DE10112549A1 - Verfahren zum Erzeugen einer Bilddarstellung sowie Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Erzeugen einer Bilddarstellung von Gewebe eines Lebewesens auf der Grundlage von dem Gewebe zugeordneten Volumendaten beschrieben. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zur Veränderung der Bilddarstellung im Hinblick auf eine das Gewebe verändernde Einwirkung die Volumendaten mittels einer ersten Simulation der Einwirkung verändert werden, wobei die Simulation auf der Grundlage ausgewählter erster Volumendaten aus der Gesamtheit der dem Gewebe zugeordneten Volumendaten erfolgt, wohingegen andere Volumendaten bei der ersten Simulation unberücksichtigt bleiben.

Description

Die Erfindung betrifft zum einen ein Verfahren zum Erzeugen einer Bilddarstellung von Gewebe eines Lebewesens auf der Grundlage von dem Gewebe zugeordneten Volu­ mendaten.

Solche Verfahren sind beispielsweise im Zusammenhang mit Simulationsvorrichtun­ gen bekannt. Sie bedienen sich im wesentlichen zweier Arten der Bilddarstellung, nämlich einerseits der Darstellung von Bildern anatomischer Modelle und andererseits dem Anzei­ gen von Bildern auf der Grundlage individuell aufgenommener Volumendaten des Patien­ ten. Die Volumendaten werden dabei beispielsweise mit Hilfe eines Computertomographen oder eines Kernspintomographen gewonnen. Meist wird durch Modellieren mit einem drei­ dimensionalen CAD-Werkzeug die für die Simulation relevante Anatomie nach Vorgaben von Chirurgen und/oder unter Zuhilfenahme von Anatomieatlanten entworfen. Viele auf diese Art entworfenen Organmodelle sind z. B. frei im Internet erhältlich. Da die dreidimensionalen Modelle der Organe nur einfarbig sind, müssen sie zur realistischeren Gestaltung mit einer Oberflächentextur versehen werden. Bei diesem Vorgang, der "texture mapping" genannt wird, werden Aufnahmen realer Organe, meist gewonnen durch endoskopische Aufnahmen, aufbereitet und auf die Oberflächendarstellungen der Organe aufgebracht. Je nach Auflösung der verwendeten Textur ist die dadurch gewonnene Steigerung des Reali­ tätseindrucks enorm. Die Bilddarstellung der mittels dieser Modelle dargestellten Organe ist mit herkömmlichen Computersystemen in ausreichender Geschwindigkeit möglich. Jedoch handelt es sich bei den dargestellten Organen nur um Modelle, d. h. typischerweise um eine der Anatomie eines gesunden Menschen entsprechend erzeugte virtuelle Anatomie, und nicht um die Anatomie eines realen Patienten. Zwar ist eine Manipulation von Objekten auf teuersten High-End Computersystemen zumindest technisch möglich, dazu muss jedoch jeder pathologische Fall zuerst einzeln modelliert werden, weshalb eine virtuelle Endosko­ pie oder sogar ein vorheriges Durchspielen der eigentlichen Operation am Computer unter Verwendung der aktuellen vor der Operation aufgenommenen Patientendaten damit nicht möglich ist.

Zum Durchführen einer virtuellen Endoskopie, also einer Endoskopie an den im Computer gespeicherten Volumendaten (dreidimensionale Datensätze) des Patienten, wird meist das sogenannte "volume rendering" verwendet. Hierbei werden die mittels Compu­ tertomographie oder Kernspintomographie aufgenommenen Volumendaten (dreidimensio­ nale Datensätze) der Patienten direkt dargestellt, das bedeutet, dass jeder einzelne Raum­ punkt, ob aus der Blickrichtung sichtbar oder nicht, für die dreidimensionale Darstellung berücksichtigt wird, wohingegen beim "surface rendering" die Oberflächen der Objekte in Form von Dreiecksmengen angezeigt werden. Die Darstellung mittels "volume rendering" ist jedoch nur auf teuerster High-End Computerhardware möglich und das Manipulieren von Objekten in Echtzeit, wie es für die Chirurgie-Simulation unabdingbar ist, ist bisher nur in Ansätzen und mit nicht ausreichender Qualität möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass es auch mit Hilfe von Computern mit geringer Rechen­ kapazität bei der Chirurgie-Simulation einsetzbar ist.

Erfindungsgemäß ist bei dem Verfahren der eingangs genannten Art vorgesehen, dass zur Veränderung der Bilddarstellung im Hinblick auf eine das Gewebe verändernde Einwirkung die Volumendaten mittels einer ersten Simulation der Einwirkung verändert werden, wobei die Simulation auf der Grundlage ausgewählter erster Volumendaten aus der Gesamtheit der dem Gewebe zugeordneten Volumendaten erfolgt, wohingegen andere Volumendaten bei der ersten Simulation unberücksichtigt bleiben.

Dabei liegt der Erfindung die verblüffend einfache Erkenntnis zugrunde, dass Rech­ ner mit nur eingeschränkter Rechenkapazität ausreichen, wenn die von ihnen zu bewälti­ gende Datenmenge nicht zu groß ist. Daher können sie eingesetzt werden, wenn für die erste Simulation nicht etwa alle Volumendaten, sondern eben nur ein ausgewählter Teil davon verwendet wird. Welcher Teil ausgewählt wird und wie groß der nicht bei der Simula­ tion berücksichtigte Teil der Volumendaten sein darf, stellt ein Optimierungsproblem dar, das einerseits die zur Verfügung stehende Rechenkapazität und andererseits die Genauig­ keit der Bilddarstellung berücksichtigen muss. Die Entscheidung muss daher jeweils vom Einzelfall abhängig gemacht werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die ausgewählten ersten Volumendaten einem vorbestimmten Teilvolumen des Gewebes zu­ geordnet sind. Mit anderen Worten wird die Simulation auf Grund eines Teils des Gewebes durchgeführt. Bei dem Teil handelt es sich vorteilhafterweise um denjenigen Teil, der un­ mittelbar von der das Gewebe verändernden Einwirkung betroffen ist. Dadurch, dass weit von der Einwirkung abliegende Gewebeteile bei der Simulation nicht berücksichtigt werden, kann erheblicher Rechenaufwand gespart werden. Im übrigen ist zu erwarten, dass diese weit abgelegenen Teile des Gewebes ohnehin von der Einwirkung kaum verändert werden, weshalb die Simulation dennoch sehr wirklichkeitsnah ist.

Das vorbestimmte Teilvolumen ist erfindungsgemäß bevorzugt kreiszylindrisch, qua­ derförmig, halbkugelförmig oder kegelstumpfförmig. Wiederum hängt die Wahl der Form des Teilvolumens von den jeweiligen Gegebenheiten des Einzelfalls ab. Es ist nämlich zu entscheiden, ob die Auswirkungen einer das Gewebe verändernden Einwirkung sich bei­ spielsweise halbkugelförmig ausbreiten, oder ob eher mit einer kreiszylindrischen, quader­ förmigen oder kugelstumpfförmigen Ausbreitung zu rechnen ist. Wiederum ist eine Optimierung vorzunehmen, und zwar im Hinblick einerseits auf eine möglichst große Wirklichkeits­ nähe der Simulation und andererseits auf das mögliche Einsparen von Rechenaufwand durch besonders einfache Geometrien des Teilvolumens.

Die Bilddarstellung hat erfindungsgemäß bevorzugt die Form einer Draufsicht auf eine vorbestimmte Oberfläche des Gewebes. Diese Form kommt demjenigen besonders nahe, was der Chirurg bei seiner täglichen Arbeit gewöhnt ist, weshalb diese Bilddarstellung als besonders wirklichkeitsnah empfunden wird.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist die vorbestimmte Oberfläche eine Begrenzung des vorbestimmten Teilvolumens. Mit anderen Worten wird das Teilvolumen derart gewählt, dass seine dem Betrachter zugewendete Begrenzungsfläche mit derjenigen Oberfläche zusammenfällt, die in der Draufsicht dargestellt wird. Bei dieser Gestaltung wird die Simula­ tion in demjenigen Bereich vorgenommen, der zur Darstellung gebracht wird, was wiederum große Wirklichkeitsnähe der simulierten Darstellung bedeutet.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Simulation mit einer vorbestimmten ersten Geschwindigkeit ausgeführt wird und eine zweite Simulation zur Veränderung der Volumendaten ausgeführt wird, und zwar auf der Grundlage ausgewählter zweiter Volumendaten aus der Gesamtheit der dem Ge­ webe zugeordneten Volumendaten und mit einer zweiten Geschwindigkeit, die geringer ist als die erste Geschwindigkeit, wobei das Ergebnis der zweiten Simulation zur Korrektur des Ergebnisses der ersten Simulation dient.

Mit anderen Worten werden eventuelle Fehler, die auf die nur teilweise Berücksichti­ gung der Volumendaten bei der ersten Simulation zurückgehen, im Wege einer zweiten Simulation zumindest teilweise wieder korrigiert. Da aber u. U. die Rechenkapazität für diese zweite Simulation mit der gleichen Geschwindigkeit wie die erste Simulation nicht ausreicht, ist vorgesehen, dass die zweite Simulation langsamer abläuft als die erste Simulation. Da­ durch kann die Korrektur der auf der Grundlage der ersten Simulation erzeugten Bilddar­ stellung nur verzögert erfolgen. Hält man eine solche Korrektur für unbedingt erforderlich, so müssen - beispielsweise im Rahmen einer Operation - hin und wieder Pausen eingelegt werden, um dem eingesetzten Rechner die Möglichkeit zu geben, die Korrekturen auf der Grundlage der zweiten Simulation auszuführen.

Damit zumindest nach Korrektur eine besonders wirklichkeitsnahe Bilddarstellung erhalten wird, ist erfindungsgemäß bevorzugt vorgesehen, dass die ausgewählten zweiten Volumendaten die Gesamtheit der dem Gewebe zugeordneten Volumendaten ist. Mit ande­ ren Worten wird die zweite Simulation unter Berücksichtigung sämtlicher Volumendaten ausgeführt, so dass auf eine Auswahl von Volumendaten zurückgehende Fehler eliminiert sind.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen einer Bilddarstellung einer vorbestimmten Oberfläche von Gewebe eines Lebewesens geschaf­ fen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
Volumendaten ermittelt werden, die dem Gewebe zugeordnet sind,
Oberflächendaten bereitgestellt werden, die einer Draufsicht auf ein Muster einer vorbestimmten Oberfläche des Gewebes zugeordnet sind,
zur Veränderung der Bilddarstellung im Hinblick auf eine das Gewebe verändernde Einwirkung

• a) die Volumendaten mittels Simulation der Einwirkung verändert werden,
• b) die Auswirkungen der Veränderung der Volumendaten auf die den Volumendaten zugeordnete vorbestimmte Oberfläche ermittelt werden,
• c) die Oberflächendaten entsprechend den Auswirkungen gemäß b) verändert werden und
• d) die gemäß c) geänderten Oberflächendaten als Grundlage für die Bilddarstellung unter Einbeziehung der Einwirkung dienen.

Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß nicht etwa aus den Volumendaten ein virtuelles Bild erzeugt und zur Darstellung gebracht, wobei die Volumendaten im Wege der Simulation verändert werden, was zu einer entsprechenden Veränderung der virtuell er­ zeugten Oberflächendarstellung führen würde, sondern es wird ein Muster der vorbe­ stimmten Oberfläche in der Draufsicht dargestellt und das Muster wird im Wege der Simu­ lation auf der Grundlage der Volumendaten verändert. Durch diese Kombination der Simu­ lation der dreidimensionalen Volumendaten und der Bilddarstellung auf der Grundlage der Ansicht des Oberflächenmusters wird eine besonders wirklichkeitsnahe Darstellung der entsprechend der Einwirkung auf das Gewebe veränderten Gewebeoberfläche erzielt.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass vor der Simulation durch einen Vergleich der dem Muster der vorbestimmten Oberflä­ che des Gewebes zugeordneten Oberflächendaten mit den dem Gewebe zugeordneten Volumendaten geprüft wird, inwieweit das Muster der vorbestimmten Oberfläche von der den Volumendaten zugeordneten vorbestimmten Oberfläche abweicht, wobei im Falle einer ein vorbestimmtes Maß überschreitenden Abweichung die Oberflächendaten im Sinne etwa einer Biegung, Glättung, Stauchung und/oder Streckung der vorbestimmten Oberfläche zur zumindest teilweisen Kompensation der Abweichung verändert werden.

Mit anderen Worten ist eine Prüfung dahingehend vorgesehen, ob sich das Oberflä­ chenbild des Gewebes mit der den ermittelten Volumendaten zugeordneten Oberfläche deckt. Ist dies nicht der Fall, wird die Musteroberfläche derart verändert, dass eine Deckung zumindest bis zu einem vorbestimmten Grade vorliegt. Dadurch wird erreicht, dass die auf das Muster zurückgehende Darstellung der vorbestimmten Oberfläche auch weitestgehend der Oberfläche desjenigen Gewebes entspricht, von dem die Volumendaten ermittelt wor­ den sind.

Erfindungsgemäß kann als Muster die vorbestimmte Oberfläche des in der Drauf­ sicht dargestellten Gewebes selbst dienen. Bei dieser Ausgestaltung werden also nicht nur die Volumendaten des darzustellenden Gewebes ermittelt, sondern es wird auch eine "Auf­ nahme" des Gewebes in der Draufsicht hergestellt. Diese "Aufnahme" stellt die Grundlage für die Oberflächendaten dar.

Da einzelne Gewebe, wie etwa Gehirn, Niere, Leber etc. von einem Lebewesen zu einem anderen Lebewesen der gleichen Art nicht allzu unterschiedlich voneinander sind, ist es erfindungsgemäß besonders bevorzugt vorgesehen, dass als Muster eine Oberfläche von artgleichem Gewebe eines anderen Lebewesens dient. Bei dieser Ausgestaltung wer­ den also Oberflächendaten von entsprechendem Gewebe eines anderen Lebewesens bei­ spielsweise in einer Datenbank gespeichert und für die erfindungsgemäße Bilddarstellung verwendet. Sind in einer solchen Datenbank mehrere Muster gespeichert, so kann für die weitere Verwendung das sich am ehesten mit den ermittelten Volumendaten deckende Mu­ ster ausgesucht werden.

Die dem Muster zugeordneten Oberflächendaten können aber auch synthetisch er­ zeugt werden. Das kann beispielsweise durch "standardisierende" Veränderung von Ober­ flächendaten erfolgen, die von anderen, gleichartigen Lebewesen gewonnen worden sind. Selbstverständlich sind noch andere Methoden zur Synthetisierung der Oberflächendaten denkbar.

Die Simulation erfolgt erfindungsgemäß bevorzugt auf der Grundlage viskoelasti­ scher Modelle. Diese Simulationen führen zu einem besonders wirklichkeitsnahen Ergebnis.

Weiter kann die Simulation erfindungsgemäß bevorzugt auf der Grundlage von Tetraedern als Elemente weiter bevorzugt im Rahmen einer Finite-Elemente-Methode erfolgen.

Nach einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Simulation unter Verwendung eines Neuro-Fuzzy-Systems mit einem rückgekoppelten neuronalen Netz erfolgt. Bei dieser Ausgestaltung ist der verwendete Rechner lernfähig, d. h. er kann die Simulation trainieren und dadurch zu immer wirklichkeitsnäheren Ergebnis­ sen kommen.

Bekannte Verfahren zum Ermitteln der Volumendaten des darzustellenden Gewe­ bes, wie etwa die Computertomographie und die Kernspintomographie, sind bisweilen nicht in der Lage, Feinstrukturen, wie etwa Membranen und kleine Blutgefäße wiederzugeben.

Der Erfindung stellt sich mithin weiter die Aufgabe, ein Verfahren zum Erzeugen einer Bilddarstellung von Gewebe anzugeben, mit dem es auch möglich ist, Feinstrukturen mitdarzustellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen einer Bilddarstellung von Gewebe eines Lebewesens, wobei das Verfahren dadurch ge­ kennzeichnet ist, dass
Volumendaten ermittelt werden, die dem Gewebe zugeordnet sind,
Feinstrukturdaten bereitgestellt werden, die einem Muster des Gewebes zugeordnet sind, und
die Volumendaten im Sinne eines Hinzufügens der Feinstruktur des Musters zu dem den Volumendaten zugeordneten Gewebe verändert werden, wobei
die veränderten Volumendaten als Grundlage der Bilddarstellung dienen.

Mit anderen Worten werden die mit den genannten Verfahren zur Ermittlung der Volumendaten nicht darstellbaren Feinstrukturen zum Zwecke der Bilddarstellung einfach später hinzugefügt, wobei deren Lage und Ausgestaltung entsprechend einem Muster ge­ wählt werden. Da es mittlerweile in Form von Anatomieatlanten und dgl. sehr detaillierte Informationen über die Lage und Art von Feinstrukturen bei allen möglichen Geweben gibt, sind die dabei auftretenden Fehler bei der Bilddarstellung vergleichsweise gering.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist die Bilddarstellung dreidimensional. Dadurch wird die Wirklichkeitsnähe noch einmal erhöht.

Schließlich schafft die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Erzeugen einer Bilddarstellung entsprechend den obigen Erläuterungen.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels un­ ter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.

Dabei zeigen

Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung,

Fig. 2 schematisch das Auswählen eines Zugangspunktes für ein endoskopisches Instrument in einem menschlichen Schä­ del,

Fig. 3 schematisch das Auswählen eines Zielpunktes für das endoskopische Instrument in dem Schädel,

Fig. 4 schematisch das Auswählen innerhalb des Schädels gelegener erlaubter Bereiche, die für einen operativen Ein­ griff freigegeben sind,

Fig. 5 eine schematische Darstellung von Volumendaten mittels tetraederförmiger Volumenelemente und

Fig. 6 schematisch eine Manipulation der Volumendaten mittels ei­ nes virtuellen Operationsinstrumentes.

Die folgende Beschreibung bezieht sich auf ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Durchführen eines Bildgebungsverfahrens. Eine sol­ che Vorrichtung kann vielerlei Zwecken dienen. Zum einen kann sie der Simulation einer Operation zum Zwecke des Übens im Rahmen einer chirurgischen Ausbildung dienen. Dar­ über hinaus kann sie der präoperativen Simulation mit dem Ziel dienen, einen optimalen Weg für den geplanten Eingriff zu finden. Schließlich kann die Vorrichtung auch zur Bildge­ bung während der Operation Verwendung finden. Sie ist im folgenden als NAVSIM (Navi­ gations-Simulator) bezeichnet.

Der NAVSIM erlaubt wahlweise den Betrieb mit dem Manipulator Laparoscopic Im­ pulse Engine (Immersion Corporation, San Jose, U.S.A.), der bereits mit einfachen Force- Feedback-Mechanismen ausgerüstet ist, und dem Roboter NEUROBOT (Entwicklung im Rahmen von EU-Projekt ROBOSCOPE). User-Interface und Bedienungs-Software nutzen als Plattform eine Onyx-2-Infinite-Reality von Silicon Graphics. Als Visualisierungshardware kann entweder ein herkömmlicher PC-Bildschirm oder eine sogenannte Holobench für 3D- Darstellung des Operationsgebietes (TAN, Düsseldorf, Deutschland) verwendet werden.

Grundlage für das "volume rendering", das in NAVSIM unter Verwendung der Onyx- IR zur Anwendung kommt, ist OpenGL Volumizer von Silicon Graphics oder eine Nachfolgetechnologie. OpenGL Volumizer ist eine Grafik-Bibliothek für SGI Graphic Computer, die herkömmlichen Grafikanwendungen erlaubt, Volumendaten und Oberflächendaten in einer ähnlichen Art und Weise zu benutzen. Dafür führt OpenGL Volumizer das Konzept der "volumetric primitives" ein, das als volumetrisches Grafikprimitiv das Tetraeder benutzt; ähnlich wie bei Oberflächendarstellung die kleinste Einheit durch das Dreieck definiert wird. Jedes Tetraeder enthält Teile der Volumendaten des MR- Datensatzes. Aufbauend auf OpenGL Volumizer ist der Flight-Volumizer entwickelt worden. Der Flight-Volumizer beschleunigt das "volume rendering" für virtuelle Endoskopie-Bilder, indem nur diejenigen Daten innerhalb des Sichtfeldes für die Simulation verwendet werden. Außerdem ist mit Flight-Volumizer die Simulation von Deformationen und Fragmentierungen direkt am MR-Datensatz des Patienten mit etwa 7 bis 10 Bildern pro Sekunde möglich, was bisher unabhängig von der verwendeten Hardware unerreicht ist.

Vergleichsversuche haben gezeigt, dass die besten Ergebnisse mit dem sogenann­ ten "surface rendering" mit dem Navigator erzielt werden, gefolgt von dem "volume rende­ ring" mit Navigator. Beim Flight-Volumizer sind immerhin noch ca. 50% der anatomischen Strukturen sichtbar. "Surface rendering" mit "free flight" ist hingegen von wesentlich schlechterer Qualität.

Die Benutzeroberfläche von NAVSIM erlaubt das Planen und Simulieren eines Ein­ griffs in folgenden Schritten:

• 1. Definition eines Start- und Zielpunkts für den geplanten Eingriff,
• 2. Überprüfen und gegebenenfalls Ändern der Trajektorie vom Start- zum Zielpunkt,
• 3. Simulation einer Trepanation (Öffnung des Schädels),
• 4. Definition von Go- und No-Go-Areas für die robotergestützte Chirurgie, d. h. von erlaubten und nicht erlaubten Bereichen innerhalb des Schädels, und
• 5. Simulation der eigentlichen Operation im Zielgebiet unter Verwendung der Planungsdaten.

Definition des Zugangs- und Zielpunktes

Üblicherweise beginnt die prä-operative Planung mit der Definition eines Zugangs­ punktes in den Schädel für die Trepanation sowie mit der Festlegung eines Zielpunktes, der in den zu operierenden Bereich gelegt wird. Mehrere verschiedene Planungsfenster, beste­ hend aus mehreren Komponenten, sind in NAVSIM integriert. Diese Komponenten sind zwei Editoren mit axialen, coronalen und sagittalen Schnitten des Patienten für die Planung des Zugangs- und Zielpunktes, eine virtuelle endoskopische Ansicht wahlweise in "volume rendering" oder "surface rendering", eine Planungsansicht mit einer beliebig positionierba­ ren Kamera, eine globale Ansicht (Außenansicht, Position des Endoskops relativ zum Schädel des Patienten) und mehreren Ansichten mit Schnitten entlang des Endoskops so­ wie eine Pseudo-3D-Ansicht der Schnitte. Alle Ansichten sind interaktiv und veränderbar in Größe und Position. Neue Fenster können ebenfalls unter Zuhilfenahme der Komponenten definiert werden. Ein Planungsfenster beinhaltet Positionsmarker für den Zugangs- und den Zielpunkt. Eine Bewegung der Positionsmarker resultiert in der Veränderung der Schnitte in den anderen Fenstern der Komponente, der virtuellen endoskopischen Ansicht und der Position des Endoskops. Das Verschieben der Positionsmarker erfolgt mittels der Compu­ termaus.

Überprüfen der Trajektorie vom Start- zum Zielpunkt

Der nächste Schritt ist die Überprüfung, ob die Trajektorie vom Start- zum Zielpunkt Gebiete des Gehirns vemeidet, die nicht durch Einführen des Endoskops verletzt werden sollten. Das einschlägige Standardfenster zum Überprüfen der Trajektorie besteht aus einer globalen Ansicht, einer virtuellen endoskopischen Ansicht und den axialen, coronalen und sagittalen Schichten des Patienten, in denen die Trajektorie durch rote Linien und einen roten Punkt angezeigt ist, in dem die Trajektorie die Schicht schneidet. Mit der Computermaus können alle Schichten durch eine einzige Bewegung interaktiv verändert werden, während ständig die Linien und Punkte neu angezeigt werden. Die Trajektorie kann gege­ benenfalls durch ein Verschieben von am Anfang und am Ende der Trajektorie dargestell­ ten Kugeln verändert werden.

Virtuelle Kraniotomie

Nachdem die Trajektorie vom Start- zum Zielpunkt überprüft worden ist, kann die virtuelle Trepanation durchgeführt werden, was eine Planung der Größe, der Tiefe und der Position der Trepanation einschließt. Das Fenster für die virtuelle Kraniotomie hat ein ähnli­ ches Layout wie das Fenster zur Überprüfung der Trajektorie, jedoch wird in der Außenan­ sicht die virtuelle Trepanation gezeigt. Außerdem gibt es Bildschirmfunktionen zur Variation der Trepanation. Jede Änderung der Einstellung wird sofort angezeigt. Darüber hinaus sind in der Darstellung, die auf einen fRMI-Datensatz zurückgeht, funktionelle Bereich im Gehirn farbig gekennzeichnet.

Definition der erlaubten Bereiche im Schädel

Der nächste Schritt besteht in der Definition der erlaubten Bereiche im Schädel, die bei einer realen Operation nicht verlassen werden dürfen. Solche als "Go-Area" bezeich­ nete Bereiche können z. B. von einem oder mehreren Gehirntumoren gebildet sein. Damit wird erreicht, dass ein Chirurg nicht versehentlich gesunde Gehirnbereiche verletzt. Es können beliebige Ellipsoide als Go-Area definiert werden. Die Ellipsoide können durch in der Darstellung enthaltene Regler in Größe, Position und Orientierung beliebig verändert werden.

Simulation

Nachdem die Planungsschritte durchgeführt sind, kann die Simulation gestartet wer­ den. Eine Ansicht mit "volume rendering" kann für virtuelle, interaktive Endoskopie benutzt werden. Darüber hinaus ist ein Simulationstool auf der Basis von deformierbaren Oberflä­ chenmodellen integriert. Diese Oberflächenmodelle sind über die Verwendung von Simplex- Gittern (Delingette, H. General Object Reconstruction based on Simplex Meshes, in: International Journal of Computer Vision, Boston, MA, 1999, 1-32) für eine Anzahl von Patienten semi-automatisch erzeugt worden. Die Simulation der Deformationen basiert auf physikali­ schen Modellen (viskoelastische Modelle), die durch Neuro-Fuzzy-Systeme (D. Nauck, F. Klawonn, and R. Kruse, Foundations of Neuro-Fuzzy Systems, John Wiley & Sons Inc., New York, 1997) berechnet werden. Mit Neuro-Fuzzy Systemen ist es möglich, die Eigen­ schaften realer Gewebe zu erlernen. Außerdem können diese Eigenschaften durch die An­ gabe einfacher, umgangssprachlicher Regeln (z. B. "das Gewebe ist weich") beschrieben werden. Ein Chirurg mit langjähriger Erfahrung hat so die Möglichkeit, die Gewebeeigen­ schaften zu charakterisieren, ohne Wissen über die verwendeten Verfahren zu besitzen. Die elastodynamische Struktur wird mit einem viskoelastischen Modell beschrieben, das direkt als neuronales Netz interpretiert werden kann.

Eine statische Kollision zwischen dem Ventrikel und dem Endoskop wird unter der Verwendung von OBB-Trees (Gottschalk S. Lin M, Manocha D, OBB-Tree: A Hirarchical Structure for Rapid Interference Detection, in: Computer Graphics Proceedings, Annual Conference Series, ACM SIGGRAPH, 1996, 171-180) durchgeführt. Dabei wird die Form des Objekts hierarchisch in kleinere Einheiten zerlegt, die einzeln bei Bedarf auf Kollision überprüft werden. Der Aufwand für die Berechnung ist dadurch nur noch logarithmisch von der Komplexität des Objekts abhängig. Um das statische Modell nach jeder Fragmentierung neu zu berechnen, werden beispielsweise zwei OBB-Trees des Oberflächenmodells er­ zeugt. Während ein Modell auf Kollision getestet wird, wird das andere im Hintergrund auf den neuesten Stand gebracht.

Detaillierte Beschreibung der in den Figuren gezeigten Gegenstände

Das Kernstück der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist gemäß Fig. 1 ein Computer­ system 4, welches beispielsweise aus einem zwei Pentium-IV-Prozessoren mit jeweils min­ destens 2 GHz Systemtakt enthaltenden PC mit einer Grafikkarte mittlerer Preisklasse besteht. In direkter Verbindung mit dem Computersystem 4 steht ein Dateneinlesemodul 2, über welches das Gehirngewebe von realen Patienten darstellende dreidimensionale Volu­ mendatensätze eingelesen werden. Diese Volumendatensätze werden mit Hilfe eines Computertomographen oder Kernspintomographen 1 am Patienten aufgezeichnet. Auch können mittels beider Methoden gewonnene Datensätze zur Steigerung der Bildqualität kombiniert werden, was vorteilhaft sein kann, da für unterschiedliche Teile der Anatomie jeweils das eine oder das andere Verfahren bessere Abbildungen liefert.

In Verbindung mit dem Dateneinlesemodul 2 steht ein Operationsmanipulator 3, in welchen der Chirurg seine gewohnten Operationsinstrumente einspannen kann. Während der Operationssimulation werden die Bewegungen dieser Operationselemente im realen Raum mit virtuellen Bewegungen im Volumendatensatz gekoppelt. Weiterhin kann das Computersystem auf eine Datenbank 5 zurückgreifen, die sowohl eine Sammlung von zweidimensionalen farbigen endoskopischen Aufnahmen von realem Gehirngewebe als auch eine Sammlung von dreidimensionalen Darstellungen von Gewebefeinstrukturen, wie etwa dünnen Membranen und kleinen Blutgefäßen enthält, die von einer unter der Auflö­ sungsgrenze der Volumendaten der Patienten fallenden Größe sind. Schließlich sind mit dem Computersystem zwei Visualisierungsvorrichtungen verbunden, die alternativ genutzt werden können, nämlich ein herkömmlicher Bildschirm 6 und eine Holobench 7 zur dreidi­ mensionalen Rekonstruktion virtueller Bilder, die dem Operateur räumliches Sehen des virtuellen Operationsgebietes ermöglicht.

Nach dem Einlesen der das Gehirn eines Patienten darstellenden Volumendaten beginnt die prä-operative Planung mit der Definition eines Zugangspunktes 8 am Schädel des Patienten, über den das virtuelle Endoskop in das Gehirn eingeführt werden soll, um die Operationsinstrumente in den Zielbereich des Gehirns zu bringen. Zu diesem Zweck zeigt das System gemäß Fig. 2 verschiedene Schnittansichten des Schädels in interaktiv veränderbaren Darstellungsarten und Perspektiven an. Die Definition des Zugangspunktes 8 erfolgt durch Anwählen einer geeigneten Koordinate mit der Computermaus. Auf ähnliche Weise wird gemäß Fig. 3 ein Zielpunkt 9 definiert, den ein Ende des Endoskopes nach dem Einführvorgang erreichen soll. Das Computersystem zeigt daraufhin die Trajektorie zwi­ schen Zugangspunkt 8 und Zielpunkt 9 als endoskopischen Zugangsweg an, wobei dieser vom Operateur zur Vermeidung von Verletzungen sensibler Bereiche des Gehirns interaktiv verändert werden kann. Im nächsten Schritt können erlaubte Bereiche 10 im virtuellen Ge­ hirn des Patienten definiert werden, die bei der Operation nicht verlassen werden dürfen, um Verletzungen von umliegenden Bereichen zu vermeiden. Dies geschieht wiederum mit­ tels Schnittansichten des Gehirns, vgl. Fig. 4.

Vor Beginn der eigentlichen Operationssimulation werden die Volumendaten so um­ formatiert, dass sie die Struktur des Gewebevolumens in einem tetraederförmige Grund­ zellen aufweisenden Koordinatensystem darstellen. Das heißt, dass das dargestellte Volu­ men aus tetraederförmigen Volumeneinheiten gemäß Fig. 5 besteht. Als nächstes analy­ siert das Computersystem die anatomische Struktur des von den Volumendaten darge­ stellten Gewebes mittels eines vorgegebenen Modells und fügt an das für das Auftreten solcher Strukturen typischen Stellen der Anatomie in der Datenbank 5 gespeicherte dreidi­ mensionale Darstellungen von Gewebefeinstrukturen in die Gewebedarstellung für die Si­ mulation ein, wie etwa dünne Membranen oder kleine Blutgefäße.

Die in einem Bildfeld 12 liegenden dreidimensional ausgestalteten Oberflächen des Gewebes werden während der Operationssimulation auf dem Bildschirm 6 und/oder dem Holobench 7 dargestellt. Das Bildfeld 12 gemäß Fig. 6 wird vom Operateur über den Ope­ rationsmanipulator 3 in Bezug auf Position, Größe und Blickrichtung im Koordinatensystem des Volumendatensatzes definiert und kann während der Operationssimulation nach Bedarf verändert werden. Die ausgestalteten Oberflächen werden erzeugt, indem aus den in der Datenbank 5 gespeicherten farbigen zweidimensionalen endoskopischen Aufnahmen von realem Gehirngewebe ausgewählte Bilder oder Teile davon auf die Oberflächen der Volu­ mendatendarstellungen entsprechend der von diesen dargestellten anatomischen Struktur aufgebracht werden.

Bei der eigentlichen Operationssimulation bedient der Operateur die in den Operati­ onsmanipulator eingespannten realen Operationsinstrumente, indem er diese im dreidi­ mensionalen Raum bewegt. Das Computersystem zeigt das entsprechende virtuelle Ope­ rationselement 13 und dessen aktuelle räumliche Position relativ zum Gewebe auf dem Bildschirm 6 und/oder der Holobench 7 an. Die Einwirkung des Operationsinstruments auf das Gewebe wird vom Computersystem 4 mittels eines auf neuronale Netze gestützten viskoelastischen Modells simuliert, und die im Bildfeld und im in Blickrichtung dahintergele­ genen Volumenbereich liegenden Volumendaten werden in Echtzeit neu berechnet. Ferner werden die ausgestalteten Oberflächen entsprechend neu erzeugt und auf dem Bildschirm und/oder der Holobench angezeigt. Die im weiteren Umfeld liegenden Volumendaten wer­ den mit einer niedrigeren Aktualisierungsrate neu berechnet. Bei kleinen Deformationen genügt lediglich eine Transformation oder Verzerrung eines tetraederförmigen Volumen­ elements, was zu einem deformierten Volumenelement 14 führt.

Die in der obigen Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen wesentlich sein.

Claims (19)

1. Verfahren zum Erzeugen einer Bilddarstellung von Gewebe eines Lebewesens auf der Grundlage von dem Gewebe zugeordneten Volumendaten, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung der Bilddarstellung im Hinblick auf eine das Gewebe verändernde Einwirkung die Volumendaten mittels einer ersten Simulation der Einwirkung verändert werden, wobei die Simulation auf der Grundlage ausgewählter erster Volumendaten aus der Gesamtheit der dem Gewebe zugeordneten Volumendaten erfolgt, wohingegen andere Volumendaten bei der ersten Simulation unberücksichtigt bleiben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgewählten ersten Volumendaten einem vorbestimmten Teilvolumen des Gewebes zugeordnet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vorbestimmte Teilvolumen kreiszylindrisch, quaderförmig, halbkugelförmig oder kegelstumpfförmig ist.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilddarstellung die Form einer Draufsicht auf eine vorbestimmte Oberfläche des Gewebes hat.

5. Verfahren nach Anspruch 4 und einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Oberfläche eine Begrenzung des vorbestimmten Teilvolumens ist.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Simulation mit einer vorbestimmten ersten Geschwindigkeit ausgeführt wird und eine zweite Simulation zur Veränderung der Volumendaten ausgeführt wird, und zwar auf der Grundlage ausgewählter zweiter Volumendaten aus der Gesamtheit der dem Ge­ webe zugeordneten Volumendaten und mit einer zweiten Geschwindigkeit, die geringer ist als die erste Geschwindigkeit, wobei das Ergebnis der zweiten Simulation zur Korrektur des Ergebnisses der ersten Simulation dient.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgewählten zwei­ ten Volumendaten die Gesamtheit der dem Gewebe zugeordneten Volumendaten ist.

8. Verfahren zum Erzeugen einer Bilddarstellung einer vorbestimmten Oberfläche von Gewebe eines Lebewesens,
dadurch gekennzeichnet, dass
Volumendaten ermittelt werden, die dem Gewebe zugeordnet sind,
Oberflächendaten bereitgestellt werden, die einer Draufsicht auf ein Muster der vorbestimmten Oberfläche des Gewebes zugeordnet sind,
zur Veränderung der Bilddarstellung im Hinblick auf eine das Gewebe verändernde Einwirkung

• a) die Volumendaten mittels Simulation der Einwirkung verändert werden,
• b) die Auswirkungen der Veränderung der Volumendaten auf die den Volumendaten zugeordnete vorbestimmte Oberfläche ermittelt werden,
• c) die Oberflächendaten entsprechend den Auswirkungen gemäß b) verändert werden und
• d) die gemäß c) geänderten Oberflächendaten als Grundlage für die Bilddarstellung unter Einbeziehung der Einwirkung dienen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Simulation durch einen Vergleich der dem Muster der vorbestimmten Oberfläche des Gewebes zugeordneten Oberflächendaten mit den dem Gewebe zugeordneten Volumendaten geprüft wird, inwieweit das Muster der vorbestimmten Oberfläche von der den Volumendaten zugeordneten vorbestimmten Oberfläche abweicht, wobei im Falle einer ein vorbestimmtes Maß über­ schreitenden Abweichung die Oberflächendaten im Sinne etwa einer Biegung, Glättung, Stauchung und/oder Streckung der vorbestimmten Oberfläche zur zumindest teilweisen Kompensation der Abweichung verändert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Muster die vorbestimmte Oberfläche des in der Draufsicht darzustellenden Gewebes selbst dient.

11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Muster eine Oberfläche von artgleichem Gewebe eines anderen Lebewesens dient.

12. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Muster zugeordneten Oberflächendaten synthetisch erzeugt werden.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Simulation auf der Grundlage viskoelastischer Modelle erfolgt.

14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Simulation auf der Grundlage von Tetraedern erfolgt.

15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Simulation auf der Grundlage einer Finite-Elemente-Methode erfolgt.

16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Simulation unter Verwendung eines Neuro-Fuzzy-Systems mit einem rückgekop­ pelten neuronalen Netz erfolgt.

17. Verfahren zum Erzeugen einer Bilddarstellung von Gewebe eines Lebewesens,
dadurch gekennzeichnet, dass
Volumendaten ermittelt werden, die dem Gewebe zugeordnet sind,
Feinstrukturdaten bereitgestellt werden, die einem Muster des Gewebes zugeordnet sind, und
die Volumendaten im Sinne eines Hinzufügens der Feinstruktur des Musters zu dem den Volumendaten zugeordneten Gewebe verändert werden, wobei
die veränderten Volumendaten als Grundlage der Bilddarstellung dienen.

18. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilddarstellung dreidimensional ist.

19. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Erzeugen einer Bilddarstellung nach einem der vorangehenden Ansprüche.