedizin leisten dies nur ungenügend. Mit der K-Kanten-Subtraktion mit Synchrotronstrahlung nach Injektion eines Kontrastmittels steht ein Verfahren zur Verfügung, das vom Prinzip her gut geeignet wäre. Die Erfindung bezieht sich auf eine Reihe von dafür notwendigen technischen Verbesserungen: - Stereo-Aufnahmen werden durch eine Doppelringanlage mit spezieller Röntgenstrahlführung oder durch gesteuerte Rotation des Patienten erreicht, - die benötigte hohe Präzision wird durch die dynamische Einbeziehung von unabhängigen Korrektursignalen pixelweise erreicht, - die Aufnahme einer schnellen Sequenz erlaubt die Identifizierung der Organteile und die dynamische Rekonstruktion des Kontrastmittelflusses, - Rekonstruktionsartifakte, hervorgerufen durch endliche Kreuzungswinkel, werden durch eine parallele Strahlführung unterdrückt, - die Verwendung eines energiedispersiven Detektors reduziert den Aufwand für den Bau der Strahlführung und damit den der ganzen Anlage. Anwendungen ergeben sich bei allen Untersuchungen, bei denen kleine Strukturen im mm-Bereich von durchbluteten Gewebestrukturen getrennt und identifiziert werden, insbesondere zur Untersuchung der Herzfunktion.

Description

Die Erfindung betrifft eine Speicherringanlage zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung und Kombination mit Aufnahme Vorrichtungen zur Herstellung von Röntgenbildern in Stereoprojektion zur Diagnostik der Herzfunktion.
Röntgenverfahren erlauben eine Diagnose über den Zustand von Organen im lebenden Körper durch Abbildung innerer Strukturen, die durch den kundigen Mediziner durch ihre Abweichung in Form und Kontrast von normalen Strukturen erkannt werden. Ein weiteres Verfahren verfolgt mit einer Abfolge von Röntgenbildern den Fluss von eingespritztem Markierungsmittel und erhält so eine Information über die Funktion des Organs.
Zur ersten Kategorie gehört in der Herzdiagnose das Verfahren der selektiven Koronarangiographie, bei der eventuell auftretende Stenosen in den Herzkranzgefäßen identifiziert werden, wobei allerdings zur besseren Sichtbarmachung ein Kontrastmittel auf Jodbasis eingespritzt wird [1]. Der Vorteil besteht darin, dass durch die Selektion der Kontrastmittelfüllung einer bestimmten Arterie oder Arteriengruppe diese im Bild deutlich hervor-gehoben wird, so dass eine Abtrennung von anderen Strukturen in der Betrachtung ermöglicht wird und potentielle Stenosen in dem besagten Gefäß beurteilt werden kann. Der Nachteil der Methode besteht darin, dass die Verwendung eines Katheters intra arteriell (i. A.) Komplikationen hervorrufen kann und daher die Methode nicht generell zur Vorsorge oder Nachsorge verwendet werden kann. Außerdem liefert sie nur eingeschränkte Information über den Blutfluss und die verbliebene Vitalität des Herzmuskels. Eine Variation des Verfahrens verwendet Synchrotronstrahlung nach der Methode der K-Kanten-Subtraktion. Dies erlaubt die Darstellung von geometrischen Organveränderungen (Stenosen) mit hoher Genauigkeit, so dass statt eines Katheters i. A. mit einem Katheter intravenös (i. V.) gearbeitet werden kann [2]. Dieses Verfahren hat bisher den Nachteil, dass mit einem Synchrotron nur eine Projektion hergestellt werden kann und dadurch übereinander liegende Strukturen nur schwer identifizierbar sind. Eine genauere Analyse der Daten ist bisher nur auf die Beschreibung von Stenosen angewandt worden [3].
Zur zweiten Kategorie gehören die Verfahren der Nuklearmedizin, insbesondere das PET-Verfahren, bei dem radioaktiv markierte Stoffe eingespritzt werden, die dann in ihrer zeitlichen Entwicklung bildlich verfolgt werden. Sie bilden dann entweder den Fluss oder die spezifischen Reaktionen in Organen ab. Bei Untersuchungen des Herzen zeigt die Methode ein differenziertes Resultat des Herzmuskelmetabolismus [4], aber nur eingeschränkte Information über den Blutfluss, da die Zeit- und Ortsauflösung dafür nicht ausreicht. Ein weiterer Nachteil besteht in einer erheblichen Strahlenbelastung und einer nur sehr mäßigen Ortsauflösung (cm-Bereich).
Eine Lokalisierung der Ursache von reduziertem Metabolismus durch mangelnden Blutfluss (Perfusion des Myokard) oder andere Störungen sind kaum möglich. Darüber hinaus ist das PET-Verfahren sehr langwierig und aufwendig.
Die hier vorgestellte Erfindung stellt eine technische Erweiterung des ersten Verfahrens dar, wobei die Vorteile des zweiten Verfahrens der Funktionsmessung in einer Anordnung nach 1 (Aufsicht) erreicht werden. Nach gezielter und quantitativ gesteuerter Injektion von Kontrastmittel mit einer verbesserten Aufnahmetechnik der K-Kantensubtraktion unter Verwendung von Synchrotronstrahlung kann der Weg des Kontrastmittels in den Organen verfolgt werden, was die quantitative Erfassung Rückschlüsse auf deren Funktionalität erlaubt.
Wesentliche Merkmale der Anordnung, wie sie z. B. in der Anlage am Deutschen Elektronen Synchrotron DESY in Hamburg [5] oder an der ESRF in Grenoble [6] aufgebaut wurde, sind auch in 1 gezeigt, wobei allerdings dort nur ein Teil der gezeigten Strahlen zur Anwendung kommt. Es sind dies ein Speicherring (SR) sowie in den Ring eingearbeitete strahlerzeugende Magnetstrukturen (insertion devices, ID), die den erzeugten Röntgenstrahl zu einem optischen Element (OE) führen, das aus kristallinem Material besteht und die Röntgenstrahlung ablenkt sowie deren Wellenlängen selektiert (gebogene Laue-Spiegel oder planare Bragg-Spiegel). Die selektierten Röntgenstrahlen durchdringen das zu untersuchende Objekt (P). Dieses ist auf einer tragenden Vorrichtung befestigt (ST), die eine vertikale Verschiebungen und damit den Aufbau eines 2-dimensionalen Bildes zeilenweise erzeugt. Hinter dem Objekt angeordnete ortsempfindliche Detektoren (DET) registrieren die transmittierte Strahlung in jeweils einer Zeile, deren Gesamtheit dann nach Aufarbeitung mit Computerprogrammen die bildliche Darstellung oder die Extraktion der gesuchten Information ergibt. Das Abbild der Kontrastmittelverteilung wird für jedes Pixel im Ortsraum durch Lösung der Gleichung für die Flächendichte
wobei I₁ und I₂ die in den Detektoren 1 und 2 gemessenen Intensitäten und I₁₀ bzw. I₂₀ die in einem Leerbild gewonnenen Primärstrahlintensitäten sind und die μαβ die Massenabsorptionskoeffizienten wie in der Tabelle angegeben eingehen:

Energie 1 Energie 2

Material μ₁₁ μ₂₁

(Gewebe)

Material 2 μ₁₂ μ₂₂

(Kontrastmittel)
Neu ist die Verwendung eines ortsauflösenden Monitordetektors (MD) zur Korrektur der Strahlvariationen, der die benötigte Ausnutzung der Präzision der Intensitätsmessung bewirkt. Für jedes Pixel werden I₁₀ und I₂₀ bestimmt und damit dann x₂. Neu ist auch die Erzeugung von Stereo-Aufnahmen, um die in einer Projektion übereinanderliegenden Strukturen zu separieren. Dazu wird in einem Verfahren eine Anordnung von zwei sich kreuzenden Strahlrichtungen verwendet. Bild 1 zeigt die Aufsicht und 2 zeigt das Prinzip in der Seitensicht. Zwei Speicherringe (SRa, SRb) werden übereinander angeordnet und ein Doppelsatz von gebogenen Laue-Spiegeln (OE1a, OE2a, bzw. OE1b, OE2b) in die Strahlführung eingebracht, um die Strahlen auf gleiche Höhe im Objekt P zu bringen. In einem zweiten Verfahren, das mit einem Ring auskommt, wird das Objekt oder der Patient auf einer für Röntgenstrahlen SB transparenten Wiege W befestigt, die eine bestimme Rotation ROT um die Drehachse DA durch Betätigung des pneumatischen Aktuators PA bewirkt (3). Neu ist ebenfalls, dass die Aufnahme in einer schnellen Sequenz erfolgt und jede einzelne Zeile mit den Daten der Monitorkammer korrigiert wird. Dies erlaubt die Absolutbestimmung der zeitlichen Abfolge der Kontrastmittelverteilung und damit des Flusses.
In den bisher verwendeten Anlagen [5,6] werden zwei Strahlen mit den Energien E₁ und E₂ unter flachem Winkel so gekreuzt, dass der Kreuzungspunkt K im Objekt bzw. Patienten liegt (4a) und nach Auseinanderlaufen in den Detektoren DET1 und DET" getrennt registriert werden können. Es ist zu erkennen, dass die Strahlbündel SB1 und SB2 nicht exakt dieselben Körperteile durchdringen und daher die Lösung von x₂ immer Anteile von x, enthält, was zu Ungenauigkeiten und Bildartefakten führt, die prinzipiell nicht korrigierbar sind. Neu ist die Verwendung von Strahlgeometrien mit Parallelstrahlen (4b), die zwar aufgrund der Vertikalbewegung des Objektes zu etwas verschiedenen Zeiten aufgenommen werden, aber mit einem Computerprogramm korrigierbar sind. In einer anderen neuen Version wird ein Strahlbündel SB1,2 mit einem Gemisch von den Energien E₁ und E₂ verwendet, die in dem energiedispersiven Detektor (DETE) dann getrennt werden (4c). Ein 2 dimensionaler energieselektiver Detektor 2D-DETE kann dann auch ein breiteres Strahlbündel gleichzeitig abbilden (4d). Neu ist auch eine Anordnung, bei der das Objekt stationär bleibt und die Abtastung durch Verschiebung der auslaufenden Strahlbündel SBausa bis SBausc, je nach Zeitpunkt der Verschiebung, gegenüber dem einlaufenden Bündel SBein (5) erzeugt wird, wodurch eine wesentlich höhere Abtastgeschwindigkeit erreicht werden kann. Dabei verschieben sich zwar die verschiedenen Energien räumlich gegeneinander bis hin zur Inversion, was aber wegen der in der Realität vorkommenden sehr kleinen Winkel sich durch ein Computerprogramm korrigieren lässt. Es können aber auch planare Spiegel verwendet werden in Bragg- oder Lauekonfiguration (5b). Wenn ein Zeilendetektor verwendet wird, wird dieser synchron bewegt, bei einem 2 dimensionalen Detektor entfällt diese Bewegung. Neben jodhaltigem und gadoliniumhaltigem Kontrastmittel können auch andere Elemente verwendet werden, insbesondere eignet sich Brom für ein optimales Signal-zu-Rauschverhältnis bei kleinen Versuchstieren. Da die K-Kantenenergie dann bei etwa 14 keV liegt, können 2-dimensionale energiedispersive Detektoren auf Silizium Basis verwendet werden [7].
Der Vorteil der beschriebenen Anlage besteht darin, dass die erreichbare hohe Orts-, Zeit- und Intensitätsauflösung die Identifizierung der einzelnen durchbluteten Organteile ermöglicht und aus dem zeitlichen Verlauf auf die Funktion Schlüsse gezogen werden können. Die Stereo-Aufnahmen werden für die quantitative Konzentrationsmessung benötigt, da erst dann der genaue Winkel einer Arterie und damit die Absorptionstiefe bestimmt werden können. Im einfachsten Fall eines kreisförmigen Querschnitts eines Gefäßes ergibt sich für die Schnittfläche mit dem Röntgenstrahl eine Ellipse, deren Hauptachse in der Tiefe in linearer Beziehung zu der gemessenen Absorption ist, ebenso wie die Dichte des Kontrastmittels. Damit sind die beiden aufstellbaren Gleichungen mit 2 Unbekannten linear abhängig und nicht eindeutig lösbar. Außerdem verbessern Stereoaufnahmen die Identifizierung übereinander liegenden Strukturen (insbesondere bei i. V. Aufnahmen).
Anwendungsgebiete finden sich zunächst in der Forschung, um die Herzdynamik zu untersuchen, in der Medikamentenentwicklung und auch in der klinischen Praxis, um bei Brustraumbeschwerden eine umfassende Diagnose unter Einbeziehung der Funktionalität aller Organteile einschließlich der Lungenfunktion zu stellen. Bei bestehender Herzinsuffizienz kann die optimale Therapiestrategie erstellt werden.
Ausführungsbeispiel

Eine Speicherringanlage entsprechend der Konzeption von 1 mit Stereo-Messplätzen wurde unter dem Gesichtspunkt entworfen, mit dem Kontrastmittel Gadolinium (K-Kante bei 52 keV) noch genügend schnelle Aufnahmen herstellen zu können (ca. 1 ms Zeilenaufnahmezeit). Die folgende Tabelle gibt die wesentlichen Parameter wieder:

Speicherring: 2 Ringe übereinander (etwa wie bei DORIS in Hamburg) Prinzip: Füllung (top-up), 3 GeV booster-ring, Füllung durch LINAC	Energie: 3 GeV Unfang: 172,6 m Durchmesser: 52 m 4 Sektoren 4 straight sections Maximalstrom: 300 mA Frequenz: 500 MHz Strahllebensdauer: 10 h	2Stereo-Arbeitsplätzte bis zu 4 weitere Diagnoseplätze
		Bis zu 6 Wiggler als Strahlquellen, Energie der Röntgenstrahlen: 50 keV, 65 keV
Bildaufnahmesystem	Doppel-Zeilendetektor, Mehrfach-Zeilendetektor Monitorkammer	Digitale Aufnahme Digitale Verarbeitung Digitales Koordinierungssystem

Eine Rotationsvorrichtung nach 3 besteht aus einer Plexiglasschale mit einer Rollschiene in Dreiviertelkreisgeometrie, was einen Rotationswinkel von 90° erlaubt, wurde durch pneumatische Zylinder angetrieben, die einen Seilzug betätigen. Die Rotationszeit wurde zu 0.1 s bestimmt. Aufnahmen in einer Projektion des schlagenden Herzen wurden mit der Strahlanlage ID17 an der ESRF in Grenoble nach Modifizierung des Messprotokolls dergestalt, dass eine 16-fache Abfolge der Abtastbewegung unter maximaler Geschwindigkeit absolviert wurde und unter Verwendung eines pixelweisen Korrekturprogramms durchgeführt. Nach der Injektion i. A. in ein Herzkranzgefäß werden in den erstellten Bildsequenzen in folgender Reihenfolge die Strukturen mit Kontrastmittel gefüllt, sichtbar, identifizierbar und der Fluss quantifizierbar: Herzkranzschlagader, kleine Arterien, Myokard, Venen, koronarer Sinus, rechter Vorhof, Rechter Ventrikel, Lungenschlagader, Lunge, Lungenvenen, linker Vorhof, linker Ventrikel und Aorta. Nach der Injektion i. V. (z. B. in die vena cava) wird die Durchblutungssequenz folgende Organe und Organteile sichtbar und identifizierbar machen: rechter Vorhof, Rechter Ventrikel, Lungenschlagader, Lunge, Lungenvenen, linker Vorhof, linker Ventrikel, Aorta, Herzhauptschlagadern, Myokard, Herzvenen und koronarer Sinus. Als Beispiel wird eine Phase in 6 gezeigt, in der gerade der Übergang von der arteriellen Phase in die venöse Phase stattfindet unter Einbeziehung der Füllung des Myokard der Hinterwand und der beginnenden Füllung des rechten Vorhofes. Die einzelnen Strukturen sind klar erkennbar.
Literatur

[1] P.R. Lichtlen „Koronarangiographie", perimed, Erlangen 1990
[2] E. Rubenstein „Synchrotron Radiation for Angiography", Ann. Rev. Biophys. Chem. 1987.16:161-74
[3] A. Samelli et al, „Quantitative Analysis of Synchrotron Radiation Intravenous Angiographic Images", Phys. Med. Biol. 540 (2005) 725-740
[4] H.R. Schelbert and M. Schwaiger, „PET Studies of the Heart" in „Positron Emission Tomography and Autoradiography: Principles and Applications fort he Braun and Heart", M. Phelps et al. Ed., Raven Press, N.Y. 1986, p. 581-661
[5] W.R. Dix et al., "Coronary Angiography with Synchrotron Radiation", DESY SR 94-01, April 1994; Journal de Physique IV, C9 Nov. 1994, p. 279
[6] H. Elleaume et al, „Instrumentation of the ESRF Medical Imaging Facility", Nucl. Instr. Meth A 428 (1999) 513-527
[7] N. Meidinger et al., "pnCCD for photon detection from near-infrared to X-rays" Nucl. Instr.Meth. A, 565, 1 (2006) 251-257.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- P.R. Lichtlen „Koronarangiographie", perimed, Erlangen 1990 [0013]
- E. Rubenstein „Synchrotron Radiation for Angiography", Ann. Rev. Biophys. Chem. 1987.16:161-74 [0013]
- A. Samelli et al, „Quantitative Analysis of Synchrotron Radiation Intravenous Angiographic Images", Phys. Med. Biol. 540 (2005) 725-740 [0013]
- H.R. Schelbert and M. Schwaiger, „PET Studies of the Heart" in „Positron Emission Tomography and Autoradiography: Principles and Applications fort he Braun and Heart", M. Phelps et al. Ed., Raven Press, N.Y. 1986, p. 581-661 [0013]
- W.R. Dix et al., "Coronary Angiography with Synchrotron Radiation", DESY SR 94-01, April 1994; Journal de Physique IV, C9 Nov. 1994, p. 279 [0013]
- H. Elleaume et al, „Instrumentation of the ESRF Medical Imaging Facility", Nucl. Instr. Meth A 428 (1999) 513-527 [0013]
- N. Meidinger et al., "pnCCD for photon detection from near-infrared to X-rays" Nucl. Instr.Meth. A, 565, 1 (2006) 251-257. [0013]

Claims

Speicherringanlage zur Erzeugung von Röntgenbildern in Stereoprojektion, dadurch gekennzeichnet, dass 2 Magnetstrukturen (Wiggler) Synchrotronstrahlung erzeugen und Strahlführungen mit Monochromatoren und Fokussierspiegel sie zu Kreuzungspunkten in Patientenmessplätzen bringen.
Anlage nach 1) mit zwei Speicherringen übereinander und jeweils um mehr als 0° und weniger als 180° verschobenen Wiggler in separaten Ringen.
Anlage nach 2) mit Strahlführungen aus je 2 gebogenen Laue-Spiegeln in entgegen gesetzter Anordnung, dadurch gekennzeichnet, dass Kreuzungspunkte in gleicher Höhe im Patienten liegen.
Strahlführung nach 3) mit gebogenen Laue-Spiegeln in S-Form oder mit planaren Spiegeln.
Anordnung nach 1) mit jeweils 2 Monochromatoren, dadurch gekennzeichnet, dass zwei nahe beieinander liegende Energien E₁ und E₂, unterhalb und oberhalb der K-Absorptionskante des Kontrastmittels selektiert werden und die Strahlen der beiden Paare sich jeweils im Patienten kreuzen.
Anordnung einer Anlage nach 1) mit nur einem Strahl, dadurch gekennzeichnet, dass der Patient in einer Schale fixiert wird, die durch Rollen auf eine Schiene oder durch eine Achse gehalten wird, wobei der Rotationsfreiheitsgrad erhalten bleibt. Seilzüge, Hebelsysteme oder Antriebsriemen sind mit einem elektrischen oder pneumatischen Antriebssystem verbunden und greifen in Richtung des Rotationsfreiheitsgrades an. Die Steuerung des Antriebssystems erfolgt elektrisch am Anfang oder am Ende einer Bildaufnahme. Anschläge begrenzen auf einen vordefinierten Winkel.
Anordnung nach 5) mit zwei Sätzen und nach 6) mit nur einem Satz von übereinander angeordneten elektronischen Detektoren zur Bildaufnahme jeweils eines Einzelstrahls E₁ oder E₂.
Anordnung nach 7) und Herstellung zweier Datensätze aus den zwei Detektoren, jeweils für eine Projektion. Erstellung eines logarithmischen Differenzbildes, dadurch gekennzeichnet, dass ein spezifisches Computerprogramm Intensitätsschwankungen jedes einzelnen Pixel in jeder Zeile ausgleicht.
Anordnung nach 7) und Erstellung von Datensätzen aus verschiedenen Projektionswinkeln (einschließlich 90°). Winkelbestimmung der Raumorientierung und Tiefenbestimmung der Strukturen durch spezifische Computerprogramme.
Anordnung nach 7), dadurch gekennzeichnet, dass nur jeweils ein energiedispersiver Detektor im Einzelphotonverfahren verwendet wird und die Trennung der Bilder E₁ und E₂ durch die Erstellung zweier Datensätze mit verschiedenen Impulshöhen vorgenommen wird.
Anordnung nach 5) bis 10), wobei der Patient auf einer Vorrichtung durch den feststehenden Strahl bewegt wird.
Anordnung nach 5) bis 10), wobei der Patient stationär bleibt und die Monochromatoren mit einer mechanischen Vorrichtung verschoben werden.
Vorrichtung in einer Anlage nach 1) bis 12) zur Injektion von Jod- und Gd-haltigen Kontrastmittel in den Patienten.
Vorrichtung in einer Anlage nach 1) bis 12) zur Injektion von Brom-haltigen Kontrastmittel in den Patienten.
Vorrichtung nach 13) bis 14) intravenös.
Vorrichtung nach 13) bis 14) intraarteriell.
Vorrichtung in einer Anlage nach 1) bis 16) zur schnellen Abfolge von Aufnahmen.
Rekonstruktion der Organstrukturen und Bewegung aus den Datensätzen nach 15) bis 17).
Rekonstruktion des Blutflusses in Organstrukturen aus den Datensätzen nach 15) bis 17).
Anordnung nach 11) bis 19) mit Versuchstieren.