DE102008049605A1 - Verfahren zur Darstellung einer nicht-invasiv ermittelten Temperaturinformation sowie medizinisches Temperaturmessgerät - Google Patents

Verfahren zur Darstellung einer nicht-invasiv ermittelten Temperaturinformation sowie medizinisches Temperaturmessgerät Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Darstellung einer nicht invasiv ermittelten Temperaturinformation (204, 206) aus dem Inneren eines Lebewesens (102). Dabei wird eine nicht invasive Messung eines Temperaturwerts (204) an einem Ort (116) im Innern des Lebewesens (102) durchgeführt. Ein Fehlerwert (206) des Temperaturwerts (204) wird bestimmt und auf einem Anzeigegerät (118) dargestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Darstellung einer nicht-invasiv ermittelten Temperaturinformation aus dem Inneren eines Lebewesens. Ebenfalls betrifft die Erfindung ein medizinisches Temperaturmessgerät mit einem nicht-invasiven Temperaturdetektor und einer damit verbundenen Anzeigeeinrichtung.
  • Bestimmte biologische Gewebe, wie kanzerogene Tumoren, können durch Hitzezufuhr zerstört werden. Eine Möglichkeit diese Gewebearten zu erhitzen besteht darin, mittels eines Katheters die Energie einer Laserstrahlungsquelle auf das zu behandelnde Gebiet zu richten. Mittels gerichteter Ultraschallwellen kann ebenfalls eine Hitzebehandlung im Zielgebiet durchgeführt werden. Die Therapie ist umso effektiver und damit auch schonender für den Patienten, je genauer die zur Therapie erforderliche Temperatur im Zielgebiet eingestellt werden kann. Einerseits sollen zu hohe Temperaturen vermieden werden, um eine Schädigung von gesundem Gewebe in der Umgebung zu vermeiden und eine Therapie möglichst kurz halten. Andererseits ist das Erreichen einer Mindesttemperatur für die Zerstörung von Tumorgewebe zwingend notwendig. In diesem Zusammenhang gewinnt die nicht-invasive dreidimensionale Temperaturbestimmung mittels magnetischer Resonanz für eine qualitative und auch quantitative Beurteilung des Behandlungsfortschritts zunehmend an Bedeutung.
  • In der Praxis haben Fehler in der Temperaturbestimmung für die Behandlung von Tumoren zur Folge, dass die zu therapierenden Bereiche mit dem doppelten des maximal zu erwartenden Temperaturfehlers überbehandelt werden müssen. Beispielsweise führt eine Temperaturungenauigkeit von ±8 Grad Celsius bei der Temperaturmessung dazu, dass Tumorgewebe, das eigentlich bis zu 57 Grad Celsius aufgeheizt werden soll, nun auf 73 Grad Celsius aufgeheizt werden muss, um sicher zerstört zu werden. Daraus ergibt sich – neben einer latenten Schädigung des umgebenden Gewebes – aus dem erforderlichen Überhitzen nahezu eine Verdopplung der zu erzielenden Temperaturdifferenz und somit zumindest eine Verdopplung der Behandlungszeit.
  • Mittels der Magnetresonanzbildgebung kann nicht-invasiv die Temperatur im Innern eines Lebewesens bestimmt werden. Dabei wird die Temperaturabhängigkeit der Magnetresonanzfrequenz ausgenutzt. Ein verbreitet angewendetes Verfahren zur Temperaturmessung mittels Magnetresonanztechnik besteht darin, die von den Frequenzunterschieden verursachten verschiedenen Phasenlagen der Magnetresonanzsignale aus den einzelnen Voxeln des Untersuchungsgebiets zu bestimmen und in eine entsprechende Temperatur umzurechnen.
  • Die Genauigkeit der durch die Magnetresonanzbildgebung gemessenen Temperatur hängt von unterschiedlichen Faktoren ab. Ein Mindestfehler ergibt sich durch Rauschen in dem für die Temperaturmessung ermittelten Messsignale aus dem Zielgebiet. In das Rauschen – auch der Phasenbilder – gehen das Grundmagnetfeld B0, die Echozeit TE, die Voxelgröße und auch zumindest zum Teil Störungen ein, die durch externe Geräte verursacht werden. Letztere können sowohl zum Rauschen beitragen als auch durch zeitlich kurze Ereignisse („Spikes”) die Temperaturgenauigkeit beeinflussen. Spikes wirken sich vor allem lokal im Temperaturbild aus. Dazu kommt noch der allgemein als Partial-Volume-Effekt bezeichnete Effekt bzgl. der Voxelgröße, wie hier beschrieben. Aus dem Rauschen, bei Phasenbildern dem Phasenrauschen, lässt sich diejenige Temperaturgenauigkeit bestimmen, die bei einer Auswertung dieser Bilder maximal erreicht werden kann.
  • Die Temperaturmessgenauigkeit hängt weiterhin stark von den bei der Magnetresonanzmessung eingestellten Parametern der Messsequenz ab. Für die zur Phasenmessung typischerweise verwendeten Verfahren sind dies vor allem das Grundmagnetfeld und die Echozeit der Sequenz. Eine weitere Fehlerquelle ergibt sich durch die Kombination des Magnetresonanzgeräts mit Therapiegeräten zu Erzeugung der erhöhten Temperatur. Durch den Störeinfluss des Therapiegeräts wird die Genauigkeit bei ansonsten gleichen Bildaufnahmeparametern zusätzlich schwanken. Zudem hat die Voxelgröße bei der Phasenbildgebung, insbesondere bei der Therapie mit hochintensivem fokussiertem Ultraschall mit sehr kleinen Heizbereichen und sehr steilen Temperaturgradienten, einen entscheidenden Einfluss auf die Temperaturmessgenauigkeit. Zusätzliche Temperaturmessfehler können durch die Bewegung des Patienten bzw. des zu behandelnden Organs auftreten.
  • Aus der US PAP 2007/0238976 A1 ist ein Magnetresonanzgerät bekannt, mit dem gleichzeitig während einer Thermotherapie eine Temperaturmessung aufgrund von Phasenänderung im Magnetresonanzsignal ermittelt wird. Dort ist ein System beschrieben, mit dem Einflüsse von Magnetfeldinhomogenitäten auf die Genauigkeit der Temperaturmessung entfernt werden. Die Magnetfeldinhomogenitäten werden beispielsweise durch Bewegungen des Patienten oder des Untersuchungsobjekts verursacht. Anhand von Referenztemperaturdaten werden Abweichungen zu den tatsächlichen Messwerten ermittelt und bei der Temperaturmessung berücksichtigt werden.
  • Aus der US PAP 2007/0055140 A1 ist ein nicht-invasives Temperaturmessverfahren mittels Magnetresonanztechnik bekannt, bei dem Bewegungen des Zielgebiets erfasst und zur Erhöhung Genauigkeit der Temperaturmessung verwendet werden.
  • In der US PAP 2002/0180438 A1 ist eine Temperaturbildgebung eines Zielgebiets beschrieben, bei der eine Fehlerkompensation in der Messung aufgrund von Bewegungen des Zielgebiets erfolgt.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, womit dem Anwender eine genauere Thermotherapie ermöglicht wird.
  • Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 und bezüglich der Vorrichtung mit dem Gegenstand des Anspruchs 10 gelöst.
  • Demgemäß ist vorgesehen, bei einem Verfahren zur Darstellung einer nicht-invasiv ermittelten Temperaturinformation aus dem Inneren eines Lebewesens einen Temperaturwert nicht-invasiv an einem Ort im Innern des Lebewesens zu messen, einen Fehlerwert des gemessenen Temperaturwerts zu bestimmen und den Fehlerwert auf einem Anzeigegerät darzustellen.
  • Erstmals ist somit eine Qualitätskontrolle bezüglich der mittels Magnetresonanztechnik gemessenen Temperaturbilder möglich. Der Anwender kann aus der Temperatur und dem dazugehörigen Messfehler die Temperaturtherapie genauer und schonender für den Patienten durchführen. Gleichzeitig kann damit die Behandlungszeit verkürt werden, weil keine „Überbehandlung” erfolgen muss. Für die Therapie wesentlich ist auch, dass eine Schädigung des umgebenden Gewebes weitgehend reduziert wird. Der Anwender kann direkt abschätzen, welche Sicherheitsmargen er bezüglich der Temperatur bei der Behandlung einhalten muss.
  • Die Erfindung wird ebenfalls realisiert bei einem Temperaturmessgerät mit einem nicht-invasiven Temperaturdetektor und einer damit verbundenen Anzeigeeinrichtung, bei der ein Fehlermodul zur Abschätzung eines Messfehlers des Temperaturdetektors vorhanden und mit der Anzeigeeinrichtung verbunden ist zur Anzeige des Messfehlers.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von drei Figuren erläutert. Es zeigen:
  • 1 in einer Übersichtsdarstellung ein als medizinisches Temperaturmessgerät ausgebildetes diagnostisches Magnetresonanzgerät mit einer Thermotherapieeinheit,
  • 2 eine Darstellung eines Heizvorgangs in einer Probe mit einer dazugehörigen Messfehlerdarstellung und
  • 3 in einer Übersicht die verschiedenen auftretenden Messfehler bei einer nicht-invasiven Temperaturmessung mittels Magnetresonanztechnik.
  • 1 zeigt schematisch ein diagnostisches Magnetresonanzgerät 100, in dessen tunnelförmigen Innenraum 102 ein Patient 104 zur Therapie und gleichzeitigen Überwachung der Therapie gelagert ist. Dazu befindet sich das zu therapierende Gebiet, z. B. ein Organ oder Teilorgan, im Abbildungsbereich 106 des Magnetresonanzgeräts 100. Zur Steuerung der Bildgebung des Magnetresonanzgeräts 100, im vorliegenden Fall zur nichtinvasiven Temperaturermittlung im zu therapierenden Organ ist eine Steuereinheit 108 vorgesehen, die über Eingabemittel 110 von einem Benutzer mit entsprechenden Steuerbefehlen und der Vorgabe von Steuerparametern ein Sequenzprogramm steuert.
  • Eine Thermotherapieeinheit 111 besteht hier aus einem Hochleistungsultraschallsender 112, der mit einem am Patienten 104 akustisch anzukoppelnden Applikator 114 verbunden ist. Die akustische Ankopplung des Applikators 114 an den Patienten 104 kann über ein Wasserbad oder auch über Ultraschallgele oder andere Anpassungsschichten erfolgen. Mittels des Applikators 114 werden Ultraschallwellen in den Patienten 104 eingestrahlt, die auf zu therapierende Organ fokussiert sind. In der 1 ist der Ultraschallweg durch die gestrichelten Linien 115 begrenzt. Die fokussierten Ultraschallwellen erwärmen im Fokusbereich das zu therapierende Gewebe auf eine vorgegebene Temperatur. Zur Tumorgewebebehandlung sind Tempe raturen von mindestens 57 Grad Celsius im Gewebe erforderlich. Der Hochleistungs-Ultraschallsender 112 ist mit der Steuereinheit über Steuerleitungen verbunden.
  • Die Messung der Temperatur während der Therapie erfolgt nicht-invasiv mit Hilfe von speziellen temperatursensitiven Magnetresonanzpulssequenzen. Bei diesen Pulssequenzen wird – wie weiter oben schon erwähnt – beispielsweise die Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz des Magnetresonanzsignals ausgewertet, das z. B. mittels Gradientenechosequenzen oder auch EPI-Sequenzen gewonnen wird. Auch andere temperaturabhängige und mittels Magnetresonanztechnik messbare Größen können zur Temperaturmessung ausgewertet werden. So kann auch die Temperaturabhängigkeit der T1-Konstanten (gewebespezifische Zeitkonstante, welche die Rückkehr der Längsmagnetisierung in den Gleichgewichtszustand beschreibt) oder des Diffusionskoeffizienten zur Temperaturmessung ausgewertet werden.
  • Die so ermittelte Temperaturverteilung innerhalb des Organs wird dann auf einem Monitor 118 dargestellt. Gleichzeitig mit der Temperatur an einem oder mehreren Orten im Organ wird auch noch der dazugehörige Messfehler von der Steuereinheit 108 – wie weiter unten noch beschrieben ist – ermittelt und dem Monitor 118 zur Darstellung zugeführt.
  • 2 zeigt nun beispielhaft eine mit einer Fehleranzeige erweiterte Darstellung des Temperaturverlaufs bei einer Erhitzung einer Probe über der Zeit. Ausgehend von einer Körpertemperatur von 37 Grad Celsius beginnt zum Zeitpunkt 202 der Aufheizvorgang beispielsweise mittels hochintensivem fokussierten Ultraschall. Während des Aufheizvorgangs wird die Temperatur an einer oder mehreren Stellen, hier ist nur der Temperaturverlauf an einer Stelle dargestellt, mittels der vorstehend schon beschriebenen Magnetresonanzsequenz ermittelt und als Messwerte 204 über dem entsprechenden Messzeitpunkt dargestellt. Gleichzeitig mit den Temperaturmesswerten werden Fehlerschätzwerte 206 der Messung ermittelt und darge stellt. Im Beispiel muss mit einem Temperaturfehler beim Messen von 5 Grad Celsius gerechnet werden. Der Heizvorgang wird zum Zeitpunkt 208 beendet, die Temperatur in der Probe ist zu diesem Zeitpunkt auf ca. 64°C angestiegen, wobei aufgrund des Messfehlers die tatsächliche Temperatur zwischen 59 und 69 Grad Celsius liegt.
  • Der reine Messfehler ohne dem Anteil aus dem Heizvorgang liegt wurde hier im Bereich von 0,5 Grad Celsius angenommen. Diese geringen Fehleranteile außerhalb des Heizvorgangs sind in 2 allerdings nicht besonders hervorgehoben und lassen sich nur bei genauem Hinsehen erkennen.
  • Es soll noch darauf hingewiesen werden, dass die in 2 angegebenen Fehlerwerte nur beispielhaft sind und lediglich die Fehleranzeige als solche veranschaulichen soll.
  • Nach dem Aufheizvorgang sinkt die Temperatur im behandelten Organ langsam wieder auf seine normale Temperatur.
  • 3 zeigt nun in einer Übersicht Messfehleranteile, die bei der Temperaturmessung mittels Magnetresonanztechnik zu berücksichtigen sind. Da die Temperaturmessung auf einer Erfassung der Phase beruht, müssen die neben der Temperatur im Messvolumen auf die Phase wirkenden Einflussgrößen berücksichtigt werden.
  • Zunächst sind das Parameter aus der Messsequenz (Bezugszeichen 302), wie die Echozeit TE und Abweichungen des Grundmagnetfeldes von der Homogenität, hier als ΔB0 bezeichnet. Diese Parameterwerte werden von der Messsequenz 302 zur Bestimmung des Phasenrauschens 304 an ein Messfehler-Schätzmodul 306 übergeben. Das Messfehler-Schätzmodul 306 ist hier Teil der Steuereinheit 108, kann aber auch separat, z. B. mit einer speziellen Workstation, realisiert werden. Des Weiteren wird der Messfehler von der Voxelgröße 308 bestimmt, die ebenfalls von der Messsequenz 302 vorgeben wird. Einerseits beeinflusst die Voxelgröße 308 entscheidend das Rauschen im Phasenbild.
  • Andererseits hat die Voxelgröße 308 einen signifikanten Einfluss insbesondere bei der Thermobehandlung mittels hochintensivem Ultraschall und dabei auftretenden kleinen Heizbereichen mit steilen Temperaturgradienten aufgrund des weiter oben schon angesprochenen Partialvolumeneffekts. Hierbei kommt zur Geltung, dass ein Voxel immer nur den mittleren Temperaturwert aller im Voxel vorhandenen Spins darstellen kann. Bei steilen Temperaturgradienten innerhalb eines Voxels ist es also möglich, dass ein Teilbereich des Voxel wesentlich (z. B. 5 Grad Celsius) warmer ist, als ein anderer Teilbereich des Voxels. Die hieraus resultierenden Fehler, insbesondere die Spitzentemperaturen, kann durch Berücksichtigung des und weiterer Überlegungen abgeschätzt werden.
  • Ein weiterer Fehleranteil wird durch die Bewegung des Patienten bzw. des zu behandelnden Organs verursacht. Die Bewegung führt typischerweise zu Artefakten (z. B. Fehlbildern in der Überlagerung mit dem anatomischen Bild), deren Einfluss aus den Komponenten der Signalstärken von Artefakt und Originalbild abgeschätzt werden kann. Dazu wird die Bewegung des Patienten bzw. eine Verlagerung 310 des zu behandelnden Organs erfasst. Die Bewegungsdetektion kann mit Hilfe von entsprechenden Magnetresonanzsequenzen oder auch mit Hilfe von speziellen Bewegungsdetektoren erfolgen.
  • Schließlich wird durch Störeinflüsse von Geräten in der Umgebung des Magnetresonanzgerätes ein weiterer Fehleranteil im Temperaturmesswert erzeugt. Insbesondere ist hier der Betrieb der Thermotherapieeinheit 111 von Einfluss. Dazu werden beispielsweise Betriebsinformationen der Thermotherapieeinheit 111 oder Ergebnisse von Bildauswerteverfahren dem Fehlerschätzmodul 306 zugeführt, woraus dann ein entsprechender Fehleranteil 312 bestimmt wird.
  • Aus der Summe aller Fehleranteile wird dann ein Gesamtfehler 206 im Temperaturmesswert 204 ermittelt und wie schon anhand von 2 erläutert wurde, zur Anzeige auf dem Monitor 118 zusammen mit dem Temperaturmesswert 204 gebracht.
  • 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
    • - US 2007/0238976 A1 [0007]
    • - US 2007/0055140 A1 [0008]
    • - US 2002/0180438 A1 [0009]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Darstellung einer nicht-invasiv ermittelten Temperaturinformation (204, 206) aus dem Inneren eines Lebewesens (102) mit den Schritten – nicht-invasive Messung eines Temperaturwerts (204) an einem Ort (116) im Innern des Lebewesens (102), – Bestimmen eines Fehlerwerts (206) des Temperaturwerts (204) und – Darstellen des Fehlerwerts (206) auf einem Anzeigegerät (118)
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerwert (206) zusammen mit dem Temperaturwert (204) auf dem Anzeigegerät (118) dargestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturwert (204) mittels magnetischer Resonanz gemessen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturwert (204) aus einem mittels magnetischer Resonanz erstellten Phasenbild bestimmt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerwert (206) aus dem Rauschen (304) des Phasenbilds bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerwert (206) aus Messparametern der Temperaturmessung bestimmt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerwert (206) aus dem Grundmagnetfeld bestimmt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerwert (206) aus der Echozeit der Messsequenz bestimmt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerwert (206) aus einer Bewegung des Lebewesens (310) bestimmt wird.
  10. Medizinisches Temperaturmessgerät mit einem nichtinvasiven Temperaturdetektor (110) und einer damit verbundenen Anzeigeeinrichtung (118), dadurch gekennzeichnet, dass ein Fehlermodul (314) zur Abschätzung eines Messfehlers (206) des Temperaturdetektors vorhanden und mit der Anzeigevorrichtung (118) verbunden ist zur Anzeige des Messfehlers (206).
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