DE102005044338A1

DE102005044338A1 - Verfahren und Anordnung zur Lokalisation eines in ein Untersuchungsobjekt mindestens teilweise eingeführten, medizinischen Instruments

Info

Publication number: DE102005044338A1
Application number: DE102005044338A
Authority: DE
Inventors: Jan Dr. Boese; Norbert Rahn; Bernhard Dr. Sandkamp
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2007-03-22
Also published as: US20070265518A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lokalisation eines in ein Untersuchungsobjekt (U) mindestens teilweise einngeführten, medizinischen Instruments (2a, 2b), wobei das medizinische Instrument (2a, 2b) erfassende Bilder des Untersuchungsobjekts (U) aufgenommen werden (11, 13). Indem ein Bild unter ersten Aufnahmebedingungen und ein im Wesentlichen gleiches Bild unter zweiten Aufnahmebedingungen aufgenommen wird (11, 13) und indem das medizinische Instrument (2a, 2b) aus einer Subtraktions (14) von Bilddatensätzen erster und zweiter Aufnahmebedingungen lokalisiert wird, kann ein Verfahren bereitgestellt werden, das möglichst wenig Interaktion durch einen Benutzer erfordert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lokalisation eines in ein Untersuchungsobjekt mindestens teilweise eingeführten, medizinischen Instruments gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der Durchführung eines medizinischen Eingriffs an einem Untersuchungsobjekt, etwa einem menschlichen oder tierischen Körper, wird der Zustand des Untersuchungsobjekts angemessen zum Eingriffsrisiko am zugehörigen medizinischen Arbeitsplatz kontrolliert. In der Regel werden dazu Körperfunktionen des Untersuchungsobjekts erfasst. Erfolgt eine Intervention mit einem mindestens teilweise in das Untersuchungsobjekt eingeführten, medizinischen Gerät, so ist neben dem Patientenzustand auch die Position und/oder gegebenenfalls die Lage des medizinischen Instruments innerhalb des Untersuchungsobjekts von Interesse. Als medizinisches Instrument kommen zum Beispiel Katheter, Führungsdrähte, Stents, Schleusen, Biopsie-Nadeln, Endoroboter oder andere bei medizinischen Eingriffen in das Untersuchungsobjekt mindestens teilweise eingeführte Mittel in Betracht. Um den Ort und/oder die räumliche Orientierung des medizinischen Instruments feststellen zu können, ist ein Verfahren in Verbindung mit einer Vorrichtungsanordnung notwendig, die die Lokalisierung – also die Bestimmung von Position und/oder Lage – des medizinischen Instruments ermöglicht. Weiter ist eine fortlaufende Bestimmung der Positions- und/oder Lageänderungen des medizinischen Instruments für das medizinische Personal erforderlich. Ein solches Verfahren kann die Präzision des Eingriffs steigern, Schäden am Untersuchungsobjekt verringern und die Sicherheit des Patienten erhöhen. Die Bestimmung von Ort und gegebenenfalls Lage eines medizinischen Instruments erfolgt typischerweise mit tels das Instrument erfassender Bilder des Untersuchungsobjekts.

Aus dem Fachartikel „Ein Modellbasierter Ansatz zur Lokalisation von Basket-Kathetern für endokardiales Mapping", veröffentlicht in Biomedizinische Technik, Band 45, Ergänzungsband 1, 2000, ist ein Verfahren bekannt, welches zur dreidimensionalen Lokalisierung eines Basket-Katheters und daran angebrachten Elektroden in einem Volumendatensatz, zum Beispiel einem Datensatz des menschlichen Thorax, vorgesehen ist. Zur Lokalisierung des Basket-Katheters im Volumendatensatz werden Bilder z.B. mittels eines kalibrierten Magnetresonanzverfahrens aufgenommen. Die Erkennung von aufgenommenen Bildstrukturen, die unter anderem durch einen Basket-Katheter generiert werden, wird mittels Filter durchgeführt, die die erste Ableitung aus Bildern extrahieren. Die zweite Ableitung (Hesse-Matrix) der Bilddaten lässt Aussagen über die Topologie des zweidimensionalen Bildes zu. Bei der Positionsbestimmung der Elektroden des Basket-Katheters ist jedoch eine Interaktion des Benutzers notwendig, bei der die Stränge des Katheters manuell markiert werden. Nachteilig an diesem Verfahren ist außerdem, dass zur weiteren Auswertung der Bilddaten ein dreidimensionales Computermodell des Basket-Katheters erforderlich ist, um die Position der Elektroden des Basket-Katheters zu visualisieren.

Zudem ist aus der Offenlegungsschrift DE 100 04 764 A1 ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines medizinischen Instruments bekannt. Das Verfahren besteht aus einer präoperativen Phase, die einen dreidimensionalen Bildsatz im Vorfeld des medizinischen Eingriffs generiert sowie einer intraoperativen Phase, bei der während eines Eingriffs zweidimensionale Bilder mit einer Röntgeneinrichtung aufgenommen werden. Zudem ist eine Positionsmessvorrichtung zur extrakorporalen Positionsbestimmung des medizinischen Instruments vorgesehen. Weiter wird durch eine Datenzuordnung der präoperativ und intraoperativ generierten Bilddaten die Position des medizinischen Instruments innerhalb des dreidimensionalen Bilddatensatzes errechnet. Ein Nachteil dieser Methode besteht darin, dass nur Instrumente lokalisiert werden können, die entweder extern sichtbare Markierungen aufweisen oder mit speziellen, z.B. elektromagnetischen Positionssensoren versehen sind. Insbesondere können Instrumente wie Katheter und Führungsdrähte, die sich in ihrer Lage inneren Strukturen eines Untersuchungsobjekts anpassen, nicht mittels der offenbarten optischen Positionsmessvorrichtung lokalisiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, welches möglichst wenig Interaktion durch einen Benutzer erfordert.

Diese Aufgabe wird bei dem Lokalisierungsverfahren der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass ein Bild unter ersten Aufnahmebedingungen und ein im Wesentliches gleiches Bild unter zweiten Aufnahmebedingungen aufgenommen wird, und dass das medizinische Instrument aus einer Subtraktion von Bilddatensätzen erster und zweiter Aufnahmebedingungen lokalisiert wird. Dieses Verfahren ermöglicht eine automatische Erkennung der Position und/oder gegebenenfalls der Lage eines medizinischen Instruments und entlastet damit das medizinische Personal. Das medizinische Instrument wird mit Hilfe einer bildgebenden Untersuchungsvorrichtung unter ersten Aufnahmebedingungen und unter zweiten Aufnahmebedingungen aufgenommen. Die ersten und zweiten Aufnahmebedingungen unterscheiden sich durch eine Veränderung in der Darstellung des Instruments, d.h. eine Veränderung der Aufnahmebedingungen z.B. am, im oder um das Instrument, und sind ansonsten im Wesentlichen gleich, z.B. Größe des Bildausschnitts, Aufnahmeposition der Untersuchungsvorrichtung, Abbildungsparameter der Untersuchungsvorrichtung, etc. Durch Bildsubtraktion wird die für die Lokalisierung des medizinischen Instruments störende Hintergrundinformation des Bildes – in der Regel Informationen über das Untersuchungsobjekt – beseitigt. Dadurch kann das Instrument identifiziert und lokalisiert werden. Das aufgenommene Bild besteht aus einer Summe von Bildpunkten, die über ihre jeweiligen Koordinaten eindeutig auffindbar sind. Jedem Bildpunkt ist eine zugehörige Intensität zugeordnet, welche das Resultat der Datenerfassung des untersuchten Objekts darstellt. Die Bilder mit und ohne veränderter Aufnahmebedingungen bzw. Instrumentensituation sollen dabei im Inhalt und den Aufnahmebedingungen bzgl. des Hintergrunds im Wesentlichen gleich sein, das heißt die Bilder sollen sich in den Aufnahmebedingungen möglichst nur durch die erzeugte Änderung am, im oder um das Instrument unterscheiden.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung wird das Bild unter einer der beiden Aufnahmebedingungen ohne Zufuhr von Kontrastmittel aufgenommen wird und das im Wesentlichen gleiche Bild unter der anderen Aufnahmebedingungen unter Zufuhr von Kontrastmittel aufgenommen wird. Dabei wird das Bild zu den ersten Aufnahmebedingungen ohne Zufuhr von Kontrastmittel aufgenommen und das im Wesentlich gleiche Bild zu den zweiten Aufnahmebedingungen unter Zufuhr von Kontrastmittel. Dies ist jedoch auch umkehrbar. Das Instrument wird als Positiv- oder Negativbild deutlich durch die Steigerung des Kontrasts vom Hintergrund abgehoben und durch die Bildsubtraktion isoliert und anschließend lokalisiert. Unter Kontrastmittel werden dabei alle Mittel verstanden, die es erlauben, eine Kontrastveränderung in einem Bild für eine gegebene Untersuchungsvorrichtung zu bewirken, wobei die Abbildungsbedingungen der Untersuchungsvorrichtung unverändert bleiben. Die Zufuhr von Kontrastmittel kann automatisiert oder durch manuelle Auslösung erfolgen, z.B. mit einem Injektionssystem, unter Berücksichtigung durch den Benutzer wählbarer und gegebenenfalls einstellbarer Systemparameter. Für die Bildaufnahme ist eine Kopplung der Bildaufnahme an das Injektionssystem vorteilhaft. Es werden stets dann Bildaufnahmen ausgelöst, wenn der Kontrast des Instruments durch die Kontrastmittelzufuhr bzw. Spülmittelzufuhr zur Umgebung maximal bzw. minimal ist, abhängig von der Einstellung der Kontrastmittelzufuhr bzw. Spülmittelzufuhr. Im Bereich der Nutzung von Kontrastmitteln in der Medizintechnik liegt langjährige Erfahrung vor. Daher ist eine Verwendung von Kontrastmitteln zur Veränderung der Instrumentensituation verhältnis mäßig einfach umsetzbar. Zudem ist aufgrund der großen Erfahrung mit Kontrastmitteln ein solches Vorgehen für den Patienten mit geringem Risiko verbunden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung wird das Kontrastmittel derart zugeführt wird, dass eine Kontraststeigerung in der Umgebung außerhalb des medizinischen Instruments erzeugt wird. Durch beispielsweise eine Injektion in das Gefäßsystem des Untersuchungsobjekts wird das Kontrastmittel zugeführt. Durch die Verteilung des Kontrastmittels im Untersuchungsobjekt beinhalten auch diejenigen Gefäße, die sich um das medizinische Instrument herum befinden, das zugeführte Kontrastmittel und steigern im aufgenommenen Bild den Kontrast zwischen Umgebung des medizinischen Instruments und dem medizinischen Instrument selbst. Damit kann das Instrument eindeutig durch Bildsubtraktion der aufgenommenen Bilder bestimmt werden. Die Kontrastmittelkonzentration ist zweckmäßigerweise so zu wählen, dass das Untersuchungsobjekt einer möglichst geringen Belastung ausgesetzt, jedoch zur Instrumentenerkennung ausreichend ist.

Bei einer alternativen Ausbildung der Erfindung wird das Kontrastmittel derart zugeführt wird, dass eine Kontraststeigerung innerhalb des medizinischen Instruments erzeugt wird. Damit ist das Untersuchungsobjekt dem Kontrastmittel nicht direkt ausgesetzt, weshalb die Auswahl des Kontrastmittels und/oder die Konzentration des Kontrastmittels auf die erwünschte Kontraststeigerung angepasst werden kann. So ist zum Beispiel Quecksilber als Kontrastmittel für Röntgenuntersuchungen denkbar. Zur Aufnahme und Führung des Kontrast- beziehungsweise Spülmittels im medizinischen Instrument ist ein Lumen im medizinischen Instrument vorgesehen, welches mit einer Spendervorrichtung für Kontrastmittel über ein Leitungssystem verbunden ist. Dem Instrument kann somit Kontrastmittel sicher zugeführt und entzogen werden. Zur Reinigung des Lumen im medizinischen Instrument kann eine Spüllösung zugeführt werden, wenn im weiteren Verfahren zumindest temporär auf Kontrastmittel verzichtet werden kann bzw. soll. Durch das im Instrument befindliche Kontrastmittel und die dadurch erzeugte Kontraststeigerung gegenüber der äußeren Umgebung bei der Bildaufnahme kann durch Bildsubtraktion die Lokalisierung erfolgen. Eine Kombination von Kontrastmitteln, das heißt röntgenpositives und röntgennegatives Kontrastmittel zur Bildkontraststeigerung, zum Beispiel indem dem Untersuchungsobjekt und dem medizinischen Instrument des jeweils entgegengesetzt wirkende Kontrastmittel zugeführt wird, kann ebenfalls realisiert werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung unterscheiden sich die ersten von den zweiten Aufnahmebedingungen durch die Position und gegebenenfalls Lage einer auf dem Bild sichtbaren Instrumentenmarkierung. Dabei kann eine röntgendichte Markierung oder Folge von Markierungen z.B. an der Instrumentenspitze integriert oder angebracht sein, z.B. in Form eines Metallplättchens. Zur Lokalisierung werden etwa zwei im Wesentlichen gleiche Bilder aufgenommen, die sich z.B. in der Position des mit röntgendichten Markierungen versehenen medizinischen Instruments leicht unterscheiden. Durch Subtraktion der Bilder erhält man Abschnitte des Instruments, welche röntgendicht ausgebildet sind und die in ihrer Position und/oder Lage gegenüber dem jeweils anderen Bild verschoben sind. Die entstehenden Bildstrukturen können nur wenige, aber dennoch kennzeichnende Bildpunkte für das medizinische Instrument enthalten. Die Positionen der Markierungen am Instrument sind von vornherein bekannt. Daher kann aus den erzeugten Bildstrukturen die Position z.B. der Instrumentenspitze des Instruments ermittelt werden. Insbesondere können auch klapp- und/oder drehbare Instrumentenspitzen vorgesehen werden, die ebenfalls durch Veränderung der Instrumentensituation die Aufnahme zweier im Wesentlichen gleicher Bilder zulassen. Die Bilder unterscheiden sich dann bspw. durch eine Drehung und/oder Umklappung eines Markers an der Instrumentenspitze. Damit werden nach der Subtraktion Strukturen im resultierenden Bild erzeugt, die die Spitze des Instruments kennzeichnen. So kann beispielsweise ein Metallplättchen an der Spitze des Instruments angebracht sein, dessen Flächen normale in der ersten Aufnahme im Wesentlichen parallel zur Ausbreitungsrichtung z.B. der Röntgenstrahlung steht, dann gedreht wird und in der zweiten Aufnahme senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Röntgenstrahlung steht. Besonders einfach lässt sich dies durch Rotation des Instruments um seine Längsachse erreichen. Die Veränderung der Markerlage und/oder -position kann bspw. mechanisch oder elektrisch erfolgen. Bei automatisierten Instrumentesteuerungssystemen kann insbesondere eine Veränderung der Instrumentensituation durch eine ausrichtbare Instrumentenspitze erzeugt werden. Es können somit zwei Datensätze mit unterschiedlicher Ausrichtung der Instrumentenspitze erzeugt werden. Nach Subtraktion ist auch hier die Position und/oder gegebenenfalls Lage des Instruments eindeutig bestimmbar. Vorteilhaft bei der Ausnutzung von Instrumentenmarkern und dergleichen ist, dass keine Injektionssysteme notwendig sind, womit das Verfahren einfacher, mit geringerem Platzbedarf, ohne Verbrauch von Kontrastmittel und kostengünstiger durchgeführt werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die ersten und/oder zweiten Aufnahmebedingungen zeitlich einstellbar ausgelöst werden. Das Kontrastmittel etwa kann während des Eingriffs im medizinischen Instrument und/oder dem Untersuchungsobjekt nur temporär vorhanden sein, zum Beispiel in festgelegbaren periodischen oder auch aperiodischen Zeitabständen für eine festgelegbare Dauer. Ebenso kann ein stationärer Kontrastmittelfluss oder statisches Kontrastmittel z.B. im Instrument vorgesehen sein. Die Festlegung, wie das Kontrastmittel zeitlich zugeführt werden soll, kann je Lage der Situation durch das medizinischen Personals erfolgen und verändert werden. Für Anwendung von Kontrastmittel in der Umgebung des medizinischen Instruments kann das Kontrastmittel und gegebenenfalls Spülmittel bspw. periodisch zugeführt werden. Da nach Auftreten einer Maximalkonzentration von Kontrastmittel um das Instrument herum eine Abnahme der Konzentration mit der Zeit erfolgt, ist die Bereitstellung einer Änderung der Aufnahmebedingung durch Spülmittel abhängig von der Bildaufnahmefrequenz. Je nach gewünschter Bildfrequenz zur Lokalisierung des Instruments ist eine Spülung oder keine Spülung zur Änderung der Aufnahmebedingungen erforderlich bzw. vorzunehmen. Analog können beispielsweise die Instrumentenmarkierungen periodisch oder aperiodisch verändert werden. Die Veränderungen der ersten und zweiten Aufnahmebedingungen kann jeweils auf den Eingriff angepasst werden. Die Steuerung von Aufnahmebedingungen kann automatisch oder benutzergesteuert erfolgen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Bilder als zweidimensionale Projektion des Untersuchungsobjekts aufgenommen und daraus eine zweidimensionale Position und/oder gegebenenfalls Lage des medizinischen Instruments bestimmt. Dazu können bekannte Mittel zur Durchführung einer zweidimensionalen Projektion eingesetzt werden, z.B. Röntgenverfahren. Dabei liefert die Projektion des Untersuchungsobjekts, zum Beispiel bereitgestellt durch ein Röntgengerät, einen integralen Intensitätswert für jeden Bildpunkt, der von den lokalen Schwächungskoeffizienten des Untersuchungsobjekts in der projizierten Richtung durch das Untersuchungsobjekt bestimmt ist. Durch die Nutzung bekannter Geräte zur Durchführung des neuen Verfahrens sind keine oder nur geringe zusätzliche, durch das Verfahren bedingte Kosten zu erwarten.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird aus mindestens zwei unterschiedlichen Bildprojektionen der Untersuchungsanordnung eine dreidimensionale Position und gegebenenfalls Lage des medizinischen Instruments ermittelt. Die zwei unterschiedlichen Bildprojektionen erfassen jeweils das medizinische Instrument als zweidimensionale Projektion, und unterscheiden sich mindestens durch die Projektionsrichtung durch das Untersuchungsobjekt. Zur Ermittlung der dreidimensionalen Position und/oder gegebenenfalls Lage des medizinischen Instruments ist eine Recheneinheit vorgesehen, die aus den Daten der unterschiedlichen, zweidimensionalen Projektionen, beispielsweise durch Rückprojektion, die gewünschte Information, das heißt den dreidimensional dargestellten Ort und/oder die Lage des medizinischen Instruments im Unter suchungsobjekt bereitstellt. Mit Hilfe dieser Vorrichtung in Verbindung mit dem angewandten Verfahren kann das medizinische Personal in Echtzeit beziehungsweise zu einem zum Messzeitpunkt zeitnahen Darstellungszeitpunkt den dreidimensionalen Ort und/oder gegebenenfalls die Lage des medizinischen Instruments beobachten, wobei Instrument und Untersuchungsobjekt zeitgleich abgebildet werden.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung werden die das medizinische Instrument erfassenden Bilder als dreidimensionale Daten des Untersuchungsobjekts aufgenommen und daraus eine dreidimensionale Position und/oder gegebenenfalls Lage des medizinischen Instruments bestimmt. Die Ermittelung des dreidimensionalen Volumendatensatzes kann bspw. über eine Magnetresonanzvorrichtung erfolgen. Zur erfindungsgemäßen Lokalisation des medizinischen Instruments ist eine Recheneinheit vorgesehen, die aus den Daten des Volumendatensatzes die gewünschte Information, das heißt den dreidimensional veranschaulichten Ort und/oder Lage des medizinischen Instruments im Untersuchungsobjekt ermittelt. Damit entfällt die Rückprojektion von zweidimensionalen Daten.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden mehrere Ansichten für eine dreidimensionale Position und/oder gegebenenfalls Lage des medizinischen Instruments ermittelt. Es können beispielsweise frei drehbare räumliche Darstellungen der Anordnung des medizinischen Instruments im Untersuchungsobjekt ohne weitere Bildaufnahme, zum Beispiel softwaretechnisch, erstellt werden. Dies ermöglicht eine optimale Ansicht der erwähnten Anordnung durch das medizinische Personal und kann die Belastung des Untersuchungsobjekts durch eine geringere Anzahl an Untersuchungsschritten verringern. Zudem können mit softwaretechnischen Mitteln die Kontraststeigerung oder die Bearbeitung weiterer Bildeigenschaften – etwa eine Bildausschnittsvergrößerung eines relevanten Bildbereichs – ermöglicht werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden eine Ausgangsposition und/oder gegebenenfalls -lage des medizinischen Instruments durch Bildsubtraktion bestimmt und Positions- und/oder gegebenenfalls Lageänderungen des medizinischen Instruments durch wenigstens eine vorgegebene Anzahl von Bildaufnahmen ohne Bildsubtraktion erfasst. Die Erkennung der Bilder nach einer Bestimmung der Ausgangsposition und/oder gegebenenfalls Ausgangslage kann die Positions- und/oder gegebenenfalls Lageänderung ohne Durchführung einer Bildsubtraktion bestimmt werden. Dazu können beispielsweise Filterverfahren verwendet werden, oder Verfahren, die nach Bestimmung der Ausgangsposition und/oder gegebenenfalls Lage den Ort und/oder gegebenenfalls die Orientierung des medizinischen Instruments ohne weitere Bildsubtraktion erkennen lassen bzw. bestimmen können, insbesondere auch nicht bildbasierte Verfahren. Durch eine Positions- und/oder gegebenenfalls Lagebestimmung ohne weitere Kontrastmittelzufuhr, kann Kontrastmittel eingespart werden, und der Verfahrensablauf grundsätzlich durch Einsparung von durchzuführenden Verfahrensschritten und auch geringerem Bildverarbeitungsaufwand beschleunigt werden. Kommt es durch Hintergrundinformationen und/oder einer schnellen, möglicherweise undefinierten Bewegungen des medizinischen Instruments zu einem Verlust der Positions- und/oder gegebenenfalls Lageanzeige des medizinischen Instruments, kann es sinnvoll sein, die erfindungsgemäße Lokalisierung des medizinischen Instruments erneut mittels einer veränderten Instrumentensituation zu initialisieren. Grundsätzlich kann zu jedem gewünschten Zeitpunkt, zu dem sich das medizinische Instrument mindestens teilweise innerhalb des Untersuchungsobjekts befindet, eine Initialisierung der Lokalisierung beziehungsweise Positions- und/oder gegebenenfalls Lageänderungen erfolgen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung werden die Bilder mit einem Magnetresonanzverfahren aufgenommen. Ein Magnetresonanzverfahren, angewendet zum Beispiel bei einem Kernspintomograph, ist geeignet zur Aufnahme der notwendigen Bilder für das Lokalisierungsverfahren. Al ternativ können die Bilder mit einem Röntgenverfahren aufgenommen werden. Zur Umsetzung eines Röntgenverfahrens kommt beispielsweise eine Angiographievorrichtung in Betracht, welche die Bilder für das Lokalisierungsverfahren generiert. Es ist auch möglich, die Bilder mit einem Ultraschallverfahren aufzunehmen. Ein Ultraschallverfahren, beispielsweise umgesetzt in einem Schnittbildverfahren, auch B-Bildverfahren genannt, ist ebenso geeignet zur Aufnahme der notwendigen Bilder für das Lokalisierungsverfahren. In diesem Zusammenhang benutzbare Kontrastmittel sind zweckmäßigerweise in Hinblick auf die in Verbindung mit dem Lokalisierungsverfahren angewendete Vorrichtung zur Bildaufnahme auszuwählen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird auf den aufgenommenen Bildern wenigstens eine sichtbare Patientenmarkierung erfasst. Die Patientenmarkierung dient als Referenzpunkt bzw. Bezugspunkt für die durchgeführten Bildaufnahmen. Durch einen erkennbaren Referenzpunkt auf im Wesentlichen gleichen Bildern, die sich durch eine veränderte Instrumentensituation unterscheiden, können übereinstimmende Bildbereiche der beiden Bilder lagerichtig voneinander subtrahiert werden. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn eine vollständige Übereinstimmung des Bildbereichs der beiden Bilder nicht erzielt werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Ausgangsposition und/oder gegebenenfalls -lage und die Positions- und/oder gegebenenfalls Lageänderung mehrerer medizinischer Instrumente sequenziell bestimmt. Dadurch ist es möglich bei mehreren mindestens teilweise in das Untersuchungsobjekt eingeführten Instrumenten eine Lokalisierung des jeweiligen Instruments vorzunehmen. Dazu werden beispielsweise über eine elektronische Steuerung die medizinischen Instrumente nacheinander – also sequenziell – zuerst mit Kontrastmittel und dann mit Spülmittel angesteuert. Die jeweilige Bildaufnahme erfolgt, während sich das Kontrastmittel im medizinischen Gerät befindet. Damit ist auf dem aufgenommenen Bild nur das mit Kontrastmittel angesteuerte medizinische In strument deutlich, das heißt kontrastverstärkt, sichtbar. Die Daten zur Position und/oder gegebenenfalls die Lage des Instruments werden durch eine Speichereinrichtung gesichert und das Instrument mit einem Spülmittel vom Kontrastmittel gesäubert. Anschließend wird das nächste medizinische Instrument durch Bildaufnahmen und Kontrastmittelansteuerung erfasst und lokalisiert, die Daten gespeichert und das kontrastierte Instrument gespült. Dieser Vorgang wiederholt sich bis alle gewünschten medizinischen Instrumente initialisiert sind. Gleichermaßen kann anstatt oder gemeinsam mit Aufnahmen bei unterschiedlicher Kontrastmittelsituation die Initialisierung jeden Instruments auch mit veränderbaren Instrumentenmarkierungen, Instrumentenausrichtungen, Instrumentenpositionen oder -lagen usw. erfolgen. Anschließend kann das Verfahren zur Lokalisierung der medizinischen Instrumente für jedes medizinische Instrument genutzt werden. Somit können parallel mehrere mindestens teilweise eingeführte, medizinische Instrumente in einem Untersuchungsobjekt unabhängig verfolgt und in ihrer dreidimensionalen Lage im Untersuchungsobjekt dargestellt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung werden die Bilder bei gleichem Bewegungszustand des Untersuchungsobjekts oder seiner Bestandteile aufgenommen. Bei der Untersuchung von Organen, die aufgrund ihrer Funktion nicht an ihrem Ort ruhen, beispielsweise Herz oder Lunge, aber auch wenn das gesamte Untersuchungsobjekt in Bewegung ist, ist es möglich, dass bei der Untersuchung nicht im Wesentlichen gleiche Bilder aufgenommen werden. Beispielsweise kann bei einer Bildaufnahme des Instruments im Herzen und äußerer Ruhelage des Patienten einmal ein systolischer Zustand und einmal ein diastolischer Zustand des Herzens erfasst werden, was die Bildsubtraktion erschwert. Zur Verringerung dieser Beeinträchtigung können Bildaufnahmen immer dann erfolgen, wenn sich das Untersuchungsobjekt im gleichen Bewegungszustand befindet, zum Beispiel, wenn die Ausatmungsphase des Patienten abgeschlossen ist. Dadurch können möglichst gleiche Bilder aufgenommen werden, und die Genauigkeit der im Bild enthalte nen Informationen, das heißt des Bildinhalts, erhöht werden. Um die Bildaufnahme stets im gleichen Bewegungszustand des Untersuchungsobjekts zu ermöglichen, ist eine Steuerung vorgesehen, welche anhand der Daten des Patientenzustands die Bildaufnahme und die Kontrastmittelzuführung steuert, d.h. Triggerung der Bildaufnahmen. Trotzdem können sich Bewegungen des Untersuchungsobjekts oder seiner Teile als Bewegungsartefakte, das heißt Bildverschiebungen oder -unschärfen in Bildteilbereichen verursacht durch Bewegung, im aufgenommenen Bild niederschlagen, zum Beispiel dann, wenn eine beträchtliche Änderung des Patientenzustands während des Untersuchungszeitraums, zum Beispiel der Belichtungszeit durch ein Röntgengerät, gegeben ist. Dadurch kann die Lokalisierung des medizinischen Instruments ebenfalls beeinträchtigt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden Hintergrundabweichungen von im Wesentlichen gleichen Bildern mittels bildbasierter, elastischer Registrierung korrigiert. Dies kann beispielsweise in Hinblick auf die Beseitigung von Bewegungsartefakten, trotz entsprechender Vorkehrungen, erforderlich sein. Dazu können bekannte Algorithmen, wie zum Beispiel bildbasierte, elastische Registrierung genutzt werden. Dies verbessert den Informationsgehalt der aufgenommenen Bilder und beeinflusst damit die Genauigkeit des Lokalisierungsverfahrens.

Vorteilhaft kann eine Kombination der Kontrastmittelzufuhr und Nutzung von wenigstens einer Instrumentenmarkierung zur Lokalisierung des Instruments sein, um die Qualität der Lokalisierung zu erhöhen.

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verbindung mit einer zur Durchführung geeigneten Anordnung ergeben sich aus einem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert wird, in deren
1 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 ein Flussdiagramm zum Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
schematisch veranschaulicht sind.
In 1 ist eine Anordnung in Form eines medizinischen Arbeitsplatzes dargestellt, an welchem ein medizinischer Eingriff an einem Untersuchungsobjekt U vorgenommen werden kann. Hierbei sind zwei medizinische Instrumente zum Beispiel in Form von einem Ballonkatheter 2a und einem Führungskatheter 2b teilweise in das Untersuchungsobjekt U eingeführt. Zur Lokalisierung der Katheter 2a bzw. 2b wird eine bildgebende Untersuchungsvorrichtung 3 genutzt, welche hier als monoplanes C-Bogen-Röntgensystem ausgebildet ist. Die visuelle Darstellung der mit der Untersuchungsvorrichtung 3 aufgenommenen Bilder erfolgt auf einem Bildsystem 8B. Die Instrumente 2a bzw. 2b weisen je ein Lumen auf, welches von einer Flüssigkeit durchströmt werden kann und dicht gegenüber der Umgebung abgeschlossen ist. Das Lumen kann ein Kontrastmittel K oder ein Spülmittel S, welches zum Auswaschen des Kontrastmittels K aus dem Lumen vorgesehen ist, führen. Das Lumen der medizinischen Instrumente 2a bzw. 2b ist über eine Zu- und Ableitung mit einer Vorrichtung zur Zu- und Abfuhr von Kontrastmittel K und Spülmittel S, hier als Injektionssystem 4 ausgebildet, verbunden. Das Injektionssystem 4 beinhaltet zudem einen Injektor mit Kontrastmittel K und Spülmittel S, welches bei Bedarf jedem medizinischen Instrument 2a bzw. 2b selektiv oder beiden gleichzeitig zugeführt werden kann. Neben der Untersuchungsvorrichtung 3 und dem Injektionssystem 4, sind Mittel 6 zur Überwachung des Patientenzustands und ein Datenverarbeitungssystem 8 vorgesehen. Die Untersuchungsvorrichtung 3, das Injektionssystem 4 sowie die Überwachungsmittel 6 sind jeweils mit einer Steuerung 5 verbunden. Die Überwachungsmittel 6 erlauben eine Messung von Blutdruck, Herzfrequenz, Atemfrequenz, Blutgaswerten, usw. Die Messwerte dienen im Zusammenwirken mit der Steuerung 5 als Auswahlkriterium für den Aufnahmezeitpunkt der Bilder. Das Datenverarbeitungssystem 8 dient zur Auswertung der mit und ohne Kontrastmittel K aufgenommenen, ansonsten im Wesentlichen gleichen Bilder, das heißt unter anderem zur Bildsubtraktion, 2D-Lokalisierung und 3D-Lokalisierung der medizinischen Instrumente 2a bzw. 2b. Dazu werden auch röntgendichte Metallmarkierungen 7a bzw. 7b auf den jeweiligen Instrumenten 2a bzw. 2b genutzt. Zur Berücksichtigung einer geänderten Patientenposition und/oder Patientenlage ist eine Patientenmarkierung 9 als Bezugspunkte für die Bildsubtraktion vorgesehen. Die Daten, die im Datenverarbeitungssystem 8 verarbeitet werden sollen, werden von der Untersuchungsvorrichtung 3 an das Datenverarbeitungssystem 8 übermittelt. Es können in Verbindung mit dem Datenverarbeitungssystem 8 eine Speichereinheit zur Datensicherung und weitere Datenquellen, zum Beispiel elektrophysiologische Recording-Systeme, 3D-Work-Stations, usw., vorhanden sein, um eine Kombination verschiedener Daten mit der Position und Lage der medizinischen Instrumente 2a bzw. 2b zu ermöglichen. Das Ergebnis der Datenverarbeitung wird dem medizinischen Personal über das Bildsystem 8B angezeigt.
Im Folgenden werden die Verfahrenschritte gemäß 2 in Verbindung mit der in 1 gezeigten Anordnung erläutert, wobei sich Bezugszeichen von Anordnungskomponenten auf 1 beziehen. Zur Lokalisierung eines medizinischen Instruments 2a bzw. 2b in einem Untersuchungsobjekt U wird zunächst in einem ersten Verfahrensschritt 10 die Projektionsrichtung eingestellt, in der die Bilder durch die Untersuchungsvorrichtung 3 aufgenommen werden sollen. Anschließend wird in einem Verfahrensschritt 11 unter ersten Aufnahmebedingungen ein das medizinische Instrument 2a erfassendes Bild aufgenommen. Dabei kann durch die Steuerung 5 der Patientenzustand zum Zeitpunkt der Bildaufnahme durch die Überwachungsmittel 6 erfasst werden. Der Bildinhalt umfasst durch die physiologische Struktur des Untersuchungsobjekts U erzeugte Hintergrundinformationen, sowie das aufgrund dieser Hintergrundinformationen kaum oder nicht sichtbare medizinische Instrument 2a bzw. 2b. In einem weiteren Schritt 12 wird dem Instrument 2a Kon trastmittel K durch das Injektionssystem 4 zugeführt, was eine Änderung der ersten Aufnahmebedingung liefert. Im danach stattfindenden Verfahrenschritt 13 wird unter zweiten Aufnahmebedingungen eine weitere Bildaufnahme des Instruments 2a im Untersuchungsobjekt U durchgeführt. Zur Erzeugung eines im Wesentlichen gleichen Bildes zu dem im Verfahrensschritt 11 erzeugten, können die Informationen der Überwachungsmittel 6 herangezogen werden. Durch das zugeführte Kontrastmittel K, wird das medizinische Instrument 2a bzw. 2b von der Hintergrundinformation abgehoben und erkennbar. Grundsätzlich ist es möglich, die Reihenfolge der Bildaufnahmen in Bezug auf die Kontrastmittelbedingungen zu vertauschen. Anschließend findet im Verfahrensschritt 14 eine Bildsubtraktion der in den Verfahrenschritten 11 und 13 aufgenommenen Bilder statt. Die störenden Hintergrundinformationen werden dadurch stark verringert bzw. vollständig entfernt. Nun ist das medizinische Instrument 2a bzw. 2b als verbleibende Struktur im Bild sichtbar, und kann beispielsweise mit einem Mittel zur automatischen Erkennung erfasst werden. Die Bildsubtraktion geschieht im Datenverarbeitungssystem 8. Mittels dieser Daten kann eine zweidimensionale Lokalisierung des medizinischen Instruments in der anfangs eingestellten Projektionsebene durchgeführt werden. Das Ergebnis kann in einem Verfahrensschritt 21 auf dem Bildsystem 8B dargestellt werden.
Mit dem Verfahren kann ebenso eine zweidimensionale Lokalisierung des medizinischen Instruments 2a in zwei oder mehr Ebenen erfolgen. Dazu schließt sich nach dem Verfahrensschritt 14 ein Entscheidungsschritt 18 an, in dem die Aufnahme des medizinischen Instruments 2a im Untersuchungsobjekt U aus mindestens einer weiteren Projektionsrichtung gewählt werden kann. In einem Verfahrensschritt 10 wird die neue Projektionsrichtung eingestellt. Anschließend laufen die Verfahrensschritte 11 bis 14 wie oben beschrieben in der neu gewählten Projektionsrichtung ab. Entscheidet man sich nun im Verfahrensschritt 18 gegen eine weitere Änderung der Projektionsrichtung, so kann die zweidimensionale Darstellung des medizinischen Instruments 2a für die Anzahl der gewählten Projektionsrichtungen im Verfahrensschritt 21 dargestellt werden. Zusätzlich kann eine Datenaufbereitung in einem Verfahrensschritt 20 für den zweidimensionalen Fall vorgesehen werden, die zum Beispiel unter Nutzung einer bildbasierten elastischen Registrierung Bildverschiebungen ausgleicht. Alternativ können durch Nutzung eines biplanen C-Bogen Röntgensystems Bildprojektionen von zwei unterschiedlichen Projektionsrichtungen zeitgleich aufgenommen werden.
Für eine dreidimensionale Lokalisierung des medizinischen Instruments 2a mit der vorliegenden Anordnung eines C-Bogen-Röntgensystems 3 sind Bilddatensätze aus mindestens zwei verschiedenen Projektionsrichtungen erforderlich, sofern nicht direkt dreidimensionale Daten gewonnen werden. Liegen diese Daten für ein medizinisches Instrument 2a gemäß Entscheidungsschritt 18 und nach erneutem Durchlaufen der Verfahrensschritte 10 bis 14 vor, so kann in einem Entscheidungsschritt 19 eine dreidimensionale Darstellung gewählt werden. Zur Realisierung der Darstellung werden die Bilddatensätze in einem Verfahrensschritt 20 durch Rückprojektion verarbeitet und in einem nächsten Verfahrensschritt 21 dreidimensional auf dem Bildsystem 8B dargestellt.
Sollen mehrere medizinische Instrumente 2a bzw. 2b in einem Untersuchungsobjekt U lokalisiert werden, so findet nach einer Aufnahme des ersten Instruments 2a in einer ersten Projektionsrichtung gemäß den Verfahrensschritte 10 bis 14 in einem weiteren Verfahrensschritt 15 eine Datensicherung statt. Beispielsweise kann dies durch Ablegen der Daten in einem Speichermittel erfolgen. Anschließend wird in einem Verfahrensschritt 16 das Instrument 2a, welchem im Verfahrensschritt 12 Kontrastmittel K zugeführt wurde, vom Kontrastmittel K durch ein Spülmittel S gereinigt. Sollen gemäß Entscheidungsschritt 17 weitere Instrumente 2b lokalisiert werden, so werden für die weiteren Instrumente 2b die Verfahrenschritte 11 bis 16 erneut durchlaufen. Sind sämtliche Instrumente 2a bzw. 2b in einer Projektionsrichtung lokalisiert, so kann gemäß Entscheidungsschritt 18 eine Erfassung sämtlicher Instrumente 2a bzw. 2b in einer weiteren Projektionsrichtung durchgeführt werden. Alternativ können für jedes einzelne Instrument 2a bzw. 2b zunächst verschiedene Projektionsrichtungen erfasst werden und anschließend das nächste Instrument 2a bzw. 2b über mehrere Projektionsrichtungen erfasst werden. Entsprechend der generierten Daten kann als Folge der getroffenen Wahl für die Entscheidungsschritte 18 bzw. 19 die Darstellung zur Lokalisierung der medizinischen Instrumente 2a bzw. 2b im Verfahrensschritt 21 für mehrere Instrumente 2a bzw. 2b zweidimensional oder dreidimensional erfolgen.
Nach der Bilddarstellung in Verfahrensschritt 21 kann gemäß Entscheidungsschritt 22 das Lokalisierungsverfahren erneut gestartet werden, um die Position und Lage des medizinischen Instruments 2a bzw. 2b zu aktualisieren. Ist dies nicht erforderlich, so endet nach der Darstellung der Position und Lage des medizinischen Instruments 2a bzw. 2b im Verfahrensschritt 21 das Verfahren.
Zur weiteren Bestimmung der geänderten Position und Lage des medizinischen Instruments 2a bzw. 2b können dann auch bekannte Verfahren, z.B. Filterverfahren, eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zur Lokalisation eines in ein Untersuchungsobjekt (U) mindestens teilweise eingeführten, medizinischen Instruments (2a, 2b), wobei das medizinische Instrument (2a, 2b) erfassende, aus jeweils einem Datensatz bestehende Bilder des Untersuchungsobjekts (U) aufgenommen werden (11, 13), dadurch gekennzeichnet, dass ein Bild unter ersten Aufnahmebedingungen und ein im Wesentliches gleiches Bild unter zweiten Aufnahmebedingungen aufgenommen wird (11, 13), und dass das medizinische Instrument (2a, 2b) aus einer Subtraktion (14) von Bilddatensätzen erster und zweiter Aufnahmebedingungen lokalisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bild unter einer der beiden Aufnahmebedingungen ohne Zufuhr von Kontrastmittel (K) aufgenommen wird (11) und das im Wesentlichen gleiche Bild unter der anderen Aufnahmebedingungen unter Zufuhr (12) von Kontrastmittel (K) aufgenommen wird (13).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrastmittel (K) derart zugeführt wird (12), dass eine Kontraststeigerung in der Umgebung außerhalb des medizinischen Instruments (2a, 2b) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrastmittel (K) derart zugeführt wird (12), dass eine Kontraststeigerung innerhalb des medizinischen Instruments (2a, 2b) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die ersten von den zweiten Aufnahmebedingungen durch die Position und/oder gegebenenfalls Lage einer auf dem Bild sichtbaren Instrumentenmarkierung (7a, 7b) unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Instrumentenmarkierung (7a, 7b) eine klappbare und/oder drehbare Instrumentenspitze verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Instrumentenmarkierung (7a, 7b) eine ausrichtbare Instrumentenspitze verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder zweiten Aufnahmebedingungen zeitlich einstellbar ausgelöst werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die das medizinische Instrument (2a, 2b) erfassenden Bilder als zweidimensionale Projektion des Untersuchungsobjekts (U) aufgenommen werden (11, 13), und dass daraus eine zweidimensionale Position und/oder gegebenenfalls Lage des medizinischen Instruments (2a, 2b) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus mindestens zwei unterschiedlichen, das medizinische Instrument (2a, 2b) erfassenden Bildprojektionen (11, 13, 18) des Untersuchungsobjekts (U) eine dreidimensionale Position und/oder gegebenenfalls Lage des medizinischen Instruments (2a, 2b) ermittelt wird (20).
Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die das medizinische Instrument (2a, 2b) erfassenden Bilder als dreidimensionale Daten des Untersuchungsobjekts (U) aufgenommen werden (11, 13), und dass daraus eine dreidimensionale Position und/oder gegebenenfalls Lage des medizinischen Instruments (2a, 2b) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ansichten für eine dreidimensionale Position und/oder gegebenenfalls Lage des medizinischen Instruments (2a, 2b) ermittelt werden (20).
Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgangsposition und/oder gegebenenfalls -lage des medizinischen Instruments (2a, 2b) durch Bildsubtraktion (14) bestimmt wird, und dass Positions- und/oder gegebenenfalls Lageänderungen des medizinischen Instruments (2a, 2b) durch wenigstens eine vorgegebene Anzahl von Bildaufnahmen ohne Bildsubtraktion erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilder mit einem Magnetresonanzverfahren aufgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilder mit einem Röntgenverfahren aufgenommen werden (11, 13).
Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilder mit einem Ultraschallverfahren aufgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass auf den aufgenommenen Bildern wenigstens eine sichtbare Patientenmarkierung (9) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsposition und/oder gegebenenfalls -lage und die Positions- und/oder gegebenenfalls Lageänderung mehrerer medizinischer Instrumente (2a, 2b) sequenziell bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilder bei gleichem Bewegungszustand des Untersuchungsobjekts (U) oder seiner Bestandteile aufgenommen werden (11, 13).
Verfahren nach Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass Hintergrundabweichungen von im Wesentlichen gleichen Bildern mittels bildbasierter elastischer Registrierung korrigiert werden.
Anordnung zur Lokalisation eines in ein Untersuchungsobjekt (U) mindestens teilweise eingeführten, medizinischen Instruments (2a, 2b) gekennzeichnet durch Mittel (3, 4, 5, 6, 7a, 7b, 8, 8B, K, S) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 20.