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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überlagerung eines 3D-Bilddatensatzes eines Untersuchungsbereiches eines Untersuchungsobjektes in einem 2D-Bild mit Atmungsbewegungskompensation. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zur Überlagerung eines 3D-Bilddatensatzes eines Untersuchungsbereiches eines Untersuchungsobjektes in einem 2D-Bild mit Atmungsbewegungskompensation.
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Während medizinischen Eingriffen, insbesondere chirurgischen Eingriffen, beispielsweise minimalinvasiven Eingriffen, ist es heutzutage bekannt, die konkrete Lage anatomischer Merkmale oder von Instrumenten und sonstigen medizinischem Gerät innerhalb des Patienten durch Fluoroskopiebilder oder Durchleuchtungsbilder einer Röntgeneinrichtung zu überwachen. Beispielsweise können derartige Echtzeitbilder durch fluoroskopische Durchleuchtung zur Navigation von Instrumenten im Kopf oder im Herzen eines Patienten genutzt werden. Verglichen mit dreidimensionalen Bilddatensätzen anderer Modalitäten, beispielsweise der Computertomografie oder der Magnetresonanztomografie, zeigen diese Fluoroskopiebilder zwar keine räumlichen, dreidimensionalen Details, sie sind jedoch schneller verfügbar, hochaufgelöster, reduzieren die Strahlenbelastung für den Patienten und die behandelnden Personen und bilden zumindest einen Teil der Anatomie und interventionelle Instrumente, beispielsweise auch Katheter oder Führungsdrähte, in Quasi-Echtzeit ab.
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In diesem Zusammenhang ist es bekannt, die räumliche, dreidimensionale Information dadurch zurückzugewinnen, dass vor dem Eingriff, also insbesondere präoperativ, aufgenommene, dreidimensionale Bilddatensätze, beispielsweise CT-Bilddatensätze, dreidimensionale Angiographie-Datensätze, Magnetresonanz-Datensätze, 3D-Ultraschalldatensätze und dergleichen, mit den zweidimensionalen Echtzeit-Fluoroskopiebildern registriert werden und eine Informationsfusion stattfindet. Beispielsweise ist es bekannt, nach einer derartigen 2D-3D-Registrierung die zweidimensionalen Fluoroskopiebilder Darstellungen des dreidimensionalen Bilddatensatzes zu überlagern. Denkbar ist es jedoch auch, eine Darstellung zu erzeugen, die nur wesentliche, beispielsweise segmentierte, Bildmerkmale aus dem Fluoroskopiebild und/oder dem Bilddatensatz übernimmt und dergleichen. Eine derart vorgenommene Kombination von registrierten zweidimensionalen und dreidimensionalen Aufnahmen erlaubt den, den Eingriff durchführenden, Personen eine bessere Orientierung im dreidimensionalen Raum.
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Ein großes Problem bei dieser Art von Bildüberwachen während eines Eingriffs sind Bewegungsartefakte durch Atmungsbewegungen. Bewegt sich der Patient im Rahmen einer periodischen Bewegung der Atmung gilt die Registrierung für aktuell aufgenommene Fluoroskopiebilder nicht fort. Das Durchleuchtungsbild folgt den Bewegungen, wobei das sogenannte Overlay, d.h. der Ausschnitt des 3D-Datensatzes, nach heutigem Stand der Technik statisch überlagert wird, wodurch der Nutzen der Überlagerung signifikant einschränkt ist. Das heißt in derzeit genutzten klinischen Einrichtungen werden Patientenbewegungen nicht automatisch erkannt, so dass auch keine Nachregistrierung stattfinden kann. Dies verursacht eine fast ständige Fehlerhaftigkeit der Registrierung und Ungenauigkeit, vor allem, wenn im Bereich des Thorax oder des Abdomen gearbeitet wird. Dies kann einen negativen Einfluss auf die Qualität eines Eingriffs haben, wobei auch die Qualität einer Strahlentherapie bei Lungen- bzw. Bronchialkarzinomen durch Atembewegungen verschlechtert werden kann. Bei erkannter Bewegung, beispielsweise über eine Nichtübereinstimmung zwischen dem Fluoroskopiebild und dem überlagerten Volumen, muss derzeit manuell die Registrierung korrigiert werden, was zu Ungenauigkeiten und Verzögerungen im Arbeitsverlauf führt.
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DE 10 2005 036 322 A1 betrifft die Registrierung intraoperativer Bilddatensätze mit präoperativen 3D-Bilddatensätzen auf Basis optischer Oberflächenextraktion. Dort wird vorgeschlagen, während einer Operation, also einem Eingriff, die Oberfläche eines interessierenden Untersuchungsgebietes mit einem optischen Sensorsystem zu erfassen. Nun ist es möglich, die intraoperative und die präoperative Oberfläche miteinander zu registrieren, so dass eine Abbildungsvorschrift zwischen dem präoperativen 3D-Bilddatensatz und dem intraoperativen Bilddatensatz ermittelt werden kann. Erfolgt eine Erfassung von Daten des optischen 3D-Sensorsystems periodisch während der Intervention, so kann ein Bewegungsfeld des Untersuchungsgebietes berechnet werden, welches dazu verwendet wird, Bewegungsartefakte in intraoperativen Aufnahmen zu reduzieren bzw. dessen Auflösung zu verbessern. Eine optische Oberflächenerkennung ist jedoch im Rahmen von medizinischen Eingriffen meist bereits deswegen nicht möglich, da der Patient unter eine sterilen Abdeckung bzw. Kleidung verborgen ist und mithin seine Oberfläche nicht sichtbar bleibt.
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In einem Ansatz zur Lösung des Problems wurde vorgeschlagen, die Atembewegung durch Dehnungsdetektoren, die um die Brust gespannt werden, zu erfassen. Probleme hierbei sind nicht nur der große Aufwand bei der Anbringung der Dehnungsdetektoren, sondern auch die eingeschränkte Art der eindimensionalen Bewegungserfassung, die die eigentliche Komplexität der Atmung nicht adäquat erfassen kann. So kann durch den Einsatz dieses Gürtels nicht zwischen Zwerchfellatmung und Thoraxatmung unterschieden werden.
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Im Bereich der Strahlentherapie wurde vorgeschlagen, invasiv gesetzte Marker (sogenannte "Fiducials") zu verwenden, die in der Nähe des Tumors oder im Tumor angeordnet werden. Diese Marker können dann durch fluoroskopische Durchleuchtungsbildgebung nachverfolgt werden. Diese Technik birgt Gefahren und Einschränkungen, die ein erhöhtes Risiko für den Patienten bedeuten können, beispielsweise das eines Pneumothorax beim Setzen der Marker.
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Auch werden bereits vorhandene Marker oder signifikante Stellen, sogenannte Landmarks, verwendet, die am Durchleuchtungsbild verfolgt werden, engl. tracking genannt, und somit Aufschluss auf eine Bewegung im Zielbereich oder Untersuchungsbereich geben.
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Andere Ansätze verfolgen den Schatten des Zwerchfells und kompensieren darauf basierend auf dem Fluoroskopiebild, was wiederum das Applizieren von Strahlung erfordert und die komplexe Atmungsbewegung auf eine Achse reduziert.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überlagerung eines 3D-Bilddatensatzes in einem 2D-Bild vorzustellen, das eine Kompensation einer Atmungsbewegung umfasst, wobei die Atmungsbewegungskompensation gegenüber Verfahren des Stands der Technik in Bezug auf Strahlenbelastung und Genauigkeit verbessert ist. Weiter ist es die Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung zur Überlagerung eines 3D-Datensatzes in einem 2D-Bild mit einer Atmungsbewegungskompensation anzugeben.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Überlagerung eines 3D-Bilddatensatzes in einem 2D-Bild mit Atmungsbewegungskompensation mit den Merkmalen des ersten unabhängigen Patentanspruchs und einer Vorrichtung zur Überlagerung eines 3D-Bilddatensatzes in einem 2D-Bild mit Atmungsbewegungskompensation mit den Merkmalen des zweiten unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen beschrieben.
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Ein Grundgedanke der Erfindung ist ein Verfahren zur Überlagerung eines 3D-Bilddatensatzes eines Untersuchungsbereiches eines Untersuchungsobjektes in einem 2D-Bild mit Atmungsbewegungskompensation, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:
- S1) Entgegennahme eines 2D-Bildes, das den Untersuchungsbereich des Untersuchungsobjektes zu einem vorgebbaren Zeitpunkt umfasst;
- S2) Bestimmen eines Atmungsphasenkennwertes zu dem vorgebbaren Zeitpunkt mittels elektrischer Impedanztomografie;
- S3) Bestimmen eines 3D-Bilddatensatzes, der den Untersuchungsbereich des Untersuchungsobjektes umfasst, mittels eines atmungsphasenabhängigen 3D-Bilddatenmodells, wobei in die Bestimmung der Atmungsphase der Atmungsphasenkennwert eingeht;
- S4) Überlagerung des 3D-Bilddatensatzes in dem 2D-Bild.
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Ziel des Verfahrens ist somit eine Überlagerung eines 3D-Bilddatensatzes eines Untersuchungsbereiches eines Untersuchungsobjektes in einem 2D-Bild, wobei der 3D-Bilddatensatz den Untersuchungsbereich des Untersuchungsobjektes zu dem Zeitpunkt wiedergibt, zu dem das 2D-Bild gewonnen wurde. D.h. dass der 3D-Bilddatensatz insbesondere Verformungen aufgrund von Atmungsbewegungen berücksichtigt und so eine Atmungsbewegungskompensation aufweist. Unter dem Untersuchungsobjekt kann ein menschlicher oder tierischer Patient verstanden werden, unter dem Untersuchungsbereich kann eine Teilmenge des Untersuchungsobjektes, zum Beispiel das Abdomen oder das Herz, und insbesondere Bereiche, die durch einen Atemvorgang einer Bewegung unterworfen sind, verstanden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren startet mit der Entgegennahme, dem Empfangen oder dem Laden des 2D-Bildes, das den Untersuchungsbereich des Untersuchungsobjektes zu einem vorgebbaren Zeitpunkt umfasst. Das 2D-Bild kann zum Beispiel ein Durchleuchtungsbild sein und der vorgebbare Zeitpunkt kann als derjenige Zeitpunkt gewählt sein, zu dem das 2D-Bild gewonnen wurde. Im zweiten Verfahrensschritt wird mittels elektrischer Impedanztomografie ein Atmungsphasenkennwert zu dem vorgebbaren Zeitpunkt bestimmt. Unter elektrischer Impedanztomografie, abgekürzt EIT, wird ein an sich bekanntes Verfahren verstanden, das auf Messungen elektrischer Leitfähigkeiten im menschlichen Körper basiert. Dabei wird die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Beschaffenheit oder dem funktionellen Zustand von biologischem Gewebe ausgenutzt. Neben der Gewinnung eines Tomogramms, aus dem man Rückschlüsse auf die Gewebezusammensetzung innerhalb der untersuchten Körperregion ziehen kann, kann die elektrische Impedanztomografie auch in der Lungenfunktionsdiagnostik eingesetzt werden, wobei dabei der Effekt genutzt wird, dass sich die elektrische Leitfähigkeit der Lunge zwischen Aus- und Einatmung signifikant ändert. Moderne Beatmungsgeräte bedienen sich ebenfalls der elektrischen Impedanztomografie, um einem Anästhesisten visuell Feedback über einen Füllstand einer Lunge zu geben, wodurch auch eine asymmetrische Ventilation der Lungen sichtbar gemacht werden kann. Ebenso kann das Füllvolumen der Lunge quantitativ überprüft werden. Unter einem Atmungsphasenkennwert kann somit ein Wert oder eine Gruppe von Werten, die in einem Atmungsphasenkennwertsatz abgelegt sind, verstanden werden, der mittels eines Gerätes, das nach dem prinzipiell bekannten Funktionsprinzip der elektrischen Impedanztomografie arbeitet, gewonnen wurde und einen Zustand der Lunge zu dem vorgebbaren Zeitpunkt, nämlich der Atemphase, beschreibt. Im dritten Verfahrensschritt wird mittels eines atmungsphasenabhängigen 3D-Bilddatenmodells der 3D-Bilddatensatz, der den Untersuchungsbereich des Untersuchungsobjektes umfasst, bestimmt, wobei in die Bestimmung der Atmungsphase der Atmungsphasenkennwert eingeht. Unter dem atmungsphasenabhängigen 3D-Bilddatenmodell wird ein mathematisches Modell verstanden, das zur räumlichen, also dreidimensionalen, Darstellung des Untersuchungsbereiches des Untersuchungsobjektes geeignet ist, wobei das atmungsphasenabhängige 3D-Bilddatenmodell durch mindestens einen Parameter an die Atmungsphase angepasst werden kann, d.h. das 3D-Bilddatenmodell repräsentiert den Untersuchungsbereich des Untersuchungsobjektes zu der Atmungsphase, die durch den Atmungsphasenkennwert gegeben ist. Man könnte auch von einem 4D-Bilddatensatz sprechen, bei dem die vierte Dimension durch den Atmungsphasenkennwert gegeben ist. Im vierten Verfahrensschritt wir dem 2D-Bild der zuvor bestimmte 3D-Bilddatensatz überlagert. Da sowohl das 2D-Bild als auch der 3D-Bilddatensatz den Untersuchungsbereich des Untersuchungsobjektes zur selben Atmungsphase, nämlich der Atmungsphase zu dem vorgebbaren Zeitpunkt, angeben, ist die Überlagerung atmungsbewegungskompensiert. Eine Überlagerung eines 2D-Bildes durch einen 3D-Bilddatensatz ist ein an sich bekanntes Verfahren, für das in der Fachliteratur eine Vielzahl an Ausführungsbeispielen existiert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung geht in die Bestimmung des Atmungsphasenkennwertes eine Luftverteilung der Lunge des Untersuchungsobjektes ein.
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Wie eingangs beschrieben existieren Verfahren zur Atmungsbewegungskorrektur, die durch Dehnungsdetektoren nur eine eindimensionale Bewegungserfassung ermöglichen und nicht zwischen Zwerchfellatmung und Thoraxatmung unterscheiden können. Durch das Auswerten einer elektrischen Impedanztomografie kann die Luftverteilung der Lunge des Untersuchungsobjektes zu einem bestimmten Zeitpunkt bestimmt werden, die dann als Atmungsphasenkennwert in die Adaption des atmungsphasenabhängigen 3D-Bilddatenmodells eingeht. Dadurch kann das atmungsphasenabhängige 3D-Bilddatenmodell besser angepasst werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gehen in das atmungsphasenabhängige 3D-Bilddatenmodell wenigstens zwei 3D-Bildmodelldatensätze des Untersuchungsbereiches des Untersuchungsobjektes und die mittels elektrischer Impedanztomografie bestimmten, zugehörigen Atmungsphasenkennwerte zu wenigstens zwei unterschiedlichen Atmungsphasen ein.
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Dieses Merkmal beschreibt, wie das atmungsphasenabhängige 3D-Bilddatenmodell vorteilhaft gewonnen werden kann, indem nämlich mindestens zwei 3D-Bildmodelldatensätze des Untersuchungsbereiches des Untersuchungsobjektes und die jeweils zugehörigen Atmungsphasenkennwerte zu wenigstens zwei unterschiedlichen Atmungsphasen bestimmt werden. Durch Vergleich von charakteristischen Bildbestandteilen der einzelnen 3D-Bildmodelldatensätze können Bewegungsvektoren aufgestellt werden und durch Interpolation und/oder Extrapolation auf Zustände, wie sie zu Atmungsphasen zwischen den aufgenommenen 3D-Bildmodelldatensätzen herrschen, geschlossen werden. Die 3D-Bildmodelldatensätze können beispielsweise durch bekannte räumliche Bildgebungsverfahren gewonnen werden.
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Mit besonderem Vorteil umfassen die wenigstens zwei unterschiedlichen Atmungsphasen einen Ausatmungszustand und einen Einatmungszustand.
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Der Einatmungszustand, bei dem die Lunge maximal gefüllt ist, und der Ausatmungszustand, bei dem die Lunge minimal gefüllt ist, bilden die beiden extremen Atmungsphasen, zwischen denen sich alle anderen Atmungsphasen, also Atmungsphasen mit teilweise gefüllter Lunge, befinden. D.h. im Allgemeinen werden sich charakteristische Punkte des Untersuchungsbereiches des Untersuchungsobjektes zwischen Lagen, in denen sie sich im Ein- bzw. Ausatmungszustand befinden, bewegen.
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Es wird vorgeschlagen, dass in die Bestimmung des atmungsphasenabhängigen 3D-Bilddatenmodells weitere Bildmodelldatensätze eingehen, die durch Interpolationen und/oder Extrapolationen der wenigstens zwei 3D-Bildmodelldatensätze gebildet werden.
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Liegen zwei oder mehr 3D-Bildmodelldatensätze mit ihren zugehörigen Atmungsphasenkennwerten vor, können durch Interpolation oder Extrapolation weitere Bildmodelldatensätze bestimmt oder berechnet werden und diese mit ebenfalls interpolierten oder extrapolierten Atmungsphasenkennwerten verknüpft werden. Dadurch entstehen mehr 3D-Bildmodelldatensätze mit zugehörigen Atmungsphasenkennwerten, die zu dem atmungsphasenabhängigen 3D-Bilddatenmodell zusammengefasst werden können. Interpolation- und Extrapolationsverfahren, wie zum Beispiel eine lineare Interpolation, sind an sich bekannte mathematische Verfahren.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die wenigstens zwei 3D-Bildmodelldatensätze des Untersuchungsbereiches des Untersuchungsobjektes durch ein Computertomografie-, ein Magnetresonanztomografie-, ein 3D-Ultraschall- und/oder ein Rotationsangiografiebildgebungsverfahren gewonnen werden.
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Die genannten räumlichen Bildgebungsverfahren sind in der klinischen Praxis häufig eingesetzte Verfahren mit jeweils Vor- und Nachteilen. Ein Vorteil des Rotationsangiografiebildgebungsverfahren ist beispielsweise, dass dieselbe Röntgenanlage sowohl für das Gewinnen von räumlichen Bildern, als auch für das Gewinnen von Durchleuchtungsbildern verwendet werden kann. Finden die Bildgebungsverfahren ohne Umlagerung des Untersuchungsobjektes statt, ist die Überlagerung von räumlichen Bildern und Durchleuchtungsbildern besonders einfach, da die Aufnahmegeometrien beider Bildgewinnungsverfahren bekannt sind.
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Es ist denkbar, dass die wenigstens zwei 3D-Bildmodelldatensätze des Untersuchungsbereiches des Untersuchungsobjektes durch 2D2D3D-Registrierung wenigstens zweier Fluoroskopiebilderpaaren des Untersuchungsbereiches des Untersuchungsobjektes gewonnen werden, wobei die Fluoroskopiebilder jeweils eines Fluoroskopiebilderpaares zur gleichen Atmungsphase gehören und aus unterschiedlichen Aufnahmeperspektiven gewonnen werden.
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Durch prinzipiell bekannte Verfahren können aus einem 2D-Bilderpaar, das einen Untersuchungsbereich aus zwei unterschiedlichen, z.B. orthogonal zueinander stehenden, wie frontal und lateral, Aufnahmerichtungen abbildet, ein 3D-Bildmodelldatensatz gewonnen werden, die sogenannte 2D2D3D-Registrierung. Die beiden 2D-Bilder des 2D-Bilderpaars werden dabei in der gleichen Atmungsphase gewonnen, beispielsweise gleichzeitig durch ein sogenanntes Zweiebenenröntgengerät oder durch zeitlich versetzte, aber zur selben Atmungsphase gehörende, Bilder. Dieselbe Atmungsphase kann vorzugsweise mittels Bestimmen von Atmungsphasenkennwerten durch elektrische Impedanztomografie bestimmt werden. Durch zwei 3D-Bildmodelldatensätze von unterschiedlichen Atmungsphasen kann ein atmungsphasenabhängiges 3D-Bilddatenmodell bestimmt werden.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung gehen in das atmungsphasenabhängige 3D-Bilddatenmodell zusätzlich eine Fluoroskopiesequenz des Zwerchfells und die zu den Zeitpunkten der Gewinnung der Fluoroskopiesequenzbilder des Zwerchfells mittels elektrischer Impedanztomografie gewonnenen Atmungsphasenkennwerte ein, wobei die Fluoroskopiesequenz wenigstens zwei verschiedene Atmungsphasen abdeckt.
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Durch die Einbeziehung einer Fluoroskopiesequenz des Zwerchfells und der mittels elektrischer Impedanztomografie gewonnenen, zugehörigen Atmungsphasenkennwerten, kann das atmungsphasenabhängige 3D-Bilddatenmodell verbessert werden, da das Zwerchfell ein wichtiger Indikator für die Ausdehnung des Lungen-Bauch-Raumes ist.
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Begünstigt umfasst das atmungsphasenabhängigen 3D-Bilddatenmodell segmentierte Organe des Untersuchungsbereiches des Untersuchungsobjektes.
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Umfasst das atmungsphasenabhängige 3D-Bilddatenmodell segmentierte Organe des Untersuchungsbereiches des Untersuchungsobjektes, d.h. gruppierte Bildpunkte, die Organen zugehören, kann mittels Interpolation oder Extrapolation leicht der 3D-Bilddatensatz anhand des Atmungsphasenkennwertes zu dem vorgebbaren Zeitpunkt bestimmt werden.
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Zweckmäßig werden Organe aus den wenigstens zwei 3D-Bildmodelldatensätzen des Untersuchungsbereiches des Untersuchungsobjektes segmentiert und zweckmäßig gehen diese segmentierten Organe in das atmungsphasenabhängige 3D-Bilddatenmodell ein.
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Eine Segmentierung von Organen des Untersuchungsbereiches des Untersuchungsobjektes der wenigstens zwei 3D-Bildmodelldatensätze erleichtert die Bestimmung von Bewegungsvektoren zwischen den mindestens zwei Bildmodelldatensätzen und so die Bestimmung des atmungsphasenabhängigen 3D-Bilddatenmodells.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die elektrische Impedanztomografie mittels eines Beatmungsgerätes durchgeführt wird.
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Wie zuvor beschrieben, unterstützen moderne Beatmungsgeräte häufig die Durchführung einer elektrischen Impedanztomografie und können somit vorteilhaft bei der Durchführung eines der erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden.
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Vorzugsweise wird der in dem 2D-Bild überlagerte 3D-Bilddatensatz auf einem Darstellungsmittel angezeigt.
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Durch die Anzeige des 2D-Bildes zusammen mit dem 3D-Bilddatensatz, gegebenenfalls in einer Projektion oder in einem Schnittbild, kann ein Benutzer, zum Beispiel ein Chirurg, einen besseren Einblick in den Untersuchungsbereich des Untersuchungsobjektes gewinnen.
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Vorzugsweise wird das Verfahren wenigstens teilweise automatisch ausgeführt.
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Automatisch ausgeführte Verfahren bieten den Vorteil, dass weniger Eingriffe einer Bedienperson notwendig sind, die oftmals zeitaufwändig und fehleranfällig sind. Beispielsweise kann das 2D-Bild automatisch entgegengenommen werden, der Atmungsphasenkennwert zu dem Zeitpunkt der Gewinnung des 2D-Bildes kann automatisch bestimmt werden, der 3D-Bilddatensatz, der den Untersuchungsbereich des Untersuchungsobjektes umfasst, kann automatisch mittels des atmungsphasenabhängigen 3D-Bilddatenmodells bei der Atmungsphase des Atmungsphasenkennwertes bestimmt werden, in dem 2D-Bild kann automatisch der 3D-Bilddatensatz überlagert werden und die Überlagerung kann automatisch auf einem Darstellungsmittel angezeigt werden.
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Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Überlagerung eines 3D-Bilddatensatzes eines Untersuchungsbereiches eines Untersuchungsobjektes in einem 2D-Bild mit Atmungsbewegungskompensation, wobei die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, eines der Verfahren zur Überlagerung eines 3D-Bilddatensatzes eines Untersuchungsbereiches eines Untersuchungsobjektes in einem 2D-Bild mit Atmungsbewegungskompensation auszuführen.
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Dieser Grundgedanke der Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit der eines der zuvor beschriebenen Verfahren durchgeführt werden kann, d.h. die Vorrichtung verfügt über Mittel, die geeignet sind, die einzelnen Verfahrensschritte eines der zuvor beschriebenen Verfahren durchzuführen. So kann die Vorrichtung beispielsweise ein Mittel, z.B. einen Computer, umfassen, das zur Entgegennahme eines 2D-Bildes, das einen Untersuchungsbereich eines Untersuchungsobjektes zu einem vorgebbaren Zeitpunkt umfasst, aufweist.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung wenigstens ein Mittel zur Durchführung einer elektrischen Impedanztomografie zu einem vorgebbaren Zeitpunkt und ein Rechen- und Steuermittel zur Entgegennahme eines 2D-Bildes, das den Untersuchungsbereich des Untersuchungsobjektes zu dem vorgebbaren Zeitpunkt umfasst und zum Bestimmen eines 3D-Bilddatensatzes, das den Untersuchungsbereich des Untersuchungsobjektes umfasst, mittels eines atmungsphasenabhängigen 3D-Bilddatenmodells, wobei in die Bestimmung der Atmungsphase der Atmungsphasenkennwert eingeht und zur Überlagerung des 3D-Bilddatensatzes in dem 2D-Bild, umfasst.
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Das Mittel zur Durchführung einer elektrischen Impedanztomografie zu einem vorgebbaren Zeitpunkt kann zum Beispiel ein Beatmungsgerät sein, das auch einen Atmungsphasenkennwert zu dem vorgebbaren Zeitpunkt bestimmen kann. Bei dem Rechen- und Steuermittel kann es sich um einen Computer mit Schnittstellen zum Datenaustausch mit einer bildgebenden Einrichtung handeln. Das Rechen- und Steuermittel ist zur Entgegennahme des 2D-Bildes, das den Untersuchungsbereich des Untersuchungsobjektes zu dem vorgebbaren Zeitpunkt und zum Bestimmen des 3D-Bilddatensatzes, das den Untersuchungsbereich des Untersuchungsobjektes umfasst, mittels eines atmungsphasenabhängigen 3D-Bilddatenmodells, wobei in die Bestimmung der Atmungsphase der Atmungsphasenkennwert eingeht und zur Überlagerung des 3D-Bilddatensatzes in dem 2D-Bild, umfasst, ausgelegt.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden Figuren samt Beschreibung. Es zeigen:
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1 beispielhaft ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überlagerung eines 3D-Bilddatensatzes eines Untersuchungsbereiches eines Untersuchungsobjektes in einem 2D-Bild mit Atmungsbewegungskompensation;
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2 beispielhaft ein Kurve eines Lungenvolumens über der Zeit;
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3 beispielhaft und schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Überlagerung eines 3D-Bilddatensatzes eines Untersuchungsbereiches eines Untersuchungsobjektes in einem 2D-Bild mit Atmungsbewegungskompensation;
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1 zeigt beispielhaft ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens 1 zur Überlagerung eines 3D-Bilddatensatzes eines Untersuchungsbereiches eines Untersuchungsobjektes in einem 2D-Bild mit Atmungsbewegungskompensation. Das Verfahren 1 umfasst die Verfahrensschritte S1 bis S6. Es beginnt, „Start“, mit Verfahrensschritt S1 und endet, „End“, nach Verfahrensschritt S6. Die einzelnen Verfahrensschritte lauten:
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- S1) Entgegennahme eines 2D-Bildes, das den Untersuchungsbereich des Untersuchungsobjektes zu einem vorgebbaren Zeitpunkt umfasst;
- S2) Bestimmen eines Atmungsphasenkennwertes zu dem vorgebbaren Zeitpunkt mittels elektrischer Impedanztomografie;
- S3) Bestimmen eines 3D-Bilddatensatzes, das den Untersuchungsbereich des Untersuchungsobjektes umfasst, mittels eines atmungsphasenabhängigen 3D-Bilddatenmodells, wobei in die Bestimmung der Atmungsphase der Atmungsphasenkennwert eingeht;
- S4) Überlagerung des 3D-Bilddatensatzes in dem 2D-Bild;
- S5) Anzeige des 2D-Bildes und des dem 2D-Bildes überlagerten 3D-Bilddatensatzes;
- S6) Abfrage eines Abbruchkriteriums. Wenn das Abbruchkriterium erfüllt ist, „J“, Beenden des Verfahrens, ansonsten, „N“, Sprung zu Verfahrensschritt S1.
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Unter einem Abbruchkriterium kann beispielsweise das Drücken eines Tasters oder das Erreichen eines vorgebbaren Zählerstandes eines Wiederholungszählers verstanden werden. Durch die Abfrage des Abbruchkriteriums kann das Verfahren wiederholt ausgeführt werden. In Verbindung mit zumindest teilweise automatisch ausgeführten Verfahrensschritten kann ein quasi kontinuierlich ablaufendes Verfahren gebildet werden.
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In 2 ist beispielhaft der Verlauf eines Lungenvolumens Va in Millilitern über der Zeit t in Sekunden eines Untersuchungsobjektes, zum Beispiel eines menschlichen Patienten, dargestellt, wie er durch ein Verfahren der elektrischen Impedanztomografie, das beispielsweise durch ein Beatmungsgerät bereitgestellt werden kann, gewonnen werden kann. Das Lungenvolumen Va kann als Atmungsphasenkennwert dienen. Man erkennt, dass sich Atmungsphasen des Einatmens und des Ausatmens abwechseln. Zum Zeitpunkt ti ist die Lunge maximal gefüllt, zum Zeitpunkt te ist sie maximal entleert. Vorzugsweise werden bei diesen beiden Atmungsphasen zwei 3D-Bildmodelldatensätze, zum Beispiel durch ein 3D-Bildgebungsverfahren, eines Untersuchungsbereiches, zum Beispiel eines Herzens, des Untersuchungsobjektes gewonnen und mit den zugehörigen Atmungsphasenkennwerten verknüpft. Nach einer Segmentierung von Organen und Gefäßen in den beiden 3D-Bildmodelldatensätzen können durch Interpolationen und/oder Extrapolationen der zwei 3D-Bildmodelldatensätze zusätzliche Bildmodelldatensätze berechnet werden. Dadurch entsteht ein atmungsphasenabhängiges 3D-Bilddatenmodell, bei dem einer Atmungsphase ein 3D-Bilddatensatz zugeordnet werden kann, wobei die Atmungsphase wiederum durch den Atmungsphasenkennwert, hier das Lungenvolumen zu einem bestimmten Zeitpunkt, z.B. zu dem Zeitpunkt tz, definiert ist. Ein 3D-Bilddatensatz mit einem Atmungsphasenkennwert zu dem Zeitpunkt te‘ entspricht dem 3D-Bildmodelldatensatz mit einem Atmungsphasenkennwert zu dem Zeitpunkt te, ein 3D-Bilddatensatz mit einem Atmungsphasenkennwert zu den Zeitpunkten ti‘ oder ti‘‘ entspricht dem 3D-Bildmodelldatensatz mit einem Atmungsphasenkennwert zu dem Zeitpunkt ti.
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3 schließlich zeigt beispielhaft und schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100 zur Überlagerung eines 3D-Bilddatensatzes eines Untersuchungsbereiches 12 eines Untersuchungsobjektes 40 in einem 2D-Bild mit Atmungsbewegungskompensation. Die bildgebende Einrichtung 70 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Röntgengerät, das als C-Bogen-Röntgengerät ausgeführt ist, wobei der C-Bogen 73 an einem roboterförmigen Haltearm angeordnet ist. Das Untersuchungsobjekt 40 ist ein menschlicher Patient, der auf einem Lagerungsmittel 50, hier einem Patiententisch, gelagert ist und der Untersuchungsbereich 12 ist der Abdomen des Patienten. An dem C-Bogen 73 sind in gegenüberliegender Position eine Röntgenquelle 75 und als Bildaufnahmemittel 74 ein Röntgenbilddetektor angeordnet. Der C-Bogen 73 und damit die Röntgenquelle 75 und das Bildaufnahmemittel 74 sind mittels des roboterförmigen Haltearms, der mehrere Positionierungsmittel umfasst, in vielfältiger Weise positionierbar. So ist es mit dem C-Bogen-Röntgengerät auch möglich, durch eine Folge von Bildern aus verschiedenen Aufnahmewinkeln mittels eines an sich bekannten Rotationsangiografieverfahrens einen 3D-Bildmodelldatensatz zu gewinnen, der zur Bestimmung eines atmungsphasenabhängigen 3D-Bilddatenmodells, in 3 durch ein Datenbanksymbol mit dem Bezugszeichen 24 angedeutet, verwendbar ist. In das atmungsphasenabhängigen 3D-Bilddatenmodell 24 gehen auch Atmungsphasenkennwerte ein, die mit einem Mittel 30 zur Durchführung einer elektrischen Impedanztomografie, hier ein Beatmungsgerät, gewonnen werden. Das C-Bogen-Röntgengerät kann ein 2D-Bild des Untersuchungsbereiches 12 des Untersuchungsobjektes 10 zu einem vorgebbaren Zeitpunkt tz gewinnen und einem Rechen- und Steuermittel 20, hier ein Computer, zur Verfügung stellen. Das Mittel 30 bestimmt mittels elektrischer Impedanztomografie zu dem vorgebbaren Zeitpunkt tz einen Atmungsphasenkennwert, z.B. das Füllvolumen der Lunge des Untersuchungsobjekts 10. Anschließend wird mittels des atmungsphasenabhängigen 3D-Bilddatenmodells 24 ein 3D-Bilddatensatz, der den Untersuchungsbereich 12 des Untersuchungsobjektes 10 umfasst, bestimmt, wobei in die Bestimmung der Atmungsphase der Atmungsphasenkennwert eingeht. Der, dem 2D-Bild überlagerte, 3D-Bilddatensatz kann durch ein Anzeigemittel 22, hier ein Computermonitor, angezeigt werden.
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Zusammenfassend werden weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung beschrieben. Die Erfindung schlägt ein Verfahren vor, das eine elektrische Impedanztomografie zur Bewegungskompensation bei sogenannten Fluoro-Overlays aus 3D-Bilddatensätzen einbezieht. Die Ableitung eines modellbasierten zeitabhängigen bzw. atmungsphasenabhängigen 3D-Bilddatensatzes, d.h. eines atmungsphasenabhängigen 3D-Bilddatenmodells, kann zum Beispiel auf Basis von zwei 3D-Bilddatensätzen, die beispielsweise mittels eines Computertomografiegerätes oder eines Rotationsangiografiegerätes, oder aus zwei Fluoroskopiebildsequenzen aus unterschiedlichen Bildaufnahmerichtungen, beispielsweise frontal und lateral, gewonnen werden, erfolgen.
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Moderne Beatmungsgeräte bieten die Funktion an, Füllstände einer Lunge anzugeben und beispielsweise einem Anästhesisten visuell Feedback über die Füllstände der Lunge anzuzeigen. Somit kann auch eine asymmetrische Ventilation der Lungen sichtbar gemacht werden. Ebenso kann das Füllvolumen quantitativ überprüft werden.
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Der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann lauten:
Eine Schnittstelle zwischen EIT Gerät und Angiografiegerät überträgt Informationen über den Füllstand der Lunge, insbesondere
- a) der Zeitpunkt der Aufnahme eines ersten 3D-Datensatzes bei angehaltener Beatmung in Exspiration;
- b) der Zeitpunkt der Aufnahme eines weiten 3D-Datensatzes bei angehaltener Beatmung in Inspiration
- c) eine Fluoroskopiesequenz des Zwerchfells mit Tracking über einen Atemzyklus einschließlich der Information des EIT Gerätes über den Beatmungstand, d.h. es erfolgt eine Synchronisation des EIT-Signals mit den Fluorobildern der Fluoroskopiesequenz. Aus diesen Daten und Erfahrungen aus 4D-Computertomografie-Datensätzen kann ein Modell erstellt werden, das Informationen über die Position der verschiedenen Organe abhängig vom EIT-Signal ausgeben kann. Darauf basierend kann das Overlay bereits vor der Durchleuchtung aufgrund des EIT-Signals des Ventilationsgeräts an die richtige Position auf ein Anzeigemittel, z.B. einen Monitor, gebracht werden. Der Vorteil daraus ist eine Zeitersparnis und eine geringere Strahlenbelastung des Patienten gegenüber bildbasierten Trackingsystemen. Das EIT-Signal kann bei Vollnarkose oder auch bei Spontanatmung ausgewertet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005036322 A1 [0005]
