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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterstützung eines mit einem Instrument in einem Gefäßbaum eines Patienten durchgeführten minimalinvasiven Eingriffs, wobei ein dreidimensionaler Bilddatensatz des Gefäßbaums, insbesondere ein angiographischer Computertomographiebilddatensatz, in einem tomographischen Verfahren vor dem Eingriff ermittelt und während des Eingriffs wenigstens ein zweidimensionales Angiographiebild aufgenommen wird, wobei der Bilddatensatz und das Angiographiebild miteinander registriert sind oder werden.
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Minimalinvasive Eingriffe in Blutgefäßen eines Patienten, insbesondere auch im Herzen, sind bereits bekannt. Dabei wird ein Instrument, meist ein Katheter, durch die Blutgefäße des Gefäßbaums zur eigentlichen Behandlungs- und/oder Untersuchungsstelle geführt, wo dann die Behandlung und/oder Untersuchung mit Hilfe des Instruments durchgeführt werden kann. Beispielsweise werden Herzkatheteruntersuchungen zur Diagnose von Koronarerkrankungen eingesetzt. Bei heute bekannten Verfahren kann hier jedoch nur eine Aussage zum Lumen eines Blutgefäßes gemacht werden. Aussagen zur Zusammensetzung der Gefäßwand und von Plaques sind damit nicht möglich.
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Im Stand der Technik ist zudem die Untersuchungsmethode des intravaskulären Ultraschalls (IVUS) bekannt. Dabei handelt es sich um eine gegebenenfalls zusätzlich zu optischer Bildgebung einsetzbare Bildgebungsmethode, die beispielsweise bei Herzkatheteruntersuchungen eingesetzt werden kann. Der intravaskuläre Ultraschall liefert dem Arzt wichtige Zusatzinformationen bei der Untersuchung des stenotischen Gefäßbereichs, der vorliegenden Wandverhältnisse und der Zusammensetzung der Gefäßwand oder von Plaques (VH – virtual histology). Eine IVUS-Untersuchung erfordert aber heutzutage einen zusätzlichen, teuren Katheter, der invasiv an die Untersuchungs- und/oder Behandlungsstelle in dem Blutgefäß gebracht werden muss, was eine Belastung und Gefahr für einen Patienten darstellt.
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Ein weiteres bekanntes invasives Bildgebungsverfahren ist die optische Kohärenztomographie (OCT), welche ebenso wie IVUS dazu geeignet ist, Schnittbilder innerhalb eines Gefäßes aufzunehmen. Dabei sind bereits Verfahren bekannt, um derartige Schnittbilder mit einer zweidimensionalen Angiographieaufnahme nach einer Kontrastmittelinjektion zu registrieren. So kann eine direkte Zuordnung der Lokalisation einer Pathologie aus dem Schnittbild zu der Angiographieaufnahme erfolgen.
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Die benötigten Informationen über die histologische Zusammensetzung der Gefäße, insbesondere von Gefäßläsionen, können auch durch nichtinvasive Untersuchungsmethoden, beispielsweise die Computertomographie-Angiographie (CTA) oder Magnetresonanzaufnahmen gewonnen werden. Eine direkte Zuordnung dieser Informationen zu Angiographiebildern während des Eingriffs ist jedoch bisher nicht möglich, da eine Registrierung zwischen dem dreidimensionalen tomographischen Bilddatensatz, dem Angiographiebild und der interventionell untersuchten Pathologie nicht vorhanden ist. Das grundsätzliche Problem hierbei ist, dass es aufgrund der zweidimensionalen Natur der Durchleuchtungsaufnahmen nur schwer möglich ist, einzelne Blutgefäße, die im Angiographiebild zu sehen sind, richtig zuzuordnen und mithin die korrekten Informationen aus dem dreidimensionalen Bilddatensatz zur Verfügung zu stellen. Zwar ist es im Rahmen einer 2D-3D-Registrierung denkbar, ein überlagertes Bild zu erzeugen, jedoch ist dies nicht ausreichend, um während eines Eingriffs die nötigen Informationen zu einem im Angiographiebild sichtbaren Gefäß liefern zu können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur vollständig automatischen Zuordnung von Gefäßen eines Gefäßbaums zwischen einem dreidimensionalen, vor dem Eingriff aufgenommenen Bilddatensatz und einem zweidimensionalen Angiographiebild anzugeben, welche zur Unterstützung während des Eingriffs genutzt werden kann und insbesondere den Verzicht auf teure, zusätzliche Katheter mit einer invasiven Bildgebungsvorrichtung ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass zur Ermittlung in dem Bilddatensatz und dem Angiographiebild korrespondierende Gefäße des Gefäßbaums der Gefäßbaum in dem Bilddatensatz und dem Angiographiebild segmentiert wird, woraufhin wenigstens ein Startpunkt des Gefäßbaums, insbesondere ein Gefäßabschnitt in dem Angiographiebild, ermittelt und als Startpunkt zur Zuordnung weiterer, in dem Angiographiebild sichtbarer Gefäße verwendet wird, wobei wenigstens eine Darstellung und/oder Interpretation einer benutzerseitigen Eingabe in Abhängigkeit der ermittelten Gefäßkorrespondenz erfolgt.
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Die vorliegende Erfindung schlägt mithin eine Möglichkeit vor, in dem zweidimensionalen Angiographiebild, welches beispielsweise zur Nachverfolgung des Instruments, welches bevorzugt ein Katheter sein kann, eingesetzt wird, korrekt einem Gefäß im eigentlich dreidimensionalen, durch den dreidimensionalen Bilddatensatz beschriebenen Gefäßbaum zuzuordnen. Hierzu wird vorgeschlagen, die Gefäße zunächst in dem dreidimensionalen Bilddatensatz und dem Angiographiebild zu segmentieren, wobei bevorzugt das Angiographiebild (oder zumindest eines der Angiographiebilder) unter Gabe eines Kontrastmittels aufgenommen wird. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn der Gefäßbaum durch Mittellinien der Gefäße beschrieben wird. So ist eine einfache Beschreibung des Gefäßbaums genauso möglich wie ein relativ einfaches Auffinden einer Korrespondenz, nachdem jedes Gefäß durch die es auszeichnende Mittellinie beschrieben wird.
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Sodann soll ein Startpunkt aufgefunden werden, dessen Lage im zweidimensionalen Angiographiebild genauso bekannt ist wie im dreidimensionalen Bilddatensatz. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der Startpunkt eine bestimmte Stelle im Gefäßbaum angibt, für die sowohl im dreidimensionalen Bilddatensatz wie auch im zweidimensionalen Angiographiebild bekannt ist, exakt welchem Gefäß sie zugeordnet ist. Ist ein solcher Startpunkt erst einmal gegeben, so kann durch Fortschreiten im Gefäßbaum des dreidimensionalen Bilddatensatzes auch ein Fortschreiten im Gefäßbaum des zweidimensionalen Angiographiebildes erfolgen, nachdem die grundsätzliche Orientierung gegeben ist. So ist es möglich, weitere in dem Angiographiebild sichtbare Gefäße zu in dem dreidimensionalen Gefäßbaum vorhandenen Gefäßen zuzuordnen. Dies geht über eine übliche 2D-3D-Registrierung weit hinaus, denn nun ist zu den Gefäßen des zweidimensionalen Angiographiebildes auch eine Tiefeninformation gegeben, nämlich eine genaue Korrespondenz zu einem im dreidimensionalen Bilddatensatz sichtbaren Gefäß. Wird nun beispielsweise ein Gefäß in dem zweidimensionalen Angiographiebild ausgewählt, kann das zugehörige Gefäß auch in dem dreidimensionalen Bilddatensatz aufgefunden werden, analog kann ein im dreidimensionalen Bilddatensatz bekanntes Gefäß auch im zweidimensionalen Angiographiebild lokalisiert werden.
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Dazu ermöglicht es die Erfindung insbesondere, diese Korrespondenz vollständig automatisch durch eine Recheneinrichtung zu ermitteln, so dass letztlich eine vollautomatische Fusion von präinterventioneller Bildgebung in Form des dreidimensionalen Bilddatensatzes mit Angiographiebildern möglich ist. Dies wiederum ermöglicht eine automatische Zuordnung von präinterventionellen Bildgebungsergebnissen zur untersuchten Pathologie während des Eingriffs. Insbesondere stehen während des Eingriffs also dem Arzt auch die Informationen des dreidimensionalen Bilddatensatzes, insbesondere Informationen über die Gefäßwandzusammensetzung und zum Aufbau der Gefäße, in geeigneter Weise zur Verfügung. Verschiedene Möglichkeiten zur Nutzung der hier aufgefundenen Gefäßkorrespondenz werden im Folgenden noch genauer dargestellt werden.
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Zur Ermittlung des wenigstens einen Startpunktes kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass wenigstens eines des wenigstens einen Angiographiebildes unter Einfluss von Kontrastmittel aufgenommen wird, wobei wenigstens ein kontrastmittelgefüllter Gefäßabschnitt, insbesondere ein Mündungspunkt der Koronararterie in die Aorta, zur Auswahl des wenigstens einen Startpunktes herangezogen wird. Es kann mithin vorgesehen sein, einen bestimmten Gefäßabschnitt, der mit Kontrastmittel gefüllt ist, zu identifizieren. Dabei kann insbesondere die Mittellinie eines solchen Gefäßabschnitts bestimmt werden und zum Abgleich mit dem aus dem Angiographiebild erhaltenen Gefäßbaum eingesetzt werden. Dieser Ansatz baut im Wesentlichen auf der Erkenntnis auf, dass ein in anderem Zusammenhang bereits genutzter, manueller Weg zur Ermittlung einer Mittellinie eines Gefäßes auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung automatisiert vorteilhaft eingesetzt werden kann, wenn ein Zusammenhang eines Gefäßes beispielsweise anhand von Kontrastmittel automatisch festgestellt werden kann. So ist nämlich ein Vorgehen bekannt, in dem ein Benutzer zwei Punkte eines Blutgefäßes in einem Angiographiebild markiert, wobei dann die letztlich beiden Punkte verbindende Mittellinie des Gefäßes ermittelt werden kann. Ähnlich wird nun auch hier vorgegangen, allerdings automatisch, indem ein Gefäßabschnitt markiert wird, der auch im Gefäßbaum des dreidimensionalen Bilddatensatzes hinreichend genau bestimmt werden kann, wobei sich hierfür besonders die Koronararterien im Bereich der Aorta anbieten, insbesondere im Rahmen einer Herzkatheteruntersuchung. Ist dies geschehen, kann beispielsweise ein Mündungspunkt der Koronararterie in die Aorta als Startpunkt herangezogen werden, wobei es selbstverständlich auch denkbar ist, den gesamten Gefäßabschnitt letztlich als mehrere Startpunkte zu verwenden.
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Dabei sei angemerkt, dass es grundsätzlich auch denkbar ist, andere, insbesondere in dem Angiographiebild hinreichend deutlich erkennbare anatomische Merkmale heranzuziehen, die auch in dem Gefäßbaum bzw. dreidimensionalen Bilddatensatz identifiziert werden können und einen geeigneten Startpunkt für den Gefäßbaum liefern können. Denkbar wäre es beispielsweise, eine Segmentierung des Herzens auch ohne Kontrastmittel anzustreben oder dergleichen.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass abhängig von einer Position in dem Gefäßbaum aus dem Bilddatensatz ein einem mit einer invasiven Bildgebungseinrichtung aufgenommenen Bild, insbesondere einem IVUS-Bild, des Gefäßes an dieser Position entsprechendes Darstellungsbild ermittelt und dargestellt wird.
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Dabei sei an dieser Stelle hervorgehoben, dass diese spezielle Art der Darstellung bzw. Zurverfügungstellung von weiteren Informationen, insbesondere während eines Eingriffs, auch für sich eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Unterstützungsverfahrens darstellt. So ist beispielsweise ein Verfahren zur Erzeugung einer Gefäßdarstellung eines Gefäßes in einem Gefäßbaum eines Patienten denkbar, wobei ein dreidimensionaler Bilddatensatz des Gefäßbaums, insbesondere ein angiographischer Computertomographiebilddatensatz, in einem tomographischen Verfahren ermittelt wird, welches sich dadurch auszeichnet, dass abhängig von einer Position in dem Gefäßbaum aus dem Bilddatensatz ein einem mit einer invasiven Bildgebungseinrichtung aufgenommenen Bild des Gefäßes, insbesondere einem IVUS-Bild, an dieser Position entsprechendes Darstellungsbild ermittelt und dargestellt wird. Dabei ist es zweckmäßig, wenn wenigstens ein zweidimensionales zusätzliches aktuelles Angiographiebild aufgenommen und mit dem Bilddatensatz registriert wird, zudem wird das Verfahren zur Erzeugung einer Gefäßdarstellung vorteilhaft begleitend zu einem invasiven Eingriff mit einem Instrument, insbesondere einem Katheter, durchgeführt. Die im Folgenden im Zusammenhang mit der Gefäßkorrespondenz dargestellten Ausgestaltungen lassen sich auch auf das hier erwähnte alleinstehende Verfahren zur Erzeugung einer Gefäßdarstellung übertragen.
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Mit besonderem Vorteil kann vorgesehen sein, dass die Position auf einer Mittellinie des Gefäßes bestimmt wird. Die Gefäßkorrespondenz ermöglicht es dann, die Lage des Gefäßes in dem Angiographiebild und dem dreidimensionalen Bilddatensatz zu bestimmen, insbesondere, wenn der Gefäßbaum ohnehin durch Mittellinien der Gefäße beschrieben wird. Mit besonderem Vorteil erlaubt es die Bestimmung der Position auf einer Mittellinie des Gefäßes jedoch, dass als Darstellungsbild ein insbesondere einer senkrecht zu der Mittelinie stehenden, die Position enthaltenden Ebene entsprechendes Querschnittsbild erzeugt wird. Ein derartiges Bild entspricht dann in dem Sinne einem mit einer invasiven Bildgebungseinrichtung aufgenommenen Bild, dass sich letztendlich ein Schnitt ergibt, der auch dann vorliegen würde, wenn sich ein mit der invasiven Bildgebungseinrichtung ausgestattetes Instrument an der Position im Gefäß befände. Letztlich kann also ein an der Position befindliches Instrument mit einer derartigen invasiven Bildgebungseinrichtung „simuliert“ werden, so dass ein derartiges Instrument nicht mehr gebraucht würde.
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Es sei jedoch angemerkt, dass selbstverständlich auch andere Arten des Darstellungsbildes denkbar sind. Beispielsweise kann die Position auch einen dreidimensionalen Bereich definieren, wobei das Darstellungsbild dann dreidimensional ermittelt werden kann. Analoge Vorgänge bei Einsatz einer invasiven Bildgebungseinrichtung sind beispielsweise die Bildaufnahme unter Rückzug des die Bildgebungseinrichtung tragenden Instruments. Während des Rückzugs werden dabei kontinuierlich Bilder aufgenommen, die dann zu einem dreidimensionalen Gefäßabschnittsbild zusammengesetzt werden können. Auch Bilder dieser Art können als Darstellungsbild aus dem dreidimensionalen Bilddatensatz abgeleitet werden.
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In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Position und/oder der dargestellte Bereich des Darstellungsbildes in dem Angiographiebild angezeigt werden, insbesondere gleichzeitig mit dem Darstellungsbild. Hier erweist sich die Gefäßkorrespondenz als besonders nützlich, denn obwohl Informationen aus dem dreidimensionalen Bilddatensatz hergenommen werden, ist es aufgrund der Gefäßkorrespondenz möglich, den entsprechenden Ort im zweidimensionalen Angiographiebild aufzufinden, so dass dieses um eine die Position und/oder Lage des Darstellungsbildes anzeigende Markierung ergänzt werden kann.
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Dabei sind grundsätzlich zwei Möglichkeiten denkbar, die Position zu bestimmen. So kann vorgesehen sein, dass die Position durch den Benutzer in dem Angiographiebild gewählt wird, insbesondere unter Berücksichtigung der ermittelten Gefäßkorrespondenz. Das den aktuellen Zustand anzeigende Angiographiebild kann mithin hergenommen werden, um als Eingabehilfe zur Auswahl des in dem Darstellungsbild anzuzeigenden Gefäßes genutzt zu werden. Nachdem bei einer Auswahl im Angiographiebild aufgrund der Gefäßkorrespondenz bekannt ist, welchen Gefäß im dreidimensionalen Bilddatensatz die Auswahl entspricht, kann diese Eingabe problemlos interpretiert und das korrekte Darstellungsbild erzeugt werden.
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In diesem Zusammenhang ist es weiterhin zweckmäßig, wenn eine Verschiebung eines eine aktuelle auszuwählende oder ausgewählte Position anzeigenden Positionsmarkers nur entlang von Mittellinien von Gefäßen erlaubt wird. Ein solcher Positionsmarker kann mithin entlang von Mittellinien von Gefäßen durch den Gefäßbaum verschoben werden, wobei wiederum die Gefäßkorrespondenz berücksichtigt werden kann, indem beispielsweise vermieden wird, dass der Positionsmarker in ein hinter einem aktuell gewählten Gefäß befindliches Gefäß springt, ohne dass die zugehörige Abzweigung im dreidimensionalen Raum auch passiert wurde. Hierdurch wird dem Benutzer auch ein verbessertes Gefühl dafür gegeben, wie die zweidimensional im Angiographiebild sichtbaren Gefäße dreidimensional tatsächlich verlaufen, was aufgrund der ermittelten Gefäßkorrespondenz ermöglicht wird.
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Bevorzugt ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch, wenn die Position aus einer Lokalisierungsinformation des Instruments, insbesondere der Instrumentenspitze, ermittelt wird. Grundsätzlich sind Lokalisierungssysteme für minimalinvasiv einzusetzende Instrumente, insbesondere Katheter, im Stand der Technik bereits weitgehend bekannt. Beispielsweise können elektromagnetische Positionierungssysteme eingesetzt werden, bei denen das Instrument in einem räumlich veränderten Feld geführt wird und induzierte Signale zur Positionsbestimmung eingesetzt werden können und dergleichen. Auch die Registrierung solcher Lokalisierungssysteme mit den Koordinatensystemen dreidimensionaler Bilddatensätze ist bereits bekannt, so dass davon ausgegangen werden kann, dass eine Registrierung mit dem dreidimensionalen Bilddatensatz hergestellt werden kann. Bereits in diesem Zusammenhang kann sich die Gefäßkorrespondenz jedoch schon als nützlich erweisen, denn gegebenenfalls kann die Registrierung des Koordinatensystems des Lokalisierungssystems mit dem Koordinatensystem des dreidimensionalen Bilddatensatzes mittels der Angiographiebilder herbeigeführt werden, wobei die Gefäßkorrespondenz eine Grundinformation darüber gibt, in welchem Gefäß sich dreidimensional betrachtet der Katheter gerade befindet. Jedoch sind selbstverständlich auch andere, im Stand der Technik bekannte Möglichkeiten zur Registrierung der Koordinatensysteme denkbar.
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Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Lokalisierungsinformation direkt aus den Angiographiebildern, welche dann insbesondere kontinuierlich und/oder in bestimmten zeitlichen Abständen aufgenommen werden, ermittelt wird. Die Spitze des Instruments, insbesondere eines Katheters, kann in den Angiographiebildern automatisch erkannt werden und dann auch unmittelbar als Positionierung für das gewünschte Darstellungsbild gewählt werden. Nachdem die Gefäßkorrespondenz besteht, kann die in den Angiographiebildern sichtbare Position des Katheters in den dreidimensionalen Bilddatensatz übertragen werden, so dass dann entsprechend das Darstellungsbild aus den Bilddaten des dreidimensionalen Bilddatensatzes erzeugt werden kann.
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Letztlich entsteht dann also der Eindruck, dass verwendete Instrumente eine invasive Bildgebungseinrichtung aufweisen, nachdem insbesondere in Echtzeit der Bewegung des Instruments folgend neue Darstellungsbilder, die invasiven Bildern ähneln, beispielsweise also Schnittbilder, erzeugt werden, die jeweils der aktuellen Position des Instruments, beispielsweise eines Katheters, entsprechen. Ohne, dass eine Bildgebungseinrichtung an dem Instrument oder gar ein zusätzliches Instrument mit einer invasiven Bildgebungseinrichtung notwendig wäre, erhält der Benutzer folglich die dem aktuellen Instrumentenort zugeordneten weitergehenden Informationen, insbesondere auch über die Gefäßwand, den Aufbau des Gefäßes und/oder von Plaques und dergleichen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wie bereits erwähnt, wenn die Darstellung als Schnittbild senkrecht zum Gefäß erfolgt, das bedeutet, insgesamt kann auch vorgesehen sein, dass als Position nicht zwangsläufig die exakte Position des Instruments hergenommen wird, sondern eine dem Instrument möglichst nahe Position auf der Mittellinie des Gefäßes gewählt wird. Dann ist die Ermittlung solcher leicht interpretierbarer Schnittbilder besonders einfach möglich. Es ist eine einfache intuitive Erfassung für den Benutzer, der beispielsweise auch mit der invasiven Bildgebungseinrichtung, insbesondere einer IVUS-Einrichtung, arbeitet, möglich. Die Informationen, insbesondere über die Gefäßwandzusammensetzung und den Aufbau, werden den Benutzer in geeigneter Weise und einfach verständlich zur Verfügung gestellt.
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Dabei sind im Wesentlichen zwei Varianten denkbar, um das Darstellungsbild konkret aus dem tomographischen Bilddatensatz zu ermitteln. Zum einen ist es möglich, dass als Bildwerte des Darstellungswertes die Bildwerte des dreidimensionalen Bilddatensatzes an den entsprechenden Positionen verwendet werden. Im Beispiel eines Computertomographiebilddatensatzes werden dann also letztlich HU-Werte auch für das Darstellungsbild eingesetzt, welches durch den Benutzer entsprechend interpretiert werden kann.
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Alternativ ist es jedoch auch denkbar, dass die Bildwerte der Bildelemente des Darstellungsbildes aus den Bildwerten des Bilddatensatzes im darzustellenden Bereich gemäß wenigstens einer Zuordnungsregel abgeleitet werden. In diesem Beispiel werden die Bilddaten des dreidimensionalen Bilddatensatzes also modifiziert, insbesondere, um deutlicher den Eindruck eines mit einer invasiven Bildgebungseinrichtung aufgenommenen Bildes zu erzeugen. Beispielsweise ist es hier denkbar, die Bilddaten zu filtern und/oder eine Fensterung zu verwenden, um beispielsweise in einem Computertomographiebilddatensatz enthaltene Bilddaten auf IVUS-ähnliche Grauwerte umzurechnen oder dergleichen. Auf diese Weise wird es noch besser ermöglicht, eine invasive Bildgebungseinrichtung, insbesondere an der Position des Instruments, zu simulieren.
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Neben der hier dargestellten, besonders vorteilhaften Variante zur Ermittlung eines einem mit einer invasiven Bildgebungseinrichtung aufgenommenen Bildes entsprechenden Darstellungsbildes sind jedoch auch andere Möglichkeiten denkbar, die ermittelte Gefäßkorrespondenz, insbesondere im Hinblick auf die Darstellung von Bilddaten des dreidimensionalen Bilddatensatzes oder weitere Informationen zu nutzen.
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So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass wenigstens eine CPR-Darstellung wenigstens eines unter Berücksichtigung der Gefäßkorrespondenz definierten Gefäßes, insbesondere des Gefäßes, in dem sich das Instrument aktuell befindet, mit einer senkrecht zu der Projektionsrichtung des Angiographiebildes verlaufenden interessierenden Richtung ermittelt und mit dem Angiographiebild unter Berücksichtigung der Gefäßkorrespondenz zu einem Darstellungsbild fusioniert wird.
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Es kann mithin vorgesehen sein, das Angiographiebild durch aus dem Bilddatensatz abgeleitete Informationen nach Art der CPR (curved planar reformation) zu ergänzen. Die CPR ist im Stand der Technik bereits weitgehend bekannt und betrifft die Visualisierung von röhrenartigen Strukturen, beispielsweise Blutgefäßen, die in einem dreidimensionalen Bilddatensatz vorliegen, vollständig in einem zweidimensionalen Bild. Hierfür wird üblicherweise die vorzugsweise im erfindungsgemäßen Verfahren ohnehin genutzte Mittellinie des Gefäßes benötigt. Diese definiert jedoch alleine noch keine gekrümmte Ebene im dreidimensionalen Raum, die zur Erzeugung des Bildes verwendet werden soll, so dass eine zusätzliche Richtung definiert werden muss, um eine entsprechende kurvige, der Mittellinie folgende Ebene zu erzeugen. Dabei bietet es sich im erfindungsgemäßen Verfahren besonders an, als interessierende Richtung eine senkrecht zur Projektionsrichtung, also parallel zu einer Bildebene, des Angiographiebildes verlaufende interessierende Richtung zu wählen, die insbesondere unter einem Winkel zur allgemeinen Richtung der Mittellinie des Blutgefäßes steht. Die Idee ist es mithin, die interessierende Richtung entlang des Gefäßes in dem dreidimensionalen Bilddatensatz anzuwenden, um mithin ein zweidimensionales Bild des Gefäßes zu erzeugen, welches mit dem Angiographiebild kombiniert werden kann, um eine CPR-Darstellung mit weiteren Informationen in diese zu integrieren. Dabei ist es, wie bereits erwähnt, besonders vorteilhaft, wenn auch hier eine Lokalisierungsinformation des Instruments berücksichtigt wird, nachdem dann immer das Gefäß, in dem sich das Instrument gerade befindet, genauer dargestellt werden kann. Hierzu kann, wie bereits im Zusammenhang mit dem auf eine gedachte invasive Bildgebungseinrichtung abgestimmten Darstellungsbild dargelegt, bevorzugt das Angiographiebild herangezogen werden, in dem das Instrument sichtbar und mithin automatisch lokalisierbar ist. Selbstverständlich ist es jedoch auch in diesem Zusammenhang möglich, das auf diese Art darzustellende Gefäß bzw. die auf diese Art darzustellenden Gefäße innerhalb des Angiographiebildes benutzerdefiniert auszuwählen, wobei die Auswahl dann aufgrund der Gefäßkorrespondenz in den dreidimensionalen Bilddatensatz übertragen werden kann.
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Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass es selbstverständlich auch denkbar ist, andere fusionierte Darstellungen zu erzeugen. Beispielsweise ist es denkbar, einen zu der Bildebene des Angiographiebildes parallelen Schnitt durch den dreidimensionalen Bilddatensatz zu legen, um hieraus eine fusionierte Darstellung zu erzeugen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Instrument eine invasive Bildgebungseinrichtung umfasst, insbesondere eine IVUS-Bildgebungseinrichtung, wobei aufgrund einer Nachverfolgung des Instruments mittels der mehreren Angiographiebilder eine Position eines mit der Bildgebungseinrichtung aufgenommenen Innenbildes in dem Gefäßbaum ermittelt und insbesondere gemeinsam mit dem Gefäßbaum dargestellt wird. Auch hier kann die Gefäßkorrespondenz genutzt werden, um, wenn das Instrument im Augenblick einer Bildaufnahme mit einer invasiven Bildgebungseinrichtung in einem Angiographiebild sichtbar ist, dieses dort zu lokalisieren und die Lokalisierungsinformation auf eine dreidimensionale Position im Gefäßbaum des dreidimensionalen Bilddatensatzes zu übertragen, so dass letztlich auch die dreidimensionale Position des aufgenommenen Innenbildes bestimmt und einem Benutzer zur Kenntnis gebracht werden kann. Letztlich ist somit eine vollautomatische Registrierung zwischen der präinterventionellen tomographischen Bildgebung und den mit der invasiven Bildgebungseinrichtung aufgenommenen Innendaten, insbesondere IVUS-Daten, möglich. Die resultierende anatomische Lokalisierung der Innenbilder kann dann in den tomographischen Daten abgebildet werden, da die Gefäßkorrespondenz bekannt ist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1 einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine Skizze zur Beschreibung eines Gefäßbaums durch Mittellinien,
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3 die Ermittlung von Mittellinien und wenigstens einem Startpunkt in einem zweidimensionalen Angiographiebild,
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4 ein zweidimensionales Angiographiebild mit einem Positionsmarker,
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5 eine Prinzipskizze eines Darstellungsbildes,
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6 eine Prinzipskizze zur CPR in einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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7 eine Prinzipskizze eines erweiterten zweidimensionalen Angiographiebilds bei Verwendung eines Katheters mit einer invasiven Bildgebungseinrichtung, und
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8 eine Darstellung von Innenbildmarkern gemeinsam mit dem Gefäßbaum.
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1 zeigt einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens 1. Dabei soll im ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches im Folgenden beschrieben wird, eine Möglichkeit dargestellt werden, IVUS-ähnliche Schnittbilder zu erhalten, ohne dass eine invasive IVUS-Bildgebungseinrichtung eingesetzt werden muss.
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Zunächst wird in einem Schritt 1 mit einem tomographischen Verfahren ein dreidimensionaler Bilddatensatz eines Gefäßbaums aufgenommen, in dem später ein minimalinvasiver Eingriff mit einem Instrument, hier einem Katheter, vorgenommen werden soll. Vorliegend handelt es sich dabei um einen angiographischen Computertomographiebilddatensatz. Dies kann mit einer dedizierten Computertomographie-Einrichtung erfolgen, jedoch ist es auch möglich, die Aufnahme bereits mit einer C-Bogen-Röntgeneinrichtung durchzuführen, die im weiteren Verlauf auch zur Aufnahme von zweidimensionalen Angiographiebildern während des Eingriffs verwendet wird.
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In einem Schritt 2 wird dann der Gefäßbaum mit im Stand der Technik bekannten Segmentierungsverfahren in dem dreidimensionalen Bilddatensatz segmentiert. Daraus werden dann zur Beschreibung des Gefäßbaums im dreidimensionalen Raum jeweils die Mittellinien der Gefäße bestimmt, was für einen Ausschnitt aus einem Gefäßbaum 3 beispielhaft in 2 gezeigt ist. Dort sind Mittellinien 4, 5 und 6 verschiedener Gefäße beispielhaft gezeigt.
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Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass, insbesondere dann, wenn der dreidimensionale Bilddatensatz auch im Hinblick auf eine diagnostische Auswertung aufgenommen wurde, selbstverständlich noch weitere bekannte Schritte und genauere Analysen des segmentierten und durch die Mittellinie beschriebenen Gefäßbaums möglich sind, insbesondere im Hinblick auf die ebenso zu segmentierende Gefäßwand. Möglich ist beispielsweise eine automatische Erkennung von Gefäßmorphologien und eine Quantifizierung und Segmentierung von Pathologien. Dies kann dann, im Gegensatz zum vollständig automatisch ablaufenden Schritt der Extraktion des Gefäßbaums, auch unter Mitwirkung eines Benutzers, insbesondere eines Arztes, geschehen. Möglich ist es zudem, auch geometrische Daten über die Gefäße des Gefäßbaums zu bestimmen, beispielsweise deren Durchmesser und dergleichen.
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Beispielhaft für dieses Ausführungsbeispiel soll als Eingriff nun eine sogenannte Herzkatheteruntersuchung beschrieben werden, wobei beispielsweise als Instrument ein Katheter mit einer optischen Bildaufnahmeeinrichtung verwendet werden kann. Dabei wird im Folgenden davon ausgegangen, dass die Bilder der optischen Bildaufnahmeeinrichtung, die die Oberfläche der Gefäßwand zeigen, ständig, beispielsweise auf einer dedizierten Anzeigevorrichtung, dargestellt werden können. Es sind jedoch selbstverständlich auch andere minimalinvasive Eingriffe, bei denen ein Instrument durch den Gefäßbaum bewegt wird, denkbar.
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Während der Katheter in dem Gefäßbaum 3 bewegt wird, werden, hier zur Überwachung der Katheterposition, zyklisch oder kontinuierlich zweidimensionale Angiographiebilder mit einer Röntgeneinrichtung, insbesondere einer C-Bogen-Röntgeneinrichtung, aufgenommen, bei denen es sich um Durchleuchtungsbilder, insbesondere Fluoroskopiebilder, handelt. Auf diesen zweidimensionalen Angiographiebildern ist der Katheter deutlich zu erkennen, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, was für die Gefäße jedoch nur unter Verabreichung eines Kontrastmittels gilt, welches beispielsweise durch den Katheter selbst verabreicht werden kann, insbesondere wenigstens für einen Teil der aufzunehmenden Angiographiebilder.
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Aufgrund des Kontrastmittels können vollautomatisch, Schritt 7, in den zweidimensionalen Angiographiebildern Mittellinien von Gefäßen identifiziert werden, wie in 3 angedeutet, die einen Ausschnitt 8 aus einem zweidimensionalen Angiographiebild zeigt. Deutlich zu erkennen sind Gefäße 9, 10, wobei es sich bei dem Gefäß um die Koronararterie handelt, die in die Aorta (Gefäß 9) mündet. Ersichtlich wurden bereits Mittelinien 11, 12 bestimmt. Das Kontrastmittel macht es jedoch auch möglich, vollautomatisch tatsächlich zusammenhängende Gefäßabschnitte zu erkennen.
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Denn in den Angiographiebildern besteht das Problem, dass es sich um eine Projektion handelt, das bedeutet, es kann nicht immer eindeutig erkannt werden, ob Gefäße 9, 10 in einer Ebene liegen, wie anhand des Kreuzungspunkts 13 ersichtlich wird, bei dem aus dem zweidimensionalen Angiographiebild zunächst nicht ersichtlich ist, ob das Gefäß 9 vor oder hinter dem Gefäß 10 verläuft. Ebenso ist nicht sichergestellt, dass an der Stelle 14 eine Einmündung vorliegt. Durch eine Beobachtung des Kontrastmittels kann dies jedoch automatisch nachvollzogen werden, so dass letztlich für Gefäßabschnitte schlussgefolgert werden kann, dass diese tatsächlich zusammenhängend sind, so dass diese Gefäßabschnitte respektive deren Mittellinien zur Identifikation eines Startpunktes 15 (oder mehrerer Startpunkte 15, insbesondere eines gesamten Mittelinienabschnitts) dienen können, der auch in dem Gefäßbaum 3, der aus dem dreidimensionalen Bilddatensatz abgeleitet wurde, identifiziert werden kann.
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Bevor jedoch hier sinnvolle weitere Untersuchungen stattfinden können, wird zunächst auf grundsätzlich bekannte Art in einem Schritt 16 eine 2D-3D-Registrierung der zweidimensionalen Angiographiebilder mit dem dreidimensionalen Bilddatensatz durchgeführt.
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Ist dies erst geschehen, werden in einem Schritt 17 die durch 3 erläuterten Segmentierungsergebnisse im zweidimensionalen Angiographiebild genutzt, um eine tatsächliche Zuordnung von im zweidimensionalen Angiographiebild sichtbaren Gefäßen zu Gefäßen des dreidimensionalen Gefäßbaums 3 zu erlauben. Hierzu wird von dem Startpunkt 15 ausgegangen und durch den Gefäßbaum 3 fortgeschritten, bis eine Gefäßkorrespondenz für alle Gefäße gegeben ist. Dabei sei an dieser Stelle angemerkt, dass es grundsätzlich selbstverständlich auch denkbar ist, mehrere Startpunkte zu verwenden, insbesondere dann, wenn disjunkte Gefäßbaumbereiche vorliegen oder an manchen Stellen Unklarheiten bestehen bleiben.
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Ergebnis des Schritts 17 ist also eine Gefäßkorrespondenz, die es erlaubt, Gefäße in dem Bilddatensatz bzw. dem Angiographiebild in dem Angiographiebild bzw. dem Bilddatensatz zu identifizieren und wiederzufinden. Diese so aufgefundene Gefäßkorrespondenz kann nun auf verschiedene Art und Weise genutzt werden, um die einen Eingriff durchführende Person zu unterstützen.
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In diesem ersten Ausführungsbeispiel ist dabei vorgesehen, ein mit einem mit einer invasiven Bildgebungseinrichtung, hier einer IVUS-Bildgebungseinrichtung, aufgenommenen Bild vergleichbares Darstellungsbild zu erzeugen, und zwar in einer senkrecht zu einer Mittellinie 4, 5, 6 stehenden Schnittebene. Dafür muss zunächst eine Position auf der Mittellinie festgelegt werden, wofür es im Rahmen der vorliegenden Erfindung zwei Möglichkeiten gibt. So kann in einem Schritt 18a eine manuelle Eingabe der Position erfolgen. Hierfür wird ein Positionsmarker in eine Darstellung des zweidimensionalen Angiographiebildes eingeblendet, der letztlich der Andeutung einer Schnittbildebene entspricht. Der Positionsmarker wird dabei automatisch in seiner Bewegung so eingeschränkt, dass er nur entlang von Mittellinien (vgl. beispielhaft die Mittellinien 11, 12) bewegt werden kann, in einem Ausführungsbeispiel unter Nutzung der Gefäßkorrespondenz jedoch nur so, dass von einer Mittellinie 11 eines Gefäßes 9 nur dann auf die Mittellinie 12 eines anderen Gefäßes 10 gewechselt werden kann, wenn auch tatsächlich eine Einmündung vorliegt, wie an der Stelle 14 in 3. An der Stelle 15 wäre mithin kein Überspringen auf die andere Mittellinie 11 bzw. 12 möglich.
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Bevorzugt wird die Position jedoch in einem Schritt 18b automatisch bestimmt, und zwar im Zusammenhang mit der Nachverfolgung des Katheters. Wie in 4, die eine beispielhafte Darstellung 19 eines zweidimensionalen Angiographiebildes zeigt, ist der Katheter, genauer die Katheterspitze 20, deutlich im Gefäßbaum zu erkennen, so dass sie automatisch aufgefunden werden kann. Es ergibt sich letztlich als Lokalisierungsinformation eine Position der Katheterspitze 20, die aufgrund der Gefäßkorrespondenz automatisch einer Position auf einer Mittellinie 4, 5, 6 des Gefäßbaums 3 zugeordnet werden kann, wobei hier die nächstgelegene Position auf einer Mittellinie 4, 5, 6 herangezogen wird. Im in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich mithin eine senkrecht auf einer Mittellinie stehende Schnittebene, wie sie durch den Positionsmarker 21 angezeigt wird.
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Ist die Schnittebene in dem Schritt 18a bzw. 18b, durch die Position definiert, bestimmt, wird in einem Schritt 22 ein Darstellungsbild 23, vgl. 5, erzeugt, welches einem der Schnittebene entsprechenden Schnitt durch den dreidimensionalen Bilddatensatz im Bereich des Gefäßes 24 entspricht. Auf diesem lässt sich, wie durch Bereiche 25, 26 verschiedener Grauwerte angedeutet, die Struktur der Gefäßwand als Zusatzinformation darstellen, und zwar nach Art eines mit einer IVUS-Bildgebungseinrichtung aufgenommenen Schnittbildes, ohne dass tatsächlich eine IVUS-Bildgebungseinrichtung erforderlich wäre.
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Um den Eindruck eines IVUS-Bildes weiter zu erzielen und eine intuitivere Beurteilung durch die den Eingriff durchführende Person zu ermöglichen, kann aufgrund von Zuordnungsregeln, insbesondere Filtern und/oder einer Fensterung, auch eine Umrechnung der HU-Werte des dreidimensionalen Bilddatensatzes in IVUS-artige Grauwerte erfolgen, wobei es in bestimmten Ausführungsformen sogar denkbar ist, Abschattungen und dergleichen zu berücksichtigen bzw. künstlich zu erzeugen, um beispielsweise Kalzifizierungen und dergleichen besonders deutlich erkennbar zu machen.
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Das erzeugte Darstellungsbild 23 wird in einem Schritt 27 gemeinsam mit der Darstellung 19, die auch den Positionsmarker 21 enthält, angezeigt. Letztlich kann also die den Eingriff durchführende Person so während des Eingriffs arbeiten, als wiese der Katheter eine invasive Bildgebungseinrichtung, insbesondere eine IVUS-Einrichtung, auf, obwohl tatsächlich Daten des dreidimensionalen Bilddatensatzes, der präinterventionell aufgenommen wurde, verwendet werden.
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Die Position, für die in Schritt 22 das Darstellungsbild 23 ermittelt wird, kann dabei insbesondere in der Alternative des Schritts 18b ständig mitgeführt werden, das bedeutet, eine Bewegung des Katheters hat eine Aktualisierung des Darstellungsbildes 23 zur Folge.
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Dies ist jedoch nicht die einzige Art, wie ein Darstellungsbild 23 erzeugt werden kann. Insbesondere zusätzlich zu einer Erzeugung des Darstellungsbilds 23 gemäß 5 ist es nämlich auch denkbar, eine fusionierte Darstellung aus einer MPR-Darstellung und dem Angiographiebild zu erzeugen und als gegebenenfalls weiteres Darstellungsbild anzuzeigen. Dafür wird ein Gefäß bzw. Gefäßabschnitt gewählt, insbesondere als das Gefäß bzw. der Gefäßabschnitt, in dem sich die Katheterspitze 20 gerade befindet, oder aber aufgrund einer Markierung des Benutzers, wobei selbstverständlich auch mehrere Gefäße bzw. Gefäßabschnitte betrachtet werden können. Aufgrund der Gefäßkorrespondenz, wie sie in Schritt 17 ermittelt wurde, kann das Gefäß auch in dem Gefäßbaum 3 und mithin in dem dreidimensionalen Bilddatensatz identifiziert werden, das bedeutet insbesondere, dass die Mittellinie 28 dieses Gefäßes oder Gefäßabschnitts, vgl. 6, bekannt ist. Jedoch ist eine Mittellinie 28 nicht ausreichend, um eine gekrümmte Ebene im dreidimensionalen Raum zu bestimmen. Zeigt nun in 6 der Pfeil 29 die Projektionsrichtung, in der die zweidimensionalen Angiographiebilder aufgenommen werden, definiert sich durch die Pfeile 30, 31 eine dazu senkrecht stehende Bildebene des Angiographiebildes. Die Idee ist es nun, eine Richtung in der Bildebene, die möglichst nicht mit einer Richtung der Mittellinie 28 zusammenfällt, als interessierende Richtung zu wählen, hier die interessierende Richtung 31, so dass sich zusammen mit der Mittellinie 28 die gekrümmte Ebene 32 bestimmen lässt, die als Grundlage der CPR verwendet wird.
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Es ist nun auf verschiedene, im Stand der Technik grundsätzlich bekannte Möglichkeiten denkbar, ein CPR-Bild 33 in diesem Zusammenhang zu erzeugen, wobei vorliegend bevorzugt eine Projektionsmethode verwendet wird, nachdem dann aufgrund der weiterhin erhaltenen geometrischen Verhältnisse eine besonders einfache Fusion mit dem Angiographiebild möglich ist. Dabei wird vorliegend auf eine durch die Pfeile 30 und 31 definierte Bildebene projiziert.
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Das sich ergebende Darstellungsbild kann anstatt der Darstellung 19 der 4 gleichzeitig mit dem Darstellungsbild 23 angezeigt werden.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Gefäßkorrespondenz auch genutzt werden, um mit einer invasiven Bildgebungseinrichtung, beispielsweise einer IVUS-Bildgebungseinrichtung, aufgenommene Bilder mit dem dreidimensionalen Bilddatensatz zu registrieren und die Position und Lage dieser Bilder in dem zweidimensionalen Angiographiebild zur Anzeige zu bringen. In diesem Fall weist also der Katheter eine invasive Bildgebungseinrichtung, hier eine IVUS-Bildgebungseinrichtung, auf, die Schnittbilder von Gefäßen des Gefäßbaums 3 aufnimmt. Nachdem, wie bereits beschrieben wurde, die Position der Katheterspitze und mithin auch der invasiven Bildgebungseinrichtung ständig aus den zweidimensionalen Angiographiebildern bestimmt werden kann, kann mit jeder Aufnahme eines Innenbildes mit der invasiven Bildgebungseinrichtung diese Position protokolliert werden. Beispielsweise kann bei allen dieser Positionen, wie in 7 für die Darstellung 19 eines zweidimensionalen Angiographiebildes gezeigt, ein mit dem Innenbild verknüpfter Innenbildmarker 34 eingeblendet werden. Nachdem ja aber die in dem zweidimensionalen Angiographiebild sichtbaren Gefäße Gefäßen im dreidimensionalen Gefäßbaum 3 zugeordnet sind, ergibt sich hierdurch auch eine Registrierung der Innenbilder mit dem dreidimensionalen präinterventionellen Bilddatensatz, welche weiter zur Unterstützung des Benutzers verwendet werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Innenbildmarker 34, wie durch 8 angedeutet, unmittelbar in einer Darstellung des Gefäßbaums 3 angezeigt werden können, um auch hier eine weitere Verbesserung der Zuordnung zu erreichen. Beispielsweise kann der Gefäßbaum 3 als dreidimensionales Objekt dargestellt werden, welches dann entsprechend gedreht werden kann. In diesem dreidimensionalen Objekt sind die Innenbildmarker 34 als dreidimensionale Objekte aufgrund der Gefäßkorrespondenz korrekt zugeordnet ebenso ersichtlich und es kann insbesondere durch Interaktion mit den Innenbildmarkern 34 das entsprechende Innenbild aufgerufen werden. Dabei können jedoch auch weitere vorteilhafte Darstellungen erzeugt werden, so dass beispielsweise das Innenbild neben einem entsprechenden Schnittbild des dreidimensionalen Bilddatensatzes dargestellt werden kann oder ein Fusionsbild aus dem Innenbild und einem entsprechenden Schnittbild des dreidimensionalen Bilddatensatzes erzeugt und angezeigt werden kann. Beliebige Möglichkeiten sind denkbar, die aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichte Gefäßkorrespondenz und Registrierung zu nutzen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
