确定和显示到达患者大脑目标区域的入口通道的方法

专利名称：确定和显示到达患者大脑目标区域的入口通道的方法
技术领域：
本发明涉及用于确定和显示到达患者大脑目标区域的入口通道的计算机 实现的方法、相应的计算机程序、存储了计算机程序的数据载体、以及实施该 方法的成像装置。
背景技术：
在计划和实施不论是神经外科的介入如脑手术和脑组织移除，还是治疗上 的射线照射，都要求最大的精度。 一方面应该将病变的检查结果如肿瘤、癫痫 灶从周围健康的脑组织中尽可能完全地移除或者进行全面地照射。另一方面必
须尽可能好地保护周围重要的功能性脑区域。到达大脑区域的入口 一般表示从 大脑外部到达病变的检查结果的路径。在实践中通常有位于一个通道中的到达 其中有病变的检查结果的大脑区域的多个入口 ，这样的大脑区域以下称为目标 区域。本发明涉及的是确定和显示这样的到达目标区域的入口通道，使得在必 要时通过医生的经验和/或帮助可以选择合适的入口。很清楚，只有借助于电子 图像拍摄和分析方法及设备，即通常通过计算机辅助措施才能实现入口通道的 确定。
在此产生下列设问，以下分别详尽讨论。
首先是进行精确地界定带有病变的检查结果的目标区域。正电子发射断层
造影(Positronen-Emissions-Tomogmphie,简称PET)是一种显示脑肿瘤的大小 和边界的非常精确的方法，因为例如是通过肿瘤所引起的生化改变来确定的。 根据所使用的放射性药物，该方法仅提供很少的解剖学上的信息，例如大脑内 部肿瘤的轴向位置或与周围解剖结构的关系。对癫痫患者来说PET同样是可以 用来识别病灶的方法。在此利用在所涉及的目标区域中的糖代谢或特定的神经 活动的改变。
为了获得对到达目标区域的入口通道来说是必须的患者的内部解剖结构， 可以使用磁共振断层造影(简称MRT),如在专利文献DE10358012A1中所公
开的。MRT虽然可以相对健康组织来界定肿瘤，但是不能估计其生化活性。
此外，安全识别重要的功能性脑区域是必要的。在此既可以是皮层的功能 区域也可以是重要的神经束。
类似于地图，不同的脑区域映射不同的功能。通常，可以根据解剖学标记 借助于磁共振断层造影形式的结构成像来可靠地识别这些区域。在下列情况下 会出现问题在标准改变的情况下以及主要在这样的患者情况下，即由于肺瘤、 畸形或其它病症和/或疾病后果使功能性脑区域发生移位，并且不能再被唯一地 识别。甚至可能出现特定的区域例如语言中枢移位到另一半脑中。借助功能磁 共振成像(简称fMRI)可以通过刺激检查来识别这些具有重要功能的脑区域并 与解剖结构相对应。有时对于语言中枢的病灶还必须在手术时唤醒患者，以可 靠地识别该重要功能区域。如果不能进行fMRI，也可以通过扩散加权MRT成 像或扩散张量成像以及对数据的适当后处理来获得神经束延伸及其空间方向。
所有这些计算机支持的方法都可由神经外科医生或者肿瘤学家/放射临床 医生用来计划和实施手术或照射。因为提到的技术没有一种能回答所有的问题， 所以必须先后实施前面4^到的方法。DE 102005041381A1中爿^开了一种组合的 方法。该方法要求高的逻辑开销和时间开销并带来不能忽视的配准错误的危险， 主要是在用提供很少解剖结构细节的物质来实施PET方法时。缺点尤其是，该 方法要在时间上先后在分开的设备上进行。这对患者来说意味着巨大的负担、 更高的时间开销和主要是潜在的不精确的危险，例如，在后续进行的图像互相 配准中。因为是用不同的设备，所以患者在两次拍摄之间不可避免地会运动。 在前面提到的方法中，在拍摄正电子发射数据以及磁共振数据时，借助激光在 空间上分开的参考系中确定头部的位置。
在产生融合图像之前将两个成像方法的数据分别分开地准备(另外还有再 现)、接着配准并有时也进行几何上的误差校正。

发明内容
本发明要解决的技术问题是，改善这种组合的方法和用于实施该方法的成 像设备，使得可以避免前面提到的缺点，特别是不需要对数据进行配准。
上述技术问题是通过一种确定和显示到达患者大脑目标区域的入口通道 的计算机实现方法、相应的计算机程序产品、存储了计算机程序产品或者说计 算机程序的数据载体、以及实施该方法的成像装置来解决的。
本发明的用于确定和显示到达患者大脑目标区域的入口通道的计算机实
现的方法包括以下由控制和分析系统控制的步骤
a) 借助正电子发射断层造影产生大脑的第一影像；
b) 借助电子图像处理来相对于其周围甄别目标区域；
c) 借助^磁共振断层造影在采集至少一个解剖结构的情况下产生大脑的第 二影像；
d) 借助描述生理过程的方法产生大脑的第三影像，用于识别至少一个绝 对不能损伤的功能性脑区域；
e) 在留出至少一个功能性脑区域的条件下确定到达目标区域的入口通道；
以及
f) 确定和显示大脑的第四影像，在该影像中显示目标区域、至少一个功能 性脑区域、至少一个解剖结构和入口通道，其中，用唯一的参考系无需改变患 者位置短暂地先后进行或甚至同时进行步骤a)至d)。
本发明方法的优点是，同时或者至少几乎同时且同心地采集正电子发射数 据作为第 一影像以及采集磁共振数据作为第二影像。例如可以使用组合的 MRT-PET设备，在该设备中磁体定义纵轴，该纵轴形成磁共振断层造影仪的一 部分，其中在磁体内部径向地设置梯度线圈和HF线圈。通过在梯度线圏内部 径向地并沿着纵轴设置的多个探测器记录由放射性药物产生的伽马射线。可以 在时间上同时和/或空间上在唯一的参考系中用磁共振拍摄采集这些正电子发 射数据。因为用于拍摄磁共振数据和正电子发射数据的采集装置设置在唯一的 参考系中，所以具有如下优点，即磁共振数据中的解剖结构自动地与正电子发 射数据互相配准。在同时拍摄患者大脑的情况下可以在空间上和时间上将这样 荻得的^f兹共振数据和正电子发射数据立即互相匹配，并且在稍后通过在屏幕上 确定和显示入口通道，将这些数据用于手术计划或i丈射计划。在此这样理解"一 个"入口通道的概念，即也完全可以确定和/或显示多个入口通道。此外为了确 定慎重的入口通道，事先还要借助一种能够可视化生理过程或参数如血流改变 或扩散的方法产生第三影^f象，由此可以识别功能性脑区域。通过在拍才聂/磁共振 数据期间例如通过说话刺激功能性脑区域，可以确定功能性脑区域的位置。因 此可以在留出(Ausspanmg)该功能性脑区域的条件下确定和显示到达目标区 域的入口通道。然后医生可以使用这些信息来选择一个合适的到达目标区域的 入口 。
除了功能性磁共振拍摄，优选地还可以借助动态正电子发射断层造影和/ 或功能磁共振断层造影(即使用已经提到的成像装置)确定或识别其它重要的 功能性脑区域。可替换的还可以使用其它的、第三成像装置。脑区域通过神经 束互相连接。如果在手术中切断了神经束或干扰到其功能，则会导致脑功能受 限。就象对功能性脑区域，对神经束来说其位置和取向在某些情况下也可能偏 离标准，例如在肿瘤的周围。可以借助扩散加权的磁共振方法来获得关于神经 束的空间变化情况的信息。特别要提及的是扩散张量成像
(Difflision-Tensor-Imaging，简称DTI)和随后的例如通过纤维跟踪、纤维束分 割等的后续处理，以及特别可以可视化生化过程如氧含量变化的血氧水平依赖 (blood oxygen level dependent, BOLD)方法。这些信息与解剖结构一起帮助识 别到达手术所特定的目标区域的慎重的入口通道，用该入口通道不会损伤重要 的神经。借助动态PET可以在使用合适的放射性标记药物(如放射性标记的水 或糖)的条件下探测到脑区域活动的加强或减弱。通过磁共振光镨分析可以确 定大脑中化学物质的空间分布和/或两种物质的关系。磁共振方法可以比PET 方法产生位置分辨率明显更高的数据。在同时拍摄的情况下还可以将这些脑区 域与解剖结构可靠地相对应，并在确定入口通道时加以考虑。
以优选方式将界定的目标区域和识别的脑区域融合在一幅影像中。通过同 时拍摄^磁共振数据和正电子发射数据保证了它们关于解剖结构相互位置确定。 可以借助屏幕上的影像在考虑功能性脑区域的条件下例如可视化地从所确定的 入口通道中确定一个节俭的入口。如果这些数据是在同一参考系中采集的，则 还可以引入用于改善功能性PET、加权的磁共振或磁共振光谱学的数据质量的 基于磁共振的运动校正方法。
通过以不同颜色可视化所界定的目标区域和功能性脑区域，尤其可由可靠 地区分病变的目标区域和功能性脑区域。可以将这些区域分别与各成像方法相 对应，以区分功能性脑区域如语言中枢和神经束。
本发明方法可以这样扩展，使得在使用第二影像(即，磁共振影像)的条 件下改善在第一影像中目标区域的甄别精度。尽可能高的数据质量和精度是重 要的，特别对基于错误假定的手术而导致所描述的后果的大脑来说。例如可以 通过基于^兹共振的部分容积校正(Partial-Volumen-Korrektur)来改善正电子发 射数据。所获得的信息可以用于相互改善显示或误差校正。例如可以抑制净皮认 为是来自例如脑室的结构的正电子发射信号以提高图像质量，这些结构在磁共
振方法中被认为肯定是不给出信号的。可以通过来自正电子发射数据的信息补 偿由于磁场不均勾造成的磁共振数据中的误差。
如果以短的时间间隔先后拍摄磁共振数据和正电子发射数据，则考虑一个 共同的参考系。这可以通过同心设置采集装置来实现，例如通过组合的
MRT/PET设备来保证。同样可以使用立体定位框架(Stereotaxierahmen)，使得 结果凄i:据也可以用在手术准备和手术控制中。
根据本发明的用于确定和显示到达患者大脑目标区域的入口通道的成像 装置包括用于确定大脑第一影像的正电子发射断层成像装置、用于确定大脑第 二影像来确定至少一个解剖结构的磁共振断层造影成像装置、用于确定大脑第 三影像的显示生理过程的成像装置、以及根据前面提到的方法控制成像装置的 控制和分析系统。在使用本发明的成像装置及合适的方法的情况下，无需将不 同拍摄的影像配准。


现在借助附图结合优选实施例详细描述本发明。在附图中 图1示意性示出了本发明方法的第一实施例； 图2示出了根据本发明第二实施例的一个影像；
图3示出了在实施该方法的第三实施例情况下大脑的横截面(没有按实际 比例)；以及
图4示出了本发明成像装置的横截面(没有按实际比例)。
具体实施例方式
以下对照附图描述本发明的实施例。
以下根据图1解释用来确定到达大脑14中目标区域12的入口通道10的 所有方法步骤。本发明方法100包括借助正电子发射断层造影以及必要时另外 用MRT来界定或者甄别目标区域12的第一方法步骤102。在使用PET时为了 确定病变的目标区域12而注射;^丈射性标记物质，该物质在肿瘤中积聚。该物质 在放射性衰变时发射正电子，这些正电子与电子复合而放出伽马射线。在借助 伽马射线探测器拍摄正电子发射数据时，可以界定大脑14的血流改变的病变目 标区域12。在血流增强的情况下将目标区域12与肿瘤相对应。为了精确地确 定所界定的目标区域12的位置，在第二方法步骤104中借助磁共振断层造影进
行成像。在此特别是解剖结构16如骨头、耳朵的软骨和/或眼睛是可分割的， 这些解剖结构被用于目标区域12在空间上的对应。此外这些包含在磁共振数
据中的结构16对从大脑14外部确定入口通道10来说是重要的主导结构和取向 帮助。在拍摄用于确定位置的磁共振数据时，在另一个方法步骤106中借助所 谓的功能磁共振断层造影将重要的功能性脑区域13也包括在内。 一个这样的重 要脑区域13是语言中枢，在接下来的步骤108中在确定入口通道10时应该将 语言中枢除外，使得稍后可以从入口通道10中选出一个慎重的入口。这例如在 计划肿瘤神经外科切除术时尤其重要。在拍摄磁共振数据时为了刺激语言中枢， 例如要求受检者说几个句子。但是也可以给受检者演奏音乐或使其进行手臂或 腿的预定的运动，以识别其它重要的功能性脑区域13。可以借助磁共振断层造 影将这些脑区域13作为激活的区域来识别，并与解剖结构16相关联。
可以用一个唯一的所谓混合设备实施前面描迷的步骤102、 104、 106。才艮 据本发明在检查过程中或者同时(即彼此并行地)或者顺序地(即彼此间以短 的时间间隔)进行这些步骤，也就是说无需改变患者的位置。通过这样在相同 的容积并且以统一的参考系50同时或几乎同时、同心地采集所要求的正电子发 射数据和磁共振数据的能力，可由自动地互相配准这些信息。如果用唯一的参 考系50先后拍摄了这些信息，则借助特別是时间上高分辨率的磁共振数据可以 进行运动校正。
图2示出了到达大脑14内部病理改变的目标区域12的特别慎重的入口通 道10。为此在步骤106中为了识别重要的功能性脑区域13，借助功能性磁共振 断层造影引入动态PET的其它信息。将放射性标记物质如015标记的水引入大 脑14,该物质由激活的脑区域13选择性地或优先地积聚。借助例如所谓的DTI 的加权磁共振断层造影和/或借助磁共振光谙分析来识别在图2中用点表示的另 一个功能性脑区域。在扩散加权磁共振中，利用水分子在不同组织类型中的不 同活动性。此外还利用该活动性的各向异性水分子与神经束平行的扩散比与 之垂直的扩散要快。通过对扩散加权的数据的适当分析(例如用所谓的纤维跟 踪)，可以识别神经束的空间变化。此外，在不同的组织中水的扩散常数发生改 变。由此可以区分脑白质和脑灰质。从界定的目标区域12出发，借助纤维跟踪 方法可以将脑白质中的神经束作为其它功能性脑区域13来识别。其位置又可以 根据由磁共振数据采集的解剖结构16来确定。通过将用于拍摄磁共振数据和正 电子发射数据的采集装置的同心组合，还可以将动态PET、 DTI和磁共振光谱
分析的数据组自动精确地互相配准。否则，在先后拍摄这些数据的情况下，借
助在此使用的唯一的参考系50来互相配准。在此，还将另外的采集装置与设置
在混合设备中的探测器和线圏同心地设置。由此消除了会在大脑介入中带来严
重后果的配准不精确的危险。借助本发明的方法，在留出所识别的脑区域13 的前提下来确定用于实施手术或放射治疗的入口通道10。
为了更好地定向，从前面提到的数据和信息中产生影像18，该影像在图2 中示出大脑14的截面。在此用与所识别的功能性脑区域13不同的颜色来显示 借助正电子发射断层造影界定的目标区域12中的病理检查结果。这些信息例如 使用用于神经外科介入和放射治疗计划系统的计划软件来融合地显示。对这些 信息的显示通过将不同颜色的图像叠加来实施，这些图像是分别用 一种成像模 件来再现的。
在再现图像之前，可以借助磁共振断层造影来改善在步骤102中对目标区 域12的界定和/或借助正电子发射断层造影来改善在步骤104中对所界定的目 标区域12的位置的确定。典型地可以在磁共振断层造影中和在PET中都产生 一定数量的层析图像。由于探测器互相之间的间隔，这些层析图像具有预先确 定的层厚。这导致所谓的部分容积效应，使得不能完美地确定所界定的目标区 域12的位置。例如如果在唯一的参考系50的x-y方向拍摄PET层析图像，则 在z方向上的层厚可以代表不同的组织类型。借助MRT数据实现在z方向上的 层厚内部的位置确定。
图3示出了这样的参考系50。根据本发明该参考系50可以由能够拍摄正 电子发射数据和磁共振数据的混合设备的采集装置提供。为了在第一方法步骤 102中界定癫痫灶，借助正电子断层造影产生正电子发射数据。为了识别解剖 结构16,使用磁共振断层造影装置，磁共振断层造影装置还确定立体定位框架 的参考系50。由此来定位包括癫痫灶的目标区域12。通过在拍摄磁共振数据时 刺激功能性脑区域13,同样可以参照立体定位框架52来确定其位置。因为这 些不同的成像模件用唯一的参考系50进行采集，所以可以识别其互相之间的相 对位置，特别是实时识别。可以在手术中确定一个尽可能节俭的入口通道10。 通过该入口通道10例如还可以？ 1入所谓的脑起搏器。可以用前面提到的不同模 件来检查其功能。
借助本发明的方法通过组合的MRT-PET成像装置20按照图4可以非常可 靠和有效地计划神经外科介入或实施放射治疗。通过组合和(至少是几乎)同
时拍摄PET和MRT，可以改善用于接下来的手术计划的逻辑。时间开销和患 者的负担也明显更小了。最后通过对重要脑区域的精确配准和位置确定，不再 需要上面提到的手术间定位方法的一部分。
根据本发明的成像设备20是允许同时或只是几乎同时且同心地测量MRT 数据和PET数据的组合MRT/PET设备。
按照图4成像设备20包括公知的MRT管22。在MRT管22内部同轴设置 多个围绕纵向相对置的成对的PET ^:测单元23。 PET探测单元23优选地由具 有连接于其前的晶体阵列24的光电二极管阵列25和电子放大电路(PMT) 26 组成。但是本发明并不局限于具有光电二极管阵列25和连接于其前的晶体阵列 24的PET探测单元23,而是还可以使用类似的其它类型的光电二极管、晶体 和装置用于探测。
MRT管22沿着其纵向定义一个圆柱形的第一测量场。多个PET探测单元 23沿着纵向z定义一个圆柱形的第二测量场。以优选方式，PET探测单元" 的第二测量场与MRT管22的第一测量场基本上一致。这例如通过相应调整PET 探测单元23沿着纵向z的排列密度来实现。
通过基于程序29 (以写满字的页象征性地表示)驱动的计算机27的控制 来实施图像釆集和处理，该程序存储于例如作为数据载体28的CD上。
权利要求
1. 一种用于确定和显示到达患者大脑(14)的目标区域(12)的入口通道(10)的计算机实现的方法(100)，包括以下由控制和分析系统(27)控制的步骤:a)借助正电子发射断层造影产生大脑(14)的第一影像；b)借助电子图像处理来相对于其周围甄别(102)目标区域(12)；c)借助磁共振断层造影在采集至少一个解剖结构(16)的情况下产生大脑(14)的第二影像；d)借助描述生理过程的方法产生大脑(14)的第三影像，用于识别(106)至少一个绝对不能损伤的功能性脑区域(13)；e)在留出至少一个功能性脑区域(13)的条件下确定(108)到达目标区域(12)的入口通道(10)；以及f)确定和显示大脑(14)的第四影像(18)，在该影像中显示目标区域(12)、至少一个功能性脑区域(13)、至少一个解剖结构(16)和入口通道(10)，其中，用唯一的参考系(50)无需改变患者位置短暂地先后进行或甚至同时进行步骤a)至d)。
2. 根据权利要求l所述的方法(100)，其特征在于，在步骤d)中借助动 态正电子发射断层造影和/或功能磁共振断层造影产生所述第三影像。
3. 根据权利要求1或2所述的方法(100)，其特征在于，借助扩散加权的 磁共振断层造影成像和/或BOLD影像来识别所述至少一个功能性脑区域(13 )。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的方法(100)，其特征在于，用不同 颜色可视化所述目标区域(12)和至少一个功能性脑区域(13)。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的方法(100)，其特征在于，使用所 述第二影像来改善在步骤b)中对第一影像中目标区域U2)的甄别(102)的 精度。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法(100)，其特征在于，所述参 考系(50)由立体定位框架(52)提供。
7. —种用于成像装置(20 )的控制和分析系统(27 )的计算机程序产品(29 )， 用来实施根据上述权利要求中任一项所述的方法。
8. —种其上存储了根据权利要求7所述的计算机程序产品(29 )的数据载 体(28)。
9. 一种用于确定和显示到达患者大脑(14)的目标区域(12)的入口通道 (10)的成像装置(20),包括正电子发射断层造影成像装置(23),用于产生大脑(14)的第一影像； 磁共振断层造影成像装置(22)，用于在采集至少一个解剖结构(16)的 情况下产生大脑(14)的第二影像；描迷生理变化的成像装置(22， 23 )，用于产生大脑(14)的第三影像(18);以及控制和分析系统(27),用于根据权利要求1至6中任一项所述的方法控 制该成像装置(20)。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定和显示到达患者大脑的目标区域的入口通道的计算机实现的方法，包括以下步骤a)借助正电子发射断层造影产生大脑的第一影像；b)借助电子图像处理相对于其周围来甄别目标区域；c)借助磁共振断层造影在采集至少一个解剖结构的情况下产生大脑的第二影像；d)借助描述生理过程的方法产生大脑的第三影像以识别至少一个绝对不能损伤的功能性脑区域；e)在留出至少一个功能性脑区域的条件下确定到达目标区域的入口通道；以及f)确定和显示大脑的第四影像，其中显示目标区域、该至少一个功能性脑区域、该至少一个解剖结构和入口通道，在此用唯一的参考系无需改变患者位置短暂地先后进行或甚至同时进行步骤a)至d)。
文档编号A61B19/00GK101380251SQ20081017371
公开日2009年3月11日 申请日期2008年6月26日 优先权日2007年6月26日
发明者克里斯廷·施米德豪森, 冈瑟·普拉奇, 塞巴斯蒂安·施密特, 索斯藤·费韦尔, 迈克尔·西姆特宁斯, 黛安娜·马丁 申请人:西门子公司