DE102012205949B4

DE102012205949B4 - Bildgebung mit einem C-Bogen-Angiographiesystem für eine Bronchoskopie

Info

Publication number: DE102012205949B4
Application number: DE102012205949.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Britzen; Dr. Pfister Marcus
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2018-07-19
Anticipated expiration: 2032-04-13
Also published as: DE102012205949A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung einer Aufnahmerichtung eines C-Bogen-Angiographiesystems für 2D-Durchleuchtungsaufnahmen einer einen Tumor aufweisenden Lunge eines Patienten, mit folgenden Schritten:1.1. Verwenden von 3D-Bilddaten, die die Lunge einschließlich des Tumors zeigen, wobei ein Koordinatensystem der 3D-Bilddaten mit einem Koordinatensystem des C-Bogen- Angiographiesystems registriert ist,1.2. Segmentieren eines Bronchialsystems der Lunge in den 3D-Bilddaten und Markieren des Tumors in den segmentierten 3D-Bilddaten,1.3. in den segmentierten 3D-Bilddaten Ermitteln oder Vorgeben einer Position innerhalb eines Bronchienabschnitt des Bronchialsystems nahe des Tumors, wobei die Position derart gewählt wird, dass ein proximales Ende eines Bronchoskops mit einem integrierten ausfahrbaren Biopsieinstrument bis zu dieser Position in den Bronchienabschnitt einführbar oder eingeführt ist,1.4. in den segmentierten 3D-Bilddaten Ermitteln einer Achse, die durch die Position und einen vorgegebenen oder ermittelten Punkt des Tumors festgelegt ist,1.5. Ermitteln einer Aufnahmerichtung, die koaxial zu der Achse und/oder einer Aufnahmerichtung, die orthogonal zu der Achse ausgerichtet ist, und1.6. Ausgeben der Aufnahmerichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer (optimalen) Aufnahmerichtung eines C-Bogen-Angiographiesystems für eine 2D-Durchleuchtungsaufnahme einer einen Tumor aufweisenden Lunge eines Patienten mit einem C-Bogen-Angiographiesystem. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bildgebung mit einem C-Bogen-Angiographiesystem für die ermittelte Aufnahmerichtung. Die Verfahren werden insbesondere im Rahmen einer Bronchoskopie bzw. einer Bronchialbiopsie genutzt.
Bekanntermaßen ist die Bronchoskopie eine zentrale Maßnahme bei der Diagnose von Lungenkrebs. Zwar lassen sich die Lunge und die Bronchien auch mit bildgebenden Verfahren, wie z.B. der Computertomografie (CT), abtasten und Tumoren in den dabei ermittelten Bilddaten feststellen. Zur Klassifizierung des Tumors bspw. in gutartig/bösartig, ist allerdings die Entnahme einer Gewebeprobe erforderlich, die in der Regel im Rahmen einer Bronchoskopie gewonnen wird.
Bei der Bronchoskopie wird ein biegsames optisches Instrument (Bronchoskop) über die Nase, seltener durch den Mund, über die Luftröhre in die Bronchien vorgeschoben. Man gelangt mit einem Bronchoskop normaler Größe, d.h. 5 bis 6 mm Durchmesser, etwa bis zur vierten oder fünften Aufteilung des Bronchialsystems, bevor der Durchmesser der Bronchien den des Bronchoskops unterschreitet. Zur histologischen Abklärung eines Tumors in der Lunge wird, wie vorstehend ausgeführt, im Rahmen der Bronchoskopie eine Biopsie vorgenommen. Hierzu werden üblicherweise kleine Biopsiezangen verwendet, die am proximalen Ende des Bronchoskops ausfahrbar angeordnet sind. Wird die Gewebeprobe nur aus der Bronchialschleimhaut genommen, spricht man von einer Schleimhautbiopsie. Als transbronchiale Biopsie bezeichnet man die Entnahme einer Gewebeprobe durch die Bronchien hindurch. Dabei kann nicht nur Gewebe aus der oberflächlichen Bronchialschleimhaut gewonnen werden, sondern auch tieferliegendes Gewebe aus der Bronchialwand und dem umgebenden Lungengewebe. Problematisch hierbei ist, mit der Biopsiezange tatsächlich auch den Tumor zu „treffen“, was speziell bei kleineren, distal gelegenen Tumoren schwierig ist.
Erschwert wird eine Biopsie auch dann, wenn der Tumor interlobär (d.h. zwischen zwei Lungenlappen) liegt und somit mit der gewöhnlichen Biopsiezange nicht erreicht werden kann. Hier gibt es die Möglichkeit mit einer Biopsienadel aus den Bronchien heraus in den Tumor zu stechen.
Allerdings sind die heute bekannten und genutzten bildgebenden Verfahren zur Navigation und Positionierung des Bronchoskops bzw. von dessen proximalen Ende relativ zum Tumor, nicht ausreichend genau, so dass die „Trefferquote“ des Tumors, d.h. die Quote mit der tatsächlich eine Gewebeprobe aus dem Tumor entnommen wird, insbesondere im Falle interlobärer Tumoren relativ gering ist. Gewebeentnahmen sind dabei natürlich weitgehend wertlos, wenn bei einer Biopsie anstelle des Tumorgewebes gesundes, dem potentiellen Tumor lediglich benachbartes, Gewebe entnommen wird.
Heute wird die Bronchialbiopsie überwiegend unter optischer Kontrolle mittels Röntgendurchleuchtung (bei der 2D-Bilddaten erzeugt werden) durchgeführt. Die Aufnahmerichtung der Röntgendurchleuchtung wird dabei nicht verändert oder manuell durch einen Bediener angepasst. Die Röntgendurchleuchtung wird dabei insbesondere mit einem C-Bogen-Angiographiesystem ausgeführt. Allerdings sind die damit erzeugten 2D-Bilddaten häufig Anlass von Fehlinterpretationen, weil die Aufnahmerichtung mit der die 2D-Bilddaten gewonnen wurden das Untersuchungsgebiet aus einer untauglichen oder suboptimalen Perspektive zeigen.
Die DE 10 2005 041 602 A1 offenbart eine Erfassung einer Relativposition zwischen einem medizinischen Implantat und einem zu untersuchenden medizinischen Bereich.
Ferner offenbaren die DE 10 2007 057 094 A1 eine visuelle Verifizierung einer CT Registrierung innerhalb eines ermittelten Genauigkeitsbereichs und die DE 10 2007 013 807 A1 ein unterstützendes System für die Navigation von Werkzeugen bei Interventionen an inneren Organen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Ermittlung einer Aufnahmerichtung eines C-Bogen-Angiographiesystems für 2D-Durchleuchtungsaufnahmen einer einen Tumor aufweisenden Lunge eines Patienten anzugeben, das eine aufschlussreiche und bessere Darstellung eines Untersuchungsbereichs und somit eine genauere Navigation und Positionierung eines Bronchoskops bei einer Bronchoskopie, insbesondere bei einer Bronchialbiopsie ermöglicht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Bildgebung mit einem C-Bogen-Angiographiesystem anzugeben, das auf der vorstehend ermittelten Aufnahmerichtung basiert.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, sowie der Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das in einer Figur dargestellt ist.
Die Aufgabe ist gemäß einem ersten Aspekt der Aufgabe mit einem Verfahren zur Ermittlung einer Aufnahmerichtung eines C-Bogen-Angiographiesystems für 2D-Durchleuchtungsaufnahmen einer einen Tumor aufweisenden Lunge eines Patienten gelöst.
Das Verfahren umfasst folgende Schritte.
In Schritt 1.1. erfolgt ein Verwenden bzw. Bereitstellen von 3D-Bilddaten, die die Lunge einschließlich des Tumors zeigen, wobei das Koordinatensystem der 3D-Bilddaten mit dem Koordinatensystem des C-Bogen-Angiographiesystems registriert ist. Die 3D-Bilddaten werden vorab erzeugt, insbesondere mittels des vorgenannten C-Bogen-Angiographiesystems selbst, so dass ein Patient optimaler Weise bei der Erzeugung der SD-Bilddaten und der nachfolgenden Bronchialbiopsie in unveränderter Lage auf einer Unterlage des C-Bogen-Angiographiesystems angeordnet ist. Die vorstehende Registrierung der beiden Koordinatensysteme bewirkt, dass ein bekannter Zusammenhang zwischen der Angulation des C-Bogens des Angiographiesystems, d.h. der Aufnahmerichtung, und dem Koordinatensystem der 3D-Bilddaten besteht. Ein solcher Zusammenhang ist automatisch gegeben, wenn der 3D-Bilddatensatz mit dem C-Bogen-Angiographiesystem kurz vor der Durchführung der Bronchoskopie/ Bronchialbiopsie erfolgt und sich der Patient seither auf seiner Unterlage nicht wesentlich bewegt. Ein solcher Zusammenhang kann bevorzugt auch dadurch hergestellt werden, dass zunächst 3D-Bilddaten bereitgestellt werden, die von einer anderen Modalität von der Lunge des Patienten aufgenommen wurden, bspw. einer NMR-, CT-, PET-Modalität, etc. und eine Registrierung dieser 3D-Bilddaten der Lunge mit vom C-Bogen-Angiographiesystem erzeugten 2D-Bilddaten der Lunge erfolgt. Über diese Registrierung wird wiederum der Zusammenhang zwischen dem Koordinatensystem der bereitgestellten 3D-Bilddaten mit dem Bewegungs-Koordinatensystem des C-Bogens des C-Bogen-Angiographiesystems hergestellt.
In Schritt 1.2 erfolgt ein Segmentieren eines Bronchialsystems der Lunge in den 3D-Bilddaten und ein Markieren des Tumors in den segmentierten 3D-Bilddaten. Zur Durchführung der Segmentierung geeignete Verfahren sind dem Fachmann bekannt, so dass hierzu auf den Stand der Technik verwiesen wird. Die Markierung des Tumors in den segmentierten 3D-Bilddaten kann automatisch oder manuell, bspw. durch Anzeigen der 3D-Bilddaten und manuelles Eingeben der Umrisslinien erfolgen. Bevorzugt werden für die Bronchien des segmentierten Bronchialsystems Mittellinien der Bronchien ermittelt, wobei das Bronchialsystem in den segmentierten 3D-Bilddaten anschließend als Mittellinienmodell dargestellt wird. Alternativ dazu wird aus den segmentierten 3D-Bilddaten ein Gittermodell des Bronchialsystems ermittelt wobei das Bronchialsystem in den segmentierten 3D-Bilddaten anschließend als Gittermodell dargestellt wird.
In Schritt 1.3. erfolgt in den segmentierten 3D-Bilddaten ein Ermitteln oder Vorgeben einer Position innerhalb eines Bronchienabschnitt des Bronchialsystems nahe des Tumors, wobei diese Position derart gewählt wird, dass ein proximales Ende eines Bronchoskops mit einem integrierten ausfahrbaren Biopsieinstrument bis zu dieser Position in den Bronchienabschnitt einführbar oder eingeführt ist. Bei der Auswahl des Punktes werden bevorzugt auch die flexiblen und geometrischen Eigenschaften des Bronchoskops berücksichtigt. Die Position kann anhand einer Anzeige/Ausgabe der 3D-Bilddaten manuell von einem Bediener oder aber auch automatisiert vorgegeben oder ermittelt werden.
In Schritt 1.4. erfolgt in den segmentierten 3D-Bilddaten ein Ermitteln einer Achse, die durch die in Schritt 1.3. ermittelte oder vorgegebene Position und einen vorgegebenen oder ermittelten Punkt des Tumors festgelegt ist. Der Punkt im Tumor ist bevorzugt der geometrische Mittelpunkt des Tumors oder dessen Massenschwerpunkt.
In Schritt 1.5. erfolgt ein Ermitteln einer Aufnahmerichtung, die koaxial zu der Achse und/oder einer Aufnahmerichtung, die orthogonal zu der Achse ausgerichtet ist. Im ersten Fall wird bevorzugt die Aufnahmerichtung ermittelt, die vom proximalen Ende des Bronchoskops in Richtung auf den Punkt im Tumor zeigt (so genannter „Bulls Eye View“). Unter dieser Aufnahmerichtung sind der Tumor und bspw. eine in Richtung Tumor ausgefahrene Biopsienadel in einer Linie zu sehen. Im zweiten Fall (Aufnahmerichtung ist orthogonal zur Achse ausgerichtet) sind mehrere Aufnahmerichtungen möglich, d.h. die möglichen Aufnahmerichtungen decken einen Winkelbereich von 0° bis 360° ab. Um nun eine optimale Perspektive auf den Bereich zwischen dem proximalen Ende des Bronchoskops und dem Tumor zu haben wird bevorzugt auf Basis der segmentierten 3D-Bilddaten des Bronchialsystems und anhand vorgegebener Kriterien eine optimierte Aufnahmerichtung ermittelt. Die Kriterien können sein, bspw. bei Vorliegen einer Bronchialverzweigung zwischen der Position und dem Punkt eine auf der Verzweigung senkrecht stehende Aufnahmerichtung zu wählen, oder eine Aufnahmerichtung zu wählen, bei der eine Verdeckung des interessierenden Bereichs zwischen Position und Punkt möglichst nicht oder nur minimal durch andere in Aufnahmerichtung vorgelagerte Strukturen (Organe, Gewebe) verdeckt wird.
In Schritt 1.6. wird die ermittelte Aufnahmerichtung bspw. auf einer Anzeigevorrichtung (Monitor, LCD-Display etc.) ausgegeben. Dies kann in numerischer aber auch in geometrischer Form, bspw. als entsprechender Pfeil in einer Anzeige des segmentierten 3D-Bilddatensatzes erfolgen. Nach Ausgabe der Aufnahmerichtung besteht die Möglichkeit für einen Bediener, die ermittelte Aufnahmerichtung bspw. manuell zu korrigieren.
In einer bevorzugten Variante werden die Schritte 1.1. bis 1.6. des erfindungsgemäßen Verfahrens automatisiert ausgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht insbesondere die Ermittlung optimaler Ansichten für eine Bronchialbiopsie auf einem C-Bogen-Angiographiesystem, beispielsweise auf Basis eines sogenannten „Centerline-Modells“ des Bronchialsystems. Bevorzugt kann die ermittelte Aufnahmerichtung in den segmentierten 3D-Daten der Lunge als in Form von Pfeilen/Richtungen etc. ausgegeben werden. Die ermittelte Aufnahmerichtung kann weiterhin von einem Bediener angepasst werden. Der Nutzen für den Anwender besteht insbesondere darin, während einer Intervention schnell und ohne zusätzliche Anwendung von Röntgenstrahlung optimale Sichten auf sein Untersuchungsgebiet zu erhalten, die bspw. automatisch und einfach „per Knopfdruck“ angefahren werden können.
Das Verfahren kann sowohl zur Planung einer Bronchoskopie/ Bronchialbiopsie als auch während einer Intervention zur Navigation und Positionierung genutzt werden.
Ein weiterer Aspekt der Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Bildgebung mit einem C-Bogen-Angiographiesystem gelöst, bei dem eine Aufnahmerichtung für das C-Bogen-Angiographiesystem, wie vorstehend erläutert ermittelt und ausgegeben wird, für die ermittelte Aufnahmerichtung mit dem C-Bogen-Angiographiesystem 2D-Durchleuchtungsbilddaten von der Lunge des Patienten erzeugt werden, und die erzeugten 2D-Durchleuchtungsbilddaten angezeigt werden.
Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit einer Figur nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigt die Figur einen schematisierten Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Figur zeigt einen schematisierten Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung einer Aufnahmerichtung eines C-Bogen-Angiographiesystems für 2D-Durchleuchtungsaufnahmen einer einen Tumor aufweisenden Lunge eines Patienten. Das Verfahren umfasst folgende Schritte.
In einem ersten Schritt 101 erfolgt ein Verwenden von 3D-Bilddaten, die die Lunge einschließlich des Tumors zeigen, wobei das Koordinatensystem der 3D-Bilddaten mit dem Koordinatensystem des C-Bogen-Angiographiesystems registriert ist. In einem zweiten Schritt 102 erfolgt ein Segmentieren eines Bronchialsystems der Lunge in den 3D-Bilddaten und Markieren des Tumors in den segmentierten 3D-Bilddaten. In einem dritten Schritt 103 erfolgt in den segmentierten 3D-Bilddaten ein Ermitteln oder Vorgeben einer Position innerhalb eines Bronchienabschnitt des Bronchialsystems nahe des Tumors, wobei die Position derart gewählt wird, dass ein proximales Ende eines Bronchoskops mit einem integrierten ausfahrbaren Biopsieinstrument bis zu dieser Position in den Bronchienabschnitt einführbar oder eingeführt ist. In einem vierten Schritt 104 erfolgt in den segmentierten 3D-Bilddaten ein Ermitteln einer Achse, die durch die Position und einen vorgegebenen oder ermittelten Punkt des Tumors festgelegt ist. In einem fünften Schritt 105 erfolgt ein Ermitteln einer Aufnahmerichtung, die koaxial zu der Achse und/oder einer Aufnahmerichtung, die orthogonal zu der Achse ausgerichtet ist. In einem sechsten Schritt 106 erfolgt ein Ausgeben der Aufnahmerichtung.

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Aufnahmerichtung eines C-Bogen-Angiographiesystems für 2D-Durchleuchtungsaufnahmen einer einen Tumor aufweisenden Lunge eines Patienten, mit folgenden Schritten: 1.1. Verwenden von 3D-Bilddaten, die die Lunge einschließlich des Tumors zeigen, wobei ein Koordinatensystem der 3D-Bilddaten mit einem Koordinatensystem des C-Bogen- Angiographiesystems registriert ist, 1.2. Segmentieren eines Bronchialsystems der Lunge in den 3D-Bilddaten und Markieren des Tumors in den segmentierten 3D-Bilddaten, 1.3. in den segmentierten 3D-Bilddaten Ermitteln oder Vorgeben einer Position innerhalb eines Bronchienabschnitt des Bronchialsystems nahe des Tumors, wobei die Position derart gewählt wird, dass ein proximales Ende eines Bronchoskops mit einem integrierten ausfahrbaren Biopsieinstrument bis zu dieser Position in den Bronchienabschnitt einführbar oder eingeführt ist, 1.4. in den segmentierten 3D-Bilddaten Ermitteln einer Achse, die durch die Position und einen vorgegebenen oder ermittelten Punkt des Tumors festgelegt ist, 1.5. Ermitteln einer Aufnahmerichtung, die koaxial zu der Achse und/oder einer Aufnahmerichtung, die orthogonal zu der Achse ausgerichtet ist, und 1.6. Ausgeben der Aufnahmerichtung.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem bei der Ermittlung der Aufnahmerichtung, die orthogonal zu der Achse ausgerichtet ist, auf Basis der segmentierten 3D-Bilddaten des Bronchialsystems und anhand vorgegebener Kriterien eine optimierte Aufnahmerichtung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die 3D-Bilddaten in Schritt 1.1. mittels des C-Bogen-Angiographiesystems erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. bei dem die 3D-Bilddaten in Schritt 1.1. mittels einer Registrierung von 3D-Bilddaten der Lunge mit vom C-Bogen-Angiographiesystem erzeugten 2D-Bilddaten der Lunge erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Schritte 1.1. bis 1.6. automatisiert ausgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem in Schritt 1.3. bei der Auswahl der Position die flexiblen und geometrischen Eigenschaften des Bronchoskops berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem als Punkt des Tumors der geometrische Mittelpunkt des Tumors oder dessen Massenschwerpunkt gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bei dem in Schritt 1.2. für die Bronchien des segmentierten Bronchialsystems Mittellinien der Bronchien ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bei dem in Schritt 1.2. ein Gittermodell des Bronchialsystems ermittelt wird.
Verfahren zur Bildgebung mit einem C-Bogen-Computertomographen, bei dem - gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 eine Aufnahmerichtung für das C-Bogen-Angiographiesystem ermittelt und ausgegeben wird, - für die ermittelte Aufnahmerichtung 2D-Durchleuchtungsbilddaten von der Lunge des Patienten erzeugt werden, und - die erzeugten 2D-Durchleuchtungsdilddaten angezeigt werden.