DE19826987C2 - Verfahren zur Erzeugung eines Modells von Gefäßen vom lebenden menschlichen oder tierischen Körper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Modells von Gefäßen vom leben­ den menschlichen oder tierischen Körper mit Unterstützung durch ein CAD-System.

Bei einem bekannten Verfahren wird das Modell der Gefäße bei einem toten Menschen er­ stellt. Hierzu werden die Gefäße mit einer aushärtenden Masse gefüllt. Anschließend wird das Gewebe um die Gefäße herum entfernt, so daß das Modell der Gefäße übrigbleibt. Nachteiligerweise kann dieses Modell der Gefäße nur an einem toten Körper erstellt werden.

In der DE 43 41 367 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Endoprothesen offenbart. Das Verfahren sieht vor, das mittels Computertomographie ermittelte Ist-Modell einer vorhande­ nen Knochenstruktur eines Patienten vom Soll-Modell zu subtrahieren, um so aus der Diffe­ renz der beiden Datensätze eine rechnerinterne Vorlage für die Endoprothese zu bilden. Die Begrenzungsflächen der Modelle werden dabei durch an Stützpunkten orientierte Spline- und Bezierfunktionen beschrieben.

In der Druckschrift "HOSAKA, M., KIMURA, F.: Interactive Input Methods For Free-Form Shape Design. In: SATO, T., WARMAN, E. (Hrsg.): Man-Machine Communication in CAD/CAM, Proceedings of the IFIP WG 5.2-5.3 Working Conference held in Tokyo, Japan, 2-4 October 1980" ist ein mathematisches Verfahren zum Darstellen einer 3-dimensionalen Kurve im Raum offenbart. Dabei wird von zwei orthogonalen Projektionsaufnahmen dieser Kurve, also in der 2-dimensionalen Ebene ausgegangen. Durch ein Netz derartiger 3- dimensionaler Kurven kann daraus dann schließlich eine 3-dimensionale Fläche zusammen­ gesetzt werden.

Die Druckschrift "MORNEBURG, Heinz (Hrsg.): Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik. 3. Auflage. Erlangen: Publicis MCD Verlag, Erlangen 1995, S. 464-465" zeigt Anwendungen der Röntgen-Computertomographie zur Darstellung von Gefäßabschnitten in einer räumlichen Darstellung auf einem 2-dimensionalen Medium. Die Darstellung kann da­ bei auch in einer bewegten Bildfolge erfolgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mittels wel­ chem ein Modell von Gefäßen am lebenden menschlichen oder tierischen Körper erzeugt werden kann, insbesondere der mit dem bewegten Herzen verbundenen Gefäße, deren 3- dimensionaler Datensatz nicht mit ausreichender Genauigkeit durch ein computertomogra­ phisches Verfahren erzeugt werden kann.

Die technische Lösung ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Dadurch ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Modells von Gefäßen, insbesondere der mit dem bewegten Herzen verbundenen Gefäße am lebenden menschlichen oder tierischen Körper geschaffen, wobei durch eine Computerrekonstruktion der Verlauf der Gefäße dar­ gestellt und als Grundlage für die Herstellung eines Modells verwendet wird. Die Grundidee des Verfahrens liegt in zwei unterschiedlichen Röntgenaufnahmen der Gefäße, welche es durch abwechselnden Vergleich erlauben, den exakten Verlauf der Gefäße zu identifizieren, um daraus einen 3-dimensionalen Datensatz zu gewinnen. Die einzige Voraussetzung ist, daß die beiden Röntgenaufnahmen gleichzeitig oder in der gleichen Herzrhythmusphase gemacht werden, indem man die beiden Aufnahmen beispielsweise durch das EKG triggert. Durch diese beiden Röntgenaufnahmen ist dann gewährleistet, daß sich die Gefäße in den beiden Aufnahmen exakt im gleichen Zustand befinden und insgesamt im Modell scharf dar­ gestellt werden können. Dies unterscheidet sich in vorteilhafter Weise von der Computerto­ mographie, da dort durch die lange Aufnahmedauer und durch das pulsierende Herz un­ scharfe Gefäßdarstellungen erzeugt werden. Um den Verlauf der Gefäße zu rekonstruieren, werden bei den beiden Röntgenaufnahmen jeweils der Verlauf der Gefäße durch Zentrallini­ en nachgezeichnet. Da es sich aber bei den Gefäßen beim menschlichen oder tierischen Körper um ein überaus kompliziertes Gebilde in Form eines Gefäßbaumes handelt, bei dem es eine Vielzahl von Verzweigungen und Verästelungen gibt, hat die 2-dimensionale Projek­ tion eines derartigen Gefäßsystems mittels einer Röntgenaufnahme den Nachteil, daß sämt­ liche, im Raum liegende Gefäße in einer einzigen Ebene abgebildet werden, was zu einem Netzsystem führt. Aus dieser 2-dimensionalen Netzstruktur ist es dann nicht entscheidbar, ob es sich bei dem Kreuzungspunkt von zwei Gefäßlinien um eine Verzweigung eines Gefä­ ßes oder um eine Projektion zweier windschiefer Gefäßverläufe handelt. Um hier eine ein­ deutige Entscheidung über den Verlauf des jeweils mittels der Zentrallinie nachzuzeichnen­ den Gefäßes treffen zu können, wird eine andere Röntgenaufnahme aus einer anderen Auf­ nahmerichtung zu Hilfe genommen. Nachdem auf diese Weise die Zentrallinien eindeutig den Gefäßverläufen zugeordnet werden konnten, werden dann noch diesen Zentrallinien die jeweiligen Gefäßdurchmesser zugeordnet. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß nicht die zueinander parallelen Begrenzungslinien der Gefäße auf der Röntgenaufnahme nachge­ zeichnet werden müssen, sondern daß nur eine einzige Zentrallinie gezeichnet werden muß. Dieser ist dann aus der Röntgenaufnahme eindeutig der jeweilige Gefäßdurchmesser zuor­ denbar.

Der Vorteil der Weiterbildung gemäß Anspruch 2 besteht darin, daß dadurch eine hohe Ge­ nauigkeit bei der Rekonstruktion des Gefäßverlaufs erzielt wird.

Zweckmäßigerweise wird gemäß der Weiterbildung in Anspruch 3 zur Herstellung des Mo­ dells aus dem Datensatz ein lithographisches Verfahren verwendet, wobei vorteilhafterweise ein stereolithographisches Verfahren verwendet wird. Hierzu wird das Modell aus Kunststoff­ schichten aufgebaut, wobei die einzelnen Kunststoffschichten durch ein Photopoly­ merisationsverfahren mit einem Laser ausgehärtet werden. Um ein präzises Modell der Ge­ fäße zu erhalten, wird der Aufbau der Kunststoffschichten und der Laser zweckmäßiger­ weise von einem Rechner gesteuert.

Gemäß der Weiterbildung in Anspruch 4 ist das Modell aus Kunststoffschichten aufgebaut. Dabei können gemäß Anspruch 5 die einzelnen Kunststoffschichten durch ein Photopolyme­ risationsverfahren mit einem Laser ausgehärtet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert:
Bei dem Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung eines Mo­ dells von Koronargefäßen. Bei akuten und chronischen Herzerkrankungen leidet der größte Teil der Patienten an einer Koronarerkrankung wie Herzinfarkt oder Angina pectoris.

Bei der in vivo-Untersuchung werden Röntgenanlagen verwendet. Hierbei liegt der Patient auf einem feststehenden Untersuchungstisch, und eine Röntgeneinrichtung mit Bildschirm wird frei um die Brust des Patienten bewegt. Das Herz steht dabei im Isozentrum. Bewegt man den Bildschirm um die Längsachse des Patienten, dann spricht man bei einer Drehung zur linken Seite des Patienten von einer LAO-Projektion und bei einer Drehung zur rechten Seite von einer RAO-Projektion. Durch einen Herzkatheter, der von der Leiste zum Herzen vorgeschoben wird, wird Kontrastmittel in die Abgänge der Koronararterien eingespritzt, wo­ nach die Koronararterien im Röntgenbild als Absorptionsbild sichtbar werden. Während das Röntgenkontrastmittel durch die Koronararterien fließt, wird ein cine run mit 12,5 Bildern pro Sekunde aufgenommen. Gespeichert werden diese cine runs als digitale Bilder im DICOM 3 Standardformat auf CDs. Bei der Koronarangiographie werden die Koronararterien von ver­ schiedenen Richtungen gefilmt, um alle Abschnitte des Koronarbaumes sicher beurteilen zu können.

Die auf einer CD abgespeicherten Röntgenfilmaufnahmen können mit einem speziell entwic­ kelten PC-Programm "Cardio view" gelesen werden. Aus zwei orthogonalen cine runs (30° RAO und 60° LAO) werden EKG-getriggert je ein enddiastolisches Bild ausgewählt, das für die Rekonstruktion geeignet ist. Wichtig ist dabei eine komplette Füllung der Koronararterien mit Röntgenkontrastmittel. Durch Kantenanhebung und Kontrastanpassung werden die Bil­ der vor dem Exportieren in das 3D-Studio optimiert. Die beiden orthogonalen Bilder, z. B. der linken Koronararterie, werden in die Vorlage des 3D-Studio-Programms eingesetzt.

Dann beginnt der Schritt, den Verlauf der einzelnen Gefäße sicher zu erkennen und mit Hilfe von splines nachzuzeichnen. Bei Gefäßüberlagerungen kann der Verlauf unsicher werden. Durch Zurückschalten in das "Cardio view"-Programm kann zu dem Einzelbild der zugehöri­ ge cine run wieder aufgerufen werden. Durch Vorwärts- und Rückwärtsspielen kann der richtige Gefäßverlauf aus den bewegten Bildern leicht erkannt werden. Mit einer endlichen Anzahl von Kontrollpunkten und deren Tangentenrichtungen kann der gekrümmte Ge­ fäßverlauf nachgebildet werden. Jeweils zwischen zwei Kontrollpunkten kann die Krümmung und die Lage der splines durch Einfügen eines weiteren Punktes und seines Tangenten­ vektors beliebig verfeinert werden, bis der wahre Verlauf angenähert ist.

Nachdem der spline in RAO-Projektion für den RIA gezeichnet wurde, wird in die LAO- Projektion umgeschaltet. In dieser Projektion erscheint der spline des RIA als senkrechter Strich zwischen dem höchsten und tiefsten Punkt der RAO-Projektion des RIA. Bei Abwei­ chungen der Isozentren der beiden Filmaufnahmen muß in der LAO-Projektion eine Bildver­ schiebung nach oben oder unten erfolgen, bis der höchste und tiefste Punkt auch in LAO- Projektion übereinstimmt. Danach kann der spline des RIA auch in der dritten Dimension angepaßt werden. Um einen korrekten Gefäßverlauf in LAO nachzuzeichnen, können weite­ re Kontrollpunkte eingefügt werden, die in RAO-Projektion nachjustiert werden müssen. Als Grundlage dient in jedem Falle die unterlegte Röntgenaufnahme der gleichen Projektion. Nachdem die splines für alle bedeutsamen Gefäße konstruiert wurden, haben wir einen Ko­ ronargefäßbaum aus Zentrallinien.

Der nächste Schritt ist die Extrusion der Zentrallinien, um ein 3-dimensionales Gefäßsystem zu schaffen. Da der Gefäßdurchmesser nach jeder Abzweigung kleiner wird, muß die extru­ ierte Zentrallinie an den wahren Gefäßdurchmesser angepaßt werden. Da die Strömungsge­ schwindigkeit in den betrachteten Gefäßabschnitten annähernd konstant ist, muß wegen der Kontinuitätsgleichung die gesamte Querschnittsfläche etwa gleichbleiben. Die Gefäßdurch­ messeranpassung ist leicht möglich mit einem Skaliermodus, mit dem die Extrusion entlang des Gefäßverlaufes dem Gefäßdurchmesser angepaßt werden kann.

Nach Abschluß dieser Arbeiten liegt der 3-dimensionale Datensatz eines Koronargefäßbau­ mes vor, der als STL-Datei für die Stereolithographie verwendet werden kann. Abhängig von der Erfahrung und der Komplexität des Koronarbaumes, der Rechnergeschwindigkeit und des verwendeten Programmes benötigt ein Modellierer 2 bis 6 Stunden für diese Arbeit. Mittels der Computerrekonstruktion liegt nun ein 3D-Satz für die Gefäße vor. Zur Herstellung des Modells der Gefäße wird ein stereolithographisches Verfahren verwendet. Hierzu wird ein Programm verwendet, welches die Datensätzen in STL-Format ausgibt, wie sie für die Stereolithographie benötigt werden. Dabei werden die Modelle aus dünnen, miteinander ver­ bundenen Kunststoffschichten aufgebaut. Verwendet werden flüssige Epoxyharze, die schichtweise aufgetragen werden und nach dem Photopolymerisationsverfahren mit einem Laser ausgehärtet werden. Zunächst zerlegt der Rechner das Modell in dünne Scheiben und berechnet die Geometrie der einzelnen Schichten für die Aushärtung. Während des Produk­ tionsvorganges steuert der Rechner den Strahlengang des Lasers und das Auftragen der einzelnen Kunststoffschichten. Der Koronarbaum hat einen Längsdurchmesser von etwa 10 cm und einen Querdurchmesser von 5 cm. Er beginnt mit einem Hauptstamm, der für die linke Koronararterie etwa 5 mm im Durchmesser beträgt und verzweigt sich in Äste, die wir bis zu einem Durchmesser von 1 mm herunter nachmodelliert sind. Es ist günstig, den Ko­ ronarbaum so auszurichten, daß der kräftige Hauptast den Fußpunkt bildet und die einzel­ nen Äste darauf aufgebaut werden. Damit kommt man mit weniger Stützkonstruktionen aus. Mit einer Schichtdicke von 0,15 mm wurde der Koronarbaum schichtweise aufgebaut. Zur exakten Generierung der Randkurven wird der Strahl kompensiert, d. h., der Laserstrahl wird um eine halbe Strahlenbreite (Strahlendicke 0,2 mm) nach innen verlegt.

Die Herstellung des Modells wurde anhand des lithographischen Verfahrens beschrieben. Es ist auch denkbar, den Datensatz der Gefäße dazu zu verwenden, um das Modell aus einem vollen Materialblock mit spanabhebenden Werkzeugen herzustellen. Ebenso ist es denkbar, das Modell durch Gießtechnik in Einzelteilen herzustellen, die später zusammengesetzt wer­ den.

Das Modell der Gefäße kann auch für die Ausbildung von Kardiologen verwendet werden, die den Zusammenhang zwischen dem räumlichen 3D-Modell und der 2D-Abbildung mit dem Röntgengerät lernen müssen. Denn beleuchtet man das erfindungsgemäße Koronar­ modell mit parallelem Licht, dann erhält man die gleichen Abbildungen wie auf dem Rönt­ genfilm.

Stellt man einen Abguß des Koronarmodells her, dann erhält man das Lumen der Koronar­ gefäße in natürlicher Größe und Form und kann daran die Wirkungsweise der heutigen Ko­ ronarinterventionstechniken studieren, z. B. das Einsetzen von Stents oder ablative Techni­ ken wie der Rotablator oder der Laser-Katheter trainieren. Weiter können mit dieser Technik z. B. auch die Aorta ascendens mit Aortenklappe und Koronarabgänge nachgebildet werden. Anhand dieser Modelle können neue Katheterformen für die Koronardiagnostik und -inter­ vention entwickelt werden. Für die Entwicklung von Herzkathetern gibt es bis heute keine naturgetreue Modelle, da bisher keine Technik hierfür zur Verfügung stand.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, am lebenden Menschen das Herzgefäßsystem zu erfassen und im Modell darzustellen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Erzeugung eines Modells von Gefäßen vom lebenden menschlichen oder tierischen Körper mit Unterstützung durch ein CAD-System, bei dem
zwei aus unterschiedlichen Richtungen gemachte Röntgenaufnahmen der Gefäße in der gleichen Herzrhythmusphase verwendet und dargestellt werden,
in den Darstellungen beider Röntgenaufnahmen der von einer Person eingegebene Verlauf von Zentrallinien der Gefäße erfaßt wird,
zu den Zentrallinien auf den beiden Röntgenaufnahmen der von einer Person zuge­ wiesene jeweilige Gefäßdurchmesser erfaßt wird,
anschließend aus den Zentrallinien und den Durchmessern ein 3-dimensionaler Da­ tensatz berechnet und gespeichert wird und
schließlich dieser Datensatz zur Erzeugung des Modells der Gefäße verwendet wird.

2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgenaufnahmen etwa orthogonal zueinander sind.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Modells aus dem Datensatz ein lithographisches, insbesondere ein stereolithographisches Verfahren verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell aus Kunststoffschichten aufgebaut wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kunststoffschichten durch ein Photopolymerisationsverfahren mit ei­ nem Laser ausgehärtet werden.