DE102007025344B4

DE102007025344B4 - Verfahren zur gekoppelten Bilddarstellung mindestens eines im Herzbereich eines Patienten eingebrachten medizinischen Instruments im Rahmen einer kardiologischen Untersuchung oder Behandlung

Info

Publication number: DE102007025344B4
Application number: DE102007025344.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Meyer; Norbert Rahn
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2027-06-01
Also published as: DE102007025344A1

Abstract

Verfahren zur gekoppelten Bilddarstellung mindestens eines im Herzbereich eines Patienten eingebrachten medizinischen Instruments im Rahmen einer kardiologischen Untersuchung oder Behandlung, mit folgenden Schritten: a) Aufnahme eines 3D-Volumenbildes des Herzbereichs, b) Aufnahme mehrerer 2D-Angiogramme des Herzbereichs, wobei in zumindest einem 2D-Angiogramm das mindestens eine Instrument gezeigt wird und in den Angiogrammen verschiedene durch Kontrastmittelinjektion hervorgehobene kardiologische Gefäße (P) visualisiert werden, c) Zusammensetzen der Angiogramme zu einem 2D-Angiogramm unter Berücksichtigung von ermittelbarer Bewegungen einer für die Untersuchung oder Behandlung verwendeten Patientenliege, d) Durchführen einer Registrierung des 2D-Angiogramms mit dem 3D-Volumenbild und e) Überlagerte Darstellung des 2D-Angiogramms mit dem 3D-Volumenbild auf einer Visualisierungsebene insbesondere an einem Bildschirm.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gekoppelten Bilddarstellung mindestens eines im Herzbereich eines Patienten eingebrachten medizinischen Instruments, insbesondere eines Katheters, im Rahmen einer kardiologischen Untersuchung oder Behandlung.
In zunehmendem Maße erfolgen Untersuchungen oder Behandlungen eines erkrankten Patienten minimal-invasiv, d. h. mit möglichst geringem operativen Aufwand. Als Beispiel sind Behandlungen mit Endoskopen, Laparoskopen oder Kathetern zu nennen, die jeweils über eine kleine Körperöffnung in den Untersuchungsbereich des Patienten eingeführt werden. Katheter kommen häufig im Rahmen kardiologischer Untersuchungen zum Einsatz, beispielsweise bei einem Vorhofflimmern des Herzens, das heutzutage durch so genannte Ablations-Prozeduren behandelt werden kann. Hierbei wird ein Katheter unter Röntgenkontrolle, also bei Aufnahme von Durchleuchtungsbildern über Venen oder Arterien in eine Herzkammer geführt. Während einer Ablations-Prozedur zur Therapie eines Vorhofflimmerns im Bereich des Herzens ist es hilfreich, den Ablations-Katheter relativ zur dreidimensionalen Morphologie des linken Herzvorhofs zu visualisieren, da diese Ablations-Prozedur hauptsächlich anhand der Morphologie des linken Herzvorhofs und weniger anhand elektro-physiologischer Kriterien durchgeführt wird.
Dabei kann die Position des Ablations-Katheters durch eines der folgenden Vorgehensweisen bestimmt werden:

1. Durch Einsatz eines elektro-anatomischen Mapping-Systems (Zum Beispiel CARTO-SYSTEM von Biosense Webster [2]). Für dieses Verfahren sind kostenintensive Spezialkatheter erforderlich. Außerdem sind nur Katheter, die mit Positionssensoren ausgestattet sind, visualisierbar.
2. Durch bildbasierte Katheter-Detektion aus mindestens zwei, aus verschiedenen Angulationen aufgenommenen Durchleuchtungsbildern. Eine bildbasierte Detektion ist nicht zu 100% erfolgreich, da zwei Durchleuchtungsbilder für die Bestimmung der dreidimensionalen Position bzw. Orientierung erforderlich sind, kann dieses Verfahren nur für ein so genanntes Biplan-Röntgensystem genutzt werden.

Aus der US 2007/0100223 A1 ist eine Darstellung für eine kardiologische Katheternavigation bekannt. Sie umfasst die Darstellung eines zweidimensionalen Bildes des Herzen inklusive eines Katheters. Dabei wird das zweidimensionale Bild mit einem dreidimensionalen Bild des Herzens registriert und dabei das zweidimensionale Bild eingeblendet. Zusätzlich wird der Katheter aus dem 2D-Bild extrahiert und in das 3D-Bild eingefügt.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Registrierung zur gekoppelten 2D-3D-Bilddarstellung zu verbessern.
Eine Lösung des Problems wird in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen gekennzeichnet.
Ein Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren der eingangs genannten Art mit folgenden Schritten:

a) Aufnahme eines 3D-Volumenbildes des Herzbereichs,
b) Aufnahme mehrerer 2D-Angiogramme des Herzbereichs, wobei in zumindest einem 2D-Angiogramm das mindestens eine Instrument gezeigt wird und in den Angiogrammen verschiedene durch Kontrastmittelinjektion hervorgehobene kardiologische Gefäße (P) visualisiert werden,
c) Zusammensetzen der Angiogramme zu einem 2D-Angiogramm unter Berücksichtigung von ermittelbarer Bewegungen einer für die Untersuchung oder Behandlung verwendeten Patientenliege,
d) Durchführen einer Registrierung des 2D-Angiogramms mit dem 3D-Valumenbild und
e) Überlagerte Darstellung des 2D-Angiogramms mit dem 3D-Volumenbild auf einer Visualisierungsebene insbesondere an einem Bildschirm.

Die oben genannten Schritt b), c), d) und/oder e) können insbesondere dann wiederholt werden, wenn zwischenzeitlich eine Bewegung des Patienten bzw. Durchbiegung des Patiententisches erfolgt, wohingegen Bewegungen des Patiententisches erfassbar sind und somit direkt in Schritt c) bzw. d) behandelt werden können.
Dabei handelt es sich bei dem kardiologisches Gefäß vorzugsweise um eine Pulmonalvene. Der interessierende Herzbereich umfasst den linken Herzvorhof. Das zumindest eine 2D-Angiogramm wird intraoperativ aufgenommen, wobei bei mehreren Angiogrammen diese zu einem einzigen 2D-Bild zusammengesetzt sein können. In das Zusammensetzen von Angiogrammen kann im Fall von Bewegungen der Patientenliege die erfassbare Bewegung der Patientenliege einfliessen.
Das 3D-Volumenbild kann präoperativ oder intraoperativ aufgenommen werden.
Bei dem 3D-Volumenbild kann es sich um 3D-Volumendaten handeln, die zum Beispiel von einem Computertomographen, einem Magnetresonanzsystem oder von einem C-Bogen-Röntgensystem (Cardiac Dyna CT) – wie es beispielsweise in [1] beschrieben ist – aufgenommen werden.
Zu einer gleichzeitigen Kontrastierung des kardiologischen Gefäßes kann vorzugsweise ein verästelter Infektionskatheter verwendet werden, um eine maximale Anzahl an kardiologischen Gefäßen während einer 2D-Angiogrammaufnahme zu kontrastieren.
Es ist vorteilhaft, zumindest einen Teil aus dem Herzbereich, insbesondere den Herzvorhofbereich, aus dem 3D-Volumenbild zu segmentieren.
Die oben genannte Registrierung kann bildbasiert oder markerbasiert durchgeführt werden.
Die Registrierung kann auch derart durchgeführt werden, dass eine Projektion der Oberflächenkonturen des segmentierten 3D-Volumenbildes in das 2D-Angiogramm, aus dem zumindest derselbe Teil aus dem Herzbereich, insbesondere der linke Herzvorhofbereich, segmentiert wird, in einer maximalen Übereinstimmung der Oberflächenkonturen resultiert. Dabei werden die Abstände der korrespondierenden Oberflächenkonturen minimiert.
Es ist günstig, die Angiogramme in derselben Herzphase aufzunehmen, in der das 3D-Volumenbild aufgenommen wurde. Dies kann beispielsweise durch eine EKG-getriggerte Durchleuchtung oder durch ein so genanntes retrospektives Gating der Angiogramme erreicht werden.
Desweiteren kann bei der überlagerten Darstellung der segmentierte Herzbereich parallel zur Visualisierungsebene aufgeschnitten visualisiert werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine medizinische Vorrichtung, insbesondere ein Untersuchungs- und/oder Behandlungsgerät, ausgebildet zur Durchführung des oben genannten Verfahrens.
Die Erfindung weist folgende Vorteile auf:

– Durch die erfindungsgemäße 2D-3D-Registrierung können der Ablationskatheter und beliebig viele weitere während der Prozedur verwendete Katheter mit dem 3D-Volumenbild bzw. einer aus dem 3D-Volumenbild segmentierten Oberfläche einer Herzkammer überlagert werden. Spezielle Katheter, beispielsweise mit Positions-/Orientierungssensoren ausgestattet (zum Beispiel wie eingangs erwähnt das CARTO-System) oder eine bildbasierte Katheterdetektion sind hierfür nicht erforderlich.
– Durch Verwendung von kardiologischen Gefäß-Angiogrammen, insbesondere Pulmonalvenen-Angiogrammen, für die 2D-3D-Registrierung wird vermieden, dass die 2D-3D-Registrierung anhand von statischen Strukturen (zum Beispiel Wirbelsäule) durchgeführt wird. Die Verwendung von statischen Strukturen bringt den Nachteil mit sich, dass sich durch Patientenpositionierung/-bewegung die Position des Herzens relativ zu diesen statischen Strukturen unkontrollierbar verändern kann.

Daher handelt es sich bei der Erfindung um eine zuverlässige 2D-3D-Registrierung speziell ausgestaltet für Vorhofflimmer-Prozeduren.
Im Folgenden wird die Erfindung durch ein Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt die Zeichnung:
1 ein Pulmonalvenen-Angiogramm der rechten oberen Pulmonalvene,
2 eine Visualisierung von 3D-Volumenbilddaten (CT Computertomograph),
3 ein Segmentierungsergebnis: extrahierte Oberfläche aus 3D-Volumenbilddaten (aus CT-Volumen), und
4 eine erfindungsgemäße überlagerte Darstellung des mindestens einen 2D-Angiogramms mit dem 3D-volumenbild.
1 zeigt ein Pulmonalvenen-Angiogramm, in dem eine kontrastierte rechte obere Pulmonalvene P wiedergegeben wird. Des Weiteren ist in 1 ein Katheter K zur selektiven Kontrastmittelinjektion in die rechte obere Pulmonalvene zu sehen. Zusätzlich ist in der Figur der linke Herzvorhof LH und ein weiterer Katheter KC im Koronar-Sinus zu sehen. Auf 2 und 3 wird im Folgenden Ausführungsbeispiel verwiesen.
4 zeigt eine erfindungsgemäße überlagerte Darstellung des mindestens einen 2D-Angiogramms mit dem 3D-Volumenbild, wobei dieselben Bezugszeichen wie in 1 verwendet werden.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Konzept für die 2D-3D-Registrierung von 2D-Angiogrammen bzw. 2D-Röntgen-Durchleuchtungsbildern mit einem 3D-Volumenbild (CT, MR Cardiac DynaCT [1]) beschrieben. Die Anwendung bezieht sich speziell auf elektrophysiologische Ablationsprozeduren zur Therapie des Vorhofflimmerns. Dabei wird ein Live-2D-Durchleuchtungsbild, das den Ablationskatheter visualisiert, einem 3D-Volumenbilddatensatz, der eine dreidimensionale Visualisierung des linken Herzvorhofs wiedergibt, überlagert.
Unter 3D-Volumen werden dabei entweder präprozedurale bzw. -operative dreidimensionale Bilddaten (z. B. CT, MR = Magnetresonanz) oder intraprozedural bzw. -operativ aufgenommene Bilddaten (z. B. Röntgenrotationsangiographie bzw. DynaCT [1]) verstanden. 2 zeigt eine Visualisierung eines CT-Volumendatensatzes.
Im Folgenden werden unterschiedliche Fallkonstellationen beschrieben:
Fall 1: 3D-Volumenbild wurde präprozedural aufgenommen (CT/MR):

1.1. 3D-3D-Registrierung mit vorheriger Cardiac DynaCT-Aufnahme. Liegt sowohl eine präprozedurale CT-Aufnahme als auch eine intraprozedurale Cardiac DynaCT-Aufnahme (siehe [1]) vor, kann eine 3D-3D-Registrierung der beiden aufnahmen durchgeführt werden. Nach dieser ermittelten 3D-3D-Registrierung ist die Lage der CT-Aufnahme relativ zum C-Bogen-Koordinatensystem bekannt. Die 2D-Durchleuchtungsbilder können wahlweise dem Cardiac DynaCT oder dem CT-Volumenbild überlagert werden. Nach durchgeführter 3D-3D-Registrierung geht die Registrierung in das im Fall 2 geschilderte Verfahren über.
1.2. Direkte 2D-3D-Registrierung (2D-Durchleuchtungsbild und präoperatives 3D-Volumenbild)

Variante 1:

– Es werden n (beispielsweise vier) Pulmonalvenen nacheinander durch selektive Kontrastmittelinjektion in den linken Herzvorhof (oder wahlweise in die rechte und die linke Seite über Doppelinjektion) als n 2D-Angiogramme visualisiert. 1 zeigt ein 2D-Angiogramm der oberen rechten Pulmonalvene P.
– Im Fall gleichzeitiger Doppelinjektion kann die Anzahl der 2D-Angiogramme verringert werden. Es ist möglich, durch Kontrastmittelinjektion mit Hilfe eines ”fein verästelten” Katheters und mit Hilfe eines leistungsstarken Injektors alle Pulmonalvenen in einem einzigen 2D-Angiogramm zu visualisieren.
– Es wird ein einziges 2D-Bild aus diesen n Angiogrammen zusammengesetzt (falls erforderlich unter Berücksichtigung von Verschiebungen der Patientenliege). Die Zusammensetzung erfolgt durch einfache Überlagerung (Aufsummierung und anschließende Normierung) der Pixel-Grauwerte der n einzelnen Angiogramme.
– 2D-3D-Registrierung von zusammengesetztem Angiogramm mit dem 3D-Volumenbild.
– Alternative 1: Bildbasierte (grauwert-basierte) Registrierung Die bildbasierte Registrierung kann auf den 3D-Volumenbilddaten bzw. auf einem Segmentierungsergebnis des linken Herzvorhofs ausgeführt werden. Bzgl. Vorhof-Segmentierung: Die Segmentierung liefert ein Oberflächenmodell. Anschließend wird ein neuer Voxel-Datensatz erzeugt, der innerhalb des Oberflächenmoduls die Original-Voxel und außerhalb den Wert 0 enthält (Wert 0 steht für Bildhintergrund). In einer Optimierungsschleife werden aus den 3D-Volumendaten durch Anwendung von Freiheitsgraden der Projektionsgenometrie 2D-DRRs (Digital Reconstructed Radiogram) berechnet und mit dem 2D-Bild anhand eines Gütmaßes (wie z. B. Mutual Information oder Korrelation) verglichen. Danach werden die optimalen Freiheitsgrade der Projektionsgeometrie und der 2D-3D-Registrierung ermittelt.
– Alternative 2: 2D-3D-Registrierung anhand von Oberflächen-Konturen Sowohl die 3D-Volumendaten als auch das zusammengesetzte 2D-Angiogramm werden segmentiert. Anstelle von Grauwert-DRRs (siehe Alternative 1) werden nur die Oberflächen-Konturen des 3D-Segmentierungsergebnisses in ein 2D-Bild projiziert und dann in einer Optimierungsschleife die Freiheitsgrade der Projektionsgeometrie und damit der 2D-3D-Registrierung ermittelt, indem die Abstände der beiden Oberflächen-Konturen minimiert werden.
– Alternative 3: 2D-3D-Registrierung anhand von Landmarken Da im zusammengesetzten 2D-Angiogramm (sowie im segmentierten 3D-Volumenbild) durch die Verzweigungen der Pulmonalvenen ausreichend viele anatomische Landmarken identifiziert werden können, ist auch eine Landmarken-basierte 2D-3D-Registrierung von zusammengesetztem Angiogramm mit segmentierten 3D-Volumenbild möglich.

Das Live-Durchleuchtungsbild, das insbesondere den Ablationskatheter visualisiert, kann mit folgenden Varianten der 3D-Visualisierung, die die dreidimensionale Morphologie des Herzens wiedergibt, überlagert werden:

– Originales 3D-Volumen (siehe 2)
– Segmentierte Herzkammer (siehe 3)
– Aufgeschnittene segmentierte Herzkammer

Variante 2:

– Eine Pulmonalvene wird durch kontrastmittelinjektion visualisiert und per 2D-3D-Registrierung mit dem 3D-Volumenbild registriert.
– Das Registrierungsergebnis wird als Startwert für eine folgende 2D-3D-Registrierung verwendet, bei der die zweite Pulmonalvene durch Kontrastmittelinjektion visualisiert wird, etc.. Nach der n-ten Registrierung (für n Pulmonalvenen) liegt das Ergebnis der 2D-3D-Registrierung vor.

Variante 3:

– Alle Pulmonalvenen werden via Kontrastmittelinjektion visualisiert und als n Angiogramme abgespeichert.
– Es wird diejenige 2D-3D-Registrierung berechnet, die mit allen Angiogrammen insgesamt hinsichtlich eines Gütemaßes (wie z. B. Mutual Information oder Korrelation) die beste Registrierung liefert.

Fall 2: Bei dem 3D-Volumenbild handelt es sich um Cardiac DynaCT-Daten [1]
Da in diesem Fall sowohl das 2D-Durchleuchtungsbild als auch das 3D-Volumenbild im Koordinatensystem des C-Bogen-Röntgensystems vorliegen, ist im Prinzip keine 2D-3D-Registrierung erforderlich. Allerdings ist eine 2D-3D-Registrierung durchzuführen, wenn Patientenbewegung oder nicht erfassbare Bewegungen (wie z. B. Durchbiegung) des Patiententisches zwischen 3D-Aufnahme und Aufnahme der 2D-Durchleuchtungsbilder auftreten. In diesem Fall können die unter ”Fall 1” beschriebenen 2D-3D-Registrierungsschritte mit Hilfe von 2D-Angiogrammen Anwendung finden, um Registrierungs-Updates durchzuführen.
Es ist für alle vorstehend genannten Fälle/Varianten vorteilhaft, die Angiogramme in derselben Herzphase aufzunehmen, in der das 3D-Volumenbild aufgenommen wurde. Dies kann durch EKG-getriggerte Durchleuchtung oder durch ein so genanntes retrospektives Gating der Angiogramme erreicht werden.
Referenzen:

[1] DE 10 2005 016 472 A1
[2] http://www.biosensewebster.com/products/navigation/cartoxp.aspx

Claims

Verfahren zur gekoppelten Bilddarstellung mindestens eines im Herzbereich eines Patienten eingebrachten medizinischen Instruments im Rahmen einer kardiologischen Untersuchung oder Behandlung, mit folgenden Schritten: a) Aufnahme eines 3D-Volumenbildes des Herzbereichs, b) Aufnahme mehrerer 2D-Angiogramme des Herzbereichs, wobei in zumindest einem 2D-Angiogramm das mindestens eine Instrument gezeigt wird und in den Angiogrammen verschiedene durch Kontrastmittelinjektion hervorgehobene kardiologische Gefäße (P) visualisiert werden, c) Zusammensetzen der Angiogramme zu einem 2D-Angiogramm unter Berücksichtigung von ermittelbarer Bewegungen einer für die Untersuchung oder Behandlung verwendeten Patientenliege, d) Durchführen einer Registrierung des 2D-Angiogramms mit dem 3D-Volumenbild und e) Überlagerte Darstellung des 2D-Angiogramms mit dem 3D-Volumenbild auf einer Visualisierungsebene insbesondere an einem Bildschirm.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte b), c), d) und/oder e) des Anspruchs 1 während der Untersuchung oder Behandlung wiederholt werden können.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das 3D-Volumenbild präoperativ aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das 3D-Volumenbild intraoperativ aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Herzbereich den linken Herzvorhof (LH) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein kardiologisches Gefäß zumindest eine Pulmonalvene (P) repräsentiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als medizinisches Instrument ein Katheter (K) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer gleichzeitigen Kontrastierung der kardiologischen Gefäße (P) ein verästelter Injektionskatheter (K) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil aus dem Herzbereich, insbesondere der linke Herzvorhofbereich (LH) aus dem 3D-Volumenbild segmentiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Registrierung derart durchgeführt wird, dass eine Projektion der Oberflächenkonturen des segmentierten 3D-Volumenbildes in das 2D-Angiogramm, aus dem zumindest derselbe Teil aus dem Herzbereich, insbesondere der linke Herzvorhofbereich (LH), segmentiert wird, in einer maximalen Übereinstimmung der Oberflächenkonturen resultiert, wobei die Abstände der korrespondierenden Oberflächenkonturen minimiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Registrierung bildbasiert durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Registrierung markerbasiert durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine 2D-Angiogramm in derselben Herzphase aufgenommen wird, in der das 3D-Volumenbild aufgenommen worden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der überlagerten Darstellung der segmentierte Herzbereich parallel zur Visualisierungsebene aufgeschnitten visualisiert wird.