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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Echtzeitbestimmung
von Ortskoordinaten eines bestimmten Bildausschnittes oder Bildpunktes
eines 2D oder 3D Bilddatensatzes, aufgenommen zum Beispiel mit einem
MRT System, welche zur Steuerung von externen therapeutischen Geräten genutzt
werden können,
während
sich der Patient oder das zu untersuchende Objekt im MRT System
befindet. Dazu werden angepasste Marker auf Patienten und Objekten
eingesetzt, welche die Registrierung der aufgenommen Bilddaten mit
einem Bezugspunkt und damit die Ausgaben von Ortskoordinaten ermöglichen.
Die Marker können
passiv und aktiv ausgeführt werden
und können
im MRT System damit sowohl signalverstärkend, als auch signalreduzierend
wirken und durch geeignete Programme leicht detektiert werden. Die
Abstände
und unterschiedliche Anordnung und Größen der Marker erlauben eine
manuelle bzw. automatische Erkennung und damit die Bestimmung von
Referenzkoordinaten zum Beispiel zum Iso-Zentrum des MRT oder CT
Systems.
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Beschreibung – Stand
der Technik
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Die
bildgebende Diagnostik, zum Beispiel die Magnetresonanztomographie
(MRT), die Computertomographie (CT), die Positron Emissions Tomographie
(PET), die Ultraschalltechnologie (US), bzw. Kombination aus diesen
Verfahren unter möglicher zusätzlicher
Zuhilfenahme von radiographischen Verfahren (Röntgenaufnahmen) werden verstärkt auch
dazu benutzt die gewonnen Informationen sofort therapeutisch einzusetzen.
Beispiele dafür
sind die so genannten minimal-invasiven Verfahren, bei denen der
Patient nach erfolgter diagnostischer Bildgebung sofort behandelt
wird, ohne zusätzlichen
stationären
Aufenthalt. Verfahren zur Behandlung von Rückgratverletzungen, Tumorbehandlung
oder zur Entnahme von Gewebe (Biopsien) sind zwischenzeitlich im
klinischen Einsatz.
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Z.B.
kann es sein, dass ein auf dem Bild identifizierter Tumor mit Hilfe
der Bildgebung minimal-invasiv durch direkte Injektion von Pharmaka
behandelt werden soll (vielfältigste
andere Einsatzgebiete, einige davon sind die Behandlung und Manipulation
des Patienten mit Hilfe der erzielten Bildinformation durch Biopsien
mit oder ohne motorischen/mechanischen Manipulator, durch Laserablation,
durch endoskopische Verfahren, durch Ultraschallerhitzung, ...).
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Ein
zusätzlicher
Vorteil könnte
sich ergeben, wenn die therapeutischen Verfahren komplett unter ständiger diagnostischer
Kontrolle im MRT oder CT stattfinden könnten. Damit wäre der Operateur
ständig über den
Fortschritt des therapeutischen Einsatzes informiert.
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Zum
Beispiel wäre
es von Vorteil, wenn über die
Bilddaten eine bestimmte Position markiert werden könnte (z.B.
eine Einstichstelle an einem menschlichen Körper zur Durchführung einer
Biopsie), die dann von einem im MRT System befindlichen Laserpointer
mit Einstichstelle und Einstichwinkel angezeigt werden kann. Der
Patient müsste
nicht bewegt werden und die entsprechende Stelle könnte vom
Operateur sofort erkannt werden. Ein sofort durchgeführtes Verfahren
könnte
auch sofort im MRT kontrolliert werden.
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Die
vom MRT erzeugten Bilddaten beinhalten in der Regel Ortsinformation,
die aber mehr oder weniger kompliziert kodiert sind und für externe
Systeme nicht immer uneingeschränkt
zur Verfügung stehen.
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Zudem
ist der Mittelpunkt des dargestellten Bilddatensatzes nicht unbedingt
mit dem Mittelpunkt des Magnetsystems gleichzusetzen. Bei der Bildgebung
der Schulter zum Beispiel macht man eine so genannte Off-Center
Bildgebung, bei der der gesamte Datensatz um bis zu 30 cm in alle
drei Richtungen des Koordinatensystems versetzt werden kann. Diese
Off-Set Information steht wie schon erwähnt nicht immer zur Verfügung. Eine
Steuerung externer Systeme ist daher nur aufgrund des Bilddatensatzes nicht
oder nur sehr eingeschränkt
möglich.
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Gerade
im MRT gibt es aufgrund der sehr hohen Magnetfelder (gegenwärtig in
der Regel 1.5T–3.0T
= 30.000–60.000
faches Erdmagnetfeld) und der damit verbundenen Anziehungskräfte, sowie der
Störungen
der Bildgebung durch lokale und externe Magnetfelder größte Probleme
derartige Verfahren direkt im MRT durchzuführen.
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Aus
diesem Grund werden viele der oben beschriebenen Verfahren im MRT
nicht direkt im Magnet durchgeführt,
sondern außerhalb
des Systems. Der Patient muss dazu ständig hin- und her bewegt werden.
Dies hat zur Folge, dass sich die Position des Patienten möglicherweise
ständig ändert.
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Aus
der
DE 103 33 543
A1 ist ein Verfahren bekannt bei dem die Bilddaten entweder
vor oder nach Eingriffen, oder zwischen verschiedenen Verfahren,
zueinander registrieren werden. Dazu werden bestimmte Marker, künstliche
(aufgeklebte) oder natürliche
(z.B. bestimmte anatomische Bezugspunkte), verwendet, die dann zur
Positionsdarstellung von externen Systemen im Bezug zum Bilddatensatz
genutzt werden. Allerdings erfolgt dies nicht in direktem Zusammenhang
mit dem diagnostischen System. Von Nachteil ist, dass die Daten
nur zur Registrierung mit anderen Verfahren genutzt werden, die
zu einem späteren
Zeitpunkt zur Therapie führen oder
die für
eine „vorher"/„nachher" Betrachtung angewendet werden.
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Zudem
geht es in diesem Verfahren um die Registrierung von Bilddaten,
aber nicht um die Bestimmung von Ortskoordinaten zur Steuerung von externen
Systemen.
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In
der
DE 101 61 160
A1 ist ebenfalls ein Verfahren beschrieben, welches mit
Hilfe von künstlichen
oder externen Markern die Relativposition von externen medizinischen
Instrumenten zu einer Körperstruktur
aufzeigt und dabei auch und vor allem die Bewegungs- und Atemänderungen
berücksichtigt. Auch
bei diesem Verfahren werden die gewonnen Informationen nicht verwendet,
um einen Abgleich des Koordinatensystems und der geometrischen Position eines
bestimmten Bildpunktes mit einem Referenzpunkt im diagnostischen
System durchzuführen.
Zudem werden in diesem Verfahren die gewonnen Daten über externe
und außerhalb
des MRT Systems angebrachte Sensoren ermittelt. Auch in diesem Verfahren
muss der Patient also aus dem MRT System bewegt werden.
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Es
wäre also
vorteilhaft ein Referenzsystem zu schaffen, welches die Bestimmung
von Ortskoordinaten aus den Bilddaten z.B. eines MRT Bildes mit Hilfe
eines Markersystems erlaubt, ohne den Patient aus dem MRT System
zu bewegen, welches dann manuell oder bevorzugt automatisch und
in nahezu Echtzeit Ortskoordinaten an externe Manipulatoren oder
Anzeigesystem übertragen
kann, die anschließend
z.B. eine sichere Therapie im MRT erlauben.
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Beschreibung – Aufgabenstellung
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Entwicklung
eines Systems mit Hilfe eines Patientengrids zur Bestimmung von
Ortskoordinaten eines Bildpunktes im Bezug auf einen festen Referenzpunkt,
z.B. das geometrische Zentrum des MRT Magnetsystems.
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Die
Bilddaten, die über
eine X-Y-Z Koordinatensystem identifizierbar sind, müssen um
eine externe Steuerung zu ermöglichen,
mit dem Koordinatensystem eines externen Systems koregistriert werden.
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Beschreibung – Erfindung
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Effizient,
genau und sicher könnte
die Koregistrierung z.B. mit Hilfe eines Gridsystems sein, welches
auf dem Patienten angebracht wird (z.B. aufgeklebt) und welches
von der Bildgebungsoftware erkannt wird und nachfolgend als Referenzpunkt(e) verwendet
werden kann.
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Die
entsprechenden Registrierungspunkte können dabei für die Anwendung
im MRT sowohl passiv sein (z.B. gezielte Artefakte durch Metalle oder
durch Kontrastmittel) oder aktiv sein (kleinste Spulenelemente,
die durch die induzierten Ströme und
HF-Felder des MRT
stimuliert werden und dabei ein kleines lokales Magnetfeld erzeugen).
Im Fall der CT Anwendung würde
auch ein Material mit entsprechend hoher Röntgendichte (HU-Zahl) funktionieren.
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Dabei
sollten die Marker in einem bestimmten Grid angeordnet sein, welches
eine einfache Identifizierung durch automatische Programme ermöglicht und
die zudem gewisse geometrische Abhängigkeiten zueinander haben
(Winkel, Abstand, Markersequenz). Dabei kann das Grid z.B. wie in 1.
oder 2. dargestellt aussehen. In beiden Beispielen
werden unterschiedlich große
Marker (1) und (2) verwendet, die in einem bestimmten
Abstand zueinander stehen bzw. in bestimmten Winkeln zueinander
stehen bzw. eine bestimmte geometrische Anordnung abbilden bzw.
in einer bestimmten Reihenfolge (Markersequenz) zueinander stehen.
Diese Informationen sind bekannt und können von einem geeigneten Programm
verwendet werden, um die entsprechende Koregistrierung durchzuführen und damit
Ortskoordinaten zu einem Referenzpunkt zu erzeugen.
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Dabei
können
die Marker aus verschiedenen Materialien bestehen (z.B. Kontrastmitteldotierungen;
Metallen) und entweder passive Kontraste (positiv – Signalverstärkung oder
negativ – Signalreduktion)
durch entsprechende Materialien (z.B. MRT-Suszeptibiliätsartefakte;
CT-Metalle im Allgemeinen) erzeugen oder aktive ausgebildet sein
(z.B. Marker in Form von RF-Spulen, die durch externe Strominduktion
ein eigenes kleines Magnetfeld generieren, welches z.B. im MRT detektiert
werden kann bzw. im diagnostischen Bild erkennbar ist), oder aus anderen
detektierbaren Elementen bestehen (z.B. RFID).
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Die
Abmessung des Patientengrids, bei der die verschiedenen Marker (1)
und (2) auf einem Trägermaterial
(3) aufgebracht sind in der Regel bei einem Flächendurchmesser
bzw. Abmessung in X/Y bzw. Z/Y bzw. X/Z Richtung bzw. mit einem
Volumendurchmesser von 5 cm bis 70 cm.
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Die
Abstände
der Marker sind dabei in der Regel zwischen 0.1 cm und 5 cm.
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Das
Patientengrid kann dabei ausgeführt werden
in zwei (Flächenstück) – oder dreidimensionaler
(z.B. als Gürtelstück oder
Körperhülle) Form, die
auf den zu untersuchenden Patienten aufgelegt oder aufgeklebt wird,
oder aber mit mehreren Markern, auch in unterschiedlichen Größen und
Ausführungen,
die eine eindeutige Zuordnung zur geometrischen Lage des Patientengrids
im Verhältnis
zum Nullpunkt des diagnostischen Systems ermöglichen.
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Beschreibung – Zeichnungen
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1.
und 2. zeigen mögliche
Ausführungsformen
des Patientengrids. Möglich
ist neben den dargestellten 2-dimensionalen Ausführungen auch eine 3-dimensionale Variante
z.B. in Form eines Gürtels
oder einer Hülse.
Die Marker (1) und (2) können in unterschiedlichen Größen und
Ausführungen gefertigt
werden, die eine eindeutige Zuordnung zur geometrischen Lage des
Patientengrids im Verhältnis
zum Nullpunkt des diagnostischen Systems ermöglichen. Natürlich können mehr
als 2 verschiedene Marker Anwendung finden.
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3.
zeigt den Magnet eines MRT System (4), der in diesem Fall
mit Hilfe einer strombeaufschlagten Spule ein horizontales Magnetfeld
erzeugt, (vertikale Magnetfelder sind auch möglich) welches ein geometrisches
und magnetisches Zentrum besitzt, welches in der Regel mit dem geometrischen Mittelpunkt
der Röhre
(5) übereinstimmt.
Der Patient (7) wird zur Bildgebung in die Röhre (oder
eine andere Geometrie) geschoben. Das Patientengrid (6), welches
mit dem geometrischen Zentrum des Magnetsystems registriert wurde,
liegt auf dem Patienten.
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4 zeigt
den Ablauf der Bildgebung und die Problemstellung. Das zumindest
in der X/Y Ebene zentrierte Patientengrid (6) liegt auf
dem Patienten (7) im Magnetfeld. Das magnetische Zentrum
(8), das so genannte Isozentrum könnte z.B. der Referenzpunkt
und „0"-Punkt des Koordinatensystems
sein. Im MRT ist eine Bildgebung in allen drei Ebenen möglich und
auch in Winkeln zu den Ebenen. Beispielhaft dargestellt sind eine
axiale (9) und sagitale (10) Aufnahme, bei der
die Schichten in der Z bzw. Y Richtung aufgenommen werden. Zur Generierung, Rekonstruktion
und Darstellung wird die entsprechende Hardware und Software (11)
des MRT Systems eingesetzt. Die Marker (1) und (2),
die auf den beiden Schichtebenen dargestellt sind werden nun manuell
oder automatisch aufgenommen und mit Hilfe eines externen Computers
die entsprechenden Ortskoordinaten berechnet (im Bezug zu einem
Referenzpunkt) und nachfolgend an ein Steuergerät (12) geschickt.
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- 1
- Marker
Größe 1
- 2
- Marker
Größe 2
- 3
- Grid/Träger – auflegbar
oder aufklebbar
- 4
- CT/MRT/PET
System
- 5
- Untersuchungsröhre
- 6
- Aufgelegtes
Patientengrid
- 7
- Untersuchungsobjekt/Patient
- 8
- Isozentrum
des MRT/CT/PET Systems, d.h. die geometrische Mitte (X = 0, Y =
0, Z = 0) im X/Y/Z Koordinatensystem
- 9
- Schichtaufnahme
(Schnittbild) in X/Y-Richtung mit Schichtdicke in Z-Richtung
- 10
- Schichtaufnahme
(Schnittbild) in X/Z-Richtung mit Schichtdicke in Y-Richtung
- 11
- Hardware
und Computer zur Erzeugung/Bearbeitung von Bilddaten
- 12
- Hardware/Softwareempfänger von
X/Y/Z Koordinaten
- 13
- Eventuell
externer Rechner zur Bearbeitung der Bilddaten und Ausgabe der X/Y/Z
Koordinaten