DE102005039657A1 - Verfahren zur Darstellung einer Vorrichtung in einem 3-D-Bild eines Volumendatensatzes - Google Patents

Verfahren zur Darstellung einer Vorrichtung in einem 3-D-Bild eines Volumendatensatzes Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Darstellung einer in ein Gefäßsystem eingebrachten Vorrichtung, insbesondere eines medizinischen Instruments, in einem 3-D-Volumendatensatz mittels Erstellung von 2-D-Durchleuchtungsbildern der Vorrichtung, wobei aus aufeinander folgenden 2-D-Durchleuchtungsbildern der Vorrichtung rekursiv Informationen in die bisherigen Informationen oder das bisherige Wissen über die 3-D-Positionen integriert werden, wobei aus dem 3-D-Volumendatensatz Informationen bestimmt werden, welche 3-D-Positionen für die Vorrichtung plausibel sind, und dass aufgrund der Informationen aus den bisherigen Informationen oder dem Wissen und den Bestimmungen die aktuell mögliche Position der Vorrichtung in das Bild des 3-D-Volumendatensatzes eingeblendet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Darstellung einer in ein Gefäßsystem eingebrachten Einrichtung, insbesondere eines medizinischen Instruments, in einem 3-D-Volumendatensatz mittels Erstellung von 2-D-Durchleuchtungsbildern der Einrichtung.
  • In zunehmendem Maße erfolgen Eingriffe an Patienten minimalinvasiv, indem beispielsweise ein Katheter oder ein anderes medizinisches Instrument unter Röntgenkontrolle über die Blutbahn an die erkrankte Körperstelle gebracht wird. Behandelt werden damit unter anderem Tumore, Aneurysmen, AVMs (Arterien-Venen-Fehlbildung (Arterio Venous Malformatio)) und Stenosen. Die Navigation des Katheters vom Eintrittspunkt in den Körper bis zum Krankheitsort stellt dabei auch für erfahrene Mediziner eine große Herausforderung dar. Hervorzuheben ist dabei die Navigation im Neuro-Bereich, da die gezielte Steuerung im filigran verzweigten Gefäßsystem des Gehirns hohe Anforderungen stellt.
  • Das Problem dabei ist, dass zwar der Katheter während der Röntgendurchleuchtung deutlich sichtbar ist, die Anatomie des Patienten, insbesondere seine Gefäßstruktur, dagegen aber kaum, oder gegebenenfalls nur nach Injektion von Kontrastmittel im Durchleuchtungsbild erkennbar ist.
  • Nachdem in den letzten Jahren vermehrt die Verwendung von 3-D-Bilddatensätzen eingesetzt wurden und allgemein verfügbar sind, wie dies beispielsweise aus der US 5,764,719 oder der DE 101 46 915 B zu entnehmen ist, ist es das Ziel, den Katheter nicht mehr nur im 2-D-Durchleuchtungsbild sichtbar zu haben, sondern auch in einem 3-D-Datensatz des Patienten.
  • Die bisherigen Problemlösungen können in 2-D- und in 3-D-Visualisierung des medizinischen Instruments im Gefäßsystem unterteilt werden.
  • 2-D-Visualisierung von Gefäßsystem und Katheter:
  • Seit vielen Jahren Stand der Technik und gängig ist die Verabreichung von Kontrastmittel im Bereich des Gefäßsystems, in dem beispielsweise ein Katheter gerade bewegt wird, Speicherung eines Durchleuchtungsbilds, in dem das Kontrastmittel die Gefäße sichtbar macht, als Referenzbild und Unterlegen dieses Bildes den weiteren Durchleuchtungen. Eine derartige Visualisierung ist als so genannte Pfadfinder- oder Roadmap-Technik beispielsweise aus der US 4,709,385 bekannt.
  • 3-D-Visualisierung des Katheters im Gefäßsystem:
  • Die Schwierigkeit hierbei besteht darin, dass eine Korrespondenz zwischen mindestens einem Punkt im 2-D-Durchleuchtungsbild (z.B. der Spitze des Katheters) und dem 3-D-Datensatz hergestellt werden muss.
    • • Stehen mindestens zwei Durchleuchtungsbilder zur Verfügung, deren Projektionsrichtungen unter einem Winkel zueinander stehen, so ergibt sich die gesuchte 3-D-Position aus den Schnittlinien der Rückprojektionsebenen. Ein derartiges Verfahren, das diesem Ansatz folgt, ist beispielsweise in der US 2003/0220555 A1 beschrieben.
    • • Elektroanatomie-Mapping Systeme, wie beispielsweise „Biosense Webster's CARTOTM XP EP Navigation", arbeiten mit speziellen, magnetischen sensitiven Kathetern, die von externen Sensoren lokalisiert werden können, wie dies beispielsweise der Internet-Seite des Herstellers http://www.jnjgateway.com/home.jhtm.l?loc=USENG&page=viewContent&contentId=09008b988008e25c&nodekey=/Prod_Info/Company/Biosense_Webster/Electrophysiology/EP_Navigation_Systems zu entnehmen ist.
  • Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass aus 2-D-Durchleuchtungsbildern die Positionen eines in das Gefäßsys tem eines Patienten eingebrachten medizinischen Instruments auf einfache Weise in einem 3-D-Bild eines Volumendatensatzes eingeblendet werden können.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass aus aufeinander folgenden 2-D-Durchleuchtungsbildern der Vorrichtung rekursiv Informationen in die bisherigen Informationen oder das bisherige Wissen über die 3-D-Positionen integriert werden, wobei aus dem 3-D-Volumendatensatz Informationen bestimmt werden, welche 3-D-Positionen für die Vorrichtung plausibel sind, und dass aufgrund der Informationen aus den bisherigen Informationen oder dem Wissen und den Bestimmungen die aktuell mögliche Position der Vorrichtung in das Bild des 3-D-Volumendatensatzes eingeblendet wird. Dadurch wird eine einfache Bestimmung der räumlichen Position eines in das Gefäßsystem eines Patienten eingebrachten medizinischen Instruments aus einer Serie von Durchleuchtungsbildern ermöglicht. Durch die Integration von mehreren 2-D-Bildern wird eine genaue Schätzung der 3-D-Position erst möglich, da die 2-D-Bilder nur in ihrer Gesamtheit (Integration) Informationen enthalten, die kein einzelnes Bild und meist auch keine beliebige Teilmenge dieser Bilder enthalten.
  • Eine wesentliche Eigenschaft des Verfahrens ist, dass die Informationen neuer Bilder integriert werden können, ohne dass die alten Bilder noch vorhanden sein müssen, wie dies die Formulierung "rekursiv" ausdrückt.
  • Zu den Informationen oder dem Wissen gehören alle möglichen Positionen des Katheters, die in ihrer zeitlichen Abfolge seine Bewegung beschreiben. Dazu gehört auch für jede Position des Katheters die entsprechende Projektionsmatrix, da nur dadurch ein Bezug zwischen 2-D-Koordinaten im Bild und 3-D-Koordinaten im 3-D-Volumen hergestellt werden kann. Mit dem Vorhandensein der Projektionsmatrizen ist auch sichergestellt, dass externe Anlagenparameter, wie C-Bogen-Angulation, Zoom, Tischposition, etc., nicht noch weiter gesondert betrachtet werden müssen.
  • Auch 2-D-Durchleuchtungsbilder mit gleichen Positionen des Instruments liefern wertvolle neue Informationen: Die Schätzung wird dadurch nämlich genauer. Es können aus Bildern gleicher Instrumentenposition zwar viele Typen von Mehrdeutigkeiten nicht aufgelöst werden, aber neue 2-D-Durchleuchtungsbilder, die erfindungsgemäß bei unterschiedlichen Positionen des Instruments erstellt werden, sind immer ein Informationsgewinn, der die Schätzung verbessert.
  • Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Bestimmung und Visualisierung der 3-D-Koordinaten des in das Gefäßsystem eingebrachten medizinischen Instruments unter Berücksichtigung von Ambiguitäten, d.h. Doppel- oder Mehrdeutigkeiten, aus einer Folge von Durchleuchtungsbildern erfolgt, wobei die Informationen über die Position des medizinischen Instruments über die Zeit hinweg fusioniert werden, um zu beliebigen Zeitpunkten eine aktuelle Schätzung der wahrscheinlichsten 3-D-Positionen zu erhalten.
  • In vorteilhafter Weise kann das Verfahren folgende Schritte aufweisen:
    • a) Erstellung eines 3-D-Volumendatensatzes des Untersuchungsobjekts,
    • b) Erstellung eines ersten Durchleuchtungsbildes,
    • c) 2-D/3-D-Registrierung von Durchleuchtungsbildern mit dem 3-D-Volumendatensatz,
    • d) Schätzung der 3-D-Position eines in das Gefäßsystem des Untersuchungsobjekts eingebrachten medizinischen Instruments mit Hilfe eines Verfahrens, das für jede 3-D-Position die Sicherheit/Güte ausdrückt, dass sich das Instrument an dieser Position befindet,
    • e) Bestimmung von möglichen 3-D-Koordinaten des in das Gefäßsystem des Untersuchungsobjekts eingebrachten medizinischen Instruments,
    • f) Visualisierung der möglichen 3-D-Positionen in dem 3-D-Volumendatensatz,
    • g) Erstellung weiterer Durchleuchtungsbilder und Wiederholung der Schritte c) oder d) bis f).
  • Die "möglichen 3-D-Koordinaten" gemäß Schritt e) ergeben sich aus den Güten aller möglichen 3-D-Positionen, indem man z.B. nur die n-besten oder die, die eine bestimmte Mindestgüte erreichen, auswählt.
  • Der Sprung von Schritt g) zurück zu Schritt c) ist nur nötig, wenn die 2-D/3-D-Registrierung nicht mehr gültig ist, wobei es vom Prinzip her auch nicht schädlich ist, die 2-D/3-D-Registrierung immer durchzuführen.
  • Erfindungsgemäß kann als Schritt d) eine probabilistische Schätzung der 3-D-Position eines in das Gefäßsystem des Untersuchungsobjekts eingebrachten medizinischen Instruments mit Hilfe einer Dichte erfolgen, die für jede 3-D-Position die Wahrscheinlichkeit ausdrückt, dass sich das Instrument an dieser Position befindet
  • Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn als erster Schritt d) nach der Erstellung eines ersten Durchleuchtungsbildes eine manuelle Auswahl der entsprechenden Anfangs-Position im Durchleuchtungsbild erfolgt.
  • Alternativ können als erster Schritt d) nach der Erstellung eines ersten Durchleuchtungsbildes eine Auswahl der entsprechenden Anfangs-Position im Durchleuchtungsbild durch Differenzbildverfahren oder eine Identifizierung der entsprechenden Anfangs-Position im Durchleuchtungsbild durch Verfahren der Objekt- bzw. Mustererkennung erfolgen.
  • Die Aufgabe wird für eine Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einer Röntgendiagnostikeinrichtung mit einem Detektor zur Erfassung von Durchleuchtungsbildern und Betrachtungsmonitoren zur Wiedergabe der Durchleuchtungsbilder der Detektor mit einer Mischstufe zur Einblendung eines durch eine Auswahlschaltung festgelegten Punktes verbunden ist, dass der Ausgang der Mischstufe mit einem der Betrachtungsmo nitore zur Wiedergabe des Durchleuchtungsbildes und weiterhin mit dem Eingang einer Rückprojektionsstufe verbunden ist, der aus einem Matrixspeicher einer Projektionsmatrix der 2-D/3-D-Registrierung zugeführt wird, dass an einem 3-D-Bildspeicher für einen 3-D-Volumendatensatz eine Stufe (15) zur Gefäßsegmentierung angeschlossen ist, und dass die Rückprojektionsstufe und die Stufe zur Gefäßsegmentierung mit einer Vorrichtung zur Punktbestimmung verbunden sind, deren Ausgang an einem 3-D-Monitor der Betrachtungsmonitore angeschlossen ist.
    •
  • Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Röntgendiagnostikeinrichtung,
  • 2 einen Teil des Bildsystems gemäß 1,
  • 3 ein erstes Durchleuchtungsbild mit einem Katheter,
  • 4 einen 3-D-Volumendatensatz mit den zu der 3 entsprechenden Markierungen,
  • 5 ein zweites Durchleuchtungsbild mit weiter vorgeschobenem Katheter,
  • 6 einen zu der 5 gehörenden 3-D-Volumendatensatz mit Markierungen,
  • 7 ein drittes Durchleuchtungsbild mit noch weiter vorgeschobenem Katheter,
  • 8 einen 3-D-Volumendatensatz mit den zu der 7 entsprechenden Markierungen,
  • 9 ein viertes Durchleuchtungsbild mit weiter vorgeschobenem Katheter mit anderem Blickwinkel,
  • 10 einen zu der 9 gehörenden 3-D-Volumendatensatz mit Markierungen und
  • 11 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In der 1 ist eine Röntgendiagnostikeinrichtung dargestellt, die einen an einem Ständer 1 drehbar gelagerten C-Bogen 2 aufweist, an dessen Enden ein Röntgenstrahler 3 und ein Röntgenbilddetektor 4 angebracht sind.
  • Anstelle des dargestellten Ständers 1 können auch Boden- und/oder Deckenstative Verwendung finden. Der C-Bogen 2 kann auch durch einen so genannten elektronischen C-Bogen 2 ersetzt werden, bei dem eine elektronische Kopplung von Röntgenstrahler 3 und Röntgenbilddetektor 4 erfolgt.
  • Der Röntgenbilddetektor 4 kann ein rechteckiger oder quadratischer, flacher Halbleiterdetektor sein, der vorzugsweise aus amorphem Silizium (aSi) erstellt ist.
  • Zur Untersuchung ist auf einem Patientenlagerungstisch 5 ein Patient 6 angeordnet, der durch den Röntgenstrahler 3 durchstrahlt wird, so dass auf dem Röntgenbilddetektor 4 ein entsprechend der Strahlentransparenz des Patienten 6 geschwächtes Signal fällt.
  • Das Ausgangssignal des Röntgenbilddetektors 4 wird von der Röntgendiagnostikeinrichtung an ein Bildsystem 7 geliefert, das die Steuerung der Röntgendiagnostikeinrichtung sowie die weitere Verarbeitung der digitalen Bildsignale bewirkt. Die derart verarbeiteten digitalen Bildsignale werden einer Vorrichtung zur Darstellung von Positionen eines in ein Gefäßsystem eingebrachten medizinischen Instruments in einem 3-D-Volumendatensatz zugeführt, die weiter unten noch beschrieben wird. An dem Bildsystem 7 ist ein Speicher 8 für einen 3-D-Volumendatensatz und eine Projektionsmatrix angeschlossen.
  • Das Bildsystem 7 erzeugt in bekannter Weise aus den digitalen Bildsignalen Videosignale, die auf Betrachtungsmonitoren 9 wiedergegeben werden können. Dabei kann auf dem einen Monitor ein Durchleuchtungsbild und auf dem zweiten ein Bild eines 3-D-Volumendatensatzes dargestellt sein.
  • In der 2 ist ein Teil des Bildsystems 7 wiedergegeben. Das aktuelle Durchleuchtungsbild wird einer Mischstufe 10 zugeführt, in der ein durch eine Auswahlschaltung 11 festgelegter Punkt eingeblendet wird, der die Katheterspitze repräsentieren soll. Dieser Punkt kann mittels der Auswahlschaltung 11 beispielsweise durch manuelle Auswahl der entsprechenden Position im Bild, durch Differenzbildverfahren oder durch Verfahren der Objekterkennung bzw. Mustererkennung identifiziert werden. Wird durch die automatische Erkennung des Punktes dieser nicht richtig im Durchleuchtungsbild wiedergegeben, kann eine manuelle Korrektur erfolgen.
  • Das Ausgangssignal der Mischstufe 10 wird zum einen auf einem der Betrachtungsmonitore 9 für das Durchleuchtungsbild wiedergegeben. Die Mischstufe 10 ist weiterhin mit dem Eingang einer Rückprojektionsstufe 12 verbunden, der aus einem Matrixspeicher 13 eine Projektionsmatrix Pt zugeführt wird, die die 2-D/3-D-Registrierung beinhaltet.
  • Der in einem 3-D-Bildspeicher 14 enthaltene 3-D-Volumendatensatz ist mit einer Stufe 15 zur Gefäßsegmentierung verbunden, deren Ausgangssignal einer Vorrichtung 16 zur Punktbestimmung zugeführt wird, die mit dem 3D-Monitor der Betrachtungsmonitore 9 verbunden ist.
  • Der Matrixspeicher 13 für die Projektionsmatrix Pt und der 3-D-Bildspeicher 14 können in dem Speicher 8 enthalten oder getrennte Datenspeicher in dem Bildsystem 7 sein.
  • Das im Folgenden beschriebene, erfindungsgemäße, in dem Bildsystem 7 gemäß 2 realisierte Verfahren ermöglicht die Bestimmung und Visualisierung der 3-D-Koordinaten des in das im Gefäßsystem eingebrachten medizinischen Instruments unter Berücksichtigung von Ambiguitäten aus einer Folge von Durchleuchtungsbildern, die nicht unter einem Winkel zueinander stehen müssen. Dabei werden die Informationen über die Position des medizinischen Instruments über die Zeit hinweg fusioniert, um zu beliebigen Zeitpunkten eine aktuelle Schätzung der wahrscheinlichsten 3-D-Positionen bereitzustellen.
  • Bestimmung der 3-D-Koordinaten
  • Folgende Daten und Datenstrukturen werden als gegeben vorausgesetzt:
    • • 3-D-Volumendatensatz, bestehend aus Voxeln vxzy: V = (vxyz)
    • • Eine Segmentierung des Gefäßbaums des 3-D-Volumendatensatzes V, die eine Klassifikation jedes Voxels in die Klassen „dem-Gefäßbaum-zugehörig" und „dem-Gefäßbaumnicht-zugehörig" liefert:
      Figure 00090001
  • Zusätzlich stellt die Segmentierung die Gefäßbaum-Center-Lines bereit. Dafür können Verfahren aus der Literatur verwendet werden, die beispielsweise in „Schnelle, interaktive Segmentierung medizinischer 3D-Datensätze durch Anwendung der Image Foresting Transformation in zwei verschiedenen Auflösungsstufen" von Regina Pohle et al., erschienen im Springer-Verlag in der Reihe Informatik Aktuell, Bildverarbeitung für die Medizin 2002 – Algorithmen-Systeme-Anwendungen, Proceedings des Workshops vom 10. bis 12. März 2002 in Leipzig, beschrieben ist.
    • • Durchleuchtungsbilder ft zu den Zeitpunkten t mit den zugehörigen Parametern der C-Bogen-Anlage (z.B. CRAN/LAO-Koordinaten, SID, Zoom, Tischposition).
    • • 2-D/3-D-Registrierung der Durchleuchtungsbilder ft mit dem 3-D-Volumendatensatz V. D.h. die Projektionsmatrix Pt, die V auf ft abbildet, ist bekannt. Zu deren Berechnung werden die Parameter der C-Bogen-Anlage (z.B. CRAN/LAO-Koordinaten, SID, Zoom, Tischposition) herangezogen.
  • Bestimmt werden sollen die Koordinaten (x, y, z), die die wahrscheinlichsten Positionen des medizinischen Instruments (z.B. Katheterspitze) im Koordinatensystem des 3-D-Volumendatensatz beschreiben. Formal bedeutet dies, dass eine Aussage über den Zustand (entspricht z.B. der Position der Katheterspitze) q = (x, y, z)T des medizinischen Instruments gemacht werden soll. Initial, bevor irgendwelche Durchleuchtungsbilder ft verarbeitet wurden, ist der Zustand unbestimmt, d.h. es kann keine zuverlässige Aussage über die 3-D-Position z.B. der Katheterspitze gemacht werden – alle 3-D-Positionen sind gleich wahrscheinlich.
  • In dem in der 3 dargestellten ersten Durchleuchtungsbild f0 (d.h. zum Zeitpunkt t = 0) wird das medizinische Instrument beispielsweise durch manuelles Auswählen der entsprechenden Position im Bild, durch Differenzbildverfahren oder durch Verfahren der Objekterkennung bzw. Mustererkennung durch die Auswahlschaltung 11 identifiziert. Eine Katheterspitze ist als Beispiel eines medizinischen Instruments als A1 in der 3 markiert. Dadurch erhält man einen 2-D-Punkt, mit dessen Hilfe man durch Rückprojektion mittels der Rückprojektionsstufe 12, unter Berücksichtigung der bekannten, in dem Matrixspeicher 13 gespeicherten 2-D/3-D-Registrierungsmatrix P0, den zugehörigen Sichtstrahl durch den 3-D-Volumendatensatz durch die Vorrichtung 16 zur Punktbestimmung bestimmen kann. Damit wird die Position des Katheters im 3-D-Volumendatensatz auf eine Gerade g0 eingeschränkt, die der mit B1 markierten Geraden in 4 entspricht.
  • Eine genauere Positionsbestimmung wird möglich, wenn man Informationen des Gefäßsystems integriert. Das bedeutet, dass nur Punkte auf g0 als wahre 3-D-Position in Frage kommen, die einen ausreichend kleinen Abstand zu einem Gefäß aufweisen, wie dies die markierten Punkte C1 und C2 in 4 zeigen. Es ist einerseits einleuchtend und andererseits selbst aus 4 ersichtlich, dass Situationen auftreten können, in denen g0 mehr als ein Gefäß schneidet. In diesem Fall ist mit dem bisherigen Vorgehen keine eindeutige Positionsbestimmung möglich, da die auftretenden Mehrdeutigkeiten nicht aufgelöst werden können. Was sich aber in jedem Fall berechnen lässt, ist eine Dichte über den Zustand (der 3-D-Position) des medizinischen Instruments:
    Figure 00110001
  • Damit kann für jedes Voxel des 3-D-Volumendatensatzes eine Wahrscheinlichkeit angegeben werden, dass dieses Voxel die wahre 3-D-Position des medizinischen Instruments repräsentiert. Dabei ist die obige Formel ein Weg, diese Wahrscheinlichkeit zu berechnen: Suche für einen spezifischen Zustand q0 den Voxel auf dem Sichtstrahl g0, der einen minimalen Abstand aufweist und berechne mit einem geeigneten statistischen Modell d(..) die Wahrscheinlichkeit, dass dieser Zustand unter Berücksichtigung des Abstandsvektors die wahre 3-D-Position beschreibt.
  • Integriert man die Erkenntnisse zeitlich aufeinander folgender Durchleuchtungsbilder in diese Dichten, so können vorhandene Ambiguitäten über die Zeit aufgelöst werden. Anhand von 5 und 6 ist die Idee einfach zu verdeutlichen: Bei der Durchleuchtung wird man so lange nicht entscheiden können, ob sich das medizinische Instrument im Gefäß G1 oder G2 befindet, bis ein Sichtstrahl nicht mehr durch beide konkurrierenden Gefäße verläuft. Durch dieses Vorgehen werden bestehende Ambiguitäten bei der Bestimmung der 3-D-Position sukzessive aufgelöst. In 5 ist dies im Durchleuchtungsbild an der markierten Position A2 möglich, die im Volumen dem Sichtstrahl B2 in 6 entspricht, der den Gefäßbaum nur noch in einem Gefäß schneidet, wie das der markierte Punkt C3 zeigt.
  • Durch Berücksichtung des Kontextes, d.h. der vorhandenen Informationen über die 3-D-Positionen, entstehen neue Mehrdeutigkeiten nicht dadurch, dass bei einer eindeutigen 3-D-Position zum Zeitpunkt t – 1 zum Folgezeitpunkt t der Sichtstrahl gt plötzlich durch zwei Gefäße verläuft. Dies wird dadurch erreicht, dass in die Berechnung der Wahrscheinlichkeit einer 3-D-Position zum Zeitpunkt t Informationen darüber einfließen, wie wahrscheinlich es ist, diese im Gefäßbaum von der 3-D-Position zum Zeitpunkt t – 1 ausgehend zu erreichen. Anschaulich heißt das: Ist es möglich, dass man den Katheter in der gegebenen Zeitspanne von der 3-D-Position t – 1 an die 3-D-Position t schiebt? Anhand der Illustration aus 7 und 8 heißt das, dass zum Zeitpunkt t – 1 die 3-D-Position des Punktes A3 durch den Sichtstrahl B3 eindeutig als C4 bestimmt wurde. Zum Zeitpunkt t schneidet der Sichtstrahl B4, der zu A4 gehört, das Gefäßsystem zwar sowohl in C5 als auch in C6, auf Grund des Kontextes ist C6 nicht möglich, da der Weg von C4 nach C6 entlang des Gefäßes zu weit für die gegebene Zeitspanne zwischen t – 1 und t ist („Kein Arzt bewegt einen Katheter so schnell, wie es hier erforderlich gewesen wäre"). Die Berechnung des „Wegs entlang der Gefäße" stützt sich dabei auf die bekannten Gefäßbaum-Center-Lines (s. o.).
  • Neue Mehrdeutigkeiten entstehen nur dann, wenn sich ein Gefäß in mindestens zwei Zweige teilt, und der Sichtstrahl beide Zweige schneidet. In 9 und 10 wird dieser Effekt beim Schritt von A5 nach A6 auftreten. Zu A5 wurde die Position C7 bestimmt. Zu A6 kann sowohl C8 als auch C9 gehören, die beide im Durchleuchtungsbild deckungsgleich sind und auch aufgrund des Kontextes gleich möglich sind (Die Wegstrecke von C7 nach C8 ist etwa so lange wie von C7 nach C9). Diese Mehrdeutigkeiten verschwinden durch die Berücksichtigung von zukünftiger Information wieder (s. o.).
  • Formal bedeutet dies, dass
    Figure 00130001
    zu berechnen ist, wobei sich die Wahrscheinlichkeit eines Zustands zum Zeitpunkt t
    Figure 00130002
    analog aus Gleichung (1) ergibt. Der „Zustandsübergang" in Gleichung (2) ist dabei die beschriebene Kontextkomponente und berechnet sich aus der Länge des Weges von der 3-D-Position qt–1 nach qt entlang der Gefäß-Center-Lines. Besteht keine Verbindung zwischen qt–1 nach qt, so ist der Abstand unendlich und p (qt | qt–1) damit nahezu 0.
  • Der „rekursive Bestandteil" ist das Wissen über die 3-D-Position, das zum Zeitpunkt t – 1 zur Verfügung stand. Dieses ist auch wieder nach Gleichung (2) berechnet worden. Letztendlich reduziert sich Gleichung (2) rekursiv bis der Zeitpunkt t = 0 erreicht ist. In diesem anfänglichen Zeitpunkt findet die Initialisierung des Systems mit Gleichung (1) statt.
  • Für Gleichungen (1) bis (3) sind auch nicht-probabilistische Modellierungen im Sinne eines Optimierungsproblems realisierbar. Das Verfahren hängt also nicht an der mathematischen Formulierung, sondern daran, dass man rekursiv neue Informationen in das bisherige Wissen über die 3-D-Position integriert und dabei Information darüber einfließen lässt, welche 3-D-Positionen überhaupt plausibel sind, wie dies anhand des Beispiels gemäß den 9 und 10 erläutert wurde.
  • Visualisierung der 3-D-Position
  • Es wird im 3-D-Volumendatensatz jeder zusammenhängende Bereich geeignet hervorgehoben, dessen Wahrscheinlichkeit nach Gleichung (2) einen gewissen Schwellwert überschreitet oder man nimmt beispielsweise die n-besten 3-D-Punkte. Dabei kann der 3-D-Volumendatensatz entweder zusammen mit einer künstlichen Visualisierung des medizinischen Instruments dargestellt werden, oder die entsprechenden Bereiche werden farblich oder graphisch abgehoben. Die Darstellung der Punkte C1 bis C9 durch Kreise ist eine sehr einfache graphische Repräsentationsmöglichkeit. Andere Arten der Visualisierung sind ebenfalls möglich.
  • Zusammenfassend ist zu sagen, dass das Verfahren im Wesentlichen durch folgende, anhand der 11 beschriebene Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
    • S1 In einem ersten Verfahrensschritt erfolgt vorab die Erstellung eines 3-D-Volumendatensatzes des Untersuchungsobjektes. Dieser Volumendatensatz kann dann beispielsweise im 3-D-Bildspeicher 14 abgespeichert werden.
    • S2 Im zweiten Verfahrensschritt wird ein erstes Durchleuchtungsbild f0 erstellt, das dem Bildsystem 7 zugeführt wird.
    • S3 Dieses Durchleuchtungsbild f0 durchläuft eine 2-D/3-D-Registrierung in einem dritten Verfahrensschritt, die mit dem 3-D-Volumendatensatz über die in dem Matrixspeicher 13 enthaltene Projektionsmatrix Pt erfolgen kann.
    • S4 Anschließend erfolgen in einem vierten Verfahrensschritt eine Schätzung der 3-D-Positionen sowie
    • S5 im fünften Verfahrensschritt eine rekursive Integration der 3-D-Positionen der neuen Bilder.
    • S6 Im nächsten Verfahrensschritt werden die möglichen 3-D-Koordinaten des Katheters oder eines anderen medizinischen Instrumentes bestimmt.
    • S7 Im nachfolgenden Verfahrensschritt werden alle möglichen 3-D-Positionen in dem Volumendatensatz visualisiert.
    • S8 Ist die Untersuchung noch nicht beendet, was durch die Abfrage im achten Verfahrensschritt ermittelt wird, S9 werden in einem nächsten Verfahrensschritt weitere Durchleuchtungsbilder erstellt (S9). Anschließend kann zu dem Verfahrensschritt S3 oder S4 zurückgekehrt werden.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergeben sich nachfolgend angeführte Vorteile:
    • • Es wird eine echte 3-D-Visualisierung der Position des medizinischen Instruments im Gefäßbaum dargestellt. Viele bisherige Lösungen unterlegen dem aktuellen Durchleuchtungsbild immer nur eine künstliche Projektion des 3-D-Volumendatensatz; die eigentliche Navigation findet immer noch im 2-D statt.
    • • Dadurch, dass die echte 3-D-Position bekannt ist, wird die Navigation erheblich vereinfacht: der 3-D-Volumendatensatz kann beliebig gedreht, verschoben, usw. werden. Es muss keine Korrelation zwischen der Projektionsrichtung des aktuellen Durchleuchtungsbildes und des 3-D-Volumendatensatzes bestehen. Der Volumendatensatz kann somit aus Positionen und Richtungen visualisiert werden, die die C-Bogen-Anlage nicht erreichen kann.
    • • Vergleichbare Ergebnisse werden heute nur von Systemen, wie dem „Biosense Webster's CARTOTM XP EP Navigation", durch den Einsatz von zusätzlicher, aufwändiger und teurer Technik erreicht.
    • • Die vorgestellte Lösung arbeitet rein bildbasiert – es werden keine Durchleuchtungsbilder benötigt, die unter einem Winkel stehen müssen – es sind keine Triangulationen nötig. Bisher musste der ausführende Mediziner Durchleuchtungsbilder aus verschiedenen Richtungen aufnehmen, um damit einmalig eine 3-D-Position bestimmen zu können. Die vorgestellte Lösung dagegen integriert vollautomatisch den Kontext von Durchleuchtungssequenzen – es steht damit kontinuierlich eine geschätzte 3-D-Position zur Verfügung, ohne dass der Mediziner seinen Arbeitsablauf unterbrechen muss.
    • • Die vorgestellte Lösung löst Mehrdeutigkeiten, die entstehen können, automatisch auf. Es können beliebig viele Mehrdeutigkeiten behandelt werden. Alle möglichen 3-D-Positionen werden über die Zeit „mitgezogen".
    • • Es müssen keine Durchleuchtungsbilder oder andere Daten aller vorangegangener Zeitschritte aufgehoben werden. Dem Verfahren genügt es, dass die geschätzten 3-D-Positionen des letzten Zeitschritts zur Verfügung stehen. Sobald diese verarbeitet und in die aktuelle 3-D-Positionsschätzung integriert sind, können sie gelöscht werden.
    • • Die intelligente Nutzung von Wissen darüber, welche 3-D-Positionen im Kontext der vorhandenen Informationen über die 3-D-Position plausibel sind (→ Gefäß-Center-Lines), ist eine weitere herausstechende Eigenschaft dieses Verfahrens.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Darstellung einer in ein Gefäßsystem eingebrachten Einrichtung, insbesondere eines medizinischen Instruments, in einem 3-D-Volumendatensatz mittels Erstellung von 2-D-Durchleuchtungsbildern der Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass aus aufeinander folgenden 2-D-Durchleuchtungsbildern der Einrichtung rekursiv Informationen in die bisherigen Informationen oder das bisherige Wissen über die 3-D-Positionen integriert werden, wobei aus dem 3-D-Volumendatensatz Informationen bestimmt werden, welche 3-D-Positionen für die Einrichtung plausibel sind, und dass aufgrund der Informationen aus den bisherigen Informationen oder dem Wissen und den Bestimmungen die aktuell mögliche Position der Vorrichtung in das Bild des 3-D-Volumendatensatzes eingeblendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die 2-D-Durchleuchtungsbilder bei unterschiedlichen Positionen des Instruments erstellt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung und Visualisierung der 3-D-Koordinaten des in das Gefäßsystem eingebrachten medizinischen Instruments unter Berücksichtigung von Ambiguitäten aus einer Folge von Durchleuchtungsbildern erfolgt, wobei die Informationen über die Position des medizinischen Instruments über die Zeit hinweg fusioniert werden, um zu beliebigen Zeitpunkten eine aktuelle Schätzung der wahrscheinlichsten 3-D-Positionen zu erhalten.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Erstellung eines 3-D-Volumendatensatzes (V) des Untersuchungsobjekts, b) Erstellung eines ersten Durchleuchtungsbildes (f0), c) 2-D/3-D-Registrierung von Durchleuchtungsbildern (ft) mit dem 3-D-Volumendatensatz (V), d) Schätzung der 3-D-Position eines in das Gefäßsystem des Untersuchungsobjekts eingebrachten medizinischen Instruments mit Hilfe eines Verfahrens, das für jede 3-D-Position die Sicherheit/Güte ausdrückt, dass sich das Instrument an dieser Position befindet, e) Bestimmung von möglichen 3-D-Koordinaten des in das Gefäßsystem des Untersuchungsobjekts eingebrachten medizinischen Instruments, f) Visualisierung der möglichen 3-D-Positionen in dem 3-D-Volumendatensatz (V), g) Erstellung weiterer Durchleuchtungsbilder (ft) und Wiederholung der Schritte c) bis f) oder d) bis f).
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Schritt d) eine probabilistische Schätzung der 3-D-Position eines in das Gefäßsystem des Untersuchungsobjekts eingebrachten medizinischen Instruments mit Hilfe einer Dichte erfolgt, die für jede 3-D-Position die Wahrscheinlichkeit ausdrückt, dass sich das Instrument an dieser Position befindet.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als erster Schritt d) nach der Erstellung eines ersten Durchleuchtungsbildes (f0) eine manuelle Auswahl der entsprechenden Anfangs-Position im Durchleuchtungsbild erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als erster Schritt d) nach der Erstellung eines ersten Durchleuchtungsbildes (f0) eine Auswahl der entsprechenden Anfangs-Position im Durchleuchtungsbild durch Differenzbildverfahren erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als erster Schritt d) nach der Erstellung eines ersten Durchleuchtungsbildes (f0) eine Identifizierung der entsprechenden Anfangs-Position im Durchleuchtungsbild durch Verfahren der Objekt- bzw. Mustererkennung erfolgt.
  9. Röntgendiagnostikeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einem Detektor (4) zur Erfassung von Durchleuchtungsbildern und Betrachtungsmonitoren (9) zur Wiedergabe der Durchleuchtungsbilder, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (4) mit einer Mischstufe (10) zur Einblendung eines durch eine Auswahlschaltung (11) festgelegten Punktes verbunden ist, dass der Ausgang der Mischstufe (10) mit einem der Betrachtungsmonitore (9) zur Wiedergabe des Durchleuchtungsbildes und weiterhin mit dem Eingang einer Rückprojektionsstufe (12) verbunden ist, der aus einem Matrixspeicher (13) eine Projektionsmatrix (Pt) der 2-D/3-D-Registrierung zugeführt wird, dass an einem 3-D-Bildspeicher (14) für einen 3-D-Volumendatensatz eine Stufe (15) zur Gefäßsegmentierung angeschlossen ist, und dass die Rückprojektionsstufe (12) und die Stufe (15) zur Gefäßsegmentierung mit einer Vorrichtung (16) zur Punktbestimmung verbunden sind, deren Ausgang an einem 3-D-Monitor der Betrachtungsmonitore (9) angeschlossen ist.
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