DE102007004105A1

DE102007004105A1 - Verfahren und Röntgen-C-Bogen-System zum Visualisieren von anatomischen Strukturen des Herzens eines Patienten

Info

Publication number: DE102007004105A1
Application number: DE102007004105A
Authority: DE
Inventors: Stefan LAUTENSCHLÄGER
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2008-04-24

Abstract

Beim Überlagern eines während einer medizinischen Intervention aufgenommenen aktuellen 2-D-Bildes des Herzens eines Patienten mit einer auf einem vorab aufgenommenen Bilddatensatz beruhenden Darstellung wird erfindungsgemäß die Elektrokardiogrammphase des Herzens berücksichtigt. Diese wird als vierte Dimension zu den jeweiligen 3-D-Bilddatensätzen aufgenommen und diesen zugeordnet und auch während der Aufnahme des aktuellen 2-D-Bildes ermittelt und diesem zugeordnet. Überlagert werden dann nur solche Bilder, denen jeweils dieselbe Phase zugeordnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Visualisieren von anatomischen Strukturen des Herzens eines Patienten gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Dementsprechend geht das Verfahren zum einen davon aus, dass zumindest ein 3D-Bilddatensatz des Patienten bereitgestellt wird, der vorab (d. h. z. B. vor einer medizinischen Intervention) aufgenommen wurde. Zum anderen wird davon ausgegangen, dass ein aktuelles 2D-Bild des Patienten gewonnen wurde. Der Begriff „aktuell" bezieht sich hierbei auf die Visualisierungssituation: das aktuelle 2D-Bild soll die Situation wiedergeben in der sich der Patient gegenwärtig, d. h. beispielsweise während einer medizinischen Intervention, befindet. Zu dem Verfahren zum Visualisieren von anatomischen Strukturen eines Patienten gehören insbesondere die im Folgenden erläuterten Schritte. Das Verfahren umfasst das Erzeugen eines 2D-Bildes des Patienten aus dem vorab aufgenommenen zumindest ein 3D-Bilddatensatz, wobei dieses 2D-Bild vorzugsweise in Dimensionierung, Lage und Orientierung dem aktuellen 2D-Bild des Patienten entspricht (gleich ist) sowie bei gleichem Größenmaßstab dieselbe Perspektive darstellt. Das so erzeugte 2D-Bild wird dem aktuellen 2D-Bild in einer einzigen Darstellung überlagert. Dieses Überlagern dient dazu, eine in dem 3D-Bilddatensatz, eventuell nach einer Vorverarbeitung, besonders gut zu sehende anatomische Struktur in Beziehung zu dem auf dem aktuellen 2D-Bild Sichtbaren zu setzen. Das Überlagern ist eine gebräuchliche Technik, welche beispielsweise von dem System „syngo iPilot" von Siemens medical angewandt wird (siehe hierzu auch die zweiseitige Broschüre von Siemens AG, Medical Solutions: „syngo iPilot, Effective guidance during interventional procedures" vom November 2005).
Vorliegend geht es insbesondere um das Visualisieren von anatomischen Strukturen des Herzens eines Patienten. Das Herz hat die Eigenschaft, beständig zu schlagen, hierbei seine Größe zu verändern und sich gleichzeitig zu bewegen. Bei den bisher bekannten Verfahren gemäß dem Oberbegriff nach Patentanspruch wird dieser Bewegung des Herzens nicht Rechnung getragen. So kann es vorkommen, dass ein aktuelles 2D-Bild des Patienten in einer ersten Herzschlagphase aufgenommen ist und dass das aus dem 3D-Bilddatensatz des Patienten erzeugte 2D-Bild, welches dem aktuellen 2D-Bild überlagert wird, eine andere Herzphase zeigt. Damit verliert das Überlagern der Bilder jedoch seinen eigentlichen Sinn, einem Vergleichen der aktuell sichtbaren Strukturen mit vorher besonders gut aufgenommenen Strukturen zu dienen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren gemäß der eingangs genannten Gattung dahingehend weiterzubilden, dass den spezifischen Eigenschaften des Herzens Rechnung getragen wird.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Zu dem erfindungsgemäßen Verfahren gehört es somit zum einen, dass eine Mehrzahl von 3D-Bilddatensätzen aufgenommen wurde, denen jeweils eine Elektrokardiogrammphase des Patienten zugeordnet ist. Bei dem Aufnehmen der 3D-Bilddatensätze muss daher ständig ein Elektrokardiogramm des Patienten aufgenommen werden. Die Einzelbilder, welche zu dem 3D-Bilddatensatz zusammengefügt werden, werden dann je nach der zugehörigen Elektrokardiogrammphase sortiert. Die Elektrokardiogrammphase ist somit als Zeit eine vierte Dimension, so dass anstelle von einer Mehrzahl von 3D-Bilddatensätzen auch von einem einzigen 4D-Herz-Bilddatensatz gesprochen werden kann.
Um die Elektrokardiogrammphaseninformation im Folgenden nutzen zu können, muss nun auch beim Gewinnen des aktuellen 2D-Bildes des Patienten zeitgleich ein Elektrokardiogramm aufgenommen werden, und eine so beim Aufnehmen eines Bildes ermittelte Elektrokardiogrammphase des Patienten wird dem aktuel len 2D-Bild zugeordnet. Dann kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Erzeugen des 2D-Bildes des Patienten aus dem vorab aufgenommenen 4D-Bilddatensatz derart erfolgen, dass es aus demjenigen 3D-Bilddatensatz gebildet wird, dem die Elektrokardiogrammphase zugeordnet ist, die auch dem aktuellen 2D-Bild zugeordnet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass zwei 2D-Bilder einander überlagert werden, die derselben Elektrokardiogrammphase zugehören. Damit ist eine besonders gute Vergleichbarkeit der beiden einander überlagerten Bilder gegeben, und der behandelnde Arzt wird besonders gut durch das Verfahren bei einer medizinischen Intervention unterstützt.
Das Aufnehmen des 4D-Bilddatensatzes erfolgt bei der vorliegenden Erfindung so, wie es in der US 2005/0137661 A1 beschrieben ist. In dieser Druckschrift ist jedoch nicht beschrieben, dass während einer medizinischen Intervention aktuell 2D-Bilder des Patienten aufgenommen werden, welche anderen Bildern überlagert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zum wohldefinierten Festlegen (Erzeugen) desjenigen 2D-Bildes des Patienten, das dem aktuellen 2D-Bild überlagert wird, das Konzept des sogenannten Registrierens verwendet. Das Registrieren bedeutet, dass aufgrund einer Mustererkennung in zwei unterschiedlichen Bilddatensätzen, z. B. einerseits einem 3D-Bilddatensatz und andererseits einem einzigen 2D-Bild, Strukturen in den beiden Bilddatensätzen einander zugeordnet werden. Es wird dann eine Abbildungsvorschrift von dem einen Bilddatensatz auf den anderen ermittelt, um die beiden Bilddatensätze lage- und dimensionsrichtig einander zuzuordnen.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geht der Schritt des Erzeugens des 2D-Bildes des Patienten von einem vorangegangenen Registrieren des für das Gewinnen des aktuellen 2D-Bildes des Patienten verwendeten Bildaufnahmesystems mit den vorab aufgenommenen Daten aus. Während die vorab aufgenommenen Daten mit einem anderen Bildaufnahmesystem aufgenommen sein können (aber nicht müssen), sollen die abgebildeten Strukturen in irgendeiner Weise einander zugeordnet werden, nämlich durch das Registrieren.
Bei einer alternativen Ausführungsform erfolgt das Erzeugen eines 2D-Bildes des Patienten bei dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung eines Registrierens des aktuellen 2D-Bildes mit demjenigen 3D-Bilddatensatz, dem dieselbe Elektrokardiogrammphase des Patienten zugeordnet ist wie dem aktuellen 2D-Bild. Das Registrieren erfolgt somit nicht vorab zwischen Bildaufnahmesystem und den vorab aufgenommenen Daten, sondern kurzfristig nach Aufnehmen des aktuellen 2D-Bildes.
Die vorab aufgenommenen Bilddatensätze können vorverarbeitet werden bzw. sein. Eine sich gerade bei der Abbildung des Herzens anbietende Art der Vorverarbeitung ist die sogenannte Segmentierung. Beim Segmentieren wird zwischen interessierenden anatomischen Strukturen und weiteren anatomischen Strukturen unterschieden, und die weiteren anatomischen Strukturen werden aus den Bildern entfernt, so dass die segmentierten Bilddaten nur noch eine Abbildung der interessierenden anatomischen Strukturen enthalten. Bevorzugt wird somit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren davon ausgegangen, dass zumindest zwei der 3D-Bilddatensätze so verarbeitet wurden, dass eine Segmentierung der interessierenden anatomischen Strukturen von anderen anatomischen Strukturen erfolgt ist.
Für die Erzeugung der vorab aufgenommenen 3D-Bilddatensätze stehen die unterschiedlichsten Bildaufnahmesysteme zur Verfügung. So können die 3D-Bilddatensätze mithilfe von Computertomographie, mithilfe von Kernresonanztomographie (Magnetic Resonance Tomography) oder Rotationsangiographie (mit einem Röntgen-C-Bogen-System) gewonnen worden sein. Bei dem aktuellen Bild hingegen wird vor allem die Aufnahme eines Röntgenbildes mithilfe eines Röntgen-C-Bogen-Systems bevorzugt.
Die Erfindung wird auch durch ein Röntgen-C-Bogen-System mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 7 verwirklicht.
Das erfindungsgemäße Röntgen-C-Bogen-System umfasst somit

– einen ersten Speicherbereich zum Speichern einer Mehrzahl von mit dem Röntgen-C-Bogensytem selbst oder einem anderen System aufgenommenen 3D-Bilddatensätzen, denen jeweils eine Elektrokardiogrammphase eines Patienten zugeordnet ist,
– einen Röntgen-C-Bogen mit Röntgenquelle und Röntgendetektor zum Aufnehmen eines aktuellen Bildes sowie einen Dateneingang zum Erfassen eines dem aktuellen Bilddatensatz zugeordneten Elektrokardiogrammphasensignals zum Zeitpunkt der Aufnahme des aktuellen Bildes, wobei das aktuelle Bild und das zugehörige Signal in einem zweiten Speicherbereich abgespeichert werden,
– Mittel zum Erzeugen einer überlagerten Darstellung von Daten aus dem ersten Speicherbereich mit Daten aus dem zweiten Speicherbereich.

Die Mittel zum Erzeugen einer überlagerten Darstellung sind bevorzugt dazu ausgelegt, denjenigen 3D-Bilddatensatz zu verwenden, dessen zugeordnete Elektrokardiogrammphase des Patienten auch dem jeweils aktuellen Bild zugeordnet ist.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei die einzige Figur ein Flussdiagramm mit mehreren Schritten zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.
Die in der Figur veranschaulichte Schrittfolge beginnt mit dem Aufnehmen eines 4D-Herzbilddatensatzes. Hierbei werden 3D-Bilddatensätze mithilfe von Computertomographie (CT), Kernresonanztomographie (MRT) oder Rotationsangiographie aufgenommen. Ein Elektrokardiogrammaufnahmesystem nimmt zeitgleich ein Elektrokardiogramm auf, so dass die Herzphase und somit die Zeit als vierte Dimension des 4D-Herz-Bilddatensatzes definierbar ist.
Nachfolgend erfolgt im Schritt 12 eine Vorverarbeitung des 4D-Herz-Bilddatensatzes: Es werden kardiologische Strukturen in mindestens zwei Herzphasen (also für mindestens zwei Bilddatenteilsätze) segmentiert. Das Segmentieren bedeutet, dass die kardiologischen Strukturen ausgewählt werden und nicht-kardiologische Strukturen aus den Bilddaten entfernt werden.
Im nachfolgenden Schritt 14 erfolgt das Registrieren des 4D-Herz-Bilddatensatzes (insbesondere nach der Vorverarbeitung, also dem Segmentieren) mit einem Röntgen-C-Bogen-System, in dessen Liege der Patient während einer medizinischen Intervention gelagert sein soll. Das Registrieren erfolgt mit dem C-Bogen selbst oder einfacher mithilfe von Bildern, die der C-Bogen aufgenommen hat.
Die Schritte 10, 12 und 14 dienen zum Vorbereiten einer an einem Patienten durchzuführenden Intervention. Während der Intervention werden C-Bogen-Aufnahmen aufgenommen. Gleichzeitig wird ein Elektrokardiogrammsignal des Patienten aufgenommen, so dass jeweils eine EKG-Phase zu jeder Aufnahme zuordenbar ist. Die EKG-Phase sollte möglichst genauso definiert sein wie im 4D-Herz-Bilddatensatz: eine Elektrokardiogrammkurve umfasst sich periodisch wiederholende Strukturen, und eine Periode kann in mehrere Phasen, also Intervalle, eingeteilt werden. Im Grenzfall ist eine Herzphase infinitesimal groß, d. h. durch einen vorbestimmten Zeitabstand zum Periodenbeginn (markanter Peak im Elektrokardiogramm) definiert.
Mit dem Schritt 18 beginnt das eigentliche Verfahren zum Visualisieren von anatomischen Strukturen: es werden Segmentierungsergebnisse anhand des in Schritt 16 ermittelten Elektrokardiogrammsignals ausgewählt, also solche Bilddaten aus dem 4D-Herz-Bilddatensatz, denen genau dieselbe Elektrokardiogrammphase wie der in Schritt 16 aufgenommenen C-Bogen-Aufnahme zugeordnet ist. Die Segmentierungsergebnisse werden der in Schritt 16 aufgenommenen C-Bogen-Aufnahme überlagert dargestellt. Diese erfolgt in an sich aus dem Betrieb des Systems „syngo iPilot" bekannten Art und Weise: der Registrierungsschritt 14 ermöglicht es, aus dem 4D-Herz-Bilddatensatz eine 2D-Darstellung für einen Bildschirm zu erzeugen, die in Dimension, Lage und Orientierung den intraprozedural akquirierten C-Bogen-Aufnahmen gleich ist.
Das Überlagerungsbild kann dann bevorzugt gemäß Schritt 20 noch bearbeitet werden: die Opazität der überlagerten Segmentierungsergebnisse kann nämlich eingestellt werden. Dies bedeutet nichts anderes, als dass eingestellt wird, wie durchsichtig die aus dem 4D-Herz-Bilddatensatz gewonnenen Bilddaten sein sollen, und somit, wie viel von dem intraprozedural akquirierten C-Bogen-Bild noch zu sehen sein soll. Die Schrittfolge 16, 18 und 20 kann mehrfach durchlaufen werden, wobei jeweils eine einzige C-Bogenaufnahme aufgenommen wird. Alternativ können mehrere C-Bogenaufnahmen in Schritt 16 gleichzeitig aufgenommen werden, so dass in Schritt 18 mehrere Überlagerungsbilder gleichzeitig oder nacheinander erzeugt werden.
Das Röntgen-C-Bogen-System ist insbesondere zur Durchführung der Schritte 18 und 20 geeignet, gegebenenfalls auch des Schrittes 14 und ist ein Hilfsmittel zum Visualisieren von anatomischen Strukturen des Herzens eines Patienten.

Claims

Verfahren zum Visualisieren von anatomischen Strukturen des Herzens eines Patienten, bei dem ausgehend von a) dem Bereitstellen (10) zumindest eines vorab aufgenommenen 3D-Bilddatensatzes des Herzens und b) dem Gewinnen (16) eines aktuellen 2D-Bildes des Herzens die Schritte durchgeführt werden: c) Erzeugen eines 2D-Bildes des Patienten aus dem vorab aufgenommenen zumindest einem 3D-Bilddatensatz, das in Dimensionierung, Lage und Orientierung dem aktuellen 2D-Bild des Patienten entspricht, d) Überlagern (18) des aktuellen 2D-Bildes durch das in Schritt c) erzeugte 2D-Bild in einer einzigen Darstellung, dadurch gekennzeichnet, dass aa) von dem Bereitstellen (10) einer Mehrzahl von 3D-Bilddatensätzen ausgegangen wird, denen jeweils eine Elektrokardiogrammphase des Patienten zugeordnet ist, bb) davon ausgegangen wird, dass beim Gewinnen (16) des aktuellen 2D-Bildes des Herzens zeitgleich ein Elektrokardiogramm aufgenommen wurde und eine so beim Aufnehmen dieses Bildes ermittelte Elektrokardiogrammphase des Patienten dem aktuellen 2D-Bild zugeordnet wird, und cc) in Schritt c) das Erzeugen aus demjenigen 3D-Bilddatensatz erfolgt, dem die Elektrokardiogrammphase zugeordnet ist, die auch dem aktuellen 2D-Bild zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 bei dem Schritt c) von einem vorangegangenen Registrieren (14) des für das Gewinnen des aktuellen 2D-Bildes des Herzens verwendeten Bildaufnahmesystems mit den vorab aufgenommenen Daten ausgeht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) von einem Registrieren (14) des aktuellen 2D- Bildes mit demjenigen 3D-Bilddatensatz, dem dieselbe Kardiogrammphase des Patienten zugeordnet ist wie dem aktuellen 2D-Bild, Gebrauch gemacht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aaa) davon ausgegangen wird, dass zumindest zwei der 3D-Bilddatensätze so verarbeitet wurden, dass eine Segmentierung (12) der interessierenden anatomischen Strukturen von anderen anatomischen Strukturen erfolgt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorab aufgenommenen 3D-Bilddatensätze mithilfe von Computertomographie, Kernresonanztomographie oder Rotationsangiographie gewonnen wurden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aktuelle 2D-Bild des Patienten mithilfe eines Röntgen-C-Bogen-Systems aufgenommen wurde.
Röntgen-C-Bogen-System, mit: – einem ersten Speicherbereich zum Speichern einer Mehrzahl von mit dem Röntgen-C-Bogen-System selbst oder einem anderen System aufgenommenen 3D-Bilddatensätzen, denen jeweils eine Elektrokardiogrammphase eines Patienten zugeordnet ist, – einem Röntgen-C-Bogen mit Röntgenquelle und Röntgendetektor zum Aufnehmen eines aktuellen 2D-Bildes und einem Dateneingang zum Erfassen eines dem aktuellen 3D-Bild zugeordneten EKG-Phasensignals zum Zeitpunkt der Aufnahme des aktuellen 2D-Bildes, wobei das aktuelle 2D-Bild und das zugeordnete Signal in einem zweiten Speicherbereich abgespeichert werden – Mitteln zum Erzeugen einer überlagerten Darstellung von Daten aus dem ersten Speicherbereich und Daten aus dem zweiten Speicherbereich.
Röntgen-C-Bogen-System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen einer überlagerten Darstellung dazu ausgelegt sind, denjenigen der 3D-Bilddatensätze zu verwenden, dessen zugeordnete Elektrokardiogrammphase des Patienten auch dem jeweils aktuellen 2D-Bild zugeordnet ist.