DE102007023552B4 - Kombiniertes Bildgebungsverfahren - Google Patents

Abstract

Kombiniertes Bildgebungsverfahren (B0), wobei – mit einem ersten Bildgebungsverfahren (B1) erste Bildaufnahmen erstellt werden, ein Volumen abgebildet und ein Volumenmodell (V0, VN) erstellt wird, – mit einem zweiten Bildgebungsverfahren (B2) zweite Bildaufnahmen (ui) in Echtzeit erstellt werden, – mit Hilfe der Echtzeit-Bilddaten (ui) des zweiten Bildgebungsverfahrens (B2) eine Echtzeitanpassung der ersten Bildaufnahmen ({bj}) des ersten Bildgebungsverfahrens (B1) modelliert wird, wobei aus dem Volumenmodell (V0, VN) virtuelle Bilddaten ({úk}) generiert werden, die mit den Echzeit-Bilddaten (ui) vergleichbar sind, – durch einen Vergleich der virtuellen Bilddaten ({úk}) mit einem zu einem Zeitpunkt (ti) korrespondierenden realen Echtzeit-Bilddatensatz (ui) aus der Abweichung der auflösbaren Bildpunkte des Echtzeit-Bilddatensatzes (ui) von den jeweils korrespondierenden Bildpunkten eines geeigneten Teildatensatzes der virtuellen Bilddaten ({úk}) eine Koordinatentransformation mit der Auflösung des zweiten Bildgebungsverfahrens (B2) ermittelt wird, welche das Volumenmodell (V0) in ein angepasstes Volumenmodell (dVi) zu diesem Zeitpunkt (ti) überführt, und – das angepasste Volumenmodell (dVN) eines Zeitpunktes (tN) mit einem für diesen Zeitpunkt (tN) erstellten Volumenmodell (VN) aus dem ersten Bildgebungsverfahren (B1) verglichen wird, und aus dem Grad der Übereinstimmung der Bilddaten die Wiederholungsrate (Dt) für die Bildaufnahme mit dem ersten Bildgebungsverfahren (B1) redefiniert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein kombiniertes Bildgebungsverfahren.
• In der medizinischen Therapie, beispielsweise bei einem endoskopischen Eingriff, beim Setzen eines gefäßerweiternden Implantats oder der Verödung eines Gefäßes insbesondere im Gehirn, ist es wünschenswert und teilweise auch notwendig, eine permanente Bildgebung in Echtzeit zu ermöglichen. Üblicherweise kommt dabei als ein Bildgebungsverfahren die röntgenstrahlenbasierte Bildgebung zum Einsatz. Diese hat den Nachteil, dass der Patient einer permanenten ionisierenden, und somit potentiell gesundheitsgefährdenden Strahlung ausgesetzt wird. Der medizinische Nutzen eines Eingriffs ist dabei gegen die Strahlenbelastung abzuwägen. Ebenso ist der behandelnde Arzt, der einen solchen Eingriff durchführt, permanenter Streustrahlung ausgesetzt.
• Aus der DE 19846687 A1 ist ein kombiniertes Bildgebungsverfahren bekannt, wobei mit einem ersten Bildgebungsverfahren erste Bildgebungsaufnahmen erstellt werden, mit einem zweiten Bildgebungsverfahren zweite Bildaufnahmen in Echtzeit erstellt werden, und mit Hilfe der Echtzeitbilddaten des zweiten Bildgebungsverfahrens eine Echtzeitanpassung der ersten Bildaufnahmen des ersten Bildgebungsverfahrens modelliert wird.
• Auch aus der DE 10210650 A1 ist ein Bildgebungsverfahren bekannt. Bei diesem Verfahren wird zur dreidimensionalen Darstellung eines Untersuchungsbereichs eines Patienten in Form eines 3D-Rekonstruktionsbilds ein präoperativ aufgenommener 3D-Bilddatensatzes des Untersuchungsbereichs verwendet, mehrere 2D-Ultraschallbilder des Untersuchungsbereichs aufgenommen, der präoperative 3D-Bilddatensatz unter Verwendung der 2D-Ultraschallbilder aktualisiert, und ein 3D-Rekonstruktionsbild anhand des aktualisierten 3D-Bilddatensatzes rekonstruiert.
• Die DE 10340544 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur visuellen Unterstützung einer elektrophysiologischen Katheteranwendung im Herzen, bei denen während der Durchführung der Katheteranwendung bereitgestellte elektroanatomische 3-D-Mapping-Daten eines zu behandelnden Bereiches des Herzens visualisiert werden. Vor der Durchführung der Katheteranwendung werden mit einem Verfahren der tomographischen 3-D-Bildgebung 3-D-Bilddaten des zu behandelnden Bereiches erfasst, aus den 3-D-Bilddaten durch Segmentierung ein 3-D-Oberflächenverlauf von Objekten in dem zu behandelnden Bereich extrahiert und anschliessend die bereitgestellten elektroanatomischen 3-D-Mapping-Daten und den 3-D-Oberflächenverlauf bildende 3-D-Bilddaten lage- und dimensionsrichtig zugeordnet und z. B. während der Durchführung der Katheteranwendung einander überlagert visualisiert.
• Weiterhin ist aus der US 20070093998 A1 ein Verfahren zur Durchführung biomechanischer Simulationen der Verbindung einer Gruppe von Knochengelenken eines Patienten bekannt. Das Verfahren umfasst ein dreidimensionales digitales biomechanisches Modell, welches an einer Referenzposition aufgezeichnet wird und durch die Einbeziehung patientenspezifischer Daten an dieser Referenzposition sowie durch Partikularisieren der Wechselwirkungsparameter jeder Verbindung personalisiert wird. Das biomechanische Modell wird hierbei zu Durchführung einer Interpolation von Messparametern herangezogen.
• Zwar stehen weitere, insbesondere hochauflösende Bildgebungsverfahren zur Verfügung, die keine ionisierenden Strahlen erzeugen, beispielsweise die Magnetresonanz-Bildgebung, jedoch können bei diesen Verfahren die Bilder im Wesentlichen nur statisch erzeugt werden, so dass eine Echtzeitdarstellung während eines Eingriffs nur eingeschränkt möglich ist. Außerdem kommen Verfahren zum Einsatz, welche sehr zeitaufwändig sind und nicht für eine Echtzeitdarstellung geeignet sind, wie z. B. nuklearmedizinische Aufnahmen.
• Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Bildgebungsverfahren anzugeben, welches eine möglichst gute aufgelöste Echtzeitdarstellung ermöglicht, wobei die Strahlenbelastung für den Patienten und dessen Umgebung möglichst gering gehalten werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur Durchführung eines derartigen Bildgebungsverfahrens anzugeben.
• Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach wird ein kombiniertes Bildgebungsverfahren angegeben, wobei mit einem ersten Bildgebungsverfahren erste Bildaufnahmen erstellt werden, ein Volumen abgebildet und ein Volumenmodell erstellt wird, mit einem zweiten Bildgebungsverfahren zweite Bildaufnahmen in Echtzeit erstellt werden, mit Hilfe der Echtzeit-Bilddaten des zweiten Bildgebungsverfahrens eine Echtzeitanpassung der ersten Bildaufnahmen des ersten Bildgebungsverfahrens modelliert wird, wobei aus dem Volumenmodell virtuelle Bilddaten generiert werden, die mit den Echzeit-Bilddaten vergleichbar sind, durch einen Vergleich der virtuellen Bilddaten mit einem zu einem Zeitpunkt korrespondierenden realen Echtzeit-Bilddatensatz aus der Abweichung der auflösbaren Bildpunkte des Echtzeit-Bilddatensatzes von den jeweils korrespondierenden Bildpunkten eines geeigneten Teildatensatzes der virtuellen Bilddaten eine Koordinatentransformation mit der Auflösung des zweiten Bildgebungsverfahrens ermittelt wird, welche das Volumenmodell in ein angepasstes Volumenmodell zu diesem Zeitpunkt überführt, und das angepasste Volumenmodell eines Zeitpunktes mit einem für diesen Zeitpunkt erstellten Volumenmodell aus dem ersten Bildgebungsverfahren verglichen wird, und aus dem Grad der Übereinstimmung der Bilddaten die Wiederholungsrate für die Bildaufnahme mit dem ersten Bildgebungsverfahren redefiniert wird.
• Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die insbesondere mittels einer Computertomographie (CT), mittels einer Magnetresonanztomographie (MR) oder durch nuklearmedizinische Aufnahmen gewonnenen, ersten Bildaufnahmen auch während eines Eingriffs ohne eine erhöhte Strahlenbelastung des Patienten und des behandelnden Arztes zur Verfügung zu haben. Weil sich durch die Bewegung des Körpers, insbesondere durch Atmung und Herzschlag, in Echtzeit geometrische Änderungen gegenüber dem statischen hochauflösenden Bild, welches bezüglich eines bestimmten Zeitpunktes zu einem Zeitpunkt in der Vergangenheit erstellt wurde, ergeben, ist das statische Bild nur beschränkt als Momentaufnahme interpretierbar und ist daher nicht uneingeschränkt verwendbar, insbesondere während eines Eingriffs. Das statische Bild bedarf hierzu einer Nachkorrektur, um zu dem infrage kommenden Zeitpunkt wieder in Deckung mit der Realität gebracht zu werden.
• Zu diesem Zweck wird nun ein zweites Bildgebungsverfahren eingesetzt, welches für eine Echtzeitbildgebung geeignet ist. Mittels der Bilddaten aus dem zweiten Bildgebungsverfahren werden zu einem beliebigen Zeitpunkt während der Echtzeitübertragung die geometrischen Veränderungen gegenüber dem statischen Bild erfasst und auf das statische Bild zurückgerechnet, so dass das statische Bild zu einem in Echtzeit bewegten Bild animiert wird. Um die geometrischen Veränderungen zu erfassen, kann das zweite Bildgebungsverfahren auch aus mehreren Richtung durchgeführt werden. Damit können dann Verzerrungen in allen Raumrichtungen erfasst werden.
• Dadurch, dass aus dem zweiten Bildgebungsverfahren letztlich nur die Information für eine Anpassung der bereits vorhandenen Bildaufnahme gewonnen wird, wird eine Verringerung der Strahlenbelastung bei der Untersuchung des Patienten ermöglicht. Bei dem Einsatz ionisierender Strahlung für das zweite bildgebende Verfahren kann eine verringerte Strahlenbelastung beispielsweise durch eine verringerte Auflösung oder eine Herabsetzung der Widerholungsrate für die Echtzeitaufnahme erzielt werden. Ein Bildgebungsverfahren für die Echtzeitbildgebung ist beispielsweise aber auch durch eine ultraschallbasierte Bildgebung gegeben, die keine Strahlenbelastung für den Patienten aufweist. Eine solche Bildgebung liefert ebenfalls eine schlechtere Auflösung. Die gewonnenen Bilddaten können aber problemlos für die Umrechnung der hochauflösenden Bildaufnahme herangezogen werden. Für eine Untersuchung aus mehreren Richtungen können beispielsweise auch mehrere Ultraschallgeber verwendet werden, die in unterschiedliche Richtungen arbeiten.
• Die ersten Bilddaten oder Bildaufnahmen können beispielsweise aus einer früheren Aufnahme des Patienten stammen und einem entsprechenden Datensatz durch einen Datenzugriff beispielsweise über eine Datenleitung oder über Internet entnommen werden. Auch kann die erste Bildaufnahme einmalig vor der durchzuführenden Untersuchung aufgenommen werden.
• Hierbei wird zunächst mit dem ersten Bildgebungsverfahren ein Volumen abgebildet und ein dreidimensionales Volumenmodell erstellt.
• Weiterhin werden aus dem Volumenmodell virtuelle Bilddaten generiert, die mit den aus dem zweiten Bildgebungsverfahren gewonnenen Echtzeit-Bilddaten vergleichbar sind, wobei hierzu die virtuellen Bilddaten in einem für den Vergleich mit den Echtzeit-Bilddaten geeigneten Format abgelegt werden. Die Vergleichbarkeit der Bilddaten bedeutet in diesem Zusammenhang die Vergleichbarkeit der physikalischen Parameter und Randbedingungen, denen die in den Datensätzen abgebildeten physikalischen Objekte unterworfen sind. Zu solchen Parametern zählen primär räumliche Koordinaten dieser Objekte, anhand deren Variation Koordinatentransformationen ermittelbar sind.
• Die Variation der Koordinaten in den virtuellen Bilddaten gegenüber denen in einem zu einem Zeitpunkt korrespondierenden realen Echtzeit-Bilddatensatz werden aus der Abweichung der auflösbaren Bildpunkte des Echtzeit-Bilddatensatzes von den jeweils korrespondierenden Bildpunkten eines geeigneten Teildatensatzes der virtuellen Bilddaten mit der Auflösung des zweiten Bildgebungsverfahrens ermittelt. Auf dieser Grundlage wird das Volumenmodell in ein angepasstes Volumenmodell zu diesem Zeitpunkt überführt, indem aus der ermittelten Abweichung der Bildpunkte die Deformation des Volumenmodells im Gebiet des real ermittelten Bildes berechnet wird.
• Die durch Bildpunktverschiebungen identifizierten Koordinatentransformationen umfassen alle Arten und Kombinationen von Drehungen, Verschiebungen, Dehnungen, Stauchungen, Versetzungen, Scherungen und dergleichen der in den Bilddatensätzen abgebildeten physikalischen Objekte.
• Anhand einer Koordinatentransformation kann so eine ursächliche Variation weiterer physikalischer Parameter ermittelt werden. So deutet beispielsweise eine lokale Verschiebung von Koordinaten in einem Gewebevolumen auf eine lokale Krafteinwirkung hin, etwa verursacht durch die Atmung des Patienten. Weiter sind relative Verschiebungen der Bildpunktkoordinaten von Kapillargefäßwandungen inneren Blutdruckfluktuationen zuordenbar. Anhand einer globalen Koordinatenverschiebung kann eine Bewegung des Patienten erkannt werden.
• Die Genauigkeit der Realitätsabbildung des bewegten Volumenmodells wird anhand der jeweils aktuellsten Bilddaten des ersten Bildgebungsverfahrens geprüft. Zu diesem Zweck wird das zu einem Zeitpunkt korrespondierende bewegte Volumenmodell mit einem zu diesem Zeitpunkt mit dem ersten Bildgebungsverfahren neu erstellten oder lokal aktualisierten Volumenmodell verglichen. Aus dem Grad der Übereinstimmung der Bilddaten des bewegten Volumenmodells mit den Bilddaten des neu erstellten oder lokal aktualisierten Volumenmodells wird dann die Wiederholungsrate für die Bildaufnahme mit dem ersten Bildgebungsverfahren redefiniert.
• Insbesondere bei einem Eingriff in komplizierten Gewebestrukturen kann somit zeitnah die Einstellung zwischen der Erhöhung der für die Arbeit erforderlichen Bildpräzision und der dadurch in Kauf genommenen Erhöhung der Strahlenbelastung durch das erste Bildgebungsverfahren gesteuert werden. So kann beispielsweise für begrenzte Zeitintervalle auf eine permanente Bildgebung durch das erste Bildgebungsverfahren umgeschaltet werden, wenn die Sicherheit dies erfordert. Durch die Möglichkeit, die erforderliche Bildpräzision zeitnah genau einzustellen, wird über die Gesamtdauer des Eingriffs die Strahlenbelastung reduziert.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden mit dem ersten Bildgebungsverfahren als erste Bildaufnahmen hochauflösende Bildaufnahmen erstellt. Insbesondere werden als hochauflösende Bildaufnahmen mittels Computertomographie oder mittels Magnetresonanztomographie erstellte Aufnahmen verwendet.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird mit den bekannten bildgebenden hochauflösenden Verfahren der Medizintechnik eine Anzahl von zweidimensionalen hochauflösenden Schnittbildern des Volumens gewonnen. Aus der Gesamtheit der gewonnenen Schnittbilder wird dann leicht ein dreidimensionales Volumenmodell erstellt, welches in einer vorgebbaren Perspektive dargestellt werden kann und aus welchem virtuelle Projektions- und Schnittbilder erzeugt werden können. Selbstverständlich ist es auch vorstellbar, bei geeigneten Verfahren der Bildgebung gleich dreidimensionale Bilddaten zu gewinnen und damit das Volumenmodul zu generieren. Zweckdienlicherweise werden die in dem angepassten Volumenmodell sich zwischen den zur Koordinatentransformation herangezogenen ”Stützstellen” befindlichen Bildpunkte aus dem ersten Bildgebungverfahren durch eine Interpolation erzeugt. Hierfür werden nach einer lokal ortsabhängigen Interpolationsvorschrift die Zwischenbildpunkte aus der Lage der im angepassten Volumenmodell vorhandenen Bildpunkte sowie aus der Ausgangslage der jeweils entsprechenden Zwischenbildpunkte in dem Volumenmodell, das aus den Bilddaten des ersten Bildgebungsverfahren berechnet wurde, generiert. Damit wird die Darstellung und insbesondere die Auflösung der ersten Bildaufnahmen interpoliert.
• Da die reale Lage der Zwischenbildpunkte von dem verformten physikalischen Objekt und dessen mechanischen Eigenschaften abhängig ist, wird vorteilhafterweise ein mechanisches Modell hinterlegt, durch welches die Interpolationsvorschrift für die Zwischenbildpunkte im bewegten Volumenmodell parametrisiert wird. So weisen beispielsweise unterschiedliche Körpergewebe unterschiedliche Elastizitatseigenschaften auf, die zu einer unterschiedlichen Verschiebung der Zwischenbildpunkte gegenüber der Ausgangslage der jeweils entsprechenden Zwischenbildpunkte führen wurden. Der korrespondierende physikalische Parameter ist in diesem Fall durch das lokal gemittelte Elastizitätsmodul des betrachteten Gewebegebietes gegeben, von dessen ortsabhängigen Wett die Interpolationsfunktion abhängig ist. Beispielsweise kann es bei stärker inelastischem Knochengewebe hinreichend sein, die Zwischenbildpunkte linear zwischen den zum Zwischenbildpunkt nächst benachbarten Bildpunkten des bewegten Volumenmodells zu interpolieren. Bei weicherem Muskel- oder Fettgewebe mit höherer Elastizität werden dagegen die Zwischenbildpunkte durch glatte Splines interpoliert, wobei in Abhängigkeit vom Wert des Elastizitätsmoduls für die Berechnung der Splines die Lage einer größeren Anzahl von Bildpunkten des bewegten Volumenmodells in einer entsprechend größeren Umgebung des Zwischenbildpunktes relevant ist.
• Das Verfahren ist bevorzugterweise dahingehend weitergebildet, dass die Verfahrenschritte in zyklischen Wiederholungen durchgeführt werden, insbesondere mit einer für eine Echtzeitdarstellung des angepassten Volumenmodells hinreichend hohen Wiederholungsrate und Verarbeitungsgeschwindigkeit.
• Insbesondere ist die benötigte Zeit für die Verarbeitung eines mit dem zweiten Bildgebungsverfahren aufgenommenen Bildes und die Integration der Bilddaten in das angepasste Volumenmodell inklusive der Neuberechnung der Zwischenbildpunktkoordinaten kürzer als die Dauer eines oder jedes Zeitintervalls zwischen zwei Aufnahmezeitpunkten des zweiten Bildgebungsverfahrens, wobei die Dauer des oder jedes Zeitintervalls durch die Echtzeitfähigkeit des zweiten Bildgebungsverfahrens beschränkt ist.
• Das erste Bildgebungsverfahren kann zu diagnostischen Zwecken vor einem Eingriff und/oder auch während eines Eingriffes zur Anwendung kommen. Je geringfügiger der zeitliche Abstand und die räumliche Veränderung von der Erstellung des Volumenmodells aus den Bilddaten des ersten Bildgebungsverfahrens zu einer Momentaufnahme des zweiten Bildgebungsverfahrens ist, aus welcher der momentane, geometrisch veränderte Zustand des Volumenmodells berechnet wird, desto präziser kann das bewegte Volumenmodell in Echtzeit die Realität abbilden. Vorteilhafterweise wird daher das erste Bildgebungsverfahren während eines Eingriffes zur initialen Erstellung eines aktuellen und insbesondere hochauflösenden Volumenmodells verwendet und wird weiterhin zur Nutzung im Bedarfsfall zur Verfügung gehalten.
• Geeigneterweise werden im Rahmen des Verfahrens zu vorgegebenen Zeitpunkten mit dem ersten Bildgebungsverfahren Bilder gewonnen, auf deren Basis das bewegte Volumenmodell lokal oder global aktualisiert wird. Die Zeitintervalle, innerhalb derer das bewegte Volumenmodell aus den Bilddaten des zweiten Bildgebungsverfahrens berechnet wird, werden dadurch verkürzt. Bei der Erstellung der insbesondere hochauflösenden Aufnahmen in einem lokalen Teilgebiet des Gesamtvolumens werden zweckdienlicherweise alle zur Verfügung stehenden Bilddaten aus dem ersten und dem zweiten Bildgebungsverfahren miteinander verrechnet, um das Volumenmodell global zu aktualisieren.
• Im Zuge des Verfahrens wird geeigneterweise das bewegte Volumenmodell in Echtzeit in einer vorgegebenen bildlichen Darstellung angezeigt. Beispielsweise wird eine beliebige zweidimensionale Projektion des dreidimensionalen angepassten Volumenmodells zur Anzeige ausgewählt, oder ein lokaler Ausschnitt des dreidimensionalen bewegten Volumenmodells wird aus einer gewählten Beobachtungsrichtung angezeigt. Die vorgebbaren Eigenschaften der Darstellung umfassen weitere Darstellungsparameter wie Farbwahl, Ausblendung oder Einblendung bestimmter Schichten und Teilgebiete des dargestellten Volumens und dergleichen mehr.
• Die zweite Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Einrichtung zur Durchführung eines kombinierten Bildgebungsverfahrens der vorbeschriebenen Art angegeben wird, umfassend eine erste Vorrichtung zur Bereitstellung erster Bildaufnahmen eines ersten Bildgebungsverfahrens, eine zweite Vorrichtung zur Erstellung von Bildaufnahmen geringerer Auflösung in Echtzeit mittels eines zweiten Bildgebungsverfahrens, eine Recheneinheit zur Verarbeitung und Kombination von Bilddaten, eine mit der ersten und mit der zweiten Vorrichtung sowie mit der Recheneinheit verbundene Steuereinheit zur Modellierung einer Echtzeitanpassung der ersten Bildaufnahmen des ersten Bildgebungsverfahrens mit Hilfe der Echtzeit-Bilddaten des zweiten Bildgebungsverfahrens durch eine entsprechende Steuerung der Recheneinheit, und eine Anzeigeeinheit zur Darstellung der angepassten ersten Bilddaten.
• Die erste Vorrichtung kann beispielsweise ein Datenspeicher sein, auf den bei früheren Untersuchungen erstellte erste und insbesondere hochauflösende Bildaufnahmen eines Patienten abgelegt sind. Die erste Vorrichtung kann aber auch ein medizinisches Untersuchungsgerät sein, mit welchem die ersten Aufnahmen z. B. unmittelbar während eines durchzuführenden Eingriffs, erstellt werden.
• Weitere für das Verfahren geschilderte Vorteile können sinngemäß auf die Vorrichtung übertragen werden.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen
• 1 ein Blockschaltbild eines kombinierten Bildgebungsverfahrens,
• 2 ein Schaltbild mit Einheiten einer Einrichtung zur Durchführung des kombinierten Bildgebungsverfahrens nach 1, und
• 3 schematisch die Durchführung des Verfahrens anhand einer hochauflösenden CT-Schichtaufnahme und einer Ultraschalluntersuchung.
• Einander entsprechende Elemente sind in den verschiedenen Figuren der Zeichnung mit den jeweils gleichen Bezugszeichen versehen.
• In 1 ist ein Blockschaltbild zur Durchführung des kombinierten Bildgebungsverfahrens B₀ dargestellt. Das Verfahren umfasst eine Anzahl von Prozessschritten, die zu definierten Zeitpunkten stattfinden. Diese Zeitpunkte t₀ bis t_N sind auf einer Zeitachse t dargestellt. Die Dauer eines Zeitintervalls zwischen zwei Zeitpunkten dt = t₁–t₀ ist entsprechend den Anforderungen einer animierten Echtzeitdarstellung hinreichend klein gewählt. Der zeitliche Abstand zwischen den Zeitpunkten t₀ bis t_N kann, muss aber nicht gleich sein.
• Im Zuge des ersten Bildgebungsverfahrens B₁ wird in einem ersten Verfahrenschritt 1 zum Zeitpunkt t₀ ein Datensatz von ersten Schnittbildern {b_j} eines Volumens erstellt. Dieses Volumen kann beispielsweise das Herz-Lungensystem eines Patienten umfassen. Als bildgebendes Verfahren und insbesondere zur Erzeugung von hochauflösenden Bildaufnahmen kann beispielsweise die Computertomographie eingesetzt sein. Aus dem Schnittbild-Datensatz {b_j} wird dann in einem zweiten Verfahrenschritt 2 ein dreidimensionales Volumenmodell V₀ erstellt, welches das durchstrahle Volumen in hoher Auflösung realitätsgetreu wiedergibt. In einem dritten Verfahrensschritt wird auf der Basis dieses Volumenmodells V₀ ein Datensatz {ú_k} von virtuellen Schnittbildern erzeugt, wobei die virtuellen Schnittbilder den realen Aufnahmen eines zweiten Bildgebungsverfahrens B₂ geringerer Auflösung entsprechen und mit solchen realen Aufnahmen bezüglich geometrischer Veränderungen der abgebildeten Objekte vergleichbar sind.
• Das erste Bildgebungsverfahren B₁ kann zu verschiedenen Zeitpunkten wiederholt angewendet werden, wobei bei entsprechend großem Umfang des Schnittbild-Datensatzes {b_j} die Dauer des ersten und des zweiten Verfahrensschrittes 1 bzw. 2, also der zeitliche Abstand zwischen der ersten Bildaufnahme und der Erstellung des Volumenmodells V₀, ein Mehrfaches der Dauer des Zeitintervalls dt betragen kann. Bei Einschränkung auf einen Teildatensatz des Schnittbild-Datensatzes {b_j}, beispielsweise dann, wenn ein lokalisiertes Teilvolumen des Gesamtvolumens betrachtet wird, kann die Dauer des ersten und des zweiten Verfahrensschrittes 1 bzw. 2 entsprechend geringer sein. Auch konnen zu verschiedenen Zeitpunkten Einzelaufnahmen erstellt werden.
• Das erste Bildgebungsverfahren B₁ ist somit nur bedingt echtzeitfähig. Wird durch das Verfahren B₁ eine Strahlenbelastung ausgeübt, so wird ein möglichst verringerter wiederholter Einsatz zu einem späteren Zeitpunkt t_N angestrebt. Durch das zweite Bildgebungsverfahren B₂ kann die Dauer Dt = t_N–t₀, welche bei ausschließlicher Verwendung des ersten Bildgebungsverfahrens B₁ durch die Erfordernis einer möglichst zeitnahen Momentdarstellung des Volumens beschränkt ist, vergrößert werden, so dass das zweite Bildgebungsverfahren B₂ zur Verringerung einer Strahlenbelastung durch das erste Bildgebungsverfahren B₁ beitragt.
• Das zweite Bildgebungsverfahren B₂ ist beispielsweise durch eine ultraschallbasierte Bildgebung gegeben, in welchem Falle der virtuelle Bilddatensatz {ú_k} eine Menge aus virtuellen Ultraschallaufnahmen darstellt. Bei der ultraschallbasierten Bildgebung ist die Auflösung üblicherweise geringer als bei einer hochauflösenden CT- oder MR-Bildgebung.
• Im Zuge des zweiten Bildgebungsverfahrens B₂ wird zu einem Zeitpunkt t_i mit i = 1, ..., N in einem vierten Verfahrensschritt 4 eine Bildaufnahme u_i erstellt, deren Auflösung durch das zweite Bildgebungsverfahren B₂ bestimmt und entsprechend beschränkt ist. In einem fünften Verfahrensschritt 5 werden die in der Bildaufnahme u_i identifizierbaren Bildpunkte der dargestellten Objekte erfasst und die Bildaufnahme u_i wird mit geeigneten Aufnahmen des virtuellen Bilddatensatzes {ú_k} verglichen. Dabei werden die zu den Bildpunkten in der Aufnahme u_i korrespondierenden Bildpunkte in den virtuellen Aufnahmen erfasst und die jeweiligen Koordinatenveränderungen der paarweise einander entsprechenden Bildpunkte ermittelt.
• Die Gesamtheit aller Koordinatenverschiebungen definiert eine Koordinatentransformation, welche die Konfiguration des aufgenommenen Volumens zum Zeitpunkt t₀ auf die Konfiguration zum aktuellen Zeitpunkt t₁ abbildet. In den virtuellen Bildern des Datensatzes {ú_k} stehen entsprechend der Auflösung des ersten Bildgebungsverfahrens B₁ mehr Bildpunkte zur Verfügung als in der Bildaufnahme u_i. Die zwischen den zur Bildaufnahme u_i korrespondierenden Bildpunkte liegenden Bildpunkte in den virtuellen Bildern oder Zwischenbildpunkte bzw. deren Lagen werden durch eine Interpolation rekonstruiert. Die Interpolationsvorschrift ist dabei vorzugsweise von physikalischen Parametern abgeleitet, welche beispielsweise die lokale Elastizität und die Struktur betrachteten Gewebes beschreiben. Die für die Wahl der Interpolation relevanten Parameter sind idealerweise in einem mechanischen Modell hinterlegt, auf welches im Zuge des Verfahrensschrittes 5 zugegriffen wird. Durch die Interpolation der Zwischenbildpunkte wird die Koordinatentransformation konstruktiv vervollstandigt, so dass diese die Gesamtheit der Bildpunkttransformtionen mit der Auflösung des ersten Bildgebungsverfahrens B₁ umfasst.
• Die im Zuge des Verfahrensschrittes 5 ablaufenden Prozesse dienen dazu, aus den Bilddaten der Aufnahme u_i in einem sechsten Verfahrenschritt 6 ein angepasstes Volumenmodell dV_i zum Zeitpunkt t_i zu erstellen, welches das Volumenmodell V₀ lokal oder global aktualisiert.
• Das angepasste Volumenmodell dV_i wird in einem siebten Verfahrensschritt 7 zur Anzeige gebracht.
• Das zweite Bildgebungsverfahren B₂ ist echtzeitfähig, da die für die Erstellung der Bildaufnahme u_i erforderliche Zeitdauer geringer ist als die Dauer des Intervalls dt. Da die weiteren, im Zuge der Verfahrensschritte 5, 6 und 7 beschriebenen Prozesse durch Rechenleistung erbracht werden, sind sie nicht zeitlich limitierend, so dass die Verfahrensschritte 4 bis 7 innerhalb des Zeitintervalls dt abgewickelt werden können. Dies bedeutet, dass zum Zeitpunkt t_i+1 das bewegte Volumenmodell dV_i bereits dargestellt wurde.
• Das zweite Bildgebungsverfahren B₂ wird in zyklischen Wiederholungen im Zeitabstand dt ausgeführt, bis der Zeitpunkt t_N erreicht ist. Die Verfahrenschritte 8, 9, 10, und 11 laufen analog zu den Verfahrenschritten 4, 5, 6 bzw. 7 ab.
• Da das angepasste Volumenmodells dV_i mit i = 1, ..., N konstruiert ist, sind Abweichungen zur Realität möglich, und zwar dann, wenn die physikalischen Modellannahmen, durch welche die Interpolationen der Zwischenbildpunkte bestimmt werden, von der Realität abweichen. Insbesondere bei Eingriffen in komplizierte Gewebestrukturen, beispielsweise im Gehirn oder bei feinsten Kapillargefäßen, können derartige Abweichungen von Bedeutung sein. Je größer der zeitliche Abstand zum Volumenmodell V₀ ist, desto höher wird die Wahrscheinlichkeit, dass Abweichungen auftreten oder größer werden.
• Zum Zeitpunkt t_N wird in einem zwölften und in einem dreizehnten Verfahrensschritt 12 bzw. 13 analog zu den Verfahrensschritten 1 und 2 mit dem ersten Bildgebungsverfahren B₁ ein neues Volumenmodell oder Teilvolumenmodell V_N erstellt, aus welchem wiederum in einem vierzehnten Verfahrensschritt 14 analog zum Verfahrensschritt 3 ein neuer Schnittbilddatensatz {ú_k} erstellt wird. Auf der Ebene der Volumenmodelle werden in einem fünfzehnten Verfahrensschritt 15 die Abweichungen des bewegten Volumenmodells dV_N gegenüber dem neuen Volumenmodell V_N ermittelt. Überschreiten die Abweichungen dabei einen Grenzwert, so wird die Zeitdauer Dt bis zur nächsten Anwendung des ersten Bildgebungsverfahren B₁ verkürzt. Im Bedarfsfall kann auch auf eine Permanentdurchleuchtung mit dem ersten Bildgebungsverfahren B₁ geschaltet werden. Der Verfahrenschritt 15 kann durchgeführt werden, nachdem das neue Volumenmodell vollständig erstellt wurde, was zu einem späteren Zeitpunkt als t_N der Fall sein kann.
• Der im Verfahrensschritt 14 erstellte Schnittbilddatensatz {ú_k} dient als Basis für die fortgesetzte Anwendung des zweiten Bildgebungsverfahrens für die auf t_N folgenden Zeitpunkte.
• Die Abläufe der Verfahrensschritte, insbesondere des Verfahrensschrittes 15, werden durch eine Steuereinheit 16 mit einer Recheneinheit 17 gesteuert. Die bewegten Volumenmodelle dV_i, i = 1, ..., N werden während der Untersuchung auf einer Anzeigeeinheit 18 zur bedarfsgerecht eingestellten Darstellung gebracht.
• In 2 ist ein Schaltbild mit Einheiten einer Einrichtung 19 zur Verfahrensrealisierung des kombinierten Bildgebungsverfahrens B₀ dargestellt. Diese Einheiten umfassen eine Steuereinheit 16 mit einer Recheneinheit 17 und eine Anzeigeeinheit 18.
• Das erste Bildgebungsverfahren B₁ wird mit Hilfe eines hochauflösenden Röntgengeräts, erkennbar an dem dargestellten C-Bogen 20, durchgeführt, welches während eines Eingriffes zur Anwendung kommt. Erganzend oder alternativ können weitere Bildgebungsverfahren B'₁, B''₁ zur Anwendung kommen, beispielsweise durch ein CT-Gerät 21 bzw. durch ein MR-Gerät 22. Auch können bereits getätigte Bildaufnahmen über einen Datenzugriff herangezogen werden.
• Das zweite Bildgebungsverfahren B₂ wird mit Hilfe eines Ultraschallgerätes 23 durchgeführt. Mit Hilfe der Steuereinheit 16 und der Recheneinheit 17 werden die Bilddaten aus den beiden Bildgebungsverfahren B₁ und B₂ miteinander kombiniert, wodurch das kombinierte Bildgebungsverfahren B₀ realisiert wird. Bilddaten des kombinierten Bildgebungsverfahrens 30 werden auf der Anzeigeeinheit 18 zur Anzeige gebracht.
• Aus 3 wird das kombinierte Bildgebungsverfahren noch einmal verdeutlicht. Man erkennt auf Bild 40 eine hochauflösende CT-Schichtaufnahme im Thoraxbereich eines Patienten. Mittels eines Ultraschallgebers 41 werden nun Echos aus unterschiedlichen Tiefen an unterschiedlichen Organ- bzw. Gewebestrukturen empfangen. Der Abstand der erwarteten Echos bei einer entsprechenden Ultraschallaufnahme desselben Körpergebiets ist in Bild 42 verdeutlicht. In Realität hat sich jedoch der Abstand der oberen Echos entsprechend Bild 43 verkürzt. Aus dieser Verkürzung der empfangenen Ultraschallechos wird mittels einer parametrisierten Interpolation eine gegenüber der tatsächlichen Aufnahme verzerrte angepasste hochauflösende Bildaufnahme gemäß Bild 44 berechnet, die dann in Echtzeit während einer Untersuchung angezeigt wird.
• Bezugszeichenliste

1

erster Verfahrensschritt

2

zweiter Verfahrensschritt

3

dritter Verfahrensschritt

4

vierter Verfahrensschritt

5

fünfter Verfahrensschritt

6

sechster Verfahrensschritt

7

siebter Verfahrensschritt

8

achter Verfahrensschritt

9

neunter Verfahrensschritt

10

zehnter Verfahrensschritt

11

elfter Verfahrensschritt

12

zwölfter Verfahrensschritt

13

dreizehnter Verfahrensschritt

14

vierzehnter Verfahrensschritt

15

fünfzehnter Verfahrensschritt

16

Steuereinheit

17

Recheneinheit

18

Anzeigeeinheit

19

Einrichtung zur Durchführung eines kombinierten Bildgebungsverfahrens

20

C-Bogen

21

CT-Gerät

22

MR-Gerät

23

Ultraschallgerät

40

Bild

41

Ultraschallgeber

42

Bild

43

Bild

44

Bild

B₀

kombiniertes Bildgebungsverfahren

B₁

erstes Bildgebungsverfahren

B'₁

weiteres Bildgebungsverfahren

B''₁

noch ein weiteres Bildgebungsverfahren

B₂

zweites Bildgebungsverfahren

t

Zeitachse

t₀

nullter Zeitschritt

t₁

erster Zeitschritt

t_i

i-ter Zeitschritt

t_N

N-ter Zeitschritt

dt

Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitschritten

Dt

Zeitintervall zwischen den Zeitschritten t_N und t₀

V₀

Volumenmodell zum Zeitschritt t₀

V_N

Volumenmodell zum Zeitschritt t_N

{b_j}

erster Schnittbild-Datensatz

{ú_k}

virtueller Bilddatensatz

dV_i

bewegtes Volumenmodell zum Zeitschritt t_i

dV_N

bewegtes Volumenmodell zum Zeitschritt t_N

u_i

Bildaufnahme zum Zeitschritt t_i

u_N

Bildaufnahme zum Zeitschritt t_N

Claims (10)

1. Kombiniertes Bildgebungsverfahren (B₀), wobei – mit einem ersten Bildgebungsverfahren (B₁) erste Bildaufnahmen erstellt werden, ein Volumen abgebildet und ein Volumenmodell (V₀, V_N) erstellt wird, – mit einem zweiten Bildgebungsverfahren (B₂) zweite Bildaufnahmen (u_i) in Echtzeit erstellt werden, – mit Hilfe der Echtzeit-Bilddaten (u_i) des zweiten Bildgebungsverfahrens (B₂) eine Echtzeitanpassung der ersten Bildaufnahmen ({b_j}) des ersten Bildgebungsverfahrens (B₁) modelliert wird, wobei aus dem Volumenmodell (V₀, V_N) virtuelle Bilddaten ({ú_k}) generiert werden, die mit den Echzeit-Bilddaten (u_i) vergleichbar sind, – durch einen Vergleich der virtuellen Bilddaten ({ú_k}) mit einem zu einem Zeitpunkt (t_i) korrespondierenden realen Echtzeit-Bilddatensatz (u_i) aus der Abweichung der auflösbaren Bildpunkte des Echtzeit-Bilddatensatzes (u_i) von den jeweils korrespondierenden Bildpunkten eines geeigneten Teildatensatzes der virtuellen Bilddaten ({ú_k}) eine Koordinatentransformation mit der Auflösung des zweiten Bildgebungsverfahrens (B₂) ermittelt wird, welche das Volumenmodell (V₀) in ein angepasstes Volumenmodell (dV_i) zu diesem Zeitpunkt (t_i) überführt, und – das angepasste Volumenmodell (dV_N) eines Zeitpunktes (t_N) mit einem für diesen Zeitpunkt (t_N) erstellten Volumenmodell (V_N) aus dem ersten Bildgebungsverfahren (B₁) verglichen wird, und aus dem Grad der Übereinstimmung der Bilddaten die Wiederholungsrate (D_t) für die Bildaufnahme mit dem ersten Bildgebungsverfahren (B₁) redefiniert wird.
2. Kombiniertes Bildgebungsverfahren (B₀) nach Anspruch 1, wobei mit dem ersten Bildgebungsverfahren (B₁) als erste Bildaufnahmen hochauflösende Bildaufnahmen ({b_j}) erstellt werden.
3. Kombiniertes Bildgebungsverfahren (B₀) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mit dem ersten Bildgebungsverfahren (B₁) – eine Anzahl von zweidimensionalen Schnittbildern ({b_j}) des Volumens gewonnen wird, und – aus den Schnittbildern ({b_j}) das Volumenmodell (V₀, V_N) erstellt wird.
4. Kombiniertes Bildgebungsverfahren (B₀) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem angepassten Volumenmodell (dV_i) die Darstellung und insbesondere die Auflösung des ersten Bildgebungsverfahrens (B₁) konstruiert wird, indem die Bildpunkte des ersten Bildgebungsverfahrens (B₁) zwischen den vorhandenen Bildpunkten durch Interpolation erzeugt werden.
5. Kombiniertes Bildgebungsverfahren (B₀) nach Anspruch 4, wobei ein mechanisches Modell hinterlegt wird, durch welches die Interpolation von Bildpunkten im angepassten Volumenmodell (dV_i) parametrisiert wird.
6. Kombiniertes Bildgebungsverfahren (B₀) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verfahrenschritte (1, ... 15) in zyklischen Wiederholungen durchgeführt werden, insbesondere mit einer für eine Echtzeitdarstellung des angepassten Volumenmodells (dV_i) hinreichend hohen Wiederholungsrate und Verarbeitungsgeschwindigkeit.
7. Kombiniertes Bildgebungsverfahren (B₀) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zu vorgebbaren Zeitpunkten (t₀, t_N) mit dem ersten Bildgebungsverfahren (B₁) die ersten Bildaufnahmen gewonnen werden.
8. Kombiniertes Bildgebungsverfahren (B₀) nach Anspruch 7, wobei unter Hinzunahme der jeweils aktuellen Bilddaten ({ú_k}) aus dem ersten Bildgebungsverfahren (B₁) das angepasste Volumenmodell (dV_i) neu berechnet wird.
9. Kombiniertes Bildgebungsverfahren (B₀) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das angepasste Volumenmodell (dV_i) in Echtzeit in einer vorgebbaren bildlichen Darstellung angezeigt wird.
10. Einrichtung (19) zum Durchführen eines kombinierten Bildgebungsverfahrens (B₀) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend – eine erste Vorrichtung (20, 21, 22) zur Bereitstellung erster Bildaufnahmen ({b_j}) eines ersten Bildgebungsverfahrens (B₁), – eine zweite Vorrichtung (23) zur Erstellung von Bildaufnahmen (u_i) geringerer Auflösung in Echtzeit mittels eines zweiten Bildgebungsverfahrens (B₂), – eine Recheneinheit (17) zur Verarbeitung und Kombination von Bilddaten, – eine mit der ersten und mit der zweiten Vorrichtung (20, 21, 22, 23) sowie mit der Recheneinheit (17) verbundene Steuereinheit (16) zur Modellierung einer Echtzeitanpassung der ersten Bildaufnahmen ({b_j}) des ersten Bildgebungsverfahrens (B₁) mit Hilfe der Echtzeit-Bilddaten (u_i) des zweiten Bildgebungsverfahrens (B₂) durch eine entsprechende Steuerung der Recheneinheit (17), und – eine Anzeigeeinheit (18) zur Darstellung der angepassten ersten Bildaufnahmen.

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