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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildunterstützung bei der Navigation eines in ein Hohlraumorgansystem eines Patienten eingeführten medizinischen Katheters in einen Hohlraumorganabgang gemäß dem Patentanspruch 1 sowie ein System zur Durchführung eines derartigen Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 7.
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Ein abdominelles Aortenaneurysma 2 - siehe 1 - ist eine Gefäßaussackung an der abdominellen Aorta 1, deren Verlängerung in die Beinarterien wird als Illiacal-Aneurysma bezeichnet. Behandelt wird dies entweder in einer offenen Bauch-OP oder minimalinvasiv durch Einsetzen eines sogenannten Stentgrafts 3. Ein solches minimalinvasives Verfahren wird als EVAR = endovascular aneurysm repair bezeichnet. Über die beiden Leisten werden Führungsdrähte 4 und Katheter in die abdominelle Aorta 1 eingebracht, über die ein oder mehrere Stentgrafts 3 (Kombination aus einem Stent und einem künstlichen Blutgefäß) eingebracht werden. Dies geschieht häufig unter Röntgenkontrolle (Fluoroskopie). Um dabei die Applikation von jodhaltigem (potenziell nierenschädigendem) Kontrastmittel zu minimieren, sind verschiedene Verfahren bekannt, die einem zweidimensionalen Fluoroskopie-Bild (Projektionsbild) registrierte prä-operative Datensätze (dreidimensionale Volumenbilder, z.B. CT-Angiographien) überlagern. In der 2 ist ein typisches Fusionsbild 6 aus einer Überlagerung eines Volumenbilds 5 und eines Projektionsbildes gezeigt.
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Insbesondere ist jedoch das Sondieren kleinerer Gefäßabgänge (z.B. der Nierenarterien) dennoch schwierig und langwierig. Zwar existieren als Hilfsmittel eine Vielzahl von verschieden geformten Kathetern, um je nach Situation die einzelnen Abgänge besser sondieren zu können und auch die Überlagerung der Bilder ist hilfreich, da die Abgänge zur Orientierung permanent eingeblendet werden. Für eine erfolgreiche Sondieren muss der Katheter jedoch nicht nur in der Bildebene, sondern auch in der Tiefe richtig ausgerichtet bzw. insbesondere richtig gedreht werden, was mitunter in dem Projektionsbild nur bedingt zu erkennen ist.
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Bei bekannten Verfahren werden die Gefäßabgänge von z.B. einem Arzt „nach Gefühl“ bzw. nach dem „Trial & Error“ Verfahren mit den Kathetern sondiert, eventuell anhand der überlagerten Zusatzinformation. EVAR Prozeduren werden auf Angiographiesystemen unter Durchleuchtungskontrolle durchgeführt. Dazu werden im Allgemeinen CTs segmentiert (üblicherweise in Centerlines und Oberflächengitternetze) und darauf die Planung von EVAR Prozeduren und Registrierung zum Angiosystem durchgeführt. Dabei werden kreisförmige bzw. ovale Marker auf Gefäßabgängen automatisch platziert (syngo EVAR Guidance).
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Aus der US 2017 / 0 319 165 A1 ist ein Verfahren zur Bildunterstützung bei der Navigation eines in ein Hohlraumorgansystem eines Patienten eingeführten medizinischen Instruments bekannt, bei welchem der Orientierungswinkel des Instruments aus der tatsächlichen Länge und der projizierten Länge des Instruments in einem 2D-Röntgenbild bestimmt wird. Aus der WO 2018 / 055 068 A1 ist ein Verfahren zur Planung einer Einstichstelle bei einem chirurgischen Eingriff bekannt, bei welchem eine Katheterspitze in einem 2D-Röntgenbild auf ein 3D-Volumenbild projiziert wird, um die Position zu bestimmen. Aus der WO 2017 / 139 621 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zur Bildunterstützung bei der Navigation eines in ein Hohlraumorgansystem eines Patienten eingeführten medizinischen Instruments bekannt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine Unterstützung gewährleistet, welche eine besonders schnelle und fehlerreduzierte Navigation in Gefäßabgänge ermöglicht; des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein für die Durchführung des Verfahrens geeignetes System bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Bildunterstützung bei der Navigation eines in ein Hohlraumorgansystem eines Patienten eingeführten medizinischen Katheters in einen Hohlraumorganabgang gemäß dem Patentanspruch 1 und von einer Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bildunterstützung bei der Navigation eines in ein Hohlraumorgansystem eines Patienten eingeführten medizinischen Katheters in einen Hohlraumorganabgang umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellung eines insbesondere vorsegmentierten Volumenbildes (bzw. Volumen-Bilddatensatz) des Hohlraumorgansystems und des Hohlraumorganabgangs, welches mittels eines Röntgengerätes aufgenommen wurde, Bereitstellung von Informationen zur geometrischen Form der Katheterspitze, Aufnahme eines aktuellen Projektionsbildes der Katheterspitze, insbesondere mittels eines Kegelstrahl-Röntgengerätes, Registrieren des Volumenbildes und des Projektionsbildes für den Fall, dass keine Vorregistrierung vorliegt, Bestimmung der aktuellen Position und aktuellen Orientierung der Katheterspitze auf dem Projektionsbild anhand des Projektionsbildes, Bestimmung der Relativposition und Relativorientierung der Katheterspitze in Relation zu dem Hohlraumorganabgang, und Anzeige einer Information hinsichtlich der bestimmten Relativposition und/oder Relativorientierung der Katheterspitze in Relation zu dem Hohlraumorganabgang. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird dem einen Eingriff durchführenden Arzt eine Unterstützung bereitgestellt, um schneller und sicherer durch Hohlraumorgane und besonders in kleine Hohlraumorganabgänge zu navigieren und damit den Eingriff schonender und verletzungsrisikoärmer für den Patienten zu gestalten. Es kann durch die schnellere Navigation sowohl Strahlung als auch Kontrastmittel gespart werden und damit die Belastung für den Patienten weiter gesenkt werden. Wird das Projektionsbild aktualisiert durch Aufnahme eines weiteren aktuellen Projektionsbildes, so können entsprechend die Bestimmung der aktuellen Position und aktuellen Orientierung der Katheterspitze auf dem Projektionsbild anhand des Projektionsbildes, die Bestimmung der Relativposition und Relativorientierung der Katheterspitze in Relation zu dem Hohlraumorganabgang, und die Anzeige aktualisiert werden. Dies kann so oft wie gewünscht bzw. erforderlich wiederholt werden. Das Verfahren ist besonders vorteilhaft bei der Navigation in Gefäßen wie z.B. Arterien oder Venen oder in Bronchialsystemen.
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Unter der Orientierung eines Objektes wird dabei die dreidimensionale Ausrichtung des Objektes im Raum bezüglich eines Koordinatensystems verstanden. Bei einem im Wesentlichen zweidimensional ausgedehnten Objekt wie z.B. einer typischen teilweise kreisförmigen Katheterspitze (beispielhafte Formen siehe weiter unten) kann auch die Angabe eines Drehwinkels relativ zu einer Achse (z.B. in der Bildebene oder parallel dazu) sinnvoll sein. Unter der Relativposition und Relativorientierung der Katheterspitze in Relation zu dem Hohlraumorganabgang wird dabei die Differenz bzw. der Betrag der Differenz zwischen der Position der Katheterspitze und der Position des Hohlraumorganabgangs und die Differenz bzw. der Betrag der Differenz zwischen der Orientierung der Katheterspitze und der Orientierung des Hohlraumorganabgangs in Bezug auf dasselbe Koordinatensystem verstanden. Bei dem im Wesentlichen zweidimensional ausgedehnten Objekt wie z.B. der typischen, teilweise kreisförmigen oder gerundeten Katheterspitze (siehe unten) kann ein Relativ-Drehwinkel (Differenz zwischen dem Drehwinkel der Katheterspitze und dem Drehwinkel des Hohlraumorganabgangs relativ zu einer Achse (z.B. parallel zu/ in der Bildebene)) verwendet werden.
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Bei dem Volumenbild handelt es sich um einen für die Prozedur relevanten 3D Datensatz, z.B. eine vor der Prozedur durchgeführte CT-Angiographie oder ein während der Intervention mit einem C-Bogen-Röntgengerät aufgenommenes CT (z.B. Siemens syngo DynaCT), z.B. unter Gabe von Kontrastmittel, welcher die wesentliche Anatomie der zu verformenden Hohlraumorgane zeigt (bei EVAR also Aorta und/oder der Illiacal-Arterien).
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Volumenbild hinsichtlich des Hohlraumorgansystems und seines Hohlraumorganabgangs segmentiert, insbesondere für den Fall, dass keine Vorsegmentierung vorliegt. Eine derartige Segmentierung ist ein bekanntes Verfahren, welches die weitere Bearbeitung von 2D- oder 3D-Bildern deutlich erleichtert, indem bestimmte Strukturen (also z.B. das Hohlorgan) erkannt und z.B. markiert oder hervorgehoben werden. Anschließend kann das so segmentierte Hohlorgan z.B. als Gitternetz oder Centerline dargestellt werden. Liegt bereits eine passende Vorsegmentierung vor, kann dieser Schritt auch weggelassen werden.
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Zusätzlich können bereits weitere Informationen über den Hohlraumorganabgang vorliegen, welche aus dem Volumenbild entnommen oder auf andere Weise erhalten wurden. Diese können z.B. in Form von kreisförmigen oder ovalen (Ostiums-)Markern angezeigt oder in das Volumenbild oder ein Fusionsbild eingeblendet werden. Die (Ostiums-)Marker können automatisch oder manuell platziert werden (z.B. als Bestandteil des Siemens Produktes „syngo EVAR Guidance“).
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Eine Registrierung des Volumenbildes und des aktuellen Projektionsbildes wird gemäß bekannten Registrierungsverfahren durchgeführt, üblicherweise über eine 2D3D oder 3D3D Registrierung. Falls das zu überlagernde Volumenbild mittels desselben Röntgengeräts aufgenommen wurde wie das (Live-) Projektionsbild, so kann dieser Schritt der Registrierung entfallen. Sind das Volumenbild und das aktuelle Projektionsbild registriert (vorregistriert oder im Rahmen eines Registrationsverfahrens registriert), so kann z.B. an einer Anzeigeeinheit ein Fusionsbild aus Volumenbild und Projektionsbild angezeigt werden. Wird das Projektionsbild aktualisiert durch Aufnahme eines weiteren aktuellen Projektionsbildes, so kann auch das Fusionsbild aktualisiert werden, z.B. durch Ersetzen des ersten Projektionsbild oder durch zusätzliches Überblenden.
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Die Informationen zur geometrischen Form der Katheterspitze können insbesondere aus einer Datenbank oder einem Speicher entnommen werden. Die Information kann z.B. als segmentiertes Bild oder numerisch, z.B. als Spline, Polygonzug o.ä. vorliegen. Die Form der Katheterspitze von bekannten, für derartige Eingriffe verwendeten Kathetern erstreckt sich üblicherweise nahezu in einer Ebene (also fast zweidimensional mit einer nur sehr geringen Ausdehnung in die dritte Dimension) und ist außerdem teilweise gerundet oder kreisförmig ausgebildet, z.B. als Spirale („Pigtail“), mit einer einfachen Krümmung oder mit einer Doppel-Krümmung („Shepherd Hook“). Die Darstellung eines derartigen Katheters im Projektionsbild ändert sich mit einem sogenannten Drehwinkel der Katheterspitze relativ zu einer Achse in der Bild- bzw. Projektionsebene.
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Durch die Überlagerung von Volumenbild und aktuellem Projektionsbild ist eine Bestimmung der Position des Katheters in zwei Dimensionen innerhalb der Bildebene im Allgemeinen durch einfache geometrische Berechnungen möglich, eventuell unter Einbeziehung von Bilderkennungs- und Bildbearbeitungsverfahren. Zur Bestimmung oder Berechnung der Orientierung gibt es mehrere Möglichkeiten, die allein verwendet oder kombiniert werden können. Es kann auch einfach eine Schätzung erfolgen.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird die aktuelle Orientierung der Katheterspitze aus dem Projektionsbild unter Verwendung der projizierten Abbildung der Katheterspitze auf dem Projektionsbild und/oder aus der Strahlengeometrie des das Projektionsbild aufnehmenden Röntgenstrahls berechnet. In vielen Fällen, also insbesondere dann, wenn die Projektion nicht exakt entlang der zweidimensionalen Form der Katheterspitze (also nicht in der Ebene der Katheterspitze) erfolgt, kann aus der projizierten Abbildung bei Kenntnis der Form des Katheters sehr exakt auf die Orientierung der (teilweise gerundeten oder kreisförmigen) Katheterspitze bzw. den Drehwinkel der Katheterspitze zu der Bildebene geschlossen werden bzw. diese aus den geometrischen Verhältnissen der projizierten Abbildung mathematisch berechnet werden. So lässt sich der Kosinus des Drehwinkels α der Katheterspitze um eine Achse in der/ parallel zur Bildebene als Verhältnis zwischen tatsächlicher Breite TB und projizierter Breite PB der teilweise gerundeten Katheterspitze berechnen: cos(α) = (PB)/(TB). Die tatsächliche Breite TB der gerundeten Katheterspitze ist bekannt, die projizierte Breite PB wird durch eine Bilderkennung aus dem aktuellen Projektionsbild bestimmt. Es kann zusätzlich oder alternativ nötig sein, z.B. für den Fall, dass die Projektion entlang der Form der Katheterspitze erfolgt, die Strahlengeometrie des das Projektionsbild aufnehmenden Röntgenstrahls miteinzubeziehen, insbesondere wenn es sich um eine Kegelstrahlprojektion handelt. Erfindungsgemäß wird in einer ersten Variante die aktuelle Orientierung der Katheterspitze aus dem Projektionsbild unter Verwendung der projizierten Abbildung der Katheterspitze auf dem Projektionsbild und aus der Strahlengeometrie des das Projektionsbild aufnehmenden Röntgenstrahls berechnet, indem aus den wegen der Asymmetrie unterschiedlichen Projektionen der einzelnen Strahlen der Kegelstrahlung die Orientierung bzw. der Drehwinkel der Katheterspitze berechnet wird. Bei einer Kegelstrahlprojektion sind die Projektionen der einzelnen Strahlen wegen der Asymmetrie unterschiedlich, so dass daraus auch die Orientierung bzw. der Drehwinkel der Katheterspitze berechnet werden kann. Details dazu werden weiter unten beschrieben.
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Erfindungsgemäß wird in einer zweiten Variante die aktuelle Orientierung der Katheterspitze aus dem Projektionsbild mittels eines vortrainierten maschinenlernenden Algorithmus bestimmt. Dieser kann alternativ oder zusätzlich zu den oben beschriebenen Bestimmungsmöglichkeiten verwendet werden. Der maschinenlernende Algorithmus kann anhand von einer Vielzahl von Projektionsbildern von Katheterspitzen und den zugehörigen Orientierungen vortrainiert sein.
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Aus der Position und/oder Orientierung der Katheterspitze und der Position und/oder Orientierung des Hohlraumabgangs (welche aus dem Volumenbild bestimmt werden können) wird anschließend die Relativposition und Relativorientierung der Katheterspitze in Relation zu dem Hohlraumorganabgang bestimmt und dazu eine Information angezeigt. Eine solche Anzeige einer Information ist in vielen Formen möglich. So kann eine optische oder eine akustische oder eine haptische Anzeige durchgeführt werden. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Anzeige optisch von einer Abbildung (z.B. die Katheterspitze und der Hohlraumorganabgang werden schematisch angezeigt) oder einem grafischen Symbol (z.B. Pfeil(e) oder Kreis(e), welche eine Drehrichtung angeben, werden angezeigt) oder einer numerischen Angabe (z.B. eine Gradangabe wird angezeigt) oder einer Farbanzeige (z.B. die Abbildung wird farbig überblendet oder es wird eine Ampelanzeige, welche abhängig vom Relativ-Drehwinkels rot, gelb oder grün gefärbt ist, angezeigt) gebildet. Es kann auch bei einer Veränderung, z.B. nach Aufnahme eines neuen aktuellen Projektionsbildes, optisch oder akustisch eine Annäherung angezeigt werden, z.B. in Form von verschiedenen Tönen oder Farben bei einer Annäherung, also Verringerung des Relativ-Drehwinkels.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden zur Bestimmung der Position und Orientierung des Hohlraumorganabgangs Marker verwendet und gegebenenfalls angezeigt. Hierbei handelt es sich um ein bekanntes Verfahren zur Bestimmung der Position/Orientierung von Gefäßabgängen. Diese werden dabei während eines Eingriffs permanent in das Projektionsbild (Live-Fluoroskopiebild) bzw. das aus dem Volumenbild und dem aktuellen Projektionsbild überlagerte Fusionsbild eingeblendet, z.B. als Kreise bzw. Ovale, abhängig von ihrer Orientierung.
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Außerdem beansprucht die Erfindung ein System zur Durchführung eines Verfahrens zur Bildunterstützung bei der Navigation eines in ein Hohlraumorgansystem eines Patienten eingeführten medizinischen Katheters in einen Hohlraumorganabgang, aufweisend ein bildgebendes Gerät zur Aufnahme von Projektionsbildern, eine Speichervorrichtung zur Speicherung von Daten und Bilddaten, eine Bildverarbeitungsvorrichtung zur Durchführung von Segmentierungen von medizinischen Volumenbildern und/oder Projektionsbildern, eine Recheneinheit zur Bestimmung der Position und der Orientierung der Katheterspitze und zur Bestimmung der Relativposition und Relativorientierung der Katheterspitze in Relation zu dem Hohlraumorganabgang, eine Anzeigevorrichtung zur Anzeige von Informationen hinsichtlich der bestimmten Relativposition und/oder Relativorientierung und eine Systemsteuerung zur Ansteuerung des Systems. Das System kann außerdem einen vortrainierten maschinenlernenden Algorithmus aufweisen, der dazu ausgebildet ist, die aktuelle Orientierung der Katheterspitze aus dem Projektionsbild zu bestimmen.
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Die Erfindung umfasst zudem ein Computerprogrammprodukt, welches ein Programm umfasst und direkt in einen Speicher einer programmierbaren Recheneinheit ladbar ist, mit Programmmitteln, um ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen, wenn das Programm in der Recheneinheit ausgeführt wird.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele erfolgt. Es zeigen:
- 1 eine Ansicht eines abdominellen Aortenaneurysmas mit eingebrachtem Stent nach dem Stand der Technik;
- 2 eine Ansicht einer 2D3D-Überlagerung nach dem Stand der Technik;
- 3 eine Ansicht verschiedener typischer Katheterspitzen nach dem Stand der Technik;
- 4 eine Abfolge eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bildunterstützung bei der Navigation eines Katheters in einen Hohlraumorganabgang;
- 5 eine Ansicht einer 2D3D-Überlagerung von Volumenbild und Projektionsbild mit eingeblendeten Markern für die Hohlraumorganabgänge;
- 6 eine Ansicht eines Katheters in einem Hohlraumorgan auf einem Projektionsbild;
- 7 eine Ansicht des Katheters in dem Hohlraumorgan orthogonal zu der Projektionsansicht des Projektionsbilds in 6;
- 8 bis 10 Ansichten einer Katheterspitze auf einem Projektionsbild entsprechend 6;
- 11 bis 13 Ansichten des Drehwinkels der Katheterspitzen der 8 bis 10 orthogonal zu den Projektionsansichten des Projektionsbilds in 6;
- 14 eine Ansicht eines Drehwinkel einer Katheterspitze und den Drehwinkel des Hohlraumorganabgangs relativ zur Bildebene;
- 15 eine Ansicht einer Anzeige einer Information hinsichtlich der bestimmten Relativorientierung; und
- 16 ein System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere vorteilhaft als Bildunterstützung während der Navigation eines in ein Hohlraumorgansystem eines Patienten eingeführten medizinischen Katheters in einen Hohlraumorganabgang. Ein Beispiel für solche Navigationen sind die minimalinvasive Behandlung von Aortenaneurysmen (EVAR), der Austausch von Aortenklappen, Interventionen der Herzkranzgefäße, Interventionen in der interventionellen Radiologie oder der Neuroradiologie.
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In der 3 sind verschiedene Katheter 7 mit typischen Katheterspitzen 8 für einen Einsatz in Hohlraumorganen, insbesondere beim Sondieren kleinerer Hohlraumorgan- bzw. Gefäßabgänge (z.B. der Nierenarterien), gezeigt. Die Form der Katheterspitze 8 von bekannten Kathetern 7 erstreckt sich üblicherweise nahezu in einer Ebene (also zweidimensional ausgedehnt mit einer nur sehr geringen Ausdehnung in die dritte Dimension), und außerdem ist die Katheterspitze 8 teilweise gerundet oder gar kreisförmig, z.B. als Spirale („Pigtail“, mittlerer Katheter), mit einer einfachen Krümmung oder mit einer Doppel-Krümmung („Shepherd Hook“, linker Katheter), ausgebildet. Die Darstellung des Katheters 7 im Projektionsbild ändert sich mit einem Drehwinkel der Katheterspitze relativ zu einer Achse in der/ parallel zu der Bild- bzw. Projektionsebene. Beispielhaft ist dies für die Spirale 8' gezeigt. Liegt die Ebene der Spirale 8' vollständig in der Bildebene, so entspricht die tatsächliche Breite TB der Spirale 8' exakt der projizierten Breite PB der Spirale 8'. Bei Abweichungen, also wenn die Ebene der Spirale 8' um einen Drehwinkel α um die Bildebene gekippt ist, so verringert sich die projizierte Breite PB der Spirale 8'. Die teilweise runden Katheterspitzen dienen auch der möglichst schonenden Fortbewegung innerhalb von Hohlraumorganen. Es können jedoch auch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens andere Formen von Katheterspitzen verwendet werden. Diese sollten jedoch eine Ausdehnung in zumindest zwei Dimensionen aufweisen.
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In der 4 sind die wichtigsten Schritte des Verfahrens gezeigt. In einem ersten Schritt 10 wird ein Volumenbild bzw. ein 3D-Datensatz des Hohlraumorgansystems und des Hohlraumorganabgangs, welches mittels eines Röntgengerätes aufgenommen wurde, bereitgestellt. Das Volumenbild kann z.B. aus einer Speichereinheit oder aus einer Datenbank abgerufen werden und/oder von einer Kommunikationseinheit übermittelt werden. Es kann auch direkt aufgenommen und bereitgestellt werden. Das Volumenbild bzw. der 3D Datensatz kann z.B. von einer CT-Angiographie oder einem C-Arm CT (z.B. unter Gabe von Kontrastmittel) gebildet werden. Z.B. im Rahmen einer EVAR Prozedur kann das Volumenbild einen Teil der Aorta und/oder der Illiacal-Arterien abbilden.
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Das Volumenbild kann bereits vorsegmentiert sein, also z.B. in einem Vorschritt automatisch oder von einem Nutzer segmentiert worden sein. Ist dies nicht der Fall, so erfolgt in einem optionalen zweiten Schritt 11 eine Segmentierung des Volumenbildes, insbesondere hinsichtlich der Hohlraumorgane und Hohlraumorganabgänge. Segmentierungsverfahren sind allgemein bekannt und werden häufig zum Erkennen von medizinischen Strukturen eingesetzt. Zur Durchführung der Segmentierung kann z.B. eine Bildbearbeitungseinheit verwendet werden. Das Resultat einer Segmentierung sind segmentierte medizinische Strukturen. Zusätzlich können bereits Informationen über den Hohlraumorganabgang vorliegen, welche aus dem Volumenbild entnommen oder auf andere Weise erhalten wurden. So können z.B. die Hohlraumorganabgänge des Hohlraumorgans 20 in Form von kreisförmigen oder ovalen Markern 21 in das Volumenbild eingezeichnet oder eingeblendet sein - siehe z.B. 5. Die Marker 21 können automatisch oder manuell platziert werden (z.B. als Bestandteil des Siemens Produktes „syngo EVAR Guidance“).
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In einem dritten Schritt 12 werden Informationen zur geometrischen Form der Katheterspitze bereitgestellt. Die Informationen können insbesondere aus einer Datenbank oder einer Speichereinheit entnommen werden und/oder von einer Kommunikationseinheit übermittelt werden. Die Information kann z.B. als segmentiertes Bild, numerisch, z.B. als Spline, Polygonzug o.ä. oder in jeder anderen möglichen Form vorliegen.
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In einem vierten Schritt 13 wird ein aktuelles Projektionsbild der Katheterspitze aufgenommen, insbesondere mittels eines Kegelstrahl-Röntgengerätes. So werden häufig zur Überwachung der Vorgehensweise ein Projektionsbild oder mehrere Projektionsbilder (z.B. in regelmäßigen zeitlichen Abständen) live aufgenommenen, bevor und/oder während ein Eingriff erfolgt. Derartige fluoroskopische Röntgenbilder werden z.B. mit einem C-Bogen-Röntgengerät (z.B. einem mobilen oder festinstallierten C-Bogen-Röntgengerät) erstellt. Eine schematische Ansicht eines solchen Projektionsbildes ist in der 6 gezeigt. Es zeigt ein Hohlraumorgan 20 mit dem darin befindlichen Katheter 7, die Katheterspitze 8 und einen Hohlraumorganabgang 21 (welcher zur besseren Sichtbarkeit mittels Marker dargestellt ist). Zur Verdeutlichung der geometrischen Verhältnisse ist ein dreidimensionales Koordinatensystem mit einer ersten Achse x, einer zweiten Achse y und einer dritten Achse z dargestellt. Die Bild- bzw. Projektionsebene wird von der ersten Achse x und der zweiten Achse y gebildet, d.h. der Hauptstrahl der Röntgenstrahlung RS projiziert in Richtung der dritten Achse z. In der 7 ist die Geometrie der Anordnung aus einer zu der Bildebene orthogonalen Richtung gezeigt, mit Sicht „in das Hohlraumorgan 20 hinein“ auf eine Ebene, welche von der dritten Achse z und der ersten Achse x gebildet wird. Der Verlauf der Röntgenstrahlung RS ist ebenfalls angedeutet.
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In einem optionalen fünften Schritt 14 werden das aktuelle Projektionsbild und das bereitgestellte Volumenbild miteinander registriert, insbesondere für den Fall, dass keine Vorregistrierung vorliegt. Eine Registrierung des Volumenbildes und des aktuellen Projektionsbildes wird gemäß bekannten Registrierungsverfahren durchgeführt, üblicherweise über eine 2D3D (oder 3D3D) Registrierung. Falls das zu überlagernde Volumenbild mittels desselben Röntgengeräts aufgenommen wurde wie das Projektionsbild oder bereits eine Vorregistrierung vorliegt, so kann dieser Schritt der Registrierung entfallen. Sind das Volumenbild und das aktuelle Projektionsbild registriert, so kann z.B. an einer Anzeigeeinheit ein Fusionsbild aus Volumenbild und Projektionsbild angezeigt werden (siehe z.B. 2).
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In einem sechsten Schritt 15 wird die aktuelle Position und aktuelle Orientierung der Katheterspitze auf dem Projektionsbild anhand des Projektionsbildes bestimmt. Die generelle Position der Katheterspitze in zwei Dimensionen innerhalb der Bildebene kann im Allgemeinen durch einfache geometrische Berechnungen durchgeführt werden, eventuell unter Einbeziehung von Bilderkennungs- und Bildbearbeitungsverfahren. Die Orientierung der Katheterspitze kann bei Kenntnis der geometrischen Form der Katheterspitze in vielen Fällen aus der Projektion der Form der Katheterspitze auf dem Projektionsbild bestimmt werden, zum Beispiel durch Berechnung oder Schätzung, auch hier unter Einbeziehung von Bilderkennungs- und Bildbearbeitungsverfahren, welche die geometrischen Längen und Breiten (z.B. die projizierte Breite PB der Katheterspitze) aus dem Projektionsbild entnimmt. So kann bei einer typischen Katheterspitze, welche eine Ausdehnung in einer Ebene aufweist, wie z.B. einer Spirale oder Krümmung, die Bestimmung eines Drehwinkels relativ zu einer Achse (z.B. zu der ersten Achse x) in der Bildebene (oder parallel dazu) zur Bestimmung der Orientierung ausreichend sein.
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So lässt sich der Kosinus des Drehwinkels α der Katheterspitze um eine Achse in der/ parallel zur Bildebene als Verhältnis zwischen tatsächlicher Breite TB und projizierter Breite PB der teilweise gerundeten Katheterspitze berechnen: cos(α) = (PB)/(TB). Die tatsächliche Breite TB der gerundeten Katheterspitze ist bekannt, die projizierte Breite PB wird durch eine Bilderkennung aus dem aktuellen Projektionsbild bestimmt. In den 8 bis 10 sind beispielhaft projizierte Breiten PB einer spiralförmigen Katheterspitze 8 gezeigt, zusammen mit dem Koordinatensystem. Zur Verdeutlichung sind entsprechende Ansichten in das Hohlraumorgan hinein mit den zugehörigen Drehwinkeln α in den 11 bis 13 gezeigt. Dabei entspricht eine Projektion wie in 8 gezeigt, mit sehr kleiner projizierter Breite PB der Spirale, einem Drehwinkel α wie in 11 gezeigt, nahe der 90°. Eine Projektion wie in 10 gezeigt, mit einer projizierten Breite PB, die in etwa gleich der tatsächlichen Breite TB ist, entspricht einem Drehwinkel von etwa 0°, wie in 13 gezeigt. Eine Projektion wie in 9 gezeigt, mit einer projizierten Breite PB, die in etwa 1/3 der tatsächlichen Breite TB ist, entspricht einem Drehwinkel von etwa 30°, wie in 12 gezeigt. Zur Vereinfachung liegt in den 11 bis 13 der Hohlraumorganabgang in der Bildebene. Dies ist jedoch im Normalfall nicht der Fall und der Hohlraumorganabgang weist selbst einen Drehwinkel β zur Bildebene auf - siehe 14. Dies wird weiter unten noch näher beschrieben.
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Für den Fall, dass die projizierte Breite PB der Katheterspitze sehr gering ist, kann es notwendig sein, die Strahlengeometrie der das Projektionsbild aufnehmenden Röntgenstrahlung RS miteinzubeziehen, insbesondere wenn es sich um eine Kegelstrahlprojektion handelt. Bei einer Kegelstrahlprojektion sind die Projektionen der einzelnen Strahlen wegen der Asymmetrie unterschiedlich, so dass daraus auch die Orientierung bzw. der Drehwinkel der Katheterspitze berechnet werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich zur Berechnung oder Schätzung nach dem oben beschriebenen Verfahren wird die aktuelle Orientierung der Katheterspitze aus dem Projektionsbild mittels eines vortrainierten maschinenlernenden Algorithmus bestimmt. Der maschinenlernende Algorithmus kann anhand von einer Vielzahl von Projektionsbildern von Katheterspitzen und den zugehörigen Orientierungen vortrainiert worden sein und im Rahmen des Verfahrens zur Verfügung gestellt werden. Der maschinenlernenden Algorithmus basiert z.B. auf Neuronalen Netzen, es kann z.B. ein Deep Learning Algorithmus verwendet werden.
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Die Verwendung von maschinenlernenden Algorithmen kann besonders dann von Vorteil sein, wenn eine Auflösung der geometrischen Verhältnisse mit normalen Bilderkennungsverfahren schwierig ist. Übliche Röntgengeräte, welche bei minimalinvasiven Eingriffen eingesetzt werden, also z.B. Angiographie-Systeme arbeiten nicht mit Parallelstrahlung sondern mit Kegelstrahlung. Bei einer Kegelstrahlprojektion sind die Projektionen der einzelnen Strahlen wegen der Asymmetrie unterschiedlich, so dass daraus auch dann die Orientierung bzw. der Drehwinkel der Katheterspitze berechnet werden kann, wenn die projizierte Breite der Katheterspitze sehr gering ist. Durch maschinenlernende Verfahren können Ungenauigkeiten durch die Abweichung zur Parallelgeometrie besser erkannt werden, aber auch Doppeldeutigkeiten bei symmetrischen Drehwinkeln aufgelöst werden. Eine solche Zuordnung kann einfach trainiert werden, indem eine Vielzahl von Projektionsbildern entsprechender Katheterspitzen angefertigt werden und der Algorithmus lernt, dem jeweiligen Projektionsbild den Drehwinkel α relativ zur Bildebene zuzuordnen.
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In einem siebten Schritt 16 wird die Relativposition und/oder Relativorientierung der Katheterspitze in Relation zu dem Hohlraumorganabgang bestimmt. Unter der Relativposition und Relativorientierung der Katheterspitze in Relation zu dem Hohlraumorganabgang wird dabei die Differenz bzw. der Betrag der Differenz zwischen der Position der Katheterspitze und der Position des Hohlraumorganabgangs und die Differenz bzw. der Betrag der Differenz zwischen der Orientierung der Katheterspitze und der Orientierung des Hohlraumorganabgangs in Bezug auf dasselbe Koordinatensystem verstanden. Die Relativposition kann wiederum einfach durch Differenz der zuvor bestimmten Positionen bestimmt werden.
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Da häufig der zweite Drehwinkel β des zu treffenden Hohlraumorganabgangs relativ zur Bildebene nicht gleich 0 ist, muss auch hier eine Differenz zwischen dem zweiten Drehwinkel des Hohlraumorganabgangs und dem Drehwinkel a der Katheterspitze gebildet werden, µ=β-α - siehe z.B. in 14. Der Differenzwinkel µ=β-α entspricht dem Betrag, um den der Arzt den Katheter drehen muss, um den Hohlraumorganabgang (z.B. Ostium bei der Aorta) zu „treffen“. Der zweite Drehwinkel β des Hohlraumorganabgangs (z.B. des markierten zu sondierenden Ostiums) relativ zur Bildebene ist im Allgemeinen aus der Segmentierung bekannt bzw. zu entnehmen.
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Anschließend wird in einem achten Schritt 17 zumindest eine Information hinsichtlich der bestimmten Relativposition und/oder Relativorientierung der Katheterspitze in Relation zu dem Hohlraumorganabgang angezeigt. Es kann z.B. der Differenzwinkel µ angezeigt werden, um dem Arzt bzw. Nutzer eine Unterstützung zu geben, da er dann leicht sehen kann, um welchen Winkel er den Katheter drehen muss, um ohne Verletzung oder Widerstand in den Hohlraumorganabgang navigieren zu können. So kann eine optische Anzeige z.B. in das angezeigte Fusionsbild eingeblendet oder in einem Extrafenster gezeigt werden. Es können z.B. durch schematische Darstellung die beiden Drehwinkel α und β und/oder das Hohlraumorgans gezeigt werden. In der 15 ist eine beispielhafte Anzeige gezeigt, bei der in einem extra Anzeigefenster 22, welches dem Fusionsbild 6 überblendet ist, der Drehwinkel α durch einen Pfeil symbolisiert relativ zu dem Hohlraumorganabgang gezeigt ist, in einer Ansicht orthogonal zum Fusionsbild. Es kann auch einfach eine numerische Anzeige der Drehwinkel α und β und/oder des Differenzdrehwinkels µ erfolgen. Die Drehwinkel α und β und/oder der Differenzdrehwinkel µ können auch durch einen Farbcode in das Fusionsbild eingeblendet werden, z.B. indem die Katheterspitze und der den Hohlraumorganabgang anzeigende Marker eingefärbt sind, je nachdem, wie groß die entsprechenden Drehwinkel sind. Die Einfärbung kann z.B. rot sein, wenn der Differenzdrehwinkel groß ist, bei mittelgroßem Differenzdrehwinkel gelb und bei kleinem grün sein. In ähnlicher Art kann einfach eine Ampelanzeige vorhanden sein und/oder akustisch können verschiedene Töne unterschiedliche Differenzdrehwinkel symbolisieren. Es kann auch einfach ein grafisches Symbol, wie z.B. ein Pfeil, angezeigt werden, welches die Drehrichtung anzeigt.
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Nach dem achten Schritt 17, der Anzeige, kann das Verfahren bei Bedarf beendet werden. Es kann aber auch z.B. das Projektionsbild aktualisiert werden durch Aufnahme eines weiteren aktuellen Projektionsbildes. Dann werden die der sechste Schritt 15, der siebte Schritt 16 und der achte Schritt 17 ebenfalls wiederholt, um dem Arzt oder der Bedienperson eine aktualisierte Anzeige einer Information hinsichtlich der bestimmten Relativposition und/oder Relativorientierung der Katheterspitze in Relation zu dem Hohlraumorganabgang zu zeigen. Diese Aktualisierung kann bei Bedarf so oft wie nötig wiederholt werden. Dem Arzt oder der Bedienperson steht somit während einer Navigation in einem Hohlraumorgan eine hilfreiche Unterstützung zur Verfügung, wodurch er schneller und sicherer in insbesondere kleinere Hohlraumorganabgänge navigieren kann. Bei Bedarf kann auch das Fusionsbild aktualisiert werden, z.B. durch Ersetzen des ersten Projektionsbild oder durch zusätzliches Überblenden.
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Einige der Schritte des Verfahrens können soweit sinnvoll auch in einer anderen Reihenfolge als angegeben durchgeführt werden, so kann z.B. die Informationen zur geometrischen Form der Katheterspitze als erstes bereitgestellt werden.
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In der 16 ist ein System 30 zur Durchführung des Verfahrens zur Bildunterstützung bei der Navigation eines in ein Hohlraumorgansystem eines Patienten eingeführten medizinischen Instruments, insbesondere Katheters, in einen Hohlraumorganabgang, gezeigt. Das System 30 weist ein bildgebendes Gerät 31 wie z.B. ein Röntgengerät zur Aufnahme von Projektionsbildern auf. Es kann z.B. von einem C-Bogen-Röntgengerät gebildet werden, welches mobil oder festinstalliert ausgebildet ist. Das System 30 weist eine Recheneinheit 34 mit einem Prozessor auf, wobei die Recheneinheit 34 dazu ausgebildet ist, eine Bestimmung von Position und Orientierung einer Katheterspitze anhand eines Projektionsbildes und eine Bestimmung der Relativposition und Relativorientierung der Katheterspitze in Relation zu dem Hohlraumorganabgang durchzuführen. Die Recheneinheit kann einen vortrainierten maschinenlernenden Algorithmus 24 aufweisen, der wiederum dazu ausgebildet ist, die aktuelle Orientierung der Katheterspitze aus dem Projektionsbild zu bestimmen. Der maschinenlernende Algorithmus kann anhand von einer Vielzahl von Projektionsbildern von Katheterspitzen und den zugehörigen Orientierungen vortrainiert sein. Außerdem weist das System eine Speichereinheit 32 zur Speicherung von verschiedenen Bilddaten und Informationen auf. Das System kann außerdem eine - nicht gezeigte - Kommunikationsvorrichtung zur Abfrage von medizinischen Daten oder Informationen aus externen Datenspeichern aufweisen. Außerdem umfasst das System 30 eine Bildverarbeitungsvorrichtung 33, welche dazu ausgebildet ist, Segmentierungen von medizinischen Volumenbildern und/oder Projektionsbildern durchzuführen. Außerdem ist dem System 30 eine Anzeigeeinheit 36 zur Anzeige von Bilddaten und eine Eingabeeinheit 37 zur Entgegennahme von Usereingaben zugeordnet. Das System 30 wird von einer Systemsteuerung 38 angesteuert.
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Die Erfindung umfasst ein System zur bildbasierten Unterstützung bei der Navigation von Instrumenten wie z.B. Kathetern in Hohlraumorganen, insbesondere hilfreich beim Sondieren kleinerer Hohlraumorganabgänge (z.B. Nierenarterien usw.). Umfasst ist eine bildbasierter Bestimmung (z.B. Schätzung oder Berechnung) der Drehung eines Instrumentes relativ zur Bildebene, z.B. mit lernbasierten Verfahren, eine Berechnung der Drehung des Instrumentes relativ zum zu sondierenden Gefäßabgang und eine Anzeige der durchzuführenden Drehung für den Benutzer.
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Die Erfindung lässt sich in folgender Weise kurz zusammenfassen: Für eine besonders schnelle und fehlerreduzierte Navigation in Gefäßabgänge ist ein Verfahren zur Bildunterstützung bei der Navigation eines in ein Hohlraumorgansystem eines Patienten eingeführten medizinischen Katheters in einen Hohlraumorganabgang mit den folgenden Schritten vorgesehen: Bereitstellung eines insbesondere vorsegmentierten Volumenbildes des Hohlraumorgansystems und des Hohlraumorganabgangs, welches mittels eines Röntgengerätes aufgenommen wurde, Bereitstellung von Informationen zur geometrischen Form der Katheterspitze, Aufnahme eines aktuellen Projektionsbildes der Katheterspitze, insbesondere mittels eines Kegelstrahl-Röntgengerätes, Registrieren des Volumenbildes und des Projektionsbildes für den Fall, dass keine Vorregistrierung vorliegt, Bestimmung der aktuellen Position und aktuellen Orientierung der Katheterspitze auf dem Projektionsbild anhand des Projektionsbildes, Bestimmung der Relativposition und Relativorientierung der Katheterspitze in Relation zu dem Hohlraumorganabgang, und Anzeige einer Information hinsichtlich der bestimmten Relativposition und/oder Relativorientierung der Katheterspitze in Relation zu dem Hohlraumorganabgang.
