DE102022209835A1

DE102022209835A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bereitstellung einer Darstellung von zumindest einem Lumen und/oder eines Organs und/oder einer Gewebestruktur und/oder eines Kompartimentes eines zu untersuchenden Bereiches eines menschlichen oder tierischen Körpers als auch deren Verwendung.

Info

Publication number: DE102022209835A1
Application number: DE102022209835.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Kurts; Alexander Marc Christian Böhner; Alexander Effland
Original assignee: Rheinische Friedrich Wilhelms Univ Bonn Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Rheinische Friedrich Wilhelms Universitaet Bonn Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Rheinische Friedrich Wilhelms Univ Bonn Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Rheinische Friedrich Wilhelms Universitaet Bonn Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2022-09-19
Filing date: 2022-09-19
Publication date: 2024-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Bereitstellung einer Darstellung von zumindest einem Lumen, und/oder einem Organ und/oder einer Gewebestruktur und/oder einem Kompartiment eines zu untersuchenden Bereiches eines menschlichen oder tierischen Körpers für die ärztliche Beurteilung eines Krankheitsbildes, aufweisend• Eine Empfangseinrichtung zum Erhalt von volumetrischen Aufnahmen eines zu untersuchenden Bereiches,• Eine Zusammenführungseinrichtung, um die volumetrischen Aufnahmen in einen Datensatz einer 3-dimensionalen Bildaufnahme zusammen zu führen,• Eine Diskriminierungseinrichtung, welche geeignet ist, den Datensatz der 3-dimensionalen Bildaufnahme derart zu klassifizieren, dass zumindest ein oder mehrere Lumina und/oder ein oder mehrere Organe und/oder eine oder mehrere Gewebestrukturen und/oder Kompartimente des zu untersuchenden Bereiches des menschlichen oder tierischen Körpers unterschieden werden,• Eine Propagationseinrichtung, welche von einem oder mehreren vorbestimmten Startpunkt/en in zumindest einem der erkannten Lumina/Organe/Gewebestrukturen/Kompartimente aus mittels eines Fast-Marching-Verfahrens vorwärtsschreitet bis eine vorgegebene Propagationszeit abgelaufen ist oder aber das/die Lumen/Organ/Gewebestruktur/Kompartiment durchwandert ist,• Bereitstellung der quantitativen und morphologischen Analyse der durchschrittenen Lumina/Organe/Gewebestrukturen/Kompartimente zur ärztlichen Beurteilung eines Krankheitsbildes

Description

Hintergrund
In vielen Teildisziplinen der Medizin werden Schnittbilder erstellt, um anschließend eine Diagnose zu stellen oder aber einen Behandlungsplan zu erstellen.
Allerdings ergeben sich immer wieder Fragestellungen, die nicht alleine durch die Bereitstellung von Bildern zu beantworten sind.
Diese Fragestellungen betreffen z.B. spezifische Strukturen wie z.B. Lumina / Organe / Gewebestrukturen / Kompartimente.
An verschiedenen Beispielen soll dies illustriert werden.
Beispielsweise ist bei vielen Fragestellungen eine radiologische und/oder nuklearmedizinische und/oder histologische Diagnostik im Krankheitsverlauf notwendig. Typischerweise werden hierfür dreidimensionale Bildserien (Schnittbildserien) des zu untersuchenden Gebietes aufgezeichnet und anschließend befundet.
Bei Patienten mit Erkrankungen der Atemwege ist eine Hauptfragestellung: Welches Lungenvolumen ist belüftet und steht somit dem Gasaustausch überhaupt zur Verfügung?
Bei Verlust von belüftetem Lungenvolumen kann es zu einer symptomatischen Leistungseinschränkung des Patienten bis hin zur Beatmungspflichtigkeit oder Tod kommen.
Nicht selten ist jedoch die Lunge an sich ohne Befund, da nicht die Lunge, sondern die oberen Atemwege betroffen sind, z.B. kann der Atemweg verlegt sein. Mit anderen Worten die oberen Atemwege weisen ein Hindernis / eine Obstruktion / eine Okklusion auf. Nachfolgend werden die Begriffe Hindernis, Obstruktion und Okklusion synonym verwendet und schränken die Erfindung hierdurch nicht ein.
Diese zu erkennen ist jedoch schwierig.
Beispielsweise ist Brustkrebs eine der häufigsten Krebserkrankungen der Frau. Das moderne Therapiekonzept bei onkologischen Erkrankungen ist in aller Regel interdisziplinär aufgestellt.
Anhand von feingeweblichen oder radiologischen Kriterien wird eine Therapie durch verschiedene Fachrichtungen für jeden Fall individuell zusammengestellt.
Diese umfassen: Operation (Chirurgie), Bestrahlung (Radioonkologie) und Systemtherapie (Onkologie).
Nach Feststellung der Diagnose wird der Tumor zumeist brusterhaltend operiert, d.h. die Brust wird als solche belassen und nicht amputiert. Dabei werden auch Lymphknoten (sog. „Wächterlymphknoten“) entfernt. Je nach Beurteilung des Tumors und der Lymphknoten wird die weitere Therapie durchgeführt.
Die Bestrahlung erfolgt, um das Risiko eines Lokalrezidivs zu reduzieren.
Sind Wächterlymphknoten tumorbefallen, so werden auch die Lymphabflusswege mitbestrahlt, da entlang dieser Bahnen bereits eine Tumoraussaat erfolgte.
Auf diesen Patienten liegt im Folgenden der Fokus:

In der heute geläufigen Praxis wird zur Bestrahlungsplanung eine computertomographische (CT) Aufnahme der Patientin angefertigt und durch ärztliches Personal händisch konturiert.

Dieser Arbeitsschritt ist ausgesprochen zeitaufwendig, da das Zielvolumen als auch die zu schützenden Organe („Risikoorgane“) Bild für Bild in der CT-Aufnahme manuell eingezeichnet werden müssen.
Damit verbunden ist eine große Variabilität zwischen verschiedenen Fachärzten. Die zeigt ein übliches Resultat entsprechend aktuellem Vorgehen. Hier wird eine Boost-Dosis auf den Kernbereich des Tumors bzw. des Tumorbettes (rot) gerichtet, während eine Basale Dosis (gesamter Weichteilmantel der befallenen Brust, in in Grautönen dargestellt) auf die Umgebung gerichtet wird. Die Basale Dosis ist hierbei im Weichteilmantel der befallenen Brust (Zielvolumen) praktisch allerorts identisch. Z.B. bei aggressiv wachsenden Tumoren erfolgt eine Dosis-Aufsättigung (Boost-Dosis) im Bereich des ehemaligen Tumorbettes.
Dieses Vorgehen spiegelt jedoch nicht die tatsächliche Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Tumorzellen wider: Diese streuen wie o.g. entlang der Lymphbahnen zu den Wächterlymphknoten. Diese liegen axillär ( , AX), parasternal ( , PSL) oder subklavikulär ( , SCLAV).
D.h. eine gleichmäßige Bestrahlung mit der Basalen Dosis führt dazu, dass das Brustgewebe / die Weichteile unabhängig von der mutmaßlichen Aufenthaltswahrscheinlich der Tumorzellen bestrahlt wird / werden.
Es wäre daher wünschenswert die Bestrahlungsdosis des Brustgewebes / der Weichteile proportional zur lokalen Tumoraufenthaltswahrscheinlichkeit anzupassen, ohne, dass dies zu einer Verlängerung bzw. im besten Fall sogar zu einer Verkürzung der Bestrahlungsplanung führt.
In einem anderen Beispiel sei die gezielte Auffindung von Obstruktionen angeführt. Solche Obstruktionen können z.B. das Ergebnis eines akuten oder chronischen Vorgangs im Körper darstellen. Obstruktionen im Sinne eines vollständigen Verschlusses oder einer Verengung können dabei häufig nur unzureichend dargestellt werden, da der Verlauf nur schwierig nachzuvollziehen ist.
In einem weiteren Beispiel sei die gezielte Erzeugung von Obstruktionen aufgeführt. So kann es im Rahmen einer Therapie gewünscht sein, bestimmte Bereiche durch Einbringung einer Obstruktion zu blockieren. Beispielhaft sei z.B. die Arterienembolisation aufgeführt, bei der typischerweise ein Arzt unter Durchleuchtung eine Arterie durch Einbringung von Blockademitteln embolisiert, sodass die durch die Arterie zuvor versorgten Bereiche, nach der Einbringung unter- oder unversorgt bleiben, sodass das betroffene Gewebe sich zurückbildet oder abstirbt. Auch hier ergibt sich die Schwierigkeit, dass eine gezielte Planung nicht möglich ist, sondern auf das Können des Arztes vertraut werden muss.
Aufgabe
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung kostengünstige Vorrichtungen bzw. kostengünstige Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, zuverlässig und sicher die bisherigen Methodiken zu verbessern, um so dem Patientenwohl zu dienen.
Kurzdarstellung der Erfindung
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche, der Figuren und der Beschreibung.
Kurzdarstellung der Figuren
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung ist eine schematische Darstellung und nicht maßstabsgetreu. Die Zeichnung schränkt die Erfindung in keiner Weise ein.
Es zeigen:

1a-c beispielhafte CT-Lungenaufnahmen und ad-hoc Auswertung mittels Ausführungsformen der Erfindung entsprechend unterschiedlichen Untersuchungszeitpunkten eines Patienten,
1d eine ad-hoc graphische Darstellung der quantifizierten belüfteten Atemwege und Lungenabschnitte [mm³] der in 1a-c gezeigten Untersuchungszeitpunkte mittels Ausführungsformen der Erfindung, normalisiert zum Voranschreiten des Fast-Marching-Ansatzes in arbiträren Einheiten [AU],
1e eine Visualisierung des Voranschreitens des Fast-Marching-Ansatzes in dreidimensionalen Volumenrekonstruktionen der Atemwege und belüfteten Lungenabschnitte gemäß 1a (MT entspricht „Marching Time“ in arbiträren Einheiten [AU]) mittels Ausführungsformen der Erfindung,
2 CT-Thoraxaufnahmen mit intravenösem Kontrastmittel und ad-hoc Identifikation einer Gefäßunterbrechung mittels Ausführungsformen der Erfindung,
3a dreidimensionale Darstellung eines zu bestrahlenden Gebietes i. S. eines Zielvolumens mit einem Bestrahlungsplan gemäß Stand der Technik,
3b dreidimensionale Darstellung / biomedizinische Kartierung eines zu bestrahlenden Gebietes mittels Ausführungsformen der Erfindung,
3c errechnete Basale Dosis mittels Ausführungsformen der Erfindung,
3d errechnete Boost-Dosis mittels Ausführungsformen der Erfindung,
4a-c Gegenüberstellung errechneter Darstellungen einer Niere eines Patienten vor einer geplanten Arterien-Embolisation (4a), die Ziellokalisation von möglichen Obstruktionen / Okklusionen (4b) und das zu erwartende Ergebnis in einer Nebeneinanderstellung mittels Ausführungsformen der Erfindung (4c),
5-9 Darstellung schematischer Ablaufpläne in den verschiedenen Verfahrensschritten in ihrer beispielhaften Abfolge gemäß Ausführungsformen der Erfindung, und
10 schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung.

Ausführliche Darstellung der Erfindung
Nachfolgend wird die Erfindung eingehender unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt werden. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschrieben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können. D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt.
Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter „ein“, „eine“ und „eines“ nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.
Soweit nachfolgend Verfahren beschrieben werden, sind die einzelnen Schritte eines Verfahrens in beliebiger Reihenfolge anordbar und / oder kombinierbar, soweit sich durch den Zusammenhang nicht explizit etwas Abweichendes ergibt. Weiterhin sind die Verfahren - soweit nicht ausdrücklich anderweitig gekennzeichnet - untereinander kombinierbar.
Angaben mit Zahlenwerten sind in aller Regel nicht als exakte Werte zu verstehen, sondern beinhalten auch eine Toleranz von +/- 1 % bis zu +/- 10 %.
Soweit in dieser Anmeldung Normen, Spezifikationen oder dergleichen benannt werden, werden zumindest immer die am Anmeldetag anwendbaren Normen, Spezifikationen oder dergleichen in Bezug genommen. D.h. wird eine Norm / Spezifikation etc. aktualisiert oder durch einen Nachfolger ersetzt, so ist die Erfindung auch hierauf anwendbar.
Soweit in den Flussdiagrammen Schraffuren dargestellt sind, sind die Schraffuren als Hinweis darauf zu verstehen, dass bestimmte Teilverfahrensschritte einem übergeordneten Verfahren zuordenbar sind, sodass diese einfacher wiedererkannt werden können.
Eine im Wesentlichen durchgehende Schraffur von rechts unten nach links oben kennzeichnet Prozesse, bei denen eine Entgegennahme von Daten erfolgt, sei es Benutzereingaben oder Schnittbilder. Kästchen ohne Schraffur stellen insbesondere Zwischenergebnisse oder die Bereitstellung von Daten, z.B. an einen Benutzer dar.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 1 zur Bereitstellung einer Darstellung von zumindest einem Lumen, und / oder eines Organs und / oder einer Gewebestruktur und / oder eines Kompartimentes eines zu untersuchenden Bereiches eines menschlichen oder tierischen Körpers für die ärztliche Beurteilung eines Krankheitsbildes sowie ggf. dessen Therapieplanung und Verlaufskontrolle.
Dabei wird ein Lumen als ein Hohlkörper, insbesondere aber als ein zur Fluidleitung (Leitung von Gasen und / oder Flüssigkeiten) geeigneter Hohlkörper, wie z.B. ein vaskuläres System, Atemwege, Liquorräume, ein lymphatisches System, Harnwege, Gehörgang, etc. verstanden.
Ebenso fallen unter den Begriff aber auch Körperhöhlen, wie z.B. die Brusthöhle, Bauch- und Beckenhöhle, Nasenhöhlen etc.
Unter einem Organ wird ein spezialisierter Teil des Körpers verstanden, der sich aus unterschiedlichen Zellen und Geweben zusammensetzt. Ein Organ ist eine abgegrenzte Funktionseinheit in einem vielzelligen Lebewesen.
Unter Gewebestruktur ist eine zusammenhängende räumlich-anatomische Struktur, definiert über ihre isoformen bzw. ähnlichen Eigenschaften hinsichtlich der Bildinformation (insbesondere Grau-/Farbwert und lokaler Kontrast), zu verstehen.
Unter Kompartiment wird im Rahmen der Erfindung ein beliebiger dreidimensionaler Raum verstanden, der anhand bestimmter Eigenschaften von anderen benachbarten Strukturen unterscheidbar ist. Hierzu zählen im Rahmen dieser Erfindung insbesondere: „Weichteile“, Organe und / oder Organsysteme (wie z.B. das kardiovaskuläre System).
Die Vorrichtung 1 weist - wie in 10 gezeigt - eine Empfangseinrichtung I/O zum Erhalt von volumetrischen Aufnahmen eines zu untersuchenden Bereiches mittels geeigneter Bildgebungsverfahren, d.h. beliebiger in der Medizin benutzter (3D)-Bildgebungsverfahren auf. Die Empfangseinrichtung I/O kann z.B. eine herkömmliche Kommunikationsschnittstelle für das Internet, insbesondere eine WLAN oder LAN-Schnittstelle mit ausreichender Bandbreite sein.
Dabei ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Art von Bildgebungsverfahren eingeschränkt, sondern kann im Prinzip mit allen aktuellen und zukünftigen Bildgebungsverfahren verwendet werden. Insbesondere können Bildgebungsverfahren wie z.B. ultraschallbasierte Bildgebungsverfahren, Magnetresonanztomographie-basierte (MRT-) Bildgebungsverfahren, strahlungsbasierte Bildgebungsverfahren, insbesondere Röntgen-basierte, insbesondere Computertomographie-basierte (CT-) Bildgebungsverfahren als auch Positronen-Tomographie-basierte (PET-) Bildgebungsverfahren und/oder Szintigraphie-basierte Bildgebungsverfahren Verwendung finden. Entsprechende Geräte werden in der 10 ganz allgemein mit dem Referenzzeichen G bezeichnet. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit können die volumetrischen Aufnahmen eines zu untersuchenden Bereiches auch aus einer Datenbank DB abgerufen werden. Dies ermöglicht zum einen Forschung an bereits vorhanden Daten als auch Verlaufskontrollen.
Weiterhin weist die Vorrichtung 1 eine Zusammenführungseinrichtung auf, um die volumetrischen Aufnahmen in einen Datensatz einer dreidimensionalen Bildaufnahme zusammen zu führen.
Darüber hinaus weist die Vorrichtung 1 eine Diskriminierungseinrichtung auf, welche geeignet ist, den Datensatz der dreidimensionalen Bildaufnahme derart zu klassifizieren, dass zumindest ein Lumen oder mehrere Lumina und / oder ein oder mehrere Organe und / oder eine oder mehrere Gewebestrukturen und / oder Kompartimente des zu untersuchenden Bereiches des menschlichen oder tierischen Körpers unterschieden werden.
Weiterhin weist die Vorrichtung 1 eine Propagationseinrichtung auf, welche von zumindest einem vorbestimmten Startpunkt aus in zumindest eines / eine der erkannten Lumina / Organe / Gewebestrukturen / Kompartimente mittels eines Fast-Marching-Verfahrens, vorwärtsschreitet, bis entweder eine vorgegebene Propagationszeit abgelaufen ist oder aber das / die Lumina / Organe / Gewebestrukturen / Kompartimente durchwandert ist / sind.
Anschließend kann die Vorrichtung 1 eine Einrichtung aufweisen, um die durchschrittenen Lumina/ Organe / Gewebestrukturen / Kompartimente zur ärztlichen Beurteilung eines Krankheitsbildes bereitzustellen, sodass eine quantitative und morphologische Analyse der durchschrittenen Lumina / Organe / Gewebestrukturen / Kompartimente zur ärztlichen Beurteilung eines Krankheitsbildes ermöglicht wird.
Die Zusammenführungseinrichtung, Diskriminierungseinrichtung und Propagationseinrichtung können jeweils in entsprechend ausgestalteten technisch getrennten Einheiten oder aber in einer programmtechnisch ausgestalteten Einheit CPU (engl. central processing unit, dt. Prozessor) bereitgestellt sein. Offensichtlich sind auch Mischformen möglich. Ein weiterer Bestandteil der Vorrichtung kann ein Digitales Informationssystem (DIS) sein, welches bidirektional sowohl mit der I/O als auch der CPU kommunizieren kann und deren Aufgabe die Haushaltung / zeitgerechte Bereitstellung der individuellen Kommandos des jeweiligen Algorithmus ist.
Die Einrichtung zur Bereitstellung kann z.B. auch ein Computerarbeitsplatz (engl. work station) WS sein, an dem die Daten betreffend der durchschrittenen Lumina / Organe / Gewebestrukturen / Kompartimente dargestellt werden können. Ebenso können die Daten auch in einer (externen) Datenbank DB abgerufen und/oder abgelegt werden.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit stellt die Erfindung auch entsprechende Verfahren zur Verfügung.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bereitstellung einer Darstellung von zumindest einem Lumen, und / oder eines Organs und / oder einer Gewebestruktur und / oder eines Kompartimentes eines zu untersuchenden Bereiches eines menschlichen oder tierischen Körpers für die ärztliche Beurteilung eines Krankheitsbildes weist einen Schritt 1100 des Erhaltens von volumetrischen Aufnahmen eines zu untersuchenden Bereiches auf, wobei die volumetrischen Aufnahmen mittels beliebiger 3D-Bildgebungsverfahren zuvor erstellt wurden.
Weiterhin weist ein erfindungsgemäßes Verfahren den Schritt 1200 des Zusammenführens der volumetrischen Aufnahmen in einen Datensatz einer 3-dimensionalen Bildaufnahme, den Schritt 1300 des Klassifizierens des Datensatzes der 3-dimensionalen Bildaufnahme derart, dass zumindest ein oder mehrere Lumina und / oder ein oder mehrere Organe und / oder eine oder mehrere Gewebestrukturen und / oder ein oder mehrere Kompartimente des zu untersuchenden Bereiches des menschlichen oder tierischen Körpers unterschieden werden, den Schritt des Vorwärtsschreitens mittels eines Fast-Marching-Verfahrens von einem vorbestimmten Startpunkt in zumindest einen der erkannten Lumina / Organe / Gewebestrukturen / Kompartimente bis entweder eine vorgegebene Propagationszeit abgelaufen ist oder aber das / die Lumen / Organ / Gewebestruktur / Kompartiment durchwandert ist, und den Schritt 1800 des Bereitstellens des / der durchschrittenen Lumens / Organes / Gewebestruktur / Kompartiments 1900 z.B. zur ärztlichen Beurteilung eines Krankheitsbildes auf.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung stehen die Schichtaufnahmen nach der Zusammenführung 1200 als Voxel zur Verfügung.
Dies hat den Vorteil, dass die Daten mit herkömmlichen Darstellungsprogrammen, die in vielen Praxen vorhanden sind, gesichtet werden können. Ebenso kann aber die Vorrichtung 1 auf herkömmliche Datensätze aufbauen und erfordert keine spezialisierten Datensätze, sodass zum einen bereits erstellte (historische) Aufnahmen als auch neu erstellte Aufnahmen verwendet werden können. Somit kann die Vorrichtung 1 nahtlos und damit besonders kostengünstig in den ärztlichen Alltag integriert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung berücksichtigt die Diskriminierungseinrichtung Kontrastunterschiede im umgebenden dreidimensionalen Voxelraum.
Für die Beurteilung können nicht nur Intensitätsunterschiede, sondern auch Kontrastunterschiede von Interesse sein, da bestimmte Strukturen (Lumina, Organe, Gewebe, Kompartimente) hier besonders gut unterscheidbar sind.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein zur Befundung und / oder Behandlung vorgesehenes Zielvolumen, ggf. in Abstufungen, aufgeweitet dargestellt. Man kann das Zielvolumen innerhalb des in der Erfindung verwendeten Fast-Marching-Verfahrens auch als Propagationswolke verstehen.
Dies ist z.B. dann von besonderem Wert, wenn eine bestimmte Struktur zu unauffällig wäre. Beispielsweise kann es wünschenswert sein ein lymphatisches System akzentuierter darzustellen, sodass diese Bereiche gezielt (und mit einer Sicherheitsmarge) in einen Bestrahlungsplan aufnehmbar sind, während andere Bereiche geschont bleiben können.
Die Erfindung ist in vielen diagnostischen als auch therapeutischen Ansätzen der Medizin und in der Wissenschaft verwendbar.
Insbesondere jedoch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung und / oder das erfindungsgemäße Verfahren zur Darstellung von Obstruktionen in einem Organ oder in einem Lumen verwendet werden. Beispiele für Obstruktionen sind z.B. Obstruktionen durch Lungenkarzinom, Nierenkarzinom oder koronare Erkrankungen.
Ebenso kann die erfindungsgemäße Vorrichtung und / oder das erfindungsgemäße Verfahren zur Darstellung von ggf. abgestuften Zielvolumina als Lumina, Organe, Gewebestrukturen und Kompartimente des Körpers verwendet werden. Darstellung ist hierbei breit zu verstehen und umfasst auch Befundung und Therapieplanung.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung und / oder das erfindungsgemäße Verfahren zur Befundung, Planung und / oder Verlaufskontrolle einer Therapie einer Zielstruktur und / oder seines Umfeldes verwendet werden. Beispielhaft sei hier auf gezielt eingebrachte Obstruktionen, z.B. Arterienembolisation, als auch die Strahlentherapieplanung mittels externer Strahlungsquellen, als auch die Strahlentherapieplanung mittels implantierbarer Strahlungsquellen (Brachytherapie) verwiesen.
Weiterhin kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung und / oder das erfindungsgemäße Verfahren auch zur quantitativen und komparativen Charakterisierung von Lumina hinsichtlich ihrer Volumenströme zu vom Startpunkt weiter entlegenen Teilen der Zielstruktur verwendet werden.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit ist die Erfindung auch als ein Computerprogrammprodukt zur programmtechnischen Einrichtung dazu geeignet, einen Computer WS (Siehe z.B. 10) im Betrieb zur Abarbeitung eines erfindungsgemäßen Verfahrens einzurichten. Dabei ist Computer nicht nur als ein einziger Computer zu verstehen, sondern kann auch als ein verteiltes System auf mehreren Computern verstanden werden. Ebenso kann ein Computerprogrammprodukt nicht nur ein Speichermedium beinhalten, sondern auch die Bereitstellung als herunterladbare Datenfolge.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen weiter ausgeführt werden.
Dabei greifen wir zunächst auf das eingangs erwähnte Beispiel der Bestrahlungsplanung in Zusammenhang mit Brustkrebs auf.
Die Bestrahlung erfolgt z.B. um das Risiko eines Lokalrezidivs zu reduzieren. Sind Wächterlymphknoten tumorbefallen, so werden auch die Lymphabflusswege mitbestrahlt, da entlang dieser Bahnen bereits eine Tumoraussaat erfolgte.
Durch die Erfindung wird nunmehr ein Vorverarbeitung der Schichtaufnahmen - hier CT-Aufnahmen - ermöglicht, die es erlaubt das Zielgewebe - vorliegend das Bindegewebe der Brust und möglicher Lymphbahnen - zu isolieren.
Im Unterschied zum Stand der Technik ist es anschließend möglich eine Konturierung einmalig anstatt für jede Schicht (d.h. für jedes einzelne Schnittbild) vorzunehmen. Dabei kann der betreffende Nutzer, z.B. ein Arzt, z.B. ein Radioonkologe, eine Markierung für das ehemalige Tumorbett und / oder die interessierenden - vorliegend drei Lymphknotenstationen AX, SCLAV, PSL - setzen.
Entsprechend der Entfernung vom Tumorbett kann z.B. durch eine Änderung der Farbe entsprechend der fortschreitenden Zeit im Fast-Marching-Algorithmus ein Wert zugeordnet werden, sodass z.B. die Entfernung entsprechend der Zeit farbkodiert dargestellt werden kann. Beispielhaft sind in der Gebiete der Lymphwege in der Nähe des Tumorbettes rot (kleine Marching Time) dargestellt, während Gebiete der Lymphwege fernab des Tumorbettes blau (große Marching Time) dargestellt sind. Eine solche farbliche Kodierung erlaubt es dem entsprechenden Verwender die erfindungsgemäß ermittelte räumliche Distanz unterschiedlicher individueller Wege besser einschätzen zu können.
Ausgehend vom Tumorbett kann nunmehr automatisiert eine Basale Dosis bestimmt werden, die sich an Risikozonen orientiert. Diese Risikozonen und die damit einhergehende geplante Basale Dosis nimmt mit zunehmender Entfernung vom Tumorbett ab. Beispielhafte Risikozonen sind als konzentrische Kreise innerhalb des Weichteilkompartiments um das Tumorbett mit der Bezeichnung I, II, III angedeutet.
Prinzipiell könnte dieser Prozess auch maschinell - z.B. unterstützt durch ein System mit künstlicher Intelligenz - vorgenommen werden, jedoch sollte auch dann eine ärztliche Kontrolle und gegebenenfalls manuelle Verschiebung / Ersetzung möglich sein.
Zudem können die drei Wächterlymphknoten AX, SCLAV, PSL entsprechend ihrer Tumorlast mit einem Zahlenwert priorisiert werden. Beispielsweise kann - wie in den 3b-3d angenommen - dem axillären Lymphkonten AX eine andere Gewichtung zukommen als den beiden anderen Lymphknoten SCLAV, PSL. Diese Gewichtung ist z.B. auf Basis der Tumorlast, Entfernung zum Tumor, etc. individuell einstellbar.
Im Rahmen der (algorithmischen) Ausarbeitung des Bestrahlungsplans kann z.B. nun eine Basale Dosis ( ) generiert werden, wobei hier schon eine relative Dosissteigerung im Bereich des ehemaligen Tumorbettes erfolgt. Die Basale Dosis nimmt vom Zentrum des Tumorbettes und entsprechend einer geringeren blauen Farbintensität in der Darstellung ab.
Je nach voreingestellter Priorisierung der Wächterlymphknoten erfolgt dann die Dosiskalkulation der Boost-Dosis ( ). Die Boost-Dosis nimmt vom Zentrum des Tumorbettes und entsprechend einer geringeren roten Farbintensität in der Darstellung ab.
D.h. basierend auf den Schnittaufnahmen einer herkömmlichen Planungs-Computertomographie kann nun nach Konturierung des Tumorbettes und gegebenenfalls befallener Lymphknoten mittels der Erfindung eine automatische Segmentierung und Erkennung der Körperkonturen, eine automatische Isolation von Zielstrukturen aus CT-Aufnahmen bereitgestellt werden. Zudem erlaubt es die Erfindung bestimmte (erkannte) Bereiche, wie z.B. Lunge, Muskel, Knochen etc. von einer Bestrahlung auszunehmen. Weiterhin wird eine individuelle Abstufung der Basalen Dosis, ebenso wie eine für jeden Lymphknoten angepasste Dosis (Boost-Dosis) bereitgestellt. Dabei können auch einzelne Lymphknoten explizit ausgenommen sein.
Wird dies als Summenplan (Basale Dosis und Boost-Dosis) dargestellt, ergibt sich somit ein Summenplan, welcher die tatsächliche Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Tumorzellen deutlich realistischer für den individuellen Patienten abbildet und die Bestrahlung entsprechend automatisch vorberechnet. Beide Dosen können bei unterschiedlicher farblicher Kodierung für den Benutzer überlagert dargestellt werden, sodass auch aus dem Summenplan sowohl Basale Dosis als auch Boost-Dosis erkennbar sind.
Somit kann neben einem Zeitvorteil bei der Befundung auch ein Vorteil bei der Bestrahlungsplanung erzielt werden, da zum einen die kritischen Bereiche für das Wiederauftreten eines Tumors entlang der Lymphwege gezielt bestrahlbar sind und zum anderen Toxizität für andere Gewebe vermieden werden kann.
Prinzipiell kann mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren jeder (Lymph-) Abflussweg in allen Körperregionen (z.B. Hals, kleines Becken, Extremitäten) dargestellt werden und erlaubt so die Erstellung individueller Dosiskonzepte. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann die Erfindung aber auch auf andere Bereiche, wie z.B. entzündliche Erkrankungen aber auch dynamische Prozesse, wie z.B. die Produktion von Körpersekreten, Darmtätigkeit, Urinproduktion etc. angewendet werden.
Beispielhaft sei eine Bestrahlungsplanung unter Zuhilfenahme der Erfindung weiter an einem schematischen Ablaufplan gemäß erläutert.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren startet mit dem Erhalt von Schnittbildern in Schritt 1100, hier beispielhaft eine anisotrope 3D-CT-Schnittbildserie des untersuchenden Bereiches, hier des Thorax. Offensichtlich muss diese 3D-CT-Schnittbildserie auch die relevanten Lymphabflussstationen AX, SCLAV und PSL miterfassen.
In einem ersten Schritt 1200 erfolgt eine globale Reskalierung, um isotrope 3D-Schnittbilder zu erhalten. Offensichtlich kann dieser Schritt 1200 entfallen, sollten die 3D-Schnittbilder bereits isotrop sein.
Die (erhaltenen / erstellten) isotropen 3D-Schnittbilder können nunmehr einer optionalen Kontrastverstärkung in Schritt 1300 unterzogen werden. Ein beispielhafter Kontrastverstärkungsprozess ist Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization (CLAHE). Sind die Kontrastunterschiede in den Schnittbildern ausreichend groß, kann auf den Schritt 1300 verzichtet werden. Insbesondere bei kontrastarmen Bereichen, wie z.B. Darm oder Leber, ist jedoch die Verwendung vorteilhaft.
Die erhaltenen kontrastverstärkten isotropen 3D-Schnittbilder wiederum können in einem weiteren Schritt 2100 einer Artefakt-Reduktion zugeführt werden. Eine Artefakt-Reduktion kann beispielsweise durch eine lokale Mittelung zur Verfügung gestellt werden. Hierbei wird das Bild mit einem Gaußschen Kern gefaltet, wobei die Varianz des Kerns durch Userinput bestimmt wird und geräteabhängig ist.
In einem weiteren Schritt 2200 können nun mittels Schwellwerten (threshold) Masken generiert werden, mit Hilfe derer (verschiedene) Objektklassen (in diesem Beispiel Gewebestrukturen im Thorax) als auch Voxel außerhalb des Körpers segmentiert werden können. Keine der generierten Masken überschneiden sich in ihren voxel-präzisen Koordinaten; sie ergeben in ihrer Summe das lückenlose Untersuchungsvolumen, indem die erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt werden sollen. Jedem Voxel einer Maske wird ein und derselbe voreingestellte positive skalare Wert von 0 bis 1 zugewiesen. Dieser Wert ist gleichbedeutend mit der lokalen Ausbreitungsgeschwindigkeit in Schritt 2400. Die Bereitstellung des 3D-Raums mit lückenloser Zuweisung aller lokalen Ausbreitungsgeschwindigkeiten stellt Schritt 2250 dar. Diese Masken bzw. deren Inverse können im Schritt 2400 verwendet werden.
Zur Initialisierung des Schrittes 2400 wird eine initiale Maske benötigt, welche in diesem Beispiel das Tumorbett (als Raum der höchsten Tumorzellenaufenthaltswahrscheinlichkeit) darstellt. Die Lymphabflussstationen als auch das Tumorbett können hierbei manuell segmentiert sein.
Insbesondere können dabei das Tumorbett (als initiale Maske) als auch die Lymphabflussstationen (als Zielpunkte) durch den Benutzer (als Punkte im 3D-Raum) angegeben werden (Schritt 2300).
Diese Masken können nunmehr unter anderem im nachfolgenden Schritt 2400 zur Lösung der Eikonalgleichung verwendet werden. Die Eikonalgleichung quantifiziert Abstände im 3D-Raum ausgehend von der initialen Maske (aus dem vorherigen Schritt 2250) zu jedem Punkt im 3D-Raum. Vereinfacht gesagt, werden hierbei die Zeiten von 3D-Wellen, die von der initialen Maske ausgehen, gemessen. Aus den Zeiten können dann die Abstände ermittelt werden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der 3D-Wellen ist hierbei lokal variabel, definiert durch vorherige Prozesse, insbesondere Schritt 2250. Ein Standardverfahren zur Lösung der Eikonalgleichung ist der Fast-Marching-Algorithmus.
Der Fast-Marching-Algorithmus wird dabei auf die erhaltenen (gegebenenfalls Artefakt-reduzierten und/oder kontrastverstärkten) isotropen 3D-Schnittbilder in Schritt 2400 angewandt, wobei die initiale Maske das Tumorbett ist. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit wird durch die im zuvorigen Schritt 2250 erstellten Masken bestimmt. Vereinfacht kann angenommen werden, dass in diesem Beispiel im Bereich der Weichgewebestrukturen die Ausbreitungsgeschwindigkeit hoch ist, während in den anderen Strukturen die Ausbreitungsgeschwindigkeit gering ist. Z.B. kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit in den Weichgewebestrukturen zu 1 und in den Nicht-Weichgewebestrukturen (entspricht der Komplementärmaske) ein positiver, jedoch sehr kleiner Wert sein.
Die genaue Implementierung kann dabei offenbleiben. Neben der ursprünglichen Implementierung, welche Sethian (J.A. Sethian. A Fast Marching Level Set Method for Monotonically Advancing Fronts, Proc. Natl. Acad. Sci., 93, 4, pp.1591--1595, 1996) beschrieben hat, können auch andere Implementierungen, die z.B. Vorteile von Multithreading und / oder GPU-Beschleunigung ermöglichen, zum Einsatz kommen.
Als Ergebnis können Abstandsfunktionen von jedem Punkt im 3D-Raum zum Tumorbett bereitgestellt werden. Die Lymphabflusswege sind dabei die Verbindungen vom Tumorbett zu den Lymphabflussstationen mit der geringsten Ausbreitungsdauer des Fast-Marching-Ansatzes (d.h. mit der geringsten Marching Time). Durch die Konzeption der Ausbreitungsgeschwindigkeiten laufen die approximierten Lymphabflusswege primär durch die Weichgewebestrukturen.
In einem weiteren Schritt 2500 kann nun jedem Punkt der Lymphabflusswege ein skalarer Wert zugeordnet werden, der z.B. linear in Abhängigkeit vom Abstand zum Tumorbett (gemessen innerhalb der Lymphabflusswege) sinkt. Hierbei kann die Reduktion für jeden Lymphabflussweg so gewählt sein, dass in jeder Lymphabflussstation derselbe Endwert erreicht wird. Die Reduktion ist somit über die Gesamtlänge der Lymphabflusswege normalisiert. D.h. als Ergebnis können längennormierte Lymphabflusswege (mit rel. geodätischer Distanzinformation zum Tumorbett) zur Verfügung gestellt werden.
Nunmehr kann die onkologische Relevanz des jeweiligen Lymphabflussweges durch einen Benutzer individuell in Schritt 2600 festgelegt werden, z.B. kann diese aufgrund histologischer Daten erstellt werden. Ist z.B. ein Lymphknoten ohne Befund, so kann ihm keine oder eine (sehr) niedrige Relevanz zugeordnet sein, während z.B. Lymphknoten mit Befund eine hohe und abhängig vom Tumorgrad auch eine unterschiedlich hohe Relevanz zugeordnet sein kann. Beispielsweise kann einer geringen Relevanz ein numerischer Wert 100 und einer sehr hohen Relevanz ein Wert von 500 zugeordnet sein.
Die so erhaltene Relevanz kann dann in einem Schritt 2700 Berücksichtigung finden. Beispielsweise kann die onkologische Relevanz durch Multiplikation mit den längennormierten Lymphabflusswegen Berücksichtigung finden. Der resultierende lokale Wert des Lymphabflussweges kann zu jedem Punkt die Stärke der Aufdickung der zu applizierenden Dosis bestimmen. Somit kann am Ausgang des Schrittes der längennormierte Lymphabflussweg (mit der onkologischen Relevanz der einzelnen Lymphabflussbahn sowie rel. geodätischer Distanzinformation gewichtet) erhalten werden.
Weiter kann in Schritt 2800 eine Aufdickung der Lymphabflusswege erfolgen. Hierzu kann wiederum eine Faltung der normierten und nach onkologischer Relevanz gewichteten Lymphabflusswege mit einem Gaußschen Kern verwendet werden. Diese Aufdickung (in einer beliebigen Vielzahl von Intensitätsabstufungen) entspricht der Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Tumorzellen und korrespondiert somit mit der Bestrahlungszieldosis.
Nunmehr kann auf Basis der aufgedickten Lymphabflusswege und der in Schritt ermittelten Maske der Weichgewebestrukturen die weitere Bestrahlungsplanung erfolgen. Dabei kann die Bestrahlungszieldosis außerhalb der Weichgewebestrukturen, d.h. außerhalb der Maske, in Schritt 2900 abgeschnitten werden. Somit können Risikogewebe (insb. Lunge und Herz, Muskeln) geschont werden.
Im Ergebnis kann somit eine finale Bestrahlungszieldosis in Schritt 2950 angegeben werden.
In einem anderen Beispiel wird die Belüftungssituation der Lunge in aufgegriffen.
Auch hier erlaubt die Erfindung eine sichere ad-hoc-Befundung der Atemwegs- und Belüftungssituation.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren startet in Schritt 1100 mit dem Erhalt von Schnittbildern, hier beispielhaft einer anisotropen 3D-CT-Schnittbildserie des zu untersuchenden Bereiches.
In einem Schritt 1200 erfolgt eine globale Reskalierung, um isotrope 3D-Schnittbilder zu erhalten. Offensichtlich kann dieser Schritt 1200 entfallen, sollten die 3D-Schnittbilder bereits isotrop sein.
Die (erhaltenen / erstellten) isotropen 3D-Schnittbilder können nunmehr einer optionalen Kontrastverstärkung in Schritt 1300 unterzogen werden. Ein beispielhafter Kontrastverstärkungsprozess ist Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization (CLAHE). Sind die Kontrastunterschiede in den Schnittbildern ausreichend groß, kann auf den Schritt verzichtet werden. Insbesondere bei kontrastarmen Bereichen, wie z.B. Darm oder Leber, ist jedoch die Verwendung vorteilhaft.
Die erhaltenen kontrastverstärkten isotropen 3D-Schnittbilder wiederum können in einem weiteren Schritt 2100 einer Artefakt-Reduktion zugeführt werden. Eine Artefakt-Reduktion kann beispielsweise durch eine lokale Mittelung zur Verfügung gestellt werden. Hierbei wird das Bild mit einem Gaußschen Kern gefaltet, wobei die Varianz des Kerns durch Userinput bestimmt wird und geräteabhängig ist.
Nunmehr kann in einem weiteren Schritt 1400 zumindest ein Start- und ein oder mehrere Endpunkte pro Startpunkt gewählt werden. Grundlage hierfür bilden die in Schritt 1200 generierten isotropen 3D-Schnittbilder. Dabei kann der Startpunkt in x-,y-,z-Position als Punkt manuell definiert werden. Der Endpunkt der Analyse kann als letzte zu erfassende z-Position erfasst werden. Das Grauwertspektrum („Fenster“) für die Zielstruktur kann ebenso ausgewählt werden.
Prinzipiell könnte dieser Prozess auch maschinell - z.B. unterstützt durch ein System mit künstlicher Intelligenz - vorgenommen werden, jedoch sollte auch dann eine ärztliche Kontrolle und gegebenenfalls manuelle Verschiebung / Ersetzung möglich sein.
In einem weiteren Schritt 1500 kann dann optional auf der Basis der Startpunkt(e) und Endpunkt(e) sowie den isotropen Schnittbildern eine Bereinigung der nicht notwendigen Schnittbilder erfolgen, in dem Schnittbilder, die nicht zwischen einem Startpunkt und einem Endpunkt liegen, abgetrennt werden. Hierzu kann beispielsweise die z-Position verwendet werden. Hierdurch kann das zu verarbeitende Datenvolumen reduziert werden.
In einem weiteren Schritt 2200 können nun mittels Schwellwerten (threshold) Masken generiert werden, mit Hilfe derer (verschiedene) Objektklassen (in diesem Beispiel Gewebestrukturen im Thorax) als auch Voxel außerhalb des Körpers segmentiert werden können. Keine der generierten Masken überschneiden sich in ihren voxel-präzisen Koordinaten; sie ergeben in ihrer Summe das lückenlose Untersuchungsvolumen, indem die erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt werden sollen. Jedem Voxel einer Maske wird ein und derselbe voreingestellte positive skalare Wert von 0 bis 1 zugewiesen. Dieser Wert ist gleichbedeutend mit der lokalen Ausbreitungsgeschwindigkeit in Schritt 1600.
Zur Initialisierung des Schrittes 1600 wird eine initiale Maske benötigt, welche in diesem Beispiel der / die in Schritt 1400 festgelegte/n Startpunkt/e darstellt/darstellen. Ebenso ist / sind der / die Endpunkt/e durch Userinput in Schritt 1400 in ihren Koordinaten (Maske mit jeweils einem selektierten Voxel) festgelegt.
Die Eikonalgleichung quantifiziert Abstände im 3D-Raum ausgehend von einer initialen Maske (Startpunkt/e aus dem vorherigen Schritt 1400) zu jedem Punkt im 3D-Raum. Vereinfacht gesagt, werden hierbei die Zeiten von 3D-Wellen, die von der initialen Maske ausgehen, gemessen. Aus den Zeiten können dann die Abstände ermittelt werden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der 3D-Wellen ist hierbei lokal, d.h. jedem Voxel ist eine spezifische Ausbreitungsgeschwindigkeit, hervorgehend aus vorherigen Prozessen, zugeschrieben. Ein Standardverfahren zur Lösung der Eikonalgleichung ist der Fast-Marching-Algorithmus.
Der Fast-Marching-Algorithmus wird dabei auf die erhaltenen (gegebenenfalls Artefakt-reduzierten und / oder kontrastverstärkten) isotropen (und gegebenenfalls bereinigten) 3D-Schnittbilder in Schritt 1600 angewandt, wobei die initiale Maske der / die definierte/n Startpunkt/e ist / sind. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit wird durch die im vorherigen Schritt ausgewählte Zielstruktur (in diesem Beispiel die Atemwege mitsamt Lunge) bestimmt. Vereinfacht kann angenommen werden, dass im Bereich der Atemwege und belüfteten Lungenareale die Ausbreitungsgeschwindigkeit hoch ist, während in den anderen Strukturen die Ausbreitungsgeschwindigkeit gering ist. Z.B. kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Maske der Zielstruktur zu 1 und in der Komplementärmaske ein positiver, jedoch sehr kleiner, Wert sein.
Die genaue Implementierung kann dabei offenbleiben.
Als Ergebnis können Abstandsfunktionen von jedem Punkt im 3D-Raum zum Startpunkt in Schritt 1800 bereitgestellt werden. Somit kann eine Komplettmaske aller Voxel der bereinigten Schnittbildserie mit Attribution der voxelgenauen Marching Time als Grauwert erzeugt werden.
Darüber hinaus kann das Diagramm Volumen pro „Marching Time“ erzeugt werden (Schritt 1700).
Basierend auf den zur Verfügung gestellten Daten 1900 (aus den Schritten 1800 und 1700) kann ein Benutzer dann das „Marching Time“-Intervall für die Zielstruktur in Schritt 1850 anpassen.
Prinzipiell könnte dieser Prozess auch maschinell - z.B. unterstützt durch ein System mit künstlicher Intelligenz - vorgenommen werden, jedoch sollte auch dann eine ärztliche Kontrolle und gegebenenfalls manuelle Verschiebung / Ersetzung möglich sein.
Basierend auf dem erhaltenen „Marching Time“-Intervall für die Zielstruktur und der Komplettmaske aller Voxel der bereinigten Schnittbildserie mit Attribution der voxelgenauen Marching Time als Grauwert aus Schritt 1600 kann nun die Summe der Ausbreitungswellen (Voxel) aller im zuvor festgelegten „Marching Time“-Intervall als eine Zusammenhangskomponente „Zielstruktur“ (anatomische Struktur) zusammengefasst werden und deren Parameter Volumen und Oberfläche ausgegeben werden. Darüber hinaus kann das Volumen in einer ad-hoc-3D-Repräsentation farblich abgehoben im Ursprungsbild angezeigt werden.
Nunmehr kann im Wege einer Plausibilitätskontrolle der Benutzer die Daten (aus Schritt 1900) sichten und gegebenenfalls das „Marching Time“-Intervall für die Zielstruktur anpassen (Schritt 1850). Anschließend können die Schritte ausgehend von Schritt 1800 und Schritt 1700 erneut durchlaufen werden bis die Plausibilitätskontrolle positiv ist.
Anschließend kann die Befundung vorgenommen werden.
Es sei angemerkt, dass es bei dem vorgestellten Verfahren nicht notwendig ist, dass eine bestimmte Atemtechnik angewendet wird. Das Verfahren kann auch bei beatmeten Patienten eingesetzt werden. Darüber hinaus können auch bestimmte „Atemlagen“ (z.B. maximale Ein- oder Ausatemlage) für die Diagnostik / Verlaufskontrolle bestimmter Erkrankungen wünschenswert sein, was durch Vorrichtung 1 ebenfalls abbildbar ist.
Im Ergebnis erhält der behandelnde Arzt eine ad-hoc 3D-virtuelle Rekonstruktion der belüfteten Atemwege und Lunge (1a-1c jeweils rechts, 1e als Regressionsanalyse) als auch eine numerisch-graphische Darstellung zum belüfteten Atemwegsvolumen inkl. Lunge (1d).
Da die Dauer des Verfahrens vergleichsweise gering ist, können klinisch relevante Entscheidungen unmittelbar getroffen werden. So könnte z.B. im Fall der Lunge / Atemwege auf Basis der durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Verfügung gestellten Daten eine gezielte Bronchoskopie nahegelegt werden, um Verlegungen der Atemwege zu beseitigen.
In einer beispielhaften Implementierung kann das Verfahren in weniger als 2 Minuten entsprechend aufbereitete Daten zur Verfügung stellen, wobei hier durch entsprechende Hardwareausstattung als auch durch Softwareoptimierungen noch weitere Zeiteinsparpotentiale gegeben sind.
Die Funktionsweise der ad-hoc-Analyse in der klinischen Anwendung soll anhand eines Patienten illustriert werden ( . Der Patient erschien zu insgesamt 3 CT-Untersuchungen (2018, 3/21 und 4/21). Exemplarische CT-Schnittbilder im Lungenfenster (CT-Rohaufnahmen) finden sich in der linken Spalte der . In den rechten Spalten der ist das Endergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens und in den das Fortschreiten des Verfahrens entsprechend der Marching Time dargestellt. Dabei bezieht sich die Angabe AU auf die gesamte Marching Time, sodass die Angabe MT=0,5 [AU] (AU, engl. abgek. Arbitrary Unit) als die Hälfte der Marching Time bis zum Ende zu verstehen ist.
Die 2018 noch gänzlich erhaltene Lungenfunktion (1a) war bereits 3/21 durch den funktionellen Verlust eines Lungenflügels, siehe links, deutlich herabgesetzt. Dies ist auch in der durch das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellten Darstellung ersichtlich, siehe 1b rechts, der weiße Kreis, der den blind endenden Atemweg anzeigt. Nach einer Lungenentzündung der verbliebenden Lungenareale zeigte sich 4/21 eine weitere und erhebliche Einschränkung der zur Verfügung stehenden Gasaustauschfläche, siehe links und rechts, wobei hier ebenfalls der blind endende Atemweg mit einem weißen Kreis gekennzeichnet ist.
Eine ad-hoc-graphische Darstellung setzt die o.g. Ergebnisse zueinander in Bezug. Wie aus dem Graph der ersichtlich, als auch den farbkodierten Lungenrekonstruktionen von blau nach rot in den 1a-1c rechts und 1e ersichtlich, „läuft“ der Algorithmus entlang der Luftröhre bis hin zu den letztbelüfteten Lungenarealen.
Diese vorgestellte Analysemethode ermöglicht die Einschätzung des Patienten bspw. hinsichtlich des Lungenvolumens in verschiedenen Atemlagen und im zeitlichen Verlauf durch mehrere Analysezeitpunkte.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit können die erfindungsgemäßen Verfahren auch auf andere Organsysteme, insbesondere aber alle anatomisch zusammenhängenden Systeme, wie z.B. Dünndarm, Dickdarm, Urogenitaltrakt, Binde- und Stützgewebe inklusive Knochen, Prozesse innerhalb solider Organe, Nervenbahnen (z.B. Rückenmark), etc. angewendet werden, unter Umständen mit leichten Variationen. Prinzipiell kann jede anatomische Struktur anhand ihres spezifischen Grauwerts in den entsprechenden Schichtaufnahmen (z.B. in CT und / oder MRT) isoliert werden.
Beispielhaft sei eine Verwendung im Blutkreislauf, hier des thorakalen Gefäßbaums, angenommen, siehe 2. Dort ist auf der linken Seite in jeder Zeile eine CT-Aufnahme (A1, B1) auf Herzhöhe nach intravenöser Gabe von Kontrastmittel wiedergegeben. In der Bildrepräsentation in 2 (A1, B1) ist dabei der Gefäßbaum (sowie die röntgendichten Knochenteile) in schwarz auf weißem Grund abgebildet.
In diesem beispielhaft ausgeführten erfindungsgemäßen Verfahren wird das kardiovaskuläre System, wie auf der rechten Seite dargestellt, mithilfe des Fast-Marching-Algorithmus aufgeklärt. Im Ergebnis wird der Gefäßbaum im dreidimensionalen Raum (A2, B2) dargestellt, wobei die Farbkodierung (von blau nach rot) wiederum mit der Marching Time korrespondiert.
Kommt es nun zu einer Obstruktion - diese ist in der unteren linken Abbildung B1 durch Retuschierung eines Blutgefäßes an der Stelle des Pfeiles in einer einzigen Schicht der Aufnahme vorgenommen - so endet der entsprechende Gefäßbaum blind (angezeigt durch einen Kreis in B2), obwohl das markierte Gefäß nur eine kurzstreckige Unterbrechung aufwies.
Offensichtlich kann dieses Vorgehen auch dazu verwendet werden, ärztlicherseits eingebrachte Obstruktionen nachträglich auf ihren Erfolg hin zu überprüfen oder ihre Einbringung im Vorfeld des Eingriffs gezielter zu planen. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren als Planungsinstrument oder zur anatomisch-physiologischen Beurteilung herangezogen werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß 7 startet mit dem Erhalt von Schnittbildern in Schritt 1100, hier beispielhaft eine anisotrope 3D-Schnittbildserie des untersuchenden Bereiches.
In einem Schritt 1200 erfolgt eine globale Reskalierung, um isotrope 3D-Schnittbilder zu erhalten. Offensichtlich kann dieser Schritt entfallen, sollten die 3D-Schnittbilder bereits isotrop sein.
Die erhaltenen (und unter Umständen kontrastverstärkten) isotropen 3D-Schnittbilder wiederum können in einem weiteren Schritt 2100 einer Artefakt-Reduktion zugeführt werden. Eine Artefakt-Reduktion kann beispielsweise durch eine lokale Mittelung zur Verfügung gestellt werden. Hierbei wird das Bild mit einem Gaußschen Kern gefaltet, wobei die Varianz des Kerns durch Userinput bestimmt wird und geräteabhängig ist.
Die (erhaltenen / erstellten) isotropen 3D-Schnittbilder können nunmehr einer optionalen Kontrastverstärkung in Schritt 1300 unterzogen werden. Ein beispielhafter Kontrastverstärkungsprozess ist Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization (CLAHE). Sind die Kontrastunterschiede in den Schnittbildern ausreichend groß, kann auf den Schritt verzichtet werden. Insbesondere bei kontrastarmen Bereichen, wie z.B. Darm oder Leber, ist jedoch die Verwendung vorteilhaft.
Durch Userinput im Schritt 3150 kann die Zielobjektklasse (in diesem Beispiel arterielles Blut) eingestellt werden.
In einem weiteren Schritt 2200 können nun mittels Schwellwerten (threshold) Masken generiert werden, mit Hilfe derer zwei Objektklassen (in diesem Beispiel einerseits arterielles Blut als auch alle übrigen Voxel, inkl. der Voxel außerhalb des Körpers andererseits) segmentiert werden können. Keine der beiden somit generierten Masken überschneiden sich in ihren voxel-präzisen Koordinaten; sie ergeben in ihrer Summe das lückenlose Untersuchungsvolumen, indem die erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt werden sollen. Jedem Voxel einer Maske wird ein und derselbe voreingestellte positive skalare Wert von 0 bis 1 zugewiesen. Dieser Wert ist gleichbedeutend mit der lokalen Ausbreitungsgeschwindigkeit in Schritt 2400 und Schritt 2400'.
Die resultierende Maske aus Schritt 3200 (Zielobjektklasse) als auch die initiale Maske (Schritt 3150) kann unter anderem im nachfolgenden Schritt 2400 bzw. im mittelbar folgenden Schritt 2400' zur Lösung der Eikonalgleichung verwendet werden.
Im Schritt 3000, basierend auf dem Bildmaterial aus Schritt 1300, wird durch Userinput ein anatomischer Startpunkt i.S. einer initialen Maske (bestehend aus dem Untersuchungsvolumen mitsamt nur einem selektierten Voxel) bereitgestellt (Schritt 3050).
Die Eikonalgleichung quantifiziert Abstände im 3D-Raum ausgehend von einer initialen Maske (Startpunkt aus dem vorherigen Schritt 3050) zu jedem Punkt im 3D-Raum. Vereinfacht gesagt, werden hierbei die Zeiten von 3D-Wellen, die von der initialen Maske ausgehen, gemessen. Aus den Zeiten können dann die Abstände ermittelt werden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der 3D-Wellen ist hierbei lokal, d.h. jedem Voxel ist eine spezifische Ausbreitungsgeschwindigkeit, hervorgehend aus vorherigen Prozessen, zugeschrieben. Ein Standardverfahren zur Lösung der Eikonalgleichung ist der Fast-Marching-Algorithmus.
Parallel hierzu oder zeitversetzt kann auch mindestens ein Ort für eine Obstruktion in Schritt 3250 eingefügt werden, z.B. indem die Maske der Zielobjektklasse Schritt 3200 modifiziert wird. Es resultiert somit die modifizierte Zielobjektklasse (als auch ihre Inverse) in Schritt 3200'.
Der Fast-Marching-Algorithmus wird dabei auf die erhaltenen (gegebenenfalls Artefakt-reduzierten und / oder kontrastverstärkten) isotropen 3D-Schnittbilder angewandt, wobei die initiale Maske aus Schritt 3050 stammt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit wird durch die in früheren Schritten (Schritt 3200 für den unmodifizierten Durchlauf, Schritt 3200' für den modifizierten Durchlauf) erstellten Masken bestimmt. Vereinfacht kann angenommen werden, dass im Bereich der Zielobjektklasse (in diesem Beispiel das arterielle Blut bzw. die modifizierte Form dieser Zielobjektklasse) die Ausbreitungsgeschwindigkeit hoch ist, während in allen anderen Arealen, insbesondere im Bereich der geplanten / eingebrachten Obstruktion, die Ausbreitungsgeschwindigkeit gering ist. Z.B. kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit in den Zielobjektklassen zu 1 und in den entsprechenden Komplementärmasken ein positiver, jedoch sehr kleiner Wert sein. Das Ergebnis des unmodifizierten Durchlaufs stellt dabei Schritt 3300, für den modifizierten Durchlauf Schritt 3300' dar.
Anschließend können die Ergebnisse in Schritt 3400 geeignet dargestellt werden, z.B. in einer Nebeneinanderordnung. Weitere Informationen, wie z.B. Oberfläche(n), Volumen, etc. können ebenfalls bereitgestellt werden. Soll z.B. mittels Embolisation einer Arterie ein Tumor behandelt werden, so wäre es auch möglich die Lage des Tumors einzuzeichnen, sodass z.B. kontrolliert werden kann, ob der Tumor und eine Sicherheitsmarge durch eine derartige Obstruktion sicher behandelbar sind, ohne andere Gewebestrukturen zu schädigen.
Offensichtlich kann es bei der Plausibilitätskontrolle erforderlich sein, andere oder zusätzliche Stellen für ein Obstruktion aufzufinden. Dann können die Schritte der Erstellung einer modifizierten Maske der Zielobjektklasse als auch der dann notwendige Durchlauf der Schritte zur Lösung der Eikonalgleichung - allerdings nur in Bezug auf die erneut modifizierte Maske der Zielobjektklasse - erneut durchlaufen werden.
Dieses Vorgehen kann sooft wiederholt werden, bis die Plausibilitätskontrolle positiv ist oder aber keine Lösung auffindbar ist.
Am Beispiel der 4a und 4b kann dies illustriert werden. Hier ist jeweils eine Niere gezeigt. Der arterielle Blutfluss zur Niere erfolgt über den Hilus, dessen Zugang mit einem weißen Pfeil gekennzeichnet ist.
In den ist der Hilus als Startpunkt für Fast-Marching ausgewählt. Entsprechend der Marching Time ist die Durchblutung farblich kodiert dargestellt. Eine frühe Durchblutung kann entsprechend einer kurzen Marching Time an einer roten Färbung, eine späte Durchblutung kann entsprechend einer langen Marching Time an einer blauen Färbung dargestellt und erkannt werden.
Hier kann z.B. durch Einbringung einer Unterbrechung einer anatomischen Struktur, z.B. einer modifizierten Maske der Zielobjektklasse, das in mittels weißer gestrichelter Linie umrandete Areal von einer Versorgung mit arteriellem Blut abgetrennt werden. Wie in der 4b ersichtlich ist, führen die künstlichen Unterbrechungen (in Gelb dargestellt und mit schwarzen Pfeilen markiert) zu einer verminderten Durchblutung im weiß gestrichelt umrandeten Bereich. Dieser Bereich wird somit unterversorgt und kann, z.B. bei tumorösen Befall dort, absterben.
Ähnlich kann auch bei anderen Organen, wie z.B. Prostata oder Leber vorgegangen werden.
Im Ergebnis erlauben die Vorrichtungen und Verfahren der Erfindung eine vorteilhafte und schnelle Möglichkeit ein Lumen, ggf. mitsamt angrenzender Struktur und / oder ein Organ und / oder eine oder mehrere Gewebestrukturen und / oder ein abgrenzbares Kompartiment eines zu untersuchenden Bereiches eines menschlichen oder tierischen Körpers darzustellen und somit eine aussagekräftige zeitnahe Beurteilung eines Krankheitsbildes oder eine zeitnahe Interventionsplanung zielgerichtet und schonend zu ermöglichen.
Wie sich zudem aus den 8 und 9 ergibt, können die einzelnen Flussdiagramme und Verfahren (z.B. gemäß ) auch in einer gemeinsamen Vorrichtung / Verfahren / Computerprogramm zusammengefasst sein. So ist beispielsweise in eine Kombination von Verfahrensschritten gemäß und in eine Kombination von Verfahrensschritten der 7 und 8 zu sehen. Obwohl in den gleichartige Verfahrensschritte getrennt dargestellt sind, muss dies nicht so sein. Vielmehr können gleichartige Verfahrensschritte als Modul für unterschiedliche Zwecke zur Verfügung gestellt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

J.A. Sethian. A Fast Marching Level Set Method for Monotonically Advancing Fronts, Proc. Natl. Acad. Sci., 93, 4, pp.1591--1595 [0089]

Claims

Vorrichtung zur Bereitstellung einer Darstellung von zumindest einem Lumen, und / oder eines Organs und / oder einer Gewebestruktur und / oder eines Kompartimentes eines zu untersuchenden Bereiches eines menschlichen oder tierischen Körpers für die ärztliche Beurteilung eines Krankheitsbildes, aufweisend • Eine Empfangseinrichtung zum Erhalt von volumetrischen Aufnahmen eines zu untersuchenden Bereiches mittels beliebiger 3D-Bildgebungsverfahren, • Eine Zusammenführungseinrichtung, um die volumetrischen Aufnahmen in einen Datensatz einer 3-dimensionalen Bildaufnahme zusammen zu führen, • Eine Diskriminierungseinrichtung, welche geeignet ist, den Datensatz der 3-dimensionalen Bildaufnahme derart zu klassifizieren, dass zumindest ein Lumen oder mehrere Lumina und / oder ein oder mehrere Organe und / oder eine oder mehrere Gewebestruktur/en und/oder ein oder mehrere Kompartiment/e des zu untersuchenden Bereiches des menschlichen oder tierischen Körpers unterschieden werden, • Eine Propagationseinrichtung, welche von einem vorbestimmten Startpunkt in zumindest einen/einer der erkannten Lumen/Organ/Gewebestruktur/Kompartiment aus mittels eines Fast-Marching-Verfahrens vorwärtsschreitet bis entweder eine vorgegebene Propagationszeit abgelaufen ist oder aber das/die Lumen/Organ/Gewebestruktur/Kompartiment durchwandert ist, • Bereitstellung der quantitativen und morphologischen Analyse der durchschrittenen Lumina/Organe/Gewebestrukturen/Kompartimente zur ärztlichen Beurteilung eines Krankheitsbildes
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtaufnahmen nach der Zusammenführung als Voxel zur Verfügung stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diskriminierungseinrichtung Kontrastunterschiede im umgebenden dreidimensionalen Voxelraum berücksichtigt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtaufnahmen CT-Schichtaufnahmen und / oder MRT-Schichtaufnahmen und / oder PET- Schichtaufnahmen und / oder Szintigraphie-Schichtaufnahmen und / oder Ultraschall-Schichtaufnahmen aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zur Befundung und / oder Behandlung vorgesehenes Zielvolumen, ggf. in Abstufungen, aufgeweitet dargestellt wird.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 zur Darstellung von Obstruktionen in einem Lumen oder einem Organ oder in einer Gewebestruktur oder einem Kompartiment.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 zur Darstellung von ggf. abgestuften Zielvolumina als Lumina, Gewebestrukturen, Organe und Kompartimente des Körpers.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 zur Befundung, Planung und / oder Verlaufskontrolle einer Therapie einer Zielstruktur und / oder seines Umfeldes.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 zur quantitativen und komparativen Charakterisierung von mindestens einem Lumen hinsichtlich der / ihrer Volumenströme zu vom Startpunkt weiter entlegenen Teilen der Zielstruktur.
Verfahren zur Bereitstellung einer Darstellung von zumindest einem Lumen und / oder eines Organs und / oder Gewebestruktur und / oder eines Kompartiments eines zu untersuchenden Bereiches eines menschlichen oder tierischen Körpers für die ärztliche Beurteilung eines Krankheitsbildes, aufweisend die Schritte • Erhalten von volumetrischen Aufnahmen eines zu untersuchenden Bereiches, wobei die volumetrischen Aufnahmen mittels beliebiger 3D-Bildgebungsverfahren zuvor erstellt wurden, • Zusammenführen der volumetrischen Aufnahmen in einen Datensatz einer 3-dimensionalen Bildaufnahme, • Klassifizieren des Datensatzes der 3-dimensionalen Bildaufnahme derart, dass zumindest ein oder mehrere Lumina und / oder eine oder mehrere Gewebestrukturen und / oder ein oder mehrere Organe und / oder Kompartimente des zu untersuchenden Bereiches des menschlichen oder tierischen Körpers unterschieden werden, • Vorwärtsschreiten mittels eines Fast-Marching-Verfahren von einem vorbestimmten Startpunkt in zumindest einen der erkannten Lumina/Organe/Gewebestrukturen/Kompartimente bis entweder eine vorgegebene Propagationszeit abgelaufen ist oder aber das/die Lumen/Organ/Gewebestruktur/Kompartiment durchwandert ist, • Bereitstellen der quantitativen und morphologischen Analyse des/der durchschrittenen Lumina/Organe/Gewebestrukturen/Kompartimente zur ärztlichen Beurteilung eines Krankheitsbildes.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtaufnahmen nach der Zusammenführung als Voxel zur Verfügung gestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Klassifizieren festgestellten Kontrastunterschiede im umgebenden dreidimensionalen Voxelraum berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtaufnahmen CT-Schichtaufnahmen und / oder MRT-Schichtaufnahmen und / oder PET- Schichtaufnahmen und / oder Szintigraphie-Schichtaufnahmen und/oder Ultraschall-Schichtaufnahmen aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zur Befundung und / oder Behandlung vorgesehenes Zielvolumen, ggf. in Abstufungen, aufgeweitet dargestellt wird.
Computerprogrammprodukt zur programmtechnischen Einrichtung, dazu geeignet, einen Computer in Betrieb zur Abarbeitung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 14 einzurichten.