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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Visualisierung
eines interessierenden Bereichs im menschlichen Körper
einer Person während einer Intervention.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese
Aufgabe löst die Erfindung mit dem Verfahren gemäß Anspruch
1, sowie der Vorrichtung gemäß Anspruch 15. Bevorzugte
Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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”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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit
Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.
Die Figuren zeigen:
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1 einen
3-D-Bilddatensatz, der ein menschliches Herz abbildet,
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2 ein
2-D-Durchleuchtungsbild des in 1 dargestellten
Herzens,
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3 eine
perspektivische Ansicht einer röntgensichtbaren Markierung,
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4–6 verschiedene
zweidimensionale Projektionen der in 3 dargestellten
Markierung,
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7 ein
Flussbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens und
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8 eine
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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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.
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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 3–6 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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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 48–53 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.
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Zum
Ende der Intervention wird in Schritt 54 die Markierung
und andere Katheter entnommen und die Intervention beendet, Schritt 55.
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In 8 ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt,
die auch zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignet ist.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005016472
A1 [0005, 0032]
- - US 2008/0147086 A1 [0006]
- - DE 102006046735 A1 [0006, 0006, 0027]
- - DE 102006056679 A1 [0008, 0009]
- - DE 102006042997 A1 [0033]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - 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 [0008]
- - M. Oehler und T. M. Buhzug ”Maximum-Likelihood-Ansatz
zur Metallartefaktreduktion bei der Computertomographie” BVM
2006, Springer Verlag Berlin, Seiten 36–40 [0018]