DE102020210208A1

DE102020210208A1 - Feststellen einer Position eines in einen Körper eingeführten Gegenstands

Info

Publication number: DE102020210208A1
Application number: DE102020210208.2A
Authority: DE
Inventors: Rainer Schneider
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2020-08-12
Filing date: 2020-08-12
Publication date: 2022-02-17
Also published as: US20220050154A1; US11762047B2

Abstract

Ein Verfahren (S1-S4) dient zum Feststellen einer Position eines in einen Körper (K) eingeführten Gegenstands, bei dem (a)ein RF-Pilotton (PT) erzeugt und in den Körper (K) eingestrahlt wird, (b) durch das Einstrahlen in den Körper (K) modulierte Antwortsignale mittels mehrerer außerhalb des Körpers (K) örtlich verteilt angeordneter MRT-Empfängerspulen (3) empfangen und in jeweilige Messsignale umgesetzt werden und (c) aus den Messsignalen die Position des Gegenstands bestimmt wird. Ein weiteres Verfahren dient zum Erzeugen eines MRT-Bilds mittels eines MRT-Systems unter Nutzung der bei dem vorherigen Verfahrens (S1-S4) verwendeten MRT-Empfängerspulen (3), bei dem in dem MRT-Bild eine mittels des vorherigen Verfahrens (S1-S4) festgestellte Position des in dem Körper (K) befindlichen Gegenstands abgebildet ist. Noch ein Verfahren dient zum Erzeugen eines MRT-Bilds mittels eines MRT-Systems (1) unter Nutzung der in dem vorherigen Verfahren (S1-S4) verwendeten MRT-Empfängerspulen (3), bei dem eine Position und/oder Ausrichtung einer Aufnahmebildebene des in dem Körper befindlichen Gegenstands automatisch nachgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen einer Position eines in einen Körper eingeführten Gegenstands. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Erzeugen eines MRT-Bilds mittels eines MRT-Systems, bei dem in dem MRT-Bild eine festgestellte Position des in dem Körper befindlichen Gegenstands abgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erzeugen eines MRT-Bilds mittels eines MRT-System, bei dem eine Position und/oder Ausrichtung einer Aufnahmebildebene des in dem Körper befindlichen Gegenstands automatisch nachgeführt wird. Die Erfindung betrifft außerdem ein MRT-System, das mehrere örtlich verteilte MRT-Empfängerspulen, einen Pilotton-Generator sowie eine Datenverarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung von durch die MRT-Empfängerspulen aufgenommen Messignalen aufweisend, wobei das MRT-System dazu eingerichtet ist, das Verfahren durchzuführen.
In der klinischen Versorgung ist die interventionelle Magnetresonanztomographie (MRT) von großem Interesse, um eine bessere Wirksamkeit therapeutischer Eingriffe zu ermöglichen. Sie weist aufgrund des Fehlens ionisierender Strahlung, des besseren Weichgewebekontrasts und der realen räumlichen 3D-Bildinformation große Vorteile gegenüber herkömmlichen röntgenbasierten Fluoroskopiesystemen auf.
Die MRT weist jedoch auch einige Nachteile im therapeutischen Arbeitsablauf auf: so muss eine MRT-Kompatibilität von Geräten zum therapeutischen Eingriff, wie Führungsdrähten, Kathetern, Nadeln, Lichtleitern, Sonden usw. sichergestellt werden. Auch sollten solche Geräte auf MRT-Bildern sichtbar sein, was aufgrund des Fehlens von Protonen und/oder aufgrund der nicht projektiven Bildgebung der MRT häufig nicht der Fall ist.
Die Erkennung oder MRT-Sichtbarmachung von Geräten zum therapeutischen Eingriff in der interventionellen MRT durch passive Verfolgungsmethoden oder aktive Verfolgungsmethoden erreicht werden:

Im Rahmen passiver Verfolgungsmethoden können beispielsweise Eigenschaften der magnetischen Suszeptibilität des Geräts verwendet, um Signalhohlräume in Standard-MRT-Bildgebungssequenzen zu betonen, wie z.B. in Roujol, Sebastien, et al. „Advanced Passive Tracking and Visualization of MR-Compatible Diagnostic Electrophysiology Catheter“, Proceedings of the 25th Annual Meeting of ISMRM, Honolulu 2017, beschrieben.

Alternativ können MRT-Bildgebungssequenzen abgestimmt werden, um einen positiven Kontrast zu erzeugen, oder es wird eine Multi-Off-Resonanz-Bildgebung angewandt, um ein virtuelles Bild basierend auf einem anatomischen Bild und einem Gerätebild zu erzeugen. Dabei ist es auch bekannt, Geräte mit Eisenmarkern oder Partikeln zu versehen, um diesen Effekt weiter zu betonen. Die anfängliche Identifizierung und Verfolgung der Geräte im Körper erfolgt manuell, was sehr schwierig sein kann, sobald sich das Gerät außerhalb der Bildgebungsebene befindet. Weine, Jonathan, et al. „Interleaved White Marker Contrast with bSSFP Real-Time Imaging for Deep Learning based Needle Localization in MR-Guided Percutaneous Interventions“, Proceedings of the 27th Annual Meeting of ISMRM, Montreal 2019, beschreibt einen Ansatz, bei dem Algorithmen für künstliche Intelligenz den Workflow für die passive Verfolgung verbessern können.
Um aktive Verfolgungsmethoden mit MRT zu ermöglichen, muss ein Gerät zum therapeutischen Eingriff um MRT-Mikroempfängerspulen erweitert und an das MRT-System angeschlossen werden. Eine spezielle MRT-Sequenz („MRT-Tracking-Sequenz“) ermöglicht die Erfassung der x-, y- und z-Koordinaten der Mikrospulen und damit der Position des Geräts, siehe Hillenbrand, Claudia M., et al. „Active device tracking and high-resolution intravascular MRI using a novel catheter-based, opposed-solenoid phased array coil“, Magnetic Resonance in Medicine: An Official Journal of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine, 2004, 51. Jg., Nr. 4, S. 668-675. Solche Geräte werden jedoch ziemlich teuer und groß. Darüber hinaus ist die aktive MRT-Tracking-Sequenz nicht in jeder anatomischen Bildgebungssequenz aktiviert und daher in ihrer Kombination begrenzt.
Die Pilotton-Technik zur Identifizierung von körpereigenen Bewegungen wird z.B. in Schroeder, Lea, et al. „A novel method for contact-free cardiac synchronization using the pilot tone navigator“, Proceedings of the 24th Annual Meeting of ISMRM, Singapore 2016, beschrieben. Dabei wird ein moduliertes Pilotton (PT)-Antwortsignal eines Körpers über mehrere MRT-Empfangsspulen aufgenommen. Folgend werden Signalformen, Signalhöhen und spezifische, einer Atmung oder Herzbewegung zugehörige Körpersignalanteile z.B. mittels einer Unabhängigkeitsanalyse extrahiert und identifiziert. Die zugehörigen Signalgewichte und die Mischungsmatrix können dann für eine weitere Datenverarbeitung gespeichert werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine einfach umsetzbare und zuverlässige Möglichkeit zu schaffen, ein in einen Körper eingeführten Gegenstand unter Nutzung eines MRT-Systems zu lokalisieren.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Feststellen einer Position eines in einen Körper eingeführten Gegenstands, bei dem

a) ein Funkfrequenzsignal („RF-Pilotton“) erzeugt und in den Körper eingestrahlt wird,
b) ein durch das Einstrahlen in den Körper moduliertes Antwortsignal mittels mehrerer außerhalb des Körpers örtlich verteilt angeordneter MRT-Empfängerspulen empfangen und in jeweilige Messsignale umgesetzt wird und
c) aus den Messsignalen die Position des Gegenstands bestimmt wird.

Dieses Verfahren ermöglicht vorteilhafterweise eine fortlaufende Lokalisierung eines therapeutischen Geräts in einem Körper, ohne dass die MRT-Bilder zur Sichtbarkeit des Geräts darin angepasst zu werden brauchen. Auch ist es ein Vorteil, dass zur Lokalisierung des Geräts keine speziellen MRT-Tracking-Sequenzen benötigt werden. Zudem kann das Gerät zeitlich parallel zu MRT-Aufnahmesequenzen lokalisiert werden. Darüber hinaus kann auf einfache Weise eine Navigator-Funktion umgesetzt werden, um eine MRT-Bildgebungsposition und/oder -orientierung anzupassen.
Der RF-Pilotton wird außerhalb einer Frequenz eines MRT-Pulssignals und unabhängig davon erzeugt. Die Frequenz liegt dabei in einem Bereich, für den die MRT-Empfängerspulen noch empfindlich sind und, die also als Antennen für das modulierte Antwortsignal dienen. Vorzugsweise liegt die Frequenz des RF-Pilottons knapp neben dem MRT-Frequenzband, z.B. in einem Abstand von ca. 500 kHz. Es kann z.B. bei einer Stärke des B₀-Felds von 1,5 T in einem Frequenzbereich von ca. 63 MHz liegen, z.B. bei 63,4429 MHz. Der RF-Pilotton ist insbesondere ein monofrequentes Funkfrequenzsignal.
Dass der RF-Pilotton in den Körper eingestrahlt wird, umfasst insbesondere, dass er in den Körper eindringt und durch den Körper und den darin vorhandenen Gegenstand moduliert wird. Das so modulierte Antwortsignal wird von dem MRT-Empfängerspulen empfangen.
Die örtlich verteilten MRT-Empfangsspulen können z.B. matrixartig verteilt sein, z.B. in einer zweidimensionalen Ebene oder - vorteilhafterweise zur genauen Erfassung einer räumlichen Position des Geräts - dreidimensional im Raum. Der letztere Fall ist z.B. bei Kopf- und Rückgrat („Spine“)-Körperspulen gegeben.
Es ist eine Weiterbildung, dass das Gerät ein Gerät zum therapeutischen und/oder diagnostischen Eingriff ist, z.B. eine Nadel, ein Katheter, ein Lichtfaserkabel und/oder eine Sonde. Jedoch ist der Gegenstand nicht darauf beschränkt und kann auch jeder andere im Körper bewegliche Gegenstand sein, und zwar auch für nicht-medizinische Zwecke. Der Körper kann z.B. ein menschlicher oder tierischer Körper sein.
Es ist eine für eine besonders genaue Bestimmung der Position des Geräts sowie für viele interventionelle Anwendungsfälle vorteilhafte Ausgestaltung, dass die MRT-Empfängerspulen Komponenten mindestens einer MRT-Körperspule sind. Eine MRT-Körperspule kann z.B. eine Kopf-, Nacken-, Thorax-, Rückgrat- oder Extremitätenspule oder einen Kombination davon (z.B. eine Kopf/Nacken-Spule) sein.
Es ist eine Ausgestaltung, dass mindestens eine MRT-Empfängerspule mindestens eine Durchführungsöffnung zum Durchführen des Gegenstands aufweist. Dies ergibt den Vorteil, dass eine Position des Geräts, das durch die Durchführungsöffnung geführt wird, unmittelbar vor oder während des Einführens in den Körper mit hoher Genauigkeit bestimmbar ist. Solche MRT-Empfängerspule können beispielsweise als sog. „Coils“ ausgebildet sein, in deren Mitte sich die Durchführungsöffnung befindet.
Für alle Weiterbildungen des Verfahrens zur Positionsbestimmung ist es eine vorteilhafte Weiterbildung, dass vor Einführung des Geräts modulierte Antwortsignale des Körpers ohne Gerät aufgenommen werden, um entsprechende Referenz-Messignale (im Folgenden auch als auch als „Körperrauschen“ bezeichenbar) zu erhalten. Die Referenz-Messignale können folgend aus den modulierten Antwortsignalen mit oder nach Einführung des Geräts herausgerechnet werden. Dies kann auch als „Normalisierung“ bezeichnet werden und verbessert die Positionsgenauigkeit. Das Körperrauschen umfasst von dem Körper selbst erzeugte Modulierungen der PT-Antwortsignale, welche insbesondere durch eine Bewegung von Körperorganen wie einer Atem- oder Herzbewegung erzeugt werden. Das Körperrauschen kann auch den Effekt eines Vorhandenseins einer Hand eines Bedieners des Geräts umfassen, die bei manuell gehandhabten Geräten im Sichtfeld der MRT-Bewegungsspulen vorhanden ist.
Diese Weiterbildung kann in einer Ausgestaltung so umgesetzt werden, dass

- die Schritte a) bis b) zunächst durchgeführt werden, ohne dass sich der Gegenstand in dem Körper befindet, um in Schritt b) jeweilige Referenz-Messignale zu erhalten, und dann
- die Schritte a) bis c) mit oder nach Einführen des Gegenstands in den Körper mindestens einmal durchgeführt werden, wobei in Schritt c) die Position des Gegenstands aus normalisierten Messsignalen, die um die Referenz-Messignale bereinigten („normalisierten“) Messsignalen entsprechen, bestimmt wird.

Die Normalisierungsschritte können zusätzlich unter Anwesenheit einer Hand eines Bedieners im Sichtfeld („Field of View“) der MRT-Empfängerspulen durchgeführt werden.
Die Normalisierung kann beispielsweise dadurch umgesetzt werden, dass zunächst Messignale der MRT-Empfangsspulen ohne Anwesenheit des Geräts aufgenommen werden und beruhend auf diesen Messsignalen eine Signalzerlegung durchgeführt wird, mittels welcher dem Körperrauschen zugeordnete Signalanteile identifiziert bzw. extrahiert werden. Die Zerlegung der Messsignale in unabhängige Signalanteile kann mittels typischer Blind-Source-Separationsmethoden erfolgen, wie z.B. ICA („Independent Component Analysis“) und/oder PCA („Principal Component Analysis“) usw. Dabei können die Messsignale durch Signalzerlegung in Unterräume projiziert werden, welche jeweils bestimmte charakteristische Anteile der Messsignale bzw. Messsignaländerungen umfassen, z.B. Atem- oder Herzbewegungen. Die Signalanteile können z.B. Signalgewichte und mindestens eine Mischungsmatrix umfassen.
Bei folgenden Messungen beruhend auf Messignalen der MRT-Empfangsspulen bei Anwesenheit des Geräts kann ebenfalls eine Signalzerlegung, insbesondere Unabhängigkeitsanalyse, durchgeführt werden, wobei die zuvor identifizierten Störanteile des Körperrauschens entfernt werden. Da die Signalzerlegung eine statistisch unabhängige Methode ist, ermöglicht sie eine sehr gute Extraktion der Störanteile. Nach Entfernung der Störanteile können die übriggebliebenen Signalanteile, welche nun vor allem das Gerät repräsentieren, wieder in der Raum der MRT-Empfängerspulen rücktransformiert werden, um datentechnisch als normalisierte Messignale weiterverarbeitet zu werden.
Es ist eine Ausgestaltung, dass das Gerät ausgehend von einer bekannten Anfangsposition in dem Körper bewegt wird, entsprechende Messignale während der Bewegung aufgenommen werden, aus den Änderungen der Messsignale die durch das Gerät in dem Körper zurückgelegte Strecke berechnet wird und aus der bekannten Anfangsposition und der berechneten Strecke die (aktuelle) Endposition des Geräts in dem Körper bestimmt wird. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass eine Position des Geräts auch weiter / tiefer innerhalb des Körpers mit hoher Genauigkeit bestimmbar ist. Hierbei wird nicht auf die Beziehung der Messignale der MRT-Empfängerspulen mit deren bekannten Positionen abgestellt, sondern es werden die Messignale bzw. Änderungen davon direkt verwendet, um die Geräteposition zu bestimmen. Dabei wird angenommen, dass sich aus den Messignalen die Bewegung bzw. Positionsänderung des Geräts im Körper ableiten lässt, was zusammen mit der bekannten Anfangsposition eine Kenntnis über die Endposition ergibt. Die Aufnahme von Messignalen bzw. deren Änderungen umfassen zumindest die Messignalen bzw. deren Änderungen zwischen Anfangs- und Endposition.
Die Anfangsposition des Geräts bei Einführung in den Körper (auch als „Einstich-Position“ bezeichenbar) lässt sich durch unterschiedliche Methoden ermitteln:

Bei MRT-Empfängerspulen mit Durchführungsöffnung ergibt sich die Einstich-Position beispielsweise durch Kenntnis der Position der Durchführungsöffnung in Relation zu der Position des Körpers.

Die Einstich-Position lässt sich automatisch dadurch erfassen, dass an derjenigen MRT-Empfängerspule, welche die Durchführungsöffnung aufweist, ein PT-Antwortsignal empfangen wird, das durch die Heranführung des Geräts weitaus stärker verändert wird als bei allen anderen MRT-Empfängerspulen, ggf. zusammen mit der Kenntnis der Position der Durchführungsöffnung dieser MRT-Empfängerspule in Relation zu der Position des Körpers. Durch die Heranführung des Geräts wird auch das MR-Signal verändert, jedoch lässt das PT-Antwortsignal eine kontinuierliche Messung zu, die unabhängig von MR-Kodierungen und MR-Kontrasten ist.
Alternativ oder zusätzlich ist die Bestimmung der Einstich-Position des Geräts auch ohne Nutzung einer Durchführungsöffnung möglich:

So ist es eine Ausgestaltung, dass die Einstich-Position des Gegenstands an dem Körper aus einer Korrelation der Veränderungen der - vorzugsweise normalisierten - Messsignale zu den jeweiligen Positionen der zugehörigen MRT-Empfängerspulen bestimmt wird. Dies wird im Folgenden auch als „Triangulation“ bezeichnet. Dabei wird ausgenutzt, dass ein Messignal einer MRT-Empfängerspule durch ein PT-Antwortsignal umso stärker verändert wird, je näher sich das Gerät an dieser MRT-Empfängerspule befindet (was sich aus der Eigenschaft des Geräts als Antenne ergibt). Durch die Erfassung der absoluten Veränderungen der Messsignale der einzelnen MRT-Empfängerspulen in Korrelation zu ihren bekannten Raumpositionen, insbesondere auch zum Körper, lässt sich so die Einstich-Position des Geräts auf der Körperoberfläche einfach bestimmen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die MRT-Empfängerspulen in einer dreidimensional verteilten Anordnung positioniert sind, da sich die Einstich-Position des Geräts dann in allen drei Dimensionen bestimmen lässt.

Um die Messignale mit einer zurückgelegten Strecke des Geräts innerhalb des Körpers korrelieren zu können, ist es eine Ausgestaltung, diese Messignale bzw. deren Änderungen anhand von Messignalen bzw. deren Änderungen vorbekannter Bewegungen zu kalibrieren. Die Messignale werden also kalibriert, indem die Änderungen der Messsignale mit Änderungen von Messsignalen verglichen werden, die bei einer bekannten Bewegung des Geräts in dem Körper erzeugt worden sind. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Amplitude des modulierten PT-Antwortsignals auch bei gleichen Randbedingungen nicht immer gleich zu sein braucht, sondern sich z.B. aufgrund der Art und des Typs des eingeführten Geräts, der betreffenden Körperregion, usw. auch für gleiche zurückgelegte Strecken unterscheiden kann.
Unter einer „bekannten Bewegung“ kann beispielsweise eine Bewegung eines bekannten Geräts bestimmter Art und bestimmtes Typs um eine bekannte Strecke (z.B. 2 cm) und ggf. bekannter Bewegungsrichtung verstanden werden. Die Strecke und Bewegungsrichtung können beispielsweise durch Identifizierung des Geräts in MR-Bildern bestimmt werden. Dies ist besonders einfach durchführbar, wenn das Gerät entlang einer MR-Bildaufnahmeebene bewegt wird. Werden ein MR-Bild, in dem die Anfangsposition des Geräts bestimmbar ist, und ein MR-Bild, in dem die Endposition des Geräts bestimmbar ist, aufgenommen, kann durch einfache Ausmessung der jeweiligen Positionen in den MR-Bildern die durch das Gerät zurückgelegte physikalische Strecke und Richtung bestimmt werden.
Die Kalibrierung kann beispielsweise so umgesetzt werden, dass zu Beginn des interventionellen MRT-Vorgangs ein anfänglicher Kalibrierungsschritt durchgeführt wird, bei dem das Gerät durch einen Bediener oder Operateur eine bestimmte Strecke in dem Körper bewegt wird und die Strecke mit den zugehörigen Änderungen der Messsignale korreliert wird. Es ist folgend auf den Kalibrierungsschritt also bekannt, welche Veränderungen der Messsignale welcher durch das Gerät im Körper zurückgelegte Strecke entsprechen.
Es ist eine Ausgestaltung, dass

- eine Änderung der Messsignale der MRT-Empfängerspulen während einer Bewegung des Geräts in dem Körper bestimmt wird,
- aus Änderungen dieser Messsignale durch Signalzerlegung, insbesondere Unabhängigkeitsanalyse, ein die Bewegung des Geräts repräsentierender Gerätesignalanteil bestimmt wird und
- der Gerätesignalanteil für folgende Bewegungen anhand eines aus der bekannten Bewegung durch Signalzerlegung bestimmten Gerätesignalanteils kalibriert wird.

Diese Ausgestaltung ergibt den Vorteil, dass sich die Messsignale besonders einfach in Beziehung zu einer Positionsänderung des Geräts setzen („kalibrieren“) lässt. Bei auf die bekannte Bewegung folgenden Bewegungen des Geräts im Körper kann dessen Positionsänderung folglich anhand der Auswertung des zugehörigen Gerätesignalanteils automatisch berechnet werden. Auf eine aufwändige Nachverfolgung mittels Schichtnachführung in einem MR-Bild kann verzichtet werden. Diese Ausgestaltung benötigt nur einen bekannten Anfangspunkt, und folgende Positionen des Geräts im Körper können dann durch Addition der automatisch berechneten Positionsänderungen bestimmt werden. In anderen Worten wird anfänglich bestimmt, welche Größe oder Größenänderung des Gerätesignalanteils welcher tatsächlich im Körper zurückgelegten Strecke entspricht, und folgende Bewegungen können daraus abgeleitet werden. Diese Ausgestaltung umfasst, insbesondere bei dreidimensionaler Anordnung der MRT-Empfängerspulen, die Möglichkeit, die Bewegung oder Positionsänderung des Geräts im Körper in allen drei Raumrichtungen zu bestimmen.
Es ist eine alternative Ausgestaltung, dass die Messsignale oder der Gerätesignalanteil anhand mindestens eines heuristisch (z.B. durch Versuch und Irrtum und/oder durch Erfahrungswerte) bestimmten Parameters („Kalibrierungsfaktors“) kalibriert wird, beispielsweise analog zu der bekannten Navigator-Funktion zur Bildebenen („Slice“)-Anpassung. Mittels des Kalibrierungsfaktors kann einem einer Gerätebewegung entsprechenden Gerätesignalanteil bzw. Änderung davon eine zurückgelegte Strecke des Geräts in dem Körper zugeordnet werden. Da unterschiedliche Geräte eine unterschiedlich starke Modulation des PT-Antwortsignals erzeugen, kann der mindestens eine heuristisch bestimmten Kalibrierungsfaktor geräteabhängig sein. Es ist eine Weiterbildung, dass der mindestens eine Parameter bzw. Kalibrierungsfaktor für ein bestimmtes Gerät aus einer Datenbank abrufbar ist, in der für verschiedene Geräte entsprechende Kalibrierungsfaktoren o.ä. hinterlegt sind, die z.B. durch zuvor experimentell bestimmte Kalibrierungsschritte erzeugt worden sein können.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen eines MRT-Bilds mittels eines MRT-Systems unter Nutzung der in dem obigen Verfahren verwendeten MRT-Empfängerspulen, bei dem in dem MRT-Bild eine mittels des obigen Verfahrens bestimmte Position des in dem Körper befindlichen Gegenstands abgebildet ist.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen eines MRT-Bilds mittels eines MRT-Systems unter Nutzung der in dem obigen Verfahren verwendeten MRT-Empfängerspulen bei dem eine Position und/oder Ausrichtung einer Aufnahmebildebene dem in dem Körper befindlichen Gegenstand nachgeführt wird. So wird der Vorteil erreicht, dass die Bildebene, in der sich das in den Körper eingeführte Gerät befindet, für einen Bediener oder Operateur dargestellt wird, was eine Führung des Geräts und eine therapeutische Behandlung erleichtert.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein MRT-System mit mehreren örtlich verteilten MRT-Empfängerspulen und einem Pilotton-Generator sowie einer Datenverarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung von durch die MRT aufgenommen Messignalen - Empfängerspulen. Das MRT-System ist dazu eingerichtet, zumindest eines der oben beschriebenen Verfahren durchzuführen. Das MRT-System kann analog zu den Verfahren ausgebildet sein und ergibt die gleichen Vorteile. So kann das MRT-System beispielsweise mindestens einen MRT-Körperspule umfassen, welche mehreren örtlich verteilte MRT-Empfängerspulen umfasst.
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 den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.

1 zeigt eine Skizze eines MRT-Systems; und
2 zeigt einen möglichen Ablauf eines Verfahrens zum Feststellen einer Position eines in einen Körper eingeführten Gegenstands.

1 zeigt eine Skizze eines MRT-Systems 1, welches dazu eingerichtet ist, die oben beschriebenen Verfahren durchzuführen. Das MRT-System weist mindestens eine MRT-Körperspule 2 (hier z.B. in Form einer Körper- oder Rückgrat-Körperspule) auf, die mehrere matrixartig örtlich verteilte MRT-Empfängerspulen 3 aufweist. Die MRT-Körperspule 2 bzw. die MRT-Empfängerspulen 3 sind mit einer Datenverarbeitungseinrichtung 4 zur Verarbeitung von durch die MRT-Empfängerspulen aufgenommenen Messignalen verbunden. Das MRT-System 1 ist auf grundsätzlich bekannte Weise dazu ausgebildet, MRT-Aufnahmen eines von der MRT-Körperspule 2 umgebenen Bereichs eines Körpers K zu erzeugen.
Ferner ist ein Pilotton-Generator 5 vorhanden, welcher Teil des MRT-Systems 1 oder eine davon unabhängige Komponente sein kann. Der Pilotton-Generator 5 ist dazu ausgebildet und angeordnet, Funkfrequenzstrahlung („Pilotton“ PT) in den durch die MRT-Körperspule 2 umgebenen Bereich des Körpers K einzustrahlen, und zwar mit einer Frequenz, welche neben der durch das MRT-System verwendeten MRT-Pulsfrequenz liegt, die aber durch die MRT-Empfängerspulen 3 detektierbar ist. Die MRT-Empfängerspulen 3 empfangen ein durch innerhalb des Sichtbereichs der MRT-Empfängerspulen 3 vorhandene Gegenstände moduliertes Antwortsignal im Bereich der Pilotton-Frequenz. Solche Gegenstände umfassen den Körper K sowie, falls vorhanden, eine Hand eines Operateurs (o. Abb.) und Geräte zur therapeutischen Behandlung wie eine Sonde, eine Nadel, (o. Abb.) usw. Dadurch wird es ermöglicht, während eines therapeutischen Eingriffs sowohl MRT-Aufnahmen anzufertigen als auch eine Position des Geräts in oder an dem Körper „in situ“ festzustellen. MRT-Pulse und der Pilotton PT können insbesondere ohne gegenseitige Beeinflussung gleichzeitig in den Körper eingestrahlt werden, da sie einen ausreichenden Frequenzabstand zueinander aufweisen.
2 zeigt einen möglichen Ablauf eines Verfahrens zum Feststellen einer Position eines in einen Körper K eingeführten Gegenstands zur therapeutischen Behandlung.
In einem optionalen Schritt S1 („Normalisierungsschritt“) wird ein Pilotton PT in den Körper K eingestrahlt, ohne dass sich ein Gerät zur therapeutischen Behandlung im Sichtbereich der MRT-Empfängerspulen 3 befindet. Die dabei aufgenommenen Referenz-Messignale werden durch Signalzerlegung in Störanteile zerlegt, welche z.B. Atem- oder Herzbewegungen entsprechen. Die Referenz-Messignale bzw. daraus abgeleitete Daten (z.B. Signalgewichte und Mischungsmatrizen der Störanteile) werden in einer Datenbank gespeichert.
In einem Schritt S2 wird eine Kalibrierung vorgenommen. Dies kann durch Auswahl eines geeigneten heuristischen, z.B. geräte- und setup-spezifischen Kalibrierungsfaktors A (Schritt S2a) geschehen.
Alternativ kann eine Relation oder Korrelation zwischen Änderungen der vorteilhafterweise normalisierten Messsignale oder daraus abgeleiteter Daten bei einer Bewegung des Geräts innerhalb des Körpers K zwischen einer bekannten Anfangsposition und einer bekannten Endposition (Schritt S2b). Beispielsweise können durch die Bewegung bewirkte, bekannte Positionsänderungen Δx_kal, Δy_kal bzw. Δz_ kal entsprechenden Signalgewichten ΔSx_kal, ΔSy_kal, ΔSz_kal des aus den Messignalen berechneten Gerätesignalanteils zugeordnet werden. Die Signalgewichte ΔSx_kal, ΔSy_kal, ΔSz_kal können insbesondere Signalunterschieden in den durch Signalzerlegung der Signalzerlegung erhaltenen Signalverläufen, die das Gerät widerspiegeln, entsprechen.
Zur Bestimmung der bekannten Anfangsposition kann eine Triangulation des Geräts durch die MRT-Empfängerspulen 3 vorgenommen werden (Schritt S2c), speziell durch Einführung des Geräts durch eine Durchführungsöffnung durch eine der MRT-Empfängerspulen 3. Die bekannte Endposition kann beispielsweise anhand einer Identifizierung des Geräts in einem MR-Bild bestimmt werden oder durch Kenntnis des Bewegungspfads des Geräts. Alternativ können Anfangs- und Endposition in MR-Bildern bestimmt werden.
In einem folgenden Schritt S3 wird das Gerät, ausgehend von einer bekannten Anfangsposition, innerhalb des Körpers K bewegt, und es werden die - vorzugsweise normalisierten - Messsignale bzw. daraus abgeleitete Daten wie Signalgewichte eines Gerätesignalanteils usw. berechnet.
In einem Schritt S4 werden anhand der in Kalibrierungsschritt S2 bereitgestellten Kalibrierungsdaten die Messignaländerungen aus Schritt S3 kalibriert bzw. mit den in Kalibrierungsschritt S2 bereitgestellten Kalibrierungsdaten verglichen. Daraus wiederum lassen sich die im Körper zurückgelegten Strecken Δx, Δy bzw. Δz des Geräts gemäß $(\begin{matrix} Δ x \\ Δ y \\ Δ z \end{matrix}) = K \cdot (\begin{matrix} Δ S x \\ Δ S y \\ S Δ z \end{matrix}),$
mit K einer Kalibrierungsfaktormatrix und ΔSx, ΔSy, ΔSz den für die in Schritt S3 bestimmten Signalgewichten berechnen.
Ist die Kalibrierungsfaktormatrix K heuristisch bestimmt worden, entspricht für den einfachsten Fall K einem für alle Dimensionen gleichen skalaren Kalibrierungsfaktor A. Alternativ ist A für alle Dimensionen unterschiedlich, d.h., dass $A = (\begin{matrix} A x & 0 & 0 \\ 0 & A y & 0 \\ 0 & 0 & A z \end{matrix})$
mit Ax, Ay und Az den für die jeweiligen Raumrichtungen heuristisch bestimmten Kalibrierungsfaktoren gilt. Ist die raumdimensionale Unabhängigkeit nicht gegeben, kann eine heuristisch bestimmte Kalibrierungsfaktormatrix A herangezogen werden, welche auch Kreuzkomponenten enthält.
Ist hingegen während des Kalibrierungsschritts S2 eine tatsächliche Bewegung des Geräts in dem Körper ausgemessen worden, kann K die in Schritt S3 bestimmten Faktoren $K = (\begin{matrix} Δ x_kal / Δ S x_k a l & 0 & 0 \\ 0 & Δ y_kal / Δ S y_k a l & 0 \\ 0 & 0 & Δ z_kal / Δ S z_k a l \end{matrix})$
umfassen, falls angenommen wird, dass die drei Dimensionen unabhängig voneinander berechenbar sind. Falls nicht, kann auch hier eine Matrixbeziehung mit Kreuzkomponenten verwendet werden.
Die Endposition des Geräts ergibt sich in beiden Fällen durch Addition der Anfangsposition mit den zurückgelegten Strecken Δx, Δy bzw. Δz.
Allgemein können anstelle der Signalgewichte ΔSx, ΔSy und ΔSz analog die rücktransformierten Messignaländerungen des Geräts verwendet werden.
Allgemein kann man sich die neue Position des Geräts also vereinfacht so vorstellen: $X_end = K \cdot M + X_anf$
mit

X_end:: Endposition / neue Position des Geräts,
X_anf:: Anfangsposition des Geräts,
M:: PT-Messsignalveränderung während der Bewegung, insbesondere zwischen Anfangsposition und Endposition und
K:: Kalibrierungsfaktormatrix, welcher die PT-Messsignalveränderung M in eine Positionsveränderung übersetzt.

Wird die Positionsänderung beruhend auf Gerätesignalanteilen einer Signalzerlegung bestimmt, gilt wie oben beschrieben $M = Δ S = (\begin{matrix} Δ S x \\ Δ S y \\ Δ S z \end{matrix}) .$
Ansonsten kann M den Komponenten der Messignaländerungen als solchen entsprechen, wobei die Einträge der Kalibrierungsfaktormatrix entsprechend angepasst sind.
Die Positionsbestimmungen anhand der obigen Ausführungsbeispiele lassen sich beispielsweise dazu verwenden, eine Bildebene der MRT-Aufnahmen mit der Position des Geräts mitzuführen, so dass sich das Gerät und die zugehörige Körperumgebung durch einen Operateur „in situ“ betrachten lässt.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die gezeigten Ausführungsbeispiele 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.
Allgemein kann unter „ein“, „eine“ usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck „genau ein“ usw.
Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.

Claims

Verfahren (S1-S4) zum Feststellen einer Position eines in einen Körper (K) eingeführten Gegenstands, bei dem a) ein RF-Pilotton (PT) erzeugt und in den Körper (K) eingestrahlt wird, b) durch das Einstrahlen in den Körper (K) modulierte Antwortsignale mittels mehrerer außerhalb des Körpers (K) örtlich verteilt angeordneter MRT-Empfängerspulen (3) empfangen und in jeweilige Messsignale umgesetzt werden und c) aus den Messsignalen die Position des Gegenstands bestimmt wird.
Verfahren (S1-S4) nach Anspruch 1, bei dem MRT-Empfängerspulen (3) Komponenten mindestens einer MRT-Körperspule (2) sind.
Verfahren (S1-S4) nach Anspruch 2, bei mindestens eine MRT-Körperspule (3) mindestens eine Durchführungsöffnung zum Durchführen des Gegenstands aufweist.
Verfahren (S1-S4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem - die Schritte a) bis b) zunächst durchgeführt werden, ohne dass sich der Gegenstand in dem Körper befindet, um in Schritt b) jeweilige Referenz-Messignale zu erhalten (S1), und dann - die Schritte a) bis c) mit oder nach Einführen des Gegenstands in den Körper (K) mindestens einmal durchgeführt werden (S3-S4), wobei in Schritt c) die Position des Gegenstands aus normalisierten Messsignalen, die um die Referenz-Messignale bereinigten Messsignalen entsprechen, bestimmt wird (S4).
Verfahren (S1-S4) nach Anspruch 4, bei dem - die Schritte a) bis b) zunächst durchgeführt werden, ohne dass sich der Gegenstand in dem Körper befindet, anhand der Messsignale eine Signalzerlegung durchgeführt wird, um darin Signalanteile eines Körperrauschens zu identifizieren (S1), und dann - die Schritte a) bis c) mit oder nach Einführen des Gegenstands in den Körper mindestens einmal durchgeführt werden, wobei nach Schritt b) eine Signalzerlegung anhand der zugehörigen Messsignale durchgeführt wird (S3) und aus den erhaltenen Signalanteilen die zuvor identifizieren Signalanteile des Körperrauschens entfernt werden (S4).
Verfahren (S1-S4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Gerät ausgehend von einer bekannten Anfangsposition innerhalb des Körper (K) bewegt wird (S3), entsprechende Messignale während der Bewegung aufgenommen werden (S3), aus Änderungen der Messsignale eine durch das Gerät in dem Körper (K) zurückgelegte Strecke berechnet wird (S4) und aus der bekannten Anfangsposition und der berechneten Strecke eine Endposition des Geräts in dem Körper (K) bestimmt wird (S4).
Verfahren (S1-S4) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem eine anfängliche Einstich-Position des Geräts an dem Körper (K) aus einer Korrelation der Stärke der an den MRT-Empfängerspulen (3) erzeugten Änderung der Messsignale zu den jeweiligen Positionen der MRT-Empfängerspulen (3) bestimmt wird (S2a).
Verfahren (S1-S4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die bei einer Bewegung des Geräts innerhalb des Körpers (K) gemessenen Messignale anhand von Messignalen vorbekannter Bewegungen kalibriert werden (S4).
Verfahren (S1-S4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem - eine Änderung der Messsignale der MRT-Empfängerspulen (3) während einer Bewegung des Geräts in dem Körper (K) bestimmt wird (S2), - aus Änderungen dieser Messsignale durch Signalzerlegung ein die Bewegung des Geräts repräsentierender Gerätesignalanteil bestimmt wird (S2) und - der Gerätesignalanteil für folgende Bewegungen (S3) anhand eines aus der bekannten Bewegung durch Signalzerlegung bestimmten Gerätesignalanteils kalibriert wird (S4).
Verfahren (S1-S4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem - eine Änderung der Messsignale der MRT-Empfängerspulen (3) während einer Bewegung des Geräts in dem Körper (K) bestimmt wird (S2), - aus Änderungen dieser Messsignale durch Signalzerlegung ein die Bewegung des Geräts repräsentierender Gerätesignalanteil bestimmt wird (S2) und - der Gerätesignalanteil anhand mindestens eines heuristisch bestimmten Kalibrierungsfaktors (S2a) kalibriert wird (S4).
Verfahren (S1-S4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Gegenstand - eine Nadel, - ein Katheter, - ein Führungsdraht, - ein Lichtleiter und/oder - eine Sonde ist.
Verfahren zum Erzeugen eines MRT-Bilds mittels eines MRT-Systems unter Nutzung der in dem Verfahren (S1-S4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendeten MRT-Empfängerspulen (3), bei dem in dem MRT-Bild eine mittels des Verfahrens (S1-S4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche festgestellte Position des in dem Körper (K) befindlichen Gegenstands abgebildet ist.
Verfahren zum Erzeugen eines MRT-Bilds mittels eines MRT-Systems (1) unter Nutzung der in dem Verfahren (S1-S4) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 verwendeten MRT-Empfängerspulen (3), bei dem eine Position und/oder Ausrichtung einer Aufnahmebildebene des in dem Körper befindlichen Gegenstands automatisch nachgeführt wird.
MRT-System (1), aufweisend mehrere örtlich verteilte MRT-Empfängerspulen (3), einen Pilotton-Generator (5) sowie eine Datenverarbeitungseinrichtung (4) zur Verarbeitung von durch die MRT-Empfängerspulen (3) aufgenommenen Messignalen, wobei das MRT-System (1) dazu eingerichtet ist, das Verfahren (S1-S4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.