DE102004038610A1 - System zur echtzeitfähigen Erfassung, Modellierung, Darstellung, Registrierung und Navigation von Gewebe - Google Patents

System zur echtzeitfähigen Erfassung, Modellierung, Darstellung, Registrierung und Navigation von Gewebe Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und System zur echtzeitfähigen Erfassung, Modellierung, Darstellung, Registrierung und Navigation von Gewebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden und ein System zu entwickeln, das intraoperativ einen Gefäßbaum im Inneren von biegeschlaffem Gewebe über eine 2-D- oder 3-D-Bildgebung (z. B. Ultraschall) räumlich erfassen, als Struktur modellieren, mit intraoperativen oder präoperativen Bildern registrieren, an einem Bildschirm darstellen und für die Instrumentennavigation auf der Basis von Planungsdaten nutzbar machen kann. Diese Aufgabe wird durch Verfahren und System nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. DOLLAR A Verfahren und System sind insbesondere für die echtzeitfähige Bildaufnahme, Modellierung, Registrierung, Darstellung und chirurgische Navigation von Gewebe und Organen mit innenliegenden Gefäßbäumen vorteilhaft anwendbar. Das System ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lage eines kalibrierten Bildsensors (1, 7) relativ zu einem Gewebe (2, 8) erfasst (6) wird, Merkmale (13) eines im Gewebe (2) liegenden Gefäßbaumes (3) in einem Einzelbild (12) kontinuierlich ausgewertet werden und aus räumlich benachbarten oder sich schneidenden Einzelbildern einer Bildfolge (14) ein elementares Modell (15) der Baumstruktur (Knoten, Anzahl der Äste am Knoten, räumliche Anordnung der Verästelung am Knoten) sowie dessen Lage relativ zum Gewebe (2) berechnet ...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und System zur echtzeitfähigen Erfassung, Modellierung, Darstellung, Registrierung und Navigation von Gewebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Verfahren und System sind insbesondere für die echtzeitfähige Bildaufnahme, Modellierung, Registrierung, Darstellung und chirurgische Navigation von Gewebe und Organen mit innenliegenden Gefäßbäumen geeignet.
  • In der Allgemeinchirurgie, Leberchirurgie und anderen chirurgischen Disziplinen wird Weichgewebe zu therapeutischen Zwecken offen oder lapraskopisch manipuliert. Es werden beispielsweise Gewebeteile abgetrennt (Transplantate, Resektionen) oder gezielt einer besonderen Strahlung (ionisierend, Teilchen, Kälte, Wärme, Radio usw.) ausgesetzt. Innerhalb des Gewebes liegen häufig Gefäße oder Strukturen mit besonderer Bedeutung für den Eingriff. Diese Strukturen sollen geschützt oder dürfen nicht geschädigt werden bzw. sollen entfernt oder bestrahlt werden. Die Kenntnis über die genaue Lage (Position und Orientierung) im Körper relativ zu einem Referenzkoordinatensystem spielt dabei eine bedeutende Rolle.
  • Das Problem der Lagebestimmung besteht darin, dass sich die Gefäße im Inneren des Gewebes befinden und von außen nicht einsehbar sind. Darüber hinaus ist das Gewebe biegeschlaff und ist sowohl Bewegungen als auch Deformationen ausgesetzt. Die Operationstechniken im Umgang mit Weichgewebe sind in der Chirurgie erprobt und beruhen auf einer intraoperativen Bildgebung meist auf der Basis von Ultraschall. Es besteht jedoch der Wunsch von Seiten der Chirurgen die bestehende Operationstechnik mit einer Navigationshilfe analog der Knochenchirurgie zu unterstützen.
  • Diese Weichgewebsnavigation spielt vor allem bei Leberlebendspenden eine besonders wichtige Rolle, bei der ein Organ geteilt wird und beide Hälften über einen kompletten Gefäßbaum verfügen müssen der ausreichend groß und vollständig vernetzt sein muss. Es besteht sonst die Gefahr, dass der Spender oder der Empfänger stirbt.
  • Für die Leberlebendspende gibt es aus diesem Grund inzwischen Planungsprogramme (Peitgen, Mevis), die aus präoperativen Bilddaten die Gefäßbäume für Spender und Empfänger berechnen, um das Transplantationsrisiko zu minimieren und den Spender maximal zu schützen. Diese Gefäßbaumdarstellungen sind gegenwärtig nur am Computer verfügbar und nicht auf den Patienten übertragbar.
  • Aus der Knochenchirurgie (Nolte, Medivision) und Neurochirurgie (Buchholtz, Medtronic) sind Navigationssysteme bekannt, die auf präoperativen Bildern der Skelettknochens beruhen. Da sich der Skelettknochen als Hartgewebe nicht deformiert, kann das präoperative Bild des Patienten intraoperativ als Patientenmodell im Computer verwendet werden. Über das Abgleichen von mindestens drei Punkt-Landmarken am Patienten, kann dann das Knochenmodell mit der Oberfläche des Patientenknochens abgeglichen werden. Die Registrierung beruht auf der Verwendung von Oberflächeninformationen einer festen Oberfläche, die intraoperativ abgeglichen werden können.
  • Ein weiteres Verfahren ist aus der Orthopädie (Aesculap, Lavallee) bekannt, bei dem keine Bildinformation sondern eine kinematische Information zur Planung verwendet wird. Dabei werden die Längen und Winkelstellungen bzw. die Freiheitsgrade der Bewegung des menschlichen Beins vermessen. Da in diesem Fall die Messmarken nach der Modellerfassung nicht mehr abgenommen werden, ist keine Registrierung mehr nötig. Die Registrierung beruht auf der Verwendung von kinematischen Daten der Verwendung von fixierten Landmarken.
  • Beim gegenwärtigen Stand der Technik (Weichteilchirurgie) gibt es keine Möglichkeit, intraoperativ den Gefäßbaum im Inneren des Gewebes in seiner intraoperativen Lage zu sehen.
  • Beim gegenwärtigen Stand der Technik (Weichteilchirurgie) gibt es keine Möglichkeit, intraoperativ Instrumente relativ zum Gefäßbaum im Inneren des Gewebes auszurichten oder zu führen.
  • Beim gegenwärtigen Stand der Technik (Weichteilchirurgie) gibt es keine Möglichkeit, intraoperativ Planungsdaten relativ zum Gefäßbaum im Inneren des Gewebes anzuzeigen oder zu projizieren.
  • Beim gegenwärtigen Stand der Technik (Weichteilchirurgie) gibt es keine Möglichkeit, intraoperativ die Instrumentenleistung nach Planungsvorgaben relativ zum Gefäßbaum im Inneren des Gewebes zu steuern, zu regeln oder zu begrenzen.
  • Beim gegenwärtigen Stand der Technik (Weichteilchirurgie) gibt es keine Möglichkeit einen präoperativ generierten Gefäßbaum mit einem intraoperativ gemessenen Gefäßbaum zu registrieren.
  • Die Verwendung von 2D-Ultraschall macht Querschnitte des Gefäßbaums kurzfristig sichtbar, gibt aber keinen Hinweis wie diese Querschnitte in Relation zu dem Gesamtbaum stehen. Durch die Deformation des Gewebes ist eine Orientierung nur sehr schwer möglich. Die oben beschrieben Nachteile werden durch 2D-Ultraschall nicht behoben.
  • Die Verwendung von 3D-Ultraschall kann zwar Teile des Gefäßbaums sichtbar machen, gibt aber ebenfalls keinen Hinweis darüber wo sich das entsprechende Segment im Gesamtbaum befindet. Durch die Deformation des Gewebes ist eine Orientierung nur sehr schwer möglich. Die oben beschrieben Nachteile werden durch 3D-Ultraschall nicht behoben.
  • Es gibt keinerlei Möglichkeiten eine computerbasierte Planung für Resektionen oder Schnittführungen zu übertragen, da eine Registrierung des biegeschlaffen Gewebes nach der Mobilisierung nicht mehr möglich ist und nur die Oberfläche des Gewebes sichtbar ist. Eine Registrierung des biegeschlaffen Gewebes auf der Basis von Oberflächendaten ist nicht möglich.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein Verfahren und System zu entwickeln, das intraoperativ einen Gefäßbaum im Inneren von biegeschlaffen Gewebe über eine 2D oder 3D Bildgebung (z.B. Ultraschall) räumlich erfassen, als Struktur modellieren, mit intraoperativen oder präoperativen Bildern registrie ren, an einem Bildschirm darstellen und für die Instrumentennavigation auf der Basis von Planungsdaten nutzbar machen kann.
  • Diese Aufgabe wird durch Verfahren und System nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Verfahren und System zur echtzeitfähigen Erfassung, Modellierung, Darstellung, Registrierung und Navigation von Gewebe sind dadurch gekennzeichnet, dass die Lage eines kalibrierten Bildsensors relativ zu einem Gewebe erfasst wird, Merkmale eines im Gewebe liegenden Gefäßbaumes in einem Einzelbild kontinuierlich ausgewertet werden und aus räumlich benachbarten oder sich schneidenden Einzelbildern einer Bildfolge ein elementares Modell der Baumstruktur (Knoten, Anzahl der Äste am Knoten, räumliche Anordnung der Verästelung am Knoten) sowie dessen Lage relativ zum Gewebe berechnet und als Gefäßbaumstrukturmodell gespeichert wird.
  • Verfahren und System sind insbesondere für die echtzeitfähige Bildaufnahme, Modellierung, Registrierung, Darstellung und chirurgische Navigation von Gewebe und Organen mit innenliegenden Gefäßbäumen vorteilhaft anwendbar.
  • Verfahren und System ermöglichen die intraoperative Berechnung eines Gefäßbaummodells aus 2D- und 3D Schichtbildern unter Berücksichtigung der intraoperativen Verformungssituation des Gewebes.
  • Verfahren und System ermöglichen die intraoperative Berechnung eines Gewebemodells unter Berücksichtigung der intraoperativen Verformungssituation des Gewebes.
  • Verfahren und System ermöglichen die intraoperative Registrierung eines Gewebemodells sowie eines Gefäßbaummodells unter Berücksichtigung der intraoperativen Verformungssituation des Gewebes.
  • Verfahren und System ermöglichen die intraoperative Darstellung eines Gewebemodells sowie eines Gefäßbaummodells unter Berücksichtigung der intraoperativen Verformungssituation des Gewebes.
  • Verfahren und System ermöglichen die intraoperative Darstellung von Planungsdaten relativ zu Gewebemodell/Gefäßbaummodell unter Berücksichtigung der intraoperativen Verformungssituation des Gewebes.
  • Verfahren und System ermöglichen die intraoperative Darstellung von Planungsdaten relativ zum intraoperativen Gewebe/Gefäßbaum unter Berücksichtigung der intraoperativen Verformungssituation des Gewebes.
  • Verfahren und System ermöglichen die intraoperative Darstellung und Führung von Instrumenten relativ zu Planungsdaten und zum intraoperativen Gewebe/Gefäßbaum unter Berücksichtigung der intraoperativen Verformungssituation des Gewebes.
  • Verfahren und System ermöglichen die intraoperative Steuerung von Instrumenten relativ zu Planungsdaten und zum intraoperativen Gewebe/Gefäßbaum unter Berücksichtigung der intraoperativen Verformungssituation des Gewebes.
  • Verfahren und System ermöglichen die intraoperative Generierung von Signalen relativ zu Planungsdaten und zum intraoperativen Gewebe/Gefäßbaum unter Berücksichtigung der intraoperativen Verformungssituation des Gewebes.
  • Verfahren und System ermöglichen die Steigerung der Sicherheit bei der Diagnose und Therapie von Weichgewebe.
  • Verfahren und System ermöglichen die Senkung des Komplikationsrisikos bei der Diagnose und Therapie von Weichgewebe.
  • Da keine weiteren Geräte notwendig sind, entsteht der Vorteil ohne die Anschaffung weiterer Komponenten für die Behandlung.
  • Es zeigen:
  • 1 Ein System zur echtzeitfähigen Erfassung, Modellierung, Darstellung, Registrierung von biologischen Gefäßstrukturen,
  • 2 Merkmalsstrukturen von Gefäßen in einzelnen und räumlich benachbarten Schichtbildern,
  • 3 Abstrakte und räumliche Gefäß- und Gewebemodelle,
  • 4 Ein Display mit Echtzeitschichtbildaufnahme und Projektion von rekonstruierten Gefäßbaummodellen,
  • 5 Ein Navigiertes Display mit Echtzeitschichtbildaufnahme und Projektion von rekonstruierten Gefäßbaummodellen als Aufsichtschirm,
  • 6 Ein Navigiertes Display mit Videoeinblendung, Echtzeitschichtbildaufnahme und Projektion von rekonstruierten Gefäßbaummodellen als Aufsichtschirm,
  • 7 Ein Gewebereferenzmodell und verformtes Gewebereferenzmodell,
  • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes System zur echtzeitfähigen Erfassung, Modellierung, Darstellung, Registrierung von biologischen Gefäßstrukturen. Es umfasst einen bildgebenden Sensor (1) zur intraoperativen Bildgebung des Gewebes (2) und der Gefäßstruktur (3). Des Sensor kann eine manuell oder endoskopisch geführte Ultraschallsonde oder ein Kleinröntgensensor sein oder ein andere Bildmodalität, die den Gefäßbaum abbilden kann. Die Bildinformation wird an einem Display (4) angezeigt. Der Bildschirm ist vorzugsweise ein Flachbildschirm mit angeschlossener Rechnereinheit (5) (Laptop, Panel-PC, usw.). Es wird ein Koordinatenmesssystem (6) verwendet (optisch, elektromagnetisch, mechanisch, usw.) zur kontinuierlichen Bestimmung der Lage (Position und Orientierung) von Landmarken im Raum. Die Landmarken repräsentieren Koordinatensysteme im Raum. Das Sensorkoordinatensystem (7) ist durch am Sensor befestigte Landmarken definiert. Ein Gewebekoordinatensystem (8) ist durch Landmarken am Gewebe oder in Gewebenähe befestigte Landmarken definiert. Ein Displaykoordinatensystem (9) ist durch Landmarken am Display definiert. Ein Instrumentenkoordinatensystem (11) ist durch Landmarken an einem Instrument (10) definiert. Als Koordinatenmesssystem ist im Bild eine Stereokamera und als Landmarken sind Reflektorsysteme dargestellt. Als Instrument ist ein einfacher Pointer dargestellt.
  • 2 zeigt Merkmalsstrukturen von Gefäßen in einzelnen und räumlich benachbarten Schichtbildern. Biologische Gefäßstrukturen sind auch in verrauschten Bilddaten wie beispielsweise Ultraschall -Schnittbilder durch kreisförmige bzw. elliptische Merkmale erkennbar. Im Bild ist ein Ultraschallbild (12) mit den Merkmalen (13) von drei Gefäßzweigen dargestellt. Diese Merkmale lassen sich in einem Menge bzw. Stapel von räumlich benachbarten Schnittbildern (14) wiederfinden und verfolgen, um die Struktur des Gefäßbaums (3) aus den Bilddaten zu rekonstruieren.
  • 3 zeigt ein abstraktes Gefäßbaummodell (15), das vor allem die Verzweigungsstruktur des Gefäßbaums enthält. Dieses wird zusammen mit der Information über Abstände und Durchmesser der Gefäßmerkmale (13) für die Rekonstruktion des räumlichen Gefäßbaummodells (16) verwendet. Es wird durch Ausbreitungsalgorithmen um Gewebe ergänzt bis hin zum räumlichen Gewebemodell (17)
  • 4 zeigt die Ultraschallsonde (1) mit einem darauf befestigten Kleindisplay (18). In diesem Fall sind Sensor- und Displaykoordinatensystem redundant. Auf dem Display ist das Schichtbild (12) mit den eingezeichneten Merkmalen (13) zu sehen. Zusätzlich ist eine Projektion (19) des rekonstruierten räumlichen Gefäßbaums auf dem Display angezeigt, die im Laufe der Zeit verblassen kann, um die Vergänglichkeit der Registrierungsinformation zu signalisieren.
  • 5 zeigt einen navigierten Flachbildschirm (4) mit Displaykoordinatensystem (9) der in direkter Nähe des Gewebes (2) angebracht ist und den Blickwinkel des Betrachters auf das Gewebe (2) berücksichtigt. Dies wird über die relative Lage des Displaykoordinatensystem (9) zum Gewebekoordinatensystem (8) erreicht. Am Bildschirm (4) sind die Umrisse des rekonstruierten Gewebemodells (17) sowie des rekonstruierten Gefäßbaums (16) dargestellt.
  • 6 zeigt einen navigierten Flachbildschirm (4) mit Displaykoordinatensystem (9) und Einblendung von Videoinformation (20) der in direkter Nähe des Gewebes(2) angebracht ist und den Blickwinkel des Betrachters auf das Gewebe (2) berücksichtigt. Dies wird über die relative Lage des Displaykoordinatensystem (9) zum Gewebekoordinatensystem (8) erreicht. Am Bildschirm (4) sind das Videobild des Gewebes (2), die Umrisses des rekonstruierten Gewebemodells (17) sowie des rekonstruierten Gefäßbaums (16) dargestellt. Weiterhin ist die Echtzeitbildgebung (12) lagerichtig eingezeichnet. Abweichungen der Lage der Rekonstruktion (17) und der Videodarstellung des Gewebes (2) geben Hinweise auf die Genauigkeit der Registrierung. Durch ein Verschieben des Displays kann die Registrierung verbessert werden.
  • 7 zeigt ein vorliegendes Gewebereferenzmodell (21) mit einem innenliegenden Gefäßbaum sowie ein verformtes Geweberefenzmodell (22), das an die Lage des in Echtzeit erfassten Gewebestrukturmodells bzw. Gefäßbaummodell angepasst ist.
  • Verfahren und System kommen folgendermaßen zum Einsatz: Echtzeitbilderfassung: Mit der intraoperativen Bildgebung (Ultraschall, Röntgen usw.) werden vom Chirurgen intraoperativ Aufnahmen des biegeschlaffen Gewebes mit dem darin liegenden Gefäßbaum aufgenommen. Dabei ist an dem bildgebenden Sensor (z.B. Ultraschallkopf, Ultraschall-Endoskop, Röntgensensor) ein Sensorkoordinatensystem definiert, dessen Lage (Position und Orientierung) im Raum über Landmarken von einer Koordinatenmesseinrichtung (optisch, elektromagnetisch, usw.) ständig erfasst werden kann. Der Sensor liefert kalibrierte Bilddaten, deren Lage relativ zum Sensorkoordinatensystem definiert bzw. bekannt ist.
  • Die Bilddaten des Sensors sind in der Praxis meist 2-dimensional. Die beschriebene Methode funktioniert jedoch auch mit 3-dimensionalen Bilddaten.
  • Segmentierung der Gefäßbaumquerschnitte: Ein Segmentierungsalgorithmus sucht in den Bildern nach den Schnitten bzw. Volumenelementen des Gefäßbaums. Dabei zeigt der Bildausschnitt in den meisten Fällen immer nur einen Ausschnitt des Gewebes und des Gefäßbaums.
  • Speicherung der Gefäßbaumquerschnitte: Die segmentierten Gefäßbaumelemente werden vom Computer mit ihrer räumlichen Lage gespeichert. Gespeichert werden für jeden im Bild sichtbaren Zweig des Gefäßbaums die Form, die Größe und die räumliche Position des Zweigelements.
  • Zur Erhöhung der Registrierungsgeschwindigkeit und der Verlängerung des zeitlichen Vertrauensintervalls für die Zuverlässigkeit der Registrierungsinformation ist es möglich, an dem Gewebe (Gefäßbaum) oder in seiner unmittelbaren Nähe (z.B. an der Hand oder Schale, in der sich das Gewebe befindet) ebenfalls ein Gewebekoordinatensystem zu definieren, dessen Lage (Position und Orientierung) im Raum über Landmarken von einer Koordinatenmesseinrichtung (optisch, elektromagnetisch, usw.) ständig erfasst werden kann. In diesem Fall wird die räumliche Lage des Sensors relativ zum dem Gewebe bestimmt.
  • Berechnung des abstrakten Gefäßbaummodells durch Analyse der Gefäßbaumquerschnitte in Bildfolgen: Wird der Sensor jetzt langsam über das Gewebe geschoben, dann kann über die gespeicherte Information der dabei aufgenommenen und in den Einzelbildern vorhandenen Informationen über Position, Form und Größe einzelner Zweigelemente ein Modell des Gefäßbaums erstellt werden. Dabei wird als zusätzliche Information das Wissen darüber verwendet, dass die Zweige des Gefäßbaumes miteinander verbunden sein müssen.
  • Speicherung der Baumstruktur des Gefäßbaums: Auf diesem Wege wird ein bildunabhängiges geometrisches Modell des Gefäßbaumes erstellt. Hierbei werden vor allem die Verzweigungsstruktur des Baumes und die Länge und Durchmesser der Äste zwischen Zweigen gespeichert. Dieses Verfahren funktioniert auch dann, wenn der Gefäßbaum sich bei den Aufnahmen verformt, da die Baumstruktur bei der Verformung unverändert bleibt. Selbst wenn der Gefäßbaum stark deformiert wird und sich die Volumen der Zweige verändern, bleibt die Baumstruktur erhalten.
  • Wird ein 3D Sensor verwendet, dann lässt sich das Verfahren analog mit Schnittbildern aus dem 3D-Sensor verwenden, wobei zumindest die Außenflächen des 3D-Bildes ausgewertet werden können, um das Anschlussbilder einzelnen 3D-Bilder zu ermöglichen.
  • Generierung eines Gewebemodells: Mit der Information über Größe, Lage und Struktur des Gefäßbaumes kann jetzt ein geometrisches Modell des Gewebes zwischen den Gefäßbäumen berechnet bzw. approximiert werden. Grundlage dieser Berechnung ist der bekannte Gewebe- bzw. organspezifische Zusammenhang zwischen Organ und Gefäßbaum. Auf diesem Wege wird auch ein Oberflächenmodell des Gewebes berechnet.
  • Registrierung mit einem präoperativ aufgenommenen Gefäßbaummodell: Auf der Grundlage des mit der intraoperativen Bildgebung aufgenommenen und berechneten Gefäßbaummodells kann ein Vergleich mit einem präoperativ berechneten Gefäßbaum durchgeführt werden. Dabei kann auch die räumliche Lage des präoperativen Gefäßmodells relativ zum Gewebekoordinatensystem berechnet werden (Registrierung). Dies geschieht auf der Basis des Verlaufs der Baumstruktur. Diese Berechnung ist deutlich einfacher als eine Deformationsberechnung des Gewebes und auch deutlich zuverlässiger. Das Gewebemodell folgt auch hier wieder dem Gefäßbaummodell.
  • Registrierung des Gefäßbaums in dem Echtzeitbild: Werden Gewebeabschnitte mit den innenliegenden Gefäßbaum erneut mit der Bildgebung (z.B. Ultraschall) erfasst, dann kann jetzt ein zuvor aufgenommenes Gefäßbaummodell (und Gewebemodell) sowie ein präoperativ aufgenommenes und registriertes Gefäßbaummodell (und Gewebemodell) auf der Basis der Verzweigungsinformation sowie der Länge und Größe der Verästelung in Echtzeit registriert und in seiner Lage zum Sensorkoordinatensystem bzw. Gewebekoordinatensystem kontinuierlich mitgeführt werden. Visualisierung des Gefäßbaums in dem Echtzeitbild: Mit der Lageinformation des Gefäßbaumes relativ zum Bildsensor kann die approximierte Lage des Gefäßbaums in das Echtzeitbild des Sensors eingezeichnet werden. Auf diese Weise erhält der Behandler sowohl die Information über die Lage des Gefäßbaums als auch die sehr wichtige Information, ob seine Wahrnehmung des Gefäßbaums mit der des System übereinstimmt. Erkennt der Behandler unterschiede zwischen Visualisierung und persönlicher Wahrnehmen, dann muss die Lage des Gefäßbaums neu registriert werden. Dies ist unter anderem dann der Fall, wenn Teile des Gewebes mit dem Gefäßbaum zerschnitten oder abgetrennt wurden.
  • Die Visualisierung kann 2-dimensional oder 3-dimensional erfolgen. Es ist sinnvoll, auch Strukturen des Gefäßbaums in das Bild einzublenden, die nicht im Einzelbild sichtbar sind. Die Visualisierung kann direkt am Ultraschallkopf erfolgen. Die Visualisierung kann mit einem Bildschirm über dem OP-Gebiet erfolgen.
  • Zeitliche Begrenzung der Registrierinformation: Da es sich um biegeschlaffes Gewebe handelt und dieses stark verformt werden kann, ist es sinnvoll die Lageregistrierung mit einem zeitlich befristeten bzw. abnehmenden Vertrauensintervall zu belegen und wiederholt eine Echtzeitbildgebung zur Auffrischung bzw. Aktualisierung der Lageinformation des Gefäßbaums zum Gewebekoordinatensystem vom Behandler anzufordern. Dies kann beispielsweise durch ein Verblassen der visualisierten Bilddaten oder auf expliziter Aufforderung hin geschehen.
  • Navigiertes Display bzw. Bildbetrachter: Mit einem navigierten Display ist es möglich, die Echtzeitbildgebung in der entsprechenden relativen Lage zum Gewebekoordinatensystem darzustellen. Es ist ebenfalls möglich, unterschiedliche Zusatzinformationen wie Oberflächendaten oder Trennlinien oder Schneiddaten in der entsprechenden relativen Lage zum Gewebekoordinatensystem darzustellen. Mit einen navigierten Durchlichtdisplay (Flachbildschirm mit rückseitig montierter kalibrierter Videokamera) kann zusätzlich das Originalgewebe auf dem Display dargestellt werden.
  • Registrierung mit dem navigierten Durchlicht-Display: Dies ermöglicht die Registrierinformation über eine weitere Bildmodalität, in diesem Fall visuell auf Videobildbasis zu kontrollieren und gegebenenfalls zu korrigieren. Dazu kann das Display so verschoben werden, bis die berechnete Bildinformation mit der realen Bildinformation übereinstimmt.
  • Navigation: Auf diesem Wege hat der Chirurg bei der bisherigen Behandlung von Weichgewebe jetzt ein Navigationssystem für registrierte Bilddaten zur Verfügung, das sich auf die Gefäßstruktur des Gewebes stützt.
  • Wie im bisherigen Stand der Technik können jetzt auch Instrumente sowie Planungsdaten in diese Bilddaten eingeblendet werden, um den Behandler bei der Schnittführung oder Resektion zu unterstützen.
    • 1
    Intraoperativer Bildsensor
    2
    Gewebe
    3
    Gefäßbaum
    4
    Display
    5
    Computer
    6
    Koordinatenmesssystem
    7
    Sensorkoordinatensystem
    8
    Gewebekoordinatensystem
    9
    Displaykoordinatensystem
    10
    Instrument
    11
    Instrumentkoordinatensystem
    12
    Ultraschallbild
    13
    Gefäßmerkmale
    14
    Menge von Schnittbildern
    15
    Gefäßbaumstrukturmodell
    16
    Räumliches Gefäßbaummodell
    17
    Räumliches Gewebemodell
    18
    Sensordisplay
    19
    Projektion des Gefäßmodells
    20
    Videobild
    21
    Gewebereferenzmodell
    22
    Verformtes Referenzmodell

Claims (11)

  1. Ein System zur echtzeitfähigen Erfassung, Modellierung, Darstellung, Registrierung und Navigation von biologischem Gewebe mit eingebetteten durch Bildgebung erfassbaren Baumstrukturen dadurch gekennzeichnet, dass die Lage eines kalibrierten Bildsensors (1, 7) relativ zu einem Gewebe (2, 8) erfasst (6) wird, Merkmale (13) eines im Gewebe (2) liegenden Gefäßbaumes (3) in einem Einzelbild (12) kontinuierlich ausgewertet werden und aus räumlich benachbarten oder sich schneidenden Einzelbildern einer Bildfolge (14) ein elementares Modell (15) der Baumstruktur (Knoten, Anzahl der Äste am Knoten, räumliche Anordnung der Verästelung am Knoten) sowie dessen Lage relativ zum Gewebe (2) berechnet und als Gefäßbaumstrukturmodell (15) gespeichert wird.
  2. Ein System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es neben dem elementaren Modell der Baumstruktur (15) auch Länge und Durchmesser der Äste berechnet und als Gefäßbaummodell (16) speichert.
  3. Ein System nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass es auf der Basis des Gefäßbaummodells (15, 16) ein räumliches Modell (17) des Gewebes (2) um den Gefäßbaum (3) herum berechnet und als Gewebemodell (17) speichert.
  4. Ein System nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass es die Lage (Position und Orientierung) eines in Echtzeit erfassten Gefäßbaumstrukturmodell (15) sowie eines Gefäßbaummodells (16) in einem vorher bekannten Gewebereferenzmodell (21) mit bekanntem Gefäßbaum berechnet. Das Gewebereferenzmodell (21) kann von dem System selbst aufgenommen worden sein, oder mit einem anderen bildgebenden System. Aus dem Gewebereferenzmodell (21) wird ein verformtes Gewebereferenzmodell (22) berechnet, das der aktuelle Lage (Position und Orientie rung) des Gefäßbaumstrukturmodells (15) und des Gefäßbaummodells (16) im Gewebe (2) entspricht.
  5. Ein System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es die Position des aktuellen Echtzeitbildes (12) im (verformten) Gewebereferenzmodell (21, 22) in dem Echtzeitbild (12) einzeichnet und dem Bediener anzeigt (4). Die Position kann numerisch, als Schnittbild, Ausschnitt, oder Projektion angezeigt werden.
  6. Ein System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es das aktuelle Echtzeitbild (12) in die Darstellung des (verformten) Gewebereferenzmodell (21, 22) einzeichnet und dem Bediener anzeigt (4). Die Darstellung des Echtzeitbildes (12) kann 2D oder 3D als Schnittbilder, Projektion oder Volumenelement erfolgen.
  7. Ein System nach Anspruch 5-6, dadurch gekennzeichnet, dass es Planungsdaten (Konturen, Linien, Oberflächen) die relativ zu einem (verformten) Gewebereferenzmodell (21, 22) bekannt sind, räumlich richtig relativ zur aktuellen Lage des Gewebestrukturbaums (15) des Gewebes (2) in die Darstellung des aktuellen Echtzeitbildes (12) sowie in eine Darstellung des (verformten) Gewebereferenzmodell (21, 22) einzeichnet. Die Planungsdaten können numerisch, als Schnittbild, Ausschnitt oder Projektion angezeigt (4) werden.
  8. Ein System nach Anspruch 5-7, dadurch gekennzeichnet, dass es die Lage eines Instruments (10) kontinuierlich erfasst (6,11) und räumlich richtig relativ zur aktuellen Lage des Gewebestrukturbaums (15) des Gewebes (2) in eine Darstellung des aktuellen Echtzeitbild (12), der Planungsdaten oder des (verformten) Gewebereferenzmodell (21, 22) einzeichnet.
  9. Ein System nach Anspruch 5-8, dadurch gekennzeichnet, dass es bei der Darstellung (4) die Lage (8) des Gewebes (2) relativ zum Bildschirm (4, 9) berücksichtigt und die Darstellung der Lage (8) des Gewebes zum Bildschirm (4, 9) so anpasst, dass die Ausrichtung des Gewebes (2) auf dem Bild der Ausrichtung des Gewebes (8) relativ zum Bildschirm (9) entspricht.
  10. Ein System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine zum Bildschirm (4) kalibrierte Videokamera ein Bild (20) des Gewebes (2) aufnimmt und die Abweichung des Videobilds (20) des Gewebes von der Darstellung des (verformten) Gewebereferenzmodells (22) zur Messung der Übereinstimmung von Registrierung und Verformung verwendet wird.
  11. Ein System nach Anspruch 6-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Planungsdaten zur Steuerung bzw. Regelung der Instrumentenleistung verwendet werden.
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