-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zweidimensionalen oder dreidimensionalen Bilddarstellung eines interessierenden Zielbereichs in einem Hohlorgan, welcher Zielbereich nicht das komplette Hohlorgan umfasst, wobei aus mittels einer einzigen rotierenden Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommenen zweidimensionalen Bildern aus dem Inneren des Hohlorgans ein zwei- oder dreidimensionaler Rekonstruktionsbild-Datensatz rekonstruiert und angezeigt wird, und ein medizinisches Untersuchungs- und Behandlungssystem.
-
Bei Untersuchungen oder minimal invasiven Eingriffen in Hohlorganen, insbesondere im Bereich des Herzens, werden medizinische Instrumente verwendet, die eine Bildaufnahmeeinrichtung aufweisen. Mit den Bildern dieser Bildaufnahmeeinrichtung soll ein Zielbereich eines Hohlorgans untersucht werden oder es soll ein dort stattfindender Eingriff überwacht werden. Nachdem es bislang üblich ist, hierzu zweidimensionale Bilder der Bildaufnahmeeinrichtung unmittelbar anzuzeigen, wurde vorgeschlagen, eine Mehrzahl von zweidimensionalen Bildern der rotierenden Bildaufnahmeeinrichtung zu einer zwei- oder dreidimensionalen Rekonstruktion des Hohlorgans zu rekonstruieren und anzuzeigen.
-
So kann beispielsweise mittels einer um die Längsachse eines medizinischen Instruments, beispielsweise eines Katheters, rotierenden Bildaufnahmeeinrichtung, beispielsweise einer Ultraschalleinrichtung, nach jeder vollen Umdrehung ein dreidimensionaler Rekonstruktionsbild-Datensatz des gesamten Hohlorgans oder ein zweidimensionaler Rekonstruktionsbild-Datensatz beispielsweise der Hohlorganoberfläche über das gesamte Hohlorgan erstellt werden. Während der kontinuierlichen Drehung der Bildaufnahmeeinrichtung, wobei entweder diese allein mittels eines Mikromotors gedreht werden kann oder eine Drehung des Katheters insgesamt vorgenommen wird, kann eine Aktualisierung des Rekonstruktionsbild-Datensatzes erfolgen.
-
Dabei treten jedoch insbesondere bei rhythmisch bewegten Hohlorganen, insbesondere im Bereich des Herzens, wo nur innerhalb derselben Phase in verschiedenen EKG-Zyklen aufgenommene zweidimensionale Einzelbilder für den Rekonstruktionsbild-Datensatz verwendet werden können, Schwierigkeiten auf, wenn die Darstellung in Echtzeit erfolgen soll. Die Aufnahme der zweidimensionalen Einzelbilder während einer vollständigen Drehung der Bildaufnahmeeinrichtung um 360° nimmt somit eine große Zeit in Anspruch, die sich beispielsweise über mehrere EKG-Zyklen erstrecken kann. Insbesondere während eines Eingriffs wird jedoch eine häufigere Aktualisierung des Rekonstruktionsbild-Datensatzes benötigt.
-
Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, dass über den interessierenden Zielbereich hinaus durch die Aufnahme des kompletten Hohlorgans eine Vielzahl von Bildinformationen aufgenommen wird, die letztendlich für die konkrete medizinische Fragestellung irrelevant sind.
-
US 6,546,272 B1 betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme von Bildern einer interessierenden Stelle in den internen Organen eines Körpers. Dabei geht es insbesondere darum, dass heute bekannte Antriebsvorrichtungen für die Bildaufnahmeeinrichtungen einen großen Durchmesser des Katheters bedingen. Um dieses Problem zu lösen, ist ein neuer Antriebsmechanismus vorgesehen, bei dem ein linear bewegbares Steuerelement durch das gesamte Lumen führt, wobei ein Betätigungsmechanismus vorgesehen ist, der die Bewegung beispielsweise in eine Rotationsbewegung der Scaneinheit umsetzen kann. Für einen vollständigen 360°-Scan wird eine Ausgestaltung beschrieben, in der mehrere Sensoren an der Scaneinheit vorgesehen sein können.
-
US 5,830,145 betrifft die Anfertigung eines dreidimensionalen Bilddatensatzes, der durch Zurückziehen des Katheters und das Zusammenfügen aufgenommener Einzelbilder entstehen soll. Es wird vorgeschlagen, die Zurückziehtrajektorie anhand eines Nachverfolgungssystems zu bestimmen. Es geht um eine langwierige, über einen größeren Zeitraum durchgeführte Untersuchung.
-
US 2002/0049375 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur quantitativen Echtzeit-Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bildes eines sich bewegenden Organs und zur Navigation im menschlichen Körper. Dabei wird ein an einem Katheter angeordneter Bilddetektor verwendet. Über ein MPS wird während eines Eingriffs der Katheter nachverfolgt und kann in eine dreidimensionale Bildsequenz eingeblendet werden.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mittels dessen eine demgegenüber verbesserte, mithin schnellere Rekonstruktion und somit Aktualisierung sowie Darstellung eines einen interessierenden Zielbereich zeigenden Rekonstruktionsbild-Datensatzes ermöglicht.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
-
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass bei einer entsprechend positionierten und orientierten Bildaufnahmeeinrichtung nicht mehr zweidimensionale Bilder während eines gesamten Umlaufs der Bildaufnahmeeinrichtung um 360° aufgenommen werden, sondern dies lediglich während einer Teildrehung um einen bestimmten Rotationswinkel geschieht. Dieser Rotationswinkel sowie die Orientierung (umfassend selbstverständlich auch die Blickrichtung der Bildaufnahmeeinrichtung) und die Position sind dabei derart gewählt, dass selbst, wenn nur Aufnahmen während einer Teildrehung aufgenommen werden, diese Bilder geeignet sind, den gesamten interessierenden Zielbereich daraus zu rekonstruieren. Die während der Teildrehung gewonnenen zweidimensionalen Bilder decken den Zielbereich ab. Somit können vorteilhafterweise weniger Bilder aufgenommen werden, so dass hierdurch Zeit eingespart wird, oder die Drehung kann insgesamt schneller erfolgen. So ist es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, die Bildaufnahme gegebenenfalls innerhalb eines einzigen Herzzyklus durchzuführen, so dass letztendlich nach jedem Herzzyklus ein neues, aktualisiertes Rekonstruktionsbild zur Anzeige gebracht wird.
-
Um eine regelmäßige Aufnahme und Rekonstruktion sowie eine aktuelle Darstellung zu erhalten, wird das Verfahren bei aufeinander folgenden Teildrehungen wiederholt durchgeführt. Insbesondere kann die Rekonstruktion und Darstellung vorteilhafterweise in Echtzeit erfolgen, das bedeutet, sobald während der Teildrehung neue zweidimensionale Bilder durch die Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen wurden, wird der Rekonstruktionsbild-Datensatz aktualisiert.
-
Allgemein wird während des erfindungsgemäßen Verfahrens somit die Bildaufnahmeeinrichtung respektive das sie tragende medizinische Instrument, insbesondere der Katheter, zunächst geeignet so positioniert und orientiert, dass bei einer Teildrehung in einem bestimmten Winkelintervall der Zielbereich komplett aufgenommen werden kann. Der Rotationswinkel bestimmt das Winkelintervall dabei entsprechend gemeinsam mit einer Blickrichtung der Bildaufnahmeeinrichtung, die entweder den Startpunkt der Aufnahme der zweidimensionalen Bilder wiedergibt, wobei die Bildaufnahmeeinrichtung dann während der Bildaufnahme um den Rotationswinkel weitergedreht wird, oder jedoch auch das Zentrum des entsprechenden Kreisabschnitts wiedergeben kann, so dass sich die Teildrehung jeweils um die Hälfte des Rotationswinkels in beide Richtungen erstreckt. Während die Bildaufnahmeeinrichtung diese Teildrehung ausführt, überstreicht ihr Blickfeld somit den interessierenden Zielbereich in dem Hohlorgan, so dass zweidimensionale Bilder erstellt werden können. Zur Durchführung der Teildrehung sollte die Rotation der Bildaufnahmeeinrichtung vorzugsweise durch einen Motor, der beispielsweise von einer Steuereinrichtung angesteuert wird, erfolgen, da hierdurch gleichmäßige Geschwindigkeiten und ein exaktes Einhalten des Winkelintervalls ermöglicht sind.
-
Der Gesamtverlauf der Bewegung der Bildaufnahmeeinrichtung während und zwischen einzelnen aktualisierenden Bildaufnahmevorgängen kann auf verschiedene Weise erfolgen. Zunächst ist es möglich, dass die Bildaufnahmeinrichtung weiterhin kontinuierlich um 360° gedreht wird, wobei Aufnahmen nur bei Überstreichen des Winkelintervalls, das die Teildrehung definiert, vorgenommen werden. Dabei ist es dann insbesondere möglich, dass die Bildaufnahmeeinrichtung beispielsweise nach jeder vollen Drehung angehalten wird, um eine Abstimmung mit einem Bewegungszyklus des aufzunehmenden Hohlorgans, insbesondere mit dem EKG-Zyklus zu erreichen. Vorzugsweise lässt sich in einem solchen Fall jedoch die Winkelgeschwindigkeit der Bildaufnahmeeinrichtung dermaßen anpassen, dass der Zielbereich grundsätzlich zur selben Bewegungsphase, insbesondere derselben EKG-Phase, überstrichen wird, so dass alle Rekonstruktionsbilddatensätze derselben Phase entsprechen. Weiterhin ist dann eine kontinuierliche Rotation der Bildaufnahmeeinrichtung möglich.
-
Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, dass die Bildaufnahmeeinrichtung nur die Teildrehung durchführt. Hierzu kann sie beispielsweise sukzessive zwischen einem den Beginn des Winkelintervalls festlegenden Winkel und einem das Ende des Winkelintervalls festlegenden Winkel hin- und herbewegt werden, wobei eine Aufnahme von Bildern nur bei Bewegung in eine Richtung oder sogar bei Bewegung in beide Richtungen erfolgen kann. Hierzu ist dann eine entsprechende Auslegung der Steuerungseinrichtung und des Motors, der die Drehung antreibt, nötig.
-
Kann das Blickfeld beziehungsweise der Aufnahmebereich der zweidimensionalen Bilder beispielsweise in seiner Form als Trapez oder Kreisringabschnitt charakterisiert werden, so wird eine solche Bildform aufgrund der Formenähnlichkeit auch als „Schmetterlingsflügel” beschrieben. Eine solche Aufnahme von Bildern während einer Teildrehung ergäbe dann einen „Schmetterlingsflügelschlag”, also in Drehrichtung hintereinander angeordnete zweidimensionale Bilder, die ein gewisses dreidimensionales Volumen beschreiben. Aus einem solchen „Schmetterlingsflügelschlag” kann dann eine dreidimensionale Rekonstruktion dieses Volumens oder eine zweidimensionale Rekonstruktion einer in diesem Volumen liegenden Oberfläche nach bekannten Methoden ermittelt und dargestellt werden.
-
Um eine signifikante Reduzierung der Menge der aufzunehmenden zweidimensionalen Bilder zu erreichen und somit eine schnellere Bildaufnahme zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass ein Rotationswinkel kleiner als 180°, insbesondere kleiner als 90°, verwendet wird. Insbesondere sind bei geeigneter Positionierung und Orientierung der Bildaufnahmeeinrichtung Rotationswinkel, die kleiner als 90°, insbesondere sogar kleiner als 60°, sind, häufig schon geeignet, den wirklich interessierenden Zielbereich, in dem beispielsweise der Eingriff stattfindet oder in dem beispielsweise eine Läsion vermutet wird, abzudecken.
-
Wie bereits erwähnt, wird eine besonders hohe Aktualisierungsrate bei einer Aufnahme in einem den rhythmischen Bewegungen des Herzens unterworfenen Bereich vorteilhaft erhöht, wenn die EKG-getriggerte Aufnahme eines zur Rekonstruktion verwendeten Satzes zweidimensionaler Bilder während eines einzigen Herzzyklus erfolgt. Insbesondere bedeutet das, dass es aufgrund der kleineren Menge aufzunehmender Bilder möglich ist, während einer einzigen Herzphase, in der keine nennenswerten Änderungen des Hohlorgans aufgrund der Bewegung auftreten, alle zur Rekonstruktion nötigen zweidimensionalen Bilder bereits aufzunehmen, so dass eine Aktualisierung des dargestellten Rekonstruktionsbild-Datensatzes mindestens nach jedem Herzschlag ermöglicht wird.
-
Die Positionierung und Orientierung der Bildaufnahmeeinrichtung beziehungsweise des sie tragenden medizinischen Instruments, insbesondere des Katheters, kann für das Verfahren von großer Wichtigkeit sein. Um eine solche zu ermöglichen, ist es insbesondere wichtig, die aktuelle Position und Orientierung der Bildaufnahmeeinrichtung zu kennen, wofür im Stand der Technik bereits Navigationssysteme bekannt sind, die beispielsweise aufgrund von an einer Katheterspitze befestigten elektromagnetischen Sensoren fortlaufend Position und Orientierung des medizinischen Instruments und somit auch der Bildaufnahmeeinrichtung, die in festem geometrischen Verhältnis zu der Katheterspitze steht, bestimmt. Hierbei ist zu beachten, dass bei einer Bildaufnahmeeinrichtung, die unabhängig von dem medizinischen Instrument gedreht wird, eine Möglichkeit vorgesehen sein sollte, die aktuelle Blickrichtung der Bildaufnahmeeinrichtung, also ihren aktuellen Drehwinkel, festzustellen. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein solches Navigationssystem gewinnbringend eingesetzt werden.
-
So ist vorgesehen, dass ein mit dem Koordinatensystem eines Navigationssystems zur Bestimmung der Position und Orientierung der Bildaufnahmeeinrichtung registrierter Vorabbild-Datensatz des Hohlorgans angezeigt wird, mittels dessen der Zielbereich durch einen Benutzer definiert wird. In dieser Ausgestaltung wird einem Benutzer demnach ein Vorabbild-Datensatz angezeigt, der das Hohlorgan umfassend die möglicherweise interessierenden Zielbereiche darstellt. In diesem Vorabbild-Datensatz ist es einem Benutzer nun möglich, einen Zielbereich, beispielsweise durch Markieren mittels geeigneter Markierungswerkzeuge, zu definieren, der dann mittels der Teildrehung aufgenommen werden soll. Da das Navigationssystem und der Vorabbild-Datensatz miteinander registriert sind, ist es möglich, die Bildaufnahmeeinrichtung so zu positionieren und zu orientieren, dass die Aufnahme der zweidimensionalen Bilder erfolgen kann und der Zielbereich komplett abgedeckt wird.
-
Der Vorgang der Registrierung kann durch grundsätzlich bekannte Verfahren erfolgen, beispielsweise kann eine landmarken-basierte Registrierung durchgeführt werden. Hierbei wird die Bildaufnahmeeinrichtung beziehungsweise das sie tragende medizinische Instrument unter Röntgenkontrolle an bestimmte anatomisch markante Punkte geführt. Beispiele für solche Punkte im Falle einer Herzuntersuchung oder -behandlung sind die Mündung der oberen Hohlvene, die Mündung der unteren Hohlvene, die Herzklappen, etc. An diesen anatomisch markanten Punkten wird die Katheterposition mittels des Navigationssystems aufgenommen und für jeden der markanten Punkte gespeichert. In dem Vorabbild-Datensatz, der in diesem Falle präoperativ ist, werden dieselben Punkte identifiziert und die Registrierung erfolgt anhand der Daten zu den anatomisch markanten Punkten.
-
Alternativ können auch bildbasierte, insbesondere 3D-3D, Registrierungsverfahren verwendet werden. In diesem Fall kann eine geringe Anzahl von zweidimensionalen Bildern, aus denen ein dreidimensionales Volumen rekonstruiert werden kann, zur Registrierung verwendet werden. Ebenso ist es möglich, aus Bilddatensätzen der Bildaufnahmeeinrichtung und dem Vorabbild-Datensatz durch Segmentierung Oberflächen zu extrahieren, wonach die Registrierung als „Matching” der beiden extrahierten Oberflächen ausgeführt wird. Dabei muss nicht eine komplette Oberfläche extrahiert werden, auch zwei so genannte Punktwolken aus wenigen Punkten, die die Oberflächen repräsentieren, sind ausreichend, um eine Registrierung vorzunehmen, indem die Distanz der beiden Punktwolken minimiert wird.
-
Ferner, ermöglicht durch die Registrierung, wird auch die Position und Orientierung der Bildaufnahmeeinrichtung und/oder eines sie tragenden medizinischen Instruments in dem Vorabbild-Datensatz angezeigt. Dem Benutzer ist dann bekannt, wie und wo sich die Bildaufnahmeeinrichtung augenblicklich befindet und er kann diese gegebenenfalls von Hand so positionieren und orientieren, dass die Aufnahme durch Teildrehung erfolgen kann.
-
Zur Definition und darauffolgenden Aufnahme des Zielbereichs ist erfindungsgemäß jedoch vorgesehen, dass aus der Definition des Zielgebietes, welches beispielsweise durch einen Benutzer in dem Vorabbild-Datensatz markiert wurde, eine ideale Position und Orientierung der Bildaufnahmeeinrichtung bestimmt wird und in dem Vorabbild-Datensatz angezeigt wird, woraufhin die Bildaufnahmeeinrichtung automatisch oder benutzerunterstützt an den Zielort geführt wird. Hierbei ist eine Recheneinrichtung vorgesehen, die die Daten des Vorabbild-Datensatzes sowie der Eigenschaften des Katheters verwendet, um zu berechnen, bei welcher Position und Orientierung der Bildaufnahmeeinrichtung eine schnellstmögliche und doch qualitativ ausreichende Aufnahme des Zielbereichs mittels zweidimensionaler Bilder während einer Teildrehung erfolgen kann. Diese Position und Orientierung wird dann, beispielsweise in einer anderen Farbe, ebenso im Vorabbild-Datensatz dargestellt, so dass ein das die Bildaufnahmeinrichtung tragende medizinische Instrument führender Benutzer das medizinische Instrument und somit die Bildaufnahmeeinrichtung, da ihm deren Position und Orientierung ebenfalls angezeigt werden, in die errechnete Idealposition bringen kann. Dies kann in einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens auch automatisch geschehen. In dieser Ausgestaltung muss der Benutzer lediglich den Zielbereich im Vorabbild-Datensatz markieren, woraufhin die nötigen Aufnahmeparameter, also Rotationswinkel, gegebenenfalls Bildtiefe, Blickrichtung, Orientierung und Position der Bildaufnahmeeinrichtung automatisch bestimmt werden.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist jedoch vorgesehen, dass neben der Position und Orientierung der Bildaufnahmeeinrichtung und/oder eines sie tragenden medizinischen Instruments auch das Blickfeld der Bildaufnahmeinrichtung unter Berücksichtigung eines eingestellten Rotationswinkels und einer eingestellten Bildtiefe in dem Vorabbild-Datensatz dargestellt wird. In diesem Fall kann der Benutzer allein durch Betrachten des Vorabbild-Datensatzes und der darin dargestellten Zusatzinformationen feststellen, welchen Bereich des Hohlorgans er aufnehmen würde, wenn er mit diesen Parametern, die durch den Benutzer selbst veränderbar sind, die Bildaufnahme starten würde. Der Benutzer hat also, wie er auch auf Position und Orientierung der Bildaufnahmeinrichtung Einfluss hat, die Möglichkeit, den Rotationswinkel und/oder die Bildtiefe sowie gegebenenfalls auch Qualitätsparameter der Bildaufnahmeeinrichtung mittels einer Eingabeeinrichtung einzustellen und unmittelbar zu beobachten, wie sich das Blickfeld der Bildaufnahmeinrichtung verändert. Das aktuelle Blickfeld wird aufgrund der eingestellten Parameter und der Daten des Navigationssystems in Echtzeit aktualisiert, so dass der Benutzer einen Überblick über seine Aufnahmemöglichkeiten erhält. Alternativ oder zusätzlich kann in diesem Zusammenhang auch vorgesehen sein, dass eine virtuelle Bildaufnahmeeinrichtung und/oder ein diese tragender virtueller Katheter sowie das Blickfeld der virtuellen Bildaufnahmeeinrichtung in dem Vorabbild-Datensatz eingeblendet werden. In einer derartigen Ausgestaltung kann der Benutzer auch bereits vor dem Eingriff oder wenn das medizinische Instrument das Zielgebiet noch nicht erreicht hat sozusagen ausprobieren, in welcher Position und Orientierung der Bildaufnahmeeinrichtung er mit welchen Parametern welche Bereiche aufnehmen kann. Die hierzu notwendigen Daten können beispielsweise in einer Recheneinrichtung abgelegt sein.
-
In beiden Fällen, also sowohl, wenn das Blickfeld der realen Bildaufnahmeeinrichtung oder das Blickfeld der virtuellen Bildaufnahmeeinrichtung eingeblendet wird, ist es möglich, dass die Definition des Zielbereichs anhand der Darstellung des Blickfelds erfolgt. Bei der Führung des Katheters wird dem Benutzer jederzeit angezeigt, beispielsweise in Form einer transparenten Überblendung, welchen Bereich er unter Verwendung der aktuellen, von ihm eingestellten Parameter aufnehmen kann. Dieser kann dann einfach, beispielsweise über ein Bestätigungsbedienelement, ausgewählt werden, so dass der Zielbereich durch das in diesem Augenblick eingeblendete Blickfeld definiert ist. Die Aufnahme kann dann sofort beginnen und berücksichtigt die vom Benutzer eingestellten Parameter. Auf diese Art wird ein einfach zu nutzendes, den Benutzer mit allen nötigen Informationen unterstützendes Verfahren geschaffen, mittels dessen eine einfache Parameteranpassung, Auswahl und Führung der Bildaufnahmeeinrichtung zum Zielpunkt sowie eine darauffolgende schnelle, aktuelle Aufnahme und Aktualisierung einer Rekonstruktionsdarstellung erlaubt. Der Benutzer positioniert und orientiert das medizinische Instrument und somit die Bildaufnahmeeinrichtung zunächst geeignet, passt dann die Bildaufnahmeparameter an und kann während der gesamten Zeit mitverfolgen, inwieweit der von ihm gewünschte Zielbereich erfasst ist.
-
Alternativ oder zusätzlich kann zur Definition des Zielbereichs ein zweidimensionales Bild oder Schichtbild, insbesondere eine multiplanare Rekonstruktion (MPR – Multiplanar Reconstruction), aus dem Vorabbild-Datensatz gewählt werden. Dieses zweidimensionale Bild oder Schichtbild des Vorabbild-Datensatzes kann beispielsweise als Mittelebene des zu rekonstruierenden Teilbereichs dienen. Das gewählte Bild gibt demnach die Orientierung des von der Bildaufnahmeeinrichtung zu überstreichenden Volumens vor. Die Bildaufnahmeeinrichtung wird in diesem Fall so innerhalb der gewählten Ebene platziert, dass ihre Rotationsachse in der Ebene liegt. Dies ist aufgrund der Darstellung der Bildaufnahmeeinrichtung beziehungsweise des sie tragenden medizinischen Instruments problemlos möglich.
-
Zusätzlich zu der Position und Orientierung der Bildaufnahmeeinrichtung oder eines sie tragenden medizinischen Instruments kann auch die Position und/oder die Orientierung eines weiteren im Hohlorgan befindlichen medizinischen Instruments, insbesondere eines Arbeitskatheters, in dem Vorabbild-Datensatz dargestellt werden. Wird ein Eingriff, beispielsweise eine Ablation vorgenommen, so kann demnach die Bildaufnahmeeinrichtung so positioniert werden, dass auch das weitere medizinische Instrument in ihrem Blickfeld enthalten ist, so dass der Fortschritt des Eingriffs beobachtet werden kann.
-
Als Vorabbild-Datensatz kann dabei eine Vielzahl von Bilddatensätzen, die das Hohlorgan zeigen, gewählt werden. Zum einen kann der Vorabbild-Datensatz durch eine Rekonstruktion während einer vollen Drehung aufgenommener zweidimensionaler Bilder der Bildaufnahmeeinrichtung erstellt werden. Der Vorabbild-Datensatz wird dabei mit der Bildaufnahmeeinrichtung selbst aufgenommen, gegebenenfalls mit geringerer Qualität, um einen guten Überblick über das Hohlorgan bieten zu können. Eine weitere Bildaufnahmemodalität ist hier nicht erforderlich. Auch die Registrierung ist in diesem Fall einfach vorzunehmen.
-
Alternativ kann als Vorabbild-Datensatz auch ein präoperativer Bild-Datensatz, insbesondere ein Computertomographie-, Magnetresonanz- oder Rotationsangiographie-Bild-Datensatz, verwendet werden. Auch derlei präoperative Vorabbilddatensätze bieten einen guten Überblick und können bereits bei der Führung des die Bildaufnahmeeinrichtung tragenden medizinischen Instruments in das Zielgebiet unterstützend mitwirken. Zudem sind darin häufig Unregelmäßigkeiten zu erkennen, die behandelt oder näher untersucht werden sollen.
-
Wird ein solcher präoperativer Vorabbild-Datensatz verwendet, so kann die Rekonstruktion des zweidimensionalen Rekonstruktionsbild-Datensatzes unter Berücksichtigung eines vom Benutzer in dem Vorabbild-Datensatz gewählten, insbesondere gebogenen, zweidimensionalen Bildes erfolgen. Ein solches gebogenes, zweidimensionales Bild kann beispielsweise ein so genanntes „Curved MPR” sein, welches die Wand oder einen bestimmten Wandbereich des Hohlorgans zeigt. Dieses Bild bestimmt die Oberfläche, die aus den zweidimensionalen Bildern der Bildaufnahmeeinrichtung im Winkelintervall rekonstruiert und dargestellt werden soll. Auf diese Art kann der Benutzer im Vorabbild-Datensatz vorteilhafterweise bereits wählen, welcher Abschnitt des Zielbereichs zweidimensional rekonstruiert werden soll.
-
Von besonderem Vorteil ist es auch, wenn bei EKG-getriggerten Aufnahmen die zweidimensionalen Bilder der Teildrehung zur selben EKG-Phase wie der Vorabbild-Datensatz aufgenommen werden. Hohlorgane ändern häufig in größerem Maße ihre Form, abhängig von der Herzphase. Dementsprechend kann es vorkommen, dass beispielsweise ein zur Phase der Aufnahme des Vorabbild-Datensatzes innerhalb des Zielbereichs liegender Gewebeabschnitt zu einem anderen Zeitpunkt nicht mehr innerhalb des Zielbereichs liegt. Daher ist, um den Zielbereich möglichst genau in Bezug auf das Hohlorgan festlegen zu können, es sinnvoll, die Triggerung zur selben EKG-Phase vorzunehmen.
-
Zusätzlich kann der Rekonstruktionsbild-Datensatz auch in dem Vorabbild-Datensatz dargestellt werden, beispielsweise durch Überlagerung der entsprechenden Informationen. Der Benutzer muss dann nur noch eine Bilddarstellung betrachten.
-
Als Bildaufnahmeeinrichtung können beispielsweise eine Ultraschalleinrichtung oder eine OCT(Optical Coherence Tomography)-Einrichtung verwendet werden, die zur Aufnahme solcher zweidimensionaler Bilder besonders geeignet sind.
-
Daneben betrifft die Erfindung auch ein medizinisches Untersuchungs- und Behandlungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 19.
-
Auf diese Weise ist nicht nur die binäre Auswahl „Drehung” oder „keine Drehung” möglich, sondern es können vorbestimmte Teildrehungen vorgenommen werden. Während einer solchen Teildrehung kann dann ein bestimmter Zielbereich aufgenommen werden. Insbesondere kann die Bildaufnahmeeinrichtung auch in beide Richtungen rotierbar ausgebildet sein. Dann ist es möglich, die Bildaufnahmeeinrichtung beispielsweise um einen bestimmten Rotationswinkel vor- und auch wieder zurückzubewegen.
-
Weiterhin kann das System auch einen Aktuator zum Verkippen eines die Bildaufnahmeeinrichtung umfassenden Teils der Instrumentenspitze und/oder der Bildaufnahmeeinrichtung gegen die Mittelachse der Instrumentenspitze aufweisen. Damit ist letztendlich die Einstellung einer anderen Perspektive möglich, indem die Bildaufnahmeeinrichtung insbesondere gegen die Rotationsachse verkippt wird. Auch ist es in dieser Ausgestaltung möglich, die Bildaufnahmeeinrichtung beispielsweise parallel zu einer Wand des Hohlorgans auszurichten. Der Aktuator kann dabei beispielsweise als ein Seilzug ausgebildet sein.
-
Ein solches System kann vorteilhafterweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen, da aufgrund der Ansteuerungsmöglichkeit die Aufnahmen während der Teildrehung problemlos erfolgen können.
-
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
-
1 ein erfindungsgemäßes medizinisches Untersuchungs- und Behandlungssystem,
-
2A eine Darstellung des Umrisses eines mit der Bildaufnahmeeinrichtung aufnehmbaren zweidimensionalen Bildes,
-
2B das erhaltene Blickfeld bei Aufnahmen mehrerer solcher zweidimensionaler Bilder bei einer Teildrehung,
-
3 ein Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
-
4 eine Darstellung des Vorabbild-Datensatzes mit Zusatzinformationen bei dem ersten Ausführungsbeispiel,
-
5 einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
-
6 eine Darstellung des Vorabbild-Datensatzes mit Zusatzinformationen bei dem zweiten Ausführungsbeispiel.
-
1 zeigt ein medizinisches Untersuchungs- oder Behandlungssystem 1. Dabei befindet sich ein Patient 2 auf einer Patientenliege 3, wobei der Patient einen aufzunehmenden Zielbereich 4 umfasst, hier insbesondere im kardialen Bereich, in den bereits ein Katheter 5, umfassend eine rotierend angeordnete Bildaufnahmeeinrichtung 6, eingebracht ist. Der Katheter 5 sowie die Bildaufnahmeeinrichtung 6 werden durch eine Kathetersteuereinrichtung 7 entsprechend angesteuert, wobei auch eine Führung des Katheters von Hand möglich ist. Ein EKG-Gerät 8 nimmt das EKG des Patienten 2 auf. Das EKG-Gerät 8 sendet seine Daten an die Kathetersteuereinrichtung 7, so dass eine getriggerte Aufnahme von zweidimensionalen Bildern durch die Bildaufnahmeeinrichtung 6, hier eine Ultraschalleinrichtung, erfolgen kann. Die Position und Orientierung der Bildaufnahmeeinrichtung 6 des Katheters 5 kann zu jeder Zeit durch ein bei 9 angedeutetes Navigationssystem ermittelt werden. Die Steuereinrichtung 7 kommuniziert mit einer Recheneinrichtung 10, in der aufgenommene Bilder verarbeitet werden können und von der benutzerseitig eingegebene Parameter an die Steuereinrichtung 7 übermittelt werden können. Zusätzlich umfasst das System 1 eine Anzeigevorrichtung 11, hier einen Monitor, zur Anzeige von Bilddatensätzen.
-
Die Steuerungseinrichtung 7 sowie die hier nicht dargestellte Rotationseinheit der Bildaufnahmeeinrichtung 6 sind nun so ausgebildet, dass die Bildaufnahmeeinrichtung 6 eine Teildrehung um einen bestimmten Rotationswinkel durchführen kann, wobei mit einer vorgegebenen Frequenz zweidimensionale Bilder aufgenommen werden. Zudem kann die Bildaufnahmeeinrichtung 6 in beide Richtungen gedreht werden, so dass es beispielsweise möglich ist, die Bildaufnahmeeinrichtung 6 zum wiederholten Abscannen eines Zielbereichs 4 mehrmals um den Rotationswinkel hin und her zu bewegen. Natürlich ist es auch denkbar, dass die Bildaufnahmeeinrichtung 6 nur in eine Richtung gedreht wird, wobei eine Bildaufnahme nur in einem bestimmten Winkelintervall erfolgt.
-
Aus den während einer solchen Teildrehung aufgenommenen zweidimensionalen Bildern kann ein zwei- oder dreidimensionaler Rekonstruktionsbild-Datensatz mittels der Recheneinrichtung 10 ermittelt werden. Das gesamte Blickfeld, aus dem der Rekonstruktionsbild-Datensatz ermittelt wird, ergibt sich aus der Form eines zweidimensionalen Bildes und dem Rotationswinkel beziehungsweise Winkelintervall. Dies ist in den 2A und 2B an einem Beispiel näher dargestellt.
-
2A zeigt eine Darstellung des Umrisses 12 eines zweidimensionalen Bildes, das mittels der Bildaufnahmeeinrichtung 6 in einer bestimmten Winkelstellung aufgenommen werden kann. Er hat eine grob trapezförmige Form, die häufig auch als „Schmetterlingsflügel” umschrieben wird.
-
Wird nun die Bildaufnahmeeinrichtung 6 um einen Rotationswinkel α gedreht, wie in 2A anhand der Pfeile 13 dargestellt, wobei mit einer bestimmten Frequenz zweidimensionale Bilder aufgenommen werden, kann daraus ein Rekonstruktionsbild-Datensatz bestimmt werden, der das in 2B dargestellte Volumen 14 beschreibt. Dieses Volumen 14 entspricht dem Zielbereich 4. Seine Form kann analog der Bezeichnung „Schmetterlingsflügel”, vgl. 2A, als „Schmetterlingsflügelschlag” beschrieben werden.
-
Wird nur eine solche Teildrehung zur Aufnahme des Zielbereichs 4 benötigt, so sind insgesamt weniger Bilder erforderlich und die Aufnahme kann schneller erfolgen, insbesondere sogar während einer EKG-Phase eines EKG-Zyklus. Es ist jedoch auch möglich, die Bilder während zwei aufeinander folgenden EKG-Zyklen bei entsprechender Triggerung aufzunehmen, da die Steuereinrichtung 7 die Rotationseinheit entsprechend ansteuern kann.
-
3 zeigt den Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform. Zunächst wird in Schritt S1 dem Benutzer ein Vorabbild-Datensatz des Hohlorgans zur Anzeige gebracht. Ein solcher Vorabbild-Datensatz kann mit der Bildaufnahmeinrichtung 6 selbst, beispielsweise unter einer 360°-Drehung, aufgenommen worden sein, wobei bei einem solchen Übersichtsbild-Datensatz eine geringere Qualität ausreichend ist. Eine andere Möglichkeit für einen Vorabbild-Datensatz ist ein präoperativ aufgenommener Bild-Datensatz, beispielsweise ein Computertomographiebild-Datensatz, ein Magnetresonanzbild-Datensatz oder ein Rotationsangiographie-Datensatz. Der Vorabbild-Datensatz ist ein dreidimensionaler Bild-Datensatz, der auf verschiedene, grundsätzlich bekannte Arten visualisiert werden kann, beispielsweise als eine „fly”-Visualisierung.
-
Der Vorabbild-Datensatz ist mit dem Koordinatensystem des Navigationssystems 9 registriert, so dass die Position und Orientierung des Katheters 5 sowie der Bildaufnahmeeinrichtung 6 wie auch die der entsprechenden aufnehmbaren zweidimensionalen Bilder auch im Vorabbild-Datensatz bekannt ist. Die hierzu erforderliche Registrierung kann beispielsweise über anatomische Landmarken erfolgen, jedoch auch über bekannte 3D-3D-Registrierungsverfahren.
-
In der Darstellung des Hohlorgans in dem Vorabbild-Datensatz kann nun in Schritt S2 ein Benutzer einen interessierenden Bereich (ROI – Region of Interest) markieren, was über eine der Recheneinrichtung 10 zugeordnete Eingabeeinrichtung erfolgen kann. Methoden, einen dreidimensionalen Bereich in einer Bilddarstellung zu markieren sind weithin bekannt, so dass sie hier nicht näher diskutiert werden müssen.
-
In Schritt S3 ermittelt die Recheneinrichtung 10 ideale Parameter zur Aufnahme eines den interessierenden Bereich umfassenden Zielbereichs, wobei die Parameter die Position und Orientierung der Bildaufnahmeeinrichtung 6 sowie den Rotationswinkel und gegebenenfalls die Bildtiefe umfassen. Der Zielbereich umschließt den interessierenden Bereich dabei möglichst eng, so dass möglichst wenig ungewollte Informationen aufgenommen werden. Zusätzlich werden Qualitätsgesichtspunkte berücksichtigt, die gegebenenfalls auch durch den Benutzer festgelegt werden können.
-
An dieser Stelle sei angemerkt, dass auch ein virtueller Katheter mit einer virtuellen Bildaufnahmeeinrichtung sowie deren Blickfeld im Zuge einer Simulation oder Modellierung in den Vorabbild-Datensatz eingeblendet werden kann. Ein Benutzer kann dabei Position und Orientierung der virtuellen Bildaufnahmeeinrichtung sowie den Rotationswinkel und die Bildtiefe verändern, um das Blickfeld seinen Wünschen entsprechend anzupassen. So besteht die Möglichkeit, ohne tatsächliche Bewegung des Katheters 5 im Hohlorgan einen Zielbereich sowie die entsprechenden Parameter unmittelbar benutzerseitig festzulegen.
-
In jedem Fall folgt danach der Schritt S4, worin die Zielposition und Zielorientierung sowie die aktuelle Position und die aktuelle Orientierung des Katheters 5 im Vorabbild-Datensatz angezeigt werden. Der Benutzer sieht also sofort, wie der Katheter 5 und die Bildaufnahmeeinrichtung 6 bezüglich der Zielposition und der Zielorientierung momentan liegen.
-
Basierend darauf kann in Schritt S5 der Benutzer selber den Katheter zu der Zielposition und der Zielorientierung bewegen, wobei diese Katheterführung auch automatisch erfolgen kann. Die benutzerseitige Führung wird aufgrund der durch Schritt S4 beschriebenen Bildunterstützung einfach realisiert.
-
Sind dann Zielposition und Zielorientierung erreicht, so beginnt in Schritt S6 die EKG-getriggerte Aufnahme zweidimensionaler Bilder, während der Katheter 5 eine Teildrehung um den bestimmten Rotationswinkel durchführt, der letztendlich das Winkelintervall definiert, in dem die Aufnahmen der zweidimensionalen Bilder erfolgen sollen. Zudem wird die Bildaufnahmeeinrichtung 6 gemäß der berechneten Bildtiefe eingestellt. Hierdurch werden während der Teildrehung zweidimensionale Bilder aufgenommen, die den gesamten Zielbereich abdecken. Dabei werden weniger Bilder als bei einer vollen Umdrehung aufgenommen. Die EKG-Triggerung entspricht vorteilhafterweise der des Vorabbild-Datensatzes, so dass der interessierende Bereich die gewünschten Details enthält. Vorzugsweise ist für die Aufnahme eines vollständigen Satzes der zweidimensionalen Bilder lediglich ein Herzzyklus erforderlich.
-
Nachdem ein vollständiger Satz zweidimensionaler Bilder aufgenommen wurde, wird daraus ein Rekonstruktionsbild-Datensatz in zwei oder drei Dimensionen durch die Recheneinrichtung 10 ermittelt und auf der Anzeigeeinrichtung 11 dargestellt. Dies geschieht in Schritt S7. Dabei ist es sowohl möglich, den Rekonstruktionsbild-Datensatz als zusätzliches Bild darzustellen als auch ihn im Vorabbild-Datensatz darzustellen.
-
In Schritt S8 wird schließlich überprüft, ob eine Abbruchbedingung, beispielsweise eine Anweisung des Benutzers, vorliegt. Ist dies nicht der Fall, so werden wiederum die Schritte S6 und S7 durchgeführt, so dass der Benutzer aufgrund der schnellen Aufnahmemöglichkeit immer einen aktuellen Rekonstruktionsbild-Datensatz dargestellt erhält und somit Veränderungen in Echtzeit nachvollziehen kann.
-
4 zeigt eine beispielhafte Darstellung des Vorabbild-Datensatzes 15, der das Hohlorgan 16 zeigt. Angezeigt wird zudem der vom Benutzer markierte interessierende Bereich 17 sowie die zu seiner Aufnahme erforderliche Zielposition und Zielorientierung 18, die die Bildaufnahmeeinrichtung 6 einnehmen soll. Zusätzlich dargestellt sind die Position des Katheters 5 mit der Bildaufnahmeeinrichtung 6 sowie die entsprechende Orientierung.
-
Mit Hilfe einer solchen Darstellung ist es für einen Benutzer einfach, den Katheter 5 und somit die Bildaufnahmeinrichtung 6 an die Zielposition zu bewegen und in die Zielorientierung zu bringen, da die Position und Orientierung des Katheters 5 ständig aktuell vom Navigationssystem 9 ermittelt werden und in die Darstellung einfließen.
-
5 zeigt den Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Dort wird in Schritt S9 wiederum ein Vorabbild-Datensatz 15 des Hohlorgans, allerdings mit diversen Zusatzinformationen angezeigt. Der Vorabbild-Datensatz 15 kann wiederum mit der Bildaufnahmeinrichtung 6 selbst aufgenommen, jedoch auch ein präoperativer Bild-Datensatz sein. Zudem ist das Koordinatensystem des Vorabbild-Datensatzes 15 wiederum, wie oben bereits erläutert, mit dem Koordinatensystem des Navigationssystems 9 registriert.
-
Dadurch ist es möglich, zusätzlich die Position und Orientierung des Katheters 5 und somit der Bildaufnahmeeinrichtung 6 im Vorabbild-Datensatz 15 anzuzeigen. Weiterhin wird jedoch auch das Blickfeld der Bildaufnahmeeinrichtung 6 bei den momentanen Parametern eingeblendet. Das Blickfeld der Bildaufnahmeeinrichtung 6 bestimmt sich nicht nur aus der Position und der Orientierung der Bildaufnahmeeinrichtung 6, sondern insbesondere auch aus einem bestimmten Rotationswinkel und gegebenenfalls, falls diese einstellbar ist, der Bildtiefe.
-
Soll ein Eingriff mit einem weiteren Katheter, beispielsweise einem Arbeitskatheter zur Ablation, vorgenommen werden, so kann vorteilhafterweise auch die Position dieses Arbeitskatheters und gegebenenfalls seiner Orientierung in dem Vorabbild-Datensatz 15 dargestellt sein. Dann ist für einen Benutzer sofort ersichtlich, ob der Arbeitskatheter und/oder der zu behandelnde Bereich innerhalb des Blickfelds der Bildaufnahmeeinrichtung 6 bei den momentan eingestellten Parametern liegen.
-
In Schritt S10 kann ein Benutzer das Blickfeld dann nach seinen Wünschen anpassen. Dazu kann er beispielsweise die Position und Orientierung der Bildaufnahmeeinrichtung 6 verändern, es ist über geeignete Eingabemittel jedoch auch möglich, den Rotationswinkel und gegebenenfalls die Bildtiefe entsprechend anzupassen. Jede Veränderung dieser Informationen wird sofort im Vorabbild-Datensatz 15 dargestellt. Auf diese Weise kann der Benutzer das Blickfeld problemlos seinen Wünschen anpassen. Entspricht das Blickfeld dem Bereich, den der Benutzer gerne aufgenommen und dargestellt haben möchte, so kann er über die Eingabeeinrichtung die Aufnahme starten und damit das aktuelle Blickfeld als Zielbereich festlegen.
-
Die Aufnahme der zweidimensionalen Bilder, die Rekonstruktion und die Darstellung erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel in den Schritten S11 und S12 analog zum ersten Ausführungsbeispiel.
-
Ebenso analog zum ersten Ausführungsbeispiel wird in Schritt S13 überprüft, ob eine Abbruchbedingung vorliegt, beispielsweise, ob ein Eingriff bereits beendet ist. Liegt keine Abbruchbedingung vor, so werden auch hier die Schritte S11 und S12 wiederholt, so dass der Benutzer eine aktuelle Darstellung erhält.
-
6 zeigt eine Darstellung des Vorabbild-Datensatzes 15 mit zusätzlichen Informationen bei dem zweiten Ausführungsbeispiel. Der Vorabbild-Datensatz 15 enthält wiederum Bilddaten des Hohlorgans 16. Ebenso wird wiederum die aktuelle Position und Orientierung des Katheters 5 und der Bildaufnahmeeinrichtung 6 dargestellt. Zusätzlich kann der Benutzer der Darstellung auch die Position und Orientierung eines Arbeitskatheters 19 entnehmen.
-
Weiterhin wird in die Darstellung das Blickfeld 20 der Bildaufnahmeeinrichtung 6 eingeblendet, wobei sowohl der Arbeitskatheter 19 als auch eine zu behandelnde Läsion 21 im Blickfeld 20, also dem Aufnahmebereich der Bildaufnahmeeinrichtung 6, enthalten sind. Ein Benutzer kann nun anhand dieser Darstellung unter Veränderung von Position und Orientierung der Bildaufnahmeeinrichtung 6 und Anpassung der Parameter Rotationswinkel und Bildtiefe das Blickfeld 20 seinen Wünschen entsprechend anpassen, um danach die Aufnahme mit diesem Blickfeld 20 als Zielbereich 4 zu starten.
-
Die in den beiden Ausführungsbeispielen dargestellten Möglichkeiten zur Auswahl des Zielbereichs 4 und zur Bestimmung der Parameter sind nicht abschließend. So ist es beispielsweise auch denkbar, dass im Vorabbild-Datensatz 15 ein Schnitt- oder Schichtbild bestimmt wird, das die Mittelebene des Zielbereichs bilden soll und daher die Orientierung der Bildaufnahmeinrichtung 6 wenigstens teilweise festlegt. Die entsprechende Schicht oder Ebene kann dann beispielsweise auch in der Darstellung des Vorabbild-Datensatzes 15 eingeblendet werden, so dass der Katheter 5 und somit die Bildaufnahmeeinrichtung 6 lediglich noch innerhalb dieser Ebene geeignet platziert werden müssen.
-
Die Darstellung des Rekonstruktionsbild-Datensatzes kann auf bekannte Art und Weise erfolgen. Insbesondere ist es im Rahmend der Erfindung jedoch auch möglich, innerhalb des Vorabbild-Datensatzes 15 ein insbesondere gebogenes zweidimensionales Bild beziehungsweise eine Fläche auszuwählen, die bei einer zweidimensionalen Rekonstruktion die Fläche angibt, die rekonstruiert werden soll. Hierbei ist beispielsweise an eine so genannte „Curved MPR” zu denken.
-
Als Bildaufnahmeeinrichtung 6 könnte auch eine OCT-Einrichtung vorgesehen sein. Auch mit diesem Bildaufnahmeverfahren lassen sich zweidimensionale Bilder aufnehmen, aus denen ein dreidimensionales Rekonstruktionsvolumen ermittelbar ist.
-
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein Aktuator zum Verkippen eines die Bildaufnahmeeinrichtung 6 umfassenden Teils der Instrumentenspitze, insbesondere Katheterspitze, und/oder der Bildaufnahmeeinrichtung 6 gegen die Mittelachse der Instrumentenspitze, insbesondere Katheterspitze, vorhanden ist. Dann ist es beispielsweise möglich, die Bildaufnahmeeinrichtung 6 gegen die Rotationsachse zu verkippen oder so auszurichten, dass sie parallel zu einer Wand des Hohlorgans 16 ausgerichtet ist.
