-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren, sowie ein CT-System oder ein C-Bogen-System
zur Durchführung
dieses Verfahrens, zur parallelen Darstellung virtueller und optischer
endoskopischer Aufnahmen eines Hohlorgans eines Patienten, beinhaltend
die folgenden Verfahrensschritte:
- – Erzeugen
eines dreidimensionalen tomographischen Bilddatensatzes des Hohlorgans;
- – Erzeugen
einer virtuellen endoskopischen zweidimensionalen Aufnahme aus dem
ermittelten dreidimensionalen tomographischen Bilddatensatz mit
einem virtuellen Abbildungssystem;
- – Erzeugen
einer optischen endoskopischen Aufnahme des Hohlorgans mit einem
optischen endoskopischen Abbildungssystem; und
- – gleichzeitige
Darstellung der virtuellen und der optischen Aufnahme, wobei
- – die
Aufnahmen durch das virtuelle und das optische Abbildungssystem
mit einer Vielzahl von Abbildungsparametern entstehen.
-
Die
optische Endoskopie und deren Anwendung als medizinische Untersuchung
sind bekannt. Sie dient zur Untersuchung von natürlichen oder künstlichen
Körperhohlräumen, wie
zum Beispiel der Nasenraum, die Bronchien, der Dickdarm oder der Bauchraum.
Hierbei werden mit einem optischen System, dem Endoskop, die inneren
Oberflächen des
Hohlorgans beleuchtet und dem Untersucher angezeigt. Das Endoskop
verfügt
dabei über
ein optisches Abbildungssystem, das Linsensystem, mit einem extremen
Weitwinkelvorsatz. Bildparameter, wie die Brennweite, und verschiedene
auftretende Abbildungsfehler des Linsensystems, beispielsweise sphärische Aberration,
Koma und Astigmatismus, haben einen starken Einfluss auf die Aufnahmen
der optischen Endoskopie.
-
Weiterhin
ist die virtuelle Endoskopie bekannt. Hier wird aus einem tomographisch
aufgenommenen dreidimensionalen Datensatz eine virtuelle Aufnahme
erzeugt. Mit diesem Verfahren sind Hohlräume des menschlichen Körpers darstellbar, ohne
dass ein Untersucher mit einem Endoskop in den Körper eindringt.
-
Zur Überprüfung und
redundanten Diagnose der Hohlorgane werden die optischen und die
virtuellen Aufnahmen gleichzeitig angezeigt. Hierbei ist es allerdings
nicht ohne Umstellung möglich,
die beiden Aufnahmen miteinander zu vergleichen. Der Grund dafür ist, dass
in den virtuellen Aufnahmen die Einflüsse der Abbildungsparameter,
beispielsweise vor allem die Brennweite des Linsensystems, die den Aufnahmen
eine Perspektive verleiht, im Gegensatz zu den optischen Aufnahmen,
vernachlässigt
und nicht berücksichtigt
werden. Es ist also wünschenswert,
eine Situation zu erreichen, bei der die optischen und die virtuellen
Aufnahmen direkt und ohne Umstellung miteinander verglichen werden
können.
-
Ein
positiver Nebeneffekt wäre
dabei auch, dass die Navigation bei den endoskopischen Untersuchungen
vereinfacht werden würde.
Dies ist besonders in komplizierten und meist stark verzweigten Körperhohlräumen, wie
beispielsweise in den Bronchien, schwierig und zeitaufwendig. Kleine
Endoskope mit einem Durchmesser von unter 5 mm können im Bronchialbaum theoretisch
bis zur neunten oder zehnten Verzweigung vordringen. Allerdings
hängt die
Trefferquote und Präzision
der Navigation sehr von den anatomischen Kenntnissen und der Erfahrung
des Untersuchers ab, wobei die Anatomie der Patienten sich stark
unterscheiden kann, so dass selbst ein erfahrener Untersucher sehr
viel Zeit für die
Navigation benötigt.
Durch den direkten Vergleich von optischen mit virtuellen Aufnahmen
kann die Navigation unterstützt
und sehr vereinfacht werden.
-
Es
ist daher Aufgabe der Erfindung eine Möglichkeit zu finden, die den
direkten Vergleich zwischen optischen endoskopischen Aufnahmen und virtuellen
endoskopischen Aufnahmen erlaubt, ohne dass sich der Untersucher
beim Betrachten der Aufnahmen umstellen muss.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
-
Der
Erfinder hat erkannt, dass ein direkter Vergleich der Aufnahmen
einer optischen und einer virtuellen Endoskopie möglich ist,
wenn die Abbildungsparameter des virtuellen Abbildungssystems möglichst
vollständig
an die Abbildungsparameter des optischen Abbildungssystems angepasst
werden, und wenn die Abbildungsfehler des optischen Abbildungssystems
im virtuellen Abbildungssystem möglichst
vollständig
angeglichen sind.
-
Im
optischen Abbildungssystem wird aus einer dreidimensionalen Realität eine zweidimensionale
Aufnahme erstellt. Mathematisch ausgedrückt bedeutet dies eine Transformation
oder Abbildung eines dreidimensionalen Datensatzes auf einen zweidimensionalen
Datensatz. Dies geschieht im optischen System jedoch nicht durch
mathematische Berechnungen sondern durch einen optischen Vorgang, der
im optischen Abbildungssystem im Objektiv stattfindet. Während dieses
Abbildungsvorganges beeinflussen diverse Abbildungsparameter des
optischen Abbildungssystems und Abbildungsfehler die entstehende
Aufnahme.
-
Bei
der Erstellung der virtuellen Aufnahme entspricht die Transformation
des dreidimensionalen Datensatzes in die zweidimensionale virtuelle
Aufnahme einer rein mathematischen Berechnung. Normalerweise werden
hier keine Abbildungsparameter, wie zum Beispiel die Brennweite,
oder Abbildungsfehler, wie zum Beispiel eine Randabschattung, erzeugt
beziehungsweise simuliert. Durch ein Einstellen dieser Faktoren,
entsprechend des optischen Abbildungssystems, kann die virtuelle Aufnahme
noch weiter an die optische Aufnahme angepasst werden. Das Ziel
ist es, zwei möglichst
deckungsgleiche Aufnahmen zu erhalten, die direkt miteinander verglichen
werden können.
-
Grundvoraussetzung
zum Vergleich optischer und virtueller Aufnahmen ist zumindest annähernd die
gleiche Orientierung, der gleiche Aufnahmeort und die gleiche Vergrößerung.
Allerdings ist dadurch ein direkter Vergleich der optischen und der
virtuellen Aufnahme noch nicht ohne weiteres möglich. Bei den restlichen anzugleichenden
Abbildungsparametern handelt es sich also vor allem um die Brennweite,
die in den virtuellen Aufnahmen eine Perspektive entstehen lässt, sowie
die Blendengröße und die
Schärfentiefe.
Weitere wichtige Abbildungsparameter beziehungsweise Abbildungsfehler
des optischen Abbildungssystems, die im virtuellen Abbildungssystem
simuliert werden können,
sind sphärische
Aberration, Koma, Astigmatismus und Randabschattung.
-
Um
einen direkten Vergleich der optischen Aufnahmen und der gezielt
durch die Einstellung der Parameter veränderten virtuellen Aufnahmen
zu ermöglichen,
können
diese gleichzeitig, zum Beispiel auf einem Computerbildschirm, dargestellt
werden. Das Ziel des Verfahrens – zwei möglichst deckungsgleiche Aufnahmen – lässt sich
besonders gut überprüfen, wenn
die Aufnahmen übereinander
abgebildet werden, wohingegen zum Beispiel als Navigationsunterstützung eine
parallele Darstellung nebeneinander geeigneter erscheint. Optional
ist es auch möglich,
zwischen beiden Darstellungsarten beliebig zu wechseln.
-
Des
Weiteren können
in der virtuellen Aufnahme mit angeglichenen Parametern die Abstände zwischen
einzelnen Verzweigungen des Hohlorgans vermessen werden. Daraus
ist eine Positionsbestimmung des optischen Endoskops möglich.
-
Entsprechend
diesem Grundgedanken schlägt
der Erfinder ein Verfahren zur parallelen Darstellung virtueller
und optischer endoskopischer Aufnahmen eines Hohlorgans eines Patienten
vor, welches die folgenden Verfahrensschritte beinhaltet:
- – Erzeugen
eines dreidimensionalen tomographischen Bilddatensatzes des Hohlorgans;
- – Erzeugen
einer virtuellen endoskopischen zweidimensionalen Aufnahme aus dem
ermittelten dreidimensionalen tomographischen Bilddatensatz mit
einem virtuellen Abbildungssystem;
- – Erzeugen
einer optischen endoskopischen Aufnahme des Hohlorgans mit einem
optischen endoskopischen Abbildungssystem, und
- – gleichzeitige
Darstellung der virtuellen und der optischen Aufnahme, wobei
- – die
Aufnahmen durch das virtuelle und das optische Abbildungssystem
mit einer Vielzahl von Abbildungsparametern entstehen.
-
Die
erfindungsgemäße Verbesserung
des Verfahrens liegt darin, dass beim Abbilden der virtuellen Aufnahme
die Abbildungsparameter des virtuellen Abbildungssystems zumindest
bezüglich
der Brennweite an die Abbildungsparameter des optischen Abbildungssystems
angeglichen werden.
-
Durch
ein entsprechendes Einstellen der Brennweite in den virtuellen Aufnahmen
entsteht hier eine Perspektive wie auch in den optischen Aufnahmen.
Ein Objekt, welches in einer nicht veränderten zweidimensionalen virtuellen
Aufnahme hinter einem anderen Objekt verborgen wäre, ist jetzt sichtbar. Dies
ist besonders für
das Erkennen von Läsionen
in der Gewebeoberfläche
des Hohlorgans vorteilhaft, zum Beispiel wenn diese sich in den
Falten des Dickdarms befinden.
-
Sinnvollerweise
werden beim Abbilden der virtuellen Aufnahme der gleiche Aufnahmeort,
die gleiche Orientierung und gleiche Vergrößerung wie in der optischen
Aufnahme verwendet. Dies ist eine Grundvoraussetzung für die Vergleichbarkeit
zweier Aufnahmen.
-
Zusätzlich können im
virtuellen Abbildungssystem die Schärfentiefe, sowie die Blendengröße, entsprechend
der Einstellungen im optischen Abbildungssystem, eingestellt werden.
Die Schärfentiefe beschreibt
den Bereich vor und hinter einem fokussierten Objekt, in dem die
Aufnahme scharf abgebildet ist. Mit der Wahl der Blendengröße wird
die Helligkeit in der Aufnahme beeinflusst. Je größer die Blende
ist, umso heller ist die Aufnahme.
-
Weiterhin
können
in den virtuellen Aufnahmen die Abbildungsfehler des optischen Abbildungssystems
simuliert werden, um ein zusätzliches
Angleichen der Aufnahmen zu erreichen. Dabei handelt es sich vor
allem um sphärische
Aberration, Koma, Astigmatismus und Randabschattung. Die Randabschattung
ist auch als Vignettierung bekannt. Durch die Abbildungsfehler entstehen
zum Beispiel Verkrümmungen,
Artefakte oder Verzerrungen in den Aufnahmen, die einen völlig anderen
Eindruck entstehen lassen als ohne.
-
Bei
der endoskopischen Untersuchung ist es möglich, dass das Endoskop im
Körper
des Patienten um seine eigene Achse rotiert wird. Entsprechend ist auch
die optische Aufnahme um den gleichen Winkel gedreht. Ist dieser
Rotationswinkel bekannt, so ist es vorteilhaft und sinnvoll, diese
Rotation in der virtuellen Aufnahme auszugleichen, also die virtuelle
Aufnahme um den gleichen Winkel zudrehen wie die optische Aufnahme.
-
Zusätzlich kann
es hilfreich und vorteilhaft für die
Navigation der Endoskopie sein, wenn in der virtuellen Aufnahme
Abstände
zwischen bestimmten Verzweigungen des Hohlorgans gemessen werden. Diese
Längeninformationen
können
dann zur Orientierung des Endoskops in stark verzweigten Hohlorganen,
beispielsweise den Bronchien, dienen.
-
Eine
vorteilhafte Variante der Darstellung der virtuellen und der optischen
Aufnahme besteht darin, dass diese gleichzeitig, also zum Beispiel
parallel, abgebildet werden, bei spielsweise auf einem Computerbildschirm.
Alternativ können
die beiden Aufnahmen auch übereinander
abgebildet werden. Durch diese Darstellungsarten kann das Ziel des
Verfahrens, also zwei deckungsgleiche Aufnahmen zu erhalten, kontrolliert
werden und weiterhin die Navigation bei der optischen Endoskopie
durch den direkten Abgleich der Aufnahmen unterstützt werden. Hierbei
eignen sich als Navigationshilfe, zum Beispiel um die Abstände zwischen
einzelnen Verzweigungen zu vergleichen, vor allem zwei parallel
nebeneinander abgebildete Aufnahmen und zum Überprüfen der Deckungsgleichheit
zwei übereinander
abgebildete Aufnahmen. Optional kann je nach Bedarf auch zwischen
beiden Darstellungsweisen gewechselt werden.
-
Zum
Rahmen der Erfindung gehört
auch eine Recheneinheit, vorzugsweise in einem CT-System oder einem
C-Bogen-System, mit der das erfindungsgemäße, hier beschriebene Verfahren
durchgeführt
werden kann.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
mit Hilfe der Figuren näher
beschrieben, wobei darauf hingewiesen wird, dass nur die für das unmittelbare
Verständnis
der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt sind. Hierbei werden
folgende Bezugszeichen verwendet: 1: Datenbank; 2:
Bildschirm; 3: optisches Endoskop; A: Abbildungsparameter;
C1: Tomographiesystem; C2: Röntgenröhre; C3:
Detektor; C6: Gantrygehäuse;
C8: Untersuchungsliege; C9: Systemachse; C10: Steuer- und Recheneinheit;
C12: C-Bogen; L: Längeninformation;
P: Patient; Prg1–Prgn:
Computerprogramme; R: Rotation; S0: Datensatz; S1–S9: Verfahrensschritte;
Io: optische endoskopische Aufnahmen; Iv: virtuelle endoskopische
Aufnahmen; Ix: virtuelle Aufnahmen von Verzweigungen.
-
Es
zeigen im Einzelnen:
-
1:
CT-System zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
-
2:
C-Bogen-System zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
-
3:
Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Die 1 zeigt
ein beispielhaftes CT-System C1 mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden
kann. Das CT-System
C1 weist ein Röhren-/Detektor-System
mit einer Röntgenröhre C2 und
einem gegenüberliegenden
Detektor C3 auf. Optional kann dieses CT-System 1 über eine
zweite Röntgenröhre mit
einem gegenüberliegenden
Detektor verfügen.
Das Röhren-/Detektor-System
befindet sich auf einer Gantry, die in einem Gantrygehäuse C6 angeordnet
ist und während
der Abtastung um eine Systemachse C9 rotiert. Der Patient P befindet
sich auf einer verschiebbaren Untersuchungsliege C8, die entweder
kontinuierlich oder sequentiell entlang der Systemachse C9 durch
das im Gantrygehäuse
C6 befindliche Messfeld geschoben wird.
-
Die
Steuerung des CT-Systems erfolgt mit Hilfe einer Steuer- und Recheneinheit
C10, in der sich gespeicherte Computerprogramme Prg1 bis
Prgn befinden, die auch das zuvor beschriebene
erfindungsgemäße Verfahren
durchführen
können.
Zusätzlich
kann über
diese Steuer- und Recheneinheit C10 auch die Ausgabe von Bilddaten
erfolgen.
-
In
der 2 ist eine für
das Verfahren bevorzugte Ausführungsform
eines CT-Systems, nämlich ein
C-Bogen-System C1, dargestellt, welches an dem Gehäuse C6 einen
C-Bogen C12 aufweist, der um den Patienten P bewegt werden kann,
wobei an einem Ende des C-Bogens die Röntgenröhre C2 und am anderen Ende
des C-Bogens der Detektor C3 angeordnet sind. Der Patient P befindet
sich auch hier auf einer verfahrbaren Patientenliege C8, so dass
der Patient P mit dem zu betrachtenden Teilbereich jeweils in das
Messfeld zwischen Röntgenröhre C2 und Detektor
C3 des C-Bogensystems verfahren werden kann. Die Steuerung des Systems übernimmt
in diesem Fall ebenfalls eine Steuer- und Recheneinheit C10, in
der entsprechende Computerprogramme Prg1–Prgn zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
bei Bedarf ablaufen können.
-
In
der 3 ist ein Blockschaltbild einer beispielhaft gewählten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zu sehen. Aus einem dreidimensionalen tomographischen Datensatz
S0, welcher in einer Datenbank 1 gespeichert ist, werden die
Daten des zu untersuchenden Hohlorgans aus den gesamten Daten segmentiert – Schritt
S1. Anschließend
werden in den segmentierten Daten im nächsten Schritt S2 alle möglichen
Flugpfade durch das zu untersuchenden Hohlorgan ermittelt beziehungsweise
definiert. Die Flugpfade gehen jeweils vom Startpunkt der Endoskopie
aus und erstrecken sich durch das gesamte Hohlorgan bis zum Ziel
der Endoskopie. Bei einer Endoskopie der Bronchien beispielsweise
liegt der Startpunkt an der Stelle, wo sich die Luftröhre in die
linken und rechten Hauptbronchien aufteilt, und das Ziel liegt in
einer bestimmten, definierten Verzweigung. Der Startpunkt ist demnach
entweder bekannt oder kann alternativ vom Untersucher definiert
werden. Dieser Schritt der Flugpfaderkennung S2 wird auch als Skelettisierung
bezeichnet. Zusätzlich
können
an den ermittelten Flugpfaden mögliche
Abzweigungen der Flugpfade bestimmt werden – Schritt S3.
-
Der
letztendlich gesuchte Flugpfad zu dem bestimmten Ziel der Endoskopie
wird im Schritt S4 bestimmt. Bei dieser Pfadplanung wird der sinnvollste,
also zum Beispiel der kürzeste
oder einzig mögliche,
Flugpfad vom Startpunkt zum Ziel ermittelt. Durch die Kenntnis über alle
möglichen
Flugpfade zwischen Start und Ziel ist eine falsche Pfadplanung nahezu
ausgeschlossen. Dies kann auch von einem unerfahrenen Untersucher
durchgeführt
werden.
-
Anhand
des ausgewählten
Flugpfades zum Ziel wird die virtuelle endoskopische Aufnahme Iv, zum
Beispiel durch Surface Shaded Display, des inneren Teils des Hohlorgans
erstellt – Schritt
S5. Ist vom optischen Endoskop beispielsweise die Rotation R bekannt,
das heißt
um wie viel Grad das Endoskop und damit auch die optischen Aufnahmen
gegenüber der
Horizontalen gedreht sind, so kann dies bei der Erstellung der virtuellen
endoskopischen Aufnahme berücksichtigt
werden.
-
Weitere
Abbildungsparameter A des Endoskops 3, also des optischen
Abbildungssystems, können
entweder automatisch oder manuell auf das virtuelle Abbildungssystem
des virtuellen Endoskops übertragen
werden – Schritt
S6. Dabei handelt es sich vor allem um die Brennweite, die Vergrößerung der
optischen endoskopischen Aufnahme Io, die Schärfentiefe und die Blendengröße. Diese
Parameter werden im virtuellen Abbildungssystem möglichst genau
an die Werte des optischen Abbildungssystems angepasst. Eine Anpassung
des Aufnahmeortes und der Orientierung der Aufnahmen Io und Iv fand
hierbei bereits bei der Skelettisierung S2 und der Pfadplanung S4
statt.
-
Weiterhin
können
verschiedene im optischen Abbildungssystem auftretende Abbildungsfehler
in der virtuellen Aufnahme Iv simuliert werden. Diese Abbildungsfehler
sind hauptsächlich
sphärische
Aberration, Koma, Astigmatismus und Randabschattung.
-
In
diesem Schritt S6 erfolgt also das Angleichen der virtuellen Aufnahmen
Iv an die optischen Aufnahmen Io. Dadurch wird ein direkter Vergleich der
Aufnahmen Iv und Io möglich.
Ziel dieses Verfahrens ist es, zwei möglichst deckungsgleiche Aufnahmen
Iv und Io zu erhalten. Um dies zu überprüfen und um die Navigation zu
unterstützen,
können
beide Aufnahmen Iv und Io beispielsweise auf einem Computerbildschirm
parallel – entweder
neben- oder übereinander – angezeigt
werden. Die Synchronisierung S9 der Bildausgabe der virtuellen und
der optischen Endoskopie beim Flug durch das Hohlorgan erfolgt dann
auf der Basis der in den Aufnahmen enthaltenen Informationen über Abbildungsparameter und
-fehler.
-
Zusätzlich ist
auch eine Synchronisation der Aufnahmen Iv und Io anhand der in
Schritt S3 gemessenen Abstände
zwischen möglichen
Verzweigungen des Hohlorgans entlang der Flugpfade möglich – Schritt
S7. Diese Längeninformationen
L unterstützen
weiterhin die Navigation und ermöglichen
auch eine direkte Messung von Läsionen
im Gewebe des Hohlorgans.
-
Für eine rein
manuelle Navigation kann bereits vor der Untersuchung an jeder Verzweigung
ein axiales MPR und/oder eine virtuelle Aufnahme Ix abgespeichert
werden – Schritt
S8 – und
zusammen mit der Verzweigungsstruktur, den gesamten Flugpfaden,
am Bildschirm angezeigt werden. Erreicht der Untersucher mit dem
optischen Endoskop eine Verzweigung, so kann er durch direkten Bildvergleich
der Aufnahmen Io und Ix entscheiden, welche Richtung zu seinem Ziel
führt.
-
Insgesamt
wird es dem Nutzer also mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen CT-System
nun möglich,
einen direkten optischen Vergleich zwischen optisch gewonnenen und
virtuell auf der Basis von CT-Untersuchungen gewonnenen endoskopischen
Aufnahmen anzustellen. Insbesondere erleichtert sich hierdurch auch
die Übertragung
von in virtuellen Datensätzen
berechneter Navigationswege und -hilfen auf die tatsächlichen Ansichten
bei einer aktuell ausgeführten
Endoskopie.
-
Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen
der Erfindung zu verlassen.