EP2922471A1 - Hybrides bildgebungssystem und verfahren für intraoperative, interventionelle und diagnostische anwendungen - Google Patents

Hybrides bildgebungssystem und verfahren für intraoperative, interventionelle und diagnostische anwendungen

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EP2922471A1
EP2922471A1 EP13795492.1A EP13795492A EP2922471A1 EP 2922471 A1 EP2922471 A1 EP 2922471A1 EP 13795492 A EP13795492 A EP 13795492A EP 2922471 A1 EP2922471 A1 EP 2922471A1
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EP
European Patent Office
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nuclear
image
radiation detector
ultrasonic
nuclear radiation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13795492.1A
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English (en)
French (fr)
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Thomas Wendler
Stefan Wiesner
Jörg TRAUB
Martin Freesmeyer
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SURGICEYE GmbH
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SURGICEYE GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G06T2207/10072—Tomographic images
    • G06T2207/10081—Computed x-ray tomography [CT]

Definitions

  • the invention is in the field of imaging, in particular in the field of intraoperative, interventional and diagnostic imaging with hand-held detectors.
  • CT computed tomography
  • SPECT single photon emission computed tomography
  • PET positron emission tomography
  • MR / PET systems Another advantage of MR / PET systems is that, in some implementations, data acquisition from MR and PET can be run in concert. This prevents a poor correlation by intervening deformation or movement of the patient and by different storage.
  • a common recording is understood to mean a recording where the recording of two imaging modalities overlaps at least during one time interval.
  • PET images can be acquired before and after the MRI scan, or even simultaneously with the MRI scan.
  • MR imaging may take place before or after PET imaging or simultaneously with it.
  • ultrasound systems have recently been upgraded to load and display PET / CT or SPECT / CT data. These ultrasound systems are often upgraded with positioning systems in order to be able to position and orient the ultrasound probe in real time. Registration methods such as point-based registration or intensity-based registration associate the CT data with the ultrasound images, and thus generate PET / ultrasound equivalent or SPECT / ultrasound-equivalent PET or SPECT-to-CT registration and computed CT-to-ultrasound registration become. Examples of such a system is the GE system Logiq E9 or the system of European patent application EP2104919 A2.
  • a freehand SPECT system was upgraded to additionally track an ultrasound probe (T. Wendler, T. Lasser, J. Traub, SI Ziegler, N. Navab, Freehand SPECT / ultrasound fusion for hybrid image-guided resection Proceedings of the Annual Congress of the European Association of Nuclear Medicine - EANM 2009, Barcelona, Spain, October 2009).
  • T. Wendler, T. Lasser, J. Traub, SI Ziegler, N. Navab Freehand SPECT / ultrasound fusion for hybrid image-guided resection Proceedings of the Annual Congress of the European Association of Nuclear Medicine - EANM 2009, Barcelona, Spain, October 2009.
  • This prototype had the problem of sequentiality of data acquisition: first, a freehand SPECT image was embarrassed, and only then took the ultrasound images. The image quality was not very good, as there were deformations and movements of the patient between both shots. Furthermore, the demands on the image quality of the freehand SPECT were high, so that an image reconstruction which only achieved resolutions of> 7mm only on the gamma probe measurements and the position and orientation of the gamma probe could only visualize large contrasts ,
  • US Pat. No. 6,628,984 describes a hand-held gamma camera which is tracked to reconstruct tomographic images. These images can be understood as 3D nuclear images such as freehand SPECT or freehand PET images and, according to the inventors, can also be registered with ultrasound images. This approach is basically the same as what has been implemented in commercial ultrasound systems and discussed above. It collects the data sequentially, and suffers from problems with movements and deformations in the patient. Since this system is similar to the above-mentioned hands-free SPECT system of T. Wendler et al. is expected, in a real implementation, even low resolutions and poor contrast.
  • Figure 1 illustrates the compounds of different components of the invention according to one embodiment.
  • Figure 2 illustrates an embodiment of the invention where the nuclear tracking system (40) and the ultrasound tracking system (50) are a single tracking system.
  • Figure 3 illustrates an embodiment of the invention which is similar to that of Figure 2 but includes a reference to an article or animal (81).
  • Figure 4 shows a fixation device (82) in accordance with embodiments to stabilize the article or animal (80) during the measurement of the nuclear radiation.
  • FIG. 5 shows a further fixing device (82) according to
  • Embodiments for stabilizing the article or animal (80) during the measurement of nuclear radiation which is also the reference for an article or object
  • Living beings (81) includes.
  • Figure 6 shows a manner of producing a hybrid image according to embodiments.
  • Figure 7 shows a possible sequence of steps according to a data acquisition
  • FIG. 8 shows a further possible sequence of steps for data acquisition according to embodiments of the invention.
  • Figure 9 presents a combined probe according to embodiments where nuclear radiation detector and ultrasonic probe are integrated in a handheld probe.
  • Figure 10 presents another combined probe according to
  • Embodiments where nuclear radiation detector and ultrasonic probe are integrated in a hand probe are integrated in a hand probe.
  • Figure 11 shows how, according to embodiments, a segmentation for the nuclear image reconstruction can be calculated from a power Doppler ultrasound image.
  • Figure 12 shows how, according to embodiments, a segmentation for nuclear image reconstruction can be calculated from a B-mode ultrasound image.
  • Figure 13 shows an embodiment of the invention where all components are made separately.
  • Figure 14 shows another embodiment of the invention where the nuclear tracking system (40) and the ultrasound tracking system (50) are a single tracking system.
  • a hybrid system of a nuclear medicine system and an ultrasound system is proposed, the advantages of nuclear medicine (functional diagnostics especially of herpes, possibility for flexible and individual handling hand-held detectors, no magnetic fields and thus use of sensitive electronic Peripheral systems) and ultrasound (excellent soft tissue contrast, very high spatial resolution, flexibility, low cost) on a common system combined. Both image modalities can be recorded in a common data acquisition, and connected, and thus created the possibility for a compensation of movement and deformation, especially in sequential recordings.
  • the proposed system and method according to embodiments is the combination of a hands-free nuclear medicine system (such as hands-free SPECT or hands-free PET) and an ultrasound system using a common reference system.
  • a nuclear radiation detector and an ultrasonic probe are functionally connected, wherein the position and orientation of the nuclear radiation detector and the ultrasonic probe are each detected by a positioning system in real time. From the measurements (detected radiation and ultrasonic signals) of both systems and the information of the position and orientation of the radiation detector and the ultrasonic probe to the common reference become 3D Tomographic images of the radiation distribution generated in a living being or subject. These images are further visualized together with the ultrasound signals in the form of a hybrid image.
  • a combination of nuclear detection and ultrasound detection enables functional data (such as freehand SPECT or freehand PET images) and anatomical images (such as generated from the ultrasound signals) to be acquired, reconstructed, and in real time or quasi-real time visualize.
  • functional data such as freehand SPECT or freehand PET images
  • anatomical images such as generated from the ultrasound signals
  • one can do the data acquisition and visualization in one step i. you can collect the images of the different modalities together within a few seconds, or even at the same time, if you use ultrasound probe and nuclear radiation detector at the same time or if both are integrated in a probe.
  • the cost of implementing such a system is expected to be significantly lower than the cost of a PET / CT, SPECT / CT or MR / PET.
  • Embodiments of the present invention are suitable for solving the problem by the included 3D image reconstruction (in the sense of freehand SPECT or freehand PET), the images of the gamma camera together or combined with the images of the endoscope and the To be able to represent ultrasound.
  • the nuclear image is a 3D image, which allows a fusion or superimposition to take place from the ultrasound sectional image and the otherwise projective nuclear information.
  • Permanently installed or stationary 3D nuclear medical imaging devices are generally unsuitable for use in embodiments of the invention because they are not flexible for intraoperative or interventional use and Moreover, they do not allow for joint data acquisition of ultrasound and nuclear detector measurements due to their construction (as a gantry).
  • image is understood to include, for at least one image segment of the image, information about the distribution of a nuclear source and information from an ultrasonic signal as a function of position, ie an assignment H (x, y, z), in which, in an area in space for the coordinates x, y, z, the assignment H comprises at least two values, and thereby indicates at least one radioactivity density and echogenicity (value of an ultrasound image).
  • the quality of the images of a free hand nuclear medicine imaging is highly user dependent. For this reason, it generally requires an evaluation system which preferably continuously calculates the quality of the nuclear image and, based on this, decides whether the current database is sufficient for presentation in accordance with a defined or desired quality.
  • an evaluation system which preferably continuously calculates the quality of the nuclear image and, based on this, decides whether the current database is sufficient for presentation in accordance with a defined or desired quality.
  • an (for example optical or acoustic) instruction system for the user, so that the user can use the instruction to optimize the quality of the resulting nuclear image.
  • the nominal position and orientation of the nuclear radiation detector (20) are used in the invention for calculating at least one nuclear image quality value, preferably in a continuous manner.
  • an instruction is given to the user, or optionally to a robot carrying the detector, preferably continuously - to achieve movement of the nuclear radiation detector to the desired position (s) and orientation (s). which allow or achieve an optimization of the quality value.
  • non-dimensional movement and / or deformation of the article or animal (80) during measurement potentially has a very negative effect on the quality of the nuclear image obtained.
  • the present invention implements one or more fixation devices (82) so that the article or animal (80) remains fixedly stable during measurement. In this way, the quality of the nuclear image can be guaranteed.
  • the nuclear detector (20) detects radiation sent in the form of nuclear detector measurements (21) to the data acquisition module (60).
  • These detector measurements may be single radiation values, such as in the case where the radiation detector is a gamma probe.
  • the individual radiation values are all gamma photons within an energy window in a time interval of one second, ie the so-called "counts per second" (CPS) .
  • the detector measurements can also be 2D images, as in the case of that Nuclear Radiation Detector is a hand-held gamma camera. The gamma camera images would indicate the count rate of each pixel of the camera.
  • the position and orientation of the nuclear detector (20), i. the nuclear detector coordinates (41) are detected by the nuclear tracking system (40). These are usually a vector with a 3D position and 3 Euler angles. Alternatively, you can also represent a 4D quaternion around the 3 Euler angles numerically more stable.
  • Both the detector measurements (21) and nuclear detector coordinates (41) are detected by the data acquisition module (60).
  • the data acquisition module (60) may synchronize this data.
  • each detector measurement can be assigned a nuclear detector coordinate.
  • One possible implementation of this is the use of tables where all captured data is stored and then assigning algorithms, assigning each detector measurement to the nearest nuclear detector coordinate.
  • the nuclear detector measurements (21) and nuclear detector coordinates (41) can be assigned in a further embodiment of the invention by own time stamping a common clock, own clocks with known time differences or assuming a known transmission delay to each other become.
  • these data may be stored in a so-called ring buffer with its own timestamps or new timestamps given by the data acquisition module (60) and assigned as needed.
  • the "ring" in the name comes from the fact that old measurements are overwritten after a certain time.
  • Another embodiment of the invention may include interpolation algorithms, such as linear interpolation algorithms or cubic interpolation algorithms or time domain filters, such as Kalman filters or particle filters, for better assignment of detector measurements (21 ) and Nuclear Detector Coordinates (41).
  • interpolation algorithms such as linear interpolation algorithms or cubic interpolation algorithms or time domain filters, such as Kalman filters or particle filters, for better assignment of detector measurements (21 ) and Nuclear Detector Coordinates (41).
  • the ultrasound probe (30) provides ultrasound signals (31) such as linear measurements (A-mode ultrasound), 2D images (B-mode ultrasound), 2D Doppler images (normal Doppler , Power Doppler, etc), Elastography images or 3D images, among others
  • the position and orientation of the ultrasound probe (30) is also detected by a tracking system, namely the ultrasound tracking system (50).
  • the ultrasound signals (31) and the ultrasound probe coordinates (51) are also sent to the data acquisition module (60) and, in one embodiment of the invention, can be used with the nuclear detector measurements (21) and the nuclear Detector coordinates (41) are synchronized.
  • the data acquisition module (60) may preprocess all data designated by the data acquisition module (60) collectively referred to as "complete data” (61), such as through the use of filters clear “outliers” or different known noise signals from the complete data (61).
  • the complete data (61), whether preprocessed, synchronized or untouched, is then sent to the image reconstruction module (70).
  • This module has several tasks in embodiments:
  • a volume for the image reconstruction This may be predetermined, but may also be calculated from the nuclear detector coordinates (41) and the ultrasonic probe coordinates (51) by accumulating which 3D positions most frequently from the nuclear detector (20) and / or the ultrasonic probe (30) were detected. For a calibration of the two hand parts is necessary to assign to where the field of view of the two hand parts are located in each case relative to the elements which are detected by the respective tracking systems. Further methods of calculating the volume for the image reconstruction can be found in the German application 102011053708.2 by one of the inventors of this invention.
  • the image reconstruction module (70) may also comprise a scatter map from n ultrasound signals (31) and the ultrasound probe coordinates (51) to calculate. Other tasks of the image reconstruction module (70) may include segmentation of organs or parts thereof, compensation for movement, etc.
  • the nuclear image reconstruction module (70) may use conventional image reconstruction techniques, such as iterative image reconstruction techniques. Pre-processing of the input data or post-processing of the reconstructed image data may also be implemented in the nuclear image reconstruction module (70).
  • Examples of such preprocessing methods are plausibility methods that detect non-plausible measurements, filtering methods that smooth out potential noise in the recordings, information calculation methods that calculate the area where the calculation of the nuclear image has sufficient information, etc. Details such as nuclear Image can be calculated and how such filters can be applied, can be found in the German applications 102008025151 from a subgroup of the inventors of this invention. Further details are also in the German application 102011053708.2 of one of the inventors of this invention.
  • FIG. 1 shows embodiments of the invention in which the nuclear tracking system (40) and the ultrasound tracking system (50) are the same system.
  • the nuclear radiation detector (20) is a conventional gamma probe that detects gamma radiation in the energy range 27-364 keV and has a lateral shield, so basically only radiation from a narrow cone in the direction of the major axis the gamma probe is measured.
  • the nuclear measurements are count rates in CPS.
  • the nuclear radiation detector (20) is tracked by an optical passive localization system, here the implementation of the nuclear tracking system (40).
  • the nuclear tracking system (40) consists of a stationary tracking system part (42), Here, for example, two infrared cameras with synchronized infrared LEDs and a movable Nachriossystem part, here eg infrared reflectors on the nuclear detector (43) and on the ultrasonic probe (54).
  • the transformation from the nuclear tracking system (40) to the infrared reflectors on the nuclear detector (43) - transformation T2 - is determined in real time by the nuclear tracking system (40).
  • the ultrasonic tracking system (40) which in this embodiment is the same as the ultrasonic tracking system (50), also tracks the ultrasonic probe (30). For this, it is upgraded with infrared reflectors (54). Thus, the transformation T3 - from the nuclear tracking system (40) to the infrared reflectors on the ultrasonic probe (44) can also be determined.
  • Figure 3 shows an embodiment of the invention as in Figure 2 with the difference that one uses a reference for the object or living thing (81).
  • This reference is tracked by the common tracking system, so that the transformation from the nuclear tracking system (40) to the infrared reflectors on the Reference to the object or animal (45) - transformation T5 - determined by the tracking system.
  • T6 can also be determined.
  • the complete data (61) can be converted in a common coordinate system.
  • the object or creature (80) can move rigidly without the need for new data. Furthermore, the tracking system can also move without losing the validity of the previously collected data.
  • Figure 4 shows a fixing device (82) to hold the article or the living being (80) stable in embodiments stable during the measurement of nuclear radiation.
  • Non-rigid motions and deformations are not compensated for using the reference (81) for the object or animal (80). For this reason, it makes sense to stably hold the article or living thing (80) stationary while measuring the nuclear radiation.
  • the fixation s device to hold the article or the living being (80) stable in embodiments stable during the measurement of nuclear radiation.
  • Figure 5 shows a fixation device (82), which also includes the reference for an article or animal.
  • the fixation device (82) can be selected from the group consisting of: a. mechanical mounts, b. Vacuum cushions, c. on the surface or part of these rigid masks tailor-made by the article or animal (80), d. Materials which become solid under electric, magnetic or electromagnetic fields but are deformable in their absence, e. Materials which become solid in a temperature or pressure range but are deformable outside it, f. or a combination of these fixation devices.
  • Figure 6 shows a manner of generating a hybrid image from a reconstructed 3D nuclear image (71) and a 2D ultrasound image according to embodiments.
  • the 3D nuclear image (71) and an ultrasound image (here the execution of the ultrasound signals (31)) are converted to the same coordinates.
  • the plane of the ultrasound image is then cut with the volume of the 3D nuclear image.
  • a 2D nuclear image is generated, which can then be superimposed on the ultrasound image.
  • the resulting image is thus a 2D ultrasound image (e.g., in gray colors) on which in the region of intersection of the nuclear image and the ultrasound signals (12) e.g. color (in Fig. 6 shown in gray scale for technical reasons) the radioactivity distribution of the 3D nuclear image (71) is superimposed.
  • Figure 7 shows a sequence of steps as embodiments of the invention can be used.
  • a first step an ultrasound image is taken by moving the ultrasound probe (30).
  • the nuclear detector is moved and nuclear-detector measurements are taken.
  • the nuclear Detector a detector that detects radiation in the energy range 27-364 keV, so that one can speak in the resulting nuclear imaging of freehand SPECT.
  • a second ultrasound scan is taken in the proposed sequence of steps. It serves to detect deformations and movements of the living or object (80) and according to this, the nuclear-detector coordinates can be adjusted to compensate for this deformation and movements.
  • a 3D nuclear image (71) is reconstructed with the information of deformation and motion, and then the ultrasound signals and the 3D nuclear image are fused.
  • Figure 8 shows another sequence of steps where, in contrast to the sequence of steps of Figure 7, the ultrasound scan and the hands-free SPECT scan are in parallel. This is possible by either simultaneously moving the nuclear detector (20) and ultrasonic probe (30) or mechanically coupling them. Two possible implementations of this mechanical coupling are shown in Figures 7 and 8.
  • FIG. 9 shows a mechanically coupled nuclear-detector-ultrasound-probe pair according to embodiments.
  • ultrasonic emitter / detectors such as piezoelectric crystals are applied. These can generate ultrasound images in connection with ultrasound electronics (35) and a computer unit (not shown).
  • a collimator (27) which transmits only nuclear radiation from one direction into the detector material from the nuclear radiation s detector (24).
  • Side shielding is achieved by shielding from the nuclear radiation detector (26).
  • the nuclear radiation coming to the detector material (24) is then detected and the resulting signal processed by the electronics from the nuclear radiation detector (26) in nuclear detector measurements (21).
  • FIG. 10 shows another embodiment of a mechanically coupled nuclear detector ultrasonic probe pair.
  • the nuclear detector (20) is even an "OD" detector.
  • the ultrasonic probe (30) here consists of a ring of ultrasound emitters / detectors, which the collimator (27) and the material of the nuclear detector (24) are placed.
  • FIG. 11 shows how one can obtain information from an ultrasound signal (31), in this case a power Doppler ultrasound image, according to embodiments, which can then be used in image reconstruction.
  • the information here is a segmentation of areas where blood is located (72a) and where soft tissue is located (72b). This information can be used as a priori information in the image reconstruction. Details of how a priori information can be included in image reconstruction are found in German application 102008025151 by a subgroup of the inventors of this invention and in German application 102011053708.2 by one of the inventors of this invention.
  • Figure 12 shows how to obtain other information according to embodiments from an ultrasound signal (31), here a B-mode ultrasound image.
  • the B-mode ultrasound image is processed and converted to a debuff card by matching "look-up tables" which associate the echogenicity with an X-ray attenuation.
  • One possible processing may be segmentation of tissues where also a priori knowledge, eg what the anatomy under consideration looks like in the ultrasound, and what anatomical variability (such as in shape, echogenicity, size, etc.) can be expected
  • the methods of performing this segmentation are not further specified in this invention
  • the segmentation thus results in different regions (72a, 72b, 72c, 72d) with different attenuations, and this attenuation map can then be used in image reconstruction, and corresponding details on how to incorporate attenuation maps into image reconstruction.
  • FIG. 13 shows practical implementations of embodiments of the invention.
  • a nuclear detector (20) here a wireless gamma probe, sends nuclear detector measurements (21) to the data acquisition module (60), which is split into two (60a and 60b).
  • the nuclear tracking system (40) detects the nuclear detector coordinates and, by means of an optical camera system (42) and passive reflectors on the nuclear detector (43) and on the reference of the object or animals (44) reference coordinate.
  • An electromagnetic tracking system here the ultrasonic tracking system (50), consists of a field generator (52) and electromagnetic sensors on the ultrasonic probe (53) and the reference of the object or animal (54).
  • the ultrasonic signals (31), as well as the ultrasonic probe coordinates (51) and reference coordinates are detected by the data acquisition module (60).
  • the complete data is then sent to the reconstruction module (70) and displayed on the display (90) to the user after image reconstruction.
  • Figure 14 shows a simplified variant of the system of Figure 13.
  • the nuclear detector (20) is a hand-held gamma camera which has no parasitic effects on the electromagnetic tracking system and thus can be tracked by this.
  • the nuclear tracking system (40) and the ultrasonic tracking system (50) are only one in this embodiment.
  • a combined nuclear and ultrasound system for hybrid imaging (10) is proposed. It includes
  • a nuclear tracking system for tracking the nuclear radiation detector (20) during the measurement of nuclear radiation and for obtaining nuclear radiation detector coordinates representing a position of the tracked nuclear radiation detector in relation to an image coordinate system of a hybrid image
  • an ultrasound tracking system for tracking the ultrasound probe (30) during acquisition of ultrasound signals to obtain ultrasound probe co-ordinates indicative of a position of the sensed ultrasound probe in relation to an image coordinate system of a hybrid Represent picture
  • a data acquisition module that captures and combines nuclear radiation detector measurements, nuclear radiation detector coordinates, ultrasonic signal from the ultrasound system (50), and ultrasound probe coordinates, with a hybrid frame image coordinate system;
  • the nuclear tracking system (40) and the ultrasound tracking system (50) may be part of the same tracking system.
  • the nuclear radiation detector (20) and the ultrasonic probe (30) are integrated in a handheld probe.
  • the nuclear tracking system (40) and the ultrasound tracking system (50) are each selected from the group consisting of:
  • a combined nuclear and ultrasound system for hybrid imaging may further comprise a reference element (81) fixed to an article or animal (80) and / or fixed to another element, which is fixed relative to the article or animal (80), the reference element (81) being tracked by the nuclear tracking system (40) and the ultrasound tracking system (50).
  • a combined nuclear and ultrasound system for hybrid imaging may further comprise an evaluation system which calculates a nominal position and orientation of the nuclear radiation detector (20) from at least one nuclear image quality value is calculated continuously from previous nuclear radiation detector measurements and nuclear radiation detector coordinates, and an output system (90) for outputting an instruction to move the Nuclear radiation s detector to the desired position and orientation to a user and / or robot.
  • a combined nuclear and ultrasound system for hybrid imaging may further comprise: an interface for receiving:
  • a combined nuclear and ultrasound system for hybrid imaging may further comprise a surgical or interventional instrument (100) provided by the nuclear tracking system (40), the ultrasound tracking system (50), or by tracked two tracking systems.
  • Embodiments relate to a method of hybrid imaging, comprising:
  • the method of hybrid imaging may further include calculating the target position and orientation of the nuclear radiation detector and subsequently outputting an instruction to move the nuclear radiation detector to the desired position and orientation to a user or robot ,
  • the hybrid imaging method may further include using information of at least one of the following to reconstruct a nuclear image:
  • the method of hybrid imaging may further include tracking a surgical or interventional instrument (100).
  • the method of hybrid imaging may further comprise: representing the relation between the surgical or interventional instrument, and the hybrid image, or navigating the surgical or interventional instrument (100) to a location in the hybrid image.

Abstract

Es wird ein kombiniertes Nuklear- und Ultraschall-System zur hybriden Bildgebung (10) bereitgestellt, das umfasst: einen handgeführten Nuklearstrahlungs-Detektor (20), eine handgeführte Ultraschall-Sonde (30), ein Nuklear-Nachführsystem (40) zum Nachführen des Nuklearstrahlungs-Detektors (20) während des Messens einer Nuklearstrahlung und zum Erhalten von Nuklearstrahlungs-Detektor-Koordinaten, die eine Position des nachgeführten Nuklearstrahlungs-Detektors in Relation zu einem Bildkoordinatensystem eines hybriden Bildes repräsentieren, ein Ultraschall-Nachführsystem (50) zum Nachführen der Ultraschall-Sonde (30) während der Aufnahme von Ultraschall-Signalen, so dass Ultraschall-Sonden-Koordinaten erhalten werden, die eine Position der nachgeführten Ultraschall-Sonde in Relation zu einem Bildkoordinatensystem eines hybriden Bildes repräsentieren, und ein Datenerfassungs-Modul (60), das Nuklearstrahlungs-Detektor-Messungen, Nuklearstrahlungs-Detektor-Koordinaten, die Ultraschall-Signale vom Ultraschall-System (50), und Ultraschall-Sonden-Koordinaten erfasst und mit einem Bildkoordinatensystem eines hybriden Bilds zusammenbringt, und ein Nuklear-Bildrekonstruktionsmodul (70) zum Rekonstruieren eines Nuklear-Bildes aus Nuklearstrahlungs-Detektor-Messungen, Ultraschall-Signalen, Nuklearstrahlungs-Detektor-Koordinaten und Ultraschall-Signal-Koordinaten in dem Bildkoordinatensystem eines hybriden Bildes. Ferner wird ein Verfahren zur hybriden Bildgebung vorgeschlagen.

Description

Beschreibung
HYBRIDES BILDGEBUNGSSYSTEM UND VERFAHREN FÜR INTRAOPERATIVE,
INTERVENTIONELLE UND DIAGNOSTISCHE ANWENDUNGEN
[0001] Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Bildgebung, insbesondere auf dem Gebiet der intraoperativen, interventionellen und diagnostischen Bildgebung mit handgeführten Detektoren.
[0002] In der diagnostischen Bildgebung werden vermehrt Kombinationen von verschiedenen Verfahren eingesetzt, die sogenannten Hybridbildgebungssysteme. Dabei sollen vor allem Systeme kombiniert werden, die komplementär zueinander sind bzw. bei denen die Nachteile des einen Systems durch die Vorteile des anderen kompensiert werden oder die Vorteile beider Anlagen so kombiniert werden, dass das neue System besser als die Einzelanwendung ist.
[0003] Z.B. kann man mit der Röntgen-Computertomographie (CT) morphologische Strukturen mit einer hohen räumlichen Auflösung darstellen mit dem Nachteil eines relativ schlechten Weichteilkontrastes, fehlender funktioneller Information, der Verwendung nephrotoxischer Kontrastmittel und schädigender Gammastrahlung (Strahlenbelastung).
[0004] Ein nuklearmedizinisches System verwendet zwar auch schädigende Strahlung, kann aber Funktionsinformation deutlich besser darstellen, allerdings mit einer recht schlechten Ortsauflösung. Eine Kombination von einem Computertomographen und einem nuklearmedizinischen System (wie etwa ein Einzel-Photon-Emissions-Computertomographie- System, engl. SPECT-System oder ein Positronen-Emissions-Tomographie-System, engl. PET-System) könnte damit zumindest ein hoch auflösendes Bild mit funktioneller Information liefern. Es gibt dazu natürlich generell die Möglichkeit die jeweiligen Bilddaten separat aufzunehmen und nachträglich zu kombinieren (Bildregistrierung). Dies hat allerdings den Nachteil der teilweise schlechten Korrelation durch zwischenzeitlich erfolgte Deformation oder Bewegung des Patienten und durch unterschiedliche Lagerung. Damit ist die Genauigkeit der Bilddaten nur sehr eingeschränkt. Ideal wäre es deswegen die Bildgebung an einem kombinierten System durchzuführen, wie dies seit einigen Jahren bei den sogenannten PET/CT oder SPECT/CT Systemen geschieht. Dort wird sequentiell in einem kombinierten System ein nuklearmedizinisches Bild und eine Computertomographie durchgeführt. Unter sequentielle Aufnahme versteht man eine Aufnahme, wo die Aufnahmen beider Bildgebungsmodalitäten nicht zeitlich überlappen, sondern eins nach der anderen mit wenigen Minuten Unterschied erfolgt.
[0005] Die Kombination von Magnetresonanztomographie (MR) und PET in einem integrierten System (MR/PET-System) hat gezeigt, dass die o.a. Nachteile vom CT (eingeschränkter Weichteilkontrast, nephrotoxisches Kontrastmittel, Gammastrahlung) verhindert werden können. Das MR-System kann einerseits sehr hoch ortsaufgelöste Bilder erzeugen und dies mit einem exzellenten Weichteilkontrast. Zudem ist die Anwendung der Magnetresonanztomographie durch die Wellenlänge und Energien der verwendeten Quanten ungefährlich. Mit der Nukleramedizin kann dieses Bild nun zusätzlich mit funktioneller Information eines bestimmten Bereichs versehen werden. Insbesondere bei onkologischen Fragestellungen hilft dies nicht nur bei der anfänglichen Diagnostik, sondern auch bei der Verlaufskontrolle einer nachfolgenden Therapie.
[0006] Ein weiterer Vorteil von MR/PET Systemen ist, dass man bei gewissen Implementierungen die Datenakquise von MR und PET gemeinsam laufen kann. Dies verhindert eine schlechte Korrelation durch zwischenzeitlich erfolgte Deformation oder Bewegung des Patienten und durch unterschiedliche Lagerung. Unter einer gemeinsamen Aufnahme versteht man eine Aufnahme wo die Aufnahme von zwei Bildgebungsmodalitäten mindestens während eines Zeitintervalls überlappen. Z.B. bei einem MR/PET können PET Bilder vor und nach der MR Aufnahme erfasst werden oder sogar simultan mit der MR Aufnahme. Ähnlich kann die MR Aufnahme vor und nach der PET Aufnahme stattfinden oder simultan mit ihr.
[0007] Das Problem der gegenwärtig eingesetzten PET/CT, SPECT/CT oder MR/PET Anlagen ist die ausschließliche Verwendung für diagnostische Fragestellungen, da sie nicht flexibel intraoperativ oder interventionell eingesetzt werden können. [0008] Gleiches gilt es für Anlagen wie diejenige beschrieben in der US Anmeldung 2010/0016765 AI oder im US Patent 6.455.856 wo ein Ultraschall-System in einem stationären SPECT System bzw. in der stationären Gamma-Kamera eingebaut wird.
[0009] Bei einer erfolgten Diagnose und einer nachfolgenden interventionellen Eingriff oder Operation eines Tumors würden zwar die Bilddaten vor der Intervention/Operation zur Verfügung stehen, aber Veränderungen, die nach der Bildgebung und vor der Intervention/Operation auftreten würden natürlich nicht dargestellt werden können. Derartige Veränderungen können erfolgen durch normale Verschiebungen von Organen, andere Lagerungen (z.B. Interventions-/Operationstisch ist gerade, Bett des Diagnosesystems enthält diverse Lagerungshilfen, Diagnose mit den Armen über dem Kopf/Therapie mit den Armen seitlich oder umgekehrt).
[0010] Zudem wäre es wünschenswert, schon während der Intervention/Operation Informationen zum Erfolg der Operation zu bekommen (Tumorgewebe unterscheidet sich optisch nicht zwingend von normalem Gewebe) und um sicherzustellen, dass das gesamte kranke Gewebe entfernt wurde aber andererseits möglichst viel gesundes Gewebe im Körper zu belassen. Dies kann man eigentlich nur dadurch erreichen, dass die Bildgebung auch während der Intervention/Operation zur Verfügung steht. Zudem kann man die Bildinformation natürlich dazu nutzen das Interventions-/Operationsvolumen eindeutig zu markieren und das Interventions-/Operationswerkzeug entsprechend genau zu diesem Volumen zu navigieren.
[0011] Viele andere therapeutische Verfahren unter anderem in der Neurologie und Orthopädie haben ähnliche Probleme, und könnten von solch einem kombinierten System in der direkten Operationsumgebung profitieren.
[0012] Die mangelnde Beweglichkeit der Anlagen ist in sich auch ein Nachteil in der Diagnostik. Oft ist es gewünscht bei älteren oder sehr kranken Patienten Bildaufnahmen (oder sogar Interventionen) am Bett durchzuführen. Auch bei kleineren Krankenhäusern werden oft Anlagen geteilt und dort ist vorteilhaft diese bewegen zu können. [0013] Ein weiteres Problem dieser hybriden Systeme sind die hohen Kosten der Maschinen. Dies ermöglicht ihre Anwendung nur in großen Institutionen oder spezialisierten Zentren. Somit kann nur eine Subgruppe der Patienten diagnostiziert werden.
[0014] Als Alternative zu dieser Art teurer fest installierter/stationärer hybrider Bildgebung wurden in der letzten Zeit Ultraschallsysteme aufgerüstet, um PET/CT oder SPECT/CT Daten zu laden und anzuzeigen. Diese Ultraschallsysteme sind oft mit Positionierungssystemen aufgerüstet, um in Echtzeit die Lage und Orientierung der Ultraschallsonde erfolgen zu können. Über Registrierungsmethoden wie etwa Punktbasierte Registrierung oder intensitätsbasierte Registrierung werden die CT-Daten mit den Ultraschallbildern zugeordnet und somit können, über die bekannten Registrierung von PET oder SPECT zum CT und die berechnete Registrierung vom CT zum Ultraschall äquivalente PET/Ultraschall oder SPECT/Ultraschall Bilder generiert werden. Beispiele von so einem System ist das GE System Logiq E9 oder das System der europäischen Patentanmeldung EP2104919 A2.
[0015] Diese Strategie hat aber immer noch Probleme: Erstens, sie benötigt ein CT, was in sich eine Strahlenbelastung für den Patienten bedeutet, um lediglich die Ultraschallbilder mit den nuklearmedizinischen Bildern zu fusionieren. Zweitens, sind die Aufnahmen von den Funktionsbildern (PET oder SPECT) oft einige Tage vor den Ultraschallbildern aufgenommen, so dass eine Fusionierung der Daten nur bedingt gültig ist. Drittens, mit dem Schritt der Registrierung inkorporieren diese Systeme zwangsmäßig Korrelationsfehler, die eine 100% Fusion der Daten nicht möglich macht.
[0016] Relevant zum Hintergrund dieser Erfindung ist die Freihand SPECT Bildgebung (T. Wendler, A. Hartl, T. Lasser, J. Traub, F. Daghighian, S. I. Ziegler, N. Navab; Towards intra-operative 3D nuclear imaging: reconstruction of 3D radioactive distributions using tracked gamma probes; Proceedings of Medical Image Computing and Computer- Assisted Intervention (MICCAI 2007), Brisbane, Australia, October 29 - November 2 2007, LCNS 4792 (2), pp. 252-260 // T. Wendler, K. Herrmann, A. Schnelzer, T. Lasser, J. Traub, O. Kutter, A. Ehlerding, K. Scheidhauer, T. Schuster, M. Kiechle, M. Schwaiger, N. Navab, S. I. Ziegler, A. K. Buck; First demonstration of 3-D lymphatic mapping in breast Cancer using freehand SPECT; European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging, Springer Berlin/Heidelberg, 2010 Aug;37(8): 1452-61). Sie ermöglicht SPECT-äquivalente Bilder zu generieren, basiert aber auf handgeführten Detektoren, wie etwa einer Gamma Sonde anstatt großer Gamma Kameras, die im konventionellen SPECT benutzt werden. Diese Detektoren werden von einem Positionierungssystem geortet, so dass die Messungen dieser durch eine Position und Orientierung komplementiert werden. Aus den Messungen der Detektoren, ihrer jeweiligen Positionen und Orientierungen werden SPECT Bilder generiert. Die Konzepte vom Freihand SPECT können auch bei Benutzung von Koinzidenzdetektoren, wo mindestens eins dieser handgeführt ist für eine Freihand PET Bildgebung erweitert werden. Freihand-SPECT und PET-Systeme sind kostengünstiger als ihre konventionellen stationären Alternativen.
[0017] In 2009 wurde ein Freihand-SPECT-System aufgerüstet, um zusätzlich eine Ultraschallsonde nachzuführen (T. Wendler, T. Lasser, J. Traub, S. I. Ziegler, N. Navab; Freehand SPECT / ultrasound fusion for hybrid image-guided resection; Proceedings of Annual Congress of the European Association of of Nuclear Medicine - EANM 2009, Barcelona, Spain, October 2009). Durch Kalibrierung war es möglich, die Plausibilität einer Freihand SPECT/Ultraschall Bildgebung zu zeigen.
[0018] Dieser Prototyp hatte das Problem der Sequentialität der Datenerfassung: zuerst wurde ein Freihand SPECT Bild geniert, und erst dann nahm man die Ultraschallbilder auf. Die Bildqualität war nicht besonders gut, da zwischen beiden Aufnahmen Deformation und Bewegungen des Patienten vorkamen. Des Weiteren waren die Anforderungen an der Bildqualität der Freihand SPECT hoch, so dass einer Bildrekonstruktion die nur auf den Gamma-Sonden-Messungen und der Position und Orientierung der Gamma-Sonde nur Auflösungen von > 7mm geschafft hat, und nur große Kontraste sichtbar machen konnte.
[0019] Ähnliche Ideen wurden auch im US Patent 6.512.943 ausgeführt. Dort kombiniert man ein Ultraschallsystem mit zwei Nuklear Strahlung s -Detektoren mechanisch. Aus Messungen der beiden Nuklearstrahlungs-Detektoren kann die Tiefe einer radioaktiven Quelle bestimmt werden. Mit dem Ultraschallbild, die das Ultraschallsystem liefert, kann man dann eine Zuordnung machen, welche Strukturen radioaktiv sind und sogar Biopsien führen. Das Hauptproblem von einem solchen System ist, dass es nur bei der Ortung radioaktiver einzelnen Punktquellen eingesetzt werden kann, da es nur die 3D-Position dieser lediglich aus zwei Werten erfasst. In der US4.995.396 geht es um ein Endoskop, das eine optische Kamera, ein Ultraschallgerät und eine Gamma-Kamera integriert. Das System soll auch die Bilder der Gamma-Kamera zusammen mit den Bildern des Endoskops und des Ultraschalls darstellen können. Dies ist in der Praxis nicht realisierbar, da die Ultraschallbilder Schnittbilder in der Tiefe sind, und die Gamma- Kamera-Bilder Projektionsbilder sind.
[0020] Im US Patent 6.628.984 wird eine handgeführte Gamma Kamera beschrieben, die nachgeführt ist, um tomographische Bilder zu rekonstruieren. Diese Bilder kann man als 3D Nuklear-Bilder wie etwa Freihand-SPECT oder Freihand-PET Bilder verstehen, und können laut den Erfindern auch mit Ultraschallbildern registriert werden. Dieser Ansatz ist im Grunde genommen das gleiche was man in den kommerziellen Ultraschallsystemen implementiert hat, und oben diskutiert wurde. Sie erfasst die Daten sequentiell, und leidet an Problemen bei Bewegungen und Deformationen beim Patienten. Da dieses System ähnlich wie das oben genannte Freihand-SPECT-System der Gruppe um T. Wendler et al. ist, erwartet man bei einer reellen Implementierung auch nur niedrige Auflösungen und schlechten Kontrast.
[0021] Vor dem oben genannten Hintergrund wird ein kombiniertes Nuklear- und Ultraschall- System zur hybriden Bildgebung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur hybriden Bildgebung gemäß Anspruch 9 vorgeschlagen.
[0022] Kurze Beschreibung der Abbildungen
[0023] Im Weiteren soll die Erfindung anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden, aus denen sich weitere Vorteile und Abwandlungen ergeben.
[0024] Abbildung 1 stellt die Verbindungen von unterschiedlichen Bestandteilen der Erfindung gemäß einer Ausführungsform dar.
[0025] Abbildung 2 stellt eine Ausführung der Erfindung dar, wo das Nuklear- Nachführsystem (40) und das Ultraschall-Nachführsystem (50) ein einziges Nachführsystem sind. [0026] Abbildung 3 stellt eine Ausführung der Erfindung dar, die ähnlich wie die der Abbildung 2 ist, aber eine Referenz für einen Gegenstand oder Lebewesen (81) umfasst.
[0027] Abbildung 4 zeigt eine Fixierungsvorrichtung (82) gemäß Ausführungsformen, um den Gegenstand oder das Lebewesen (80) während des Messens der Nuklearstrahlung zu stabilisieren.
[0028] Abbildung 5 zeigt eine weitere Fixierungsvorrichtung (82) gemäß
Ausführungsformen, um den Gegenstand oder das Lebewesen (80) während des Messens der Nuklearstrahlung zu stabilisieren, die auch die Referenz für einen Gegenstand oder
Lebewesen (81) umfasst.
[0029] Abbildung 6 zeigt eine Art und Weise, gemäß Ausführungsformen ein hybrides Bild zu produzieren.
[0030] Abbildung 7 zeigt eine mögliche Schrittfolge einer Datenakquise gemäß
Ausführungsformen der Erfindung.
[0031] Abbildung 8 zeigt eine weitere mögliche Schrittfolge einer Datenakquise gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
[0032] Abbildung 9 präsentiert eine kombinierte Sonde gemäß Ausführungsformen, wo Nuklear-Strahlungs-Detektor und Ultraschall- Sonde in einer Handsonde integriert sind.
[0033] Abbildung 10 präsentiert eine weitere kombinierte Sonde gemäß
Ausführungsformen, wo Nuklear-Strahlungs-Detektor und Ultraschall-Sonde in einer Handsonde integriert sind.
[0034] Abbildung 11 zeigt, wie gemäß Ausführungsformen aus einem Power-Doppler- Utraschall-Bild eine Segmentierung für die Nuklear-Bild-Rekonstruktion errechnet werden kann.
[0035] Abbildung 12 zeigt, wie gemäß Ausführungsformen aus einem B-Modus- Utraschall-Bild eine Segmentierung für die Nuklear-Bild-Rekonstruktion errechnet werden kann. [0036] Abbildung 13 zeigt eine Ausführung der Erfindung, wo alle Komponenten separat ausgeführt sind.
[0037] Abbildung 14 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung, wo das Nuklear- Nachführsystem (40) und das Ultraschall-Nachführsystem (50) ein einziges Nachführsystem sind.
[0038] Bezugszeichen in den Abbildungen
[0039] (10) kombiniertes Nuklear- und Ultraschall-System [0040] (11) hybrides Bild
[0041] (12) Gebiet vom hybrides Bild wo Nuklear-Bild und Ultraschall-Signale überlappen
[0042] (20) handgeführter Nuklearstrahlungs-Detektor
[0043] (21) Nuklear-Detektor-Messungen
[0044] (24) Detektor-Material vom Nuklearstrahlungs-Detektor
[0045] (25) Elektronik vom Nuklearstrahlungs-Detektor
[0046] (26) Abschirmung vom Nuklearstrahlungs-Detektor
[0047] (27) Kollimator vom Nuklearstrahlungs-Detektor
[0048] (30) handgeführte Ultraschall-Sonde
[0049] (31) Ultraschall-Signale
[0050] (32) Ultraschall-Emitter/Detektor
[0051] (35) Elektronik von der Ultraschall- Sonde [0052] (40) Nuklear-Nachfülirsystem
[0053] (41) Nuklear-Detektor- Koordinaten
[0054] (42) Stationärer Teil vom Nuklear-Nachfülirsystem
[0055] (43) Mobiler Teil vom Nuklear-Nachfülirsystem auf Nuklear-Detektor
[0056] (44) Mobiler Teil vom Nuklear-Nachfülirsystem auf Referenz vom Lebewesen oder Gegenstand
[0057] (50) Ultraschall-Nachführsystem
[0058] (51) Ultraschall-Sonden-Koordinaten
[0059] (52) Stationärer Teil vom Ultraschall-Nachfülirsystem
[0060] (53) Mobiler Teil vom Ultraschall-Nachfülirsystem auf Ultraschall-Sonde
[0061] (54) Mobiler Teil vom Ultraschall-Nachfülirsystem auf Referenz vom Lebewesen
[0062] (60) Datenerfassungs-Modul
[0063] (61) komplette Daten
[0064] (70) Bildrekonstruktions-Modul
[0065] (71) 3D-Nuklear-Bild
[0066] (72) Schwächungs-Karte oder Streu-Karte
[0067] (80) Gegenstand oder Lebewesen
[0068] (81) Referenz von einem Gegenstand oder Lebewesen
[0069] (82) Fixierungsvonichtung [0070] (90) Ausgabesystem
[0071] (100) chirurgisches oder interventionelles Instrument Detaillierte Beschreibung der Abbildungen
[0072] Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, von denen einige auch in den Figuren beispielhaft dargestellt sind. Bei der folgenden Beschreibung der Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Komponenten. Im Allgemeinen werden nur Unterschiede zwischen verschiedenen Ausführungsformen beschrieben. Hierbei können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform beschrieben werden, auch ohne weiteres im Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden, um noch weitere Ausführungsformen zu erzeugen.
[0073] In Ausführungsformen wird unter anderem ein Hybridsystem aus einem nuklearmedizinischem System und einem Ultraschallsystem vorgeschlagen, das die Vorteile der Nuklearmedizin (funktionelle Diagnostik vor Allem von Tumorherden, Möglichkeit zur flexiblen und individuellen Handhabung über handgeführte Detektoren, keine Magnetfelder und damit Nutzung von sensitiven elektronischen Peripheriesystemen) und des Ultraschall (exzellenter Weichteilkontrast, sehr hohe Ortsauflösung, Flexibilität, niedrige Kosten) auf einem gemeinsamen System vereinigt. Beide Bildmodalitäten können in einer gemeinsamen Datenakquise aufgenommen werden, und verbunden werden, und somit die Möglichkeit für eine Kompensation von Bewegung und Deformation, insbesondere bei sequentiellen Aufnahmen, geschaffen.
[0074] Bei dem vorgeschlagenen System und Verfahren gemäß Ausführungsformen handelt es sich um die Kombination von einem Freihand-nuklearmedizinischen System (wie etwa Freihand-SPECT oder Freihand-PET) und einem Ultraschallsystem, die ein gemeinsames Referenzsystem verwenden. Dafür werden ein Nuklear-Strahlungs-Detektor und eine Ultraschall- Sonde funktionell verbunden, wobei die Position und Orientierung des Nuklear-Strahlungs-Detektors und der Ultraschall-Sonde durch jeweils ein Positionierungs- System in Echtzeit erfasst werden. Aus den Messungen (erfasste Strahlung und Ultraschall- Signale) beider Systeme und die Information der Position und Orientierung des Strahlungs- Detektors und der Ultraschall-Sonde zu der gemeinsamen Referenz werden 3D tomographische Bilder der Strahlungsverteilung in einem Lebewesen oder Gegenstand generiert. Diese Bilder werden des Weiteren mit den Ultraschall-Signalen gemeinsam in Form von einem hybriden Bild visualisiert.
[0075] Eine Kombination von Nukleardetektion und Ultraschalldetektion, wie oben skizziert, ermöglicht Funktionsdaten (wie etwa Freihand SPECT oder Freihand PET Bilder) und anatomische Bilder (wie etwa generiert aus den Ultraschallsignalen) gemeinsam und in Echtzeit oder quasi-Echtzeit zu akquirieren, rekonstruieren und visualisieren. Mit solch einem System kann man die Datenakquise und Visualisierung in einem Schritt machen, d.h. man kann die Bilder der unterschiedlichen Modalitäten gemeinsam innerhalb wenigen Sekunden voneinander aufnehmen, oder sogar gleichzeitig, wenn man Ultraschall-Sonde und Nuklear- Strahlungs-Detektor gleichzeitig benutzt werden oder wenn beide in einer Sonde integriert sind. Des Weiteren ist zu erwarten, dass die Kosten der Implementierung eines solchen Systems deutlich niedriger sind, als die Kosten eines PET/CT, SPECT/CT oder MR/PET.
[0076] Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind geeignet, durch die beinhaltete 3D-Bildrekonstruktion (im Sinne von Freihand-SPECT oder Freihand-PET) das Problem zu lösen, die Bilder der Gamma- Kamera zusammen bzw. kombiniert mit den Bildern des Endoskops und des Ultraschalls darstellen zu können. In Ausführungsbeispielen ist das Nuklear-Bild ein 3D-Bild, was ermöglicht, aus dem Ultraschall-Schnittbild und der sonst projektiven nuklearen Information eine Fusion bzw. Überlagerung stattfinden zu lassen. Fest installierte bzw. stationäre 3D-nuklearmedizinische Bildgebungsgeräte (wie etwa SPECT, PET oder ihre Kombinationen mit CT und MR) kommen dabei für die Verwendung in Ausführungsbeispielen der Erfindung in der Regel nicht in Frage, da sie nicht flexibel für intraoperative oder interventionelle Benutzung sind und zudem keine gemeinsame Datenakquise von Ultraschall und Nuklear-Detektor-Messungen aufgrund ihrer Konstruktion (als Gantry) ermöglichen.
[0077] Im Zusammenhang dieser Veröffentlichung wird der Begriff „Bild" so verstanden, dass es für mindestens ein Bildsegment des Bildes Informationen zur Verteilung von einer nuklearen Quelle und Information aus einem Ultraschallsignal als Funktion der Position beinhaltet sind. D.h. eine Zuordnung H (x,y,z), bei welcher in einem Gebiet im Raum für die Koordinaten x,y,z die Zuordnung H mindestens zwei Werte umfasst, und dabei mindestens eine Radioaktivitätsdichte und eine Echogenität (Wert eines Ultraschallbilds) angibt.
[0078] Insbesondere folgende Aspekte sind bei der Realisierung von Ausführungsformen der Erfindung zu beachten. Auf der einen Seite ist die Qualität der Bilder einer Freihandnuklearmedizinischen Bildgebung stark vom Benutzer abhängig. Sie benötigt aus diesem Grund im allgemeinen ein Auswertesystem, das bevorzugt kontinuierlich die Qualität des Nuklear-Bilds berechnet und darauf basierend entscheidet, ob die aktuelle Datenbasis zur Darstellung gemäß definierter bzw. gewünschter Qualität ausreicht. Alternativ und empfehlenswert ist die Benutzung von einem (z.B optischen oder akustischen) Anweisungssystem für den Benutzer, so dass der Benutzer anhand der Anweisung die Qualität des entstehenden Nuklear-Bildes optimieren kann. Dafür werden in der Erfindung Soll-Position und Orientierung des Nuklearstrahlungs-Detektors (20) zur Berechnung von mindestens einem Nuklear-Bild-Qualitätswert benutzt, bevorzugt in kontinuierlicher Weise. Des Weiteren wird darauf basierend eine Anweisung an den Benutzer, oder gegebenenfalls an einem Roboter, der den Detektor führt, bevorzugt kontinuierlich gegeben - um eine Bewegung des Nuklearstrahlungs-Detektors an die Soll-Position(en) und die Orientierung(en) zu erreichen, die eine Optimierung des Qualitätswert erlauben bzw. erzielen.
[0079] Auf der anderen Seite wirken eine nicht-eindimensionale Bewegung und/oder eine Deformation des Gegenstandes oder Lebewesens (80) während des Messens potenziell sehr negativ auf die Qualität des erzielten Nuklear-Bildes. Die vorliegende Erfindung implementiert in manchen Ausführungen ein oder mehrere Fixierung s Vorrichtungen (82), so dass der Gegenstand oder das Lebewesen (80) ortsfest stabil während des Messens bleibt. Auf diese Weise kann die Qualität des Nuklear-Bildes gewährleistet werden.
[0080] In Abbildung 1 sind die Verbindungen der unterschiedlichen Bestandteile von Ausführungsformen der Erfindung graphisch dargestellt. Der Nuklear-Detektor (20) detektiert Strahlung die in Form von Nuklear-Detektor-Messungen (21) an den Datenerfassungs-Modul (60) geschickt werden. Diese Detektor-Messungen können einzelne Strahlungs-Werte wie etwa beim Fall, dass der Strahlungs-Detektor eine Gamma-Sonde ist. In diesem Fall sind die einzelne Strahlungs-Werte alle Gamma-Photonen innerhalb eines Energiefensters in einem Zeitintervall von einer Sekunde, d.h. die sogenannte Zählrate (engl,„counts per second" oder CPS). Die Detektor-Messungen können aber auch 2D Bilder sein, wie etwa im Falle, dass der Nuklear-Strahlungs-Detektor eine handgeführte Gamma-Kamera ist. Die Gamma-Kamera- Bilder würden die Zählrate von jedem Pixel der Kamera angeben.
[0081] Die Position und Orientierung vom Nuklear-Detektor (20), d.h. die Nuklear- Detektor- Koordinaten (41) werden von dem Nuklear-Nachführsystem (40) erfasst. Diese sind üblicherweise ein Vektor mit einer 3D Position und 3 Euler- Winkel. Alternativ kann man auch ein 4D Quaternion um die 3 Euler- Winkel nummerisch stabiler darzustellen.
[0082] Beide, die Detektor- Messungen (21) und Nuklear-Detektor- Koordinaten (41) werden vom Datenerfassungs-Modul (60) erfasst. In einer Ausführung der Erfindung kann das Datenerfassungs-Modul (60) diese Daten synchronisieren. Somit kann jeder Detektor- Messung eine Nuklear-Detektor-Koordinate zugeordnet werden. Eine mögliche Implementierung diesem ist die Benutzung von Tabellen, wo alle erfassten Daten gespeichert werden und dann Zuordnungs-Algorithmen, jeder Detektor-Messung die am Nächsten liegende Nuklear-Detektor-Koordinate zuordnet.
[0083] Die Nuklear-Detektor-Messungen (21) und Nuklear-Detektor- Koordinaten (41) können in einer weiteren Ausführung der Erfindung durch eigenen Zeitstempeln einer gemeinsamen Uhr, von eigenen Uhren mit bekannten Zeitunterschieden oder nach Annahme einer bekannten Übertragungsverzögerung zu einander zugeordnet werden. Alternativ können diese Daten in einem sogenannten Ring-Buffer mit den eigenen Zeitstempeln oder neue Zeitstempeln, die vom Datenerfassungs-Modul (60) gegeben werden, gespeichert werden und bei Bedarf zugeordnet werden. Das„Ring" im Nahmen kommt aus der Tatsache, dass alte Messungen ab einem bestimmten Zeitpunkt überschrieben werden.
[0084] Eine weitere Ausführung der Erfindung kann Interpolations-Algorithmen, wie etwa lineare Interpolations-Algorithmen oder kubische Interpolations-Algorithmen oder Filter in der Zeit Domäne, wie etwa Kaiman Filter oder Partikel-Filter, für eine bessere Zuordnung von Detektor-Messungen (21) und Nuklear-Detektor- Koordinaten (41) benutzen.
[0085] Auf der Seite vom Ultraschall, liefert die Ultraschallsonde (30) Ultraschall- Signale (31) wie etwa lineare Messungen (A-Modus-Ultraschall), 2D Bilder (B-Modus- Ultraschall), 2D Doppler-Bilder (normales Doppler, Power-Doppler, etc), Elastographie- Bilder oder 3D Bilder, u.a. [0086] Die Position und Orientierung von der Ultraschallsonde (30) wird auch von einem Nachführsystem erfasst, und zwar das Ultraschall-Nachführsystem (50).
[0087] Die Ultraschall-Signale (31) und die Ultraschall-Sonden-Koordinaten (51) werden auch zum Datenerfassungs-Modul (60) geschickt und können in einer Ausführung der Erfindung mit den Nuklear-Detektor-Messungen (21) und den Nuklear-Detektor- Koordinaten (41) synchronisiert werden.
[0088] In einer weiteren Ausführungsform kann das Datenerfassungs-Modul (60) alle Daten die vom Datenerfassungs-Modul (60), diese Daten zusammen als„komplette Daten" (61) bezeichnet, vorbearbeiten, wie etwa durch der Benutzung von Filtern, um eindeutige „Outliers" oder unterschiedliche bekannte Rauschsignale aus den kompletten Daten (61) zu beseitigen.
[0089] Die kompletten Daten (61), ob vorverarbeitet, synchronisiert oder unberührt, werden dann zum Bildrekonstruktions-Modul (70) geschickt. Dieses Modul hat in Ausführungsbeispielen mehrere Aufgaben:
[0090] 1. Es kann ein Volumen für die Bildrekonstruktion bestimmen. Dieses kann vorbestimmt sein, aber kann auch aus den Nuklear-Detektor- Koordinaten (41) und den Ultraschall-Sonden-Koordinaten (51) berechnet werden, indem man akkumuliert welche 3D Positionen am häufigsten von dem Nuklear-Detektor (20) und/oder der Ultraschall- Sonde (30) erfasst wurden. Dafür ist eine Kalibrierung der beiden Handteile nötig, um zuordnen zu können, wo das Gesichtsfeld der beiden Handteile sich befinde jeweils relativ zu den Elementen die von den jeweiligen Nachführsystemen erfasst werden. Weitere Methoden das Volumen für die Bildrekonstruktion zu berechnen können in der deutschen Anmeldung 102011053708.2 von einem der Erfinder dieser Erfindung gefunden werden.
[0091] 2. Es kann die Information in den Ultraschall-Signalen (31) und den Ultraschall- Sonden-Koordinaten (51) benutzen, z.B. in einer Ausführung um eine Schwächungs-Karte zu bestimmen. Eine Schwächungs-Karte kann später bei der Bildrekonstruktion benutzt werden. Das Bildrekonstruktions-Modul (70) kann in einer anderen Ausführung auch aus n Ultraschall-Signalen (31) und den Ultraschall-Sonden-Koordinaten (51) eine Streuungs-Karte berechnen. Andere Aufgaben von dem Bildrekonstruktions-Modul (70) können die Segmentierung von Organen oder Teile davon, die Kompensation von Bewegungen, usw.
[0092] 3. Es kann dann ein Nuklear-Bild (71) aus den Nuklear-Detektor-Messungen (21) und den Nuklear-Detektor- Koordinaten (41) in Betracht der aus den Ultraschall-Signalen (31) und Ultraschall-Sonden-Koordinaten (51) gewonnen Information rekonstruieren (wie etwa Schwächungs-Karten, Streuungs-Karten, Segmentierung von Organen, geschätzte Bewegungen und/oder Deformationen, etc.). Zum Errechnen des Nuklear-Bildes (71) kann das Nuklear-Bildrekonstruktionsmodul (70) übliche Methoden der Bildrekonstruktion benutzen, wie etwa iterative Bildrekonstruktions-Methoden. Eine Vorbearbeitung der Eingangsdaten oder eine Nachbearbeitung der rekonstruierten Bilddaten können auch im Nuklear-Bildrekonstruktionsmodul (70) implementiert werden. Beispiele solcher Vorbearbeitungsmethoden sind Plausibilitätsmethoden, die nicht plausible Messungen detektieren, Filtermethoden, die potentielle Rauschen in den Aufnahmen glätten, Informations-Berechnungsmethoden, die das Gebiet berechnen, wo das Errechnen des Nuklear-Bilds hinreichende Information hat, etc. Details wie eine solches Nuklear-Bild errechnet werden kann und wie solche Filter angewendet werden können, kann man in der deutschen Anmeldungen 102008025151 von einer Subgruppe der Erfinder dieser Erfindung finden. Weitere Details sind auch in der deutschen Anmeldung 102011053708.2 von eins der Erfinder dieser Erfindung.
[0093] Abbildung 2 zeigt Ausführungsformen der Erfindung, bei denen das Nuklear- Nachführungs-System (40) und das Ultraschall-Nachführungs-System (50) das gleiche System sind.
[0094] Hier ist das Nuklearstrahlungs-Detektor (20) eine konventionelle Gamma-Sonde, die Gamma-Strahlung im Energiebereich 27-364 keV erfasst und eine laterale Abschirmung hat, so dass im Grunde genommen nur Strahlung aus einem engen Kegel in Richtung der Hauptachse der Gamma-Sonde gemessen wird. Die Nuklear- Messungen sind Zählraten in CPS.
[0095] Der Nuklearstrahlungs-Detektor (20) wird durch ein optisches passives Lokalisationssystem nachverfolgt, hier die Ausführung des Nuklear-Nachführsystems (40). Das Nuklear-Nachführsystem (40) besteht aus einem stationären Nachführsystem- Teil (42), hier z.B. zwei Infrarotkameras mit synchronisierten Infrarot-LEDs und einem beweglichen Nachführsystem-Teil, hier z.B. Infrarot-Reflektoren auf dem Nuklear-Detektor (43) und auf der Ultraschall-Sonde (54).
[0096] Diese Abbildung zeigt relativ klar, wie die unterschiedlichen Koordinaten in einem gemeinsamen Koordinaten-System, das Koordinaten-System des hybriden-Bildes konvertiert werden. Durch Kalibration oder aus mechanischen Zeichnungen kann man die Transformation (z.B. eine 4x4 Transformationsmatrix, wenn man homogene Koordinaten benutzt) von den Infrarot-Reflektoren auf dem Nuklear-Detektor (43) zum Detektor-Material vom Nuklearstrahlungs-Detektor (24) bestimmen - Transformation Tl.
[0097] Die Transformation vom Nuklear-Nachführungs-System (40) zu den Infrarot- Reflektoren auf dem Nuklear-Detektor (43) - Transformation T2 - wird in Echtzeit vom Nuklear-Nachführungs-System (40) bestimmt.
[0098] Ähnlich wie beim Nuklear-Detektor (20) wird vom Nuklear-Nachführungs- System (40), das in dieser Ausführung gleich mit zum Ultraschall-Nachführungs-System (50) ist, auch die Ultraschall- Sonde (30) nachgeführt. Dafür wird diese mit Infrarot-Reflektoren (54) aufgerüstet. Somit kann auch die Transformation T3 - vom Nuklear-Nachführungs- System (40) zu den Infrarot-Reflektoren auf der Ultraschall-Sonde (44) bestimmt werden.
[0099] Durch Ultraschall-Kalibrations-Methoden wie etwa eine „Single-Wall- Calibration" oder eine Raster-basierte Kalibrierung kann die Transformation von den Infrarot- Reflektoren auf der Ultraschall-Sonde (54) zur Ebene vom Ultraschall-Bild (das Ultraschall- Signal (31) in dieser Ausführung) bestimmen - Transformation T4.
[00100] Somit kann man die Nuklear-Detektor- Messungen (21) und die Ultraschall- Signale (31) in einem beliebigen gemeinsamen Koordinaten-System konvertieren. Dort können sie dann benutzt werden, um ein hybrides Bild zu rekonstruieren.
[00101] Abbildung 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung wie in Abbildung 2 mit dem Unterschied, dass man eine Referenz für den Gegenstand oder Lebewesen (81) benutzt wird. Diese Referenz wird vom gemeinsamen Nachführsystem nachgeführt, so dass die Transformation vom Nuklear-Nachführungs-System (40) zu den Infrarot-Reflektoren auf der Referenz für den Gegenstand oder Lebewesen (45) - Transformation T5 - vom Nachführsystem bestimmt wird.
[00102] Durch Kalibration oder Algorithmen zum Berechnen des Volumens, wo das hybride Bild rekonstruiert wird (wie etwa in der Beschreibung von Abb. 1) kann auch T6 bestimmt werden. Somit können die kompletten Daten (61) in einem gemeinsamen Koordinaten-System konvertiert werden.
[00103] Die Benutzung von einer Referenz (82) für den Gegenstand oder das Lebewesen
(81) bringt Vorteile. Z.B. kann sich der Gegenstand oder das Lebewesen (80) rigid bewegen, ohne dass neue Daten aufgenommen werden müssen. Des Weiteren kann sich das Nachführ- System auch bewegen, ohne die Validität der bisherig erfassten Daten zu verlieren.
[00104] Abbildung 4 zeigt eine Fixierungsvorrichtung (82), um den Gegenstand oder das Lebewesen (80) in Ausführungsbeispielen stabil ortsfest während des Messens der Nuklear- Strahlung zu halten. Nicht-rigide Bewegungen und Deformationen werden mit der Benutzung der Referenz (81) für den Gegenstand oder das Lebewesen (80) nicht kompensiert. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, den Gegenstand oder das Lebewesen (80) während des Messens der Nuklear-Strahlung stabil ortsfest zu halten. Des Weiteren kann die Fixierung s Vorrichtung
(82) auch den Gegenstand oder das Lebewesen nach dem Messen der Nuklear-Strahlung stabil halten. Dies ermöglicht u.a. unterschiedliche Schnitte durch das hybride Bild zu generieren, um z.B. bestimmte Regionen genauer zu untersuchen. Ein weiterer Vorteil ist, dass weitere Nuklear-Strahlungsdaten gemessen werden können, im Falle, dass die bisherige Auflösung des Nuklear-Bildes (71) an bestimmten Stellen erhöht werden muss oder soll.
[00105] Abbildung 5 zeigt eine Fixierung s Vorrichtung (82), die auch die Referenz für einen Gegenstand oder Lebewesen umfasst. Dies hat den Vorteil, dass die Referenz für den Gegenstand oder Lebewesen nicht unbedingt an dem Gegenstand oder Lebewesen (80) befestigt werden muss (wie etwa in Abb. 4 dargestellt), und somit nicht-rigide Bewegungen und Deformationen der Oberfläche des Gegenstands oder Lebewesens (80), die die Qualität des Nuklear-Bildes (71) erniedrigen könnten, minimiert werden. Auch aus hygienischen Gründen kann dies vorteilhaft sein. [00106] Die Fixierungsvorrichtung (82) kann ausgewählt werden, aus der Gruppe bestehend aus: a. mechanischen Halterungen, b. Vakuumkissen, c. an der Oberfläche oder einem Teil dieser vom Gegenstand oder Lebewesen (80) maßgeschneiderten rigiden Masken, d. Materialien die unter elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen Feldern fest werden, jedoch in ihrer Abwesenheit verformbar sind, e. Materialien die in einem Temperatur oder Druckbereich fest werden, jedoch außerhalb dieser verformbar sind, f. oder einer Kombination dieser Fixierungsvorrichtungen.
[00107] Abbildung 6 zeigt eine Art und Weise, gemäß Ausführungsformen aus einem rekonstruierten 3D Nuklear-Bild (71) und ein 2D Ultraschall-Bild ein hybrides Bild zu generieren. In dieser Ausführung wird das 3D Nuklear-Bild (71) und ein Ultraschall-Bild (hier die Ausführung der Ultraschall-Signale (31)) in gleichen Koordinaten konvertiert. Die Ebene des Ultraschall-Bildes wird dann mit dem Volumen des 3D-Nuklear-Bildes geschnitten. Aus der Intersektion des Nuklear-Bildes und der Ultraschall-Signale (12) wird ein 2D-Nuklear-Bild generiert, dass dann auf dem Ultraschall-Bild überlagert werden kann. Das resultierende Bild ist somit ein 2D-Ultraschall-Bild (z.B. in grauen Farben) auf welchem im Bereich der Intersektion des Nuklear-Bildes und der Ultraschall-Signale (12) z.B. farblich (in Abb. 6 aus technischen Gründen in Graustufen dargestellt) die Radioaktivität- Verteilung des 3D-Nuklear-Bild (71) überlagert wird.
[00108] Abbildung 7 zeigt eine Schrittfolge wie Ausführungsformen der Erfindung benutzt werden können. In einem ersten Schritt wird durch bewegen der Ultraschall-Sonde (30) eine Ultraschall-Aufnahme gemacht. Anschließend, ohne das Lebewesen oder Gegenstand (80) zu bewegen, wird in dieser Ausführung den Nuklear-Detektor bewegt und werden Nuklear-Detektor-Messungen aufgenommen. In dieser Ausführung ist der Nuklear- Detektor ein Detektor, der Strahlung im Energiebereich 27-364 keV erfasst, so dass man bei der resultierende Nuklear-Bildgebung von Freihand SPECT sprechen kann. Bevor die Nuklear-Detektor-Messungen weiter benutzt werden, wird in der vorgeschlagenen Schrittfolge eine zweite Ultraschall-Aufnahme gemacht. Sie dient dazu Deformationen und Bewegungen des Lebewesens oder Gegenstandes (80) zu detektieren und entsprechend dieser können die Nuklear-Detektor- Koordinaten angepasst werden, um diese Deformation und Bewegungen zu kompensieren. Am Ende der Schrittfolge wird ein 3D-Nuklear-Bild (71) mit der Information der Deformation und Bewegung rekonstruiert und anschließend werden die Ultraschall-Signale und das 3D-Nuklear-Bild fusioniert dargestellt.
[00109] Abbildung 8 zeigt eine weitere Schrittfolge, wo im Kontrast zu der Schrittfolge von Abbildung 7, die Ultraschall- Aufnahme und die Freihand-SPECT- Aufnahme parallel laufen. Dies ist möglich, wenn man den Nuklear-Detektor (20) und Ultraschall-Sonde (30) entweder gleichzeitig bewegt, oder sie mechanisch koppelt. Zwei mögliche Implementierungen dieser mechanischen Koppelung sind in Abbildungen 7 und 8 zu sehen.
[00110] Abbildung 9 zeigt ein mechanisch gekoppeltes Nuklear-Detektor- Ultraschall- Sonde-Paar gemäß Ausführungsformen. In einem Gehäuse werden an der einen Seite Ultraschall-Emitter/Detektoren (32), wie etwa piezoelektrische Kristalle angelegt. Diese können Ultraschall-Bilder im Zusammenhang mit einer Ultraschall-Elektronik (35) und einer Rechnereinheit (nicht in der Abbildung) generieren. Hinter der Ultraschall-Emitter/Detektoren (32) wird ein Kollimator (27) eingebaut, die nur Nuklear-Strahlung von einer Richtung in das Detektor-Material vom Nuklear Strahlung s -Detektor (24) durchlässt. Seitenabschirmung wird durch eine Abschirmung vom Nuklearstrahlungs-Detektor (26) erreicht. Die Nuklear- Strahlung die bis zum Detektor-Material (24) kommt wird dann detektiert und das resultierende Signal von der Elektronik vom Nuklearstrahlungs-Detektor (26) in Nuklear- Detektor-Messungen (21) bearbeitet.
[00111] Abbildung 10 zeigt eine weitere Ausführungsform von einem mechanisch gekoppelten Nuklear-Detektor-Ultraschall-Sonde-Paar. Hier ist das Gehäuse viel kleiner als in der Ausführung von Abbildung 9. Der Nuklear-Detektor (20) ist sogar ein„OD" Detektor. Die Ultraschall- Sonde (30) besteht hier aus einem Ring von Ultraschall-Emitter/Detektoren, die um den Kollimator (27) und dem Material des Nuklear-Detektors (24) platziert sind. [00112] Abbildung 11 zeigt wie man Information aus einem Ultraschall-Signal (31), hier ein Power-Doppler-Ultraschall-Bild, gemäß Ausführungsformen gewinnen kann, die dann in der Bildrekonstruktion benutzt werden kann. Die Information ist hier eine Segmentierung von Gebieten wo Blut sich befindet (72a) und wo Weichgewebe sind befindet (72b). Diese Information kann als a priori Information in der Bildrekonstruktion benutzt werden. Details wie man a priori Information in der Bildrekonstruktion einfließen kann, sind in der deutschen Anmeldung 102008025151 von einer Subgruppe der Erfinder dieser Erfindung und in der deutschen Anmeldung 102011053708.2 von einem der Erfinder dieser Erfindung gefunden werden.
[00113] Abbildung 12 zeigt, wie man andere Information gemäß Ausführungsformen aus einem Ultraschall-Signal (31), hier ein B-Modus-Ultraschall-Bild, gewinnen kann. In diesem Fall wird das B-Modus-Ultraschall-Bild bearbeitet und durch passende„Look-up-tables", welche die Echogenität zu einer Röntgenschwächung zuordnen, zu einer Schwächungs-Karte konvertiert. Eine mögliche Bearbeitung kann eine Segmentierung von Geweben sein, wo auch a priori Wissen, z.B. wie die in Betracht kommende Anatomie, im Ultraschall aussieht, und welche Variabilitäten der Anatomie (etwa in Form, Echogenität, Größe, usw) erwartet werden können. Die Methoden diese Segmentierung durchzuführen, werden in dieser Erfindung nicht weiter präzisiert und als bekannt vorausgesetzt. Aus der Segmentierung resultieren somit unterschiedliche Regionen (72a, 72b, 72c, 72d) mit unterschiedlichen Schwächungen. Diese Schwächungskarte kann dann in der Bildrekonstruktion benutzt werden. Entsprechende Details, wie man Schwächungs-Karten in die Bildrekonstruktion einfließen lassen kann, sind prinzipiell etwa in der deutschen Anmeldung 102008025151 und in der deutschen Anmeldung 102011053708.2 beschrieben worden.
[00114] Abbildung 13 zeigt praktische Implementierungen von Ausführungsformen der Erfindung. Ein Nuklear-Detektor (20), hier eine kabellose Gamma-Sonde, schickt Nuklear- Detektor-Messungen (21) an das Datenerfassungs-Modul (60), dass hier in 2 aufgeteilt ist (60a und 60b). Des Weiteren erfasst das Nuklear-Nachführ-System (40) mittels eines optischen Kamera-System (42) und passiven Reflektoren auf dem Nuklear-Detekor (43) und auf der Referenz vom Gegenstand oder Lebewesen (44) die Nuklear-Detektor-Koordinaten und Referenz-Koordinaten. Ein elektromagnetisches Nachführ- System, hier das Ultraschall- Nachführ-System (50), besteht aus einem Feldgenerator (52) und elektromagnetischen Sensoren auf der Ultraschall-Sonde (53) und der Referenz vom Gegenstand oder Lebewesen (54). Die Ultraschall-Signale (31), sowie die Ultraschall-Sonde-Koordinaten (51) und Referenz-Koordinaten werden vom Daten-Erfassungs-Modul (60) erfasst. Die kompletten Daten werden dann am Rekonstruktions-Modul (70) geschickt und nach der Bildrekonstruktion an der Anzeige (90) dem Benutzer angezeigt.
[00115] Abbildung 14 zeigt eine vereinfachte Variante vom System von Abbildung 13. Hier ist der Nuklear-Detektor (20) eine handgeführte Gamma-Kamera die keine Störeffekte auf das elektromagnetische Nachführ-System hat und somit von diesem nachgeführt werden kann. Das Nuklear-Nachführ-System (40) und das Ultraschall-Nachführ-System (50) sind in dieser Ausführung nur eins.
[00116] Gemäß Ausführungsformen wird ein kombiniertes Nuklear- und Ultraschall- System zur hybriden Bildgebung (10) vorgeschlagen. Es umfasst
einen handgeführter Nuklearstrahlungs-Detektor (20),
eine handgeführte Ultraschall-Sonde (30),
- ein Nuklear-Nachführsystem (40) zum Nachführen des Nuklearstrahlungs- Detektors (20) während des Messens einer Nuklearstrahlung und zum Erhalten von Nuklearstrahlungs-Detektor-Koordinaten, die eine Position des nachgeführten Nuklearstrahlungs-Detektors in Relation zu einem Bildkoordinatensystem eines hybriden Bildes repräsentieren,
- ein Ultraschall-Nachführsystem (50) zum Nachführen der Ultraschall-Sonde (30) während der Aufnahme von Ultraschall-Signalen, so dass Ultraschall- Sonden-Koordinaten erhalten werden, die eine Position der nachgefühlten Ultraschall-Sonde in Relation zu einem Bildkoordinatensystem eines hybriden Bildes repräsentieren, und
- ein Datenerfassungs-Modul (60), das Nuklearstrahlungs-Detektor-Messungen, Nuklearstrahlungs-Detektor-Koordinaten, die Ultraschall-Signale vom Ultraschall-System (50), und Ultraschall-Sonden-Koordinaten erfasst und mit einem Bildkoordinatensystem eines hybriden Bilds zusammenbringt, und
- ein Nuklear-Bildrekonstruktionsmodul (70) zum Rekonstruieren eines Nuklear- Bildes aus Nuklearstrahlungs-Detektor-Messungen, Ultraschall-Signalen, Nuklearstrahlungs-Detektor- Koordinaten und Ultraschall-Signal-Koordinaten in dem Bildkoordinatensystem eines hybriden Bildes. [00117] Gemäß Ausführungsformen können das Nuklear-Nachführsystem (40) und das Ultraschall-Nachführsystem (50) Teil des gleichen Nachführsystems sein.
[00118] Gemäß Ausführungsformen sind der Nuklearstrahlungs-Detektor (20) und die Ultraschall- Sonde (30) in einer Handsonde integriert.
[00119] Gemäß Ausführungsformen ist das Nuklear-Nachführsystem (40) und das Ultraschall-Nachführsystem (50) jeweils ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus:
- optischen passiven Lokalisations Systemen,
- optischen aktiven Lokalisationssystemen,
- elektromagnetischen Lokalisationssystemen,
- mechanischen Lokalisationssystemen,
- Beschleunigungssensor- oder Gyroskop- basierten Lokalisationssystemen,
- Schall- oder Ultraschalllokalisationssystemen,
- radioaktiven Lokalisationssystemen,
- RF-basierten Trackingsystemen, oder
- einer Kombination mehrerer dieser Lokalisationssysteme.
[00120] Gemäß Ausführungsformen kann ein kombiniertes Nuklear- und Ultraschall- System zur hybriden Bildgebung (10) weiter umfassen ein Referenzelement (81), das an einem Gegenstand oder Lebewesen (80) fixiert ist, und/oder an einem anderen Element fixiert ist, welches relativ zu dem Gegenstand oder Lebewesen (80) fixiert ist, wobei das Referenzelement (81) vom Nuklear-Nachführsystem (40) und vom Ultraschall- Nachführsystem (50) nachgeführt werden.
[00121] Gemäß Ausführungsformen kann ein kombiniertes Nuklear- und Ultraschall- System zur hybriden Bildgebung (10) weiter ein Auswertesystem umfassen, welches eine Soll-Position und Orientierung des Nuklearstrahlungs-Detektors (20) berechnet aus mindestens einem Nuklear-Bild-Qualitätswert, der aus vorherigen Nuklearstrahlungs- Detektor-Messungen und Nuklearstrahlungs-Detektor-Koordinaten kontinuierlich berechnet wird, und ein Ausgabesystem (90) zum Ausgeben einer Anweisung zum Bewegen des Nuklear Strahlung s -Detektors an die Soll-Position und Orientierung an einen Benutzer und/oder Roboter.
[00122] Gemäß Ausführungsformen kann ein kombiniertes Nuklear- und Ultraschall- System zur hybriden Bildgebung (10) weiter umfassen: eine Schnittstelle zum Empfangen von:
-Daten zur Oberfläche des abzubildenden Gegenstands oder Lebewesens (80),
- Daten zur Gewichtsverteilung des abzubildenden Gegenstands oder Lebewesens (80), oder
- A-priori-Bildinformationen des Gegenstands oder Lebewesens (80).
[00123] Gemäß Ausführungsformen kann ein kombiniertes Nuklear- und Ultraschall- System zur hybriden Bildgebung (10) weiter ein chirurgisches oder interventionelles Instrument (100) umfassen, das vom Nuklear-Nachführsystem (40), vom Ultraschall- Nachführsystem (50), oder von beiden Nachführsystemen nachgeführt wird.
[00124] Ausführungsformen betreffen ein Verfahren zur hybriden Bildgebung, umfassend:
- die Detektion von nuklearer Strahlung,
- das Nachführen eines Nuklearstrahlungs-Detektors (20) während des Messens einer nuklearen Strahlung, so dass Nuklearstrahlungs-Detektor-Koordinaten erhalten werden, die eine Position des nachgeführten Nuklearstrahlungs- Detektors in Relation zu einem Bildkoordinatensystem eines hybriden Bildes repräsentieren,
- die Aufnahme von Ultraschall-Signalen,
- das Nachführen der Ultraschall- Sonde (30) während der Aufnahme von Ultraschall-Signalen, so dass Ultraschall-Signal-Koordinaten erhalten werden, die eine Position der nachgeführten Ultraschall-Sonde in Relation zu einem Bildkoordinatensystem eines hybriden Bildes repräsentieren,
- die Erfassung von Nuklearstrahlungs-Detektor-Messungen, den Nuklearstrahlungs-Detektor-Koordinaten, Ultraschall-Signale und den Ultraschall-Signal-Koordinaten, und Zusammenbringen mit dem Bildkoordinatensystem des hybriden Bildes, und - die Rekonstruktion eines Nuklear-Bildes aus Nuklearstrahlungs-Detektor- Messungen, Ultraschall-Signalen, Nuklearstrahlungs-Detektor- Koordinaten und Ultraschall-Sonden-Koordinaten in dem Bildkoordinatensystem eines hybriden Bildes.
[00125] Gemäß Ausführungsformen kann das Verfahren zur hybriden Bildgebung weiter umfassen: das Berechnen der Soll-Position und Orientierung des Nuklearstrahlungs-Detektors und das nachfolgende Ausgeben einer Anweisung zum Bewegen des Nuklearstrahlungs- Detektors an die Soll-Position und Orientierung an einen Benutzer oder Roboter.
[00126] Gemäß Ausführungsformen kann das Verfahren zur hybriden Bildgebung weiter die Benutzung von Information mindestens einer der folgenden zur Rekonstruktion eines Nuklearbilds umfassen:
- der Position der Referenz (80),
- der Oberfläche des abzubildenden Gegenstands oder Lebewesens (80),
- der Gewichtsverteilung des abzubildenden Gegenstands oder Lebewesens (80), oder
- der a-priori-Bildinformation des Gegenstands oder Lebewesens (80). in der Berechnung des dreidimensionalen Nuklearbildes.
[00127] Gemäß Ausführungsformen kann das Verfahren zur hybriden Bildgebung weiter umfassen: das Nachführen eines chirurgischen oder interventionellen Instruments (100).
[00128] Gemäß Ausführungsformen kann das Verfahren zur hybriden Bildgebung weiter umfassen: das Darstellen der Relation zwischen dem chirurgischen oder interventionellen Instrument, und dem hybriden Bild, oder das Navigieren des chirurgischen oder interventionellen Instrumenten (100) zu einer Stelle in dem hybriden Bild.

Claims

Patentansprüche
1. Ein kombiniertes Nuklear- und Ultraschall-System zur hybriden Bildgebung (10), umfassend:
- ein handgeführter Nuklearstrahlungs-Detektor (20), ,
- eine handgeführte Ultraschall-Sonde (30),
- ein Nuklear-Nachführsystem (40) zum Nachführen des Nuklearstrahlungs- Detektors (20) während des Messens einer Nuklearstrahlung und zum Erhalten von Nuklearstrahlungs-Detektor-Koordinaten, die eine Position des nachgeführten Nuklearstrahlungs-Detektors in Relation zu einem Bildkoordinatensystem eines hybriden Bildes repräsentieren,
- ein Ultraschall-Nachführsystem (50) zum Nachführen der Ultraschall-Sonde (30) während der Aufnahme von Ultraschall-Signalen, so dass Ultraschall-Sonden- Koordinaten erhalten werden, die eine Position der nachgeführten Ultraschall- Sonde in Relation zu einem Bildkoordinatensystem eines hybriden Bildes repräsentieren, und
- ein Datenerfassungs-Modul (60), das Nuklearstrahlungs-Detektor-Messungen, Nuklearstrahlungs-Detektor-Koordinaten, die Ultraschall-Signale vom Ultraschall-System (50), und Ultraschall-Sonden-Koordinaten erfasst und mit einem Bildkoordinatensystem eines hybriden Bilds zusammenbringt,
- ein Nuklear-Bildrekonstruktionsmodul (70) zum Rekonstruieren eines Nuklear- Bildes aus Nuklearstrahlungs-Detektor-Messungen, Ultraschall-Signalen, Nuklearstrahlungs-Detektor-Koordinaten und Ultraschall-Signal-Koordinaten in dem Bildkoordinatensystem eines hybriden Bildes, und
ein Auswertesystem, welches einen Nuklear-Bild-Qualitätswert aus Nuklearstrahlungs-Detektor-Messungen und Nuklearstrahlungs-Detektor- Koordinaten berechnet.
2. Ein kombiniertes Nuklear- und Ultraschall-System gemäß Anspruch 1, wobei das Nuklear- Nachführsystem (40) und das Ultraschall-Nachführsystem (50) Teil des gleichen Nachführsystems sind.
3. Ein kombiniertes Nuklear- und Ultraschall-System gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Nuklearstrahlungs-Detektor (20) und die Ultraschall- Sonde (30) in einer Handsonde integriert sind.
4. Ein kombiniertes Nuklear- und Ultraschall-System gemäß einem der vorigen Ansprüche, weiter umfassend eine Fixierungsvorrichtung (82) für den Gegenstand oder Lebewesen (80).
5. Ein kombiniertes Nuklear- und Ultraschall-System gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das Nuklear-Nachführsystem (40) und das Ultraschall-Nachführsystem (50) jeweils ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus:
- optischen passiven Lokalisations Systemen,
- optischen aktiven Lokalisationssystemen,
- elektromagnetischen Lokalisationssystemen,
- mechanischen Lokalisationssystemen,
- Beschleunigungssensor- oder Gyroskop- basierten Lokalisationssystemen,
- Schall- oder Ultraschalllokalisationssystemen,
- radioaktiven Lokalisationssystemen,
- RF-basierten Trackingsystemen, oder
- einer Kombination mehrerer dieser Lokalisationssysteme.
6. Ein kombiniertes Nuklear- und Ultraschall-System gemäß einem der vorherigen Ansprüche, weiter umfassend:
- ein Referenzelement (81), das an einem Gegenstand oder Lebewesen (80) fixiert ist, und/oder
- an einem anderen Element fixiert ist, welches relativ zu dem Gegenstand oder Lebewesen (80) fixiert ist, - wobei das Referenzelement (81) vom Nuklear-Nachführsystem (40) und vom Ultraschall-Nachführsystem (50) nachgeführt werden.
7. Ein kombiniertes Nuklear- und Ultraschall-System gemäß einem der vorherigen Ansprüche, weiter umfassend
- ein Auswertesystem, welches eine Soll-Position und Orientierung des Nuklearstrahlungs-Detektors (20) berechnet aus mindestens einem Nuklear- Bild-Qualitätswert, der aus vorherigen Nuklear Strahlung s -Detektor- Messungen und Nuklearstrahlungs-Detektor-Koordinaten kontinuierlich berechnet wird, und
- ein Ausgabesystem (90) zum Ausgeben einer Anweisung zum Bewegen des Nuklearstrahlungs-Detektors an die Soll-Position und Orientierung an einen Benutzer und/oder Roboter.
8. Ein kombiniertes Nuklear- und Ultraschall-System (10), gemäß einem der der vorherigen Ansprüche, weiter umfassend eine Schnittstelle zum Empfangen von:
- Daten zur Oberfläche des abzubildenden Gegenstands oder Lebewesens (80),
- Daten zur Gewichtsverteilung des abzubildenden Gegenstands oder Lebewesens (80), oder
- a-priori-Bildinformationen des Gegenstands oder Lebewesens (80).
9. Ein kombiniertes Nuklear- und Ultraschall-System gemäß einem der vorherigen Ansprüche, weiter umfassend ein chirurgisches oder interventionelles Instrument (100), das vom Nuklear-Nachführsystem (40), vom Ultraschall-Nachführsystem (50), oder von beiden Nachführsystemen nachgeführt wird.
10. Ein Verfahren zur hybriden Bildgebung, umfassend
- die Detektion von nuklearer Strahlung,
- das Nachführen eines Nuklearstrahlungs-Detektors (20) während des Messens einer nuklearen Strahlung, so dass Nuklearstrahlungs-Detektor-Koordinaten erhalten werden, die eine Position des nachgefühlten Nuklearstrahlungs-Detektors in Relation zu einem Bildkoordinatensystem eines hybriden Bildes repräsentieren,
- die Aufnahme von Ultraschall-Signalen,
- das Nachführen der Ultraschall- Sonde (30) während der Aufnahme von Ultraschall- Signalen, so dass Ultraschall-Signal-Koordinaten erhalten werden, die eine Position der nachgeführten Ultraschall-Sonde in Relation zu einem Bildkoordinatensystem eines hybriden Bildes repräsentieren,
- die Erfassung von Nuklearstrahlungs-Detektor-Messungen, den Nuklearstrahlungs-Detektor- Koordinaten, Ultraschall-Signale und den Ultraschall-Signal-Koordinaten, und Zusammenbringen mit dem Bildkoordinatensystem des hybriden Bildes,
- die Rekonstruktion eines Nuklear-Bildes aus Nuklearstrahlungs-Detektor-Messungen, Ultraschall-Signalen, Nuklearstrahlungs-Detektor-Koordinaten und Ultraschall- Sonden- Koordinaten in dem Bildkoordinatensystem eines hybriden Bildes, und
- die Berechnung von einem Nuklear-Bild-Qualitätswert aus vorherigen Nuklearstrahlungs- Detektor-Messungen und Nuklearstrahlungs-Detektor-Koordinaten.
11. Ein Verfahren zur hybriden Bildgebung gemäß Anspruch 10, weiter umfassend das Berechnen der Soll-Position und Orientierung des Nuklearstrahlungs-Detektors und das nachfolgende Ausgeben einer Anweisung zum Bewegen des Nuklearstrahlungs-Detektors an die Soll-Position und Orientierung an einen Benutzer oder Roboter.
12. Ein Verfahren zur hybriden Bildgebung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 11, weiter umfassend die Benutzung von Information mindestens einer der folgenden zur Rekonstruktion eines Nuklearbilds:
- der Position der Referenz (80),
- der Oberfläche des abzubildenden Gegenstands oder Lebewesens (80),
- der Gewichtsverteilung des abzubildenden Gegenstands oder Lebewesens (80), oder
- der a-priori-Bildinformation des Gegenstands oder Lebewesens (80),
13. Ein Verfahren zur hybriden Bildgebung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, weiter umfassend das Nachfuhren eines chirurgischen oder interventionellen Instruments (100).
14. Ein Verfahren zur hybriden Bildgebung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, weiter umfassend das Darstellen der Relation zwischen dem chirurgischen oder interventionellen Instrument und dem hybriden Bild und/oder oder das Navigieren des/der chirurgischen oder interventionellen Instrumente (100) zu einer Stelle in dem hybriden Bild.
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