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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur kombinierten dreidimensionalen
(3-D)Bilddarstellung sowohl eines im Herzbereich eines Patienten
eingebrachten medizinischen Instruments, insbesondere eines Katheters,
als auch elektrophysiologischer Daten, ebenso wie die Lage der Ablations-
und Mappingpunkte, im Rahmen einer kardiologischen Untersuchung
oder Behandlung.
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In
der Elektrophysiologie werden immer häufiger Herzrhythmusstörungen
(Arrhytmien) durch Kathetherablationstechniken behandelt. Hierbei
ist es für den untersuchenden Arzt essentiell die Position des
Katheters innerhalb des Herzens zu bestimmen um sich räumlich
exakt orientieren zu können. Der Arzt muss jederzeit während
der Untersuchung die Lage des Katheters und die Stellen im Herzen,
an denen eine Ablation vorgenommen wird, verifizieren können.
Der minial invasive Eingriff der Katheterablation wird mittels mehrerer
Ablationssequenzen als Gewebeverödung appliziert. Es kommt
jedoch häufig vor, dass nach dem Setzen einer linearen
oder kreisförmigen Läsion Lücken bleiben,
die zur erfolgreichen Therapie nachträglich geschlossen
werden müssen.
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Die
Position der Katheter im Herzen, die für die elektrophysiologische
Untersuchung (EPU) benötigt werden, können am
einfachsten durch Nutzung einer monoplanen oder biplanen Durchleuchtungsanlage
dargestellt werden. Der Nachteil dieser Methode besteht jedoch in
der zweidimensionalen Natur des Röntgenprojektionsbildes.
Damit geht die dritte Dimension des Raumes verloren, was auch mit
einer biplanen Durchleuchtung nicht vollständig auszugleichen
ist, da die dreidimensionale Position des Katheters im Herzen nun
imaginär durch den Untersucher aus den zwei Projektionsbildern
zusammengesetzt werden muss. Ein weitere Nachteil dieser Methode liegt
in der Tatsache begründet, dass die blutgefüllte Struktur
des Herzens sich in der Durchleuchtung nicht oder nur sehr schlecht
abbildet, sodass der Untersucher ganz auf Veränderungen
in der Form des Katheters bzw. der Auswirkung der Herzwandbewegung
auf die Bewegung des Katheters angewiesen ist, um sich visuell über
die momentane Position des Katheters zu informieren.
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Deswegen
sind seit einiger Zeit dreidimensionale so genannte „Mapping"-Systeme
auf dem Markt, die entweder auf dem Prinzip der Messung von magnetische
Feldern oder auf dem Prinzip der Impedanzmessung beruhen. Zu diesen
modernen Mappingverfahren zählen das elektroanatomische Mapping
(Carto), Non-contact-Mapping (Ensite), multipolares Basket-Mapping
sowie die 3D-Lokalisation intrakardialer Elektroden (Localisa).
Mit Hilfe dieser Systeme kann die Katheterposition in 3-D dargestellt
werden, sowie ein so genanntes Mapping (d. h. die kartographische
Darstellung der elektrischen Erregungsleitung im Herzen) der Strukturen
des Herzens erstellt werden. Weiterhin können diese Systeme
die Ausbreitung der elektrischen Erregung im Herzen oder die elektrisch
Spannung als Funktion des Ortes im Raum farbcodiert darstellen,
sowie Ablationspunkte einzeichnen.
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Im
nachfolgenden werden die bekannten Mapping-Systeme kurz erläutert.
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Das
elektroanatomische Mapping mit dem Carto-System basiert auf elektromagnetischen
Prinzipien. Unter dem Untersuchungstisch werden drei verschiedene
magnetische Wechselfelder geringer Intensität aufgebaut.
Mittels integrierter elektromagnetischer Sensoren an der Katheterspitze
ist es möglich, die durch Katheterbewegungen induzierten Spannungsänderungen
innerhalb des Magnetfeldes zu messen und mit Hilfe mathematischer
Algorithmen zu jedem Zeitpunkt die Position des Mappingkatheters
(mit einer Genauigkeit von ca. 1 mm) zu errechnen. Durch die Erfassung
der Anatomie einer Herzhöhle durch Abtasten der endokardialen
Kontur mit dem Mappingkatheter und der simultanen Registrierung
der elektrischen Signale entsteht eine elektroanatomische Landkarte
(elektroanatomisches Map).
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Das
Non-Contact-Mapping mit dem Ensite-System beruht auf anderen Prinzipien.
Dies ist ein simultanes Mappingverfahren mit gleichzeitiger Erfassung
von über 3000 "virtuellen" Elektrogrammen. Der dabei verwendete
Multielektrodenkatheter hat dabei keinen direkten Kontakt zur Herzwand.
Ermöglicht wird dies durch die Registrierung von Spannungsänderungen
bei der endokardialen Depolarisation. Ein feines Kupferdrahtgeflecht
mit insgesamt 64 Polen, montiert auf einen 8,5 French (F) Ballon
erfasst diese Spannungsänderungen, die über ein kompliziertes
mathematisches Verfahren auf einer Computerworkstation als unipolare
Elektrogramme mit farbkodierten dreidimensionalen Erregungsfronten
dargestellt werden.
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Das
multipolare Basket-Mapping stellt ein weiteres simultanes Mapping-Verfahren
dar und wird primär zur Diagnostik von Vorhofrhythmusstörungen eingesetzt.
Durch korbförmiges Aufspannen von sehr elastischen selbstexpandierenden
Elektrodenträgern (Splines) aus Nickel-Titanium, die sich
dem Endokard anlegen, können über 64 Platin-Iridium-Elektroden
bis zu 56 bipolare Elektrogramme aufgezeichnet werden.
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Das
3D-Lokalisationsverfahren intrakardialer Elektroden (Lokalisa) erlaubt
durch Messung der Impedanz eines schwachen elektrischen Stroms (nach externer
kutaner Applikation) eine dreidimensionale Positionsbestimmung konventioneller
Elektroden.
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Systeme
dieser Art erfordern aber in den elektrophysiologischen Untersuchungsräumen
zusätzlichen Aufwand über die sowieso vorhandene Durchleuchtungsanlage
hinaus. Dadurch entstehen während einer elektrophysiologischen
Prozedur neben der längeren Untersuchungsdauer zusätzlich
finanzieller Aufwand für die speziellen Katheter oder sonstiges
weiterführendes Verbrauchsmaterial.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt nun das Problem zugrunde, ein Verfahren
anzugeben, bei dem elektrophysiologische Daten in das 3D-Volumenbild
des Herzens eingeblendet werden können und gleichzeitig
die genaue dreidimensionale räumliche Orientierung eines
Katheters im Herzen bestimmt werden kann unter Nutzung der vorhandenen Durchleuchtungsanlage,
im Rahmen einer kardiologischen Untersuchung oder Behandlung.
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Zur
Lösung dieses Problems ist ein Verfahren mit folgenden
Schritten vorgesehen:
- a) Erzeugen eines 3D-Volumenbildes
der Struktur des Herzens,
- b) Registrieren des 3D-Volumenbildes bezüglich der
Koordinaten eines Biplan-Systems,
- c) Bestimmen der dreidimensionalen räumlichen Orientierung
eines Katheters mittels der Rückprojektion des Katheters
aus zwei Röntgenprojektionen eines Biplan-Systems und Erzeugen
von elektrophysiologischen Daten,
- d) Einblenden der aktuellen Katheterposition und der elektrophysiologischen
Daten in das 3D-Volumenbild der Struktur des Herzens.
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Somit
basiert dieses Verfahren auf zwei wichtigen Komponenten des Standes
der Technik:
- a) Die durchleuchtungsgestützte
Katheterlokalisierung; und
- b) die registrierte 3D-Darstellung der Struktur des Herzens
zur Durchleuchtung.
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zu a)
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Die
durchleuchtungsgestützte Katheterlokalisierung basiert
auf der Rückprojektion des Katheters aus den zwei Röntgenprojektionen
eines Biplan-Systems. Dabei ist unter dem Biplan-System ein Röntgensystem
zu verstehen, welches es ermöglicht zwei Röntgenbilder
aus unterschiedlichen Richtungen aufzunehmen, beispielsweise durch
zwei C-Bögen. Dadurch ist es möglich den Kathether
anhand der 2D-Durchleuchtungsbilder zu identifizieren und anschließend
anhand der jeweiligen Projek tionsmatrix des jeweiligen 2D-Durchleuchtungsbilds
eine Rückprojektionslinie zu errechnen, wobei die räumliche
Position des Katheters anhand der Rückprojektionslinien
bestimmt wird, und idealerwiese im Schnittpunkt der beiden Projektionslinien
liegt. Aufgrund konstruktiver Gegebenheiten, die dazu führen,
dass die Strahlungquelle und der Strahlungsdetektor in den jeweiligen
Positionen, in denen die Durchleuchtungsbilder aufgenommen werden,
nicht exakt die gleiche Position bezüglich einander einnehmen, kommt
es häufig vor, dass sich die errechneten Rückprojektionslinien
nicht schneiden. In einem solchen Fall erfolgt zweckmäßigerweise
eine rechnerische Positionsermittlung der Gestalt, dass anhand der sich
nicht schneidenden Rückprojektionslinien eine Position
errechnet wird, die den in den 2D-Durchleuchtungsbildern identifizierten
Positionen der Katheterspitze nahe kommt. Hierzu kann beispielsweise ein
beliebiger Punkt im gegebenen Volumen verwendet werden, der im Rahmen
eines Optimierungsprozesses solange in seiner Lage verändert
wird, bis er der identifizierten Position der Katheterspitze in
den 2D-Durchleuchtungsbildern am nächsten kommt. Alternativ
dazu besteht auch die Möglichkeit, als rechnerische Position
die Mitte der gedachten Rückprojektionslinien an der Stelle
ihres minimalen Abstands zu ermitteln. Dabei wird der Ort, d. h.
die rämliche Position und räumliche Orientierung,
des Katheters in 3D bestimmt. Dies ist möglich da das 3-D
Volumensbild sowie die beiden 2D-Durchleuchtungsbilder bezüglich
einander registriert sind, das heißt ihre Koordinatensysteme
sind bezüglich einander über eine Transformationsmatrix
korreliert. Solch ein Verfahren ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 102 10 647 A1 bekannt.
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zu b)
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Die
registrierte 3D-Darstellung der Struktur des Herzens zur Durchleuchtung
kann auf unterschiedlichem Wege erreicht werden. Zum einen kann die
3D-Aufnahme des Herzens vor der Prozedur, d. h. präprozedural,
auf einem anderen Scanner (z. B. CT oder MR = Magnetresonanz) erzeugt
werden und dann am Anfang der Prozedur zu der Röntgenanlage bzw.
dem Röntgensystem re gistriert werden, wobei hierin die
unterschiedlichste Verfahren, beispielsweise eine 2D–3D-Registrierung
oder eine 3D–3D-Registrierung, zum Einsatz kommen können.
Weiterhin kann die 3D-Darstellung direkt am Interventionstisch mit
Hilfe der Rotationsangiographie und nachfolgender Rekonstruktion
erzeugt werden. Dieses Verfahren ist unter dem Begriff „Cardiac
DynaCT" bekannt. Mit diesem Verfahren ist die Registrierung intrinsisch gegeben
unter der Vorraussetzung, dass sich der Patient nach der Rekonstruktion
während der Prozedur nicht mehr bewegt.
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Eine
2D–3D Registrierung liegt vor, wenn 2D-Röntgen-Durchleuchtungsbilder
mit einem 3D-Volumenbild (CT, MR, Cardiac DynaCT) kombiniert werden.
Liegen sowohl präprozedurale bzw. -operativ aufgenommene
CT oder MR-Bilddaten als auch intraprozedular- bzw. operativ aufgenommene Röntgenrotationsangiographie-Bilddaten
vor, kann eine 3D–3D-Registrierung der beiden Aufnahmen durchgeführt
werden. Allerdings ist eine 2D–3D Registrierung durchzuführen,
wenn Patientenbewegung oder nicht erfasste Bewegung (wie z. B. Durchbiegen)
des Patiententisches zwischen 3D-Aufnahme und Aufnahme der 2D-Durchleuchtungsbilder
auftreten.
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Die
3D-Aufnahme bzw. das 3D-Volumenbild des Herzens kann erfindungsgemäß ein
präprozedural bzw. -operativ gewonnener Datensatz sein.
Das heißt, der Datensatz kann zu einem beliebigen Zeitpunkt
vor der eigentlichen Untersuchung oder Behandlung aufgenommen worden
sein. Verwendbar ist jeder 3D-Bilddatensatz unabhängig
von der verwendeten Aufnahmemodalitat, also beispielsweise ein CT-,
ein MR- oder ein 3D-Röntgenangiographie-Datensatz. Alle
diese Datensätze lassen eine exakte Rekonstruktion des
Herzens zu, so dass dieses anatomisch exakt und hochaufgelöst
dargestellt werden kann. Alternativ besteht die Möglichkeit,
auch einen intraprozedural bzw. -operativ gewonnenen Datensatz in
Form eines 3D-Röntgenagiographie-Datensatzes zu verwenden.
Der Begriff „intraprozedural" bedeutet hierbei, dass dieser
Datensatz in unmittelbar zeitlichen Zusammenhang mit der eigentlichen
Un tersuchung oder Behandlung gewonnen wird, also wenn der Patient
bereits auf dem Untersuchungstisch liegt, jedoch der Katheter noch nicht
gesetzt ist, was aber kurz nach Aufnahme des 3D-Bilddatensatzes
erfolgen wird.
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In
der vorliegenden Erfindung wird sowohl die aktuelle Katheterposition,
welche durch die durchleuchtungsgestützte Katheterlokalisation
ermittelt wurde, als auch die elektrophysiologischen Daten des Herzens
in das 3D-Volumenbild der Struktur des Herzens eingeblendet. Diese
Einblendung kann optional EKG getriggert erfolgen, was bedeutet,
dass entweder für die Einblendung die Bilder der richtigen Herzphase
für die Rückprojektion gewählt werden müssen
oder die Röntgenstrahlung EKG-getriggert in der richtigen
Herzphase ausgelöst werden muss. Die richtige Herzphase
ist die Herzphase, in der die 3D-Volumenbild erzeugt wurde. Idealerweise
wird das Herz während dieses Eingriffes extern stimuliert („Pacing"),
um eine stabile Herzfrequenz und damit eine vorhersagbare Triggerung
der Röntgenstrahlung zu erreichen.
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Sowohl
die Akquisition der Bilddaten kann durch das Pacing-Signal gesteuert,
d. h. getriggert, sein als auch die Rekonstruktion der Bilddaten.
Dies kann dadurch geschehen, dass bei gleichzeitiger Aufnahme des
Pacing-Signals zahlreiche Bilddaten aufgenommen werden, wobei im
Nachhinein die Bilddaten, die während einer bestimmten
Herzphase aufgenommen wurden, zusammengefasst und zu einem 3D-Bilddatensatz
rekonstruiert werden.
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Pacing
ist normalerweise in elektrophysiologischem Untersuchungsraum problemlos
möglich, weil es für viele medizinische Fragestellungen
sowieso gebraucht wird.
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Die
elektrophysiologischen Daten können durch ein EKG, beispielsweise
ein intrakardiales oder extrakardiales EKG, gewonnen werden. Durch
die Ableitung der elektrische Signale im Herzen („Kathetermapping")
können so die Punkte an denen eine Ablation durchgeführt
werden muss, im Rahmen einer kardiolo gischen Untersuchung oder Behandlung, bestimmt
werden. Vorzugsweise wird ein intrakardiales EKG verwendet.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird der elektrophysiologische Messplatz
mit der 3D-Katheterlokalisierung verbunden. Damit ist es möglich
die elektrophysiologischen Daten in das 3D-Volumenbild der Struktur
des Herzens einzublenden bzw. zu übertragen während
gleichzeitig der Katheter lokalisiert werden kann.
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Elektrophysiologische
Mappingsysteme des Standes der Technik sind in der Lage, die Ablationspunkte
farblich kodiert in die elektroanatomische Map einzublenden. Das
in der Erfindung beschriebene System ist in der Lage, diese Information
direkt in das 3D-Volumenbild einzublenden, da in diesem Fall lediglich
die biplan röntgentechnisch ermittelte 3D-Position des
Katheters mit der Information „Ablation ein" aus dem EKG-Messplatz
verknüpft werden muss und dann als Ablationspunkt in das
3D-Volumenbild eingeblendet werden kann. Optional können
auch manuell getriggert alle Positionen der Katheterspitze in der
3D-Rekonstruktion markiert dargestellt werden, z. B. Mapping-Punkte.
Des weiteren ist es möglich die elektrische Signalausbreitung
bzw. die zeitlichen Zusammenhänge der Signalausbreitung
farblich kodiert in das 3D-Volumenbild einzublenden.
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Mit
Hilfe der vorliegenden Erfindung ist es dem untersuchenden Arzt
möglich, die Position des Katheters innerhalb des Herzens
zu bestimmen und sich räumlich exakt zu orientieren sowie
zu wissen, an welcher Stelle im Herzen er Ablationen durchgeführt
hat. Die Erfindung ermöglicht daher nicht nur die Einblendung
der aktuellen Katheterposition in das 3D-Volumenbild sondern auch
die Einblendung von elektrophysiologischen Daten.
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Für
den Arzt ist es besonders vorteilhaft, wenn die kombinierte Bilddarstellung
der Struktur des Herzens mit dem eingeblendeten Katheter benutzergeführt,
verändert, insbesondere gedreht, vergrößert
oder verkleinert werden kann, so dass er auf diese Weise noch genauer
die Stellung des Katheters im Herzen erkennen und so beispielsweise
die Nähe zu einer Herzwand genauestens bestimmen kann.
Der Katheter kann farbig oder blinkend dargestellt werden, um die
Erkennbarkeit zu verbessern.
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Neben
dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende
Erfindung eine medizinische Untersuchungs- und/oder Behandlungseinrichtung, ausgebildet
zur Durchführung des Verfahrens der beschriebenen Art.
Besonders bevorzugt ist hierbei eine Untersuchungs- und/oder Behandlungseinrichtung
die einen elektrophysiologischen Messplatz mit einem 3D-Arbeitsplatzrechner
auf dem die Katheterlokalisierung abläuft kombiniert.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels in
Bezug auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt:
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1 eine
Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen medizinischen
Untersuchung- und/oder Behandlungseinrichtung.
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Mit
Bezug auf 1 ist dort ein Röntgensystem 1 gezeigt.
Das Röntgensystem 1 erlaubt sowohl die Akquisition
von 2D-Durchleuchtungsbildern als auch die Akquisition einer Serie
von 2D-Bildern bei einem Rotationslauf. Das Röntgensystem 1 ist
mit einem 3D-Arbeitsplatzrechner 2 verbunden. Dadurch kann
eine Bildübertragung 4 vom Röntgensystem 1 zum
3D-Arbeitsplatzrechner 2 erfolgen. Der 3D-Arbeitsplatzrechner
kann vorzugsweise das 3D-Volumenbild einlesen, die Lage eines präprozeduralen oder
intraprozeduralen 3D-Volumenbildes zu den Koordinaten des Röntgensystems
registrieren und die räumliche Orientierung des Katheters
registrieren, wodurch in das 3D-Volumenbild der Struktur des Herzens
die räumliche Position und räumliche Orientierung
des Katheters eingeblendet werden. Gleichzeitig wird ein EKG abgeleitet,
wobei der 3D- Arbeitsplatzrechner 2 mit einem elektrophysiologischen
Arbeitsplatzsystem 3 über eine Kopplung 5 verbunden ist.
Die Informationen aus dem elektrophysiologischen Arbeitsplatzsystem 3 werden
dann in dem 3D-Arbeitsplatzrechner 2 verarbeitet, d. h.
es erfolgt vorzugsweise die Zuordnung der elektrophysiologischen
Daten zur Katheterposition und die Kopplung der elektrophysiologischen
Daten mit der Katheterposition. So können beispielsweise
die Ablationspunkte farbkodiert in das 3D-Volumenbild eingeblendet
werden. Darüber hinaus ist das elektrophysiologische Arbeitsplatzsystem 3 mit
dem Röntgensystem 1 verbunden, so dass die Aufnahme
der Röntgenbilder EKG getriggert erfolgen kann, wobei die
EKG-trigger-Information 6 vom elektrophysiologischen Arbeitsplatzsystem 3 zum
Röntgensystem 1 erfolgt. Mit dieser Untersuchungs/Behandlungseinrichtung
ist es auch möglich die elektrische Signalausbreitung oder Spannungsmapping
farblich kodiert im 3D-Volumenbild einzublenden.
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Mit
Hilfe der vorliegenden Erfindung wird so eine kombinierte 3D-Bilddarstellung
von elektrophysiologischen Daten mit der Katheterlokalisierung ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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