DE102010020782A1

DE102010020782A1 - Röntgenvorrichtung zur Bildgebung oder Strahlentherapie

Info

Publication number: DE102010020782A1
Application number: DE201010020782
Authority: DE
Inventors: Peter Bier; Jochem Knoche; Dr. Kowarschik Markus
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-05-18
Filing date: 2010-05-18
Publication date: 2011-11-24

Abstract

Die Erfindung beansprucht eine Röntgenvorrichtung (1) zur Bildgebung oder Strahlentherapie mit einer eine Röntgenstrahlung abgebenden Röntgenquelle (2) und einem Röntgendetektor (3). Die Vorrichtung (1) umfasst dabei ein erstes Mittel (10), das derart mit der Röntgenquelle (2) in Wirkverbindung steht, dass eine Bewegung und/oder Position der Röntgenquelle (2) bestimmbar ist. Weiterhin umfasst die Röntgenvorrichtung (1) ein zweites Mittel (11), das derart mit dem Röntgendetektor (3) in Wirkverbindung steht, dass eine Bewegung und/oder Position des Röntgendetektors (3) ermittelbar ist. Die Anordnung des ersten Mittels (10) und des zweiten Mittels (11) ermöglicht die Erfassung der drei Raumkoordinaten und der drei Raumwinkel der Röntgenquelle (2) und des Röntgendetektors (3) im kartesischen Koordinatensystem, sowie die Erfassung von Bewegungsgeschwindigkeit und -richtung. Durch den Einsatz des ersten Mittels (10) und des zweiten Mittels (11) kann eine kostengünstige Erfassung der Position des Röntgenquelle (2) bzw. des Röntgendetektors (3) im Raum realisiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenvorrichtung zur Bildgebung oder Strahlentherapie mit einer eine Röntgenstrahlung abgebenden Röntgenquelle und einem Röntgendetektor.
In medizinischen Applikationen wird eine Vielzahl von Systemen zur zwei- und dreidimensionalen Bildgebung und zur Therapie eingesetzt. Diese Röntgen- und Therapiegeräte basieren häufig auf mechanischen Konstruktionen, bei denen am Ende eines oder mehrerer verfahrbarer Roboterarme technische Komponenten zur Bildgebung, beispielsweise Röntgenstrahler und -detektoren, oder Manipulatoren zur Durchführung therapeutischer Maßnahmen angeordnet sind. Gemeinsames Merkmal dieser Systeme ist die Erfordernis, die jeweils aktuelle Position der für die Bildgebung oder die therapeutische Maßnahme relevanten Komponenten zuverlässig und mit hoher Genauigkeit zu erfassen, da davon die Qualität der Bildgebung, sowie die Sicherheit von Patient- und Anwender (Kollisionsvermeidung) abhängt.
Eine bekannte Methode zur Bestimmung der Position und der Bewegung der Bildgebungskomponenten ist der Einsatz von Winkelgebern. Dazu befinden sich üblicherweise in jedem Gelenk der beweglichen Roboterarme ein inkrementeller oder ein absoluter Winkelgeber. Mit diesen Winkelgeberdaten und den Gegebenheiten des mechanischen Aufbaus lässt sich mit den bekannten Verfahren der Kinematik die aktuelle Position berechnen. Die zuvor genannten Anforderungen an Genauigkeit und Sicherheit erzwingen in der Regel eine redundante, das heißt mindestens doppelte Auslegung aller Winkelgeber. Ein Problem dieses Ansatzes besteht darin, dass jede mechanische Konstruktion nur eine begrenzte Verwindungssteifigkeit aufweist, so dass die tatsächliche Position einer beweglichen Modalität in der Praxis immer von der über die Winkelgeberdaten berechneten Position abweicht. Auch das nur schwer zu beseitigende mechanische Spiel der Gelenkachsen trägt zu diesem Positionierfehler bei. Um ein möglichst gleichbleibendes Maß an Bildqualität über die Lebenszeit des bildgebenden oder des therapeutischen Systems zu gewährleisten, muss derzeit in gewissen Zeitabständen oder nach einer vorgegeben Anzahl von klinischen Einsätzen des Systems eine Geometriekalibrierung durchgeführt werden.
Eine weitere bekannte Methode zur Bestimmung der Position und der Bewegung der Bildgebungskomponenten ist der Einsatz von Positionsbestimmungseinheiten unter Verwendung von 3D-Sensoren. Diese ermöglichen eine Zielverfolgung eines Objektes in sechs Freiheitsgraden (”six degrees of freedom”). Bei den Freiheitsgraden handelt es sich um drei Positionsparameter (XYZ) und drei Orientierungswinkel (Nick-, Roll- und Gierwinkel). Die Gesamtheit der sechs Parameter bildet das Prinzip der sechs Freiheitsgrade (”6DOF”).
Die nachveröffentlichte DE 10 2009 035 948 beschreibt den Einsatz eines 6DOF-(„six degrees of freedom”)Zielverfolgungssystems zur Reposition von Körperteilen. Die Vorrichtung umfasst mindestens einen elektromagnetischen Feldgenerator, der an einem Objekt lösbar fest angeordnet ist und elektromagnetische Strahlung abgibt, sowie eine Positionsbestimmungseinheit, welche die von dem Feldgenerator abgegebene elektromagnetische Strahlung aufnimmt und aus der aufgenommenen Strahlung die Position des Feldgenerators ermittelt. Die zu reponierenden Knochenbruchfragmente werden kurzzeitig jeweils mit einem Feldgenerator als Marker versehen. Die Feldgeneratoren sind lösbar fest mit den Knochenbruchfragmenten verbunden. Die Feldgeneratoren geben elektromagnetische Strahlungen ab, die von einem Spulenarray einer Positionsbestimmungseinheit empfangen und an eine Auswerteeinheit weitergereicht werden. Dort erfolgt die Auswertung der Messsignale und die Ermittlung der x,y,z-Positionen der Feldgeneratoren sowie ihre Orientierung/Ausrichtung in einem vorgebbaren Bezugskoordinatensystem. Mit Hilfe der ermittelten Positionen lässt sich jede Veränderung der Lage der Knochenbruchfragmente exakt bestimmen, wodurch das Reponieren vorteilhaft unterstützt wird. Die Änderung der Lage der Knochenbruchfragmente kann beispielsweise auf einem Bildschirm dargestellt werden.
Positionsbestimmungs- und Zielverfolgungssysteme auf elektromagnetischer Basis sind bekannt und werden kommerziell vermarktet. So bietet beispielsweise die nordamerikanische Firma Northern Digital Inc. (www.ndigital.com) ein 6DOF-Zielverfolgungssysteme auf elektromagnetischer Basis an, deren Sensoren nur etwa so groß wie eine Bleistiftspitze sind. Die Sensoren liefern Messdaten, die für eine Positionsbestimmung an eine Positionsbestimmungseinheit abgegeben werden.
Aufgabe der Erfindung ist, eine weitere Röntgenvorrichtung zur Bildgebung oder Strahlentherapie anzugeben, bei der Positionen und Bewegungen der Röntgenquelle und des Röntgendetektors verfolgt werden können.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Röntgenvorrichtung des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung beansprucht eine Röntgenvorrichtung zur Bildgebung oder Strahlentherapie mit einer eine Röntgenstrahlung abgebenden Röntgenquelle und einem Röntgendetektor. Die Vorrichtung umfasst dabei ein erstes Mittel, das derart mit der Röntgenquelle in Wirkverbindung steht, dass eine Bewegung und/oder Position der Röntgenquelle bestimmbar ist. Weiterhin umfasst die Röntgenvorrichtung ein zweites Mittel, das derart mit dem Röntgendetektor in Wirkverbindung steht, dass eine Bewegung und/oder Position des Röntgendetektors ermittelbar ist. Die Anordnung des ersten und zweiten Mittels ermöglicht die Erfassung der drei Raumkoordinaten und der drei Raumwinkel der Röntgenquelle und des Röntgendetektors im kartesischen Koordinatensystem, sowie die Erfassung von Bewegungsgeschwindigkeit und -richtung. Durch den Einsatz des ersten und zweiten Mittels kann eine kostengünstige Erfassung der Position des Röntgenquelle bzw. des Röntgendetektors im Raum realisiert werden. Im Vergleich zur Positionsbestimmung mittels Winkelgebern in jedem Gelenk von automatisch bewegten Roboterarmen, an denen die Röntgenquelle bzw. der Röntgendetektor angebracht sind, ist die erfindungsgemäße Lösung mit deutlich geringerem Aufwand verbunden, da weniger Verkabelung sowie eine weniger komplexe Auswerteelektronik erforderlich sind. Die Genauigkeit der erfindungsgemäßen Positionserfassung wird durch die begrenzte mechanische Steifigkeit und das Spiel mechanischer Gelenke nicht mehr negativ beeinflusst, d. h. man kann zu einer weniger aufwändigen und weniger verwindungssteifen Bauweise übergehen, was eine erhebliche Gewichtseinsparung bedeutet. Geringeres Gewicht bedeutet aber auch geringere Anforderungen an die Antriebe, führt also ebenfalls zu einer Kostenersparnis und auch einer Energieeinsparung insbesondere bei dynamischen Bewegungen. Ganz speziell im Falle der tomographischen Röntgenbildgebung in 3D (insbesondere im Falle der Computertomographie mittels C-Bogen-Systemen in der Angiographie und in der Chirurgie) ist für die resultierende Qualität der rekonstruierten Bilder ganz entscheidend, dass die Positionen von Röntgenstrahler und Röntgendetektor für jede Röntgenprojektion möglichst genau bekannt sind. Der hier vorgeschlagene Ansatz zur Positionsbestimmung unmittelbar während der Untersuchung (während des Scans) kann eine sonst regelmäßig erforderliche Geometriekalibrierung des Systems ersetzen, da ja die jeweiligen Positionen der Systemkomponenten untersuchungsspezifisch ermittelt werden. Dies führt zu besseren Ergebnissen hinsichtlich Bildqualität, da die anderenfalls aus einer solchen regelmäßig durchzuführenden Kalibrierung resultierenden Geometriedaten bedingt durch mechanische Instabilitäten und Veränderungen des Systems im Allgemeinen nur näherungsweise für die nachfolgenden Untersuchungen (Scans) zutreffend sind.
In vorteilhafter Weise kann das erste Mittel fest mit der Röntgenquelle verbunden sein. Durch die feste Anordnung des ersten Mittels an der Röntgenquelle beziehungsweise in unmittelbarer Nähe zur Röntgenquelle ist es möglich, über das erste Mittel die exakte Position und Bewegung der Röntgenquelle zu ermitteln.
In vorteilhafter Weise kann auch das zweite Mittel fest mit dem Röntgendetektor verbunden sein. Durch die feste Anordnung des zweiten Mittels am Röntgendetektor beziehungsweise in unmittelbarer Nähe des Röntgendetektors ist es möglich, über das zweite Mittel die exakte Position und Bewegung des Röntgendetektors zu bestimmen.
In einer Weiterbildung der Erfindung können das erste Mittel und das zweite Mittel einen 6DOF-Sensor umfassen. Damit können beispielsweise Vorrichtungen, die 3D-Sensoren zur Zielverfolgung eines Objektes in sechs Freiheitsgraden verwenden, eingesetzt werden.
In einer vorteilhaften Ausprägung der Erfindung können das erste Mittel und das zweite Mittel einen Feldgenerator umfassen. Damit können das erste Mittel und das zweite Mittel elektromagnetische Felder erzeugen. Durch Auswertung der elektromagnetischen Felder ist es möglich, die Position und die Bewegung des ersten und zweiten Mittels zu bestimmen.
Weiterhin kann die Röntgenvorrichtung weitere dritte Mittel zur Ermittlung einer Position der Röntgenquelle und Röntgendetektors umfassen. Beispielsweise können dritte Mittel mittels Winkelgeber die Position der Röntgenquelle und des Röntgendetektors bestimmen. Damit ist die Kombination einer auf Winkelgebern basierten Positionserfassung mit einer auf einem 3D-Sensor-basierten Positionserfassung möglich. Durch die gleichzeitige Verwendung von zwei physikalisch unabhängigen Vorrichtungen zur Positionserfassung können Positions- und Bewegungsdaten der Röntgenquelle und des Röntgendetektors bestimmt werden. Anschließend kann eine besonders zuverlässige Plausibilitätsprüfung durchgeführt werden.
Des Weiteren kann das dritte Mittel mindestens einen Winkelgeber umfassen. Mittels Winkelgeber in jedem Gelenk eines automatisch bewegten Roboterarmes, an dem die Röntgenquelle bzw. der Röntgendetektor angebracht sind, können die Position und die Bewegung der Röntgenquelle und des Röntgendetektors bestimmt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Röntgenvorrichtung ein MRT-, ein CT- oder ein C-Bogen-Rotationsangiographiegerät umfassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der schematischen Zeichnung.
Es zeigen:
1: eine Röntgenvorrichtung mit zwei Feldgeneratoren, und
2: eine Röntgenvorrichtung mit einem Feldgenerator.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Röntgenvorrichtung 1 mit einer Röntgenquelle 2 und einem Röntgendetektor 3, die an einem Deckenstativ 4 angeordnet sind. Das Deckenstativ 4 ist in zwei zueinander senkrechten Achsen 5, 6 an einer Decke 7 fahrbar gelagert. Die Röntgenquelle 2 ist entlang einer vertikalen Achse 8 verfahrbar und drehbar angeordnet. Weiterhin ist die Röntgenquelle 2 entlang einer dazu senkrecht stehenden horizontalen Drehachse 9 drehbar angeordnet.
An der Röntgenquelle 2 ist ein erstes Mittel 10 fest angeordnet und bewegt sich zusammen mit der Röntgenquelle 2. Ein zweites Mittel 11 ist an dem Röntgendetektor 3 fest angeordnet und bewegt sich ebenfalls zusammen mit diesem. Das erste Mittel 10 umfasst einen Feldgenerator, der ein erstes elektromagnetisches Feld 12 erzeugt. Das zweite Mittel 11 umfasst ebenfalls einen Feldgenerator, der ein zweites elektromagnetisches Feld 13 erzeugt. Dabei sind die Frequenzen der elektromagnetischen Felder 12, 13 unterschiedlich. Die von den elektromagnetischen Feldern 12, 13 ausgesendeten Strahlungen werden von einem in einer Auswerteeinheit 14 angeordneten Spulenarray 15 empfangen. Die Auswerteeinheit 14 ist dabei an dem Deckenstativ 4 fest angeordnet. In der Auswerteeinheit 14 werden die durch das Spulenarray 15 empfangenen Messdaten ausgewertet und die x,y,z-Positionen des ersten Mittels 10 und des zweiten Mittels 11, sowie ihre Orientierung/Ausrichtung in einem vorgebbaren Bezugskoordinatensystem ermittelt. Die Auswerteeinheit 14 ist über eine Funkverbindung mit einem nicht gezeigten Arbeitsplatz zur Weiterverarbeitung der Daten verbunden.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Röntgeneinrichtung 1 mit einer Röntgenquelle 2 und einem Röntgendetektor 3, die an einem Deckenstativ 4 angeordnet sind. Das Deckenstativ 4 ist in zwei zueinander senkrechten Achsen 5, 6 an einer Decke 7 fahrbar gelagert. Die Röntgenquelle 2 ist entlang einer vertikalen Achse 8 verfahrbar und drehbar angeordnet. Weiterhin ist die Röntgenquelle 2 entlang einer dazu senkrecht stehenden horizontalen Drehachse 9 drehbar angeordnet.
An der Röntgenquelle 2 ist ein erstes Mittel 10 fest angeordnet und bewegt sich zusammen mit der Röntgenquelle 2. Ein zweites Mittel 11 ist an dem Röntgendetektor 3 fest angeordnet und bewegt sich ebenfalls zusammen mit diesem. An dem Deckenstativ 4 ist eine Auswerteeinheit 14 befestigt. Die Auswerteeinheit 14 umfasst einen Feldgenerator, der ein elektromagnetisches Feld 16 erzeugt. Die von dem elektromagnetischen Feld 16 ausgesendete Strahlung wird von einem im ersten Mittel 10 angeordneten Spulenarray 17 und einem im zweiten Mittel 11 angeordneten Spulenarray 18 empfangen. In dem ersten Mittel 10 und dem zweiten Mittel 11 werden die durch die Spulenarrays 17, 18 empfangenen Messdaten ausgewertet und die x,y,z-Positionen des ersten Mittels 10 und des zweiten Mittels 11, sowie ihre Orientierung/Ausrichtung in einem vorgebbaren Bezugskoordinatensystem ermittelt.
Bezugszeichenliste

1: Röntgenvorrichtung
2: Röntgenquelle
3: Röntgendetektor
4: Deckenstativ
5: Richtungsachse
6: Richtungsachse
7: Decke
8: vertikale Achse
9: horizontale Drehachse
10: erstes Mittel
11: zweites Mittel
12: erstes elektromagnetisches Feld
13: zweites elektromagnetisches Feld
14: Auswerteeinheit
15: Spulenarray
16: elektromagnetisches Feld
17: Spulenarray
18: Spulenarray

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 102009035948 [0005]

Claims

Röntgenvorrichtung (1) zur Bildgebung oder Strahlentherapie mit einer eine Röntgenstrahlung abgebenden Röntgenquelle (2) und einem Röntgendetektor (3), gekennzeichnet durch: – ein erstes Mittel (10), das derart mit der Röntgenquelle (2) in Wirkverbindung steht, dass eine Bewegung und/oder Position der Röntgenquelle (2) bestimmbar ist, und – ein zweites Mittel (11), das derart mit dem Röntgendetektor (3) in Wirkverbindung steht, dass eine Bewegung und/oder des Röntgendetektors (3) bestimmbar ist.
Röntgenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Mittel (10) fest mit der Röntgenquelle (2) verbunden ist.
Röntgenvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Mittel (11) fest mit dem Röntgendetektor (3) verbunden ist.
Röntgenvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Mittel (10) und das zweite Mittel (11) einen 6DOF-Sensor umfassen.
Röntgenvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Mittel (10) und das zweite Mittel (11) einen Feldgenerator umfassen.
Röntgenvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüchen, gekennzeichnet durch: weitere dritte Mittel zur Ermittlung einer Position der Röntgenquelle (2) und des Röntgendetektors (3).
Röntgenvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dass das dritte Mittel mindestens einen Winkelgeber umfasst.
Röntgenvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenvorrichtung (1) ein MRT-, ein CT- oder ein C-Bogen-Rotationsangiographiegerät umfasst.