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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Positionierungseinstellungen eines bildgebenden medizinischen Systems, mit welchem ein zu untersuchendes Organ einfacher in einem Isozentrum des Systems positioniert werden kann.
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Im medizinischen Bereich werden sowohl in der Diagnostik als auch in der Therapeutik häufig Röntgensysteme zur Bildgebung eingesetzt, beispielsweise auf den Gebieten Kardiologie, diagnostische sowie interventionelle Radiologie und Neurochirurgie.
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Ein Beispiel eines derartigen Röntgensystems 100 ist schematisch in 1 dargestellt. Ein Stativ oder Roboter 105 trägt ein radiologisches Gerät 120, bestehend aus einem C-förmig ausgestalteten Arm, an dessen gegenüberliegenden Seiten eine Strahlungserzeugungseinheit 122 und eine Detektoreinheit 124 angebracht sind. Ein Patientenlagertisch 110 dient zur Lagerung eines Patienten 130 während der Untersuchung bzw. während des Eingriffs.
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Roboter 105, Gerät 120 und Patientenlagertisch 110 sind dabei so angeordnet und zueinander beweglich ausgestaltet, daß die von der Strahlungserzeugungseinheit 122 erzeugte Strahlung das jeweils darzustellende Organ des auf dem Tisch 110 gelagerten Patienten 130 durchdringt und von der Detektoreinheit 124 optimal empfangen wird, wobei die Durchdringung entlang einer beliebigen Raumachse erfolgen kann.
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In Ausgestaltungen bekannter Röntgensysteme wird das radiologische Gerät 120 nicht von einem Roboter, sondern beispielsweise von einer Deckenkonstruktion getragen (nicht dargestellt).
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Ein solches Röntgensystem weist ein sogenanntes Rotations- oder Isozentrum auf. Dabei handelt es sich um jenen Punkt, um den Strahlungserzeugungseinheit 122 und Detektoreinheit 124 gemeinsam rotieren und der in jeder beliebigen Rotationsstellung des Geräts 120 von der von der Strahlungserzeugungseinheit 122 erzeugten Strahlung durchdrungen wird, sofern das Gerät 120 nicht zusätzlich translatorisch bewegt wurde.
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Es ist von großem Interesse, das zu untersuchende bzw. zu behandelnde Organ 140 des Patienten 130 im Isozentrum des medizinischen Geräts zu plazieren. Befindet sich das darzustellende Organ 140 einmal im Isozentrum, so kann dieses Organ 140 entlang jeder Raumachse abgebildet werden, ohne daß am Röntgensystem 100 (zumeist am Patientenlagertisch 110, bei besonderen Konstruktionen auch am Gerät 120) translatorische Bewegungen ausgeführt werden müßten; eine reine Rotation des Geräts 120 genügt hierzu.
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Da es recht schwierig ist, durch Verschiebung und Höhenverstellung des Patientenlagertischs 110 das darzustellende Organ in das Isozentrum zu positionieren, wird in vielen Fällen darauf verzichtet.
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Ein denkbares manuelles Verfahren zum Positionieren des darzustellenden Organs in das Isozentrum läßt sich wie folgt zusammenfassen: Zunächst wird das Gerät 120 in AP-Position gedreht, d. h. die Bilderfassung erfolgt entlang einer senkrechten Raumachse, und durch horizontale Bewegungen des Patientenlagertisches 110 kann das dazustellende Organ in den Abbildungsbereich verbracht werden. Anschließend wird das Gerät 120 um 90° in eine laterale Position gedreht, und das darzustellende Organ wird durch ausschließlich vertikale Bewegungen des Patientenlagertisches 110 erneut in den Abbildungsbereich verbracht. Anschließend befindet sich das darzustellende Organ 140 im Isozentrum.
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Dieses Verfahren weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. Einerseits ist es sehr zeitaufwendig, da das Drehen des C-Arms des Geräts 120 um 90° lange dauert und beide beschriebenen Positionen in der Regel für die eigentlichen Aufnahmen nicht interessant sind. Andererseits führt es zu unnötiger Strahlenbelastung, da während des Ausrichtungsvorgangs Patient und Behandler der Strahlung einzig und allein zum Zweck der Ausrichtung ausgesetzt sind.
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In der Praxis versuchen Ärzte daher, die Lage des Isozentrums zu schätzen und den Patientenlagertisch 110 manuell entsprechend einzustellen. Dies gelingt allerdings nur mit sehr viel Erfahrung und Übung, und auch dann in der Regel nur annähernd.
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Druckschrift
WO 2008/015612 A2 offenbart eine Izozentrierung mit zwei Projektionen, wobei ein Verschiebungsvektor aus verschiedenen Bildpozitionen berechnet wird.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ermitteln der Positionierungseinstellungen eines bildgebenden medizinischen Systems anzugeben, mit welchem ein zu untersuchendes Organ einfacher in einem Isozentrum des Geräts positioniert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß wie folgt gelöst: Ein bildgebendes medizinisches System weist ein um ein Isozentrum rotierbares radiologisches Therapie- und/oder Untersuchungsgerät umfassend eine Strahlungserzeugungseinheit und eine Detektoreinheit auf und erlaubt translatorische Bewegungen einer Patientenlagervorrichtung relativ zum Isozentrum. Zunächst werden erste Positionsdaten der Patientenlagervorrichtung sowie ein erster Rotationswinkel des radiologischen Geräts akquiriert, bei denen sich ein zu untersuchendes bzw. zu behandelndes Organ eines Patienten mittels entsprechendem Positionieren der Patientenlagervorrichtung durch einen Behandler im Bildzentrum des radiologischen Geräts befindet. Anschließend werden bei einem zweiten Rotationswinkel zweite Positionsdaten der Patientenlagervorrichtung akquiriert, bei denen sich das Organ ebenfalls mittels entsprechendem Positionieren der Patientenlagervorrichtung durch den Behandler im Bildzentrum des radiologischen Geräts befindet. Schließlich werden die Positionierungseinstellungen der Patientenlagervorrichtunng aus den ersten und zweiten Positionsdaten sowie dem ersten und/oder dem zweiten Rotationswinkel derart berechnet, daß sich das Organ nach Positionierung der Patientenlagervorrichtung mittels der berechneten Positionierungseinstellungen im Isozentrum befindet.
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Die errechneten Positionierungseinstellungen können dabei einem Behandler angezeigt werden, oder die Patientenlagervorrichtung kann automatisch entsprechend positioniert werden.
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Vorteilhaft können die Positionierungseinstellungen der Patientenlagervorrichtung wie folgt berechnet werden:
- – Berechnen eines normierten Richtungsvektors d1 aus einem ersten Ortsvektor c1, welcher den Ort eines Bildzentrums der Detektoreinheit beschreibt, und einem zweiten Ortsvektor c, welcher den Ort des Isozentrums beschreibt, gemäß folgender Formel
- – Berechnen eines Ziel-Ortsvektors der Patientenlagervorrichtung aus den ersten Positionsdaten, die einen Ortsvektor t1 der Patientenlagervorrichtung umfassen, und den zweiten Positionsdaten, die einen weiteren Ortsvektor t2 der Patientenlagervorrichtung umfassen, gemäß folgender Formel t = t1 + 〈t2 – t1, d1〉·d1.
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Dabei kann der erste Ortsvektor c1 unter Zuhilfenahme des ersten Rotationswinkels berechnet werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein medizinisches Gerät, welches ein um ein Isozentrum rotierbares radiologisches Therapie- und/oder Untersuchungsgerät aufweist umfassend eine Strahlungserzeugungseinheit und eine Detektoreinheit und welches relative translatorische Bewegungen zwischen einer Patientenlagervorrichtung und dem Isozentrum erlaubt, wobei sich das System auszeichnet durch Mittel zum Akquirieren von Positionsdaten der Patientenlagervorrichtung und/oder des radiologischen Geräts, Mittel zum Akquirieren eines Rotationswinkels des radiologischen Geräts und Mittel zum Umsetzen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die vorliegende Erfindung weist gegenüber den bekannten Möglichkeiten eine Reihe von Vorteilen auf. Zunächst kann mit dem Verfahren Zeit gespart werden, da einerseits beliebige Rotationswinkel des radiologischen Geräts genutzt werden können und insbesondere das zeitaufwendige Drehen um 90° nicht notwendig ist. Dabei ist die Präzision deutlich höher als jede Schätzung durch einen Arzt oder Behandler und zudem unabhängig von dessen Erfahrung. Die Aufnahmen, die beim Verbringen des zu behandelnden Organs in das Bildzentrum des radiologischen Geräts zwangsläufig entstehen, können – da beliebige Rotationswinkel möglich sind – bereits zur Diagnose bzw. Therapie genutzt werden, wodurch die Strahlenbelastung von Patient und Arzt oder Behandler sinkt. Das Verfahren läßt sich mit wenig Aufwand in bereits installierte medizinische Systeme integrieren.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand von 2 Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein bildgebendes medizinisches Gerät in schematischer Darstellung, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft angewendet werden kann; und
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2 einen beispielhaften Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens im Zusammenhang mit dem Gerät aus 1.
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In 1 ist ein medizinisches Behandlungssystem 100 schematisch dargestellt, welches einen Patientenlagertisch 110 und ein radiologisches Gerät 120 umfaßt. Beim radiologischen Gerät 120 handelt es sich in 1 um ein bildgebendes Gerät, bei dem an gegenüberliegenden Enden eines C-förmigen Trägers eine Strahlenquelle 122 und ein Detektor 124 angebracht sind. Strahlenquelle 122 und Detektor 124 sind mit dem Träger verbunden, und der Träger ist beweglich mit einem Stativ 105 verbunden, wobei die ausführbaren Bewegungen des Geräts 120 eine jeweils optimale Abbildung eines beliebigen Organs 140 eines auf dem Tisch 110 gelagerten Patienten 130 entlang einer beliebigen Raumachse erlauben.
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Das System 100 weist dabei Sensoren und ggf. dazugehörige Auswerteelektronik auf, um sowohl die Raumposition des Tisches 110 als auch den Rotationswinkel des radiologischen Geräts 120 zu erfassen und an eine Auswerteeinheit (nicht dargestellt) zu übermitteln.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln der Positionierungseinstellungen des Tisches 110 so, daß das abzubildende Organ 140 im Isozentrum des Geräts 120 positioniert wird, wird im folgenden mit Bezug auf 2 beschrieben.
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2a zeigt einen beliebigen Ausgangszustand. Dabei ist das abzubildende Organ 140 nicht im Bildzentrum (gestrichelte Linie 128) des Geräts 120 positioniert, der sich zwischen Strahlenquelle 122 und Detektor 124 erstreckt. Organ 140 befindet sich dabei nicht im Isozentrum 126 des Geräts.
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Der Behandler bedient nun das System 100 und positioniert den Tisch 110 so, daß das Organ 149 de auf dem Tisch 110 liegenden Patienten 130 in das Bildzentrum 128 des Geräts 120 gelangt (2b). Dabei wird das Organ 140 i. d. R. nicht in das Isozentrum 126 gelangen. Die nun erreichte erste Position des Tisches wird durch erste Positionsdaten charakterisiert, die insbesondere den ersten Ortsvektor t1 des Tisches umfassen können. Dieser korrespondiert mit einem ersten Ortsvektor p1 des abzubildenden Organs.
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Die ersten Positionsdaten werden gemeinsam mit dem ersten Rotationswinkel, bei welchem die Positionsdaten akquiriert wurden, gespeichert, beispielsweise nachdem der Behandler das Erreichen der Position p1 an einem Steuer- und/oder Anzeigegerät bestätigt hat.
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Der erste Rotationswinkel des Geräts 120 ist dabei bevorzugt ein Rotationswinkel, der eine weitere Nutzung der beim Positionierungsvorgang zwangsläufig anfallenden radiologischen Aufnahmen erlaubt.
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Aus dem ersten Rotationswinkel läßt sich unmittelbar der Ortsvektor c1 des Bildzentrums des Detektors 124 berechnen. Die dazu notwendigen, i. d. R. unveränderlichen Positionsinformationen (Standort des Stativs 105, Form und Länge von etwaigen Auslegern, Form und Dimensionen des C-förmigen Trägers usw.) sind in der Auswerteeinheit gespeichert.
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Anschließend wird das radiologische Gerät 120 in eine zweite Position rotiert (2c), bei der es sich ebenfalls um eine diagnostisch bzw. therapeutisch sinnvolle Stellung handelt. Auch für diesen zweiten Rotationswinkel des Geräts 120 positioniert der Behandler den Tisch 110 so, daß das Organ 140 des auf dem Tisch 110 liegenden Patienten 130 in das Bildzentrum 128 des Geräts 120 gelangt (2d), wobei das Organ 140 wiederum i. d. R. nicht in das Isozentrum 126 gelangen wird.
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Die nun erreichte zweite Position des Tisches wird durch zweite Positionsdaten charakterisiert, die insbesondere den zweiten Ortsvektor t2 des Tisches umfassen können. Dieser korrespondiert mit einem zweiten Ortsvektor p2 des abzubildenden Organs.
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Die zweiten Positionsdaten werden gespeichert, beispielsweise nachdem der Behandler das Erreichen der Position p2 an einem Steuer- und/oder Anzeigegerät bestätigt hat. Optional wird der zweite Rotationswinkel ebenfalls gespeichert.
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Aus dem bekannten Ortsvektor c des Isozentrums 126 können nunmehr die Positionierungseinstellungen des Systems 100 ermittelt werden, bei denen sich das abzubildende Organ 140 im Isozentrum 126 befindet. Beispielsweise kann diese Berechnung eine absolute Tischposition oder auch eine Verschiebung des Tisches aus der letzten Position p2 in die Zielposition liefern.
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Eine beispielhafte Berechnungsmethode ist im folgenden angegeben. Zunächst wird ein normierter Richtungsvektor d
1 aus dem Ortsvektor c
1 des Bildzentrums der Detektoreinheit
124 und dem Ortsvektor c des Isozentrums
126 gemäß folgender Formel berechnet:
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Anschließend wird der Ziel-Ortsvektor t der Patientenlagervorrichtung 110 aus den Ortsvektoren t1 und t2 gemäß folgender Formel berechnet: t = t1 + 〈t2 – t1, d1〉·d1.
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Dabei bedeutet die Operation <t2 – t1, d1> das Skalarprodukt der Vektoren (t2 – t1) und d1, welches anschließend skalar mit dem normierter Richtungsvektor d1 multipliziert wird.
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Mit diesem Berechnungsergebnis kann nun der Tisch 110 automatisch in die optimale Position (2e) verbracht werden. Alternativ kann dem Behandler über eine geeignete Anzeige signalisiert werden, wie er den Tisch bewegen muß, um das Organ 140 in das Isozentrum 126 zu positionieren. Beispielsweise kann die berechneten Positionierungseinstellung wie folgt grafisch an einem Monitor angezeigt werden: Die Position des Organs 140 wird im Bild markiert, und es ist dann möglich, den Tisch 110 zu positionieren, ohne Röntgenstrahlung auszulösen oder Kontrastmittel zu geben.
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Es ist nicht notwendig, daß die zur Berechnung genutzten ersten und zweiten Positionsdaten unmittelbar nacheinander gewonnen werden; vielmehr können beliebige Bewegungen des Geräts 120 und/oder des Tisches 110 zwischendurch stattgefunden haben.
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Der Richtungsvektor d
1 kann alternativ auch aus den Rotationswinkeln ermittelt werden. Seien α, β die Winkel, die die Position des C-förmigen Trägers beschreiben und sei der Vektor d
1 = (1, 0, 0) bei C-Bogen-Stellung α = β = 0. Für beliebige Winkel gilt:
d1 = Rβ·Rα·(1, 0, 0) wobei Rα und Rβ die Drehungen um α bzw. β beschreiben:
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In einer weiteren Abwandlung der vorliegenden Erfindung wird das zu untersuchende Organ 140 nicht mittels der berechneten Positionseinstellungen in das Isozentrum verbracht, sondern lediglich in das Bildzentrum des radiologischen Geräts 120. Beispielsweise kann es notwendig sein, die Höhe des Tischs 110 während der Untersuchung/Therapie konstant zu halten und nur Tischbewegungen in gleicher Höhe auszuführen. In diesem Fall ist es i. d. R. nicht möglich, das Organ 140 in das Isozentrum 126 zu bewegen, aber der Arzt/Behandler kann durch die Erfindung unterstützt werden, eine Tischposition aufzufinden, bei der sich das Organ 140 im Bildzentrum 128 des Geräts 120 befindet.
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Dies läßt sich beispielsweise wie folgt erreichen: es ist mit dem vorstehend ausführlich beschriebenen Verfahren möglich, zu berechnen, wie der Tisch positioniert sein müßte, um das Organ 140 in das Isozentrum 126 zu verbringen. Aus dieser Position wird der Tisch rechnerisch entlang des Zentralstrahls (entspricht dem berechneten Richtungsvektor d1 vom Detektormittelpunkt zum Isozentrum) verschoben, bis der Tisch die gewünschte (unveränderte) Tischhöhe hat. Diese so errechnete Tischposition bei unveränderter Höhe wird nun wiederum angezeigt und/oder automatisch eingestellt.
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Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend im Zusammenhang mit einem Patientenlagertisch 130 und einem C-förmigen radiologischen Gerät 120 beschrieben, ist allerdings nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Vielmehr sind beliebige Patientenlagervorrichtungen und radiologische Geräte denkbar, bei denen eine oder mehrere Strahlenquellen und/oder Detektoren rotierbar oder fest um ein Isozentrum gruppiert sind, beispielsweise um dreidimensionale Aufnahmen sich bewegender Organe zu ermöglichen oder ein im Isozentrum befindliches Organ gezielt therapeutisch zu bestrahlen.