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Die Erfindung betrifft ein medizintechnisches Diagnosesystem sowie ein Verfahren zur Verarbeitung medizintechnischer Bilddaten.
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Bildgebende medizintechnische Diagnosegeräte wie Computertomographie- oder Magnetresonanzgeräte ermöglichen die Generierung dreidimensionaler Datensätze, welche Strukturen in einem untersuchten Volumen wiedergeben. Derartige Datensätze können zur Durchführung einer so genannten virtuellen Endoskopie herangezogen werden, wie prinzipiell beispielsweise aus der
WO 2004/081873 A2 bekannt. Des Weiteren können auf Basis von Datensätzen der genannten Art Übersichtsdarstellungen im VRT-Modus (Volume Rendering Technique) erstellt werden, wie zum Beispiel in der
DE 103 45 073 A1 beschrieben. Solche VRT-Darstellungen bieten auch Zoom-Funktionen, sind jedoch ebenso wenig wie virtuell endoskopische Darstellungen für eine Betrachtung eines zu untersuchenden Gewebes in Echtzeit vorgesehen.
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Aus der
DE 102 10 647 A1 ist ein Verfahren zur Bilddarstellung eines in einen Untersuchungsbereich eines Patienten eingebrachten medizinischen Instruments, nämlich eines Katheters, bekannt. In diesem Verfahren wird die räumliche Orientierung eines Spitzenabschnitts des Katheters mit Hilfe zweier unter einem Winkel zueinander aufgenommener 2D-Durchleuchtungsbilder bestimmt. Damit ist die lagegenaue Darstellung der Katheterspitze in einem 3D-Rekonstruktionsbild des Untersuchungsbereichs möglich, wobei das 3D-Rekonstruktionsbild auf einem präoperativ oder intraoperativ gewonnenen Datensatz basiert.
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Die
US 6,892,090 B2 offenbart ein Verfahren zur virtuellen Endoskopie sowie eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens vorgesehene Vorrichtung. Zusätzlich zu einer virtuell endoskopischen Darstellung aus der Perspektive eines in einem Gefäß geführten Instruments ist auch eine Darstellung generierbar, welche von einem Betrachtungspunkt, der außerhalb des Gefäßes liegt, ausgeht. Hierbei ist es möglich, Gefäßwände mit unterschiedlicher Transparenz darzustellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, erweiterte Nutzungsmöglichkeiten dreidimensionaler, insbesondere mit Computertomographie- oder Magnetresonanzgeräten gewonnener, Bilddaten in der Medizintechnik anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein medizintechnisches Diagnosesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Verarbeitung medizintechnischer Bilddaten mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Vorrichtung erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile gelten sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.
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Bestandteil des medizintechnischen Diagnosesystems ist ein bildgebendes Diagnosegerät, insbesondere Röntgengerät, welches die Beobachtung einer mit einer Sonde, beispielsweise einem Herzkatheter, durchgeführten Intervention in Echtzeit ermöglicht. Bei den vom bildgebenden Diagnosegerät in Echtzeit gelieferten Bildern handelt es sich um zweidimensionale Darstellungen.
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Zusätzlich werden zur Beobachtung der Intervention dreidimensionale Bilddaten herangezogen, die vor Durchführung der Intervention mit einem bildgebenden medizintechnischen Gerät gewonnen wurden, welches in der Regel nicht mit dem während der Intervention verwendeten Diagnosegerät identisch ist. Derartige dreidimensionale Darstellungen sind, wie eingangs erwähnt, grundsätzlich nicht für Echtzeit-Beobachtungen vorgesehen. Vielmehr basieren dreidimensionale Bilddaten auf Diagnoseverfahren, beispielsweise Spiralcomputertomographie- oder Magnetresonanzverfahren, die typischerweise im Vergleich zu einer eine Projektionsdarstellung liefernden Röntgenaufnahme wesentlich längere Aufnahmezeiten benötigen. Darüber hinaus ist die Generierung von Volumendaten, welche räumliche Strukturen innerhalb eines zu untersuchenden Volumens beschreiben, im Vergleich zu einer röntgentechnischen Projektionsaufnahme mit einem erheblich höheren Datenverarbeitungsaufwand verbunden.
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Die mittels des bildgebenden medizintechnischen Gerätes gewonnenen dreidimensionalen Daten bilden die Grundlage für zwei verschiedene, jeweils räumliche Darstellungen, nämlich zum einen eine perspektivische Ansicht von Strukturen im zu betrachtenden Volumen, quasi in Form einer Außenansicht, und zum anderen eine endoskopische Ansicht, die insbesondere Gefäße, welche in der vorgenannten perspektivischen Ansicht von außen zu sehen sind, von innen zeigt.
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Es existieren somit insgesamt drei Darstellungen, von welchen jede verschiedene grundsätzliche Vor- und Nachteile hat:
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– Zweidimensionale Echtzeit-Röntgendarstellung
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Diese Darstellung ermöglicht eine unmittelbare Kontrolle der Position der Sonde während der Intervention. Einschränkungen ergeben sich zum einen dadurch, dass es sich um eine Projektionsdarstellung handelt, die nicht in jedem Fall eine eindeutige dreidimensionale Information liefert. Zum anderen ist die Einstellung von Parametern wie die Blickrichtung und Zoomfunktionen durch die Untersuchungsanordnung, insbesondere durch die Geometrie des Röntgengerätes, beispielsweise C-Arm-Gerätes, sowie der Patientenlagerungsvorrichtung, limitiert.
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– Dreidimensionale perspektivische Darstellung
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Diese Darstellung liefert, insbesondere auf Basis des VRT-Verfahrens, einen guten Überblick über die zu beobachtenden Strukturen, wobei vielfältige Möglichkeiten gegeben sind, lediglich einen Teil der Strukturen anzuzeigen und einen anderen, für die Untersuchung nicht relevanten Teil auszublenden. Da die zugrunde liegenden Daten bereits vor Beginn der Intervention akquiriert wurden, ist jedoch die tatsächliche Position der Sonde dieser Darstellung ohne weitere Bearbeitung nicht entnehmbar.
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– Virtuell endoskopische Darstellung
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Ähnlich wie eine dreidimensionale VRT-Darstellung liefert eine virtuell endoskopische Darstellung einen guten räumlichen Eindruck, jedoch vom Inneren zu untersuchender Gefäße aus betrachtet. Damit ist eine besondere Eignung für die Planung einer Intervention gegeben. Ebenso wie bei der VRT-Darstellung ist jedoch a priori keine Echtzeitfunktionalität gegeben.
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Die Erfindung führt unter Berücksichtigung der spezifischen Eigenschaften der drei unterschiedlichen Darstellungen deren jeweilige Vorteile synergetisch zusammen:
Dem Bediener des medizintechnischen Diagnosesystems werden simultan alle drei Darstellungen zur Verfügung gestellt, wobei jede der Darstellungen eine Echtzeitfunktionalität hat. Diese ist dadurch erreicht, dass in allen genannten Darstellungen zumindest ein Teil einander entsprechender Objekte, nämlich der zu betrachtenden Strukturen sowie der Sonde, einheitlich markiert ist. Diese automatisch vorgenommene einheitliche Markierung der Sonde und/oder bestimmter Strukturen, insbesondere Gefäße, stellt in Echtzeit eine intuitiv erkennbare Korrelation zwischen den einzelnen Darstellungen her.
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Vorzugsweise sind übereinstimmende Strukturen in den einzelnen Darstellungen farblich übereinstimmend markiert. Zusätzlich oder alternativ ist eine Markierung durch geometrische Hervorhebungen, bestimmte Darstellungsmodi oder Einfügungen möglich. In mindestens zwei der drei Darstellungen sind sowohl zu untersuchende Strukturen als auch die Sonde übereinstimmend markiert.
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Bei der Generierung der dreidimensionalen Darstellungen aus dem vorab aufgenommenen Datensatz, welcher Informationen beinhalten kann, die für die Durchführung der Intervention nicht relevant sind, erfolgt vorzugsweise eine automatische Segmentierung der Bilddaten. Hierfür ist besonders das Volume-Rendering-Verfahren geeignet. Der Bediener des Diagnosesystems hat die Möglichkeit, Teile der erfassten Strukturen gezielt aus einer dreidimensionalen Darstellung auszublenden, um die Übersichtlichkeit zu erhöhen.
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Das medizintechnische Diagnosesystem ist in allen Fällen nutzbringend, in denen während einer Intervention mit einem mittels eines bildgebenden Verfahrens detektierbaren Medizinprodukt – ohne Einschränkung der Allgemeinheit als Sonde bezeichnet – gearbeitet wird. Beispielhaft sind Thrombosetherapie, Embolisationen sowie Revaskularisationen zu nennen.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen jeweils in grob schematisierter Darstellung:
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1 in einer Prinzipdarstellung ein medizintechnisches Diagnosesystem,
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2 mit Hilfe des Diagnosesystems nach 1 zu untersuchende Strukturen sowie eine Sonde in einer zweidimensionalen Echtzeitdarstellung,
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3 die zu untersuchenden Strukturen nach 2 in einer dreidimensionalen VRT-Darstellung einschließlich eingeblendeter Markierung zur Kennzeichnung der tatsächlichen Position der Sonde,
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4 ausschnittsweise die zu untersuchenden Strukturen nach 2 in einer virtuell endoskopischen Darstellung aus dem Blickwinkel der Sonde in deren tatsächlicher Position, und
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5 in einem Flussdiagramm ein mit dem medizintechnischen Diagnosesystem nach 1 durchführbares Verfahren.
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Ein in 1 symbolisiert dargestelltes medizintechnisches Diagnosesystem 1 umfasst ein bildgebendes Diagnosegerät 2, beispielsweise ein C-Arm-Röntgengerät, sowie eine mit diesem datentechnisch verbundene Datenverarbeitungsanlage 3, welche eine Recheneinheit 4, eine Eingabevorrichtung 5 sowie einen Bildschirm als Ausgabevorrichtung 6 aufweist. Abweichend von der vereinfachten Darstellung kann es sich bei der Datenverarbeitungsanlage 3 auch um ein komplexes Datenverarbeitungsnetzwerk handeln. Beispielsweise ist die Einbindung in ein Radiologie-Informationssystem (RIS) und/oder ein PACS-System (Picture Archiving and Communication System) möglich.
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In jedem Fall ist die Datenverarbeitungsanlage 3 mit einem nicht dargestellten bildgebenden Diagnosegerät, insbesondere einem Computertomographie- oder Magnetresonanzgerät, gekoppelt, mit welchem bereits vor der im folgenden beschriebenen Intervention dreidimensionale Informationen über die relevanten Strukturen gewonnen wurden.
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Die Intervention, nämlich ein Eingriff mit einem Katheter 7, allgemein als Sonde bezeichnet, wird mittels des Diagnosegerätes 2 verfolgt. Die 2 zeigt stark vereinfacht eine auf dem Bildschirm 6 anzeigbare Projektionsdarstellung, im Weiteren als erste Darstellung D1 bezeichnet. Es sind ein erstes Gefäß 8, eine Bifurkation 9, ein zweites Gefäß 10 und ein drittes Gefäß 11 erkennbar. Im ersten Gefäß 10, welches an der Bifurkation 9 in die Gefäße 10, 11 übergeht, befindet sich der Katheter 7 mit einer Katheterspitze 12. Die Gefäße 8, 10, 11 sowie die Bifurkation 9 werden allgemein auch als die Sonde 7 umgebende Strukturen bezeichnet, welche mit dem Diagnosegerät 2 detektierbar sind. Weitere eventuell auf der ersten Darstellung D1 erkennbare Strukturen, insbesondere Gefäße, sind in 2 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die Strukturen 8, 9, 10, 11 und die Sonde 7 einschließlich der Katheterspitze 12 werden zusammenfassend als Objekte bezeichnet.
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Die Objekte 7, 8, 9, 10, 11 werden in der Darstellung D1 in jeweils spezifisch markierter Weise wiedergegeben. Im Beispiel nach 2 ist das erste Gefäß 8 mit fetten durchgezogenen Linien, das zweite Gefäß 10 mit lang gestrichelten Linien und das dritte Gefäß 11 mit kurz gestrichelten Linien kenntlich gemacht. Die Katheterspitze 12 ist strichpunktiert dargestellt. Abweichend hiervon sind auch farbige Markierungen oder Kombinationen aus farblichen und geometrischen Hervorhebungen realisierbar. Die einzelnen Strukturen 8, 10, 11 sowie die Sonde 7 werden mit Mitteln der Bilderkennung automatisch identifiziert, wobei beispielsweise die Grenzen von Strukturen 8, 10, 11 durch Hell-Dunkel-Übergänge eindeutig bestimmt werden.
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Die Strukturen 8, 9, 10, 11 sind auch in einer zweiten Darstellung D2, welche in 3 wiedergegeben ist, sichtbar. Die Darstellung D2 basiert auf Bilddaten, die vorab mit Hilfe eines geeigneten bildgebenden medizintechnischen Gerätes gewonnen wurden, welches in der Regel anderer Bauart als das Diagnosegerät 2 ist. Die Strukturen 8, 9, 10, 11 werden somit während der Intervention nicht in Echtzeit wiedergegeben. In der Regel kann jedoch mit guter Näherung davon ausgegangen werden, dass sich die Geometrie der Strukturen 8, 9, 10, 11 zwischen der Akquisition der 3D-Daten und der Durchführung der Intervention nicht ändert.
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Das in 3 sichtbare Volumen ist in einzelne Voxel unterteilt, denen jeweils ein Grauwert zugeordnet ist. Die Lage eines jeden Voxels kann mit Hilfe eines Koordinatensystems angegeben werden. Es existiert eine eindeutige Zuordnung zwischen diesem Koordinatensystem und dem Koordinatensystem des Diagnosegerätes 2. Das letztgenannte Koordinatensystem, welches für die Beschreibung der mit dem Diagnosegerät 2 vorgenommenen Projektion (2) zu verwenden ist, wird auch als Welt-Koordinatensystem bezeichnet.
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Die Verknüpfung zwischen den verschiedenen zweidimensionalen und dreidimensionalen Daten erfolgt mittels Verfahren der 2D/3D-Registrierung von Bildern, insbesondere Röntgenbildern. Einzelheiten zu solchen Verfahren sind den Publikationen ”A comparison of 2D–3D intensity-based registration and feature-based registration for neurointerventions” (R. A. McLaughlin, J. Hipwell, D. J. Hawkes, J. A. Noble, J. V. Byrne, T. S. C. Cox, in ”Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention”, 2002, Seiten 517 bis 524) sowie ”A comparison of similarity measures for use in 2D–3D medical image registration” (G. P. Penny, J. Weese, J. A. Little, P. Desmedt, D. L. G. Hill, D. J. Hawkes, in ”IEEE Transaction an Medical Imaging 17”, Seiten 586 bis 595, 1998) zu entnehmen. Allgemein sind 2D/3D-Verfahren geeignet, eine Transformation zu bestimmen, die eine Abbildung eines Volumen-Datensatzes auf ein vorhandenes Referenzbild darstellt. Dabei können Abstandsmaße verwendet werden, die die Ähnlichkeit zweier Bilder bewerten.
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Die Zuordnung zwischen in der zweidimensionalen Projektionsaufnahme, insbesondere Röntgenaufnahme, nach 2 erkennbaren Objekten 7, 8, 9, 10, 11 und den selben Objekten in der dreidimensionalen Darstellung D2, nämlich VRT-Darstellung, nach 3 wird durch übereinstimmende Markierungen visualisiert. So ist in der zweiten Darstellung D2 wie in der ersten Darstellung D1 das erste Gefäß 8 mit fetter durchgezogener Linie, das zweite Gefäß 10 mit langer Strichelung und das dritte Gefäß 11 mit kurzer Strichelung dargestellt. Darüber hinaus ist in der zweiten Darstellung D2 auch die Position und Orientierung der Katheterspitze 12 angezeigt, nämlich mit strichpunktierter Linie. Ferner sind in die zweite Darstellung D2 auch Informationen über die räumliche Ausrichtung des gesamten dargestellten Volumenbereichs einblendbar, sofern solche Informationen nicht permanent angezeigt werden. Der Detaillierungsgrad der zweiten Darstellung D2 kann durch den Benutzer bei Bedarf geändert werden. Beispielsweise ist es möglich, weitere Gefäße ein- oder auszublenden. In jedem Fall entspricht die in der zweiten Darstellung D2 markierte Position der Katheterspitze 12 deren tatsächlicher, auch auf der ersten Darstellung D1 verfolgbarer Lage. Somit handelt es sich bei der zweiten Darstellung D2 um ein weitgehend auf gespeicherten Daten basierendes Bild mit einer Echtzeitkomponente.
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Die Position der Sonde 7, insbesondere der Katheterspitze 12, ist nicht nur mit Mitteln der Mustererkennung sondern unterstützend oder alternativ auch direkt, mit geeigneten Sensoren innerhalb des Diagnosegerätes 2, bestimmbar. Die Echtzeitfunktionalität der zweiten Darstellung D2, die auf der Detektion der aktuellen Position der Sonde 7 im Welt-Koordinatensystem aufbaut, ist in jedem Fall gegeben.
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In 4 sind das Innere der Gefäße 8, 10, 11 sowie die Bifurkation 9 in einer sogenannten virtuell endoskopischen Darstellung als dritter Darstellung D3 erkennbar. Die Darstellung D3 basiert auf den gleichen Bilddaten, die auch der Generierung der VRT-Darstellung D2 zugrunde gelegt sind. Die Gefäße 8, 10, 11 sind in der gleichen Weise wie in den Darstellungen D1 und D2 markiert. Es sei noch einmal darauf hingewiesen, dass eine besonders prägnante Art der Markierung, die gleichzeitig nicht oder nur wenig in den Aufbau des Bildes eingreift, durch eine farbige Kennzeichnung der Strukturen 8, 9, 10, 11 möglich ist.
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Auch die dritte Darstellung D3 hat eine Echtzeitfunktionalität: Der Blickwinkel, aus welchem die endoskopische Ansicht dargestellt ist, ist durch die Lage und Orientierung der Katheterspitze 12 gegeben. Aus diesem Grund ist die Katheterspitze 12 selbst in der virtuell endoskopischen Darstellung D3 nicht zu sehen. Abweichend hiervon ist es auch möglich, die Katheterspitze 12 in die dritte Darstellung D3 einzublenden. Eine gedachte Kamera wäre in diesem Fall auf der Sonde 7 unmittelbar hinter der Katheterspitze 12 angeordnet.
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Alle drei Darstellungen D1, D2, D3 sind gleichzeitig mittels der Anzeigevorrichtung 6, beispielsweise jeweils auf einem Bildschirmsegment 13, anzeigbar. Bei Bedarf ist es auch möglich, eine einzelne Darstellung D1, D2, D3 bildschirmfüllend anzuzeigen. Ebenso ist die Möglichkeit gegeben, für jede Darstellung D1, D2, D3 eine eigene Anzeigevorrichtung 6 vorzusehen. In allen Fällen sind sämtliche Darstellungen D1, D2, D3 simultan an ein und demselben Arbeitsplatz verfügbar.
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Die 5 veranschaulicht in der Art eines Flussdiagramms den Ablauf des Verfahrens, mit dem die Darstellungen D1, D2, D3 während der Intervention bereitgestellt werden. Zunächst wird in einem ersten Schritt S1 mittels eines an sich bekannten bildgebenden Verfahrens, vorzugsweise Computertomographieverfahrens, eine Untersuchung durchgeführt, die einen dreidimensionalen Datensatz DS liefert. Aus dem Datensatz DS werden zwei Teildatenmengen TVRT, TEND gewonnen, die zu einem späteren Zeitpunkt zur Weiterverarbeitung, nämlich zur Erzeugung der zweiten Darstellung D2 und der dritten Darstellung D3, zur Verfügung stehen.
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Eine Intervention, welche nicht begonnen wird, bevor die Teildatenmengen TVRT, TEND bereitgestellt sind, wird in einem Schritt S2 permanent mittels des bildgebenden Diagnosegerätes 2 überwacht. Die von diesem gelieferten Daten werden in einem dritten Schritt S3 mit den Teildatenmengen TVRT, TEND verknüpft, um in der zuvor beschriebenen Weise die Darstellungen D1, D2, D3 zu generieren.
