DE102008033137A1

DE102008033137A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Einstellung einer dynamisch anpassbaren Position eines bildgebenden Systems

Info

Publication number: DE102008033137A1
Application number: DE102008033137A
Authority: DE
Inventors: Jan Dr. Boese
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-07-15
Filing date: 2008-07-15
Publication date: 2010-02-04
Also published as: US20100014629A1; JP2010022829A; US8023616B2; JP5661258B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung einer dynamisch anpassbaren Position eines bildgebenden Systems zur Bereitstellungen mindestens einer optimalen Ansicht auf ein sich bewegendes Objekt vorzugsweise während einer medizinischen Intervention. Das erfindungsgemäße Vorgehen ist durch folgende Schritte gekennzeichnet: a) Verwenden zumindest eines erzeugten zeitaufgelösten, wenigstens dreidimensionalen Datensatzes von dem sich bewegendem Objekt, b) Bestimmen einer Position des bildgebenden Systems für jeden Zeitschritt aus dem zeitaufgelösten Datensatz, aus der sich zumindest eine optimale Ansicht auf eine interessierende Struktur des sich bewegenden Objekts ergibt und c) automatisches Einstellen einer berechneten Position des bildgebenden Systems aus Schritt b) in Echtzeit, so dass zu jeder Zeit eine optimale Ansicht auf die interessierende Struktur dargestellt werden kann. Optional kann vor Schritt b) eine interessierende Struktur von dem sich bewegendem Objekt segmentiert werden, wobei diese Struktur für jeden Zeitschritt aus dem zeitaufgelösten Datensatz segmentiert wird. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein C-Bogen-Röngensystem, geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Vorgehens, das vorzugsweise durch einen robotergesteuerten C-Bogen gekennzeichnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung einer dynamisch anpassbaren Position eines bildgebenden Systems zur Bereitstellung mindestens einer optimalen Ansicht auf ein sich bewegendes Objekt vorzugsweise während einer medizinischen Intervention.
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich vorzugsweise auf Angiographiesysteme, die für interventionelle Eingriffe z. B. am Herzen verwendet werden. Solche Angiographiesysteme werden in der Regel durch C-Bogen-Röntgengeräte repräsentiert. Es ist möglich, mit Angiographiesystemen dreidimensionale (3D) oder sogar vierdimensionale (4D entspricht 3D zuzüglich Zeit) Bilddaten zu erzeugen, wie es z. B. aus DE 10 2004 048 209 B3 bekannt ist.
Ein Problem bei der Verwendung der 3D- oder 4D-Volumendaten während der Intervention ist, Echtzeit-Fluoroskopie-Bilder in Zusammenhang mit den Volumendaten zu bringen.
Normalerweise wird zur Lösung dieses Problems eine sogenannte 2D/3D-Registrierung verwendet. Das Echtzeit-Fluoroskopie-Bild wird mit einer zur aktuellen Position des C-Bogens passenden Ansicht der Volumendaten fusioniert dargestellt, wie es z. B. aus DE 10210646 A1 bekannt ist.
Besonders nützlich dabei ist die Funktion der Echtzeit-Nachführung der 3D-Ansicht bei Änderungen der C-Bogen-Position oder die Anpassung des C-Bogens an eine manuell gewählte 3D-Ansicht. Dies ist beispielweise im Produkt AXIOM Artis der Firma Siemens mit den Merkmalen „Adjust 3D” und „Adjust C-Arm” realisiert (”syngo Workplace Operator Manual VB13 and higher”, ^©Siemens AG, Bestellnr.: AX42-010.621.54.02.02, 02.2008, bestellbar bei Siemens AG, Medical Solutions Angiography, Fluoroscopic and Radiographic Systems Siemensstrasse 1, D-91301 Forchheim, Deutschland, http://www.siemens.com/medical).
Die genannte Funktion ist im Wesentlichen dadurch eingeschränkt, dass sie nur die Verwendung eines statischen 3D-Datensatzes zur Einstellung des C-Bogens zu einem bestimmten Zeitpunkt zulässt. Wenn ein sich bewegendes Objekt z. B. ein Herz untersucht bzw. operiert werden soll, kann die optimale C-Bogen-Einstellung nur für eine bestimmte Herzphase vorgenommen werden. 4D-Daten können bisher nicht für „Adjust C-Arm” verwendet werden.
Insbesondere bei Strukturen, die komplexe Bewegungen ausführen, wie z. B. die Aortenklappe, ist dieses Verfahren ungünstig. Zur Unterstützung von Prozeduren wie z. B. dem interventionellen Aortenklappen-Ersatz ist es wünschenswert, wenn man eine in Echtzeit nachgeführte, optimale Ansicht auf die Klappenebene erhält
Es ist Aufgabe der Erfindung, das vorstehend erläuterte Vorgehen zu verbessern.
Darstellung Der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist, basierend auf zeitaufgelösten 3D-Daten eine optimale C-Bogen-Position bzw. Angulation für jede der einzelnen Zeit-Phasen zu ermitteln, und den C-Bogen danach in Echtzeit in die zum aktuellen Zeitpunkt passende Angulation zu bewegen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Einstellung einer dynamisch anpassbaren Position eines bildgebenden Systems zur Bereitstellung mindestens einer optimalen Ansicht auf ein sich bewegendes Objekt während einer medizinischen Intervention gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Verwenden zumindest eines erzeugten zeitaufgelösten, wenigstens dreidimensionalen Datensatzes von dem sich bewegenden Objekt,
b) Bestimmen einer Position des bildgebenden Systems für jeden Zeitschritt aus dem zeitaufgelösten Datensatz, aus der sich mindestens eine optimale Ansicht auf eine interessierende Struktur des sich bewegenden Objekts ergibt und
c) Automatisches Einstellen einer berechneten Position des bildgebenden Systems aus Schritt b) in Echtzeit, so dass zu jeder Zeit eine optimale Ansicht auf die interessierende Struktur dargestellt werden kann.

Optional kann vor Schritt b) eine interessierende Struktur von dem sich bewegenden Objekt segmentiert werden, wobei diese Struktur für jeden Zeitschritt aus dem zeitaufgelösten Datensatz segmentiert wird.
Zweckmäßigerweise kann als bildgebendes System ein C-Bogen-Röntgensystem verwendet werden und im vorstehend beschriebe nen Schritt c) die Position und/oder Angulation des C-Bogens in Echtzeit eingestellt wird.
Günstig ist es, wenn das C-Bogen-Röntgensystem einem robotergesteuerten C-Bogen umfasst.
Die Zeitschritte bzw. Zeit-Phasen aus dem zeitaufgelösten Datensatz können Phasen aus Herz- und/oder Atembewegungen des sich bewegenden Objektes umfassen. Dabei kann es sich bei der interessierenden Struktur um einen Aortenklappen-Ring handeln. Eine optimale Ansicht auf den Aortenklappen-Ring ergibt sich in der Regel senkrecht auf diesen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung, insbesondere ein C-Bogen-Röntgensystem geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, gekennzeichnet durch

– Mittel zum Berechnen einer Position des C-Bogens für jeden Zeitschritt aus einem zeitaufgelösten Datensatz, aus der sich mindestens eine optimale Ansicht auf eine interessierende Struktur ergibt und
– Mittel zum automatischen Einstellen einer berechneten Position des C-Bogens in Echtzeit, so dass zu jeder Zeit eine optimale Ansicht auf die interessierende Struktur darstellbar ist.

Vorteilhaft ist ein C-Bogen-Röntgensystem, das durch einen robotergesteuerten C-Bogen gekennzeichnet ist.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Die Erfindung ermöglicht eine Echtzeit-Anpassung der C-Bogen-Angulation bzw. -Position an eine für eine Intervention interessierende Struktur. Beim oben genannten Beispiel des Herzklappenersatzes bewegt sich der C-Bogen in Echtzeit in derart, dass trotz Herzbewegung immer ein senkrechter Blick auf die Aortenklappenebene möglich ist.
Das erfindungsgemäße Vorgehen kann auch in anderen Fällen, in denen Organbewegung eine Rolle spielt, eingesetzt werden, z. B. ist eine Anpassung des C-Bogens an die Atembewegung bei Interventionen in Lunge oder Abdomen denkbar. Das erfindungsgemäße Vorgehen kann derart erweitert werden, dass eine Berücksichtigung von sowohl Atem- als auch Herzbewegung (in diesem Fall werden 5D-Datensätze erzeugt) einfach realisiert werden kann. Dies könnte die Genauigkeit und Sicherheit des interventionellen Eingriffs erhöhen, insbesondere bei Fällen, in denen eine sehr genaue Positionierung einer Herzklappe notwendig ist.
Beschreibung eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher beschrieben.
In der Zeichnung zeigen:
1 schematisch ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Vorgehens und
2 Schritte des erfindungsgemäßen Vorgehens.
3 ein C-Bogen-Röntgensystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
In 3 ist zum Beispiel ein C-Bogen-Röntgensystem 1 dargestellt, die einen drehbaren gelagerten C-Bogen 2 aufweist, an dessen Enden eine Röntgenstrahlungsquelle, beispielsweise ein Röntgenstrahler 3 und ein Röntgenbilddetektor 4 angebracht sind. Der Röntgenbilddetektor 4 kann ein rechteckiger oder quadratischer, flacher Halbleiterdetektor sein, der vorzugsweise aus amorphem Silizium hergestellt ist. Im Strahlengang der Röntgenstrahlungsquelle 3 befindet sich ein Patientenlagerungstisch 5 zur Aufnahme einer interessierenden Struktur beispielsweise eines sich bewegendes Objekts z. B. Herz oder Lunge eines Patienten 9. An dem Röntgensystem ist ein Bildsystem 6 angeschlossen, das die Bildsignale des Röntgendetektors 4 empfängt und verarbeitet. Das Bildsystem 6 umfasst desweiteren einen Auswerterechner 7 und eine Wiedergabevorrichtung 8, vorzugsweise ausgebildet als ein Dual-Monitor-System.
Zur Erstellung von 3-D-Bilddatensätzen wird der drehbar gelagerte C-Bogen 2 mit Röntgenstrahler 3 und Bilddetektor 4 gedreht. Die Röntgenstrahlungsquelle 3 imitiert einen von einem Strahlenfokus der Röntgenstrahlungsquelle 3 ausgehendes Strahlenbündel 10, das auf den Röntgenbilddetektor 4 trifft. Die Röntgenstrahlungsquelle 2 und der Röntgenbilddetektor 4 laufen jeweils so um die interessierende Struktur herum, dass sich die Röntgenstrahlungsquelle 2 und der Röntgenbilddetektor 4 auf entgegengesetzten Seiten der interessierenden Struktur gegenüber liegen.
1 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Vorgehens.
Eine ideale Voraussetzung für die Erfindung ist ein in Echtzeit schnell und flexibel bewegbarer C-Arm, so dass diese Erfindung besonders gut an Roboter-basierten Angiographie-Systemen realisiert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht aus vier Schritten, welche in der 1 mit den Buchstaben a bis d gekennzeichnet sind:

a) Bildaufnahme: Es wird ein zeitaufgelöster 3D-Datensatz, also ein sogenannter 4D-Datensatz aufgenommen. Die vierte Dimension ist vorzugsweise ein Zeitparameter wie Herzphase oder Atemphase.
b) Segmentierung einer Struktur, wobei dieser Schritt optional ist: Aus den aufgenommenen 4D-Daten wird eine interessierende Struktur segmentiert. Dabei handelt es sich um eine Struktur, die für die Wahl der optimalen C-Bogen-Angulation bzw. Position relevant ist. Im Fall von Herzklappenersatz-Prozeduren kann es sich hierbei z. B. um den Aortenklappen-Ring handeln. Diese Struktur wird für jeden einzelnen Zeitschritt der Volumendaten segmentiert, so dass man als Ergebnis ein 4D-Modell der Struktur erhält.
c) Bestimmung der optimalen C-Bogen-Angulation und -Position: Aus dem 4D-Modell der Struktur wird die optimale C-Bogen-Angulation und -Position berechnet. Hierfür wird ein evtl. vom klinischen Problem abhängiger Algorithmus verwendet, der dafür sorgt, dass unter der resultierenden Angulation eine möglichst optimale Ansicht zur Kontrolle der interventionellen Schritte erreicht werden kann. Im Fall der Herzklappenersatz-Prozedur könnte man z. B. eine Richtung senkrecht auf den Aortenklappen-Ring verwenden. Diese Richtung wäre günstig, um die Position einer einzusetzenden Kappe zu beurteilen. Diese Berechnung wird für jeden Zeitschritt des 4D-Modells einzeln ausgeführt, so dass man als Ergebnis einen Satz von Angulationsrichtungen und/oder C-Bogen-Positionen erhält.
d) Echtzeit-Steuerung des C-Bogens bzw. C-Arms: Im letzten Schritt wird der gerade berechnete Satz von Angulationsrichtungen verwendet, und die zum aktuellen Zustand passende Angulation (und/oder -Position) ausgewählt. Diese wird per Echtzeit-Steuerung auf den C-Bogen übertragen, so dass sich dieser in Echtzeit mit der Struktur mitbewegt.

Das erfindungsgemäße Vorgehen kann auch in anderen Fällen, in denen Organbewegung eine Rolle spielt, eingesetzt werden, z. B. ist eine Anpassung des C-Bogens an die Atembewegung bei Interventionen in Lunge oder Abdomen denkbar. Das erfindungsgemäße Vorgehen kann derart erweitert werden, dass eine Berücksichtigung von sowohl Atem- als auch Herzbewegung (in diesem Fall werden 5D-Datensätze erzeugt) einfach realisiert werden kann. Dies könnte die Genauigkeit und Sicherheit des interventionellen Eingriffs erhöhen, insbesondere bei Fällen, in denen eine sehr genaue Positionierung einer Herzklappe notwendig ist.
In 2 werden wesentliche Schritte des erfindungsgemäßen Vorgehens dargestellt. In 2 ist eine Zeitachse angedeutet. In Schritt 1, vergleichbar mit Schritt a aus 1, wird eine bereits oben erläuterte 4D-Bildserie erzeugt. In Schritt 2, vergleichbar mit Schritt b aus 1, wird z. B. in jedem Zeitschritt erzeugten Bild eine interessierende Struktur z. B. ein Aortenklappenring segmentiert. In Schritt 3, vergleichbar mit Schritt c aus 1 wird je Zeitschritt eine optimale Angulation z. B. in RAO bzw. CRAN (RAO = Right Anterior Oblique, CRAN = Cranial, damit werden typischerweise die beiden Winkelpositionen eines C-Bogens in links/rechts bzw. oben/unten-Richtung bezeichnet; im Beispiel senkrecht auf den Aortenklappenring, was in der Figur mit einem Pfeil angedeutet ist) berechnet und daraus ein C-Bogen-Position bestimmt.
Die Erfindung ist nicht auf die oben genannten Ausführungsformen beschränkt. Es sind weitere Variationen der Erfindung denkbar. Im Rahmen der Erfindung handelt es sich bei einem bildgebenden System vorzugsweise um Röntgen-C-Bogen-Systeme, Röntgen-Biplan-Geräte, Computertomographen, Magnetresonanz- oder PET-Geräte handeln. Bei C-Bogen-Geräten kann der C-Bogen auch durch einen so genannten elektronischen C-Bogen ersetzt werden, bei dem eine elektronische Kopplung von Röntgenstrahler und Röntgenbilddetektor erfolgt. Der C-Bogen kann auch an Roboterarmen geführt sein, die an Decke oder Boden angebracht sind. Auch lässt sich das Verfahren mit Röntgengeräten durchführen, bei denen bildgebende Geräte jeweils von einem Roboterarm gehalten sind, die an Decke und/oder Boden des Untersuchungsraums bzw. Operationssaales angeordnet sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102004048209 B3 [0002]
- DE 10210646 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- http://www.siemens.com/medical [0005]

Claims

Verfahren zur Einstellung einer dynamisch anpassbaren Position eines bildgebenden Systems zur Bereitstellung mindestens einer optimalen Ansicht auf ein sich bewegendes Objekt während einer medizinischen Intervention gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Verwenden zumindest eines erzeugten zeitaufgelösten, wenigstens dreidimensionalen Datensatzes von dem sich bewegenden Objekt, b) Bestimmen einer Position des bildgebenden Systems für jeden Zeitschritt aus dem zeitaufgelösten Datensatz, aus der sich mindestens eine optimale Ansicht auf eine interessierende Struktur des sich bewegenden Objekts ergibt und c) Automatisches Einstellen einer berechneten Position des bildgebenden Systems aus Schritt b) in Echtzeit, so dass zu jeder Zeit eine optimale Ansicht auf die interessierende Struktur dargestellt werden kann.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt b) des Anspruchs 1 eine interessierende Struktur von dem sich bewegenden Objekt segmentiert wird, wobei diese Struktur für jeden Zeitschritt aus dem zeitaufgelösten Datensatz segmentiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass als bildgebendes System ein C-Bogen-Röntgensystem (1) verwendet wird und in Schritt c) von Anspruch 1 die Position und/oder Angulation des C-Bogens (2) in Echtzeit eingestellt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass das C-Bogen-Röntgensystem (1) einem robotergesteuerten C-Bogen umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitschritte aus dem zeitaufgelösten Datensatz Phasen aus Herz- und/oder Atembewegungen des sich bewegenden Objektes umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der interessierenden Struktur um einen Aortenklappen-Ring handelt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass sich eine optimale Ansicht auf den Aortenklappen-Ring senkrecht auf diesen ergibt.
C-Bogen-Röntgensystem (1) geeignet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch – Mittel (7) zum Bestimmen einer Position des C-Bogens (2) für jeden Zeitschritt aus einem zeitaufgelösten Datensatz, aus der sich mindestens eine optimale Ansicht auf eine interessierende Struktur ergibt und – Mittel zum automatischen Einstellen einer berechneten Position des C-Bogens (2) in Echtzeit, so dass zu jeder Zeit eine optimale Ansicht auf die interessierende Struktur darstellbar ist.
C-Bogen-Röntgensystem (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch einem robotergesteuerten C-Bogen.