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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation eines Blutflusses
in einem Gefäßabschnitt,
wobei eine Bildaufnahme eines den Gefäßabschnitt umfassenden Gefäßbereichs
gewonnen wird, aus der Bildaufnahme ein 3D-Gefäßabschnittsmodell ermittelt wird,
eine Anzahl von Blutflussparametern eingelesen wird, unter Einbeziehung
des oder jeden Blutflussparameters der Blutfluss in dem 3D-Gefäßabschnittsmodell
simuliert wird und eine Anzahl von hämodynamischen Parametern ausgegeben
wird. Weiter betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung
zur Simulation eines Blutflusses in einem Gefäßabschnitt.
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Ein
Verfahren der eingangs genannten Art wird beispielsweise angewandt,
um den Blutfluss in einem Gefäßabschnitt
eines Blutgefäßes zu simulieren,
welcher eine pathologische, also eine krankhafte Veränderung
beinhaltet. Eine derartige pathologische Veränderung des Gefäßabschnitts
liegt beispielsweise in Form eines Aneurysmas, also einer krankhaften, örtlich begrenzten,
häufig
sackartigen Erweiterung vor. Ein Aneurysma kann insbesondere in
einem Blutgefäß im Bereich
des Gehirns oder des Herzens auftreten, jedoch ist das Auftreten
eines Aneurysmas im Allgemeinen nicht auf eine spezielle Körperregion
begrenzt. Die klinische Bedeutsamkeit eines Aneurysmas, welches
beispielsweise im Gehirn lokalisiert ist, besteht insbesondere aufgrund
der Gefahr einer Ruptur, also einer Riss- oder Bruchbildung, die beispielsweise
zu Einblutungen und Thrombosen führen
kann.
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Das
Ziel einer Behandlung eines Aneurysmas besteht häufig darin, einen sogenannten „Aneurysmasack" aus dem Blutkreislauf
herauszunehmen, um beispielsweise einem Wachstum oder einem Riss des
Aneurysmas vorzubeugen. Die Behandlung kann dabei beispielsweise über ein
sogenanntes „Clipping" oder über ein
sogenanntes „Coiling" erfolgen. Bei dem
Clipping wird ein derartiger Aneurysmasack mittels eines Clips,
also einer Klammer, die z. B. aus Titan gefertigt ist, abgeklemmt.
Bei einem Coiling werden Spiralen, ebenfalls meist aus Platin gefertigt, in
den Aneurysmasack gebracht. Diese Spiralen füllen den Aneurysmasack meist
nur teilweise aus, verursachen aber eine Thrombenbildung und verhindern so
die weitere Blutzirkulation im Aneurysma. Dadurch soll das Aneurysma
vor einer möglichen
Ruptur geschützt
werden.
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In
der
US 2005 0283220
A1 wird ein röhrenförmiges Implantat
genannt, welches als ein Blutflussumlenker fungiert. Mittels des
entsprechend platzierten Blutflussumlenkers soll der Blutfluss im
Bereich des Aneurysmas derart umgelenkt werden, dass ein Eindringen
des Blutes in das Aneurysma verhindert wird. Damit wird angestrebt,
einen Druckanstieg im Aneurysma, der zu einer Ruptur führen könnte, zu
verhindern.
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Allgemein
bekannt ist auch ein sogenannter Stent, bei dem es sich ebenfalls
um ein röhrenförmiges Implantat
handelt, welches in der Regel zur Abstützung einer Gefäßwand vorgesehen
ist.
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Die
Dynamik des Blutflusses in einem Aneurysma wird in der heutigen
Medizin häufig
als ein wichtiger Faktor für
die Pathogenese des Aneurysmas, also für dessen Entstehung und Entwicklung, erachtet.
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Wie
aus dem Artikel „Image-Based
Computational Simulation of Flow Dynamics in a Giant Intracranial
Aneurysm" von D.
A. Steinmann, J. S. Milner, C. J. Norley, S. P. Lownie und D. W.
Holdsworth aus American Journal of Neuroradiology (2003), Nummer
24, Seiten 559–566,
bekannt ist, wird eine Anzahl von sogenannten hämodynamischen Parametern in
Zusammenhang mit einem Wachstum und einem Bruch des Aneuyrismas
gebracht. Unter einem hämodynamischen
Parameter wird insbesondere ein Parameter verstanden, der eine Hämodynamik,
also eine Strömungsmechanik
des Blutes betrifft. In dem genannten Artikel werden als hämodynamische
Parameter unter anderem ein Druck, eine die Gefäßwand betreffende Spannung
und Schwerspannung, sowie eine Flussrate genannt.
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Um
auf derartige hämodynamische
Parameter zu schließen,
wird beispielsweise der Blutfluss in einem Gefäßabschnitt, welcher beispielsweise
das Aneurysma umfasst, simuliert.
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In
dem vorgenannten Artikel „Image-Based Computational
Simulation oft Flow Dynamic in a Giant Intracranial Aneuriysm" wird dazu aus einer 3D-Bildaufnahme,
welche mittels einer Rotationsangiographie gewonnen wurde, ein 3D-Gefäßabschnittsmodell
ermittelt. Der Blutfluss in dem 3D-Gefäßabschnittsmodell wird mittels
der Methode einer Computational Fluid Dynamics, kurz auch CFD genannt,
simuliert. Die Simulation wird hier unter der Annahme starrer Gefäßwände und
einer konstanten Blutviskosität
durchgeführt.
Die CFD ist eine Methode der numerischen Strömungssimulation. Die in der numerischen
Strömungsmechanik
benutzten Modellgleichungen basieren meist auf einer Navier-Stokes-Gleichung,
auf einer Euler- oder
einer Potentialgleichung.
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In
dem Artikel „Image-Based
Computational Simulation of Flow Dynamic in a Giant Intracranial Aneuriysm" wird weiterhin auf
den Versuch einer CFD-Studie verwiesen, welche sich mit der Beeinflussung
von lokalen Fließmustern
in einem Aneurysma durch ein Coiling beschäftigt, und hierfür eine entsprechende
Aneurysma-Geometrie mittels geometrischer Grundformen in Form von
Kugeln und Zylinder annähert.
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In
der
US 2006 0058
638 A1 wird ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung
vorschlagen, mittels welcher die Fertigung eines maßgeschneiderten
Stent-Implantats ermöglicht
wird. Hierzu sieht die
US
2006 0058 638 A1 die Ermittlung eines digitalen Modells
eines Aneurysma anhand von 3D-Bilddaten
vor. Ausgehend von dem erhaltenen Aneurysma-Modell wird ein Stent-Modell
ermittelt, welches als Grundlage für die Produktion des maßgeschneiderten
Stent-Implantats fungiert.
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Weiter
ist der Artikel „Augmented
Reality for Teaching Endotracheal Intubation: MR Imaging to Create
Anatomically Correct Models" von
Karen F. Kerner, MD, Celina Imielinska, PhD, Jannick Rolland, PhD,
Haiying Tang, PhD, aus AMIA 2003 Proceedings, Seite 888, zu erwähnen.
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Der
vorgenannte Artikel behandelt ein System, welches die Technologie
der Augmented Reality verwendet, um das Einführen eines Beatmungsschlauches
in die Luftröhre
zu lehren. Bei der Technologie der Augmented Reality, welche kurz
auch als „AR" bezeichnet wird,
wird eine virtuelle Realität
und ein reales Objekt, beispielsweise in Form eines realen Patienten,
miteinander fusioniert.
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Ausgehend
vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein alternatives Verfahren zur Simulation eines Blutflusses in einem Gefäßabschnitt,
insbesondere mit einem eingebrachten Implantat, anzugeben. Eine
weitere Aufgabe besteht darin, eine entsprechende Vorrichtung anzugeben.
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Die
auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmalskombination des Anspruchs 1.
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Demgemäß wird eine
Bildaufnahme eines den Gefäßabschnitt
umfassenden Gefäßbereichs gewonnen.
Aus der Bildaufnahme wird ein 3D-Gefäßabschnittsmodell ermittelt.
Es wird eine Anzahl von Blutflussparametern eingelesen. Unter Einbeziehung
des oder jeden Blutflussparameters wird der Blutfluss in dem Gefäßabschnittsmodell
simuliert und es wird eine Anzahl von hämodynamischen Parametern ausgegeben.
Dabei ist vorgesehen, dass die Bildaufnahme mit einem in dem Gefäßabschnitt
eingesetzten Implantat derart gewonnen wird, dass Bilddaten des
Implantats umfasst sind, und dass das 3D-Gefäßabschnittsmodell unter Berücksichtigung der
Bilddaten des eingesetzten Implantats ermittelt wird, wobei aus
den Bilddaten des Im plantats auf ein 3D-Roh-Implantatmodell geschlossen
wird und das 3D-Gefäßabschnittsmodell
unter Berücksichtigung des
3D-Roh-Implantatmodells
ermittelt wird.
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Die
Erfindung geht von der allgemeinen Überlegung aus, dass bei einer
in einem Gefäßabschnitt
auftretenden pathologischen Veränderung, beispielsweise
in Form eines Aneurysmas, häufig eine
Behandlung mittels eines Implantats vorgesehen ist, welches dazu
in den betroffenen Gefäßabschnitt
eingesetzt wird. Ein derartiges Implantat kann, je nach Behandlungsansatz,
beispielsweise als ein röhrenförmiges Implantat,
wie z. B. ein Stent oder ein Blutflussumlenker, oder z. B. auch
als eine Spirale vorliegen.
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Die
therapeutische Wirkung eines derartigen in den Gefäßabschnitt
eingesetzten Implantats liegt unter anderem in einer Beeinflussung
eines lokalen Blutflusses in dem Gefäßabschnitt, welche häufig einher
geht mit einer Beeinflussung der für den Gefäßabschnitt relevanten hämodynamischen
Parameter. Die entsprechenden hämodynamischen
Parameter nehmen mitunter entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung
der krankhaften Veränderung
in dem Gefäßabschnitt,
weshalb es beispielsweise für
eine Beurteilung eines Behandlungserfolgs wichtig ist, eine Abschätzung zu
treffen über
die wirksamen hämodynamischen
Parameter, wie sie sich insbesondere für den Gefäßabschnitt mit dem eingebrachten
Implantat darstellen.
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Als
ein geeignetes Mittel zur Abschätzung der
tatsächlich
in dem Gefäßabschnitt
vorliegenden hämodynamischen
Parameter sieht die Erfindung eine Simulation des Blutflusses in
einem 3D-Gefäßabschnittsmodell,
welches die realen „in
vivo"-Verhältnisse
möglichst
naturgetreu widerspiegelt.
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Die
Erfindung erkennt, dass zur Ermittlung eines realen Gefäßabschnittsmodells
vor allem auch eine genaue Kenntnis der tatsächlichen Geometrie des in den
Gefäßabschnitt
eingeführ ten
Implantats wichtig ist. Häufig
wird die Form des Implantats infolge seines Einsetzens in den Gefäßabschnitt
im Vergleich zu einem Zustand vor dem Einsetzen verändert. Das
Implantat wird sozusagen deformiert. Das Gleiche gilt für den Gefäßabschnitt
als solchen. Dies muss bei der Ermittlung eines realen 3D-Gefäßabschnittsmodells
berücksichtigt
werden.
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Die
Erfindung erkennt die überraschend
einfache Möglichkeit,
die Geometrie und die genaue Lage des in den Gefäßabschnitt eingesetzten Implantats
zu berücksichtigen,
indem die Bilddaten des eingesetzten Implantats bei der Ermittlung
des 3D-Gefäßabschnittsmodells
berücksichtigt
werden. Dadurch wird auf einfache Weise die Ermittlung eines äußerst naturgetreuen,
den tatsächlichen
Verhältnissen
entsprechenden 3D-Gefäßabschnittsmodells
ermöglicht,
welches sowohl die Geometrie als auch die gegebene exakte Platzierung
des Implantats widerspiegelt. Das 3D-Gefäßabschnittsmodell liefert somit ein
reales Modell der im Patienten vorliegenden Verhältnisse, so dass die mittels
der Simulation des Blutflusses gewonnenen hämodynamischen Parameter überaus realitätsnah, im
Sinne einer patientenspezifischen, „in vivo"-Information sind.
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In
die Simulation des Blutflusses werden ein oder mehrere Blutflussparameter
mit einbezogen. Ein derartiger Blutflussparameter betrifft beispielsweise
eine Viskosität
des Blutes, eine Blutfluss-Geschwindigkeit in dem betreffenden Gefäßabschnitt oder
eine Starrheit der Gefäßwand. Der
oder jeder Blutflussparameter kann beispielsweise als ein tatsächlich am
Patienten gemessener Wert vorliegen oder als ein Durchschnittswert,
der sich aus mehreren Messungen ergibt. Ein Blutflussparameter kann ebenso
als ein abgeleiteter Wert vorliegen, der sich aus einem oder mehreren
gemessenen Größen ergibt.
Zu nennen ist hier beispielsweise eine Reynoldszahl.
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Die
hämodynamischen
Parameter, welche im Rahmen der Simulation des Blutflusses ermittelbar
sind, können
unter anderem beispielsweise die eine Gefäßwand betreffende Scherspannung,
den Druck in dem Gefäßabschnitt,
eine Flussrate oder auch eine Aufenthaltsdauer des Bluts in dem
Gefäßabschnitt
umfassen.
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Die
Bildaufnahme des Gefäßabschnitts
zeigt üblicherweise
nicht nur den interessierenden Gefäßabschnitt, sondern weitere
Körperstrukturen,
wie beispielsweise Knochen oder sonstige Gewebestrukturen, welche
im Rahmen einer Ermittlung des Gefäßabschnittsmodells „überflüssig", wenn nicht sogar störend erscheinen.
Deshalb kann es vorgesehen sein, zur Ermittlung des Gefäßabschnittsmodells
ein Bildsegment des interessierenden Gefäßabschnitts aus der Bildaufnahme
zu extrahieren. Bei einer derartigen Extraktion werden v. a. die „überflüssigen" Strukturen aus der
Bildaufnahme entfernt. Dieses Vorgehen wird üblicherweise als Segmentierung
bezeichnet. Für
eine derartige Segmentierung kann auf zahlreiche bekannte Segmentierungsverfahren
zurückgegriffen
werden, mittels derer eine automatische oder halbautomatische Segmentierung
möglich ist.
Hier bietet sich beispielsweise ein Segmentierungsverfahren an,
welches pixelorientiert arbeitet. Bei einem pixelorientierten Segmentierungsverfahren
wird in der Regel für
jedes Pixel, d. h. für
jeden Bildpunkt, nach einem vorgegebenen Auswahlkriterium die Entscheidung
getroffen, ob der betreffende Bildpunkt dem zu extrahierenden Bildsegment
dazu zurechnen ist oder nicht. Ein Auswahlkriterium kann beispielsweise
ein Schwellwert sein, der einen Grau- oder Helligkeitswert vorgibt,
den der Bildpunkt erreichen muss, um dem Bildsegment zugerechnet
zu werden.
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Im
Falle einer derartigen Extraktion wird das 3D-Gefäßabschnittsmodell
insbesondere anhand des extrahierten Gefäßabschnitts ermittelt. Bei
dem 3D-Gefäßabschnittsmodell
handelt es sich insbesondere um ein 3D-Modell der inneren Oberfläche des Gefäßabschnitts
inklusive des eingesetzten Implantats.
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Die
Bildaufnahme kann beispielsweise als eine 3D-Bildaufnahme gewonnen
werden oder alternativ auch als mehrere 2D-Bildaufnahmen, welche dann
beispielsweise zu einer 3D-Bildaufnahme rekonstruiert werden. Es
kann natürlich
auch vorgesehen sein, dass die Bildaufnahme mehrere 3D-Bildaufnahmen
umfasst, die jeweils mit demselben oder auch mit unterschiedlichen
Bildaufnahmegeräten
gewonnen wurden. Das oder jedes Bildaufnahmegerät kann dabei beispielsweise
als ein Computertomographiegerät,
ein C-Bogen Röntgensystem
oder ein Magnetresonanzgerät
vorliegen.
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Aus
den Bilddaten des Implantats wird auf ein 3D-Roh-Implantatmodell
geschlossen und das 3D-Gefäßabschnittsmodell
wird unter Berücksichtigung
des 3D-Roh-Implantatmodells ermittelt. Die Extraktion der Bilddaten
erfolgt insbesondere mittels eines bekannten Segmentierungsverfahrens.
In dieser Ausgestaltung wird eine gesonderte Extraktion eines Bildsegments
des Implantats durchgeführt,
so dass sich daraus ein gesondertes 3D-Roh-Implantatmodell ermitteln
lässt.
Anhand des 3D-Roh-Implantatmodells ist es vorteilhaft möglich, die
Lage und die Geometrie, also die Form des eingesetzten Implantats
sowie dessen Orientierung in dem Gefäßabschnitt zu ermitteln. Es
kann beispielsweise vorgesehen sein, das 3D-Gefäßabschnittsmodell aus einer Kombination
des 3D-Roh-Implantatmodells
mit einem Modell eines realen bloßen Gefäßabschnitts, wie er sich bei
eingesetztem Implantat nach Her-ausrechnung des Implantats als solchem
darstellt, zu erstellen. Mit dieser Vorgehensweise wird es beispielsweise
ermöglicht,
eine Bildaufnahme speziell im Hinblick auf die Gewinnung von Bilddaten
des Implantats zu optimieren und eine weitere Bildaufnahme im Hinblick
auf die Gewinnung von Bilddaten des bloßen Gefäßabschnitts.
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Das
3D-Rohimplantatmodell kann abgespeichert werden und steht beispielsweise
für eine
weitere Bearbeitung zur Verfügung.
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Vorzugsweise
wird ein 3D-Mustermodell des Implantats eingelesen, das 3D-Roh-Implantatmodell mittels
des 3D-Mustermodells zu einem verbesserten 3D-Implantatmodell modifiziert
und das 3D-Gefäßabschnittsmodell
unter Berücksichtigung
des 3D-Implantatmodells ermittelt. Bei dem entsprechenden 3D-Mustermodell,
welches das Implantat insbesondere in einem Zustand vor dem Einsetzen
in den Gefäßabschnitt
repräsentiert,
handelt es sich beispielsweise um ein von dem Hersteller des Implantats
bezogenes 3D-Mustermodell, welches z. B. als ein CAD-Modell des
Implantats vorliegt. CAD ist eine Abkürzung für Computer Aided Design. Ebenso
kann das entsprechende 3D-Mustermodell beispielsweise anhand einer
Mikro-Computertomographieaufnahme des Implantat, welche vor dessen
Einsetzen gewonnen wurde, ermittelt werden.
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Mittels
des 3D-Mustermodells ist es möglich, die
Geometrie des Implantats hochgenau zu rekonstruieren. Zwar lässt sich
anhand des 3D-Roh-Implantatmodells häufig sowohl die Lage, die Form
als auch die Orientierung des Implantats in dem Gefäßabschnitt
sehr gut ermitteln. Das Auflösungsvermögen der
Bildaufnahme, welches insbesondere den kleinsten noch wahrnehmbaren
Abstand zweier Punkte in der Bildaufnahme kennzeichnet, ist jedoch
häufig
auf einige Hundert Mikrometer begrenzt. Die Abmessungen innerhalb
eines Implantats, beispielsweise eines Stents, können jedoch deutlich geringer
sein. So kann beispielsweise ein Durchmesser von Streben eines Stents
im Bereich weniger Mikrometer liegen. In dem Fall ist anhand der
Bilddaten keine Trennung einzelner Streben des Stents möglich. Diesem
Umstand trägt
diese Ausführungsform
Rechnung, indem das 3D-Rohmodell mittels eines hochgenauen 3D-Mustermodells
zu dem verbesserten 3D-Implantatmodell modifiziert wird. Eine entsprechende
Ermittlung des verbesserten 3D-Implantatmodells erfolgt beispielsweise
derart, dass das 3D-Mustermodell mittels an sich bekannter Methoden,
wie sie beispielsweise dem Artikel „Example-Based 3D Scan Completion", von M. Pauly, N.
J. Mitra, J. Giesen, L. Guibas und M. Gross in Third Eurographics
Symposium an Geometry Processing (2005), Seiten 23–32, zu
entnehmen sind, an die Form des 3D-Roh-Implantatmodells angepasst wird.
Dadurch können
unter anderem fehlende Informationen die exakten Abmessungen des
3D-Roh-Implantatmodells betreffend mittels des 3D-Mustermodells
ergänzt
werden, so dass sich insgesamt ein verbessertes 3D-Implantatmodell ergibt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante wird als Bildaufnahme
eine kontrastmittellose Bildaufnahme gewonnen. Der Vorteil dieser
Ausgestaltungsvariante ergibt sich aus der Tatsache, dass bei einer
Bildaufnahme, welche im Vorhandensein eines Kontrastmittels im Gefäßbereich
als ein sogenanntes Angiogramm gewonnen wird, das Implantat, insbesondere
wenn es sehr geringe Abmessungen besitzt, häufig „überdeckt" wird. Dadurch sind die Bilddaten des
Implantats einem derartigen Angiogramm unter Umständen nur
schwer zu entnehmen. Die kontrastmittellose Bildaufnahme, die beispielsweise
als eine Computertomographieaufnahme gewonnen wird, kann demgegenüber speziell
als eine Art „Implantat-Bildaufnahme" im Hinblick auf
die Gewinnung der Bilddaten des Implantats optimiert werden.
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Vorzugsweise
wird als Bildaufnahme ein Angiogramm gewonnen. Wie schon erwähnt wurde, handelt
es sich bei einem Angiogramm um eine Bildaufnahme, die im Vorhandensein
eines Kontrastmittels im Gefäßbereich
gewonnen wird. Ein Angiogramm wird in der Medizin üblicherweise
zur Darstellung von Blutgefäßen verwenden.
Dazu wird das Kontrastmittel insbesondere durch eine Injektion dem entsprechenden
Gefäßabschnitt
zugeführt,
so dass sich der mit dem Kontrastmittel gefüllte Innenraum des Gefäßabschnitts
in der Darstellung des Angiogramms deutlich abzeichnet. Aus dem
Angiogramm wird somit trotz eingesetztem Implantat der bloße Gefäßabschnitt
als solcher besonders gut ersichtlich.
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In
einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung wird das Angiogramm als
ein Rotationsangiogramm gewonnen. Bei einer Rotationsangiographie,
die beispielsweise mittels eines Computertomographiegeräts oder
eines Magnetresonanzgeräts
getätigt
wird, handelt es sich um ein gängiges
Verfahren zur Gewinnung eines 3D-Angiogramms.
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Zweckmäßigerweise
wird das Angiogramm als ein Subtraktionsangiogramm gewonnen. Für ein Subtraktionsangiogramm
wird zusätzlich
zu dem „normalen" Angiogramm eine
kontrastmittellose Bildaufnahme gewonnen. Die Bilddaten der kontrastmittellosen
Bildaufnahme werden von den Bilddaten des Angiogramms subtrahiert.
Dadurch werden alle Bilddaten, welche in beiden Bildaufnahmen gleichermaßen vorhanden
sind, eliminiert, so dass „störende" Strukturen, wie
z. B. Knochen oder sonstiges Körpergewebe,
auf einfache Weise aus der Darstellung des Angiogramms entfernt
werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante wird die Bildaufnahme als
eine Computertomographie-Bildaufnahme gewonnen. In dieser Ausgestaltungsvariante
wird beispielsweise sowohl das Angiogramm als auch die kontrastmittellose
Bildaufnahme mit demselben Bildaufnahmegerät gewonnen. Das entsprechende
Bildaufnahmegerät
ist dabei insbesondere als ein Computertomographiegerät oder als ein
C-Bogen Röntgensystem
gegeben. Dies ist besonders vorteilhaft, da in dem Fall keine Umlagerung eines
Patienten zwischen den entsprechenden Bildaufnahmen notwendig wird,
so dass keine Registrierung der einzelnen Bildaufnahmen notwendig
wird. Unter einem derartigen Registrieren versteht man z. B. eine
Transformation der Bilddaten der kontrastmittellosen „Implantat-Bildaufnahme" in das Koordinatensystem
des Angiogramms und umgekehrt. Das heiß mit anderen Worten, die Bilddaten
der „Implantat-Bildaufnahme" werden insbesondere
so transformiert, dass das abgebildete Implantat an der richtigen
Stelle in dem Angiogramm abgebildeten Gefäßabschnitts liegt. Hierbei
kann es beispielsweise vorgesehen sein, das Angiogramm als ein Subtraktionsangiogramm
zu gewinnen und die kontrastmittellose Bildaufnahme, welche für das Subtraktionsangiogramm
notwendig ist, gleichzeitig auch als die „Implantat-Bildaufnahme" zu verwenden. Ein
Registrieren der entsprechenden Bildaufnahmen wird in der Regel dann
notwendig, wenn zwischen den einzelnen Bildaufnahmen eine Patientenbewegung
stattgefunden hat, so dass sich die Bildaufnahmen, also z. B. das Angiogramm
und die „Implantat-Bildaufnahme", nicht auf dasselbe
Koordinatensystem beziehen. Eine derartige Registrierung kann beispielsweise
bildbasiert anhand von ortsfesten optischen Landmarken, wie z. B.
Knochen, durchgeführt
werden, die in den zu registrie renden Bildaufnahmen gleichermaßen zu sehen
sind. Für
eine Registrierung werden die optischen Landmarken in den betreffenden
Bildaufnahmen zu einer maximalen Übereinstimmung gebracht. Bei
einem Computertomographiegerät
handelt es sich außerdem
um eine bewährte
Technik, die die Gewinnung qualitativ sehr hochwertiger Bildaufnahmen
gestattet.
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Die
zweite Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den auf eine Vorrichtung
gerichteten Patentanspruch.
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Demnach
umfasst eine Vorrichtung zur Simulation eines Blutflusses in einem
Gefäßabschnitt eine
Bildaufnahmevorrichtung, eine Modellermittlungsvorrichtung, eine
Einlesevorrichtung, eine Ausgabevorrichtung und ein Simulationsmodul.
Die Bildaufnahmevorrichtung ist dafür eingerichtet, eine Bildaufnahme
eines den Gefäßabschnitt
umfassenden Gefäßbereichs
zu gewinnen. Die Modellermittlungsvorrichtung ist dafür eingerichtet,
aus der Bildaufnahme ein 3D-Gefäßabschnittsmodell
zu ermitteln. Die Einlesevorrichtung ist dafür eingerichtet, eine Anzahl von
Blutflussparametern einzulesen. Das Simulationsmodul ist dafür eingerichtet,
unter Einbeziehung des oder jeden Blutflussparameters den Blutfluss
in dem Gefäßabschnittsmodell
zu simulieren und die Ausgabevorrichtung ist dafür eingerichtet, eine Anzahl
von hämodynamischen
Parametern auszugegeben. Dabei ist vorgesehen, dass die Bildaufnahmevorrichtung
dafür eingerichtet
ist, die Bildaufnahme mit einem in dem Gefäßabschnitt eingesetzten Implantat
derart zu gewinnen, dass Bilddaten des Implantats umfasst sind,
und dass die Ermittlungsvorrichtung dafür eingerichtet ist, das 3D-Gefäßabschnittsmodell
unter Berücksichtigung
der Bilddaten des eingesetzten Implantats zu ermitteln und dass die
Modellermittlungsvorrichtung dafür
eingerichtet ist, aus den Bilddaten des Implantats auf ein 3D-Roh-Implantatmodell
zu schließen
und das 3D-Gefäßabschnittsmodell
unter Berücksichtigung des
3D-Roh-Implantatmodells zu ermitteln.
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Die
für das
Verfahren genannten Vorteile können
dabei sinngemäß auf die
Vorrichtung übertragen
werden.
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Bei
der Bildaufnahmevorrichtung kann es sich beispielsweise um ein C-Bogen-Röntgensystem oder
um ein Magnetresonanzsystem handeln. Vorzugsweise handelt es sich
bei dem Bildaufnahmegerät
aber um ein Computertomographiegerät.
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Bei
der Einlesevorrichtung handelt es sich beispielsweise um eine Vorrichtung
zum Einlesen externer Daten, wie beispielsweise ein CD-Rom Laufwerk.
Alternativ oder zusätzlich
ist die Einlesevorrichtung z. B. als eine Tastatur, als eine grafische
Benutzeroberfläche
eines Computers, welche ein Arzt manuell bedienen kann, als eine
entsprechende Schnittstelle, ein Internet-Interface, etc. gegeben.
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Die
Modellermittlungsvorrichtung und das Simulationsmodul sind beispielsweise
als ein Rechenmodul eines Computers gegeben oder sind auf diesem
per Software realisiert.
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Zweckmäßigerweise
ist auch ein Bildsegmentierungsmodul vorgesehen. Dieses kann z.
B. ebenfalls auf einem Computer per Software realisiert sein.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine
Vorrichtung zur Simulation eines Blutflusses,
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2 ein
Gefäßmodell,
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3 ein
Bildsegment eines Implantats,
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4 ein
3D-Roh-Implantatmodell,
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5 ein
Mustermodell des Implantats und
-
6 ein
Gefäßabschnittsmodell.
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In 1 ist
eine Vorrichtung 2 zur Simulation eines Blutflusses dargestellt.
Die Vorrichtung 2 umfasst eine Bildaufnahmevorrichtung 4,
die hier als ein Computertomographiegerät 6 ausgeführt ist.
Weiter umfasst die Vorrichtung 2 eine Modellermittlungsvorrichtung 10,
eine Einlesevorrichtung 12, ein Simulationsmodul 14,
sowie eine Ausgabevorrichtung 16. Außerdem ist ein Bildsegmentierungsmodul 13 vorgesehen.
Das Bildsegmentierungsmodul 13 und das Simulationsmodul 14 sind hier
jeweils als ein entsprechendes Rechenmodul auf einem Computer 18 realisiert.
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Mittels
des Computertomographiegeräts 6 wird
eine Anzahl von Bildaufnahmen 20 eines Patienten 24 getätigt. Jede
der Bildaufnahmen 20 wird dabei von demselben Gefäßbereich 26 des
Patienten 24 gewonnen. Der Gefäßbereich 26 umfasst
einen Gefäßabschnitt 30 eines
Blutgefäßes des
Patienten 24. Die entsprechenden Bildaufnahmen 20 sind
hier skizzenhaft auf einem Computermonitor 32 dargestellt.
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Wie
der 1 zu entnehmen ist, wurde eine der dargestellten
Bildaufnahmen 20 als ein Angiogramm 34 gewonnen,
und die andere der dargestellten Bildaufnahmen 20 wurde
als eine kontrastmittellose Bildaufnahme 36 gewonnen.
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Ein
Angiogramm 34 wird in der Medizin üblicherweise zur Darstellung
von Blutgefäßen verwendet.
Dazu wird ein Kontrastmittel in das entsprechende den Gefäßabschnitt 30 umfassende
Blutgefäß injiziert
wird, so dass sich der mit dem Kontrastmittel gefüllte Innenraum
des Gefäßabschnitts 30 in
der Darstellung des Angiogramms 34 deutlich abzeichnet.
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In
der Darstellung des Angiogramms 34 ist gut ein sogenannter
Aneurysmasack 38 zu erkennen. Bei dem Aneurysmasack 38 handelt
es sich insbesondere um eine krankhafte, im Bereich des Gefäßabschnitts 30 lokalisierte
sackartige Erweiterung. Um ein Wachsen oder ein „Platzen" des Aneurysmasacks 38 zu verhindern
wurde in den Gefäßabschnitt 30 ein
Implantat 40 eingesetzt.
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Das
Implantat 40 ist gut in der Darstellung der kontrastmittellosen
Bildaufnahme 36 zu erkennen. Das Implantat 40 ist
röhrenförmig als
ein sogenannter Stent ausgeführt
und fungiert als eine Art Blutflussumlenker. Dazu ist das Implantat 40 derart
in dem Gefäßabschnitt 30 platziert,
dass ein übermäßiges Eindringen
von Blut in den Aneurysmasack 38 verhindert wird, um insbesondere
einen Druckanstieg im Aneurysma sack 38, der in dessen „Platzen" resultieren könnte, zu
verhindern.
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Um
beispielsweise den Einfluss des Implantats 40 auf den Blutfluss
in dem Gefäßabschnitt 30 beurteilen
zu können
und um hämodynamische
Parameter, wie z. B. den im Gefäßabschnitt 30 herrschenden
Blut-Druck abschätzen
zu können,
wird mittels der Vorrichtung 2 eine Simulation des Blutflusses
in dem Gefäßabschnitt 30 durchgeführt.
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Dazu
wird anhand der Bildaufnahmen 20 mittels der Modellermittlungsvorrichtung 10 ein
hier nicht näher
dargestelltes 3D-Gefäßabschnittsmodell des
Gefäßabschnitts 30 ermittelt.
Wie in den nachfolgenden Figurenbeschreibungen noch näher erläutert wird,
ermittelt die Modellermittlungsvorrichtung 10 dazu zunächst ein
3D-Gefäßmodell,
welches den bloßen
Gefäßabschnitt 30 als
solchen, wie er sich bei eingesetztem Implantat 40 ergibt,
repräsentiert.
Weiterhin ermittelt die Modellermittlungsvorrichtung 10 dazu,
ausgehend von den Bilddaten des Implantats 40 ein 3D-Implantatmodell.
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Die
entsprechenden Bilddaten des Implantats 40 werden automatisch
mittels des Bildsegmentierungsmoduls 13 aus der kontrastmittellosen
Bildaufnahme 36 extrahiert. Die extrahierten Bilddaten liefern
ein entsprechendes Bildsegment 42 des Implantats 40.
Zur Extraktion eines derartigen Bildsegments werden mittels des
Bildsegmentierungsmoduls 13 insbesondere „überflüssige" Strukturen, wie beispielsweise
Knochen 44, aus der kontrastmittellosen Bildaufnahme 36 entfernt.
Dieses Vorgehen wird üblicherweise
als Segmentierung bezeichnet. Wie der 1 zu entnehmen
ist, geht somit aus der entsprechenden Darstellung des Bildsegments 42 das Implantat 40 gut
ersichtlich hervor.
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Das
Simulationsmodul 14 simuliert einen Blutfluss in dem ermittelten
3D-Gefäßabschnittsmodell.
In die Simulation bezieht das Simulationsmodul 14 eine
Anzahl von Blutflussparametern ein, die vorher mittels der Einlesevorrichtung 12 eingelesen wurden.
Die entsprechenden Blutflussparameter betreffen beispielsweise eine
Viskosität
des Blutes in dem Gefäßabschnitt 30,
eine Blutflussrate, etc. Zum Einlesen der Blutflussparameter umfasst
die Einlesevorrichtung 12 eine Computertastatur 46, über welche die
entsprechenden Werte beispielsweise durch einen Arzt manuell eingebbar
sind.
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Als
Ergebnis der Simulation des Blutflusses in dem Gefäßabschnittsmodell
liefert das Simulationsmodul 14 eine Anzahl von hämodynamischen
Parametern, wie z. B. den im Gefäßabschnitt 30 und insbesondere
im Aneurysmasack 38 herrschenden Blut-Druck, die durch
den Blutfluss induzierte, auf die Gefäßwand wirkende Scherspannung,
oder eine Flußrate
des Blutes in dem Gefäßabschnitt 30.
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Die
ermittelten hämodynamischen
Parameter werden über
die Ausgabevorrichtung 16, die hier insbesondere von dem
Computermonitor 32 umfasst ist, ausgegeben.
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In 2 ist
ein ermitteltes 3D-Gefäßmodell 50 des
Gefäßabschnitts 30 gemäß 1 dargestellt. Der
Darstellung deutlich zu entnehmen ist der Aneurysmasack 38.
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Das
Gefäßmodell 50 wurde
von der Modellermittlungsvorrichtung 10 gemäß 1 anhand
des Angiogramms 34, welches insbesondere als ein Rotationsangiogramm
gewonnen wurde, erstellt. Das Gefäßmodell 50 lässt sich
als ein Oberflächenmodell der
inneren Oberfläche
des Gefäßabschnitts 30 verstehen.
Anhand des Gefäßmodells 50 lässt sich
die genaue und naturgetreue Geometrie des bloßen Gefäßabschnitts 30 ermitteln.
Dies ist im Rahmen einer Simulation des Blutflusses in dem Gefäßabschnitt 30 besonders
sinnvoll, da der Gefäßabschnitt 30 aufgrund
des eingeführten
Implantats 40 im Vergleich zu einem Ausgangszustand deformiert
sein kann.
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In 3 ist
ein Bildsegment 42 eines Implantats 40 dargestellt,
welches mittels des Bildsegmentierungsmoduls 13 aus einer
Bildaufnahme 20 extrahiert wurde. Das Bildsegment 42 betrifft
insbesondere ein zerebrales, also ein in einem Blutgefäß im Gehirn
lokalisiertes Implantat 40. Zerebrale Implantate zeichnen
sich im Allgemeinen durch ihre sehr geringen geometrischen Ausmessungen
aus. In der Darstellung des Bildsegments 42 kann man eine
Anzahl von Streben 56 des Implantats 40 erkennen.
Ebenso lässt
sich die Lage, die Form und die Orientierung des zerebralen Implantats 40 gut
ermitteln. Ein Durchmesser der Streben 56 des Implantats 40 erscheint
in der Darstellung des Bildsegments 42 jedoch fehlerhaft,
insbesondere dicker als in der Realität. Dies liegt insbesondere
an dem begrenzten Auflösungsvermögen der
entsprechenden Bildaufnahme 20, welches die optische Trennung
einzelner Streben 56 begrenzt. Mehrere Streben 56 wirken
dadurch wie eine einzige Strebe 56. Anhand des Bildsegments 42 ermittelt
die Modellermittlungsvorrichtung 10 gemäß 1 ein 3D-Roh-Implantatmodell.
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In 4 ist
ein 3D-Roh-Implantatmodell 58 dargestellt, welches von
der Modellermittlungsvorrichtung 10 gemäß 1 ermittelt
wurde. Das 3D-Roh-Implantatmodell 58 ist hier innerhalb
der 3D-Bildaufnahme 36 dargestellt, welche von dem Computertomographiegerät 6 gemäß 1 gewonnen
wurde.
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Das
hier dargestellte 3D-Roh-Implantatmodell 58 bezieht sich
auf ein Implantat 40, welches in eine Halsschlagader des
Patienten 24 eingebracht ist. In der 4 ist
ein Ausschnitt der Wirbelsäule 60 dargestellt.
Wie aus der Darstellung sehr gut ersichtlich wird, lässt sich
anhand des 3D-Roh-Implantatmodells 58 gut die Lage, die
Form und die Orientierung des Implantats 40 innerhalb des
hier nicht sichtbaren Gefäßabschnitts
ermitteln. Gut erkennbar sind auch die Streben 56 des Implantats 40.
Aufgrund des begrenzten Auflösungsvermögens der
dem 3D-Rohimplantatmodell 58 zugrunde liegenden kontrastmittellosen
Bildaufnahme 36 sind jedoch beispielsweise nicht alle Streben 56 getrennt
voneinander ermittelbar. Dadurch sind die dem 3D-Roh-Implantatmodell 58 entnehmbaren
Informationen bezüglich
einer 3D-Geometrie des in den Gefäß abschnitt 30 eingesetzten
Implantats 40 unter Umständen fehlerhaft oder unvollständig.
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Um
die die 3D-Geometrie des Implantats 40 betreffenden Informationen
zu verbessern und zu ergänzen,
wird das 3D-Roh-Implantatmodell 58 mittels eines in 5 dargestellten
3D-Mustermodells 66 modifiziert.
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5 zeigt
das 3D-Mustermodell 66 des Implantats 40 gemäß 4.
Das 3D-Mustermodell 66 des Implantats 40 zeigt
das Implantat 40 in einem Zustand vor dem Einsetzen in
den Gefäßabschnitt.
Das 3D-Mustermodell 66 ist hier als ein CAD-Modell des Implantats 40 gegeben,
welches von dem Hersteller des Implantats 40 erstellt wurde.
CAD steht als Abkürzung
für Computer
Aided Design. Anhand des 3D-Mustermodells 66 ist es möglich, die
Geometrie des Implantats 40 hochgenau zu rekonstruieren.
Die Daten des 3D-Mustermodells 66 werden mittels der Einlesevorrichtung 12 gemäß 1 eingelesen. Dazu
umfasst die Einlesevorrichtung 12 eine entsprechende Schnittstelle, über die
das Einlesen externer Daten ermöglicht
wird.
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Mittels
der eingelesenen Daten des 3D-Mustermodells 66 modifiziert
die Modellermittlungsvorrichtung 10 das 3D-Roh-Implantatmodell 58.
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6 zeigt
das endgültige
3D-Gefäßabschnittsmodell 74 schematisch.
Das 3D-Gefäßabschnittsmodell 74 ist
aufgeschnitten dargestellt, so dass erkennbar ist, wie das durch
das Implantatmodell 70 repräsentierte Implantat 40 ein übermäßiges Eindringen
von Blut in den Aneurysmasack 38 verhindert, indem es als
eine Art Blutflussumlenker fungiert. Das in 1 dargestellte
Simulationsmodul 14 simuliert unter Einbeziehung der mittels
der Einlesevorrichtung 12 eingelesenen Blutflussparameter
einen Blutfluss in dem Gefäßabschnittsmodell 74.