DE102004011154B3 - Verfahren zur Registrierung einer Folge von 2D-Bilddaten eines Hohlraumorgans mit 3D-Bilddaten des Hohlraumorgans - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Registrierung einer Folge von 2-D-Bilddaten (5) eines Hohlraumorgans (2), insbesondere eines Gefäßes, die mit einem bildgebenden, endoluminalen Instrument (1) bei bekannten relativen Verschiebepositionen des Instrumentes (1) in dem Hohlraumorgan (2) erfasst wurden, mit 3-D-Bilddaten (8) des Hohlraumorgans (2). Bei dem Verfahren werden aus den 3-D-Bilddaten (8) ein dreidimensionaler Verlauf einer zentralen Achse (10) eines vorgebbaren Abschnittes des Hohlraumorgans (2) bestimmt, der dreidimensionale Verlauf der zentralen Achse (10) durch eine erste Transformation der 3-D-Bilddaten (8) des vorgebbaren Abschnittes des Hohlraumorgans (2) in einen geraden Verlauf überführt und für die erste Transformation erforderliche Transformationsparameter gespeichert. Aus der Folge von 2-D-Bilddaten (5) wird durch parallele Aneinanderreihung auf einer zentralen Gerade entsprechend der bekannten relativen Verschiebepositionen ein kombinierter 3-D-Bilddatensatz (11) generiert, der durch Gleichsetzen der zentralen Gerade mit dem geraden Verlauf der zentralen Achse (10) und Translation zur Überlagerung eines gemeinsamen Referenzpunktes zunächst mit den transformierten 3-D-Bilddaten (9) registriert wird. Anschließend wird der kombinierte 3-D-Bilddatensatz (11) oder die darin enthaltenen 2-D-Bilddaten (5) unter Berücksichtigung der abgespeicherten Transformationsparameter mit den 3-D-Bilddaten (3) registriert.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Registrierung einer Folge von 2D-Bilddaten eines Hohlraumorgans, insbesondere eines Gefäßes, die mit einem bildgebenden endoluminalen Instrument bei bekannten relativen Verschiebepositionen des Instrumentes in dem Hohlraumorgan erfasst wurden, mit 3D-Bilddaten des Hohlraumorgans von 3D-Bildgebungsmodalitäten, wie bspw. Computertomographie (CT), Magnetresonanztomographie (MR), 3D-Angiographie oder 3D-Ultraschall.
- Mit bildgebenden, endoluminalen Instrumenten lassen sich zweidimensionale Bilder des Inneren eines Hohlraumorgans, insbesondere eines Gefäßes, aufzeichnen. Hierbei werden bildgebende Verfahren wie intravaskulärer Ultraschall (IVUS), optische Kohärenztomographie (OCT) oder Fluoreszenzbildgebung eingesetzt. Die Bildaufzeichnung erfolgt dabei während der kontinuierlichen oder schrittweisen kontrollierten Bewegung des Instrumentes in dem Hohlraumorgan. So lassen sich bspw. mit bildgebenden intravaskulären Kathetern zweidimensionale Schnittbilder aus dem Inneren von Gefäßen, z. B. aus dem Gefäßsystem des Herzens, liefern.
1 zeigt hierzu beispielhaft einen Schnitt durch das Gefäßsystem3 des Herzens, wobei der in eines der Gefäße2 eingeführte bildgebende Katheter1 in der Figur erkennbar ist. Dieser Katheter1 wird mit einer Bewegungskontrolleinrichtung4 entweder maschinell oder manuell in dem Gefäß2 vor- oder zurückgeschoben. Die Zugrichtung des Katheters1 ist mit dem Pfeil angedeutet. Während der kontinuierlichen, kontrollierten Bewegung des Katheters1 in dem Gefäß2 werden regelmäßig zweidimensionale Schnittbilder des Gefäßes aufgezeichnet. Die1 zeigt im rechten Teil die während der Bewegung des Katheters1 an verschiedenen Positionen im Gefäß2 erhaltenen 2D-Schnittbilder5 , die jeweils einen Schnitt quer zur Längsachse des Gefäßes2 repräsentieren. Der entlang der 2D-Schnittbilder5 verlau fende Pfeil repräsentiert die Zugrichtung des Katheters1 während der Bildaufnahme. In den 2-Schnittbildern ist die Gefäßwand7 sowie die zentrale Achse10 des Gefäßes innerhalb des Gefäßlumens6 zu erkennen, auf der der Katheter1 geführt wird. Da die Längsverschiebung des Katheters1 zum Zeitpunkt jeder Aufnahme eines 2D-Schnittbildes5 aufgrund der kontrollierten Katheterbewegung und somit auch die relativen Verschiebepositionen zu jedem 2D-Schnittbild bekannt sind, lassen sich die Bilddaten dieser Bilder durch Berücksichtigung der relativen Verschiebepositionen zu einem dreidimensionalen Bilddatensatz zusammensetzen. - Die
US 6,248,074 81 beschreibt ein Verfahren zur Gewinnung eines dreidimensionalen Bildes eines Hohlraumorgans, bei dem mit einem bildgebenden, endoluminalen Instrument zweidimensionale Ultraschall-Bilder des Inneren des Hohlraumorgans aufgezeichnet werden. Das endoluminale Instrument ist mit einem die Orientierung und Position des Instrumentes erfassenden Sensor ausgestattet, so dass jedem Bild eine Position zugeordnet werden kann. Aus den aufgezeichneten zweidimensionalen Bildern wird dann unter Berücksichtigung der jeweiligen Orientierung und Position ein dreidimensionales Bild generiert. - Aus D. Rotger et al., „Active Vessel: A New Multimedia Workstation for Intravascular Ultrasound and Angiography Fusion", Computers in Cardiology 2003, 30, Seiten 65 bis 68, ist ein Verfahren zur Registrierung einer Folge von 2D-Bilddaten eines Gefäßes, die mit einem IVUS-Katheter bei bekannten relativen Verschiebepositionen des Katheters in dem Gefäß erfasst wurden, mit Angiographie-Bilddaten des Gefäßes bekannt. Bei dem Verfahren wird der Katheter aus den während der Katheterbewegung unter unterschiedlichen Projektionen aufgezeichneten Paaren von Angiographie-Bildern segmentiert, um den 3D-Pfad des Katheters und die exakte Zuordnung der IVUS-Bilddaten zu den Angiographie-Bilddaten zu erhalten.
- Die US 2002/0106116 A1 offenbart ein Verfahren zur Analyse von Gefäßen, bei dem aus 3D-Bilddaten eines Computertomo graphen ein dreidimensionaler Verlauf einer zentralen Achse der Gefäße bestimmt und in einen geraden Verlauf überführt wird.
- Die WO97/28743 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem mit einem IVUS-Katheter 2D-Bilder eines Gefäßes unter Röntgenangiographie aufgezeichnet werden. Aus den Angiographie-Bildern werden der 3D-Pfad und die Orientierung des Katheters bestimmt, um aus den 2D-Bilddaten einen 3D-Bilddatensatz generieren zu können.
- Die WO98/32371 A1 offenbart ein Verfahren zur zwei- und dreidimensionalen Bildgebung eines Hohlorgans, bei dem mit einem Computertomographen zweidimensionale Schnittbilder des Hohlorgans aufgezeichnet werden, aus denen durch Nachverarbeitung unterschiedliche Ansichten erzeugt und simultan (anatomisch registriert) dargestellt werden.
- Weiterhin ist aus der
DE 199 19 907 A1 ein Verfahren zur Katheternavigation in dreidimensionalen Gefäßbaum-Aufnahmen bekannt, bei dem die räumliche Position des Katheters detektiert und in eine 3D-Ansicht eines präoperativ aufgenommenen Gefäßbaums eingeblendet wird. Hierfür wird ein Katheter mit einem integrierten Positionssensor eingesetzt, über den die jeweils momentane räumliche Position der Katheterspitze erfasst wird. Eine Registrierung dieses Positionssensors mit den 3D-Bilddaten erfolgt vor Durchführung der Intervention über spezielle Marker, die im 3D-Bild sichtbar sind und mit dem Katheter angefahren werden. Eine derartige Registrierung ist für alle Anwendungen erforderlich, bei denen die aufgezeichneten 2D-Bilddaten mit 3D-Bilddaten kombiniert werden sollen. - Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Registrierung von mit einem bildgebenden, endoluminalen Instrument aufgezeichneten 2D-Bilddaten eines Hohlraumorgans mit 3D- Bilddaten anzugeben, das ohne den Einsatz eines Positionssensors auskommt.
- Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
- Bei dem vorliegenden Verfahren zur Registrierung einer Folge von 2D-Bilddaten eines Hohlraumorgans, insbesondere eines Gefäßes, die mit einem bildgebenden, endoluminalen Instrument bei bekannten relativen Verschiebepositionen des Instrumentes in dem Hohlraumorgan erfasst wurden, mit 3D-Bilddaten des Hohlraumorgans wird zunächst aus den 3D-Bilddaten ein dreidimensionaler Verlauf einer zentralen Achse eines vorgebbaren Abschnittes des Hohlraumorgans bestimmt. Diese Bestimmung des dreidimensionalen Verlaufs der zentralen Achse kann bspw. durch eine Segmentierung der in den 3D-Bilddaten erkennbaren Wand des Hohlraumorgans erfolgen, anhand der die zentrale Achse geometrisch ermittelt wird. Selbstverständlich sind auch andere Bildverarbeitungs-Algorithmen für die Bestimmung des Achsenverlaufs möglich. Anschließend wird dieser dreidimensionale Verlauf der zentralen Achse durch eine längenerhaltende erste Transformation der 3D-Billdaten des vorgebbaren Abschnittes des Hohlraumorgans in einen geradlinigen Verlauf überführt und die für diese Transformation erforderlichen Transformationsparameter für eine spätere Rücktransformation abgespeichert. Aus der Folge von 2D-Bilddaten wird durch parallele deckungsgleiche Aneinanderreihung auf einer zentralen Gerade entsprechend der bekannten relativen Verschiebepositionen ein kombinierter 3D-Bilddatensatz generiert, wie dies auch aus dem Stand der Technik bereits bekannt ist. Der kombinierte 3D-Bilddatensatz wird schließlich durch Gleichsetzen der zentralen Gerade mit dem geraden Verlauf der zentralen Achse des transformierten 3D-Bilddatensatzes und geeignete Translation zur Überlagerung eines gemeinsamen Referenzpunktes mit diesen transformierten 3D-Bilddaten registriert. Eventuelle Auflösungsunterschiede zwischen dem kombinierten 3D-Bilddatensatz und den transformierten 3D-Bilddaten können durch eine Voxel-Interpolation in allen 3 Dimensionen eliminiert werden. Als Referenzpunkt kann bspw. eine Verzweigung des Hohlraumorgans oder ein anderer markanter oder bekannter Punkt herangezogen werden. Auf diese Weise lässt sich die Registrierung durch einfache Translation der beiden 3D-Bilddatensätze gegeneinander erreichen. Nach dieser Registrierung wird der kombinierte 3D-Bilddatensatz oder die darin enthaltenen 2D-Bilddaten unter Berücksichtigung der abgespeicherten Transformationsparameter in die Position der ursprünglichen 3D-Bilddaten zurück transformiert. Dies erfolgt vorzugsweise durch eine direkte zweite Transformation des kombinierten 3D-Bilddatensatzes oder der darin enthaltenen 2D-Bilddaten, die eine Rücktransformation zur ersten Transformation mit Hilfe der abgespeicherten Transformationsparameter darstellt. Wurde der ursprüngliche 3D-Datensatz bei der ersten Transformation nicht gesichert, so wird dieser ebenfalls durch eine Rücktransformation der transformierten 3D-Bilddaten zurück gewonnen. Als Ergebnis des vorliegenden Verfahrens liegen die 2D-Bilddaten des betrachteten Abschnitts des Hohlraumorgans nun registriert mit dem 3D-Bilddatensatz vor. Zusätzlich können diese 2D-Bilddaten entsprechend der echten 3D-Anatomie des Hohlraumorgans angeordnet bzw. rekonstruiert werden. Diese Rekonstruktion ergibt sich automatisch bei der Rücktransformation des kombinierten 3D-Bilddatensatzes.
- Somit wird ein Verfahren zur Registrierung einer kontinuierlich während der Führung des Instrumentes durch ein Hohlraumorgan aufgenommenen Folge von 2D-Bilddaten mit einem anatomischen 3D-Bilddatensatz bereitgestellt, das ohne den Einsatz eines Positionssensors auskommt. Der Registrierungsschritt wird durch die vorgeschlagene Transformation der 3D-Bilddaten stark vereinfacht, da lediglich eine Translation der beiden 3D-Bilddatensätze zueinander erfolgen muss. Das vorliegende Verfahren eignet sich hierbei insbesondere für den Einsatz mit bildgebenden Verfahren wie IVUS, OCT oder Fluoreszenzbildgebung mit Hilfe eines Katheters oder Endoskops zur Re gistrierung der Bilddaten von Gefäßen mit Bilddaten von 3D-Bildgebungsmodalitäten wie CT, MR, 3D-Angiographie oder 3D-Ultraschall. Durch die einfache Registrierung lassen sich die Bilddaten dann für den Anwender beliebig kombiniert, bspw. überlagert, darstellen. Selbstverständlich kann das vorliegende Verfahren auch auf Bilddaten von Untersuchungen anderer röhrenförmiger Körperteile, wie etwa Darmuntersuchungen oder Bronchioskopien, angewendet werden.
- Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 eine Darstellung der Verhältnisse bei der Bildaufnahme von 2D-Schnittbildern mit einem Katheter; -
2 ein Beispiel für die Transformation von 3D-Bilddaten eines Gefäßabschnittes in eine geradlinige Form; -
3 ein Beispiel für die Erzeugung des kombinierten 3D-Bilddatensatzes aus den aufgezeichneten 2D-Bilddaten; -
4 eine Veranschaulichung der Rücktransformation des kombinierten 3D-Bilddatensatzes und -
5 einen Überblick über den Verfahrensablauf bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens. - Im vorliegenden Beispiel wird die Registrierung von 2D-Bilddaten mit 3D-Bilddaten eines Gefäßabschnittes beispielhaft dargelegt. Die Aufzeichnung einer Serie von 2D-Bilddaten mit einem Katheter wurde bereits im einleitenden Teil der Beschreibung anhand der
1 kurz erläutert. Das Ergebnis dieser Bildaufzeichnung ist eine Folge unverbundener 2D- Bilder5 mit bekannter, zu jedem Bild gehöriger Translation der Gefäßlängsachse. - Einen Überblick über die einzelnen Verfahrensschritte des vorliegenden Verfahrens gibt
5 . - Zunächst wird in den einem Benutzer dargestellten 3D-Bilddaten durch Identifikation eines dreidimensionalen Start- und eines dreidimensionalen Endpunktes ein Abschnitt des zu fusionierenden Gefäßes
2 definiert. Nach der Vorgabe des Gefäßabschnitts erfolgt eine Extraktion des dreidimensionalen Verlaufs der zentralen Achse10 des Gefäßabschnitts in diesen anatomischen 3D-Bilddaten8 . Hierbei wird der Gefäßabschnitt zunächst segmentiert, um anhand der segmentierten Daten den Verlauf der zentralen Achse10 geometrisch bestimmen zu können. - Auf Basis dieses dreidimensionalen Verlaufs
10 der zentralen Achse wird die 3D-Gefäßstruktur dieses Gefäßabschnitts in eine gerade- bzw. röhrenförmige Form transformiert. Dies ist in der2 veranschaulicht. Die Parameter der Transformation werden zur späteren Rücktransformation abgespeichert. - Aus der Folge von mit dem Instrument aufgezeichneten 2D-Bilddaten
5 wird ebenfalls durch einfache Aneinanderreihung ein gerader, röhrenförmiger 3D-Bilddatensatz11 erzeugt, wie dies in der3 veranschaulicht ist. Der Abstand der einzelnen 2D-Bilder5 in diesem 3D-Datensatz11 ist durch die bekannte relative Verschiebeposition des Katheters während der Bildaufzeichnung vorgegeben. Die 2D-Bilddaten5 werden dabei in der Regel bei zeitlich konstanter Katheter-Bewegung aufgenommen. Dies ist durch bekannte motorische Pull-Back-Vorrichtungen möglich. Evtl. Auflösungsunterschiede zwischen dem aus den 2D-Bilddaten5 erhaltenen 3D-Bilddatensatz11 und dem 3D-Bilddatensatz8 der 3D-Modalität können durch Voxel-Interpolation in allen 3 Dimensionen eliminiert werden. - Das Ergebnis der letzten Verfahrensschritte sind zwei 3D-Bilddatensätze
9 ,11 , die jeweils den interessierenden Gefäßabschnitt in geradliniger Ausrichtung zeigen. Diese beiden Datensätze9 ,11 können nun durch einfache Überlagerung der zentralen Achse und gegenseitige Translation anhand eines gemeinsamen bekannten Punktes zugeordnet, d. h. registriert werden. Als gemeinsamer bekannter Punkt kann bspw. eine Gefäßverzweigung in den beiden 3D-Bildern durch den Benutzer erfasst und in Übereinstimmung gebracht werden. - Nach dieser Registrierung der beiden geradlinig ausgerichteten 3D-Bilddatensätze
9 ,11 erfolgt eine Rücktransformation in die ursprüngliche 3D-Form. Dies ist in der4 anhand des aus den 2D-Bilddaten5 erhaltenen kombinierten 3D-Bilddatensatzes11 veranschaulicht. Zu dieser Rücktransformation des Gefäßabschnittes in die ursprüngliche 3D-Form werden die in dem Transformationsschritt abgespeicherten Transformationsparameter ausgelesen und in inverser Weise angewendet. Bei diesem Schritt werden im vorliegenden Beispiel sämtliche fusionierten Daten, d. h. sowohl die 2D-Bilddaten5 bzw. der aus diesen gebildete 3D-Bilddatensatz11 als auch die anatomischen transformierten 3D-Bilddaten9 rücktransformiert. Das Ergebnis ist die Registrierung der anatomischen 3D-Bilddaten8 mit der Folge von 2D-Bilddaten5 des bildgebenden Instrumentes. Diese 2D-Bilddaten5 des betrachteten Gefäßabschnittes liegen nun registriert vor und können zusätzlich entsprechend der echten 3D-Anatomie angeordnet bzw. rekonstruiert werden.
Claims (9)
- Verfahren zur Registrierung einer Folge von 2D-Bilddaten (
5 ) eines Hohlraumorgans (2 ), die mit einem bildgebenden, endoluminalen Instrument (1 ) bei bekannten relativen Verschiebepositionen des Instrumentes (1 ) in dem Hohlraumorgan (2 ) erfasst wurden, mit 3D-Bilddaten (8 ) des Hohlraumorgans (2 ), bei dem – aus den 3D-Bilddaten (8 ) ein dreidimensionaler Verlauf einer zentralen Achse (10 ) eines vorgebbaren Abschnittes des Hohlraumorgans (2 ) bestimmt wird, – der dreidimensionale Verlauf der zentralen Achse (10 ) durch eine erste Transformation der 3D-Bilddaten (8 ) des vorgebbaren Abschnittes des Hohlraumorgans (2 ) in einen geraden Verlauf überführt und für die erste Transformation erforderliche Transformationsparameter gespeichert werden, – aus der Folge von 2D-Bilddaten (5 ) durch parallele Aneinanderreihung auf einer zentralen Geraden entsprechend der bekannten relativen Verschiebepositionen ein kombinierter 3D-Bilddatensatz (11 ) generiert wird, – der kombinierte 3D-Bilddatensatz (11 ) durch Gleichsetzen der zentralen Gerade mit dem geraden Verlauf der zentralen Achse (10 ) und Translation zur Überlagerung eines gemeinsamen Referenzpunktes zunächst mit den transformierten 3D-Bilddaten (9 ) registriert wird und – der kombinierte 3D-Bilddatensatz (11 ) oder die darin enthaltenen 2D-Bilddaten (5 ) anschließend unter Berücksichtigung der abgespeicherten Transformationsparameter mit den 3D-Bilddaten (8 ) registriert wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kombinierte 3D-Bilddatensatz (
11 ) oder die darin enthaltenen 2D-Bilddaten (5 ) für die Registrierung mit den 3D-Bilddaten (8 ) einer zweiten Transformation, die eine Rücktransformation zur ersten Transformation darstellt, unterzogen wird oder werden. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Auflösungsunterschiede zwischen den 3D-Bilddaten (
8 ) und dem kombinierten 3D-Bilddatensatz (11 ) durch Interpolation ausgeglichen werden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzpunkt ein in den 2D-Bilddaten (
5 ) und den 3D-Bilddaten (8 ) erkennbarer markanter Punkt festgelegt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dreidimensionale Verlauf der zentralen Achse (
10 ) des Hohlraumorgans (2 ) durch Segmentierung einer Wand (7 ) des Hohlraumorgans (2 ) in den 3D-Bilddaten (8 ) bestimmt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Bilddaten (
8 ) des Hohlraumorgans (2 ) mit einem Magnetresonanz- oder Röntgenabsorptionsverfahren aufgezeichnet werden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Registrierung von 2D-Bilddaten (
5 ), die mit einem IVUS-Katheter aufgezeichnet wurden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Rekonstruktion von 2D-Bilddaten (
5 ), die mit einem OCT-Katheter aufgezeichnet wurden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Rekonstruktion von 2D-Bilddaten (
5 ), die mittels Fluoreszenz-Bildgebung aufgezeichnet wurden.
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