DE102011053708A1 - Nuklearbildsystem und verfahren zum aktualisieren eines ursprünglichen nuklearbilds - Google Patents

Nuklearbildsystem und verfahren zum aktualisieren eines ursprünglichen nuklearbilds Download PDF

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Abstract

Ein Nuklearbildsystem zum Aktualisieren eines ursprünglichen Nuklearbilds 10, das Nuklearbildsystem umfassend: einen Datenspeicher zum Speichern des ursprünglichen dreidimensionalen Nuklearbilds 10; einen entlang eines frei veränderlichen Pfads beweglichen Nuklearstrahlungs-Detektor 50 zum Messen von nuklearer Strahlung, um Nuklearstrahlungswerte zu erhalten; ein Nachführ-System 60 zum Nachführen des Nuklearstrahlungs-Detektors 50 während des Messens der nuklearen Strahlung, so dass Detektor-Koordinaten erhalten werden, die eine Pose des nachgeführten Nuklearstrahlungs-Detektors in Relation zu einem Bildkoordinatensystem des Nuklearbilds angeben; einen Nukleardaten-Eingang 70, konfiguriert zum Empfangen der Nuklearstrahlungswerte von dem Nuklearstrahlungs-Detektor 50 und der Detektor-Koordinaten von dem Nachführ-System 60, und zum Zuordnen der Nuklearstrahlungswerte zu den jeweiligen Detektor-Koordinaten; und ein Bildaktualisierungs-Modul 20 mit einer Aktualisierungs-Vorschrift, um das ursprüngliche Nuklearbild 10 in Abhängigkeit der Nuklearstrahlungswerte und der Detektor-Koordinaten zu verändern, wobei das Bildaktualisierungs-Modul zum Erzeugen eines aktualisierten dreidimensionalen Nuklearbilds 18 durch Anwenden der Aktualisierungs-Vorschrift auf das ursprüngliche Nuklearbild konfiguriert ist.

Description

  • Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der nuklearen Bildgebung wie etwa PET oder SPECT, und Aspekte der Erfindung betreffen eine Vorrichtung zum Aktualisieren eines ursprünglichen Nuklearbilds in Abhängigkeit von Messdaten eines frei beweglichen nachgeführten Nuklearstrahlungs-Detektors. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein entsprechendes Verfahren zum Aktualisieren des ursprünglichen Nuklearbilds.
  • Verschiedene Verfahren zur nuklearen Bildgebung wie etwa PET und SPECT-Bildgebungsverfahren sind bekannt. Diese Verfahren erlauben es, von einem Körper abgegebene radioaktive Strahlungsquellen ortsaufgelöst etwa als dreidimensionales Nuklearbild wiederzugeben. Dies ermöglicht es beispielsweise, die Verteilung eines Radiopharmakons im Körper zu ermitteln, um auf diese Weise Rückschlüsse über die Funktion und / oder Stoffwechselabläufe verschiedener Organe oder Regionen im Körper zu schließen. Beispielsweise erlauben diese Verfahren eine zuverlässige Beurteilung verschiedener Krebserkrankungen und eine Lokalisation des davon betroffenen Gewebes. Diese Information hat einen hohen Nutzwert etwa für operative Eingriffe, z.B. um erkranktes Gewebe zu entfernen.
  • Viele dieser Bildgebungsverfahren erfordern einen ortsfest angebrachten oder entlang einer festen Trajektorie beweglichen Nukleardetektor wie etwa bei üblichen PET- oder SPECT-Verfahren. Soll ein solcher Detektor jedoch ausreichende Information für ein qualitativ gutes Nuklearbild liefern, so sollte er zumindest prinzipiell Strahlung, die die abzubildende Person in möglichst verschiedenen Richtung verlässt, detektieren können. Beispielsweise beschreibt US 2010/74498 A1 einen solchen Nukleardetektor, bei dem ein Patientenbett in eine PET-Gantry hineinfahrbar ist, um ein Nuklearbild zu generieren. Ein solcher Nukleardetektor nimmt jedoch erheblichen Platz in Anspruch und erschwert den Zugriff auf die abzubildende Person. Aus diesem Grund kann ein solcher Detektor nur mit Schwierigkeiten, wenn überhaupt, in einer Operationsumgebung eingesetzt werden. Wenn sie jedoch außerhalb eingesetzt werden, ist das Bild nicht mehr notwendigerweise aktuell, etwa aufgrund von zwischenzeitlichen Bewegungen des abzubildenden Person.
  • Auf einem grundlegend anderen Ansatz basieren sogenannte Freehand-(Freihand-)Nukleardetektoren wie z.B. Freehand-SPECT Detektoren: Hier ist eine Nuklearsonde (typischerweise ein Detektor für Nuklearstrahlung mit einem davorgeschalteten Kollimator) frei beweglich, d.h. zumindest lokal – in einem begrenzten Raumgebiet – in allen drei Raumrichtungen beweglich und in der Regel auch bezüglich allen drei Raumwinkeln drehbar. Diese Freehand-Nukleardetektoren erlauben es, Strahlung aus verschiedenen Richtungen bezüglich der abzubildenden Person zu detektieren, ohne dass sie im Weg wären, und können daher auch in einer Operationsumgebung problemlos eingesetzt werden. Solche Freehand-Nukleardetektoren sind beispielsweise in DE 10 2009 042 712 A1 beschrieben.
  • Für diese Freehand-Nukleardetektoren sind Nachführtechniken von besonderer Bedeutung, und diese Nachführtechniken sind teilweise eine Grundlage für völlig neue Bildgebungsverfahren. So können unter Verwendung von Nachführtechniken verschiedene medizinische bildgebende Verfahren wie Kernspin-Resonanz, SPECT-, optische oder PET-Bildgebung mit handgeführten Sonden auch in Situationen durchgeführt werden, in denen dies andernfalls nicht möglich wäre. Hierbei kommt ein Nachführsystem zum Einsatz, das es erlaubt, bei dem Bildgebungsverfahren verwendete Objekte wie zum Beispiel Strahlungsdetektoren als Zielobjekte nachzuführen, das heißt ihre Pose (drei Raum-Koordination und zwei oder drei Winkel-Koordination, die die Orientierung angeben) zu erfassen, insbesondere in ihrer Zeitabhängigkeit zu erfassen. Eine medizinische Anwendung wird hierin allgemein als Operation bezeichnet, d.h. chirurgische Operationen im engeren Sinne sind nur ein Teilbereich dessen, was hierin allgemeiner als Operation bezeichnet wird. Daneben wird hierin auch etwa ein Bildgebungsverfahren, oder vorbereitende oder unterstützende Handlungen einer chirurgischen Operation, als Operation verstanden. Hierbei findet die Nachführung in einer Operationsumgebung oder einem Teil derselben statt. Eine Operationsumgebung ist allgemein als Umgebung zu verstehen, in dessen Bereich medizinische Anwendungen wie eine chirurgische Operation, ein bildgebendes Verfahren, Teile eines Diagnosevorgangs und dergleichen stattfinden sollen. Beispielsweise kann die Operationsumgebung ein Teil eines Operationsraumes, insbesondere ein Bereich für einen zu operierenden Patienten, sein. Auch wenn im Folgenden der Anwendungsfall einer chirurgischen Operation durch einen Arzt besonders betont wird, so können andere Ausführungsformen auch auf andere medizinische Anwendungen gerichtet sein, etwa auf Anwendungen für Verfahren zur Instrumentenführung oder für nachgeführte bildgebende Verfahren.
  • Die nachgeführten Freehand-Bildgebungsverfahren finden jedoch im Vergleich zu den üblichen Verfahren teilweise unter weniger kontrollierten Bedingungen statt. Ob ein Bild mit guter Qualität erhalten werden kann, hängt maßgeblich auch von der Erfahrung des Benutzers ab und kann darüber hinaus erhöhte Zeit in Anspruch nehmen. Während dieser Zeit ist im Fall einer intraoperativen Bildgebung die Operationsumgebung belegt.
  • Vor diesem Hintergrund wird daher ein Nuklearbildsystem zum Aktualisieren eines ursprünglichen Nuklearbilds gemäß den Ansprüchen 1 und 2, und ein entsprechendes Verfahren gemäß den Ansprüchen 10 und 11 vorgeschlagen. Weitere bevorzugte Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, aus den Figuren und aus der Beschreibung.
  • Das Nuklearbildsystem erlaubt es, ein ursprüngliches Nuklearbild zu generieren, ohne zwingend auf Randbedingungen Rücksicht zu nehmen, die bei einem direkt in einer Operationsumgebung aufzunehmenden Nuklearbild zu beachten sind, insbesondere auf die Zugänglichkeit der Operationsumgebung. Dieses ursprüngliche Nuklearbild beschreibt möglicherweise keine aktuellen Veränderungen, wie etwa zwischenzeitliche Bewegungen der abzubildenden Person oder innerhalb der abzubildenden Person (etwa von Organen im Körper), Veränderungen der Strahlungsquelle (des Radiopharmakons) im Körper und dergleichen. Dieser Nachteil wird jedoch kompensiert, indem aktuelle Messungen der nuklearen Strahlung mit dem frei beweglichen Nuklearstrahlungs-Detektor ermöglicht werden und / oder aktuelle Lagemessungen des Patienten ermöglicht werden. Das Bildaktualisierungs-Modul ermöglicht es, das ursprüngliche Nuklearbild zu verändern und auf diese Weise diese aktuellen Informationen zu berücksichtigen und in das aktualisierte Bild einfließen zu lassen.
  • Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zum Ausführen der offenbarten Verfahren und umfasst auch Vorrichtungsteile zum Ausführen jeweils einzelner Verfahrensschritte. Diese Verfahrensschritte können durch Hardwarekomponenten, durch einen mittels entsprechender Software programmierten Computer, durch eine Kombination von beiden, oder in irgendeiner anderen Weise ausgeführt werden. Die Erfindung ist des Weiteren auch auf Verfahren gerichtet, gemäß denen die jeweils beschriebenen Vorrichtungen arbeiten. Sie beinhaltet Verfahrensschritte zum Ausführen jeder Funktion der Vorrichtungen.
  • Ein möglicher Aspekt der Erfindung bezieht sich auch auf das hierin beschriebene Nuklearbildsystems zur Verwendung für intra-operative Nuklearbildgebung.
  • Im weiteren soll die Erfindung anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden, aus denen sich weitere Vorteilteile und Abwandlungen ergeben. Dazu zeigen:
  • 1 zeigt eine Vorrichtung zur 3D-Akquisition und 3D-Visualisierung;
  • 2 zeigt Komponenten eines Nuklearbildsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 3 bis 6 zeigen Komponenten von Nuklearbildsystemen gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung;
  • 7 zeigt eine diagrammatische Darstellung der Funktionsweise eines Nuklearbildsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 8 zeigt eine diagrammatische Darstellung der Funktionsweise eines Bildaktualisierungs-Moduls des Nuklearbildsystems von 7; und
  • 9 zeigt ein Ablaufdiagramm mit Schritten eines Verfahrens zum Aktualisieren eines ursprünglichen Nuklearbilds gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, von denen einige auch in den Figuren beispielhaft dargestellt sind. Bei der folgenden Beschreibung der Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Komponenten. Im Allgemeinen werden nur Unterschiede zwischen verschiedenen Ausführungsformen beschrieben. Hierbei können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform beschrieben werden, auch ohne weiteres im Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden, um noch weitere Ausführungsformen zu erzeugen.
  • 1 zeigt Teile eines Nuklearbildsystems gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung, welches ein gespeichertes ursprüngliches Nuklearbild zu aktualisieren vermag. Das ursprüngliche Nuklearbild wurde in der in 1 dargestellten Situation bereits aufgenommen und ist auf einem Datenspeicher, z.B. im Datenerfassungssystem 90, gespeichert.
  • Es handelt sich bei dem ursprünglichen Nuklearbild um ein vollständiges dreidimensionales Nuklearbild, welches aufgrund einer früheren Messung rekonstruiert wurde. Die Messung kann mit dem in 1 dargestellten System erfolgt sein; alternativ kann das ursprüngliche Nuklearbild auch durch ein separates System (etwa mittels eines nicht frei beweglichen, also ortsfesten oder entlang einer festgelegten Trajektorie beweglichen Nukleardetektors) erzeugt worden sein. Das ursprüngliche Nuklearbild gibt eine räumliche Strahlungsintensitätsverteilung einer Strahlungsquelle wieder, etwa die Strahlungsintensität in Abhängigkeit jeweiliger Voxel. Ein Bildkoordinatensystem des Nuklearbilds wird im Folgenden als KN bezeichnet.
  • Weiter ist in 1 ein Nuklearstrahlungs-Detektor 50 zum Messen von nuklearer Strahlung dargestellt. Der Nuklearstrahlungs-Detektor 50 ist entlang eines frei veränderlichen Pfads beweglich, also zumindest lokal in allen drei Raumrichtungen beweglich und in diesem Fall auch bezüglich aller drei Raumwinkel drehbar. Weitere Beispiele für einen entlang eines frei veränderlichen Pfads beweglichen Detektor sind etwa ein an einem steuerbaren Roboterarm mit genügend Freiheitsgraden befestigter Detektor, ein während der Messung frei verschiebbarer und höhenverstellbarer Detektor, und dergleichen.
  • Der Nuklearstrahlungs-Detektor 50 umfasst einen Kollimator, der nur selektiv Strahlung aus einem bestimmten Winkelbereich und passieren lässt, und in Strahlrichtung dahinter ein Detektorelement, um Nuklearstrahlungswerte, genauer gesagt eine gemessene Strahlungsintensität oder -Häufigkeit als Funktion der Zeit, zu erhalten. Optional umfasst der Nuklearstrahlungs-Detektor 50 einen Energiefilter, um Nuklearstrahlung vor der Detektion energetisch zu filtern.
  • Allgemein kann der Nuklearstrahlungs-Detektor kann ein Detektor der Dimension 0, 1 oder 2 sein. Hierbei ist ein Detektor der Dimension 0 derart beschaffen, dass er zu einer gegebenen Zeit die Messung eines einzigen Strahlungswertes im Detektorvolumen erlaubt. Ein Beispiel hierfür ist eine einzelne Gammasonde, gegebenenfalls mit davor angebrachtem Kollimator. Dimension 1 bedeutet, dass der Detektor die ortsaufgelöste Messung entlang einer eindimensionalen Linie erlaubt; und Dimension 2 bedeutet, dass der Detektor eine in beiden Richtungen einer 2D-Fläche ortsaufgelöste Messung erlaubt. Ein Beispiel für einen 2D-Sensor ist eine Gamma-Kamera. Eine Analogie für einen 2D-Sensor im Fall eines optischen Sensors wäre beispielsweise ein CCD-Sensor. Zusätzlich kann eine weitere Ortsauflösung durch Bewegen des Detektors und zeitabhängige Messung erfolgen.
  • Es kann sich bei dem Detektor etwa um einen Nuklearsonde, eine Nuklear-Kamera, eine Koinzidenz-Kamera, eine Compton-Kamera oder eine Kombination daraus handeln.
  • Allgemein handelt es sich um einen Freehand-Detektor, und der Detektor ist für die Handhabung mit einer Hand ausgelegt und weist einen Griffbereich zum Greifen und Halten des Detektors durch eine Hand auf. Optional kann ein Detektorhalter zur Verfügung gestellt sein, der den Detektor auch beim Loslassen in einer definierten Position hält.
  • Der Nuklearstrahlungs-Detektor 50 kann weiter eine Datenschnittstelle zum Übertragen der Messdaten an ein geeignetes Datenerfassungssystem 90, beispielsweise an einen geeigneten Computer, enthalten. Teile des Nuklearstrahlungs-Detektors 50, etwa Teile des Detektor-Elements, können auch räumlich getrennt vom restlichen Nuklearstrahlungs-Detektor 50 untergebracht sein.
  • Weiter zeigt 1 ein Nachführ-System 60, welches zum Nachführen des Nuklearstrahlungs-Detektors 50 während des Messens nuklearer Strahlung dient und im Folgenden beschrieben wird. Nachführen (Tracking) bedeutet hierin das zeitabhängige Erfassen der Pose des Nuklearstrahlungs-Detektors 50, d.h. seiner räumlichen Lage und seiner Orientierung. Die Lage wird mittels dreier Detektor-Koordinaten zur Beschreibung der Lage im dreidimensionalen Raum beschrieben; und die Orientierung wird mit Hilfe von üblicherweise drei Detektor-Raumwinkeln beschrieben. In Ausführungsformen reichen jedoch auch zwei Raumwinkel aus, nämlich dann, wenn eine Drehung des Detektors um seine Achse ohnehin keinerlei Auswirkungen auf die Messung hat, wie dies etwa bei manchen 0-dimensionalen Detektoren der Fall ist.
  • Bei dem in 1 gezeigten Nachführsystem handelt es sich um ein optisches Nachführsystem. Für dieses System ist an dem Nuklearstrahlungs-Detektor 50 ein optisches Nachführszielobjekt 62 mit optischen Markierungen fixiert. Auf Basis der relativen Positionen der Markierungen, die mittels einer stereoskopischen Kamera 64a, 64b aufgenommen werden, können die Position und Orientierung (Pose) des Nuklearstrahlungs-Detektors 50 mit hoher Präzision in Echtzeit abgeschätzt werden. Diese Pose kann in einem Detektor-Koordinatensystem, im Folgenden als KD bezeichnet, ausgedrückt werden.
  • Das Nachführsystem ist ausgestattet, die Pose des Nuklearstrahlungs-Detektors 50 (Koordinatensystem KD) in Relation zu dem ursprünglichen Nuklearbild (Koordinatensystem KN) zu erfassen und anzugeben. Zu diesem Zweck ist das Nachführsystem angepasst, um einen räumlichen Bezug zwischen den Systemen KD und KN herzustellen. In der Ausführungsform von 1 wird dies erreicht, indem ein weiteres Nachführszielobjekt 82 an der abzubildenden Person 84 angebracht wird.
  • Die Position bzw. Pose des Nachführzielobjekts 82 im Nuklearbild-Koordinatensystem KN ist bekannt (z.B. durch Kalibrierung) oder wurde am Anfang der Prozedur durch Registrierung berechnet. Beispielsweise kann bereits während der Aufzeichnung des ursprünglichen Nuklearbilds das Nachführzielobjekt 82 an der Person 84 befestigt sein, und der dabei verwendete Nuklearbild-Detektor mit einem weiteren Nachführzielobjekt (analog dem Nachführzielobjekt 62) ausgestattet sein, um das Nachführzielobjekt 82 im Nuklearbild-Koordinatensystem KN zu registrieren, also eine Relation zwischen der Position des Nachführzielobjekt 82 und dem Nuklearbild-Koordinatensystem KN herzustellen. Allgemeiner kann die Registrierung als Punkt-basierte Registrierung, Oberflächen-basierte Registrierung, Bildbasierte Registrierung (etwa mit Hilfe einer Bilderkennung, die auf dem Bild erkennbare „Landmarks“ in Übereinstimmung bringt), oder eine Kombinationen dieser erfolgen.
  • Indem die Pose des Nachführzielobjekts 82 nun durch das Nachführsystem 60 auch in dem Detektor-Koordinatensystem KD erfasst wird, kann der Zusammenhang (Koordinatentransformation) zwischen KD und KN auf dem Fachmann bekannte Weise ermittelt werden. Aufgrund dieses Zusammenhangs geben die Detektor-Koordinaten die Pose des nachgeführten Nuklearstrahlungs-Detektors 50 auch in Relation zu dem Bildkoordinatensystem KN des Nuklearbilds an. Hierzu ist es nicht notwendig, dass die Detektor-Koordinaten tatsächlich in Koordinaten des Nuklearbild-Koordinatensystems KN umgerechnet werden; es genügt das Vorhandensein einer – in diesem Fall durch das Nachführzielobjekts 82 hergestellten – nachvollziehbaren Relation bzw. Transformation zwischen KD und KN.
  • Bei dieser Ausführungsform kann die stereoskopische Kamera 64a, 64b optional bewegt werden, auch zeitabhängig, und braucht selbst nicht nachgeführt zu werden, solange beide Nachführzielobjekte 62 und 82 in ihrem Blick sind, denn Kenntnis der Pose dieser beiden Nachführzielobjekte 62 und 82 in einem beliebigen gemeinsamen Koordinatensystem genügt, um die Pose des Detektors 50 in Relation zu dem Nuklearbild-Koordinatensystem KN (definierbar mittels Nachführzielobjekt 82) zu berechnen, z.B. als relative Pose bzw. Differenz-Pose. Alternativ kann die stereoskopische Kamera fix auf eins der Nachführzielobjekte gebunden sein.
  • Wie die Messwerte der Nuklearsonde 50 werden auch die Nachführ-Informationen (zeitabhängige Pose) mit einer (nicht gezeigten) Datenschnittstelle an das Datenerfassungssystem 90 geschickt. Das Datenerfassungssystem 90 hat einen Nukleardaten-Eingang zum Empfangen der Nuklearstrahlungswerte von dem Nuklearstrahlungs-Detektor 50 und der Detektor-Koordinaten (Pose) von dem Nachführ-System 60. Der Nukleardaten-Eingang umfasst auch ein Synchronisierungsmodul, welches die Nuklearstrahlungswerte zu den jeweiligen Detektor-Koordinaten zuzuordnen vermag. Zu diesem Zweck können beispielsweise Zeitstempel, mit denen die Nuklearstrahlungswerte und die Detektor-Koordinaten versehen sind, verglichen werden und in einem gemeinsamen Zeitfenster erfolgte Größen einander zugeordnet werden. Alternativ kann die Pose, die einem bestimmten Nuklearstrahlungswerte zugeordnet wird, auch durch Interpolation von zeitliche benachbarten gemessenen Posen ermittelt werden. Allgemein wird diese Zuordnung auch als Synchronisierung der Nuklearstrahlungswerte mit den Detektor-Koordinaten (der Detektor-Pose) bezeichnet.
  • Als allgemeiner Aspekt erlauben die gemessenen Nuklearstrahlungswerte für sich genommen nicht notwendigerweise eine komplette 3D-Rekonstruktion eines Nuklearbildes. Dennoch sind sie für eine Aktualisierung des gespeicherten ursprünglichen Nuklearbilds nützlich, wie im Folgenden beschrieben wird.
  • Mit Bezug auf 7 wird nun die Aktualisierung des gespeicherten ursprünglichen Nuklearbilds genauer beschrieben. Die Aktualisierung erfolgt durch ein Bildaktualisierungs-Modul 20, welches beispielsweise als ein auf dem Computer 90 (siehe 1) laufendes Programm implementiert sein kann. Weiter sind in 7 die folgenden bereits oben beschriebenen Elemente dargestellt: Nuklearstrahlungs-Detektor 50, Nachführ-System 60, und Nukleardaten-Eingang 70 mit dem Synchronisierungsmodul zum Zuordnen der Nuklearstrahlungswerte zu den jeweiligen Detektor-Koordinaten.
  • Das Bildaktualisierungs-Modul 20 enthält eine Aktualisierungs-Vorschrift, um das in dem Datenspeicher gespeicherte ursprüngliche Nuklearbild 10 in Abhängigkeit der Nuklearstrahlungswerte und der Detektor-Koordinaten zu verändern und auf diese Weise ein aktualisiertes dreidimensionalen Nuklearbild 18 zu erhalten, in dem aus den Messdaten gewonnene Information berücksichtigt ist. Das Bildaktualisierungs-Modul 20 erzeugt somit ein aktualisiertes dreidimensionalen Nuklearbild 18 durch Anwenden der Aktualisierungs-Vorschrift auf das ursprüngliche Nuklearbild 10.
  • Hierfür enthält das Bildaktualisierungs-Modul 20 eine Bildvariierungsfunktion 22 und ein Bildqualitäts-Funktional 24. Das Bildqualitäts-Funktional 24 greift als Eingangsgrößen auf die Nuklearstrahlungswerte (genauer gesagt, den Datensatz umfassend die Nuklearstrahlungswerte und die zugehörigen Detektor-Posen) von dem Nukleardaten-Eingang 70 und auf das Nuklearbild zu. Dabei kann es sich um das ursprüngliche Nuklearbild oder um ein bereits variiertes Nuklearbild handeln. Aus diesen Eingangsgrößen, und falls nötig aus weiteren Größen, errechnet das Bildqualitäts-Funktional 24 einen Bildqualitätswert (als reelle Zahl), der eine Güte des Nuklearbildes im Hinblick auf die neu gemessenen Nuklearstrahlungswerte angibt. Weiter unten ist eine beispielhafte Implementierung eines Bildqualitäts-Funktionals 24 beschrieben, bei der ein niedriger Bildqualitätswert eine hohe Güte des Nuklearbildes ausdrückt. In diesem – im Folgenden angenommenen – Fall ist das Bildaktualisierungs-Modul 20 so implementiert, dass das Nuklearbild 10 so variiert wird, dass es ein Minimum des Bildqualitäts-Funktionals 24 annähert. Jedoch ist auch – mit naheliegenden Änderungen – eine äquivalente Implementierung möglich, bei der ein hoher Bildqualitätswert eine hohe Güte des Nuklearbildes ausdrückt und ein Maximum angenähert wird.
  • Die Bildvariierungsfunktion 22 dient zum Variieren des Nuklearbilds 10 (oder eines bereits variierten Nuklearbilds) in Abhängigkeit einer Anzahl von Argumenten bzw. Parametern, die auch Zufallsparameter sein können. Weiter unten ist eine beispielhafte Implementierung einer Bildvariierungsfunktion 22 beschrieben.
  • Das Bildaktualisierungs-Modul 20 greift auf das ursprüngliche Nuklearbild 10 zu und variiert es unter Verwendung der Bildvariierungsfunktion 22 so, dass das Ergebnis ein Minimum des Bildqualitäts-Funktionals 24 annähert (im Rahmen der durch die Bildvariierungsfunktion 22 erzeugbaren Nuklearbilder). Dies kann – je nach dem Bildqualitäts-Funktional 24 – in einigen Fällen durch exakte Berechnung geschehen, kann aber in der Regel am effizientesten durch ein iteratives Verfahren erreicht werden. Dabei wird die Bildvariierungsfunktion 22 mehrfach hintereinander auf das ursprüngliche Nuklearbild 10 angewendet bzw. rekursiv auf das zuvor erhaltene und gespeicherte variierte Nuklearbild angewendet. Alternativ wird die Bildvariierungsfunktion 22 immer wieder auf das ursprüngliche Nuklearbild 10 angewendet, wobei Parameter der Bildvariierungsfunktion 22 iterativ so angepasst werden, dass das Minimum schrittweise angenähert wird. Das Nuklearbilds 10 kann in diesem Fall auch lediglich indirekt variiert werden, indem lediglich die Parameter der Bildvariierungsfunktion 22 variiert werden und das Bildqualitäts-Funktional 24 in Abhängigkeit dieser Parameter ausgedrückt wird. Auch eine solche Variation lediglich dieser Parameter ist als (indirekte) Variation des Nuklearbilds anzusehen, da das variierte Nuklearbild jederzeit durch die Bildvariierungsfunktion 22 aus den Parametern erhalten werden kann.
  • Wenn die Anzahl der Argumente der Bildvariierungsfunktion 22 groß ist, handelt es sich um ein hochdimensionales Minimierungsproblem. Iterative Algorithmen zum effizienten Lösen solcher Probleme, wie etwa das Konjugierte-Gradienten-Verfahren, Simplex-Verfahren, simuliertes Annealing-Verfahren, sind bekannt und beispielsweise in der Veröffentlichung „Numerical Recipes“ (verfügbar unter http://www.nr.com) beschrieben. Weitere Verfahren sind Monte-Carlo-basierte bzw. Random-Walk-Verfahren. Mit Hilfe dieser oder weiterer Verfahren variiert das Bildaktualisierungs-Modul 20 das (ursprüngliche oder bereits variierte) Nuklearbild 10 mittels der Bildvariierungsfunktion 22 iterativ so, dass das resultierende Nuklearbild sich schrittweise einem Minimum des Bildqualitäts-Funktionals 24 annähert. Wenn die Iterationen abgeschlossen sind, wird das schließlich resultierende Nuklearbild als das aktualisierte Nuklearbild 18 ausgegeben.
  • Hierin wird auch die folgende Nomenklatur verwendet:
    Größe Symbol Beschreibung
    Nuklearbild 10, 18 V X·Y·Z Voxel im Koordinatensystem KN
    Bildvariierungsfunktion 22 T, T(V) Abbildung T:V -> T(V); T(V) ist das variierte Nuklearbild (X·Y·Z Voxel, Koordinatensystem KN). T hängt von weiteren Transformationsparametern ab.
    Nukleardaten b, b(i) Vektor der Länge N (=Anzahl der Messungen), i = 1 .. N, wobei die Werte b je nach der Dimension d des Detektors Zahlenwerte (d=0) oder Arrays der Dimension d (d = 1, 2) sind.
    Pose p, p(i) Für jede Messung p(i) die zugehörigen Pose-Angaben (Lage und Orientierung des Nukleardetektors), in einem Koordinatensystem KD, dessen Relation zu KN bekannt ist.
    Projektion P(p, V) Gibt für ein Nuklearbild V zugehörige simulierte Nukleardaten b = P(V) aus, die von einem Detektor mit den Posen p gemessen werden sollten.
    Qualitätsfunktional Q(V, p, b) Ergibt eine reelle Zahl
  • Mit dieser Nomenklatur errechnet der oben beschriebene und in 7 dargestellte Algorithmus das resultierende Nuklearbild Vr als Minimum, Vr = argminT Q(T(V), p, b).
  • Das Bildqualitäts-Funktional 24, Q(T(V), p, b), kann wie folgt implementiert werden: Q(T(V), p, b) = ║P(p, T(V)) – b║L2 = ∑i(P(p, T(V))(i) – b(i))2 (1)
  • Dieses Funktional wird aus den Nuklearstrahlungswerten und dem variierten Nuklearbild – und zusätzlich aus der Pose – errechnet und gibt die Abweichung der gemessenen Nukleardaten b von den für das Nuklearbild V erwarteten bzw. simulierten Messdaten P(p, V) an. Somit drückt ein niedriger Bildqualitätswert eine hohe Güte des Nuklearbildes aus. Es können statt der in (1) verwendeten L2-Norm auch beliebige andere Funktionen zur Berechnung einer Abweichung verwendet werden, z.B. eine beliebige L-Norm, eine beliebige Korrelationsfunktion, oder dergleichen.
  • Weitere Erweiterungen zu Gleichung (1) sind möglich. Beispielsweise kann zu dem obigen Bildqualitäts-Funktional (1) noch ein Regularisierungsterm R(T) addiert werden. Ein solcher Regularisierungsterm R(T) kann eine Plausibilität einer bestimmten Bildtransformation T ausdrücken. Beispielsweise kann der Regularisierungsterm R(T) einen erhöhten Wert für das Nuklearbild zu stark verzerrende Bildtransformationen T ausgeben (im Ausdruck R(T) steht das Argument T für einen Satz von Parametern, die die Bildtransformationsfunktion T bestimmen). Ein solcher Regularisierungsterm kann physikalisch als Elastizität der Bildtransformation interpretiert werden, da starke Verzerrungen unterdrückt werden. Auf solche oder ähnliche Weise können verschiedene physikalische Modellannahmen über mögliche Bildverzerrungen umgesetzt werden, beispielsweise Masseerhaltung, Aktivitätserhaltung, Elastizität, mögliche Änderungen eines Tracers im menschlichen Körper. Diese Modelle können insbesondere physikalische Modelle von im menschlichen Körper möglichen Verformungen beinhalten, etwa diskrete Modelle (z.B. Partikel-und-Feder-Modelle) oder kontinuierliche Modelle (z.B. Hyperelastizitäts-Modelle). Die Regularisierungsterme können auch weitere externe Informationen berücksichtigen, etwa eine Information über zwischenzeitliche Tracer- oder Radioaktivitätsveränderungen innerhalb des Körpers (z.B. Menge von zusätzlich injiziertem Tracer, Menge von bereits entferntem Gewebe, etc.). Durch solche Regularisierungsterme kann mich höherer Sicherheit eine auch physikalisch sinnvolle Bildtransformation ermittelt und ein resultierendes Bild guter Qualität gefunden werden. Weitere Regularisierungsterme und -methoden sind aus der Mathematik bekannt und können ebenfalls hier eingesetzt werden. Anstatt über einen Regularisierungsterm können bestimmte Modelle möglicher Verformungen auch im Rahmen der Bildvariierungsfunktion 22 implementiert werden, etwa indem diese Funktion nur bestimmter Bildänderungen erlaubt.
  • Der Regularisierungsterm kann nicht nur von der Bildtransformationsfunktion T bzw. deren Parametern, sondern zusätzlich von weiteren Parametern wie dem transformierten Bild T(V) selbst oder von der Historie der bisherigen Transformationen abhängen. Der Regularisierungsterm kann auch Modelle des Bilds beinhalten. Solche Modelle können als sogenannte Finite Element Models (FEM), Finite Volume Models (FVM), Statistical Shape Models, Statistical Deformation Models implementiert werden. Beispiele für einen Regularisierungsterm sind im Folgenden gemeinsam mit möglichen Bildtransformationen T genannt.
  • Es kann auch zusätzlich eine Abbruchbedingung implementiert werden. Etwa wenn der durch das Bildqualitäts-Funktional berechnete Bildqualitätswert zu gering ist und/oder ein akzeptabler Wert eine unrealistische Bilddeformation erfordert, dann kann die Ausgabe eines Warnsignals veranlasst werden.
  • Die Bildvariierungsfunktion 22, T(V), kann beispielsweise wie folgt implementiert werden: Mittels einer Segmentierfunktion wird das urprüngliche Nuklearbild 10 zunächst in Teilvolumina segmentiert (unterteilt). Diese Unterteilung kann nach einer festen Vorschrift (etwa in s3 gleich große Teilvolumina der Größe X/s·Y/s·Z/s) oder in Abhängigkeit einer Bilderkennung und/oder eines anatomischen Körpermodells erfolgen, die etwa bestimmte Körperteile als Ganzes erkennt und segmentiert. Mögliche Bildsegmentierungsalgorithmen sind sogenannte region growing-, level sets-, snakes-, Histogramm-basierte, Atlas-basierte, Graphen-basierte oder ähnliche Segmentierungsalgorithmen. Die Bildvariierungsfunktion 22 ist dann konfiguriert, um in Abhängigkeit jeweiliger Parameter auf jedes, oder zumindest auf einige, dieser Teilvolumina zumindest eine oder mehrere Operationen anzuwenden. Soche Operationen können aus folgender Menge ausgewählt sein: Drehen, Verschieben, Strecken / Stauchen, Verzerren, Scheren, oder eine Mischung daraus.
  • In einem einfachen, aber bereits nützlichen Beispiel erlaubt die Bildvariierungsfunktion 22 beispielsweise nur eine voneinander unabhängige Verschiebung der jeweiligen Teilvolumina. In diesem Fall ist die Transformation durch einen Satz von Verschiebungsvektoren t1 ... tm (ein Vektor für jedes von m verschiebbaren Teilvolumina) beschreibbar. In einem komplizierteren Beispiel werden zusätzlich die Grenzbereiche der Teilvolumina so in Abhängigkeit der Verschiebung deformiert (gedehnt oder gestaucht), dass die Grenz-Voxel benachbarter Teilvolumina nicht zu sehr gegeneinander verschoben werden.
  • Eine ähnliche Wirkung kann auch mittels eines Regularisierungsterms erreicht werden, der für jedes Paar von benachbarten Teilvolumina k, l einen Summanden f(tk, tl) = (tk – tl)2 enthält, der wie eine elastische Feder wirkt und zu stark voneinander abweichende Verschiebungen unterdrückt: R(T) = c·∑k,l(tk – tl)2
  • Allgemeiner gesagt und gemäß einem allgemeinen Aspekt kann somit das Bildqualitäts-Funktional einen Fehlerterm (Konsistenzterm) und einen Regularisierungsterm enthalten, wobei der Fehlerterm von dem variierten Nuklearbild, den Nuklearstrahlungswerten und den Detektor-Koordinaten (zumindest indirekt) abhängt und eine Konsistenz (also eine Güte der Übereinstimmung oder auch eine Inkonsistenz) zwischen dem variierten Nuklearbild und den Nuklearstrahlungswerten ausdrückt; und wobei der Regularisierungsterm zumindest von dem variierten Nuklearbild (zumindest indirekt, z.B. über Variierungsparameter) abhängt und eine Plausibilität des variierten Bildes ausdrückt.
  • Allein eine einfache Verschiebung oder Drehung des Nuklearbilds als Ganzes wird noch nicht als eine Bildvariierungsfunktion betrachtet, da in diesem Fall das Nuklearbild nicht im eigentlichen Sinn variiert wird. Für eine Bildvariierung ist eine komplexere Veränderung des Nuklearbilds, zumindest eine Stauchung, Dehnung, oder Segmentierung in mindestens zwei Teilvolumina und deren zumindest teilweise unabhängige Verschiebung, erforderlich.
  • Gemäß einer weiteren Ausführung des Bildaktualisierungs-Moduls 20 kann dieses auch einen Bildrekonstruktionsalgorithmus 36 umfassen, wie er in 8 dargestellt ist. Der Bildrekonstruktionsalgorithmus 36 empfängt das ursprüngliche Nuklearbild 10 als Startbild bzw. Startvektor (Input 32), und wendet darauf zumindest einige Schritte eines iterativen Bildrekonstruktionsverfahrens zur Rekonstruktion eines rekonstruierten Nuklearbilds ausgehend von dem ursprünglichen Nuklearbild als Startbild an. Dabei verwendet der Bildrekonstruktionsalgorithmus 36 einerseits zumindest einen Teil der zur Rekonstruktion des ursprünglichen Nuklearbilds verwendeten Messdaten 12 (Daten 34), und daneben jedoch auch die Nuklearstrahlungswerte 35 von dem Nuklearstrahlungs-Detektor 50 und die Detektor-Koordinaten von dem Nachführ-System 60. Nach einigen Iterationsschritten wird das rekonstruierte Nuklearbild sodann als das aktualisierte Nuklearbild 18 ausgegeben. Ein solches iteratives Bildrekonstruktionsverfahren des Bildrekonstruktionsalgorithmus 36 kann ebenfalls auf dem iterativen Variieren des Nuklearbilds 32 mittels einer Bildvariierungsfunktion und eines Bildqualitäts-Funktionals erfolgen.
  • Im Folgenden werden mit Bezug auf 2 bis 7 weitere Ausführungsformen beschrieben. Die Ausführungsformen ähneln der Ausführungsform von 1 und untereinander, und gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleichartige Komponenten. Abgesehen von den nachfolgend beschriebenen Abweichungen kann die Beschreibung der übrigen Figuren auch für die jeweils beschriebene Figur herangezogen werden.
  • Der Nukleardetektor 50 von 2 ist nicht direkt, sondern nur indirekt, über ein mechanisches Nachführsystem 62a, mit einem Nachführszielobjekt 62 verbunden. Dieses mechanische Nachführsystem 62a verbindet den Detektor 50 über eine Reihe von Armen an einen Referenzkörper, dem Bett 86 für die abzubildende Person 84. Die Arme des Nachführsystems 62a sind derart mit Gelenken aneinander verbunden, dass der Detektor frei beweglich ist (also zumindest innerhalb eines bestimmten Volumens in alle drei Raumrichtungen bewegt und hier sogar frei gedreht werden kann). Gleichzeitig halten die Arme den Detektor auch bei Loslassen in einer definierten Position.
  • Die Auslenkung der Gelenke des Nachführsystems 62a wird erfasst und somit die Pose relativ zu dem Referenzkörper 86 nachgeführt. Der Referenzkörper 86 wiederum ist fix mit dem Nachführszielobjekt 62 verbunden. Letztlich wird somit in 2 das Gleiche wie in 1 erreicht, nämlich eine relative Pose zwischen den Nukleardetektor einerseits (Koordinatensystem KD) und dem am Patienten befestigten Nachführszielobjekt 82 (Koordinatensystem ND) bestimmt.
  • Bei dem Nukleardetektor von 3 wird somit über ein mechanisches Nachführsystem 62a die relative Pose des Nukleardetektors zum Bett 86 bestimmt. Die abzubildende Person liegt derart an einer vorbestimmten Position auf dem Bett 86 bzw. ist derart daran fixiert, dass eine feste Lage des Nuklearbild-Koordinatensystems KN relativ zum Bett 86 angenommen werden kann. Somit erlaubt das Nachführsystem 62a wiederum eine Beziehung zwischen Detektor-Koordinatensystem KD und Nuklearbild-Koordinatensystems KN.
  • Die Ausführungsform von 3 hat den Nachteil, dass Lageveränderungen des Patienten nur indirekt aus den Nukleardaten (über das Bildqualitätsfunktional) erkannt werden können. Dieser Nachteil kann gemäß einem allgemeinen Aspekt wie folgt vermindert werden: Ein Lokalisierungsmodul lokalisiert zumindest eine Referenzkörperstelle der abzubildenden Person 84 relativ zu dem Bildkoordinatensystem KN, vorzugsweise während oder unmittelbar vor / nach dem Messen der nuklearen Strahlung, so dass keine substantielle Lageveränderung der Person 84 zu erwarten ist. Diese Lokalisation braucht nicht in Koordinaten des Bildkoordinatensystems zu sein. Diese Lokalisierung kann dann beispielsweise das Registrieren der zumindest einen Referenzkörperstelle mit einer entsprechenden Stelle im Nuklearbild ermöglichen und so eine noch zuverlässigere Zuordnung erlauben.
  • Gemäß einem Beispiel werden weitere Lagedaten, die von einer Lage der abzubildenden Person 84 abhängen, gesammelt, und das ursprüngliche Nuklearbild wird in Abhängigkeit dieser Lagedaten vortransformiert. Wenn hierin von der abzubildenden Person 84 die Rede ist, so muss sich dies nicht unbedingt auf die gesamte Person beziehen, sondern es kann sich auch auf nur einen Teils dieser Person beziehen. Beispielsweise können die Lagedaten auch die Lage nur eines Teils der abzubildenden Person, aber nicht ihres gesamten Körpers, wiedergeben.
  • In einer Variation der Ausführungsform von 3 entsprechend diesem Aspekt ist beispielsweise eine Auflagefläche des Betts 86 mit Gewichtssensoren ausgestattet. Die Gewichtssensoren liefern Gewichtsverteilungsdaten, die eine Gewichtsverteilung der abzubildenden Person 84 wiedergeben. Durch Vergleich mit etwa entsprechenden bei der Aufnahme des ursprünglichen Nuklearbilds gemessenen Gewichtsverteilungsdaten kann nun ein Bild-Vorprozessor eine Lageveränderung erkennen und das Nuklearbild entsprechend vortransformieren (z.B. das Bild als Ganzes oder Teile davon entsprechend einer Schwerpunktsverschiebung oder Aufdruckstellenverschiebung verschieben).
  • Alternativ oder zusätzlich weist das Bildqualitäts-Funktional eine Abhängigkeit von diesen Lagedaten auf. Dies ist in 7 als optionale Variante dargestellt, gemäß der das Bildqualitäts-Funktional 24 operativ mit dem Lokalisierungsmodul 80 zum Empfangen von Lokalisierungsdaten der Referenzkörperstelle verbunden ist. Lagedaten von dem Lokalisierungsmodul 80 fließen in dem Bildqualitäts-Funktional 24 ein und werden zum Errechnen des Bildqualitätswerts verwendet.
  • Entsprechend diesem Aspekt können beispielsweise durch einen weiteren Summanden in dem Qualitätsfunktional solche Bildtransformationen bevorzugt werden, die eine gute Übereinstimmung bezüglich der Lagedaten (beispielsweise der Gewichtsverteilung) bieten. Ein solcher Summand kann beispielsweise proportional sein zu der L2-Norm der Differenz zwischen den mit dem Nuklearbild mittransformierten ursprünglichen (bei der Aufnahme des ursprünglichen Nuklearbilds erhaltenen) Lagedaten und den aktuellen Lagedaten, wobei beide Lagedaten durch einen Vektor dargestellt werden.
  • Auf analoge Weise kann anstelle der Gewichtsverteilung, oder zusätzlich dazu, die Lage einer Körperoberfläche der Person 84 im Raum (z.B. eine markante und strukturierte Körperoberfläche wie z.B. im Hals- oder Achselbereich, oder eine leicht zugängliche Körperoberfläche – es muss sich nicht um die gesamte Körperoberfläche der Person 84 handeln) als Lagedaten herangezogen werden. Diese die Lage der Körperoberfläche kann durch ein Oberflächen-Bestimmungs-System ermittelt und sodann für eine Vortransformation oder Bildregularisierung verwendet werden. Die Körperoberfläche kann etwa in einem Abtastmodus mittels mechanischen Abtastens durch ein nachgeführtes Abtastobjekt, welches identisch mit dem Nukleardetektor 50 sein kann, oder mittels eines anderen Instruments zur Ermittlung der Lage einer Oberfläche, ermittelt werden. Solch ein Instrument kann etwa auch eine Time-of-flight-Kamera, eine stereoskopische Kamera, ein Laserscanner, oder eine Kombination davon sein. Zur Bestimmung der Lage der Oberfläche kann auch etwa das Nachführ-System direkt benutzt werden, etwa indem ein oder mehrere Nachführzielobjekte oder -markierungen (fiducials) daran angebracht werden. Auch kommerziell erhältliche Systeme wie z.B. das Kinect-System können für die Bestimmung der Oberfläche bzw. von Lagedaten verwendet werden.
  • Ebenfalls kann ein Bildauswertungs-System zum Auswerten zumindest eines markanten Merkmals (sogenannte Landmark) in dem Nuklearbild oder in einem zusätzlichen Bild, z.B. einem optischen Bild oder einem zusätzlich erzeugten Schnittbild wie US, CT, MR, in analoger Weise herangezogen werden. eignen sich für die Ermittlung von Lagedaten und können wie oben beschrieben verwendet werden.
  • Das Bildqualitäts-Funktional 24 enthält also gemäß einem Aspekt einen Lokalisierungsterm, der eine Übereinstimmung der von dem Lokalisierungsmodul 80 lokalisierten Referenzkörperstelle(n) mit dem Nuklearbild ausdrückt. Dieser Lokalisierungsterm kann als Teil des Konsistenzterms oder des Regularisierungsterms oder als zusätzlicher Term ausgeführt sein.
  • In der weiteren Ausführungsform von 4 ist eine hochenergetische gamma-Kamera für PET-Anwendungen auf einer Seite angeordnet. Das ursprüngliche Nuklearbild wird mittels einer PET-Bildgebung gewonnen (durch den zweidimensionalen Detektor 50) und einem nicht im Bild dargestellten weiterem Detektor zur Detektion von Koinzidenzen. Dieser weitere Detektor kann analog zu dem Detektor 60 von 1 gestaltet und insbesondere frei beweglich sein. Zusätzlich werden Lagedaten des Patienten ermittelt, und zwar durch folgende Lokalisierungs-Teilmodule, wie sie oben in Bezug auf 3 genauer beschrieben sind:
    • – eine Auflagefläche 86 mit Gewichtssensoren;
    • – eine stereoskopische Kamera 60 als Oberflächen-Bestimmungs-System; und
    • – ein an der Person 84 befestigtes Nachführzielobjekt 82.
  • Zusätzlich wird der Nukleardetektor 50 durch ein fix daran befestigtes Nachführzielobjekt 52 ebenfalls nachgeführt. Daher kann der Nukleardetektor frei bewegt werden und dennoch eine Relation zwischen dem Nachführ-Koordinatensystem und dem Detektor-Koordinatensystem erhalten bleiben. Wenn erforderlich, dann der Nukleardetektor auch komplett entfernt werden, nachdem das ursprüngliche Nuklearbild erstellt worden ist.
  • Auch hier kann das Nuklearbild mittels des Bildaktualisierungs-Moduls wie oben beschrieben iterativ variiert werden, um sich einem Minimum eines Bildqualitäts-Funktionals zu nähern. Das Bildqualitäts-Funktional kann hier beispielsweise die Abweichung zwischen den mit dem Nuklearbild mittransformierten ursprünglichen (d.h. der bei Generierung des ursprünglichen Nuklearbilds erhaltenen) Lagedaten und den aktuellen Lagedaten der Lokalisierungs-Teilmodule enthalten. Ein mit ║P(p, T(V)) – b║L2 vergleichbarer Term kann auch weggelassen werden. Ein zusätzlicher Regularisierungsterm kann optional enthalten sein.
  • Das Nachführsystem 60 in 4 ist ein elektromagnetisches Nachführsystem. Es kann jedoch ein beliebiges anderes Nachführsystem verwendet werden.
  • 5 entspricht vom Prinzip her der 4; jedoch ist hier der Nukleardetektor 50 in dem Bett 86 integriert für die nukleare Bildgenerierung verwendet. Der Nukleardetektor 50 kann für das ursprüngliche Nuklearbild verwendet werden und zusätzlich aktualisierte Nuklearmessungen liefern, die ähnlich wie in 1 beschrieben für die Aktualisierung herangezogen werden. Ähnlich wie der Detektor von 4 ist auch dieser Detektor 50 durch ein fix mit dem Bett 86 verbundenes Nachführzielobjekt 62 nachgeführt, in diesem Fall mittels eines optischen Nachführsystems 60. Zusätzlich kann ein weiterer frei beweglicher Detektor verwendet werden, um verschiedene Blickwinkel zu erlauben, entweder analog zur Beschreibung von 4 mit Hilfe eines PET-Verfahrens unter Benutzung beider Detektoren, oder als zusätzlicher Detektor in Analogie zu 1.
  • Für die Erzeugung von Lagedaten, die mittels des Lokalisierungsmoduls für die Aktualisierung des Nuklearbilds herangezogen werden können, ist hier lediglich das am Patienten 84 befestigte Nachführzielobjekt 82 dargestellt, aber es lassen sich auch zusätzlich die übrigen hierin beschriebenen Lagedaten verwenden.
  • In allen 1 bis 5 ist zusätzlich ein Bildschirm zum Ausgeben des aktualisierten Nuklearbilds 92 und ggf. zusätzlicher Informationen gezeigt. Das System 90 gibt das aktualisierte Nuklearbild in Echtzeit (genauer: Fast-Echtzeit) auf dem Bildschirm 92 wieder. Echtzeit bedeutet, dass das Bild kontinuierlich auf Basis der soeben gewonnenen Messungen aktualisiert wird. Dies ist möglich, da keine vollständige Bildrekonstruktion erfolgen muss, und da weniger Messungen als für eine komplette Bildrekonstruktion erforderlich sind bzw. berücksichtigt werden müssen.
  • Dieser Bildschirm ist in weiterem Detail in 6 dargestellt. Da es sich bei dem aktualisierten Nuklearbild – wie auch bei dem ursprünglichen Nuklearbild – um ein vollständiges dreidimensionales Bild handelt, können verschiedene Perspektiven bzw. Schnitte dargestellt werden, um die dreidimensionale Bildinformation zu vermitteln.
  • Zusätzlich können weitere Informationen eingeblendet werden, etwa eine Erweiterte-Realität-Information und / oder eine Information zum Führen der Nuklearsonde zum Erhalten verbesserter Messdaten. Das Erhalten solcher Informationen ist etwa in den Patentanmeldungen DE 10 2010 017 543 und DE 10 2009 042 712 beschrieben, deren Inhalte durch Verweis hierin einbezogen werden.
  • Statt des in 1–5 dargestellten Nachführsystems 60, 62a können als allgemeiner Aspekt verschiedene Nachführsysteme zur Bestimmung der Detektorpose verwendet werden, beispielsweise ein elektromagnetisches, optisches, mechanisches (passives oder aktives, etwa an einem steuerbaren Roboterarm befestigtes) Nachführsystem verwendet werden. Das Nachführsystem kann auch durch eine an der Gammasonde fest montierte Kamera realisiert werden, die mehrere ortsfeste Nachführzielobjekte anvisiert. Auch kann ein Nachführsystem durch einen in dem Nukleardetektor 50 integrierten Beschleunigungssensor und Gyroskop realisiert werden.
  • Mit Bezug auf 9 wird nun ein Verfahren zum Aktualisieren eines ursprünglichen Nuklearbilds erläutert. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
    • S1: Beginn des Verfahrens;
    • S2: Durchführen einer ursprünglichen Messung einer Nuklearstrahlung;
    • S3: Rekonstruktion eines ursprünglichen Nuklearbilds aus der in S2 gemessenen Nuklearstrahlung: Somit wird in den Schritten S2, S3 ein ursprüngliches Nuklearbilds erhalten. Dieses ursprüngliche Nuklearbild ist ein vollständiges dreidimensionales Nuklearbild, d.h. es ist fertig erstellt und kann zur Sichtbarmachung der Strahlungsverteilung direkt angezeigt werden.
    • S4: Nach dem fertigen Erstellen des ursprüngliches Nuklearbilds, Messen von nuklearer Strahlung mit Hilfe eines entlang eines frei veränderlichen Pfads beweglichen Nuklearstrahlungs-Detektors, um Nuklearstrahlungswerte zu erhalten, und Nachführen des Nuklearstrahlungs-Detektors während des Messens der nuklearen Strahlung, so dass Detektor-Koordinaten erhalten werden, die eine Pose des nachgeführten Nuklearstrahlungs-Detektors in einem Referenzkoordinatensystems angeben;
    • S5: Zuordnen der Nuklearstrahlungswerte zu jeweiligen der Detektor-Koordinaten;
    • S6: Erzeugen eines aktualisierten dreidimensionalen Nuklearbilds durch Anwenden einer Aktualisierungs-Vorschrift auf das ursprüngliche Nuklearbild, wobei die Aktualisierungs-Vorschrift das ursprüngliche Nuklearbild in Abhängigkeit der Nuklearstrahlungswerte und der Detektor-Koordinaten verändert.
  • Das ursprüngliche Nuklearbild enthält zumindest ein Teilabbild einer abzubildenden Person. Das Verfahren kann dann in Schritt S4 weiter das Lokalisieren zumindest einer Referenzkörperstelle der abzubildenden Person relativ zu dem Referenzkoordinatensystem umfassen.
  • 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 2010/74498 A1 [0003]
    • DE 102009042712 A1 [0004]
    • DE 102010017543 [0074]
    • DE 102009042712 [0074]

Claims (11)

  1. Ein Nuklearbildsystem zum Aktualisieren eines ursprünglichen Nuklearbilds (10), das Nuklearbildsystem umfassend: einen Datenspeicher zum Speichern des ursprünglichen dreidimensionalen Nuklearbilds (10); einen entlang eines frei veränderlichen Pfads beweglichen Nuklearstrahlungs-Detektor (50) zum Messen von nuklearer Strahlung, um Nuklearstrahlungswerte zu erhalten; ein Nachführ-System (60) zum Nachführen des Nuklearstrahlungs-Detektors (50) während des Messens der nuklearen Strahlung, so dass Detektor-Koordinaten erhalten werden, die eine Pose des nachgeführten Nuklearstrahlungs-Detektors in Relation zu einem Bildkoordinatensystem des Nuklearbilds angeben; einen Nukleardaten-Eingang (70), konfiguriert zum Empfangen der Nuklearstrahlungswerte von dem Nuklearstrahlungs-Detektor (50) und der Detektor-Koordinaten von dem Nachführ-System (60), und zum Zuordnen der Nuklearstrahlungswerte zu den jeweiligen Detektor-Koordinaten; und ein Bildaktualisierungs-Modul (20) mit einer Aktualisierungs-Vorschrift, um das ursprüngliche Nuklearbild (10) in Abhängigkeit der Nuklearstrahlungswerte und der Detektor-Koordinaten zu verändern, wobei das Bildaktualisierungs-Modul zum Erzeugen eines aktualisierten dreidimensionalen Nuklearbilds (18) durch Anwenden der Aktualisierungs-Vorschrift auf das ursprüngliche Nuklearbild konfiguriert ist.
  2. Ein Nuklearbildsystem zum Aktualisieren eines ursprünglichen Nuklearbilds (10), das Nuklearbildsystem umfassend: ein Nukleardetektorsystem (50) zum Erzeugen eines dreidimensionalen ursprünglichen Nuklearbilds (10), das zumindest ein Teilabbild einer abzubildenden Person (84) erhält; ein Ursprungsbild-Lokalisierungsmodul, konfiguriert zum Erzeugen von ursprünglichen Lagedaten, die eine Lage der abzubildenden Person (84) relativ zu dem Nukleardetektorsystem (50) während des Erzeugens des ursprünglichen Nuklearbilds angeben, ein Lokalisierungsmodul, welches identisch mit dem Ursprungsbild-Lokalisierungsmodul oder davon verschieden sein kann, konfiguriert zum Erzeugen von aktuellen Lagedaten, die eine Lage der abzubildenden Person (84) relativ zu dem Nukleardetektorsystem (50) zu einem späteren Zeitpunkt nach dem Erzeugen des ursprünglichen Nuklearbilds angeben, ein Bildaktualisierungs-Modul (20) mit einer Aktualisierungs-Vorschrift, um das ursprüngliche Nuklearbild (10) in Abhängigkeit der ursprünglichen Lagedaten und der aktuellen Lagedaten zu verändern, wobei das Bildaktualisierungs-Modul zum Erzeugen eines aktualisierten dreidimensionalen Nuklearbilds (18) durch Anwenden der Aktualisierungs-Vorschrift auf das ursprüngliche Nuklearbild konfiguriert ist.
  3. Das Nuklearbildsystem gemäß Anspruch 1, wobei das ursprüngliche Nuklearbild zumindest ein Teilabbild einer abzubildenden Person erhält, das Nuklearbildsystem weiter umfassend: ein Lokalisierungsmodul (80), konfiguriert zum Lokalisieren zumindest einer Referenzkörperstelle der abzubildenden Person (84) relativ zu dem Bildkoordinatensystem.
  4. Das Nuklearbildsystem gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei das Lokalisierungsmodul vorzugsweise zumindest eines der Folgenden umfasst: (i) ein an der abzubildenden Person (84) zu befestigendes Markierungselement (82), wobei das Nachführ-System (60) zum Erhalten von Markierungselement-Koordinaten konfiguriert ist, die eine Pose des Markierungselements (82) angeben; (ii) eine Auflagefläche (86) mit Gewichtssensoren, um eine Gewichtsverteilung abzubildenden Person (84) zu ermitteln, wenn die Person auf der Auflagefläche aufliegt; (iii) ein Oberflächen-Bestimmungs-System zum Lokalisieren einer Körperoberfläche der abzubildenden Person; (iv) ein Bildauswertungs-System zum Auswerten zumindest eines markanten Merkmals in dem Nuklearbild oder in einem zusätzlichen Bild.
  5. Das Nuklearbildsystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Bildaktualisierungs-Modul (20) umfasst: eine Bildvariierungsfunktion (22) zum Variieren des Nuklearbilds; und ein Bildqualitäts-Funktional (24) zum Errechnen eines Bildqualitätswerts aus den Nuklearstrahlungswerten und dem variierten Nuklearbild, wobei das Bildaktualisierungs-Modul (20) zum iterativen Variieren des Nuklearbilds mittels der Bildvariierungsfunktion (22) konfiguriert ist, so dass das Bildaktualisierungs-Modul das Nuklearbild in einer Mehrzahl von Iterationen so berechnet, dass sich das Nuklearbild schrittweise an einen Extremalwert des Bildqualitäts-Funktionals annähert, und zum Ausgeben des aus dem Berechnen resultierenden Nuklearbilds als das aktualisierte Nuklearbild (18).
  6. Das Nuklearbildsystem gemäß Anspruch 5, wobei das Bildqualitäts-Funktional (24) operativ mit dem Lokalisierungsmodul (80) zum Empfangen von Lokalisierungsdaten der Referenzkörperstelle verbunden ist, und zum Errechnen des Bildqualitätswerts in Abhängigkeit der Lokalisierungsdaten konfiguriert ist.
  7. Das Nuklearbildsystem gemäß einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei die Bildvariierungsfunktion (22) zum Segmentieren von Teilvolumina des Nuklearbilds und zum Manipulieren der Teilvolumina in dem Nuklearbild konfiguriert ist.
  8. Das Nuklearbildsystem gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Bildqualitäts-Funktional einen Konsistenzterm und einen Regularisierungsterm enthält, wobei der Fehlerterm von dem variierten Nuklearbild, den Nuklearstrahlungswerten und den Detektor-Koordinaten abhängt und eine Konsistenz zwischen dem variierten Nuklearbild und den Nuklearstrahlungswerten ausdrückt; und wobei der Regularisierungsterm zumindest von dem variierten Nuklearbild abhängt.
  9. Das Nuklearbildsystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Nuklearstrahlungs-Detektor ein Detektor der Dimension 0, 1 oder 2 ist.
  10. Ein Verfahren zum Aktualisieren eines ursprünglichen Nuklearbilds, das Verfahren umfassend: Erhalten (S2, S3) des ursprünglichen Nuklearbilds als dreidimensionales Nuklearbild; Danach, Messen (S4) von nuklearer Strahlung mit Hilfe eines entlang eines frei veränderlichen Pfads beweglichen Nuklearstrahlungs-Detektors, um Nuklearstrahlungswerte zu erhalten, Nachführen des Nuklearstrahlungs-Detektors während des Messens der nuklearen Strahlung, so dass Detektor-Koordinaten erhalten werden, die eine Pose des nachgeführten Nuklearstrahlungs-Detektors in einem Referenzkoordinatensystems angeben; Zuordnen (S5) der Nuklearstrahlungswerte zu jeweiligen der Detektor-Koordinaten; Erzeugen (S6) eines aktualisierten dreidimensionalen Nuklearbilds durch Anwenden einer Aktualisierungs-Vorschrift auf das ursprüngliche Nuklearbild, wobei die Aktualisierungs-Vorschrift das ursprüngliche Nuklearbild in Abhängigkeit der Nuklearstrahlungswerte und der Detektor-Koordinaten verändert.
  11. Ein Verfahren zum Aktualisieren eines ursprünglichen Nuklearbilds, das Verfahren umfassend: Erhalten (S2, S3) des ursprünglichen dreidimensionalen Nuklearbilds einer abzubildenden Person (84); Erzeugen von ursprünglichen Lagedaten, die eine Lage der abzubildenden Person (84) relativ zu dem Nukleardetektorsystem (50) während des Erzeugens des ursprünglichen Nuklearbilds angeben; Danach, Erzeugen von aktuellen Lagedaten, die eine Lage der abzubildenden Person (84) relativ zu dem Nukleardetektorsystem (50) zu einem späteren Zeitpunkt nach dem Erzeugen des ursprünglichen Nuklearbilds angeben; Erzeugen (S6) eines aktualisierten dreidimensionalen Nuklearbilds durch Anwenden einer Aktualisierungs-Vorschrift auf das ursprüngliche Nuklearbild, wobei die Aktualisierungs-Vorschrift das ursprüngliche Nuklearbild in Abhängigkeit der ursprünglichen Lagedaten und der aktuellen Lagedaten verändert.
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