DE102006056679A1

DE102006056679A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Visualisieren von 3D-Objekten insbesondere in Echtzeit

Info

Publication number: DE102006056679A1
Application number: DE102006056679A
Authority: DE
Inventors: Stefan LAUTENSCHLÄGER
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2026-12-01
Also published as: DE102006056679B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Visualisieren von dreidimensionalen Objekten insbesondere in Echtzeit. Es wird ein dreidimensionaler Bilddatensatz des Objektes erstellt, und es werden zweidimensionale Durchleuchtungsbilder des Objektes aufgenommen. Der dreidimensionale Bilddatensatz wird mit den zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern registriert. Beim Registrieren des dreidimensionalen Bilddatensatzes mit den zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern wird der Koronarsinus als Bezugsobjekt verwendet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum Visualisieren von dreidimensionalen Objekten insbesondere in Echtzeit. Das Verfahren und die Vorrichtung sind besonders geeignet für die Visualisierung von dreidimensionalen Objekten bei medizinischen Eingriffen.
Während einer medizinischen Intervention zum Beispiel am Kopf oder Herz werden zur Navigation von medizinischen Instrumenten mithilfe von fluoroskopischer Durchleuchtung Echtzeitbilder gewonnen. Verglichen mit dreidimensionalen angiographischen Bilddaten zeigen diese Durchleuchtungsbilder zwar keine räumlichen, d.h. dreidimensionalen Details, sie sind jedoch in Echtzeit verfügbar und minimieren die Strahlenbelastung für Patient und Arzt.
Um die zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder mit räumlichen Informationen zu ergänzen, werden die zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder mit prä-operativ oder intra-operativ aufgenommenen dreidimensionalen Bilddaten (einem so genannten 3D-Scan) registriert und überlagert.
Die dreidimensionalen Bilddaten können prä-operativ durch die klassischen medizinischen Bildgebungsverfahren wie zum Beispiel Computertomographieverfahren (CT), dreidimensionale Angiographieverfahren, dreidimensionale Ultraschallverfahren, Positronen-Emissions-Tomographieverfahren (PET) oder Magnetresonanztomographieverfahren (MRT) erstellt werden.
Die intra-operativ aufgenommenen dreidimensionalen Bilddaten können zum Beispiel während der Operation durch ein Dyna-CT-Verfahren erstellt werden, bei dem vorzugsweise mit einer C-Bogen-Anlage während einer Intervention CT-ähnliche Bilder von Weichteilen akquiriert werden können.
Bei diesen dreidimensionalen Bilddaten kann es sich auch um segmentierte Teile eines 3D-Scans handeln.
Die Registrierung und Überlagerung der zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder mit den dreidimensionalen Bilddaten erlaubt dem Arzt nun eine bessere Orientierung im Volumen.
Zur Registrierung und Überlagerung der zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder mit den dreidimensionalen Bilddaten sind zwei Verfahren bekannt, die sich gegenseitig ergänzen:
Beim ersten Verfahren macht der Arzt intraoperativ eine 3D-Rotationsangiographie und registriert diese mit einem vorzugsweise präprozedural aufgenommenen 3D-Scan (z.B. CT oder MR). In diesem Fall spricht man von einer 3D/3D Registrierung. Später intraoperativ aufgenommene (2D) C-Bogen-Aufnahmen (Fluoroaufnahmen oder „richtige" Aufnahmen) sind somit ideal mit dem 3D-Bilddatensatz registriert, da sie mit dem gleichen Aufnahmegerät aufgenommen wurden wie die 3D-Rotationsangiographie-Aufnahme.
Das zweite Verfahren behandelt eine ggf. notwendige Nachregistrierung. Kommt es während der Operation (d.h. zeitlich nach der 3D-Rotationsangiographie) zu einer Bewegung des Patienten, resultiert dies zu einem Fehler der Registrierung zwischen Fluoroaufnahme und überlagertem Teil der 3D-Rotationsangiographie. Dieser Umstand macht eine Nachregistrierung notwendig, d.h. man möchte nun nachträglich die 2D-Aufnahme (Fluoroaufnahme oder „richtige" Aufnahme) mit dem überlagerten Teil der 3D-Rotationsangiographie nach-registrieren. Dabei ist man darauf bedacht, sowohl Dosis als auch Kontrastmittel zu sparen, aber gleichzeitig eine optimale Registrierung zu erreichen.
Bisherige Arbeiten, die sich mit dieser 2D/3D-Registrierung beschäftigt haben, verwenden folgende Strukturen, um eine automatische Nachregistrierung zu realisieren:
Als Bezugsobjekt zur Nachregistrierung hat sich bisher die Wirbelsäule als geeignet erwiesen. Die Wirbelsäule ist sowohl im 3D-Datensatz als auch in der 2D-Aufnahme gut zu erkennen und kann somit zur 2D/3D-Registrierung herangezogen werden. Problematisch dabei ist allerdings, dass die Wirbelsäule die im Fokus stehende Kammer (hauptsächlich das linke Atrium) u. U. nur sehr unzureichend beschreibt. Als zusätzliche Beschränkung des Einsatzes der Wirbelsäule als Informationsträger für eine Registrierung sei ihre mangelnde Sichtbarkeit in der 3D-Aufnahme genannt, wenn es sich hierbei um einen MRT-Scan handelt. Gleiches gilt für den Einsatz von Rippen als Registrierungsmerkmal.
Alternativ wurden bisher die kontrastmittelgefüllten Pulmonalvenen als Bezugsobjekt zur Nachregistrierung herangezogen. Werden die Pulmonalvenen während des Eingriffs mit Kontrastmittel gefüllt, so zeichnen sie sich sehr gut in den 2D-Aufnahmen ab und können mit dem 3D-Datensatzsatz registriert werden. Außerdem repräsentieren sie in besonderem Maße die Anatomie der im Fokus stehenden Kammer, d.h. hauptsächlich das linke Atrium. Dem gegenüber steht die Notwendigkeit des zusätzlichen Einsatzes von Kontrastmittel.
In diesem Zusammenhang ist es erstrebenswert, auf die wiederholte Erstellung einer 3D-Rotationsangiographie zu verzichten, da dies zu einer unverhältnismäßig hohen Strahlungs- und Kontrastmittelbelastung des Patienten führen würde. Dies wäre nach der Bewegung des Patienten der Fall, welche eine erneute 3D/3D-Registrierung ermöglichen würde und somit die 2D/3D-Registrierung unnötig machen würde.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Visualisieren von dreidimensionalen Objekten insbesondere in Echtzeit vorzusehen, bei denen unter geringer Zugabe von Kontrastmitteln eine gute räumliche Orientierung in den Objekten ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Beim Registrieren des dreidimensionalen Bilddatensatzes mit den zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern wird erfindungsgemäß der Koronarsinus als Bezugsobjekt verwendet. Der Koronarsinus ist die Koronarvene, die Blut aus dem Herzmuskel abführt. Der Koronarsinus mündet in den rechten Vorhof.
Die Verwendung des Koronarsinus bei der Registrierung des dreidimensionalen Bilddatensatzes mit den zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern bietet die folgenden Vorteile:
Der Koronarsinus beschreibt die Lage des Herzens und dabei speziell die Lage des linken Atriums in hervorragender Weise. Dieser Vorteil ist äquivalent zu dem Einsatz der kontrastmittelgefüllten Pulmonalvenen, jedoch ohne die bereits genannten Probleme und Einschränkungen.
Der Koronarsinus ist sowohl in dem dreidimensionalen Bilddatensatz als auch in den zweidimensionalen Aufnahmen zu erkennen (und ggf. zu segmentieren). Die sehr gute Sichtbarkeit in den zweidimensionalen Aufnahmen kann dadurch verbessert werden, dass bei elektrophysiologischen Untersuchungen, um die es hier hauptsächlich geht, ein Katheter in den Koronarsinus eingebracht wird, der sich hervorragend in den 2D-Aufnahmen abzeichnet. Bei EP-Prozeduren wird standardmäßig ein Katheter in den Koronarsinus eingeführt.
Durch den Katheter ist der Koronarsinus auch ohne Kontrastmittelgabe ideal sichtbar und für einen automatischen Registrieralgorithmus einsetzbar.
Der dreidimensionale Bilddatensatz des Objektes kann vorzugsweise durch ein Durchleuchtungsverfahren (Röntgen oder fluoroskopische Durchleuchtung), ein Computertomographieverfahren (CT), ein dreidimensionales Angiographieverfahren, ein dreidimensionales Ultraschallverfahren, ein Positronen-Emissions-Tomographieverfahren (PET) oder ein Magnetresonanztomographieverfahren (MRT) erstellt werden.
Falls zusätzlich dreidimensionale Durchleuchtungsbilddaten des Objektes unter Verwendung derselben Vorrichtung zum Aufnehmen der zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder des Objektes erstellt werden, dann sind die dreidimensionalen Durchleuchtungsbilddaten automatisch mit den zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern registriert. Außerdem kann das Registrieren der zweidimensionalen Bilder mit dem dreidimensionalen Bilddatensatz wird unter Zuhilfenahme der dreidimensionalen Durchleuchtungsbilddaten vereinfacht werden.
Zum Beispiel wird aus mehreren zweidimensionalen Bildern mittels Röntgen, fluoroskopischer Durchleuchtung oder einer 3D-Rotationsangiographie ein dreidimensionales Volumen rekonstruiert.
Hierfür kann z.B. ein C-Bogen-Röntgengerät verwendet werden, das auch für den späteren medizinischen Eingriff verwendet wird.
Mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung wird nunmehr eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Die Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
In der Zeichnung ist ein Beispiel für eine Röntgenanlage 14 mit einem angeschlossenen Gerät gezeigt, mit dem die fluoroskopischen Durchleuchtungsbilder erstellt werden. Bei dem Röntgengerät 14 handelt es sich im gezeigten Beispiel um ein C-Bogengerät mit einem C-Bogen 18, an dessen Armen eine Röntgenröhre 16 und ein Röntgendetektor 20 angebracht sind. Hierbei kann es sich z. B. um das Gerät Axiom Artis dFC der Siemens AG, Medical Solutions, Erlangen, Deutschland, handeln.
In das Sichtfeld der Röntgenanlage ist der Patient 24 gebettet. Mit 22 ist ein Objekt innerhalb des Patienten 24 bezeichnet, welches das Ziel des Eingriffs sein soll, beispielsweise die Leber, das Herz oder das Gehirn. An die Röntgenanlage angeschlossen ist ein Rechner 25, welcher im gezeigten Beispiel sowohl die Röntgenanlage steuert, als auch die Bildverarbeitung übernimmt. Diese beiden Funktionen können jedoch auch getrennt realisiert sein. Im gezeigten Beispiel werden durch ein Steuerungsmodul 26 die C-Bogenbewegung und die Aufnahme von intra-operativen Röntgenbildern gesteuert.
In einem Speicher 28 ist der dreidimensionale Bilddatensatz gespeichert.
In einem Rechenmodul 30 wird der dreidimensionale Bilddatensatz mit den in Echtzeit aufgenommenen, zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern registriert.
Im Rechenmodul 30 wird der dreidimensionale Bilddatensatz des Objektes mit dem zweidimensionalen Durchleuchtungsbild überlagert. Das so fusionierte Bild wird an einem Bildschirm 32 angezeigt.
Bei dem Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel wird zunächst ein dreidimensionaler Bilddatensatzes des Objektes erstellt, wobei das Objekt ein Herz sein kann, welches visualisiert werden soll. Alternativ kann der dreidimensionale Bilddatensatz auch durch ein beliebiges Verfahren aufgenommen sein, welches eine ausreichend kontrastierte Darstellung der Gefäße bzw. der interessierenden Struktur erlaubt, zum Beispiel 3D-Angiographie oder 3D-Ultraschall. Soll der dreidimensionale Bilddatensatz noch andere Strukturen als Gefäße darstellen, können die hierfür jeweils geeigneten Bildgebungsverfahren verwendet werden, zum Beispiel die Röntgencomputertomographie (CT) oder PET (Positronen-Emissions-Tomographieverfahren). Es können auch mehrere zweidimensionale Bilder mittels eines fluoroskopischen Durchleuchtungsverfahrens aufgenommen wer den, aus denen dann ein dreidimensionaler Bilddatensatz rekonstruiert wird.
Die Akquirierung des dreidimensionalen Bilddatensatzes erfolgt üblicherweise vor dem eigentlichen medizinischen Eingriff, beispielsweise am Vortag. Falls zum Erstellen des dreidimensionalen Bilddatensatzes das fluoroskopische Durchleuchtungsverfahren gewählt wird, bei dem zum Beispiel aus mehreren zweidimensionalen Bildern ein dreidimensionales Volumen rekonstruiert wird, dann kann zum Beispiel ein C-Bogen-Röntgengerät verwendet werden, das auch für den späteren medizinischen Eingriff verwendet wird. Dadurch wird außerdem das Registrieren der zweidimensionalen Bilder mit dem dreidimensionalen Bilddatensatz vereinfacht, da die zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder und der dreidimensionale Bilddatensatz an derselben Anlage erstellt wurden.
Während des späteren medizinischen Eingriffs werden dann zweidimensionale Durchleuchtungsbilder des Herzens aufgenommen. Bei dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel wird das zweidimensionale Durchleuchtungsbild zum Beispiel des Herzens mittels Röntgen-Durchleuchtung in Echtzeit aufgenommen. Dieses zweidimensionale Durchleuchtungsbild weist keine klaren Tiefeninformationen auf und zeigt daher keine räumlichen Details.
Alsdann wird der dreidimensionale Bilddatensatz mit den zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern registriert, sofern dies noch nicht zeitgleich bei der Erstellung des dreidimensionalen Bilddatensatz geschehen ist. Zum Beispiel kann eine Transformationsmatrix bestimmt werden, mit der das Objekt aus dem Koordinatensystem des dreidimensionalen Bilddatensatzes in das zweidimensionale Durchleuchtungsbild übertragen wird. Die Lage und die Orientierung des dreidimensionalen Bilddatensatzes werden so angepasst, dass dessen Projektion mit dem zweidimensionalen Durchleuchtungsbild in Deckung gebracht wird.
Während der Operation kann es nun zu einer Bewegung des Patienten kommen, die zu einem Fehler der Registrierung zwischen den zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern und dem dreidimensionalen Bilddatensatz führt. Dieser Umstand macht die Nachregistrierung notwendig, bei der die bereits erfolgte Registrierung der zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder mit dem dreidimensionalen Bilddatensatz korrigiert wird.
Für die Nachregistrierung wird Koronarsinus als Bezugsobjekt herangezogen, der in den zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern gut sichtbar ist.
Vorzugsweise wird ein Katheter in den Koronarsinus beim Aufnehmen der zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder des Objektes eingeführt, wodurch die Sichtbarkeit des Koronarsinus weiter verbessert ist. Bei elektrophysiologischen Untersuchungen wird ein derartiger Katheter standardmäßig eingesetzt.
Vorzugsweise erfolgt das Nachregistrieren des dreidimensionalen Bilddatensatzes mit den zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern automatisch, d.h. mittels eines implementierten Registrierungsalgorithmus.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern es sind Änderungen ebenfalls vom Umfang der Erfindung umfasst, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
Insbesondere beschränkt sich die Verwendung des Koronarsinus nicht nur auf die Nachregistrierung zum Zwecke einer Korrektur der eigentlichen Registrierung. Der Koronarsinus kann gleichsam bei der eigentlichen Registrierung des dreidimensionalen Bilddatensatzes mit den zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Visualisieren von dreidimensionalen Objekten insbesondere in Echtzeit, mit folgenden Schritten: – Erstellen eines dreidimensionalen Bilddatensatzes des Objektes; – Aufnehmen von zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern des Objektes; – Registrieren des dreidimensionalen Bilddatensatzes mit den zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern, dadurch gekennzeichnet, dass beim Registrieren des dreidimensionalen Bilddatensatzes mit den zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern der Koronarsinus als Bezugsobjekt verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der dreidimensionale Bilddatensatz des Objektes durch ein Durchleuchtungsverfahren, ein Computertomographieverfahren (CT), ein dreidimensionales Angiographieverfahren, ein dreidimensionales Ultraschallverfahren, ein Positronen-Emissions-Tomographieverfahren (PET) oder ein Magnetresonanztomographieverfahren (MRT) vorzugsweise vor dem Aufnehmen der zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder des Objektes erstellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder des Objektes Röntgenbilder sind oder mittels fluoroskopischer Durchleuchtung aufgenommen werden.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei zusätzlich dreidimensionale Durchleuchtungsbilddaten des Objektes unter Verwendung derselben Vorrichtung zum Aufnehmen der zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder des Objektes aufgenommen werden, so dass die dreidimensionalen Durchleuchtungsbilddaten mit den zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern registriert sind.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die dreidimensionalen Durchleuchtungsbilddaten mit dem dreidimensionalen Bilddatensatz registriert werden, so dass auch die zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder mit dem dreidimensionalen Bilddatensatz registriert werden.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Schritt zum Registrieren des dreidimensionalen Bilddatensatzes mit den zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern mit dem Koronarsinus als Bezugsobjekt eine Nachregistrierung ist, während die zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder insbesondere in Echtzeit aufgenommen werden.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, des Weiteren mit einem Schritt zum Einbringen eines Katheters in den Koronarsinus beim Aufnehmen der zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder des Objektes.
Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei das Nachregistrieren des dreidimensionalen Bilddatensatzes mit den zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern automatisch durchgeführt wird.
Vorrichtung zum Visualisieren von dreidimensionalen Objekten insbesondere in Echtzeit, mit: – einer Einrichtung zum Erstellen eines dreidimensionalen Bilddatensatzes des Objektes; – einer Einrichtung (14) zum Aufnehmen von zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern des Objektes; – einer Einrichtung (25) zum Registrieren des dreidimensionalen Bilddatensatzes mit den zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern, gekennzeichnet durch – eine Einrichtung (25), die den dreidimensionalen Bilddatensatz mit den zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern unter Verwendung des Koronarsinus als Bezugsobjekt registriert.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, des Weiteren mit – einem Datenspeicher (28) zum Speichern des dreidimensionalen Bilddatensatzes des Objektes; – einem Röntgengerät (14) zum Aufnehmen der zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder des Objekts (22), insbesondere von Fluoroskopiebildern; und – einem Bildschirm (32) zum überlagerten Darstellen der zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder und des dreidimensionalen Bilddatensatzes.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei die Einrichtung (14) zum Aufnehmen der zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder ein C-Bogen-Röntgengerät ist, welches ebenfalls zum Aufnehmen von dreidimensionalen, rotationsangiographischen Bilddaten oder Durchleuchtungsbilddaten des Objektes geeignet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 11, des Weiteren mit einem Katheter, der beim Aufnehmen der zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder in den Koronarsinus einzuführen ist.