DE102014201585A1

DE102014201585A1 - Einrichtung zur Positionierung eines Untersuchungsobjekts, Verfahren zur Erstellung eines Bildes mit einem bildgebenden System und bildgebendes System

Info

Publication number: DE102014201585A1
Application number: DE102014201585.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Popescu
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2014-01-29
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2015-07-30
Also published as: US20150208946A1; US10182741B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung (30) zur Positionierung eines Untersuchungsobjekts (O) beim Einsatz eines bildgebenden Systems (5). Dabei umfasst die Einrichtung (30) Positionierungsmittel (26; 35) zur Positionierung des Untersuchungsobjekts (O) für eine Datenerfassung mittels des bildgebenden Systems (5) und mit den Positionierungsmitteln (26; 35) ortsfest verbundene Sensormittel (31; 50). Die Sensormittel (31; 50) sind ausgestaltet, um eine Bewegung (34) des Untersuchungsobjekts (O) bezüglich der Positionierungsmittel (26; 35) zu erfassen. Die Einrichtung (30) ist ausgestaltet, um die Bewegung dem bildgebenden System (5) bereitzustellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung, um ein lebendes Untersuchungsobjekt bezüglich eines bildgebenden Systems zu positionieren und/oder zu fixieren, sowie Verfahren, um mit dem bildgebenden System ein Bild eines Volumenabschnitts des Untersuchungsobjekts zu erstellen, und ein entsprechend ausgestaltetes bildgebendes System (insbesondere eine Magnetresonanzanlage).
Beim Erfassen von Daten mittels eines bildgebenden Systems (beispielsweise einer Magnetresonanzanlage) stellen Bewegungen des Patienten während der Datenerfassung nach wie vor ein ernstes Problem dar, da diese Bewegungen zu Bildartefakten führen. Wenn die Bewegungen des Patienten nicht korrekt erfasst werden, muss die Datenerfassung wiederholt werden, bis die Artefakte gering genug sind, um eine zufriedenstellende medizinische Diagnose anhand der erstellten Bilder zu ermöglichen.
Eine Bewegung des Patienten kann gerade bei sehr alten Patienten, kranken Patienten (beispielsweise Patienten mit Verdacht auf Parkinson) und bei Kindern nahezu nicht verhindert werden. Heutzutage muss in diesen Fällen der Patient häufig betäubt werden, um die Bewegung des Patienten während der Datenerfassung auf ein tolerierbares Maß zu beschränken, wobei eine Betäubung gerade bei sehr jungen Kindern ein lebensbedrohendes Problem darstellen kann.
Physiologische Bewegungen (Atmung oder Herzschlag) des Patienten können nicht verhindert werden. Um die Qualität der Datenerfassung auch in diesen Fällen zu gewährleisten, werden Bewegungssensoren, wie beispielsweise EKG-Einrichtungen oder Atemgurte, eingesetzt. Dabei tritt häufig das Problem auf, dass diese Bewegungssensoren mit dem bildgebenden System nicht kompatibel sind oder gar eine Datenerfassung negativ beeinflussen, wenn beispielsweise durch die Bewegungssensoren ein optimales Positionieren von MR-Spulen an der Brust des Patienten nicht möglich ist.
Eine Datenerfassung mit einer Magnetresonanzanlage kann bisweilen 30 bis 60 Minuten dauern. Für alle Patienten ist es über einen derart langen Zeitraum schwierig, bewegungslos zu verharren. Dabei sorgt eine flache und harte Oberseite einer Patientenliege für ein zusätzliches Unbehagen, welches durch den begrenzten Raum innerhalb des Magneten und den Lärm bei der Datenerfassung noch gesteigert wird, was dann negativerweise zu zahlreichen Bewegungen während der Datenerfassung führt.
Daher stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, die vorab geschilderten Probleme bei der Datenerfassung durch bildgebende Systeme gegenüber dem Stand der Technik zumindest zu lindern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Einrichtung nach Anspruch 1, durch ein Verfahren zur Erstellung eines Bildes nach Anspruch 11 und durch ein bildgebendes System nach Anspruch 14 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Einrichtung zur Positionierung eines lebenden Untersuchungsobjekts während eines Einsatzes eines bildgebenden Systems bereitgestellt. Dabei umfasst die Einrichtung Positionierungsmittel, um das Untersuchungsobjekt während einer Datenerfassung mittels des bildgebenden Systems zu positionieren und/oder zu fixieren, und mit den Positionierungsmitteln ortsfest verbundene Sensormittel. Die Sensormittel sind in der Lage, eine Bewegung des Untersuchungsobjekts im Bezug auf die Positionierungsmittel zu erfassen. Die Einrichtung ist ausgestaltet, um die von den Sensormitteln erfasste Bewegung (Bewegungsinformation) an das bildgebende System zu übertragen.
Wenn die erfindungsgemäße Einrichtung ortsfest mit dem bildgebenden System verbunden ist oder wenn die räumliche Beziehung zwischen der erfindungsgemäßen Einrichtung und dem bildgebenden System jederzeit bekannt ist, kann anhand der von den Sensormitteln erfassten Bewegung des Untersuchungsobjekts eine Bewegung des Untersuchungsobjekts bezüglich des bildgebenden Systems berechnet werden. Da die Sensormittel vorteilhafterweise in die Einrichtung integriert sind, ist keine Positionierung der Sensormittel erforderlich, wenn die Positionierungsmittel einmal korrekt im Bezug zum Untersuchungsobjekt angeordnet sind. Da die Einrichtung in der Lage ist, die durch die Sensormittel erfasste Bewegungsinformation (z.B. in Form einer entsprechenden Signalübertragung) an das bildgebende System weiterzuleiten, ist eine Kompatibilität zwischen den Sensormitteln und dem bildgebenden System bezüglich der Weiterleitung der Bewegung Information gewährleistet.
Das bildgebende System kann dabei folgende Systeme oder Anlagen umfassen:

• eine Magnetresonanzanlage,
• einen Computertomographen,
• ein Röntgensystem, und
• einen Positronen-Emissions-Tomographen.

Die Sensormittel können Beschleunigungsmesser und Kraftsensoren, mit welchen Bewegungen erfasst werden können, umfassen. Insbesondere umfassen die Sensormittel einen oder mehrere Ultraschallsensoren.
Bei dieser Ausführungsform sind der oder die Ultraschallsensoren fest mit den Positionierungsmitteln verbunden.
Dabei kann jeder Ultraschallsensor ausgestaltet sein, um nicht nur eine Bewegung des Untersuchungsobjekts bezüglich der Positionierungsmittel, sondern auch eine Bewegung eines Organs innerhalb des Untersuchungsobjekts oder eines Teils des Untersuchungsobjekts bezüglich der Positionierungsmittel und damit bezüglich des bildgebenden Systems zu erfassen.
Der jeweilige Ultraschallsensor kann somit beispielsweise eine Bewegung des Herzens des Untersuchungsobjekts oder eine Atembewegung des Untersuchungsobjekts erfassen, so dass vorteilhafterweise eine entsprechende Bewegungsinformation an das bildgebende System gemeldet werden kann.
Jeder Ultraschallsensor kann dabei ein Koaxialkabel mit einer Mantelwellensperre umfassen. Dabei ist die Mantelwellensperre ausgestaltet, um von dem bildgebenden System erzeugte Mantelwellen auf einer Außenseite des Koaxialkabels zu dämpfen. Darüber hinaus kann jeder Ultraschallsensor ein Tiefpassfilter aufweisen, mit welchem Frequenzen oberhalb von einem vorbestimmten Schwellenwert (z.B. 50 MHz) gedämpft werden.
Insbesondere beim Einsatz der erfindungsgemäßen Einrichtung im Zusammenhang mit einer Magnetresonanzanlage sorgt die Mantelwellensperre vorteilhafterweise dafür, dass auf der Außenseite des Koaxialkabels keine Ströme auftreten, welche die von der Magnetresonanzanlage erzeugten HF-Pulse stören könnten. Auch das Tiefpassfilter sorgt dafür, dass in dem jeweiligen Ultraschallsensor keine Ströme in einem Frequenzbereich der Magnetresonanzanlage von beispielsweise 50 bis 500 MHz auftreten.
Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform umfassen die Positionierungsmittel eine Auflage und eine darauf liegende oder damit verbundene Aufnahme (z.B. eine Matratze, ein Kissen oder eine Manschette), welche selbst mit einem Fluid oder einem Gel gefüllt ist. Dabei sind die Auflage und die Aufnahme ausgestaltet, um das Untersuchungsobjekt mit Hilfe der Aufnahme im Bezug auf das bildgebende System möglichst ortsfest zu positionieren und damit auch zu fixieren. Unter einer Fixierung wird dabei auch verstanden, dass das Untersuchungsobjekt derart (bequem) gelagert wird, dass nur geringe Bewegungen zu erwarten sind. Die Sensormittel sind dabei ortsfest mit der Auflage verbunden und bezüglich der Aufnahme derart angeordnet oder positioniert, dass sich eine Ultraschallwelle von den Sensormitteln direkt in das Gel oder in das Fluid und damit durch die Aufnahme ausbreiten kann.
Durch die mit dem Fluid oder dem Gel gefüllte Aufnahme kann das Untersuchungsobjekt bzw. der Patient bequem und dennoch stabil gegenüber dem bildgebenden System positioniert werden. Durch die entsprechende Anordnung der Sensormittel bezüglich der Aufnahme wird vorteilhafterweise verhindert, dass die Ultraschallwellen eine Trennfläche zwischen verschiedenen Medien (beispielsweise zwischen Luft und dem Fluid/Gel) durchlaufen müssen, was ihre Ausbreitung stark dämpfen würde.
Das Gel oder Fluid wird bevorzugt so gewählt, dass es in einem von dem bildgebenden System erstellten Bild des Untersuchungsobjekts nahezu nicht sichtbar ist. Dabei existieren für das Fluid oder Gel für die MR-Bildgebung folgende Varianten:

• Wasser, welches mit einer paramagnetischen Verbindung dotiert ist, so dass das Wasser in MR-Bildern nicht sichtbar ist.
• Ein niedrig viskoses, gallertartiges Gel. Dabei besteht das Gel zu etwa 80–93% aus Wasser, Konservierungsstoffen, Quervernetzern und Antibiotika. Die übrigen 7–20% sind Ersatzstoffe oder Substantatine. Eine andere Rezeptur umfasst 0,5–3,0 g NiSO4·6H2O, und 3,0–7,0 NaCl auf ein Liter destilliertes Wasser.
• Fluid-Polymer („fluid polymer“) oder Flüssigkunststoffe, welche in MR-Bildern nicht sichtbar sind, wie sie beispielsweise in der US 2005/0171425 A1 beschrieben sind.

Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst die Einrichtung eine oder mehrere Lokalspulen, welche ortsfest mit den Positionierungsmitteln verbunden sind. Jede dieser Lokalspulen ist ausgestaltet, um elektromagnetische HF-Wellen in das Untersuchungsobjekt einzustrahlen oder aus diesem zu empfangen.
Durch die Integration von Lokalspulen und Sensormittel innerhalb der Einrichtung ist vorteilhafterweise gewährleistet, dass sich die Lokalspulen und die Sensormittel nicht gegenseitig stören.
Die Sensormittel können zusätzlich zu den Ultraschallsensoren oder anstelle dieser einen oder mehrere kapazitive Sensoren umfassen.
Der Einsatz von kapazitiven Sensoren ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Einsatz von Ultraschallsensoren zu Problemen führt, beispielsweise wenn die ungehinderte Ausbreitung der Ultraschallwellen nicht garantiert werden kann.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform umfassen die Positionierungsmittel eine Auflage (beispielsweise einen Liegentisch) und eine darauf liegende oder damit verbundene Aufnahme. Mit der Aufnahme (und der Auflage) kann das Untersuchungsobjekt bezüglich des bildgebenden Systems angeordnet werden. Dabei ist eine erste Elektrode des kapazitiven Sensors in einem ersten Bereich an der Auflage angeordnet, welcher dem Untersuchungsobjekt zugewandt ist, wenn das Untersuchungsobjekt mit den Positionierungsmitteln positioniert ist. Insbesondere ist die erste Elektrode auf der Oberseite des Liegentischs angeordnet, wobei das Untersuchungsobjekt auf dieser Oberseite liegt. Eine zweite Elektrode des kapazitiven Sensors ist in einem zweiten Bereich (z.B. der Oberseite der Aufnahme) an der Aufnahme angebracht, wobei sich dieser zweite Bereich in einem Kontakt mit dem Untersuchungsobjekt befindet und in der Nähe des ersten Bereichs befindet, wenn das Untersuchungsobjekt durch die Positionierungsmittel positioniert ist.
Der kapazitive Sensor erfasst anhand der Kapazität des Kondensators, welcher durch die beiden Elektroden ausgebildet wird, den Abstand zwischen diesen beiden Elektroden. Bewegt sich nun das Untersuchungsobjekt gegenüber der Auflage, ändert sich dieser Abstand, was durch die Änderung der Kapazität erfasst wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zur Erstellung eines Bildes eines Volumenabschnitts eines lebenden Untersuchungsobjekts mit Hilfe eines bildgebenden Systems bereitgestellt. Dabei umfasst das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte:

• Erfassen von bildgebenden Daten des Volumenabschnitts mit Hilfe des bildgebenden Systems.
• Erfassen einer Bewegung des Untersuchungsobjekts während des Erfassens der bildgebenden Daten Hilfe einer vorab beschriebenen erfindungsgemäßen Einrichtung. Dabei ist die Einrichtung insbesondere entweder ortsfest zu dem bildgebenden System angeordnet oder die räumliche Lage der Einrichtung bezüglich des bildgebenden Systems ist jederzeit bekannt, wie beispielsweise bei einem Liegentisch der Fall ist, der in eine Magnetresonanzanlage gefahren wird.
• Erstellen des Bildes abhängig von den bildgebenden Daten und abhängig von der erfassten Bewegung des Untersuchungsobjekts.

Das erfindungsgemäße Verfahren setzt vorteilhafterweise die erfindungsgemäße Einrichtung ein, so dass Bewegungen des Untersuchungsobjekts exakter und auch einfacher als nach dem Stand der Technik erfasst werden können. Da die Erstellung des Bildes abhängig von diesen exakt erfassten Bewegungen erfolgt, ist auch die Qualität des Bildes besser, als es nach dem Stand der Technik üblich ist.
Um das Bild abhängig oder unter Berücksichtigung der erfindungsgemäß erfassten Bewegung des Untersuchungsobjekts zu erstellen, gibt es folgende Möglichkeiten:

• Das Erfassen der bildgebenden Daten mit Hilfe des bildgebenden Systems (insbesondere einer Magnetresonanzanlage) wird unterbrochen, solange ein Ausmaß der erfassten Bewegung des Untersuchungsobjekts oberhalb eines ersten Bewegungsschwellenwerts liegt. Anders ausgedrückt werden bei dieser Variante bildgebende Daten nur dann erfasst, wenn die Bewegung des Untersuchungsobjekts gering ist.
• Die bildgebenden Daten, welche innerhalb eines Zeitintervalls erfasst werden, in welchem ein Ausmaß der erfassten Bewegung des Untersuchungsobjekts oberhalb eines zweiten Bewegungsschwellenwerts liegt, werden nochmals erfasst. Beispielsweise bei einer Magnetresonanzanlage wird der Bereich des K-Raums, welcher erfasst wurde, während das Ausmaß der erfassten Bewegung oberhalb des zweiten Bewegungsschwellenwerts liegt, nochmals erfasst. Die erfassten Daten, welche erfasst wurden, während das Ausmaß der erfassten Bewegung oberhalb des zweiten Bewegungsschwellenwerts liegt, können dann optional bei der Rekonstruktion des Bildes eingesetzt oder verworfen werden.
• Die erfasste Bewegung des Untersuchungsobjekts wird bei der Erstellung des Bildes berücksichtigt, um jeden Bereich innerhalb des Volumenabschnitts in dem erstellten Bild am richtigen Ort wiederzugeben. Mit anderen Worten wird bei dieser Variante die korrekte Position des entsprechenden Bereichs (beispielsweise eines Organs (z. B. des Herzens)) anhand der erfassten Bewegung(srichtung) ermittelt und bei der Erstellung des Bildes berücksichtigt.

Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Betrieb der Sensormittel mit einem Betrieb des bildgebenden Systems synchronisiert. Insbesondere sind die Sensormittel während einer Auslesephase des bildgebenden Systems, während welcher das bildgebende System die bildgebenden Daten erfasst oder ausliest, nicht aktiv.
Insbesondere wenn es sich bei dem bildgebenden System um eine Magnetresonanzanlage und bei den Sensormitteln um Ultraschallsensoren handelt, sollten von den Ultraschallsensoren keine Ultraschallwellen erzeugt oder empfangen werden, wenn nach einer Anregungsphase die MR-Daten ausgelesen werden. Dadurch wird vorteilhafterweise verhindert, dass die Ultraschallsensoren das Auslesen der MR-Daten negativ beeinflussen.
Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein bildgebendes System bereitgestellt, welches eine vorab beschriebene erfindungsgemäße Einrichtung umfasst und ausgestaltet ist, um ein Bild eines Volumenabschnitts eines lebenden Untersuchungsobjekts zu erstellen. Dabei ist die Einrichtung insbesondere entweder ortsfest zu dem bildgebenden System angeordnet oder das bildgebende System ist ausgestaltet, um die räumliche Lage der Einrichtung bezüglich des bildgebenden Systems jederzeit bestimmen zu können.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen bildgebenden Systems entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen der erfindungsgemäßen Einrichtung, welche vorab im Detail beschrieben worden sind, so dass hier auf eine Wiederholung verzichtet wird.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zum korrekten Erfassen von bildgebenden Daten mit Hilfe eines bildgebenden Systems geeignet. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich eingeschränkt, da beispielsweise die erfindungsgemäße Einrichtung die Bewegung eines Patienten auch dann erfassen kann, wenn das bildgebende System nicht aktiv ist. Daher kann die vorliegende Erfindung auch losgelöst von bildgebenden Systemen eingesetzt werden, um beispielsweise den Herzschlag oder die Atmung eines Patienten zu erfassen oder zu überwachen.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.
In 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes bildgebendes System als Magnetresonanzanlage dargestellt.
In 2 ist schematisch eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Positionierung oder Fixierung eines Kopfes eines Patienten dargestellt.
In 3 ist schematisch dargestellt, wie erfindungsgemäß Bewegungen innerhalb des Patienten erfasst werden.
In 4 sind erfindungsgemäße Positionierungsmittel zur Fixierung eines Arms dargestellt.
In 5 ist das Prinzip der Erfassung einer Bewegung samt räumlicher Bewegungsrichtung bei der vorliegenden Erfindung dargestellt.
In 6 ist schematisch das Prinzip dargestellt, wie anhand von reflektierten Ultraschallwellen ein Abstand zu einem Objekt erfassbar ist.
In 7 ist der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors dargestellt.
In 8 ist der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors dargestellt.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Magnetresonanzanlage 5 (eines Magnetresonanz-Bildgebungs- bzw. Kernspintomographiegeräts). Dabei erzeugt ein Grundfeldmagnet 1 ein zeitlich konstantes starkes Magnetfeld zur Polarisation bzw. Ausrichtung der Kernspins in einem Untersuchungsbereich eines Objekts O, wie z.B. eines zu untersuchenden Teils eines menschlichen Körpers, welcher auf einem Tisch 23 liegend kontinuierlich in die Magnetresonanzanlage 5 geschoben wird. Die für die Kernspinresonanzmessung erforderliche hohe Homogenität des Grundmagnetfelds ist in einem typischerweise kugelförmigen Messvolumen M definiert, durch welches die zu untersuchenden Teile des menschlichen Körpers kontinuierlich geschoben werden. Zur Unterstützung der Homogenitätsanforderungen und insbesondere zur Eliminierung zeitlich invariabler Einflüsse werden an geeigneter Stelle so genannte Shim-Bleche aus ferromagnetischem Material angebracht. Zeitlich variable Einflüsse werden durch Shim-Spulen 2 eliminiert.
In den Grundfeldmagneten 1 ist ein zylinderförmiges Gradientenfeldsystem bzw. Gradientenfeldsystem 3 eingesetzt, welches aus drei Teilwicklungen besteht. Jede Teilwicklung wird von einem Verstärker mit Strom zur Erzeugung eines linearen (auch zeitlich veränderbaren) Gradientenfeldes in die jeweilige Richtung des kartesischen Koordinatensystems versorgt. Die erste Teilwicklung des Gradientenfeldsystems 3 erzeugt dabei einen Gradienten G_x in x-Richtung, die zweite Teilwicklung einen Gradienten G_y in y-Richtung und die dritte Teilwicklung einen Gradienten G_z in z-Richtung. Der Verstärker umfasst einen Digital-Analog-Wandler, welcher von einer Sequenzsteuerung 18 zum zeitrichtigen Erzeugen von Gradientenpulsen angesteuert wird.
Innerhalb des Gradientenfeldsystems 3 befindet sich eine (oder mehrere) Hochfrequenzantennen 4, welche die von einem Hochfrequenzleistungsverstärker abgegebenen Hochfrequenzpulse in ein magnetisches Wechselfeld zur Anregung der Kerne und Ausrichtung der Kernspins des zu untersuchenden Objekts O bzw. des zu untersuchenden Bereiches des Objekts O umsetzen. Jede Hochfrequenzantenne 4 besteht aus einer oder mehreren HF-Sendespulen und einer oder mehreren HF-Empfangsspulen in Form einer ringförmigen vorzugsweise linearen oder matrixförmigen Anordnung von Komponentenspulen. Von den HF-Empfangsspulen der jeweiligen Hochfrequenzantenne 4 wird auch das von den präzedierenden Kernspins ausgehende Wechselfeld, d.h. in der Regel die von einer Pulssequenz aus einem oder mehreren Hochfrequenzpulsen und einem oder mehreren Gradientenpulsen hervorgerufenen Kernspinechosignale, in eine Spannung (Messsignal) umgesetzt, welche über einen Verstärker 7 einem Hochfrequenz-Empfangskanal 8 eines Hochfrequenzsystems 22 zugeführt wird. Das Hochfrequenzsystem 22, welches Teil einer Steuereinrichtung 10 der Magnetresonanzanlage 5 ist, umfasst weiterhin einen Sendekanal 9, in welchem die Hochfrequenzpulse für die Anregung der magnetischen Kernresonanz erzeugt werden. Dabei werden die jeweiligen Hochfrequenzpulse aufgrund einer vom Anlagerechner 20 vorgegebenen Pulssequenz in der Sequenzsteuerung 18 digital als Folge komplexer Zahlen dargestellt. Diese Zahlenfolge wird als Real- und als Imaginärteil über jeweils einen Eingang 12 einem Digital-Analog-Wandler im Hochfrequenzsystem 22 und von diesem einem Sendekanal 9 zugeführt. Im Sendekanal 9 werden die Pulssequenzen einem Hochfrequenz-Trägersignal aufmoduliert, dessen Basisfrequenz der Resonanzfrequenz der Kernspins im Messvolumen entspricht.
Die Umschaltung von Sende- auf Empfangsbetrieb erfolgt über eine Sende-Empfangsweiche 6. Die HF-Sendespulen der Hochfrequenzantenne(n) 4 strahlt/en die Hochfrequenzpulse zur Anregung der Kernspins in das Messvolumen M ein und resultierende Echosignale werden über die HF-Empfangsspule(n) abgetastet. Die entsprechend gewonnenen Kernresonanzsignale werden im Empfangskanal 8' (erster Demodulator) des Hochfrequenzsystems 22 phasenempfindlich auf eine Zwischenfrequenz demoduliert, im Analog-Digital-Wandler (ADC) digitalisiert und über den Ausgang 11 ausgegeben. Dieses Signal wird noch auf die Frequenz 0 demoduliert. Die Demodulation auf die Frequenz 0 und die Trennung in Real- und Imaginärteil findet nach der Digitalisierung in der digitalen Domäne in einem zweiten Demodulator 8 statt. Durch einen Bildrechner 17 wird aus den dergestalt über einen Ausgang 11 gewonnenen Messdaten ein MR-Bild rekonstruiert. Die Verwaltung der Messdaten, der Bilddaten und der Steuerprogramme erfolgt über den Anlagenrechner 20. Aufgrund einer Vorgabe mit Steuerprogrammen kontrolliert die Sequenzsteuerung 18 die Erzeugung der jeweils gewünschten Pulssequenzen und das entsprechende Abtasten des k-Raumes. Insbesondere steuert die Sequenzsteuerung 18 dabei das zeitrichtige Schalten der Gradienten, das Aussenden der Hochfrequenzpulse mit definierter Phasenamplitude sowie den Empfang der Kernresonanzsignale. Die Zeitbasis für das Hochfrequenzsystem 22 und die Sequenzsteuerung 18 wird von einem Synthesizer 19 zur Verfügung gestellt. Die Auswahl entsprechender Steuerprogramme zur Erzeugung eines MR-Bildes, welche z.B. auf einer DVD 21 gespeichert sind, sowie die Darstellung des erzeugten MR-Bildes erfolgt über ein Terminal 13, welches eine Tastatur 15, eine Maus 16 und einen Bildschirm 14 umfasst.
In 2 ist schematisch eine erfindungsgemäße Einrichtung 30 dargestellt, um den Kopf K eines Untersuchungsobjekts O zu positionieren. Dabei ist der Kopf K innerhalb einer Lokalspule oder genauer innerhalb einer Lokalspulenform 24 auf einem Kissen 35 gelagert, wobei das Kissen mit einem Fluid oder Gel 32 gefüllt ist und damit eine komfortable Auflage des Kopfes ermöglicht. Das Gel 32 dämpft die Ausbreitung von Ultraschallwellen nahezu nicht und weist darüber hinaus die Eigenschaft auf, auf MR-Bildern nicht sichtbar zu sein, da es nur einen vernachlässigbaren Anteil an Wasserprotonen aufweist. Sowohl das Kissen 35 als auch die Lokalspulenform 24 sind Bestandteil von Positionierungsmitteln der Einrichtung 30.
Mehrere Ultraschallsensoren 31 sind an den Positionierungsmitteln (genauer an der Lokalspulenform 24) befestigt und weisen eine Kontaktfläche mit einem geringen akustischen Widerstand bezüglich des Fluids oder Gels 32 auf, so dass die Übertragung von Ultraschallwellen von den Ultraschallsensoren 31 in das Gel 32 und der Empfang von Ultraschallwellen von den Ultraschallsensoren aus dem Gel 32 nahezu nicht gedämpft werden.
Während der Datenerfassung der Magnetresonanzanlage wird periodisch reihum jeweils einer der Ultraschallsensoren 31 aktiviert, um jeweils einen kurzen Ultraschallwellen-Puls auszusenden. Anschließend arbeiten alle Ultraschallsensoren 31 im Empfangsbetrieb, um Echos zu erfassen, welche durch eine Reflektion des ausgesendeten Ultraschallwellen-Pulses an der Schnittstelle zwischen dem Kopf K des Patienten O und den Positionierungsmitteln 35 erzeugt werden, oder um Echos zu erfassen, welche von Bereichen innerhalb des Kopfes K stammen. Abhängig von der Zeitspanne zwischen dem Aussenden des Ultraschallwellen-Pulses und den empfangenen Echos bei den verschiedenen Ultraschallsensoren 31 wird der aktuelle Abstand zwischen dem jeweiligen Sensor und dem Untersuchungsobjekt O bzw. Kopf K bestimmt.
In 3 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform einer Einrichtung zur Positionierung eines Untersuchungsobjekts O dargestellt. Dabei wird der Patient O auf einer Matratze 35 gelagert, welche mit dem Fluid bzw. Gel 32 gefüllt ist und auf einem Liegentisch 23 angeordnet ist. Mit einer Pumpe kann das Gel oder Fluid 32 in die Matratze 35 eingeführt oder aus dieser entnommen werden, um für eine optimale und angenehme Positionierung des Patienten O auf dem Liegentisch 23 zu sorgen. In ähnlicher Weise wie bei der 2 sind Ultraschallsensoren 31 fest mit den Positionierungsmitteln, in diesem Fall dem Liegentisch 23 verbunden. In ähnlicher Weise wie bei der in 2 dargestellten Einrichtung 30 sendet jeweils einer dieser Ultraschallsensoren 31 eine Ultraschallwelle 33 (genauer einen Ultraschallwellen-Puls) aus und anschließend erfassen alle Ultraschallsensoren 31 von dieser ausgesendeten Ultraschallwelle 33 empfangene Echos. Die Ultraschallsensoren 31 sind zum einen in der Lage, Bewegungen des Kopfes, der Schulter oder anderer externer Körperteile des Patienten zu erfassen. Zum anderen sind die Ultraschallsensoren 31 in der Lage, die Bewegung innerer Organe (beispielsweise die Bewegung des Herzens 25) oder eine Atembewegung 34 (anhand der Bewegung des Brustkorbs) zu erfassen. Daher kann der nach dem Stand der Technik übliche Atemgurt oder auch ein EKG eingespart werden, was den Komfort für den Patienten O steigert.
In 4 ist eine weitere Möglichkeit einer Positionierung oder Lagerung eines Patienten O (in diesem Fall nur des Armes des Patienten O) dargestellt. Der Arm des Patienten wird in einer Manschette 26 gehalten, welche innerhalb einer Lokalspule 24 angeordnet und mit einem Gel 32 gefüllt ist. Wie bei den 2 und 3 sind die Ultraschallsensoren 31 an den Positionierungsmitteln (in diesem Fall der Lokalspule oder Lokalspulenform 24) befestigt. Eine der in 4 dargestellten ähnliche erfindungsgemäße Variante existiert zur Positionierung oder Lagerung eines Kniegelenks eines Patienten O.
Mit 5 und 6 soll das Prinzip der Erfassung einer Bewegung mit Ultraschallsensoren 31 erläutert werden.
Wenn beispielsweise drei Ultraschallsensoren 31 jeweils derart angeordnet sind, dass sie Ultraschallwellen 33 in einer Richtung abstrahlen und erfassen, welche jeweils wechselseitig aufeinander senkrecht stehen, wie es in 5 dargestellt ist, kann jeder dieser drei Ultraschallsensoren 31 quasi eine Bewegungskomponente in der entsprechenden Raumrichtung X, Y, Z erfassen. Zusammen können diese drei Ultraschallsensoren 31 dann eine Bewegung in einer beliebigen Raumrichtung erfassen.
Dabei wird angenommen dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Ultraschallwelle im menschlichen Körper ca. c = 1540 m/s beträgt. Die jeweils geltende Geschwindigkeit kann abhängig von der Dichte und Elastizität des jeweiligen Gewebes, durch welches die Ultraschallwellen laufen, geringfügig von dieser Konstanten c abweichen. In den meisten Fällen wird aber davon ausgegangen, dass die Geschwindigkeit der Ultraschallwellen durch Gewebe gleich der Geschwindigkeit der Ultraschallwellen durch Flüssigkeiten, wie beispielsweise Wasser, ist.
In 6 ist das Prinzip dargestellt, wie aus einem von einem Ultraschallsensor 31 erzeugten Spannungsverlauf (Spannung u über der Zeit t) Abstände d_b, d_f, d_s zwischen dem jeweiligen Ultraschallsensor 31 und dem Patienten O (genauer der Außenhaut 27 des Patienten O) oder der Vorderfläche oder Rückfläche eines Organs 25 berechnet werden können.
Das erste Maximum 41 in dem in 6 dargestellten Spannungsverlauf entspricht dem von dem Ultraschallsensor 31 ausgestrahlten Ultraschallwellen-Puls. Nach dem Ausstrahlen dieses Ultraschallwellen-Pulses arbeitet der Ultraschallsensor 31 in einer Empfangs-Betriebsart, in welcher die als Reflektionen auf den ausgesendeten Ultraschallwellen-Puls empfangenen Ultraschallwellen in eine Spannung u umgesetzt werden. Das zweite Maximum 42 entspricht derjenigen Ultraschallwelle, welche von der Außenhaut 27 des Patienten O reflektiert wird. Da sich der ausgesendete Ultraschallwellen-Puls auch im Körper des Patienten O ausbreitet, entspricht das Maximum 43 der von der Vorderseite des Herzens 25 reflektierten Ultraschallwelle und das Maximum 44 der von der Rückseite des Herzens 25 reflektierten Ultraschallwelle.
Anhand der gemessenen Zeitintervalle t_b, t_f und t_s kann unter Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit c von Ultraschallwellen über die folgende Gleichung (1) der Abstand zu dem jeweiligen Objekt berechnet werden. Dabei beginnt jeder Zeitintervall beim Aussenden des Ultraschallwellen-Pulses und endet mit dem Empfang des entsprechenden Echos, weshalb in der Gleichung (1) das Produkt aus dem Zeitintervall t_x und der Ausbreitungsgeschwindigkeit c halbiert wird. d_x = t_x·c/2 (1)
In 7 ist der Aufbau eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors 31 dargestellt.
Beim Koaxialkabel 37, mit welchem der Ultraschallsensor 31 mit der Steuerung des bildgebenden Systems verbunden ist, befindet sich eine Mantelwellensperre 36. Mit Hilfe dieser Mantelwellensperre 36 können HF-Mantelwellenströme verhindert werden, welche beispielsweise aufgrund einer Ausstrahlung von HF-Pulsen bei einer Magnetresonanzanlage auftreten können.
Darüber hinaus umfasst der Ultraschallwellensensor 31 ein HF-Filter 38. Dieses Filter 38 dämpft Frequenzen oberhalb von 50 MHz, wodurch von einer Magnetresonanzanlage induzierte Ströme, welche in einem Frequenzbereich von 50 bis 500 MHz liegen, ausgefiltert werden können, um nur Signale in einem Frequenzbereich von 1 bis 5 Megahertz zu übertragen.
Innerhalb des Gehäuses 28 des Ultraschallsensors 31 befindet sich ein piezoelektrisches Kristall 45, mit welchem zwei Elektroden 39 des Ultraschallsensor 31 verbunden sind. Oberhalb (in 7) des piezoelektrischen Kristalls 45 befindet sich ein Material 29, welches Schallwellen zu 100 % absorbiert. Unterhalb des piezoelektrischen Kristalls 45 befindet sich das so genannte akustische Fenster 46, über welches im Sende-Betrieb Ultraschallwellen ausgestrahlt und im Empfangs-Betrieb Ultraschallwellen empfangen werden.
In 8 ist eine erfindungsgemäße alternative Ausführungsformen eines Bewegungssensors in Form eines kapazitiven Sensors 50 dargestellt.
Der kapazitive Sensor 50 umfasst zwei Elektroden 51, 52. Die eine Elektrode 51 ist beispielsweise mit einer Auflage (z. B. auf der Oberseite des Liegentischs 23) befestigt, während die zweite Elektrode 52 mit der Seite der Aufnahme (z.B. der Matraze) verbunden ist, welche sich im Kontakt mit dem Patienten O oder einem Körperteil des Patienten O befindet. Die Kapazität C des Kondensators, welcher durch die beiden Elektroden 51, 52 ausgebildet wird, verändert sich mit dem Abstand d zwischen den Elektroden 51, 52. Wenn die von dem kapazitiven Sensor 50 realisierte Kapazität C mit einer RC-Oszillator-Schaltung, wie sie rechts in 8 dargestellt ist, verbunden wird, ist die Ausgangsfrequenz der Ausgangsspannung V_out proportional zu dem Abstand d zwischen den Elektroden 51, 52.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2005/0171425 A1 [0019]

Claims

Einrichtung zur Positionierung eines Untersuchungsobjekts (O) beim Einsatz eines bildgebenden Systems (5), wobei die Einrichtung (30) Positionierungsmittel (23, 35; 24, 35) zur Positionierung des Untersuchungsobjekts (O) für eine Datenerfassung mittels des bildgebenden Systems (5) und mit den Positionierungsmitteln (23, 35; 24, 35) ortsfest verbundene Sensormittel (31; 50) umfasst, und wobei die Sensormittel (31; 50) ausgestaltet sind, um eine Bewegung (34) des Untersuchungsobjekts (O) bezüglich der Positionierungsmittel (23, 35; 24, 35) zu erfassen, und wobei die Einrichtung (30) ausgestaltet ist, um die Bewegung dem bildgebenden System (5) bereitzustellen.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel mindestens einen Ultraschallsensor (31) umfassen.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ultraschallsensor (31) ausgestaltet ist, um sowohl eine Bewegung des Untersuchungsobjekts (O) bezüglich des Positionierungsmittels (26; 35) als auch eine Bewegung (34) eines Organs (25) des Untersuchungsobjekts (O) bezüglich des Positionierungsmittels (26; 35) zu erfassen.
Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ultraschallsensor (31) ein Koaxialkabel (37) mit einer Mantelwellensperre (36) umfasst, um auf einer Außenseite des Koaxialkabels (37) von dem bildgebenden System (5) erzeugte Mantelwellen zu dämpfen, und/oder ein Tiefpassfilter (38) umfasst, um Frequenzen oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts zu dämpfen.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bildgebende System eine Magnetresonanzanlage (5) umfasst.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungsmittel eine Auflage (23; 24) und eine darauf angeordnete Aufnahme (35) umfassen, dass die Aufnahme (35) mit einem Fluid oder Gel (32) gefüllt ist, dass die Auflage (23; 24) und die Aufnahme (35) ausgestaltet sind, um das Untersuchungsobjekt (O) mittels der Aufnahme (35) bezüglich des bildgebenden Systems (5) zu positionieren, und dass die Sensormittel (31) ortsfest mit der Auflage (23; 24) verbunden ist, und dass die Sensormittel (31) derart bezüglich der Aufnahme (35) angeordnet sind, dass sich eine Ultraschallwelle (33) von den Sensormitteln (31) direkt in das Gel oder Fluid (32) ausbreiten kann.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gel oder Fluid (32) derart ausgestaltet ist, dass das Gel oder Fluid (32) in einem von dem bildgebenden System (5) erstellten Bild des Untersuchungsobjekts (O) nicht sichtbar ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (30) mindestens eine Lokalspule (24) umfasst, welche ortsfest mit den Positionierungsmitteln (23, 35; 24, 35) verbunden ist und ausgestaltet ist, um HF-Wellen in das Untersuchungsobjekt (O) einzustrahlen oder von dem Untersuchungsobjekt (O)zu empfangen.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel einen kapazitiven Sensor (50) umfassen.
Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungsmittel eine Auflage (23; 24) und eine darauf angeordnete Aufnahme (35) umfassen, dass die Auflage (23; 24) und die Aufnahme (35) ausgestaltet sind, um das Untersuchungsobjekt (O) mittels der Aufnahme (35) bezüglich des bildgebenden Systems (5) zu positionieren, dass der kapazitive Sensor (50) eine erste Elektrode (51) und eine zweite Elektrode (52) umfasst, dass die erste Elektrode (51) in einem ersten Bereich an der Auflage (23) angeordnet ist, welcher dem Untersuchungsobjekt (O) zugewandt ist, wenn das Untersuchungsobjekt (O) durch die Positionierungsmittel positioniert ist, und dass die zweite Elektrode (52) an der Aufnahme in einem zweiten Bereich anbringbar ist, welcher sich in einem Kontakt mit dem Untersuchungsobjekt befindet und welcher sich in der Nähe des ersten Bereichs befindet, wenn das Untersuchungsobjekt (O) durch die Positionierungsmittel positioniert ist.
Verfahren zur Erstellung eines Bildes eines Volumenabschnitts eines Untersuchungsobjekts (O) mit einem bildgebenden System (5), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Erfassen von bildgebenden Daten des Volumenabschnitts mittels des bildgebenden Systems (5), Erfassen einer Bewegung (34) des Untersuchungsobjekts (O) während des Erfassens der bildgebenden Daten mit Hilfe einer Einrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1–9, und Erstellen des Bildes anhand der bildgebenden Daten unter Berücksichtigung der erfassten Bewegung (34) des Untersuchungsobjekts (O).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der bildgebenden Daten unterbrochen wird, wenn ein Ausmaß der erfassten Bewegung (34) des Untersuchungsobjekts (O) oberhalb eines ersten Bewegungsschwellenwerts liegt, und/oder dass die bildgebenden Daten, welche während einer Zeitspanne erfasst werden, während welcher ein Ausmaß der erfassten Bewegung (34) des Untersuchungsobjekts (O) oberhalb eines zweiten Bewegungsschwellenwerts liegt, nochmals erfasst werden, und/oder dass die erfasste Bewegung (34) des Untersuchungsobjekts (O) bei dem Erstellen des Bildes berücksichtigt wird, um einen Bereich innerhalb des Volumenabschnitts in dem erstellten Bild ortsrichtig wiederzugeben.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel (31; 50) während einer Auslesephase des bildgebenden Systems (5) nicht aktiv sind, wobei das bildgebende System (5) während der Auslesephase die bildgebenden Daten ausliest.
Bildgebendes System, welches ausgestaltet ist, um ein Bild eines Volumenabschnitts eines Untersuchungsobjekts (O) zu erstellen, wobei das bildgebende System (5) eine Einrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1–10 umfasst.
Bildgebendes System nach Anspruch 14, welches zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 11–13 ausgestaltet ist.