DE102004059135A1

DE102004059135A1 - Computertomograph und Verfahren zur Untersuchung eines Patienten in aufrechter Körperhaltung

Info

Publication number: DE102004059135A1
Application number: DE200410059135
Authority: DE
Inventors: Clemes Dr. Jörger
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2004-12-08
Filing date: 2004-12-08
Publication date: 2006-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Computertomographen (1) mit einer Einstellung einer Gantry (2) für eine Untersuchung eines Patienten (4) in aufrechter Körperhaltung und mit einer dem Computertomographen (1) zuordbaren Laufvorrichtung, insbesondere in Form eines Laufbands (5), für eine Untersuchung des Patienten (4) in einer zyklischen Geh- oder Laufbewegung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren für eine mit diesen Computertompgraphen (1) durchführbare Untersuchung des Patienten (4) in der zyklischen Geh- und Laufbewegung, wobei die Röntgenquelle (19) des Computertomographen (1) in ihrer Rotationsperiode (T) und ihrer Emission (E) abhängig von mithilfe einer Bewegungsanalysevorrichtung, z. B. enthaltend eine Hochgeschwindigkeitskamera (7) und ein Datenverarbeitungsmittel (8), ermittelten Bewegungsdaten durch eine Steuervorrichtung (22) gesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Computertomographen bzw. ein Verfahren zur Untersuchung eines Patienten in aufrechter Körperhaltung gemäß Patentanspruch 1 bzw. gemäß Patentanspruch 16.

In der medizinischen Röntgendiagnostik werden Computertomographen zur computergestützten Erzeugung von Schnittbildern und 3D-Ansichten eines Körperbereichs eines Patienten verwendet. Dazu wird die Abschwächung der durch eine Röntgenquelle aus verschiedenen Richtungen auf den Patienten emittierten Röntgenstrahlung beim Durchdringen des Körperbereichs durch Röntgendetektoren gemessen. Die Röntgenquelle und die Röntgendetektoren befinden sich auf einem „Gantry" genannten Träger als Teil des Computertomographen, wobei die Röntgenquelle um eine Messöffnung der Gantry, in die der Patient platziert wird, rotiert.

Typischerweise befindet sich der Patient bei heutigen Computertomographen während einer Untersuchung mit einem Computertomographen auf einer in der Messöffnung positionierten Patientenliege in einer liegenden Körperhaltung, um zu Bildfehlern führende Bewegungen des Patienten zu vermeiden.

Aus der DE 101 46 915 A1 ist auch bereits eine Röntgenapparatur, insbesondere ein Computertomograph, bekannt, der zur Untersuchung am Patienten in aufrechter oder teilweise aufrechter Körperhaltung und damit unter einer natürlichen, statischen Belastung eines bestimmten Körperbereichs vorgesehen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Computertomographen bzw. ein Verfahren bereitzustellen, mit denen sich ein Patient unter einer dynamischen Belastung untersuchen lässt.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch einen Computertomographen gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 16; vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene dynamische Belastung des Patienten in Form einer zyklischen Geh- oder Laufbewegung mit ihrer hohen periodischen Reproduzierbarkeit ist es mittels der vorgesehenen Gantry-Einstellung und der dem Computertomographen zugeordneten Laufvorrichtung möglich, die Funktionen eines Körperbereichs des Patienten unter einer natürlichen, dynamischen Belastung zu untersuchen und eine wesentliche Erweiterung der Röntgendiagnostik zu erreichen, die sich insbesondere zur Untersuchung von Bandscheiben und Knie- und Hüftgelenken sowie zur Untersuchung eines Herzens des unter Herz- und Kreislaufbelastung gestellten Patienten nutzen lässt.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im folgenden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf dieses Ausführungsbeispiel erfolgt; es zeigen:
1 in perspektivischer Ansicht einen Computertomographen für eine aufrechte Körperhaltung mit einer zugeordneten Laufvorrichtung;
2 einen Patienten mit an diesem angeordneten Ultraschallsendern sowie an einem Stativ angebrachten Ultraschallsensoren zur Messung der Positionen der Ultraschallsender;
3 in Draufsicht eine zum Computertomographen gemäß 1 gehörende Gantry sowie ein in der Gantry positionierter Patient;
4 eine graphische Darstellung eines Bewegungswertes einer zyklischen Geh- oder Laufbewegung als Funktion der Zeit;
5 eine graphische Darstellung wie in 4 für eine Emission von Röntgenstrahlung auf den Patienten;
6 eine graphische Darstellung wie in 4 für einen einer Röntgenstrahlerichtung entsprechenden Winkel.
1 zeigt einen Computertomographen 1, dessen Gantry 2 für eine Untersuchung eines Patienten 4 in aufrechter Körperhaltung eingestellt ist, sowie eine dem Computertomographen 1 zugeordnete Laufvorrichtung, hier in besonders einfacher Weise in Form eines unterhalb der Gantry 2 angeordneten Laufbands 5, für eine Untersuchung des Patienten 4 in einer zyklischen Geh- oder Laufbewegung.
Für eine Untersuchung mit dem in 1 dargestellten Computertomographen 1 und dem zugeordneten Laufband 5 ist es vorgesehen, den Patienten 4 auf dem Laufband 5 zu platzieren und ihn in aufrechter Körperhaltung in die Messöffnung 3 der Gantry 2 zu positionieren. Entsprechend der für die Untersuchung gewünschten zyklischen Geh- oder Laufbewegung wird eine Geschwindigkeit des sich in Bandrichtung 6 drehenden Laufbands 5 eingestellt; anschließend wird die Untersuchung durch Emission E von Röntgenstrahlung auf den Patienten 4 und gleichzeitiges Aufzeichnen von Messwerten der dabei nach der Durchdringung des Patienten 4 gemessenen Röntgenstrahlung 21 durchgeführt.
Vorzugsweise werden vor dem Aufzeichnen und/oder während des Aufzeichnens der Messwerte Bewegungsdaten ermittelt, welche die zyklische Geh- oder Laufbewegung charakterisieren; zur Ermittlung dieser Bewegungsdaten ist eine Bewegungsanalysevorrichtung 7, 8 vorgesehen. Solche Bewegungsdaten stellen eine besonders geeignete Grundlage für eine Steuerung der computertomographischen Untersuchung und für eine anschließende Rekonstruktion von Bildern aus den Messwerten dar.
Als Teil der Bewegungsanalysevorrichtung ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung zumindest ein Sensor zur besonders einfachen und genauen Messung von Sensordaten, auf denen die Ermittlung der Bewegungsdaten basiert, vorgesehen. Bevorzugte Sensoren sind an dem Laufband 5 angebrachte, nicht dargestellte Drucksensoren, eine Hochgeschwindigkeitskamera 7 sowie zumindest ein Ultraschallsensor 12.1-12.3 zur Messung von die Position von zumindest einem an dem Patienten 4 anordbaren Ultraschallsender 13.1-13.7 wiedergebenden Sensordaten. Als weiterer Teil der Bewegungsanalysevorrichtung ist vorteilhaft eine Datenverarbeitungsmittel 8 zur Ermittlung der Bewegungsdaten aus den Sensordaten vorgesehen.
In vorteilhafter Anpassung an einen zu untersuchenden Körperbereich des Patienten 4 ist die relative Höhe h zwischen der Gantry 2 einerseits und dem Laufband 5 andererseits einstellbar; dafür ist besonders einfach durch eine in Richtung 9 höhenverstellbares Laufband 5 und/oder eine in Richtung 10 höhenverstellbare Gantry 2 vorgesehen. Als weitere Verbesserung der Anpassung an den zu untersuchenden Körperbereich ist eine in Richtung 11 verkippbare Ausrichtung der Gantry 2 vorgesehen.
2 zeigt – zur besseren Erkennbarkeit in einer separaten Darstellung ohne Computertomograph 1 – den Patienten 4 mit an diesem, insbesondere an einem Bein 14, angeordneten Ultraschallsendern 13.1-13.7 sowie Ultraschallsensoren 12.1-12.3 zur Messung von Sensordaten, welche die Positionen der Ultraschallsender 13.1-13.7 wiedergeben; diese Mittel zur Ermittlung von Bewegungsdaten sind an sich, z.B. aus der DE 43 44 741 A1 , bekannt. Zu den Bewegungsdaten kann unter anderem ein Bewegungswert x gehören, der die auf das Laufband 5 bezogene Höhe des an einer Hüfte des Patienten 4 angeordnete Ultraschallsenders 13.4 angibt. Die Ultraschallsensoren 12.1-12.3 können, wie in 2 dargestellt, auf einem separaten Stativ 15 oder an dem Computertomograph 1 angebracht sein.
3 zeigt in Draufsicht die zu dem Computertomographen 1 gemäß 1 gehörende Gantry 2 mit einem um den Patienten 4 in Rotationsrichtung 16 rotierenden und von einem Antrieb 17 angetriebenen Träger 18, auf dem sowohl eine Röntgenquelle 19 als auch eine gegenüberliegende Anordnung von Röntgendetektoren 20 befestigt sind. Während der Untersuchung emittiert die Röntgenquelle 19 Röntgenstrahlung 21 in die durch den Winkel α angegebene Richtung auf den Patienten 4, wobei die Röntgenstrahlung 21 nach der Durchdringung des Patienten 4 von den Röntgendetektoren 20 gemessen wird. Gantrys der zuvor beschriebenen Art sind – genau wie ebenfalls hier verwendbare Gantrys mit einer als Vollkreis ausgebildeten, stationären Anordnung von Röntgendetektoren – allgemein bekannt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Röntgenquelle 19 abhängig von den Bewegungsdaten in Ihrer Rotationsperiode T einstellbar und/oder in Ihrer Emission E von Röntgenstrahlung 21 abwechselnd ein- und ausschaltbar, so dass eine an die zyklischen Geh- oder Laufbewegung Steuerung der Röntgenquelle 19 möglich ist.
Die 4-6 zeigen drei graphische Darstellungen jeweils verschiedener, zeitabhängiger Größen, die eine besonders vorteilhafte, von den Bewegungsdaten abhängige Steuerung der Röntgenquelle 19 in Ihrer Rotationsperiode T und Ihrer Emission E zur Untersuchung von zumindest einer Bewegungsphase der Geh- oder Laufbewegung in stark vereinfachter Form veranschaulichen; eine vergleichbare Steuerung ist an sich aus der computertomographischen Untersuchung eines Herzens eines Patienten z.B. aus der DE 196 22 075 C2 bekannt, wobei dort dem Untersuchungsobjekt entsprechend aus einem EKG gewonnene Da ten anstelle der Bewegungsdaten als Grundlage der Steuerung vorgesehen sind.
4 zeigt in einer graphischen Darstellung den auch in 2 dargestellten Bewegungswert x als Funktion der Zeit t; auf diesem Bewegungswert x basieren sowohl die Steuerung der in 5 als Funktion der Zeit t graphisch dargestellten Emission E der Röntgenstrahlung als auch die Steuerung der Rotationsperiode T. Die Rotationsperiode T bestimmt einen Winkel α als eine in 6 graphisch dargestellten Funktion der Zeit t, wobei dieser Winkel α der Richtung entspricht, aus der die Röntgenquelle 19 Röntgenstrahlung 21 auf den Patienten 4 emittiert.
In dem in den 4-6 dargestellten Beispiel der Steuerung der Röntgenquelle 19 wird eine periodisch zu den Zeiten t₀, t₁, t₂, t₃, etc. beginnende Bewegungsphase der zyklischen Geh- oder Laufbewegung, die durch den in 4 dargestellten Bewegungswert x beschriebenen wird, untersucht. Gemäß der Steuerung wird bei einem jeweiligen Erreichen eines Maximums des Bewegungswerts x synchron die Röntgenquelle 19 in ihrer Emission E der Röntgenstrahlung 21, wie in 5 durch die schraffierte Fläche dargestellt, für eine Dauer D eingeschaltet. Gemäß einer vorteilhaften Steuerung entspricht weiterhin die Rotationsperiode T der Röntgenstrahlquelle 19 drei Viertel eines Zeitintervalls von t₀ bis t₁, so dass zu den Zeiten t₀, t₁, t₂ die Emission E der Röntgenstrahlung 21 auf den Patienten 4, wie in 5 durch die gestrichelten Linien hervorgehoben ist, aus jeweils verschiedenen Winkeln α = 0°, α = 120° bzw. α = 240° eingeschaltet wird. Nach dem Zeitintervall von t₀ bis t₃, also nach dreimaliger Wiederholung der zyklischen Geh- oder Laufbewegung, ist die Röntgenquelle 19 viermalig um den Patienten 4 rotiert, so dass der Winkel α = 360° bzw. α = 0° erreicht wird.
Für die zuvor beschriebene Steuerung der Röntgenquelle 19 ist eine in 1 dargestellte Steuervorrichtung 22 vorgesehen.
Es wird darauf hingewiesen, dass im Sinne einer verständlichen Beschreibung und einer übersichtlichen Darstellung in den 4-6 ein stark vereinfachtes Beispiel für die Steuerung der Röntgenquelle 19 gewählt wurde. In der praktischen Umsetzung dieser Steuerung können die jeweilige Dauer der Emission E zur Vermeidung von Bewegungsunschärfen deutlich kleiner und die Anzahl der verschiedenen Röntgenstrahlrichtungen, aus denen die Emission E erfolgt, deutlich größer sein. Weiterhin ist es möglich, die Röntgenquelle 19 in Ihrer Emission E von Röntgenstrahlung 21 kontinuierlich einzuschalten, so dass gleichzeitig alle Bewegungsphasen untersuchbar sind. Außerdem kann zur Steuerung der Röntgenquelle anstelle oder in Ergänzung des Bewegungswertes x z.B. auch ein aus den Positionen der in 2 dargestellten Ultraschallsender 13.4, 13.6 und 13.7 bestimmbarer Kniewinkel des Beines 14 verwendet werden.
Zur Untersuchung ausgedehnter Körperbereiche ist es vorteilhaft vorgesehen, die relative Höhe h zwischen der Gantry 2 einerseits und dem Laufband 5 andererseits im Sinne eines Sequenz- oder Spiralbetriebs des Computertomographen 1 zu variieren.
Nach dem Aufzeichnen oder bereits während des Aufzeichnens werden aus den Messwerten Bilder rekonstruiert, wobei in vorteilhafter Weise die Bewegungsdaten und/oder die relative Höhe h berücksichtigt werden. Bei der Untersuchung mehrerer Bewegungsphasen ist diese Berücksichtigung der Bewegungsdaten bei der Rekonstruktion für eine Zuordnung der Messdaten zu den jeweiligen Bewegungsphasen besonders vorteilhaft. Bei einem Sequenz- oder Spiralbetrieb des Computertomographen 1 wird vorzugsweise die relative Höhe h berücksichtigt. Zur Rekonstruktion ist ein in 1 dargestelltes Rekonstruktionsmittel 23 für den Computertomographen 1 vorgesehen.
Die Erfindung lässt sich grundsätzlich wie folgt zusammenfassen: Die Erfindung betrifft einen Computertomographen 1 mit einer Einstellung einer Gantry 2 für eine Untersuchung eines Patienten 4 in aufrechter Körperhaltung und mit einer dem Computertomographen 1 zuordbaren Laufvorrichtung, insbesondere in Form eines Laufbands 5, für eine Untersuchung des Patienten 4 in einer zyklischen Geh- oder Laufbewegung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren für eine mit diesen Computertomographen 1 durchführbare Untersuchung des Patienten 4 in der zyklischen Geh- oder Laufbewegung, wobei die Röntgenquelle 19 des Computertomographen 1 in ihrer Rotationsperiode T und ihrer Emission E abhängig von mithilfe einer Bewegungsanalysevorrichtung, z.B. enthaltend eine Hochgeschwindigkeitskamera 7 und ein Datenverarbeitungsmittel 8, ermittelten Bewegungsdaten durch eine Steuervorrichtung 22 gesteuert wird.

Claims

Computertomograph (1) – mit einer Gantry-Einstellung für eine Untersuchung eines Patienten (4) in aufrechter Körperhaltung; – mit einer dem Computertomographen (1) zuordbaren Laufvorrichtung für eine Untersuchung des Patienten (4) in einer zyklischen Geh- oder Laufbewegung.
Computertomograph (1) nach Anspruch 1 mit einer Anordnung der Laufvorrichtung unterhalb der Gantry (2).
Computertomograph (1) nach Anspruch 1 und/oder 2 mit einer Ausführung der Laufvorrichtung in Form eines Laufbands (5).
Computertomograph (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1-3 mit einer Bewegungsanalysevorrichtung zur Ermittlung von die zyklische Geh- oder Laufbewegung charakterisierenden Bewegungsdaten.
Computertomograph (1) nach Anspruch 4 mit zumindest einem der Bewegungsanalysevorrichtung zugeordneten Sensor zur Messung von Sensordaten, auf denen die Ermittlung der Bewegungsdaten basiert.
Computertomograph (1) nach Anspruch 5 mit einer Anordnung von zumindest einem Sensor an der Laufvorrichtung, insbesondere in Form eines an der Laufvorrichtung angebrachten Drucksensors.
Computertomograph (1) nach Anspruch 5 und/oder 6 mit einer Ausführung des zumindest einen Sensors in Form eines optische Signale erfassenden Sensors, insbesondere einer Hochgeschwindigkeitskamera 7.
Computertomograph (1) nach zumindest einem der Ansprüche 5-7 mit einer Ausführung des zumindest einen Sensors in Form eines Ultraschallsensors (12.1-12.3), der zur Messung von einer Position von zumindest einem an dem Patienten (4), insbesondere an zumindest einem Bein (14) des Patienten (4), anordbaren Ultraschallsender (13.1-13.7) wiedergebende Sensordaten vorgesehen ist.
Computertomograph (1) nach zumindest einem der Ansprüche 5-8 mit einem zu der Bewegungsanalysevorrichtung zuordbaren Datenverarbeitungsmittel (8) zur Ermittlung der Bewegungsdaten aus von dem zumindest einen Sensor ermittelten Sensordaten.
Computertomograph nach zumindest einem der Ansprüche 4-9 mit einer um den Patienten (4) auf der Gantry (2) rotierenden Röntgenquelle (19), wobei die Röntgenquelle (19) abhängig von den Bewegungsdaten in ihrer Rotationsperiode (T) einstellbar und/oder in Ihrer Emission (E) von Röntgenstrahlung (21) auf den Patienten (4) abwechselnd ein- und ausschaltbar ist.
Computertomograph (1) nach Anspruch 10 mit einer die Emission (E) und die Rotationsperiode (T) abhängig von den Bewegungsdaten derart zur Untersuchung von zumindest einer Bewegungsphase der Geh- oder Laufbewegung steuernden Steuervorrichtung (22), dass die Emission (E) mit den Bewegungsphasen der Geh- oder Laufbewegung synchronisierbar und die Rotationsperiode (T) im Sinne einer Emission (E) der Röntgenstrahlung auf den Patienten (4) in aufeinander folgenden Rotationen in den jeweils gleichen Bewegungsphasen aus verschiedenen Richtungen (α) einstellbar ist.
Computertomograph (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1-11 mit einer verstellbaren relativen Höhe (h) zwischen der Gantry (2) einerseits und der Laufvorrichtung andererseits.
Computertomograph nach Anspruch 12 mit einer höhenverstellbaren Laufvorrichtung und/oder einer höhenverstellbaren Gantry (2) zur Einstellung der relativen Höhe (h).
Computertomograph (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1-13 mit einer in Anpassung an einen jeweils zu untersuchenden Körperbereich verkippbaren Ausrichtung der Gantry (2).
Computertomograph (1) nach zumindest einem der Ansprüche 4-14 mit einem Rekonstruktionsmittel (23) zur Rekonstruktion von Bildern aus Messwerten der nach einer Durchdringung des Patienten (4) gemessenen Röntgenstrahlung (21), wobei dieses Rekonstruktionsmittel (23) bei der Rekonstruktion die Bewegungsdaten und/oder die relative Höhe (h) berücksichtigt.
Verfahren für eine computertomographische Untersuchung eines Patienten (4) in einer zyklischen Geh- oder Laufbewegung unter Verwendung des Computertomographen (1) nach einem der Ansprüche 1-16 umfassend folgende Schritte: – Aufrechtes Platzieren des Patienten (4) in der Messöffnung (3) der Gantry (2) und auf der Laufvorrichtung; – Einstellen einer Geschwindigkeit der Laufvorrichtung entsprechend der gewünschten zyklischen Geh- oder Laufbewegung; – Aufzeichnen von Messwerten der nach der Durchdringung des Patienten (4) gemessenen Röntgenstrahlung (21).
Verfahren nach Anspruch 16, wobei vor dem Aufzeichnen und/oder während des Aufzeichnens der Messwerte die auf die zyklische Geh- oder Laufbewegung bezogenen Bewegungsdaten ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Röntgenquelle (19) abhängig von den Bewegungsdaten in ihrer Rotationsperiode (T) eingestellt und in Ihrer Emission (E) von Röntgenstrahlung (21) auf den Patienten (4) abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 18 mit einer von den Bewegungsdaten abhängigen Steuerung der Emission (E) und der Rotations periode (T) zur Untersuchung von zumindest einer Bewegungsphase der Geh- oder Laufbewegung, dadurch dass die Emission (E) mit den Bewegungsphasen der Geh- oder Laufbewegung synchronisiert und die Röntgenstrahlung (21) durch Einstellen der Rotationsperiode (T) in aufeinander folgenden Rotationen der Röntgenquelle (19) in der jeweils gleichen Bewegungsphase aus verschiedenen Richtungen (α) auf den Patienten (4) emittiert wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 16-19, wobei vor dem Aufzeichnen der Messwerte die relative Höhe (h) zwischen der Gantry (2) einerseits und der Laufvorrichtung andererseits entsprechend dem zu untersuchenden Körperbereich des Patienten (4) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die relative Höhe (h) durch eine Höhenverstellung der Laufvorrichtung und/oder der Gantry (2) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 20 und/oder 21, wobei die relative Höhe (h) im Sinne eines Spiral- oder Sequenzbetriebs des Computertomographen (1) während der Untersuchung entsprechend dem zu untersuchenden Körperbereich variiert wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 16-22, wobei die Ausrichtung der Gantry (2) in Anpassung an den jeweils zu untersuchenden Körperbereich verkippt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 17-23, wobei die Rekonstruktion von Bildern aus den Messwerten der nach der Durchdringung des Patienten (4) gemessenen Röntgenstrahlung (21) unter Berücksichtigung der Bewegungsdaten und/oder der relativen Höhe (h) erfolgt.