DE10333543A1 - Verfahren zur gekoppelten Darstellung intraoperativer sowie interaktiv und iteraktiv re-registrierter präoperativer Bilder in der medizinischen Bildgebung - Google Patents

Verfahren zur gekoppelten Darstellung intraoperativer sowie interaktiv und iteraktiv re-registrierter präoperativer Bilder in der medizinischen Bildgebung Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur gekoppelten Darstellung intraoperativer sowie präoperativer Bilder in der medizinischen Bildgebung, gekennzeichnet durch folgende Schritte: DOLLAR A - Aufnehmen eines präoperativen Bildes (S2) eines interessierenden Bereiches eines Patienten, DOLLAR A - Aufnehmen eines intraoperativen Bildes (S3) oder einer Bildfolge des interessierenden Bereiches, DOLLAR A - Durchführen einer Registrierung des präoperativen Bildes mit dem intraoperativen Bild (S5), DOLLAR A - gekoppeltes Darstellen des präoperativen und des intraoperativen Bildes (S6), DOLLAR A - Re-Registrieren des präoperativen Bildes, falls das präoperative und das intraoperative Bild nicht übereinstimmen (S8), DOLLAR A - Wiederholung der Schritte gekoppeltes Darstellen (S6) und Re-Registrieren (S8) bis eine akzeptierbare Übereinstimmung vorliegt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur gekoppelten Darstellung eines mit beliebiger Bildgebungsmodalität präoperativ aufgenommenen 2D- oder 3D-Bildes mit einem intraoperativen 2D- oder 3D-Bild, gewonnen beispielsweise mit einer Videokamera oder einem Ultraschallgerät. Die Erfindung betrifft insbesondere eine interaktive und möglicherweise iterative Angleichung des präoperativen Bildes an das intraoperative Bild.
  • In zunehmendem Maß erfolgen Untersuchungen und Behandlungen eines erkrankten Patienten minimal-invasiv, d.h. mit möglichst geringer Traumatisierung des Patienten. Beispielsweise wird die Diagnostik mit Endoskopen oder Laparoskopen durchgeführt. Endoskope werden durch natürliche Zugangswege (z.B. Speiseröhre, Darm) in den Untersuchungsbereich des Patienten eingeführt und liefern dem Arzt vor Ort aus dem Zugangskanal Bilder, die, wie z.B. im Falle des Ultraschalls, auch Objekte bzw. Organe außerhalb des Kanals beinhalten können.
  • Aus chirurgischer Sicht ist es dringend gewünscht, im Rahmen einer Voruntersuchung gewonnene, so genannte präoperative 2D- oder 3D-Bilder mit den während eines Eingriffs aufgenommenen, so genannten intraoperativen Bildern eines Endoskops oder Laparoskops oder Ultraschallgeräts gekoppelt darzustellen. Gekoppelt bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Bilder in irgendeiner Weise zueinander in Relation gebracht, beispielsweise nebeneinander dargestellt oder überblendet werden, etc. Bei den präoperativen Bildern kann es sich um Bilder beliebiger Bildgebungsmodalitäten handeln, beispielsweise um Computertomogramme (CT-Bilder), nuklearmedizinische Aufnahmen, Positronen-Emissions-Tomogramme (PET), Magnetresonanztomogramme (MRT) oder 2D-3D-Röntgenaufnahmen (C-Bogenbilder). Derartige präoperative Aufnahmen können auch Kombinationen aus 2D-3D-Bildern sein. Darunter fällt auch die Fusion von Bildern der eben erwähnten Bildgebungsmodalitäten (2D-2D-Fusion, 2D-3D-Fusion, 3D-3D-Fusion beispielsweise in Form von kombinierten CT- und PET-Bildern). Derartige im allgemeinen hochaufgelöste präoperative Bilder sollen intraoperativen Bildern zugeordnet bzw. direkt überlagert werden.
  • Ein erstes explizites Beispiel ist die Überlagerung von Ultraschall-Bildern mit MPR-Schichten (MPR Multi-Planare-Reformatierung), welche durch Computertomographie gewonnen wurden. Die MPR-Schichten sind dabei parallel zum Abtastfächer des Ultraschallgerätes orientiert.
  • Ein zweites explizites Beispiel sind Endoskopie-/Laparoskopie-Aufnahmen (Videobilder), die mit 3D-Volume-Rendering-Ansichten (3D-Darstellung eines Körperbereiches) im gleichen Sichtkegel bzw. auf Bildschirmränder bezogen in der gleichen rechteckigen Sichtpyramide überlagert werden. Die direkte Überlagerung derartiger Videobilder erfordert allerdings eine Vorverarbeitung zur Kompensation der Kameraverzerrung dieser Bilder, da die Linsenabbildung der Kamera gewöhnlich zu einer "Nadelkissen-Verzeichnung" führt.
  • Um eine ortsgetreue Simultandarstellung bzw. eine korrekte (lagerichtige) Überlagerung intraoperativer Bilder mit präoperativen Bildern realisieren zu können, ist es notwendig, das intraoperative Bild (welches zumindest ein interessierendes Objekt enthält) und das präoperative Bild bzw. beide Bilder bezüglich einander bzw. jeweils bezüglich des Koordinatensystems eines intraoperativ eingesetzten Navigationssystems zu registrieren. Registrieren zweier Bilddatensätze (dreidimensionaler und/oder zweidimensionaler Natur) heißt, eine Abbildungsvorschrift zu ermitteln, welche die Koordinaten des einen Systems in die Koordinaten des anderen Systems überführt. Im allgemeinen ist eine solche Abbildungsvor schrift bzw. Registrierung durch eine Registrier- oder Transformations-Matrix gegeben.
  • Zur Registrierung zweier Bilder sind unterschiedliche Möglichkeiten denkbar:
    • 1. Es besteht die Möglichkeit im präoperativen Bild ein oder mehrere Bildelemente zu identifizieren und das bzw. die gleichen Elemente im intraoperativen Bild oder Objekt zu identifizieren und dann eines der beiden – vorzugsweise das präoperative Bild – durch Translation und/oder Rotation und/oder Projektion bzw. Skalierung bezüglich des anderen Objektes/Bildes – vorzugsweise des intraoperativen Objektes/Bildes – auszurichten. Derartig identifizierte Bildelemente werden als "Marker" bezeichnet und können anatomischen Ursprungs oder aber künstlich angebracht worden sein. Marker anatomischen Ursprungs – wie beispielsweise Gefäßverzweigungspunkte, kleine Abschnitte koronarer Arterien aber auch Mundwinkel oder Nasenspitze – werden als "anatomische Marker" bezeichnet. Künstlich ein- bzw. angebrachte Markierungspunkte werden als "künstliche Marker" bezeichnet. Künstliche Marker sind beispielsweise Objekte, die auf der Körperoberfläche befestigt (beispielsweise aufgeklebt) werden, und zwar vorzugsweise an nicht verschieblichen Punkten wie z.B. am Beckenknochen. Anatomische und künstliche Marker können vom Benutzer interaktiv im präoperativen Bild festgelegt werden (z.B. durch Anklicken am Bildschirm) und sind im intraoperativen Objekt/Bild erneut zu identifizieren. Statt der interaktiven Zuordnung ist auch eine automatische Ermittlung in beiden Bildern durch geeignete Algorithmen möglich. Eine derartige Registrierung wird als "markerbasierte Registrierung" bezeichnet.
    • 2. Eine weitere Möglichkeit ist die so genannte "Bildbasierte Registrierung". Hierbei wird das präoperative Bild bzw. ein Teil davon mit dem intraoperativen Bild bzw. einem Teil davon hinsichtlich seiner Übereinstimmungen verglichen , wobei zur Optimierung der Übereinstimmung z.B. das präoperative (Teil-)Bild solange durch Translation und/oder Rotation und/oder Streckung bezüglich des intraoperativen Bildes verändert wird, bis die Übereinstimmungen beider Bilder ein vorgegebenes Mindestmaß erreichen. Als Maß wird hier z.B. die 2D- oder 3D-Korrelation verwendet oder z.B. der hinsichtlich der Rechenzeit schnellere Venot-Algorithmus. Zweckmäßigerweise wird hierbei die interoperativ verwendete Kamera benutzergeführt zunächst in eine Position gebracht, in der das intraoperative Bild dem präoperativen Bild ähnlich ist und dann erst der Optimierungszyklus initiiert, um die Rechenzeit für die Registrierung zu verkürzen. Dies bedeutet keinen besonderen Zusatzaufwand sondern passt in den Arbeitsablauf, weil damit das Instrument mit Kamera bereits "vor Ort" ist.
  • Eine ortsgetreue gekoppelte Darstellung präoperativer sowie intraoperativer Bilder in Form von Simultan-Darstellungen und/oder Überlagerungen ist vor allem eine Angelegenheit der exakten Registrierung. Für die Koppelung von Aufnahmen ausschließlich starrer Objekte ist die Registrieraufgabe gelöst. Das aus medizinisch-technischer Sicht bisher noch nicht gelöste Problem bei einer Registrier-Prozedur stellen bewegliche, verschiebbare Objekte dar, wie sie beispielsweise durch deformierbare Organ-Strukturen gegeben sind.
  • Ein Beispiel hierfür ist die sogenannte "Hirn-Verschiebung" (engl.: brain-shift): Während sich der Schädel eines Patienten nahezu perfekt registrieren und auch fixieren lässt, verschieben sich während einer Punktion (durch Verlust von Hirnflüssigkeit/Liquor) das Gehirn oder Teile davon. Es kommt auch vor, dass während einer Untersuchung bzw. Operation ein Umlagern des Patienten nötig ist und sich dabei Gehirnteile verschieben, zusätzlich komprimiert werden oder expandieren.
  • Noch deutlicher sind beispielsweise Organverschiebungen im Bauchbereich, wo sich während einer Operation mechanische Effekte ergeben. Insbesondere bei minimalinvasiven Eingriffen ergeben sich auch Verschiebungen und Volumenänderungen gasgefüllter Strukturen durch Aufblasen des Vorderbauches (Peritoneum) mit Kohlendioxid angesichts der hier vorhandenen Organe welche verhältnismäßig wenig Stützgewebe aufweisen. Hier ist es gemäß dem Stand der Technik nicht möglich, im Körperinneren bei beschränkter Sicht zuverlässig künstliche oder anatomische Marker bzw. Oberflächenstrukturen (automatisch) gemäß einer marker- oder bildbasierten Registrierung zu identifizieren.
  • Derartige Organ-Verschiebungen bzw. Organ-Deformierungen zwischen präoperativen und intraoperativen Aufnahmen bewirken eine deutliche Ungleichheit bzw. Verschiedenartigkeit beider Bilder, durch die eine übersichtliche vergleichende Bilddarstellung, insbesondere eine Fusion beider Bilder, nicht mehr möglich ist.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, durch das auf Organ-Verschiebungen bzw. Organ-Deformierungen zwischen präoperativ und intraoperativ gewonnenen Aufnahmen reagiert werden und eine Übereinstimmung derart hergestellt werden kann, dass eine aus diagnostischer Sicht sinnvolle gekoppelte Darstellung beider Bilder möglich ist.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
  • Es wird also ein Verfahren zur gekoppelten Darstellung intraoperativer sowie präoperativer Bilder in der medizinischen Bildgebung beansprucht,
    gekennzeichnet durch folgende Schritte:
    • – Aufnehmen eines präoperativen Bildes eines interessierenden Bereiches eines Patienten,
    • – Aufnehmen eines intraoperativen Bildes oder einer Bildfolge des interessierenden Bereiches,
    • – Durchführen einer Registrierung des präoperativen Bildes mit dem intraoperativen Bild,
    • – gekoppeltes Darstellen des präoperativen und des intraoperativen Bildes,
    • – Re-Registrieren des präoperativen Bildes falls das präoperative und das intraoperative Bild nicht übereinstimmen, vorteilhafterweise in einer Dimension,
    • – Wiederholung der Schritte gekoppeltes Darstellen und Re-Registrieren bis eine akzeptierbare Übereinstimmung vorliegt, möglicherweise in weiteren Dimensionen.
  • Die Registrierung kann erfindungsgemäß bildbasiert oder markerbasiert erfolgen.
  • Im Falle einer bildbasierten Registrierung werden die Marker des zu untersuchenden Bereiches des Patienten vorteilhafterweise vor dem Aufnehmen des präoperativen Bildes angebracht.
  • Vorteilhaft erfolgt das Überprüfen der Übereinstimmung des präoperativen und des intraoperativen Bildes rechnerisch und automatisch mittels einem Algorithmus auf einem Rechner.
  • Ebenfalls vorteilhaft beinhaltet der Schritt der Re-Registrierung eine 3D-Drehkorrektur und/oder eine Verschiebe-Korrektur und/oder eine Reskalier-Korrektur.
  • In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung bezieht sich die Re-Registrierung mit Reskalier-Korrektur nur auf einen Bereich innerhalb des Bildes, wobei gleichzeitig die Bereiche außerhalb dieses Bereiches original skaliert und evtl. original positioniert bleiben.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bezieht sich die Re-Registrierung des präoperativen Bildes und die gekoppelte Darstellung auf mehrere intraoperative Bilder, welche während eines periodischen physiologischen Bewegungs-Zyklusses zu definierten Zeitpunkten und/oder Ortspunkten aufgenommen worden sind.
  • Erfindungsgemäß wird aus den re-registrierten präoperativen Bildern eine Videosequenz dadurch erhalten, dass auf Basis des physiologischen Signals zwischen den re-registrierten Bildern interpoliert wird.
  • Der zugrundeliegende Zyklus wird dabei vorteilhaft durch ein EKG, eine Blutdruckkurve oder eine Atemkurve als zugehöriges physiologisches Signal definiert.
  • Das gekoppelte Darstellen erfolgt entweder durch benachbartes nebengeordnetes Darstellen beider Bilder oder aber durch Überlagerung bzw. Überblendung beider Bilder.
  • Vorteilhafterweise stellen präoperatives Bild sowie intraoperatives Bild ein 3D-Bild dar.
  • Dabei wird das präoperative Bild vorteilhaft mit Magnetresonanztomographie-, Computertomographie-, Ultraschall-, Positronenemissionstomographie- oder nuklearmedizinischen Verfahren aufgenommen.
  • Das intraoperative Bild wird üblicherweise mit Endoskop, Laparoskop, Ultraschallgerät, C-Bogen-Gerät, Magnetresonanztomographie-, Computertomographie-, Positronenemissionstomographie- oder nuklearmedizinischen Verfahren aufgenommen.
  • Ferner wird eine Vorrichtung beansprucht welche zur Durchführung eines Verfahrens gemäß den eben genannten Verfahrensschritten geeignet ist.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen bezugnehmend auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.
  • 1 zeigt schematisch eine Prinzipskizze bezüglich der Aufnahme eines präoperativen sowie intraoperativen Bildes mit einer nachfolgenden gekoppelten Darstellung beider Bilder, in der das präoperative Bild re-registriert ist,
  • 2 zeigt eine Übersicht eines konventionellen Verfahrens zur gekoppelten Darstellung präoperativer und intraoperativer Bilder im Flussdiagramm mit einem letzten erfinderischen iterativen Schritt der Re-Registrierung,
  • 3 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Schritt der in dem iterativen Schritt S8 des konventionellen Ablaufs von 2 implementiert ist.
  • 1 zeigt schematisch eine Prinzipskizze bezüglich der Aufnahme präoperativer sowie intraoperativer Bilder mit einer nachfolgenden gekoppelten Darstellung 9 beider Bilder im unteren Bereich der Skizze. Auf der linken Seite von 1 ist ein Patient 1 angedeutet, der sich auf einer Patientenliege 3 befindet. Der interessierende und aufzunehmende Bereich ist der Brust- und Bauchraum, insbesondere ein bewegliches schematisch dargestelltes Organ 2 (beispielsweise die Leber). Für die präoperative Bildgewinnung wurden drei künstliche Marker 4 gesetzt, die mit dem interessierenden anatomischen Bereich – speziell mit dem Organ 2 – mittels einer beliebigen Bildgebungsmodalität 5 (z.B. CT, MRT, PET, C-Bogen usw.) auf einem Monitor 7 in einem 3D-Bild oder in einer ausgewählten Schicht eines 3D-Bildes dargestellt werden können. In der Darstellung auf dem Monitor 7 befindet sich das Organ am rechten Bildrand unmittelbar unter dem rechts oben gelege nen Marker. Die Darstellung auf dem Monitor 7 zeigt das präoperative Bild.
  • Auf der rechten Seite der 1 ist schematisch gezeigt wie derselbe anatomische Bereich mit einem Aufnahmegerät, beispielsweise einem Ultraschallgerät oder einem Laparoskop 6 intraoperativ – also zu einem späteren Zeitpunkt während eines Eingriffs – dargestellt wird. Das Aufnahmegerät wurde dafür zu Beginn der Operation bezüglich der am Körper vorhandenen Marken registriert und wird in seiner Position und Orientierung kontinuierlich verfolgt. Damit wird kontinuierlich das Bild auf dem Monitor 7 in derselben Position und Orientierung angezeigt, so dass zumindest die Marken auf dem intraoperativen Display 8 in derselben Position erscheinen wie auf dem Display 7 mit dem präoperativen Bild. Auch eine Überlagerung der beiden Darstellungen auf einem Monitor ist möglich.
  • Das Organ 2 kann sich jedoch, z.B. wie auf dem Display 8 nach links in Richtung Kopf des Patienten verschoben haben, z.B. aufgrund der Verschieblichkeit von Weichgewebe, und erscheint daher in der Darstellung auf Display 8 verschoben gegenüber der Darstellung auf Display 7.
  • Die markerbasierte "Basis-Registrierung" ist trotzdem nützlich, da sie zumindest eine grobe grundsätzliche Ausrichtung und Positionierung beider Bilder (im Zentimeter-Bereich) vorab ermöglicht.
  • Im allgemeinsten Fall kann ein betrachtetes Organ verschoben, gedreht und komprimiert oder expandiert sein. Um eine in bereits beschriebener Weise gekoppelte Darstellung zu realisieren, besteht der wesentliche Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, die erwähnte Basis-Registrierung interaktiv durch eine sogenannte "Nach-" oder "Re-Registrierung" zu ergänzen, indem das betrachtete Organ im präoperativen Bild durch Drehung und/oder Verschiebung und/oder Skalierung so verändert wird, dass das präoperativ gewonnene Organ-Bild mit dem (intraoperativ-gewonnenen) realen Bild übereinstimmt und gegebenenfalls mit diesem fusioniert werden kann. Die Überprüfung der Übereinstimmung des präoperativen und des intraoperativen Bildes erfolgt entweder visuell durch den Benutzer (im allgemeinen der Arzt) oder vorteilhaft rechnerisch und automatisch mittels einem Algorithmus auf einem Rechner.
  • Im unteren Teil der 1 ist eine gekoppelte Darstellung 9 der beiden Bilder (präoperatives Bild 10 links, intraoperatives Bild 11 rechts) gegeben. Das präoperative Bild 10 wurde re-registriert, d.h. das Bild wurde so verändert, dass die Position und Ausrichtung des interessierenden Organs 2 mit der Darstellung des Organs im intraoperativen Bild 11 auf der rechten Seite identisch ist. Im Falle der 1 bestand die Re-Registrierung aus einer einfachen Verschiebung die durch den Pfeil sowie durch die gestrichelte Darstellung des Organs symbolisiert ist. Im allgemeinsten Fall der Re-Registrierung muss das Organ verschoben, gedreht und skaliert werden. Gewöhnlich wird bei einer solchen Re-Registrierung auch die Abbildung der Organ-Umgebung entsprechend verändert wie beispielsweise die Verschiebung des unmittelbar benachbarten Markers zeigt.
  • Bei einer Re-Registrierung, die z.B. durch die Identifikation zweier neuer Positionen (z.B. oberer und unterer Rand der Leber) eine Skalierung einschließt, kann die Re-Skalierung auf einfache Weise nur auf den Bereich zwischen den Positionen (also z.B. eben die Leber) beschränkt werden.
  • Die genaue Schrittfolge des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere des Schrittes der Re-Registrierung wird anhand der Verfahrens-Flussdiagramme in den 2 und 3 veranschaulicht.
  • Gemäß 2 werden in einem ersten präoperativen Schritt S1 des erfindungsgemäßen Verfahrens in dem interessierenden Bereich des zu untersuchenden bzw. zu behandelnden Patienten z.B. künstliche Marker angebracht bzw. anatomische Marker identifiziert. Das interessierende bewegliche Organ (es können auch mehrere sein) befindet sich in dem markierten, in der Regel quaderförmigen Volumen von z.B. ca. 50 × 50 × 50cm. In einem zweiten Schritt S2 wird präoperativ – also im Rahmen einer Voruntersuchung – mit beliebiger Bildgebungs-Modalität ein Bild aufgenommen, vorzugsweise ein 3D-Bild des markierten Bereiches. Nach Aufnehmen dieses präoperativen Bildes kommt es (in einem als Schritt S3 bezeichnetem Vorgang) gelegentlich zu einer Verschiebung, Drehung und/oder zu einer Deformierung des besagten Organes. Beispiele dafür wurden bereits genannt (Hirn, Leber etc.). In einer Zweituntersuchung S4, zumeist der Hauptuntersuchung bzw. Operation, die unter Umständen mehrere Tage nach der Voruntersuchung S2 erfolgt, wird intraoperativ – also im Rahmen eines Eingriffs – ein Bild desselben markierten Körperbereiches aufgenommen. Intraoperative Bildgebungsmodalitäten sind üblicherweise Endoskop, Laparoskop sowie Ultraschallgerät, möglicherweise auch ein Röntgen-C-Bogen, ein CT- oder MR-Scanner etc. Um das präoperative Bild aus Schritt S2 gemäß dem intraoperativen Bild aus Schritt S4 auszurichten, erfolgt in einem fünften Schritt S5 eine z.B. markerbasierte Registrierung beider Bilder. In einem weiteren Schritt S6 werden präoperatives und intraoperatives Bild mit Hilfe eines Navigationssystems gekoppelt dargestellt, beispielweise im selben Monitorfenster überblendet, nebeneinander, übereinander usw. In dem nächsten Schritt S7 wird auf Basis der gekoppelten Darstellung überprüft, ob und inwieweit eine Übereinstimmung des präoperativen Bildes mit dem intraoperativen Bild vorliegt. Die Überprüfung erfolgt durch den Anwender, im Allgemeinen durch den Arzt. Bei völliger bzw. in einem möglichem Toleranzbereich zu akzeptierender Übereinstimmung beider Bilder kann entweder ein neues intraoperatives Bild aufgenommen (automatische Fortsetzung z.B. einer Videosequenz in der "gekoppelten" Darstellung) und das Verfahren in der Schleife fortgesetzt oder aber das Verfahren modifiziert werden: Bei Divergenz beider Bilder aufgrund einer Positions- und/oder Lageveränderung des zu untersuchenden Organs kann der Anwender in einem weiteren Schritt S8 eine sogenannte Re-Registrierung vornehmen. Dazu wird das präoperative Bild durch den Anwender interaktiv (beispielsweise über ein Interface per Maus) und iterativ solange verändert bis in Schritt S7 eine tolerierbare Übereinstimmung mit dem intraoperativen Bild erreicht ist.
  • Schritt S8 der Re-Registrierung ist in 3 ausführlicher dargestellt: Zunächst wird z.B. in einem Schritt S8.1 überprüft, ob sich das betrachtete Organ in dem Zeitraum zwischen präoperativer und intraoperativer Bildaufnahme gedreht hat. Liegt eine Rotation vor, so wird in einem Schritt S8.2 in dem präoperativen Bild eine 3D-Dreh- oder Rotations-Korrektur vorgenommen. Prinzipiell kann eine derartige Rotations-Korrektur S8.2 in die drei rotatorischen Freiheitsgrade aufgeteilt werden. Einfacher ist es die komplette Rotations-Korrektur mit nur einer Handhabung zu realisieren. Dies erfolgt beispielsweise mit einem speziellen Eingabegerät wie einer Rollkugel oder mit einer konventionellen Computermaus. Im Falle einer Computermaus erfolgt die Drehung jeweils aktuell um die momentane senkrechte Bildschirmachse, gekoppelt an eine Maus-Bewegung in x-Richtung (horizontal), sowie um die Bildschirm-Querachse, gekoppelt an eine Maus-Bewegung in y-Richtung (vertikal). Ist der Schritt der 3D-Dreh-Korrektur 58.2 beendet, indem das präoperative Bild bzw. das Organ im präoperativen Bild so gedreht wurde, dass in der gekoppelten Darstellung in beiden Bildern die gleiche Raum-Orientierung des Organs erreicht worden ist, so wird in einem weiteren Schritt S8.3 überprüft, ob das Organ des präoperativen Bildes im Vergleich zum intraoperativen Bild verschoben ist. Liegt eine Verschiebung vor, so wird diese in einem nächsten Schritt S8.4 korrigiert. Liegt zudem auch noch eine Größenveränderung zwischen den Organdarstellungen in beiden Bildern vor – was in einem weiteren Schritt S8.5 geprüft wird – so erfolgt im Schritt S8.6 eine Anpassung der Größenverhältnisse die eine Reskalierung miteinschließt. Die Schritte der Verschiebung und Reskalierung können in den drei Raumrichtungen x, y und z erfolgen. In schwierigen Fällen werden die Schritte S8.1 sowie S8.6 solange wiederholt, bis keine Korrektur mehr notwendig ist und in einem Schritt S8.7 die Re-Registrierung als erfolgreich beendet angesehen werden kann. In diesem Fall ist das präoperative Bild durch den Verfahrensschritt S8 soweit modifiziert worden, dass in einer gekoppelten Darstellung beider Bilder eine Kongruenz des entsprechenden Organs vorliegt und somit insbesondere eine Überlagerung beider Bilder zu einem diagnostisch sinnvollen Ergebnis führt.
  • Die gekoppelte Darstellung kann des Weiteren dynamisch gestaltet werden, indem die Re-Registrierung für mehrere zeitliche und örtliche Punkte einer periodischen Verschiebung erfolgt und dazwischen analytisch (z.B. linear) interpoliert wird. Die Festlegung der als "Stützpunkte" dienenden intraoperativen Bilder erfolgt gekoppelt an ein weiteres, die Bewegung charakterisierendes Signal wie z.B. ein EKG, eine Blutdruckkurve oder eine Atemkurve. Dieses Signal steuert die Wiedergabe der "dynamisch re-registrierten" und durch Interpolation ergänzten präoperativen Bilder als Videosequenz.
  • Folgende Ausführungsbeispiele sollen das erfindungsgemäße Verfahren erläutern:
    Bei Verwendung eines Endoskops oder Laparoskops erfolgt die Aufnahme des intraoperativen Bildes durch eine Videokamera mit einer Objektiv-Frontlinse an der Instrumentenspitze. Die Objektiv-Brennweite kann möglicherweise über ein Bedienelement kontinuierlich verändert werden. Im Falle einer gekoppelten MPR-Darstellung schließt sich der markerbasierten Registrierung sowie den Schritten der Re-Registrierung eine Einstellung der intraoperativ dargestellten MPR-Schichttiefe (ab Spitze des Instrumentes) im präoperativen Bild – einschließlich der zur Objektiv-Brennweite passenden Vergrößerung – an. Dazu ist auch für das präoperative Bild eine auto matische oder manuelle Einstellmöglichkeit, z.B. ein Schieberegler, vorgesehen. Der Schieberegler wird demnach soweit verschoben, bis beispielsweise visuell eine optimale Korrelation/Kongruenz zwischen präoperativem und intraoperativem Bild hergestellt ist. Die Überlagerung erfolgt beispielsweise bei dem (intraoperativen) Video-Bild in Farbe und bei dem präoperativen MPR-Bild (CT, MRT, PET, C-Bogen) in Schwarz-Weiß. Durch einen Zumischgrad von beispielsweise je 50% sind beide Bildanteile sehr gut zu differenzieren. Alternativ ist auch eine bild-basierte Registrierung (Ermittlung der optimalen Korrelation) zwischen intraoperativem Bild (Videobild) und präoperativem Bild (optimale MPR-Schicht) möglich.
  • Zur Unterstützung minimalinvasiver Eingriffe in der Chirurgie sowie in der Gastro-Enterologie wird des öfteren auch ein Ultraschallgerät verwendet, transkutan und/oder laparoskopisch bzw. endoskopisch. Der Patient wird zunächst auf Basis zumindest dreier Marker registriert als ob sich keine Verschiebung seit der Voruntersuchung – beispielsweise der Leber aufgrund der Atmung – ergeben hätte. Durch die Registrierung wird die Transformationsmatrix gewonnen, wobei im Folgenden die Navigation (bei Vorhandensein eines Navigationssystems) an den eingesetzten bildgebenden Ultraschallkopf gekoppelt wird. Falls die Position des Navigationssensors nicht mit dem Ultraschallkopf bzw. der Instrumentenspitze identisch ist, ist die sogenannte Tip-Transformation – engl.: tip = Spitze – zu berücksichtigen. Durch die Navigationskontrolle des Ultraschallkopfes erhält man zu jedem intraoperativen Ultraschallbild einen entsprechenden Schnitt durch das vorab aufgenommene präoperative (3D-)Bild, das üblicherweise mit entsprechend hochauflösender Bildgebungsmodalität akquiriert worden ist (beispielsweise CT, MRT usw.). Dieser entsprechende Schnitt ist beispielsweise ein beliebig schräger Schnitt in Form einer sogenannten freien Multi-Planaren-Reformatierung (MPR), oder eine perspektivische 3D-Darstellung gemäß einer Maximum Intensity Projection (MIP), eines Surface Shaded Displays (SSD) oder eines Volume Renderings(VR).
  • Bei vielen Fragestellungen im Rahmen medizinischer Untersuchungen bzw. chirurgischer Eingriffe ist nur die Verschiebung bzw. die Größenveränderung des betreffenden Organs in einer Richtung bedeutsam (beispielsweise die Atemverschiebung der Leber aufgrund der Zwerchfellbewegung entlang der Körperlängs- bzw. z-Achse). Daher wird z.B. bei einer im Folgenden betrachteten Leberuntersuchung der Ultraschallsensor parallel zu den axialen präoperativ gewonnenen Schichten (CT-Schichten, MRT-Schichten, etc.) orientiert und – wenn eine reine Verschiebung vorliegt – die gut darzustellende Oberkante der Leber angefahren. Genauso gut könnte auch ein anatomischer Marker in Form eines Knotens, eines Aneurysmas, einer Verkalkung, einer Gefäßverzweigung, etc. angefahren werden. Wenn sich das Organ – in diesem Falle die Leber – gegenüber der Voruntersuchung verschoben hat erscheint diese auf dem Monitor in der präoperativen (CT-, MRT-, etc.) Aufnahme an einem anderen Ort. Das präoperative Bild bzw. der Organ-Ausschnitt in dem präoperativen Bild wird nun auf dem Monitor virtuell so verschoben, dass das präoperative Bild zumindest in dem Organ-Bereich mit dem intraoperativen Bild optimal zusammenpasst. Auf Knopfdruck bzw. Mausklick oder per Interaktion auf einer Touch-Screen erfolgt eine Erfassung der z-Differenz zwischen aktueller Patientenlage im intraoperativen Bild und der Patientenlage im präoperativen Bild die in die Registriermatrix eingebracht wird. Die Modifizierung der Registriermatrix bewirkt eine Re-Registrierung in z-Richtung. Dies ist ausreichend wenn sich das Organ hinsichtlich seiner Größe nicht verändert hat. Zur Kontrolle der Größenkonstanz oder wenn eine veränderte Längenausdehnung bekannt ist, kann optional auch der untere Leberrand mit Ultraschall als axiale Schicht abgebildet werden. Wiederum wird die im präoperativen Bild eventuelle Organverschiebung durch eine virtuelle Verschiebung am Monitor rückgängig gemacht, bis auch hier die z-Positionen des unteren Randes in präoperativem und intraoperativem Bild übereinstimmen. Dies wird mit Knopfdruck, Maus etc. quittiert und rechnerisch zusammen mit der Registrierung der Leber-Oberkante als Skalierung und Translation in die Registriermatrix eingebracht. Auf diese Weise wird in linearer Näherung sowohl die Organverschiebung als auch die Größenveränderung berücksichtigt, was durch Modelltests bestätigt werden konnte.
  • Im Falle einer periodischen Veränderung wird die Re-Registrierung zu bestimmten zeitlichen und/örtlichen Punkten durchgeführt (z.B. in Umkehrpunkten oder zu bestimmten Punkten eines Signals wie des EKGs) und die Nachführung des präoperativen Bildes in einer analytischen Näherung (z.B. linear interpolierend) dynamisch durchgeführt, z.B. von der Atemkurve gesteuert.
  • Zusammengefasst erweitert die vorliegende Erfindung die konventionelle Gesamtregistrierung vorteilhaft durch eine als Re-Registrierung bezeichnete Nachregistrierung, da die gewöhnliche Registrierung eine eventuelle Rotation, Verschiebung und Kompression bzw. Expansion von Organen nicht berücksichtigt. Die vorgeschlagene Re-Registrierung bewirkt eine um vieles exaktere Korrelation präoperativer und intraoperativer Bilder. Die bekannte Basis-Registrierung ist trotzdem wichtig, da durch sie eine grundsätzliche relativ genaue Positionierung und Ausrichtung beider Bilder bewirkt werden kann.
  • Für die Re-Registrierung werden 4 Modi unterschieden:
    • 1. Verschiebung/Skalierung in x-Richtung
    • 2. Verschiebung/Skalierung in y-Richtung
    • 3. Verschiebung/Skalierung in z-Richtung
    • 4. Rotation in drei Freiheitsgraden.
  • In einer Bedienabfolge sollte jeweils nur in einem Modus korrigiert werden. Das Verfahren funktioniert iterativ und kann wiederholt angewendet werden. Dadurch wird entweder die Qualität der Feinregistrierung gesichert oder eine erneute auf dem vorigen Stand aufbauende Registrierung durchgeführt. Je nach betrachtetem Objektzusammenhang muss entschieden werden, in welcher Vorzugsrichtung (x, y oder z) Verschiebungen vorliegen und ob gleichzeitig auch eine Rotation zu berücksichtigen ist. In den meisten Fällen können alle vier Einflüsse nacheinander zumindest soweit virtuell nachvollzogen werden, dass eine aus vier Schritten bestehende Re-Registrierung eine wesentlich verbesserte Übereinstimmung präoperativer und intraoperativer Bilder ergibt. In der Regel ist bereits die Korrektur in x- und y-Richtung – z.B. zur Berücksichtigung der Querausdehnung in Folge einer z-Kompression – ausreichend.
  • Gegenüber einer möglichen marker-basierten deformierbaren Registrierung mit künstlichen Markern hat das Verfahren die Vorteile, dass es nichtinvasiv ist und dass auch an Stellen justiert werden kann, wo mangels Zugang bzw. aufgrund der Organbeschaffenheit keine Marker angebracht werden können.
  • Bei einer marker-basierten deformierbaren Registrierung mit anatomischen Markern bzw. einer bild-basierten deformierbaren Registrierung besteht oft das Problem, dass das betrachtete Organ keine solchen Marken bzw. Strukturen aufweist oder zumindest in einer der beiden Darstellungen nicht sichtbar sind. Die vorliegende Erfindung löst diese Problem dadurch, dass einfach z.B. nach Objektgrenzen re-registriert werden kann. Die zwischenliegende (lineare) Neuskalierung bietet in der Praxis genügend Genauigkeit.
  • Mit nur einem (Maus-)Klick lässt sich eine deutlich verbesserte Repositionierung des präoperativen Bildes erreichen. Darauf aufsetzend kann optional auch eine kombinierte Repositionierung und Größenanpassung präoperativer und intraoperativer Bilder erfolgen. Gegenüber derzeit gebräuchlichen Verfahren wird auf alle Fälle die Genauigkeit erhöht und zusätzlich eine Qualitätssicherung insofern gewährleistet, als dass das Verfahren regelmäßige Überprüfungen der Organ-Lokalisierung enthält.
    •

Claims (18)

  1. Verfahren zur gekoppelten Darstellung intraoperativer sowie präoperativer Bilder in der medizinischen Bildgebung gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Aufnehmen eines präoperativen Bildes (S2) eines interessierenden Bereiches eines Patienten, – Aufnehmen eines intraoperativen Bildes (S3) oder einer Bildfolge des interessierenden Bereiches, – Durchführen einer Registrierung des präoperativen Bildes mit dem intraoperativen Bild (S5), – gekoppeltes Darstellen des präoperativen und des intraoperativen Bildes (S6), – Re-Registrieren des präoperativen Bildes, falls das präoperative und das intraoperative Bild nicht übereinstimmen (S8), – Wiederholung der Schritte gekoppeltes Darstellen (S6) und Re-Registrieren (S8) bis eine akzeptierbare Übereinstimmung vorliegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Registrierung bildbasiert erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Registrierung markerbasiert erfolgt, wobei in dem interessierenden Bereich vor dem Aufnehmen des präoperativen Bildes (S2) Marker angebracht werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Überprüfen der Übereinstimmung des präoperativen und des intraoperativen Bildes (S7) rechnerisch und automatisch mittels eines Algorithmus auf einem Rechner erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Re-Registrierung eine 3D-Drehkorrektur (S8.2) beinhaltet.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Re-Registrierung eine Verschiebe-Korrektur (S8.4) beinhaltet.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Re-Registrierung eine Reskalier-Korrektur (S8.6) beinhaltet.
  8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Re-Registrierung mit Reskalier-Korrektur (S8.6) nur auf einen Bereich innerhalb des Bildes bezieht und die Bereiche außerhalb original skaliert und evtl. original positioniert bleiben.
  9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Re-Registrierung des präoperativen Bildes und die gekoppelte Darstellung sich auf mehrere intraoperative Bilder beziehen, welche während eines periodischen physiologischen Bewegungs-Zyklusses zu definierten Zeitpunkten und/oder Ortspunkten aufgenommen worden sind.
  10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus den re-registrierten präoperativen Bildern eine Videosequenz dadurch erhalten wird, dass auf Basis des physiologischen Signals zwischen den re-registrierten Bildern interpoliert wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zyklus durch ein EKG, eine Blutdruckkurve oder eine Atemkurve als zugehöriges physiologisches Signal definiert ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das gekoppelte Darstellen durch benachbartes nebengeordnetes Darstellen beider Bilder erfolgt.
  13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das gekoppelte Darstellen durch Überlagerung bzw. Überblendung beider Bilder erfolgt.
  14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das präoperative Bild ein 3D-Bild ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das intraoperative Bild ein 3D-Bild ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das präoperative Bild mit Magnetresonanztomographie-, Computertomographie-, Ultraschall-, Positronenemissionstomographie- oder nuklearmedizinischen Verfahren aufgenommen wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das intraoperative Bild mit Endoskop, Laparoskop, Ultraschallgerät, C-Bogen-Gerät, Magnetresonanztomographie-, Computertomographie-, Positronenemissionstomographie- oder nuklearmedizinischen Verfahren aufgenommen wird.
  18. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17.
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