DE102006011242A1

DE102006011242A1 - Verfahren zur Rekonstruktion einer 3D-Darstellung

Info

Publication number: DE102006011242A1
Application number: DE200610011242
Authority: DE
Inventors: Estelle Dr. Camus; Thomas Dr. Redel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2026-03-11
Also published as: DE102006011242B4; US8275448B2; US20070232886A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rekonstruktion einer 3-D-Darstellung eines Hohlorgans anhand von mittels eines zurückgezogenen, eine Bildaufnahmeeinrichtung umfassenden Katheters aufgenommenen zweidimensionalen Katheterbildern, umfassend folgende Schritte: a) Aufnahme wenigstens zweier das Hohlorgan und die Katheterspitze zeigender zweidimensionaler, zueinander gewinkelt stehender Durchleuchtungsbilder; b) Bestimmung einer dreidimensionalen Startposition des Katheters aus den Durchleuchtungsbildern in einem dreidimensionalen Modell des Hohlorgans oder einer Katheterführung; c) Ermittlung eines wahrscheinlichsten Rückzugsweges des Katheters anhand des dreidimensionalen Modells; d) Rückzug des Katheters unter Aufnahme der Katheterbilder unter kontinuierlicher Erfassung der Rückzugslänge, wobei jedem Katheterbild eine erfasst Rückzugslänge zugeordnet wird; e) Bestimmung der Abweichung der Position des Katheters von einem durch die Mitte des Hohlorgans führenden Mittelpfad und der Orientierung des Katheters für jedes Katheterbild anhand des ermittelten Rückzugsweges und der Rückzugslänge und f) Rekonstruktion einer 3-D-Darstellung des Hohlorgans aus den zweidimensionalen Katheterbildern unter Brücksichtigung der Abweichung der Position des Katheters von dem Mittelpfad und der Orientierung des Katheters.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rekonstruktion einer 3D-Darstellung eines Hohlorgans anhand von mittels eines zurückgezogenen, eine Bildaufnahmeeinrichtung umfassenden Katheters aufgenommenen zweidimensionalen Katheterbildern.

Zur Diagnosestellung und Therapieplanung in Hohlorgane betreffenden Medizingebieten, insbesondere in der interventionellen Kardiologie, ist es bekannt, aus röntgenbasierten Bildgebungsverfahren Informationen über das Hohlorgan zu erhalten. Diese Verfahren liefern aber bestenfalls nur Informationen über das Lumen, nicht über den Wandaufbau des Gefäßes. Informationen über den Wandaufbau liefern invasiv applizierte Bildaufnahmekatheter, die eine Bildaufnahmeeinrichtung umfassen. Diese Bildaufnahmeeinrichtungen basieren beispielsweise auf Ultraschallbildgebung (IVUS) oder OCT (optical coherence tomography). Meist werden dabei zweidimensionale Schnittbilder erhalten, wobei eine 3D-Rekonstruktion dieser zweidimensionalen Katheterbilder aufgrund der im Moment der Aufnahme unbekannten Position und Orientierung im Hohlorgan a priori nicht möglich ist. Daher wurden verschiedene technische Lösungen vorgeschlagen, um dennoch die Rekonstruktion einer 3D-Darstellung des Hohlorgans, insbesondere des Gefäßes, zu erhalten.

In einem Verfahren zur Fusion von Angiographie und IVUS (ANGUS) wird vorgeschlagen, dass der Rückzug eines IVUS-Katheters mittels einer Biplan-Röntgenanlage aus zwei verschiedenen Richtungen aufgenommen wird. Aus den erhaltenen zwei zueinander gewinkelt stehenden Durchleuchtungsbildern kann zu jedem Zeitpunkt Position und Orientierung des IVUS-Katheters bestimmt werden. Die kontinuierliche Aufnahme von Röntgenbildern führt hierbei jedoch zu einer extremen Strahlenbelastung für den Patienten.

Alternativ wurde die Verwendung eines Ortungssystems vorgeschlagen, vgl. US 2002/0049375 A1, wobei an der Spitze des Katheters ein Sensor oder dergleichen angebracht wird, dessen Lage und Orientierung von einem außerhalb des Körpers befindlichen Ortungssystem erfasst wird. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass zusätzliche Geräte und spezielle Katheter benötigt werden.

Ein weiteres Verfahren zur Rekonstruktion einer 3D-Darstellung eines Blutgefäßes wird in einem Artikel von B. Martín-Leung, K. Eck, J. Bredno und T. Aach, „X-IVUS: Integrated x-ray and IVUS system for the Cathlab", Medical Imaging 2005, Proc. of SPIE Vol. 5744, April 2005, Seiten 378 bis 387, vorgeschlagen. Darin werden zweidimensionale IVUS-Katheterbilder, die zu derselben EKG-Phase des Herzzyklus gehören, ausgesucht und es wird eine Registrierung mit zuvor aufgenommenen angiographischen Durchleuchtungsbildern durchgeführt. Dabei wird vermutet, dass sich die IVUS-Katheterspitze im Zentrum des Gefäßlumens befindet und sich in jedem Moment auf dieser Zentrallinie bewegt. Es sind dann allerdings zwei Fehlerquellen vorhanden:

a) Zum einen ist der Katheterdurchmesser üblicherweise deutlich kleiner als der Gefäßdurchmesser, d. h., der Katheter wird sich im Allgemeinen nicht in der Mitte des Gefäßlumens befinden. Hieraus ergeben sich verschiedene effektive Rückzugslängen, außerdem kann sich die Lage des Katheters während des Rückzuges ändern.
b) Zum anderen ist bei diesem Verfahren die Orientierung der IVUS-Bildebene relativ zum Gefäß unbekannt. Dadurch können bei der Rekonstruktion beispielsweise Verzerrungen auftreten.

Der Artikel von Martín-Leung et al. offenbart keine Rekonstruktion einer 3D-Darstellung aus den aufgenommenen IVUS-Katheterbildern, eine solche wäre aufgrund der unter a) und b) genannten Fehlerquellen nicht exakt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein möglichst korrektes dreidimensionales Abbild der Struktur eines Hohlorgans einschließlich des Wandaufbaus ohne zusätzlich benötigte Einrichtungen und ohne den Patienten einer erhöhten Strahlendosis auszusetzen ermöglicht werden soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, folgende Schritte durchzuführen:

a) Aufnahme wenigstens zweier das Hohlorgan und die Katheterspitze zeigender, zweidimensionaler, zueinander gewinkelt stehender Durchleuchtungsbilder;
b) Bestimmung einer dreidimensionalen Startposition des Katheters aus den Durchleuchtungsbildern in einem dreidimensionalen Modell des Hohlorgans oder einer Katheterführung;
c) Ermittlung eines wahrscheinlichsten Rückzugsweges des Katheters anhand des dreidimensionalen Modells;
d) Rückzug des Katheters unter Aufnahme der Katheterbilder unter kontinuierlicher Erfassung der Rückzugslänge, wobei jedem Katheterbild eine erfasste Rückzugslänge zugeordnet wird;
e) Bestimmung der Abweichung der Position des Katheters von einem durch die Mitte des Hohlorgans führenden Mittelpfad und der Orientierung des Katheters für jedes Katheterbild anhand des ermittelten Rückzugsweges und der Rückzugslänge; und
f) Rekonstruktion einer 3D-Darstellung des Hohlorgans aus den zweidimensionalen Katheterbildern unter Berücksichtigung der Abweichung der Position des Katheters von dem Mittelpfad und der Orientierung des Katheters.

Dabei können die Schritte b) bis d) auch in der Reihenfolge b), d), c) oder d), b), c) erfolgen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden also, nachdem der Katheter in seine Startposition gebracht wurde, zunächst zwei das Hohlorgan und die Katheterspitze zeigende zweidimensionale, zueinander gewinkelt stehende Durchleuchtungsbilder aufgenommen. Aus den den Katheter unter zwei verschiedenen Projektionen zeigenden Durchleuchtungsbildern kann nach allgemein bekannten Verfahren eine dreidimensionale Position bestimmt werden. Die grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung ist es nun, mit Hilfe eines dreidimensionalen Modells des Hohlorgans oder einer im Hohlorgan befindlichen Katheterführung einen möglichen Rückzugsweg des Katheters zu ermitteln. Dabei wird selbstverständlich der Rückzugsweg ermittelt, der am wahrscheinlichsten den realen Rückzugsweg wiedergibt. Für den ermittelten Rückzugsweg sind nun für jede Rückzugslänge die Position des Katheters, genauer der Bildaufnahmeeinrichtung, sowie ihre Orientierung im Lumen des Hohlorgans bekannt. Da der Rückzugsweg so ermittelt wurde, dass er mit größter Wahrscheinlichkeit dem realen Rückzugsweg entspricht, kann nun jedem Katheterbild, dem eine Rückzugslänge zugeordnet ist, eine Abweichung der Position der Bildaufnahmeeinrichtung des Katheters von einem durch die Mitte des Hohlorgans führenden Mittelpfad und die Orientierung des Katheters, genauer der Bildaufnahmeeinrichtung, zugeordnet werden. Dadurch wird es schließlich ermöglicht, eine 3D-Darstellung des Hohlorgans zu rekonstruieren, die möglichst korrekt ist, da die durch die Abweichung des Katheters vom Mittelpfad und die nicht ideale Orientierung der Katheterbilder auftretenden Fehler korrigiert werden können.

Da es sich bei den aufgenommenen Katheterbildern in den meisten Fällen um Schnittbilder handelt, soll im Folgenden auch von solchen Schnittbildern ausgegangen werden, ohne dass hieraus eine Beschränkung hergeleitet werden soll. Es ist natürlich genauso gut möglich, die Oberfläche der Wand des Hohlorgans durch eine geeignete Bildaufnahmeeinrichtung aufzunehmen und hieraus eine 3D-Darstellung des Hohlorgans zu rekonstruieren.

Die erfindungsgemäße Lösung kommt vorteilhafterweise ohne zusätzlichen Geräteaufwand, wie beispielsweise ein Positionierungssystem, aus, da der wahrscheinlichste Rückzugsweg in einem dreidimensionalen Modell ermittelt wird. Zudem ist auch keine ständige Röntgenüberwachung erforderlich, so dass der Patient nicht unnötig hohen Strahlenbelastungen ausgesetzt wird. Es werden im erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise ohnehin vorhandene Informationen über das Hohlorgan bzw. das Verhalten des Katheters, insbesondere der Bildaufnahmeeinrichtung, genutzt, um den Rückzugsweg zu prädizieren.

Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass die Ermittlung des möglichen Rückzugsweges selbstverständlich nicht vor dem Rückzug des Katheters und der Aufnahme der Katheterbilder stattfinden muss, sondern auch danach durchgeführt werden kann.

Um zum 3D-Modell des Hohlorgans oder der Katheterführung zu gelangen, sind erfindungsgemäß vor allem zwei Alternativen möglich. Zum einen kann das dreidimensionale Modell anhand der Durchleuchtungsbilder erstellt werden. Dabei werden vorteilhafterweise die ohnehin aufgenommenen Durchleuchtungsbilder auch für die Erstellung des dreidimensionalen Modells genutzt. Es sind dann keine weiteren Aufnahmen erforderlich.

In weiterer Ausgestaltung kann dabei vorgesehen sein, dass als Katheter ein Hüllkatheter mit einer die Katheterführung bildenden Hülle verwendet wird, bei dem die Bildaufnahmeeinrichtung innerhalb der ortsfesten Hülle zurückgezogen wird. Bezüglich der Erstellung des dreidimensionalen Modells sind dabei drei verschiedene Fälle zu betrachten. So kann die Hülle selber in den Durchleuchtungsbildern sichtbar sein. Ist die Hülle in den Durchleuchtungsbildern transparent, also nicht zu sehen, kann der in der Hülle geführte Katheter sichtbar sein. In diesen beiden Fällen kann vorgesehen sein, dass das dreidimensionale Modell der Katheterführung anhand der Darstellung der Hülle oder des in der transparenten Hülle geführten Katheters in den Durchleuchtungsbildern erstellt wird. Ein Hüllkatheter umfasst demnach eine in Durchleuchtungsbildern sichtbare Hülle, die für die Bildaufnahmeeinrichtung transparent ist, oder im Fall einer transparenten Hülle einen in den Durchleuchtungsbildern sichtbaren Katheter. Innerhalb der Hülle wird die Bildaufnahmeeinrichtung zurückgezogen, während die Hülle ortsfest im Hohlorgan verbleibt. Um das dreidimensionale Modell zu erhalten, wird der Verlauf der Hülle bzw. des Katheters aus den Durchleuchtungsbildern mittels beispielsweise einer Bildverarbeitung extrahiert. Der Rückzugsweg wird dann aus dem bekannten Verlauf des Rückzugsweges innerhalb der Hülle extrapoliert und ermittelt. Die Verwendung eines solchen Hüllkatheters ermöglicht also eine besonders einfache Bestimmung des Rückzugsweges.

Es ist jedoch auch möglich, dass sowohl die Hülle als auch der Katheter für die Durchleuchtungsbilder transparent sind, also dort nicht zu sehen sind. Dann ist nur die Katheterspitze lokalisierbar. In diesem Falle wird aus den Durchleuchtungsbildern das dreidimensionale Modell des Hohlorgans erstellt und, wie unten beschrieben, simuliert.

Das dreidimensionale Modell kann auch ein Modell des Hohlorgans sein und aus der Darstellung des Hohlorgans auf den Durchleuchtungsbildern gewonnen werden. Auch das Hohlorgan ist in den zueinander gewinkelt stehenden Durchleuchtungsbildern aus zwei Projektionen zu sehen, so dass sein Lumen als ein dreidimensionales Modell rekonstruiert werden kann.

Alternativ zur Bestimmung des dreidimensionalen Modells allein aus den Durchleuchtungsbildern kann vorgesehen sein, dass das dreidimensionale Modell des Hohlorgans anhand eines früher aufgenommenen Bilddatensatzes erstellt wird und durch Registrierung der Durchleuchtungsbilder mit dem Bilddatensatz die Startposition in dem dreidimensionalen Modell bestimmt wird. Häufig sind früher aufgenommene Bilddatensätze aus anderen Bildaufnahmemodalitäten schon vorhanden. Dies können beispielsweise Bilddatensätze von Magnetresonanz- und/oder Computertomographieaufnahmen sein. Hierbei gibt es verschie dene Verfahren, um den Verlauf eines Hohlorgans in drei Dimensionen zu bestimmen, wie auch die Ausdehnung seines Lumens. Über die denselben Bereich zeigenden Durchleuchtungsbilder können nun die Koordinatensysteme des früher aufgenommenen Bilddatensatzes und die der Durchleuchtungsbilder miteinander registriert werden. Da aber die Startposition des Katheters in dem Koordinatensystem der Durchleuchtungsbilder bestimmt werden kann, ist sie dann folglich auch in dem dreidimensionalen Modell, das anhand des früher aufgenommenen Bilddatensatzes erstellt wurde, bekannt. In dieser Variante werden vorteilhafterweise schon bekannte, früher aufgenommene und exaktere oder zusätzliche Informationen über das entsprechende Hohlorgan genutzt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können zum Ermitteln des wahrscheinlichsten Rückzugsweges folgende Schritte durchgeführt werden:

– Positionierung eines virtuellen Katheters an der Startposition im dreidimensionalen Modell,
– Ermitteln des wahrscheinlichsten Rückzugsweges aus einer Simulation des virtuellen Katheters in dem dreidimensionalen Modell.

Es wird also erfindungsgemäß eine Simulation durchgeführt, die das Verhalten des Katheters beim Rückzug vorhersagen und daraus den wahrscheinlichsten Rückzugsweg ermitteln kann. Dabei werden neben der durch das dreidimensionale Modell bekannten Geometrie gewisse physikalische Grundtatsachen zur Bewegung eines Körpers in Form von Parametern und/oder Zusammenhängen angenommen. Zweckmäßigerweise kann in der Simulation wenigstens ein physikalischer Parameter des virtuellen oder realen Katheters berücksichtigt werden. Ein solcher physikalischer Parameter kann beispielsweise dessen Durchmesser, spezifisches Gewicht, Elastizität, Steifigkeit und/oder Oberflächenbeschaffenheit sein. In dieser Variante wird folglich auch das Wissen über physikalische Eigenschaften des verwendeten Katheters bzw. der Katheterspitze genutzt, welche phy sikalischen Eigenschaften unter Umständen einen großen Einfluss auf das Verhalten des Katheters haben können. So bestimmt die Elastizität, in welcher Art sich der Katheter in einen vorhandenen Freiraum „hineinlegt". Die physikalischen Parameter können dabei sowohl am realen Katheter gemessen sein oder angenommene, beispielsweise Mittelwerte für den virtuellen Katheter sein. Analog können natürlich auch physikalische Eigenschaften des Hohlorgans bzw. der Katheterführung berücksichtigt werden. So kann bei der Ermittlung des möglichen Rückzugsweges auch ein Modell für auftretende Hohlorgandeformationen berücksichtigt werden. Mit besonderem Vorteil können bei der Simulation auch mögliche diskontinuierliche Bewegungen des Katheters, insbesondere ein Umspringen an eine andere Wand des Hohlraumorgans und/oder ein Weiterspringen entlang der Wand, berücksichtigt werden. Damit können auch Rückzugswege erfasst werden, bei denen der Katheter, beispielsweise durch die Auflösung einer Verdrehung, mit seiner Spitze praktisch von einer Wand an eine andere springt. Ebenso kann berücksichtigt werden, dass ein Katheter, beispielsweise bei Unebenheiten der Wand des Hohlorgans, kleinere Sprünge nach einem Festhängen durchführt.

Die Information über die Abweichung des Katheters vom Mittelpfad kann auch aus den Katheterbildern bestimmt werden. Darin ist die Lage des Katheters insbesondere bei Schnittbildern relativ einfach festzustellen. Vorzugsweise wird daher die Abweichung des Katheters vom Mittelpfad während der Rekonstruktion auch aus den Katheterbildern bestimmt. Zusätzlich kann dann ein fester Schwellwert für die Differenz der aus dem wahrscheinlichsten Rückzugsweg ermittelten Abweichung vom Mittelpfad und der aus den Katheterbildern ermittelten Abweichung vom Mittelpfad vorgegeben sein, bei dessen Überschreitung der wahrscheinlichste Rückzugsweg ab der Position, an dem die Überschreitung des Schwellwerts auftritt, neu berechnet wird und zur Rekonstruktion der neu berechnete wahrscheinlichste Rückzugsweg verwendet wird. Es wird mithin vorgeschlagen, während der Rekonstruktion aufgrund der aus den Katheterbildern entnehmbaren Abweichungsinformation eine ständige Kontrolle durchzuführen, ob der ermittelte Rückzugsweg auch der tatsächlich vom Katheter genommene Rückzugsweg ist. Tritt eine größere Abweichung auf, kann beispielsweise die Simulation nochmals durchgeführt werden, wobei die bekannte Abweichung und die vermutete Orientierung der Katheterspitze an der momentanen Position als Ausgangspunkt genommen werden. Sollte folglich ein Fehler bei der Bestimmung des wahrscheinlichsten Rückzugsweges aufgetreten sein, so kann dies überwacht werden und der wahrscheinlichste Rückzugsweg kann iterativ angepasst werden.

Eine große Rolle insbesondere bei der Aufnahme von Blutgefäßen wie beispielsweise der Koronararterien spielt die EKG-Phase im momentanen Herzzyklus. Die Bewegung des Herzens, um Blut durch den menschlichen Körper zu pumpen, hat auch, insbesondere bei dem Herzen nahe liegenden Blutgefäßen, Auswirkungen auf die Form bzw. Ausdehnung des Hohlorgans. Die momentane EKG-Phase, wobei die EKG-Phase hier einen Zeitpunkt oder Zeitabschnitt im Herzzyklus beschreiben soll, in dem sich die Geometrie des beobachteten Hohlorgans nur wenig oder gar nicht verändert, muss in solchen Fällen unbedingt in das Verfahren zur Rekonstruktion einer 3D-Darstellung einbezogen werden. Hierfür sind im Großen und Ganzen zwei Optionen denkbar.

Zum einen kann vorgesehen sein, dass die Aufnahmen anhand einer festen EKG-Phase getriggert werden, wobei die EKG-Phase der Durchleuchtungsaufnahmen, der Katheterbilder, und gegebenenfalls des früher aufgenommenen Modells übereinstimmen. Dadurch wird im Prinzip eine Momentaufnahme des Hohlorgans zu einer bestimmten EKG-Phase geschaffen. Die EKG-Triggerung ist eine wohlbekannte Technik, die hier nicht näher erläutert werden soll.

Alternativ kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass zu jedem aufgenommenen Katheterbild die momentane EKG-Phase aufgezeichnet wird und bei der Rekonstruktion jeweils Bilder der gleichen EKG-Phase zu einer eigenen Rekonstruktion verwendet werden. Wird das EKG demnach kontinuierlich aufgezeichnet und die jeweilige EKG-Phase den Bildern zugeordnet, so können viele Momentaufnahmen zu verschiedenen EKG-Phasen erstellt werden. Mit Bildern sind hierbei sowohl die Durchleuchtungsbilder als auch die Katheterbilder sowie gegebenenfalls die Bilder des früher aufgenommenen Bilddatensatzes gemeint. Natürlich kann eine Rekonstruktion zu einer bestimmten EKG-Phase nur dann vollständig durchgeführt werden, wenn Durchleuchtungsbilder zu jeder EKG-Phase vorhanden sind. Daher kann mit besonderem Vorteil vorgesehen sein, dass die Durchleuchtungsbilder über wenigstens einen gesamten Herzzyklus aufgenommen werden und jeweils wenigstens zwei Durchleuchtungsbilder einer EKG-Phase den Katheterbildern mit der entsprechenden EKG-Phase zur Rekonstruktion zugeordnet werden. Es können hiermit Momentaufnahmen über den gesamten Herzzyklus hinweg erstellt werden. Diese können nun auf zweierlei Art und Weise weiterverarbeitet werden. Zum einen können die 3D-Rekonstruktionen der verschiedenen EKG-Phasen fusioniert werden. Das bedeutet, die durch den Herzzyklus und die verschiedenen Herzphasen auftretenden Effekte können durch eine Bildverarbeitung bzw. einen geeigneten Algorithmus auf den Zustand zu einer bestimmten EKG-Phase zurückgerechnet werden und die Bilder können zu einer einzigen 3D-Rekonstruktion bei dieser bestimmten EKG-Phase zusammengefasst werden. Damit können die Daten des gesamten Herzzyklus vorteilhafterweise in einer 3D-Darstellung verwendet werden. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die 3D-Rekonstruktionen der einzelnen EKG-Phasen zu einer zeitaufgelösten 4D-Rekonstruktion kombiniert werden. Dadurch wird eine Art Film erzeugt, der auch die Veränderung der Hohlorgangeometrie und Struktur während des Herzzyklus deutlich macht.

Um eine möglichst verlässliche Ermittlung des möglichen, wahrscheinlichsten Rückzugsweges zu erlauben, ist es sinnvoll, eine fest vorgegebene, bekannte Startkonfiguration zu haben. In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist es daher vorteilhaft, wenn der Katheter zunächst distal eine kleine Strecke über die Startposition hinausgeschoben wird, um dann an die Startposition zurückgezogen zu werden, und dass die resultierende vom Katheter eingenommene kürzeste Wegstrecke zur Ermittlung des wahrscheinlichsten Rückzugsweges berücksichtigt wird. Diese Justierung des Katheters kann beispielsweise über die Vorrichtung erfolgen, die auch für den gleichmäßigen Rückzug und die Erfassung der Rückzugslänge sorgt. Wird der Katheter ein Stück zurückgezogen, so strafft er sich etwas, um die kürzeste Wegstrecke einzunehmen. Mit anderen Worten wird dadurch eine fest definierte Ausgangsposition geschaffen.

Zur Rekonstruktion der 3D-Darstellung können auch von den Katheterbildern abgeleitete Bilder verwendet werden. Ein Beispiel hierfür ist die so genannte Ultraschall-Elastographie. Dabei wird während der üblichen Ultraschalluntersuchung im Hohlorgan mittels der Katheterspitze ein leichter Druck auf das diagnostisch relevante Gewebe ausgeübt. In der Folge werden kleine Verschiebungen in aufeinander folgenden Ultraschallaufnahmen bestimmt, die die Elastographieaufnahme ergeben.

Als geeignete Bildaufnahmeeinrichtung können im erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise eine IVUS-Einrichtung und/oder eine OCT-Einrichtung und/oder eine OFDI-Einrichtung vorgesehen sein. Alle diese Modalitäten erzeugen Schnittbilder, die sowohl die Oberflächen- als auch Gewebestruktur des Hohlorgans wiedergeben.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch der Atemzyklus des Menschen einen Einfluss auf das entsprechende Hohlorgan, beispielsweise die Luftröhre, haben kann. Daher kann auch eine Triggerung anhand der Atemphase vorgenommen werden oder der Patient wird gebeten, während der Aufnahmen beispielsweise die Luft anzuhalten.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 die Prinzipskizze einer Untersuchungseinrichtung, die zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist,
2 einen Katheter mit an der Spitze angeordneter Bildaufnahmeeinrichtung,
3 einen Hüllkatheter mit innerhalb einer die Katheterführung bildenden Hülle verschiebbarem inneren Katheter,
4 einen Katheter innerhalb eines Hohlorgans,
5 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des Effekts unterschiedlicher Orientierungen, und
6 einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt eine medizinische Untersuchungseinrichtung 1, geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine C-Bogen-Röntgenanlage 2, umfassend eine Strahlungsquelle 3 und einen Strahlungsdetektor 4, ist wie durch den Pfeil A angedeutet, drehbar gelagert, so dass Durchleuchtungsbilder aus verschiedenen Winkeln aufgenommen werden können. Alternativ könnte auch ein Biplan-Röntgengerät verwendet werden. Auf einer Liege 5 ist ein Patient 6 angeordnet. Über geeignete Erfassungsmittel 7 wird der EKG-Wert des Patienten gemessen, in einem EKG-Steuergerät 8 bearbeitet und einer EKG-Phase zugeordnet. Durch die Verbindung mit dem Röntgen-Steuergerät 9 können zwei zueinander gewinkelt stehende Durchleuchtungsbilder über eine Triggerung zur selben EKG-Phase mit Hilfe der Röntgenanlage 2 aufgenommen werden. In ein Hohlorgan des Patienten 6 ist ein Katheter 10 mit an dessen Spitze angeordneter, hier nicht dargestellter Bildaufnahmeeinrichtung eingeführt. Das Katheter-Steuergerät 11 überwacht den Katheter 10 und ist zudem dazu ausgebildet, einen gleichmäßigen Katheterrückzug durch das Hohlorgan unter exakter Erfassung der Rück zugslänge durchzuführen. Zusätzlich ist ein, gegebenenfalls weiteres, Steuergerät 12 für die Bildaufnahmeeinrichtung des Katheters 10 vorgesehen. Auch das Steuergerät 12 steht mit dem EKG-Steuergerät 8 in Kommunikationsverbindung, so dass eine EKG-Triggerung oder -Aufzeichnung vorgenommen werden kann. Alle Steuergeräte 8, 9, 11 und 12 kommunizieren zudem mit einer zentralen Recheneinrichtung 13. Dieser kann ein Monitor 14 zugeordnet sein, auf dem Bilder, Modelle und Rekonstruktionen anzeigbar sind. Die Recheneinrichtung 13 ist dabei zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können zweierlei Arten von Kathetern 10 verwendet werden, die in den 2 und 3 näher dargestellt sind. 2 zeigt die Katheterspitze 15 eines ersten Katheters 10a. In der Katheterhülle 16 ist im Bereich der Katheterspitze 15 ein umlaufendes Ringfenster 17 vorgesehen, durch das eine Bildaufnahme mit Hilfe der Bildaufnahmeeinrichtung 18 erfolgen kann. Die Bildaufnahmeeinrichtung 18 nimmt zweidimensionale Schnittbilder des Hohlorgans auf. Sie ist über geeignete Signalleitungen 19, die innerhalb der Katheterhülle 16 verlaufen, mit dem Steuergerät 12 verbunden, in dem die Bilder erfasst und zwischengespeichert werden.
Ein weiterer Katheter l0b ist in 3 dargestellt. Als Hüllkatheter umfasst er eine während des Rückzugs ortsfest im Patienten 6 verbleibende äußere Hülle 20, die transparent ist und als Katheterführung für den inneren Katheter 21 dient, der wiederum eine Bildaufnahmeeinrichtung 22 mit zugeordneten Signalleitungen 23 umfasst.
Die Schnittbilder des Hohlorgans aufnehmenden Bildaufnahmeeinrichtungen 18 bzw. 22 können dabei OCT-, IVUS- oder OFDI-Einrichtungen sein.
Der Durchmesser des Katheters 10 ist dabei kleiner als der Durchmesser des Hohlorgans, meist sogar erheblich kleiner.
Deshalb ordnet sich der Katheter 10 innerhalb des Hohlorgans 24 meist nicht, vgl. 4, entlang eines Mittelpfades 25 an, sondern nimmt im dargestellten Beispiel eine kürzeste Wegstrecke ein, wobei er streckenweise sogar an der Gefäßwand 26 anliegt. Im dargestellten Beispiel liegt nicht einmal die Startposition 27 auf dem Mittelpfad 25. Wird der Katheter 10 nun in Richtung des Pfeils B zurückgezogen, so wird sich seine Katheterspitze 28 nicht entlang des Mittelpfades 25 bewegen, sondern einen anderen Rückzugsweg gehen, der im Wesentlichen von den physikalischen Eigenschaften des Katheters 10 und des Hohlorgans 24 abhängig ist.
Die Auswirkungen dieses Verhaltens auf die aufgenommenen Katheterbilder werden durch 5 näher erläutert. Dort sind wiederum das Hohlorgan 24 sowie sein Mittelpfad 25 dargestellt. Ein am Punkt 29 aufgenommenes Schnittbild mit einer Orientierung der Katheterspitze entlang der lokalen Richtung des Mittelpfades 25 würde einen Schnitt durch die senkrecht zur Richtung des Mittelpfades 25 stehende Ebene 30 darstellen, wobei der Katheter 10 genau in der Mitte des Schnittbildes läge. Ein solches Katheterbild ist bei 48 dargestellt. Die durchgezogene Linie stellt den realen Rückzugsweg 31 dar, den der Katheter 10 nimmt. Hierbei wird ein Bild am Punkt 32 aufgenommen. Die Katheterspitze des Katheters 10 befindet sich dabei nicht im Mittelpunkt des Hohlorgans 24 und ist entlang der Richtung des realen Rückzugsweges 31 orientiert. Es ergibt sich ein etwas verzerrtes Katheterbild 33, bei dem der Katheter 10 nicht in der Mitte des Lumens angeordnet ist. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass das Hohlorgan im Allgemeinen selbstverständlich nicht rund ist und die Orientierung des Katheters daher auch nicht anhand der Elliptizität des aufgenommenen Lumens bestimmt werden kann.
Um aus den während des Rückzugs entstandenen zweidimensionalen Katheterbildern eine 3D-Darstellung des Hohlorgans zu rekonstruieren, muss folglich zum Erreichen einer möglichst korrekten Darstellung die Orientierung und die Abweichung der Position der Katheterspitze von dem Mittelpfad für jedes dieser Katheterbilder bekannt sein.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie es mit der Untersuchungseinrichtung aus 1 durchführbar ist. Am Anfang, Schritt 34, ist der Katheter 10 auf seine Startposition im Hohlorgan gebracht worden. Allerdings muss der Katheter 10, da er eingeschoben wurde, nicht unbedingt den kürzesten Weg zur Startposition eingenommen haben. Damit dieser eingenommen wird, wird in Schritt 35 der Katheter 10 durch das Katheter-Steuergerät 11 automatisch ein Stück distal vorgeschoben, um danach wieder zur Startposition zurückgezogen zu werden. Dadurch wird der Katheter 10 gestrafft und nimmt in etwa die kürzeste Wegstrecke ein. Sodann werden in Schritt 36 zwei unter einem Winkel zueinander stehende zweidimensionale Durchleuchtungsbilder mit Hilfe der Röntgenanlage 2 aufgenommen. Wirkt sich der Herzschlag, also die Phase des Herzzyklus, bzw. der Atemzyklus des Patienten 6 auf das zu untersuchende Hohlorgan aus, so sind zwei Möglichkeiten denkbar. Zum einen können lediglich zwei Bilder zur gleichen EKG-Phase, getriggert über die EKG-Steuereinrichtung 8, aufgenommen werden. Mit derselben EKG-Phase werden später beim automatischen Rückzug dann auch die Katheterbilder getriggert. Es ist jedoch auch möglich, zwei Durchleuchtungsbilder für jede EKG-Phase des Herzzyklus aufzunehmen. Die momentane EKG-Phase wird dann mit den Bildern gespeichert. Da dies auch später bei der Aufnahme der Katheterbilder geschieht, können die Bilder gleicher EKG-Phasen einander zugeordnet werden. Dasselbe gilt selbstverständlich für den Atemzyklus des Patienten 6, insoweit dieser relevant ist.
In Schritt 37 wird danach das dreidimensionale Modell erstellt. In diesem Falle soll nicht von einem Hüllkatheter ausgegangen werden, sondern von einem normalen Katheter 10a. Aus den zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern kann nun, gegebenenfalls für jede EKG-Phase, das Lumen des Hohlorgans rekonstruiert werden. Liegen vorher aufgenommene Bilddatensätze vor, aus denen, gegebenenfalls exakter, ein Modell des Hohlorgans abgeleitet werden kann, beispielsweise Magnetresonanzaufnahmen oder Computertomographieaufnahmen, so können, wie bei 38 angedeutet, diese Bilddaten als Grundlage zur Erstellung des dreidimensionalen Modells dienen. Die in Schritt 36 aufgenommenen Durchleuchtungsbilder dienen dann zur Registrierung der beiden Koordinatensysteme. Auch hier sind gegebenenfalls EKG- oder Atemphase zu beachten.
In Schritt 39 wird dann die dreidimensionale Startposition des Katheters 10 in dem dreidimensionalen Modell bestimmt. Ist das dreidimensionale Modell aus den in Schritt 36 aufgenommenen Durchleuchtungsbildern erstellt worden, in denen auch die Katheterspitze zu sehen ist, so kann die Position der Katheterspitze in dem dreidimensionalen Modell unmittelbar bestimmt werden. Anderweitig muss auf die Registrierung zurückgegriffen werden, die die Koordinatensysteme verbindet. Sodann wird der Katheter 10 in Schritt 40 unter Aufnahme der zweidimensionalen Katheterbilder, hier Schnittbilder, und unter Erfassung einer dem Katheterbild zugeordneten Rückzugslänge automatisch durch das Katheter-Steuergerät 11 zurückgezogen. Zudem kann bei Bedarf zu jedem Katheterbild die zugehörige EKG-Phase über das EKG-Steuergerät 8 bestimmt und diesem Bild zugeordnet abgespeichert werden. Alternativ ist es möglich, dass die Katheterbilder EKG-getriggert aufgenommen werden.
In Schritt 41 wird dann anhand des dreidimensionalen Modells der wahrscheinlichste Rückzugsweg des Katheters 10 von der Startposition aus bestimmt. Dies geschieht mit Hilfe der Recheneinheit 13 und einer Simulation, die neben den geometrischen Bedingungen des Lumens, die in dem dreidimensionalen Modell enthalten sind, auch physikalische Grundgesetze sowie physikalische Eigenschaften des realen oder virtuellen Katheters sowie des Hohlorgans berücksichtigt. Als physikalische Parameter, die den Katheter beschreiben, können beispielsweise dessen Durchmesser, spezifisches Gewicht, Elastizität, Steifigkeit und/oder Oberflächenbeschaffenheit verwendet werden. Diese Parameter können sowohl gemessene Eigenschaften des realen Katheters 10 sein als auch angenommene Eigenschaften des virtuellen Katheters. Die Eigenschaften des Hohlorgans werden durch ein Modell für auftretende Hohlorgandeformationen berücksichtigt. Zudem werden bei der Simulation auch mögliche diskontinuierliche Bewegungen des Katheters 10 berücksichtigt. Beispiele hierfür sind ein Umspringen an eine andere wand des Hohlorgans oder ein Weiterspringen entlang der Wand. Nachdem durch die Simulation mittels der Recheneinrichtung 13 der wahrscheinlichste Rückzugsweg bestimmt ist, kann in Schritt 42 die Abweichung der Position des Katheters 10 von einem durch die Mitte des Hohlorgans führenden Mittelpfad und die Orientierung des Katheters 10 für jedes Katheterbild bestimmt werden. Dies ist über die erfasste und aufgezeichnete Rückzugslänge möglich. Der Rückzugslänge des realen Katheters 10 entspricht einer Rückzugslänge des virtuellen Katheters entlang des wahrscheinlichsten Rückzugsweges. Jedem Katheterbild werden folglich die Abweichung vom Mittelpfad und die Orientierung an der entsprechenden Position des ermittelten Rückzugsweges zugeordnet.
In Schritt 43 wird die Abweichung vom Mittelpfad zusätzlich aus dem Katheterbild bestimmt. Es kann nun die Differenz der aus dem wahrscheinlichsten Rückzugsweg ermittelten Abweichung mit der aus dem Katheterbild bestimmten Abweichung gebildet werden. Diese Differenz wird in Schritt 44 mit einem Schwellwert verglichen. Ist die Differenz größer als der Schwellwert, so hat der Katheter 10 beim Rückzug offensichtlich nicht den vorausgesagten Rückzugsweg genommen, sondern einen anderen. In diesem Falle wird in Schritt 45 die aktuelle Position des Katheters 10 bei der Bildaufnahme als Startposition gesetzt und der wahrscheinlichste Rückzugsweg wird in Schritt 41 mit dieser Startposition erneut bestimmt. Ist die Differenz kleiner als der Schwellwert in Schritt 44, so wird, Schritt 46, entweder das nächste Katheterbild bearbeitet oder, falls dies das letzte Katheterbild war, in Schritt 47 die 3D-Darstellung rekonstruiert.
An dieser Stelle ist eine allgemeine Bemerkung über die Abfolge der Verfahrensschritte angebracht. Das dreidimensionale Modell, die darin ermittelte Startposition und der daraus ermittelte Rückzugsweg werden erst im Schritt 42 miteinander in Verbindung gesetzt. Die Schritte 37, 39 und 41 müssen immer in der gezeigten Reihenfolge durchgeführt werden. Wann jedoch genau in Schritt 40 der Rückzug des Katheters 10 durchgeführt wird, ist für den Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht entscheidend, solange dies nach Schritt 36, der Aufnahme zweier 2D-Durchleuchtungsbilder und vor Schritt 42, in dem das dreidimensionale Modell und die aufgenommenen Katheterbilder in Relation gesetzt werden, liegt.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Schritte 42, 43 und 44 parallel zu Schritt 40, also unmittelbar nach jeder Aufnahme eines Katheterbildes, durchgeführt werden. Wird dann eine Abweichung vom Rückzugsweg, sprich eine den Schwellwert überschreitende Differenz im Schritt 44 festgestellt, so kann der Rückzug gegebenenfalls unterbrochen werden und es können neue zweidimensionale Durchleuchtungsbilder aufgenommen werden, aus denen die neue Startposition inklusive Orientierung exakt bestimmt werden können.
Bei der Rekonstruktion der 3D-Darstellung im Schritt 47 werden wiederum gegebenenfalls die EKG-Phasen bzw. Atemphasen berücksichtigt. So wird zu jeder EKG-Phase eine eigene 3D-Darstellung ermittelt, falls nicht EKG-getriggert wurde. Die verschiedenen 3D-Darstellungen können dann entweder zu einer einzigen 3D-Darstellung fusioniert werden oder zur Bildung eines kompletten Herzzyklus als ein Film aneinandergereiht werden.
Wichtig ist jedoch, dass in Schritt 47 bei der Rekonstruktion die jedem Bild in Schritt 42 zugeordnete Abweichung vom Mittelpfad und Orientierung berücksichtigt werden, das bedeutet, die daraus entstehenden Fehler werden soweit möglich korrigiert. Damit wird letztendlich eine korrektere 3D-Darstellung des Hohlorgans erhalten.
Abschließend bleibt anzumerken, dass zur Rekonstruktion der 3D-Darstellung auch von den Katheterbildern abgeleitete Bilder, wie beispielsweise Elastographie-Aufnahmen, verwendet werden können.

Claims

Verfahren zur Rekonstruktion einer 3D-Darstellung eines Hohlorgans anhand von mittels eines zurückgezogenen, eine Bildaufnahmeeinrichtung umfassenden Katheters aufgenommenen zweidimensionalen Katheterbildern, umfassend folgende Schritte: a) Aufnahme wenigstens zweier das Hohlorgan und die Katheterspitze zeigender zweidimensionaler, zueinander gewinkelt stehender Durchleuchtungsbilder; b) Bestimmung einer dreidimensionalen Startposition des Katheters aus den Durchleuchtungsbildern in einem dreidimensionalen Modell des Hohlorgans oder einer Katheterführung; c) Ermittlung eines wahrscheinlichsten Rückzugsweges des Katheters anhand des dreidimensionalen Modells; d) Rückzug des Katheters unter Aufnahme der Katheterbilder unter kontinuierlicher Erfassung der Rückzugslänge, wobei jedem Katheterbild eine erfasste Rückzugslänge zugeordnet wird; e) Bestimmung der Abweichung der Position des Katheters von einem durch die Mitte des Hohlorgans führenden Mittelpfad und der Orientierung des Katheters für jedes Katheterbild anhand des ermittelten Rückzugsweges und der Rückzugslänge; und f) Rekonstruktion einer 3D-Darstellung des Hohlorgans aus den zweidimensionalen Katheterbildern unter Berücksichtigung der Abweichung der Position des Katheters von dem Mittelpfad und der Orientierung des Katheters.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dreidimensionale Modell anhand der Durchleuchtungsbilder erstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, dass als Katheter ein Hüllkatheter mit einer die Katheterführung bildenden Hülle verwendet wird, bei dem die Bildaufnahmeeinrichtung innerhalb der ortsfesten Hülle zurückgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dreidimensionale Modell der Katheterführung anhand der Darstellung der Hülle oder des in der transparenten Hülle geführten Katheters in den Durchleuchtungsbildern erstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dreidimensionale Modell des Hohlorgans anhand eines früher aufgenommenen Bilddatensatzes erstellt wird und durch Registrierung der Durchleuchtungsbilder mit dem Bilddatensatz die Startposition in dem dreidimensionalen Modell bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als früher aufgenommener Bilddatensatz ein Magnetresonanz- und/oder Computertomographiebilddatensatz verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln des wahrscheinlichsten Rückzugsweges folgende Schritte durchgeführt werden: c1) Positionierung eines virtuellen Katheters an der Startposition im dreidimensionalen Modell, c2) Ermitteln des wahrscheinlichsten Rückzugsweges aus einer Simulation des virtuellen Katheters in dem dreidimensionalen Modell.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Simulation wenigstens ein physikalischer Parameter des virtuellen oder realen Katheters berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als physikalische Parameter des Katheters dessen Durchmesser, spezifisches Gewicht, Elastizität, Steifigkeit und/oder Oberflächenbeschaffenheit verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung des wahrscheinlichsten Rückzugsweges auch ein Modell für auftretende Hohlorgandeformationen berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Simulation auch mögliche diskontinuierliche Bewegungen des Katheters, insbesondere ein Umspringen an eine andere Wand des Hohlorgans und/oder ein Weiterspringen entlang der Wand, berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung des Katheters vom Mittelpfad während der Rekonstruktion auch aus den Katheterbildern bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein fester Schwellwert für die Differenz der aus dem möglichen Rückzugsweg ermittelten Abweichung vom Mittelpfad und der aus den Katheterbildern ermittelten Abweichung vom Mittelpfad vorgegeben ist, bei dessen Überschreitung der wahrscheinlichste Rückzugsweg ab der Position, an dem die Überschreitung des Schwellwerts auftritt, neu berechnet wird und zur Rekonstruktion der neu berechnete wahrscheinlichste Rückzugsweg verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmen anhand einer festen EKG-Phase getriggert werden, wobei die EKG-Phase der Durchleuchtungsaufnahmen, der Katheterbilder und ggf. des früher aufgenommenen Modells übereinstimmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem aufgenommenen Katheterbild die momentane EKG-Phase aufgezeichnet wird und bei der Rekonstruktion jeweils Bilder der gleichen EKG-Phase zu einer eigenen Rekonstruktion verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchleuchtungsbilder über wenigstens eine gesamte Herzphase aufgenommen werden und jeweils wenigstens zwei Durchleuchtungsbilder einer EKG-Phase den Katheterbildern mit der entsprechenden EKG-Phase zur Rekonstruktion zugeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Rekonstruktionen der verschiedenen EKG-Phasen fusioniert werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Rekonstruktionen der einzelnen EKG-Phasen zu einer zeitaufgelösten 4D-Rekonstruktion kombiniert werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katheter zunächst distal eine kleine Strecke über die Startposition hinausgeschoben wird, um dann an die Startposition zurückgezogen zu werden, und dass die resultierende vom Katheter eingenommene kürzeste Wegstrecke zur Ermittlung des wahrscheinlichsten Rückzugsweges berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rekonstruktion der 3D-Darstellung von den Katheterbildern abgeleitete Bilder verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bildaufnahmeeinrichtung eine IVUS-Einrichtung oder eine OCT-Einrichtung oder eine OFDI-Einrichtung verwendet wird.