DE102008052685A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Visualisierung eines interessierenden Bereichs im menschlichen Körper - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Visualisierung eines interessierenden Bereichs im menschlichen Körper Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Visualisierung insbesondere des Herzens während einer Intervention, mit den Schritten: Einführen einer röntgensichtbaren Markierung (26), Aufnahme eines 3-D-Bilddatensatzes (30), Ermitteln der dreidimensionalen Form (28) der Markierung (26) in dem 3-D-Bilddatensatz (30), Aufnahme von zumindest einem 2-D-Durchleuchtungsbild (32), Ermitteln der zweidimensionalen Form (291, 29b, 29c) der Markierung (26) auf dem 2-D-Durchleuchtungsbild (32), Registrieren des 2-D-Druchleuchtungsbildes (32) mit dem 3-D-Bilddatensatz (30) anhand der ermittelten Formen der Markierung (26) in dem 3-D-Bilddatensatz (30) und 2-D-Durchleuchtungsbild (32) und gemeinsame Darstellung des 2-D-Durchleuchtungsbildes (32) mit dem 3-D-Bilddatensatz (30).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Visualisierung eines interessierenden Bereichs im menschlichen Körper einer Person während einer Intervention.
  • In der Kardiologie werden oft bildgesteuerte diagnostische oder therapeutische Interventionen am Herzen durchgeführt, wie beispielsweise die Katheterablation, die Ballondilatation oder das Einsetzen eines Stents. Bei so genannten elektrophysiologischen Untersuchungen werden die elektrischen Ströme in der Herzwand mittels Elektroden untersucht und bei Ablationsbehandlungen wird die Herzwand an ausgewählten Stellen selektiv verödet, um elektrische Kurzschlusswege im Herzen und dadurch erzeugtes Vorhofflimmern oder Tachykardien zu beseitigen.
  • Eine solche Intervention wird meistens gesteuert durch Röntgenbilder durchgeführt. Diese können z. B. mit einem C-Bogen-Röntgengerät aufgenommen werden, bei dem die am C-Bogen befestigte Bildaufnahmeeinheit in beliebigen Winkeln um den Patienten verschwenkt werden kann. Dabei werden zweidimensionale (2-D) Echtzeit-Durchleuchtungsbilder, sogenannte Fluoroskopiebilder, aufgenommen. Anhand der Fluoroskopiebilder können die Katheter durch das Herz geführt werden.
  • Insbesondere bei elektrophysiologischen Untersuchungen und Ablationsbehandlungen ist es hilfreich, verwendete Katheter relativ zur dreidimensionalen Morphologie der zu untersuchenden bzw. therapierenden Herzkammer zu visualisieren, da die Untersuchung/Ablationsbehandlung oft nicht ausschließlich anhand der elektrophysiologischen Gegebenheiten optimal durchgeführt werden kann. Insbesondere bei der Ablation von Vorhofflimmern ist es wünschenswert, auch die Morphologie der zu untersuchenden/therapierenden Herzkammer berücksichtigen zu können.
  • Dieses Bedürfnis kann teilweise dadurch befriedigt werden, dass dreidimensionale (3-D) Bilddaten des Herzens hinzugezogen werden. Auch mit einem interventionellen C-Bogen-Röntgengerät können 3-D-Datensätze aufgenommen werden. Dabei rotiert der C-Bogen in einem sogenannten Rotationslauf um mindestens 180° plus den Fächerwinkel der Röntgenquelle um den Patienten und nimmt dabei 50 bis 500 Durchleuchtungs- bzw. Projektionsbilder auf. Diese können zu einem 3-D-Bilddatensatz rekonstruiert werden. Dieses Verfahren ist beispielsweise in der DE 10 2005 016 472 A1 beschrieben. Um Bewegungsartefakte zu vermeiden, kann die Akquisition EKG-getriggert werden. Derartige 3-D-Bilddatensätze können jedoch nicht direkt zur Steuerung eines Katheters verwendet werden, da ihre Akquisition mehrere Sekunden bis einige Minuten benötigt.
  • Es ist daher z. B. aus der US 2008/0147086 A1 bekannt, die während der Intervention aufgenommenen Echtzeit-Fluoroskopiebilder, die den Katheter, nicht aber die Morphologie des Herzens zeigen mit einem vorher aufgenommenen 3-D-Bilddatensatz, der die 3-D-Morphologie des Herzens, nicht aber den Katheter, zeigt, überlagert bzw. übergeblendet darzustellen. Eine besondere Art der überlagerten Darstellung ist in beispielsweise DE 10 2006 046 735 A1 offenbart. Mit den dort beschriebenen Verfahren lassen sich 2-D-Fluoroskopiebilder bei Interventionen mit einer sogenannten Fly Visualisierung, auch virtuelle Endoskopie genannt, des Inneren eines interessierenden Organs überlagern. Bei der virtuellen Endoskopie wird das Auge des Betrachters ins Innere des Objekts verlegt und eine perspektivische Geometrie mit sehr großem Blickwinkel von typischerweise 90° b 180° gewählt. Diese Art der Visualisierung eignet sich insbesondere für Hohlorgane wie beispielsweise Herzkammern. Bei dem Verfahren der DE 10 2006 046 735 A1 werden die Bildpunkte des 2-D-Durchleuchtungsbildes unter Berücksichtigung der Projektionsgeometrie auf die segmentierte Oberfläche rückprojiziert.
  • Für derartige Verfahren müssen der 3-D-Bilddatensatz und die 2-D-Fluoroskopiebilder jedoch im gleichen Koordinatensystem vorliegen. Diese Bedingung kann im Prinzip erfüllt werden, wenn beide Bilder von der gleichen Röntgenanlage ohne Umlagerung des Patienten generiert werden, sofern diese bezüglich der Projektionsgeometrie entsprechend kalibriert ist. Dies berücksichtigt jedoch nicht, dass das Herz und auch andere Organe des Patienten sich während einer Intervention bewegen, z. B. durch Patientenbewegung, Herzschlag und Atmung. Die Berücksichtigung dieser zeitvariablen Effekte ist aber für eine exakte Überlagerung/Überblendung eines Echtzeit 2-D-Fluoroskopiebildes mit einem 3-D-Bilddatensatz unerlässlich.
  • Es ist im Stand der Technik bekannt, 2-D-Durchleuchtungsbilder mit einem 3-D-Bilddatensatz zu registrieren, siehe beispielsweise DE 10 2006 056 679 A1 . Registrierung bedeutet, zwei oder mehrere Bilder derselben Szene, oder zumindest ähnlicher Szenen, bestmöglich in Übereinstimmung miteinander zu bringen. Dabei wird z. B. eine Transformation berechnet, mit der die einzelnen Voxel des 3-D-Bilddatensatzes den korrespondierenden Pixeln im 2-D-Durchleuchtungsbild zugeordnet werden. 2-D/3-D-Starrkörper-Registrierungsverfahren sind unter anderem in der Arbeit von Lilla Zöllei beschrieben: "2D–3D Rigid-Body Registration of X-Ray Fluoroscopy and CT Images", Massachusetts Institute of Technology AI Lap, Masters Thesis in Electrical Engineering and Computer Science, 2001.
  • Eine Registrierung kann bildbasiert sein, also die in den miteinander zu registrierenden Bildern intrinsisch vorhandenen Strukturen nutzen. Bei dem Verfahren der DE 10 2006 056 679 A1 wird z. B. der Koronarsinus also Bezugsobjekt verwendet. Dies setzt jedoch voraus, dass diese intrinsischen Strukturen auf allen Bildern gut zu erkennen sind. Dies ist jedoch gerade bei Gefäßen nicht der Fall, sofern kein Kontrastmittel verwendet wird. Insbesondere in den 2-D-Durchleuchtungsbildern ist in der Regel keine ausreichend gute Visualisierung der Herz-Anatomie vorhanden, die zur bildbasierten Registrierung mit dem 3-D-Bildvolumen herangezogen werden könnte.
  • Die vorliegende Erfindung hat daher die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Visualisierung eines interessierenden Bereichs im menschlichen Körper bereitzustellen, mit denen ein in den Körper eingebrachtes Instrument möglichst genau durch die Morphologie des interessierenden Bereichs gesteuert werden kann. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine möglichst genaue 2-D/3-D-Registrierung von einem 2-D-Durchleuchtungsbild mit einem 3-D-Bilddatensatz bereitzustellen, welche von Bewegungen des Patienten unabhängig ist und darüber hinaus während einer Intervention neu berechnet werden kann, um die zeitvariablen Einflüsse, die durch Herzschlag, Atmung und Bewegung des Patienten verursacht werden, kontinuierlich zu kompensieren.
  • Diese Aufgabe löst die Erfindung mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1, sowie der Vorrichtung gemäß Anspruch 15. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Durch die in der Erfindung beschriebene spezielle 2-D/3-D-Registrierung können kontinuierlich aufgenommene 2-D-Durchleuchtungsbilder – insbesondere Fluoroskopiebilder – mit einem 3-D-Bilddatensatz, der mit einem interventionellen Röntgengerät erzeugt wurde, online während einer Intervention, z. B. einer minimalinvasiven Operation am Herzen, überlagert werden. Dadurch, dass die 2-D/3-D-Registrierung erfindungsgemäß mithilfe einer in den Körper eingebrachten röntgensichtbaren Markierung durchgeführt wird, muss für die Registrierung kein Kontrastmittel injiziert werden. Insbesondere im Fall einer elektrophysiologischen Intervention am Herzen können daher die verwendeten Katheter relativ zur 3-D-Morphologie des Herzens dargestellt werden, und der Elektrophysiologe kann den/die Katheter unter Einbeziehung der 3-D-Morphologie führen.
  • Dabei wird die 2-D/3-D-Registrierung bevorzugt fortlaufend aktualisiert, sodass bewegungsbedingte Diskrepanzen (z. B. durch Herzschlag, Atmung oder Bewegung des Patienten), kompensiert werden, was in einer exakteren Registrierung und somit exakteren gemeinsamen Darstellung resultiert.
  • Die Erfindung erlaubt somit eine exaktere Steuerung bzw. Positionierung von während einer Intervention verwendeten Instrumenten wie Kathetern, insbesondere Ablationsinstrumenten, im menschlichen Körper, insbesondere im Herzen.
  • Der interessierende Bereich im menschlichen Körper kann jedes Organ sein, wie z. B. Leber, Niere, Blase, Lunge, Darm, Magen, insbesondere Organe, die sich während einer Intervention durch Atmung oder Herzschlag bewegen. Der interessierende Bereich ist bevorzugt ein sich iterativ bewegender Bereich des Körpers, insbesondere das Herz. Die Intervention ist ein beliebiger diagnostischer oder therapeutischer Eingriff in den Körper, vorzugsweise ein minimalinvasiver Eingriff, welcher üblicherweise unter Röntgenkontrolle erfolgt. Besonders bevorzugt handelt es sich um eine Katheterintervention am Herzen, z. B. eine elektrophysiologische Intervention wie eine Ablationsbehandlung, insbesondere zur Ablation von Vorhofflimmern.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst eine röntgensichtbare Markierung in den Körper eingeführt. ”Röntgensichtbar” bedeutet, dass die Markierung auf Röntgenbildern sichtbar ist, z. B. da sie röntgenundurchlässiges Material wie z. B. Metall beinhaltet. Vorzugsweise ist die röntgensichtbare Markierung Teil eines medizinischen Geräts, das für die Intervention sowieso in den Körper eingeführt wird. Vorzugsweise verbleibt die röntgensichtbare Markierung zumindest während der Aufnahmen des 3-D-Bilddatensatzes und der 2-D-Durchleuchtungsbilder an der gleichen Position im Körper, bevorzugt direkt im interessierenden Bereich. Die Markierung kann daher teil eines Herzkatheters sein, insbesondere die Spitze eines Herzkatheters, und besonders bevorzugt teil ei nes Pacing-Katheters. Ein Pacing-Katheter dient dazu, das Herz während der Intervention durch einen externen Herzschrittmacher zu stimulieren, um die Herzaktivität während der Intervention zu kontrollieren. Vorzugsweise wird der Pacing-Katheter in den Koronarsinus eingeführt und verbleibt dort während der Intervention. Die Markierung kann jedoch auch eine Vorrichtung sein, die lediglich zum Zweck der Registrierung in den Körper eingeführt wird. Besonders bevorzugt wird die Markierung in einem Hohlraum des Körpers, insbesondere ein Blutgefäß, eingeführt.
  • Nach der Einführung der Markierung wird ein 3-D-Bilddatensatz des interessierenden Bereichs mit einem interventionellen Röntgengerät aufgenommen. Das interventionelle Röntgengerät kann jedes Gerät sein, welches zur Durchführung einer Intervention unter Röntgenkontrolle geeignet ist, insbesondere eine C-Bogen-Röntgenanlage, eine Angiographieanlage oder auch ein interventionelles Computertomographiegerät. Der 3-D-Bilddatensatz soll die dreidimensionale Morphologie des interessierenden Bereichs, insbesondere des Herzens, und die eingeführte Markierung abbilden.
  • Sollte die eingeführte Markierung Metallartefakte bei der Rekonstruktion des 3-D-Bilddatensatzes verursachen, werden bevorzugt während der 3-D-Rekonstruktion Metall-Artefakt-Korrekturalgorithmen verwendet, wie sie beispielsweise in dem Artikel von M. Oehler und T. M. Buhzug "Maximum-Likelihood-Ansatz zur Metallartefaktreduktion bei der Computertomographie" BVM 2006, Springer Verlag Berlin, Seiten 36–40, beschrieben sind.
  • Die dreidimensionale Form der Markierung in dem 3-D-Bilddatensatz wird daraufhin ermittelt bzw. extrahiert. Dies ist notwendig, um diese Form später zur Registrierung mit einem 2-D-Durchleuchtungsbild verwenden zu können. Vorzugsweise geschieht dies durch Mustererkennungsalgorithmen. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Form und Größe der Markierung bekannt ist. Alternativ können auch lediglich die Voxel des 3-D-Bilddatensatzes ermittelt werden, welche die Markierung abbilden.
  • Daraufhin wird ein 2-D-Durchleuchtungsbild des interessierenden Bereichs aufgenommen, und zwar wiederum mit dem gleichen interventionellen Röntgengerät. Vorzugsweise wird nicht nur eins, sondern eine Folge von 2-D-Durchleuchtungsbildern aufgenommen, z. B. 1–20 Bilder pro Sekunde, die alle gemäß dem folgenden Verfahren registriert und dargestellt werden.
  • Zunächst wird die zweidimensionale Form der Markierung auf dem 2-D-Durchleuchtungsbild ermittelt. Auch hierzu werden vorzugsweise Mustererkennungsalgorithmen verwendet. Darüber hinaus können in diesem Schritt bereits die vorher ermittelte dreidimensionale Form der Markierung sowie das Wissen, dass auf dem 2-D-Durchleuchtungsbild eine Projektion desselben zu finden sein muss, berücksichtigt werden.
  • Daraufhin wird das 2-D-Durchleuchtungsbild mit dem 3-D-Bilddatensatz registriert. Dies erfolgt anhand der ermittelten dreidimensionalen Form der Markierung in dem 3-D-Bilddatensatz und der ermittelten zweidimensionalen Form der Markierung auf dem 2-D-Durchleuchtungsbild. Zur Registrierung wird vorzugsweise aus der dreidimensionalen Form eine zweidimensionale Form unter Berücksichtigung der aktuellen Projektionsgeometrie des Röntgen-C-Bogen-Systems berechnet. Es handelt sich hierbei um eine 2-D/3-D-Registrierung. Diese ist jedoch nicht bildbasiert in dem Sinne, da die intrinsischen Strukturen auf den Bildern zur Registrierung verwendet werden. Stattdessen erfolgt die Registrierung vorzugsweise ausschließlich aufgrund der Markierung. Dieses Verfahren ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Markierung auf den Bildern besonders klar erkennbar ist, z. B. weil sie aus Metall besteht.
  • Ferner können bei der Registrierung die intrinsischen Parameter wie z. B. die Projektionsgeometrie der 2-D/3-D-Registrierung als gegeben betrachtet werden, falls ein bezüglich der Projektionsgeometrie kalibriertes Röntgengerät verwendet wird. Dies hat den Vorteil, dass für die Registrierung praktisch nur ein einziges Pixel/Voxel in Übereinstimmung gebracht werden muss, die restlichen Daten sind durch die Projektionsgeometrie bekannt. Dadurch kann die Markierung so klein sein, dass sie nur auf einem bzw. wenigen Pixeln/Voxeln der Bilder abgebildet wird.
  • Vorzugsweise wird die bei dem ersten 2-D-Durchleuchtungsbild erhaltene 2-D/3-D-Registrierung, also die ermittelte Projektionsmatrix vom 3-D-Bilddatensatz auf das 2-D-Durchleuchtungsbild, als Anfangsregistrierung abgespeichert. Somit kann diese Projektionsmatrix als Startwert für nachfolgende Registrierungen verwendet werden. Dies beschleunigt die nachfolgenden Registrierungsverfahren und erlaubt, weitere 2-D-Durchleuchtungsbilder praktisch in Echtzeit mit dem 3-D-Bilddatensatz zu registrieren und darzustellen.
  • ”In Echtzeit” bedeutet, dass die dargestellten 2-D-Durchleuchtungsbilder so kurz nach ihrer Akquisition gemeinsam mit dem 3-D-Bilddatzensatz dargestellt werden, dass es möglich ist, anhand der Bilder ein Instrument durch den Körper zu steuern. Üblicherweise spricht man von ”Echtzeit”, wenn eine Verzögerung von bis zu einer Sekunde, vorzugsweise < 200 ms, besonders bevorzugt < 100 ms vorhanden ist.
  • Zum Schluss wird das 2-D-Durchleuchtungsbild gemeinsam mit dem 3-D-Bilddatensatz dargestellt. ”Gemeinsame Darstellung” umfasst jegliche Art, beide Bilddatensätze derart zu visualisieren, dass insbesondere ein auf dem 2-D-Durchleuchtungsbild sichtbarer Katheter der auf dem 3-D-Bilddatensatz sichtbaren umgebenden Morphologie zugeordnet werden kann. Insbesondere werden die Bilder überlagert dargestellt, z. B. wird das 2-D-Durchleuchtungsbild mit dem 3-D-Bilddatenvolumen anhand der im vorherigen Schritt ermittelten Registrierung überblendet. Für die gemeinsame Darstellung wird also die Registrierung verwendet. Die Bilder können dabei schwarzweiß oder farbcodiert dargestellt werden.
  • Besonders bevorzugt wird für die Überblendung eine ”Fly Visualisierung” verwendet, wie sie in DE 10 2006 046 735 A1 beschrieben ist. Es kann jedoch auch jegliche der folgenden Darstellungsvarianten zur Überblendung verwendet werden, wobei entweder der 3-D-Bilddatensatz oder das 2-D-Durchleuchtungsbild oder beide zur besseren Unterscheidung farbkodiert dargestellt werden können: Maximum Intensity Protection (MIP), Volume Rendering Technique (VRT), Surface Shaded Display (SSD), Clipping des 3-D-Bilddatensatzes, transparente Darstellung des 3-D-Bilddatensatzes, Segmentierung einer oder mehrerer Herzkammern oder Gefäße des 3-D-Bilddatensatzes. Diese Verfahren können auch miteinander kombiniert werden, soweit sinnvoll.
  • Darüber hinaus kann auch ein vor der Intervention aufgenommener zweiter 3-D-Bilddatensatz, der z. B. mit Computertomographie, Ultraschall, insbesondere mittel Intrakardialem Ultraschallkatheter, Magnetresonanztomographie oder Positronen-Emissionstomographie aufgenommen wurde, mit dem 3-D-Bilddatensatz des interventionellen Röntgengeräts mithilfe von bildbasierter 2-D/3-D-Registrierung registriert werden. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der vom interventionellen Röntgengerät erzeugte 3-D-Bilddatensatz von suboptimaler Qualität ist. Auf diese Weise kann das 2-D-Durchleuchtungsbild anstatt mit dem erzeugten 3-D-Bilddatensatz auch mit einem damit registrierten präprozeduralen 3-D-Bilddatensatz überlagert dargestellt werden. Dadurch sind gegebenenfalls die morphologischen Strukturen noch besser erkennbar.
  • Wenn einmal eine Registrierung zwischen dem am Beginn der Intervention aufgenommenen 3-D-Bilddatensatz und einem präprozedural aufgenommenen 3-D-Bilddatensatz vorhanden ist, reicht eine Registrierung des 2-D-Durchleuchtungsbildes mit dem während der Intervention aufgenommenen 3-D-Bilddatensatz aus, um auch die Registrierung zu dem präprozedural aufgenommenen 3-D-Bilddatensatz zu kennen.
  • Bevorzugt werden die Schritte ab der Aufnahme des 2-D-Durchleuchtungsbildes zumindest während eines Teils der Intervention kontinuierlich wiederholt, sodass die gemeinsame Darstellung des 2-D-Durchleuchtungsbildes mit dem 3-D-Bilddatensatz zumindest annähernd in Echtzeit erfolgt. Durch die kontinuierliche Registrierung und die kontinuierlich erneuerte gemeinsame Darstellung z. B. durch Überblendung werden zeitvariante Effekte wie Herzschlag, Atmung und Bewegung des Patienten bezüglich der Überblendung kompensiert. Dadurch können Life-Fluoroskopiebilder (die 2-D-Durchleuchtungsbilder) mit einem 3-D-Bilddatensatz, das mit einem interventionellen Röntgengerät erzeugt wurde, online während einer Intervention, insbesondere während einer elektrophysiologischen Untersuchung/Behandlung überlagert werden.
  • Bevorzugt werden alle Schritte während einer einzigen Intervention, insbesondere ohne Umlagerung der Person, durchgeführt. Vor der Einführung der zumindest einen röntgensichtbaren Markierung in den Körper, wird die Person – vorzugsweise ein Patient – somit auf der Liege des interventionellen Röntgengeräts positioniert und auf übliche Weise auf den chirurgischen Eingriff vorbereitet.
  • Vorzugsweise ist das interventionelle Röntgengerät ein C-Bogen-Gerät. Bei der Aufnahe des 3-D-Bilddatensatzes wird daher vorzugsweise ein Rotationslauf des C-Bogens durchgeführt und die dabei aufgenommen zweidimensionalen Projektion- bzw. Durchleuchtungsbilder zu dem 3-D-Bilddatensatz rekonstruiert. Um Bewegungsartefakte durch das schlagende Herz zu vermeiden, wird bevorzugt ein Verfahren wie in der DE 10 2005 016 472 A1 verwendet. Hierzu wird vorzugsweise zumindest während der Akquisition des 3-D-Bilddatensatzes ein EKG (Elektrokardiogramm) aufgenommen und die während des Rotationslaufs aufgenommenen Projektionsbilder entsprechend der Phasenlage des Herzens sortiert, sodass nur Bilder für die 3-D-Rekonstruktion verwendet werden, in denen das Herz sich in einer ausgewählten, geeigneten Phasenlage befindet, z. B. in der Diastole.
  • Um eine besonders saubere Zuordnung von während des Rotationslaufs aufgenommenen zweidimensionalen Bildern (Projektionsbildern) und den parallel dazu aufgenommenen EKG-Signal sowie ein möglichst gleichmäßiges EKG zu gewährleisten, kann das Herz durch Pacing in regelmäßigen Intervallen während der Akquisition stimuliert werden, wie z. B. in DE 10 2006 042 997 A1 beschrieben. Auch ein kurzzeitiges Unterdrücken der Herztätigkeit durch Medikamente während eines schnellen Rotationslaufs eines C-Bogens ist denkbar, um einen 3-D-Bilddatensatz ohne Bewegungsartefakte aufzunehmen.
  • Der 3-D-Bilddatensatz kann auch Teil eines 4D-Bilddatensatzes ein, in dem die Zeit die vierte Dimension ist. Ein solcher 4D-Bilddatensatz enthält 3-D-Bilddatensätze aus verschiedenen Herzphasen und kann mithilfe von EKG-Gating aus mehreren Rotationsläufen rekonstruiert werden. Dabei werden jeweils die Projektionsbilder zu einem 3-D-Bilddatensatz rekonstruiert, die während der gleichen Herzphase akquiriert wurden.
  • Um zu vermeiden, dass das 2-D-Durchleuchtungsbild während einer anderen Herzphase aufgenommen wird wie der 3-D-Bilddatensatz, kann das bzw. die mehreren 2-D-Durchleuchtungsbilder optional im EKG-getriggerten Fluoroskopiemodus aufgenommen werden. Der Zeitpunkt der EKG-Triggerung zur Aufnahme des 2-D-Durchleuchtungsbildes sollte dann in derselben Herzphase erfolgen, zu der der 3-D-Bilddatensatz rekonstruiert wurde. Auf diese Weise steht allerdings pro Herzschlag nur ein 2-D-Durchleuchtungsbild zur Verfügung. Dieser Nachteil kann jedoch teilweise dadurch kompensiert werden, dass das Herz mittels Pacing zu einer schnelleren Herzfrequenz angeregt wird. Allgemein kann während der Akquisition und der 2-D-Durchleuchtungsbilder Pacing eingesetzt werden, um zu garantieren, dass die 2-D-Durchleuchtungsbilder in derselben Herzphase aufgenommen werden, in der der 3-D-Bilddatensatz erzeugt wurde.
  • Ferner kann das 2-D-Durchleuchtungsbild optional in der gleichen Atemphase wie bei der Aufnahme des 3-D-Bilddatensatzes aufgenommen werden, ebenfalls um Diskrepanzen zwischen den 2-D-Durchleuchtungsbild und dem 3-D-Bilddatensatz zu vermeiden. Hierzu wird die Atmung der Person z. B. durch einen um den Brustkorb gelegten Gurt gemessen.
  • Falls der 3-D-Bilddatensatz ein zeitvarianter 4D-Bilddatensatz ist, wie oben erwähnt, kann jeweils ein 2-D-Durchleuchtungsbild, das zu einer bestimmten Herzphase aufgenommen wurde, mit demjenigen 3-D-Bilddatensatz rekonstruiert werden, der in derselben Herzphase aufgenommen bzw. rekonstruiert wurde. Auf diese Weise kann bei der gemeinsamen Darstellung eine Überblendung dargestellt werden, der ein bewegter 3-D-Bilddatensatz zugrunde liegt. In anderen Worten, wird bei jeder Iteration der Schritte d)–g) (bei einer Wiederholungsrate von z. B. 2–10 Bildern pro Sekunde) ein anderer 3-D-Bilddatensatz bei der Registrierung des 2-D-Durchleuchtungsbildes verwendet werden. Eben dieser 3-D-Bilddatensatz wird auch gemeinsam mit dem jeweils aktuellen 2-D-Durchleuchtungsbild dargestellt. Dadurch erhält man praktisch ein dreidimensionales Echtzeit-Video, obwohl die morphologischen Daten auf den bewegten Bildern aus dem am Anfang der Intervention aufgenommenen 4D-Bilddatensatz stammen, während auf den überblendeten 2-D-Durchleuchtungsbildern insbesondere die aktuelle Position der bei der Intervention verwendeten Geräte/Katheter zu sehen ist.
  • Die Erfindung ist auch auf einer Vorrichtung zur Visualisierung eines interessierenden Bereichs im menschlichen Körper einer Person gerichtet, welche ein interventionelles Röntgengerät, einen Datenspeicher und einen Prozessor umfasst, welcher dazu ausgelegt ist, die erfindungsgemäße Registrierung durchzuführen. Vorzugsweise ist die Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens geeignet. Die Vorrichtung umfasst ferner bevorzugt einen Bildschirm, auf dem das 2-D-Durchleuchtungsbild gemeinsam mit dem 3-D-Bilddatensatz dargestellt werden kann, sowie ein EKG-Gerät zur Aufnahme eins EKG-Signals, welches für die oben beschriebene Triggerung verwendet wird.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
  • 1 einen 3-D-Bilddatensatz, der ein menschliches Herz abbildet,
  • 2 ein 2-D-Durchleuchtungsbild des in 1 dargestellten Herzens,
  • 3 eine perspektivische Ansicht einer röntgensichtbaren Markierung,
  • 46 verschiedene zweidimensionale Projektionen der in 3 dargestellten Markierung,
  • 7 ein Flussbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und
  • 8 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Zur Erläuterung des Prinzips des bei der Erfindung durchgeführten Registrierungsansatzes zeigen 1 und 2 einen 3-D-Bilddatensatz 30 bzw. ein 2-D-Durchleuchtungsbild 32 von jeweils dem gleichen Herzen 16, in das eine röntgensichtbare Markierung 26 eingeführt ist. Die 2 ist somit ein Projektionsbild des in 1 dargestellten interessierenden Bereichs. Beispielhaft ist ein Katheter 15 durch eine Vene in das Herz 16 eingeführt, sodass die Katheterspitze als erfindungsgemäße Markierung 26 dienen kann. Da diese auf sowohl dem 3-D-Bilddatensatz 30 als auch dem 2-D-Durchleuchtungsbild 32 scharf umrissen erkennbar ist, lässt sich allein aus der Ermittlung dessen Form oder Orientierung sowie gegebenenfalls Position eine genaue 2-D/3-D-Registrierung zwischen den Bil dern 30 und 32 erreichen, indem bei der Abbildung lediglich darauf geachtet wird, dass die Markierungen 26 genau übereinander liegen.
  • Wie die Ermittlung der Form der Markierung im 3-D-Bilddatensatz bzw. auf dem 2-D-Durchleuchtungsbild für die Registrierung hilfreich ist, wird anhand der 36 illustriert. Gemäß 3 hat die Markierung 26 die dreidimensionale Form eines Zylinders 28. Diese Form kann aus dem 3-D-Bilddatensatz 30 extrahiert werden, beispielsweise indem zunächst eine Segmentierung durchgeführt wird, um die Voxel mit dem stärksten bzw. niedrigsten Signal herauszufiltern, auf denen die Markierung 26 abgebildet ist. Auf die segmentierten Voxel wird dann ein Mustererkennungsalgorithmus angewendet, welcher z. B. aus einem Satz von vorgegebenen Formen (kugelförmig, zylinderförmig, beliebige Formen von üblichen Markierungen und Kathetern) eine Form an den segmentierten Bereich anfittet.
  • Ist die dreidimensionale Form 28 aus dem 3-D-Bilddatensatz extrahiert und somit bekannt, können leicht die möglichen zweidimensionalen Projektionen dieser Form berechnet werden. So zeigt 4 eine schräge Projektion 29a, 5 eine Projektion von der Seite, 29b und 6 eine Projektion von oben, 29c. Diese Projektionen können auf 2-D-Durchleuchtungsbildern aus verschiedenen Richtungen zu sehen sein. Dies erleichtert die Registrierung der 2-D-Durchleuchtungsbilder, auf denen die Projektionen 29a, 29b oder 29c zu sehen sind, mit dem 3-D-Bilddatensatz.
  • 7 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens. Zunächst wird in Schritt 40 der Patient im interventionellen Röntgengerät positioniert und z. B. anästhesiert, um ihn auf die Intervention vorzubereiten. Dabei werden z. B. in Schritt 42 EKG-Elektroden am Brustkorb positioniert, die vorzugsweise während der gesamten Intervention ein EKG-Signal 45 abgeben.
  • In Schritt 41 wird zunächst die röntgensichtbare Markierung z. B. in den Koronarsinus eingeführt. In dieser Position verbleibt die Markierung 26 während der gesamten folgenden Intervention.
  • In Schritt 44 wird ein 3-D-Bilddatensatz mit dem Röntgengerät aufgenommen, wobei bevorzugt das EKG-Signal 45 zum Triggern verwendet wird. Ferner kann das EKG-Signal auch verwendet werden, um zu jedem aufgenommenen Projektionsbild die dazugehörige Herzphase festzuhalten. Besonders bevorzugt wird eine Reihe von 3-D-Bilddatensätzen aufgenommen, die den gesamten Herzzyklus abdecken, sodass ein 4D-Bilddatensatz generiert wird. Auf dem 3-D- bzw. 4D-Bilddatensatz wird jeweils die Form der Markierung extrahiert (Schritt 46).
  • Daraufhin wird das erste 2-D-Durchleuchtungsbild 32 aufgenommen. Vorzugsweise wird gleichzeitig das EKG-Signal 45 gemessen und für jedes 2-D-Durchleuchtungsbild festgehalten, zu welchem Zeitpunkt im Zyklus es aufgenommen ist, um es mit dem korrespondierenden 3-D-Bilddatensatz registrieren zu können.
  • Aus dem 2-D-Durchleuchtungsbild wird ebenfalls die Form der darin sichtbaren Markierung 26 extrahiert (Schritt 49). Aufgrund der extrahierten Formen der Markierung wird in Schritt 50 das 2-D-Durchleuchtungsbild 32 mit dem 3-D-Bilddatensatz 30 registriert. Diese Registrierung wird vorzugsweise als Initiale bzw. Referenzregistrierung 51 abgespeichert und kann als Startwert für nachfolgende Online-Registrierungen während der Intervention verwendet werden.
  • In Schritt 52 wird das 2-D-Durchleuchtungsbild überblendet mit dem 3-D-Bilddatensatz dargestellt. Anhand dieser Darstellung kann der Chirurg bzw. Kardiologe einen weiteren Katheter, insbesondere einen Ablationskatheter, einführen bzw. dessen Bewegung steuern (Schritt 53). Die Schritte 4853 werden mit bis zu ca. 12 Wiederholungen pro Sekunde durchgeführt. Dies geschieht zumindest während der Teile der Inter vention, in denen ein Katheter in der Morphologie des Herzens positioniert werden muss.
  • Zum Ende der Intervention wird in Schritt 54 die Markierung und andere Katheter entnommen und die Intervention beendet, Schritt 55.
  • In 8 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, die auch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
  • Ein C-Bogen-Röntgengerät 1 weist einen C-Bogen 3 auf, der an einem Standfuß 2 derart montiert ist, dass er in beliebiger Richtung um eine Patientenliege 7 verschwenkt werden kann. An den beiden Enden des C-Bogens 3 sind einander gegenüberliegend eine Röntgenquelle 4 und ein Röntgendetektor 5 befestigt, mit denen von dem auf der Liege 7 liegenden Patienten 8 Röntgen-Durchleuchtungsbilder angefertigt werden können. Über das Kabel 22 ist der C-Bogen mit der Steuerungseinheit 10 verbunden. Diese weist unter anderem eine Datenspeicher 11, einen Prozessor 12 und eine Kontrolleinheit 13 auf, die mit dem EKG-Gerät 18 sowie mit einem Pacing-Gerät 20 verbunden ist. Die Komponenten 18, 20 können auch in die Steuereinheit 10 integriert sein. Die Komponenten 11, 12, 13 sind untereinander durch geeignete Kabel verbunden. Darüber hinaus weist das Gerät 1 auch einen Bildschirm 19 auf, auf dem die aufgenommenen Röntgenbilder dargestellt werden können.
  • Während einer Intervention ist der Patient 8 auf der Liege 7 gelagert. Die Elektroden 17 des EKG-Geräts 18 sind am Brustkorb befestigt und liefern somit über das Kabel 23 ein EKG-Signal an die Kontrolleinheit 13. Schließlich ist ein Pacing-Katheter 15, der die Markierung 26 beinhaltet oder darstellt, in das Herz 16 eingeführt. Der Pacing-Katheter 15 ist über das Kabel 25 mit dem Pacing-Gerät 20 verbunden. Dieses ist wiederum über das Kabel 24 mit der Kontrolleinheit 13 verbunden, sodass die Information, wann das Herz 16 über den Katheter 15 stimuliert wird, bei der Aufnahme von 2-D-Durch leuchtungsbildern mit dem C-Bogen 3 berücksichtigt werden kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (20)

  1. Verfahren zur Visualisierung eines interessierenden Bereichs im menschlichen Körper einer Person während einer Intervention, umfassend die folgenden Schritte: a) Einführen von zumindest einer röntgensichtbaren Markierung (26) in den Körper, b) Aufnahme zumindest eines 3-D-Bilddatensatzes (30) des interessierenden Bereichs mit einem interventionellen Röntgengerät (1), c) Ermitteln der dreidimensionalen Form (28) der Markierung (26) in dem 3-D-Bilddatensatz (30), d) Aufnahme eines 2-D-Durchleuchtungsbildes (32) des interessierenden Bereichs mit dem interventionellen Röntgengerät (1), e) Ermitteln der zweidimensionalen Form (291, 29b, 29c) der Markierung (26) auf dem 2-D-Durchleuchtungsbild (32), f) Registrieren des 2-D-Durchleuchtungsbildes (32) mit dem 3-D-Bilddatensatz (30) anhand der in Schritt c) ermittelten dreidimensionalen Form der Markierung (26) in dem 3-D-Bilddatensatz (30) und der in Schritt e) ermittelten zweidimensionalen Form der Markierung (26) auf dem 2-D-Durchleuchtungsbild (32) und g) gemeinsame Darstellung des 2-D-Durchleuchtungsbildes (32) mit dem in Schritt b) aufgenommenen 3-D-Bilddatensatz (30), oder mit einem mit diesem registrierten vor der Intervention aufgenommen 3-D Bilddatensatz des interessierenden Bereichs.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte a) bis g) während einer einzigen Intervention, insbesondere ohne Umlagerung der Person, durchgeführt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schritte d) bis f) zumindest während eines Teils der Intervention kontinuierlich wiederholt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das 2-D Durchleuchtungsbild (32) ein Fluoroskopiebild ist und die gemeinsame Darstellung des 2-D-Durchleuchtungsbildes (32) mit dem 3-D-Bilddatensatz (30) in Echtzeit erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Markierung (26) zumindest während der Schritte b) bis d) an der gleichen Position im Körper verbleibt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Markierung (26) in einen Hohlraum des Körpers, insbesondere ein Blutgefäß, eingeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das interventionelle Röntgengerät (1) ein C-Bogen-Gerät ist und bei der Aufnahme des 3-D-Bilddatensatzes (30) ein Rotationslauf des C-Bogens durchgeführt und die dabei aufgenommenen zweidimensionalen Bilder zu dem 3-D-Bilddatensatz (30) rekonstruiert werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der interessierende Bereich ein sich iterativ bewegender Bereich des Körpers, insbesondere das Herz (16), ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest während der Schritte b) und d) ein EKG aufgenommen wird und die Aufnahme des 2-D-Durchleuchtungsbildes (32) und/oder die Aufnahme des 3-D-Bilddatensatzes (30) EKG-getriggert wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Intervention ein minimalinvasiver Eingriff am Herz (16) ist, insbesondere ein elektrophysiologischer Eingriff.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Markierung (26) Teil eines Herzkatheters, insbesondere eines Pacing-Katheters (15) ist.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Markierung (26) in den Koronar-Sinus eingeführt wird und dort während der Schritte b) bis g) verbleibt.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der interessierende Bereich das Herz (16) ist und das Herz zumindest während der Akquisition des 3-D-Bilddatensatzes (30) mittels Pacing in regelmäßigen Intervallen stimuliert wird.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gemeinsame Darstellung in Schritt g) eine Überblendung des 2-D-Durchleuchtungsbildes (32) mit dem 3-D-Bilddatensatz (30) ist.
  15. Vorrichtung zur Visualisierung eines interessierenden Bereichs im menschlichen Körper einer Person während eines interventionellen Eingriffs, umfassend: – ein interventionelles Röntgengerät (1), welches dazu geeignet ist, sowohl einen 3-D-Bilddatensatz (30) des interessierenden Bereichs, als auch eine Folge von 2-D Durchleuchtungsbildern des interessierenden Bereichs aufzunehmen; – einen Datenspeicher (11), der dazu geeignet ist, den 3-D-Bilddatensatz (30) und zumindest ein 2-D Durchleuchtungsbild (32) zu speichern; – einen Prozessor (12), welcher dazu ausgelegt ist, die dreidimensionale Form der Markierung (26) in dem 3-D-Bilddatensatz (30) und die zweidimensionale Form der Markierung (26) auf dem 2-D-Durchleuchtungsbild (32) zu ermitteln, und welcher dazu ausgelegt ist, das 2-D-Durchleuchtungsbild (32) mit dem 3-D-Bilddatensatz (30) anhand der ermittelten dreidimensionalen Form der Markierung (26) in dem 3-D-Bilddatensatz (30) und der ermittelten zweidimensionalen Form der Markierung (26) auf dem 2-D-Durchleuchtungsbild (32) zu registrieren.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, ferner umfassend einen Bildschirm (19) zur gemeinsamen Darstellung des 2-D-Durchleuchtungsbildes (32) mit dem 3-D-Bilddatensatz (30).
  17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, welche ein C-Bogen-Gerät (1) umfasst.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, ferner umfassend ein EKG Gerät (18) zur Aufnahme eines EKG Signals des Herzens der Person.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, ferner umfassend eine röntgensichtbaren Markierung (26), welche zur Einführung in den Körper geeignet ist.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, geeignet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
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