DE102013208892A1

DE102013208892A1 - Verfahren und Vorrichtung zur patientenspezifischen Modellierung eines Organteiles

Info

Publication number: DE102013208892A1
Application number: DE201310208892
Authority: DE
Inventors: Yiannis Kyriakou
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2014-05-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren (1) zur patientenspezifischen Modellierung eines Organteiles eines Patienten (102), umfassend folgende Verfahrensschritte:
S1) Entgegennahme eines geometrischen Modells (10) eines Organteiles, wobei das geometrische Modell (10) durch wenigstens einen Parameter anpassbar ist und wobei das geometrische Modell (10) wenigstens eine Landmarke (14) umfasst;
S2) Entgegennahme wenigstens einer räumlichen Koordinaten (62) und Zuordnung der wenigstens einen räumlichen Koordinaten (62) zu der wenigstens einen Landmarke (14);
S3) Abbilden der wenigstens einen Landmarke (14) auf die wenigstens eine räumliche Koordinate (62) und Bestimmen des wenigstens einen Parameters des geometrischen Modells (10) des Organteiles, wobei in die Bestimmung des wenigstens einen Parameters des geometrischen Modells (10) des Organteiles die Zuordnung der wenigstens einen räumlichen Koordinaten (62) zu der wenigstens einen Landmarke (14) eingeht.
Weiter umfasst die vorliegende Erfindung eine entsprechende Vorrichtung (100) zur patientenspezifischen Modellierung eines Organteiles.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur patientenspezifischen Modellierung eines Organteiles. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zur patientenspezifischen Modellierung eines Organteiles.
In der medizinischen Bildgebung, aber auch in der interventionellen Chirurgie, werden Modelle von Strukturen von Organismen benötigt. Diese Modelle können Organe oder Organteile eines menschlichen oder tierischen Patienten beschreiben. Beispielsweise können Organ- oder Organteilmodelle mathematische Beschreibungen oder gegenständliche Modelle sein. Im Zusammenhang mit dieser Erfindung soll unter einem patientenspezifischen Modell bzw. unter einer patientenspezifischen Modellierung ein mathematisches Modell bzw. ein Modell, das mit mathematischen Mitteln beschrieben werden kann, verstanden werden, das die Geometrie eines Organs bzw. eines Organteiles eines individuellen Patienten beschreibt. Ein solches mathematisches, patientenspezifisches Modell kann dann dazu dienen, eine Prothese, wie zum Beispiel eine Gefäßplastik, zu erstellen. Eine andere Anwendung eines patientenspezifischen Modells ist die Verwendung als räumliches Bild, das anderen Bildern, z.B. Fluoroskopiebildern oder Live-Bildern, überlagert werden kann. Dabei kann das Modell detaillierter sein als das Bild, dem es überlagert wird, wodurch ein Betrachter, z.B. ein Arzt, einen besseren Einblick, z.B. in den Bereich, in dem ein operativer Eingriff stattfindet, ermöglicht wird.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren zur interaktiven, patientenspezifischen Modellierung eines Organteiles anzugeben. Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung zur patientenspezifischen Modellierung eines Organteiles zu beschreiben.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Verfahren zur patientenspezifischen Modellierung eines Organteiles mit den Merkmalen des ersten unabhängigen Patentanspruchs und einer Vorrichtung zur patientenspezifischen Modellierung eines Organteiles mit den Merkmalen des zweiten unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen beschrieben.
Ein Grundgedanke der Erfindung ist ein Verfahren zur patientenspezifischen Modellierung eines Organteiles eines Patienten, das folgende Verfahrensschritte umfasst:

S1) Entgegennahme eines geometrischen Modells eines Organteiles, wobei das geometrische Modell durch wenigstens einen Parameter anpassbar ist und wobei das geometrische Modell wenigstens eine Landmarke umfasst;
S2) Entgegennahme wenigstens einer räumlichen Koordinaten und Zuordnung der wenigstens einen räumlichen Koordinaten zu der wenigstens einen Landmarke;
S3) Abbilden der wenigstens einen Landmarke auf die wenigstens eine räumliche Koordinate und Bestimmen des wenigstens einen Parameters des geometrischen Modells des Organteiles, wobei in die Bestimmung des wenigstens einen Parameters des geometrischen Modells des Organteiles die Zuordnung der wenigstens einen räumlichen Koordinaten zu der wenigstens einen Landmarke eingeht.

Allgemein umfasst dieser Grundgedanke der Erfindung eine patientenspezifische Rekonstruktion eines Organteiles dieses Patienten, bei der ein, durch wenigstens einen Parameter anpassbares, geometrisches Modell mit Hilfe von wenigstens einer räumlichen Koordinaten, die mit dem Organteil in Beziehung steht und die zu wenigstens einer Landmarke des geometrischen Modells in Bezug gesetzt wird, derart angepasst wird, dass das Modell das Organteil in seiner geometrischen Form beschreibt.
Unter einem Organteil kann ein Organ oder ein Teil eines menschlichen oder tierischen Organs verstanden werden. Unter einem Organ wiederum versteht man in der Biologie ein spezialisierter Teil eines Körpers, der aus unterschiedlichen Zellen und Geweben besteht. Beispiele von Organteilen sind der Magen (Ventriculus, Gaster), die Hauptschlagader (Aorta), das Herz (Cor) oder der linke Herzvorhof (Atrium sinistrum).
Im ersten Verfahrensschritt wird ein geometrisches Modell eines Organteiles entgegengenommen. Das geometrische Modell umfasst wenigstens einen Parameter, durch den die Geometrie des Modells veränderbar oder anpassbar ist. Weiter umfasst das geometrische Modell wenigstens eine Landmarke. Das geometrische Modell kann beispielsweise ein Gitternetzmodell mit mehreren Landmarken, Stützstellen oder Knoten sein. Als Landmarke bezeichnet man allgemein einen markanten Punkt innerhalb von Bildern, wie ein Kreuzungspunkt, eine Ecke oder eine leicht detektierbare Struktur. Landmarken können manuell eingegeben oder auch automatisch gefunden werden. Denkbar ist auch ein Modell, bei dem die Flächen durch Spline-Flächen beschrieben werden, wobei die Spline-Flächen durch Knoten und Koeffizienten definiert werden. Die Knoten oder zumindest eine Teilmenge der Knoten haben dabei die Funktion der Landmarken, die Koeffizienten oder zumindest eine Teilmenge der Koeffizienten haben die Funktion der Parameter, die die Form des Modells beeinflussen. Weitere Beispiele von Modellen können auf Bézierkurven, Polynomen oder anderen aus dem Bereich der Geometrie oder Bildverarbeitung bekannten Modellierungstechniken basieren.
Im zweiten Verfahrensschritt werden eine oder mehrere räumliche Koordinaten entgegengenommen. Vorzugsweise werden so viele räumliche Koordinaten entgegengenommen, wie das Modell Landmarken aufweist. Die räumlichen Koordinaten haben ihren Ursprung in dem patientenspezifischen Organteil. Die eine oder die mehreren räumlichen Koordinaten werden der einen oder der mehreren Landmarken zugeordnet oder zugewiesen oder die räumlichen Koordinaten werden mit den Landmarken verknüpft, das heißt es findet ein sogenanntes „Mapping“ der räumlichen Koordinaten auf die Landmarken statt. Die zugewiesenen räumlichen Koordinaten korrespondieren mit den entsprechenden Landmarken. Beispielsweise kann das Ergebnis dieser Zuordnung eine Tabelle mit Koordinaten-Landmark-Paaren sein.
Im dritten Verfahrensschritt wird die wenigstens eine Landmarke auf die wenigstens eine räumliche Koordinate abgebildet und der wenigstens eine Parameter des geometrischen Modells des Organteiles wird bestimmt. In die Bestimmung des wenigstens einen Parameters des geometrischen Modells des Organteiles geht die Zuordnung der wenigstens einen räumlichen Koordinaten zu der wenigstens einen Landmarke ein. Durch das Abbilden der wenigstens einen Landmarke auf die wenigstens eine räumliche Koordinate wird das geometrische Modell, beispielsweise an einer Stützstelle, in einem ersten Schritt an das patientenspezifische Organteil angepasst. Der wenigstens eine Parameter des geometrischen Modells des Organteiles wird in einem zweiten Schritt in Abhängigkeit der Zuordnung der wenigstens einen räumlichen Koordinaten zu der wenigstens einen Landmarke bestimmt. Die verwendete Abhängigkeit wird durch die Art des Modells bzw. die Art der Modellbildung bestimmt. Beispielsweise kann der Abstand von räumlicher Koordinate zur korrespondierenden Landmarke in die Berechnung des Parameters eingehen. Oder, wie im Falle einer Spline-Flächen-Modellierung, bei der die Parameter Koeffizienten der Spline-Flächen entsprechen können, werden die Koeffizienten als Funktion der abgebildeten räumlichen Koordinaten berechnet. Die Anpassung des geometrischen Modells kann auch als Deformation des Modells oder als nicht-rigide Modell-Transformation verstanden werden.
Das Ergebnis ist ein geometrisches Modell, das an die geometrische Form des Organteiles des individuellen Patienten angepasst ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die wenigstens eine räumliche Koordinate durch eine Bestimmung einer räumlichen Lage eines vorgebbaren Punktes eines Katheters, der in das Organteil des Patienten eingeführt ist, gewonnen.
Diese Weiterbildung beschreibt eine Möglichkeit, eine oder mehrere räumliche Koordinaten, die im zweiten Verfahrensschritt entgegengenommen werden, zu gewinnen. Sie geht dabei von einem medizinischen Katheter aus, der in das Organteil des Patienten eingeführt ist und der einen vorgebbaren Punkt umfasst, dessen räumliche Lage detektierbar bzw. bestimmbar ist. Es sind spezielle Katheter, zum Beispiel von der Firma Mediguide, bekannt, die eine räumliche Lokalisation ermöglichen, beispielsweise durch die Detektion eines Magnetfeldes, das durch eine miniaturisierte Spule an der Katheterspitze erzeugt wird. Wird der Katheter nur in dem zu modellierenden Organteil bewegt, können die räumlichen Koordinaten, die den Landmarken zugeordnet werden, abgetastet werden, wobei prinzipiell keine oder nur wenige Kontrollröntgenbilder gemacht werden müssen. Dadurch ist eine fast strahlungslose Modellierung des Organteiles möglich. Denkbar ist, dass die Lage des Lokalisierungspunktes des Katheters dann bestimmt und im zweiten Verfahrensschritt übernommen wird, z.B. initiiert durch das Betätigen eines Tasters durch eine Bedienperson, wenn sich der Katheter an einer Stelle des Organteiles befindet, die mit einer vorgebbaren Landmarke des geometrischen Modells des Organteiles korrespondiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die wenigstens eine räumliche Koordinate durch die Entgegennahme jeweils einer Flächenkoordinaten eines Punktes zweier 2D-Bildaufnahmen des Organteiles des Patienten gewonnen, wobei die zwei 2D-Bildaufnahmen des Organteiles des Patienten mit unterschiedlichen Aufnahmewinkeln gewonnen sind.
Durch zwei Aufnahmen des Organteiles des Patienten aus unterschiedlichen Aufnahmewinkeln und Bestimmung der Lage, d.h. einer Flächenkoordinaten, jeweils eines Punktes in den Aufnahmen, die demselben räumlichen Punkt zugehören, kann die räumliche Koordinate dieses Punktes berechnet werden. Auch hierbei kann ein Katheter eingesetzt werden, der sich in dem Organteil befindet. Vorteilhaft werden die zwei Aufnahmen des Organteiles mit einem an sich bekannten Biplan-Röntgengerät gewonnen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung eines Grundgedankens der Erfindung sieht vor, dass das geometrische Modell des Organteiles wenigstens zwei Landmarken umfasst und die Verfahrensschritte S2 und S3 vorgebbar wiederholt ausgeführt werden, wobei die jeweils in Verfahrensschritt S2 entgegengenommene räumliche Koordinate vorgebbar einer der wenigstens zwei Landmarken des geometrischen Modells des Organteiles zugeordnet wird.
Durch die wiederholte Ausführung der Verfahrensschritt S2 und S3, d.h. der Entgegennahme wenigstens einer räumlichen Koordinaten und Zuordnung der wenigstens einen räumlichen Koordinaten zu der wenigstens einen Landmarke, und Abbilden der wenigstens einen Landmarke auf die wenigstens eine räumliche Koordinate und Bestimmen des wenigstens einen Parameters des geometrischen Modells des Organteiles, wobei in die Bestimmung des wenigstens einen Parameters des geometrischen Modells des Organteiles die Zuordnung der wenigstens einen räumlichen Koordinaten zu der wenigstens einen Landmarke eingeht, entsteht ein iteratives Verfahren, bei dem durch die Hinzunahme weiterer Stützstellen das geometrische Modell des Organteiles sukzessive verändert und immer besser an das Organteil des individuellen Patienten angepasst wird. Die Wiederholung kann beispielsweise dadurch vorgebbar sein, dass eine bestimmte Anzahl an Wiederholungen vorgegeben wird, wie z.B. entsprechend der Anzahl an Landmarken, oder dass nach Ausführung des Verfahrensschrittes S3 ein Abbruchkriterium abgefragt wird, z.B. ob ein Taster betätigt ist, und bei Nichterfülltheit des Abbruchkriteriums, d.h. der Taster ist nicht betätigt, wird wieder zu Verfahrensschritt S2 verzweigt.
Vorzugsweise umfasst die Bestimmung des wenigstens einen Parameters des geometrischen Modells des Organteiles ein Optimierungsverfahren, in das die Zuordnung der wenigstens einen räumlichen Koordinaten zu der wenigstens einen Landmarke eingeht.
Abhängig von der Art des verwendeten geometrischen Modells des Organteiles kann es vorteilhaft sein, ein Gütemaß, z.B. eine Abweichung, zu bestimmen, und den wenigstens einen Parameter so zu verändern, dass das Gütemaß minimiert wird.
Mit besonderem Vorteil gehen in das geometrische Modell des Organteiles Formen von gleichartigen Organteilen von mindestens zwei Stichprobenpatienten ein.
Dieses Merkmal beschreibt eine Möglichkeit, wie das geometrische Modell des Organteiles vorteilhaft gewonnen werden kann. Durch das Einbeziehen der Organteile gleicher Art von mehreren Patienten, hier Stichprobenpatienten genannt, z.B. durch eine statistische Untersuchung, kann ein Durchschnittsmodell erstellt werden, das vielen Organteilen dieser Art ähnlich ist und somit die Wahrscheinlichkeit vergrößert, dass es einem neuen Organteil eines individuellen Patienten nur wenig angepasst werden muss.
Darüber hinaus lassen sich weitere Verbesserungen erzielen, wenn in die Bestimmung der Form des Organteils eines Stichprobenpatienten eine Entgegennahme eines 3D-Bilddatensatzes des Organteiles des Stichprobenpatienten und eine Segmentierung des Organteils des Stichprobenpatienten eingehen.
Ein 3D-Bilddatensatz oder ein räumliches Bild eines Organteiles eines Stichprobenpatienten kann durch Computertomographie (CT), Magnetresonanztomographie (MR) oder ein anderes, räumliches bildgebendes Verfahren gewonnen werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ein Röntgengerät zu verwenden. Durch eine geeignete Serie von Röntgenaufnahmen aus verschiedenen Richtungen rund um den Patienten ist nach dem Stand der Technik ebenfalls ein räumliches Bild berechenbar. Der entgegengenommene 3D-Bilddatensatz des Organteiles des Stichprobenpatienten wird einer Segmentierung unterworfen, deren Ergebnis die Form des Organteils des Stichprobenpatienten ist. Die Segmentierung ist eine Teildisziplin der digitalen Bildverarbeitung und des sogenannten maschinellen Sehens. In der Fachliteratur sind eine Vielzahl an Verfahren zur Segmentierung, d.h. zur Erzeugung von inhaltlich zusammenhängender Regionen durch Zusammenfassung benachbarter Pixel, im räumlichen durch Zusammenfassung benachbarter Voxel, entsprechend einem bestimmten Homogenitätskriterium, bekannt. Beispiele sind pixel-, kanten- und regionenorientierte Verfahren. Das Ergebnis dieser Segmentierungsalgorithmen kann ein Gitternetzmodell der segmentierten Form sein. Weiter sind modellbasierte Verfahren, bei denen von einer bestimmten Form der Objekte ausgegangen wird, sowie texturbasierte Verfahren, bei denen auch eine innere homogene Struktur der Objekte berücksichtigt werden kann, bekannt. Das Ergebnis von modellbasierten Segmentierungsalgorithmen kann ein mathematisches Modell oder Strukturmodell der segmentierten Form sein.
Es wird vorgeschlagen, dass in das geometrische Modell des Organteiles eine Klassifikation von Merkmalen und/oder eine Eigenvektoranalyse der Formen der gleichartigen Organteile von den mindestens zwei Stichprobenpatienten eingehen.
Ausgehend von Formen von Organteilen mehrerer Stichprobenpatienten, die zum Beispiel als Gitternetzmodelle oder Strukturmodelle vorliegen, können mit Hilfe eines Klassifikationsverfahrens oder einer Eigenvektoranalyse oder Anwendung beider Verfahren Merkmale extrahiert oder bestimmt werden, die charakteristisch für das entsprechende Organteil sind. Klassifikationsverfahren und Eigenvektoranalyse sind an sich bekannte Verfahren. Gehen die extrahierten Merkmale in das geometrische Modell des Organteiles ein, kann die Anzahl an zu bestimmenden Parametern in Verfahrensschritt S3 signifikant reduziert werden, da nur die für eine bestimmte Form charakteristischen Merkmale bestimmt werden müssen.
Günstig sind Bereiche der Formen von gleichartigen Organteilen der mindestens zwei Stichprobenpatienten vorgebbar und günstig gehen nur diese Bereiche der Formen in das geometrische Modell des Organteiles ein.
Bei der Erstellung des geometrischen Modells des Organteiles kann es sinnvoll sein, bestimmte Bereiche oder Zonen des Organteiles von der Modellierung auszusparen, wenn insbesondere diese Bereiche zwischen Individuen stark variieren, und nur solche Bereiche vorgebbar zu modellieren, die beispielsweise bei allen Individuen in ähnlicher Form auftreten. Ein Beispiel für eine Komponente, die sehr unterschiedlich angeordnet sein kann, ist die fünfte Pulmonalvene am linken Herzvorhof.
Es ist denkbar, dass ein Abweichungsschwellenwert vorgebbar ist und dass nur diejenigen Bereiche der Formen von gleichartigen Organteilen der mindestens zwei Stichprobenpatienten in das geometrische Modell des Organteiles eingehen, deren statistische Abweichung über den Formen von gleichartigen Organteilen der mindestens zwei Stichprobenpatienten unterhalb des Abweichungsschwellenwertes liegt.
Dieses Merkmal beschreibt eine Möglichkeit, automatisch Bereiche von der Modellierung auszuschließen, die sich von Patient zu Patient stark unterscheiden und deren Modellierung dadurch erschwert ist, bzw. die eine Anpassung des Modells an einen individuellen Patienten fehleranfällig machen. Dazu werden Unterschiede von gleichartigen Bereichen der mindestens zwei Stichprobenpatienten quantifiziert und mit einem Abweichungsschwellenwert, der z.B. von einem Nutzer vorgegeben wird, verglichen. Sind die Abweichungen eines bestimmten Bereiches größer als der vorgegebene Abweichungsschwellenwert, wird dieser Bereich von der Modellierung ausgeschlossen. Dadurch wird erreicht, dass nur solche Bereiche in das geometrische Modell eingehen, die bei allen Individuen in ähnlicher Form auftreten, wie zum Beispiel die ersten vier Pulmonalvenen am linken Herzvorhof.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird mindestens eine weitere räumliche Koordinate entgegengenommen und das geometrische Modell wird durch ein vorgebbares geometrisches Ergänzungsmodell ergänzt, welches vorgebbare geometrische Ergänzungsmodell die weitere räumliche Koordinate umfasst.
Bei einem geometrischen Modell mit einem ausgeschlossenen Bereich kann es sinnvoll sein, den ausgeschlossenen Bereich durch ein zusätzliches Modell, das Ergänzungsmodell, zu ergänzen. Dazu wird mindestens eine weitere räumliche Koordinate entgegengenommen. Das vorgegebene geometrische Ergänzungsmodell wird mit Hilfe der Information der weiteren räumlichen Koordinate angepasst. Das Ergänzungsmodell kann zum Beispiel die fünfte Pulmonalvene am linken Herzvorhof modellieren, deren individuelle Lage durch die Eingabe einer räumlichen Koordinaten definiert wird. Denkbar sind auch Ergänzungsmodelle, die durch elementare geometrische Elemente, wie Quader oder Röhren bestimmt werden.
Begünstigt wird die wenigstens eine Landmarke des geometrischen Modells durch ein Optimierungsverfahren bestimmt.
Das geometrische Modell definiert sich durch wenigstens einen Parameter, durch den die Geometrie des Modells veränderbar oder anpassbar ist, und durch wenigstens eine Landmarke. Bevorzugt wird die wenigstens eine Landmarke bei der Generierung des geometrischen Modells, z.B. durch das Einbeziehen der Organteile gleicher Art von mehreren Stichprobenpatienten, automatisch durch ein Optimierungsverfahren bestimmt. Optimierungsverfahren sind an sich bekannte Verfahren aus dem Bereich der computerunterstützten Bildverarbeitung. Das Ziel und das Ergebnis des Optimierungsverfahrens könnte beispielsweise darin bestehen, eine oder mehrere Landmarken des geometrischen Modells so anzuordnen, dass die geometrische Form des geometrischen Modells durch möglichst wenige Landmarken bestimmbar ist. Das heißt, durch das Optimierungsverfahren werden für eine Vielzahl an Formen gleichartiger Organteile von Stichprobenpatienten charakteristische Landmarken bestimmt.
Vorzugsweise wird wenigstens einer der beschriebenen Verfahrensschritte, beispielsweise das Abbilden der wenigstens einen Landmarke auf die wenigstens eine räumliche Koordinate und das Bestimmen des wenigstens einen Parameters des geometrischen Modells des Organteiles, automatisch ausgeführt. Automatisch ausgeführte Verfahrensschritte sind oftmals schneller und weniger fehleranfällig, als sequentiell durch eine Bedienperson ausgeführte Handlungen.
Darüber hinaus lassen sich weitere Verbesserungen erzielen, wenn nach Verfahrensschritt S3 folgender Verfahrensschritt ausgeführt wird:

S4) Entgegennahme wenigstens einer 2D-Bildaufnahme und lagerichtige Überlagerung des geometrischen Modells des Organteiles der wenigstens einen 2D-Bildaufnahme, wobei dem wenigstens einen Parameter des geometrischen Modells des Organteiles der aus Verfahrensschritt S3 bestimmte wenigstens eine Parameter zugewiesen wird.

Nach der Bestimmung des wenigstens einen Parameters des geometrischen Modells des Organteiles, d.h. nach der patientenspezifischen Modellierung des Organteiles des Patienten, kann das Modell lagerichtig einer 2D-Bildaufnahme, z.B. einem Fluoroskopiebild, überlagert werden. Das bestimmte geometrische Modell ist somit ein sogenanntes 3D-Overlay auf einem 2D-Bild und ermöglicht z.B. eine intuitiv verständliche Darstellung des Organteiles.
Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung ist eine Vorrichtung zur patientenspezifischen Modellierung eines Organteiles eines Patienten. Die Vorrichtung umfasst ein Rechen- und Steuermittel und ein Eingabemittel. Das Rechen- und Steuermittel ist dazu ausgelegt

– ein geometrisches Modell eines Organteiles entgegenzunehmen, wobei das geometrische Modell durch wenigstens einen Parameter anpassbar ist und wobei das geometrische Modell wenigstens eine Landmarke umfasst.

Das Eingabemittel ist dazu ausgelegt

– wenigstens eine räumliche Koordinate entgegenzunehmen und dem Rechen- und Steuermittel zur Verfügung zu stellen.

Das Rechen- und Steuermittel ist weiter dazu ausgelegt

– die wenigstens eine räumliche Koordinate der wenigstens einen Landmarke zuzuordnen und
– die wenigstens eine Landmarke auf die wenigstens eine räumliche Koordinate abzubilden und den wenigstens einen Parameter des geometrischen Modells des Organteiles zu bestimmen, wobei in die Bestimmung des wenigstens einen Parameters des geometrischen Modells des Organteiles die Zuordnung der wenigstens einen räumlichen Koordinaten zu der wenigstens einen Landmarke eingeht.

Das Rechen- und Steuermittel, das beispielsweise als Computer ausgeführt ist, kann zum Beispiel über geeignete Schnittstellen verfügen, über die es das geometrische Modell eines Organteiles und die wenigstens eine räumliche Koordinate von dem Eingabemittel entgegennehmen kann, und weiter kann es über ein Computerprogramm verfügen, durch dessen Abarbeitung die wenigstens eine räumliche Koordinate der wenigstens einen Landmarke zugeordnet werden kann und die wenigstens eine Landmarke auf die wenigstens eine räumliche Koordinate abgebildet werden kann und der wenigstens eine Parameter des geometrischen Modells des Organteiles bestimmt werden kann, wobei in die Bestimmung des wenigstens einen Parameters des geometrischen Modells des Organteiles die Zuordnung der wenigstens einen räumlichen Koordinaten zu der wenigstens einen Landmarke eingeht. Das Eingabemittel, das die wenigstens eine räumliche Koordinate entgegennehmen und dem Rechen- und Steuermittel zur Verfügung stellen kann, kann zum Beispiel als Computertastatur ausgelegt sein, mittels derer ein Nutzer räumliche Koordinaten eingeben kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das Rechen- und Steuermittel und das Eingabemittel dazu ausgelegt sind, eines der beschriebenen Verfahren auszuführen.
Auch in dieser Ausführungsform kann das Rechen- und Steuermittel als Computer ausgeführt sein, der durch Ausführen eines geeigneten Computerprogramms eines der beschriebenen Verfahren durchführt. Abhängig von der Ausführungsform kann das Eingabemittel beispielsweise ein Katheter mit Ortungsmittel sein, wobei das Ortungsmittel die räumliche Lage eines ausgewiesenen Punktes des Katheters an das Rechen- und Steuermittel übertragen kann.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden Figuren samt Beschreibung. Es zeigen:
1 schematisch ein Modell einer Aorta;
2 schematisch ein Modell eines linken Herzvorhofs;
3 symbolisch einen Ablauf einer Gewinnung eines geometrischen Modells einer Aorta;
4 symbolisch ein geometrisches Modell einer Aorta mit Landmarken;
5 symbolisch zwei 2D-Bildaufnahmen einer Aorta eines Patienten, die mit unterschiedlichen Aufnahmewinkeln gewonnen sind, zur Bestimmung einer räumlichen Koordinaten;
6 symbolisch zwei 2D-Bildaufnahmen einer Aorta eines Patienten, die mit unterschiedlichen Aufnahmewinkeln gewonnen sind, und einen Katheter zur Bestimmung einer räumlichen Koordinaten;
7 schematisch ein Modell eines linken Herzvorhofs ohne die fünfte Pulmonalvene;
8 symbolisch zwei 2D-Bildaufnahmen, die mit unterschiedlichen Aufnahmewinkeln gewonnen sind, zur Eingabe eines Ergänzungsmodells;
9 ein Gesamtmodell eines patientenspezifischen linken Herzvorhofs;
10 symbolisch Bestimmung und Einsatz eines geometrischen Modells einer Aorta;
11 symbolisch ein magnetisches Navigationssystem mit einem Katheter zur Bestimmung einer räumlichen Koordinaten innerhalb einer Aorta;
12 exemplarisch ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur patientenspezifischen Modellierung eines Organteiles eines Patienten;
13 symbolisch eine Vorrichtung zur patientenspezifischen Modellierung eines Organteiles eines Patienten.
1 zeigt schematisch ein Modell eines Aorta-Abschnittes, im folgenden abkürzend als Aorta 80 bezeichnet, mit einem Hauptgefäß 82, einer rechten Koronararterie 84 und einer linken Koronararterie 86. Die Anpassung dieses Modells an die Form der Aorta eines individuellen Patienten ist nach Verfahren des Stands der Technik aufwändig.
In 2 ist schematisch ein Modell eines linken Herzvorhofs 88 mit fünf Pulmonalvenen dargestellt. Die Anpassung dieses Modells an die Form des linken Herzvorhofs eines individuellen Patienten ist nach Verfahren des Stands der Technik aufwändig.
3 zeigt symbolisch und exemplarisch einen Ablauf einer Gewinnung eines geometrischen Modells 10 eines Teils einer Aorta. In einem ersten Schritt werden, hier fünf, 3D-Bilddatensätze 90 gewonnen, wobei ein 3D-Bilddatensatz die Aorta eines Stichprobenpatienten zeigt. Ein 3D-Bilddatensatz oder ein räumliches Bild der Aorta eines Stichprobenpatienten kann beispielsweise durch Computertomographie, Magnetresonanztomographie, ein sogenanntes DynaCT oder ein anderes, räumliches bildgebendes Verfahren gewonnen werden. Die Bilddatensätze 90 werden jeweils analysiert und klassifiziert, beispielsweise durch eine Segmentierung, wodurch jeweils ein räumliches Abbild oder ein segmentierter Bilddatensatz 92 entsteht, und durch eine Hauptkomponentenanalyse der segmentierten Bilddatensätze 92, wodurch ein statistisches Gittermodell 12 der Aorta, als „mittlere Aorta“ vorstellbar, entsteht. Anschließend werden Landmarken 14 definiert oder vorgegeben, durch die eine nicht-rigide Modell-Transformation des Gittermodells 12 ermöglicht wird. In ähnlicher Weise können auch geometrische Modelle von Koronarostien oder Annulus modelliert werden und notwendige Gitternetzpunkte für eine Deformation des Modells bestimmt werden.
In 4 ist symbolisch ein geometrisches Modell 10 eines Teils einer Aorta mit einem einhüllenden Gitternetz 12 und Landmarken 14 dargestellt. Ein räumlich dargestellter Quader 94 symbolisiert, dass es sich um ein räumliches geometrisches Modell handelt. Nach Durchlaufen eines der erfindungsgemäßen Verfahren ist die räumliche Koordinate 16 der Landmarke 14 vorzugsweise gleich der räumlichen Koordinaten eines korrespondierenden Punktes einer Aorta eines Patienten.
5 zeigt zwei 2D-Bildaufnahmen 20 und 20’, die ein Organteil eines Patienten abbilden, wobei die zwei 2D-Bildaufnahmen 20 und 20’ des Organteiles des Patienten mit unterschiedlichen Aufnahmewinkeln gewonnen sind. Dies ist beispielsweise durch eine sogenannte Biplan-Anlage möglich. Bei bekannter Geometrie der bildgebenden Vorrichtung, mit der die beiden 2D-Bildaufnahmen 20 und 20’ des Organteiles des Patienten aufgenommen wurden, können aus den Flächenkoordinaten 24 und 24’ von zwei Markierungen 22 und 22’ eine räumliche Koordinate bestimmt werden. Die Markierungen 22 und 22’ können zum Beispiel mit Hilfe einer Computermaus und durch die Markierung der entsprechenden Stellen, der auf einem Computerbildschirm dargestellten 2D-Bildaufnahmen 20 und 20’, erfolgen. Die räumliche Koordinate wird somit durch die Entgegennahme jeweils einer Flächenkoordinaten 24 bzw. 24’ eines Punktes zweier 2D-Bildaufnahmen 20 bzw. 20’ des Organteiles des Patienten gewonnen. Die räumliche Koordinate kann für eine Zuordnung zu einer Landmarke, wie z.B. der Landmarke 14 aus 4, eines geometrischen Modells verwendet werden. Durch eine solche Zuordnung wird die tatsächliche Lage einer Landmarke des geometrischen Modells definiert. Bei einer Zuordnung mehrerer räumlicher Koordinaten zu den jeweils korrespondierenden Landmarken kann das geometrische Modell derart nicht-rigide verformt werden, dass eine Abweichung des geometrischen Modells zum tatsächlichen Organteil minimal ist.
In 6 sind wieder zwei 2D-Bildaufnahmen 20 und 20’, die ein Organteil eines Patienten abbilden gezeigt, wobei die zwei 2D-Bildaufnahmen 20 und 20’ des Organteiles des Patienten wieder mit unterschiedlichen Aufnahmewinkeln gewonnen sind. Die Markierungen 22 und 22’ erfolgen in diesem Ausführungsbeispiel durch einen in das Organ eingeführten medizinischen Katheter 26. Die Lage des eingeführten Katheters ist in den 2D-Bildaufnahmen 20 und 20’ gut erkennbar, so dass die Markierungen 22 und 22’ einfach zu erstellen sind. In den 2D-Bildaufnahmen 20 und 20’ sind noch weitere Markierungen ohne Bezugszeichen dargestellt, deren Lagen ebenfalls in räumliche Koordinaten übertragbar sind. Die räumlichen Koordinaten können Landmarken eines geometrischen Modells zugeordnet werden. Es ist denkbar, nach erfolgter manueller, d.h. interventioneller, Markierung der Markierungen und Zuordnung zu korrespondierenden Landmarken eines geometrischen Modells, eine Forwärtsprojektion und einen Abgleich mit dem geometrischen Modell durchzuführen, d.h. eine Korrespondenzoptimierung durchzuführen.
7 zeigt schematisch ein Modell eines linken Herzvorhofs 88’ ohne die fünfte Pulmonalvene. Die Lage der fünften Pulmonalvene kann bei verschiedenen Patienten stark variieren, so dass eine Berücksichtigung der fünften Pulmonalvene in einem generalisierten geometrischen Modell zum Beispiel zu Ungenauigkeiten bei der Modellierung von Elementen, die eine geringe Varianz aufweisen, führen kann. Das Modell berücksichtigt somit lediglich Bestandteile eines Organteiles, die über Stichprobenpatienten nur geringe Abweichungen aufweisen, wie zum Beispiel die ersten vier Pulmonalvenen. Bestandteile mit geringen Abweichungen können z.B. von einer Bedienperson vorgegeben werden, bzw. Bestandteile mit großen Abweichungen können von einer Bedienperson vorgegeben werden, die dann von der Modellierung ausgeschlossen werden. Eine andere Möglichkeit besteht in einer automatischen Selektion von zu modellierenden Bestandteilen eines Organteiles. Dazu gibt ein Nutzer einen Abweichungsschwellenwert vor. Anschließend gehen nur diejenigen Bereiche der Formen von gleichartigen Organteilen von mindestens zwei Stichprobenpatienten in das geometrische Modell des Organteiles ein, deren statistische Abweichung über den Formen von gleichartigen Organteilen der mindestens zwei Stichprobenpatienten unterhalb des Abweichungsschwellenwertes liegt.
In 8 sind wieder zwei 2D-Bildaufnahmen 20 und 20’, die ein Organteil, hier einen linken Herzvorhof, eines Patienten abbilden, gezeigt, wobei die zwei 2D-Bildaufnahmen 20 und 20’ des Organteiles des Patienten wieder mit unterschiedlichen Aufnahmewinkeln gewonnen sind. Durch die Entgegennahme von Flächenkoordinaten aus den beiden 2D-Bildaufnahmen 20 und 20’, hier durch Markierungen 96 und 96’ angedeutet, können weitere räumliche Koordinaten bestimmt werden, die in diesem Fall die Lage der fünften Pulmonalvene beschreiben. Mit Hilfe dieser weiteren räumlichen Koordinaten kann ein geometrisches Modell, wie das geometrische Modell des linken Herzvorhofs 88’ aus 7, durch ein vorgebbares geometrisches Ergänzungsmodell ergänzt werden. Das vorgebbare geometrische Ergänzungsmodell ist in diesem Fall vorzugsweise ein Modell der fünften Pulmonalvene, das zum Beispiel die Form eines Zylinders aufweist. Die weiteren räumlichen Koordinaten bestimmen hier die Lage der fünften Pulmonalvene. Als geometrische Ergänzungsmodelle sind allgemein auch andere geometrische Grundelemente denkbar, wie Quader, Pyramiden, Kegel, Kegelschnitte, usw.
9 zeigt ein zusammengesetztes Modell oder Gesamtmodell 78 eines patientenspezifischen linken Herzvorhofs. Das Gesamtmodell 78 setzt sich zusammen aus einem Modell eines linken Herzvorhofs 88’ ohne die fünfte Pulmonalvene und einem geometrischen Ergänzungsmodell 98, das die fünfte Pulmonalvene beschreibt. Die patientenspezifische Form und Lage des geometrischen Ergänzungsmodells 98, d.h. hier der fünften Pulmonalvene, ist bestimmt durch die entgegengenommenen weiteren räumlichen Koordinaten, wie es der Beschreibung zu 8 zu entnehmen ist.
In 10 sind symbolisch die Bestimmung und der Einsatz eines geometrischen Modells 10 eines Teils einer Aorta dargestellt. Das geometrische Modell 10 umfasst ein Gittermodell 12 der Aorta und Landmarken, wovon eine Landmarke durch das Bezugszeichen 14 gekennzeichnet ist. Durch eine iterative Modellanpassung nach einem der beschriebenen Verfahren wird ein patientenspezifisches Modell 76 gewonnen, das die Eigenschaften des Organteiles des individuellen Patienten repräsentiert oder beschreibt. Das gewonnene patientenspezifische Modell 76 wird einem Fluoroskopiebild oder Durchleuchtungsbild 70 lagerichtig überlagert. Die Überlagerung eines 2D-Bildes durch ein räumliches Modell ist ein an sich bekanntes Verfahren der medizinischen Bildverarbeitung. Die lagerichtige Überlagerung 74 des patientenspezifischen Modells 76 kann zum Beispiel durch eine Größenanpassung des patientenspezifischen Modells 76 an den Vergrößerungsfaktor des Durchleuchtungsbildes 70 und ein Einpassen in die, mit dem Organteil korrespondierenden, Lage, hier dargestellt durch einen Aorta-abschnitt 72, erfolgen.
11 zeigt symbolisch ein magnetisches Navigationssystem 60 und 66 mit einem Katheter 26 zur Bestimmung einer räumlichen Koordinate 62 innerhalb einer Aorta 64. Es sind spezielle Katheter mit Lokalisationsmitteln bekannt, die eine räumliche Lokalisation ermöglichen, beispielsweise durch Aussenden eines Magnetfeldes, durch Linien 68 symbolisiert, durch eine Sende- und Empfangseinheit 66 und die Detektion des geschwächten Magnetfeldes, das durch eine miniaturisierte Spule 60 an der Katheterspitze bewirkt wird. Wird der Katheter 26 nur in dem zu modellierenden Organteil bewegt, können die räumlichen Koordinaten, die den Landmarken zugeordnet werden, abgetastet werden, wobei prinzipiell keine oder nur wenige Kontrollröntgenbilder gemacht werden müssen. Dadurch ist eine fast strahlungslose Modellierung des Organteiles möglich. Denkbar ist, dass die Lage des Lokalisierungspunktes des Katheters dann bestimmt und im zweiten Verfahrensschritt übernommen wird, z.B. initiiert durch das Betätigen eines Tasters durch eine Bedienperson, wenn sich der Katheter an einer Stelle des Organteiles befindet, die mit einer vorgebbaren Landmarke des geometrischen Modells des Organteiles korrespondiert, beispielsweise durch eine Überwachung eines Durchleuchtungsbildes 70. Im unteren Teil der 11 ist symbolisch ein geometrisches Modell 10 eines Teils der Aorta 64 mit einem einhüllenden Gitternetz 12 und Landmarken 14 dargestellt. Nach Durchlaufen eines der erfindungsgemäßen Verfahren ist exemplarisch die räumliche Koordinate 16 der Landmarke 14 vorzugsweise gleich der räumlichen Koordinaten 62 des korrespondierenden Punktes der Aorta 64 des Patienten.
12 zeigt beispielhaft ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens 1 zur patientenspezifischen Modellierung eines Organteiles eines Patienten. Das Verfahren 1 umfasst die Verfahrensschritte S1 bis S5. Es beginnt mit Verfahrensschritt S1 und endet, „End“, nach Verfahrensschritt S5. Die einzelnen Verfahrensschritte lauten:

S1) Entgegennahme eines geometrischen Modells eines Organteiles, wobei das geometrische Modell durch wenigstens einen Parameter anpassbar ist und wobei das geometrische Modell wenigstens eine Landmarke umfasst;
S2) Entgegennahme wenigstens einer räumlichen Koordinaten und Zuordnung der wenigstens einen räumlichen Koordinaten zu der wenigstens einen Landmarke;
S3) Abbilden der wenigstens einen Landmarke auf die wenigstens eine räumliche Koordinate und Bestimmen des wenigstens einen Parameters des geometrischen Modells des Organteiles, wobei in die Bestimmung des wenigstens einen Parameters des geometrischen Modells des Organteiles die Zuordnung der wenigstens einen räumlichen Koordinaten zu der wenigstens einen Landmarke eingeht;
S4) Entgegennahme wenigstens einer 2D-Bildaufnahme und lagerichtige Überlagerung des geometrischen Modells des Organteiles der wenigstens einen 2D-Bildaufnahme, wobei dem wenigstens einen Parameter des geometrischen Modells des Organteiles der aus Verfahrensschritt S3 bestimmte wenigstens eine Parameter zugewiesen wird;
S5) Abfrage eines Abbruchkriteriums und falls das Abbruchkriterium nicht erfüllt ist, „N“, Sprung zu Verfahrensschritt S2, ansonsten, „Y“, Beendigung, „End“, des Verfahrens.

Unter einem Abbruchkriterium kann z.B. eine Tasterbetätigung verstanden werden, d.h. bei Betätigung eines Tasters ist das Abbruchkriterium erfüllt, „Y“, und das Verfahren wird, „End“, beendet, bei Nichterfülltheit des Abbruchkriteriums, „N“, d.h. der Taster ist nicht betätigt, wird wieder zu Verfahrensschritt S2 verzweigt.
In 13 ist symbolisch und exemplarisch eine Vorrichtung 100 zur patientenspezifischen Modellierung eines Organteiles eines Patienten 102, hier ein menschlicher Patient, der auf einer Patientenliege 126 liegt, dargestellt. Die Vorrichtung 100 umfasst ein Rechen- und Steuermittel 104, hier einen Computer, und ein Eingabemittel 106, hier ein Ortungsmittel, das die räumliche Lage der Spitze eines medizinischen Katheters 26 bestimmen kann. Das Rechen- und Steuermittel 104 ist dazu ausgelegt

Das Eingabemittel 106 ist dazu ausgelegt

– wenigstens eine räumliche Koordinate entgegenzunehmen und dem Rechen- und Steuermittel 104 zur Verfügung zu stellen.

Das Rechen- und Steuermittel 104 ist weiter dazu ausgelegt

Das in diesem Ausführungsbeispiel eingesetzte Eingabemittel 106 umfasst das an sich bekannte Ortungsmittel, das mit Hilfe elektromagnetischer Wellen die Position oder räumliche Lage der Spitze des Katheters 26, die in den Patienten 102 und insbesondere in ein Organteil des Patienten 102 eingeführt ist, bestimmen kann. Das Ortungsmittel bzw. das Eingabemittel 106 überträgt die räumliche Lage eines ausgewiesenen Punktes des Katheters 26, hier die Katheterspitze, mittels eines Datenkabels 128 an das Rechen- und Steuermittel 104, das dazu über eine geeignete Schnittstellen verfügt. Das Rechen- und Steuermittel 104 kann weiter zum Beispiel über geeignete Schnittstellen verfügen, über die es das geometrische Modell des Organteiles von einem weiteren Eingabemittel, z.B. einem Datennetzwerk, einer Datenbank 130 oder einem Datenträger, entgegennehmen kann. Weiter kann das Rechen- und Steuermittel 104 über ein Computerprogramm verfügen, durch dessen Abarbeitung die wenigstens eine räumliche Koordinate der wenigstens einen Landmarke zugeordnet werden kann und die wenigstens eine Landmarke auf die wenigstens eine räumliche Koordinate abgebildet werden kann und der wenigstens eine Parameter des geometrischen Modells des Organteiles bestimmt werden kann, wobei in die Bestimmung des wenigstens einen Parameters des geometrischen Modells des Organteiles die Zuordnung der wenigstens einen räumlichen Koordinaten zu der wenigstens einen Landmarke eingeht.
Eine weitere Möglichkeit, die wenigstens eine räumliche Koordinate entgegenzunehmen und dem Rechen- und Steuermittel 104 zur Verfügung zu stellen, besteht in einem zweiten Eingabemittel 108, hier eine Computertastatur, mittels derer ein Nutzer räumliche Koordinaten eingeben kann.
Darüber hinaus kann eine räumliche Koordinate durch die Auswahl von jeweils zwei Flächenkoordinaten desselben Punktes gewonnen werden. Dazu kann, wie in 13 symbolisch und exemplarisch dargestellt, ein Biplan-Röntgengerät 120 Verwendung finden. Das Biplan-Röntgengerät 120 umfasst eine erste Röntgenquelle 116 und einen ersten Röntgendetektor 118, die durch einen C-Bogen 114 in gegenüberliegender Position angeordnet sind. Dazu senkrecht sind eine zweite Röntgenquelle 122 und ein zweiter Röntgendetektor 124 angeordnet. Durch diese Anordnung können zwei Aufnahmen 20 und 20’ des zu modellierenden Organteiles des Patienten 102 aus unterschiedlichen Aufnahmewinkeln, hier um 90° gedreht, gewonnen werden, die auf einem Darstellungsmittel 112, hier ein Computermonitor, angezeigt werden. Markiert beispielsweise eine Bedienperson, z.B. ein Arzt, mit einem dritten Eingabemittel 110, hier eine Computermaus, zwei Stellen der Aufnahmen 20 und 20’, die einem Punkt des Organteiles des Patienten 102 zugehören, so kann das Rechen- und Steuermittel 104 deren Lagen, d.h. deren Flächenkoordinaten, bestimmen, woraus die räumliche Koordinate dieses Punktes berechnet werden kann. Auch hierbei kann ein Katheter 26 eingesetzt werden, der sich in dem Organteil befindet und dessen Abbild in den beiden Röntgenaufnahmen 20 und 20’ leicht erkennbar ist.
Vorteilhaft ist das Rechen- und Steuermittel 104 als Computer ausgeführt, das durch Ausführen eines geeigneten Computerprogramms eines der beschriebenen Verfahren durchführt.
Zusammenfassend werden weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung beschrieben.
Eine statistische Datenbank von Formen, engl. shape, von unterschiedlichen Organen kann im Vorfeld des eigentlichen Modellierungsprozesses erzeugt werden. Dies kann durch eine Segmentierung im Vorfeld, einer Klassifikation von Merkmalen und einer Eigenvektoranalyse erfolgen. Diese Modelle können als Gitternetze abgespeichert werden. Die Segmentierung kann auf CT-, MR-, DynaCT- oder ähnlichen 3D-Bilddaten durchgeführt werden. Es entsteht eine Art gemitteltes oder "mittleres" Modell, das durch ein Gitternetz und charakteristische Parameter beschrieben wird, z.B. durch eine Hauptkomponentenanalyse, engl. Principal Component Analysis (PCA). Hier können zudem auch wichtige anatomische Landmarken klassifiziert und als spezielle Gitternetzpunkte definiert werden. Diese sind wichtig, um eine nicht-rigide Deformation des Modells vorzunehmen. Als On-line-Verfahren können Live-Bilder entstehen. Dadurch, dass in dieser Ausgestaltung nur eine einfache Registrierung und Subtraktion von zwei 2D-Bildern stattfindet, ist es wenig rechenintensiv. Für das jeweilige Organ werden diese, mehr als zwei, Punkte abgetastet und in einer Biplan-Aufnahme, also der Kombination zweier Ansichten aus unterschiedlichem Winkel, markiert. Die Markierung findet hier interventionell statt, indem mit einem Katheter die entsprechenden Punkte abgetastet werden. Gleichzeitig findet eine 3D-Lokalisation dieser Punkte in 3D statt. Weiter findet durch die Identifikation der Punkte auch eine 2D/3D-Registrierung mit dem Modell statt. Die zwei Ansichten können im Vorfeld kalibriert werden, um die Geometrie der Aufnahme zu definieren. Die Lokalisation der Punkte, d.h. der Landmarken, wird anschließend mit dem Modell bezüglich Korrespondenzen verglichen und das Modell wird deformiert, um die möglichst beste Korrespondenz zu erzeugen. Nach einigen Iterationen entspricht das Modell einer guten Annäherung der Realität und kann z.B. als 3D-Overlay für Fluoroskopie-Aufnahmen verwendet werden. Falls die Abweichungen der patientenspezifischen Geometrie zu groß sind, kann das Verfahren abgeändert werden, um dann durch manuelles Setzen von Punkten, entweder virtuell oder wieder durch Katheter-Abtasten, die Abweichungen modellhaft rekonstruieren zu können.
Vorteile der Erfindung sind unter anderem:

– es handelt sich um ein Verfahren, das zusammen mit üblichen Angiographie-Anlagen, die eine "echte" oder virtuelle Biplan-Aufnahme oder Fluoroskopie erlauben, durchgeführt werden kann;
– durch zwei Röntgenansichten kann ein 3D-Modell eines speziellen Organs rekonstruiert werden, wodurch eine Dosisreduktion und Zeitersparnis erzielt werden kann;
– eine A-priori Datenbank kann im Vorfeld aufgebaut werden. Die dazu notwendigen Bilddaten können auch Multimodal gewonnen sein, z.B. könnte das Modell einer Herzkammer aus einer Magnetresonanztomographie mit Koronarinformation aus einer Computertomographie kombiniert werden und dadurch ein komplexeres Form-Modell erlauben. Da die Deformation auf der Basis von manuell gesetzten Landmarken stattfinden kann, bleibt die Komplexität der Umsetzung gleich;
– eine gleichzeitige Registrierung der Anatomie und Geometrie des 3D-Modells und der 2D-Aufnahme für die 3D-Überlagerung;
– Anlagen ohne eine sogenannte „DynaCT“-Funktionalität können das Verfahren für die akkurate Registrierung und 3D-Modellentstehung und Überlagerung nutzen;
– alternative Lokalisierungsmöglichkeiten sind integrierbar.

Claims

Verfahren (1) zur patientenspezifischen Modellierung eines Organteiles eines Patienten (102), umfassend folgende Verfahrensschritte: S1) Entgegennahme eines geometrischen Modells (10) eines Organteiles, wobei das geometrische Modell (10) durch wenigstens einen Parameter anpassbar ist und wobei das geometrische Modell (10) wenigstens eine Landmarke (14) umfasst; S2) Entgegennahme wenigstens einer räumlichen Koordinaten (62) und Zuordnung der wenigstens einen räumlichen Koordinaten (62) zu der wenigstens einen Landmarke (14); S3) Abbilden der wenigstens einen Landmarke (14) auf die wenigstens eine räumliche Koordinate (62) und Bestimmen des wenigstens einen Parameters des geometrischen Modells (10) des Organteiles, wobei in die Bestimmung des wenigstens einen Parameters des geometrischen Modells (10) des Organteiles die Zuordnung der wenigstens einen räumlichen Koordinaten (62) zu der wenigstens einen Landmarke (14) eingeht.
Verfahren (1) nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine räumliche Koordinate (62) durch eine Bestimmung einer räumlichen Lage eines vorgebbaren Punktes eines Katheters (26), der in das Organteil des Patienten (102) eingeführt ist, gewonnen wird.
Verfahren (1) nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine räumliche Koordinate (62) durch die Entgegennahme jeweils einer Flächenkoordinaten (24, 24’) eines Punktes (22, 22’) zweier 2D-Bildaufnahmen (20, 20’) des Organteiles des Patienten (102) gewonnen wird, wobei die zwei 2D-Bildaufnahmen (20, 20’) des Organteiles des Patienten (102) mit unterschiedlichen Aufnahmewinkeln gewonnen sind.
Verfahren (1) nach einem der vorangegangen Ansprüche, wobei das geometrische Modells (10) des Organteiles wenigstens zwei Landmarken (14) umfasst und die Verfahrensschritte S2 und S3 vorgebbar wiederholt ausgeführt werden, wobei die jeweils in Verfahrensschritt S2 entgegengenommene räumliche Koordinate (62) vorgebbar einer der wenigstens zwei Landmarken (14) des geometrischen Modells (10) des Organteiles zugeordnet wird.
Verfahren (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Bestimmung des wenigstens einen Parameters des geometrischen Modells (10) des Organteiles ein Optimierungsverfahren umfasst, in das die Zuordnung der wenigstens einen räumlichen Koordinaten (62) zu der wenigstens einen Landmarke (14) eingeht.
Verfahren (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei in das geometrische Modell (10) des Organteiles Formen von gleichartigen Organteilen von mindestens zwei Stichprobenpatienten eingehen.
Verfahren (1) nach Anspruch 6, wobei in die Bestimmung der Form des Organteils eines Stichprobenpatienten eine Entgegennahme eines 3D-Bilddatensatzes (90) des Organteiles des Stichprobenpatienten und eine Segmentierung des Organteils des Stichprobenpatienten eingehen.
Verfahren (1) nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei in das geometrische Modell (10) des Organteiles eine Klassifikation von Merkmalen und/oder eine Eigenvektoranalyse der Formen der gleichartigen Organteile von den mindestens zwei Stichprobenpatienten eingehen.
Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei Bereiche der Formen von gleichartigen Organteilen der mindestens zwei Stichprobenpatienten vorgebbar sind und wobei nur diese Bereiche der Formen in das geometrische Modell (10) des Organteiles eingehen.
Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei ein Abweichungsschwellenwert vorgebbar ist und wobei nur diejenigen Bereiche der Formen von gleichartigen Organteilen der mindestens zwei Stichprobenpatienten in das geometrische Modell (10) des Organteiles eingehen, deren statistische Abweichung über den Formen von gleichartigen Organteilen der mindestens zwei Stichprobenpatienten unterhalb des Abweichungsschwellenwertes liegt.
Verfahren (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei mindestens eine weitere räumliche Koordinate entgegengenommen wird und wobei das geometrische Modell (10) durch ein vorgebbares geometrisches Ergänzungsmodell (98) ergänzt wird, welches vorgebbare geometrische Ergänzungsmodell (98) die weitere räumliche Koordinate umfasst.
Verfahren (1) nach einem der vorangegangen Ansprüche, wobei die wenigstens eine Landmarke (14) des geometrischen Modells (10) durch ein Optimierungsverfahren bestimmt wird.
Verfahren (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei nach Verfahrensschritt S3 folgender Verfahrensschritt ausgeführt wird: S4) Entgegennahme wenigstens einer 2D-Bildaufnahme (70) und lagerichtige Überlagerung des geometrischen Modells (10) des Organteiles der wenigstens einen 2D-Bildaufnahme (70), wobei dem wenigstens einen Parameter des geometrischen Modells (10) des Organteiles der aus Verfahrensschritt S3 bestimmte wenigstens eine Parameter zugewiesen wird.
Vorrichtung (100) zur patientenspezifischen Modellierung eines Organteiles eines Patienten (102), umfassend ein Rechen- und Steuermittel (104) und ein Eingabemittel (106, 108, 110), wobei das Rechen- und Steuermittel (104) dazu ausgelegt ist – ein geometrisches Modell (10) eines Organteiles entgegenzunehmen, wobei das geometrische Modell (10) durch wenigstens einen Parameter anpassbar ist und wobei das geometrische Modell (10) wenigstens eine Landmarke (14) umfasst; und wobei das Eingabemittel (106, 108, 110) dazu ausgelegt ist – wenigstens eine räumliche Koordinate (62) entgegenzunehmen und dem Rechen- und Steuermittel (104) zur Verfügung zu stellen; und wobei das Rechen- und Steuermittel (104) dazu ausgelegt ist – die wenigstens eine räumliche Koordinate (62) der wenigstens einen Landmarke (14) zuzuordnen und – die wenigstens eine Landmarke (14) auf die wenigstens eine räumliche Koordinate (62) abzubilden und den wenigstens einen Parameter des geometrischen Modells (10) des Organteiles zu bestimmen, wobei in die Bestimmung des wenigstens einen Parameters des geometrischen Modells (10) des Organteiles die Zuordnung der wenigstens einen räumlichen Koordinaten (62) zu der wenigstens einen Landmarke (14) eingeht.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 14, wobei das Rechen- und Steuermittel (104) und das Eingabemittel (106, 108, 110) dazu ausgelegt sind, eines der Verfahren (1) nach Anspruch 2 bis 13 auszuführen.