DE19919907C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Katheter-Navigation in dreidimensionalen Gefäßbaum-Aufnahmen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Katheter-Navigation in dreidimensionalen Gefäßbaum-AufnahmenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Katheter-
Navigation in dreidimensionalen Gefäßbaum-Aufnahmen, insbe
sondere für interkraniale Applikationen, wobei die Katheter
position ermittelt und in die 3D-Ansicht des präoperativ auf
genommenen und in einem Navigationsrechner rekonstruierten
Gefäßbaums eingeblendet wird und vor der Intervention mittels
einer Mehrzahl von am Körper des Patienten angebrachten Mar
kern, deren Position durch den Katheter erfasst wird, eine
Abbildung (Registrierung) des 3D-Patientenkoordinatensystems
auf das 3D-Bildkoordinatensystem erfolgt.
Die Behandlung von Gefäßpathologien, insbesondere interkrani
aler Gefäßpathologien, erfolgt häufig mit Hilfe eines Kathe
ters, der in die Femoral-Arterie eingeführt und durch die Ge
fäße an den Ort der Läsion geführt wird. Diese Prozedur wird
unter kontinuierlich gepulster 2D-Röntgen-Durchleuchtung
(häufig mit Biplan-Systemen) und unter Kontrastmittelapplika
tion durchgeführt. Dabei stellt es sich für den Neuro-
Radiologen oft als sehr schwierig dar, die aufgenommenen 2D-
Durchleuchtungsbilder mit der komplexen, dreidimensionalen
Form des realen Gefäßbaums in Übereinstimmung zu bringen. Ein
weiterer Nachteil dieses bekannten Verfahrens liegt darin,
dass die kontinuierlich während der Intervention durchzufüh
rende Durchleuchtung Strahlungsbelastung für Arzt und Patient
mit sich führt, und dass das injizierte Kontrastmittel, das
ja auch während der gesamten Katheter-Behandlung vorliegen
muss und somit ständig nachinjiziert werden muss, toxische
Wirkung besitzt.
Dreidimensionale Abbildungen des Gefäßbaums können heutzutage
durch verschiedene bildgebende Modalitäten, wie z. B. Magnet-
Resonanz-Angiographie (MRA), Computertomographie-Angiographie
(CTA) und die 3D-Angiographie erzeugt werden. Bei dieser 3D-
Angiographie wird aus mehreren, ca. 50, präoperativen oder
intraoperativen, aus verschiedenen Winkeln aufgenommenen 2D-
Röntgenprojektionsbildern, die im allgemeinen mit Hilfe eines
C-Bogen-Röntgengeräts gewonnen werden, ein 3D-Volumen des Ge
fäßbaums rekonstruiert und visualisiert. Durch die 3D-Auf
nahmetechniken erhält der Neuro-Radiologe eine 3D-Abbildung
des Gefäßbaums, hat aber keine direkte Kenntnis über die ak
tuelle Position des Katheters in diesem 3D-Gefäßbaum während
der Intervention. Vielmehr muss er eine gedankliche Abbildung
der intraoperativen 2D-Durchleuchtungsbilder, in denen der
Katheter ja mit abgebildet ist, auf den präoperativ aufgenom
menen und rekonstruierten 3D-Gefäßbaum, in dem der Katheter
nicht abgebildet ist, vornehmen, was bei komplexen Gefäßbaum
strukturen mühsam und zeitaufwendig sein kann.
Darüber hinaus ist aus der US 5,851,183 auch bereits ein Ver
fahren zur Katheternavigation vorbekannt, bei dem die Spitze
einer Sonde durch ein Positionserfassungssystem erfasst und
gemeinsam mit einer gleichzeitig aufgenommenen Röntgenaufnah
me in einem Bild dargestellt wird. Dabei geht es aber darum,
dass aus den gewonnenen Schichtbildern gerade diejenige
Schicht abgebildet wird (natürlich mit der Spitze der Sonde),
in der sich die Sondenspitze gerade befindet. Dies ist aber
etwas völlig anderes, als die Einblendung einer Katheterspit
ze in ein dreidimensionales Bild dergestalt, dass man anhand
dieser Einblendung die Führung des Katheters so vornehmen
kann, dass er an den gewünschten Stellen in Abzweigungen von
Blutbahnen od. dgl. geführt wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren
der eingangs genannten Art und eine zu seiner Vorrichtung ge
eignete Vorrichtung so auszugestalten, dass die Strahlenbe
lastung für Arzt und Patient während der Intervention ebenso
reduziert ist, wie die Kontrastmittelgabe während der Inter
vention, wobei die aktuelle Katheterposition in einer dreidi
mensionalen Ansicht des Gefäßbaums dargestellt wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die bei Verwendung eines C-Bogen-Röntgengeräts zur 3D-
Angiographie Marker in wenigstens zwei 2D-Projektionsbildern,
aus denen das 3D-Angiobild errechnet wird, erfasst und mit
Hilfe der zu den jeweiligen 2D-Projektionsbildern berechneten
Projektionsmatrizen, die zur Rekonstruktion des 3D-Volumen
satzes des Gefäßbaumes ermittelt wurden, auf das abgebildete
Objekt im Navigationsrechner rückprojiziert und in Relation
zu den Markerkoordinaten im Patientenkoordinatensystem ge
bracht werden.
Das Verfahren soll dabei bevorzugt in der Weise ausgestaltet
sein, dass die Katheterposition mittels eines in seine Spitze
eingebauten miniaturisierten Positionserfassungssystems er
mittelt wird.
Zur Registrierung kann - wenn die Marker im 3D-Bild sichtbar
sind - jeweils die Markerposition im 3D-Bild angefahren wer
den, beispielsweise mit Hilfe einer Maus, und in Relation zu
den durch Antasten des jeweils gleichen Markers mit der
Katheterspitze ermittelten Positionen im Patientenkoordina
tensystem gebracht werden. Problemlos ist dies bei der CTA
und bei der MRA möglich, bei der beispielsweise der gesamte
Kopf mit den außen daran angebrachten Markern problemlos als
3D-Bild erstellt werden kann. Die Magnet-Resonanz-Angiogra
phie (MRA) hat dabei noch den zusätzlichen Vorteil, dass
überhaupt keine Strahlenbelastung, noch nicht einmal zur Ge
winnung des präoperativen Bilddatensatzes für den Gefäßbaum
für den Patienten auftritt.
Probleme mit dieser Art der Registrierung können allerdings
bei der 3D-Angiographie auftreten, bei denen die in den 2D-
Aufnahmen noch abgebildeten Marker im 3D-Bild wegen der Größe
des Kopfes und des neu erstellbaren Ausschnitts nicht mit er
scheinen. Um hier Abhilfe zu schaffen, kann in Weiterbildung
der Erfindung vorgesehen sein, dass die Marker in wenigstens
zwei 2D-Projektionsbildern, aus denen das 3D-Angiobild er
rechnet wird, erfasst und mit Hilfe der zu den jeweiligen 2D-
Projektionsbildern berechneten Projektionsmatrizen, die zur
Rekonstruktion des 3D-Volumensatzes des Gefäßbaums ermittelt
wurden, auf das abgebildete Objekt im Navigationsrechner zu
rückprojiziert und in Relation zu den Markerkoordinaten im
Patientenkoordinatensystem gebracht werden. Dabei können je
weils die Schwerpunkte der Marker als Schwerpunkte des jewei
ligen Schnittvolumens der Projektionskegel der verwendeten
2D-Projektionsbilder als 3D-Koordinaten ermittelt werden, am
einfachsten derart, dass vor der Rückprojektion eines in 2D-
Projektionsbild identifizierten Markers dessen Schwerpunkt im
2D-Bild erfasst und nur dieser Punkt rückprojiziert wird.
Die Identifikation der Marker kann dabei interaktiv oder aber
auch automatisch erfolgen, wobei speziell für die automati
sche Identifizierung die Marker alle unterschiedlich ausge
bildet sind und sich somit durch ihre unterschiedliche Form
und/oder Größe in den Bildern leicht und auch automatisierbar
unterscheiden lassen. Bei einer interaktiven Identifikation
ist darauf zu achten, dass die Marker sowohl im Patienten-
als auch im Bildkoordinatensystem - und hier wiederum in je
der der n Projektionsbilder - in derselben Reihenfolge iden
tifiziert werden.
Die Visualisierung des Gefäßbaums unter Einblendung der
Katheterspitze entsprechend ihrer jeweiligen über das Posi
tionserfassungssystem ermittelten Position und deren Umrech
nung in das Bildkoordinatensystem, kann in 3D-Oberflächendar
stellung erfolgen, wobei die Katheterspitze in die mit Hilfe
einer Segmentierung und nachfolgendem Surface Rendering oder
Volume Rendering erzeugte dreidimensionale Abbildung des Ge
fäßbaums eingeblendet wird.
Die 3D-Visualisierung des Gefäßbaums kann auch in MIP (Maxi
mum Intensity Projections) erfolgen, bei der die aktuelle
Position der Katheterspitze auf das nächstgelegene Pixel ab
gebildet wird, so dass die Katheterspitze in das MIP-Display
eingeblendet werden kann.
Besonders günstig und hilfreich für den Neuro-Radiologen bei
der Navigierung des Katheters ist eine "Fly-Through"-Visuali
sierung des Gefäßbaums aus der Sicht der Katheterspitze, die
eine besonders einfache Manipulation des Katheters an Ge
fäßabzweigungen ermöglicht.
Während der Intervention wird fortlaufend kontrolliert, ob
sich der in den Gefäßbaum eingeblendete Katheter innerhalb
der abgebildeten Gefäße befindet. Sollte dies während der
Intervention nicht mehr gewährleistet sein, beispielsweise
weil sich der Patient trotz der Fixierung etwas bewegt hat,
so muss ein Registrierungs-Update durchgeführt werden. Neben
einem globalen Registrierungs-Update mit Neuregistrierung des
gesamten 3D-Gefäßbaums entsprechend der Registrierung vor der
Intervention kann dabei auch ein lokales Registrierungs-Up
date unter Verzerrung von Teilen des 3D-Gefäßbaums (Defor
mable Matching Registrierung) entsprechend von Verschiebungen
und Deformationen der Gefäße durch den Katheter durchgeführt
werden. Während globale Registrierungs-Updates, die vor allem
dann hilfreich sind, wenn Änderungen der Patientenposition
bezüglich des normalerweise ortsinvarianten Senders des Posi
tionserfassungssystems aufgetreten sind, oder wenn die aktu
ell vorliegende Registrierung sich als nicht genügend genau
erweist, mit Hilfe der am Kopf des Patienten angebrachten
Marker, sogenannter "Fiducial-Marker", durchgeführt werden
können, müssen lokale Registrierungs-Updates anhand anatomi
scher Landmarken, die im 3D-Gefäßbaum selbst zu identifizie
ren sind, durchgeführt werden.
Eine zur Durchführung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens ge
eignete Vorrichtung ist gekennzeichnet durch ein Positionser
fassungssystems mit in unmittelbarer Nähe des Patienten ange
ordneten Sendespulen und einem in der Spitze eines Neuro-
Katheters eingebauten Empfänger sowie am Patienten befestig
ten Markern, einem Navigationsrechner zur Rekonstruktion ei
nes 3D-Gefäßbaums aus präoperativ ermittelten Aufnahmen des
Patienten und einer Registriereinrichtung zum Abbilden des
Patientenkoordinatensystem auf das 3D-Bildkoordinatensystem.
Während üblicherweise die Sendespulen des Positionserfas
sungssystems irgendwo im Raum außerhalb des Körpers des Pati
enten angeordnet sind, kann es in Sonderfällen auch zweck
mäßig sein, die Sendespulen direkt am Patienten zu befesti
gen. Dies hat den Vorteil, dass etwaige Lageveränderungen des
Patienten während der Intervention kein Registrierungs-Update
erfordern, da durch diese Lageveränderungen die gemessene
Position der Katheterspitze sich nicht ändert. Eine weitere
Möglichkeit, etwaige Lage-Veränderungen des Patienten während
der Intervention detektieren zu können, ist, eine oder meh
rere Empfänger-Spulen fix am Patienten zu befestigen und de
ren Position kontinuierlich zu erfassen. So ist es möglich,
die Position der in den Katheter integrierten Empfänger-Spule
auch nach Patientenbewegung korrekt in die prä- opder
intraoperativ ermittelten Aufnahmen des Patienten einzublen
den.
Die Marker können speziell zur automatischen Identifizierung
unterschiedlich ausgebildet und gegebenenfalls auch mit Kon
trastmittel gefüllt sein. Der Navigationsrechner, der mit
einer Visualisierungseinrichtung für den Gefäßbaum zum Ein
blenden der Katheterspitze versehen ist, kann ein gesonderter
Rechner oder aber auch unmittelbar der Rechner sein, der zur
Erstellung der präoperativen 3D-Bilddatensätze verwendet
wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er
geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Registrie
rung bei der 3D-Angiographie.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Messobjekts mit
vier daran angebrachten Markern und den Verlauf der
Projektionskegel der Marker bei der Erstellung ei
ner 2D-Projektionsaufnahme,
Fig. 2 die Ermittlung der Markerkoordinaten im 3D-Bildko
ordinatensystem anhand der Markerprojektionen in
zwei 2D-Projektionsbildern,
Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung, bei der
anstelle der Marker ihre Schwerpunkte rückproji
ziert werden, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung unter Verwendung von
verschiedenförmigen Markern zur automatischen Iden
tifikation und automatischen Registrierung.
Die Fig. 1 zeigt bei 1 schematisch den Kopf des Patienten, an
dem außen vier Marker 2 bis 5 befestigt sind, die in einer
schematisch angedeuteten 2D-Projektionsbild 6 an den Marker
bildpositionen 2' bis 5' abgebildet sind. Der Kreis 7 zeigt
die ideale Bahn, auf der sich die Röhre und der Detektor
eines C-Bogen-Röntgengeräts für die 3D-Angiographie bewegen,
wobei neben dem Röhrenfokus 8 eine Reihe weiterer Positionen
der Röhre durch Kreuze auf dem Kreis 7 angedeutet sind, von
denen aus Aufnahmen von 2D-Projektionsbildern erfolgen sol
len.
In Fig. 2 ist dargestellt, wie die Markerkoordinaten im 3D-
Bildkoordinatensystem anhand der Markerprojektionen in zwei
2D-Projektionsbildern 6', 6" entsprechend der Röntgendetek
torpositionen mit den jeweils zugehörigen Röhrenfokusposi
tionen 8' und 8" ermittelt werden können. Das Markerposi
tionsbild 3' bzw. 3" des Markers 3 in den verschiedenen 2D-
Projektionsbildern 6', 6" wird, was durch die Pfeile 9 und
10 angedeutet ist, mit Hilfe der projektionsbildspezifischen
Projektionsmatrizen rückprojiziert und das Schnittvolumen der
beiden Projektionskegel ergibt die Position des Markers im
3D-Bild.
In Fig. 3 sind die Verhältnisse vereinfacht dahingehend dar
gestellt, dass anstelle der Marker nur ihre Schwerpunkte S3'
und S3" rückprojiziert werden.
Die Fig. 4 schließlich zeigt schematisch wie durch Verwendung
verschiedenförmiger Marker 2, 3, 4 und 5 die Voraussetzung
dafür geschaffen ist, dass die Identifikation und damit auch
die Registrierung automatisch erfolgen können, indem durch
diese verschiedene Form jeder der Marker ein anderes Marker
positionsbild 2' bis 5' liefert, das zur automatischen Iden
tifikation herangezogen werden kann.
Die Erfindung ist dabei nicht auf das dargestellte Ausfüh
rungsbeispiel beschränkt. So können auch mehr und anders aus
gestaltete Marker eingesetzt werden und es bedarf natürlich
der Rückprojektion der Markerpositionen aus den 2D-Projek
tionsbildern zur Ermittlung der dreidimensionalen Koordinaten
der Markerpositon dann nicht, wenn die Marker im 3D-Bild
sichtbar sind. Dies ist aber bei Verwendung von 3D-Angiogra
phie in den meisten Fällen nicht der Fall.
Claims (24)
1. Verfahren zur Katheter-Navigation in dreidimensionalen
Gefäßbaum-Aufnahmen, insbesondere für interkraniale Applika
tion, wobei die Katheterposition ermittelt und in die 3D-An
sicht des präoperativ aufgenommenen und in einem Navigations
rechner rekonstruierten Gefäßbaums eingeblendet wird und vor
der Intervention mittels einer Mehrzahl von am Körper des
Patienten angebrachten Markern, deren Position durch den
Katheter erfasst wird, eine Abbildung (Registrierung) des 3D-
Patientenkoordinatensystems auf das 3D-Bildkoordinatensystem
erfolgt, dadurch gekennzeichnet,
dass die bei Verwendung eines C-Bogen-Röntgengeräts zur 3D-
Angiographie Marker in wenigstens zwei 2D-Projektionsbildern,
aus denen das 3D-Angiobild errechnet wird, erfasst und mit
Hilfe der zu den jeweiligen 2D-Projektionsbildern berechneten
Projektionsmatrizen, die zur Rekonstruktion des 3D-Volumen
satzes des Gefäßbaumes ermittelt wurden, auf das abgebildete
Objekt im Navigationsrechner rückprojiziert und in Relation
zu den Markerkoordinaten im Patientenkoordinatensystem ge
bracht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass die Katheterposition mit
tels eines in seine Spitze eingebauten miniaturisierten Posi
tionserfassungssystems ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Markerpositionen im
3D-Bild angefahren und in Relation zu den durch Antasten der
Marker mit der Katheterspitze ermittelten Positionen im Pati
entenkoordinatensystem gebracht werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, dass jeweils
die Schwerpunkte der Marker als Schwerpunkte des Schnittvolu
mens der Projektionskegel der jeweils verwendeten 2D-Projek
tionsbilder als 3D-Koordinaten ermittelt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, dass vor der
Rückprojektion eines im 2D-Projektionsbild identifizierten
Markers dessen Schwerpunkte des Markers im 2D-Bild erfasst
und rückprojiziert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, dass die
Identifikation der Marker interaktiv erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, dass die
Identifikation der Marker automatisch erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, dass die 3D-
Visualisierung des Gefäßbaums in 3D-Oberflächendarstellung
erfolgt, wobei die Katheterspitze in die mit Hilfe einer Seg
mentierung und nachfolgenden Surface Rendering oder Volume
Rendering erzeugte dreidimensionale Abbildung des Gefäßbaums
eingeblendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, dass die 3D-
Visualisierung des Gefäßbaum in MIP (Maximum Intensity Pro
jections) erfolgt, bei der die aktuelle Position der Kathe
terspitze auf das nächstgelegene Pixel abgebildet wird, so
dass die Katheterspitze in das MIP-Display eingeblendet wer
den kann.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, dass eine
"Fly-Through"-Visualisierung des Gefäßbaums aus der Sicht der
Katheterspitze verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da
durch gekennzeichnet, dass während
der Intervention zusätzliche Registrierungs-Updates durchge
führt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch ge
kennzeichnet, dass ein globales Registrie
rungs-Update mit Neuregistrierung des gesamten 3D-Gefäßbaums
durchgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch ge
kennzeichnet, dass ein lokales Registrierungs-
Update unter Verzerrung von Teilen des 3D-Gefäßbaums (Defor
mable Matching Registrierung) entsprechend von Verschiebungen
und Deformationen der Gefäße durch den Katheter durchgeführt
wird.
14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet
durch ein Positionserfassungssystem mit in unmittel
barer Nähe des Patienten angeordneten Sendespulen und einem
in die Spitze eines Neuro-Katheters eingebauten Empfängers
sowie am Patienten befestigten Markern, einem Navigations
rechner zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Gefäßbaums
aus präoperativ ermittelten Aufnahmen des Patienten und einer
Registriereinrichtung zum Abbilden des Patientenkoordinaten
systems auf das 3D-Bildkoordinatensystem.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, dass die Sendespulen am
Patienten befestigt sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Emp
fänger-Spulen am Patienten befestigt sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 16, dadurch
gekennzeichnet, dass die Marker unterschied
lich ausgebildet sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, da
durch gekennzeichnet, dass der
Navigationsrechner eine Visualisierungseinrichtung für den
Gefäßbaum in 3D-Oberflächendarstellung aufweist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, da
durch gekennzeichnet, dass der
Navigationsrechner eine "Fly-Through"-Visualisierungseinrich
tung aufweist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, da
durch gekennzeichnet, dass Naviga
tionsrechner eine Visualisierungseinrichtung mit einem MIP
(Maximum Intensity Projections)-Display aufweist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, ge
kennzeichnet durch eine CT-Angio
graphie-Anlage zur Erstellung des 3D-Bilddatensatzes für den
Gefäßbaum.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, ge
kennzeichnet durch eine MR-Angio
graphie-Anlage zur Erstellung des 3D-Bilddatensatzes für den
Gefäßbaum.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, ge
kennzeichnet durch eine 3D-Angio
graphie-Anlage mit einem C-Bogen-Röntgengerät zur Erstellung
von 2D-Projektionsbildern aus unterschiedlichen Richtungen
und zur Erstellung des 3D-Bilddatensatzes für den Gefäßbaum
aus den 2D-Projektionsbildern über berechnete Projektions
matrizen.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, da
durch gekennzeichnet, dass der
Rechner zur Erstellung des präoperativen 3D-Bilddatensatzes
gleichzeitig den Navigationsrechner bildet.
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