EP2521925A1

EP2521925A1 - Kameragestütze bewegungsdetektion zur bewegungskompensation in echtzeit in der bildgebenden manetischen resonanz

Info

Publication number: EP2521925A1
Application number: EP10790572A
Authority: EP
Inventors: Thomas Siegert; Jessica Schulz; Robert Turner; Enrico Reimer
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 2010-01-04
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2012-11-14
Also published as: US20120320178A1; DE102010018899A1; DE102010018899B4; WO2011080091A1; US9194929B2

Abstract

Ein Verfahren zur Kompensierung von Bewegungen eines Patienten bei MRT -Messungen in Echtzeit, sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung, wobei das Verfahren die folgende Schritte umfasst: optisches Erfassen eines mit einem Patienten (3) verbundenen Markierungselementes (5) durch ein Bildsensormodul (7) einer im Inneren eines MRT-Gerätes positionierten MRT-kompatiblen Kamera (2), Übertragen der von dem Bildsensormodul (7) ermittelten Bilddaten an ein in der MRT-kompatiblen Kamera (2) integriertes Mikrokontrollermodul (11), Berechnen von Positionsdaten des Markierungselementes (5) in dem Mikrokontrollermodul (11) und Weitergeben der Positionsdaten an eine externe Auswerteeinheit oder das MRT-Gerät in Echtzeit.

Description

KAMERAGESTÜT E BEWEGUNGSDETEKTION ZUR BEWEGUNGSKOMPENSATION IN ECHTZEIT IN DER BILDGEBENDEN MANETISCHEN RESONANZ

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompensierung von Bewegungen eines Patienten bei MRT-Messungen in Echtzeit, wobei die Vorrichtung mindestens eine MRT-kompatible Kamera, mindestens eine Auswerteeinheit und mindestens eine Verbin- dung zum Datenaustausch mit dem MRT-Gerät umfasst. Andererseits betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kompensierung von Bewegungen eines Patienten bei MRT-Messungen in Echtzeit, das mindestens die Schritte optisches Erfassen eines mit einem Patienten verbundenen Markierungselementes durch ein Bildsensormodul einer im Inneren eines MRT- Gerätes positionierten MRT-kompatiblen Kamera, Übertragen der von dem Bildsensormodul ermittelten Bilddaten an einen in der MRT-kompatiblen Kamera integrierten Mikrokontroller, Berechnen von Positionsdaten des Markierungselementes durch den Mikrokontroller und Weitergeben der Positionsdaten an eine externe Auswerteeinheit oder das MRT-Gerät in Echtzeit umfasst. Die Problematik der Entstehung von Artefakten durch die Bewegung des Patienten während MRT-Messungen ist seit längerem bekannt. Es sind daher auch schon einige Versuche unternommen worden, diese Bewegungsartefakte zu minimieren oder die ermittelten Daten durch die simultane Aufzeichnung der Bewegung der Patienten und entsprechender Korrektur der MRT-Daten bzw. Anpassung der Messparameter zu bereinigen. Besonders proble- matisch bezüglich der Bewegungsartefakte sind MRT des Kopfes, da er eine hohe Zahl an Bewegungsfreiheitsgraden aufweist und somit softwaregestützte Korrekturen der Bewegung schwierig sind. Hierfür ist eine äußerst genaue Erfassung der Bewegungen notwendig. Schon in der Vergangenheit sind daher Versuche unternommen worden, Artefakte zu vermeiden oder zu korrigieren, die während MRT-Messungen durch Bewegung des Patienten entstehen. So ist z.B. in US 2005/0283068 ein System offenbart, dass es zum einen ermöglicht, mit dem Patienten zu kommunizieren. Dadurch soll es möglich sein, den Patienten während der Aufnahme in der beengten und unbekannten Situation zu beruhigen und über den Fortschritt der Messung zu informieren, um dadurch seine Bewegungen zu minimieren. Desweiteren wird durch eine externe Kamera und eine auf dem Kopf des Patienten befindliche Vorrich- tung die Bewegung des Kopfes aufgezeichnet und das erhaltene MR-Tomogramm entsprechend diesen Bewegungen korrigiert. Besonders bei Kindern soll so eine Steigerung der verwertbaren Aufnahmen von etwa 20% auf über 90% erreicht werden.

Im Jahr 2006 wurde von Zaitsev et at. (Zaitsev, M. et at.,„Magnetic resonance imaging of freely moving objects: Prospective real-time motion correction using an external optical motion tracking system", Neurolmage 31 (2006) 1038 - 1050) eine Methode vorgestellt, die eine Korrektur von Bewegungen eines Körpers während einer MRT-Messung durch die Aufzeichnung der Bewegung und Anpassung der Messparameter ermöglichen soll. Dazu wird am Gebiss des Patienten ein Gestell fixiert, auf dem vier reflektierende Marker angeordnet sind. Die Bewegung dieser Marker wird von zwei außerhalb des MR-Tomographen (MRT) befindlichen IR-Kameras detektiert. In Kombination mit einer neuen Kalibrierungstechnik ist eine weitgehende Vermeidung von Bewegungsartefakten möglich.

Um die Auflösung der Bewegungsaufzeichnung zu erhöhen, wurde der Abstand der Kame- ras, die die Patientenbewegung aufzeichnen, reduziert. US 2009/0209846 offenbart ein System zur Aufzeichnung und Korrektur der Patientenbewegungen bei dem eine oder zwei IR- Kameras näher am Patienten, nämlich auf der MRT-Spule angebracht sind. Dazu müssen die Kameras MR-kompatibel sein. D.h. sie dürfen das magnetische Wechselfeld nicht beeinflussen und auch selbst durch das Magnetfeld nicht beeinflusst werden. Die Kameras sind dabei zwischen den einzelnen Segmenten der MRT-Spule angeordnet und senden Videosignale an ein sich außerhalb des Tomographen befindliches Rechnersystem, das Bewegungen des Patienten direkt oder über die Bewegung von auf dem Patienten befestigten Markern detektieren kann. Mit einem ähnlichen System (L. Qin et al. MRM 2009; 62(4):924-934), bei dem die Kameras in der Bohrung positioniert sind, die Videosignale jedoch ebenfalls außerhalb der Bohrung verarbeitet werden, konnte eine Trackinggeschwindigkeit von nur 10 Hz erreicht werden, so dass es ausschließlich zur Korrektur sehr langsamer Bewegungen geeignet ist.

Der Einsatz von höher auflösenden MR-Tomographen (MRT-Geräten) mit zurzeit verwendeten Feldstärken von 7 Tesla und sogar mehr stellt neue Ansprüche an die Detektion von Bewegungen des Patienten und Anpassung der Messung darauf. Patientenbewegungen müssen nicht nur genauer und schneller identifiziert und aufgezeichnet werden als bisher, son- dem auch schnell und effizient an entsprechende Computer übertragen werden, die die Korrektur des MR-Tomogramms oder die Anpassung der Messbedingungen auf Basis der ermittelten Bewegungsdaten durchführen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren bereit zu stellen, das Bewegungen des Patienten genauer und schneller identifiziert und aufzeichnet.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kompensierung von Bewegungen eines Patienten oder eines anderen beliebigen bewegli- chen zu untersuchenden Objektes bei MRT-Messungen in Echtzeit bereit, die diese Aufgabe erfindungsgemäß entsprechend den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 1 1 löst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kompensierung von Bewegungen eines Patienten bei MRT-Messungen in Echtzeit, wobei die Vorrichtung mindestens eine MRT-kompatible Kamera, mindestens eine Auswerteeinheit und mindestens eine Verbindung zum Datenaustausch mit einem MRT-Gerät umfasst, zeichnet sich dadurch aus, dass die MRT-kompatible Kamera mindestens ein Bildsensormodul zur Aufnahme von Bilddaten, aus denen die Bewegung des Patienten berechnet werden kann, mindestens ein Schnittstellenmodul zur Übertragung der Bilddaten und/oder aus den Bilddaten errechneten Positionsdaten und mindes- tens ein Mikrokontrollermodul zur Errechnung der Positionsdaten aus den Bilddaten umfasst. Durch eine Ausführung der Kameras mit integrierter Bildverarbeitung ist es möglich, mindestens einen Teil der Bildverarbeitung bereits in der Kamera vorzunehmen. Besonders hervorzuheben ist der in der MRT-kompatiblen Kamera integrierte Mikrokontroller, der direkt in der Kamera die erhaltenen Bilddaten auswertet und die neue Position der Markierungselemente oder deren Positionsänderung ermittelt. Damit wird erreicht, dass nicht wie nach dem Stand der Technik das gesamte Bild von der Kamera zu einer externen Auswerteeinheit übertragen werden muss, sondern die Datenmenge auf die Positionsdaten, bzw. die Daten der Positionsänderung reduziert werden kann. Damit sind deutlich geringere Datenmengen notwendig, was wiederum ermöglicht, die Übertragungsgeschwindigkeit und damit auch die Bildwiederholfrequenz deutlich zu steigern. Die Ausführung von Bildsensormodul, Schnittstellenmodul und Mikrokontrollermodul als separate Bauelemente hat sich als günstig erwiesen, um einzelne Module schnelle austauschen und das System somit auf geänderte Anforderungen anpassen zu können. Es ist jedoch ebenso möglich, mehrere Module gemeinsam auf einer Platine anzuordnen, was evtl. eine kompaktere Bauform ermöglicht.

Als MRT-kompatible Kameras (Tracking- Kameras) kommen Kameras in Frage, die bei unterschiedlichen Strahlungsfrequenzen betrieben werden. Als geeignet haben sich beispielsweise Kameras herausgestellt, die im lnfrarot-(IR)-Bereich arbeiten. Sie senden IR-Strahlung aus, die von den Markierungselementen (Markern) reflektiert und anschließend von der Kamera detektiert werden. Zusätzlich ist vorzugsweise jede der Kameras zusätzlich in der Lage, ein Videosignal zu liefern. Dies kann ebenfalls im IR-Spektrum oder auch im sichtbaren Bereich liegen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform zeichnet sich die Vorrichtung dadurch aus, dass mehrere MRT-kompatible Kameras im Inneren eines MRTs, bevorzugt direkt an einer Kopfspule des MRT-Gerätes, angeordnet sind. Durch diese Anordnung ist es möglich, den Abstand zwischen dem Patienten und den Kameras zu verringern, was zu einer deutlichen Steigerung der Genauigkeit bei der Ermittlung von Positionsdaten führt. Die Abstände zwi- sehen der Kamera und dem jeweiligen zu detektierenden Objekt liegt üblicherweise bei weniger als 50 cm. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung kann durch eine weitere Reduzierung der Distanz zwischen Objekt und Kamera weiter verbessert werden. Als besonders günstig haben sich Distanzen von weniger als 30 cm, weniger als 10 cm oder sogar weniger als 7 cm erwiesen. Je nach verwendetem Kameraobjektiv und dessen Brennweite ist so ein ausreichend großer Bewegungsraum erfasst und gleichzeitig eine große Genauigkeit der Positionsbestimmung möglich.

Um den Abstand zwischen der MRT-kompatiblen Kamera und dem zu detektierenden Objekt weiter zu verringern, ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung vor- gesehen, dass mindestens ein Markierungselement direkt mit dem Patienten oder über ein Gestell von dem Patienten beabstandet mit diesem verbunden ist und mindestens eines der Markierungselemente weniger als 30 cm von einer der MRT-kompatiblen Kameras beabstandet ist. Diese Ausführungsform mit der Verwendung von Markierungselementen dient einerseits dazu, die Detektion der Bewegung zu vereinfachen. So können beispielsweise Markierungen verwendet werden, die durch die jeweils verwendeten MRT-kompatiblen Kameras besonders einfach zu detektieren sind. Beispielsweise können die Markierungen bestimmte Farben aufweisen, die sich signifikant von allen anderen Farben im Beobachtungsraum unterscheiden. Möglich sind auch andere Kombinationen von

Markereigenschaften und dazu kompatiblen MRT-kompatiblen Kameras, die eine sehr genaue Ortsbestimmung des Markierungselementes zulassen. Auch nicht optisch arbeitende Systeme sind diesbezüglich denkbar. Als besonders geeignet haben sich Kombinationen erwiesen, die im lnfrarot-(IR)-Bereich arbeiten. Die dafür geeigneten Markierungselemente sind aus nicht magnetischen Materialien, welche die Messung des MR-Tomogramms nicht oder nicht maßgeblich negativ beeinflussen. Dementsprechend werden Kameras verwendet, die ebenfalls im IR-Bereich arbeiten.

Die beschriebene Verwendung von miteinander kompatiblen Markierungselementen und MRT-kompatiblen Kameras gewährleistet in einer besonderen Ausführungsform, dass das mindestens eine Markierungselement von dem Bildsensormodul der mindestens einen MRT- kompatiblen Kamera detektierbar ist und die Position des Markierungselementes durch das Mikrokontrollermodul der mindestens einen MRT-kompatiblen Kamera aus den erhaltenen Bilddaten berechenbar ist. Im Idealfall ist es durch die Wahl einer günstigen Kombination aus Markierungselement und MRT-kompatiblen Kamera und die Beobachtung eines genau defi- nierten Strahlungsspektrums möglich, ein sehr kontrastreiches Bild zu erhalten. Optional können zur Kontrastverbesserung auch Filter eingesetzt werden, die störende Frequenzen außerhalb des gewählten Strahlungsspektrums herausfiltern. Das erhaltene Bild kann der in die Kamera integrierte Mikrokontroller auswerten und die Position des Markierungselements relativ zu der Kamera ermitteln.

Um die Auswertung durch die Kameras zu erleichtern und gleichzeitig auch die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu erhöhen, ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung vorgesehen, dass die Vorrichtung die gleiche Anzahl an Markierungselementen wie MRT-kompatible Kameras aufweist und jeder der MRT-kompatiblen Kameras genau ein Markierungselement zugeordnet ist, das sich in einem optischen Erfassungsbereich des Bildsensormoduls der MRT-kompatiblen Kamera befindet. Dadurch wird einerseits erreicht, dass jede Kamera nur mit der Berechnung der Positionsdaten eines Markierungselementes beschäftigt ist und dies somit schnellstmöglich erfolgen kann. Andererseits können dadurch, dass jeweils nur genau ein Markierungselement im optischen Erfassungsbereich der jeweiligen MRT-kompatiblen Kamera positioniert ist, Störungen und fehlerhafte Berechnungen durch Verwechselung der untereinander nicht unterscheidbaren Markierungselemente vermieden werden. In einer besonders bevorzugen Ausführungsform der Vorrichtung umfassen die von dem Mikrokontrollermodul berechneten Positionsdaten weniger als 100 Bytes/Bild. Damit wird trotz einer großen Auflösung des von der Bildsensoreinheit ermittelten Bildes eine sehr geringe Datenmenge realisiert, die eine schnelle Datenübertragung zur externen Auswerteeinheit oder dem MRT-Gerät zulässt. Prinzipiell sind auch noch deutlich niedrigere Datenmen- gen möglich. So können die Positionsdaten sogar auf 5 Bytes/Bild oder weniger reduziert werden, wenn lediglich die Minimal- und Maximalwerte der Ausdehnung des Markierungselementes in zwei Dimensionen in dem von dem Bildsensormodul ermittelten Abbild bestimmt werden. Weitere Daten können optional dem Positionsdatensatz zugefügt werden. Beispielsweise zum eindeutigen Identifizieren der sendenden Kamera.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung liegt die Genauigkeit der von dem Mikrokontrollermodul berechneten Positionsdaten im Sub-Pixel-Bereich. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen besteht darin, nicht nur die Punkte des von dem Bildsensormodul aufgenommenen Abbildes des Markierungselementes zu ermitteln, die die maxi- male Ausdehnung des Markierungselementes darstellen, sondern einen großen Abschnitt des das Markierungselement auf den jeweiligen Seiten begrenzenden Randbereiches in die Positionsberechnung einzubeziehen. Durch die Betrachtung eines größeren Randbereiches können die Dimensionen des Markierungselementes wesentlich genauer bestimmt werden und Positionsdaten für die Punkte, die die maximale Ausdehnung in der jeweiligen Richtung darstellen, berechnet werden, welche im Sub-Pixel-Bereich liegen.

Weiterhin zeichnet sich die Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform dadurch aus, dass die Übertragungsrate der von dem Mikrokontrollermodul berechneten Positionsdaten größer als 30 Hz besonders bevorzugt mindestens 60 Hz (ohne Berücksichtigung des Triggersignals (siehe unten)) ist. Eine entsprechend hohe Übertragungsrate der Markerpositionswerte ist mit innerhalb der Bohrung positionierten Vorrichtungen zur Erfassung von Patientenbewegung während MRT-Messungen in der gewünschten Bildqualität nach dem Stand der Technik nicht möglich. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Übertragungsrate von über 30 Hz besonders bevorzugt von mindestens 60 Hz (ohne Berücksichtigung des Triggersignals) durch die mit der Positionsberechnung aus den Bilddaten direkt in der Kamera und die damit verbundene enorme Reduktion der zu übertragenden Datenmenge ermöglicht. Diese Datenreduktion erlaubt weiterhin die Nutzung von relativ einfachen und dünnen Kabeln. Je nach Umfang der Datenreduktion sind ebenfalls weitaus hö- here Datenraten möglich. Üblicherweise werden Datenraten von 60 Hz oder mehr verwendet. Die Auflösung des Bildsensormoduls beeinträchtigt die Übertragungsrate dabei nicht oder nur marginal, da keine hochauflösenden Bilddaten sondern von dem Mikrokontroller berechnete Positionsdaten übertragen werden. Eine höhere Auflösung erlaubt daher zwar eine genauere Positionsberechnung, reduziert die Übertragungsrate vom

Mikrokontrollermodul zum MRT-Gerät oder einer externen Auswerteeinheit jedoch nicht signifikant.

Da auch einfachere Datenverbindungen und Stecker eine schnelle Übertragung auf die Positionsdaten reduzierten Daten ermöglichen, ist eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrich- tung dadurch gekennzeichnet, dass jede der MRT-kompatiblen Kameras einen seriellen

Schnittstellenanschluss zum Anschließen einer Anschlussleitung für die Übertragung der von dem Mikrokontrollermodul berechneten Positionsdaten an eine externe Auswerteeinheit oder ein MRT-Gerät aufweist. Bei dem verwendeten seriellen Schnittstellenanschluss kann es sich beispielsweise um eine EIA-RS-232-Schnittstelle oder auch um jede andere moderne serielle Schnittstelle wie Ethernet, Firewire, USB, RS-485, CAN-Bus oder andere handeln. Prinzipiell sind auch kabellose Datenübertragungen wie WLAN und Bluetooth möglich. Diese werden jedoch aufgrund der Beeinflussung des Magnetfeldes und damit der Störung der MRT-Messung nicht bevorzugt. Bei den verwendeten Übertragungskabeln handelt es sich zur Vermeidung einer negativen Beeinflussung der MRT-Messung um abgeschirmte Kabel.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung weist jede der MRT-kompatiblen Kameras einen Trigger-Ein-/Ausgang zur Synchronisation mit dem MRT- Gerät auf. Zur Optimierung des Echtzeitverhaltens des Tracking-Systems ist es erforderlich, die Delay-Zeiten zwischen dem Erkennen einer Bewegung und dem Anpassen der Gradien- ten zu reduzieren. Dies macht ein optimales Timing und eine Synchronisation der Systeme untereinander erforderlich.

Für die Synchronisation des Tracking-Systems mit dem MRT wird ein Trigger-Signal in einer Sequenz des MRTs erzeugt. Dieses Trigger-Signal wird von dem Tracking-System erfasst und ausgewertet, um beispielsweise die Bildwiederholungsrate des Bildsensors an die Repe- titionszeit des MRTs anzupassen. Des Weiteren können durch die Verwendung eines CMOS Bildsensors zu erfassende Bildausschnitte (ROI) definiert werden, was in Kombination mit dem Trigger-Signal zu Verringerungen der Delay-Zeiten beiträgt und somit das Echtzeitver- halten wesentlich verbessert. Durch das Synchronisieren werden die Positionsdaten mit der Repetitionsrate des MRTs zur Verfügung gestellt, die unterhalb von 60 Hz liegen kann.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Kompensierung von Bewegungen eines Patienten bei MRT-Messungen in Echtzeit, welches mindestens die Schritte optisches Erfassen eines mit einem Patienten verbundenen Markierungselementes durch ein Bildsensormodul einer im Inneren eines MRT-Gerätes positionierten MRT- kompatiblen Kamera, Übertragen der von dem Bildsensormodul ermittelten Bilddaten an ein in der MRT-kompatiblen Kamera integrierten Mikrokontrollermodul, Berechnen von Positionsdaten des Markierungselementes durch das Mikrokontrollermodul und Weitergeben der Positionsdaten an eine externe Auswerteeinheit oder das MRT-Gerät in Echtzeit umfasst.

Durch dieses Verfahren ist es möglich, durch das optische Erfassen eines mit einem Patienten verbundenen Markierungselementes durch ein Bildsensormodul zunächst ein Abbild dieses Markierungselementes zu erzeugen. Die erhaltenen Bilddaten der im Inneren eines MRT-Gerätes positionierten MRT-kompatiblen Kamera werden intern an ein in der MRT- kompatiblen Kamera integriertes Mikrokontrollermodul weitergeleitet, das aus diesen Daten in Echtzeit die Positionsdaten des Markierungselementes errechnet. Anschließend erfolgt ebenfalls in Echtzeit das Weitergeben der Positionsdaten an eine externe Auswerteeinheit oder das MRT-Gerät. Somit kann im MRT-Gerät umgehend auf die Bewegungen des Patien- ten reagiert werden und die Messung entsprechend der Patientenbewegung angepasst werden. Ebenso könnten die ermittelten Positionsdaten auch bei der Zusammensetzung der einzelnen im MRT-Gerät ermittelten Schichtbilder genutzt werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die von dem Bildsensor ermittelten Bilddaten direkt in einem parallelen Prozess in einem Speicher, beispielsweise SDRAM, abgelegt. Dieses Verfahren hat sich als besonders geeignet erwiesen, da durch die Übertragung der Bilddaten in einem parallelen Prozess direkt in den Speicher eine besonders hohe Geschwindigkeit erreicht werden kann. Schnelle SDRAM sind dabei vorteilhaft. Es sind jedoch auch andere Speicher möglich.

Das Verfahren ist in einer weiteren besonderen Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Mikrokontrollermodul errechneten Positionsdaten an das Schnittstellen- modul übertragen werden und von dort an eine externe Auswerteeinheit oder ein MRT-Gerät weitergeleitet werden. Das Schnittstellenmodul weist dabei die Verbindung zu der externen Auswerteeinheit oder einem MRT-Gerät auf. Die von dem Mikrokontrollermodul errechneten Positionsdaten werden an das Schnittstellenmodul weitergegeben und dort evtl. für die Übertragung und/oder die Weitergabe an externe Geräte aufbereitet. Die Übertragung erfolgt dann vom Schnittstellenmodul aus.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Weitergabe der Positionsdaten von der MRT-kompatiblen Kamera an eine externe Auswerteeinheit oder ein MRT-Gerät mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von mindestens 30 Hz. Da- bei sind auch deutlich höhere Übertragungsraten wie z. B. 60 Hz oder mehr möglich. Durch die erfolgte Reduzierung der Bilddaten auf die Positionsdaten ist jedoch die Datenübertragung an die externe Auswerteeinheit oder das MRT-Gerät nicht der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Bei den üblicherweise verwendeten Datenmengen von weniger als 10 Byte/Bild stellt bis zu sehr hohen Übertragungsraten die Leistung des Mikrokontrollers und die von diesem durchgeführte Berechnung der Positionsdaten aus den Bilddaten den geschwindigkeitsbestimmende Schritt dar. Ein beispielsweise eingesetztes

Mikrokontrollermodul vom Typ Modul TNY-A9G20-XXX mit Mikrokontroller ATMEL

AT91 SAM9G20 stellt jedoch bereits genügend Rechenleistung zur Verfügung, um auch aus Bilddaten mit einer höheren Auflösung als 640x480 Bildpunkten die Positionsdaten so schnell berechnen zu können, dass Übertragungsraten von z. B. 60 Hz oder sogar mehr möglich sind.

Vor und gelegentlich auch während der MRT-Messungen ist es wichtig, den Patienten beobachten zu können, um sein Befinden zu kontrollieren und zu überprüfen, ob er sich in einer für die Messung geeigneten Position befindet. Daher ist ein bevorzugtes Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass vor der MRT-Messung und bei Bedarf auch während der Messung zeitweise eine Übertragung eines zusätzlichen, auf den Bilddaten basierenden Videosignals von den MRT-kompatiblen Kameras an eine Kontrolleinheit stattfindet. Dabei wird das vom Bildsensormodul aufgenommene Abbild nicht ausschließlich an das Mikrokontrollermodul zur Ermittlung der Positionsdaten weitergegeben, sondern auch oder sogar ausschließlich über das Schnittstellenmodul an externe Geräte weitergeleitet. Auf diesen Geräten können die erhaltenen Bilddaten dargestellt und ausgewertet werden. So kann beispielsweise bewertet werden, ob der Patient in einer günstigen Position zu dem Trackingsystem liegt. Außerdem ist es möglich, Seine Bewegung und Reaktionen z.B. auf Anweisungen zu verfolgen. Damit ist es in einem gewissen Rahmen möglich, auf den Zustand des Patienten und beispielsweise seine Ängste in der engen Röhre des MRT-Gerätes zu reagieren. Des Weiteren kann das Videosignal zur Justierung der optischen Geräte und z.B. zur Korrektur der Linsenverzeichnung verwendet werden.

Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung anliegender Zeichnung erläutert, in welcher beispielhaft erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kompensierung von Bewegungen eines Patienten bei MRT- Messungen in Echtzeit dargestellt sind. Bauteile der Vorrichtung zur Kompensierung von Bewegungen eines Patienten bei MRT-Messungen in Echtzeit, welche in den Figuren wenigstens im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Funktion übereinstimmen, können hierbei mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sein, wobei diese Bauteile nicht in allen Figuren beziffert und erläutert sein müssen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung einer Kopfspule mit daran angeordneten MRT-kompatiblen Kameras; Fig. 2 eine schematische Darstellung eines von einem Bildsensormodul aufgezeichneten

Abbildes eines Markierungselementes mit einer Kennzeichnung des für die Ermittlung der Positionsdaten relevanten Randbereiches; eine schematische Darstellung der Aufzeichnung einer MRT-kompatiblen Kamera von drei Markierungselementen mit Hervorhebung der jeweils relevanten Randbereiche; eine Darstellung einer möglichen grafisch aufgearbeiteten Auswertung der Ermittelten und übertragenen Positionsdaten;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer MRT-kompatiblen Kamera; und Fig. 6 eine Explosionszeichnung einer MRT-kompatiblen Kamera zur Verdeutlichung deren Positionierung in einem MRT-kompatiblen Gehäuse.

Fig. 1 zeigt eine Darstellung einer Kopfspule 1 mit daran angeordneten MRT-kompatiblen Kameras 2. Im Inneren der Kopfspule 1 befindet sich ein Modell eines menschlichen Kopfes 3. An diesem Modell 3 sind über ein Gestell 4 Markierungselemente 5 befestigt, deren Bewegung jeweils von einer der MRT-kompatiblen Kameras 2 aufgezeichnet wird. Die MRT- kompatiblen Kameras 2 sind bevorzugt direkt an der Kopfspule 1 des MRT befestigt. Durch den geringen Abstand zwischen den Markierungselementen 5 und den MRT-kompatiblen Kameras 2 von in diesem Fall weniger als 10 cm ist eine sehr exakte Bestimmung der Posi- tion und der Größe der einzelnen Markierungselemente 5 möglich. Durch die Beabstandung der Markierungselemente 5 vom Patienten 3 mittels eines Gestells 4 kann die Entfernung zwischen den Markierungselementen 5 und den MRT-kompatiblen Kameras 2 weiter reduziert werden. Um außerdem eine möglichst große Auflösung bezüglich der Längsachse 6 der MRT-Röhre zu erreichen, sind die Winkel, in denen die MRT-kompatiblen Kameras 2 relativ zueinander bezüglich der Längsachse 6 der MRT-Röhre angeordnet sind, groß gewählt. Bevorzugt betragen sie zwischen 40° und 190°, besonders bevorzugt etwa 90°.

Jede dieser MRT-kompatiblen Kameras 2 ist in der Lage, die Bewegung des mit dem Patienten 3 verbundenen Markierungselementes 5 sehr genau zu verfolgen. In einer bevorzugten Ausführungsform zeichnet jede der Kameras die Bewegung genau eines Markers auf. Dadurch muss jeder der in die MRT-kompatiblen Kameras 2 integrierten Mikrokontroller lediglich die Position genau eines Markierungselementes 5 berechnen, wodurch es möglich ist, die Positionen der einzelnen Marker mit sehr großer Genauigkeit und zusätzlich mit sehr hohen Bildwiederholraten zu ermitteln. Somit ist bei Bildwiederholraten von 60 Hz oder sogar mehr die Berechnung der Position des jeweils der Kamera 2 zugeordneten Markierungselementes 5 auf bis zu 10 μηι möglich. Es ist jedoch auch möglich, dass eine Kamera die Bewegungen mehrerer Marker detektiert (Multi-Tracking). In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines von einem Bildsensormodul 7 aufgezeichneten Abbildes 8 eines Markierungselementes 5 mit der Kennzeichnung des für die Ermittlung der Positionsdaten relevanten Randbereiches 9 gezeigt. Üblicherweise wird das von einem Bildsensormodul aufgezeichnete Abbild 8 eines Markierungselementes 5 nur innerhalb der Kamera für die Positionsberechnung verwendet und nicht an externe Geräte weiter- geleitet. Die gezeigte Darstellung eines Markierungselementes 5 mit der Kennzeichnung des für die Ermittlung der Positionsdaten relevanten Randbereiches 9 kann jedoch zur Überprüfung der Kamerafunktionen auch auf externe Monitore ausgegeben werden. Unter dem Randbereiches 9 eines Abbildes 8 eines Markierungselementes 5 sind die Randbereiche der Markierungselementabbildung zu verstehen, die innerhalb einer vorgegebenen Distanz, aus- gehend von den jeweiligen Minimal- und Maximalwerten der Abbildung des Markers in Richtung der Achsen eines Koordinatensystems, rechtwinklig zu diesen Achsen liegen. Die gezeigten Randbereiche 9 erstrecken sich jeweils etwa über eine Länge, die 20% bis 50% der Maximalausdehnung des Abbildes 8 eines Markierungselementes 5 entspricht. Welcher Bereich für die Berechnung gewählt wird, hängt unter anderem von der zur Verfügung stehen- den Rechenleistung, der Bildauflösung und der gewünschten Genauigkeit der Berechnung ab. Durch die Berücksichtigung eines größeren Bereiches kann der Maximalwert der Ausdehnung der Abbildung 8 eines Markierungselementes 5 aus dem Verlauf der sich an das Abbild anschmiegenden Kurve des für die Ermittlung der Positionsdaten relevanten Randbereiches 9 berechnet werden. Dieser errechnete Wert ist, da er aus einer Vielzahl von Werten berechnet wurde, weit weniger fehlerbehaftet als die Betrachtung eines einzelnen Bildpunktes. Außerdem kann das Ergebnis dieser Berechnung auch Werte annehmen, die Zwischenwerte des durch das Bildpunktraster in der Auflösung limitierten Abbildes 8 eines Markierungselementes 5 darstellen. Damit können bei der Berechnung der Positionen der Minimal- und Maximalwerte der Markierungselementabbildung 8 Genauigkeiten erreicht werden, die im Sub-Pixel-Bereich liegen. So können bei einem Abstand von etwa 10 cm zwischen den Markierungselementen 5 und den MRT-kompatiblen Kameras 2 unter Verwendung eines 640x480 Pixel-Bildsensormoduls 7 Auflösungen von bis zu 10 μηι erreicht werden. Die Position und Größe jedes einzelnen Markierungselementes 5 wird dabei durch vier SubPixel-Werte beschrieben. Zur Berechnung der Patientenbewegung werden daher lediglich die vier Sub-Pixel-Werte, die die Minimal- und Maximalwerte der Ausdehnung des Markierungselementes 5 darstellen sowie ein zusätzliches Identifizierungssignal der jeweiligen Ka- mera 2 benötigt und von der Kamera 2 an ein externes Gerät übertragen. Abweichend von diesem Verfahren sind auch andere eindeutige Beschreibungen der Position und Größe des jeweiligen Markierungselementes 5 möglich. Beispielsweise könnte z.B. der Mittelpunkt und die Ausdehnung in eine oder zwei Richtungen berechnet und übertragen werden. Einschließlich einer Information zur Identifizierung der jeweils sendenden Kamera 2 ist so eine enorme Reduzierung des Datentransfers auf wenige Bytes möglich. Pro Bildinformation werden so weniger als 10 Bytes übertragen. Bei Reduzierung der Daten auf die Minimal- und Maximalwerte der Ausdehnung des Markierungselementes 5 werden lediglich 5 Bytes einschließlich des Identifizierungssignals der jeweiligen Kamera 2 übertragen. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der von dem Bildsensor einer MRT-kompatiblen Kamera aufgezeichneten Abbilder 8 von Markierungselementen 5 mit Hervorhebung der jeweils relevanten Randbereiche 9. Wie auch die in Fig. 2 gezeigte Darstellung wird normalerweise die in Fig. 3 gezeigte Darstellung nicht an externen Geräten angezeigt. Sie dient lediglich der Kontrolle der für die Positionsberechnung verwendeten Randbereiche 9. Bei der Verwendung mehrerer Markierungselemente 5 ist es möglich, eine Vielzahl von Markierungselementen 5 mit Hervorhebung der jeweils relevanten Randbereiche 9 gleichzeitig auf einem Monitor darzustellen.

Fig. 4 zeigt eine Darstellung einer möglichen grafisch aufgearbeiteten Auswertung der Ermit- telten und übertragenen Positionsdaten. Gezeigt ist eine Computergrafik, die sowohl in einem oberen rechten Bereich die übermittelten Positionsdaten der jeweiligen Markierungselemente 5 als Koordinaten anzeigt sowie im zentralen Bereich die räumliche Anordnung der in diesem Fall drei Markierungselemente 5 in dem durch die Achsen X, Y und Z aufgespannten dreidimensionalen Raum darstellt. Als feststehende Bezugspunkte sind außerdem die MRT-kompatiblen Kameras 2 schematisch dargestellt. Durch diese Darstellung können

Translations- und Rotationsparameter der Patientenbewegung veranschaulicht werden. Eine derartige Darstellung ist für die Anpassung der Parameter der MRT-Messung oder die Aufarbeitung der ermittelten MRT-Daten nicht zwangsläufig notwendig. Sie dient lediglich dazu, die Patientenbewegung graphisch stark vereinfacht nachverfolgen zu können. Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer MRT-kompatiblen Kamera 2. Wie deutlich zu erkennen ist, ist eine MRT-kompatiblen Kamera 2 modular aufgebaut. Sie besteht aus einem Bildsensormodul 7, einem Schnittstellenmodul 10 und einem Mikrokontrollermodul 1 1 . Das Bildsensormodul 7 weist ein Objektiv 13 und elektrische Bauteile zur Digitalisierung der Bilddaten auf. Dadurch ist das Bildsensormodul 7 in der Lage, ein Abbild 8 eines Markierungselementes 5 zu generieren. Dieses Abbild wird über das Schnittstellenmodul 10 in einem parallelen Prozess an ein Mikrokontrollermodul 1 1 weitergeleitet und dort im Speicher abgelegt. Bei diesem Speicher kann es sich um einen SDRAM oder jede andere geeignete Speichervariante handeln. Aus den im Speicher abgelegten Daten erfolgt im

Mikrokontrollermodul 1 1 die Berechnung der Position des Markierungselementes 5. Vorzugsweise umfasst das Mikrokontrollermodul 1 1 einen Mikrokontroller mit hoher Rechenleistung, der die Positionsberechnung in Echtzeit erlaubt. Beispielsweise kann ein Modul TNY- A9G20-XXX mit Mikrokontroller ATMEL AT91 SAM9G20 verwendet werden. Dieser Mikro- kontroller erlaubt mit einer Taktrate von 400 MHz auch die Berechnung der Position auch aus Bildern höherer Auflösung in Echtzeit. Die Rechenleistung des Mikrokontrollers kann daher abhängig von der Auflösung und je nach gewünschter Bild- bzw. Übertragungsfrequenz auch höher oder geringer ausgewählt werden. Bei der Verwendung von leistungsstarken Mikrokontrollern wie dem erwähnten ATMEL AT91 SAM9G20 steht genügend Rechen- leistung zur Verfügung, um weitere Aufgaben wie beispielsweise die Verzeichniskorrektur, die Berechnung von Translations- und Rotationsparametern und andere direkt in der Kamera vornehmen zu können. Die vom Mikrokontrollermodul 1 1 errechneten Daten werden an das Schnittstellenmodul 10 weitergeleitet und von dort über eine nicht gezeigte Datenverbindung an externe Geräte weitergeleitet. Die Datenübertragung kann kabellos oder mittels über ei- nen Stecker 12 angeschlossener abgeschirmter Kabel erfolgen.

Voraussetzung zur Verwendung in starken Magnetfeldern ist eine geeignete Abschirmung der Kameras und der Verkabelung. Daher ist jede der Kameras durch ein Gehäuse abgeschirmt. Fig. 6 zeigt eine Explosionszeichnung einer MRT-kompatiblen Kamera 2 zur Ver- deutlichung deren Positionierung in einem MRT-kompatiblen Gehäuse zur Abschirmung. Um Wechselwirkungen der Kameraelektronik mit dem MRT-Gerät und dessen Strahlung zu Vermeiden, befindet sich jede der MRT-kompatiblen Kameras 2 vorzugsweise in einem MRT-kompatiblen Kameragehäuse, das eine ausreichende Abschirmung aufweist. Ein solches Kameragehäuse umfasst mindestens ein Objektivgehäuse 14, ein vorderes Kamerage- häuse 15 und ein hinteres Kameragehäuse 16. Zwischen dem vorderen 15 und dem hinteren Kameragehäuse 16 befindet sich die Kamera 2, deren Objektiv 13 durch eine entsprechende Öffnung im vorderen Kameragehäuse 15 hindurchreicht und in dem Objektivgehäuse 14 steckt. Auf dem Objektivgehäuse 14 sind Sendeeinrichtungen 18, beispielsweise LEDs an- geordnet, die Strahlung aussenden, die von den Markierungselementen 5 reflektiert wird und von der MRT-kompatiblen Kamera 2 detektiert werden kann. Im Fall des vorzugsweise genutzten Strahlungsbereichs im IR-Spektrum, handelt es sich dementsprechend um IR-LEDs. Die Stromversorgung der LEDs kann durch nicht gezeigte Öffnungen im Objektivgehäuse 14 erfolgen oder über externe Anschlüsse. Abgedeckt wird das in Fig. 6 gezeigte Objektivge- häuse 14 und die LEDs 18 durch einen Filter 17, der unerwünschte Strahlung bzw. Frequenzen herausfiltert. Dadurch wird die Detektion der Markierungselemente 5 vereinfacht und die Selektivität für die verwendete IR-Strahlung erhöht.

Zur Datenübertragung werden nicht gezeigte, doppelt geschirmte Datenkabel verwendet. Versuche haben gezeigt, dass die Positionierung der mit Gehäuse versehenen Kameras im MR-Tomographen bei Verwendung der doppelt geschirmten Datenkabel nicht zu Artefakten führt, die die Bildgebung negativ beeinflussen. Um Wechselwirkungen der Frequenzen der Kameras und des MRT zu vermeiden, kann die Frequenz des Bildsensors variiert werden. So ist es möglich, Frequenzen zu wählen, deren Oberschwingungen nicht mit den Frequen- zen des MRT interferieren. Dies lässt sich durch einen RF-NOISE-Test ermitteln.

Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Bezugszeichenliste

1 Kopfspule des MRT

2 MRT-kompatible Kamera

3 Patient, Proband, zu untersuchendes Objekt

4 Gestell

5 Markierungselement

6 Längsachse der MRT-Röhre

7 Bildsensormodul Abbildung eines Markierungselementes Kennzeichnung des Randbereich Schnittstellenmodul

Mikrokontrollermodul

Stecker

Objektiv

Objektivgehäuse

vorderes Kameragehäuse

hinteres Kameragehäuse

Filter

LEDs

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Kompensierung von Bewegungen eines Patienten bei MRT- Messungen in Echtzeit, wobei die Vorrichtung mindestens eine MRT-kompatible Kamera (2), mindestens eine Auswerteeinheit und mindestens eine Verbindung zum Datenaustausch mit einem MRT-Gerät umfasst,

dadurch gekennzeichnet, dass

die MRT-kompatible Kamera (2) mindestens ein Bildsensormodul (7) zur Aufnahme von Bilddaten, aus denen die Bewegung des Patienten berechnet werden kann, mindestens ein Schnittstellenmodul (10) zur Übertragung der Bilddaten und/oder aus den Bilddaten errechneten Positionsdaten und mindestens ein Mikrokontrollermodul (11) zur Errechnung der Positionsdaten aus den Bilddaten umfasst.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

mehrere MRT-kompatible Kameras (2) im Inneren eines MRTs, bevorzugt direkt an einer Kopfspule des MRT-Gerätes (1), angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

mindestens ein Markierungselement (5) direkt mit dem Patienten (3) oder über ein Gestell (4) von dem Patienten (3) beabstandet mit diesem verbunden ist und mindestens eines der Markierungselemente (5) weniger als 30 cm von einer der MRT- kompatiblen Kameras (2) beabstandet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, dass

das mindestens eine Markierungselement (5) von dem Bildsensormodul (7) der mindestens einen MRT-kompatiblen Kamera (2) detektierbar ist und die Position des Markierungselementes (5) durch das Mikrokontrollermodul (11 ) der mindestens einen MRT-kompatiblen Kamera (2) aus den erhaltenen Bilddaten berechenbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Vorrichtung die gleiche Anzahl an Markierungselementen (5) wie MRT-kompatible Kameras (2) aufweist und jeder der MRT-kompatiblen Kameras (2) genau ein Markierungselement (5) zugeordnet ist, das sich in einem optischen Erfassungsbereich des Bildsensormoduls (7) der MRT-kompatiblen Kamera (2) befindet.

6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die von dem Mikrokontrollermodul (11) berechneten Positionsdaten weniger als 100 Bytes/Bild umfassen.

7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Genauigkeit der von dem Mikrokontrollermodul (11) berechneten Positionsdaten im Sub-Pixel-Bereich liegt.

8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Übertragungsrate der von dem Mikrokontrollermodul (11) berechneten Positionsdaten größer als 30 Hz, bevorzugt mindestens 60 Hz ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

jede der MRT-kompatiblen Kameras (2) einen seriellen Schnittstellenanschluss (12) zum Anschließen einer Anschlussleitung für die Übertragung der von dem

Mikrokontrollermodul (11) berechneten Positionsdaten an eine externe Auswerteeinheit oder ein MRT-Gerät aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

jede der MRT-kompatiblen Kameras (2) einen Trigger-Ein-/Ausgang zur Synchronisation mit dem MRT-Gerät aufweisen.

11. Verfahren zur Kompensierung von Bewegungen eines Patienten bei MRT- Messungen in Echtzeit,

dadurch gekennzeichnet, dass

es mindestens die folgenden Schritte umfasst:

Optisches Erfassen eines mit einem Patienten (3) verbundenen Markierungselementes (5) durch ein Bildsensormodul (7) einer im Inneren eines MRT-Gerätes positionierten MRT-kompatiblen Kamera (2),

Übertragen der von dem Bildsensormodul (7) ermittelten Bilddaten an ein in der MRT-kompatiblen Kamera (2) integriertes Mikrokontrollermodul (11),

Berechnen von Positionsdaten des Markierungselementes (5) in dem

Mikrokontrollermodul (11) und

Weitergeben der Positionsdaten an eine externe Auswerteeinheit oder das MRT- Gerät in Echtzeit.

12. Verfahren nach Anspruch 11

dadurch gekennzeichnet, dass

die von dem Bildsensormodul (7) ermittelten Bilddaten direkt in einem parallelen Pro- zess in einem Speicher des Mikrokontrollermoduls (11), beispielsweise SDRAM, abgelegt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12

dadurch gekennzeichnet, dass

die von dem Mikrokontrollermodul (11) errechneten Positionsdaten an das Schnittstellenmodul (10) übertragen werden und von dort an eine externe Auswerteeinheit oder ein MRT-Gerät weitergeleitet werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 -13

dadurch gekennzeichnet, dass

die Weitergabe der Positionsdaten von der MRT-kompatiblen Kamera (2) an eine ex- terne Auswerteeinheit oder ein MRT-Gerät mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von mindestens 30 Hz, bevorzugt von mindestens 60 Hz erfolgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 - 14,

dadurch gekennzeichnet, dass

vor der MRT-Messung und bei Bedarf auch während der Messung zeitweise eine Übertragung eines zusätzlichen, auf den Bilddaten basierenden Videosignals von den MRT-kompatiblen Kameras (2) an eine Kontrolleinheit stattfindet.