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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme eines Magnetresonanzdatensatzes wenigstens eines Fremdkörpers in einem Zielgebiet eines Patienten und eine Magnetresonanzeinrichtung.
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Bei chirurgischen Behandlungen kann es vorkommen, dass Fremdkörper in einen Patienten eingebracht werden. Während ein klassisches Beispiel für solche Fremdkörper Implantate sind, sind zusätzlich auch Leime, Füllungen, Fremdmaterialbefestigungen, Zementierungen und weitere, gegebenenfalls funktionale, medizinische Vorrichtungen zu nennen. Wird ein solcher Fremdkörper in einen Patienten eingebracht bzw. in dem Patienten erzeugt, können grundsätzlich Komplikationen auftreten, beispielsweise Abstoßungsreaktionen durch den Körper, Infektionen oder mechanische Fehlerfälle, die zum Verlust der strukturellen Integrität und/oder der Funktionalität des Fremdkörpers führen. Beispielsweise können zementierte Implantate sich nicht korrekt in den entsprechenden Knochen integrieren oder durch Loslösen nach einer erfolgreichen Implantation fehlschlagen. Polymerische Befestigungen, Leime und Zemente können durch Degradation über die Zeit, beispielsweise Rissbildung und dergleichen, fehlerhaft werden. Biologisch abbaubare Vorrichtungen, beispielsweise Rückhalteschrauben, können durch entzündliche Reaktionen im Patienten oder Bruch in ihrer gedachten Funktion scheitern. Um rechtzeitig in einem solchen Fehlerfall eingreifen zu können, beispielsweise um irreparablen Schaden zu vermeiden, ist eine genaue Detektion und Charakterisierung des Funktionszustands des Fremdkörpers notwendig.
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Für derartige Anwendungsfälle, bei denen eine nichtinvasive Bewertung des Fremdkörpers, beispielsweise eines Implantats, wünschenswert ist, sind Bildgebungsmodalitäten wie Computertomographie und Ultraschall weniger geeignet, da oft Artefakte auftreten, der Kontrast ungeeignet ist und Entzündungen oder dergleichen nicht sichtbar werden. Grundsätzlich bietet sich daher die Magnetresonanzbildgebung als Bildgebungsmodalität an, nachdem sie eine hohe Signal- und Kontrastauflösung von Weichteilgeweben und Knochen aufweist, jedoch ist sie bislang nicht in der Lage, die Integrität von Fremdkörpern, beispielsweise festen Implantaten und Befestigungskomponenten, zu visualisieren. Die Magnetresonanzbildgebung kann üblicherweise nicht genutzt werden, weil das Magnetresonanzsignal bereits zerfallen ist, bevor die gängigen Magnetresonanzsequenzen es messen könnten. Zudem können starke Bildartefakte auftreten, da insbesondere metallische Fremdkörper durch ihre Suszeptibilitätseffekte die für die Messung notwendigen Felder der Magnetresonanzeinrichtung verzerren können. Es wurden zwar bereits Magnetresonanzsequenzen bekannt, die diese Artefakte reduzieren und die Bildgebung des Gewebes um den Fremdkörper erlauben, wobei zur Bildgebung der Fremdkörper selber noch kein weitgehend nutzbares Verfahren bekannt wurde.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, Fremdkörper, insbesondere Implantate und deren Befestigungen, in der Magnetresonanzbildgebung möglichst derart hochqualitativ sichtbar zu machen, dass eine Auswertung hinsichtlich der Erfüllung ihrer Funktion, von Fehlerfällen und/oder sonstigen Einsatzschwierigkeiten ermöglicht wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Aufnahme eines Magnetresonanzdatensatzes wenigstens eines Fremdkörpers in einem Zielgebiet eines Patienten vorgesehen, welches sich dadurch auszeichnet, dass zur Aufnahme der Magnetresonanzdaten eine Magnetresonanzsequenz mit einer ultrakurzen Echozeit, die kleiner als 500 µs ist, verwendet wird.
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Bevorzugt werden dabei Echozeiten eingesetzt, die im Bereich von 20 µs bis 100 µs liegen. Die Erfindung beschreibt eine Möglichkeit, einen Fremdkörper, insbesondere ein Implantat, eine medizinische Vorrichtung und/oder eine Befestigung, unmittelbar aufzunehmen und auszuwerten, basierend auf Magnetresonanzbildgebung mit ultrakurzen Echozeiten. Selbstverständlich müssen die Fremdkörper dann grundsätzlich Kerne enthalten, die durch Magnetresonanzbildgebung erfassbar sind, insbesondere also Wasserstoff (gebundene Protonen). Viele Fremdkörper, die in Patienten eingebracht werden, weisen stark gebundene Protonen auf, wobei beispielsweise Polymere, Zemente, Leime und biologisch abbaubare Vorrichtungen und Befestigungen üblicherweise Protonen umfassen. Die starke Bindung dieser Protonen führt jedoch dazu, dass das Magnetresonanzsignal sehr schnell zerfällt und die Fremdkörper mit konventioneller Magnetresonanzbildgebung, also unter Verwendung konventioneller Magnetresonanzsequenzen, nicht sichtbar sind. Dieses Problem wird durch die Verwendung von Magnetresonanzsequenzen mit ultrakurzen Echozeiten beseitigt.
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Konkret gilt, dass das in der Magnetresonanzbildgebung messbare Magnetresonanzsignal mit der Relaxationskonstante T2 bzw. T2* zerfällt. Das mit T2* abklingende Magnetresonanzsignal nennt man auch „free induction decay – FID“. Für Weichteilgewebe, das üblicherweise durch Magnetresonanzbildgebung aufgenommen wird, liegen diese Relaxationszeiten üblicherweise deutlich über 10 ms, während jedoch stark gebundene Protonen in festen Strukturen, wie beispielsweise Fremdkörpern, deutlich kürzere T2- und T2*-Relaxationszeiten aufweisen, beispielsweise deutlich unterhalb 1 ms bis herunter zu einigen µs.
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In der Magnetresonanzbildgebung werden die Magnetresonanzdaten des Zentrums des k-Raums bei der sogenannten Echozeit (TE) aufgenommen. In der Routine-Magnetresonanzbildgebung eingesetzte Magnetresonanzsequenzen weisen dabei üblicherweise Echozeiten im Bereich von 2 bis 100 ms auf. Signale mit T2 bzw. T2*, die deutlich kürzer als die Echozeit sind, sind im Magnetresonanzscan dann nicht sichtbar. Bestimmte Magnetresonanzsequenzen, beispielsweise die UTE-Sequenz („ultrashort TE“) oder PETRA („pointwise encoding time reduction with radial acquisition", vgl. D. Grodzki et al., Magn. Reson. Med. 67 (2012) 510–518) erlauben sogenannte ultrakurze Echozeiten, wobei TE kleiner als 500 µs ist, beispielsweise zwischen 20 und 100 µs. Anders als in konventionellen Magnetresonanzsequenzen wird in Magnetresonanzsequenzen mit ultrakurzen Echozeiten kein Echo gebildet, sondern die Magnetresonanzdaten werden schon während des FID aufgenommen. So werden auch stark gebundene Protonen in Fremdkörpern in einem Patienten sichtbar.
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In Patienten eingebrachte Fremdkörper, beispielsweise Implantate zur Gelenkersetzung, Zementierungen, Leime, Befestigungen und biologisch abbaubare Vorrichtungen enthalten stark gebundene Protonen. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Protonen mit Magnetresonanzsequenzen mit ultrakurzer Echozeit vermessen, so dass beispielsweise Beschädigungen, fehlerhafte Anordnungen und dergleichen aufgefunden werden können. Das Zielgebiet, also die „region of interest – ROI“, die den Fremdkörper enthält, wird durch die Magnetresonanzsequenz mit ultrakurzer Echozeit vermessen, wonach im Rahmen der Erfindung weitere Auswertungen folgen können. So ist es mithin möglich, früh und nicht invasiv in vivo Fehlerfälle und dergleichen bezüglich eingebrachter Fremdkörper, insbesondere von Implantaten, zu erkennen.
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Wie bereits erwähnt wurde, lassen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung zweckmäßig als Sequenz eine UTE-Sequenz und/oder eine PETRA-Sequenz einsetzen. Selbstverständlich ist jedoch auch die Verwendung anderer Magnetresonanzsequenzen mit ultrakurzen Echozeiten denkbar.
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Der Fremdkörper weist, wie dargelegt wurde, stark gebundene Protonen auf, so dass auch gesagt werden kann, dass er eine T2- und/oder T2*-Relaxationszeit von kleiner als 1 ms aufweisende Protonen enthält.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass im Rahmen einer Auswertung der Magnetresonanzdaten der Fremdkörper segmentiert wird. Hierfür kann beispielsweise ein geeigneter Segmentierungsalgorithmus eingesetzt werden, der die Magnetresonanzdaten auswertet, welche besonders zweckmäßig bereits so aufgenommen wurden, dass diese Segmentierung einfach möglich ist, wobei aufgrund der speziellen Eigenschaften des Fremdkörpers die Teile des Magnetresonanzdatensatzes identifiziert werden, die ein schnell zerfallendes Magnetresonanzsignal aufweisen. Der entsprechend segmentierte, den Fremdkörper beschreibende Anteil kann zur weiteren Auswertung verwendet werden. Dabei sind im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zwei konkrete Ausgestaltungen der Magnetresonanzmessung besonders bevorzugt, die für eine Segmentierung hervorragend vorbereitete Daten liefern, wobei beide gemein haben, dass der Fremdkörper zweckmäßig anhand der T2*-Relaxationszeiten als einen Schwellwert für die T2*-Relaxationszeit unterschreitende Bildpunkte segmentiert wird.
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So kann zum einen vorgesehen sein, dass zur quantitativen Bestimmung der T2*-Relaxationszeit mehrere Echos bei unterschiedlichen Echozeiten vermessen werden, insbesondere nach einem einzigen Anregungspuls. Auf diese Weise kann mithin festgestellt werden, zu welchem Zeitpunkt das Magnetresonanzsignal an einem Bildpunkt wie weit zerfallen ist, so dass aus den verschiedenen durch die unterschiedlichen Echozeiten beschriebenen Messzeitpunkten auf die dortige T2*-Relaxationszeit schlussgefolgert werden kann. Es werden also in einem Auswertungsschritt die zu verschiedenen Echozeiten aufgenommenen Magnetresonanzdaten ausgewertet, um für die verschiedenen Bildpunkte einen quantitativen Wert der T2*-Relaxationszeit zu erhalten, der im Rahmen einer Schwellwertsegmentierung gegen den Schwellwert überprüft werden kann. Dabei sind grundsätzlich selbstverständlich auch Verfeinerungen des Segmentierungsalgorithmus denkbar.
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Es sei bereits an dieser Stelle angemerkt, dass das entsprechende Vorgehen zu quantifizierten T2*-Werten für jeden Bildpunkt führt, mithin eine T2*-Karte bereits in diesem Auswertungsschritt, der die Grundlage der Segmentierung bildet, ermittelt wird, welche zu späteren Zeitpunkten auch im Rahmen weiterer Auswertungen berücksichtigt werden kann, was noch genauer erläutert werden wird.
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Eine weitere bevorzugte konkrete Ausführung der Magnetresonanzmessung, um eine Segmentierung des Fremdkörpers vereinfacht vornehmen zu können, sieht vor, dass im Rahmen der Magnetresonanzsequenz vor dem Anregungspuls ein Sättigungspuls einer Dauer von wenigstens 25 ms, bevorzugt wenigstens 30 ms, gegeben wird, so dass das Signal von außerhalb des Fremdkörpers liegenden, den Schwellwert für die T2*-Relaxationszeit überschreitenden Protonenspins gesättigt wird. Dadurch, dass im Bereich des Fremdkörpers aufgrund der kurzen T2- bzw. T2*-Zeiten ein äußerst schneller Signalzerfall stattfindet, gelangen die entsprechenden Spins nicht in die Sättigung, sondern werden nur etwas angeregt, worauf die Anregung schnell wieder zerfällt, und dergleichen. Das bedeutet, nach dem Sättigungspuls kann bereits nach einer kurzen Wartezeit auf die Relaxierung der leichten Anregung die Messung vorgenommen werden, während die Spins mit langen T2- bzw. T2*-Relaxationszeiten sich in Sättigung befinden und keinerlei Signal liefern. In dieser Ausgestaltung ist es mithin denkbar, dass ohnehin nur das Magnetresonanzsignal des Fremdkörpers vermessen wird, was eine Segmentierung entsprechend vereinfachen kann.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass in der Ausgestaltung mit einer Messung bei verschiedenen Echozeiten eine ähnliche Abbildung auch erzeugt werden kann, indem bei einer deutlich späteren zweiten Echozeit eine zweite Messung vorgenommen wird, wobei zum Zeitpunkt der zweiten Messung die Magnetresonanzsignale des Fremdkörpers längst zerfallen sind. Zieht man dann von dem in der ersten Messung bei der ultrakurzen Echozeit entstandenen Magnetresonanzbild des Magnetresonanzdatensatzes das zu der zweiten Echozeit in der zweiten Messung aufgenommene Magnetresonanzbild des Magnetresonanzbilddatensatzes ab, erhält man ebenso ein Magnetresonanzbild, in dem nur die Anteile des Fremdkörpers enthalten sind, so dass auch hier eine einfache Segmentierung gegeben ist.
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Während die automatische Segmentierung des Fremdkörpers bereits eine erste, nützliche Auswertung der Magnetresonanzdaten darstellt, lassen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch weitere automatisierte Auswertungsschritte realisieren. So sieht eine zweckmäßige Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vor, dass im Rahmen einer Auswertung der Magnetresonanzdaten eine Quantifizierung der T2*-Relaxationszeit und/oder der Protonendichte als Auswertungsgrößen erfolgt, insbesondere einer Ermittlung einer Auswertungsgrößenkarte für das Zielgebiet. Wie bereits dargelegt wurde, kann eine Quantifizierung der T2*-Relaxationszeit bereits im Rahmen der Segmentierung vorgenommen werden, wenn explizit T2*-Relaxationszeiten für jeden Bildpunkt aus Magnetresonanzdaten, die zu verschiedenen Echozeiten aufgenommen wurden, ermittelt wird. Mithin kann allgemein gesagt vorgesehen sein, dass die T2*-Relaxationszeiten durch eine Auswertung von zu verschiedenen Echozeiten gemessenen Magnetresonanzdaten ermittelt werden, wobei beispielsweise Regressionsverfahren und dergleichen angesetzt werden können. Hinsichtlich der Protonendichten kann vorgesehen sein, dass diese durch Vergleiche mit Regionen bekannter Protonendichte, insbesondere einer bestimmten Gewebeart, ermittelt werden. Derartiges kann insbesondere dann möglich sein, wenn die Umgebung des Fremdkörpers bereits gut bekannt ist und daher Protonendichten in den Fremdkörper umgebenden Bereichen, beispielsweise im Muskelgewebe, bereits bekannt sind, so dass auch auf die Protonendichte im Fremdkörper gefolgert werden kann.
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Mit derartigen Auswertungsgrößen, insbesondere T2*-Relaxationszeiten, die als Karte, mithin für jeden Bildpunkt, vorliegen, lassen sich eine Vielzahl automatisierter und manueller weiterer Auswertungsvorgänge durchführen. So lässt sich beispielsweise anhand einer T2*-Karte ersehen, wo höhere T2*-Zeiten als in dem Fremdkörper erwartet vorliegen, was ein Hinweis auf einen Riss oder einen sonstigen Fehler der strukturellen Integrität ist, so dass allgemein gilt, dass Abweichungen in diesen Auwertungsgrößen einen Schaden am Fremdkörper oder eine Infektion anzeigen können, wobei insbesondere auch bereits kleine Abweichungen festgestellt werden können, so dass bereits in einer frühen Phase einer Beschädigung, einer Infektion oder dergleichen ein Problem festgestellt werden kann, um dann beispielsweise entsprechend vorzugehen. Mithin kann, allgemein gesprochen, vorgesehen sein, dass wenigstens eine strukturelle Integritätsinformation durch Auswertung der Auswertungsgrößen im Fremdkörper ermittelt wird, insbesondere durch Vergleich mit Sollgrößen und/oder durch Analyse der Auswertungsgrößenverteilung. Liegen beispielsweise in einem Bereich des Fremdkörpers deutlich längere T2*-Werte vor, kann angenommen werden, dass entweder die Protonen nicht so stark gebunden sind oder dass freie Wasserprotonen vorhanden sind. In beiden Fällen kann dies auf eine Beschädigung des Fremdkörpers, beispielsweise eines Implantats, hinweisen, beispielsweise auf Risse oder dergleichen.
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In vielen klinischen Anwendungsfällen ist bereits im Vorfeld bekannt, welche Art von Fremdkörper innerhalb des Patienten vorliegt, beispielsweise bei der Verwendung von bestimmten Gelenkersatzteilen und dergleichen. Auch beispielsweise gesetzte Schrauben sind in ihrer Form und ihren Eigenschaften als Vorwissen meist bereits bekannt, wobei dies auch für viele andere Beispiele gilt. Bei Füllungen oder sonstigen Fremdkörpern kann Vorwissen auch aus einer Behandlungsplanung oder eine Kontrollaufnahme nach Einfügen des Fremdkörpers existieren. Es liegt mithin in vielen Fällen ein Vorwissen vor, das selbstverständlich in die Auswertung der Magnetresonanzdaten hinsichtlich des Fremdkörpers einfließen kann, beispielsweise durch Vorgabe von Sollgrößen für die T2*-Relaxationszeiten, die Protonendichten und dergleichen. Handelt es sich bei den Fremdkörpern jedoch um Implantate oder sonstige, fest vordefinierte Vorrichtungen innerhalb des Patienten, sieht eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung vor, dass Sollgrößen, insbesondere für als Vorwissen vorhandene, den Fremdkörper beschreibende Fremdkörperparameter, aus einer Datenbank ermittelt werden. In einer derartigen Datenbank können beispielsweise das erwartete Magnetresonanzsignal, insbesondere die T2*-Relaxationszeiten und/oder die Protonendichten und/oder das gemessene Magnetresonanzsignal selbst, die Form und die Struktur des unbeschädigten Fremdkörpers abgespeichert werden. Liegt ein entsprechendes Implantat vor, können die Sollgrößen, beispielsweise als Solldatensatz, abgerufen werden. Dann kann ein automatischer Auswertungsalgorithmus vorgesehen werden, der die gemessenen Daten mit dem Sollgrößendatensatz vergleicht und mögliche Beschädigungen feststellt.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass wenigstens ein Bilddatensatz des Zielgebiets, insbesondere durch Magnetresonanzbildgebung, aufgenommen wird und aus Bilddaten des Bilddatensatzes und Magnetresonanzdaten des Magnetresonanzdatensatzes ein Fusionsdatensatz erzeugt und angezeigt wird. Dabei können selbstverständlich sowohl die Bilddaten als auch die Magnetresonanzdaten wenigstens teilweise vorausgewertet werden, um in den Fusionsdatensatz einzugehen. So sieht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel vor, dass ein durch Segmentierung, insbesondere gemäß der vorab beschriebenen Vorgehensweisen, gewonnenes Abbild des Fremdkörpers in den Bilddatensatz eingeblendet wird. Mithin können die Magnetresonanzdaten mit Bilddaten, insbesondere mit konventioneller Magnetresonanzbildgebung aufgenommenen Bilddaten, fusioniert werden, wobei beispielsweise eine Gewichtung eingesetzt werden kann und/oder der segmentierte Fremdkörper, bevorzugt als Überlagerung, angezeigt wird. Dies ermöglicht es nicht nur, auch Anomalien, beispielsweise Entzündungen, am umgebenden Gewebe feststellen zu können, sondern auch, falls Artefakte oder Verzerrungen aufgrund des Fremdkörpers im konventionellen mit Magnetresonanzbildgebung aufgenommenen Bilddatensatz auftreten, zu erkennen, wie dicht die Verzerrungen/Artefakte an den Fremdkörper, beispielsweise ein Implantat, heranreichen.
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Wie soeben bereits angedeutet wurde, können bei Metall enthaltenden Fremdkörpern oder anderweitig beispielsweise einen Suszeptibilitätssprung zum Gewebe erzeugenden Fremdkörpern Artefakte/Messfehler auftreten, denn obwohl Magnetresonanzsequenzen mit ultrakurzen Echozeiten recht unempfindlich gegenüber Suszeptibilitätsartefakten sind, können Artefakte oder Signalverluste durch Dephasierung und/oder Frequenzverschiebungen auftreten. Mithin sieht eine bevorzugte Weiterbildung vor, dass bei einem Metall enthaltenden Fremdkörper eine Korrektur der durch das Metall auftretenden Störfelder während der Messung erfolgt. Dabei wird insbesondere hervorgehoben, dass es im Rahmen der vorliegenden Erfindung ja darum geht, gerade die Protonen im Fremdkörper selbst zu vermessen, welche sich nahe an dem Metall befinden und mithin oft auch Störungen aufweisen können. Daher werden zusätzliche Schritte vorgeschlagen, so dass diese Protonen im Fremdkörper dennoch vermessen werden können.
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So kann konkret vorgesehen sein, dass durch das Metall induzierte Gradienten durch Kompensationsgradientenpulse ausgeglichen werden und/oder eine Anpassung der Anregungsfrequenz aufgrund von Grundfeldabweichungen im Zielgebiet, insbesondere im Fremdkörper, erfolgt. Die beiden auch für Messungen mit ultrakurzen Echozeiten hauptsächlich noch relevanten Effekte sind zum einen erzeugte Inhomogenitäten des Grundmagnetfeldes, die beispielsweise aus einer Grundmagnetfeldkarte, die auf bekannte Arten und Weisen (B0-Feld- bzw. Grundfeldvermessung) aufgenommen werden kann, abgelesen werden können, zum anderen Dephasierungseffekte durch zusätzliche Gradientenmomente, die durch die magnetischen Gradienten des Metalls auftreten. Ein verändertes Grundmagnetfeld verschiebt die Lamorfrequenz, mithin auch die Anregungsfrequenz, so dass vorgesehen sein kann, dass eine Anpassung der Anregungsfrequenz des Anregungspulses erfolgt. Zum Ausgleich zusätzlicher Gradientenmomente können entsprechende Kompensationsgradientenpulse in die Magnetresonanzsequenz aufgenommen werden. Diese Techniken sind im Stand der Technik zwar grundsätzlich bekannt, wurden aber bislang im Hinblick auf ultrakurze Echozeiten nicht angewandt, da diese zur Vermessung von Gewebe eingesetzt wurden, so sich die Messung als ziemlich robust gegenüber diesen Effekten erwiesen hat.
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Sind die aufgrund des Metalls auftretenden Effekte im Zielgebiet zu unterschiedlich, kann vorgesehen sein, dass die Messung als Teilmessungen unterschiedlicher Subgebiete des Zielgebiets mit unterschiedlichen Auswirkungen des Metalls durchgeführt wird. Das bedeutet, es ist möglich, dass die bislang beschriebenen Kompensations-/Korrekturmechanismen nur für bestimmte Subgebiete, in denen bestimmte Auswirkungen des Metalls vorliegen, wirksam sind, so dass vorgesehen sein kann, die Messung einige Male für unterschiedliche Subgebiete des Zielgebiets zu wiederholen, woraufhin in einem folgenden Schritt die verschiedenen Teilmessungen zu den Magnetresonanzdaten kombiniert werden können.
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Zusammenfassend bietet das erfindungsgemäße Verfahren also eine Möglichkeit zur Erlangung von Daten über Fremdkörper in einem Patienten, insbesondere von Implantaten, Zementierungen, Leimen, Befestigungen und sonstigen medizinischen Vorrichtungen, indem Magnetresonanzdaten mit einer Magnetresonanzsequenz mit ultrakurzer Echozeit aufgenommen werden. Ausgestaltungen des Verfahrens sehen die automatisierte Segmentierung des Fremdkörpers, den automatischen Vergleich von Auswertungsergebnissen mit Sollgrößen einer Datenbank, die automatische Identifizierung von möglichen Schäden durch automatische Auswertung, die Fusion mit klinischen Bilddatensätzen anderer Kontraste, die Auswertung quantitativer Maße, beispielsweise von T2*-Werten, in und um den Fremdkörper zur Detektion von Anomalitäten und die Korrektur von Verzerrungseffekten des Metalls auf die Magnetfelder der Magnetresonanzeinrichtung vor.
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Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung auch eine Magnetresonanzeinrichtung, die eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Steuereinrichtung aufweist. Insbesondere weist die Steuereinrichtung also eine Aufnahmeeinheit auf, die die sonstigen Komponenten der Magnetresonanzeinrichtung ansteuert, um die Magnetresonanzdaten mit der Magnetresonanzsequenz unter Verwendung einer ultrakurzen Echozeit aufzunehmen. Weitere denkbare Komponenten einer derartigen Steuereinrichtung sind eine Segmentierungseinheit, eine Auswertungseinheit, eine Fusionseinheit und dergleichen. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Magnetresonanzeinrichtung übertragen, mit welcher mithin auch die bereits genannten Vorteile erhalten werden können.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1 einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine Skizze zur Erläuterung einer Möglichkeit zur Vorbereitung einer Segmentierung,
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3 eine Skizze zur Erläuterung zur Messung bei mehreren Echozeiten,
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4 eine Überlagerung eines die Anatomie zeigenden Bilddatensatzes mit Magnetresonanzdaten,
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5 eine T2*-Relaxationszeitkarte, und
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6 eine erfindungsgemäße Magnetresonanzeinrichtung.
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1 zeigt einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, das zur Aufnahme und Auswertung von Magnetresonanzdaten eines Fremdkörpers in einem Zielgebiet eines Patienten, im konkreten Beispiel eines Implantats, dient. Dabei sollen nicht nur Magnetresonanzdaten des Implantats selbst, beispielsweise eines Gelenkersatzes, aufgenommen werden, sondern zudem auch eine automatische Auswertung hinsichtlich der Funktionsfähigkeit, der strukturellen Integrität und der Beeinflussung der Umgebung des Implantats erfolgen. Selbstverständlich gilt das hier Dargestellte auch für andere Fremdkörper, beispielsweise Zementierungen, Befestigungen, Leime, Schrauben, und sonstige medizinische Vorrichtungen.
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In einem Schritt S1 werden mit einer Magnetresonanzeinrichtung die Magnetresonanzdaten aufgenommen, wobei als Erfassungsbereich ein Zielgebiet des Patienten gewählt wird, das das Implantat enthält. Dabei wird eine Magnetresonanzsequenz verwendet, die ultrakurze Echozeiten, hier im Bereich von 20 µs bis 100 µs, erlaubt, das bedeutet, die erste Messung von Magnetresonanzdaten findet bei einer äußerst frühen Echozeit statt, so dass auch schnell zerfallene Magnetresonanzsignale, wie sie durch die stark gebundene Protonen im Implantat erzeugt werden, verlässlich erfasst werden können. Nichtsdestotrotz werden vorliegend auch Magnetresonanzdaten zu mehreren späteren Echozeiten aufgenommen, idealerweise nach einem einzigen Anregungspuls, gegebenenfalls jedoch auch in mehreren Durchläufen der Magnetresonanzsequenz, um bei der späteren Auswertung die Segmentierung des Implantats zu erleichtern und T2*-Relaxationszeiten ermitteln zu können.
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Optional kann im Schritt S1 dem Anregungspuls ein Sättigungspuls vorausgehen, der wenigstens 25 ms, im vorliegenden Fall 30 ms, andauert, und die Spins der umliegenden Gewebe des Patienten, deren Anregung langsamer zerfällt, in Sättigung bringen, so dass in den Magnetresonanzdaten ohnehin nur Magnetresonanzsignale des Implantats vermessen werden, die eine T2*-Relaxationszeit kleiner einem Schwellwert aufweisen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass derartige Magnetresonanzdaten jedoch auch ohne einen Sättigungspuls erzeugt werden können, wenn zwei Messungen zu unterschiedlichen Echozeiten vorgenommen werden, da die erste, ultrakurze Echozeit die Signale aller Spins zeigt, bei der zweiten Echozeit der zweiten Messung die Magnetresonanzsignale mit niedriger T2*-Relaxationszeit jedoch schon zerfallen sind, wie in 2 schematisch dargestellt werden soll. Darin bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Magnetresonanzbild, das zur ersten, ultrakurzen Echozeit aufgenommen wurde und mithin im gesamten Zielgebiet, schraffiert dargestellt, Signal zeigt. Das Magnetresonanzbild 2 wurde zu einer zweiten, späteren Echozeit, beispielsweise 5 ms, aufgenommen, so dass die Signalanteile des Implantats in dem Bereich 3 bereits zerfallen sind und nur im Gewebe noch Signal vorhanden ist. Zieht man nun, wie schematisch dargestellt, das Magnetresonanzbild 2 von dem Magnetresonanzbild 1 ab, entsteht ein Magnetresonanzbild 4, in dem nur noch im Bereich 3 des Implantats Signal vorhanden ist. Dies entspricht im Wesentlichen dem Ergebnis, wenn man einen langen Sättigungspuls, wie beschrieben, einsetzt.
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Im vorliegenden Fall werden jedoch ohnehin, wie bereits dargelegt wurde, zu verschiedenen Echozeiten auch nach der ersten, ultrakurzen Echozeit, Magnetresonanzdaten aufgenommen, so dass der Zerfall der transversalen Magnetisierung nachvollzogen werden kann und T2*-Relaxationszeiten für die einzelnen Bildpunkte quantitativ bestimmt werden können, wie das durch 3 bereits angedeutet sei. Dort ist die transversale Magnetisierung in ihrem Verlauf 5 schematisch gegen die Echozeit aufgetragen, wobei Markierungen 6 mögliche Echozeiten darstellen, zu denen Magnetresonanzdaten aufgenommen werden können, so dass der Verlauf 5 aus diesen rekonstruiert werden kann und eine T2*-Relaxationszeit in einem späteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden kann. Das Bild 1 der 2 könnte dabei von der ersten vermessenen, ultrakurzen Echozeit stammen, das Bild 2 der 2 von der in 3 zuletzt vermessenen, längeren Echozeit, zu der das Magnetresonanzsignal im Implantat bereits zerfallen ist.
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Weist das Implantat Metall auf, kann die Datenaufnahme im Schritt S1 modifiziert werden, um Feldverzerrungen bzw. zusätzliche auftretende Gradientenmomente durch Suszeptibilitätssprünge zu kompensieren. Hierzu kann beispielsweise eine Grundmagnetfeldkarte auf bekannte Art und Weise erzeugt werden (oft auch als B0-Karte bezeichnet), woraufhin dann die Anregungsfrequenz gemäß einer Abweichung des Grundmagnetfeldes angepasst werden kann, wobei es durchaus möglich ist, das gesamte Zielgebiet in mehreren Subgebieten zu vermessen und die entsprechenden Teilmessungen dann zu einem Gesamtbild zusammenzufügen. Zur Korrektur von zusätzlich auftretenden Gradientenmomenten können zusätzliche Kompensationsgradientenpulse geschaltet werden, wie dies im Stand der Technik zwar grundsätzlich bekannt ist, jedoch für die gegen derartige Störungen grundsätzlich robusten Magnetresonanzsequenzen mit kurzer Echozeit noch nicht eingesetzt wurde, nachdem Gegenstand der Datenaufnahme bislang nicht das das Metall enthaltende Implantat bzw. der sonstige Fremdkörper war.
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In einem optionalen Schritt S2 können mit derselben Magnetresonanzeinrichtung unter Verwendung konventioneller Magnetresonanzsequenzen auch Anatomie-Bilddatensätze des Zielgebiets aufgenommen werden, die in diesem Fall zwangsläufig mit dem im Schritt S1 gewonnenen Magnetresonanzdatensatz registriert sind.
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In einem Schritt S3 wird das Implantat in den Magnetresonanzdaten segmentiert. Wurde ein Sättigungspuls als Vorpuls verwendet, wie oben beschrieben, so dass die gemessenen Magnetresonanzsignale ohnehin nur von dem Implantat stammen, können übliche Schwellwertsegmentierungen in den Magnetresonanzdaten selbst eingesetzt werden, um die Segmentierung zu ermöglichen. Denkbar ist es jedoch auch (oder zusätzlich), bereits zu diesem Zeitpunkt, also im Schritt S3, wie dargelegt wurde, automatisch eine T2*-Relaxationszeitkarte zu bestimmen, nachdem, wie bezüglich 3 dargelegt wurde, Magnetresonanzdaten zu mehreren Echozeiten vorliegen, aus denen die T2*-Relaxationszeit rückgerechnet werden kann. Die Segmentierung kann dann für jeden Bildpunkt erfolgen, indem überprüft wird, ob dieser einen Schwellwert für die T2*-Relaxationszeit unterschreitet.
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Ergebnis des automatischen Segmentierungsvorgangs des Schrittes S3 ist mithin eine Orts- und Forminformation des Implantats und zusätzlich idealerweise auch eine T2*-Relaxationszeitkarte.
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In einem Schritt S4 wird schließlich ein Fusionsdatensatz erzeugt, in dem Bilddaten eines entweder mit dem Magnetresonanzdatensatz zu registrierenden oder aber bevorzugt des in Schritt S2 aufgenommenen Bilddatensatzes mit den Magnetresonanzdaten fusioniert werden, um das Implantat und gegebenenfalls seine Eigenschaften im Kontext der umgebenden Anatomie darstellen zu können. Ein derartiges Fusionsbild 7 eines solchen Fusionsdatensatzes ist in 4 schematisch dargestellt. Deutlich zu erkennen ist eine Darstellung der Anatomie 8, insbesondere eines Knochens 9, gemeinsam mit einer überlagerten Darstellung des Implantats 10. Das Fusionsbild 7 kann zur Anzeige gebracht werden und zur weiteren manuellen Auswertung genutzt werden.
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In einem Schritt S5, vgl. wiederum 1, findet jedoch auch eine weitere automatische Auswertung des Magnetresonanzdatensatzes statt. Wurde nicht bereits im Schritt S3 eine T2*-Relaxationszeitkarte bestimmt, kann dies nun auch im Schritt S5 erfolgen; zusätzlich ist es möglich, wenn Informationen über die umgebende, ebenso vorhandene Anatomie vorliegen, aus deren bekannter Zuordnung auch quantitative Werte für die Protonendichte im Implantat 10 zu ermitteln. Nachdem vorliegend ein Implantat 10 betrachtet wird, zu dem Vorwissen existiert, wird dieses Vorwissen in Schritt S5 nun genutzt, um einen Sollgrößendatensatz aus einer Datenbank 11 abzurufen, der dem Vorwissen zugeordnet ist und Sollgrößen enthält, beispielsweise für die Magnetresonanzdaten des Implantats 10 selbst, die T2*-Relaxationszeiten, die Protonendichten und/oder die Verteilung der vorgenannten Auswertungsgrößen. So kann durch automatischen Vergleich mit den Sollgrößen festgestellt werden, ob Abweichungen vorliegen, die auf Fehlerzustände hinweisen, beispielsweise Beschädigungen der strukturellen Integrität des Implantats 10, eine falsche Anordnung des Implantats 10 bzw. eine falsche Form des Implantats 10 und dergleichen. Liegen auch beispielsweise im Schritt S2 aufgenommene parallele Anatomie-Bilddaten vor, können sich Sollgrößen auch auf diese beziehen, um beispielsweise Anomalitäten im umgebenden Gewebe feststellen zu können.
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Doch auch beispielsweise aus den T2*-Relaxationszeitkarten lassen sich bereits ohne Sollgrößen gegebenenfalls strukturelle Integritätsinformationen über das Implantat 10 herleiten, wobei 5 beispielhaft eine solche T2*-Relaxationszeitkarte 12 für das Implantat 10 zeigt. Ersichtlich sind im Bereich eines Risses 13 des Implantats 10 die T2*-Relaxationszeiten niedriger, entweder, weil eine losere Bindung der Protonen vorliegt oder weil bereits Wasser oder dergleichen in das Implantat 10 eingedrungen ist. Auch andere Arten von Anomalien lassen sich durch eine derartige Homogenitäts- und Strukturüberprüfung feststellen. So lassen sich beispielsweise Beschädigungen frühzeitig feststellen.
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Insgesamt ist also eine nicht invasive in-vivo-Auswertung des Zustandes von Fremdkörpern, insbesondere eines Implantats 10, im Körper eines Patienten möglich, was durch eine weitgehend automatisierte Auswertung unterstützt werden kann.
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6 zeigt schließlich eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung 14. Diese weist, wie grundsätzlich bekannt, eine Grundmagneteinheit 15 auf, die eine Patientenaufnahme 16 definiert, die umgebend, hier der Übersichtlichkeit nicht näher dargestellt, eine Gradientenspulenanordnung und eine Hochfrequenzspulenanordnung vorgesehen sind und in die ein Patient mit einer Patientenliege eingefahren werden kann. Gesteuert wird der Betrieb der Magnetresonanzeinrichtung 14 von einer Steuereinrichtung 17, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Hierzu weist die Steuereinrichtung 17 eine Aufnahmeeinheit 18 auf, die die anderen Komponenten der Magnetresonanzeinrichtung 14 zur Aufnahme der Magnetresonanzdaten im Schritt S1 (vgl. 1) ansteuern kann. Ferner, hier jedoch nicht näher dargestellt, kann zur Realisierung des Schrittes S3 eine Segmentierungseinheit vorgesehen sein, zur Realisierung des Schrittes S4 eine Fusionseinheit und zur Realisierung des Schrittes S5 eine Auswerteeinheit. Auch die Datenbank 11 kann in einer Speichereinrichtung der Steuereinrichtung 17 gespeichert sein oder es kann über eine Netzwerkverbindung oder dergleichen auf einen Rechner mit der Datenbank 11 zugegriffen werden.
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Dabei sei darauf hingewiesen, dass es selbstverständlich auch möglich ist, Teile des erfindungsgemäßen Verfahrens außerhalb der Magnetresonanzeinrichtung 14 durchzuführen, beispielsweise auf speziellen Auswertungsrecheneinrichtungen an speziellen Auswertungsarbeitsplätzen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- („pointwise encoding time reduction with radial acquisition“, vgl. D. Grodzki et al., Magn. Reson. Med. 67 (2012) 510–518) [0008]
