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Die Erfindung betrifft eine Bildverarbeitungseinheit
mit einem Eingang für
das Signal einer Aktuellen Abbildung eines Körpervolumens, wobei das Körpervolumen
einer Bewegung mit verschiedenen Bewegungsphasen unterliegt; mit
einem Eingang für ein
die Bewegungsphase der Aktuellen Abbildung repräsentierendes Signal; und mit
einem Speicher, in welchem Frühere
Abbildungen des Körpervolumens zusammen
mit den zugehörigen
Bewegungsphasen gespeichert sind. Ferner betrifft die Erfindung
ein Verfahren zur Zuordnung einer Aktuellen Abbildung eines Körpervolumens,
welches einer Bewegung mit verschiedenen Bewegungsphasen unterliegt,
zu einer Früheren
Abbildung des Körpervolumens.
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Die Abbildung von Körpervolumina
findet insbesondere im Bereich der medizinischen Diagnostik und
Therapie im Rahmen einer Röntgendurchleuchtung
statt. Nachfolgend soll daher schwerpunktmäßig die Röntgenprojektion eines biologischen
Körpervolumens
betrachtet werden, wenngleich die vorliegende Erfindung hierauf
nicht beschränkt
ist und in allen Anwendungsgebieten mit ähnlichen Randbedingungen eingesetzt
werden kann.
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Eine spezielle medizinische Anwendung stellt
die röntgenfluoroskopische
Beobachtung des Vorschubs eines Katheters im Gefäßsystem eines Patienten dar.
Die Katheterspitze soll hierbei möglichst genau in ein zu behandelndes
oder zu untersuchendes Zielgebiet wie etwa eine Stenose vorgeschoben
werden, beziehungsweise ein Führungsdraht
("guide wire") soll so hinter
dem genannten Zielgebiet platziert werden, dass die Katheterspitze richtig
positioniert ist. Diesbezüglich
ist es bekannt, angiografische Abbildungen des Körpervolumens auf einem zweiten
Monitor neben der aktuellen Abbildung des Körpervolumens darzustellen.
Die angiografischen Abbildungen stellen die Gefäße hervorgehoben dar und können z.B.
durch Einsatz eines Kontrastmittels ge wonnen werden. Das feststehende
angiografische Bild unterstützt
als "Gefäßkarte" oder "roadmap" des Gefäßsystems
die Orientierung des behandelnden Arztes. Für eine an sich wünschenswerte
präzise
Zuordnung korrespondierender Orte auf der angiografischen und der
aktuellen Abbildung im Millimeter- oder Submillimeter-Bereich eignen sich
die bekannten Verfahren jedoch nicht, da das beobachtete Körpervolumen
eines Patienten in der Regel einer mehr oder weniger starken (Eigen-)Bewegung
unterliegt, die insbesondere durch Herzschlag und Atmung verursacht
wird.
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Diesbezüglich ist es aus der
DE 199 46 948 A1 bekannt,
zur Bestimmung der Position eines Instrumentes – z.B. eines Katheters – relativ
zu einem bewegten Körperorgan – z.B. dem
Herzen – vorab dreidimensionale
Abbildungen des Körperorgans
in verschiedenen Phasen seiner Bewegung zu gewinnen, wobei die Bewegungsphase über ein
parallel aufgenommenes Elektrokardiogramm (EKG) erfasst und beschrieben
wird. Während
des aktuellen medizinischen Eingriffes wird dann die Position des
Katheters zusammen mit der zugehörigen
Phase des Elektrokardiogramms gemessen und der Katheter in derjenigen
dreidimensionalen Abbildung dargestellt, welche zur selben Elektrokardiogrammphase
des Körperorgans
gehört.
Dieses Verfahren setzt jedoch einerseits dreidimensionale Aufnahmen
des Körpervolumens
voraus und beinhaltet andererseits nicht die ständige fluoroskopische Überwachung
des medizinischen Eingriffs.
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Vor diesem Hintergrund war es eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung
bereitzustellen, welche eine Zuordnung zwischen gespeicherten Abbildungen
eines Körpervolumens
und einer aktuellen Abbildung mit hoher Präzision, die vorzugsweise im
Millimeter- oder Submillimeter-Bereich liegt, erlauben.
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Diese Aufgabe wird durch eine Bildverarbeitungseinheit
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit
den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind in den Unteransprüchen
enthalten.
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Die erfindungsgemäße Bildverarbeitungseinheit
enthält:
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- – Einen
Eingang für
das Signal einer "Aktuellen Abbildung" eines Körpervolumens,
wobei das Körpervolumen
einer Bewegung mit verschiedenen Bewegungsphasen unterliegt. Die
Abbildung kann insbesondere durch einen Röntgenapparat mit einer Röntgenstrahlungsquelle
und einem Röntgendetektor
erzeugt worden sein. Ebenso kann die Abbildung jedoch auch mit Hilfe
von anderen Verfahren wie Magnetresonanz, Ultraschall, Szintigrafie
oder dergleichen gewonnen worden sein. Die Bezeichnung als "Aktuelle Abbildung" spiegelt dabei die übliche Situation
wider, dass diese Abbildung online bzw. in Echtzeit gewonnen und übermittelt
wird, wobei indes Anwendungen mit einer "offline" Verarbeitung nicht ausgeschlossen sein
sollen.
- – Einen
Eingang für
ein Signal, welches die Bewegungsphase des Körpervolumens während der vorgenannten
Aktuellen Abbildung repräsentiert.
- – Einen
Speicher, in welchem "Frühere Abbildungen" des Körpervolumens
zusammen mit den jeweils hierzu gehörigen Bewegungsphasen gespeichen
sind. Die Früheren
Abbildungen können dabei
mit derselben Abbildungsvorrichtung gewonnen worden sein, die auch
die Aktuelle Abbildung des Körpervolumens
erzeugt. Ebenso ist es jedoch auch möglich, dass die Früheren Abbildungen
aus anderen Quellen stammen. Im Rahmen eines medizinischen Eingriffs
der eingangs erläuterten
Art können
die Früheren
Abbildungen insbesondere Angiografien sein, auf welchen das Gefäßsystem
im betreffenden Körpervolumen darstellt
ist.
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Die Bildverarbeitungseinheit ist
dazu eingerichtet, der Aktuellen Abbildung diejenige der Früheren Abbildungen
zuzuordnen, deren Bewegungsphase am dichtesten an der Bewegungsphase
der Aktuellen Abbildung liegt.
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Mit der erfindungsgemäßen Bildverarbeitungseinheit
ist eine Zuordnung zwischen einer früheren gespeicherten Abbildung
eines Körpervolumens
und einer Aktuellen Abbildung des Körpervolumens mit hoher Genauigkeit
möglich,
da die Bewegungsphasen der einander zugeordneten Abbildungen möglichst
dicht beieinander liegen, so dass die durch die Bewegung hervorgerufenen
Abweichungen zwischen den Abbildungen des Körpervolumens minimiert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Bildverarbeitungseinheit
ist diese dazu eingerichtet, den Abstand zwischen den Bewegungsphasen
der Aktuellen Abbildung und der zugeordneten Früheren Abbildung zu bestimmen
und für
einen Benutzer darzustellen. Zusätzlich
oder alternativ kann die Bildverarbeitungseinheit auch dazu eingerichtet
sein, die Zeit seit der letzten Auffrischung der Zuordnung zwischen
Aktuellen Abbildungen und einer Früheren Abbildung zu bestimmen
und für
einen Benutzer darzustellen. Die Darstellung des Abstandes zwischen
den Bewegungsphasen und/oder der Zeit seit der letzten Zuordnung
gibt dem Benutzer eine Information darüber, wie aktuell beziehungsweise
präzise
die bestehende Zuordnung noch ist. Der Benutzer kann daher anhand
dieser Darstellung beurteilen, wie sehr er örtlichen Übereinstimmungen der Abbildungen
noch vertrauen kann.
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Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung der
Bildverarbeitungseinheit ist das Körpervolumen ein biologisches
Körpervolumen
wie zum Beispiel das Herz eines Patienten, und die Bewegung dieses Körpervolumens
wird durch den Herzschlag und/oder die Atmung verursacht. Herzschlag
und Atmung stellen zwei wichtige Ursachen für (Eigen-)Bewegungen dar, welche
im gesamten Körper
Auswirkungen zeigen. Die spezielle Bildverarbeitungseinheit ist
dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsphasen durch ein Elektrokardiogramm
(EKG) und/oder das Signal eines Atmungssensors beschrieben werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der
Erfindung ist die Bildverarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist,
die folgenden Verfahrensschritte auszuführen:
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- – Berechnung
eines Ähnlichkeitsmaßes zwischen der
Aktuellen Abbildung und einer vorgegebenen repräsentativen Abbildung.
- – Berechnung
der entsprechenden Ähnlichkeitsmaße zwischen
der repräsentativen
Abbildung und den Früheren
Abbildungen oder einer Teilmenge der Früheren Abbildungen.
- – Auswahl
einer Teilmenge, die genau diejenigen Früheren Abbildungen enthält, deren Ähnlichkeitsmaß relativ
zur repräsentativen
Abbildung in einem vorgegebenen Bereich um das Ähnlichkeitsmaß der Aktuellen
Abbildung relativ zur repräsentativen
Abbildung liegt.
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Bei diesem Vorgehen werden somit
alle Früheren
Abbildungen ermittelt, die der repräsentativen Abbildung in etwa "genauso ähnlich bzw.
unähnlich" sind wie die Aktuelle
Abbildung, d.h. die von der repräsentativen
Abbildung in etwa denselben Ähnlichkeitsabstand
haben wie die Aktuelle Abbildung. Die Teilmenge wird daher insbesondere
auch die Abbildungen enthalten, die der Aktuellen Abbildung sehr ähnlich sind.
Von Vorteil bei dem Verfahren ist, dass nach Festlegung einer repräsentativen
Abbildung alle Ähnlichkeitsmaße zwischen
dieser und den Früheren
Abbildungen nur einmal berechnet werden müssen und dann gespeichert werden
können.
Lediglich für
die Aktuelle Abbildung ist das Ähnlichkeitsmaß jeweils
neu zu berechnen. Die Festlegung der Teilmenge lässt sich daher im Betrieb mit
geringem Rechenaufwand durchführen.
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Für
die vorstehend beschriebene Ausgestaltung der Erfindung ist eine
geeignete Definition der Ähnlichkeit
von Abbildungen beziehungsweise des Ähnlichkeitsmaßes vorzunehmen.
Ein bevorzugtes Ähnlichkeitsmaß besteht
dabei darin, die Histogrammenergie des Differenzbildes der beiden
Abbildungen zu berechnen. In diesem Falle steht ein kleiner Wert
des Ähnlichkeitsmaßes für eine hohe Ähnlichkeit
und umgekehrt.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung
der Bildverarbeitungseinheit kann diese dazu eingerichtet sein,
die folgenden Verfahrensschritte auszuführen:
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- – Berechnung
der Ähnlichkeitsmaße zwischen
der Aktuellen Abbildung und den Früheren Abbildungen oder einer
Teilmenge hiervon;
- – Auswahl
derjenigen Früheren
Abbildungen, deren Ähnlichkeit
zur Aktuellen Abbildung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
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Durch einen direkten Einzelvergleich
wird somit ermittelt, welche der Früheren Abbildungen der Aktuellen
Abbildung besonders ähnlich
sind. Vorteilhafterweise wird dieses Vorgehen mit der vorstehend beschriebenen
Ermittlung einer Teilmenge (durch einen Ähnlichkeitsvergleich mit einer
repräsentativen Abbildung)
kombiniert, indem der Einzelvergleich nur mit den Elementen der
Teilmenge ausgeführt
wird. Die rechenintensive Bestimmung von Ähnlichkeitsmaßen kann
dann auf ein Minimum beschränkt
werden.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung ist zusammen mit jeder Früheren Abbildung das vollständige Elektrokardiogramm über die
Dauer mindestens eines Herzschlages sowie der Zeitpunkt der Aufnahme
der Früheren
Abbildung in Bezug auf dieses EKG abgespeichert. Weiterhin ist die
Bildverarbeitungseinheit dazu eingerichtet, eine Transformation
zu ermitteln, welche das parallel zur Aktuellen Abbildung aufgezeichnete
Elektrokardiogramm auf das Elektrokardiogramm einer Früheren Abbildung
abbildet (transformiert). Mit Hilfe dieser Transformation wird dann
die relative Lage der Bewegungsphase der Aktuellen Abbildung in
Bezug auf die Bewegungsphase der Früheren Abbildung festgestellt.
Die verwendete Transformation soll zwei unterschiedliche Elektrokardiogramme
optimal punktweise einander zuordnen und dabei unbedeutende Variationen
im zeitlichen Ablauf der physiologischen Potentiale ausgleichen.
Nach Bestimmung einer solchen optimalen Transformation kann ein
bestimmter Punkt in einem Elektrokardiogramm bestmöglich dem
korrespondierenden Punkt im anderen Elektrokardiogramm zugeordnet
werden. Wichtig ist bei dieser Zuordnung, dass vermöge der Transformation der
gesamte Verlauf des Elektrokardiogramms über eine Periode (Herzschlag)
berücksichtigt
wird.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung
der Bildverarbeitungseinheit ist diese dazu eingerichtet, zwischen
den einander zugeordneten Abbildungen (Aktuelle Abbildung und eine
Frühere
Abbildung) eine Bewegungskorrektur auszuführen, welche eine Bewegung
des gesamten Körpervolumens
berücksichtigt.
Im Rahmen medizinischer Anwendungen können solche Gesamtbewegungen
insbesondere durch eine Lageveränderung
des Patienten entstehen. Diese Gesamtbewegungen sind in der Regel
zufällig
und enthalten daher keine Regelmäßigkeiten, die
bei der Korrektur von (Eigen-)Bewegungen des Körpervolumens erfasst werden
könnten.
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Die Bildverarbeitungseinheit kann
insbesondere mit einer Darstellungseinheit wie etwa einem Monitor
oder einem Drucker gekoppelt und dazu eingerichtet sein, auf der
Darstellungseinheit die Aktuelle Abbildung des Körpervolumens und die zugeordnete
Frühere
Abbildung überlagert
darzustellen. Aufgrund der beschriebenen Ausgestaltung der Bildverarbeitungseinheit
wird eine hohe Präzision
der Übereinstimmung
zwischen der Aktuellen Abbildung und der zugeordneten Früheren Abbildung
erreicht, so dass diese sehr genau überlagert werden können. Im Rahmen
einer medizinischen Anwendung kann dabei zum Beispiel ein Arzt einer
früheren
angiografischen Aufnahme den Gefäßverlauf
entnehmen, welcher der Aktuellen Aufnahme des Körpervolumens, die das Instrument
(Katheter etc.) zeigt, hinzugefügt wird.
Aufgrund der hohen Genauigkeit der Zuordnung kann hierdurch eine
sehr präzise
Positionierung des Instrumentes vorgenommen werden. Dabei kann die
Frühere
Abbildung speziell auch eine Aufnahme aus einem vorangegangenen
Schritt desselben medizinischen Eingriffes sein, zum Beispiel die
Aufnahme einer Stenose vor beziehungsweise während einer Erweiterung mit
einem Ballonkatheter oder die Position eines bereits eingebrachten
ersten Stents. Die Einblendung einer solchen Früheren Abbildung ermöglicht dem
Arzt dann das genaue Auffinden der früheren Position, um zum Beispiel
einen Stent in der erweiterten Stenose oder benachbart zu einem
ersten, bereits eingebrachten Stent zu platzieren.
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Zur Erfindung gehört weiterhin eine Vorrichtung
zur Erzeugung und Verarbeitung von Abbildungen eines Körpervolumens,
welche eine Einrichtung zur Bildgewinnung wie insbesondere eine
Röntgenapparatur
sowie eine Bildverarbeitungseinheit der oben beschriebenen Art enthält. Weiterhin
kann diese Vorrichtung Sensoren zur Erfassung eines die Bewegungsphase
anzeigenden Signals aufweisen, insbesondere einen Elektrokardiografen
und/oder einen Atmungssensor (Bauchgurt etc.).
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus
ein Verfahren zur Zuordnung einer Aktuellen Abbildung eines Körpervolumens,
welches einer Bewegung mit verschiedenen Bewegungsphasen unterliegt,
zu einer von mehreren Früheren
Abbildungen des Körpervolumens,
wobei
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- – die
Bewegungsphase zusammen mit den jeweiligen (Früheren und Aktuellen) Abbildungen
erfasst wird;
- – der
Aktuellen Abbildung diejenige der Früheren Abbildungen zugeordnet
wird, deren Bewegungsphase am nächsten
an der Bewegungsphase der Aktuellen Abbildung liegt.
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Wie oben in Verbindung mit der Bildverarbeitungseinheit
bereits erläutert
wurde, hat das Verfahren den Vorteil, bei der Zuordnung zwischen
der Aktuellen Abbildung und einer Früheren Abbildung die Bewegungsphasen
des Körpervolumens
zu berücksichtigen,
zu der die Abbildungen aufgenommen wurden. Durch die Körperbewegung
verursachte Verlagerungen werden hierdurch minimiert.
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Das Verfahren kann dahingehend weitergebildet
werden, dass der Abstand zwischen den Bewegungsphasen der einander
zugeordneten Abbildungen und/oder die Zeit seit der letzten Auffrischung
der Zuordnung zwischen Aktueller Abbildung und einer Früheren Abbildung
bestimmt und für
den Benutzer dargestellt wird. Die Darstellung erfolgt vorzugsweise mit
Hilfe anschaulicher grafischer Mittel wie etwa einem Zeitbalken,
einem Verblassen der Früheren
Abbildung oder einer Farbcodierung.
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Das Verfahren kann ferner durch die
Verfahrensschritte erweitert werden, welche in Verbindung mit der
Ausgestaltung der Bildverarbeitungseinheit beschrieben wurden.
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Im Folgenden wird die Erfindung mit
Hilfe der Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigt:
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1 eine
Röntgenapparatur
mit einer erfindungsgemäßen Bildverarbeitungseinheit;
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2 anhand
von Beispielabbildungen die prinzipielle Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die Erfindung soll nachfolgend am
Beispiel einer medizinischen Anwendug erläutert werden, wobei sie jedoch
nicht auf dieses Anwendungsgebiet beschränkt ist. 1 zeigt diesbezüglich schematisch eine Röntgenapparatur
mit einer Röntgenstrahlungsquelle 3 und
einem Röntgendetektor 1,
die an den Enden eines C-Armes (nicht dargestellt) angebracht sind
und von dem zwischen ihnen positionierten Körpervolumen eines Patienten 2 eine
Röntgenabbildung
erzeugen. Diese Abbildung wird als aktuelle fluoroskopische 8 an eine Bildverarbeitungseinheit 5 (in
Echtzeit) übermittelt.
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Gleichzeitig werden das EKG des Patienten 2 sowie
eine den Atemzyklus anzeigende Größe erfasst und als Signale 9 der
Bildverarbeitungseinheit 5 zur Verfügung gestellt.
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Die Bildverarbeitungseinheit 5 weist
einen Speicher 4 auf, in welchem frühere Abbildungen des Körpervolumens
des Patienten 2 abgelegt sind. Hierbei kann es sich insbesondere
um angiografische Abbildungen handeln, welche mit Hilfe der Röntgenapparatur 1, 3 unter
Einsatz eines Kontrastmittels gewonnen wurden und welche den Gefäßverlauf
im Körpervolumen
hervorgehoben darstellen. Die Früheren
Abbildungen können
auch mit einer anderen Apparatur (MNR, Ultraschall, Szintigrafie
oder dergleichen) gewonnen worden sein. Weiterhin kann es sich bei
den Früheren Abbildungen
auch um zwischengespeicherte Aufnahmen oder Aufnahmesequenzen aus
dem aktuellen Eingriff handeln, die mit der Röntgenapparatur 1, 3 gewonnen
wurden. Solche Aufnahmen können
insbesondere die Position eines Instrumentes wie etwa eines in die
Gefäßbahn des
Patienten eingeführten
Katheters mit einer Katheterspitze oder eines Führungsdrahtes darstellen.
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Die Bildverarbeitungseinheit 5 ist
weiterhin mit (mindestens) zwei Monitoren 6, 7 gekoppelt
und dazu eingerichtet, die Aktuelle 8 "live" auf beiden Monitoren 6, 7 darzustellen
und hierzu überlagert auf
dem Monitor 7 eine der dem Speicher 4 entnommenen
Früheren
Abbildungen darzustellen. Die parallele (überlagerte oder separate) Darstellung
einer Früheren
Abbildung soll dem Arzt die Navigation des Instrumentes in der Gefäßbahn des
Patienten 2 erleichtern. So stellt beispielsweise eine
frühere
angiografische Aufnahme eine Art Gefäßkarte ("roadmap") zur Verfügung, oder eine Frühere Aufnahme
aus demselben medizinischen Eingriff zeigt zum Beispiel die Lage
einer durch einen Ballonkatheter erweiterten Stenose oder die Position
eines zuvor platzierten ersten Stents an. In den letztgenannten
Fällen
hilft die Frühere
Abbildung dem Arzt, das Instrument an einem zuvor angenommenen Ort
zu repositionieren.
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Wichtig für die Verwendbarkeit der Früheren Abbildung
ist es, dass die hierauf dargestellten Organe und Gefäße möglichst
genau in ihrer Lage mit der Situation bei der aktuellen Aufnahme übereinstimmen.
Für bestimmte
Anwendungen und bei einer überlagerten
Darstellung von aktueller und Früherer Aufnahme
ist hierbei eine Präzision
im Millimeter- oder sogar Submillimeter-Bereich anzustreben.
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Die genannten Präzisionsvorgaben werden erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass bei der Zuordnung einer Früheren Abbildung aus dem Speicher 4 zur
Aktuellen 8 die Eigenbewegung des
Körpervolumens
berücksichtigt
wird, die durch Herzschlag und/oder Atmung verursacht wird.
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Um die Berücksichtigung des Herzschlages vornehmen
zu können,
ist zusammen mit den Früheren
Abbildungen auch das EKG über
die Dauer mindestens des eines Herzschlags, während dessen die Frühere Abbildung
erzeugt wurde, sowie der Aufnahmezeitpunkt relativ zum EKG im Speicher 4 aufgezeichnet.
Durch eine Abbildung des gesamten EKG-Zyklus auf das Intervall [0,
2π] lässt sich
der Aufnahmezeitpunkt als ein Wert aus diesem Intervall ausdrücken, der
die relative Herzschlagposition einer Früheren Abbildung widerspiegelt
und nachfolgend als erster Index der Früheren Abbildung dient.
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Um die Berücksichtigung der Atmung vornehmen
zu können,
ist darüber
hinaus ein zweiter Index für
die Früheren
Abbildungen vorgesehen, welcher deren relative Position im Atemzyklus
widerspiegelt. Auch dieser Index wird typischerweise auf das Intervall
[0, 2π]
normiert. Der zweite Index kann z.B. aus den Messsignalen eines
Atmungssensors gewonnen werden. Alternativ kann der zweite Index auch
durch einen Ähnlichkeitsvergleich
der Früheren Abbildungen
mit einer Referenzabbildung R gewonnen werden, die zu einem extremen
Zeitpunkt des Atemzyklus gehört
(z.B. "tief eingeatmet"). Der zweite Index
einer bestimmten Früheren
Abbildung gibt dann deren Ähnlichkeitsabstand
zur Referenzabbildung R an und spiegelt auf diese Weise die relative Position
im Atemzyklus wider.
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Die genannte Referenzabbildung R
kann selbst aus den Früheren
Abbildungen ausgewählt worden
sein. Um unter diesen eine Abbildung aus einer extremen Atemphase
zu finden, können
für jede Frühere Abbildung
probeweise deren Ähnlichkeitsmaße relativ
zu einer Serie sequentieller Abbildungen (über mindestens zwei Atemzyklen)
berechnet werden. Ändern
sich diese Ähnlichkeitsmaße z.B. periodisch
mit etwa doppelter Atemfrequenz, so handelt es sich bei der probeweise
betrachteten Früheren
Abbildung um eine solche aus einer mittleren Phase des Atemzyklus; ändern sich
die Ähnlichkeitsmaße dagegen
periodisch mit etwa der einfachen Atemfrequenz, so gehört die betrachtete
Frühere
Abbildung zu einer extremen Phase der Atmung und ist daher als Referenzabbildung
R geeignet.
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Nachfolgend sollen verschiedene Verfahren zur
Zuordnung einer Früheren
Abbildung zu einer Aktuellen Abbildung beschrieben werden.
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In 2 ist
ein erstes erfindungsgemäßes Zuordnungsverfahren
anhand einer schematischen Darstellung veranschaulicht. Zu erkennen
ist in der oberen Reihe die auf dem Monitor 6 von 1 dargestellte Sequenz von
fluoroskopischen Lifebildern des Körpervolumens, in welchem ein
Katheter 12 vorgeschoben wird. Eines dieser Lifebilder
soll als "Aktuelle
Aufnahme 8'' der nachfolgenden
Erläuterung
zugrunde gelegt werden.
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Überlagert
zu den Lifebildern wird auf dem Monitor 7 von 1 jeweils eine Frühere 10a, 10b,
... dargestellt, die dem Speicher 4 entnommen und in Abständen aufgefrischt
wird. Die Früheren
Abbildungen können
zum Beispiel angiografische Aufnahmen sein, welche den Gefäßverlauf
im Körpervolumen
zeigen. Die Auswahl und Zuordnung einer Früheren 10a zur
Aktuellen 8 erfolgt beim ersten Zuordnungsverfahren
in drei Schritten:
Zunächst
werden aus dem Speicher 4 diejenigen Abbildungen ausgewählt, welche
hinsichtlich des Atemzyklus zu einer vorgegebenen Referenzabbildung
R in etwa denselben Ähnlichkeitsabstand
haben wie die Aktuelle 8. Zu diesem
Zweck wird die Aktuelle 8 mit der
Referenzabbildung R verglichen, d.h. es wird ein Ähnlichkeitsmaß r zwischen
beiden Abbildungen berechnet. In gleicher Weise können die Ähnlichkeitsmaße zwischen
der Referenzabbildung R und allen im Speicher 4 befindlichen
Früheren
Abbildungen berechnet werden. Letzteres muss für eine gegebene Menge Früherer Abbildungen
nur einmal durchgeführt
werden, da sich die Maße
nicht ändern. Wie
oben erläutert
wurde, können
die genannten Maße
gegebenenfalls normiert und als ein (Atmungs-)Index den Früheren Abbildungen
hinzugefügt
werden. Der Rechenaufwand während
des laufenden Betriebs ist daher verhältnismäßig gering.
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Mit Hilfe der Ähnlichkeitsmaße bzw.
der Indices kann eine Untermenge U der Früheren Abbildungen bestimmt
werden, deren Mitglieder in etwa denselben Ähnlichkeitsgrad zur Referenzabbildung
R haben wie die Aktuelle 8. Das heißt, dass
die Ähnlichkeitsmaße dieser
Abbildungen zum Beispiel in einem Fenster r ± Δ liegen. Falls es im Speicher 4 keine
Abbildung geben sollte, die diese Bedingung erfüllt, wird das Zuordnungsverfahren
an dieser Stelle abgebrochen.
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Falls jedoch die Untermenge U mindestens ein
Element enthält,
wird in einem zweiten Schritt eine weitere Auswahl in Bezug auf
den Atemzyklus durchgeführt.
Dabei werden die in der Untermenge U enthaltenen Früheren Abbildungen
einzeln mit der Aktuellen 8 verglichen,
d.h. es werden die zugehörigen Ähnlichkeitsmaße r' berechnet, und es wird
eine Untermenge V ⊆ U
bestimmt, deren Abbildungen einen Grenzwert hinsichtlich der Ähnlichkeit zur
Aktuellen 8 überschreiten. Der rechenaufwändige Einzelvergleich
mit der 8 wird durch die Vorauswahl
der Menge U auf ein Minimum reduziert.
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Schließlich wird in einem dritten
Schritt zwecks Berücksichtigung
des Herzschlages aus der Untermenge V diejenige Frühere 10a ausgewählt, deren relativer Zeitpunkt
im EKG am nächsten bei
dem relativen EKG-Zeitpunkt der Aktuellen 8 liegt.
Zum Vergleich zwischen den Elektrokardiogrammen der Aktuellen 8 und einer Früheren Abbildung wird dabei
z.B. mit Hilfe eines Algorithmus der dynamischen Programmierung
eine Transformation bestimmt, welche die Elektrokardiogramme optimal
aufeinander abbildet und daher eine genaue Vorhersage der Phasendifferenzen
zwischen den hervorstechenden Merkmalen (R-, S-, T-Zacke) der Elektrokardiogramme
erlaubt.
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Das vorstehend erläuterte Zuordnungsverfahren
kann gemäß einer
ersten Variante so abgewandelt werden, dass zunächst durch einen EKG-Vergleich
eine Untermenge der Früheren
Abbildungen bestimmt wird. Unter deren Elementen kann dann durch
einen direkten Ähnlichkeitsvergleich
mit der Aktuellen Abbildung diejenige ermittelt werden, welche am
besten zur Aktuellen Abbildung passt.
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Eine zweite Variante des Zuordnungsverfahrens
verwendet die oben erläuterten
Indices der Früheren
Abbildungen für
den Herzzyklus und den Atemzyklus. Über diese Indices kann jeder
Früheren Abbildung
ein Punkt in einer zweidimensionalen Parameterebene zugeordnet werden.
Um die ebenfalls in der Parameterebene dargestellte Aktuelle Abbildung
kann dann eine (in der Regel elliptische) Umgebung festgelegt werden,
wobei Frühere
Abbildungen, die in dieser Umgebung liegen (sofern vorhanden), potentielle
Kandidaten für
die Zuordnung sind. Unter diesen Kandidaten kann dann durch direkten Ähnlichkeitsvergleich
mit der Aktuellen Abbildung die beste Zuordnung gefunden werden.
Ein derartiges Verfahren hat den Vorteil, in der zweidimensionalen Parameterebene
eine kombinierte Berücksichtigung von
Herz- und Atemzyklus zu erlauben.
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In einem Nachbearbeitungsschritt
(nicht dargestellt) nach der Zuordnung kann noch eine Bewegungsschätzung und
Korrektur zwischen der ausgewählten
Früheren 10a und der Aktuellen 8 ausgeführt werden,
welche Veränderungen
durch eine (Ganzkörper-)Bewegung
des Patienten kompensiert.
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Als Ähnlichkeitsmaß zwischen
zwei Abbildungen eignet sich in den oben erläuterten Verfahren zum Beispiel
die Histogrammenergie der Bilddifferenzen. Dabei werden die zu vergleichenden
Abbildungen pixelweise voneinander subtrahiert und das Histogramm
dieses Differenzbildes berechnet. Das Histogramm zeigt an, wie viele
Pixel n(G) des Differenzbildes jeweils einen bestimmten Grauwert
G haben. Sodann wird als Ähnlichkeitsmaß r die
Histogrammenergie berechnet, die definitionsgemäß die Summe aller Pixelzahlen
zum Quadrat ist:
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Diese Definition beinhaltet, dass
Histogramme mit einer Bündelung
der Grauwerte eine hohe Histogrammenergie aufweisen, während Histogramme
mit einer möglichst
gleich mäßigen Verteilung
der Grauwerte über
alle Pixel eine geringe Histogrammenergie haben. Das Ähnlichkeitsmaß r ist
bei dieser Definition also zahlenmäßig klein, wenn die verglichenen
Abbildungen eine hohe Ähnlichkeit
haben, und umgekehrt. Alternative Ähnlichkeitsmaße kann der
Fachmann auf Basis einer lokalen Korrelation oder einer "mutual Information" definieren.
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Die ermittelte Frühere 10a kann
auf einem Monitor separat oder der Aktuellen 8 überlagert
dargestellt werden. Da die Zuordnung zwischen der jeweiligen Aktuellen
Abbildung und einer gespeicherten Früheren Abbildung in der Regel
nicht in Echtzeit fortlaufend aufgefrischt werden kann, sondern
nur (mindestens) einmal pro Atemzyklus, wird dem Benutzer zusätzlich ein
Indikator 11 angezeigt, der die Aktualität der momentan
zugeordneten Abbildung symbolisiert. Der Indikator kann zum Beispiel seine
Farbe verändern
oder, wie in 2 dargestellt, ein
mit zunehmendem Alter der Zuordnung abnehmender Zeitbalken 11 sein.
Intuitiv besonders gut erfassbar ist es ferner, wenn die überlagerte 10a mit zunehmendem Alter der Zuordnung
verblasst.
