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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kombinierten
Aufzeichnung dreidimensionaler, funktioneller und struktureller
anatomischer Bilddaten.
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Unter
funktionellen anatomischen Bilddaten sind Darstellungen von Organfunktionen,
wie beispielsweise Stoffwechselvorgänge, biochemische Reaktionen
oder dergleichen zu verstehen. Entsprechende Untersuchungen werden
vor allem in der Kardiologie, Neurologie und der Onkologie vorgenommen.
Dreidimensionale Bilddatensätze
erhält
man üblicherweise
mit tomographischen Aufnahmemethoden. Diese, auf sehr unterschiedlichen
physikalischen Vorgängen
beruhenden Tomographieverfahren werden im folgenden verallgemeinernd
als Funktionstomographie bezeichnet.
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In
der nuklearmedizinischen Diagnostik wird dem Patienten ein mit bestimmten,
instabilen Nukliden markiertes Stoffwechselpräparat injiziert, das sich organspezifisch
anreichert.
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Durch
den Nachweis der entsprechenden, aus dem Körper emittierten Zerfallsprodukte
des Präparats
erhält
man ein Abbild der räumlichen
Verteilung zugrundeliegender biochemischer Vorgänge. Die Stoffwechselpräparate enthalten
bevorzugt Gammaquanten- oder Positronenemitter.
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Die
Bilderzeugung erfolgt je nach Art des radioaktiven Zerfalls mit
unterschiedlichen Methoden. Bei Verwendung von Einzelphotonemittern,
d.h. Nukliden, die unter Emission eines einzelnen Gammaquants zerfallen,
wird beispielsweise das Schnittbildverfahren SPECT (Single Photon
Emission Computed Tomography) eingesetzt. Hierbei werden die Messköpfe einer
Gammakamera im allgemeinen auf einer Kreisbahn um den Patienten
bewegt. Die Aufnahme von Projektionen der Aktivitätsver teilung
auf der Messebene der Gammakamera erfolgt unter diskreten Aspektwinkeln.
Im allgemeinen wird eine Kamera mit einem großflächigen Messkopf verwendet, sodass
Projektionen von Volumina aufgenommen werden können.
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Zur
Bildgebung mit Positronenemittern, d.h. Nukliden die unter Emission
von Positronen zerfallen, werden sogenannte PET (Positronenemissionstomographen)
eingesetzt. Die Positronen werden indirekt über die, bei der Annihilation
in entgegengesetzter Richtung emittierten Gammaquanten nachgewiesen.
Diese zeitlich korrelierten Gammaemissionen werden von zwei gegenüberstehenden
Detektoren nachgewiesen. Zur räumlichen
Bildgebung werden viele Detektoren kreisförmig um den Patienten angeordnet.
Aus den gemessenen Werten entlang der Verbindungslinie zweier Detektoren
(LOR, line of response) kann somit die Aktivitätsverteilung im Untersuchungsgebiet
rekonstruiert werden.
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In
der jüngeren
Vergangenheit hat sich ein weiteres Spezialgebiet der Radiologie,
die Interventionsradiologie herausgebildet. Die hierbei eingesetzte funktionelle
Magnetresonanz (fMR) bildet statt der Morphologie eines Gewebes
Aktivitäten
ab, die in diesem Gewebe stattfinden. Eine Anwendung der fMR erfolgt
in der Regel im Bereich der Neurologie bzw. Neurochirurgie.
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Die
beschriebenen Verfahren ergeben eine räumliche Verteilung bestimmter
Organfunktionen, sogenannte funktionelle Daten. Sie liefern kaum
zusätzliche
strukturellen Daten, d.h. Bildinformationen über die Organe, in denen die
untersuchte Aktivität bzw.
der untersuchte Prozess stattfindet. Für eine verbesserte, zuverlässige Diagnostik
wie auch für eine
signifikante Verbesserung der Therapieplanung müssen jedoch funktionelle Daten
mit strukturellen Daten kombiniert werden.
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Gegenwärtig werden
die strukturellen Informationen meist getrennt von den funktionellen
auf unterschiedlichen Geräten gewonnen.
In der Praxis haben sich im wesentlichen zwei Ansätze zur
Verknüpfung
dieser getrennt erstellten Bilddatensätze herauskristallisiert. Im
einfachsten Fall obliegt es dem medizinischen Personal durch gedankliche
Anstrengung eine Vorstellung vom Zusammenhang der getrennt erstellten
Bilddatensätze
zu erreichen. Die Verlässlichkeit
dieser gedanklichen Korrelation der beiden Bilddatensätze wird
im wesentlichen von der Erfahrung des Diagnostikers und seiner momentanen
Konzentrationsfähigkeit
bestimmt.
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Um
eine gewisse Unabhängigkeit
von diesen individuellen Faktoren zu erhalten, werden im zweiten
Fall die getrennt registrierten Bilddatensätze in eine gemeinsame Darstellung
fusioniert, wobei die Einzelbilder sowohl überlagert wie auch nebeneinander
dargestellt werden können.
Nachteilig ist hierbei jedoch, dass der Patient zwischen den beiden
unterschiedlichen Geräten
umgelagert werden muss, womit i.A. mit einer deutlichen Lageveränderung
der Organe von der ersten zur zweiten Aufnahme zu rechnen ist.
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Ein
dritter Ansatz verwendet daher eine Kombinationsapparatur, beispielsweise
eine PET-CT-Kombination, in der die Bilddatensätze am identisch gelagerten
Patienten erstellt werden können.
Dies kann, wie in
US 6 490 476 vorgestellt, durch
eine geeignete, benachbarte Anordnung eines PET mit einem Computertomographen
in Verbindung mit einer speziell ausgebildeten Patientenliege erreicht
werden. Die Lage des Patienten in den beiden Untersuchungsgeräten lässt sich
so genau kontrollieren, dass die zeitlich getrennt aufgenommen Bilddatensätze räumlich zugeordnet
werden können.
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Einen
anderen Weg schlägt
die Patentschrift
US 6 449 331 ein.
Es wird ein Detektor verwendet, der sowohl Gammaquanten wie auch
Röntgenstrahlung
nachzuweisen in der Lage ist. Damit kann eine funktionelle und eine
strukturelle Aufnahme von einem bestimmten Untersuchungsgebiet am
Patienten erstellt wer den ohne den Patienten zwischen den Aufnahmen
bewegen zu müssen.
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Die
Kombination einer Funktionstomographie mit einer Positron-Emissionstomographie
(PET) bzw. mit einer SPEC-Tomographie
(SPECT) stellt einerseits ein sehr kostenintensives Bildgebungsverfahren
dar, andererseits ist – im
Gegensatz zur Computer-Tomographie (CT) – die Meßzeit insbesondere bei PET
bzw. SPECT relativ lang (im Minutenbereich). Damit ist einerseits
eine relativ hohe Strahlenbelastung des Patienten verbunden, zum
anderen ist eine Untersuchung des Patienten in unbequemer Haltung,
wie z.B. mit über
den Kopf gestreckten Armen, bei so langen Messzeiten nicht möglich. Somit kann
bei bestimmten Untersuchungen funktioneller Organstörungen keine
korrelierte Erfassung funktioneller und struktureller anatomischer
Bilddaten vorgenommen werden, da eine Haltungsänderung des Patienten von einer
Messung zur anderen stets zu einer Verschiebung der Organe führt und
damit ausscheidet.
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Die
Kombination einer Funktionstomographie mit einer konventionellen
Computer-Tomographie würde
zwar zu weitaus geringeren Meßzeiten führen (im
Sekundenbereich), ist jedoch ebenfalls kostenintensiv und zudem
hinsichtlich der Kombinierbarkeit sehr komplex.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum
räumlich
korrelierten Erstellen dreidimensionaler funktioneller und struktureller
anatomischer Bilddatensätze
anzugeben, die o.g. Nachteile des Stands der Technik vermeidet.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Vorrichtung mit Merkmalen gemäß dem unabhängigen Anspruch.
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Die
Vorrichtung besitzt eine Einrichtung zur Aufnahme tomographischer
Bilddatensätze
und eine Einrichtung zur Aufnahme radiographischer Projektionsbilder.
Das vom radiographi schen Projektionsbild erfasste erste Untersuchungsgebiet
schließt
hierbei das vom tomographischen Bilddatensatz erfasste zweite Untersuchungsgebiet
zumindest teilweise ein. Weiterhin ist eine Vielzahl von radiographischen
Projektionsbildern dergestalt erstellbar, dass aus diesen Projektionsbildern
eine dreidimensionale Rekonstruktion des ersten Untersuchungsgebiets
möglich
ist.
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Da
mit einer Einrichtung zur Aufnahme radiographischer Projektionsbilder
die für
eine dreidimensionale Rekonstruktion erforderlichen Projektionsbilder
in sehr kurzer Zeit, d.h. in weniger als einer Minute, aufgenommen
werden können,
ist es möglich
anatomische Strukturen aufzuzeichnen, ohne dass an den Patienten
oder seine Lagerung besondere Anforderungen zu stellen sind. Die
Kombination einer Einrichtung zur Aufnahme tomographischer Bilddatensätze mit
einer Einrichtung zum Erstellen radiographischer Projektionsbilder
in einem Gerät gestattet
hierbei eine Aufnahme eines Untersuchungsgebiets mit unterschiedlichen
Techniken aber fester räumlicher
Relation.
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Für die Untersuchung
biochemischer Vorgänge
wird die Einrichtung zur Aufnahme tomographischer Bilddatensätze zweckmäßig von
einem emissionstomographischen Aufnahmesystem gebildet. Vorteilhaft
kann, abhängig
von der diagnostischen Aufgabenstellung, dabei ein SPECT (Single Photon
Emission Computed Tomograph) oder ein Positronenemissionstomograph
als emissionstomographisches Aufnahmesystem verwendet werden.
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Für interventionelle
Eingriffe kann vorteilhaft ein Tomograph zur funktionellen Magnetresonanz
als Einrichtung zur Aufnahme tomographischer Bilddatensätze Verwendung
finden.
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Weiter
vorteilhaft kann die Einrichtung zur Aufnahme radiographischer Projektionsbilder
von einem C-Bogenröntgengerät gebildet
sein, sodass keine Entwicklungskosten für die Ausgestaltung der Verfahrmimik
der Röntgenprojektionseinrichtung erforderlich
sind. Ein C-Bogen stellt ein wesentlich einfacheres Bildgebungsgerät dar (im
Vergleich zu einem CT-Gerät)
und lässt
sich als solches auch leichter mit anderen bildgebenden Geräten kombinieren.
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Die
Einrichtung für
die Aufnahme radiographischer Projektionsbilder ist vorzugsweise
außerhalb
des Gehäuses
der Einrichtung für
die Aufnahme tomographischer Bilddatensätze, aber in fester räumlicher
Relation zu dieser angeordnet. Damit kann mit einfachen Mitteln
ein Kombinationsgerät
aus zwei vorhandenen Gerätetypen
erstellt werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist die Einrichtung für
die Aufnahme radiographischer Projektionsbilder zusammen mit der
für die Aufnahme
radiographischer Projektionsbilder in einem Gehäuse integriert, so dass sich
ein kompakt aufgebautes Kombinationsgerät ergibt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen
unter Zuhilfenahme der beiliegenden 1,
näher erläutert. Diese
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kombinationsgerät mit einem,
einem PET System vorgesetzten System zum erstellen radiographischer
Projektionsbilder aus unterschiedlichen Winkeln.
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In
der jüngsten
Vergangenheit wurde die Entwicklung von C-Bogen-Röntgensystemen
soweit vorangetrieben, dass nicht nur eine dreidimensional Rekonstruktion
hochkontrastiger Objekte, wie beispielsweise Knochen oder kontrastmittelgefüllte Gefäße möglich ist,
sondern auch dreidimensionale Darstellungen niederkontrastiger Objekte,
wie z.B. von Organen, aus den Projektionsaufnahmen ermittelt werden
können.
Dies ist im wesentlichen Verbesserungen an den verwendeten Flachbilddetektoren wie
auch der Auswertemethoden geschuldet. Damit können C-Bogen-Röntgensysteme
Strukturinformationen von Organen liefern.
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Um
einen Bilddatensatz für
eine dreidimensionale Darstellung eines Messobjekt zu erhalten, muss
vom Messobjekt eine Reihe von Projektionsbildern aus unterschiedlichen
Raumrichtungen aufgezeichnet werden. Die Aufzeichnungsphase ist
mit typischen Zeiten um 15 bis 20 Sekunden kurz. Dies ist vor allem
dadurch bedingt, dass nicht einzelne Schichten mit zeilenförmig angeordneten
Detektoren verwendet werden, sondern ein Flachbilddetektor, mit
dem ein komplettes Projektionsbild in einem Arbeitsgang aufgenommen
werden kann. Zwar ist die Bildqualität deutlich geringer als die
mit Computertomographen erreichbare, doch ist sie mehr als hinlänglich um
Strukturinformationen über
Organe bereitzustellen, an denen anatomisch funktionelle Messungen
vorgenommen werden.
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Bei
Einrichtungen zur Aufnahme radiographischer Projektionsbilder ist
ein Flachbilddetektor 2 gegenüber der Emissionsöffnung einer
Röntgenquelle 3 so
angeordnet, dass die Röntgenstrahlen
auf die röntgensensitive
Fläche
des Detektors 2 treffen. Der Patient bzw. das Untersuchungsobjekt
befindet sich bei den Aufnahmen zwischen Röntgenquelle 3 und Flachbilddetektor 2.
Er bzw. es wird durchleuchtet, womit sogenannte Röntgenabsorptionsverteilungen als
Projektionsbilder erhalten werden. Um genügend Daten für eine dreidimensionale
Rekonstruktion des Untersuchungsgegenstands zu erhalten rotiert
die Anordnung aus Flachbilddetektor 2 und Röntgenquelle 3 um
denselben. Dabei werden bis zu 200 Projektionsaufnahmen in äquidistanten
oder variablen Winkelinkrementen erstellt. Mithilfe einer, die Abbildungsgeometrie
beschreibenden Projektionsmatrix wird aus diesen Projektionsaufnahmen
ein Bilddatensatz mit einer dreidimensionalen Beschreibung des durchleuchteten
Gegenstands erstellt.
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Die
beschriebene Einrichtung zur Aufnahme radiographischer Projektionsbilder
ist daher geeignet, Informationen über die anatomischen Strukturen eines
Patienten in kürzester
Zeit zu erhalten. Eine entsprechende Messung muss nicht zeitgleich
mit der Messung funktioneller anatomischer Vorgänge vorgenommen werden. Üblicherweise
nehmen entsprechende Messungen mit einem SPECT-, PET-, oder MR-System
einige Minuten in Anspruch. Die radiographische Aufnahme zur Ermittlung
der anatomischen Strukturen dauert dagegen etwa eine Minute, stellt
also, wenn getrennt vorgenommen, keine signifikante Verlängerung
der Gesamtmesszeit dar. Eine zuverlässige Vermessung der anatomischen
Strukturen kann daher auch mit einer radiographischen Untersuchung
kurz vor bzw. nach der entsprechenden funktionellen Untersuchung
erhalten werden.
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Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kombinationsgerät 1.
Es besteht aus einem PET-System 4, vor dessen Gantry eine
Einheit aus einem Flachbilddetektor 2 und einer gegenüber angeordneten
Röntgenquelle 3 angebracht
sind. Die Einheit aus Flachbilddetektor 2 und Röntgenquelle 3 dreht
sich um eine gemeinsame Drehachse, die im wesentlichen mit der Symmetrieachse
des Gantrytunnels 5 zusammenfällt. Statt am Eingang des Gantrytunnels
eines PET-Systems 4 kann die Einheit aus Flachbilddetektor 2 und
Röntgenquelle 3 auch
am Eingang des Gantrytunnels eines SPECT- oder MR-Systems angebracht
sein.
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Zur
Untersuchung wird ein Patient auf der Patientenliege 6 gelagert.
Diese kann lagekontrolliert parallel zur Tunnelachse der Gantry 5 verfahren
werden. Das Untersuchungsgebiet des Patienten wird entweder vor
oder nach der funktionellen Tomographie in den Strahlengang der
radiographischen Einrichtung bestehend aus Flachbilddetektor 2 und Röntgenquelle 3 gebracht.
Zur Messung wird die radiographische Einrichtung in einem definierten
Winkelsegment um ihre Drehachse geschwenkt, während gleichzeitig in definierten
Winkelinkrementen radiographische Projektionsaufnahmen erstellt
werden. Das somit erfasste Messvolumen umfasst derzeit einen Kubus
von ca. 30 cm Kantenlänge,
sodass i.A. das gesamte Untersuchungsgebiet mit einer einzigen radiographischen
Aufnahmeserie er fasst wird. Durch Aufzeichnen des Verschiebewegs
der Patientenliege zwischen der radiographischen und der funktionstomographischen
Aufnahme wird eine räumliche
Zuordnung beider Bilddatensätze
erreicht. Dies trifft insbesondere zu, da der Patient nicht umgelagert
werden muss und die Verschiebezeit im Verhältnis zur Gesamtmesszeit kurz
genug ist, um Patientenbewegungen auszuschließen.
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Alternativ
zur Anordnung wie sie in 1 dargestellt
ist, kann ein C-Bogenröntgengerät fest vor
die Gantry eines Funktionstomographen, d.h. eines PET-, SPECT-,
oder MR-Systems montiert sein. Durch die feste Montage ist eine
feste räumliche
Relation zwischen dem radiographischen und dem funktionellen Messbereich
gegeben. Vorteilhaft kann mit dieser Lösung auf die Ausstattung des
Funktionstomographen mit einer eigenen Mechanik zur isozentrischen
Rotation der Einheit aus Flachbilddetektor 2 und Röntgenquelle 3 verzichtet
werden, wodurch sich besonders bei geringen Herstellungszahlen eine deutliche
Kostenersparnis erzielen lässt.
Wird die Verbindung zwischen C-Bogenröntgengerät und Funktionstomographen
lösbar
ausgestaltet, so können
bei Bedarf beide Geräte
unabhängig
voneinander eingesetzt werden. Damit können mit geringem Geräteeinsatz
eine Vielzahl diagnostischer Verfahren verfolgt werden.
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Es
ist jedoch auch möglich,
die radiographische mit der funktionstomographischen Einrichtung in
ein Gehäuse
zu integrieren. Diese Lösung
ist insbesondere bei emissionstomographischen Systemen und dann
vorzuziehen, wenn das Kombinationsgerät vorwiegend zur Untersuchung
von Organfunktionen mit gleichzeitiger Erfassung der anatomischen
Strukturen verwendet wird. Die Integration ermöglicht beide Detektorsysteme,
d.h. das Detektorsystem zur Aufzeichnung der Zerfallsprodukte und
den Flachbilddetektor benachbart zueinander anzuordnen. Damit muss
der Patient nur mehr eine kurze Strecke zwischen beiden Messungen
verfahren werden. Weiterhin ist es auch möglich die radiographische Einrichtung
gegenüber
ihrer Drehach se so zu verkippen, dass die Verbindungslinie zwischen
Flachbilddetektor 2 und Röntgenquelle 3 den
Messbereich des emissionstomographischen Detektors durchdringt. Dadurch
erübrigt
sich eine Verschiebung des Patienten zwischen beiden Messungen und
u.U. können beide
Messungen innerhalb der selben Zeitspanne erfolgen.
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Die
vorgeschlagenen Kombination einer Einrichtung zur Aufnahme tomographischer
Bilddatensätze
und einer Einrichtung zur Aufnahme radiographischer Projektionsbilder
in ein Gerät
gestattet vorteilhaft die multimodale Bildgebung zur Verbindung funktioneller
mit strukturellen anatomischen Informationen für die Diagnose, Therapieplanung
und Therapieunterstützung.
Aufgrund der gegenüber
CT-Kombinationsgeräten
wesentlich kürzeren
Messzeiten ist die Strahlen Belastung wie die emotionale Belastung des
Patienten wesentlich reduziert. Zudem kann ein erfindungsgemäßes System
wesentlich kostengünstiger
hergestellt werden als ein vergleichbares CT-Kombinationsgerät.