DE102004020587A1

DE102004020587A1 - Verfahren und Vorrichtung zur visuellen Unterstützung einer elektrophysiologischen Katheteranwendung mit 2D-Durchleuchtungsbildern

Info

Publication number: DE102004020587A1
Application number: DE102004020587A
Authority: DE
Inventors: Jan Dr. Boese; Norbert Rahn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2004-04-27
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2024-04-28
Also published as: CN1689516B; DE102004020587B4; JP2005312962A; US7502642B2; US20050251028A1; JP4947918B2; CN1689516A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur visuellen Unterstützung einer elektrophysiologischen Katheteranwendung im Herzen, bei dem während der Durchführung der Katheteranwendung mit einem Röntgen-Bildaufnahmesystem (5) 2-D-Durchleuchtungsbilder (13) eines behandelten Bereiches des Herzens aufgenommen und zusammen mit gleichzeitig bereitgestellten 3-D-Mapping-Daten (14) des behandelten Bereiches visualisiert werden. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die 2-D-Durchleuchtungsbilder (13) mit den 3-D-Mapping-Daten (14) registriert werden und die 3-D-Mapping-Daten (14) jeweils in gleicher Perspektive wie die 2-D-Durchleuchtungsbilder (13) neben den 2-D-Durchleuchtungsbildern (13) oder daraus abgeleiteten Bildinhalten (14) oder diesen überlagert dargestellt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur visuellen Unterstützung einer elektrophysiologischen Katheteranwendung im Herzen, bei dem während der Durchführung der Katheteranwendung mit einem Röntgen-Bildaufnahmesystem 2D-Durchleuchtungsbilder eines behandelten Bereiches des Herzens aufgenommen und zusammen mit gleichzeitig bereitgestellten elektroanatomischen 3D-Mapping-Daten des behandelten Bereiches visualisiert werden. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Behandlung von Herzrhythmus-Störungen hat sich seit der Einführung der Technik der Katheterablation mittels Hochfrequenzstrom wesentlich gewandelt. Bei dieser Technik wird unter Röntgenkontrolle ein Ablations-Katheter über Venen oder Arterien in eine der Herzkammern eingeführt und durch Hochfrequenzstrom das die Herzrhythmus-Störungen hervorrufende Gewebe verödet. Voraussetzung für eine erfolgreiche Durchführung einer Katheterablation ist die genaue Ortung der Ursache der Herzrhythmus-Störung in der Herzkammer. Diese Ortung erfolgt über eine elektrophysiologische Untersuchung, bei der elektrische Potentiale mit einem in die Herzkammer eingeführten Mapping-Katheter ortsaufgelöst erfasst werden. Aus dieser elektrophysiologischen Untersuchung, dem sog. elektroanatomischen Mapping, werden somit 3D-Mapping-Daten erhalten, die an einem Monitor visualisiert werden können. Die Mapping-Funktion und die Ablations-Funktion sind dabei in vielen Fällen in einem Katheter vereint, so dass der Mapping-Katheter gleichzeitig auch ein Ablations-Katheter sein kann.

Ein bekanntes elektroanatomisches 3D-Mapping-Verfahren, wie es bspw. mit dem CARTO-System der Firma Biosense Webster Inc., USA, oder dem ENSITE 3000-System der Fa. Endocardial Solutions Inc., St. Paul, USA, durchführbar ist, basiert auf elektromagnetischen Prinzipien. Unter dem Untersuchungstisch werden drei verschiedene magnetische Wechselfelder geringer Intensität aufgebaut. Mittels integrierter elektromagnetischer Sensoren an der Katheterspitze des Mapping-Katheters ist es möglich, die durch Katheterbewegungen induzierten Spannungsänderungen innerhalb des Magnetfeldes zu messen und mit Hilfe mathematischer Algorithmen zu jedem Zeitpunkt die Position des Mapping-Katheters zu errechnen. Durch punktweises Abtasten der endokardialen Kontur einer Herzkammer mit dem Mapping-Katheter bei simultaner Erfassung der elektrischen Signale entsteht eine elektroanatomische dreidimensionale Landkarte, in der die elektrischen Signale farbcodiert wiedergegeben werden.

Neben derartigen elektroanatomischen 3D-Mapping-Systemen werden auch intrakardiale Lokalisierungssysteme, wie bspw. das Localisa-System der Fa. Medtronic, Minneapolis, USA, für die Lokalisierung des Katheters und den Aufbau eines 3D-Bildes der untersuchten Herzkammer eingesetzt. Auch die mit einem derartigen Lokalisierungssystem erhaltenen Daten werden in der vorliegenden Patentanmeldung als 3D-Mapping-Daten bezeichnet, da sie ein vergleichbares 3D-Bild des Untersuchungsbereiches liefern.

Während der Ablationsprozedur wird der Katheter anhand von gleichzeitig aufgenommenen Röntgen-Durchleuchtungsbildern oder anhand einer Echtzeit-Visualisierung der 3D-Mapping-Daten geführt. Die kardiologische Anatomie des Patienten einschließlich der kardiologischen Gefäße kann in den 2D-Durchleuchtungsbildern nicht im Detail abgebildet werden. Auch bei einer Orientierung an den dargestellten 3D-Mapping-Daten kann nicht gewährleistet werden, dass die aus diesen Daten generierte Oberfläche einer Herzkammer exakt den anatomischen Gegebenheiten entspricht, da hierfür die Endokard-Oberfläche punktuell sehr engmaschig abgetastet werden müsste. Die zu sätzliche anatomische Bildinformation der 2D-Durchleuchtungsbilder steht zwar während der Mapping-Prozedur zur Verfügung. Sie kann aber nicht oder nur unvollständig genutzt werden, da die Bedienung des Mapping-Systems die ungeteilte Aufmerksamkeit des Elektrophysiologen erfordert, so dass dieser den Zusammenhang zwischen den dargestellten 3D-Mapping-Daten und dem gleichzeitig dargestellten 2D-Durchleuchtungsbild in der Regel nicht genau erfassen kann. Daher wird bei der Akquisition der 3D-Mapping-Daten oft eine Oberfläche des Endocards der zu therapierenden Herzkammer generiert, die aufgrund fehlender Abtastung anatomisch relevanter Oberflächenpunkte des Endocards nur annähernd der realen Anatomie der Kammer entspricht.

Weiterhin wird aus Kosten- und Praktikabilitätsgründen in vielen Fällen lediglich der Ablations-Katheter mit den Positionssensoren relativ zu der abgetasteten Endocard-Oberfläche auf dem Monitor des EP-Mapping-Systems visualisiert. Wünschenswert wäre dagegen die Visualisierung aller verwendeten Katheter, insbesondere auch der Schlinge des Lasso-Katheters, der bei einer Pulmonalvenenisolation als Hilfsmittel im Ostium der zu isolierenden Pulmonalvene fixiert wird.

Aus den beiden älteren, nachveröffentlichten Patentanmeldungen von N. Rahn et al. 103 40 546.1 und 103 40 544.5 sind Verfahren zur Verbesserung der Orientierung des Elektrophysiologen bei der Durchführung der Katheterablation bekannt. Bei diesen Verfahren werden vor der Katheteranwendung kardiologische 3D-Bilddaten des Untersuchungsbereiches mit einer bildgebenden Modalität erzeugt. Diese 3D-Bilddaten werden während der Katheteranwendung den 3D-Mapping-Daten positions- und lagerichtig überlagert, so dass dem Betrachter eine zusätzliche anatomische Bildinformation zur Verfügung steht. Allerdings setzt dies die Verfügbarkeit einer 3D-bildgebenden Modalität im Untersuchungslabor voraus. Weiterhin lässt sich auch bei diesem Verfahren nur der Katheter in der Bilddar stellung visualisieren, der entsprechende Positionssensoren trägt.

Ausgehend von dieser Problematik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur visuellen Unterstützung einer elektrophysiologischen Katheteranwendung im Herzen anzugeben, die eine verbesserte Orientierung während der Führung des Katheters bei der Katheteranwendung, insbesondere beim elektroanatomischen Mapping und/oder bei einer Katheter-Ablation, ermöglichen.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Bei dem vorliegenden Verfahren zur visuellen Unterstützung einer elektrophysiologischen Katheteranwendung im Herzen werden während der Durchführung der Katheteranwendung mit einem Röntgen-Bildaufnahmesystem 2D-Durchleuchtungsbilder eines behandelten Bereiches des Herzens, bspw. einer Herzkammer, aufgenommen und zusammen mit gleichzeitig bereitgestellten 3D-Mapping-Daten des behandelten Bereiches visualisiert. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die 2D-Durchleuchtungsbilder mit den 3D-Mapping-Daten registriert werden und die 3D-Mapping-Daten jeweils in gleicher Perspektive wie die 2D-Durchleuchtungsbilder neben den 2D-Durchleuchtungsbildern oder daraus abgeleiteten Bildinhalten oder diesen überlagert dargestellt werden. Unter gleicher Perspektive ist dabei die gleiche Abbildungsperspektive, d. h. der gleiche Maßstab und die gleiche Blickrichtung, zu verstehen. Die 3D-Mapping-Daten können hierbei mit einem elektroanatomischen 3D-Mapping-System oder einem intrakardialen Lokalisierungssystem gewonnen werden. Vorzugsweise wird für die Aufzeichnung der 2D-Durchleuchtungsbilder ein Mono- oder Biplan-C-Bogensystem eingesetzt, das für derartige Katheteranwendungen aufgrund der besseren Zugänglichkeit zum Untersuchungsbereich besonders geeignet ist.

Durch die Registrierung der aufgenommenen 2D-Durchleuchtungsbilder mit den 3D-Mapping-Daten und der gemeinsamen Darstellung unter der gleichen Perspektive ist der Zusammenhang zwischen den beiden Darstellungen für den Elektrophysiologen auf den ersten Blick erkennbar. Dies gilt schon für die Darstellung der 3D-Mapping-Daten in einer gesonderten Darstellung neben der Darstellung des jeweiligen 2D-Durchleuchtungsbildes, noch vielmehr jedoch bei der überlagerten Darstellung der beiden Bilder, bei der der Betrachter sofort die noch nicht ausreichend mit dem Mapping-System erfassten Bereiche erkennen kann. Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Verfahrens besteht darin, dass in den 2D-Durchleuchtungsbildern auch die jeweilige momentane Position aller Katheter und daran befindlicher Teile erkennbar sind.

Die gleiche Darstellungsperspektive kann in einer Ausgestaltung des Verfahrens dadurch erzielt werden, dass bei vorgegebener Stellung des Röntgen-Bildaufnahmesystems oder vorgegebenem 2D-Durchleuchtungsbild die Darstellung der 3D-Mapping-Daten so gedreht wird, dass sie die gleiche Perspektive zeigen. In einer alternativen Ausgestaltung wird die Darstellung durch interaktive Rotation der 3D-Mapping-Daten durch den Benutzer gewählt und das Bildaufnahmesystem so angesteuert, dass damit ein 2D-Durchleuchtungsbild unter der gleichen Perspektive aufgenommen wird. Die Aufzeichnung der 3D-Mapping-Daten und die Aufnahme der 2D-Durchleuchtungsbilder erfolgen dabei vorzugsweise in der gleichen Herzzyklus-Phase, um Ungenauigkeiten aufgrund der Herzbewegung zu vermeiden. Diese Synchronisierung bzgl. der Herzzyklus-Phase kann dadurch erreicht werden, dass das Bildaufnahmesystem sowie das Mapping-System durch die gleiche EKG-Triggereinheit getaktet werden.

Die Vorrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens umfasst demgemäß ein oder mehrere Schnittstellen zur Eingabe der 3D-Mapping-Daten sowie der Bilddaten der 2D-Durchleuchtungsbilder, ein Registrierungsmodul zur Registrierung der 2D-Durchleuchtungsbilder mit den 3D-Mapping-Daten sowie ein mit dem Registrierungsmodul verbundenes Visualisierungsmodul, das die Ausgangsdaten für eine gleichzeitige Visualisierung, nebeneinander oder überlagert, der 3D-Mapping-Daten mit dem jeweiligen 2D-Durchleuchtungsbild unter gleicher Perspektive zur Darstellung auf einem Anzeigegerät, insbesondere einem Monitor, bereitstellt. Die Vorrichtung kann dabei als Bestandteil des Mapping-Systems, des Bildaufnahmesystems oder auch als eigenständiges Gerät ausgestaltet sein.

Das vorliegende Verfahren sowie die danach arbeitende Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für die gemeinsame Triggerung eines Röntgen-Bildsystems und eines EP-Mapping-Systems zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens;
2 eine Veranschaulichung der erforderlichen Parameter bei der 2D/3D-Registrierung gemäß dem vorliegenden Verfahren;
3 ein Beispiel für den Verfahrensablauf bei der Registrierung gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens;
4 eine Veranschaulichung der Erfassung von Landmark-Paaren durch Aufnahme eines Oberflächen-Punktes mit dem EP-Mapping-System;
5 zwei Beispiele für die Überlagerung der 3D-Mapping-Daten und eines 2D-Durchleuchtungsbildes bzw. eines daraus abgeleiteten Bildinhaltes;
6 ein Beispiel für die Änderung der Darstellung der 3D-Mapping-Daten in Abhängigkeit von der Stellung des Bildaufnahmesystems; und
7 ein Beispiel für die Ansteuerung des Bildaufnahmesystems bei einer interaktiven Veränderung der Darstellung der 3D-Mapping-Daten.
1 zeigt schematisch einen Teil eines EP-Mapping-Systems 1 mit einer Aufnahmeeinheit 2 für die 3D-Mapping-Daten, die mit einer Auswerte- und Bildverarbeitungseinheit 3 zur Darstellung der erfassten Daten an einem Bildschirm 4 verbunden ist. Weiterhin ist beispielhaft ein Röntgensystem 5 in Form eines C-Bogen-Systems dargestellt, das ein Bildsystem 6 für die Bereitstellung der 2D-Durchleuchtungsbilder aufweist. Das C-Bogen-System 5 umfasst den C-Bogen 7 mit Röntgenquelle 8a und Röntgendetektor 8b. Der C-Bogen 7 ist in bekannter Weise um mehrere Achsen rotierbar ausgebildet. Im vorliegenden Beispiel wird vom Patienten mit einem EKG-Aufzeichnungs-System 9 während der Katheteranwendung ein EKG aufgezeichnet. Das EKG-Aufzeichnungs-System 9 weist einen Triggerausgang 10 auf, der mit entsprechenden Triggereingängen 11 am Bildsystem 6 des Röntgensystems 5 und an der Aufnahmeeinheit 2 des EP-Mapping-Systems 1 verbunden ist. Diese EKG-Triggerung ermöglicht die Aufzeichnung der 3D-Mapping-Daten sowie der 2D-Durchleuchtungsbilder jeweils zu einer vorgegebenen Phase des Herzzyklus, wie sie im unteren Teil der Figur im dargestellten EKG mit den Kreisen gekennzeichnet ist. Auf diese Weise wird eine Störung der Bildaufzeichnung bzw. -darstellung durch die Herzbewegung vermieden.
Für die Durchführung des vorliegenden Verfahrens ist eine 2D-3D-Registrierung der 2D-Durchleuchtungsbilder mit den 3D-Mapping-Daten erforderlich. Diese Registrierung kann durch bekannte Registrierungsverfahren mit dem Registrierungsmodul 17 der vorliegenden Vorrichtung erfolgen, die in der 1 schematisiert dargestellt ist. Die Vorrichtung umfasst im vorliegenden Beispiel eine Schnittstelle 16 zur Eingabe der 3D-Mapping-Daten 14 sowie der Bilddaten der 2D-Durchleuchtungsbilder 13, das Registrierungsmodul 17 zur Registrierung der 2D-Durchleuchtungsbilder 13 mit den 3D-Mapping-Daten 14 sowie ein mit dem Registrierungsmodul verbundenes Visualisierungsmodul 19, das die Ausgangsdaten für eine gleichzeitige Visualisierung, nebeneinander oder überlagert, der 3D-Mapping-Daten 14 mit dem jeweiligen 2D-Durchleuchtungsbild 13 unter gleicher Perspektive zur Darstellung auf dem Monitor 4 bereitstellt. Als Bestandteil des Registrierungsmoduls 17 ist in diesem Beispiel auch ein Segmentierungsmodul 18 erkennbar, das eine Kontur der Herzkammerwand aus den Durchleuchtungsbildern 13 extrahieren kann. Die Vorrichtung kann dabei als Bestandteil des Mapping-Systems, des Bildaufnahmesystems oder auch als eigenständiges Gerät ausgestaltet sein.
Das Ergebnis der 2D-3D-Registrierung ist jeweils eine Projektionsmatrix, mit deren Hilfe es möglich ist, jedem Bildpunkt des 2D-Durchleuchtungsbildes genau einen 3D-Punkt der 3D-Mapping-Daten zuzuordnen. Diese Projektionsmatrix kann somit dazu verwendet werden, die 3D-Mapping-Daten in gleicher Position und Orientierung wie das 2D-Durchleuchtungsbild zu visualisieren und bei Bedarf beide Visualisierungen zu überlagern.
2 veranschaulicht die Zusammenhänge bei der 2D-3D-Registrierung. Im vorliegenden Fall müssen 11 Freiheitsgrade der Projektionsmatrix P geschätzt werden. Diese 11 Freiheitsgrade entsprechen 5 intrinsischen Parametern für jede der möglichen C-Bogen-Stellungen und 6 extrinsische Parameter für die Zuordnung der Koordinatensysteme des 3D-Mapping-Systems und des Röntgen-Bildsystems. Diese Projektionsmatrix P setzt sich somit aus einer Kalibrierungsmatrix K für das Bildsystem, einer Rotationsmatrix R sowie einer Translationsmatrix T zusammen:
In der Figur ist hierbei die perspektivische Abbildung eines Quaders als Repräsentation der 3D-Mapping-Daten auf ein zweidimensionales Bild als Repräsentation des 2D-Durchleuchtungsbildes veranschaulicht. Ein kugelförmiges Volumen innerhalb des Quaders erscheint durch die Projektion als Kreis in dem 2D-Bild. Die Abbildung kann durch die Projektionsmatrix P berechnet werden.
Zu Beginn des Mapping-Vorgangs, zu dem erst wenige Oberflächenpunkte mit Hilfe des EP-Mapping-Systems erfasst wurden, ist eine Landmarken-basierte Registrierung vorzuziehen, da die Oberfläche der 3D-Mapping-Daten noch ungenügend repräsentiert ist. Nachdem genügend viele Oberflächenpunkte der Mapping-Daten vorhanden sind und die Oberfläche der Mapping-Daten hinreichend gut repräsentiert wird, kann die Oberflächenbasierte Registrierung eingesetzt werden. Dabei kann das Ergebnis der vorhergehenden Landmarken-basierten Registrierung als grober initialer Startwert für die Oberflächen-basierte Registrierung verwendet werden. Diese Vorgehensweise ist in der 3 veranschaulicht.
Treten Patientenbewegungen im Rahmen der Prozedur auf, ist eine Neuberechnung der Projektionsmatrix erforderlich. Diese Neuberechnung kann über eine erneute Landmarken-basierte oder Oberflächen-basierte 2D-3D-Registrierung erfolgen. Alternativ können die zur Neuberechnung der Projektionsmatrix benötigten Translations- und Rotationsparameter auch mit Hilfe eines am Patienten angebrachten Positions- und Orientierungssensors erfasst werden.
Prinzipiell ist auch bei C-Bogen-Rotationen oder Bewegungen des Patiententisches eine Neuberechnung der Projektionsmatrix erforderlich. Auch diese Neuberechnung kann über eine erneute Landmarken-basierte oder Oberflächen-basierte 2D-3D-Registrierung erfolgen. Alternativ können in diesem Fall die zur Neuberechnung der Projektionsmatrix benötigten Translations- und Rotationsparameter mit Hilfe von am Patiententisch und am C-Bogen angebrachten Positions- und Orientierungssensoren erfasst werden.
Bei der Landmarken-basierten 2D-3D-Registrierung werden mindestens 4 Landmarken in unmittelbarer Umgebung der zu therapierenden Herzkammer oder direkt in der Herzkammer mit dem Katheter angefahren und auf diese Weise sowohl im 2D-Durchleuchtungsbild als auch in den 3D-Mapping-Daten identifiziert. Ist die Position des Katheters mit Hilfe eines Mustererkennungs-Algorithmus im 2D-Durchleuchtungsbild automatisch detektierbar, so kann die Identifikation der Landmarken jeweils ausschließlich durch Benutzerinteraktion am EP-Mapping-System durch Aufnahme eines Oberflächenpunktes erfolgen. Dies ist aus der 4 ersichtlich, die die Position der Spitze des Mapping-Katheters 12 im 2D-Durchleuchtungsbild 13 zeigt. Wird mit diesem Katheter eine Landmarke angefahren, so kann zur gleichen Zeit, zu der die Position dieser Landmarke mit dem EP-Mapping-System 1 erfasst wird, die Position der Katheterspitze mit dem Mustererkennungsverfahren im 2D-Durchleuchtungsbild 13 identifiziert werden. Diese Position wird auf das EP-Mapping-System 1 übertragen, wie dies mit dem Pfeil angedeutet ist. Mit der Aufnahme der 3D-Position einer Landmarke durch das EP-Mapping-System wird somit gleichzeitig die 2D-Position im 2D-Durchleuchtungsbild abgespeichert. Nach der Identifikation von 4 korrespondierenden Landmarken sowohl in den 3D-Mapping-Daten als auch im 2D-Durchleuchtungsbild wird automatisch eine Projektionsmatrix bestimmt, mit deren Hilfe es möglich ist, jedem Bildpunkt des 2D-Durchleuchtungsbildes genau einen 3D-Punkt der 3D-Mapping-Daten zuzuordnen. Die Katheterdetektion kann selbstverständlich, falls dies nicht automatisch möglich ist, auch vom Benutzer interaktiv im 2D-Durchleuchtungsbild vorgenommen werden.
Grundsätzlich werden als Landmarken zur Registrierung vorzugsweise anatomisch gut identifizierbare Punkte herangezogen, wie bspw. die Superior Vena Cava, die Inferior Vena Cava, Fossa, Corronary Sinus, die Trikuspidalklappe im rechten Atrium oder die 4 Pulmonalvenen sowie die Mitralklappe im linken Atrium.
Kann die Kontur der zu therapierenden Herzkammer aus dem 2D-Durchleuchtungsbild extrahiert werden, so kann eine Registrierung dieser Konturpunkte mit den erfassten Oberflächenpunkten der 3D-Mapping-Daten erfolgen, um auf diese Weise die Parameter der Projektionsmatrix zu ermitteln. Da die Kontur der Herzkammer aus reinen Röntgen-Durchleuchtungsbildern in der Praxis nicht extrahierbar ist, da der Kontrast nicht ausreicht, kann zur Konturbestimmung eine Röntgenakquisition unmittelbar nach erfolgter Kontrastmittel-Injektion durchgeführt werden. Die Kontrastmittel-Injektion ermöglicht die Abbildung eines Teils der zu therapierenden Herzkammer oder der vollständigen Herzkammer inkl. zu- oder abführender Gefäße mit erhöhtem Kontrast. So ist es bspw. möglich, nur einen Teil des linken Atrium inkl. einer verzweigten Pulmonalvene mit einer Röntgenakquisition nach Kontrastmittel-Injektion zu visualisieren oder aber das gesamte linke Atrium inkl. der 4 Pulmonalvenenansätze mit Kontrastmittel anzureichern und die entsprechenden Konturen aus dem 2D-Durchleuchtungsbild zu extrahieren.
Bei der Oberflächen-basierten Registrierung, insbesondere der hierbei eingesetzten Punkt zu Punkt Registrierung, reicht ein strukturell signifikanter Teil der zu therapierenden Kammer aus, um die Registrierung durchzuführen. Es muss somit nicht die gesamte Kontur des Endocards der Kammer inklusive Gefäßen, sondern lediglich ein beliebiger Teilbereich der Kontur aus dem 2D-Durchleuchtungsbild extrahiert werden können.
Eine weitere sehr vorteilhafte Technik der Registrierung, wie sie beim vorliegenden Verfahren einsetzbar ist, besteht in der Ermittlung der intrinsischen Parameter der Projektionsmatrix durch Offline-Kalibrierung aller C-Bogen-Positionen und -Orientierungen. Diese 5 intrinsischen Parameter der Projektionsmatrix können einmalig oder wiederholt bei Bedarf durch Kalibrierung erhalten werden. Die Kalibrierung kann mit einem geeigneten Kalibrierphantom mit Röntgenmarken durchgeführt werden. Nach erfolgter Kalibrierung sind die intrinsischen Parameter für jede mögliche C-Bogen-Position und -Orientierung bekannt, so dass anschließend eine einmalige Landmarken- oder Oberflächen-basierte 2D-3D-Registrierung ausreicht, um die 6 extrinsischen Parameter zu bestimmen, die dann die Relation zwischen dem 3D-Koordinatensystem des Mapping-Systems und dem 3D-Koordinatensystem des C-Bogen-Systems beschreiben. Durch diese Vorab-Kalibrierung wird somit eine erneute Schätzung aller 11 Freiheitsgrade der Projektionsmatrix nach jeder C-Bogen-Bewegung vermieden.
Besonders vorteilhaft ist eine mögliche Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens, bei der sowohl die intrinsischen als auch die extrinsischen Parameter der Projektionsmatrix durch Offline-Kalibrierung aller C-Bogen-Positionen und -Orientierungen und zusätzlich durch Ermittlung einer festen Relation zwischen dem 3D-Koordinatensystem des EP-Mapping-Systems und dem 3D-Koordinatensysetm des C-Bogen-Systems vorab ermittelt werden. So kann bspw. beim Einsatz des CARTO-EP-Mapping-Systems die Relation zwischen den beiden 3D-Koordinatensystemen dadurch ermittelt werden, dass die geometrische Anordnung der Unterbett-Sendespulen erfasst und daraus eine Transformation zwischen dem 3D-Koordinatensystem des CARTO-Systems und dem 3D-Koordinatensystem des C-Bogensystems berechnet wird. Beim zusätzlichen Einsatz eines Referenz-Positions- und Orientierungssensors während der EP-Prozedur am Patienten, wie dies bei dem vorgenannten EP-Mapping-System üblich ist, können auch die Positions- und Orientierungsinformation des Referenzsensors in der Transformation berücksichtigt werden.
Die letztgenannte C-Bogen Offline-Kalibrierung und die Ermittlung der fixen Beziehung zwischen dem 3D-Koordinatensystem des EP-Mapping-Systems und dem 3D-Koordinatensystem des C-Bogen-Systems ermöglichen nach Akquisition der jeweiligen momentanen C-Bogen-Position und -Orientierung die Bestimmung der 11 Freiheitsgrade der Projektionsmatrix ohne Benutzerinteraktion. Dementsprechend kann die 2D-3D-Registrierung in diesem Fall vollautomatisch ohne Benutzeraktion während der EP-Prozedur durch eine Recheneinheit erfolgen.
Durch die vorgenannte Registrierung wird eine Visualisierung des 2D-Durchleuchtungsbildes zusammen mit den 3D-Mapping-Daten am Monitor des EP-Mapping-Systems in gleicher Orientierung als Side-by-Side-Visualisierung oder als überlagerte Visualisierung ermöglicht. Die gleiche Orientierung wird durch Anwendung der Projektionsmatrix auf die 3D-Mapping-Daten erhalten. Die Orientierung dieser 3D-Mapping-Daten wird dabei so verändert, dass diese der Aufnahmeblickrichtung des 2D-Durchleuchtungsbildes entspricht. Eine auf diese Weise erhaltene überlagerte Bilddarstellung ist im linken Teil der 5 als Beispiel ersichtlich. Die Oberflächenpunkte 14 der 3D-Mapping-Daten sind dabei mit dem 2D-Durchleuchtungsbild 13 hinterlegt, in dem nach Kontrastmittelinjektion die linke Inferior-Pulmonalvene inkl. Verzweigungen zu erkennen ist. Dies ist mit dem Pfeil angedeutet. Auf diese Weise kann der Benutzer unmittelbar entscheiden, ob um die im Röntgenbild sichtbare Pulmonalvene herum noch weitere Oberflächenpunkte mit dem EP-Mapping-System erfasst werden sollen, um die Anatomie in diesem Bereich exakt darzustellen.
Kann die Kontur der zu therapierenden Herzkammer bspw. nach Kontrastmittelinjektion aus dem 2D-Durchleuchtungsbild extrahiert werden, so ist es möglich, lediglich die Kontur des 2D-Durchleuchtungsbildes mit der Visualisierung der 3D-Mapping-Daten zu überlagern, wie dies im rechten Teil der 5 veranschaulicht ist. Auch hier sind die 3D-Oberflächen-Punkte 14 der 3D-Mapping-Daten zu erkennen. Diesen überlagert ist die extrahierte Kontur 13 des linken Atriums inkl. zweier Pulmonalvenen. Durch die hinterlegte Kontur des linken Atriums kann der Benutzer entscheiden, ob noch weitere Oberflächenpunkte mit dem EP-Mapping-System erfasst werden sollen, um die Anatomie entsprechend der realen Kontur zu erfassen.
Sollen auch andere Ansichten der 3D-Mapping-Daten als die Ansicht aus der Aufnahmerichtung des aktuellen 2D-Durchleuchtungsbildes mit kombinierter Visualisierung dargestellt werden, ist für jede dieser Darstellungen eine zusätzliche Aufnahme eines 2D-Durchleuchtungsbildes unter der entsprechenden Perspektive sowie eine 2D-3D-Registrierung des 2D-Durchleuchtungsbildes mit den 3D-Mapping-Daten erforderlich. In der Praxis kann es ausreichend sein, 2 sich bspw. in der Blickrichtung um 60° unterscheidende Röntgenaufnahmen zu verwenden und diese beiden Vorzugsrichtungen jeweils einmalig mit den 3D-Mapping-Daten zu registrieren. Der C-Bogen kann dann, bspw. auch automatisch, zwischen diesen beiden Vorzugsrichtungen hin- und herbewegt werden, ohne dass eine erneute Registrierung erforderlich wird. Ebenso ist es selbstverständlich möglich, ein Biplan-C-Bogen-System einzusetzen, wobei die 2D-3D-Registrierung für jede der beiden C-Bogen-Aufnahmesysteme durchgeführt wird.
Selbstverständlich müssen die jeweiligen Bilder nicht notwendigerweise am Monitor des EP-Mapping-Systems visualisiert werden, sondern können auch an einem eigenständigen Anzeigegerät oder am Monitor des Röntgensystems dargestellt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens sowie der zugehörigen Vorrichtung wird nach vorliegender 2D-3D-Registrierung für die aktuelle C-Bogen-Stellung das EP-Mapping-System in einen Modus geschaltet, in dem die Orientierung der Visualisierung der 3D-Mapping-Daten in Echtzeit an die aktuelle Orientierung des C-Bogens 7 angepasst wird. Die Visualisierung dreht sich somit mit einer C-Bogen-Bewe gung. Zu diesem Zweck werden über eine Hardware-Schnittstelle 21, bspw. eine Ethernet-Schnittstelle, die Positionsparameter des C-Bogens 7 vom Röntgen-System 5 über die Visualisierungseinheit 19 an das EP-Mapping-System 1 übermittelt, in dem dann die Orientierung der Visualisierung der 3D-Mapping-Daten in Abhängigkeit von der momentanen Stellung des C-Bogens 7 für den Erhalt der gleichen Perspektive verändert wird. Das Prinzip dieser Synchronisierung ist in 6 veranschaulicht, indem im linken Teil eine Veränderung der C-Bogen-Position dargestellt ist. Diese Veränderung der Position bewirkt eine veränderte Orientierung der Darstellung der 3D-Mapping-Daten 14 auf dem Monitor 4, wie dies im rechten Teil der Figur ersichtlich ist.
In einer weiteren Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung kann die Visualisierung der 3D-Mapping-Daten am Monitor 4 interaktiv durch Rotation verändert werden. Nach vorliegender 2D-3D-Registrierung für die aktuelle C-Bogen-Stellung kann das EP-Mapping-System 1 in einen Modus geschaltet werden, in dem die Änderung der Orientierung der Visualisierung der 3D-Mapping-Daten eine Rotation des C-Bogens 7 zur Folge hat. Dies erfolgt mit einem entsprechenden Steuerungsmodul 20. Der C-Bogen 7 wird dabei in eine Position bewegt, bei der im Fall einer Aufnahme die 2D-Durchleuchtungsbilder der aktuellen Orientierung der Visualisierung der 3D-Mapping-Daten entsprechen. Der C-Bogen 7 bewegt sich somit analog der interaktiven Rotation der Visualisierung der 3D-Mapping-Daten. Zu diesem Zweck werden über eine Hardware-Schnittstelle 21 Parameter der aktuellen Orientierung der 3D-Mapping-Daten vom EP-Mapping-System 1 an das Steuermodul 20 übermittelt, das dann das Röntgen-System 5 so ansteuert, dass der C-Bogen 7 entsprechend der Orientierung der 3D-Mapping-Daten bewegt wird. Dieses Prinzip der Synchronisierung ist in 7 veranschaulicht. Durch eine interaktive Veränderung der Orientierung der Darstellung der 3D-Mapping-Daten 14 am Monitor 4 wird eine Bewegung des C-Bogens 7 in eine neue Position und Orientierung bewirkt, unter der ein aufgezeichnetes 2D-Durchleuchtungsbild der gleichen Perspektive wie die geänderte Darstellung der 3D-Mapping-Daten entsprechen würde. Auf diese Weise wird bei Aufnahme eines 2D-Durchleuchtungsbildes jeder Zeit die perspektivisch richtige Darstellung erhalten.

Claims

Verfahren zur visuellen Unterstützung einer elektrophysiologischen Katheteranwendung im Herzen, bei dem während der Durchführung der Katheteranwendung mit einem Röntgen-Bildaufnahmesystem (5) 2D-Durchleuchtungsbilder (13) eines behandelten Bereiches des Herzens aufgenommen und zusammen mit gleichzeitig bereit gestellten 3D-Mapping-Daten (14) des behandelten Bereiches visualisiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die 2D-Durchleuchtungsbilder (13) mit den 3D-Mapping-Daten (14) registriert werden, und die 3D-Mapping-Daten (14) jeweils in gleicher Perspektive wie die 2D-Durchleuchtungsbilder (13) neben den 2D-Durchleuchtungsbildern (13) oder daraus abgeleiteten Bildinhalten (15) oder diesen überlagert dargestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den 2D-Durchleuchtungsbildern (13) durch Segmentierung eine Kontur (15) ein oder mehrerer Objekte in dem behandelten Bereich extrahiert und als abgeleiteter Bildinhalt dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Darstellungsperspektive der 3D-Mapping-Daten (14) durch interaktive Rotation der Darstellung veränderbar ist und bei einer interaktiven Änderung das Bildaufnahmesystem (5) für die Aufnahme der 2D-Durchleuchtungsbilder (13) automatisch so angesteuert wird, dass ein 2D-Durchleuchtungsbild (13) unter der geänderten Perspektive aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Registrierung anhand von Landmarken erfolgt, die als 3D-Mapping-Daten (14) erfasst werden und in den 2D-Durchleuchtungsbildern (13) erkennbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Registrierung durch Oberflächenanpassung erfolgt, indem ein 3D-Oberflächenverlauf zumindest eines Teils des behandelten Bereiches, insbesondere einer Herzkammer, aus den 3D-Mapping-Daten (14) mit einer aus den 2D-Durchleuchtungsbildern extrahierten Kontur (15) zumindest eines Teils des behandelten Bereiches zumindest annähernd in Übereinstimmung gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Registrierung in einem ersten Stadium während der Durchführung der Katheteranwendung zunächst grob anhand von Landmarken erfolgt und in einem späteren zweiten Stadium durch Oberflächenanpassung verfeinert wird, bei der ein 3D-Oberflächenverlauf zumindest eines Teils des behandelten Bereiches, insbesondere einer Herzkammer, aus den 3D-Mapping-Daten (14) mit einer aus den 2D-Durchleuchtungsbildern (13) extrahierten Kontur (15) zumindest eines Teils des behandelten Bereiches zumindest annähernd in Übereinstimmung gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bildaufnahmesystem (5) vor Durchführung der Katheteranwendung hinsichtlich aller einstellbaren Aufnahmeperspektiven kalibriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bildaufnahmesystem (5) vor Durchführung der Katheteranwendung hinsichtlich aller einstellbaren Aufnahmeperspektiven kalibriert und eine relative Lage zwischen einem mit dem Bildaufnahmesystem (5) fest verbundenen 3D-Koordinatensystem und einem 3D-Koordinatensystem, in dem die 3D-Mapping-Daten (14) erfasst werden, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bildaufnahmesystem (5) vor Durchführung der Katheteranwendung hinsichtlich zumindest zweier unterschiedlicher Aufnahmeperspektiven kalibriert und eine relative Lage zwischen einem mit dem Bildaufnahmesystem (5) fest verbundenen 3D-Koordinatensystem und einem 3D-Koordinatensystem, in dem die 3D-Mapping-Daten (14) erfasst werden, ermittelt wird, wobei die Aufnahme der 2D-Durchleuchtungsbilder (13) nur unter den zumindest zwei kalibrierten Aufnahmeperspektiven erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Registrierung auf Basis der Kalibrierung und ermittelten relativen Lage automatisch erfolgt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche mit – einer oder mehreren Eingangsschnittstellen für 3D-Mapping-Daten (14) und Bilddaten von 2D-Durchleuchtungsbildern (13), – einem Registrierungsmodul (17), das für eine Registrierung der 2D-Durchleuchtungsbilder (13) mit den 3D-Mapping-Daten (14) ausgebildet ist, und – einem mit dem Registrierungsmodul (17) verbundenen Visualisierungsmodul (19), das die 3D-Mapping-Daten (14) jeweils in gleicher Perspektive wie die 2D-Durchleuchtungsbilder (13) neben den 2D-Durchleuchtungsbildern (13) oder daraus abgeleiteten Bildinhalten (15) oder diesen überlagert zur Visualisierung mit einem Anzeigegerät (4) bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Segmentierungsmodul (18) zur Segmentierung der 2D-Durchleuchtungsbilder (13) ausgebildet ist, um eine Kontur (15) eines behandelten Bereiches des Herzens als Bildinhalt zu extrahieren.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Registrierungsmodul (17) für die Registrierung anhand von Landmarken ausgebildet ist, die als 3D-Mapping-Daten (14) erfasst werden und in den 2D-Durchleuchtungsbildern (13) erkennbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Registrierungsmodul (17) für die Registrierung durch Oberflächenanpassung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Registrierungsmodul (17) für die Registrierung in einem mehrstufigen Prozess ausgebildet ist, bei dem die Registrierung in einem ersten Stadium während der Durchführung der Katheteranwendung zunächst grob anhand von Landmarken erfolgt und in einem späteren zweiten Stadium durch Oberflächenanpassung verfeinert wird, bei der ein 3D-Oberflächenverlauf zumindest eines Teils des behandelten Bereiches, insbesondere einer Herzkammer, aus den 3D-Mapping-Daten (14) mit einer aus den 2D-Durchleuchtungsbildern (13) extrahierten Kontur (15) zumindest eines Teils des behandelten Bereiches zumindest annähernd in Übereinstimmung gebracht wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Registrierungsmodul (17) für die automatische Registrierung auf Basis von Kalibrierdaten des Bildaufnahmesys tems (5) und einer bekannten relativen Lage zwischen einem mit dem Bildaufnahmesystem (5) fest verbundenen 3D-Koordinatensystem und einem 3D-Koordinatensystem, in dem die 3D-Mapping-Daten (14) erfasst werden, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Visualisierungsmodul (19) zur automatischen Anpassung der Darstellungsperspektive der 3D-Mapping-Daten (14) in Abhängigkeit von einer momentanen Aufnahmestellung des Bildaufnahmesystems (5) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuermodul (20) für die Ansteuerung des Bildaufnahmesystems (5) vorgesehen ist, das das Bildaufnahmesystem (5) bei interaktiver Rotation der Darstellung der 3D-Mapping-Daten (14) automatisch zur Anpassung der Aufnahmestellung an die geänderte Perspektive ansteuert.