DE102016218359B3

DE102016218359B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Korrektur einer synthetischen Elektronendichtekarte

Info

Publication number: DE102016218359B3
Application number: DE102016218359.1A
Authority: DE
Inventors: Nora Hünemohr; Martin Requardt
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2016-09-23
Filing date: 2016-09-23
Publication date: 2017-11-09
Anticipated expiration: 2036-09-24
Also published as: CN107865658B; CN107865658A; US20180085080A1; US10363009B2

Abstract

Die Erfindung basiert darauf, dass eine synthetische Elektronendichtekarte basierend auf wenigstens einem MR-Bilddatensatz bestimmt wird, und dass wenigstens eine Weichteilbildstruktur und eine Knochenbildstruktur in der synthetischen Elektronendichtekarte bestimmt werden. Die Erfinder haben erkannt, dass sowohl in einer synthetischen Elektronendichtekarte als auch im MR-Bilddatensatz ein starker Kontrast zwischen Knochenbildstrukturen und Weichteilbildstrukturen vorliegt, somit können die Weichteilbildstruktur und die Knochenbildstruktur mit den entsprechenden Strukturen im MR-Bilddatensatz verglichen werden. Die Erfinder haben weiterhin erkannt, dass es insbesondere für die Bestrahlungsplanung ausreichend ist, nur zwischen Knochenbildstrukturen und Weichteilbildstrukturen zu unterscheiden, da die Unterschiede der Elektronendichte innerhalb einer Knochenregion oder innerhalb einer Weichteilregion des Patienten für die Bestrahlungsplanung vernachlässigbar sind. Es ist daher für die Bestimmung der in einem Körpervolumen aufgenommenen Strahlendosis im Wesentlichen nur notwendig festzustellen, ob das Körpervolumen zu einer Weichteilregion oder einer Knochenregion gehört. Dadurch ist es möglich, durch eine auf dem Vergleich basierenden Korrektur der ersten Weichteilbildstruktur und/oder der Knochenbildstruktur eine korrigierte synthetische Elektronendichtekarte zu bestimmen.

Description

In der Strahlentherapie (Radiotherapie) wird ein Gewebeteil eines Patienten mit ionisierender Strahlung bestrahlt, um das Gewebeteil oder eine das Gewebeteil umfassende Umgebung zu verändern. Hierbei ist eine externe Strahlentherapie bekannt, welche eine Bestrahlung des Körpers des Patienten von außerhalb des Körpers umfasst. Ebenfalls bekannt ist eine interne Strahlentherapie mittels Strahlenquellen, die radioaktive Substanzen umfassen. Diese Strahlenquellen werden in den Körper des Patienten eingebracht, um lokal im Körper des Patienten das Gewebeteil zu schädigen oder zu vernichten.
Es ist bekannt, eine Strahlentherapie mittels bildgebender medizinischer Verfahren zu planen und/oder zu überwachen. Hierzu wird üblicherweise ein Bestrahlungsplan basierend auf einem medizinischen Bilddatensatz des Patienten erstellt. Üblicherweise werden hierfür bevorzugt computertomographische Bilddatensätze (kurz CT-Bilddatensätze) eingesetzt. Anhand der CT-Bilddatensätze kann einerseits das Zielvolumen der Bestrahlung festgelegt werden, und andererseits ein umliegendes, strahlenempfindliches Gewebe lokalisiert werden. Darüber hinaus bilden die Intensitätswerte der Bildvoxel der Bilddaten (gemessen in sogenannten „Hounsfield Units”) in guter Näherung jeweils eine Elektronendichte am korrespondierenden Ort im Körper des Patienten ab, da der Intensitätswert eines Bildvoxels auf einer Absorption der Röntgenstrahlung an dem zugehörigen Ort beruht. Derart können die CT-Bilddatensätze besonders einfach für die Bestrahlungsplanung in eine Elektronendichtekarte umgerechnet werden. Da bei einer Bestrahlung der Wechselwirkungsquerschnitt der Strahlung positiv mit der Elektronendichte im Körper korreliert, kann aus den CT-Bilddatensätze vergleichsweise einfach die Schwächung der Strahlung beim Durchtritt durch den Körper errechnet werden.
Weiterhin ist bekannt, andere bildgebende Verfahren mit einem besseren Weichteilkontrast in der Bestrahlungsplanung einzusetzen, um eine verbesserte Identifikation von Zielorganen und/oder Risikoorganen zu ermöglichen. Ein solches Verfahren ist die Aufnahme von Magnetresonanz-Bilddatensätzen (kurz MR-Bilddatensatz) mittels eines Magnetresonanzgeräts. Da Bildkontraste des MR-Bilddatensatz typischerweise keine physikalische Relation zur Elektronendichte aufweisen, kann daraus nicht direkt auf die Elektronendichte und damit auf die Photonenschwächung im Patienten geschlossen werden. Beispielsweise zeigen sowohl Knochen- als auch Luft-Regionen in üblichen MR-Kontrasten keinerlei Signal und werden in einem MR-Bilddatensatz schwarz dargestellt, obwohl sie eine unterschiedliche Elektronendichte und somit eine unterschiedliche Photonenschwächung aufweisen. Zur Planung einer Radiotherapie ist es daher weiterhin bekannt, zusätzliche zum MR-Bilddatensatz einen CT-Datensatz zu bestimmen, der Elektronendichten mit der für die Radiotherapie notwendigen Präzision bereitstellt. Hierbei müssen aber unterschiedliche Positionen des Patienten und Veränderungen in der Anatomie des Patienten zwischen den beiden Untersuchungen (z. B. Volumenänderungen durch eingeatmete Luft) berücksichtigt werden. Weiterhin müssen die entsprechenden Ressourcen, z. B. CT-Geräte und geschultes Bedienpersonal, vorgehalten werden und verfügbar sein.
Eine Entwicklung der letzten Jahre sieht vor, zur Bestrahlungsplanung ausschließlich MR-Bilddatensätze zu verwenden und auf die Aufnahme zusätzlicher CT-Bilddatensätze zu verzichten (ausschließlich Magnetresonanz-basierter Bestrahlungsplanung, engl. „MR-only Radiotherapy Planning”, kurz MRORTP), und derart synthetische Elektronendichtekarten ohne Verwendung von CT-Bilddatensätzen des untersuchten Patienten zu bestimmen. Eine für die Bestrahlungsplanung und Dosisberechnung benötigte synthetische Elektronendichtekarte lässt sich bisher nur mit großem algorithmischem Aufwand und fehlerbehaftet aus dem MR-Bilddatensatz bestimmen.
Aus der Druckschrift WO 2015/171056 A1 ist bekannt, basierend auf einem MR-Bilddatensatz eine synthetische Elektronendichtekarte zu bestimmen. Hierfür wird zunächst der MR-Bilddatensatz segmentiert, weiterhin wird eine bereits vorab bekannte Elektronendichtekarte durch Anwendung einer auf dem segmentierten MR-Bilddatensatz basierenden Transformation (z. B. einer Registrierung) in eine synthetische Elektronendichtekarte überführt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Korrektur einer synthetischen Elektronendichtekarte bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1, durch eine Recheneinheit nach Anspruch 11 sowie durch ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 13, durch ein computerlesbares Medium nach Anspruch 14 sowie durch ein Magnetresonanzgerät nach Anspruch 15.
Nachstehend wird die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe in Bezug auf die beanspruchten Vorrichtungen als auch in Bezug auf das beanspruchte Verfahren beschrieben. Hierbei erwähnte Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen sind ebenso auch auf die anderen beanspruchten Gegenstände zu übertragen und umgekehrt. Mit anderen Worten können die gegenständlichen Ansprüche (die beispielsweise auf eine Vorrichtung gerichtet sind) auch mit den Merkmalen, die in Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben oder beansprucht sind, weitergebildet sein. Die entsprechenden funktionalen Merkmale des Verfahrens werden dabei durch entsprechende gegenständliche Module ausgebildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen einer korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte umfasst das Bestimmen einer ersten synthetischen Elektronendichtekarte des Patienten basierend auf wenigstens einem MR-Bilddatensatz und das Bestimmen wenigstens einer ersten Weichteilbildstruktur und/oder wenigstens einer ersten Knochenbildstruktur basierend auf der ersten synthetischen Elektronendichtekarte. Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ein Vergleichen der ersten Weichteilbildstruktur und/oder der ersten Knochenbildstruktur aus der ersten synthetischen Elektronendichtekarte mit entsprechenden Bildstrukturen in dem MR-Bilddatensatz. Die Erfinder haben erkannt, dass mittels dieses Vergleichs Fehler bei der Bestimmung der ersten synthetischen Elektronendichtekarte besonders effizient festgestellt werden können, da sowohl in einer synthetischen Elektronendichtekarte als auch im MR-Bilddatensatz ein starker Kontrast zwischen Knochenbildstrukturen und Weichteilbildstrukturen vorliegt und somit der MR-Bilddatensatz als Referenz für die synthetische Elektronendichtekarte dienen kann. Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Verfahren das Bestimmen einer korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte durch Korrigieren der ersten Weichteilbildstruktur und/oder der ersten Knochenbildstruktur basierend auf dem Vergleich. Die Erfinder haben weiterhin erkannt, dass es insbesondere für die Bestrahlungsplanung ausreichend ist, nur zwischen Knochenbildstrukturen und Weichteilbildstrukturen zu unterscheiden, da die Unterschiede der Elektronendichte innerhalb einer Knochenregion oder innerhalb einer Weichteilregion des Patienten für die Radiotherapie vernachlässigbar sind. Es ist daher für die Bestimmung der in einem Körpervolumen aufgenommenen Strahlendosis im Wesentlichen nur notwendig festzustellen, ob das Körpervolumen zu einer Weichteilregion oder einer Knochenregion gehört. Dadurch ist es möglich, durch eine auf dem Vergleich basierenden Korrektur der ersten Weichteilbildstruktur und/oder der Knochenbildstruktur eine korrigierte synthetische Elektronendichtekarte zu bestimmen.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung wird die erste synthetische Elektronendichtekarte mittels eines Magnetresonanztomographie-Computertomographie-Atlanten (MR-CT-Atlas) bestimmt. Ein MR-CT-Atlas bezeichnet eine Sammlung von MR-Bilddatensätzen, von zugehörigen CT-Bilddatensätzen derselben Körperregionen derselben Patienten, sowie optional von dazugehörigen Registrierungen. Die Erfinder haben erkannt, dass die Bestimmung einer ersten synthetischen Elektronendichtekarte mittels eines MR-CT-Atlanten den Vorteil hat, dass keine zusätzliche Bildgebung mit dem MR-Gerät (z. B. mit spezielle Sequenzen) notwendig ist, und dass somit die Untersuchungszeit des Patienten verringert werden kann. Weiterhin können so durch CT-Bildgebung auflösbare Variationen in der Elektronendichte einer Knochenregion des Patienten bei der Bestimmung der ersten synthetischen Elektronendichte berücksichtigt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung erfolgt der Vergleich der ersten Weichteilbildstruktur und/oder der ersten Knochenbildstruktur mittels eines Ergebnisbildes, das durch die Kombination der ersten Weichteilbildstruktur und/oder der ersten Knochenbildstruktur mit dem MR-Bilddatensatz bestimmt wird. Ein Ergebnisbild weist eine hohe Informationsdichte auf und erlaubt es, sehr schnell Unterschiede zwischen der ersten Weichteilbildstruktur und/oder der ersten Knochenbildstrukturen der ersten synthetischen Elektronendichtekarte und den entsprechenden Strukturen des MR-Bilddatensatzes zu erkennen. Weiterhin sind viele automatische und vollautomatische Verfahren zur Bilderkennung- und Verarbeitung bekannt, die basierend auf einem Ergebnisbild für den Vergleich eingesetzt werden können. Das Ergebnisbild kann eine dreidimensionale Darstellung sein, es kann aber auch eine zweidimensionale Darstellung sein. Eine zweidimensionale Darstellung kann beispielsweise durch einen Schnitt durch einen dreidimensionalen Bilddatensatz erzeugt werden. Weiterhin kann ein Ergebnisbild auch eine Darstellung von mehreren Bildern nebeneinander und/oder übereinander sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung umfasst das Ergebnisbild den MR-Bilddatensatz, wobei wenigstens ein Teil der ersten Weichteilbildstruktur und/oder wenigstens ein Teil der ersten Knochenbildstruktur in dem MR-Bilddatensatz dargestellt werden. Eine Darstellung direkt im MR-Bilddatensatz hat den Vorteil, dass der Vergleich basierend auf nur dem MR-Bilddatensatz oder auf nur einem Bild aus dem MR-Bilddatensatz erfolgen kann. Die resultierende höhere Informationsdichte ermöglicht einen noch schnelleren und genaueren Vergleich durch eine Bedienperson. Die Darstellung kann insbesondere so erfolgen, dass zu der ersten Weichteilbildstruktur und/oder zu der ersten Knochenbildstruktur gehörenden Pixel oder Voxel im MR-Bild markiert werden. Eine Markierung dieser Pixel oder Voxel kann zum Beispiel durch einen einzigen Farbwert realisiert werden, der von den bereits in der Darstellung des MR-Datensatzes verwendeten Farbwerten abweicht. Weiterhin kann die Markierung durch eine Farbpalette realisiert werden, indem die Pixelfarbe oder Voxelfarbe einer Weichteilbildstruktur oder Knochenbildstruktur aus der Farbpalette gemäß des Pixelwertes oder Voxelwertes in der synthetischen Elektronendichte bestimmt wird. Insbesondere können alle Farbwerte der Farbpalette von den bereits in der Darstellung des MR-Bilddatensatzes verwendeten Farbwerten abweichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung wird als Teil der ersten Weichteilbildstruktur und/oder der ersten Knochenbildstruktur wenigstens der Rand der Bildstruktur im MR-Bilddatensatz dargestellt. Da der Rand einer Bildstruktur immer ohne Überdeckung von Pixeln oder Voxeln im Ergebnisbild dargestellt werden kann, hat eine derartige Darstellung den Vorteil, dass im Ergebnisbild neben den ersten Bildstrukturen gleichzeitig die vollständige Kontrastinformation des MR-Bilddatensatzes in allen Pixeln oder Voxeln dargestellt werden kann. Der Rand einer zweidimensionalen Bildstruktur ist hierbei die bildstrukturbegrenzende eindimensionale Linie, der Rand einer dreidimensionalen Bildstruktur ist die bildstrukturbegrenzende zweidimensionale Oberfläche.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung erfolgt der Vergleich der ersten Weichteil- und/oder der ersten Knochenbildstruktur mit den entsprechenden Bildstrukturen im MR-Bilddatensatz mittels eines geometrischen Parameters der jeweiligen Bildstruktur. Der Vergleich anhand eines geometrischen Parameters hat den Vorteil, dass zwischen messbaren Größen, insbesondere Zahlen und/oder Vektoren verglichen werden kann.
Dies ist insbesondere vorteilhaft für automatische oder vollautomatische Vergleiche. Ein geometrischer Parameter kann insbesondere das Volumen, den Oberflächeninhalt und/oder einen Krümmungsparameter einer dreidimensionalen Bildstruktur betreffen. Ein geometrischer Parameter kann insbesondere den Flächeninhalt, die Länge der begrenzenden Kontur und/oder einen Krümmungsparameter einer zweidimensionalen Bildstruktur betreffen. Ein zweidimensionales Bild kann aus einem dreidimensionalen Bild mittels eines Schnittes oder einer Projektion bestimmt werden. Weiterhin kann ein geometrischer Parameter auch die Position der Bildstruktur betreffen.
Gemäß einem weiteren. Aspekt der Erfindung kann der Vergleich der ersten Weichteil- und/oder der ersten Knochenstruktur mit den entsprechenden Bildstrukturen im MR-Bilddatensatz durch ein selbstlernendes System erfolgen. Die Verwendung eines selbstlernenden Systems hat zum einen den Vorteil, dass der Vergleich nicht auf dem möglicherweise subjektiven Eindruck eines Benutzers basiert. Im Vergleich zu nicht-selbstlernenden Systemen hat ein selbstlernendes System den Vorteil, Parameter in den Vergleich einzubeziehen, die von einer Bedienperson oder einem Fachmann nicht als relevant angesehen werden. Das selbstlernende Verfahren basiert auf einer Datenbank, die wenigstens MR-Bilddatensätze, zugehörige erste synthetische Elektronendichtekarten (Eingabedatensatz) sowie zugehörige Parameter für die Qualität (Qualitätsparameter, Ausgabedatensatz) der Übereinstimmung einer synthetischen Elektronendichtekarte mit dem zugehörigen MR-Bilddatensatz enthält. Ein Qualitätsparameter kann insbesondere eine Zahl betreffen, ein Qualitätsparameter kann aber insbesondere auch einen binären Wert betreffen. Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung erfolgt das Bestimmen einer korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte selbstlernend basierend auf einer Datenbank, die wenigstens MR-Bilddatensätze, zugehörige erste synthetischen Elektronendichtekarten sowie zugehörige korrigierte synthetische Elektronendichtekarten enthält. Die Verwendung eines selbstlernenden Systems hat zum einen den Vorteil, dass Bestimmen der korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte nicht auf dem möglicherweise subjektiven Eindruck eines Benutzers basiert. Im Vergleich zu nicht-selbstlernenden Systemen hat ein selbstlernendes System den Vorteil, Parameter in das Ermitteln einer korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte einzubeziehen, die von einer Bedienperson oder einem Fachmann nicht als relevant angesehen werden. Insbesondere kann als Eingangsdatensatz der MR-Bilddatensatz und die erste synthetische Elektronendichtekarte verwendet werden, als Ausgabedatensatz die korrigierte synthetische Elektronendichtekarte. Das Training des selbstlernenden Systems kann insbesondere mittels Datensätzen erfolgen, bei denen die Bedienperson basierend auf dem MR-Bilddatensatz und der ersten synthetischen Elektronendichtekarte eine zugehörige korrigierte synthetische Elektronendichtekarte bestimmt hat.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird anschließend unter Verwendung der korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte ein Plan für die strahlenbasierte Behandlung (Bestrahlungsplan) eines Zielvolumens innerhalb des Patienten bestimmt. Vorteilhaft ist hier, dass der Bestrahlungsplan ausschließlich auf der Grundlage eines MR-Bilddatensatzes des Patienten bestimmt wird. Es ist also nicht notwendig, weitere bildgebende Verfahren wie eine CT-Aufnahme anzuwenden. Beim Zielvolumen kann es sich insbesondere um einen Tumor handeln. Der Bestrahlungsplan wird dabei insbesondere aus einer Datenbank geladen und/oder mittels eines Planungsprogramms erstellt. Der Bestrahlungsplan umfasst insbesondere Einstellungen für ein Radiotherapiegerät, mittels welchem eine Bestrahlung des Zielvolumens durchgeführt werden kann. Im Fall einer externen Bestrahlung des Zielvolumens mittels eines Linearbeschleunigers kann der Bestrahlungsplan beispielsweise Bestrahlungswinkel, Einstellungen von Kollimatoren, Bestrahlungsenergien, Bestrahlungsdauern, usw. umfassen. Der Bestrahlungsplan kann entweder konkret auf die Bestrahlung des Patienten abgestimmt oder ein Standard-Bestrahlungsplan sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird basierend auf dem Behandlungsplan und der korrigierten synthetischen Elektronendichteverteilung eine Dosisverteilung in einem Planungsvolumen bestimmt. Vorteilhaft ist hier, dass die Dosisverteilung ausschließlich auf der Grundlage eines MR-Bilddatensatzes des Patienten bestimmt wird. Es ist also nicht notwendig, weitere bildgebende Verfahren wie eine CT-Aufnahme anzuwenden. Das Planungsvolumen ist derart gewählt, dass es das Zielvolumen enthält oder mit diesem identisch ist. Die Dosisverteilung kann derart eine ortsaufgelöste Verteilung von Dosiswerten angeben, welche vorliegt, wenn der der Patient anhand des Bestrahlungsplans mit einem Radiotherapiegerät bestrahlt wird und wenn Elektronendichte im Planungsvolumen gemäß der korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte ausgebildet ist.
Die einzelnen Schritte des beschriebenen Verfahrens können sowohl automatisch als auch vollautomatisch erfolgen. Automatisch bedeutet im Kontext der vorliegenden Anmeldung, dass der jeweilige Schritt mittels einer Rechen- oder Bildverarbeitungseinheit selbstständig abläuft, und für den jeweiligen Schritt im Wesentlichen keine Interaktion einer Bedienperson mit dem bildgebenden System mit notwendig ist. In anderen Worten wird die Rechentätigkeit für Schritte wie ein automatisches Bestimmen, ein automatisches Vergleichen oder ein automatisches Korrigieren durch die Rechen- oder Bildverarbeitungseinheit ausgeführt. Die Bedienperson muss höchstens berechnete Ergebnisse bestätigen oder Zwischenschritte ausführen. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung mit vollautomatisch durchgeführten Schritten ist zur Durchführung dieser Schritte gar keine Interaktion einer Bedienperson notwendig. Unabhängig davon, ob die einzelnen Schritte automatisch oder vollautomatisch ausgeführt werden, kann das erfindungsgemäße Verfahren Bestandteil eines Arbeitsablaufes sein, der zusätzlich eine Interaktion von einer Bedienperson erfordert. Die Interaktion mit der Bedienperson kann darin bestehen, dass dieser ein Aufnahmeprotokoll und/oder eine klinische Fragestellung manuell auswählt, beispielsweise aus einem mittels eines Bildschirms präsentierten Menü.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Bildverarbeitungseinheit, ein Computerprogrammprodukt, ein computerlesbares Speichermedium sowie ein Magnetresonanzgerät, die dazu ausgelegt sind, das beschriebene Verfahren durchzuführen.
Im Folgenden werden einige der angeführten Begriffe und Verfahrensschritte näher erläutert.
In einem Magnetresonanzgerät, auch Magnetresonanztomographiesystem genannt, wird üblicherweise der zu untersuchende Körper einer Untersuchungsperson, insbesondere eines Patienten, mit Hilfe eines Hauptmagneten einem relativ hohen Hauptmagnetfeld, beispielsweise von 1,5 oder 3 oder 7 Tesla, ausgesetzt. Zusätzlich werden mit Hilfe einer Gradientenspuleneinheit Gradientenpulse ausgespielt. Über eine Hochfrequenzantenneneinheit werden dann mittels geeigneter Antenneneinrichtungen Hochfrequenz-Pulse, insbesondere Anregungspulse, ausgesendet, was dazu führt, dass die Kernspins bestimmter, durch diese Hochfrequenz-Pulse resonant angeregter Atome um einen definierten Flipwinkel gegenüber den Magnetfeldlinien des Hauptmagnetfelds verkippt werden. Bei der Relaxation der Kernspins werden Hochfrequenz-Signale, so genannte Magnetresonanz-Signale, abgestrahlt, die mittels geeigneter Hochfrequenzantennen empfangen und dann weiterverarbeitet werden. Aus den so akquirierten Rohdaten können schließlich die gewünschten Bilddaten rekonstruiert werden.
Eine Recheneinheit ist ein Gerät, das mittels programmierbarer Rechenvorschriften Daten verarbeitet. Eine Recheneinheit kann insbesondere Software-Elemente und/oder Hardware-Elemente aufweisen, beispielsweise einen Mikroprozessor oder ein sogenanntes FPGA (Akronym für das englischsprachige ”Field Programmable Gate Array”). Eine Recheneinheit kann also als Computer, Prozessor oder Mikrocontroller ausgebildet sein. Weiterhin kann eine Recheneinheit insbesondere auch Schnittstellen zur Verbindung mit anderen Recheneinheiten, oder zur Verbindung mit Ein- und/oder Ausgabegeräten enthalten.
Ein MR-Bilddatensatz umfasst insbesondere ein oder mehrere zweidimensionale (2D) oder dreidimensionale (3D) Bilder eines Bereichs des menschlichen Körpers, die mittels MR-Bildgebung bestimmt wurden. Dabei können bei verschiedenen Bildern unterschiedliche Parameter für die Datenaufnahme und/oder die Bildrekonstruktion gewählt werden. Insbesondere können die Parameter so gewählt werden, dass unter Verwendung der Methode von Dixon (Dixon: „Simple proton spectroscopic imaging” Radiology 153 (1984), S. 189–194) In-Phasen-Bilder und Gegen-Phasen-Bilder erzeugt werden, die zur Rekonstruktion von Fett- und Wasserbildern verwendet werden können. Liegen in einem Bilddatensatz derartige unterschiedliche Bilder vor, können weitere Verfahrensschritte beispielsweise einzelne dieser Bilder verwenden. Weiterhin können sie beispielsweise eine Teilmenge oder alle diese Bilder verwenden. Weiterhin können sie ein effektives Gesamtbild verwenden, das auf einer Teilmenge oder allen diesen Bildern basiert. Weiterhin können unterschiedliche Bilder des gleichen Bilddatensatzes unterschiedliche Regionen des menschlichen Körpers darstellen. Weiterhin können die unterschiedlichen Bilder desselben Bilddatensatzes auch zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen worden sein.
Eine Elektronendichtekarte umfasst insbesondere eine ortsaufgelöste Verteilung einer Elektronendichte. Eine Elektronendichtekarte kann dabei zweidimensional oder dreidimensional ausgebildet sein. Die Einträge in einer Elektronendichtekarte können beispielsweise Einheiten haben, welche eine Elektronendichte charakterisieren, wie beispielsweise ein linearer Abschwächungskoeffizient mit einer Einheit von 1/m. So stellt insbesondere die erste Elektronendichtekarte die ortsaufgelöste Verteilung der Elektronendichte im Patienten, welche ausschließlich auf Grundlage des MR-Bilddatensatzes bestimmt wird, dar. Das Ermitteln der ersten Elektronendichtekarte erfolgt insbesondere ausschließlich unter Verwendung des MR-Bilddatensatzes des zu behandelnden Patienten. Es werden insbesondere keine weiteren medizinischen Bilddaten des zu behandelnden Patienten außer dem MR-Bilddatensatz zum Ermitteln der ersten Elektronendichtekarte hinzugezogen. Es können aber weiter Bilddatensätze, zum Beispiel CT-Bilddatensätze, von anderen Patienten hinzugezogen werden. Die erste Elektronendichtekarte beinhaltet dann insbesondere medizinische Bilddaten in der gleichen Patientengeometrie des MR-Bilddatensatzes, allerdings mit einer Grauwertverteilung, welche vorliegen würde, wenn CT-Bilddaten des gleichen Patienten akquiriert worden wären. Für die MRORTP kann dann die erste Elektronendichtekarte verwendet werden.
Beispielhafte Verfahren zum Ermitteln der ersten Elektronendichtekarte aus den Magnetresonanz-Bilddaten basieren beispielsweise auf einer vollautomatischen, automatischen oder manuellen Segmentierung der Magnetresonanz-Bilddaten in verschiedene Gewebeklassen, wie beispielsweise Wasser, Fett, Luft, evtl. Knochen. Es ist auch möglich, die erste Elektronendichtekarte aus dem Magnetresonanz-Bilddatensatz mittels eines Magnetresonanztomographie-Computertomographie-Atlanten (MR-CT-Atlas) zu bestimmen. Es ist auch möglich, dass die Magnetresonanz-Bilddaten mittels einer speziellen Magnetresonanz-Sequenz, welche insbesondere ultrakurze Echozeiten einsetzt, akquiriert werden, so dass Magnetresonanz-Signale von Knochen des Patienten empfangen werden können. Derart ist beispielsweise eine Maskierung der Magnetresonanz-Bilddaten zum Ermitteln von Knochen- und/oder Luftmasken für die Berechnung der ersten Elektronendichtekarte möglich. Auch eine Multi-Kontrast Magnetresonanz-Bildgebung kann eine vorteilhafte Grundlage für die Segmentierung der Magnetresonanz-Bilddaten zur Erstellung der ersten Elektronendichtekarte bereitstellen. Weitere mögliche Verfahren zum Ermitteln der ersten Elektronendichtekarte aus den Magnetresonanz-Bilddaten können beispielsweise auf Mustererkennung und/oder Bildnormalisierung und/oder Klassifizierung und/oder Bias-Field-Abschätzung basieren.
Ein MR-CT-Atlas kann durch eine Datenbank realisiert sein, in der die MR-Bilddatensätze eines ersten Patientenvolumens, CT-Bilddatensätze eines zweiten Patientenvolumens und die zugehörigen Registrierungen gespeichert sind, wobei das erste und das zweite Patientenvolumen wenigstens überlappen. Alternativ können auch die basierend auf einer Registrierung transformierten Bilddatensätze gespeichert sein. Die Sammlung der MR- und CT-Bilddatensätze kann mittels kombinierter MR-/CT-Geräten erzeugt werden, hier ist im Regelfall keine Registrierung erforderlich, oder mittels zweier unterschiedlicher Geräte, indem mehrere Bilddatensätze vom gleichen Patient zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgezeichnet werden. Im Fall von unterschiedlichen Geräten muss eine nicht-triviale Registrierungstransformation bestimmt werden, welche die Unterschiede ausgleicht, die sich durch die Wahl der unterschiedlichen Zeitpunkte und die unterschiedliche Lagerung in den beiden Geräten ergeben. Die Bestimmung einer synthetischen Elektronendichte mittels eines MR-CT-Atlanten ist bekannt (vgl. Jason A. Dowling et al.: „Automatic Substitute Computed Tomography Generation and Contouring for Magnetic Resonance Imaging(MRI)-Alone External Beam Radiation Therapy From Standard MRI Sequences”, in: Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 93 (2015), Seiten 1144–1153), daher wird hier darauf verzichtet, die Methode genauer zu beschreiben. Auch die anderen Verfahren zum Ermitteln der synthetischen CT-Bilddaten, also der ersten Elektronendichtekarte, aus den Magnetresonanz-Bilddaten sind dem Fachmann bekannt, so dass hier nicht genauer auf sie eingegangen werden soll.
Methoden zum Ermitteln der ersten Elektronendichtekarte aus den Magnetresonanz-Bilddaten weisen jedoch eine unterschiedliche Präzision und/oder Robustheit, insbesondere betreffend die Knochenregionen im Patienten, auf. So kann es bei vielen Algorithmen zu Fehlzuordnungen von Knochen, Weichgewebe oder Luft in spezifischen Regionen kommen. Auch bei Lufteinschlüssen im Patienten (sogenannten Luftregionen bzw. Lufttaschen) kann es zu Problemen bei der korrekten Zuordnung der Elektronendichte zu den Magnetresonanz-Bilddaten kommen. Es ist daher bei einer MRORTP häufig nötig, eine Abschätzung zu treffen, ob basierend auf der berechneten ersten synthetischen Elektronendichtekarte, also den synthetischen CT-Bilddaten, eine verlässliche Dosisberechnung für die Bestrahlungsplanung durchgeführt werden kann, oder ob eine korrigierte synthetische Elektronendichtekarte bestimmt werden muss.
Unter Registrierung von zwei Bilddatensätzen versteht man, zwei unterschiedliche Bilddatensätze desselben oder ähnlicher Patientenvolumina miteinander in Übereinstimmung zu bringen. Insbesondere kann auf einen der beiden Bilddatensätze eine Transformationsfunktion angewendet werden. In der medizinischen Bildgebung kann es sich bei den ähnlichen Urbildern insbesondere um den gleichen Patienten zu unterschiedlichen Zeitpunkten handeln. Die Unterschiede im Urbild können sich hier durch eine Veränderung der Lage des Patienten oder durch eine Änderung der anatomischen Gegebenheiten zwischen den beiden Zeitpunkten ergeben, wie z. B. durch das Fortschreiten von Stoffwechselprozessen oder durch unterschiedlichen Füllungsgrad der Lungen.
Eine Körperregion ist hier eine funktionell zusammengehörige Untereinheit eines Patienten, oder ein Teil einer funktionell zusammengehörigen Untereinheit eines Patienten. Weichteilregionen sind alle Körperregionen eines Patienten, die nicht knöchern sind, insbesondere also Organe sowie Muskel-, Nerven- oder Stützgewebe, oder deren Teile. Insbesondere kann auch die Haut eines Patienten als Weichteilregion aufgefasst werden. Knochenregionen sind alle Körperregionen eines Patienten, die knöchern sind, insbesondere Knochen und Teile von Knochen.
Eine Bildstruktur ist die Abbildung einer Körperregion in einem Bilddatensatz. Eine Weichteilbildstruktur ist die Abbildung einer Weichteilregion in einem Bilddatensatz. Eine Knochenbildstruktur ist die Abbildung einer Knochenregion in einem Bilddatensatz. Eine Bildstruktur entspricht einer Körperregion, falls die Bildstruktur die Abbildung dieser Körperregion in einem Bilddatensatz ist. Eine Bildstruktur kann als Menge von zusammengehörigen Pixeln oder Voxeln in einem Bilddatensatz definiert sein. Insbesondere können sich durch Fehler in der Bildgebung und/oder in der Bildrekonstruktion Abweichungen zwischen der Form und der Position sich einander entsprechender Bildstrukturen und Körperregionen ergeben.
Eine Bildstruktur in einem ersten Bilddatensatz entspricht einer Bildstruktur in einem zweiten Bilddatensatz, wenn beide Bildstrukturen der gleichen Körperregion des gleichen Patienten entsprechen. Insbesondere können durch Fehler in den beiden Bildgebungsverfahren und/oder den beiden Bildrekonstruktionen der beiden Bilddatensätze Abweichungen zwischen der der Form und der Position der sich entsprechenden Bildstrukturen entstehen. Falls die beiden Bilddatensätze den gleichen Teil des Patienten abbilden und die gleichen Parameter wie z. B. Orientierung und Auflösung aufweisen, können Abweichungen insbesondere derart entstehen, dass Pixel oder Voxel der Bildstruktur im ersten Bilddatensatz, aber nicht der Bildstruktur im zweiten Bilddatensatz zugeordnet sind.
Das Bestimmen wenigstens einer ersten Weichteilbildstruktur und/oder wenigstens einer ersten Knochenbildstruktur in der ersten synthetischen Elektronendichtekarte kann beispielsweise mittels einer Segmentierung erfolgen. Als Segmentierung bezeichnet man die Erzeugung von zusammenhängenden Strukturen in einem Bilddatensatz durch Zusammenfassung benachbarter Pixel oder Voxel, die eine gemeinsame Eigenschaft aufweisen. Insbesondere werden Pixel oder Voxel, die Teile des Bildes der gleichen Körperregion sind, einer gemeinsamen Region zugeordnet. Bei der Segmentierung kann es sich beispielsweise um eine Schwellwert-Segmentierung handeln, bei denen Pixel oder Voxel als zu einer Weichteilbildstruktur zugehörig klassifiziert werden, falls ihr Wert unterhalb eines Schwellwerts liegt, und als zu einer Knochenbildstruktur zugehörig klassifiziert werden, falls ihr Wert oberhalb dieses Schwellwerts liegen, oder umgekehrt. Hierbei können auch mehrere Schwellwerte verwendet werden, um mehrere Weichteilbildstrukturen und/oder mehrere Knochenbildstrukturen zu bestimmen. Der Wert eines Pixel oder Voxel kann beispielsweise in Hounsfield-Einheiten angegeben werden. Das Bestimmen wenigstens einer Weichteilbildstruktur und/oder wenigstens einer Knochenbildstruktur kann auch durch ein selbstlernendes Verfahren erfolgen. Dieses kann beispielsweise mit einer Vielzahl an aus MR-Bilddatensätzen erzeugten, ersten synthetischen Elektronendichtekarten trainiert werden, in denen bereits erste Weichteil- und erste Knochenbildstrukturen bestimmt wurden.
Ein selbstlernendes System ermittelt eine Transformationsfunktion, die einen Eingabedatensatz auf einen Ausgabedatensatz abbildet, wobei die Transformationsfunktion durch ein Training ermittelt wird. Ein selbstlernendes System kann zum Beispiel auf einem künstlichen neuronalen Netzwerk (engl. artificial neural network) basieren, das mittels linearer oder nichtlinearer Transformationen und zu bestimmender Gewichte einen Eingangsdatensatz auf einen Ausgangsdatensatz abbildet. Die Gewichte des künstlichen neuronalen Netzwerks können insbesondere durch Training bestimmt werden, zum Beispiel durch Verwendung des Rückverbreitungsalgorithmus (backpropagationalgorithm) anhand von existierenden Zuordnungen von Eingabedatensätzen zu Ausgabedatensätzen. Die Gewichte des künstlichen neuronalen Netzwerks können basierend auf Eingabe- und Ausgabedatensätzen eines spezifischen Geräts und/oder einer spezifischen Bedienperson bestimmt werden, sie können aber auch aus einer Datenbank bestimmt werden, in der Eingabe- und Ausgabedatensätze von unterschiedlichen Geräten und/oder unterschiedlichen Nutzern gespeichert sind. Weiterhin kann das Training bereits vor der Verwendung im beanspruchten Verfahren erfolgen, also bereits ein künstliches neuronales Netzwerk mit festgelegten Gewichten im beanspruchten Verfahren verwendet werden.
Ein verfahrensgemäßer Vergleich der ersten Weichteilbildstruktur und/oder der ersten Knochenbildstruktur mit den entsprechenden Bildstrukturen im MR-Bilddatensatz erfolgt dadurch, dass im MR-Bilddatensatz eine zweite Weichteilbildstruktur und/oder eine zweite Knochenbildstruktur bestimmt werden. Anschließend wird die erste Weichteilbildstruktur aus der ersten synthetischen Elektronendichtekarte mit der zweiten Weichteilbildstruktur aus dem MR-Bilddatensatz verglichen, und/oder die erste Knochenbildstruktur aus der ersten synthetischen Elektronendichtekarte wird mit der zweiten Knochenbildstruktur aus dem MR-Bilddatensatz verglichen. Der Vergleich kann beispielsweise Pixel für Pixel oder Voxel für Voxel erfolgen. Dieser Vergleich kann beispielsweise auch mittels geometrischer Parameter erfolgen. Hierbei kann ein geometrischer Parameter das Volumen der Bildstrukturen im jeweiligen Bilddatensatz, die Flächeninhalt der Oberfläche der Bildstrukturen im jeweiligen Bilddatensatz oder die ein Krümmungsmaß der Bildstrukturen im jeweiligen Bilddatensatz handeln betreffen. Weiterhin kann der Vergleich auf zweidimensionalen Schnitten durch eine dreidimensionale Bildstruktur im Bilddatensatz beruhen, oder auf zweidimensionalen Projektionen einer dreidimensionalen Bildstruktur, sowie insbesondere auf geometrischen Maßen der Schnitte bzw. Projektionen wie Flächeninhalt und Umfang. Weiterhin kann der geometrische Parameter auch die Position der Weichteilbildstruktur und/oder der ersten Knochenbildstruktur in der ersten synthetischen Elektronendichtekarte mit den entsprechenden Bildstrukturen im MR-Bilddatensatz betreffen. Ein Vergleich jeglicher Art kann auch die Bewertung anhand eines Qualitätsparameters enthalten. Weiterhin kann der Vergleich auch durch eine Bedienperson erfolgen, in diesem Fall wird zum Zwecke des Vergleichs die Kombination mittels eines Ausgabegerätes wie einem Bildschirm oder einem Drucker an den Nutzer ausgegeben, anschließen kann ein Eingabequalitätsparameter empfangen werden. Der Vergleich kann aber auch automatisch oder vollautomatisch erfolgen. Der Vergleich kann insbesondere auch auf unterschiedlichen Bilddaten des MR-Bilddatensatzes, die verschiedenen Aufnahmeparametern oder Bildrekonstruktionsparametern entsprechen, basieren. Beispielsweise zeigt ein Gegen-Phasen-Bild nach der Methode von Dixon Organgrenzen dunkel an, dies kann insbesondere verwendet werden, Abbildungen von Organen im MR-Bilddatensatz mit der entsprechenden Weichteilbildstruktur der ersten synthetischen Elektronendichtekarte zu vergleichen.
Das verfahrensgemäße Bestimmen einer korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte, die besser an die tatsächliche Elektronendichte des Patienten angepasst ist, kann dadurch erfolgen, dass die korrigierte synthetische Elektronendichtekarte identisch mit der ersten synthetischen Elektronendichtekarte ist. Das Bestimmen einer korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte kann aber auch dadurch erfolgen, dass basierend auf dem Vergleich er ersten synthetischen Elektronendichtekarte mit dem MR-Bilddatensatz wenigstens eine Weichteilbildstruktur und/oder wenigstens eine Knochenbildstruktur verändert wird, und die Pixelwerte oder Voxelwerte der korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte basierend auf den Pixelwerten oder Voxelwerten der ersten synthetischen Elektronendichtekarte und/oder der Zuordnung eines Pixels oder Voxels zu einer ursprünglichen und/oder geänderten Bildtruktur bestimmt werden. Der Wert eines Pixels oder Voxels in der korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte kann sich insbesondere basierend auf dem Wert des entsprechenden Pixels oder Voxels in der ersten synthetischen Elektronendichtekarte und der Tatsache, dass er Teil einer Knochenbildstruktur oder Weichteilbildstruktur ist, bestimmen lassen. Insbesondere ist es möglich, für den Wert eines Pixels oder Voxels abhängig von seiner Zugehörigkeit zu einer Weichteilbildstruktur oder einer Knochenbildstruktur die durchschnittliche Elektronendichte einer Weichteilregion oder einer Knochenregion zu wählen. Die durchschnittliche Elektronendichte einer Weichteilregion kann als Mittelwert der Elektronendichte der Pixel oder Voxel bestimmt werden, die zu einer Weichteilbildstruktur gehören. Die durchschnittliche Elektronendichte einer Knochenregion kann als Mittelwert der Elektronendichte der Pixel oder Voxel bestimmt werden, die zu einer Knochenbildstruktur gehören. Eine Weichteilbildstruktur und/oder eine Knochenbildstruktur kann derart geändert werden, dass Pixel oder Voxel zu einer Weichteilbildstruktur oder einer Knochenbildstruktur zugeordnet werden, oder dass Pixel oder Voxel aus einer Weichteilbildstruktur oder einer Knochenbildstruktur entfernt werden. Weiterhin kann eine Weichteilbildstruktur und/oder eine Knochenbildstruktur derart geändert werden, dass mehrere Weichteilbildstrukturen und/oder Knochenbildstrukturen, die Abbildungen einer einzigen Weichteilregion und/oder Knochenregion des Körpers sind, aber fälschlicherweise als unterschiedliche Bildstrukturen klassifiziert wurden, zusammengefasst werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
1 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte,
2 eine Bildverarbeitungseinheit,
3 ein bildgebendes Magnetresonanz-Gerät,
4 ein Ergebnisbild, bestehend aus einer synthetischen Elektronendichtekarte und einem MR-Bilddatensatz,
5 eine korrigierte synthetische Elektronendichtekarte.
Die hier gezeigte Bildverarbeitungseinheit sowie das hier gezeigte bildgebende Gerät sind dazu ausgelegt ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
1 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte 54. Der erste Schritt des Verfahrens ist die Aufnahme (IMG) eines MR-Bilddatensatzes 41 durch ein MR-Gerät 30, dieser MR-Bilddatensatz 41 wird anschließend durch eine Bildverarbeitungseinheit 20 mittels einer Schnittstelle 21 empfangen (REC).
Auf Grundlage des MR-Bilddatensatzes 41 und einem MR-CT-Atlas wird dann eine synthetische Elektronendichtekarte 40 bestimmt (DET-1). Hierzu werden aus dem MR-CT-Atlas anhand von Parametern des Patienten 33 (umfassend beispielsweise Alter, Geschlecht, Gewicht, anatomische Besonderheiten) Datensätze ermittelt, die Ähnlichkeiten mit der tatsächlichen Anatomie des Patienten 33 aufweisen. Aus diesen Datensätzen wird eine effektive oder durchschnittliche Knochenbildstruktur 45 bestimmt, die in die synthetische Elektronendichtekarte 40 eingefügt wird. Weiterhin wird allen Pixeln oder Voxeln der Elektronendichtekarte 40, die nicht Teil der Knochenbildstruktur sind, die durchschnittliche Elektronendichte von Weichteilgewebe zugewiesen. Alternativ kann auch ermittelt werden, welche Weichteilregion des Körpers das Pixel oder Voxel abbildet, und dem Pixel oder Voxel die durchschnittliche Elektronendichte dieser Weichteilregion zugewiesen werden. Es folgt das Bestimmen (DET-2) einer Weichteilbildstruktur 43, die alle im Bilddatensatz abgebildeten Weichteilregionen umfasst, und einer Knochenbildstruktur 45, die alle im Bilddatensatz abgebildeten Knochenregionen umfasst. In dem hier gezeigten Fall erfolgt das Bestimmen (DET-2) mittels einer Schwellwertsegmentierung. Als Schwellwert wird eine Elektronendichte verwendet, die zwischen der durchschnittlichen Elektronendichte von Weichteilregionen und der durchschnittlichen Elektronendichte von Knochenregionen liegt. Anschließend erfolgt der Vergleich (COMP) der bestimmten Weichteilbildstruktur 43 und der bestimmten Knochenbildstruktur 45 mit dem MR-Bilddatensatz 41, indem die Kontur 51 der Weichteilbildstruktur 43 und die Kontur 48 der Knochenbildstruktur 45 direkt im MR-Bilddatensatz 41 angezeigt werden. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht die Kontur 51 der Weichteilbildregion 41 der Kontur des Patienten 33. Als nächster Schritt erfolgt das Bestimmen einer korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte 54 (CORR), hier mittels eines künstlichen neuronalen Netzwerks, das als Eingabedaten den MR-Bilddatensatz 41 sowie die Konturen 48, 51 der bestimmten Bildstrukturen 43, 45 erhält, und als Ausgabe eine korrigierte synthetische Elektronendichtekarte 54 erzeugt. Dieses Netzwerk wurde mittels einer Vielzahl von Datensätzen (umfassend MR-Bilddatensätze 41, Konturen 48, 51 von Bildstrukturen 43, 45 aus der Elektronendichtekarte 40 und korrigierte Elektronendichtekarten 54) trainiert. In der Trainingsphase wurden die korrigierten Elektronendichtekarten 54 von einem Anwender derart erzeugt, dass die Geometrie der Bildstrukturen 43, 45 basierend auf dem MR-Bilddatensatz 41 korrigiert wurde. Hierbei wurden Pixeln oder Voxeln, welche nach der Korrektur einer anderen Bildstruktur angehörten, durchschnittliche Elektronendichten der jeweils entsprechenden Körperregion zugewiesen. Basierend auf der korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte 54 wird eine Bestrahlung derart geplant (PLN), dass eine Körperzielregion einer durch die Bedienperson festgelegten Strahlendosis ausgesetzt wird. Basierend auf der Bestrahlungsplanung und der korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte 54 kann die Dosisverteilung in dem Teil des Patienten bestimmt (DOSE) werden, die im MR-Bilddatensatz 41 abgebildet ist. Körperzielregion sowie gefährdete Organe werden hier mittels des MR-Bilddatensatzes 51 lokalisiert.
2 zeigt eine Bildverarbeitungseinheit. Die Bildverarbeitungseinheit 20 ist programmiert, um das Verfahren zum Bestimmen einer korrigierten synthetischen Elektronendichte 54 auszuführen. Die hier gezeigte Bildverarbeitungseinheit 20 umfasst eine Schnittstelle 21, eine Recheneinheit 22 sowie eine Ein- und Ausgabeeinheit 23. Die Bildverarbeitungseinheit 20 ist mit einem bildgebenden MR-Gerät 30 und einem Radiotherapiegerät 26 verbunden. Bei der Schnittstelle 21 handelt es sich um allgemein bekannte Hard- oder Software-Schnittstellen, beispielsweise um die Hardware-Schnittstellen PCI-Bus, USB oder Firewire. Die Recheneinheit 22 kann Software-Elemente und Hardware-Elemente aufweisen, beispielsweise einen Mikroprozessor oder ein sogenanntes FPGA (Akronym für das englischsprachige ”Field Programmable Gate Array”). Die Recheneinheit 22 kann Teil eines Computers sein. Weiterhin kann die Bildverarbeitungseinheit 20 mit einer Datenbank 25 kommunizieren. In der dargestellten Ausführungsform ist die Bildverarbeitungseinheit 20 über ein Netzwerk 24 mit der Datenbank verbunden. Das Netzwerk kann beispielsweise durch das Internet oder ein Intranet realisiert werden, oder durch eine Schnittstellenverbindung. Die Bildverarbeitungseinheit 20 kann weitere Schnittstellen aufweisen.
3 stellt ein erfindungsgemäßes Magnetresonanzgerät 30 schematisch dar. Das Magnetresonanzgerät 30 umfasst eine von einer Magneteinheit 31 gebildete Detektoreinheit mit einem Hauptmagneten 35 zu einem Erzeugen eines starken und insbesondere konstanten Hauptmagnetfelds 36. Zudem weist das Magnetresonanzgerät 30 einen zylinderförmigen Patientenaufnahmebereich 32 zu einer Aufnahme eines Patienten 33, wobei der Patientenaufnahmebereich 32 in einer Umfangsrichtung von der Magneteinheit 31 zylinderförmig umschlossen ist. Der Patient 33 kann mittels einer Patientenlagerungsvorrichtung 34 des Magnetresonanzgeräts 30 in den Patientenaufnahmebereich 32 geschoben werden. Die Patientenlagerungsvorrichtung 34 weist hierzu einen Liegentisch auf, der bewegbar innerhalb des Magnetresonanzgeräts 30 angeordnet ist. Die Magneteinheit 31 ist mittels einer Gehäuseverkleidung 39 des Magnetresonanzgeräts nach außen abgeschirmt.
Die Magneteinheit 31 weist weiterhin eine Gradientenspuleneinheit 37 zu einer Erzeugung von Magnetfeldgradienten auf, die für eine Ortskodierung während einer Bildgebung verwendet werden. Die Gradientenspuleneinheit 37 wird mittels einer Gradientensteuereinheit 62 angesteuert. Des Weiteren weist die Magneteinheit 31 eine Hochfrequenzantenneneinheit 38, welche im gezeigten Fall als fest in das Magnetresonanzgerät 30 integrierte Körperspule ausgebildet ist, und eine Hochfrequenzantennensteuereinheit 61 zu einer Anregung einer Polarisation, die sich in dem von dem Hauptmagneten 35 erzeugten Hauptmagnetfeld 36 einstellt, auf. Die Hochfrequenzantenneneinheit 38 wird von der Hochfrequenzantennensteuereinheit 61 angesteuert und strahlt hochfrequente Magnetresonanz-Sequenzen in einen Untersuchungsraum, der im Wesentlichen von dem Patientenaufnahmebereich 32 gebildet ist, ein. Die Hochfrequenzantenneneinheit 38 ist weiterhin zum Empfang von Magnetresonanz-Signalen, insbesondere aus dem Patienten 33, ausgebildet.
Zu einer Steuerung des Hauptmagneten 35, der Gradientensteuereinheit 62 und der Hochfrequenzantennensteuereinheit 61 weist das Magnetresonanzgerät 30 eine MR-Recheneinheit 60 auf. Die MR-Recheneinheit 60 steuert zentral das Magnetresonanzgerät 30, wie beispielsweise das Durchführen einer vorbestimmten bildgebenden Gradientenechosequenz. Steuerinformationen wie beispielsweise Bildgebungsparameter, sowie rekonstruierte Magnetresonanz-Bilder können auf einer Bereitstellungseinheit 63, im vorliegenden Fall einer Anzeigeeinheit 63, des Magnetresonanzgeräts 30 für einen Benutzer bereitgestellt werden. Zudem weist das Magnetresonanzgerät 30 eine Eingabeeinheit 64 auf, mittels derer Informationen und/oder Parameter während eines Messvorgangs von einem Benutzer eingegeben werden können. Die MR-Recheneinheit 60 kann die Gradientensteuereinheit 62 und/oder Hochfrequenzantennensteuereinheit 61 und/oder die MR-Anzeigeeinheit 63 und/oder die MR-Eingabeeinheit 64 umfassen.
Das dargestellte Magnetresonanzgerät 30 kann selbstverständlich weitere Komponenten umfassen, die Magnetresonanzgeräte 30 gewöhnlich aufweisen. Eine allgemeine Funktionsweise eines Magnetresonanzgeräts 30 ist zudem dem Fachmann bekannt, so dass auf eine detaillierte Beschreibung der weiteren Komponenten verzichtet wird.
Mit dem dargestellten Magnetresonanzgerät verbunden ist eine Bildverarbeitungseinheit 20, umfassend in dieser Ausführungsform eine Schnittstelle 21, eine Recheneinheit 22 sowie eine Ein- und/oder Ausgabeeinheit 23. Die Bildverarbeitungseinheit 20 ist mit einer Radiotherapieeinheit 26 und einer Datenbank 25 verbunden. Die Bildverarbeitungseinheit 20 ist zum Ausführen erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellten Verfahrens ausgebildet.
In anderen Ausführungsformen kann die MR-Recheneinheit 60 auch mit der Recheneinheit 22 der Bildverarbeitungseinheit 20 identisch sein. In diesem Fall wird die Bildverarbeitungseinheit 20 zu einer Steuerungs- und Bildverarbeitungseinheit. Weiterhin können die MR-Anzeigeeinheit 63 und die Ein- und Ausgabeeinheit 23 identisch sein. Weiterhin können die MR-Eingabeeinheit 64 und die Ein- und Ausgabeeinheit 23 identisch sein.
4 zeigt ein Ergebnisbild, umfassend eine erste synthetische Elektronendichtekarte 40 sowie einen MR-Bilddatensatz 41, die beide den gleichen Teil eines Patienten 33 abbilden, und wobei die erste synthetische Elektronendichtekarte 40 aus dem MR-Bilddatensatz 41 erzeugt wurde.
Die erste synthetische Elektronendichtekarte umfasst weiterhin wenigstens eine erste Weichteilbildstruktur 43, eine erste Knochenbildstruktur 45 sowie eine Patientenumgebung 52, die in diesem Fall der Umgebungsluft entspricht. Weiterhin umfasst die dargestellte erste synthetische Elektronendichtekarte den Rand 42 der ersten Weichteilbildstruktur 43 und den Rand 44 der ersten Knochenbildstruktur 45.
Der MR-Bilddatensatz 41 umfasst wenigstens eine zweite Weichteilbildstruktur 46 und den Rand 50 der zweiten Weichteilbildstruktur. Weiterhin umfasst der MR-Bilddatensatz eine zweite Knochenbildstruktur 47 und den Rand 48 der zweiten Knochenbildstruktur. Weiterhin umfasst der MR-Bilddatensatz die Darstellung der Patientenumgebung 53, die in diesem Fall der Umgebungsluft entspricht. Die zweite Weichteilbildstruktur 46 und die erste Weichteilbildstruktur 43 entsprechen derselben Weichteilregion im Patienten 33. Die zweite Knochenbildstruktur 47 und die erste Knochenbildstruktur 46 entsprechen derselben Knochenregion im Patienten 33.
Weiterhin umfasst die hier abgebildete Darstellung des MR-Bilddatensatzes den Rand 51 der ersten Weichteilbildstruktur, der genau dem Rand 42 der ersten Weichteilbildstruktur in der ersten synthetischen Elektronendichtekarte entspricht. Weiterhin umfasst die hier abgebildete Darstellung des MR-Bilddatensatzes den Rand 49 der ersten Knochenbildstruktur, der genau dem Rand 44 der ersten Knochenbildstruktur in der ersten synthetischen Elektronendichtekarte entspricht. Hierbei unterscheidet sich im Allgemeinen der Rand 49 der ersten Knochenbildstruktur vom Rand 48 der zweiten Knochenbildstruktur, und der Rand 51 der ersten Weichteilbildstruktur vom Rand 50 der zweiten Weichteilbildstruktur. Dieser Unterschied kann sich durch Fehler in der Bestimmung der Elektronendichtekarte ergeben, weiterhin kann sich der Unterschied durch Fehler im Bestimmen der ersten Weichteilbildstruktur 43 und der ersten Knochenbildstruktur 45 in der Elektronendichtekarte ergeben.
5 zeigt die korrigierte synthetische Elektronendichtekarte 54, die mittels des Ergebnisbildes (umfassend die erste synthetische Elektronendichtekarte 40 und den MR-Bilddatensatz 41) bestimmt wurde. Hierbei wurde die erste synthetische Elektronendichtekarte 40 derart verändert, dass Form und Größe der Weichteilbildstruktur 55 der korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte denen der Weichteilbildstruktur 46 des MR-Bilddatensatzes 41 entsprechen, und dass Form und Größe der Knochenbildstruktur 47 der korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte denen der Knochenbildstruktur 46 des MR-Bilddatensatzes 41 entsprechen. In der dargestellten korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte sind auch der Rand 57 der Weichteilbildstruktur 55 und der Rand 58 der Knochenbildstruktur 56, sowie die Umgebung 59 des Patienten 33, die durch Luft gebildet wird, dargestellt.

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte (54), umfassend folgende Verfahrensschritte, jeweils durchgeführt mittels einer Recheneinheit (22): – Bestimmen (DET-1) einer ersten synthetischen Elektronendichtekarte (40) des Patienten (33) basierend auf wenigstens einem MR-Bilddatensatz (41), – Bestimmen (DET-2) wenigstens einer ersten Weichteilbildstruktur (43) des Patienten (33) und/oder wenigstens einer ersten Knochenbildstruktur (45) des Patienten (33) basierend auf der ersten synthetischen Elektronendichtekarte (40), – Vergleichen (COMP) der ersten Weichteilbildstruktur (43) und/oder der ersten Knochenbildstruktur (45) aus der ersten synthetischen Elektronendichtekarte (40) mit entsprechenden Bildstrukturen (46, 47) in dem MR-Bilddatensatz (41), – Bestimmen (CORR) einer korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte (54) durch Korrigieren der ersten Weichteilbildstruktur (43) und/oder der ersten Knochenbildstruktur (45) basierend auf dem Vergleich.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen (DET-1) der ersten synthetischen Elektronendichtekarte (40) mittels eines MR-CT-Atlanten (25) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Vergleich (COMP) derart erfolgt, dass wenigstens die erste Weichteilbildstruktur (43) und/oder wenigstens die erste Knochenbildstruktur (45) mit dem MR-Bilddatensatz in einem Ergebnisbild (40, 41) kombiniert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Ergebnisbild (40, 41) den MR-Bilddatensatz (41) umfasst, und wobei in dem MR-Bilddatensatz (41) wenigstens ein Teil (51) der ersten Weichteilbildstruktur (43) und/oder wenigstens ein Teil (48) der ersten Knochenbildstruktur (45) dargestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Teil (51) der ersten Weichteilbildstruktur (43) und/oder das Teil (48) der ersten Knochenbildstruktur (45) wenigstens einen Rand (44, 51) der ersten Weichteilbildstruktur (43) und/oder einen Rand (42, 51) der ersten Knochenbildstruktur (45) umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Vergleich (COMP) basierend auf einem geometrischen Parameter der Weichteilbildstruktur (43) und/oder einem geometrischen Parameter der Knochenbildstruktur (45) sowie einem geometrischen Parameter der entsprechenden Bildstrukturen (46, 47) in dem MR-Bilddatensatz (41) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Vergleich (COMP) selbstlernend mittels einer Datenbank (25) erfolgt, wobei die Datenbank (25) wenigstens MR-Bilddatensätze (41), zugehörige erste synthetische Elektronendichtekarten (40) sowie zugehörige Parameter für die Qualität der Übereinstimmung eines MR-Bilddatensatzes (41) mit einer synthetischen Elektronendichtekarte (40) enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Bestimmen (CORR) der korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte (54) selbstlernend mittels einer Datenbank (25) erfolgt, wobei die Datenbank (25) wenigstens MR-Bilddatensätze (41), zugehörige erste synthetische Elektronendichtekarten (40) sowie zugehörige korrigierte synthetische Elektronendichtekarten (54) enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei basierend auf der korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte (54) ein Plan für eine strahlenbasierte Behandlung eines Zielvolumens des Patienten (33) erstellt (PLN) wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine Dosisverteilung in wenigstens einem Planungsvolumen des Patienten (33) basierend auf der korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte (54) und dem Plan für eine strahlenbasierte Behandlung berechnet (DOS) wird.
Bildverarbeitungseinheit (20), umfassend eine Recheneinheit (22), zum Bestimmen einer korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte (54), durch Ansteuerung der Recheneinheit (22) ausgebildet folgende Schritte auszuführen: – Bestimmen (DET-1) einer ersten synthetischen Elektronendichtekarte (40) des Patienten (33) basierend auf wenigstens einem MR-Bilddatensatz (41), – Bestimmen (DET-2) wenigstens einer ersten Weichteilbildstruktur (43) des Patienten (33) und/oder wenigstens einer ersten Knochenbildstruktur (45) des Patienten (33) basierend auf der ersten synthetischen Elektronendichtekarte (40), – Vergleichen (COMP) der ersten Weichteilbildstruktur (43) und/oder der ersten Knochenbildstruktur (45) aus der ersten synthetischen Elektronendichtekarte (40) mit entsprechenden Bildstrukturen (46, 47) in dem MR-Bilddatensatz (41), – Bestimmen (CORR) einer korrigierten synthetischen Elektronendichtekarte (54) durch Korrigieren der ersten Weichteilbildstruktur (43) und/oder der ersten Knochenbildstruktur (45) basierend auf dem Vergleich.
Bildverarbeitungseinheit (20) nach Anspruch 11, weiterhin ausgebildet ein Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10 auszuführen.
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, welches direkt in den Speicher einer Bildverarbeitungseinheit (20) ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen, wenn die Programmabschnitte von der Bildverarbeitungseinheit (20) ausgeführt werden.
Computerlesbares Medium, auf welchem von einer Recheneinheit lesbare und ausführbare Programmabschnitte gespeichert sind, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen, wenn die Programmabschnitte von der Bildverarbeitungseinheit (20) ausgeführt werden.
Magnetresonanzgerät (30), ausgebildet einen MR-Bilddatensatz (41) aufzunehmen, sowie weiterhin aufweisend die Bildverarbeitungseinheit (20) nach Anspruch 11 oder 12.