DE19963440A1

DE19963440A1 - Verfahren und System zur Visualisierung eines Gegenstandes

Info

Publication number: DE19963440A1
Application number: DE1999163440
Authority: DE
Inventors: Norbert Rahn; Rainer Graumann; Siegfried Wach
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2019-12-29
Also published as: US20010029334A1; DE19963440C2; US6628977B2; JP2001218765A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Visualisierung der Lage und Orientierung eines in ein Objekt (P) eindringenden bzw. eingedrungenen Gegenstandes (3). Das Verfahren umfaßt die Erzeugung eines ersten Satzes von Bilddaten aus dem Inneren des Objektes (P), bevor der Gegenstand (3) in das Objekt (P) eingedrungen ist, die Erzeugung eines zweiten Satzes von Bilddaten aus dem Inneren des Objektes (P), während bzw. nachdem der Gegenstand (3) in das Objekt (P) eingedrungen ist, die Verknüpfung und Überlagerung der Sätze von Bilddaten zu einem fusionierten Satz von Bilddaten sowie die graphische Anzeige eines aus dem fusionierten Satz von Bilddaten gewonnen Bildes. Das System weist einen Röntgencomputertomographen (1), ein Röntgengerät (2) und/oder ein Ultraschallgerät (17) auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Visu alisierung der Lage und Orientierung eines in ein Objekt ein dringenden bzw. eingedrungenen Gegenstandes.

In vielen technischen Anwendungen tritt zuweilen das Problem auf, einen Gegenstand, welcher in ein Objekt eingedrungen und somit nicht mehr oder nur noch zum Teil sichtbar ist, hin sichtlich seiner Lage und Orientierung in dem Objekt, z. B. für eine den Gegenstand handhabende Person, sichtbar zu ma chen. In der medizinischen Technik besteht ein derartiges Problem beispielsweise bei Entnahmen von Gewebe aus dem Kör perinneren eines Lebewesens mit einer Biopsienadel, welche von einem Arzt möglichst kontrolliert und zielgenau an die Stelle des zu untersuchenden Gewebes zu führen ist. Die Füh rung der Biopsienadel erfolgt in der Regel unter Verwendung eines bildgebenden Systems, z. B. unter Verwendung eines Röntgencomputertomographen, eines C-Bogen-Röntgengerätes oder eines Ultraschallgerätes, mit welchen Bilder aus dem Körper inneren des Lebewesens gewonnen werden können, welche die La ge und Orientierung der Biopsienadel relativ zu dem zu unter suchenden Gewebe zeigen.

Der Vorteil der Verwendung eines Röntgencomputertomographen als bildgebendes System bei der Biopsieprozedur liegt in der Visualisierung der Biopsienadel in Echtzeit und in der guten Abbildung von Weichteilgewebe in mit dem Röntgencomputerto mographen gewonnenen Bildern. Dadurch kann die aktuelle Posi tion der Biopsienadel relativ zu dem zu untersuchenden Gewebe visualisiert und auch gemessen werden. Darüber hinaus sind in den gewonnen Bildern nicht nur Verformungen der Biopsienadel beim Eindringen in den Körper des Lebewesens, sondern auch pathologische und anatomische Eigenschaften des abgebildeten Gewebes meist gut zu erkennen. Als nachteilig beim Einsatz eines Röntgencomputertomographen erweist sich der relativ kleine Durchmesser der Gantry, welche kein optimales Arbeits feld zur Durchführung einer Biopsieprozedur darstellt. Da sich die Hände des die Biopsieprozedur durchführenden Arztes zudem während der Biopsieprozedur in dem Röntgenprojektions fächer des Röntgencomputertomographen befinden, ist der Arzt einer nicht unerheblichen Strahlenbelastung ausgesetzt.

Die Verwendung eines Röntgengerätes, insbesondere eines C- Bogen-Röntgengerätes, als bildgebendes System für die Biop sieprozedur hat den Vorteil, daß die Strahlenbelastung für den die Biopsienadel führenden Arzt deutlich geringer als bei einer Röntgencomputertomographen basierten Biopsieprozedur ist. Darüber hinaus steht mehr Raum für die Biopsieprozedur zur Verfügung. Zudem ist die Gewinnung von Röntgenbildern mit einem C-Bogen-Röntgengerät in der Regel kostengünstiger als mit einem Röntgencomputertomographen. Nachteilig an den mit dem C-Bogen-Röntgengerät gewonnenen Röntgenbildern ist die oft nicht ausreichende 2D-Darstellung des zu untersuchenden Gewebes und, daß Tumore in derartigen Röntgenbildern oft nur unzureichend oder überhaupt nicht erkennbar sind.

Der Vorteil des Einsatzes von Ultraschall zur Bildgebung bei der Biopsieprozedur liegt in dem strahlenbelastungsfreien Aufnahmeverfahren und der Gewinnung von Bildern in Echtzeit. Von Nachteil ist jedoch, daß ein zu untersuchendes Gewebe nicht immer in Ultraschallbildern darstellbar ist. Probleme bei der Abbildung ergeben sich immer dann, wenn sich vom Ult raschall nicht oder nur schwer zu durchdringende Medien, z. B. Luft oder Knochen, zwischen dem Ultraschallsende- und -empfängerflächen des Ultraschallgerätes und dem zu untersuchenden Gewebe befinden.

Um die Nachteile der einzelnen bildgebenden Systeme zu kom pensieren ist es bekannt, im Zuge der Durchführung einer Bi opsieprozedur Röntgenbilder in mehrmaligem Wechsel mit einem C-Bogen-Röntgensystem und mit einem Röntgencomputerto mographen zu gewinnen. Der Patient muß für die Aufnahmen mit dem C-Bogen-Röntgengerät und für die Aufnahmen mit dem Rönt gencomputertomographen allerdings mehrmals umgebettet werden, wodurch sich der Ablauf der Biopsieprozedur aufwendig und kompliziert gestaltet. Eine technische Weiterentwicklung liegt in der Verwendung sogenannter "Sliding Gantries", wor unter man eine Kopplung eines Röntgencomputertomographen mit einem C-Bogen-Röntgengerät versteht. Eine einen Patienten aufnehmende Patientenliege kann dabei ohne Umlagerung des Pa tienten zwischen dem Röntgencomputertomographen und dem C- Bogen-Röntgengerät für verschiedene diagnostische Aufnahmen hin- und hergefahren werden.

Trotz dieser Verbesserung gestaltet sich die Durchführung ei ner Biopsieprozedur durch das erforderliche Hin- und Herver fahren des Patienten zwischen zwei bildgebenden Systemen wäh rend der Biopsieprozedur umständlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. ein System der eingangs genannten Art derart anzugeben bzw. auszuführen, daß die Visualisierung eines in ein Objekt ein gedrungenen Gegenstandes vereinfacht ist.

Nach der Erfindung wird die das Verfahren betreffende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Visualisierung der Lage und Orientierung eines in ein Objekt eindringenden bzw. einge drungenen Gegenstandes aufweisend folgende Verfahrensschrit te:

a) Erzeugung eines ersten Satzes von Bilddaten aus dem Inne ren des Objektes mit ersten Mitteln zur Aufnahme von Bilddaten, bevor der Gegenstand in das Objekt eingedrun gen ist,
b) Erzeugung eines zweiten Satzes von Bilddaten aus dem In neren des Objektes mit zweiten, von den ersten verschie denen Mitteln zur Aufnahme von Bilddaten, während der Ge genstand in das Objekt eindringt bzw. nachdem der Gegens tand in das Objekt eingedrungen ist,
c) Herstellung einer Verknüpfung zwischen den Bilddaten des ersten Satzes und den Bilddaten des zweiten Satzes,
d) Überlagerung von Bilddaten des ersten Satzes mit Bildda ten des zweiten Satzes zu einem fusionierten Satz von Bilddaten und
e) graphische Anzeige eines aus dem fusionierten Satz von Bilddaten gewonnenen Bildes.

Vorzugsweise handelt es sich bei den ersten Mitteln zur Auf nahme von Bilddaten um Mittel, mit denen Bilddaten für die Erzeugung qualitativ hochwertiger und detailgetreuer Bilder aus dem Inneren des Objektes nicht invasiv gewonnen werden können. Die zweiten Mittel zur Aufnahme von Bilddaten sind vorzugsweise derart ausgebildet, daß auf kostengünstige, ein fache und schnelle Weise nicht invasiv Bilder von dem in das Innere des Objektes eindringenden oder eingedrungenen Gegen standes gewonnen werden können. Mit den ersten Mitteln werden dabei Bilddaten vor der Einführung des Gegenstandes in das Objekt gewonnen und gespeichert. Mit den zweiten Mitteln wer den Bilddaten während der Einführung des Gegenstandes in das Objekt bzw., nachdem der Gegenstand in das Objekt eingeführt worden ist, vorzugsweise in Echtzeit aufgenommen. Stellt man schließlich eine Verknüpfung zwischen den mit den ersten und den mit den zweiten Mitteln gewonnenen Bilddaten in einem so genannten Registrierungsverfahren her und überlagert die Bilddaten einander, erhält man fusionierte Sätze von Bildda ten, aus denen in Echtzeit Bilder erzeugt werden können, in welchen einerseits Details aus dem Inneren des Objektes und andererseits der in das Objekt eingeführte, zu visualisieren de Gegenstand sichtbar sind. Eine Anwendung des erfindungsge mäßen Verfahrens stellt die eingangs beschriebene Visualisie rung einer in den Körper eines Lebewesens eindringenden oder eingedrungene Biopsienadel in der Medizin dar. Durch die Ver wendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dabei auf ein Hin- und Herverfahren des Lebewesens zwischen zwei Mitteln zur Aufnahme von Bilddaten während der Biopsieprozedur ver zichtet werden, da Bilddaten zur Visualisierung der Biop sienadel während der Biopsieprozedur nur noch mit einem bild gebenden System aufgenommen werden, welche zur Erzeugung aus sagekräftiger Bilder mit zuvor gewonnen Bilddaten fusioniert werden.

Die das System betreffende Aufgabe wird gelöst durch ein Sys tem zur Visualisierung der Lage und Orientierung eines in ein Objekt eindringenden bzw. eingedrungenen Gegenstandes aufwei send:

a) erste Mittel zur Aufnahme von Bilddaten, mit denen ein erster Satz von Bilddaten aus dem Inneren des Objektes erzeugt werden kann,
b) zweite von den ersten verschiedene Mittel zur Aufnahme von Bilddaten, mit denen ein zweiter Satz von Bilddaten aus dem Inneren des Objektes erzeugt werden kann,
c) Mittel zur Herstellung einer Verknüpfung zwischen den Bilddaten des ersten Satzes und den Bilddaten des zweiten Satzes,
d) Mittel zur Überlagerung von Bilddaten des ersten Satzes mit Bilddaten des zweiten Satzes zur Erzeugung eines fu sionierten Satzes von Bilddaten und
e) Mittel zur graphischen Anzeige eines aus dem fusionierten Satz von Bilddaten gewonnenen Bildes.

Das erfindungsgemäße System ermöglicht es, durch die Bereit stellung von Mitteln zur Herstellung einer Verknüpfung zwi schen Bilddaten des ersten Satzes und Bilddaten des zweiten Satzes sowie durch die Bereitstellung von Mitteln zur Überla gerung von Bilddaten aussagekräftige Bilder zu erzeugen, wo bei für deren Erzeugung während der Einführung des Gegenstan des in das Objekt nur noch mit einem Bildsystem Bilddaten aus dem Körperinneren des Objektes gewonnen werden müssen, um die Lage und Orientierung des Gegenstandes im Objekt visualisie ren zu können. Ein Hin- und Herbewegen des Objektes zwischen ersten Mitteln und zweiten Mitteln zur Aufnahme von Bilddaten für die Visualisierung des Gegenstandes, wie eingangs für den Fall einer Biopsieprozedur in der Medizin beschrieben, ist dadurch vermieden.

Nach Ausführungsformen der Erfindung werden die ersten Mittel von einem Röntgencomputertomographen gebildet. Die zweiten Mittel umfassen ein Röntgengerät mit einer ein kegelförmiges Röntgenstrahlenbündel aussendenden Röntgenstrahlenquelle und einem flächenhaften Röntgenstrahlendetektor, insbesondere ein C-Bogen-Röntgengerät, und/oder ein mit einem Ultraschallkopf versehenes Ultraschallgerät, mit welchem Sätze von 2D- und/oder 3D-Bilddaten gewonnen werden können. Mit dem Rönt gencomputertomograph können dabei hochauflösende und detail getreu Bilder aus dem Inneren eines Objektes gewonnen werden. Das C-Bogen-Röntgengerät und das Ultraschallgerät zeichnen sich dadurch aus, daß auf einfache, schnelle und kostengüns tige Weise Bilder aus dem Inneren eines Objektes in Echtzeit erzeugbar sind.

Geeignete, von Rechenmitteln ausführbare Registrierungsver fahren zur Verknüpfung der mit den ersten und zweiten Mitteln aufgenommenen Bilddaten stellen sogenannte Landmarken basier te Registrierungsverfahren (vgl. R. Boesecke, Th. Bruckner, G. Ende: "Landmark based correlation of medical images", Phys. Med. Biol., 1990, Vol. 35, No 1, S. 121-126), vollautomatische voxelbasierte Registrierungsverfahren (vgl. C: Studholme, D.L.G. Hill, D.J. Hawkes: "Automated three dimensional registration of magnetic resonance and positron emission tomography brain images by multiresolution optimiza tion of voxel similarity measures", United Medzcal and Dental Schools of Guy's and St. Thomas's Hospitals, 1996 oder Colin Studholme: "Measures of 3D Medical Image Alignment.PhD the sis", United Medical and Dental Schools of Guy's and St Tho mas's Hospitals, 1997), elastische Registrierungsverfahren (vgl. Lee, Seungycng, G. Wolberg, S. Y. Shin: "Scattered Data Interpolation with Multilevel B-Splines", IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 3(3), S. 337-354, 1997) oder 2D-, 3D-Registrierungsverfahren (vgl. G.P. Pen ney, J. Weese, J. A. Little, P. Desmedt et al.: "A Comparison of Similarity Measures for Use in 2-D-3-D Medical Image Re gistration": IEEE Transactions on Medical Imaging, 1998, Vol. 17, No 4, S. 586-595) dar. Bei einem derartigen Registrie rungsverfahren wird eine Transformationsvorschrift ermittelt, um die mit den ersten Mitteln gewonnenen Bilddaten und die mit den zweiten Mitteln gewonnenen Bilddaten einander überla gern zu können. Die Durchführung eines Registrierungsverfah rens ist im übrigen immer dann notwendig, wenn sich die Aus richtung der Mittel, welche zur Aufnahme von Bilddaten in Echtzeit vorgesehen sind, relativ zu dem Objekt ändert. Än dert sich also die Projektionsgeometrie des C-Bogen- Röntgengerätes relativ zu dem Objekt oder die Position und/oder Orientierung des Ultraschallkopfes relativ zu dem Objekt, so muß in der Regel eine neue Verknüpfung der mit dem C-Bogen-Röntgengerät neu aufgenommenen Bilddaten bzw. der mit dem Ultraschallkopf neu aufgenommenen Bilddaten mit den zuvor mit dem Röntgencomputertomographen aufgenommenen Bilddaten in Form einer Registrierungsprozedur erfolgen.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht im Falle der Ausführung der zweiten Mittel in Form eines Ul traschallgerätes ein Positionserfassungssystem vor, mit wel chem die Position des Ultraschallkopfes des Ultraschallgerä tes kontinuierlich erfaßt werden kann. Auf diese Weise muß ein Registrierungsverfahren zur Verknüpfung von mit dem Rönt gencomputertomographen gewonnenen Bilddaten und den Ultra schallbilddaten nur einmal zu Beginn einer Visualisierungs prozedur ausgeführt werden, da mit Hilfe des Positionserfas sungssystems Lageveränderungen des mit dem Ultraschallgerät aufgenommenen Satzes von Ultraschallbilddaten relativ zu dem Objekt kontinuierlich ermittelt und die Verknüpfung mit den mit dem Röntgencomputertomographen aufgenommenen Bilddaten entsprechend der aktuellen Position des Ultraschallkopfes an gepaßt werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein einen Röntgencomputertomographen und ein C-Bogen- Röntgengerät aufweisendes System und

Fig. 2 ein einen Röntgencomputertomographen und ein Ultra schallgerät aufweisendes System.

In Fig. 1 ist als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ein einen Röntgencomputertomographen 1 und ein C-Bogen- Röntgengerät 2 aufweisendes medizinisches System gezeigt, mit welchem das erfindungsgemäße Verfahren im Falle des vorlie genden Ausführungsbeispiels ein Verfahren zur Visualisierung der Lage und Orientierung einer Biopsienadel 3 während einer an einem Patienten P durchzuführenden Biopsieprozedur aus führbar ist. Der Röntgencomputertomograph 1 und das C-Bogen- Röntgengerät 2 sind in an sich bekannter Weise ausgeführt. Der mit einer Röntgenstrahlenquelle 4 und einem Röntgenstrah lenempfänger 5 versehene C-Bogen 6 des Röntgengerätes 2 ist in der Höhe verstellbar, längs seines Umfanges verstellbar (Orbitalbewegung) und um eine wenigstens im wesentlichen ho rizontal verlaufende Achse A schwenkbar (Angulation).

Der Patient P ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbei spiels auf einer verfahrbaren Patientenliege 7 gelagert und weist in seinem Körperinneren ein interessierendes Gewebe G auf, von dem mittels der Biopsienadel 3 eine Gewebeprobe ent nommen werden soll.

Um die Lage und Orientierung der Biopsienadel 3 relativ zu dem Gewebe G in Bildern zur Unterstützung eines die Biopsie prozedur durchführenden, in Fig. 1 nicht gezeigten Arztes dar stellen zu können, wird in einem ersten Schritt ohne in den Patienten P eingeführte Biopsienadel 3 mit dem Röntgencompu tertomograph 1 in an sich bekannter Weise ein Satz von 3D- Bilddaten von dem das Gewebe G aufweisenden Körperbereich des Patienten P gewonnen und in einem Bildspeicher 8 zwischenge speichert. Aus dem Satz von 3D-Bilddaten können in an sich bekannter Weise mit einem Bildrechner 9 des Röntgencomputer tomographen 1 das Gewebe G zeigende Bilder rekonstruiert und auf einer Anzeigeeinrichtung 10 in Form von Schnittbildern oder in Form einer 3D-Visualisierung dargestellt werden. An hand der Bilder kann in dem Satz von 3D-Bilddaten mit an den Bildrechner 9 angeschlossenen, in Fig. 1 nicht dargestellten Eingabemitteln, z. B. einem Joystick, einem Trackball oder einer Maus, das Gewebe G zur weiteren Vereinfachten Identifi zierung interaktiv markiert werden.

Im Anschluß an die Aufnahme der Bilddaten mit dem Röntgencom putertomographen 1 erfolgt die Durchführung der Biopsieproze dur unter Röntgenkontrolle mit dem C-Bogen-Röntgengerät 2. Während des Eindringens der Biopsienadel 3 in den Körper des Patienten P oder nach dem Eindringen der Biopsienadel 3 in den Körper des Patienten P werden Sätze von 2D-Bilddaten mit dem C-Bogen-Röntgengerät 2 aus wenigstens zwei voneinander verschiedenen Projektionsrichtungen, d. h. bei verschiedenen Stellung des C-Bogens 6 relativ zum Patienten P, aufgenommen und in einem Bildspeicher 11 des C-Bogen-Röntgengerätes 2 zwischengespeichert. Vorzugsweise werden zwei Sätze von 2D- Bilddaten unter zwei zueinander orthogonalen Projektionsrich tungen aufgenommen, um während der Biopsieprozedur sowohl die Lage, Orientierung und gegebenenfalls Verformungen, z. B. Krümmungen, der Biopsienadel 3 als auch deren Eindringtiefe in den Körper bzw. das Gewebe G darstellen zu können. Aus den Sätzen von 2D-Bilddaten können mit einem Bildrechner 12 des C-Bogen-Röntgengerätes 2 2D-Bilder aus dem Körperinneren des Patienten P rekonstruiert und auf einem Sichtgerät 13 des C- Bogen-Röntgengerätes 2 dargestellt werden.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist sowohl der Bildspeicher 8 des Röntgencomputertomographen 1 als auch der Bildspeicher 11 des C-Bogen-Röntgengerätes 2 an einen System rechner 14 angeschlossen, welcher auf den mit dem Röntgencom putertomographen 1 gewonnen Satz von 3D-Bilddaten und auf die mit dem C-Bogen-Röntgengerät 2 gewonnen Sätze von 2D- Bilddaten zugreifen kann. Der Systemrechner 14 stellt nach Aufforderung, beispielsweise des Arztes, oder kontinuierlich mit Hilfe von Registrierungsverfahren eine Verknüpfung zwi schen dem Satz von 3D-Bilddaten des Röntgencomputerto mographen 1 und den Sätzen von 2D-Bilddaten des C-Bogen- Röntgengerätes 2 her. Ist der Patient P, wie im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels, mit sogenannten, in Rönt genaufnahmen abbildbaren, in Fig. 1 schematisch angedeuteten Landmarken L versehen, kann die Verknüpfung zwischen dem Satz von 3D-Bilddaten und den Sätzen von 2D-Bilddaten auf Basis eines landmarkenbasierten Registrierungsverfahrens herge stellt werden, da die Landmarken L sowohl in dem Satz von 3D- Bilddaten als auch in den Sätzen von 2D-Bilddaten identifi ziert werden können. Nach einer derartigen Verknüpfung des Satzes von 3D-Bilddaten mit den Sätzen von 2D-Bilddaten kann der Systemrechner 14 Bilddaten des Satzes von 3D-Bilddaten jeweils mit Bilddaten eines der Sätze von 2D-Bilddaten über lagern und somit fusionierte Sätze von Bilddaten erzeugen, aus denen wiederum auf einer Anzeigeeinrichtung 15 darstell bare Bilder rekonstruiert werden können. Im Falle des vorlie genden Ausführungsbeispiels überlagert der Systemrechner 14 jeden der wenigstens zwei mit dem C-Bogen-Röntgengerät 2 ge wonnen Sätze von 2D-Bilddaten mit dem mit dem Röntgencompu tertomographen 1 gewonnenen Satz von 3D-Bilddaten. Die aus den überlagerten Bilddaten erzeugten Bilder zeigen die Lage, Orientierung, Form und Eindringtiefe der Biopsienadel 3 rela tiv zu dem zu untersuchenden, interaktiv markierten Gewebe G in einer 3-dimensionalen Ansicht. Das erfindungsgemäße System bzw. das erfindungsgemäße Verfahren verbindet also zur Unter stützung des die Biopsieprozedur durchführenden Arztes mit Bildern die Vorteile der Röntgencomputertomographie mit den Vorteile eines C-Bogen-Röntgensystems, wobei eine Umlagerung des Patienten P bzw. ein Verfahren des Patienten P zwischen verschiedenen bildgebenden Modalitäten während der Biopsie prozedur nicht mehr erforderlich ist.

Alternativ zu einem landmarkenbasierten Registrierungsverfah ren zur Verknüpfung des Satzes von 3D-Bilddaten mit den Sät zen von 2D-Bilddaten kann auch ein vollautomatisches voxelba siertes Registrierungsverfahren für diese 2D-, 3D-Registrie rung verwendet werden, bei dem Grauwerte in den Bilddaten auf maximale Übereinstimmung überprüft werden.

Sollten sich beispielsweise aufgrund von Patientenbewegungen, Patientenumlagerungen, Atmung oder dergleichen Unterschiede bezüglich der anatomischen Abbildung von Gewebestrukturen des Patienten P in dem Satz von 3D-Bilddaten und den Sätzen von 2D-Bilddaten ergeben, können auch sogenannte elastische Re gistrierungsverfahren zur 2D-, 3D-Registrierung verwendet werden.

Eine weitere Möglichkeit der Fusionierung von Bilddaten, um zu aussagekräftigen Bildinformationen für den die Biopsiepro zedur durchführenden Arzt zu gelangen, ist die Fusionierung von sogenannten, aus dem Satz von 3D-Bilddaten erzeugten "Ma ximum Intensity Projections" mit jeweils einem mit dem C- Bogen-Röntgengerät 2 gewonnenen Satz von 2D-Bilddaten. Eine Maximum Intensity Projection erhält man, indem man unter ei nem willkürlich wählbaren Winkel durch den Satz von 3D- Bilddaten eine Schar von parallelen Geraden legt, wobei ent lang jeder einzelnen Gerade derjenige Punkt mit der höchsten Signalintensität gesucht und in die Ebene, die rechtwinklig zu den Geraden steht, projiziert wird. Auf diese Weise ent steht ein projizierter Satz von 2D-Bilddaten, welcher als Ma ximum Intensity Projection bezeichnet wird.

Nach der Verknüpfung eines ersten Satzes von 2D-Bilddaten mit dem Satz von 3D-Bilddaten durch die Ausführung eines geeigne ten Registrierungsverfahrens erzeugt der Systemrechner 14 ei ne erste Maximum Intensity Projection aus dem Satzes von 3D- Bilddaten unter derselben räumlichen Orientierung, unter wel cher der erste Satz von 2D-Bilddaten mit dem C-Bogen- Röntgengerät 2 gewonnen wurde. D. h. die erste Maximum Inten sity Projection wird in der Raumrichtung aus dem Satz von 3D- Bilddaten erzeugt, welche im wesentlichen der Raumrichtung des Zentralstrahles ZS eines von der Röntgenstrahlenquelle 4 zu dem Röntgenstrahlenempfänger 5 verlaufenden Röntgenstrah lenbündels des C-Bogen-Röntgengerätes 2 bei der Aufnahme des ersten Satzes von 2D-Bilddaten entspricht. In analoger Weise erfolgt nach der Verknüpfung eines zweiten Satzes von 2D- Bilddaten mit dem Satz von 3D-Bilddaten die Erzeugung einer zweiten Maximum Intensity Projection in dieselbe Raumrich tung, welche der Raumrichtung des Zentralstrahles ZS des C- Bogen-Röntgengerätes 2 bei der Aufnahme des zweiten Satzes von 2D-Bilddaten entspricht.

Anschließend überlagert der Systemrechner 14 die 2D-Bilddaten der ersten Maximum Intensity Projections mit dem ersten Satz von 2D-Bilddaten und die 2D-Bilddaten der zweiten Maximum In tensity Projections mit dem zweiten Satz von 2D-Bilddaten zu fusionierten Sätzen von Bilddaten, aus denen aussagekräftige, die Lage, Orientierung, Form und Eindringtiefe der Biop sienadel 3 relativ zu dem Gewebe G zeigende Bilder zur Unter stützung der Biopsieprozedur erzeugt und auf der Anzeigeein richtung 15 dargestellt werden können.

Zur Aufnahme des Satzes von 3D-Bilddaten vor der Biopsiepro zedur kann im übrigen jeder beliebige Röntgencomputerto mograph herangezogen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch bei "Sliding Gantry"- Anlagen anwendbar, wobei während der Biopsieprozedur kein Verfahren des Patienten P erforderlich ist.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungs gemäßen Systems, mit dem ebenfalls das erfindungsgemäße Ver fahren im vorliegenden Fall das Verfahren zur Visualisierung der Lage und Orientierung einer in den Körper eines Patienten P eindringenden bzw. eingedrungenen Biopsienadel 3 durchführ bar ist. Komponenten des in Fig. 2 gezeigten Systems, welche mit Komponenten des in Fig. 1 gezeigten Systems wenigsten im wesentlichen bau- und funktionsgleich sind, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zu dem in Fig. 1 ge zeigten Ausführungsbeispiel weist das in Fig. 2 gezeigte Aus führungsbeispiel kein C-Bogen-Röntgengerät 2, sondern ein mit einem Ultraschallkopf 16 versehenes Ultraschallgerät 17 zur Gewinnung von Sätzen von Bilddaten auf.

Mit dem Ultraschallgerät 17 können in an sich bekannter Weise unter verschiedenen Orientierungen des Ultraschallkopfes 16 relativ zur Körperoberfläche des Patienten P Sätze von 2D- und/oder 3D-Bilddaten aus dem Körperinneren des Patienten P gewonnen werden.

Wie im Falle des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels wird in einem ersten Schritt mit dem Röntgencomputerto mographen 1 ohne eingeführte Biopsienadel 3 ein Satz von 3D- Bilddaten von dem das zu untersuchende Gewebe G aufweisenden Körperbereich des Patienten P gewonnen und in dem Bildspei cher 8 gespeichert, auf den der Systemrechner 14 Zugriff hat.

Anschließend werden mit dem Ultraschallkopf 16, welcher in an sich bekannter, nicht dargestellter Weise Ultraschallsende- und -empfangseinrichtungen aufweist, ohne räumliche Ein schränkung durch das Ultraschallgerät 17 Sätze von 2D- oder 3D-Ultraschallbilddaten während der Einführung der Biop sienadel 3 in den Körper des Patienten P oder bei in den Kör per eingeführter Biopsienadel 3 in Echtzeit aufgenommen und in einem Bildspeicher 18 des Ultraschallgerätes 17 gespei chert. Mit einem Bildrechner 19 des Ultraschallgerätes 17 können aus den Ultraschallbilddaten auf einer Anzeigeeinrich tung 20 des Ultraschallgerätes 17 darstellbare Bilder erzeugt werden. Der Systemrechner 14 hat Zugriff auf die gewonnen Sätze von 2D- oder 3D-Ultraschallbilddaten.

Wie in zuvor beschriebener Weise verknüpft der Systemrechner 14 durch Ausführung von bekannten 2D/3D- bzw. 3D/3D- Registrierungsverfahren jeden gewünschten Satz von 2D- oder 3D-Ultraschallbilddaten mit dem mit dem Röntgencomputerto mographen 1 gewonnenen Satz von 3D-Bilddaten. Nach der Ver knüpfung der Sätze von Bilddaten kann der Systemrechner 14 wiederum eine Überlagerung von Bilddaten des mit dem Röntgen computertomographen 1 gewonnenen Satzes von 3D-Bilddaten mit einem jeden Satz von 2D- oder 3D-Ultraschallbilddaten vorneh men und daraus entsprechende, auf der Anzeigevorrichtung 15 anzeigbare, anatomische Informationen aufweisende Bilder er zeugen, welche die Lage, Orientierung, Form und Eindringtiefe der Biopsienadel 3 relativ zu dem Gewebe G in Echtzeit zei gen.

Da bei der Aufnahme von Sätzen von 2D- oder 3D- Ultraschallbilddaten bei veränderter Position oder Orientie rung des Ultraschallkopfes 16 relativ zu dem Patienten P stets erneut der Ablauf eines Registrierungsverfahrens zur Verknüpfung der neu aufgenommenen Sätze von 2D- oder 3D- Ultraschallbilddaten mit dem mit dem Röntgencomputerto mographen 1 gewonnenen Satz von 3D-Bilddaten erforderlich ist, weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels das das Ultraschallgerät 17 umfassende System ein Positionserfas sungssystem auf.

Das Positionserfassungssystem umfaßt im Falle des vorliegen den Ausführungsbeispiels drei Sendeeinrichtungen 22 bis 24 für elektromagnetische Wellen und einen an dem Ultraschall kopf 16 in definierter Weise anbringbaren Sensor 21, welcher die von den Sendeeinrichtungen 22 bis 24 ausgesandten elekt romagnetische Wellen empfangen kann. Der Sensor 21 und die Sendeeinrichtungen 22 bis 24 sind an den Systemrechner 14 an geschlossen. Die im Betrieb des Positionserfassungssystems von den Sendeeinrichtungen 22 bis 24 ausgesandten elektromag netischen Wellen werden von dem Sensor 21 registriert und von dem Systemrechner 14 zur Positionsbestimmung des Ultraschall kopfes 17 in einem von dem Systemrechner 14 festgelegten Be zugskoordinatensystem K ausgewertet. Die Lage der Sendeein richtungen 22 bis 24 in dem Bezugskoordinatensystem K ist dem Systemrechner 14 dabei bekannt. Der Systemrechner 14 kann demnach aufgrund der definierten Anbringung des Sensors 21 an dem Ultraschallkopf 16 anhand von Phasen- und Laufzeitmessun gen der elektromagnetischen Wellen stets die Lage und Orien tierung des Ultraschallkopfes 16 und somit die Lage und Ori entierung eines mit dem Ultraschallkopf 16 aufgenommenen Sat zes von Ultraschallbilddaten in dem Bezugskoordinatensystem K bestimmen. Dies hat den Vorteil, daß das rechenzeitaufwendige Registrierungsverfahren bei Lageänderungen des Ultraschall kopfes 16 nicht ständig unter Echtzeitanforderungen durchge führt werden muß. Vielmehr muß ein Registrierungsverfahren nur noch einmalig zu Beginn des Visualisierungsverfahrens durchgeführt werden, bei dem eine Verknüpfung zwischen dem mit dem Röntgencomputertomographen 1 gewonnenen Satz von 3D- Bilddaten, dessen Lage der Systemrechner in dem Bezugskoordi natensystem K ebenfalls bestimmen kann, und einem Satz von Ultraschallbilddaten hergestellt wird. Anschließend können Lageveränderungen von mit dem Ultraschallkopf 16 gewonnenen Sätzen von Ultraschallbilddaten relativ zu dem Patienten P mit Hilfe des Positionserfassungssystems kontinuierlich er mittelt und die Verknüpfung neu gewonnener Sätze von 2D- oder 3D-Ultraschallbilddaten mit dem Satz von 3D-Bilddaten des Röntgencomputertomographen 1 entsprechend angepaßt werden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also mit einem Röntgencomputertomographen 1 ein erster Satz von 3D-Bilddaten gewonnen. Während der Biopsieprozedur werden mit einem C- Bogen-Röntgengerät 2 und/oder mit einem Ultraschallgerät 17 Sätze von 2D- oder 3D-Bilddaten gewonnen und kontinuierlich oder bei Bedarf mit dem mit dem Röntgencomputertomographen 1 gewonnen Satz von 3D-Bilddaten fusioniert. Auf diese Weise können Bilder erzeugt werden, welche die Lage, Orientierung, Form und Eindringtiefe der Biopsienadel 3 relativ zu dem zu untersuchenden Gewebe G zeigen. Die Aufnahme der Sätze von Bilddaten mit dem C-Bogen-Röntgengerät 2 oder dem Ultra schallgerät 17, die Verknüpfung der Sätze von Bilddaten mit dem mit dem Röntgencomputertomographen 1 gewonnenen Satz von 3D-Bilddaten, die Überlagerung der Bilddaten sowie die Erzeu gung und Anzeige der Bilder kann dabei in Echtzeit erfolgen.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur exemplarisch zu verstehen. Insbesondere können Komponenten der beschriebenen Systeme zur Durchführung des Verfahrens auch durch andere Komponenten ersetzt werden, welche die gleiche Funktionalität aufweisen. So kann beispielsweise das elektromagnetische Positionserfassungssystem auch durch ein optisches Positionserfassungssystem ersetzt werden. Mischfor men der Ausführungsbeispiele sind ebenfalls möglich, d. h. das System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann sowohl ein C-Bogen-Röntgengerät als auch eine Ultra schallgerät aufweisen.

Grundsätzlich besteht im übrigen auch die Möglichkeit mit dem C-Bogen-Röntgengerät Sätze von 3D-Bilddaten zu gewinnen und diese mit dem mit dem Röntgencomputertomographen 1 gewonnenen Satz von 3D-Bilddaten zu verknüpfen.

Anstelle eines Röntgencomputertomographen kann auch ein Mag netresonanzgerät zur Aufnahme von Sätzen von 3D-Bilddaten verwendet werden.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht auf das Gebiet der Medizin beschränkt. In diesem Sinne muß das erfindungsgemäße System nicht notwendigerweise ein medizini sches System sein.

Claims

1. Verfahren zur Visualisierung der Lage und Orientierung ei nes in ein Objekt (P) eindringenden bzw. eingedrungenen Ge genstandes (3) aufweisend folgende Verfahrensschritte:

a) Erzeugung eines ersten Satzes von Bilddaten aus dem Inne ren des Objektes (P) mit ersten Mitteln (1) zur Aufnahme von Bilddaten, bevor der Gegenstand (3) in das Objekt (P) einge drungen ist,
b) Erzeugung eines zweiten Satzes von Bilddaten aus dem Inne ren des Objektes (P) mit zweiten, von den ersten verschiede nen Mitteln (2, 17) zur Aufnahme von Bilddaten, während der Gegenstand (3) in das Objekt (P) eindringt bzw. nachdem der Gegenstand (3) in das Objekt (P) eingedrungen ist,
c) Herstellung einer Verknüpfung zwischen den Bilddaten des ersten Satzes und den Bilddaten des zweiten Satzes,
d) Überlagerung von Bilddaten des ersten Satzes mit Bilddaten des zweiten Satzes zu einem fusionierten Satz von Bilddaten, und
e) graphische Anzeige eines aus dem fusionierten Satz von Bilddaten gewonnen Bildes.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die ersten Mittel zur Aufnahme von Bilddaten einen Röntgencomputertomographen (1) aufweisen, mit welchem ein Satz von 3D-Bilddaten erzeugt wer den kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweiten Mit tel ein Röntgengerät (2) aufweisen, mit welchem Sätze von 2D- Bilddaten unter verschiedenen Projektionsrichtungen erzeugt werden können.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem wenigstens zwei Sätze von 2D-Bilddaten unter verschiedenen Projektionsrichtungen mit dem Röntgengerät (2) erzeugt werden, von denen jeder mit einem mit dem Röntgencomputertomographen (1) erzeugten Satz von 3D-Bilddaten überlagert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem wenigstens ein erster und ein zweiter unter voneinander verschiedenen Projektions richtungen mit dem Röntgengerät (2) erzeugter Satz von 2D- Bilddaten mit je einer aus dem mit dem Röntgencomputerto mographen (1) erzeugten Satz von 3D-Bilddaten gewonnen Maxi mum Intensity Projection (MIP) überlagert wird, wobei die erste Maximum Intensity Projection, welche mit dem ersten Satz von 2D-Bilddaten überlagert wird, unter derselben räum lichen Orientierung wie der erste Satz von 2D-Bilddaten und die zweite Maximum Intensity Projection, welche mit dem zwei ten Satz von 2D-Bilddaten überlagert wird, unter derselben räumlichen Orientierung wie der zweite Satz von 2D-Bilddaten erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, bei dem die zweiten Mit tel ein mit einem Ultraschallkopf (16) versehenes Ultra schallgerät (17) aufweisen, mit dem ein Satz von 2D- und/oder 3D-Ultraschallbilddaten erzeugt werden kann.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem mit einem Positionser fassungssystem (14, 21 bis 24) die Position des Ultraschall kopfes (16) bestimmt werden kann.

8. System zur Visualisierung der Lage und Orientierung eines in ein Objekt (P) eindringenden bzw. eingedrungenen Gegens tandes (3) aufweisend:

a) erste Mittel (1) zur Aufnahme von Bilddaten, mit denen ein erster Satz von Bilddaten aus dem Inneren des Objektes (P) erzeugt werden kann,
b) zweite, von den ersten verschiedene Mittel (2, 17) zur Aufnahme von Bilddaten, mit denen ein zweiter Satz von Bild daten aus dem Inneren des Objektes (P) erzeugt werden kann,
c) Mittel (14, L) zur Herstellung einer Verknüpfung zwischen den Bilddaten des ersten Satzes und den Bilddaten des zweiten Satzes,
d) Mittel (14) zur Überlagerung von Bilddaten des ersten Sat zes mit Bilddaten des zweiten Satzes zur Erzeugung eines fu sionierten Satzes von Bilddaten, und
e) Mittel (14, 15) zur graphische Anzeige eines aus dem fusi onierten Satz von Bilddaten gewonnen Bildes.

9. System nach Anspruch 8, bei dem die ersten Mittel zur Auf nahme von Bilddaten einen Röntgencomputertomographen (1) auf weisen.

10. System nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die zweiten Mittel ein Röntgengerät (2) aufweisen.

11. System nach Anspruch 8 bis 10, bei dem die zweiten Mittel ein mit einem Ultraschallkopf (16) versehenes Ultraschallge rät (17) aufweisen.

12. System nach Anspruch 11, bei dem ein Positionserfassungs system (14, 21 bis 14) zur Bestimmung der Position des Ultra schallkopfes (16) vorgesehen ist.

13. System nach Anspruch 12, bei dem das Positionserfassungs system (14, 21 bis 24) einen an dem Ultraschallkopf (16) anbringbaren Sensor (21) umfaßt.

14. System nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem die Mittel zur Herstellung einer Verknüpfung zwischen den Bildda ten des ersten Satzes und den Bilddaten des zweiten Satzes Rechenmittel (14) umfassen.

15. System nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei dem die Mittel zur Herstellung einer Verknüpfung zwischen den Bildda ten des ersten Satzes und den Bilddaten des zweiten Satzes, mit den ersten und zweiten Mitteln zur Aufnahme von Bilddaten registrierbare, an dem Objekt (P) anbringbare Marken (L) um fassen.