DE102011083408A1 - Bildgebendes Verfahren und Vorrichtung zur Darstellung von Gefäßen bzw. Organen in einem Untersuchungsbereich eines Patienten - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein bildgebendes Verfahren und eine Vorrichtung zur Darstellung zumindest eines Zielobjekts, insbesondere eines oder mehrerer Gefäße und/oder eines Organs in einem Untersuchungsbereich eines Patienten (6) insbesondere während einer Intervention. Das erfindungsgemäße Verfahren weist mit folgende Schritte auf: a) Verwendung wenigstens eines aufgenommenen Durchleuchtungsbildes des Untersuchungsbereichs mittel einer Röntgenanlage, b) Verwendung wenigstens eines aktuellen 3D-rekonstruierten Radarbildes, erzeugt aus mittels mindestens eines Radarempfängers (21) detektierten Signalen, c) Identifizierung des Zielobjekts im Durchleuchtungsbild und im Radarbild, d) Registrierung des Radarbildes mit dem Durchleuchtungsbild mit Hilfe des Ergebnisses der Identifizierung und e) Fusion des Radarbildes und des Durchleuchtungsbildes. Das Fusionsbild wird an einer Anzeigevorrichtung (15), z.B. einem Display oder Monitor, wiedergegeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein bildgebendes Verfahren und eine Vorrichtung zur Darstellung zumindest eines Zielobjekts, insbesondere eines oder mehrerer Gefäße und/oder eines Organs in einem Untersuchungsbereich eines Patienten insbesondere während einer Intervention.
  • Die zwei- und dreidimensionale digitale Subtraktions-Rotationsangiographie (2-D- bzw. 3-D-DSA-Rotationsangiographie) ist ein standardmäßig genutztes Verfahren zum Abschätzen der vaskulären Anatomie vor und während Interventionen. Bei der digitalen Subtraktionsangiographie (DSA) werden nach Erstellung von Maskenbildern, Bildern ohne Kontrastmittel, und Füllungsbildern, Bildern mit Kontrastmittel, diese voneinander subtrahiert, so dass man nur die durch das Kontrastmittel hervorgerufenen zeitlichen Änderungen erhält, die die Gefäße wiedergeben.
  • Eine derartige in der 1 als Beispiel dargestellte C-Bogen-Röntgenanlage zur digitalen Subtraktionsangiographie weist beispielsweise einen an einem Ständer in Form eines sechsachsigen Industrie- oder Knickarmroboters 1 drehbar gelagerten C-Bogen 2 auf, an dessen Enden eine Röntgenstrahlungsquelle, beispielsweise ein Röntgenstrahler 3 mit Röntgenröhre und Kollimator, und ein Röntgenbilddetektor 4 als Bildaufnahmeeinheit angebracht sind.
  • Mittels eines Knickarmroboters 1, welcher bevorzugt sechs Drehachsen und damit sechs Freiheitsgrade aufweist, kann der C-Bogen 2 beliebig räumlich verstellt werden, zum Beispiel indem er um ein Drehzentrum zwischen dem Röntgenstrahler 3 und dem Röntgendetektor 4 gedreht wird. Der Knickarmroboter 1 weist ein Grundgestell auf, welches beispielsweise auf einem Boden fest montiert ist. Daran ist drehbar um eine erste Drehachse ein Karussell befestigt. Am Karussell ist schwenkbar um eine zweite Drehachse eine Roboterschwinge angebracht, an der drehbar um eine dritte Drehachse ein Roboterarm befestigt ist. Am Ende des Roboterarms ist drehbar um eine vierte Drehachse eine Roboterhand angebracht. Die Roboterhand weist ein Befestigungselement für den C-Bogen 2 auf, welches um eine fünfte Drehachse schwenkbar und um eine senkrecht dazu verlaufende sechste Rotationsachse rotierbar ist.
  • Die Realisierung der Röntgendiagnostikeinrichtung ist nicht auf den Industrieroboter angewiesen. Es können auch übliche C-Bogen-Geräte Verwendung finden.
  • Der Röntgenbilddetektor 4 kann ein rechteckiger oder quadratischer, flacher Halbleiterdetektor sein, der vorzugsweise aus amorphem Silizium (a-Si) erstellt ist. Es können aber auch integrierende und eventuell zählende CMOS-Detektoren Anwendung finden.
  • Im Strahlengang des Röntgenstrahlers 3 befindet sich auf einem Patientenlagerungstisch 5 zur Aufnahme beispielsweise eines Herzens ein zu untersuchender Patient 6 als Untersuchungsobjekt. An der Röntgendiagnostikeinrichtung ist eine Systemsteuerungseinheit 7 mit einem Bildsystem 8 angeschlossen, das die Bildsignale des Röntgenbilddetektors 4 empfängt und verarbeitet (Bedienelemente sind beispielsweise nicht dargestellt). Die Röntgenbilder können dann auf einem Monitor 9 betrachtet werden. Als eine Ausführungsform kann an der Decke eine Monitorampel 13 mit einem ersten Display 14 und einem zumindest einem weiteren Display 15 angebracht sein.
  • In der Radiologie werden verbreitet auch zwei C-Bögen verwendet. Dies sind sogenannte Biplan-Systeme.
  • In der Röntgendiagnostik wird ein durchleuchtetes Organ oder Blutgefäß in zwei Dimensionen dargestellt. Eine 3D-Darstellung ist möglich durch Drehen des C-Bogens um das Organ oder Gefäß bei gleichzeitiger sequenzieller Aufnahme. Dadurch werden je nach Bildfrequenz und Drehgeschwindigkeit mehrere hundert Röntgenaufnahmen in zweidimensional erstellt, die anschließend in 3D-Bilder umgerechnet werden.
  • Mit Hilfe des UWB-Radars (Ultra Wideband Radar) ist es möglich, die dritte Dimension bereits mit einer einzelnen Röntgenaufnahme zu berechnen. Der Patient wird dadurch einer viel geringeren Röntgendosis ausgesetzt.
  • Weitere Vorteile durch die Fusion von Röntgenanlage mit UWB-Radar:
    • – Kontaktlose Patientenüberwachung und Kollisionsschutz,
    • – Triggerung (Anstoßen bzw. Initiieren) der Röntgenaufnahme in Abhängigkeit vom Kontrastmittelfluss ohne Durchleuchtung bzw. ohne Röntgenstrahlung und
    • – Ermittlung des Pumpvolumens des Herzens ohne Röntgenstrahlung.
  • Wie bereits eingangs erwähnt, werden 3D-Röntgenaufnahmen durch Drehen der Röntgenanlage um den Patienten erzeugt. Hierbei werden in jedem Drehwinkel Röntgenaufnahmen generiert und in einem Rechner, z.B. das genannte Bildsystem 8, in 3D umgerechnet.
  • Eine Patientenüberwachung erfolgt z.B. durch Anschluss des Patienten an eine EKG-Anlage. Das Initiieren der Röntgenstrahlung erfolgt normalerweise zeitverzögert: Der Arzt injiziert das Kontrastmittel und weiß aus seiner Erfahrung ungefähr, wie schnell sich das Kontrastmittel ausbreitet. Er löst dann die Röntgenstrahlung aus. Es wird beispielsweise vom linken Ventrikel des Herzens eine Serie von Röntgenaufnahmen ausgelöst, die beiden interessanten Herzphasen werden selektiert und das Pumpvolumen wird berechnet.
  • Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, die Darstellung das im Untersuchungsbereich liegenden Zielobjekt, z.B. Gefäße, gemäß dem Verfahren bzw. der Medizinvorrichtung der eingangs genannten Art zu verbessern.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
  • Durch die erfindungsgemäße Fusion des UWB-Radars mit der Röntgenanlage ist es möglich, die Bewegungen des Herzens und der Koronargefäße in der Tiefe des Körpers kontaktlos festzustellen und das Radarbild mit einem Röntgenbild zu verrechnen. Dadurch entsteht ein 3D-Bild, das dosisarm erzeugt wurde. Das 3D-Bild wird an einer Anzeigevorrichtung, z.B. einem Display oder Monitor, wiedergegeben.
  • Durch die Fusion von UWB-Radar und Röntgen-Angiographie erhält man eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte, aktuelle Darstellung der im Untersuchungsbereich liegenden Blutgefäße und setzt den Patienten einer geringeren Strahlung aus.
  • Eine Patientenüberwachung ist ebenfalls kontaktlos möglich. Es sind keine Patientenmonitore (z.B. EKG) im Behandlungsraum notwendig. Ein erweiterter Kollisionsschutz um den Patienten ist gegeben. Die Triggerung der Röntgenanlage kann durch den Kontrastmittelfluss im Patienten gesteuert werden. Das Pumpvolumen des Herzens kann ohne Strahlung gemessen und berechnet werden.
  • Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden anhand der folgenden Zeichnung näher erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
  • 1 beispielhaft eine Röntgenanlage, vorzugsweise ausgebildet als ein Röntgen-C-Bogen-System mit einem Industrieroboter als Tragvorrichtung, und
  • 2 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Fusion von Röntgendiagnostik mit Ultrawideband Radar.
  • 2 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Anordnung, die die Komponenten des in der 1 beschriebenen Systems umfasst und zusätzlich um Komponenten für den Ultrawideband (Ultrabreitband) Radar ausgebildet ist. Dazu gehören unter anderem UWB-Sensoren 21 und UWB-Sender 23 und Komponenten zur RTC (Real Time Controller) Röntgenverarbeitung 25 und zur RTC UWB-Verarbeitung 27, die miteinander gekoppelt sind. Dies wird durch die Komponenten einer Auswerteelektronik 29, die in einen Rechner, z.B. Bildrechner 8, integriert sein kann, angedeutet, wobei als Ergebnis Bilder auf zumindest einem Röntgenmonitor 31 (z.B. Display 14) sowie auf wenigestens einen Radarmonitor I 33 bzw. II 35 (z.B. Display 15) dargestellt werden können.
  • Demnach kann erfindungsgemäß wie folgt vorgegangen werden:
  • 1. Bewegungsdetektion des Herzens und der Koronargefäße
  • UWB ist eine Funkmodulationstechnik, die auf dem Senden und Empfangen von Impulsen sehr kurzer Dauer (oft weniger als eine Nanosekunde (< 10–9 s)) mit einer sehr großen Bandbreite basiert. Mit einer Empfangsantenne bzw. -sensor werden die reflektierten Signale aus unterschiedlichen Tiefen des Körpers detektiert. Durch den Herzschlag und die daraus resultierenden Bewegungen der Koronargefäße verschieben und verformen sich die Grenzschichten des Organs und beeinflussen damit das gemessene Signal. Aus diesen anatomischen Bewegungen können Messdaten gewonnen und die Organ- und Koronarbewegung kann orts- und zeitabhängig rekonstruiert werden.
  • Wird der Patient mit breitbandigen elektromagnetischen Pulsen geringer Leistung (< 1mW) aus verschiedenen Richtungen bestrahlt, so dringen diese in unterschiedlichen Tiefen in den Körper ein und werden an den aufeinander folgenden Grenzschichten der verschiedenen Gewebearten teilreflektiert.
  • Da die verschiedenen menschlichen Gewebearten typische Absorptions- und Reflexionseigenschaften haben, können Organbewegungen wie Herzschlag und die Bewegungen der Koronarien von den Ultra-Wideband-Radarsystemen genau detektiert werden.
  • In einer Auswerteelektronik mit Rechner werden aus den Empfängern des UWB-Radarsystems Signale erzeugt (siehe RTC UWB-Preprocessing 27), die der Bewegung des Herzens/der Koronarien analog sind und eine 3D-Rekonstruktion des bewegten Herzens ermöglichen. Dieser 3D-Datensatz kann nun dem Bildrechner 8 der Röntgenanlage zugeführt und mit dem Röntgenbild verrechnet werden. Z.B. wird bei der Röntgenanlage der Firma Siemens AG mit dem Namen „Axiom Artis“ der Bildrechner 8 „AXIS“ genannt.
  • Jedem Röntgen- bzw. Durchleuchtungsbild (diese sind zweidimensional) wird im Bildrechner das dazugehörige Radarbild (Radarbilder sind dreidimensional) zugeordnet. Aus dieser Fusion von Röntgenbild mit UWB-Radarbild entsteht also ein neues 3D-Bild, das die Vorteile des Röntgenbildes (höhere Auflösung) mit den Vorteilen des UWB-Radarsystems (3D-Darstellung ohne Strahlenbelastung) vereint.
  • 2. Patientenüberwachung
  • Lebenswichtige Funktionen des Patienten, wie die Atmung oder der Herzrhythmus, können mit Hilfe des UWB-Radars kontaktlos überwacht werden. Auch können mögliche Panikzustände des Patienten sofort erkannt und entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden.
  • 3. Kollisionsüberwachung
  • Außerdem ergibt sich mit Hilfe des UWB-Radars die Möglichkeit, das unbeabsichtigte Berühren von sterilen Geräten im Untersuchungsraum zu verhindern und eventuell Alarm auszulösen.
  • Auch die Bewegungen des Patiententisches und der Röntgenanlage können mit dem System überwacht werden. Sobald sich ein Patient, ein Bediener oder ein Gerät in der Kollisionszone befinden, kann die Bewegung gestoppt und/oder Alarm ausgelöst werden.
  • 4. Triggerung der Röntgenstrahlung
  • Da die verschiedenen menschlichen Gewebearten typische Absorptions- und Reflexionseigenschaften haben, können Blutgefäße von den vorzugsweise vier Ultra-Wideband-Radarsystemen genau detektiert und dargestellt werden. Der Fluss von Blut oder Kontrastmittel in den Gefäßen kann durch den sogenannten Dopplereffekt gemessen werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die Röntgenstrahlung erst dann auszulösen, wenn das Kontrastmittel die entsprechende Stelle im Gefäß erreicht hat.
  • 5. Ermittlung der Ejection Fraction ohne Röntgenstrahlung
  • Das Pumpvolumen des linken Ventrikels des Herzens kann bestimmt werden. (EF: engl. Ejection Fraction = Auswurffraktion).
  • Die interessanten Herzphasen sind die Enddiastole (= ED) und Endsystole (= ES). Mit dem UWB-Radarsystem können die Volumina in der jeweiligen Herzphase bestimmt werden und die Ejection Fraction (EF) kann berechnet werden (EF engl. Ejection Fraction = Auswurffraktion).
  • Die Auswurffraktion entspricht dem Verhältnis der Differenz von EDV und ESV zu EDV in Prozent, das mathematisch wie ausgedrückt wird: 100% × (EDV – ESV)/EDV, wobei EDV [ml] das Volumen des Ventrikels in der ED-Phase und ESV [ml] Volumen des Ventrikels in der ES-Ph ausdrücken.

Claims (10)

  1. Bildgebendes Verfahren zur Darstellung eines Zielobjekts in einem Untersuchungsbereich eines Patienten mit folgenden Schritten: a) Verwendung wenigstens eines aufgenommenen Durchleuchtungsbildes des Untersuchungsbereichs mittel einer Röntgenanlage, b) Verwendung wenigstens eines aktuellen 3D-rekonstruierten Radarbildes, erzeugt aus mittels mindestens eines Radarempfängers (21) detektierten Signalen, c) Identifizierung des Zielobjekts im Durchleuchtungsbild und im Radarbild, d) Registrierung des Radarbildes mit dem Durchleuchtungsbild mit Hilfe des Ergebnisses der Identifizierung und e) Fusion des Radarbildes und des Durchleuchtungsbildes.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fusion des Radarbildes und des Durchleuchtungsbildes in 3D, vorzugweise an zumindest einer Anzeigevorrichtung (15) wiedergegeben.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Wiedergabe der Bildfusion kontinuierlich erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis e) in wählbaren Zeitabständen bis zur Beendigung des Verfahrens wiederholt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Durchleuchtungsbilder kontinuierlich aufgenommen werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluss von Blut und/oder Kontrastmittel in mindestens einem Gefäß des Untersuchungsbereichs durch den sogenannten Radar-Dopplereffekt gemessen werden, wobei die Röntgenstrahlung zur Aufnahme des mindestens einen Durchleuchtungsbildes erst dann ausgelöst wird, wenn das Blut und/oder Kontrastmittel eine zur Auslösung der Röntgenstrahlung geeignete Stelle im Gefäß erreicht hat.
  7. Bildgebende Medizinvorrichtung, gekennzeichnet durch a) eine Röntgenanlage zur Aufnahme mindestens eines Durchleuchtungsbildes, b) mindestens einen Radarsender (23) zum Senden von Signalen, c) mindestens einen Radarempfänger (25) zum Detektieren von Signalen, d) eine Radarbildverarbeitungsstufe (27) zur Erzeugung eines 3D-rekonstruierten Radarbildes aus den mittels des Radarempfängers (21) detektierten Signalen, e) Bildspeichermittel zur Zwischenspeicherung des mindestens einen Durchleuchtungsbildes und/oder des 3-D-Rekonstruktionsbildes, f) eine Bildverarbeitungsstufe (27) zur Identifizierung eines Zielobjekts in dem 3-D-Rekonstruktionsbild, g) eine Bildverarbeitungsstufe (25) zur Identifizierung eines Zielobjekts in dem Durchleuchtungsbild, h) eine Registrierungsvorrichtung zur Registrierung des 3-D-Rekonstruktionsbildes und des Durchleuchtungsbildes unter Zuhilfenahme der Daten der Identifizierung, i) eine Fusionsvorrichtung zur Fusion der genannten Bilder und j) eine 3-D-Wiedergabevorrichtung (15) zur Wiedergabe der fusionierten Bilder.
  8. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine Messvorrichtung zum Messen des Flusses von Blut und/oder Kontrastmittel in mindestens einem Gefäß durch den sogenannten Radar-Dopplereffekt, wobei die Röntgenstrahlung zur Aufnahme des mindestens einen Durchleuchtungsbildes erst dann auslösbar ist, wenn das Blut und/oder Kontrastmittel eine zur Auslösung der Röntgenstrahlung geeignete Stelle im Gefäß erreicht hat.
  9. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche zur Überwachung der Bewegungen des Patiententisches, wobei die Bewegung gestoppt und/oder Alarm ausgelöst werden, sobald sich ein Patient, ein Bediener oder ein Gerät in der Kollisionszone der Röntgenanlage befinden.
  10. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche zur Bestimmung des Pumpvolumens des linken Ventrikels des Herzens eines Patienten.
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