DE102007009177A1

DE102007009177A1 - Verfahren zu dreidimensionalen Lokalisation eines Instruments für einen interventionellen Eingriff sowie zugehörige Einrichtung

Info

Publication number: DE102007009177A1
Application number: DE102007009177A
Authority: DE
Inventors: Jan Dr. Boese
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2027-02-27
Also published as: US8099153B2; US20080208040A1; DE102007009177B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dreidimensionalen Lokalisation eines Instruments für einen interventionellen Eingriff, insbesondere eines Katheters (2, 11) oder Führungsdrahtes oder Stents, im Rahmen einer Röntgenüberwachung des Eingriffs mittels zweidimensionaler Bildaufnahmen mit den folgenden Schritten: - Erstellung wenigstens einer dreidimensionalen Bildaufnahme, deren Volumen den von dem Eingriff betroffenen Bereich und eine Umgebung erfasst, mit einer röntgenbasierten Bildaufnahmeeinrichtung (7) zur Bestimmung von durch das Röntgenabsorptionsverhalten bestimmten lokalen Schwächungswerten (c), - Erstellung wenigstens einer zweidimensionalen Bildaufnahme mit der oder einer weiteren röntgenbasierten Bildaufnahmeeinrichtung (7) (a) und im Wesentlichen zeitgleich Bestimmung der Röntgenintensität an wenigstens einem an dem Instrument angeordneten Röntgensensor, - zweidimensionale Lokalisation des Röntgensensors in der wenigstens einen zweidimensionalen Bildaufnahme durch eine Recheneinrichtung (12) (b), - für einen virtuellen Strahl von der Röntgenquelle durch den zweidimensional lokalisierten Röntgensensor zum Röntgendetektor in dem Volumen der wenigstens einen dreidimensionalen Bildaufnahme durch die Recheneinrichtung (12) Summation der lokalen Schwächungswerte entlang des Strahlenwegs zur Ermittlung des Punkts auf dem Strahl, an dem die Schwächungssumme dem Betrag entspricht, der bei bekannter Intensität der Röntgenquelle zur bestimmten ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dreidimensionalen Lokalisation eines Instruments für einen interventionellen Eingriff, insbesondere eines Katheters oder Führungsdrahtes oder Stents, im Rahmen einer Röntgenüberwachung des Eingriffs mittels zweidimensionaler Bildaufnahmen sowie eine zugehörige Einrichtung zur dreidimensionalen Lokalisation eines Instruments für einen interventionellen Eingriff.
Es werden eine Vielzahl von interventionellen Prozeduren durchgeführt, wie beispielsweise radiologische oder kardiologische Eingriffe, bei denen Gefäßerkrankungen diagnostiziert oder therapiert werden sollen. Diese interventionellen Verfahren werden oft von einer Bildüberwachung begleitet. Die Bildüberwachung wird dabei häufig durch ein Röntgensystem, beispielsweise ein C-Bogen-Angiographiesystem, durchgeführt. Mit den so erstellten Röntgenbildern kann die Position der für die Intervention verwendeten Instrumente, wobei es sich um Katheter, Führungsdrähte, Stents und andere Instrumente handeln kann, abgebildet werden.
Nachteilig ist dabei allerdings, dass bei der Verwendung monoplaner Röntgensysteme bzw. bei der Erstellung lediglich zweidimensionaler Bildaufnahmen die Position der jeweiligen Instrumente nur zweidimensional, nämlich in der Bildebene, bestimmt werden kann. Tiefeninformationen, die eine dreidimensionale Positionierung erlauben würden, liegen nicht vor.
Oft ist aber die Kenntnis der dreidimensionalen Position von Instrumenten vorteilhaft, dies gilt beispielsweise, wenn vorher aufgenommene dreidimensionale Bilddaten existieren, mit denen die Position des Instruments beispielsweise in einer Überlagerung dreidimensional dargestellt werden könnte. Der artige dreidimensionale Bilddaten können beispielsweise aus Magnetresonanzaufnahmen, CT-Aufnahmen oder einer im Vorfeld durchgeführten Angiographie vorliegen. Lägen nun Informationen zur dreidimensionalen Position von Instrumenten vor, so wäre die Navigation im Rahmen des Interventionsverfahrens wesentlich vereinfacht.
Bisher gibt es im Wesentlichen zwei Ansätze, um eine dreidimensionale Lokalisierung von Instrumenten zu ermöglichen.
Dabei sind zunächst die sogenannten elektromagnetischen Lokalisationssysteme zu nennen, bei denen die Position des Instruments bestimmt wird, indem eine Empfangsspule an der Spitze des Instruments Signale von typischerweise drei außerhalb des Patienten befindlichen Sendespulen aufnimmt. Durch eine Triangulation kann in der Folge die dreidimensionale Position des Instruments bestimmt werden.
Problematisch kann hierbei jedoch sein, dass mit der Sende- und Empfangselektronik sowie den jeweiligen Spulen eine beträchtliche weitere Hardware in das System integriert werden muss. Zudem weisen die Empfangsspulen eine nicht zu vernachlässigende Größe auf. Durch Metallgegenstände und dergleichen können des Weiteren Störungen des elektromagnetischen Feldes auftreten.
Ein anderer Ansatz besteht in der röntgenbasierten dreidimensionalen Lokalisierung, bei der mindestens zwei zweidimensionale Röntgenbilder aus verschiedenen Richtungen aufgenommen werden, vorzugsweise gleichzeitig mittels eines Biplan-Röntgensystems. Aus den zwei aus den Bildern ableitbaren zweidimensionalen Positionen kann dann eine dreidimensionale Position des Instruments berechnet werden. Gegenüber dem elektromagnetischen Verfahren bietet dies den Vorteil, dass beliebige Instrumente benutzt werden können und außer dem Röntgensystem keine weitere Hardware erforderlich ist.
Bei dieser Vorgehensweise besteht aber das Problem, dass zwei Röntgenbilder nötig sind. Dies erfordert ein aufwändiges Biplan-Röntgensystem. Alternativ können die beiden Bilder nacheinander nach Verändern der Angulation eines C-Bogens aufgenommen werden. Dadurch wird allerdings die Wiederholrate der Lokalisierung im Vergleich zur typischen Bildrate von etwas 15 Bildern/s stark eingeschränkt. Das Verfahren kann also nicht mehr verwendet werden, um eine Navigation in Echtzeit zu begleiten.
Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein diesbezüglich verbessertes Verfahren zur dreidimensionalen Lokalisation eines Instruments anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgesehen, das die folgenden Schritte aufweist:

– Erstellung wenigstens einer dreidimensionalen Bildaufnahme, deren Volumen den von dem Eingriff betroffenen Bereich und eine Umgebung erfasst, mit einer röntgenbasierten Bildaufnahmeeinrichtung zur Bestimmung von durch das Röntgenabsorptionsverhalten bestimmten lokalen Schwächungswerten,
– Erstellung wenigstens einer zweidimensionalen Bildaufnahme mit der oder einer weiteren röntgenbasierten Bildaufnahmeeinrichtung und im Wesentlichen zeitgleich Bestimmung der Röntgenintensität an wenigstens einem an dem Instrument angeordneten Röntgensensor,
– zweidimensionale Lokalisation des Röntgensensors in der wenigstens einen zweidimensionalen Bildaufnahme durch eine Recheneinrichtung,
– für einen virtuellen Strahl von der Röntgenquelle durch den zweidimensional lokalisierten Röntgensensor zum Röntgendetektor in dem Volumen der wenigstens einen dreidimensionalen Bildaufnahme durch die Recheneinrichtung Summation der lokalen Schwächungswerte entlang des Strahlenwegs zur Ermittlung des Punkts auf dem Strahl, an dem die Schwächungssumme dem Betrag entspricht, der bei bekannter Intensität der Röntgenquelle zur bestimmten Röntgenintensität am Röntgensensor führt, und
– Bestimmung der dreidimensionalen Position des ermittelten Punkts, die der dreidimensionalen Position des wenigstens einen Röntgensensors an dem Instrument entspricht, durch die Recheneinrichtung.

Gegebenenfalls kann sich der Ablauf der einzelnen Schritte ändern. So ist es beispielsweise möglich, die dreidimensionale Bildaufnahme mit einer auch während der überwachten Intervention zur Verfügung stehenden Bildaufnahmeeinrichtung anzufertigen, so dass die dreidimensionalen Aufnahmen während der Intervention erstellt werden können.
Erfindungsgemäß wird also zunächst beziehungsweise später eine dreidimensionale Bildaufnahme erstellt, die einen von dem z. B. kardiologischen oder radiologischen Eingriff betroffenen Bereich, also beispielsweise den Bereich des Herzens bei einer kardiologischen Intervention, zeigt. Des Weiteren zeigt die Bildaufnahme einen Umgebungsbereich, um später die erforderliche Information über die Schwächungswerte entlang eines Strahlenwegs von der Röntgenquelle zum Detektor zur Verfügung zu haben. Die dreidimensionale Bildaufnahme kann mit unterschiedlichen Verfahren erstellt werden. Damit die lokalen Schwächungswerte ersichtlich sind beziehungsweise ermittelt werden können, ist eine röntgenbasierte Bildaufnahme erforderlich, aus der anhand des Röntgenabsorptionsverhaltens, das sich in der unterschiedlichen Helligkeit beziehungsweise Intensität der einzelnen Bildpunkte äußert, auf die Schwächungswerte in dem Volumen rückgeschlossen werden kann.
Danach beziehungsweise ergänzend wird wenigstens eine zweidimensionale Bildaufnahme mit dieser oder einer anderen röntgenbasierten Bildaufnahmeeinrichtung erstellt. Diese zweidimensionale Bildaufnahme ist dabei typischerweise die zweidimensionale Bildaufnahme für eine Röntgenüberwachung des parallel stattfindenden interventionellen Eingriffs.
Der interventionelle Eingriff selbst, also beispielsweise das Einbringen eines Katheters in das Herz, ist nicht Gegenstand des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft einzig die Lokalisation, also einen rein technischen Messvorgang, der typischerweise unter der Leitung eines Technikers oder Naturwissenschaftlers stattfindet.
Dieser Messvorgang als solcher basiert lediglich auf der Auswertung von Röntgenbildern beziehungsweise Sensordaten, so dass für das erfindungsgemäße Verfahren keine Überwachung durch einen Arzt oder anderes medizinisches Personal erforderlich ist. Der Arzt kann sich vielmehr vollständig auf die Intervention konzentrieren, für die ihm als Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens die dreidimensionale Position des Instruments ergänzend zur Verfügung steht.
Im Wesentlichen zeitgleich zur zweidimensionalen Bildaufnahme findet eine Bestimmung der Röntgenintensität an wenigstens einem an dem Instrument angeordneten Röntgensensor statt. Das zu lokalisierende Instrument ist also mit einem Röntgensensor ausgestattet, durch den die Lokalisation wie im Folgenden geschildert vereinfacht wird.
Anhand der zweidimensionalen Bildaufnahmen beziehungsweise der einen zweidimensionalen Bildaufnahme kann nun der Röntgensensor mittels einer hierzu ausgebildeten Recheneinrichtung, die gegebenenfalls auch die dreidimensionale und zweidimensionale Bildaufnahme steuert, lokalisiert werden. Hierfür stehen entsprechende Bildverarbeitungsprogramme beziehungsweise entsprechende Bildverarbeitungsmittel auf der Recheneinrichtung zur Verfügung. Gegebenenfalls kann die Recheneinrichtung Zugriff auf externe Software haben, die eine entsprechende Bildverarbeitung z. B. mit einer Mustererkennung und Koordinatenzuordnung ermöglicht. In der Regel wird hierbei so vorgegangen, dass der Röntgensensor an der Spitze des Instruments angebracht wird und somit mit dem Röntgensensor die Spitze des Instruments zweidimensional lokalisiert wird.
Selbstverständlich kann der Röntgensensor auch an einer anderen Stelle des Instruments vorgesehen sein.
Danach wird für einen virtuellen Strahl von der Röntgenquelle durch den zweidimensional lokalisierten Röntgensensor zum Röntgendetektor im Volumen der wenigstens einen dreidimensionalen Bildaufnahme durch die Recheneinrichtung eine Summation der lokalen Schwächungswerte entlang des Strahlenwegs zur Ermittlung des Punkts auf dem Strahl durchgeführt, an dem die Schwächungssumme dem Betrag entspricht, der bei bekannter Intensität der Röntgenquelle zur gemessenen beziehungsweise bestimmten Intensität am Röntgensensor führt.
Abschließend wird durch die Recheneinrichtung mit Hilfe einer entsprechenden Berechnungssoftware die dreidimensionale Position des ermittelten Punkts bestimmt, die der dreidimensionalen Position des wenigstens einen Röntgensensors an dem Instrument entspricht.
Es wird also zur Bestimmung der noch fehlenden Tiefeninformation, die ergänzend zur zweidimensionalen Lokalisation für eine dreidimensionale Lokalisation erforderlich ist, aus den bekannten Röntgenparametern die Intensität der Röntgenstrahlung an der Röntgenröhre ermittelt beziehungsweise diese der Berechnung zugeführt.
Durch das dreidimensionale Volumen hindurch, das beispielsweise ein Volumen aus einer Computertomographieaufnahme sein kann, wird ein virtueller Strahl durch den Punkt des Röntgensensors beziehungsweise die Spitze des Instruments oder einen anderen dem Sensor zugeordneten Ort beziehungsweise Punkt des Instruments, verfolgt. Dieser Strahl läuft von der Röntgenröhre durch den Sensor zum Detektor des Systems.
Entlang des Strahlwegs werden die lokalen Schwächungswerte solange aufsummiert beziehungsweise integriert, bis die Summe oder der Integralwert genau der Schwächung entspricht, die aus der Röntgenintensität der Röntgenröhre die tatsächlich gemessene Intensität am Röntgensensor erzeugen würde. Der Punkt, an dem dieser Schwellwert erreicht wird, entspricht dann genau der dreidimensionalen Lokalisation der Katheterspitze beziehungsweise eines anderen Ortes des Instruments, an dem der Röntgensensor angeordnet ist.
Bei mehreren Sensoren am Instrument können entsprechend mehrere Strahlwege verfolgt werden. Die Information über die Schwächungswerte wird dabei aus der dreidimensionalen Volumenaufnahme erhalten, wobei gegebenenfalls auch mehrere dreidimensionale Volumenaufnahmen herangezogen werden können, die nicht zwangsläufig vor der Überwachung der Intervention mittels der zweidimensionalen Bildaufnahmen erstellt worden sein müssen. In der Regel werden jedoch die dreidimensionalen Bildaufnahmen im Vorfeld mit einem separaten Röntgensystem, beispielsweise einem Computertomographen, erstellt. Während der Intervention findet dann die Überwachung mit einem einfacheren Röntgensystem wie einem Monoplan-C-Bogen statt.
So kann erfindungsgemäß das Instrument, beispielsweise ein Führungsdraht oder ein Stent, exakt dreidimensional lokalisiert werden. Hierzu ist außer dem ursprünglichen dreidimensionalen Bilddatensatz grundsätzlich nur ein weiterer zweidimensionaler Bilddatensatz zum aktuellen Zeitpunkt für die Lokalisation erforderlich. Diese zweidimensionale Bildaufnahme, die typischerweise während einer Intervention zur Beobachtung wiederholt angefertigt wird, reicht dann aus, um die fehlende Tiefeninformation zum jeweiligen Zeitpunkt durch Verknüpfung mit der vom Röntgensensor gemeldeten Röntgenintensität und unter Heranziehung des dreidimensionalen Bilddatensatzes zu ermitteln. Dabei ist die dreidimensionale Bildaufnahme lediglich erforderlich, um die 3D-Verteilung der Röntgenschwächungswerte zu bestimmen. Während der eigentlichen Überwachung der Intervention, also auch während der Intervention selbst, müssen keine dreidimensionalen Bildaufnahmen erstellt werden.
Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mit einem Monoplan-Röntgensystem eine Echtzeitüberwachung eines Eingriffs ermöglichen.
In Abhängigkeit der bestimmten dreidimensionalen Position des Röntgensensors können das Instrument und/oder ein dem wenigstens einen Röntgensensor zugeordneter Punkt des Instruments in der wenigstens einen zweidimensionalen Bildaufnahme und/oder der wenigstens einen dreidimensionalen Bildaufnahme an einem Bildausgabemittel dargestellt werden.
Wird beispielsweise ein Katheter oder ein Führungsdraht an der Spitze mit einem oder mehreren Röntgensensoren ausgestattet, so kann die entsprechende 3D-Position der Spitze in ein zweidimensionales oder dreidimensionales Bild eingeblendet werden. Beispielsweise kann eine solche Einblendung im Volumenbild aus der Computertomographie erfolgen. Bei Verwendung von mehreren Sensoren kann auf die Form des vollständigen Instruments rückgeschlossen werden, so dass eine Darstellung beispielsweise des kompletten Stents in einer Überlagerung zur zweidimensionalen oder dreidimensionalen Bildaufnahme erfolgen kann. Durch eine Wiederholung des Lokalisierungsverfahrens kann die Position jeweils aktuell in Echtzeit ermittelt und gegebenenfalls an einem Monitor oder einem Bildschirm dargestellt werden.
Die oder wenigstens eine dreidimensionale Bildaufnahme kann mit einer Computertomographieeinrichtung und/oder einer biplanen und/oder einer zur Erstellung von Rotationsangiographie-Aufnahmen ausgebildeten monoplanen Röntgeneinrichtung erstellt werden, insbesondere mit einer C-Bogen-Einrichtung.
Dabei ist es auch möglich, dass eine vorher aufgenommene Computertomographieaufnahme mit dem Röntgensystem zur Überwachung der Intervention registriert wird. Gegebenenfalls können auch Bildaufnahmen aus einer Kombination unterschiedlicher Aufnahmeverfahren erstellt werden. Bei Computertomographieaufnahmen und Aufnahmen eines Biplan-Systems ist die Er stellung von dreidimensionalen Aufnahmen besonders einfach möglich. Bei einer Monoplan-Röntgeneinrichtung können gegebenenfalls Rotationsangiographieaufnahmen erstellt werden, indem die Angulation des C-Bogens entsprechend verändert wird. Hier ist jedoch zu beachten, dass für die unterschiedlichen Bildaufnahmen aufgrund der Änderung der Position des C-Bogens eine entsprechende Zeitverzögerung bei der Erstellung zu berücksichtigen ist.
Die wenigstens eine zweidimensionale Bildaufnahme kann mit einer monoplanen Röntgeneinrichtung erstellt werden. Dabei zeigt sich der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass nämlich anhand eines einzelnen Röntgenbilds eines Monoplan-C-Bogen-Systems eine dreidimensionale Lokalisation möglich ist, sofern nur eine 3D-Verteilung der Röntgenschwächungswerte vorliegt. Das Instrument wird dann zunächst lediglich zweidimensional lokalisiert, woraufhin die noch fehlende Tiefeninformation aus der gemessenen Röntgenintensität am Röntgensensor und den Röntgenschwächungswerten im Volumen bestimmt wird.
Damit ist auch mit einem einfachen Monoplan-System eine Lokalisation in Echtzeit möglich. Weitere oder zusätzliche Hinweise Hardware ist nicht erforderlich, insbesondere keine aufwändige Elektronik beziehungsweise zugehörige Spulen.
Die benötigten Röntgensensoren sind sehr klein und deshalb leicht in kleine Instrumente wie Katheter zu integrieren.
Des Weiteren kann erfindungsgemäß die oder wenigstens eine zweidimensionale Bildaufnahme mit einer Computertomographieeinrichtung und/oder einer biplanen und/oder einer zur Erstellung von Rotationsangiographieaufnahmen ausgebildeten monoplanen Röntgeneinrichtung erstellt werden, insbesondere mit einer C-Bogen-Einrichtung. Die zweidimensionale oder eine zur Überwachung angefertigte Bildaufnahme kann also auch mit einer Biplan-Röntgeneinrichtung beziehungsweise einem zur Aufnahme von Rotationsangiographieaufnahmen ausgebildeten Mo noplan-System erstellt werden. Selbstverständlich können für die zweidimensionale Bildaufnahme beziehungsweise die mehreren zweidimensionalen Bildaufnahmen auch Computertomographen oder andere hier nicht genannte Röntgensysteme verwendet werden.
Des Weiteren können die oder wenigstens eine dreidimensionale und die oder wenigstens eine zweidimensionale Bildaufnahme mit derselben Röntgeneinrichtung beziehungsweise röntgenbasierten Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen werden. In diesem Fall vereinfacht sich die Registrierung, da Transformationen nicht mehr erforderlich sind beziehungsweise vermieden oder vereinfacht werden können. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sowohl die dreidimensionale als auch die zweidimensionale Bildaufnahme mit einem hierzu zur Aufnahme von Rotationsangiographieaufnahmen ausgebildeten Monoplan-System erstellt werden. In einem solchen Fall kann auf ein ergänzendes Computertomographiesystem oder dergleichen vergleichsweise aufwändige Röntgensysteme verzichtet werden.
Erfindungsgemäß kann wenigstens ein an der Spitze und/oder im Bereich der Spitze und/oder im Bereich eines vorderen Bestandteils des Instruments angeordneter Röntgensensor verwendet werden. Meist kommt es insbesondere auf die Lokalisierung der Spitze des Instruments an. Dies gilt besonders bei Kathetern. Darüber hinaus kann es aber auch hilfreich sein, einen gesamten vorderen Bereich eines Instruments im Blick zu haben, beispielsweise einen Stent bei einem Ballonkathetersystem mit einem solchen Stent beziehungsweise einen selbstentfaltenden Stent.
Gegebenenfalls können Röntgensensoren über die gesamte Länge des Instruments angeordnet sein, wenn mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Lokalisation für einen besonders komplizierten interventionellen Eingriff beziehungsweise ein konstruktiv aufwändiges Instrument ermöglicht werden soll. Gegebenenfalls können im Bereich der Spitze oder in einem vorde ren Bereich des Instruments mehrere Röntgensensoren angeordnet sein.
Erfindungsgemäß können folglich mehrere am Instrument angeordnete Röntgensensoren, insbesondere zwei bis fünf Röntgensensoren, verwendet werden. Mit Hilfe von zwei Röntgensensoren kann eine Richtungsinformation erhalten werden. Bei mehreren Röntgensensoren werden zudem Daten beziehungsweise Messinformationen im Hinblick auf eine Krümmung des entsprechenden Bereichs des Instruments, beispielsweise der Spitze eines Katheters bei koronaren Eingriffen, gewonnen.
Die Verwendung von mehreren am Instrument angeordneten Röntgensensoren bietet den Vorteil, dass anhand der Röntgensignale seitens der Recheneinrichtung eine Konsistenzüberprüfung der Schwächungswerte durchgeführt werden kann.
Dadurch lässt sich die Lokalisationsgenauigkeit im Endergebnis verbessern und es lassen sich Artefakte ausschließen. Derartige Artefakte können beispielsweise durch Fehler im dreidimensionalen Bilddatensatz beziehungsweise Berechnungsungenauigkeiten bei dessen Bestimmung oder der Ableitung der Schwächungswerte auftreten. Bei mehreren Röntgensensoren kann somit nicht nur die Form des Instruments, die für eine Navigation wichtig sein kann, im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt werden, sondern es werden Konsistenzbedingungen für die Schwächung erhalten, die als neue Randbedingungen zur Verbesserung der Lokalisation herangezogen werden können.
Als Röntgensensor kann wenigstens eine am Instrument angeordneter Röntgen-Photodiode verwendet werden.
Derartige Photodioden weisen eine Größe von etwa 100 μm je Dimension auf. Die Drähte von Spulen bei elektromagnetischen Lokalisationsverfahren haben demgegenüber Dicken, die sich standardmäßig im Bereich von 2 mm bewegen und 0,3 mm derzeit nicht unterschreiten. Demgemäß ist ein Röntgensensor, also beispielsweise die erwähnte Photodiode, wesentlich einfacher in kleine Instrumente zu integrieren als dies bei Empfangsspulen für elektromagnetische Systeme der Fall ist.
Wenigstens ein Röntgensensor kann sein Sensorsignal beziehungsweise seine Signale über wenigstens eine Zuleitung und/oder drahtlos an die Recheneinrichtung übertragen.
Das Röntgensignal beziehungsweise die Röntgensignale, die im Verlauf des Lokalisationsverfahrens beziehungsweise während der Interventionsüberwachung aufgenommen werden, werden also über Zuleitungen beziehungsweise über eine Funktechnik an die Recheneinrichtung übertragen. Gegebenenfalls ist auch eine ergänzende Verwendung beider Übertragungsprinzipien möglich. Insbesondere bei sehr kleinen Instrumenten bietet sich eine drahtlose Übertragung an, die prinzipiell ähnlich wie beim Radio Frequency Identification-Prinzip erfolgen kann. In dieser Art und Weise ist auch eine Energieversorgung möglich.
Werden Zuleitungen verwendet, so sind diese entsprechend dünn auszubilden, damit die Zuleitungen den interventionellen Eingriff nicht stören. Durch die Röntgensensoren ist es mit Hilfe der Zuleitungen beziehungsweise der drahtlosen Übertragungstechnik jederzeit möglich, die lokale Röntgenintensität von Außen zu messen.
Erfindungsgemäß können zur Fehlererkennung für wenigstens einen weiteren, gegebenenfalls nicht in der Nähe des Instruments verlaufenden, virtuellen Strahl in dem Volumen der wenigstens einen dreidimensionalen Bildaufnahme die Schwächungswerte entlang des Strahlenwegs summiert werden und ein beziehungsweise der daraus für die Schwächung der Intensität seitens der Recheneinrichtung berechneter Wert mit einer beziehungsweise der an einem Röntgendetektor der röntgenbasierten Bildaufnahmeeinrichtung gemessenen Intensität verglichen werden. Anhand eines Vergleichs mehrerer gemessener und berechneter Werte der Intensitäten kann seitens der Rechenein richtung eine Korrekturkurve bestimmt werden, die jeder Berechneten eine gemessene Intensität zuordnet.
Damit wird die Durchführung eines Kalibrierungsverfahrens ermöglicht, das dem Problem Rechnung trägt, dass die entlang des virtuellen Strahls berechneten Schwächungswerte in der Praxis von den am Röntgensensor gemessenen Werten abweichen. Gründe für derartige Abweichungen liegen z. B. in Ungenauigkeiten in den Schwächungswerten beispielsweise einer C-Bogen-Computertomographie-Aufnahme (vgl. Hounsfield-Treue). Des Weiteren sind Schwierigkeiten bei der genauen Berechnung der Röntgenintensität der Röntgenröhre bei schwankenden Röntgenparametern sowie Messungenauigkeiten des Röntgensensors als mögliche Ursachen zu nennen.
Um diesen Problemen zu begegnen werden zusätzlich zum einen virtuellen Strahl durch den Röntgensensor andere, vorteilhafterweise nicht in der Nähe des Instruments liegende Strahlen, gegebenenfalls aber auch Strahlen in der Nähe des Instruments, durch das dreidimensionale Volumen, also beispielsweise das Computertomographievolumen, verfolgt. Die Intensitäten werden aufsummiert. Die berechnete geschwächte Intensität sollte mit der am Röntgendetektor des Röntgensystems gemessenen Strahlung übereinstimmen. Ist dies nicht der Fall, so ergibt sich eine Korrektur, die in eine Korrekturkurve aufgenommen werden kann beziehungsweise aus der sich mit weiteren Korrekturen eine Korrekturkurve bestimmen lässt.
Es kann also anhand eines Vergleichs mehrerer gemessener und berechneter Werte der Intensitäten, also aus Soll-Ist-Paaren, eine Korrekturkurve bestimmt werden, die jeder berechneten eine gemessene Intensität zuordnet.
Es können also für die dreidimensionale Bildaufnahmeinrichtung jeweils für die virtuellen Strahlen die Intensitäten berechnet und mit den tatsächlich gemessenen Intensitäten beziehungsweise den durch diese definierten tatsächlichen Strahlungsverläufen abgeglichen werden, um so Fehler bei den Schwächungswerten, die z. B. aus der Berechnung der Röntgenintensität resultieren, aufzudecken.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur dreidimensionalen Lokalisation eines Instruments für einen interventionellen Eingriff, insbesondere eines Katheters oder Führungsdrahtes oder Stents, im Rahmen einer Röntgenüberwachung des Eingriffs mittels zweidimensionaler Bildaufnahmen mit wenigstens einer röntgenbasierten Bildaufnahmeinrichtung, insbesondere einer gegebenenfalls zur Erstellung von Rotationsangiographieaufnahmen ausgebildeten monoplanen Röntgeneinrichtung, und einer Recheneinrichtung, ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Die Einrichtung weist also eine Recheneinrichtung sowie wenigstens eine röntgenbasierte Bildaufnahmeeinrichtung auf.
Die röntgenbasierte Bildaufnahmeeinrichtung ist vorzugsweise eine Monoplan-Röntgeneinrichtung, insbesondere ein C-Bogen-System, mit dem zweidimensionale Bildaufnahmen für eine Überwachung eines interventionellen Eingriffs erstellt werden können, das aber gegebenenfalls auch eine dreidimensionale Datenaufnahme im Rahmen einer Rotationsangiographie ermöglichen kann.
In einem solchen Fall können beispielsweise vor der eigentlichen Intervention Rotationsangiographieaufnahmen erstellt werden, die einen im Rahmen der Intervention zu behandelnden Bereich sowie einen Umgebungsbereich dreidimensional abbilden. Durch dieses dreidimensionale Volumen können Strahlen von der dreidimensionalen Quelle zum Detektor verfolgt werden, wobei bei einem solchen rotationsangiographiefähigen Monoplan-System die dreidimensionale Strahlenquelle mit der Strahlenquelle für die Erstellung der zweidimensionalen Aufnahmen übereinstimmt, und lediglich im Rahmen der Änderung der Angulation die Position von Strahlenquelle und Strahlendetektor angepasst wird.
Gegebenenfalls kann die Einrichtung eine weitere röntgenbasierte Bildaufnahmeinrichtung aufweisen, die speziell zur Erstellung der dreidimensionalen Bildaufnahmen vorgesehen ist, die anschließend mit der Bildaufnahmeeinrichtung für die zweidimensionalen Bildaufnahmen registriert werden. Die weitere Bildaufnahmeeinrichtung kann ein Computertomograph sein, dessen dreidimensionale Aufnahmen für die Lokalisation zur Ermittlung der Schwächungswerte entlang des Wegs der virtuellen Strahlen herangezogen werden.
Aus der zweidimensionalen Bildaufnahme der röntgenbasierten Bildaufnahmeeinrichtung der Einrichtung zur dreidimensionalen Lokalisation des Instruments wird zunächst zweidimensional die Position des Instruments beziehungsweise eines Punkts des Instruments, der dem Röntgensensor entspricht beziehungsweise an dem dieser angeordnet ist, bestimmt. Die fehlende Tiefeninformation wird unter Verwendung der dreidimensionalen Bildaufnahmen ermittelt, indem hieraus die lokalen Schwächungswerte abgeleitet werden. Diese werden entlang des Strahlenwegs aufsummiert, bis die Schwächung erreicht ist, die zum vom Röntgensensor ermittelten Wert der Intensität passt. Hieraus kann auf die Position in der fehlenden dritten Dimension rückgeschlossen werden.
Die Berechnungsvorgänge in der Einrichtung werden über eine entsprechende Software, die auf der Recheneinrichtung gespeichert ist beziehungsweise auf die diese Zugriff hat, ermöglicht beziehungsweise gesteuert. Gegebenenfalls kann ein Zugriff auf eine extern gespeicherte Software über ein Intranet oder das Internet beziehungsweise es kann eine interne Speichereinrichtung für eine lokale Software oder ein Wechselspeicher vorgesehen sein.
Die Intensität am Röntgensensor ergibt sich aus der Intensität der Röntgenröhre beziehungsweise Röntgenquelle derart, dass diese ursprüngliche Intensität der Röntgenröhre mit der e-Funktion als Exponent mit der Summe der Schwächungswerte entlang des Strahlenwegs, multipliziert mit der jeweiligen Wegänderung Δz, abfällt.
So ist es in Kenntnis dieses Schwächungsgesetzes erfindungsgemäß mit einem einfachen Monoplan-System möglich, eine Echtzeitüberwachung eines interventionellen Vorgangs mit einer dreidimensionalen Instrumentenlokalisation zu ermöglichen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine Ablaufskizze eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
2 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur dreidimensionalen Lokalisation eines Instruments.
In der 1 ist eine Ablaufskizze eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Gemäß dem Schritt a wird eine zweidimensionale Bildaufnahme mit eine röntgenbasierten Bildaufnahmeeinrichtung erstellt, die zur Überwachung des interventionellen Eingriffs das Gebiet des Eingriffs, hier ein Gefäßsystem 1 mit einem Katheter 2, zeigt.
Durch eine Bildverarbeitung seitens einer Recheneinrichtung wird gemäß dem Schritt b die Spitze des Instruments, also des Katheters 2 erkannt, hier dargestellt durch den Punkt 3. Hierbei weist der Katheter 2 einen Röntgensensor an seiner Spitze auf, der eine bestimmte Röntgenintensität an die Recheneinrichtung liefert. Mit Hilfe des Röntgensensors am Katheter 2 ist es für den Punkt 3 möglich, zu jeder Zeit die lokale Röntgenintensität von Außen zu messen. Der Punkt 3 wird in der zweidimensionalen Darstellung lokalisiert, es werden also Koordinaten zugeordnet, wie hier durch die Achsen x sowie y angedeutet ist.
Für eine dreidimensionale Lokalisation fehlt nun noch die Tiefeninformation. Hierzu wird gemäß dem Schritt c eine dreidimensionale Bildaufnahme, bei der es sich vorliegend um eine Rotationsangiographie-Aufnahme eines Monoplan-Systems handelt, mit dem auch die zweidimensionale Bildaufnahme des Schrittes a erstellt wurde, herangezogen. Die Röntgenparameter der Bildaufnahme sind bekannt. Hieraus kann die Intensität der Röntgenstrahlung an der Röntgenröhre ermittelt werden. Durch das Volumen der Rotationsangiographie-Aufnahme 4 wird ein virtueller Strahl 5 gelegt, der von der Röntgenröhre zum Röntgendetektor durch den Punkt 3 verläuft, der der Position der Spitze des Instruments aus der zweidimensionalen Bildaufnahme gemäß dem Schritt b entspricht und an dem sich der Röntgensensor befindet.
Um hieraus die Tiefeninformation zu berechnen, werden die Schwächungswerte μ gemäß dem Schritt d entlang des Strahlenwegs z beobachtet. Diese Schwächungswerte μ verlaufen außerhalb des Gefäßsystems 1 weitgehend plateauförmig, wobei dieser Bereich für die Lokalisation weniger interessant ist, da sich die Instrumente für den interventionellen Eingriff in der Regel innerhalb des Gefäßsystems 1 befinden sollten. Beim Durchlaufen eines Gefäßabschnitts des Gefäßsystems 1 zeigt die Schwächung beziehungsweise der zugehörige Schwächungswert μ jeweils einen Peak.
Gemäß dem Schritt e werden die lokalen Schwächungswerte des Schrittes d solange aufsummiert, bis die Summe, die im Schritt e aufgetragen ist, der Schwächung entspricht, die aus der Röntgenintensität der Röntgenröhre die Intensität am Röntgensensor erzeugen würde. Der Punkte, an dieser Schwellwert erreicht wird, ist bezüglich des Strahlenwegs im Schritt e mit z₀ gekennzeichnet. Die Intensität am Röntgensensor ergibt sich dabei als Produkt der Intensität an der Röntgenröhre mit der e-Funktion mit dem Exponenten – Σμ·Δz.
Die somit ermittelte dreidimensionale Lokalisation der Spitze des Katheters 2 ist im Schritt f gezeigt. Der Punkt 3 aus dem Schritt b ist also hier im Volumen der dreidimensionalen Bildaufnahme gemäß dem Schritt c dargestellt. Der entsprechende Strahlenweg bis zum Punkt z₀ entlang des virtuellen Strahls 5 ist der Weg, den der Strahl zurückgelegt hat, bis der Schwellwert gemäß der am Röntgensensor gemessenen Intensität erreicht ist.
Somit ist es möglich, die Spitze des Katheters 2 dreidimensional zu lokalisieren, ohne dass zur Überwachung des interventionellen Eingriffs über die ursprünglichen dreidimensionalen Bildaufnahmen gemäß dem Schritt c hinaus weitere dreidimensionale Bildaufnahmen erstellt werden müssten. Folglich ist eine dreidimensionale Lokalisation auch mit einem einfachen Monoplan-System in Echtzeit möglich.
Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung 6 zur dreidimensionalen Lokalisation eines Instruments für einen interventionellen Eingriff. Die Einrichtung 6 verfügt über eine röntgenbasierte Bildaufnahmeeinrichtung 7, die hier als C-Bogen-Einrichtung ausgebildet ist. Die röntgenbasierte Bildaufnahmeeinrichtung 7 weist neben dem C-Bogen 8 mit einer Strahlenquelle und einem Strahlendetektor eine Patientenliege 9 auf, auf der ein Patient 10 gelagert ist. Im Patienten 10 befindet sich für einen interventionellen Eingriff ein Katheter 11 mit einem Röntgensensor an der Katheterspitze.
Des Weiteren ist eine Recheneinrichtung 12 angedeutet, die unter anderem den Bildaufnahmebetrieb der röntgenbasierten Bildaufnahmeeinrichtung 7 steuert.
Die röntgenbasierte Bildaufnahmeeinrichtung 7 ist vorliegend als Monoplan-Einrichtung ausgebildet. Durch Steuerung mittels der Recheneinrichtung 12, die hierzu über eine entsprechende Software verfügt, wird eine dreidimensionale Bildaufnahme gemäß dem Kästchen 13 erstellt. Darüber hinaus wird eine zweidimensionale Bildaufnahme nach Kästchen 14 zur Überwachung des interventionellen Eingriffs angefertigt. Mit Hilfe des Röntgensensors des Katheters 11 sowie der 2D-Bildaufnahme ge mäß dem Kästchen 14 kann eine zweidimensionale Detektion des Katheters 11 gemäß dem Kästchen 15 erfolgen. Diese Vorgänge laufen in der Recheneinrichtung 12 ab.
Vom Röntgensensor am Katheter 11 werden Röntgensensorinformationen erhalten, die ebenfalls an die Recheneinrichtung 12 geleitet werden, wie durch das Kästchen 16 angedeutet ist. Die Röntgensensorinformation erlaubt zu jeder Zeit die Bestimmung der lokalen Röntgenintensität an der Katheterspitze von Außen. Anhand der zweidimensionalen Lokalisation der Katheterspitze, an der sich der Röntgensensor, der die Sensorinformationen liefert, befindet, sowie der dreidimensionalen Bildaufnahme gemäß dem Kästchen 13 lässt sich die dreidimensionale Position des Katheters gemäß dem Kästchen 17 bestimmen. Während der Überwachung des interventionellen Eingriffs müssen also keine dreidimensionalen Bildaufnahmen erstellt werden. Dennoch ist eine Echtzeitüberwachung mit einer, dreidimensionalen Echtzeitlokalisation des Katheters möglich, wie vorstehend beschrieben wurde.
Hierzu summiert die Recheneinrichtung 12 die lokalen Schwächungswerte entlang eines virtuellen Strahls von der Röntgenröhre zum Detektor durch die zweidimensional lokalisierte Katheterspitze mit dem Röntgensensor auf. Der Punkt, an dem der Schwellwert erreicht wird, der der Schwächung entspricht, die aus der Röntgenintensität der Röntgenröhre die Intensität am Röntgensensor erzeugen würde, entspricht der gewünschten 3D-Lokalisation der Katheterspitze gemäß dem Kästchen 17.
So ist es mit der erfindungsgemäßen Einrichtung möglich, anhand eines einzelnen Röntgenbilds ein Instrument dreidimensional zu lokalisieren. Das Instrument, hier also der Katheter 11, wird mit einem Röntgensensor ausgestattet. Es wird ein dreidimensionales Bild aufgenommen. Das Instrument wird zunächst zweidimensional lokalisiert, wobei die Tiefeninformation aus der gemessenen lokalen Röntgenintensität am Sensor und der dreidimensionalen Verteilung der Röntgenschwächungswerte berechnet wird. Es reichen also dreidimensionale Bild aufnahmen, die vor der eigentlichen Intervention, also beispielsweise vor dem Einbringen des Katheters 11 in den Patienten 10, erstellt wurden. Für die eigentliche Überwachung müssen nur noch zweidimensionale Bildaufnahmen angefertigt werden, die dann ausreichend sind, um eine dreidimensionale Lokalisation des Instruments zu erreichen. Solche Bildaufnahmen können einfach und schnell mit einem Monoplan-System erzeugt werden.

Claims

Verfahren zur dreidimensionalen Lokalisation eines Instruments für einen interventionellen Eingriff, insbesondere eines Katheters (2, 11) oder Führungsdrahtes oder Stents, im Rahmen einer Röntgenüberwachung des Eingriffs mittels zweidimensionaler Bildaufnahmen mit den folgenden Schritten: – Erstellung wenigstens einer dreidimensionalen Bildaufnahme, deren Volumen den von dem Eingriff betroffenen Bereich und eine Umgebung erfasst, mit einer röntgenbasierten Bildaufnahmeeinrichtung (7) zur Bestimmung von durch das Röntgenabsorptionsverhalten bestimmten lokalen Schwächungswerten (c), – Erstellung wenigstens einer zweidimensionalen Bildaufnahme mit der oder einer weiteren röntgenbasierten Bildaufnahmeeinrichtung (7) (a) und im Wesentlichen zeitgleich Bestimmung der Röntgenintensität an wenigstens einem an dem Instrument angeordneten Röntgensensor, – zweidimensionale Lokalisation des Röntgensensors in der wenigstens einen zweidimensionalen Bildaufnahme durch eine Recheneinrichtung (12) (b), – für einen virtuellen Strahl von der Röntgenquelle durch den zweidimensional lokalisierten Röntgensensor zum Röntgendetektor in dem Volumen der wenigstens einen dreidimensionalen Bildaufnahme durch die Recheneinrichtung (12) Summation der lokalen Schwächungswerte entlang des Strahlenwegs zur Ermittlung des Punkts auf dem Strahl, an dem die Schwächungssumme dem Betrag entspricht, der bei bekannter Intensität der Röntgenquelle zur bestimmten Röntgenintensität am Röntgensensor führt (d, e), und – Bestimmung der dreidimensionalen Position des ermittelten Punkts, die der dreidimensionalen Position des wenigstens einen Röntgensensors an dem Instrument entspricht, durch die Recheneinrichtung (12) (f).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass in Abhängigkeit der bestimmten dreidimensionalen Position des Röntgensensors das Instrument und/oder ein dem wenigstens einen Röntgensensor zugeordneter Punkt des Instruments in der wenigstens einen zweidimensionalen Bildaufnahme und/oder der wenigstens einen dreidimensionalen Bildaufnahme an einem Bildausgabemittel dargestellt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine dreidimensionale Bildaufnahme mit einer Computertomographieeinrichtung und/oder einer biplanen und/oder einer zur Erstellung von Rotationsangiographie-Aufnahmen ausgebildeten monoplanen Röntgeneinrichtung erstellt wird, insbesondere mit einer C-Bogen-Einrichtung.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zweidimensionale Bildaufnahme mit einer monoplanen Röntgeneinrichtung erstellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zweidimensionale Bildaufnahme mit einer Computertomographieeinrichtung und/oder einer biplanen und/oder einer zur Erstellung von Rotationsangiographie-Aufnahmen ausgebildeten monoplanen Röntgeneinrichtung erstellt wird, insbesondere mit einer C-Bogen-Einrichtung.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine dreidimensionale und die wenigstens eine zweidimensionale Bildaufnahme mit derselben röntgenbasierten Bildaufnahmeeinrichtung (7) aufgenommen werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein an der Spitze und/oder im Bereich der Spitze und/oder im Bereich eines vorderen Bestandteils des Instruments angeordneter Röntgensensor verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere am Instrument angeordnete Röntgensensoren, insbesondere 2 bis 5 Röntgensensoren, verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet dass anhand der Röntgensignale der mehreren Röntgensensoren seitens der Recheneinrichtung (12) eine Konsistenzüberprüfung der Schwächungswerte durch geführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Röntgensensor wenigstens eine am Instrument angeordnete Röntgen-Photodiode verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Röntgensensor sein Sensorsignal über wenigstens eine Zuleitung und/oder drahtlos an die Recheneinrichtung (12) überträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fehlererkennung für wenigstens einen weiteren, gegebenenfalls nicht in der Nähe des Instruments verlaufenden, virtuellen Strahl in dem Volumen der wenigstens einen dreidimensionalen Bildaufnahme die Schwächungswerte entlang des Strahlenwegs summiert werden und ein daraus für die Schwächung der Intensität seitens der Recheneinrichtung (12) berechneter Wert mit einer an einem Röntgendetektor der röntgenbasierten Bildaufnahmeeinrichtung (7) gemessenen Intensität verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet dass anhand eines Vergleichs mehrerer gemessener und berechneter Werte der Intensitäten seitens der Recheneinrichtung (12) eine Korrekturkurve be stimmt wird, die jeder berechneten eine gemessene Intensität zuordnet.
Einrichtung (6) zur dreidimensionalen Lokalisation eines Instruments für einen interventionellen Eingriff, insbesondere eines Katheters (2, 11) oder Führungsdrahtes oder Stents, im Rahmen einer Röntgenüberwachung des Eingriffs mittels zweidimensionaler Bildaufnahmen mit wenigstens einer röntgenbasierten Bildaufnahmeeinrichtung (7), insbesondere einer gegebenenfalls zur Erstellung von Rotationsangiographie-Aufnahmen ausgebildeten monoplanen Röntgeneinrichtung, und einer Recheneinrichtung (12), ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche.