DE102006026752B4

DE102006026752B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Registrierung von funktionellen MR-Bilddaten mit Röntgendurchleuchtung

Info

Publication number: DE102006026752B4
Application number: DE102006026752A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Klingenbeck-Regn
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2006-06-08
Filing date: 2006-06-08
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2026-06-09
Also published as: US20070287905A1; CN101084840B; DE102006026752A1; CN101084840A

Abstract

Verfahren zum Visualisieren von Organen, mit folgenden Schritten:
– Erstellen eines funktionalen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatzes eines Organs (1, 2; 22);
– Erstellen eines anatomischen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatzes des Organs (1, 2; 22), wobei der anatomische Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz sichtbare Landmarken (3) enthält und mit dem funktionalen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz registriert ist; und wobei der funktionale und der anatomische Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz vor einer medizinischen Intervention erstellt werden;
– Erstellen eines dreidimensionalen, CT-artigen Datensatzes (DynaCT) mit einem C-Bogen-Röntgengerät (14);
– Aufnehmen von Durchleuchtungsbildern des Organs (22) mit demselben C-Bogen-Röntgengerät, mit dem die CT-artigen Aufnahmen erstellt werden;
– Registrieren des CT-artigen Datensatzes (DynaCT) mit dem anatomischen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz unter Verwendung der Landmarken (3), wodurch auch die Durchleuchtungsbilder mit dem anatomischen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz registriert werden; und
– überlagertes Darstellen der Durchleuchtungsbilder und der Bilder des funktionalen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatzes, die miteinander registriert sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum Visualisieren von Organen. Bei dem Verfahren und der Vorrichtung werden Durchleuchtungsbilder mit funktionalen Magnetresonanztomographiebildern registriert und überlagert visualisiert.
Die funktionale Magnetresonanztomographie (fMRT oder fMRI (für functional magnetic resonance imaging)) wird bei medizinischen Interventionen eingesetzt, um aktivierte Strukturen in inneren Organen wie zum Beispiel des Gehirns mit hoher Auflösung zu lokalisieren und darzustellen.
Dadurch können funktionale Zusammenhänge von Organen wie zum Beispiel die Stoffwechselaktivität von Hirnbereichen dargestellt werden. Dabei wird der so genannte GOLD-Effekt (blond oxygen level dependent) genutzt, dass nämlich oxygeniertes und desoxygeniertes Blut bzw. Hämoglobin unterschiedliche magnetische Eigenschaften aufweisen. Oxyhämoglobin ist diamagnetisch und beeinflusst nicht die magnetischen Eigenschaften des Gewebes. Desoxyhämoglobin dagegen ist paramagnetisch, was zu diskreten, aber darstellbaren Magnetfeldveränderungen führt.
Werden zum Beispiel Kortexbereiche aktiviert bzw. stimuliert, dann tritt in den aktivierten Bereichen ein erhöhter Stoffwechsel auf, so dass der aktivierte Bereich örtlich eine erhöhte zerebrale Blutzirkulation zeigt. Infolgedessen ändert sich das Verhältnis von oxigeniertem zu desoxigeniertem Hämoglobin. Dadurch ändert sich die effektive Querrelaxationszeit, und eine Signaländerung kann beobachtet werden.
Werden nacheinander im Normalzustand und im aktivierten Zustand Bilder mittels der funktionale Magnetresonanztomogra phie aufgenommen, dann können die aktivierten Bereiche des Organs lokalisiert und visualisiert werden.
Ein übliches Verfahren einer funktionalen Magnetresonanztomographie weist die folgenden Schritte auf. Zunächst wird ein so genannter Präscan erstellt, d. h. ein kurzer Scan mit niedriger Auflösung zum Überprüfen der Lage eines Patienten.
Anschließend erfolgt ein dreidimensionaler Magnetresonanztomographie-Scan mit hoher Auflösung, der die Anatomie des Organs und des umliegenden Operationsbereiches visualisiert.
Danach erfolgt der eigentliche funktionale Magnetresonanztomographie-Scan mit niedriger Auflösung, der die aktivierten Bereiche des Organs erfasst. Wird zum Beispiel das Gehirn untersucht, dann wird ein Reiz auf einem Nerv des Patienten aufgebracht, wie zum Beispiel am Fuß oder Finger. Bei dem so genannten „Finger-Tapping" muss der Patient den Finger zum Daumen bewegen. Dabei wird im Gehirn ein Reiz aktiviert. Dieser Reiz ist in dem entsprechenden Gehirnbereich im Magnetresonanztomographie-Scan in Form von farblichen Markierungen sichtbar.
Bei minimal invasiven Eingriffe in Gehirn mit Nadeln, Kathetern oder anderen Instrumenten gilt es, funktionale Zentren im Gehirn (motorische, visueller Cortex, etc.) zu schonen und nicht zu verletzen. Dies kann erreicht werden, wenn es gelingt, diese funktionalen Zentren aus Magnetresonanztomographie-Bilddaten mit deren Umgebung zu visualisieren.
In dem Artikel der Siemens Medical Solutions in der Ausgabe Nr. 2/2005 vom 9. März 2005 von MED. LETTER der Deutsche-Medizintechnik.de wird das „DynaCT" genannte Verfahren beschrieben. Mit dieser Applikation können mit angiographischen C-Bogen-Röntgensystemen CT-artige Schnittbilder erzeugt werden. Dabei wird der C-Bogen kreisförmig um den Patienten gefahren und eine definierte Anzahl von Projektionsaufnahmen akqui riert. Anschließend werden diese Projektionen wie bei einem CT-Scanner zu Schichtbildern rekonstruiert.
Die DE 199 20 872 A1 beschreibt ein Verfahren zur Registrierung von MR-Bildern mit CT-Bildern, bei welchem bei der Bewertung eines Voxels für das Ähnlichkeitsmaß nicht nur dessen Bildwert berücksichtigt wird, sondern auch die Bildwerte der Nachbarvoxel. Es wird auch die Möglichkeit erwähnt, funktionelle MRT-Bilder mit CT-Bildern zu registrieren, also einander räumlich zuzuordnen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Visualisierung von Organen vorzusehen, bei denen sowohl die funktionalen Zentren als auch deren Umgebung gut sichtbar sind.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung 4 zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
Der Erfindung liegt der Umstand zugrunde, dass die funktionalen Magnetresonanztomographie-Bilddaten in der Regel über keine anatomischen Landmarken verfügen, die zur Anatomie von Durchleuchtungsbildern korrelieren und damit zur Registrierung verwendet werden könnten. Das Registrieren der Durchleuchtungsbilder bzw. des aus diesen rekonstruierten dreidimensionalen, CT-artigen Datensatzes mit dem anatomischen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz löst dieses Problem, da sowohl in den Durchleuchtungsbildern als auch in dem anatomische Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz Knochen oder Weichteilgewebe sichtbar sind, die miteinander registriert werden können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden neben einem funktionalen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz eines Organs zusätzlich sowohl ein anatomischer Magnetresonanztomographie- Bilddatensatz als auch Durchleuchtungsbilder des Organs aufgenommen.
Ferner wird ein dreidimensionaler, CT-artiger Datensatz (DynaCT) mit derselben Vorrichtung erstellt, mit der die Durchleuchtungsbilder während der eigentlichen medizinischen Intervention erstellt werden. Der CT-artige Datensatz (DynaCT) ist in einfacher Weise mit dem anatomischen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz zu registrieren, wodurch auch automatisch die Durchleuchtungsbilder mit dem anatomischen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz registriert werden, da die Durchleuchtungsbilder mit derselben Anlage erstellt werden, mit der auch der CT-artige Datensatz erstellt wurde. Da der anatomische Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz stets mit dem funktionalen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz registriert ist, werden dadurch in vorteilhafter Weise auch die Durchleuchtungsbilder mit dem funktionalen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz registriert.
Mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen wird nunmehr ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen
1 einen schematisierten funktionalen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz eines Gehirns mit einem aktivierten Bereich;
2 einen schematisierten anatomischen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz eines Schädels;
3 eine Überlagerung des funktionalen und des anatomischen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatzes der 1 und 2;
4 ein schematisiertes Durchleuchtungsbild des Gehirns und des Schädels;
5 eine schematische Darstellung einer Registrierung der Durchleuchtungsbilder mit dem anatomischen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz sowie eine überlagerte Darstellung der Durchleuchtungsbilder und der Bilder des funktionalen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatzes gemäß der vorliegenden Erfindung; und
6 eine Vorrichtung zum Visualisieren von Organen gemäß der vorliegenden Erfindung.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Bei einem minimal invasiven Eingriff soll der Operationsbereich mit Durchleuchtungsbildern, d. h. mit Röntgendurchleuchtung einerseits in Echtzeit kontrolliert werden, und andererseits sollen die funktionalen Zentren aus den Magnetresonanz tomographie-Bilddaten mit den Röntgenbildern registriert bzw. fusioniert werden.
Um das zu erreichen, besteht der erste Schritt darin, einen funktionalen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz eines Organs zu erstellen, wie er in der 1 gezeigt ist. Mit dem Bezugszeichen 2 ist schematisch ein Gehirn bezeichnet, das einen aktivierten Gehirnbereich 1 aufweist.
Zusätzlich zu dem funktionalen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz wird ein anatomischer Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz des Organs erstellt, wie er in der 2 gezeigt ist. Der anatomische Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz enthält sichtbare Landmarken in der Gestalt eines Schädelknochens 3. Es würden sich auch andere Knochen oder Weichteilgewebe als Landmarke eignen, auch wenn dies in der schematischen Darstellung der 2 nicht gezeigt ist.
Da der Patient sich zwischen anatomischen und funktionalen Magnetresonanztomographie-Scans praktisch nicht bewegt, weil er in einer ortsfesten Kopfspule gelagert ist, können die anatomischen und funktionalen Magnetresonanztomographie-Scans in vorteilhafter Weise miteinander registriert werden, wie dies in der 3 gezeigt ist. Die Darstellung der 3 enthält sowohl die Landmarken 3 als auch den aktivierten Bereich 1 des Gehirns 2.
Die Magnetresonanztomographie-Scans sind präinterventionelle Aufnahmen, die der Patient vor der Intervention erhält und die dann während der Intervention zur Verfügung stehen (Transfer durch Netzwerk, z. B. PACS).
Kommt der Patient schließlich zur Intervention, werden mit einem rotierenden C-Bogen 18 eines C-Bogen-Röntgengeräts 14, wie es in der 6 gezeigt ist, zunächst dreidimensionale, CT-artige Aufnahmen der Anatomie erstellt (Dyna-CT). Diese CT-artigen Aufnahmen zeigen ebenfalls wie der anatomische Magnetresonanztomographie-Scan den Schädelknochen 3, der sich als Landmarke eignet.
Diese transaxialen Schichtbilder der CT-artigen Aufnahmen spannen ein dreidimensionales Volumen auf, das anhand der Landmarke 3 mit dem anatomischen Magnetresonanztomographie-Scan gemäß der 2 registriert werden kann. Dies kann manuell, semiautomatisch oder automatisch geschehen.
Anschließend werden vorzugsweise in Echtzeit die eigentlichen Durchleuchtungsbilder des Organs während der Intervention erstellt, wie es in der 4 dargestellt ist. Wenn die Durchleuchtungsbilder mit derselben Anlage 14 erstellt werden, mit der auch die dreidimensionalen, CT-artigen Aufnahmen der Anatomie (DynaCT) erstellt wurden, und wenn sich der Patient nicht bewegt, dann sind die in Echtzeit erstellten Durchleuchtungsbilder automatisch mit den vorher erstellten CT-artigen Aufnahmen registriert. Falls sich der Patient dennoch bewegt, sind ggf. Korrekturen notwendig, die die Bewegung ausgleichen.
Zugleich wird dann auch eine Registrierung der funktionalen Magnetresonanztomographie-Daten mit den Durchleuchtungsbildern, d. h. mit der Röntgenanatomie des Patienten erreicht, da sowohl der funktionale Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz als auch die Durchleuchtungsbilder mit den CT-artigen Aufnahmen registriert sind. In der 5 ist eine überlagerte Darstellung der Durchleuchtungsbilder und der Bilder des funktionalen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatzes gezeigt.
Die Anwendung interventioneller Instrumente kann dann vorzugsweise in Echtzeit mit den Durchleuchtungsbildern kontrolliert werden. Damit können die Instrumente in vorteilhafter Weise gezielt so geführt werden, dass die Verletzung funktionaler Zentren im Gehirn vermieden werden kann.
Zusätzlich können die Instrumente mit einem Positionssensor ausgestattet sein (Medical-GPS), der deren Position im dreidimensionalen Raum ermittelt. Damit kann dann, nach entsprechender Eichung, die Lagekontrolle der Instrumente im dreidimensionalen Raum der anatomischen und funktionalen Daten durchgeführt werden.
Die 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Visualisieren von Organen gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung verfügt über eine Einrichtung 14 zum Aufnehmen von DynaCT-Bilddaten und Durchleuchtungsbildern des Organs.
Die Einrichtung 14 bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Röntgenanlage 14 mit einem angeschlossenen Gerät, mit dem die fluoroskopischen Durchleuchtungsbilder erstellt werden. Bei dem Röntgengerät 14 handelt es sich um ein C-Bogengerät mit einem C-Bogen 18, an dessen Armen eine Röntgenröhre 16 und ein Röntgendetektor 20 angebracht sind. Hierbei kann es sich z. B. um das Gerät Axiom Artis dFC der Siemens AG, Medical Solutions, Erlangen, Deutschland, handeln. In das Sichtfeld der Röntgenanlage ist der Patient 24 gebettet. Mit 22 ist ein Organ innerhalb des Patienten 24 bezeichnet, welches das Ziel des Eingriffs sein soll, wie z. B. das Gehirn. An die Röntgenanlage 14 angeschlossen ist ein Rechner 25, welcher im gezeigten Beispiel sowohl die Röntgenanlage 14 steuert als auch die Schritte zum Registrieren der Durchleuchtungsbilder mit dem anatomischen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz und zum überlagerten Darstellen der Bilder übernimmt. Diese beiden Funktionen können jedoch auch getrennt realisiert sein. Im gezeigten Beispiel wird durch ein Steuerungsmodul 26 die C-Bogenbewegung und Aufnahme von intra-operativen Röntgenbildern gesteuert.
In der 6 ist die Einrichtung zum Erstellen des funktionalen und anatomischen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatzes des Organs nicht gezeigt. Diese Einrichtung ist jedoch eine herkömmliche Magnetresonanztomographie-Einrichtung.
In einem Speicher 28 können die prä-operativ aufgenommenen funktionalen und anatomischen Magnetresonanztomographiebilddatensätze gespeichert werden.
In einem Rechenmodul 30 können die Durchleuchtungsbilder mit dem anatomischen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz unter Verwendung der Landmarken 3 registriert werden. An einem Monitor 32 können die Durchleuchtungsbilder und die Bilder des funktionalen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatzes überlagert dargestellt werden.
Das Rechenmodul 30 ist auch in der Lage, 3D-Rekonstruktionen mittels DynaCT zu erstellen.

Claims

Verfahren zum Visualisieren von Organen, mit folgenden Schritten: – Erstellen eines funktionalen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatzes eines Organs (1, 2; 22); – Erstellen eines anatomischen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatzes des Organs (1, 2; 22), wobei der anatomische Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz sichtbare Landmarken (3) enthält und mit dem funktionalen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz registriert ist; und wobei der funktionale und der anatomische Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz vor einer medizinischen Intervention erstellt werden; – Erstellen eines dreidimensionalen, CT-artigen Datensatzes (DynaCT) mit einem C-Bogen-Röntgengerät (14); – Aufnehmen von Durchleuchtungsbildern des Organs (22) mit demselben C-Bogen-Röntgengerät, mit dem die CT-artigen Aufnahmen erstellt werden; – Registrieren des CT-artigen Datensatzes (DynaCT) mit dem anatomischen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz unter Verwendung der Landmarken (3), wodurch auch die Durchleuchtungsbilder mit dem anatomischen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz registriert werden; und – überlagertes Darstellen der Durchleuchtungsbilder und der Bilder des funktionalen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatzes, die miteinander registriert sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Durchleuchtungsbilder des Organs mittels fluoroskopischer Durchleuchtung in Echtzeit während einer medizinischen Intervention aufgenommen werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit: – einer Einrichtung, die einen funktionalen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz eines Organs (1, 2; 22) und einen anatomischen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz des Organs erstellt, wobei der anatomische Magnetresonanz tomographie-Bilddatensatz sichtbare Landmarken (3) enthält und mit dem funktionalen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz registriert ist; – einem C-Bogen-Röntgengerät zum Erstellen eines dreidimensionalen, CT-artigen Datensatzes (DynaCT) und zum Aufnehmen von Durchleuchtungsbildern des Organs (22); – einer Vorrichtung, die den CT-artigen Datensatz (DynaCT) mit dem anatomischen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz unter Verwendung der Landmarken (3) registriert, wodurch auch die Durchleuchtungsbilder mit dem anatomischen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatz registriert werden; und – einer Einrichtung (32), die die Durchleuchtungsbilder und die Bilder des funktionalen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatzes überlagert darstellt, die miteinander registriert sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, des Weiteren mit einem Instrument mit einem Positionssensor, der die Position des Instruments in der überlagerten Darstellung der Durchleuchtungsbilder und der Bilder des funktionalen Magnetresonanztomographie-Bilddatensatzes angibt.