DE102014218924A1

DE102014218924A1 - Ermittlung einer Position eines Objekts mittels MRT-Aufnahmen

Info

Publication number: DE102014218924A1
Application number: DE102014218924.1A
Authority: DE
Inventors: Björn Heismann; Sebastian Schmidt; David Grodzki; Annemarie HAUSOTTE; Arne Hengerer; Mark-Aleksi Keller-Reichenbecher
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2016-03-24
Also published as: US20160086330A1

Abstract

Es wird vorgeschlagen, basierend auf 4D MRT-Aufnahmen eine periodische Bewegung eines Objekts, z.B. eines Tumors, zu bestimmen. Abhängig von der periodischen Bewegung des Objekts kann eine Strahlenquelle gesteuert, z.B. nachgeführt werden, so dass z.B. ein zeit- und bestrahlungseffizienter Behandlungsplan erstellt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Position eines Objekts mittels MRT-Aufnahmen, zugehörige Vorrichtung und System sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt und ein entsprechendes computerlesbares Speichermedium.
Die Magnetresonanztomographie (MRT, kurz auch MR; Englisch: MRI für Magnetic Resonance Imaging) ist ein bildgebendes Verfahren, das vor allem in der medizinischen Diagnostik zur Darstellung von Struktur und Funktion der Gewebe und Organe im Körper eingesetzt wird. Es basiert physikalisch auf den Prinzipien der Kernspinresonanz und wird daher auch als Kernspintomographie bezeichnet. Allgemeine Details finden sich z.B. unter http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetresonanztomographie.
Die Computertomographie bzw. Computertomografie (Abkürzung CT), ist ein bildgebendes Verfahren in der Radiologie. Details sind z.B. unter http://de.wikipedia.org/wiki/Computertomographi e zu finden.
In der Strahlentherapie wird versucht, bösartiges Gewebe mit ionisierender Strahlung gezielt zu zerstören. Beispielsweise wird hierfür derartig malignes Gewebe direkt von außen mit Röntgenstrahlung oder (Schwer-)Ionen bestrahlt. Alternativ können radioaktive Strahlenquellen, sogenannte Seeds, implantiert werden.
Die Strahlentherapie wird vor Beginn der Behandlung so geplant, dass das krankhafte Gewebe möglichst effektiv und das gesunde Gewebe möglichst überhaupt nicht bestrahlt wird. Für eine solche Planung erfolgt beispielsweise mittels einer dreidimensionalen Bildgebung unter Ausnutzung der MRT oder CT. Anhand der dreidimensionalen Aufnahmen werden zunächst Volumina ausgewählt, die bestrahlt werden sollen, dann wird eine Dosis für jedes Volumen festgelegt und aufgrund dieser Angaben wird ein Strahlentherapieplan berechnet, der zur Ansteuerung eines Linearbeschleunigers dient.
Für atembewegliche Tumore (z.B. in Lunge oder Leber) stellt die Bewegung des Tumorvolumens ein zusätzliches Problem dar: Je nach Verlauf der Atmung hebt oder senkt sich die Position des zu bestrahlenden Volumens um mehrere Millimeter oder Zentimeter.
Bekannte Lösungen haben den Nachteil, dass auch nicht erkranktes Gewebe einer Strahlung ausgesetzt wird bzw. dass die Behandlung insgesamt lange dauert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine effiziente Möglichkeit zur Bestimmung einer Position eines Zielobjekts, z.B. eines bösartigen Gewebes, zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren vorgeschlagen zur Ermittlung einer Position eines Objekts,

– bei dem mehrere zeitliche aufeinanderfolgende MRT-Aufnahmen erstellt werden,
– bei dem eine periodische Bewegung des Objekts basierend auf den MRT-Aufnahmen bestimmt wird.

Bei einer MRT-Aufnahme handelt es sich um eine Aufnahme, die mittels der Magnetresonanztomographie als bildgebendes Verfahren erstellt wird. Die periodische Bewegung des Objekts kann eine zyklische, sich wiederholende oder eine auf sonstige Art wiederkehrende Bewegung des Objekts sein. Die Bestimmung der Bewegung des Objekts kann eine Bestimmung einer Veränderung der Größe, der Lage oder Ausrichtung oder der Position des Objekts umfassen.
Hierbei ist es von Vorteil, dass die Magnetresonanztomographie zur Erstellung für insbesondere 4D-Aufnahmen eingesetzt werden kann und anhand der (periodischen) Bewegung des Objekts eine effiziente Einstellung bzw. Nachführung einer Strahlenquelle z.B. auf das Objekt oder auf einen Teil des Objekts erfolgen kann. Dies ermöglicht z.B. eine zeiteffiziente Bestrahlung des Objekts bzw. stellt sicher, dass im Wesentlichen nur das Objekt und nicht auch anderes Gewebe bestrahlt wird.
Eine Weiterbildung ist es, dass die periodische Bewegung basierend auf einer Atmung bestimmt wird.
Beispielsweise kann die Periode der Bewegung einer Atemperiode (Atemfrequenz) zugrunde liegen.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass die periodische Bewegung basierend auf einem Herzschlag bestimmt wird.
Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass die periodische Bewegung basierend auf einer Mustererkennung, die basierend auf den MRT-Aufnahmen durchgeführt wird, bestimmt wird.
Beispielsweise kann mindestens ein Zustand der periodischen Bewegung (z.B. ein maximales Ein- oder Ausatmen) anhand der Mustererkennung festgestellt werden, indem z.B. ein Volumen der Lunge ein Maximum oder ein Minimum aufweist. Insbesondere können für die Mustererkennung solche MRT-Aufnahmen (zwei- oder dreidimensional) verwendet werden, die einen hohen Kontrast bzw. deutlich erkennbare Muster aufweisen.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass das Objekt ein Tumor ist.
Ferner ist es eine Weiterbildung, dass das Objekt ein kugelförmiger oder ellipsoider Bereich ist, einen solchen Bereich umfasst oder innerhalb eines solchen Bereichs liegt.
Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung wird abhängig von der periodischen Bewegung des Objekts eine Strahlenquelle gesteuert.
Bei der Strahlenquelle kann es sich um einen Linearbeschleuniger handeln, der einen Röntgenstrahlen oder (Schwer-)Ionenstrahlen emittiert. Die Strahlenquelle wird vorteilhaft entsprechend der Bewegung des Objekts nachgeführt. Hierbei kann sowohl die Strahlenquelle selbst oder der von der Strahlenquelle emittierte Strahl gesteuert bzw. nachgeführt (z.B. abgelenkt) werden.
Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass anhand der mehreren zeitlich aufeinanderfolgenden MRT-Aufnahmen dreidimensionale Aufnahmen des Objekts erstellt und mehrere dreidimensionale Aufnahmen über die Zeit zu einer vierdimensionalen Aufnahme des Objekts kombiniert werden.
Eine Ausgestaltung ist es, dass die periodische Bewegung des Objekts bestimmt wird unter Berücksichtigung mindestens einer der folgenden Veränderungen:

– einer Veränderung der Größe des Objekts,
– einer Veränderung der Lage und Ausrichtung des Objekts,
– einer Veränderung der Position des Objekts.

Somit kann im Verlauf der Bewegung des Objekts z.B. eine beliebige Kombination einer Veränderung seiner Größe, Lage bzw. Ausrichtung oder Position berücksichtigt werden. Beispielsweise kann während einer Atmungsperiode das Objekt zeitweise zusammengepresst oder verdreht werden. Auch kann die Position des Objekts durch die Atmung selbst verschoben werden.
Die Ausführungen betreffend das Verfahren gelten für die anderen Anspruchskategorien entsprechend.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Position eines Objekts umfassend eine Verarbeitungseinheit, die derart eingerichtet ist, dass

– mehrere zeitliche aufeinanderfolgende MRT-Aufnahmen erstellbar sind,
– eine periodische Bewegung des Objekts basierend auf den MRT-Aufnahmen bestimmbar ist.

Die hier genannte Verarbeitungseinheit kann insbesondere als eine Prozessoreinheit und/oder eine zumindest teilweise festverdrahtete oder logische Schaltungsanordnung ausgeführt sein, die beispielsweise derart eingerichtet ist, dass das Verfahren wie hierin beschrieben durchführbar ist. Besagte Verarbeitungseinheit kann jede Art von Prozessor oder Rechner oder Computer mit entsprechend notwendiger Peripherie (Speicher, Input/Output-Schnittstellen, Ein-Ausgabe-Geräte, etc.) sein oder umfassen.
Die vorstehenden Erläuterungen betreffend das Verfahren gelten für die Vorrichtung entsprechend. Die Vorrichtung kann in einer Komponente oder verteilt in mehreren Komponenten ausgeführt sein.
Auch wird die oben genannte Aufgabe gelöst mittels eines Systems umfassend mindestens eine der hier beschriebenen Vorrichtungen.
Es ist eine Ausgestaltung, dass die Verarbeitungseinheit derart eingerichtet ist, dass abhängig von der periodischen Bewegung des Objekts eine Strahlenquelle steuerbar ist.
Auch wird ein System vorgeschlagen umfassend eine weitere Vorrichtung mit einer weiteren Verarbeitungseinheit, die derart eingerichtet ist, dass abhängig von einer periodischen Bewegung eines Objekts eine Strahlenquelle steuerbar ist, wobei die periodische Bewegung von der vorstehend genannten Vorrichtung bereitstellbar ist.
Die hier vorgestellte Lösung umfasst ferner ein Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher eines digitalen Computers ladbar ist, umfassend Programmcodeteile, die dazu geeignet sind, Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchzuführen.
Weiterhin wird das oben genannte Problem gelöst mittels eines computerlesbaren Speichermediums, z.B. eines beliebigen Speichers, umfassend von einem Computer ausführbare Anweisungen (z.B. in Form von Programmcode), die dazu geeignet sind, dass der Computer Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchführt.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
Die einzige Figur zeigt ein Flussdiagramm mit Schritten eines Verfahrens zur Planung einer Bestrahlung sowie zur Durchführung einer Bestrahlung.
Es wird vorgeschlagen, eine Planung zur Strahlentherapie eines Tumors, z.B. eines Lungentumors, basierend auf einem vierdimensionalen (4D) Aufnahmeverfahren durchzuführen. Für das 4D-Aufnahmeverfahren wird beispielsweise die Magnetresonanztomographie (MRT) als bildgebendes Verfahren eingesetzt.
Beispielsweise wird mittels einer schnellen MRT-Sequenz eine Abfolge von 2D-Aufnahmen erstellt und diese Abfolge wird zu einer 3D-Aufnahme zusammengesetzt. Eine zeitliche Abfolge von 3D-Aufnahmen ergibt die 4D-Aufnahme. Somit kann ein 3D-Volumen mit einer hohen Zeitauflösung, z.B. wenige Sekunden pro Bild, über eine Zeitdauer von bspw. einer Minute bis über mehrere Minuten aufgenommen werden.
Die schnelle MRT-Sequenz kann beispielsweise unter Ausnutzung eines 4D Cine Verfahrens (vergleiche A. C. Larson et al.: Self-Gated Cardiac Cine MRI; Magn Res Med. 2004 Januar; 51(1): 93–102), eines URGE Verfahrens (vergleiche O. Heid et al.: Ultra-Rapid Gradient Echo Imaging; MRM 33:143–149 (1995)) oder eines sogenannten "Compressed Sensing k-t" Verfahrens (vergleiche J. Tsao et. al.: k-t BLAST and k-t SENSE: Dynamic MRI With High Frame Rate Exploiting Spatiotemporal Correlations, Magnetic Resonance in Medicine 50:1031–1042 (2003)) generiert werden.
Entsprechend wird über die Zeit (als vierte Dimension) ein 4D Datensatz ermittelt, der zur Bestimmung eines Bestrahlungsvolumens herangezogen werden kann. Bei dem Bestrahlungsvolumen handelt es sich um ein Volumen, z.B. ein in etwa kugelförmiges oder ellipsoides Volumen, das beispielsweise zumindest teilweise einen Raum bestimmt, der bestrahlt werden soll. Vorzugsweise ist der Tumor von diesem Raum umschlossen oder aber der Raum liegt (zumindest teilweise) innerhalb des Tumors.
Beispielsweise kann eine zeitabhängige maximale Intensitätsprojektion (t-MIP) erstellt werden, die ein Bestrahlungsvolumen des Tumors angibt.
Optional kann ein Bewegungsmodell bestimmt werden, das beispielsweise eine durch die Atmung des Patienten hervorgerufene periodische Bewegung (mit einer Atemfrequenz) mindestens eines Organs, z.B. der Lunge, berücksichtigt. So kann basierend auf der Atmung des Patienten der zeitlich periodische Verlauf der Auslenkung des Organs bestimmt, d.h. modelliert, werden und basierend auf einem solchen Modell kann eine künftige Auslenkung des Organs mit hoher Genauigkeit vorausbestimmt werden. Damit kann eine Bestrahlung zielgerichtet an einem Ort erfolgen, an dem das Organ (bzw. der Tumor) im Verlauf der durch die Atmung bedingten periodischen Auslenkung sein wird.
Beispielsweise kann der Tumor als ein rundes Objekt in dem Datensatz der 4D-Daten angenommen werden. Durch die periodische Bewegung der Atmung wird dieses runde Objekt aus einer Ruheposition bewegt. Diese Bewegung kann wie vorstehend beschrieben modelliert werden. Ein Fit-Algorithmus kann eingesetzt werden, um die Größe des Objekts, dessen mittlere Position und seine Bewegungsauslenkung zu bestimmen. Das Bestrahlungsvolumen und/oder die Position der Bestrahlung kann basierend auf einer solchen Information geplant werden.
Optional können 4D-Aufnahmen (zeitaufgelösten Bilder der Volumina) anhand einer Mustererkennung einem Atmungszustand zugeordnet werden. Beispielsweise kann die Größe(nveränderung) der Lunge über die Zeit Aufschluss geben darüber, ob der Patient gerade ein- oder ausatmet bzw. wann das Ein- oder Ausatmen jeweils beendet ist. Derartig erkannte und ausgewertete Muster können einem Atmungszustand zugeordnet und für eine verbesserte (d.h. genauere) Bestrahlung genutzt werden. Insbesondere ist es möglich, anhand einer solchen Mustererkennung die Modellierung der Bewegung des Organs bzw. Tumors zu verbessern.
Beispielsweise ist es möglich, dass der Atemzustand an einem Übergang mit hohem Bildkontrast, wie einem Übergang von Gewebe zu Luft an den Lungengrenzen, mittels der Mustererkennung bestimmt wird.
Im Ergebnis kann somit ein Bestrahlungsplan in Abhängigkeit von der Atmung, d.h. von der Position des Tumors im Verlauf der Atmung (Atemlage) bestimmt werden. Diese Information kann verwendet werden, um eine Bestrahlungsgerät (z.B. Linearbeschleuniger) zu steuern. Der Linearbeschleuniger erhält beispielsweise die Information zur Bestimmung der Atemlage von einem anderen Gerät, z.B. einem Atemgurt oder einem optischen System. Damit kann die Atemlage, bestimmt z.B. anhand des Atemgurts, dazu genutzt werden, basierend auf der Modellierung des Tumors und der Atmung, die Bestrahlung im Verlauf der sich periodisch wiederholenden Atmung, die Bestrahlung entsprechend der Bewegung des Tumors im Verlauf der Atmung nachzuführen.
Beispielsweise wird mittels des Atemgurts die Atemfrequenz des Patienten bestimmt; basierend auf der Atemfrequenz kann die periodische Bewegung des Tumors über die Zeit bestimmt werden. Die Bestrahlung kann somit entsprechend der Veränderung des Ortes des Tumors nachgeführt werden.
Auch kann die Atemfrequenz mittels einer Kamera ermittelt werden, die beispielsweise die Bewegung des Brustkorbs aufnimmt; basierend auf der Auf- und Ab-Bewegung des Brustkorbs kann die Atemfrequenz bestimmt werden.
Somit ist es möglich, eine Größen-, Lage und Positionsinformation des Tumors zu einer genaueren Planung der Bestrahlungsvolumina heranzuziehen.
Die Figur zeigt ein Flussdiagramm mit Schritten eines Verfahrens zur Planung einer Bestrahlung sowie zur Durchführung einer Bestrahlung. In einem Schritt 101 werden MRT-Aufnahmen erstellt und zu einer 3D-Aufnahme kombiniert. In einem Schritt 102 werden mehrere 3D-Aufnahmen über die Zeit zu einer 4D-Aufnahme (Veränderung des aufgenommenen 3D Objekts über die Zeit) kombiniert. In einem Schritt 103 wird für ein Objekt der 3D-Aufnahme eine periodische Bewegung über die Zeit bestimmt. Insbesondere wird im Verlauf der Periode eine Veränderung der Größe, der Lage und/oder der Position des Objekts bestimmt. Abhängig von der periodischen Bewegung des Objekts wird in einem Schritt 104 eine Strahlenquelle in Abhängigkeit von der Bewegung des Objekts gesteuert; beispielsweise wird die Strahlenquelle entsprechend der periodischen Bewegung des Objekts – unter Berücksichtigung der Größe, Lage und/oder Position des Objekts – nachgeführt.
Optional kann der Schritt 104 von einer Einheit durchgeführt werden, die separat zu der Einheit zur Bestimmung der periodischen Bewegung ausgeführt ist. In diesem Fall liefert die Einheit zur Bestimmung der periodischen Bewegung beispielsweise Parameter der periodischen Bewegung als eine Funktion einer Atemfrequenz 105. Die Atemfrequenz 105 kann mittels eines Atemgurts oder mittels einer Kamera bestimmt werden (siehe oben) und die Strahlenquelle kann entsprechend der periodischen Bewegung unter Berücksichtigung der Atemfrequenz 105 nachgeführt werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das mindestens eine gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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 Nicht-Patentliteratur

http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetresonanztomographie [0002]
http://de.wikipedia.org/wiki/Computertomographi [0003]
e [0003]
A. C. Larson et al.: Self-Gated Cardiac Cine MRI; Magn Res Med. 2004 Januar; 51(1): 93–102 [0038]
O. Heid et al.: Ultra-Rapid Gradient Echo Imaging; MRM 33:143–149 (1995) [0038]
J. Tsao et. al.: k-t BLAST and k-t SENSE: Dynamic MRI With High Frame Rate Exploiting Spatiotemporal Correlations, Magnetic Resonance in Medicine 50:1031–1042 (2003) [0038]

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Position eines Objekts, – bei dem mehrere zeitliche aufeinanderfolgende MRT-Aufnahmen erstellt werden, – bei dem eine periodische Bewegung des Objekts basierend auf den MRT-Aufnahmen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die periodische Bewegung basierend auf einer Atmung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die periodische Bewegung basierend auf einem Herzschlag bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die periodische Bewegung mittels einer Modellierung der Atmung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die periodische Bewegung basierend auf einer Mustererkennung, die basierend auf den MRT-Aufnahmen durchgeführt wird, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Objekt ein Tumor ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Objekt ein kugelförmiger oder ellipsoider Bereich ist, einen solchen Bereich umfasst oder innerhalb eines solchen Bereichs liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem abhängig von der periodischen Bewegung des Objekts eine Strahlenquelle gesteuert, insbesondere nachgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem anhand der mehreren zeitlich aufeinanderfolgenden MRT-Aufnahmen dreidimensionale Aufnahmen des Objekts erstellt und mehrere dreidimensionale Aufnahmen über die Zeit zu einer vierdimensionalen Aufnahme des Objekts kombiniert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die periodische Bewegung des Objekts bestimmt wird unter Berücksichtigung mindestens einer der folgenden Veränderungen: – einer Veränderung der Größe des Objekts, – einer Veränderung der Lage und Ausrichtung des Objekts, – einer Veränderung der Position des Objekts.
Vorrichtung zur Ermittlung einer Position eines Objekts umfassend eine Verarbeitungseinheit, die derart eingerichtet ist, dass – mehrere zeitliche aufeinanderfolgende MRT-Aufnahmen erstellbar sind, – eine periodische Bewegung des Objekts basierend auf den MRT-Aufnahmen bestimmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Verarbeitungseinheit derart eingerichtet ist, dass abhängig von der periodischen Bewegung des Objekts eine Strahlenquelle steuerbar ist.
System umfassend eine weitere Vorrichtung mit einer weiteren Verarbeitungseinheit, die derart eingerichtet ist, dass abhängig von einer periodischen Bewegung eines Objekts eine Strahlenquelle steuerbar ist, wobei die periodische Bewegung von der Vorrichtung nach Anspruch 11 bereitstellbar ist.
Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher eines digitalen Computers ladbar ist, umfassend Programmcodeteile, die dazu geeignet sind, Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen.
Computerlesbares Speichermedium umfassend von einem Computer ausführbare Anweisungen, die dazu geeignet sind, dass der Computer Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchführt.