DE102008022534A1

DE102008022534A1 - Verfahren zur Verarbeitung diagnostischer Bilddaten

Info

Publication number: DE102008022534A1
Application number: DE102008022534A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. John; Norbert Rahn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-05-07
Filing date: 2008-05-07
Publication date: 2009-11-12

Abstract

Ein Verfahren zur Verarbeitung diagnostischer Bilddaten umfasst folgende Schritte: - Mittels einer bildgebenden Diagnoseeinrichtung (2) akquirierte, einen linken Herzvorhof (8) sowie Pulmonalvenen (9) darstellende dreidimensionale Bilddaten werden bereitgestellt, aus den Bilddaten wird automatisch ein Oberflächenmodell des linken Herzvorhofs (8) sowie der Pulmonalvenen (9) segmentiert, - die segmentierten Bilddaten werden mit 3-D-Mapping-Daten, welche mittels eines elektromagnetischen Lokalisierungssystems (3) unter Bewegung eines Multi-Elektroden-Katheters (10) durch die Pulmonalvenen (9) gewonnen wurden, verknüpft, - es wird eine automatische Verzerrungen zumindest teilweise ausgleichende Registrierungsprozedur durchgeführt, bei welcher eine Anpassung der die Oberflächen der Pulmonalvenen (9) beschreibenden 3-D-Mapping-Daten an das Oberflächenmodell der Pulmonalvenen (9) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung diagnostischer Bilddaten sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
Aus der DE 103 40 544 B4 ist eine Vorrichtung zur visuellen Unterstützung einer elektrophysiologischen Katheteranwendung im Herzen bekannt. Diese Vorrichtung verarbeitet zum einen elektroanatomische 3D-Mapping-Daten und zum anderen 3D-Bilddaten, die mit einem bildgebenden tomographischen Verfahren erfasst wurden. Die Vorrichtung umfasst ein Segmentierungsmodul für die Segmentierung der 3D-Bilddaten, um einen 3D-Oberflächenverlauf von Objekten, insbesondere einer oder mehrerer Herzkammern, zu extrahieren. Weiter weist die Vorrichtung ein mit dem Segmentierungsmodul verbundenes Registrierungsmodul auf, das für die lage- und dimensionsrichtige Zuordnung der elektroanatomischen 3D-Mapping-Daten und der den 3D-Oberflächenverlauf bildenden 3D-Bilddaten durch Oberflächenanpassung des 3D-Oberflächenverlaufes aus den 3D-Bilddaten mit einem 3D-Oberflächenverlauf aus den 3D-Mapping-Daten ausgebildet ist. Die mit der Vorrichtung nach der DE 103 40 544 B4 durchführbare Segmentierung kann beispielsweise auf die Pulmonalvenen angewendet werden.
Bei Patienten mit paroxysmalem Vorhofflimmern, welches durch ektope Erregungen in den distalen Pulmonalvenen ausgelöst wird, kann eine Pulmonalvenenisolation in Betracht kommen. Eine zu diesem Zweck durchgeführte Katheterablation arrythmogener Zentren setzt eine genaue Kenntnis der Vorhofanatomie voraus. Detaillierte Informationen sind beispielsweise dem Zeitschriftenbeitrag „Einsatz des Navigationssystems NavX ® bei der Ablationsbehandlung von Vorhofflimmern" (H. L. Estner et al., Zeitschrift „Herzschrittmachertherapie und Elektrophysiologie", Verlag Steinkopff, Vol. 18, Nr. 3, S. 131–139, Sept. 2007) entnehmbar. Das in dem Artikel erwähnte System NavX^® der Fa. St. Jude Medical ist mit einem Softwaremodul (Verismo^®) zur Bearbeitung von DICOM-Datensätzen beliebiger Computertomographie- oder Magnetresonanzgeräte verknüpfbar, um ein 3D-Modell zur Nutzung von digitaler Bilddatenfusion (DIF: Digital Image Fusion) zu generieren. Die Bilddatenfusion führt präinterventionell gewonnene 3D-Bilddaten, insbesondere durch Computertomographie gewonnene Daten, mit Echtzeitdaten, welche mit einem elektromagnetischen Lokalisierungssystem akquiriert werden, zusammen. Elektromagnetische Lokalisierungs- oder Navigationssysteme haben zwar den Vorteil, dass der Patient keiner ionisierenden Strahlung ausgesetzt wird, erreichen jedoch nicht die Ortsauflösung von mit Röntgenstrahlung arbeitenden Diagnosegeräten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verarbeitung diagnostischer Bilddaten anzugeben, welches die spezifischen Vorteile von bildgebenden tomographischen Diagnosegeräten und elektromagnetischen Lokalisierungssystemen in besonders vorteilhafter Weise vereint.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Verarbeitung diagnostischer Bilddaten mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildete Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Vorrichtung erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.
Das Verfahren geht davon aus, dass mittels einer bildgebenden Diagnoseeinrichtung, beispielsweise eines Computertomographen oder eines Magnetresonanzgerätes, akquirierte, einen linken Herzvorhof sowie Pulmonalvenen darstellende dreidimensionale Bilddaten bereitgestellt werden. Aus diesen Bilddaten wird automatisch ein Oberflächenmodell des linken Herzvorhofs sowie der Pulmonalvenen segmentiert. Zusätzlich zu den mit der – auch als Tomographiegerät bezeichneten – bildgebenden Diagnoseeinrichtung gewonnenen 3D-Bilddaten verwendet das Verfahren 3D-Mapping-Daten, welche mittels eines elektromagneti schen Lokalisierungssystems gewonnen werden, indem ein Multi-Elektroden-Katheter, beispielsweise ein Lasso- oder Spiralkatheter, durch die Pulmonalvenen bewegt wird. Die 3D-Bilddaten werden mit den 3D-Mapping-Daten verknüpft, wobei eine automatische, Verzerrungen in den 3D-Mapping-Daten zumindest teilweise ausgleichende Registrierungsprozedur durchgeführt wird, bei welcher eine Anpassung der die Oberflächen der Pulmonalvenen beschreibenden 3D-Mapping-Daten an das auf den segmentierten Bilddaten basierende Oberflächenmodell der Pulmonalvenen erfolgt.
Der Vorgang der Anpassung zwischen den 3D-Mapping-Daten und den zuvor gewonnenen 3D-Bilddaten wird im Rahmen der Registrierungsprozedur vorzugsweise wiederkehrend solange durchgeführt, bis eine zulässige Abweichungen zwischen den segmentierten Bilddaten einerseits und den 3D-Mapping-Daten andererseits betreffende Bedingung erfüllt ist. Beispielsweise werden unter Ausnutzung von Translations- und Rotationsfreiheitsgraden mehrere Optimierungsschritte durchgeführt, bis ein gemeinsames Minimum der Abstände zwischen den auf die verschiedenen Arten gewonnenen Oberflächendaten gefunden wurde. Sowohl im durch Segmentierung entstandenen Oberflächenmodell als auch im auf den 3D-Mapping-Daten basierenden System werden die Oberflächen der Pulmonalvenen vorzugsweise durch ein Dreiecksnetz beschrieben. Um die dasselbe Objekt abbildenden Oberflächen möglichst vollständig in Übereinstimmung miteinander zu bringen, ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Bedarf eine Translationsoperation vorgesehen, welche die Abstände verschiedener Pulmonalvenen zueinander variiert. Bei einer solchen rechnerischen Operation handelt es sich um eine Entzerrungsfunktion, mit der Verzerrungen, die sich bei mit dem elektromagnetischen Lokalisierungssystem vorgenommenen Ortsbestimmungen beispielsweise durch metallische Gegenstände ergaben können, ausgeglichen werden. Zum Ausgleich von Verzerrungen in den 3D-Mapping-Daten kann im Einzelfall auch eine Verzerrung des gesamten geometrischen Raums, in welchem sich das Untersuchungsobjekt befindet, geeignet sein.
Verschiedene Kriterien, die Abweichungen zwischen den auf unterschiedliche Weise ermittelten geometrischen Informationen betreffen, können mit unterschiedlicher Gewichtung in ein Optimierungsmaß einbezogen werden. Beispielsweise ist es durch eine solche Gewichtung möglich, relativ weitreichende Translationen sowie Rotationen zuzulassen, während Verzerrungen innerhalb der dreidimensionalen Daten auf vergleichsweise kleine Änderungen beschränkt bleiben.
Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung wird die Entzerrungsfunktion nicht nur zum Abgleich zwischen 3D-Bilddaten und 3D-Mapping-Daten, sondern zusätzlich auch zur Korrektur von zu späteren Zeitpunkten mit dem elektromagnetischen Lokalisierungssystem gewonnenen Mapping-Daten verwendet. Insbesondere eignet sich die Entzerrungsfunktion zur Kompensation von Verzerrungen, die bei der Bestimmung der Position eines Katheters mittels des elektromagnetischen Lokalisierungssystems auftreten.
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass durch die automatische Entzerrung von mit segmentierten 3D-Bilddaten verknüpften 3D-Mapping-Daten für eine Katheterablation nutzbare geometrische Informationen mit erhöhter Präzision zur Verfügung gestellt werden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert: Hierin zeigen, teilweise in stark vereinfachter Darstellung:
1 Ein medizintechnisches Diagnosesystem, welches ein Tomographiegerät sowie ein elektromagnetisches Lokalisierungssystem umfasst, und
2 in einem Flussdiagramm ein mit dem Diagnosesystem nach 1 durchführbares Verfahren.
Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes medizintechnisches Diagnosesystem umfasst eine bildgebende Diagnoseeinrichtung 2, nämlich ein 3D-Bilddaten lieferndes Computertomographiegerät, sowie ein elektromagnetisches Lokalisierungssystem 3, welches auch als Navigationssystem bezeichnet wird. Während das Tomographiegerät 2 zur präinterventionellen Gewinnung von Daten vorgesehen ist, kommt das Impedanz-basierte Lokalisierungssystem 3 während einer Intervention, nämlich einer elektrophysiologischen Katheteranwendung, zum Einsatz. Hintergrundinformationen zu solchen Katheteranwendungen sind dem Artikel „Fusionierung von Geometrie und CT" (C. Steinwender et al., J KARDIOL 2007, 14 (Suppl C), S. 7–9) zu entnehmen.
Die Diagnoseeinrichtung 2 sowie das elektromagnetische Lokalisierungssystem 3 sind über Eingangsschnittstellen 4, 5 an eine Datenverarbeitungseinheit 6 angeschlossen. Hinsichtlich der prinzipiellen Möglichkeit, eine datentechnische Verknüpfung zwischen einem Durchleuchtungsbildaufnahmesystem und einem röntgenstrahlungslosen Lokalisierungssystem herzustellen, wird auf die eingangs genannte DE 103 40 544 B4 sowie auf die DE 10 2006 024 425 A1 verwiesen.
An die Datenverarbeitungseinheit 6, welche nicht notwendigerweise, wie in 1 symbolisiert dargestellt, als einzelnes Gerät, sondern auch als komplexes Datenverarbeitungsnetzwerk realisiert sein kann, ist ein Monitor 7 als Anzeigevorrichtung angeschlossen. Der Monitor dient der Darstellung von fusionierten dreidimensionalen Daten, welche unter Nutzung sowohl der bildgebenden Diagnoseeinrichtung 2 als auch des elektromagnetischen Lokalisierungssystems 3 akquiriert werden. In 1 ist ausschnittsweise die Kontur eines linken Herzvorhofs 8 angedeutet. Weiter ist ansatzweise eine in den linken Herzvorhof 8 mündende Pulmonalvene 9 erkennbar, in welche ein Katheter 10, nämlich ein Multi-Elektroden-Katheter, eingeschoben ist. Bei dem Katheter 10 handelt es sich um einen Spiralkatheter oder einen Lassokatheter. Eine Ausführungsform eines als Spiralkatheter ausgebildeten Mapping- Elektroden-Katheters ist prinzipiell zum Beispiel aus der DE 40 25 369 C2 bekannt. Die Position des Katheters 10 ist in Echtzeit mit Hilfe des elektromagnetischen Lokalisierungssystems 3 beobachtbar.
Ein mit der Vorrichtung nach 1 durchführbares Verfahren wird im Folgenden anhand eines Flussdiagramms (2) erläutert:
Im ersten Schritt S1 werden dreidimensionale Bilddaten (3D-Bilddaten), auch als morphologische Bilddaten bezeichnet, die mit Hilfe der bildgebenden Diagnoseeinrichtung 2 gewonnen wurden und zumindest eine Darstellung des linken Herzvorhofs 8 sowie der Pulmonalvenen 9, von welchen in 1 nur eine einzige skizziert ist, umfassen, bereitgestellt.
Diese 3D-Bilddaten werden im Schritt S2 segmentiert, wobei ein Oberflächenmodell der Pulmonalvenen 9 erzeugt wird. Die Oberfläche jeder Pulmonalvene wird hierbei in Form eines Dreiecksnetzes beschrieben. Die Segmentierung schließt auch zumindest den linken Vorhof 8 des Herzens ein.
Im Schritt S3, der erst nach Abschluss des Schrittes S2 beginnt, werden über dieselben anatomischen Strukturen, welche zuvor mit Hilfe des Tomographiegerätes 2 erfasst wurden, Ortsinformationen unter Verwendung des elektromagnetischen Lokalisierungssystems 3 gewonnen. Zu diesem Zweck wird der Multi-Elektroden-Katheter 10 zunächst bis zum Pulmonalvenenostium vorgeschoben und anschließend durch die betreffende Pulmonalvene 9 zurückgezogen, so dass die einzelnen, in 1 nicht im Detail dargestellten Elektroden des Katheders 10 Linien und/oder Punktwolken an der Oberfläche der Pulmonalvenen 9 beschreiben. Dieser Vorgang wird sukzessive bei allen Pulmonalvenen 9 durchgeführt und liefert so genannte 3D-Mapping-Daten.
Im Schritt S4 werden die im Schritt S3 gewonnenen Informationen verarbeitet, um analog zum Schritt S2 ein mathematisches Modell der Oberflächen der Pulmonalvenen 9 zu erhalten.
Nach Abschluss des Schrittes S4 erfolgt im Schritt S5 eine automatische Zuordnung zwischen den mit der bildgebenden Diagnoseeinrichtung 2 aufgenommenen 3D-Bilddaten und den mit dem elektromagnetischen Lokalisierungssystem 3 gewonnen geometrischen Daten derselben anatomischen Strukturen.
Im Schritt S6 erfolgt ein erster Abgleich zwischen den 3D-Bilddaten und den mit Hilfe eines grundlegend anderen, röntgenstrahlungslosen Verfahrens gewonnenen 3D-Mapping-Daten, wobei in diesem Schritt Translations- und Rotationsoperationen vorgenommen werden, um Abweichungen zwischen den 3D-Bilddaten einerseits und den 3D-Mapping-Daten andererseits zu verringern.
Zusätzlich zu den Translations- und Rotationsoperationen wird im Schritt S7 eine automatische Verzerrung der 3D-Mapping-Daten vorgenommen, um zu einer noch besseren Übereinstimmung zwischen den 3D-Bilddaten und den 3D-Mapping-Daten zu gelangen. Hierbei wird davon ausgegangen, dass das Untersuchungsobjekt durch die röntgentechnisch gewonnenen 3D-Bilddaten praktisch unverzerrt wiedergegeben wird, während es bei Ortsbestimmungen mit Hilfe des elektromagnetischen Lokalisierungssystems 3 zu relevanten Verzerrungen kommen kann. Die durch die Datenverarbeitungseinheit 6 bereitgestellte Funktion, mit der Verzerrungen automatisch ausgeglichen werden, wird als Entzerrungsfunktion bezeichnet. Von besonderem Vorteil ist die Tatsache, dass durch die Entzerrungsfunktion ein Werkzeug gegeben ist, mit dem die Präzision der mittels des elektromagnetischen Lokalisierungssystems 3 durchgeführten Bestimmung der Position des Katheters 10 signifikant erhöht wird.
Bei den Schritten S6 und S7 handelt es sich um Schritte einer Registrierungsprozedur, deren Ergebnis im Schritt S8 auto matisch bewertet wird. Falls noch über einem vorzugsweise einstellbaren Schwellwert liegende Abweichungen zwischen den 3D-Bilddaten und den 3D-Mapping-Daten festgestellt werden, werden die Schritte S6 und S7 wiederholt. Die Wiederholung erfolgt solange, bis alle Kriterien, die festlegen, welche maximalen Abweichungen zwischen den 3D-Bilddaten und den 3D-Mapping-Daten zulässig sind, erfüllt sind. Die Parameter der endgültigen, als optimal ermittelten Registrierung werden gespeichert, insbesondere um sie bei späteren Korrekturen nutzen zu können, wie vorstehend im Zusammenhang mit der Entzerrungsfunktion erläutert. Nach Beendigung der Registrierungsprozedur einschließlich der Datenspeicherung wird das Verfahren im Schritt S9 abgeschlossen.

1: Diagnosesystem
2: bildgebende Diagnoseeinrichtung
3: elektromagnetisches Lokalisierungssystem
4: Eingangsschnittstelle
5: Eingangsschnittstelle
6: Datenverarbeitungseinheit
7: Monitor
8: linker Herzvorhof
9: Pulmonalvene
10: Multi-Elektroden-Katheter
S1...S9: Schritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10340544 B4 [0002, 0002, 0015]
- DE 102006024425 A1 [0015]
- DE 4025369 C2 [0016]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Zeitschriftenbeitrag „Einsatz des Navigationssystems NavX ® bei der Ablationsbehandlung von Vorhofflimmern” (H. L. Estner et al., Zeitschrift „Herzschrittmachertherapie und Elektrophysiologie”, Verlag Steinkopff, Vol. 18, Nr. 3, S. 131–139, Sept. 2007) [0003]
- Artikel „Fusionierung von Geometrie und CT” (C. Steinwender et al., J KARDIOL 2007, 14 (Suppl C), S. 7–9) [0014]

Claims

Verfahren zur Verarbeitung diagnostischer Bilddaten, mit folgenden Schritten: – mittels einer bildgebenden Diagnoseeinrichtung (2) akquirierte, einen linken Herzvorhof (8) sowie Pulmonalvenen (9) darstellende dreidimensionale Bilddaten werden bereitgestellt, – aus den Bilddaten wird automatisch ein Oberflächenmodell des linken Herzvorhofs (8) sowie der Pulmonalvenen (9) segmentiert, – die segmentierten Bilddaten werden mit 3D-Mapping-Daten, welche mittels eines elektromagnetischen Lokalisierungssystems (3) durch Bewegung eines Multi-Elektroden-Katheters (10) durch die Pulmonalvenen (9) gewonnen wurden, verknüpft, – es wird eine automatische, Verzerrungen zumindest teilweise ausgleichende Registrierungsprozedur durchgeführt, bei welcher eine Anpassung der die Oberflächen der Pulmonalvenen (9) beschreibenden 3D-Mapping-Daten an das Oberflächenmodell der Pulmonalvenen (9) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung im Rahmen der Registrierungsprozedur iterativ durchgeführt wird, bis eine zulässige Abweichungen zwischen den segmentierten Bilddaten und den 3D-Mapping-Daten betreffende Bedingung erfüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch die Registrierungsprozedur ermittelte Entzerrungsfunktion zur Korrektur von weiteren, mit dem elektromagnetischen Lokalisierungssystem (3) gewonnenen Mapping-Daten verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das auf von der bildgebenden Diagnoseeinrichtung (2) gelieferten Bilddaten basierende Oberflächenmodell eine Oberfläche einer Pulmonalvene in Form eines Dreiecksnetzes darstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus den 3D-Mapping-Daten eine Darstellung einer Oberfläche einer Pulmonalvene in Form eines Dreiecksnetzes generiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Multi-Elektroden-Katheter (10) ein Spiralkatheter verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Multi-Elektroden-Katheter (10) ein Lassokatheter verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Computertomographiegerätes (2) akquirierte Bilddaten für die Erzeugung des Oberflächenmodells bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Magnetresonanzgerätes (2) akquirierte Bilddaten für die Erzeugung des Oberflächenmodells bereitgestellt werden.
Vorrichtung zur Verarbeitung diagnostischer Bilddaten, mit einer zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 eingerichteten Datenverarbeitungseinheit (6).