DE19811349C1 - Verfahren zur Kontrastmittelverfolgung mittels eines bildgebenden medizinischen Geräts und Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Es erfolgt zunächst die Injektion eines Textbolus eines Kontrastmittels und in einem Zeitabstand DELTAti dazu die Injektion eines Hauptbolus. Die Ankuft des Testbolus im Betrachtungsvolumen wird durch periodisch wiederholte Übersichtsmessungen zeitlich erfaßt. In einem Zeitabstand DELTAtm nach Erfassung des Testbolus wird eine Bilddatenmessung gestartet, wobei der Zeitabstand DELTAtm nach dem vorgegebenen Zeitabstand DELTAti bestimmt wird.

Description

Bei kontrastmittelgestützten Untersuchungen ist es häufig er­ forderlich, eine Aufnahme zu dem Zeitpunkt auszulösen, an dem eine zuvor injizierte Kontrastmittelmenge das interessierende Untersuchungsvolumen erreicht hat. Typischerweise wird das Kontrastmittel intravenös injiziert, während die Untersuchung durchgeführt wird, sobald sich das Kontrastmittel in bestimm­ ten Arterien befindet. So wird z. B. bei dynamischen Leberun­ tersuchungen die Leber während der arteriellen Phase aufge­ nommen. Bezüglich des Timings sind - je nach dem angewandten bildgebenden Verfahren - unterschiedliche Gesichtspunkte zu beachten. Bei der zunehmend eingesetzten kontrastmittelge­ stützten MR-Angiographie sollte darauf geachtet werden, daß zumindest das Zentrum des k-Raums aufgenommen wird, während die Kontrastmittelkonzentration einen erhöhten Wert aufweist. Die dieser Regel zugrundeliegenden physikalischen Zusammen­ hänge sind beispielsweise in folgenden US-Patentschriften nä­ her erläutert: US 5,417,213, US 5,553,619, US 5,579,767 und US 5,590,654. Unter diesem Gesichtspunkt wird ein exaktes Ti­ ming natürlich umso wichtiger, je kürzer die Zeitspanne der erhöhten Kontrastmittelkonzentration im Vergleich zur gesam­ ten Meßzeit für die Bildakquisition wird.

Bei vielen Angiographieuntersuchungen, insbesondere im Abdo­ men-Bereich, muß die Bilddatenmessung in einer Luftanhaltepe­ riode erfolgen, um Bildartefakte durch Atembewegung zu ver­ meiden. Bei solchen Untersuchungen gibt man dem Patienten vor Beginn der Messung ein Atemanhaltekommando. Hierfür ist es natürlich erforderlich, daß man den Zeitbeginn der Kontrast­ mittelanreicherung und damit des Beginns der Bilddatenmessung im Voraus kennt.

Bisher wurde dieses Problem durch zwei verschiedene Ansätze gelöst. Man kann beispielsweise die Zeitdauer zwischen Injek­ tion und Ankunft des Kontrastmittels in einem interessieren­ den Untersuchungsvolumen separat bestimmen. Dazu reicht es aus, dem Patienten eine sehr geringe Kontrastmittelmenge zu injizieren und die Ankunft des Kontrastmittels in der inter­ essierenden Untersuchungsregion durch ein bildgebendes Ver­ fahren zu erfassen. Die Zeitspanne zwischen Injektion und An­ kunft, die man auch als Kreislaufzeit bezeichnet, wird gemes­ sen. Die eigentliche Untersuchung wird dann mit einer norma­ len Menge an Kontrastmittel durchgeführt, wobei man nun auf­ grund der vorher bestimmten Kreislaufzeit weiß, wann die Bilddatenmessung zu starten ist. Mit diesem Wissen kann man auch rechtzeitig vor der Bilddatenerfassung ein Atemanhalte­ kommando geben.

Ein weiteres Verfahren für MR-Angiographie ist in der US- Patentschrift 5,590,654 beschrieben. Dabei wird eine Datener­ fassung aus dem Untersuchungsvolumen bereits vor Injektion eines Kontrastmittels gestartet. Nach Injektion des Kontrast­ mittels werden kontinuierlich oder periodisch weitere Messun­ gen durchgeführt, bis man durch Änderungen gegenüber den kon­ trastmittelfreien Testmessungen die Ankunft des Kontrastmit­ tels im interessierenden Untersuchungsbereich feststellt. An­ schließend wird die eigentliche Bilddatenerfassung gestartet. Hierbei ist lediglich eine Injektion mit normaler Dosis er­ forderlich. Bei der MR-Angiographie ergibt sich jedoch bei diesem Verfahren insbesondere dann ein Zeitproblem, wenn die Bilddatenmessung in einer Atemanhaltephase durchgeführt wer­ den muß. Bei der MR-Angiographie werden in der Regel geringe Kontrastmittelmengen (z. B. ein Volumen von 10 bis 20 ml) ver­ wendet. Bei typischen Injektionsraten von 2 ml/s besitzt der Kontrastmittelbolus im Blut dann eine zeitliche Dauer von 8 bis 15 s. Da man das Atemanhaltekommando erst geben kann, wenn das Gerät die Ankunft des Bolus im interessierenden Un­ tersuchungsbereich meldet, gehen von der ingesamt zur Verfü­ gung stehenden Meßzeit von 8 bis 15 s ca. 4 bis 6 s verloren, bis das Atemanhaltekommando umgesetzt ist. Die verbleibende Meßzeit kann für MR-Angiographie bereits zu kurz sein. Eine Lösung bestünde dann darin, das Kontrastmittelvolumen zu er­ höhen, um die zur Verfügung stehende Meßzeit zu verlängern. Man will jedoch die Kontrastmittelmenge wegen möglicher Ne­ benwirkungen und auch wegen der Kosten gering halten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der ein­ gangs genannten Art so auszugestalten, daß man mit geringen Kontrastmittelmengen auskommt und eine Bilddatenerfassung zeitlich möglichst genau mit der Ankunft eines Kontrastmit­ telbolus im interessierenden Untersuchungsgebiet synchroni­ sieren kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Durch die zweistufige Injektion des Kon­ trastmittels in einem genau definierten Zeitabstand erhält man einen genauen Zeitpunkt für den optimalen Start der Bild­ datenerfassung sowie ggf. für ein Atemanhaltekommando. Da die zur Verfügung stehende Meßzeit optimal genutzt werden kann, kommt man mit kleinen Kontrastmittelmengen aus. In einer vor­ teilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Bilddatener­ fassung um den vorgegebenen Zeitabstand nach Ankunft des Testbolus automatisch gestartet. Während die eingangs be­ schriebenen Verfahren, insbesondere, wenn ein Atemanhaltekom­ mando erforderlich ist, vom untersuchenden Arzt eine erhebli­ che Aufmerksamkeit verlangen, kann man das hier beschriebene Verfahren vollautomatisch ablaufen lassen. Dadurch wird die Fehlerquote erheblich verringert. Mit einer Steuervorrichtung nach Anspruch 7 und zwei Infusionspumpen kann auch die Kon­ trastmittelgabe automatisiert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 3 dargestellt. Dabei zeigen:

Fig. 1 den Zeitablauf von Injektion und Signal,

Fig. 2 ein Ablaufschema des Verfahrens,

Fig. 3 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die im folgenden beispielhaft gemachten Angaben beziehen sich auf eine kontastmittelgestützte Untersuchung mittels Kern­ spintomographie (im folgenden auch mit MR für magnetische Re­ sonanz bezeichnet). Die Angaben lassen sich jedoch analog auch auf andere bildgebende Verfahren, beispielsweise Compu­ tertomographie, anwenden, wobei in der Computertomographie typischerweise größere Kontrastmittelmengen verwendet werden müssen.

Gemäß Fig. 1 wird in einer schraffiert eingezeichneten Zeit­ periode I ein Testbolus von ca. 1 ml injiziert. Für MR- Messungen benötigt man dabei ein paramagnetisches Kontrast­ mittel, wie es z. B. unter der Bezeichnung Magnevist® von der Firma Schering erhältlich ist. Auf die Injektion des Testbo­ lus folgt in einer Phase II die Injektion einer Kochsalzlö­ sung (durch eine gepunktete Fläche gekennzeichnet) und in ei­ ner Phase III eine weitere Kontrastmittelinjektion in voller Dosis, also der Hauptbolus. Die Dauer der Injektion von Koch­ salzlösung in der Phase II bestimmt den Abstand zwischen Test- und Hauptbolus. Auf den Hauptbolus in der Phase III er­ folgt in einer Phase IV nochmals eine Injektion von Kochsalz­ lösung. Typischerweise werden in den Phasen II und IV jeweils ca. 15 ml Kochsalzlösung injiziert. Vorzugsweise arbeitet man mit konstanten Injektionsraten, so daß die injizierte Menge der Zeitdauer proportional ist. Für MR-Untersuchungen wird typischerweise eine Injektionsrate von 2 ml pro Sekunde ange­ wandt, so daß bei einem Testbolus von 1 ml die Phase I bei Injektion von 1 ml Kontrastmittel 1/2 s, die Phase II bei In­ jektion von 15 ml Kochsalzlösung ca. 8 s und die Phase III bei Injektion von 10 bis 20 ml Kontrastmittel zwischen 5 und 10 s dauert. Die Infektion erfolgt zweckmäßigerweise mit In­ fusionspumpen, wie sie auch in den eingangs genannten Patent­ schriften beschrieben sind.

Sobald das Kontrastmittel in das Untersuchungsvolumen einge­ treten ist, erhöht es dort aufgrund seiner paramagnetischen Eigenschaften das Kernresonanzsignal. Die relative Signalan­ hebung durch das Kontrastmittel ist in Fig. 1 dargestellt. Um die Ankunft des Testbolus zu erfassen, werden in einer Schicht des Untersuchungsvolumens periodisch, z. B. im Sekun­ dentakt, Kernresonanzsignale gewonnen. Da es für diesen Zweck lediglich darauf ankommt, eine Signalerhöhung in dieser Schicht zu erfassen, muß innerhalb der Schicht keine Ortsauf­ lösung erfolgen, es reicht vielmehr, das Summensignal aus der Schicht auszuwerten. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn die Ankunft des Testbolus aufgrund einer Signaländerung automatisch erfaßt werden soll. Man kann aber auch aus der betrachteten Schicht ein Bild mit voller oder reduzierter Auflösung gewinnen und unter persönlicher Bildkontrolle die Ankunft des Bolus im Untersuchungsvolumen abwarten. Die Zeit zwischen der Injektion des Testbolus und der Ankunft im Un­ tersuchungsvolumen, also dem Auftreten des ersten Signalmaxi­ mums nach Fig. 2, beträgt z. B. im Abdomen zwischen 13 und 25 s. Diese Zeit wird auch als Kreislaufzeit bezeichnet.

Aufgrund des festgelegten Zeitabstands Δti zwischen Testbolus I und Hauptbolus III weiß man, daß im selben Zeitabstand Δti nach Ankunft des Testbolus im Untersuchungsvolumen der Haupt­ bolus folgen muß. Dies bedeutet also, daß in dieser Zeitspan­ ne Δti nach dem vom Testbolus herrührenden Signalmaximum das vom Hauptbolus herrührende Signalmaximum folgen muß.

Mit diesem Wissen kann man nun entsprechende Aktionen durch­ führen. Man kann z. B. rechtzeitig vor der Erfassung des Hauptbolus ein Atemkommando veranlassen und dann eine Pulsse­ quenz starten, die Bilddaten aus dem gesamten interessieren­ den Volumen bei Auftreten des Signalmaximums für den Hauptbo­ lus erfaßt. Aus Gründen, die in der bereits eingangs genann­ ten US-Patentschrift 5,417,213 näher erläutert sind, ist es vorteilhaft, wenn die Bilddaten aus dem Zentrum des k-Raums beim Maximum des Signalanstiegs durch die Kontrastmittelinfu­ sion gewonnen werden. Da mit dem hier beschriebenen Verfahren das Signalmaximum für den Hauptbolus sehr präzise vorherbe­ stimmt werden kann, ist ein genaues Timing zur Einhaltung dieser Bedingung möglich. Um die Messung der mittleren k- Raumzeiten zeitlich auf das Signalmaximum aufgrund der Kon­ trastmittelanreicherung abzustimmen, kann es zweckmäßig sein, wenn der Zeitabstand Δtm zwischen Erfassung des Testbolus und Start der Bilddatenmessung gegenüber dem Zeitabstand Δti zwi­ schen der Injektion von Test- und Hauptbolus noch einen expe­ rimentell zu ermittelnden Versatz aufweist.

Wie oben bereits erwähnt, kann man den Meßablauf manuell steuern, d. h., die Untersuchungsperson betrachtet die Ankunft des Bolus in einer bestimmten Schicht und löst dann nach der vorgegebenen Zeit Δt die Messung für die Bilddatenerfassung aus und gibt eventuell einige Sekunden vorher noch ein Atem­ anhaltekommando. Durch relativ einfache Steuervorrichtungen läßt sich das Verfahren aber auch automatisieren. Eine ent­ sprechende Steuereinrichtung ist in Fig. 2 schematisch dar­ gestellt. Eine Ablaufsteuereinrichtung steuert nach dem in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Zeitschema eine erste Infusionspumpe für eine Kontrastmittellösung und eine zweite Infusionspumpe für eine Kochsalzlösung. Ferner wird über die­ se Zeitsteuerung die Übersichtsmessung für die Bolusankunft gestartet. Sobald ein Bolus im Betrachtungsvolumen, vorteil­ hafterweise in einer Schicht des Betrachtungsvolumens ange­ kommen ist, wird nach dem von der Zeitsteuerung festgelegten Zeitabstand Δtm die Messung für die Bilddatenerfassung ge­ startet. In einem kürzeren Zeitabstand Δtm-Δta nach Ankunft des Betrachtungsvolumens wird auf einen Meldeausgang ein Atemanhaltesignal gegeben.

Mit dem beschriebenen Verfahren können Kontrastmitteluntersu­ chungen gegenüber bisher gebräuchlichen Verfahren zeitlich deutlich verkürzt und Fehlmessungen reduziert werden. Auf­ grund des präzisen Timings kann man Atemkommandos zeitlich so genau geben, daß Fehlmessungen durch Bewegung reduziert wer­ den können. Da das Akquisitionsfenster für die Meßdatengewin­ nung genau mit dem Signalmaximum koordiniert werden kann, kommt man mit geringen Kontrastmittelmengen aus. Dies gilt auch für CT-Untersuchungen. Damit wird das Risiko von Kompli­ kationen geringer und der Verbrauch an teueren Kontrastmit­ teln wird eingeschränkt.

In Fig. 3 ist schließlich noch schematisch eine Gesamtanlage dargestellt. In einem bildgebenden medizinischen Gerät 1, das z. B. ein CT-Gerät oder ein MR-Gerät sein kann, liegt der zu untersuchende Patient 6. Er ist an zwei Infusionspumpen 3 und 4 für Kontrastmittellösung bzw. Kochsalzlösung angeschlossen. Das medizinische Untersuchungsgerät 1 wird von einer Anlagen­ steuerung 2 gesteuert. Mit einer Ablaufsteuervorrichtung 5 werden in der oben beschriebenen Weise die Infusionspumpen 3 und 4 angesteuert. Ferner wird über die Anlagensteuerung 2 die Übersichtsmessung für die Ankunft eines Bolus in einer vorgegebenen Schicht sowie die Messung für die Bilddatenge­ winnung gestartet. Ferner erhält die Ablaufsteuervorrichtung 5 von der Anlagensteuerung 2 ein Signal, sobald der Testbolus erfaßt wurde. Schließlich weist die Ablaufsteuervorrichtung 5 noch einen Meldeausgang 6 für ein Atemanhaltekommando auf. Die Injektionsmenge der Injektionspumpen 3 und 4 ist durch Einstellmittel 5a und 5b vorgebbar. Die Ablaufsteuervorrich­ tung 5 muß nicht als separates Gerät hardwaremäßig aufgebaut werden, sondern kann auch in die Anlagensteuerung 2 software­ mäßig integriert werden. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Anlagensteuerung sind hierzu lediglich zwei zusätzliche Steu­ erausgänge 3 und 4 für die Steuerung der Infusionspumpen er­ forderlich. Die Meldung für das Atemkommando kann mit vorhan­ denen Anlagemitteln, z. B. über einen Monitor ausgegeben wer­ den. Es stellt einen besonderen Vorteil dieser Erfindung dar, daß sie mit geringen Modifikationen auch in herkömmlichen An­ lagen implementierbar ist.

Claims (11)

1. Verfahren zur Kontrastmittelverfolgung mittels eines bildgebenden medizinischen Geräts in einem interessierenden Betrachtungsvolumen mit folgenden Merkmalen:

• a) ein Testbolus eines Kontrastmittels wird injiziert,
• b) anschließend wird eine kontrastmittelfreie Flüssigkeit injiziert,
• c) in einem vorgegebenen Zeitabstand Δti wird nach Injek­ tion des Testbolus ein Hauptbolus eines Kontrastmittels injiziert,
• d) die Ankunft des Testbolus im Betrachtungsvolumen wird durch periodisch wiederholte Übersichtsmessungen des bildgebenden Geräts zeitlich erfaßt,
• e) in einem Zeitabstand Δtm wird nach Erfassung des Test­ bolus eine Bilddatenmessung gestartet, wobei der Zeit­ abstand Δtm nach dem vorgegebenen Zeitabstand Δti be­ stimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Übersichtsmessungen mit geringer Ortsauflösung erfolgen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Übersichtsmessungen mit Ortsauflösung in nur einer Richtung erfolgen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Testbolus ein wesentlich kleineres Volumen aufweist als der Hauptbolus.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Bilddatenmessung nach Schritt e) automatisch gestartet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Bildmessung mit einem Kernspintomographiegerät erfolgt, mit dem Rohdaten für die Bildrekonstruktion durch frequenz- und phasencodierte Kernresonanzsignale gewonnen werden, die in eine k-Raum-Matrix nach Phasenfaktoren geordnet einsortiert werden und wobei die Zeit Δtm so gewählt wird, daß ein zen­ traler Bereich des k-Raums gemessen wird, während im interes­ sierenden Betrachtungsvolumen eine maximale Kontrastmittel­ konzentration vorliegt.

7. Steuervorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6

• 1. mit einem Eingang zum Empfang eines Startsignals,
• 2. mit einem ersten Steuerausgang (5a) zur mindestens zwei­ maligen Ansteuerung einer ersten Infusionspumpe (3) in einem vorgegebenen Zeitabstand Δti,
• 3. mit einem zweiten Steuerausgang (5b) zur Ansteuerung ei­ ner zweiten Infusionspumpe (4) im Wechsel mit der ersten Infusionspumpe,
• 4. mit einem Eingang zum Empfang eines Meldesignals aus dem bildgebenden medizinischen Gerät für die Ankunft eines Testbolus im Betrachtungsvolumen,
• 5. mit einem Steuerausgang für den Start einer Bilddaten­ messung des bildgebenden medizinischen Geräts in einem Zeitabstand Δtm nach Empfang des Meldesignals, wobei der Zeitabstand Δtm nach dem Zeitabstand Δti festgelegt wird.

8. Steuervorrichtung nach Anspruch 7 mit einem Meldeausgang (5c), der eine vorgegebene Zeit nach Empfang des Meldesi­ gnals, aber vor Ablauf des Zeitabstands Δtm aktiviert wird.

9. Steuervorrichtung nach Anspruch 7 oder 8 mit Einstell­ mitteln (5d, 5e), mit denen bei Ansteuerung der Infusionspum­ pe jeweils ein Bolus-Volumen vorgebbar ist.

10. Verwendung einer Steuervorrichtung nach einem der An­ sprüche 7 bis 9 zur Ansteuerung eines Kernspintomographen als medizinisches Gerät.

11. Verwendung einer Steuervorrichtung nach einem der An­ sprüche 7 bis 9 zur Ansteuerung eines Computertomographen als medizinisches Gerät.