-
Die
Erfindung betrifft ein Phantom, das zur Kalibrierung von abbildenden
Systemen eingesetzt wird, insbesondere bei Magnet-Resonanz-Abbildungssystemen
zur Berechnung der räumlichen
Verzerrungen.
-
Die
Magnet-Resonanz-Tomographie (MR-Tomographie) hat sich in den letzten
Jahren als bedeutendes bildgebendes Verfahren in der Medizin etabliert.
MR-Abbildungssysteme, die Schnittbilder eines zu untersuchenden
Objektes, insbesondere eines menschlichen Körpers oder Körperteils,
unter Anwendung magnetischer Kernresonanzen erzeugen, sind an sich
bekannt. Hierbei wird der zu untersuchende Körper in ein starkes homogenes
statisches Magnetfeld, das sogenannte Hauptmagnetfeld, eingebracht,
das in dem Körper
eine Ausrichtung der Kernspins von Atomkernen, insbesondere von
an Wasser gebundenen Wasserstoffatomkernen (Protonen), bewirkt.
Mittels hochfrequenter Anregungspulse werden dann diese Kerne zu
einer Präzessionsbewegung
angeregt. Nach dem Ende eines entsprechenden Hochfrequenz(HF)-Anregungspulses
präzedieren
die Atomkerne mit einer Frequenz, der sogenannten Larmorfrequenz,
die von der Stärke des
Hauptmagnetfeldes abhängt,
und pendeln sich dann nach einer vorbestimmten gewebsabhängigen Relaxationszeit
wieder in die durch das Hauptmagnetfeld vorgegebene Vorzugsrichtung
ein. Durch rechnerische und/oder messtechnische Analyse der integralen,
hochfrequenten Kernsignale kann bezüglich einer Körperschicht
aus der Verteilung der räumlichen
Spindichte in Verbindung mit den Relaxationszeiten ein Bild generiert
werden. Die Zuordnung des infolge der Präzessionsbewegung nachweisbaren Kernresonanzsignals
zum Ort seiner Entstehung erfolgt durch Anwendung linearer Feldgradienten. Dazu
werden entsprechende Gradientenfelder dem Hauptmagnetfeld überlagert
und so gesteuert, dass nur in einer abzubildenden Schicht eine Anregung der
Kerne erfolgt. Sowohl zur HF-Anregung der Kernspins als auch zur
Detektion der Kernant wortsignale ist eine HF-Spuleneinrichtung erforderlich.
Auf diesen physikalischen Effekten basierende Abbildungssysteme
sind auch bekannt unter den Bezeichnungen Kernspin-Tomographie, Nuclear-Magnetic-Resonance
(NMR)-Tomographie oder Magnetic-Resonance-Imaging (MRI).
-
Abweichungen
der Magnetfelder, insbesondere der räumlichen Verteilung ihrer Magnetfeldstärke, von
ihren theoretisch vorgegebenen und berechneten Werten rufen im Bild
geometrische Verzerrungen hervor. Insbesondere Verfahren, die auf
einer quantitativ genauen geometrischen Darstellung der zu untersuchenden
Gebiete beruhen, sind hinsichtlich ihrer Qualität durch derartige Verzerrungen
maßgeblich
gemindert.
-
Vornehmlich
lassen sich vier verschiedene Ursachen identifizieren, die geometrische
Verzerrung hervorrufen:
- – Die magnetische Suszeptibilität variiert
bei unterschiedlichen Materialien und bewirkt so eine geringfügige materialabhängige Änderung
des Hauptmagnetfeldes.
- – Statische
Magnetfeldinhomogenitäten
werden durch die sogenannte Shimmung des Magnetfeldes weitgehend
ausgeglichen, geringe Restinhomogenitäten können aber dennoch verbleiben.
- – Nichtlinearitäten der
Gradientenspulen verursachen Verzerrungen in alle Richtungen. Üblicherweise
sind Gradientenspulen so entworfen, um derartige Verzerrungen im
Isozentrum des Gerätes
zu minimieren. Daher treten derartige Effekte vornehmlich in Randbereichen
von MRT-Bildern auf.
- – Wirbelströme werden
in konduktiven Materialien immer dann erzeugt, wenn Änderungen
der Magnetfelder durchgeführt
werden. Vornehmlich tritt dies beim Schalten der Gradientenfelder
auf. Die Stärke
und die räumliche
Verteilung der Wirbelströme
hängen
dabei von der angewendeten MRT-Sequenz ab. Ihrerseits verursachen
die Wirbelströme
wiederum Magnetfelder, die sich anderen Magnetfeldern überlagern
und so geometrische Verzeichnungen verursachen.
-
Eine
Möglichkeit,
geometrische Verzerrungen zu detektieren, die bei einer bestimmten MRT-Sequenz
auftreten, ist die Verwendung eines Phantoms. Derartige Phantome
weisen meist ein dreidimensionales Gitter von Strukturen auf, die
das zu entzerrende Gebiet ausfüllen
und die sich in einem MRT-Bild deutlich darstellen. Bei einem Abbild des
Phantoms lässt
sich das Abbild des dreidimensionalen Gitters mit dem ursprünglichen
Gitter vergleichen. Dadurch kann eine Verzeichnungskarte erstellt werden,
die die Stärke
und die Richtung der geometrischen Verzeichnungen in verschiedenen
Raumpunkten kennzeichnet. Diese Verzeichnungskarte wird zur Korrektur
geometrischer Verzeichnungen bei nachfolgend mit derselben MRT-Sequenz aufgezeichneten
Bildern verwendet.
-
Bislang
existieren verschiedene hierfür
konzipierte Phantome.
-
Das
in der
US 5,545,995 offenbarte
Phantom weist eine Vielzahl von parallelen Stäben auf, deren Durchmesser
entlang der Längsachse
des Stabes variiert und so kegelförmige Strukturen bildet.
-
Die
WO 2004/106962 A1 offenbart ein Phantom, dessen Gitterstruktur aus
Ebenen aufgebaut ist, die ein quaderförmiges Gitter bilden.
-
In
der M. Breeuwer et al., "Detection
and correction of geometric distortion in 3D MR images", Proc. SPIE 4322,
1110–1120,
2001 und in der M. Holden et al. "Sources and correction of higher order
geometrical distortion for serial MR brain imaging", Proc. SPIE 4322,
69–78
2001 sind Phantome offenbart, deren dreidimensionales Gitter aus
Kugeln gebildet ist.
-
All
die offenbarten Phantome haben den Nachteil, dass sie eine gewisse
Symmetrie aufweisen. Beispielsweise erzeugen die oben genannten Phantome
ein im Wesentlichen gleiches Abbild, wenn sie um 90° oder um
180° entlang
ihrer Längsachse
rotiert werden. Lediglich kleine fertigungsbedingte Asymmetrien
in der Gitterstruktur von Phantomen würden einen Rückschluss
auf die genaue Lage des Phantoms ermöglichen. Allerdings ist das
nicht zuverlässig
möglich,
da Abweichungen von der Gitterstruktur in dieser Größenordnung
ebenso von geometrischen Verzerrungen des Abbildungssystems herrühren können. Bislang
muss daher manuell die Lage und die Orientierung des Phantoms mit
der Lage und der Orientierung seines Abbildes abgeglichen werden.
Dies stellt insbesondere bei der serienmäßigen Verwendung des Phantoms
zur Korrektur geometrischer Verzerrungen eine mögliche Fehlerquelle dar. Abweichungen
von der Gitterstruktur, die von fertigungsbedingten Toleranzen herrühren, können nicht
automatisch von Abweichungen getrennt werden, die von Magnetfeldinhomogenitäten herrühren.
-
In
der
US 4,888,555 wird
ein Phantom zur Messung von Bildparametern, insbesondere auch der
geometrischen Verzerrung offenbart. Hierzu wird unter anderem jeweils
ein ebenenförmiges
Koordinatensystem-Gitter entlang drei zueinander orthogonaler Hauptebenen
angeordnet. In das Koordinatensystem-Gitter können so genannte Auflösungselemente (engl: „resolution
scales") eingesetzt
werden.
-
Daher
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Phantom, das
insbesondere zur Bestimmung geometrischer Verzerrungen bei einem Abbildungssystem
verwendet wird, so auszugestalten, dass ein automatischer Abgleich
seiner Orientierung und der Orientierung seines Abbildes ermöglicht wird
bei gleichzeitig im Wesentlichen vollständiger Überdeckung des Abbildungsvolumens.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Phantom nach Anspruch 1 gelöst.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Vorrichtung sind jeweils Gegenstand von weiteren
Patentansprüchen.
-
Das
erfindungsgemäße Phantom
nach Anspruch 1 weist eine Vielzahl gitterbildender Strukturen auf,
durch deren Anordnung im Phantom ein dreidimensionales Gitter, das
durch drei Hauptachsen charakterisiert ist, gebildet ist, wobei
das Phantom asymmetrisch ausgebildet ist, so dass aus einem Abbild
des Phantoms dessen Orientierung bei der Anfertigung des Abbildes
in eindeutiger Weise ermittelbar ist. Die Grundstruktur des Gitters
ist dabei regelmäßig. Durch
die gitterbildenden Strukturen ist ein aus Elementarzellen aufgebautes
Raumgitter geformt. Dies kann erreicht werden, indem zumindest eine
der gitterbildenden Strukturen versetzt zur Grundstruktur des Raumgitters
asymmetrisch angeordnet ist und/oder indem zumindest eine der gitterbildenden
Strukturen an asymmetrischer Position von den anderen gitterbildenden
Strukturen unterscheidbar ausgebildet ist, und/oder indem zumindest eine
weitere Struktur an asymmetrischer Position im Phantom angeordnet
ist.
-
Aufgrund
der asymmetrischen Ausbildung kann auf die Orientierung des Phantoms
bei der Anfertigung des Abbildes allein aus seinem Abbild geschlossen
werden. Dadurch lassen sich bei der Erstellung geometrischer Verzeichnungskarten
geometrische Verzerrungen genauer erfassen, da fertigungsbedingte
Abweichungen von der idealen Gitterstruktur aufgrund der eindeutigen
Kenntnis der Orientierung des Phantoms zuverlässig berücksichtigt werden können.
-
In
einer Variante geschieht dies dadurch, dass bei dem Phantom zumindest
ein Teil der gitterbildenden Strukturen asymmetrisch angeordnet
ist. Durch die asymmetrische Anordnung lediglich eines Teiles der
gitterbildenden Strukturen bleibt die Gitterstruktur im Wesentlichen
erhalten, sodass das Phantom seinen Zweck weiterhin erfüllt, nämlich ein
Gitter zu liefern, das das zu entzerrende Abbildungsvolumen möglichst
vollständig überdeckt. Üblicherweise reicht
es aus, eine einzelne gitterbildende Struktur in asymmetrischer
Position leicht versetzt zum Gitter anzuordnen. Die gitterbildende
Struktur wird dabei aber so stark versetzt, dass sie im Abbild des
Phantoms trotz der durch Magnetfeldinhomogenitäten hervorgerufen Verzerrungen
zweifelsfrei identifiziert werden kann.
-
In
einer anderen Variante ist im Phantom zumindest eine weitere Struktur
an asymmetrischer Position angeordnet. Diese weitere Struktur dient
dabei vornehmlich der Feststellung der Orientierung des Phantoms.
Diese Variante hat den Vorteil, dass die zusätzliche Struktur, die sich
in ihrer Form von den gitterbildenden Strukturen vorzugsweise deutlich
unterscheidet, eindeutig trotz etwaiger geometrischer Verzerrungen
identifiziert werden kann. Die Orientierung kann dadurch eindeutig
festgelegt werden.
-
In
einer weiteren Variante ist im Phantom zumindest eine der gitterbildenden
Strukturen an asymmetrischer Position von den anderen gitterbildenden Strukturen
unterscheidbar ausgebildet. Unterscheidungsmerkmal kann dabei beispielsweise
die Größe der zumindest
einen gitterbildenden Struktur sein, die sich deutlich von den anderen
gitterbildenden Strukturen unterscheidet. Diese Variante hat den
Vorteil, dass die weitgehend regelmäßige Gitterstruktur dabei selbst
nicht geändert
wird, was Vorteile bei der Implementierung eines Auswertungsalgorithmus
hat.
-
In
einer Ausbildungsform des Phantoms sind die gitterbildenden Strukturen
kugelförmige
Strukturen. Die Symmetriebrechung ist dann in einer bevorzugten
Ausführungsvariante
dadurch verwirklicht, dass zumindest eine der kugelförmigen Strukturen einen
von den anderen kugelförmigen
Strukturen unterscheidbaren Durchmesser aufweist und in asymmetrischer
Position angeordnet ist.
-
In
einer weiteren Ausführungsvariante
des Phantoms sind die gitterbildenden Strukturen eine Vielzahl von
Ebenen, die derart angeordnet sind, dass sie sich schneiden und
ein dreidimensionales Gitter bilden. Die Symmetriebrechung ist dann
in einer bevorzugten Ausführungsvariante
dadurch verwirklicht, dass zumindest eine der Ebenen außerhalb der
Gitterstruktur angeordnet ist.
-
Die
Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Merkmalen der Unteransprüche werden
im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele
in der Zeichnung erläutert,
ohne jedoch darauf beschränkt
zu sein.
-
Es
zeigen
-
1 und 2 einen
Längs-
bzw. einen Querschnitt durch ein Phantom, dessen Gitterstruktur
im Wesentlichen aus Kugeln gebildet wird,
-
3 und 4 einen
Längs-
bzw. einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsvariante eines Phantoms,
dessen Gitterstruktur aus Kugeln gebildet wird,
-
5 und 6 einen
Längs-
bzw. einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsvariante eines Phantoms,
dessen Gitterstruktur aus Kugeln gebildet wird,
-
7 eine
dreidimensionale schematische Darstellung eines Phantoms, dessen
Gitterstruktur aus sich schneidenden Ebenen gebildet wird.
-
In 1 und 2 ist
ein Längs-
bzw. ein Querschnitt durch ein Phantom dargestellt, das sich zur
Bestimmung geometrischer Verzeichnungen bei einem MRT-Gerät eignet.
Die gestichelten Linien I-I und II-II kennzeichnen jeweils den Ort
des Längs- bzw.
des Querschnittes.
-
Die
gitterbildenden Strukturen werden in dem Phantom 1a aus
Kugeln 3 gebildet. In dem hier gezeigten Phantom 1a sind
die Kugeln 3 als Hohlkugeln ausgebildet, die mit Wasser
gefüllt
sind. Zur einfacheren Füllbarkeit
sind die Kugeln 3 durch Hohlstäbe 5 verbunden, so
dass hierüber
Wasser eingefüllt werden
kann. Die Kugeln 3 sind dabei in Polymethylmetacrylat 7 eingebettet,
das sich in einem MRT-Bild von Wasser unterscheidbar darstellt.
-
Die
Kugeln 3 sind dabei so angeordnet, dass sie ein dreidimensionales,
durch drei Hauptachsen charakterisiertes und aus Elementarzellen
aufgebautes Gitter bilden.
-
Die
Form der gitterbildenden Struktur als Kugel 3 hat dabei
den Vorteil, dass ein eindeutiger Punkt, nämlich der Mittelpunkt, als
kennzeichnender Gitterpunkt verwendet werden kann. Andere mögliche einfache
Formen, die eine ähnliche
Eigenschaft aufweisen und sich deshalb bei einem Phantom als gitterbildende
Strukturen eignen, sind punktsymmetrische Strukturen, wie beispielsweise
Quader oder Ellipsoide.
-
Die
Bestimmung der geometrischen Verzerrungen im Abbildungsvolumen wird
durch die Gitterstruktur ermöglicht,
die das Abbildungsvolumen im Wesentlichen vollständig ausfüllt. Hierzu werden die geometrischen
Verzerrungen der einzelnen Kugelpositionen in einem Abbild des Phantoms 1a gemessen und
mit der Position der Kugeln 3 im Phantom 1a verglichen.
-
Eine
Abweichung des Abbildes einer Kugel 3 von ihrer vorgegebenen
Sollposition kann dabei entweder von der geometrischen Verzeichnung
des abbildenden Systems herrühren
oder aufgrund kleiner fertigungsbedingter Abweichungen des Phantoms 1a entstehen.
Nur wenn die Orientierung des Phantoms 1a aus seinem Abbild
stets eindeutig ermittelbar ist, können fertigungsbedingte Abweichungen
bei der Bestimmung der geometrischen Verzeichnung berücksichtigt
werden.
-
In
dem in 1 und 2 gezeigten Phantom 1a ist
dies durch zwei Kugeln 9, 11 ermöglicht, die
sich in ihrer Größe von den übrigen Kugeln 3 unterscheiden.
Aufgrund der Anordnung der beiden Kugeln 9, 11 in
unterschiedlichem Abstand zur zentralen Kugel 13 lässt sich
aus dem Abbild des Phantoms 1a seine Orientierung bei der
Anfertigung des Abbildes in eindeutiger Weise ermitteln. Eine Rotation
um die Längsachse
des Phantoms um 90° führt nun
beispielsweise nicht mehr zu einem identischen Abbild.
-
In 3 und 4 ist
ein Längs-
bzw. ein Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des Phantoms 1b dargestellt.
Die gestichelten Linien III-III und IV-IV kennzeichnen jeweils den
Ort des Längs-
bzw. des Querschnittes.
-
In
der hier dargestellten Ausführungsvariante
unterscheidet sich nur eine Kugel 15 in ihrer Größe von den
anderen Kugeln 3. Dadurch, dass sie außerhalb der beiden Spiegelebenen 17a, 17b des
Phantoms 1b angeordnet ist, ist die Symmetrie des Phantoms 1b bereits
nur durch diese eine Kugel 15 in eindeutiger Weise gebrochen.
-
Die
in 1 bis 4 vorgestellten Ausführungsvarianten
des Phantoms 1a, 1b haben den Vorteil, dass durch
die Änderung
der Größe einiger
gitterbildenden Strukturen das Gitter selbst nicht verändert wird.
Das Abbildungsvolumen wird weiterhin in regelmäßiger Weise durch die Gitterstruktur
ausgefüllt.
-
In 5 und 6 ist
ein Längs-
bzw. ein Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des Phantoms 1c dargestellt.
Die gestrichelten Linien V-V und VI-VI kennzeichnen jeweils den
Ort des Längs- bzw.
des Querschnittes.
-
In
der hier dargestellten Ausführungsvariante
ist zusätzlich
zu den gitterbildenden Kugeln 3 eine weitere Struktur 19 zur
Symmetriebrechung im Phantom eingebaut.
-
7 zeigt
schematisch eine Ausführungsform,
bei der ein quaderförmiges
Phantom 1d eine aus Ebenen 21 gebildete Gitterstruktur
enthält.
Der Übersichtlichkeit
halber sind die Ebenen in der z-Richtung nicht eingezeichnet.
-
Dadurch,
dass sich eine Ebene 23 in x-Richtung und eine weitere
Ebene 25 in y-Richtung außerhalb der Gitterstruktur
angeordnet sind, ist die Symmetrie des Phantoms 1d gebrochen.
Die Orientierung des Phantoms 1d kann aus einem von dem Phantom 1d angefertigten
Abbild in eindeutiger Weise ermittelt werden.