WO2005033726A1 - Bestimmung von patientenbezogenen informationen zur position und orientierung von mr-bildern durch individualisierung eines körpermodells - Google Patents

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WO2005033726A1
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    • A61B5/45—For evaluating or diagnosing the musculoskeletal system or teeth
    • A61B5/4528—Joints

Definitions

  • the invention relates to a method for determining patient-related information on the position and orientation of magnetic resonance tomographic aphic sectional images of a patient.
  • the sectional image recordings (recordings) u. a.
  • Information about the position and orientation in which the respective recordings were made relative to the patient are determined.
  • Such patient-related information on the position and orientation of the sectional image recordings is generally shown when the recordings are displayed or printed on the edge of the recordings and also enable the spatial position of the recordings to be reconstructed in relation to the patient even after the examination.
  • the recording plane in which a specific recording is produced can be defined within an arbitrarily defined reference coordinate system by the coordinates of direction vectors that span the relevant recording plane.
  • a standard coordinate system the so-called “main coordinate system” of the patient, is usually used as the reference coordinate system in radiological diagnostics.
  • the axial directions of this main coordinate system are defined by the intersection lines of the so-called “main planes" of the patient's body, which are perpendicular to one another, these main planes - as in anatomy - referred to as the transversal plane, sagittal plane and coronary plane. This is shown in FIG. 1, the transverse plane with the letter T, the sagittal plane with the letter S and the coronary plane with the letter C.
  • orientation marks for the linguistic description of your patient-related orientation of images of any orientation.
  • Common letters for use as orientation marks are:
  • orientation marks describe the position of the direction vectors spanning the recording plane with respect to the patient's main coordinate system in the form of linguistic designations which are easy for the doctor to understand. The orientation marks are described usually at the edge of the would - as with a geographic map - represented graphically.
  • All such patient-related information on the position and orientation of the sectional images such as. B.
  • the specification of orientation marks in the main coordinate system of the patient must refer to a reference coordinate system which is based on the patient's body.
  • the coordinates of the individual volume elements from which the image information is received are determined in a fixed coordinate system with respect to the tomograph. Therefore, the position of the patient relative to the MR device must be known during the image data acquisition. Only under this condition can the desired patient-related information on the position and orientation of the sectional image recordings be determined reliably in a magnetic resonance imaging examination.
  • the patient is introduced into the device by a horizontally movable patient bed and the position of the patient is described by the operator of the MR device.
  • a distinction is usually made between a head and foot position and between a stomach, back, left side and right side position.
  • the operator has to choose between several possible patient positions from a selection list.
  • a detailed description of the patient's position in particular a description of the arm position, e.g. B. whether the arm is on the body or above the head does not take place.
  • the control software of the MR device assumes that the patient is in the normal position in the position described and consequently determines the patient's main coordinate system on the basis of this normal position.
  • the determination of the examination region is usually linked to the selection of a measurement program.
  • the manufacturer provides a large number of measurement programs, which are usually arranged hierarchically.
  • An important sort criterion is the affiliation to an anatomical region, since a ⁇ ge measurement parameter for the corresponding anatomical region, i. H. a specific study region are optimized. For example
  • Measurement programs for knee examinations can be summarized in a measurement program folder called "knee”. Depending on the diagnostic problem (such as meniscus lesion, cartilage damage, ...), the appropriate measurement protocols can then be further sorted. As a rule If the selection of a measurement program is linked to the information about the associated examination region, this information is included in the linguistic name of the recordings. These recordings are usually arranged hierarchically in a database, the sorting criterion for the top level usually being the patient name At a lower level, the information about the examination region, which results from the name of the measurement program, is used as a sorting criterion. However, with some questions, this procedure does not allow a clear description of the examination region.
  • An objective determination of the patient position is possible in different ways and is not only important in MR diagnostics.
  • patients should be positioned reproducibly in therapeutic radiation therapy and their position monitored.
  • optical methods are now possible. Examples of this are described in US 5,080,100, US 6,279,579 and US 5,823,192. They are based on optical measuring systems for three-dimensional surface detection or use tracking systems for three-dimensional coordinate detection such as B. in the method proposed in US 6,138,302.
  • a transfer to the situation MR imaging is problematic in many ways. To describe the patient position, the body surface of the patient would have to be measured, which requires an almost completely undressed patient. This cannot be assumed in the daily routine.
  • an optical measurement of the patient in the MR device is made considerably more difficult by the typical tubular design.
  • a method for determining patient-related information on the position and orientation of sectional image recordings in magnetic resonance imaging examinations, in which initial MR overview recordings (magnetic resonance overview recordings) are first made of the patient's body. Using these initial MR overview recordings, a predefined, parameterized anatomical body model, i. h an anatomical body model with certain variable model Parameters, individualized. The determination of the patient-related information about the position and orientation of the subsequent (diagnostic) sectional image recordings is then carried out on the basis of the relative position of the sectional image recordings to the individualized body model.
  • the body model is adapted to certain structures determined from the initial MR overview recordings (overview recordings), which preferably represent the body surface of the patient, by varying the model parameters.
  • the individualization process corresponds to a mathematical optimization problem. Those values of the variable model parameters are determined that minimize a measure of deviation of the model from the structures from the overview photographs. I.e. the best possible adaptation of the body model takes place essentially to the entire body of the patient in the current situation that is actually present.
  • information from the body model can be transferred to subsequent diagnostic recordings.
  • the body model in the normal position hereinafter also referred to as the “norm model”
  • the relative position of a recording can then be used Parts of the individualized body model located in the immediate vicinity can be used to determine both information on the position of the image in text form and information on the orientation of the image in the form of orientation marks. That is to say, for example, all image pixels or volume elements, which are less than a predetermined maximum spatial distance from an area which is defined by a specific body part of the individualized model are counted as components of the relevant body part of the patient.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that patient-related information on the position and orientation of sectional image recordings can be determined objectively and in a standardized manner in magnetic resonance imaging examinations. This applies in particular to the automatic generation of orientation marks and text information on the examination region. This ensures independence in determining the information described by the operator of the MR device, which leads directly to an increase in the quality of a subsequent medical diagnosis.
  • a control device for operating a magnetic resonance tomography device must carry out the method according to the invention in addition to a control interface for controlling the magnetic resonance tomography device for measuring a number of sectional image recordings corresponding to scan parameters specified by the control device and an image data interface for detecting magnetic resonance imaging Image data acquired by the imaging device have an overview image determination unit in order to control the magnetic resonance imaging device for measuring a number of initial MR overview recordings of the patient's body.
  • control device requires a memory device with an anatomically parameterized body model, the geometry of which can be varied by changing certain parameters, an individualization unit in order to individualize the body model using the measured initial MR overview recordings and a localization unit which is used to determine patient-related Information about a position and orientation of the sectional image recordings subsequently created determines the relative position of the relevant sectional image recordings in relation to the individualized body model.
  • the individualization unit and the localization unit can particularly preferably be in the form of software on a programmable processor of a control device Magnetic resonance imaging device can be realized.
  • the storage device does not necessarily have to be an integrated part of the control device, but it is sufficient if the control device can access an external storage device.
  • An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the initial MR overview recordings are made in a standardized arrangement.
  • Fast MR sequences can be used, which are characterized by an acquisition time per overview in the range of seconds.
  • the advantage achieved with this embodiment of the invention is, in particular, that a uniform examination protocol can be used for each patient in order to obtain the overview recordings. A manual adjustment to the individual patient geometry is not necessary.
  • the individualization algorithm is started with a uniform data basis, which increases the stability of the results.
  • Cross-sectional images ie images oriented transversely to the longitudinal axis of the patient, are particularly preferably made as initial MR overview images.
  • Cross-sectional images are ideal for individualizing a whole-body model, since a complete image of the body surface is possible in each cross-sectional image. This is generally not the case when taking pictures along the body's longitudinal axis.
  • MR overview images When cross-sectional images are taken as initial MR overview images, a complete reconstruction of the patient's body surface is possible in any cross-sectional image. This information NEN increase the stability of the individualization algorithm.
  • At least three cross-sections with a distance of approx. 50 cm (for an adult) should be made as initial MR overview images.
  • the distance between two adjacent cross-sectional images is preferably less than 50 cm, particularly preferably even less than 15 cm.
  • the more overview recordings are made the easier it is to solve the individualization problem due to the improved data basis.
  • this is offset by the increased measuring time for the overview recordings. In practice, therefore, you have to find a compromise between stability and time. It has been found that a layer spacing of approx. 10 cm represents a good compromise between accuracy and speed when recording the entire patient position. In addition, it is not necessary to choose equidistant slice spacings over the entire body.
  • Recording the hand geometry with the finger positions requires, for example, a higher spatial density of overview recordings than recording the trunk geometry. If z. For example, if a hand is to be examined in more detail, a local layer spacing of two centimeters can be useful there. A foot examination, for example, usually requires a layer spacing of five centimeters.
  • the positions and orientations of MR overview recordings which may have to be additionally produced, if the quality of the individualization is not sufficient, are vidualization algorithm automatically determined.
  • the quality is quantified by calculating a deviation of the body model from the structures from the overview. I.e. the positions and orientations of the additional overview images can be determined by the individualization algorithm from the analysis of the model deviation to structures in the individual overview images and the body region depicted in each case.
  • a further advantageous embodiment of the invention is characterized in that the model parameters that can be set in an individualization include at least one translation parameter, a rotation parameter and a scaling parameter of the entire body model as well as further parameters that determine the spatial position and shape of predetermined important body parts, such as, for example, B of the extremities.
  • the number of parameters for describing the human anatomy depends primarily on the required accuracy of the modeling. In order to obtain information about the position and orientation of recordings during MR examinations, an accurate modeling of anatomical structures located inside the body is of secondary importance. Rather, a modeling of the movement possibilities of essential body parts and their surface is relevant. By parameterizing the position and shape of the essential parts of the body, sufficient but not too detailed modeling of the human anatomy is achieved.
  • a relatively simple, but sufficient in many situations model can, for. B. can be described by the following parameters: Height, arm length, leg length, angle information to describe the shoulder, elbow, hand, hip, knee and ankle joint, circumference of the chest and abdomen.
  • a linguistic description of the patient position is determined from the parameter values of the individualized model (e.g. head or feet ahead; back, stomach, left side, right side position).
  • the three basic model parameters for describing the rotations around the three main axes are of particular importance. From these parameters and the other model parameters, the linguistic description of the patient position in the MR device can be concluded.
  • the difference between the position with the head first and the position with the feet first is in a 180 ° different rotation angle around the sagittal axis.
  • the back, stomach, left side and right side position is primarily differentiated by the angle of rotation around the longitudinal axis.
  • a parameter entered by the operator can be used with particular preference using the parameter values of the individualized model.
  • given description of the patient position can be checked. If the language descriptions of the patient position that are possible through the individualization algorithm match the selection options for the description of the patient position by the operator, the description of the patient position entered by the operator can be checked automatically. Such a check of the patient position description by means of the individualization algorithm results in an increase in the quality of the examination.
  • the patient-related information about the position and orientation of slice image recordings is encoded in linguistic and / or graphic form and displayed with the individualized model.
  • patient-related information is e.g. B. by means of text and orientation marks on the position and orientation of sectional images in the individual images.
  • the individual images can also be represented three-dimensionally in their position and orientation using the individualized body model.
  • the patient's body weight can preferably be calculated with the aid of the individualized body model.
  • a body weight entered by the operator or already existing in a patient data file can be checked.
  • the patient's body weight is particularly important for calculating the specific absorption rate (SAR) in magnetic resonance imaging examinations.
  • SAR specific absorption rate
  • the volume and the body weight of the patient can be estimated from the individualized body model. By controlling the body weight through the individualization algorithm, an additional quality Liability increase of the investigation reached. In particular, the SAR limit values are adhered to more reliably.
  • the individualized model is used to position the patient in the MR device for examining a desired region.
  • the procedure for determining information on the position of recordings is reversed in this question.
  • An examination region is then given and a suitable starting position for subsequent recordings is sought.
  • those parts of the individualized model with which the desired region is linked are determined for the desired examination region.
  • a table shift is calculated from the spatial position of these parts, which moves the examination region into the
  • Magnetic field center brings. This procedure enables the patient to be positioned automatically depending on the desired examination region. A time-consuming manual positioning of the region to be examined, which is usually carried out with laser light sights, can then be omitted.
  • a model individualized in a first MR examination is particularly preferably stored and the patient is positioned in a further MR examination with the aid of this individualized body model.
  • Way z For example, it can be ensured that the patient is in the same position as possible in a later MR course examination as in the first MR examination. In the course of a follow-up examination, taking the same patient situation is of crucial importance. In particular, the joint positions and the shape of the soft parts depend on the storage. By comparing a model individualized in the subsequent course examination with the stored individualized model of the previous examination, not only a qualitative comparison is possible. A deviation measure of both models can also be calculated and this for taking the same patient position be used. The sum of the squares of deviations of corresponding model triangles offers itself as a measure of deviation of the two differently individualized models.
  • a signal is preferably emitted. If the operator is notified by a signal during automatically running process steps, the operator can devote himself to other tasks. This increases the workflow during the examination.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the main coordinate system and the main planes of a patient's body
  • FIG. 2 shows a flow chart to illustrate a possible sequence of the method according to the invention
  • FIG. 3a shows a schematic representation of a patient lying on his back in the normal position on a patient couch
  • FIG. 3b shows a schematic representation of a patient lying on his back in a position deviating from the normal position
  • Figure 4 is a schematic representation of a magnetic resonance tomograph with an embodiment of a control device according to the invention.
  • FIG. 1 illustrates the main coordinate system of the body of a patient in the normal position.
  • a possible course of the method according to the invention comprises, as shown in FIG. 2, the following steps after the patient has been positioned:
  • cross-sectional images in a standardized arrangement offer themselves as initial overview images, since a coherent reconstruction of the body surface in the individual cross-sectional images is then possible.
  • a simple threshold method can be used for this, whereby the jump in the signal air to skin defined the body surface. Due to the large geometric measuring ranges of the MR devices, one can generally assume that complete cross-sections of the patient are recorded during the measurement. This leads to a coherent reconstruction of the body surface in the individual cross-sectional images, which is expressed mathematically in the description of the body surface by closed lines.
  • a patient PT is schematically in the normal position (FIG. 3a) lying on the back on a patient support table 3 and in a position deviating from the normal position (FIG. 3b), also lying on the back, but with the right Hand drawn over the head.
  • the exposure planes AE are shown, in which the initial cross-sectional overview exposures are produced.
  • the distance between the recording planes is about 10 cm.
  • a suitable body model is also required for the individualization process, although its variable parameters are not clearly defined. Only the basic parameters for the elementary transformations such as translation, rotation and scaling of the body model are obvious. On the other hand, the type and number of the parameters describing the model geometry mainly depends on the intended use.
  • Very simple body models can only be described by a few parameters, such as B. Height, arm length, leg length, chest circumference, abdominal circumference as well as parameters to describe the arm and leg position.
  • the geometry of the human pelvis is described by the following parameters: distant cristarum, distantia spinarum, diameter spinarum posterior, diameter transverse of the pelvic width, diameter transverse of the pelvic cavity, diameter transverse of the pelvic outlet, diameter sagittalis of the pelvic width, diameter sagittalis the Pelvic narrowing, sagittal diameter of the pelvic exit, conjugata anatomica, conjugata diagonalis, conjugata vera.
  • the position of the body parts is mainly described by the degrees of freedom of the anatomical joints.
  • Exercise of the hip joint which is a ball joint
  • three parameters namely extension and diffraction, spreading and advancing, internal rotation and external rotation are sufficient.
  • the shape of a thigh can be parameterized, for example, by two diameters which are arranged at right angles to one another at the beginning, in the middle and at the end of the thigh and which represent the main axes of the oval thigh to a good approximation.
  • the relevant joints are: lower and upper ankle, knee, hip, shoulder, elbow, and wrist.
  • the spine occupies a special position. It consists of a large number of joints between the individual vertebrae and the movement options can only be parameterized in a complex manner. For the description of the patient position, it is useful to divide the spine into the cervical, thoracic and lumbar spine with simplified movement options.
  • the range of values of the individual parameters is preferably restricted.
  • the limitation is such that only those parameter value combinations are allowed that describe an anatomically possible position of the patient.
  • the parameter values belonging to the normal position of the model are also referred to as normal parameter values.
  • the individualization algorithm can then be started with the target structures described in the individual overview images and the body model.
  • the aim is to determine a set of parameter values that minimizes the deviation of the body model from the target structures on the overview recordings.
  • the result is the individualized body model with the individualized parameter value set.
  • the deviation of the body model from the target structures is described by a deviation function, the arguments of the deviation function being the model parameter values.
  • a deviation function the arguments of the deviation function being the model parameter values.
  • a possible deviation function can then be defined via the deviation values of the surface elements of the body model.
  • the calculation of the deviation is useful as a weighted sum of the squares of the deviation values from the individual surface elements.
  • the weighting factor of a surface element is the ratio of the surface area of the surface element to the mean value of the surface area of all surface elements.
  • the minimum geometric distance to the target structures is defined as the deviation value of a surface element, provided that the surface element geometrically intersects an overview image. Otherwise the deviation value is not defined. This makes sense since, for example, for a surface element lying in the middle between two overview photographs, there is no information about the distance to the patient's body surface anyway. Depending on the position of the body model, a different number of upper area elements in the deviation calculation. In order to be able to calculate comparable deviations from these values for different parameters, it is advisable to standardize the deviations by the area of all surface elements included in the calculation. The optimal parameter set for minimizing the deviation can then be determined using conventional search path or raster methods. Suitable methods are e.g. B. in "Numerical Mathematics", R. Schaback, Springer Verlag, 1992 described ..
  • the quality of the individualization is quantified by the value of the calculated deviation. If this is below a specified limit, the individualization has been successfully carried out. If not, then additional overview pictures are taken to increase the quality of adaptation at points with the greatest deviation values from the surface elements.
  • the body surface of the patient is therefore measured more precisely in the critical areas determined by the individualization algorithm. This procedure is carried out iteratively until a sufficiently precise description of the patient position is achieved by the body model, or it is terminated after a certain number of iterations if the convergence behavior is insufficient.
  • the three-dimensional graphic representation of the individualized body model enables the operator to control the individualization by comparing it with the actual patient position. If relevant deviations occur, the operator can abort the process and continue working in the conventional manner.
  • each volume element is ment of the standard model information linked. This information sometimes describes the body region and orientation of each volume element. For example, the information "right knee" is linked in text form with all volume elements of the standard model that form the right knee.
  • information in text form on the position of the body can then be obtained from the relative position of a recording to the associated volume elements of the individualized body model If, for example, the image only intersects volume elements with the linked information "right knee”, then "right knee” can also be specified as the examination region of the image (ie as position information for the image) transferred from the individualized body model to the image, where it denotes the examination region.
  • the situation is similar with orientation marks.
  • the orientation of a volume element is described by a local coordinate system, with all local coordinate systems matching the main coordinate system in the normal position. After individualization, these usually no longer match. If, for example, the patient is placed with his arms over his head, then after the individualization, the local coordinate systems for the volume elements of the hand describe the local orientation axes and differ from the local orientation axes on the trunk. If an image then depicts the patient's hand, then information about the orientation of the image can be obtained from the relative position of the image to the corresponding volume elements of the hand.
  • the orientation marks of the exposure then refer locally to the hand and no longer to a uniform coordinate system for the entire patient.
  • a linguistic designation can also be derived from the parameter values of the individualized body model.
  • position of the patient e.g. head or feet forward; back, stomach, left side, right side position
  • the three parameters for the description of the rotation around the three main axes are of outstanding importance.
  • the back, belly, left side and right side position differ primarily by the angle of rotation around the longitudinal axis.
  • the position of the arms is mainly described by the parameters for the description of the shoulder and elbow joint.
  • a language description of the patient position can be assigned to each set of parameter values.
  • a linguistic description of the patient position can be defined in tabular form for a finite number of parameter value sets.
  • the best-suited parameter value set from the table with the associated language description of the patient position is then determined and displayed to the operator in text form.
  • the patient position description in text form also enables simple checking of the description of the patient position selected by the operator, provided that the same pool of linguistic names was used in both cases.
  • This visualization technique enables one Interactive viewing of the scenery in real time and still has a sufficient display quality, a simple and intuitive presentation of the essential information can be achieved by simultaneously visualizing the triangulated model surface with the pictures taken in their three-dimensional position and orientation, whereby the text information and orientation marks can also be shown.
  • This method uses the information associated with each volume element about the associated body region. For this purpose, those volume elements of the individualized body model with which the linguistic name of the region is linked are determined for the desired examination region. The geometric center of these volume elements defines the center of the examination region and is brought into the magnetic field center by a then defined table displacement. For example, one would like to examine the right knee in a patient. After individualization, the positions of volume elements with the linked information "right knee" are known. The center of these volume elements then defines the position for examining the knee. The table displacement is the difference between the magnetic field center and the calculated center point.
  • individualized body models Another possible application of individualized body models is to take the same patient position during follow-up examinations.
  • the model parameter values from the reference examination are stored and read in again during a follow-up examination. These parameter values then define the reference model.
  • the individualized body model of the course examination (course model) is compared with the reference model.
  • the goal is to minimize the deviation of the two body models.
  • a deviation value is assigned to each surface element of the profile model, this being defined as the geometric distance to the corresponding surface element of the reference model.
  • the deviation is defined as the sum of the squares of the deviation values.
  • the patient position is changed in the course of the course of the examination until the newly determined course model shows sufficient agreement with the reference model. A simultaneous three-dimensional display of the two models with color coding of the deviation values is helpful for this.
  • FIG. 4 shows, roughly schematically, an embodiment of an inventive magnetic resonance tomography device 1 with an associated control device 5 according to the invention.
  • control device 5 is housed in a separate device.
  • This is a computer with a programmable processor 10, on which the control software for controlling the magnetic resonance tomography device 1 is stored.
  • the control device 5 transmits control commands SB to the magnetic resonance tomography device 1 via a control interface 8, so that the desired measurement is carried out by the latter.
  • control interface 8 Via an image data interface 9, the means of
  • Magnetic resonance tomography device 1 acquired raw image data BD accepted and then further processed within the control device 5 in the usual manner.
  • the control device 5 In order to be able to operate the control device 5, it is connected to a console 4 which, as a user interface, has a screen, a keyboard and a pointing device, for example a mouse. Alternatively, however, it is also possible that, instead of using the console 4 directly connected to the control device 5, the operation is carried out, for example, via a work station (not shown) which is connected to a bus 7 to which the control device 5 is connected.
  • the console 4 can also be an integral part of the control device 5.
  • the control device 5 can also be an integral part of the magnetic resonance tomography device 1, so that all components are combined in one device.
  • the magnetic resonance tomography device 1 is a conventional magnetic resonance tomography device with conventional high-frequency, gradient and basic magnetic field coils (not shown).
  • the patient PT is in the magnetic resonance tomography device 1 on a patient pedigree table. 3 positioned within a measuring space 2, around which the coils are arranged.
  • local coils can be used that are positioned directly on the patient PT.
  • the features and the mode of operation of a magnetic resonance tomography device 1 are known to the person skilled in the art and need not be explained further here.
  • the core of the control device 5 is a processor 10, on which various components are implemented in the form of software so that the control device 5 functions in the manner according to the invention. These components are shown schematically in FIG. 4 as blocks within the processor 10. In addition to the components shown, the
  • Control device 5 on all other usual software or hardware components in order in the usual way control a magnetic resonance imaging device and acquire and (pre) process image data.
  • these customary components are not shown in the figure and are also not explained in more detail below unless they have been specifically modified for the function according to the invention.
  • This image acquisition unit 12 converts various measurement protocols or, as a result, predetermined scan parameters, with which the magnetic resonance tomography device 1 is signaled in which position or orientation image data are to be determined, into control commands SB. These are then transferred to the magnetic resonance tomography device 1 via the control interface 8, so that the right sequence is found there in the correct sequence
  • the image acquisition unit 12 has as a subroutine an overview image determination unit 13 which ensures that the magnetic resonance tomography device is controlled in such a way that a number of initial MR overview recordings, as shown, for example, in FIGS. 3a and 3b, are measured ,
  • the MR overview recordings generated in these overview scans are then (like all other image data BD) taken over by the control device 5 via the image data interface 9 and processed there. For example, the desired images are first reconstructed from the determined raw image data BD in a reconstruction unit 11. The MR overview recordings UA determined in this way are then transferred to an individualization unit 14.
  • This individualization unit 14 contains, as a subroutine, a structure recognition unit 15 which, from the overview recordings UA, contains the required structures, here the interfaces between the patient's body PT and the environment. exercise, ie the surface structure of the patient's body PT, determined.
  • the individualization unit 14 contains an adaptation unit 16, which adapts a standard model NM to the target structure by setting certain, variable parameters of the standard model NM (ie a body model in the normal position), as has already been described in detail above.
  • a norm model NM is stored in a memory 6 of the control device 5.
  • the finished individualized body model IM can then be stored again in the memory 6. It is not necessary to store all data that describe the complete, individualized body model IM. It is generally sufficient if a set of parameter values is stored with which the individualized body model IM can be generated from the standard model NM.
  • the data record of the individualized body model IM is also transferred to a localization unit 17. With the aid of this localization unit 17, the relative position of the subsequent (diagnostic) sectional image recordings with respect to the individualized body model IM can then be determined and the patient-related information about a position and orientation of the subsequent sectional image recordings can be determined in the manner according to the invention.
  • the individualization unit 14 also has the option of outputting a signal to the overview image determination unit 12 in order to ensure that, in certain spatial areas, a larger number of densely adjacent overview images are also produced in order to improve the quality of the individualization.

Abstract

Zur Bestimmung von patientenbezogenen Informationen zur Position und Orientierung von Schnittbildaufnahmen von magnetresonanztomographischen Schnittbildaufnahmen eines Patienten wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem zunächst initiale MR-Übersichtsaufnahmen vom Körper des Patienten angefertigt werden und dann unter Verwendung der initialen MR-Übersichtsaufnahmen ein vorgegebenes parametriesiertes anatomisches Körpermodell (NM) individualisiert wird. Auf Basis der relativen Lage der nachfolgenden Schnittbildaufnahmen zu dem individualisierten Körpermodell (IM) werden dann die patientenbezogenen Informationen zur Position und Orientierung der nachforlgenden Schnittbildaufnahmen bestimmt. Darüber hinaus werden eine Steuereinrichtung (5) zum Betrieb eines Magnetresonanztomographie-Geräts (1) zur Durchführung eines solchen Verfahrens und ein Magnetresonanztomographie-Gerät (1) mit einer solchen Steuereinrichtung (5) beschrieben.

Description

BESTIMMUNG VON PATIENTENBEZOGENEN INFORMATIONEN ZUR POSITION UND ORIENTIERUNG VON MR-BI DERN DURCH INDIVIDUALISIERUNG EINES KÖRPERMODELLS
Verfahren zur Bestimmung- von patientenbezogenen Informationen zur Position und Orientierung von Schnittbildaufnahmen bei magnetresonanztomograph schen Untersuchungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von patientenbezogenen Informationen zur Position und Orientierung von magnetresonanztomogr-aphischen Schnittbildaufnahmen eines Patienten.
Bei einer Untersuchung eines Patienten in einem Magnetresonanztomographiegerät (M -Gerät) müssen zu den angefertigten Schnittbildaufnahmen (Aufnahmen) u. a. Informationen darüber bestimmt werden, in welcher Position und Orientierung die jeweiligen Aufnahmen relativ zum Patienten gemacht wurden. Solche patientenbezogenen Informationen zur Position und Orientierung der Schnittbildaufnahmen werden in der Regel bei einer Anzeige oder einem Ansdruck der Aufnahmen am Rande der Aufnahmen dargestellt und ermöglichen auch nach der Untersuchung eine Rekonstruktion der räumlichen Lage der Aufnahmen, bezogen auf den Patienten.
Die Aufnahmeebene, in der eine bestimmte Aufnahme gefertigt wird, kann prinzipiell innerhalb eines beliebig festgelegten Bezugskoordinatensystems durch die Koordinaten von Richtungsvektoren definiert werden, die die betreffende Aufnahmeebene aufspannen. Als Bezugskoordinatensystem wird in der radiologischen Diagnostik üblicherweise ein einheitliches Koordina- tensystem, das sogenannte „Hauptkoordinatensystem" des Patienten, verwendet. Die Achsrichtungen dieses Hauptkoordinatensystems werden dabei durch die Schnittlinien der senkrecht zueinander stehenden sogenannten „Hauptebenen" des Körpers des Patienten definiert, wobei diese Hauptebenen - wie in der Anatomie - als Transversalebene, Sagittalebene und Coronar- ebene bezeichnet werden. Dies ist in Figur 1 dargestellt, wobei die Transversalebene mit dem Buchstaben T, die Sagittal- ebene mit dem Buchstaben S und die Coronarebene mit dem Buchstaben C bezeichnet ist.
Innerhalb dieses Hauptkoordinatensystems des Patienten kann die genaue Orientierung eines Richtungsvektors beispielsweise durch zwei Winkelangaben bezüglich der Koordinatensystemachsen dokumentiert werden. Solche Winkelangaben sind jedoch für den Bediener i. A. nicht so schnell erfassbar, da der Bediener dann unter Berücksichtigung- des Bezugskoordinatensystems zunächst einige Umrechnungen durchführen müsste, um die Lage der Schnittbildaufnahme relativ zum Patienten zu erfassen. Solche Winkelangaben sind somit für die tägliche Routine nicht bedeutend.
Zur sprachlichen Beschreibung euer patientenbezogenen Orientierung von beliebig ausgerichteten Aufnahmen werden daher im Allgemeinen in der Radiologie Buchstaben oder Buchstabenkombinationen als sogenannte „Orientierungsmarken" verwendet. Übliche Buchstaben zur Verwendung als Orientierungsmarken sind:
A für „Anterior" (vorne)
P für „Posterior" (hinten)
L für „lieft* (links) R für „Right" (rechts)
H für „Head" (kopfseitig)
F für „Feet" (fußseitig)
Zur Verdeutlichung sind diese Richtungsangaben auch in Figur 1 eingezeichnet. Daraus können als weitere Orientierungsmarken Buchstabenkombinationen wie z. B. „LP" für eine Kombination aus Left und Posterior gebildet werden. Durch diese Orientierungsmarken wird die Lage der die Aufnahmeebene aufspannenden Richtungsvektoren bezügl-ich des Hauptkoordinatensys- tems des Patienten in Form von für den Mediziner leicht verständlichen sprachlichen Bezeichnungen beschrieben. Die Orientierungsmarken werden dabei üblicherweise am Rand der Auf- nähme - wie bei einer geografisehen Karte - grafisch dargestellt.
Alle derartigen patientenbezogerαen Informationen zur Position und Orientierung der SchnittbilcLaufnahmen, wie z. B. die Angabe von Orientierungsmarken im Hauptkoordinatensystem des Patienten, müssen sich auf ein Bezugskoordinatensystem beziehen, welches sich am Körper des Patienten orientiert. Bei der Datenakquisition werden dagegen die Koordinaten der einzelnen Volumenelemente, aus denen die Bildinformationen empfangen werden, in einem fixen Koordinatensystem bezüglich des Tomographen ermittelt. Daher muss die Lage des Patienten während der Bilddatenakquisition relativ zum MR-Gerät bekannt sein. Nur unter dieser Bedingung- können die gewünschten pati- entenbezogenen Informationen zur Position und Orientierung der Schnittbildaufnahmen bei einer magnetresonanztomographischen Untersuchung sicher bestimmt werden.
Bei den heute üblichen MR-Geräten wird der Patient durch eine horizontal fahrbare Patientenliege in das Gerät eingebracht und die Lage des Patienten wird durch den Bediener des MR- Gerätes beschrieben. Dabei wird in der Regel zwischen einer Kopf- und Fußlage sowie zwischen einer Bauch-, Rücken-, Linksseiten- und Rechtsseitenlage unterschieden. Üblicherwei- se hat der Bediener zwischen mehreren möglichen Patientenlagen aus einer Auswahlliste zu wählen. Eine detaillierte Beschreibung der Lage des Patienten, insbesondere eine Beschreibung der Armposition, z. B. ob der Arm am Körper oder über dem Kopf liegt, findet nicht statt. Die Steuerungssoft- wäre des MR-Gerätes geht nach der Angabe der Patientenlage davon aus, dass sich der Patient in der beschriebenen Lage in der Normalstellung befindet und bestimmt folglich das Hauptkoordinatensystem des Patienten auf Grundlage dieser Normalstellung. Bei der Anfertigung einer Aufnahme wird dann deren Orientierung bezüglich dieses Ha/uptkoordinatensystems dokumentiert. D. h. bei der Bestimmung der Orientierungsmarken, die letztlich am Rand der Aufnahme zur Angabe der Lage der Aufnahme für den begutachtenden Arzt grafisch dargestellt werden, wird davon ausgegangen, dass sich der Patient in der angegebenen Lage in der Normalstellung befindet .
Allein eine falsche Beschreibung der Patientenlage durch den Bediener kann somit bei dem heute üblichen Vorgehen zu falschen Orientierungsmarken führen. Das gleiche Problem tritt auf, wenn die Lagerung des Patienten nicht der NormalStellung entspricht. Dabei kann es im Übrigen auch vorkommen, dass sich aus einer falschen Beschreibung der Patientenlage in
Kombination mit einer von der Normalstellung abweichenden Lagerung des Patienten wieder richtige Orientierungsmarken ergeben.
Verständlicherweise sind die Qualitätsansprüche an Informationen zur Position und Orientierung der Aufnahmen kaum zu hoch anzusetzen. So hat beispielsweise eine falsche Richtungsbezeichnung bei einer Schadelaufnähme mit einem diagnostizierten Gehirntumor für die Operationsplanung fatale Folgen. Der operative Zugang könnte dann falsch gewählt werden. Insbesondere bei Extremitätenaufnahmen (Arme und Beine) und bei symmetrischer Anatomie (z. B. beim Schädel) ist eine korrekte Bestimmung von Orientierungsmarken sehr wichtig. Besonders fehleranfällig ist jedoch die Situation bei Untersuchungen der oberen Extremitäten. Diese können entlang der Körperlängsachse neben dem Körper ocler in gleicher Richtung über dem Kopf gelagert werden, wobei noch eine zusätzliche Rotationsbewegung der Hände gegenüber dem Ellenbogengelenk möglich ist. Dies führt zu einer Vielzahl von Lagerungsmöglichkeiten, die nicht praktikabel durch pauschale Lagerungsangaben abgedeckt werden können. Andererseits ist für viele Untersuchungen eine individuelle Patientenlagerung, abweichend von den vom System zugelassenen Lagerungsvarianten, durchaus sinnvoll bzw. in manchen Fällen sogar •unumgänglich. Dies verdeutlicht das Problem einer objektiven und standardisierten Beschreibung der Patientenlage, die eine wesentliche Voraussetzung für die korrekte Bestimmung von Orientierungsmarken ist. Neben der richtigen Orientierungsoestimmung ist auch eine verlässliche Bezeichnung der Untersuchungsregion wichtig. So muss beispielsweise sichergestellt sein, dass eindeutig fest- steht, ob es sich z. B. bei einer untersuchten Extremität um die linke oder rechte Extremität tiandelt .
Die Bestimmung der Untersuchungsregion ist in der Regel mit der Auswahl eines Messprogramms gekoppelt. Bei den heutigen MR-Geräten werden vom Hersteller eine Fülle von Messprogrammen mitgeliefert, die in der Regel hierarchisch geordnet sind. Ein wichtiges Sortierkriterium ist die Zugehörigkeit zu einer anatomischen Region, da ein±ge Messparameter für die entsprechende anatomische Region, d. h. eine bestimmte Unter- suchungsregion, optimiert sind. So können beispielsweise
Messprogramme für Knieuntersuchuncen in einem Messprogramm- Ordner mit der Bezeichnung „Knie" zusammengefasst werden. Je nach diagnostischer Fragestellung (wie z. B. Meniskusläsion, Knorpelschaden, ... ) können dann d±e geeigneten Messprotokolle noch weiter sortiert werden. In der Regel ist mit der Auswahl eines Messprogramms die Information über die dazugehörige Untersuchungsregion verknüpft, wobe± diese Information in die sprachliche Bezeichnung der angefertigten Aufnahmen eingeht. Diese Aufnahmen werden üblicherweise hierarchisch in einer Datenbank geordnet, wobei das Sortierkriterium für die oberste Ebene normalerweise der Patientenname ist. In einer tieferen Ebene wird die Information über die Untersuchungsregion, die sich ja aus dem Namen des Messprogramms ergibt, als Sortierkriterium verwendet. Bei einicjen Fragestellungen ist mit diesem Vorgehen jedoch keine eindeutige Bezeichnung der Untersuchungsregion möglich. Dies ist z. B. bei der Verwendung ein und desselben Messprogramms sowohl für das linke als auch für das rechte Knie der Fall. Zur eindeutigen Bezeichnung der Untersuchungsregion kann der Bediener noch einen Kommentar in die Steuerungssoftware eingeben (z. B. linkes Knie), welcher dann auf den gemessenen Aufnahmen grafisch dargestellt wird. Auch dieses übliche Vorgehen zur Bestimmung von Untersuchungsregionen beinhaltet mehrere Fehlerquellen. Die Hersteller von MR-Geräten geben dem Bediener im Allgemeinen die Freiheit über die Sortierung und die sprachliche Bezeichnung von Messprogrammen. Dabei müssen keine sinnvollen sprachlichen Bezeichnungen von Messprogrammen verwendet werden. Somit können auch unsinnige sprachliche Bezeichnungen von Untersuchungsregionen vorkommen. Ebenso ist die Verwendung von Kommentaren eine mögliche Fehlerquelle. Der Bediener muss bei- spielsweise nur das linke mit dem rechten Knie verwechseln und schon sind in allen gemessenen Aufnahmen fehlerhafte Bildkommentare dargestellt. Die Kombination mit einer falschen Angabe der Patientenlage würde diese Situation noch weiter verschärfen. Dann ist die richtige patientenbezogene Rekonstruktion der Position und Orientierung einer gemessenen Aufnahme eventuell nicht mehr möglich.
Zur Kontrolle einer durch den Bediener festgelegten Untersuchungsregion ist daher ebenfalls eine exakte Kenntnis der Pa- tientenlage von entscheidender Bedeutung. Ist die Patientenlage im Detail bekannt, können aus den relativen Lagen der Aufnahmen zu dem Patienten diese Informationen überprüft werden.
Eine objektivierte Bestimmung der Patientenlage ist auf verschiedene Arten möglich und nicht nur in der MR-Diagnostik von Bedeutung. Insbesondere sollen in der therapeutischen Strahlentherapie Patienten reproduzierbar positioniert und deren Lage überwacht weräen. Neben der Positionierung mittels mechanischer Einrichtungen wie Verschiebetisch und stereotaktischer Fixierung sind mittlerweile optische Verfahren möglich. Beispiele hierfür werden in der US 5,080,100, der US 6,279,579 und der US 5,823,192 beschrieben. Sie basieren auf optischen Messsystemen zur dreidimensionalen Oberflächener- fassung oder verwenden Trackingsysteme zur dreidimensionalen Koordinatenerfassung wie z. B. bei dem in der US 6,138,302 vorgeschlagenen Verfahren. Eine Übertragung auf die Situation bei MR-Untersuchungen ist aber in vielerlei Hinsicht problematisch. Zur Beschreibung der Patientenlage müsste die Körperoberfläche des Patienten vermessen werden, was einen fast vollständig entkleideten Patienten erfordert. Dies kann in der täglichen Routine nicht vorausgesetzt werden. Zusätzlich ist eine optische Vermessung des Patienten im MR-Gerät durch die typische röhrenförmige Bauweise erheblich erschwert.
Eine andere Möglichkeit der Dokumentation der Patientenlage ist die Rekonstruktion der Körperoberfläche des Patienten aus einem Volumendatensatz. In der US 4,821,213 und der US 4,719,585 wird die Rekonstruktion von Oberflächen aus Volumendatensätzen beschrieben, wozu auch die Körperoberfläche zählt. Doch die Messung von Volumendatensätzen des gesamten Patienten zur Erfassung der Patientenlage ist aufgrund der hohen Anzahl anzufertigender Aufnahmen viel zu aufwendig.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das eine standardisierte und objektive Beschreibung der patientenbezogenen Position und Orientierung von Aufnahmen bei einer magnetresonanztomographischen Untersuchung ermöglicht. Weiterhin soll eine entsprechende Steuereinrichtung zum Betrieb eines Magnetresonanztomographie- Geräts geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. durch eine Steuereinrichtung gemäß Anspruch 14 gelöst.
Erfindungsgemäß wird zur Bestimmung von patientenbezogenen Informationen zur Position und Orientierung von Schnittbildaufnahmen bei magnetresonanztomographischen Untersuchungen ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem zunächst initiale MR- Übersichtsaufnahmen (Magnetresonanz-Übersichtsaufnahmen) vom Körper des Patienten angefertigt werden. Unter Verwendung dieser initialen MR-Übersichtsaufnahmen wird dann ein vorgegebenes parametrisiertes anatomisches Körpermodell, d. h ein anatomisches Köpermodell mit bestimmten variierbaren Modell- Parametern, individualisiert. Die Bestimmung der patientenbezogenen Informationen über die Position und Orientierung der nachfolgenden (diagnostischen) Schnittbildaufnahmen erfolgt dann auf Basis der relativen Lage der Schnittbildaufnahmen zu dem individualisierten Körpermodell. Bei der Individualisierung wird das Körpermodell durch Variation der Modellparameter an bestimmte aus den initialen MR-Übersichtsaufnahmen (Übersichtsaufnahmen) ermittelte Strukturen, welche vorzugsweise die Körperoberfläche des Patienten repräsentieren, an- gepasst. Dabei entspricht der Individualisierungsvorgang einem mathematischen Optimierungsproblem. Es werden diejenigen Werte der veränderlichen Modellparameter bestimmt, die ein Abweichungsmaß des Modells zu den Strukturen aus den Übersichtsaufnahmen minimieren. D. h. es erfolgt eine möglichst gute Anpassung des Körpermodells im Wesentlichen an den gesamten Körper des Patienten in der tatsächlich vorliegenden aktuellen Lage.
Durch den Individualisierungsvorgang können Informationen vom Körpermodeli auf nachfolgende diagnostische Aufnahmen übertragen werden. Insbesondere ist eine Verknüpfung von Informationen mit dem in NormalStellung befindlichen Körpermodell (im Folgenden auch „Normmodell" genannt) möglich, welche neben der Körperregion auch die Orientierung von jedem Teil des Normmodells beschreiben. Nach dem Individualisierungsvorgang können dann aus der relativen Lage einer Aufnahme zu den in unmittelbarer Nachbarschaft befindlichen Teilen des individualisierten Körpermodells sowohl Informationen zur Position der Aufnahme in Textform als auch Informationen zur Orientie- rung der Aufnahme in Form von Orientierungsmarken bestimmt werden. D. h. es können beispielsweise in einer späteren MR- Aufnähme alle Bildpixel oder Volumenelemente, die weniger als einen vorgegebenen maximalen räumlichen Abstand von einem Bereich aufweisen, der durch einen bestimmten Körperteil des individualisierten Modells definiert ist, als Bestandteile des betreffenden Körperteils des Patienten gezählt werden. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass sich patientenbezogene Informationen zur Position und Orientierung von Schnittbildaufnahmen bei magnetresonanztomographischen Untersuchungen objektiv und standardi- siert bestimmen lassen. Dies betrifft insbesondere die automatische Generierung von Orientierungsmarken und Textangaben zur Untersuchungsregion. Dadurch wird eine Unabhängigkeit bei der Bestimmung der beschriebenen Informationen vom Bediener des MR-Gerätes erreicht, was unmittelbar zu einer Qualitäts- Steigerung einer nachfolgenden ärztlichen Diagnose führt.
Eine Steuereinrichtung zum Betrieb eines Magnetresonanztomographie-Geräts muss zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens neben einer Steuer-Schnittstelle zur AnSteuerung des Magnetresonanztomographie-Geräts zur Messung einer Anzahl von Schnittbildaufnahmen entsprechend von der Steuereinrichtung vorgegebener Scanparameter und einer Bilddaten- Schnittstelle zur Erfassung von mittels des Magnetresonan to- mographie-Geräts akquirierten Bilddaten eine Übersichtsbil- der-Ermittlungseinheit aufweisen, um das Magnetresonanztomo- graphie-Gerät zur Messung einer Anzahl von initialen MR- Übersichtsaufnahmen vom Körper des Patienten anzusteuern. Darüber hinaus benötigt die Steuereinrichtung eine Speichereinrichtung mit einem anatomischen parametrisierten Kör- permodell, dessen Geometrie durch eine Veränderung bestimmter Parameter variierbar ist, eine Individualisierungseinheit, um das Körpermodell unter Verwendung der gemessenen initialen MR-Übersichtsaufnahmen zu individualisieren und eine Lokalisierungseinheit, welche zur Bestimmung von patientenbezogenen Informationen über eine Position und Orientierung von nachfolgend erstellten Schnittbildaufnahmen jeweils die relative Lage der betreffenden Schnittbildaufnahmen zum individualisierten Körpermodell ermittelt.
Die Individualisierungseinheit und die Lokalisierungseinheit können dabei besonders bevorzugt in Form von Software auf einem programmierbaren Prozessor einer Steuereinrichtung eines Magnetresonanztomographie-Geräts realisiert werden. Die Speichereinrichtung muss im Übrigen nicht notwendigerweise integrierter Teil der Steuereinrichtung sein, sondern es reicht aus, wenn die Steuereinrichtung auf eine externe Speicherein- richtung zugreifen kann.
Die abhängigen Ansprüche enthalten jeweils besonders vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung, wobei die erfindungsgemäße Steuereinrichtung auch entsprechend den Verfahrensansprüchen weitergebildet sein kann.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die initialen MR-Übersichtsaufnahmen in standardisierter Anordnung angefertigt werden. Dabei können schnelle MR-Sequenzen verwendet werden, die sich durch eine Akquisitionszeit pro Übersichtsaufnähme im Sekundenbereich auszeichnen. Der mit dieser Ausgestaltung der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, dass für jeden Patienten ein einheitliches Untersuchungsprotokoll zur Gewin- nung der Übersichtsaufnahmen verwendet werden kann. Eine manuelle Anpassung an die individuelle Patientengeometrie ist nicht notwendig. Außerdem wird der In ividualisierungsalgo- rithmus mit einer einheitlichen Datengrundlage gestartet, was die Stabilität der Ergebnisse erhöht .
Besonders bevorzugt werden als initiale MR-Übersichtsauf- nahmen Querschnittsaufnahmen, d.h. quer zur Körperlängsachse des Patienten orientierte Aufnahmen, angefertigt. Zur Individualisierung eines Ganzkörpermodells bieten sich Quer- Schnittsaufnahmen an, da in jeder Querschnittsaufnahme eine vollständige Abbildung der Körperoberfläche möglich ist. Bei Aufnahmen entlang der Körperlängsachse ist dies im Allgemeinen nicht der Fall. Bei einer Anfertigung von Querschnittsaufnahmen als initiale MR-Übersichtsaufnahmen ist somit eine vollständige Rekonstruktion der Körperoberfläche des Patienten in jeder Querschnittsaufnähme möglich. Diese Informatio- nen erhöhen die Stabilität des Individualisierungsalgorithmus.
Um eine ausreichende Modellindividualisierung zu erreichen, sollten als initiale MR-Übersichtsaufnahmen zumindest drei Querschnitte mit einem Abstand von ca. 50 cm (bei einem Erwachsenen) angefertigt werden. Vorzugsweise liegt der Abstand zweier benachbarter Querschnittaufnahmen jedoch unter 50 cm, besonders bevorzugt sogar unter 15 cm. Je mehr Übersichtsauf- nahmen angefertigt werden, desto leichter kann das Individualisierungsproblem aufgrund der verbesserten Datengrundlage gelöst werden. Dem steht aber die erhöhte Messzeit für die Übersichtsaufnahmen gegenüber. Deshalb muss man in der Praxis einen Kompromiss zwischen Stabilität und Zeitaufwand finden. Es hat sich herausgestellt, dass ein Schichtabstand von ca. 10 cm bei der Erfassung der gesamten Patientenlage einen guten Kompromiss zwischen Genauigkeit und Geschwindigkeit darstellt. Es müssen im Übrigen nicht notwendig über den gesamten Körper äquidistante Schichtabstände gewählt werden. Eine Erfassung der Handgeometrie mit den Fingerstellungen erfordert beispielsweise eine höhere räumliche Dichte von Übersichtsaufnahmen als die Erfassung der Rumpfgeometrie. Sofern z. B. eine Hand näher untersucht werden soll, kann dort ein lokaler Schichtabstand von zwei Zentimetern sinnvoll sein. Bei einer Fußuntersuchung ist beispielsweise in der Regel ein Schichtabstand von fünf Zentimetern ausreichend.
Insbesondere ist es auch möglich, zunächst in einem gröberen Raster erste initiale Übersichtsbilder anzufertigen. Sofern dann die Qualität der Individualisierung, welche ja durch das bei der Individualisierung ohnehin zu ermittelnde Abweichungsmaß gekennzeichnet ist, nicht ausreicht, können an geeigneter Stelle weitere Übersiehtsaufnahmen angefertigt werden. Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Er- findung werden die Positionen und Orientierungen von ggf. zusätzlich anzufertigenden MR-Übersichtsaufnahmen bei nicht ausreichender Qualität der Individualisierung durch den Indi- vidualisierungsalgorithmus automatisch bestimmt. Dabei findet eine Quantifizierung der Qualität durch eine Berechnung eines Abweichungsmaßes des Körpermodells zu Strukturen aus den Übersichtsaufnahmen statt. D. h. die Positionen und Orientie- rungen der zusätzlichen Übersiehtsaufnahmen können vom Individualisierungsalgorithmus aus der Analyse der Modellabweichung zu Strukturen in den einzelnen Üibersichtsaufnahmen und der jeweils abgebildeten Körperregion bestimmt werden. Der mit dieser Ausgestaltung der Erfindung erzielte Vorteil be- steht insbesondere darin, dass bei nicht ausreichender Qualität der Individualisierung so lange durch ein automatisch ablaufendes Verfahren zusätzliche Übersichtsaufnahmen angefertigt werden, bis eine ausreichende Qua.lität der Individualisierung erreicht ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die bei einer Individualisierung einstellbaren Modellparameter zumindest einen Translationsparameter, einen Rotationsparameter und einen Skalierungspara- meter des gesamten Körpermodells sowie weitere Parameter umfassen, die die räumliche Lage und Form von vorgegebenen wichtigen Körperteilen, wie z. B der Extremitäten, beschreiben. Die Anzahl der Parameter zur Beschreibung der menschlichen Anatomie hängt vor allem von der geforderten Genauigkeit der Modellierung ab. Um Informationen über die Position und Orientierung von Aufnahmen bei MR-Untersuchungen zu erhalten, ist eine genaue Modellierung von im Körperinneren liegenden anatomischen Strukturen von untergeordneter Bedeutung. Vielmehr ist eine Modellierung der Bewegungsmöglichkeiten von we- sentlichen Körperteilen und deren Oberfläche relevant. Durch die Parametrisierung der Lage und Form der wesentlichen Körperteile wird eine ausreichende, aber nicht zu detaillierte Modellierung der menschlichen Anatomie erreicht.
Ein relativ einfaches, aber in vielen Situationen ausreichendes Modell kann dabei z. B. durch folgende Parameter beschrieben werden: Körpergröße, Armlänge, Beinlänge, Winkelangaben zur Beschreibung von Schulter-, Ellenbogen-, Hand-, Hüft-, Knie- sowie Sprunggelenk, Umfang von Brust und Bauch.
Bei einem komplexeren Modell können z . B . folgende Parameter hinzukommen:
Schulterhöhe, Länge von Ober-, Unterarm und Hand bzw. von Ober-, Unterschenkel und Fuß, Winkelangaben zur Beschreibung der Kopfposition und der in Ha.ls-, Brust- und Lendenbereich unterteilten Wirbelsäule sowie der Finger und Zehen, Umfang von Kopf, Hals, Schulter, Oberarm, Unterarm, Hand, Hüfte, Oberschenkel, Unterschenkel und Fuß.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird aus den Parameterwerten des individualisierten Modells eine sprachliche Bezeichnung der Patientenlage bestimmt (z. B. Kopf oder Füße voran; Rücken-, Bauch-, Linksseiten-, Rechtsseitenlage) . Von besonderer Bedeutung sind hierbei die drei grundlegenden Modellparameter zur Beschreibung der Rotationen um die drei Hauptachsen . Aus diesen Parametern und den weiteren Modellparametern kann auf die sprachliche Bezeichnung der Patientenlage im MR-Gerät geschlossen werden. Der Unterschied zwischen der Lage mit dem Kopf voran und der Lage mit den Füßen voran besteht in einem um 180° unterschiedlichen Rotationswinkel um die Sagittalachse. Die Rücken-, Bauch-, Linksseiten- und Rechtsseitenlage wird vor allem durch den Rotationswinkel um die Longitudinalachse unter- schieden. Der mit dieser Ausgestaltung der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, dass durch die Parameterwerte des individualisierten Modells eine sprachliche Bezeichnung der Patientenlage objektiv und standardisiert bestimmt werden kann.
Dabei kann besonders bevorzugt mit Hilfe der Parameterwerte des individualisierten Modells eine durch den Bediener einge- gebene Beschreibung der Patientenlage kontrolliert werden. Sofern die durch den Individualisierungsalgorithmus möglichen sprachlichen Bezeichnungen der Patientenlage mit den Auswahlmöglichkeiten der Patientenlagebeschreibung durch den Bediener übereinstimmen, kann die durch den Bediener eingegebene Beschreibung der Patientenlage automatisch kontrolliert werden. Durch eine derartige Kontrolle der Patientenlagebeschreibung durch den Individualisierungsalgorithmus wird eine Qualitätssteigerung der Untersuchung erreicht .
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die patientenbezogenen Informationen über die Position und Orientierung von Schnittbildaufnahmen in sprachlicher und/oder grafischer Form kodiert und mit dem individualisier- ten Modell dargestellt. Normalerweise werden patientenbezogene Informationen z. B. mittels Textangaben und Orientierungsmarken über die Position und Orientierung von Schnittbildern in den einzelnen Aufnahmen dargestellt. Zur besseren Übersicht kann man aber auch die einzelnen Aufnahmen in ihrer Po- sition und Orientierung dreidimensional mit dem individualisierten Köpermodell darstellen. Der mit dieser Ausgestaltung der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, dass durch dieses Verfahren neben der Patientenposition auch die Lage der Aufnahmen bezüglich des Patienten auf eine ein- fache und eingehende Weise grafisch dargestellt wird.
Vorzugsweise kann mit Hilfe des individualisierten Körpermodells das Körpergewicht des Patienten berechnet werden. Insbesondere kann ein durch den Bediener eingegebenes bzw. in einem Patientendatenfile bereits vorhandenes Körpergewicht kontrolliert werden. Das Körpergewicht des Patienten ist insbesondere zur Berechnung der spezifischen Absorptionsrate (SAR) bei magnetresonanztomographischen Untersuchungen wichtig. Aus dem individualisierten Körpermodell kann das Volumen und daraus das Körpergewicht des Patienten abgeschätzt werden. Durch die Kontrolle des Körpergewichts durch den Individualisierungsalgorithmus wird folglich eine zusätzliche Qua- litätssteigerung der Untersuchung erreicht. Insbesondere werden die SAR-Grenzwerte verlässlicher eingehalten.
Bei einer weiteren vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird mit Hilfe des individualisierten Modells eine Positionierung des Patienten im MR-Gerät zur Untersuchung einer gewünschten Region durchgeführt. Das Verfahren zur Bestimmung von Informationen zur Position von Aufnahmen wird bei dieser Fragestellung umgekehrt. Gegeben ist dann eine Untersuchungs- region und gesucht ist eine geeignete Ausgangsposition für nachfolgende Aufnahmen. Dazu werden für die gewünschte Untersuchungsregion diejenigen Teile des individualisierten Modells bestimmt, mit denen die gewünschte Region verknüpft ist. Aus der räumlichen Lage dieser Teile wird eine Tischver- Schiebung berechnet, welche die Untersuchungsregion in das
Magnetfeldzentrum bringt. Dieses Vorgehen ermöglicht eine automatische Positionierung des Patienten je nach gewünschter Untersuchungsregion. Eine zeitaufwendige manuelle Positionierung der zu untersuchenden Region, welche in der Regel mit Laserlichtvisieren durchgeführt wird, kann dann entfallen.
Besonders bevorzugt wird ein bei einer ersten MR-Untersuchung individualisiertes Modell abgespeichert und mit Hilfe dieses individualisierten Körpermodells eine Lagerung des Patienten bei einer weiteren MR-Untersuchung- durchgeführt. Auf diese
Weise kann z. B. sichergestellt werden, dass der Patient bei einer späteren MR-Verlaufsuntersuchung möglichst genau die gleiche Lage einnimmt wie bei der ersten MR-Untersuchung. Bei einer Verlaufsuntersuchung ist die Einnahme der gleichen Pa- tientenlage von entscheidender Bedeutung. Insbesondere sind die Gelenkstellungen und die Form der Weichteile von der Lagerung abhängig. Durch den Vergleich eines bei der nachfolgenden Verlaufsuntersuchung individualisierten Modells mit dem abgespeicherten individualisierten Modell der vorherge- henden Untersuchung ist nicht nur ein qualitativer Vergleich möglich. Es kann auch ein Abweichungsmaß beider Modelle berechnet und dieses zur Einnahme der gleichen Patientenlage verwendet werden. Als Abweichungsmaß der beiden unterschiedlich individualisierten Modelle bietet sich die Summe der Abweichungsquadrate von korrespondierenden Modelldreiecken an. Diese Definition ist eindeutig, da die beiden formvariablen Modelle sich nur durch die räumlichen Positionen der Modelldreiecke unterscheiden, wobei die Dreiecksanzahl sowie die Nachbarschaftsbeziehungen der Dreiecke unveränderlich bleiben. Durch die kontrollierbare Einnahme einer möglichst gleichen Patientenlage bei einer MR-Verlaufsuntersuchung wird ei- ne Qualitätssteigerung der Untersuchung erreicht.
Bei einem fehlerhaften Ablauf und/oder bei Beendigung eines oder aller Verfahrensschritte wird vorzugsweise ein Signal abgegeben. Wenn eine Benachrichtigung des Bedieners durch ein Signal bei automatisch ablaufenden Verfahrensschritten erfolgt, kann sich der Bediener anderen Aufgaben widmen. Dies erhöht den Workflow bei der Untersuchung.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beige- fügten Figuren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung des Hauptkoordinatensystems und der Hauptebenen des Körpers eines Patienten,
Figur 2 ein Flussdiagramm zu Verdeutlichung eines möglichen Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 3a eine schematische Darstellung eines Patienten in der Normallage auf einer Patientenliege auf dem Rücken liegend,
Figur 3b eine schematische Darstellung eines Patienten in einer von der Normallage abweichenden Position auf dem Rücken liegend, Figur 4 eine schematische Darstellung eines Magnetresonanzto- mographen mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung.
Wie bereits eingangs erläutert, veranschaulicht Figur 1 das Hauptkoordinatensystem des Körpers eines Patienten in der Normalläge.
Ein möglicher Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens um- fasst, wie in Figur 2 dargestellt, nach der Lagerung des Patienten folgende Schritte:
a.) Anfertigung von mehreren initialen MR-Übersichtsaufnahmen des Patienten. b.) Individualisierung eines parametrisierten anatomischen Körpermodells auf der Basis der angefertigten initialen MR-Übersichtsaufnahmen. c.) Bei nicht ausreichender Qualität der Individualisierung werden zusätzliche MR-Übersichtsau ahmen angefertigt und das Individualisierungsverfahren erneut durchgeführt . d.) Grafische Darstellung des individualisierten Modells zur Verfahrenskontrolle. e. ) Bei nicht ausreichender Beschreibung der Patientenlage durch das individualisierte Modell wird das Verfahren durch den Bediener abgebrochen, f.) Anfertigung von diagnostischen MR-Aufnahmen. g.) Bestimmung von Informationen zur Position und Orientierung von MR-Aufnahmen aus der relativen Lage zum indivi- dualisierten Modell.
Zur Modellindividualisierung bieten sich dabei Querschnittsaufnahmen in standardisierter Anordnung als initiale Übersichtsaufnahmen an, da dann eine zusammenhängende Rekonstruk- tion der Körperoberfläche in den einzelnen Querschnittsaufnahmen möglich ist. Dazu kann man ein einfaches Schwellenwertverfahren verwenden, wobei der Sprung in den Signalinten- sitäten von Luft zu Haut die Körperoberfläche definiert. Durch die mittlerweile großen geometrischen Messbereiche der MR-Geräte kann man in der Regel davon ausgehen, dass bei der Messung vollständige Querschnitte des Patienten erfasst werden. Dies führt zu einer zusammenhängenden Rekonstruktion der Körperoberfläche in den einzelnen Querschnittsaufnahmen, die sich mathematisch in der Beschreibung der Körperoberfläche durch geschlossene Linienzüge ausdrückt. Diese bilden die Zielstrukturen bei der Individualisierung.
In den Figuren 3a und 3b ist schematisch jeweils ein Patient PT in der Normallage (Figur 3a) auf einem Patientenlagerungstisch 3 auf dem Rücken liegend und in einer von der Normallage abweichenden Position (Figur 3b) , ebenfalls auf dem Rücken liegend, jedoch mit der rechten Hand über dem Kopf dargestellt. Außerdem sind jeweils die Aufnahmeebenen AE dargestellt, in denen die initiale Querschnitt-Übersichtsaufnahmen gefertigt werden. Der Abstand der Aufnahmeebenen beträgt hier in etwa 10 cm. Diese Figuren verdeutlichen sehr gut, dass bei entsprechendem Abstand der Querschnittaufnahmen zueinander auch eine nicht der Normstellung entsprechende Lagerung einer Extremität des Patienten PT gut erfasst wird und dementsprechend das individualisierte Körpermodell diese Körperhaltung letztlich richtig wiedergibt.
Neben den ZielStrukturen benötigt man für den Individualisierungsvorgang noch ein geeignetes Körpermodell, wobei dessen variable Parameter nicht eindeutig bestimmt sind. Nur die grundlegenden Parameter für die elementaren Transformationen wie die Translation, die Rotation und die Skalierung des Körpermodells sind offensichtlich. Hingegen hängt die Art und Anzahl der die Modellgeometrie beschreibenden Parametern vor allem vom Verwendungszweck ab.
Um Informationen über die Position und Orientierung von Aufnahmen bei MR-Untersuchungen zu erhalten, ist vor allem eine Modellierung der Bewegungsmöglichkeiten -von wesentlichen Kör- perteilen und deren Oberfläche relevant. Dabei bietet sich ein Aufbau des Körpermodells aus einer Vielzahl von zusammenhängenden Volumenelementen an, wobei deren Abmessungen im Zentimeterbereich liegen und die konkrete Modellgeometrie durch einen Satz von Parameterwerten bestimmt wird. Geeignete Verfahren werden in dem Artikel „Simulating facial surgery using finite element modeis" von Koch et. al . (Proceedings of the SIGGRAPH 1996 Conference, S. 421 - 428) für ein Finite Element Modell oder in dem Artikel „A 3D anatomical atlas based on a volume odell" von Höhne et. al . (IEEE Computer
Graphics Applications, 1992, Volume 12, Nr. 4, S. 72-78) für ein Voxelmodell beschrieben.
Ganz einfache Körpermodelle können beispielsweise nur durch ein paar Parameter beschrieben werden, wie z. B. Körpergröße, Armlänge, Beinlänge, Brustumfang, Bauchumfang sowie Parameter zur Beschreibung der Arm- und Beinposition .
Dem stehen komplexe Körpermodelle mit einer großen Parameter- anzahl gegenüber. Dabei wird nicht nur die Körperoberfläche, sondern mitunter auch das Skelettsystem modelliert. So wird die Geometrie des menschlichen Beckens beispielsweise durch folgende Parameter beschrieben: Distantia cristarum, Distan- tia spinarum, Diameter spinarum posterior, Diameter transver- sa der Beckenweite, Diameter transversa der Beckenenge, Diameter transversa des Beckenausgangs, Diameter sagittalis der Beckenweite, Diameter sagittalis der Beckenenge, Diameter sagittalis des Beckenausgangs, Conjugata anatomica, Conjugata diagonalis, Conjugata vera.
Um Informationen über die Position und Orientierung von Aufnahmen bei MR-Untersuchungen zu erhalten, ist solch eine genaue Modellierung aber in der Regel nicht erforderlich. Je nach gewünschter Genauigkeit ist eine Modellierung der we- sentlichen Körperteile ausreichend. Dabei -wird die Lage der Körperteile vor allem durch die Freiheitsgrade der anatomischen Gelenke beschrieben. Beispielsweise sind zur Beschrei- bung des Hüftgelenkes (bei dem es sich um ein Kugelgelenk handelt) i. A. drei Parameter, nämlich Streckung und Beugung, Abspreizung und Heranführung, Innenrotation und Außenrotation ausreichend. Die Form eines Oberschenkels kann beispielsweise durch jeweils zwei am Anfang, in der Mitte und am Ende des Oberschenkels angeordnete, senkrecht aufeinander stehende Durchmesser parametrisiert werden, welche die Hauptachsen des in guter Näherung ovalen Oberschenkels repräsentieren. Ähnlich kann man auch mit den anderen Körperteilen wie Kopf, Hals, Brust, Bauch, Becken, Schultergürtel, Oberarm, Unterarm, Hand, Unterschenkel, Fuß verfahren. Dabei sollten vorzugsweise zumindest die Bewegungsmöglichkeiten der großen Gelenke des menschlichen Körpers parametrisiert werden. Die relevanten Gelenke sind dabei: unteres und oberes Sprunggelenk, Kniegelenk, Hüftgelenk, Schultergelenk, Ellenbogengelenk, Handgelenk.
Eine Sonderstellung nimmt die Wirbelsäule ein. Sie besteht aus einer Vielzahl von Gelenken zwischen den einzelnen Wir- belkörpern und die Bewegungsmöglichkeiten sind im Detail nur aufwendig parametrisierbar. Für die Beschreibung der Patientenlage ist aber eine Unterteilung der Wirbelsäule in die Hals-, Brust- sowie Lendenwirbelsäule mit vereinfachten Bewegungsmöglichkeiten sinnvoll.
Bei recht selten vorkommenden Untersuchungen der Finger ist noch eine zusätzliche Parametrisierung der Bewegungsmöglichkeiten der Fingergelenke sinnvoll .
Vorzugsweise ist der Wertebereich der einzelnen Parameter eingeschränkt. Dabei erfolgt die Beschränkung derart, dass nur solche Parameterwertekombinationen erlaubt sind, die eine anatomisch mögliche Lage des Patienten beschreiben. Die zur Normalstellung des Modells (Normmodell) gehörenden Parameter- werte werden auch als Normalparameterwerte bezeichnet. Mit den beschriebenen ZielStrukturen in den einzelnen Übersichtsaufnahmen und dem Körpermodell kann dann der Individualisierungsalgorithmus gestartet werden. Ziel ist dabei die Bestimmung eines Satzes von Parameterwerten, der die Abwei- chung des Körpermodells zu den Zielstrukturen auf den Übersichtsaufnahmen minimiert. Als Ergebnis erhält man das individualisierte Körpermodell mit dem individualisierten Parameterwertesatz .
Die Abweichung des Körpermodells zu den ZielStrukturen wird durch eine Abweichungsfunktion beschrieben, wobei die Argumente der Abweichungsfunktion die Modellparameterwerte sind. Mathematisch liegt ein nichtlineares Optimierungsproblem vor, nämlich die Frage nach dem Minimum der Abweichungsfunktion. Jede erlaubte Parameterwertekombination führt zu einem aus Volumenelementen aufgebauten Körpermodell mit spezifischer Geometrie. Eine mögliche Abweichungsfunktion kann dann über die Abweichungswerte der Oberflächenelemente des Körpermodells definiert werden. Dabei bietet sich die Berechnung der Abweichung als gewichtete Summe der Quadrate der Abweichungswerte von den einzelnen Oberflächenelementen an. Der Wichtungsfaktor eines Oberflächenelements ist dabei das Verhältnis des Flächeninhaltes des Oberflächenelements zum Mittelwert der Flächeninhalte aller Oberflächenelemente. Dieser Weg der Abweichungsberechnung über die Verwendung der Modelloberfläche ist sinnvoll, da die ZielStrukturen Teile der Körperoberfläche des Patienten sind.
Als Abweichungswert eines Oberflächenelements wird der mini- male geometrische Abstand zu den ZielStrukturen definiert, sofern das Oberflächenelement eine Übersichtsaufnahme geometrisch schneidet. Ansonsten ist der Abweichungswert nicht definiert. Dies ist sinnvoll, da beispielsweise für ein in der Mitte zwischen zwei Übersichtsaufnahmen liegendes Oberflä- chenelement sowieso keine Information über den Abstand zur Körperoberfläche des Patienten vorliegt. Somit geht je nach Lage des Körpermodells eine unterschiedliche Anzahl von Ober- flächenelementen in die Abweichungsberechnung ein. Um aus diesen Werten für unterschiedliche Parameter dennoch vergleichbare Abweichungen berechnen zu können, ist eine Abweichungsnormierung durch den Flächeninhalt aller in die Berechnung einbezogenen Oberflächenelemente sinnvoll. Der optimale Parametersatz zur Minimierung der Abweichung kann dann über herkömmliche Suchweg- oder Rasterverfahren bestimmt werden. Geeignete Verfahren werden z. B. in „Numerische Mathematik", R. Schaback, Springer Verlag, 1992, beschrieben..
Die Qualität der Individualisierung wird durch den Wert der berechneten Abweichung quantifiziert. Liegt dieser unter einem vorgegebenen Grenzwert, dann wurde die Individualisierung erfolgreich durchgeführt. Wenn nicht, dann werden zur Steige- rung der Anpassungsqualität an Stellen mit den größten Abweichungswerten von den Oberflächenelementen weitere Übersichtsaufnahmen angefertigt. Die Körperoberfläche des Patienten wird also an den durch den Individualisierungsalgorithmus bestimmten kritischen Bereichen exakter vermessen. Dieses Vorgehen wird solange iterativ durchlaufen, bis eine ausreichend exakte Beschreibung der Patientenlage durch das Körpermodell erreicht ist, oder es wird bei nicht ausreichendem Konvergenzverhalten nach einer gewissen Iterationsanzahl abgebrochen.
Die dreidimensionale grafische Darstellung des individualisierten Körpermodell ermöglicht dem Bediener eine Kontrolle der Individualisierung durch den Vergleich mit der tatsächlichen Patientenlage. Beim Auftreten von relevanten Abweichun- gen kann der Bediener das Verfahren abbrechen und konventionell weiterarbeiten.
Bei erfolgreicher Individualisierung können aus der relativen Lage der nachfolgenden diagnostischen Aufnahmen zu dem indi- vidualisierten Körpermodell patientenbezogene Informationen zur Position und Orientierung der Aufnahmen bestimmt werden. Dazu werden vor der Individualisierung mit jedem Volumenele- ment des Normmodells Informationen verknüpft . Diese Informationen beschreiben mitunter die Körperregion und Orientierung jedes Volumenelements. So wird beispielsweise mit allen Volumenelementen des Normmodells, die das rechte Knie bilden, die Information „rechtes Knie" in Textform verknüpft. Nach dem Individualisierungsvorgang kann dann aus der relativen Lage einer Aufnahme zu den dazugehörigen Volumenelementen des individualisierten Körpermodells eine Information in Textform zur Position der Aufnahme gewonnen werden. Schneidet bei- spielsweise die Aufnahme nur Volumenelemente mit der verknüpften Information „rechtes Knie", dann kann als Untersuchungsregion der Aufnahme (d. h. als eine Positionsinformation zu der Aufnahme) auch „rechtes Knie" angegeben werden. Die Information zur Körperregion wurde so vom individualisierten Körpermodell auf die Aufnahme übertragen und bezeichnet dort die Untersuchungsregion.
Ähnlich verhält es sich mit Orientierungsmarken. Die Orientierung eines Volumenelements wird durch ein lokales Koordi- natensystem beschrieben, wobei in Normalstellung alle lokalen Koordinatensysteme mit dem Hauptkoordinatensystem übereinstimmen. Nach der Individualisierung stimmen diese dann in der Regel nicht mehr überein. Wird beispielsweise der Patient mit den Armen über dem Kopf gelagert, dann beschreiben nach der Individualisierung die lokalen Koordinatensysteme bei den Volumenelementen der Hand die lokalen Orientierungsachsen und unterscheiden sich von den lokalen Orientierungsachsen am Rumpf. Bildet dann eine Aufnahme die Hand des Patienten ab, dann können aus der relativen Lage der Aufnahme zu den ent- sprechenden Volumenelementen der Hand Informationen zur Orientierung der Aufnahme gewonnen werden. Die Orientierungsmarken der Aufnahme beziehen sich dann lokal auf die Hand und nicht mehr auf ein einheitliches Koordinatensystem für den gesamten Patienten.
Als Nebenprodukt lässt sich aus den Parameterwerten des individualisierten Körpermodells auch eine sprachliche Bezeich- nung der Patientenlage gewinnen (z. B. Kopf oder Füße voran; Rücken-, Bauch-, Linksseiten-, Rechtsseitenlage) , wobei die drei Parameter zur Beschreibung der Rotation um die drei Hauptachsen eine herausragende Bedeutung haben. Beispielswei- se unterscheiden sich die Rücken-, Bauch-, Linksseiten- und Rechtsseitenlage vor allem durch den Rotationswinkel um die Longitudinalachse. Die Lagerung der Arme wird hingegen hauptsächlich durch die Parameter zur Beschreibung des Schulter- sowie Ellenbogengelenks beschrieben. Jedem Satz von Parame- terwerten kann eine sprachliche Bezeichnung der Patientenlage zugeordnet werden. In der Praxis kann man für eine endliche Anzahl von Parameterwertesätzen eine sprachliche Bezeichnung der Patientenlage in tabellarischer Form definieren. Für einen beliebigen Parameterwertesatz wird dann der am besten entsprechende Parameterwertesatz aus der Tabelle mit zugehöriger sprachlicher Bezeichnung der Patientenlage bestimmt und in Textform dem Bediener angezeigt. Die Patientenlagebe- schreibung in Textform ermöglicht auch eine einfache Kontrolle der durch den Bediener ausgewählten Beschreibung der Pati- entenlage, sofern in beiden Fällen der gleiche Fundus von sprachlichen Bezeichnungen verwendet wurde.
Normalerweise werden patientenbezogene Informationen über die Position und Orientierung von Aufnahmen in den Aufnahmen gra- fisch dargestellt, z. B. durch Textangaben und Orientierungs- marken. Neben dieser zweidimensionalen Darstellungsform bietet sich eine dreidimensionale Visualisierung der einzelnen Aufnahmen mit dem individualisierten Körpermodell an. Dazu kann man verschiedene 3D-Darstellungstechniken verwenden. Für Echtzeitvisualisierungen bieten sich z. B. hardwarebeschleunigte Verfahren auf Dreiecksbasis (SSD-Verfahren, Surface Shaded Display) an, wie sie im „OpenGL Programming Guide", Woo et. al., Addisson Wesley-Verlag, 3. Auflage, 1999, beschrieben werden. Diese Visualisierungstechnik ermöglicht ein interaktives Betrachten der Szenerie in Echtzeit und besitzt dennoch eine ausreichende Darstellungsqualität. Eine einfache sowie intuitive Darstellung der wesentlichen Informationen erreicht man durch gleichzeitige Visualisierung der triangu- lierten Modelloberfläche mit den angefertigten Aufnahmen in ihrer dreidimensionalen Position und Orientierung, wobei auch die Textangaben und Orientierungsmarken mit abgebildet werden können.
Neben den Informationen zur Position und Orientierung von Aufnahmen können aus dem individualisierten Körpermodell auch noch weitere Information entnommen werden. Recht einfach ist dabei die Abschätzung des Körpergewichts des Patienten. Jedem Volumenelement des Körpermodells wird vor der Individualisierung eine Dichte zugeordnet. Nach der Individualisierung wird aus dieser Information und dem Volumen des Volumenelements dessen Gewicht berechnet. Die Summe der Gewichte der einzel- nen Volumenelemente ergibt dann den Schätzwert des Patientengewichtes .
Andere Informationen ermöglichen eine automatische Positionierung des Patienten zur Untersuchung einer gewünschten Kör- perregion im MR-Gerät. Dieses Verfahren nutzt die mit jedem Volumenelement verknüpfte Information über die dazugehörige Körperregion. Dazu werden für die gewünschte Untersuchungsregion diejenigen Volumenelemente des individualisierten Körpermodells bestimmt, mit denen die sprachliche Bezeichnung der Region verknüpft ist. Der geometrische Mittelpunkt dieser Volumenelemente definiert das Zentrum der Untersuchungsregion und wird durch eine dann definierte Tischverschiebung in das Magnetfeldzentrum gebracht. Beispielsweise möchte man bei einem Patienten das rechte Knie untersuchen. Nach der Individu- alisierung sind die Positionen von Volumenelementen mit der verknüpften Information „rechtes Knie" bekannt. Der Mittelpunkt dieser Volumenelemente definiert dann die Position zur Untersuchung des Knies. Die Tischverschiebung ergibt sich als Differenz zwischen Magnetfeldzentrum und dem berechneten Mit- telpunkt . Eine weitere Anwendungsmöglichkeit von individualisierten Körpermodellen besteht in der Einnahme der gleichen Patientenlage bei Verlaufsuntersuchungen. Dazu werden die Modellparameterwerte von der Referenzuntersuchung abgespeichert und bei einer Verlaufsuntersuchung wieder eingelesen. Diese Parameterwerte definieren dann das Referenzmodell . Zur Einnahme der gleichen Patientenlage wird das individualisierte Körpermodell der Verlaufsuntersuchung (Verlaufsmodell) mit dem Referenzmodell verglichen. Das Ziel ist eine Abweichungsmini- mierung der beiden Körpermodelle. Dazu wird jedem Oberflächenelement des Verlaufsmodells ein Abweichungswert zugeordnet, wobei dieser als geometrische Distanz zum korrespondierenden Oberflächenelement des Referenzmodells definiert ist. Die Abweichung wird als Summe der Quadrate der Abweichungs- werte definiert. Die Patientenlage wird bei der Verlaufsuntersuchung so lange verändert, bis das jeweils neu bestimmte Verlaufsmodell eine ausreichende Übereinstimmung mit dem Referenzmodell zeigt. Dazu ist eine gleichzeitige dreidimensionale Darstellung der beiden Modelle mit einer farblichen Ko- dierung der Abweichungswerte hilfreich.
In Figur 4 ist grob schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographie-Geräts 1 mit einer zugehörigen erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 5 darge- stellt.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Steuereinrichtung 5 in einem separaten Gerät untergebracht. Es handelt sich hierbei um einen Rechner mit einem programmierbaren Pro- zessor 10, auf welchem die Steuersoftware zur Ansteuerung des Magnetresonanztomographiegeräts 1 gespeichert ist. Über eine Steuer-Schnittstelle 8 übermittelt die Steuereinrichtung 5 Steuerbefehle SB an das Magnetresonanztomographie-Gerät 1, damit von diesem die gewünschte Messung durchgeführt wird. Über eine Bilddaten-Schnittstelle 9 werden die mittels des
Magnetresonanztomographie-Geräts 1 akquirierten Roh-Bilddaten BD übernommen und dann innerhalb der Steuereinrichtung 5 in üblicher Weise weiterverarbeitet.
Um die Steuereinrichtung 5 bedienen zu können, ist sie an ei- ne Konsole 4 angeschlossen, welche als Benutzerschnittstelle einen Bildschirm, eine Tastatur und ein Zeigegerät, beispielsweise eine Maus, aufweist. Alternativ ist es aber auch möglich, dass anstelle über die direkt an die Steuereinrichtung 5 angeschlossene Konsole 4 die Bedienung beispielsweise über eine (nicht dargestellte) Work-Station erfolgt, welche an einem Bus 7 angeschlossen ist, mit dem die Steuereinrichtung 5 verbunden ist. Die Konsole 4 kann aber auch integrati- ver Bestandteil der Steuereinrichtung 5 sein . Ebenso kann die Steuereinrichtung 5 auch integrativer Bestandteil des Magnet- resonanztomographie-Geräts 1 sein, so dass sämtliche Komponenten in einem Gerät zusammengefasst sind.
Bei dem Magnetresonanztomographie-Gerät 1 handelt es sich hier um ein herkömmliches Magnetresonanztomographie-Gerät mit üblichen Hochfrequenz-, Gradienten- und Grundmagnetfeidspulen (nicht dargestellt) . Der Patient PT wird in dem Magnetresonanztomographie-Gerät 1 auf einem Patientenlsigerungstisch. 3 innerhalb eines Messraums 2 positioniert, um welchen die Spulen herum angeordnet sind. Zusätzlich können noch Lokalspulen verwendet werden, die direkt am Patienten PT positioniert werden. Die Merkmale und die Funktionsweise eines Magnetresonanztomographie-Geräts 1 sind dem Fachmann bekannt und brauchen hier nicht weiter erläutert zu werden.
Kernstück der Steuereinrichtung 5 ist ein Prozessor 10, auf welchen in Form von Software verschiedene Komponenten implementiert sind, damit die Steuereinrichtung 5 in der erfindungsgemäßen Weise funktioniert. Diese Komponenten sind in Figur 4 als Blöcke innerhalb des Prozessors 10 schematisch dargestellt. Neben den dargestellten Komponenten weist die
Steuereinrichtung 5 selbstverständlich alle weiteren üblichen Software- bzw. Hardwarekomponenten auf, um in üblicher Weise ein Magnetresonanztomographie-Gerät ansteuern und Bilddaten akquirieren und (vor-)verarbeiten zu können. Diese üblichen Komponenten sind jedoch der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht in der Figur dargestellt und werden im Folgenden auch nicht näher erläutert, soweit sie nicht speziell für die erfindungsgemäße Funktion abgewandelt wurden.
Eine solche Komponente ist eine Bildermittlungseinheit 12. Diese Bildermittlungseinheit 12 wandelt verschiedene Messpro- tokolle bzw. dadurch vorgegebene Scan-Parameter, mit denen dem Magnetresonanztomographie-Gerät 1 signalisiert wird, in welcher Position bzw. Orientierung Bilddaten ermittelt werden sollen, in Steuerbefehle SB um. Diese werden dann über die Steuerschnittstelle 8 an das Magnetresonanztomographiegerät 1 übergeben, damit dort in der richtigen Folge die passenden
Messsequenzen gefahren werden, um die gewünschten Schnittbilder zu erzeugen. Zur Realisierung der Erfindung weist die Bildermittlungseinheit 12 hier als Unterroutine eine Übersichtsbilder-Ermittlungseinheit 13 auf, welche dafür sorgt, dass das Magnetresonanztomographiegerät derart angesteuert wird, dass eine Anzahl von initialen MR-Übersichtsaufnahmen, wie beispielsweise in den Figuren 3a und 3b dargestellt, gemessen werden.
Die bei diesen Übersichtsscans erzeugten MR-Übersichtsaufnahmen werden dann (wie alle übrigen Bilddaten BD) über die Bilddaten-Schnittstelle 9 von der Steuereinrichtung 5 übernommen und dort weiterverarbeitet. Beispielsweise werden aus den ermittelten Roh-Bilddaten BD zunächst in einer Rekon- struktionseinheit 11 die gewünschten Bilder rekonstruiert. Die so ermittelten MR-Übersichtsaufnahmen UA werden dann an eine Individualisierungseinheit 14 übergeben.
Diese Individualisierungseinheit 14 enthält als Unterroutine eine Strukturerkennungseinheit 15, welche aus den Übersichtsaufnahmen UA die benötigten Strukturen, hier die Grenzflächen zwischen dem Körper des Patienten PT und der Umge- bung, d. h. die Oberflächenstruktur des Körpers des Patienten PT, ermittelt. Zudem enthält die Individualisierungseinheit 14 eine Anpassungseinheit 16, welche ein Normmodell NM durch Einstellung bestimmter, veränderlicher Parameter des Normmo- dells NM (d. h. ein Körpermodell in Normallage) an die Zielstruktur anpasst, wie dies bereits oben ausführlich beschrieben wurde. Ein solches Normmodell NM ist in einem Speicher 6 der Steuereinrichtung 5 hinterlegt.
Das fertig individualisierte Körpermodell IM kann dann wieder in dem Speicher 6 hinterlegt werden. Dabei müssen nicht zwingend alle Daten hinterlegt werden, die das vollständige, individualisierte Körpermodell IM beschreiben. Es reicht grundsätzlich aus, wenn ein Satz von Parameterwerten hinterlegt wird, mit denen aus dem Normmodell NM das individualisierte Körpermodell IM erzeugt werden kann. Der Datensatz des individualisierten Körpermodells IM wird außerdem an eine Lokalisierungseinheit 17 übergeben. Mit Hilfe dieser Lokalisierungseinheit 17 kann dann jeweils die relative Lage der nach- folgenden (diagnostischen) Schnittbildaufnahmen zum individualisierten Körpermodell IM ermittelt und so die patientenbezogenen Informationen über eine Position und Orientierung der nachfolgend erstellten Schnittbildaufnahmen in der erfin- dungsgemäßen Weise bestimmt werden.
Die Individualisierungseinheit 14 hat außerdem die Möglichkeit, an die Übersichtsbilder-Ermittlungseinheit 12 ein Signal auszugeben, um dafür zu sorgen, dass zusätzlich in bestimmten räumlichen Bereichen eine größere Anzahl dichter ne- beneinander liegender Übersichtsaufnahmen gefertigt werden, um die Qualität der Individualisierung zu verbessern.
Es wird an dieser Stelle noch einmal ausdrücklich darauf hingewiesen, dass es sich bei den in den Figuren dargestellten Prozessen und Systemarchitekturen nur um Ausführungsbeispiele handelt, die vom Fachmann ohne weiteres im Detail verändert werden können. Insbesondere ist es möglich, dass die ver- schiedensten Komponenten der Steuereinrichtung 5 nicht auf einem Prozessor, sondern auf verschiedenen, untereinander vernetzten Prozessoren realisiert sind. Ebenso ist es natürlich auch möglich, dass die verschiedenen Komponenten auf unterschiedlich miteinander vernetzten Rechnern realisiert werden. So können beispielsweise besonders rechenintensive Prozesse - wie die Individualisierung des Modells auf geeignete Rechner, beispielsweise über den Bus 7 - ausgelagert werden, welche dann nur noch das Endergebnis zurückliefern.
Es bietet sich im Übrigen an, bestehende Steuereinrichtungen bzw. Magnetresonanztomographiegeräte mit den erfindungsgemäßen Komponenten nachzurüsten, um auch diese Einrichtung gemäß dem vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren zu nutzen. In vielen Fällen reicht ein Update der Steuerungssoftware mit geeigneten Steuerungssoftwaremodulen aus .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung von patientenbezogenen Informati- onen zur Position und Orientierung von magnetresonanztomographischen Schnittbildaufnahmen eines Patienten mit folgenden Verfahrensschritten: Anfertigung von initialen MR-Übersichtsaufnahmen (UA) vom Körpers des Patienten, - Individualisierung eines vorgegebenen parametrisierten anatomischen Körpermodells (NM) unter Verwendung der initialen MR-Übersichtsaufnahmen (UA) , Bestimmung der patientenbezogenen Informationen über die Position und Orientierung der nachfolgenden Schnittbild- aufnahmen auf Basis der relativen Lage der Schnittbildaufnahmen zu dem individualisierten Körpermodell (IM) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die initialen MR- Übersichtsaufnahmen (UA) in einer standardisierten Anordnung angefertigt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die initialen MR- Übersichtsaufnahmen (UA) Querschnittsaufnahmen umfassen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als initiale MR-Übersichtsaufnahmen (UA) mehrere Querschnitte mit einem Abstand von ca. 50 cm oder darunter, vorzugsweise mit einem Abstand von unter 15 cm, angefertigt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei auf Basis von bei der Individualisierung des Körpermodells (NM) ermittelten Abweichungen des individualisierten Körpermodells (IM) von in den MR-Übersichtsaufnahmen erkennbaren Strukturen automatisch eine Qualität der erreichten Individu- alisierung ermittelt wird und basierend darauf automatisch bestimmt wird, ob und mit welchen Positionen und Orientierungen zusätzliche MR- Übersichtsaufnahmen angefertigt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die bei einer Individualisierung einstellbaren Modellparameter zumindest einen Translationsparameter, einen Rotationsparameter und einen Skalierungsparameter des gesamten Körpermodells sowie Parameter, die eine räumliche Lage und Form von vorgege- benen wichtigen Körperteilen beschreiben, umfassen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei anhand von Parameterwerten des individualisierten Körpermodells (IM) eine sprachliche Bezeichnung einer Patientenlage bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei mit Hilfe von Parameterwerten des individualisierten Körpermodells (IM) eine durch einen Bediener eingegebene Beschreibung einer Patientenlage kontrolliert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die pa- tientenbezogenen Informationen über die Position und Orientierung von Schnittbildaufnahmen in einer sprachlichen und/oder grafischen Form mit dem individualisierten Körpermodell (IM) an einen Bediener optisch ausgegeben werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei mit Hilfe des individualisierten Körpermodells (IM) ein Körperge- wicht des Patienten berechnet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei mit Hilfe des individualisierten Körpermodells (IM) eine Positionierung des Patienten im MR-Gerät zur Untersuchung einer ge- wünschten Körperregion durchgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei ein bei einer ersten MR-Untersuchung individualisiertes Körpermodell (IM) gespeichert wird und mit Hilfe dieses individualisierten Körpermodells (IM) eine Lagerung des Patienten bei einer weiteren MR-Untersuchung durchgeführt wird.
13. Computerprogrammprodukt, welches direkt in einen Speicher einer programmierbaren Steuereinrichtung (5) eines Magnetresonanztomographie-Geräts (1) ladbar ist, mit Programmcode- Mitteln, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen, wenn das Programmprodukt auf der Steuereinrichtung (5) ausgeführt wird.
14. Steuereinrichtung (5) zum Betrieb eines Magnetresonanzto- mographie-Geräts (1) mit einer Steuer-Schnittstelle (8) zur Ansteuerung des Magnetresonanztomographie-Geräts (1) zur Messung einer Anzahl von Schnittbildaufnahmen entsprechend von der Steuereinrichtung vorgegebener Scanparameter, - einer Bilddaten-Schnittstelle (9) zur Erfassung von mittels des Magnetresonanztomographie-Geräts (1) akquirierten Bilddaten, einer Übersichtsbilder-Ermittlungseinheit (13), um das Magnetresonanztomographie-Gerät (1) zur Messung einer An- zahl von initialen MR-Übersichtsaufnahmen vom Körper des Patienten anzusteuern, einer Speichereinrichtung (6) mit einem anatomischen parametrisierten Körpermodell (NM) , dessen Geometrie durch eine Veränderung bestimmter Parameter variierbar ist, - einer Individualisierungseinheit (14) , um das Körpermodell (NM) unter Verwendung der gemessenen initialen MR-Übersichtsaufnahmen zu individualisieren, einer Lokalisierungseinheit (17), welche zur Bestimmung von patientenbezogenen Informationen zur Position und Ori- entierung von nachfolgend erstellten Schnittbildaufnahmen jeweils die relativen Lage der betreffenden Schnittbild- aufnahmen zum individualisierten Körpermodell (IM) ermittelt.
15. Magnetresonanztomographie-Gerät (1) zum Messen von Schnittbilddaten eines Untersuchungsobjekts umfassend eine Steuereinrichtung (5) nach Anspruch 14.
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