DE4417414A1 - Bildverarbeitungsverfahren zur medizintechnischen Unterstützung stereotaktischer Operationen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Bildverarbeitungsverfahren zur medizintechnischen Unterstützung stereotaktischer Operationen. Bei solchen Operationen wird einem Patienten eine Nadel durch ein kleines Loch in der Schädeldecke in den Kopf geschoben, um am Zielpunkt z. B. eine Gewebeprobe zu ent­ nehmen (Biopsie) oder einen Bluterguß zu punktieren. Voraus­ setzung eines solchen Eingriffs ist eine sorgfältige Planung der Nadeltrajektorie, um durch die Nadelführung verursachte Schäden am Gewebe zu minimieren. Eine wesentliche Aufgabe bei der Planung der Trajektorie ist es, Schnittpunkte der Trajek­ torie mit Blutgefäßen zu vermeiden, um Blutungen mit nachfol­ genden schweren Komplikationen zu vermeiden.

Es ist ein Verfahren zur Planung der Nadeltrajektorie be­ kannt, bei dem dreidimensionale Bilder der Blutgefäße verwen­ det werden, wobei die Bilddaten mit Hilfe der Magnetresonanz- Angiographie (MRA), einer speziellen Variante der Magnetreso­ nanz-Tomographie, gewonnen werden. Bedingt durch die physika­ lischen Eigenschaften der bildgebenden Methode, können mit der MRA aber nur Blutgefäße abgebildet und erfaßt werden, die einen Durchmesser von mehr als ca. 1 mm besitzen. Außerdem sind MRA-Aufnahmen mit einem hohen technischen, zeitlichen und finanziellen Aufwand verbunden.

Zur sicheren Vermeidung von Verletzungen von Blutgefäßen ist es erstrebenswert, die Einhaltung eines vorgebbaren Minimal­ abstandes zwischen der Nadeltrajektorie und irgendwelchen Blutgefäßen gewährleisten zu können. Dazu ist die Messung von solchen Abständen erforderlich. Aus dreidimensionalen Bildda­ ten der Magnetresonanz-Angiographie (MRA) läßt sich dieser Abstand prinzipiell direkt berechnen. Diese Berechnung ist allerdings aus den oben genannten Gründen auf Blutgefäße von zumindest ca. 1 mm Durchmesser beschränkt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Bildverarbeitungsverfahren zur medizintechnischen Unterstützung stereotaktischer Operationen anzugeben, mit dessen Hilfe die Verletzung von Blutgefäßen sicher vermieden werden kann, weil die Einhaltung eines vorgegebenen Minimalabstandes von allen Blutgefäßen gewährleistet ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bildverarbeitungsverfahren zur medizintechnischen Unterstützung stereotaktischer Operationen mit Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.

Bei diesem Verfahren werden mindestens zwei nicht koplanare Projektionsbilder des Operationsgebietes verwendet, und es werden Linien in diese Projektionsbilder eingeblendet, die auf einer um eine Nadeltrajektorie zentrierten, zylindrischen Fläche mit vorgebbarem radialen Abstand zu dieser Nadeltra­ jektorie liegen. Projektionsbilder können im allgemeinen mit erheblich geringerem Aufwand als tomographische Bilder er­ stellt, digitalisiert und verarbeitet werden. Der Bildakqui­ sitionsvorgang ist technisch weniger aufwendig; die Datenmen­ gen sind bei zweidimensionalen Bildern erheblich geringer als bei dreidimensionalen Bilddaten. Die erreichbare Auflösung und damit die minimale Größe darstellbarer Strukturen ist bei Projektionsbildern im allgemeinen besser als bei tomographi­ sch erzeugten, räumlichen Bilddaten.

Da die verwendeten Projektionsrichtungen praktisch beliebig gewählt werden können, solange diese nicht (im wesentlichen) parallel sind (koplanare Bildebenen), muß die Nadeltrajekto­ rie zum Zeitpunkt der Aufnahme der Projektionsbilder nicht bekannt sein. Vorzugsweise kommen Projektionsbilder mit (näherungsweise) orthogonalen Projektionsrichtungen zum Einsatz.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Obwohl die eigentliche Entscheidung, ob ein tatsächlicher Schnittpunkt einer Nadeltrajektorie mit einem Blutgefäß vor­ liegt oder nicht und ob ein ausreichender Abstand zwischen der Nadeltrajektorie und einem Blutgefäß eingehalten wird oder nicht, letztlich anhand der Projektionsbilder vom Arzt getroffenen werden muß, sieht eine vorteilhafte Ausführungs­ form der Erfindung eine Bildverarbeitung der Projektionsbil­ der vor, bei der koinzidente Schnittpunkte oder Bereiche, in denen Mindestabstände unterschritten werden (könnten), in den Projektionsbildern ermittelt und z. B. im Bild so angezeigt werden, daß der behandelnde Arzt bei seiner Entscheidung wirksam unterstützt wird.

Fig. 1 zeigt in schematischer Weise ein bevorzugtes Ausfüh­ rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem Kreise in vorgegebenem Abstand zur Nadeltrajektorie verwendet werden.

Fig. 2 zeigt in schematischer Weise ein bevorzugtes Ausfüh­ rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem Geraden (G) in vorgegebenem Abstand zur Nadeltrajektorie verwendet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausfüh­ rungsbeispiele und mit Hilfe der Figuren näher beschrieben.

Es wird eine Methode zur Unterstützung stereotaktischer Operationen vorgeschlagen, die die Wahl einer Nadeltrajekto­ rie ohne Schnittpunkte mit Blutgefäßen ermöglicht, wobei auch die Abstände zwischen der Nadeltrajektorie und ihr nahekom­ menden Blutgefäßen ermittelt werden. Dazu wird die simulierte Trajektorie abschnittsweise in zwei orthogonale DSA-Bilder DSA1, DSA2 des Volumens, das die Trajektorie durchläuft, projiziert, wobei die Projektionsgeometrie der beiden DSA- Bilder DSA1, DSA2 verwendet wird. Treffen die Projektionen eines Abschnitts gleichzeitig in beiden DSA-Bildern ein Blutgefäß, dann handelt es sich um einen möglichen Schnitt­ punkt zwischen der Trajektorie und einem Blutgefäß. Die dabei auch auftretenden scheinbaren Schnittpunkte können durch einen Vergleich der Dicken der beiden getroffenen Blutgefäße in den DSA-Bildern DSA1, DSA2 teilweise eliminiert werden. Wichtig für den Arzt ist dabei, daß mit der vorgeschlagenen Methode jeder tatsächliche Schnittpunkt zwischen Blutgefäßen und Trajektorie gefunden wird.

Bei stereotaktischen neurochirurgischen Operationen wird einem Patienten eine Nadel durch ein kleines Loch in der Schädeldecke in den Kopf geschoben, um am Zielpunkt z. B. eine Gewebeprobe zu entnehmen (Biopsie) oder einen Bluterguß zu punktieren. Voraussetzung eines solchen Eingriffs ist eine sorgfältige Planung der Nadeltrajektorie, um Schäden am Gewebe entlang der Trajektorie zu minimieren. Eine wesentli­ che Aufgabe bei der Planung ist es, Schnittpunkte der Trajek­ torie mit Blutgefäßen zu vermeiden, um Blutungen mit nachfol­ genden schweren Komplikationen zu vermeiden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermittelt Schnittpunkte einer simulierten Trajektorie mit Blutgefäßen unter Verwendung zweier orthogonaler, jedenfalls im wesentlichen nicht koplanarer Projektionen dieser Blutgefäße. Hierbei muß die gesamte Abbildungsgeometrie bekannt sein, um die geometri­ schen Beziehungen zwischen der simulierten Trajektorie und den projizierten Blutgefäßen herstellen zu können. Diese Voraussetzung ist z. B. bei der Stereotaxie erfüllt, da hier ein fester Rahmen mit dem Schädel des Patienten verbunden wird, auf den sich dann alle Koordinaten beziehen.

Die wesentlichen Elemente der erfindungsgemäßen Methode sind in Fig. 1 dargestellt. Zunächst werden zwei orthogonale DSA- Projektionen DSA1, DSA2 des selben Volumens gemacht. Zu jeder Projektion gehört eine bestimmte Position der Röntgenquelle XRS1, XRS2 im Raum, die bezüglich des stereotaktischen Rah­ mens gemessen wird. Diese Position kann, ebenso wie die Lage der Bildebene, nachträglich aus den Projektionen durch die Identifizierung von Marken, die am stereotaktischen Rahmen angebracht sind, berechnet werden. In diesem Volumen - be­ schrieben durch das stereotaktische Koordinatensystem - wird zur Festlegung der Trajektorie ein Zielpunkt und ein Durch­ stoßpunkt gewählt. Die Trajektorie wird dann als schmaler Zylinder mit dem Durchmesser der späteren Nadel simuliert. Dieser Zylinder wird in Abschnitte zerlegt, deren Länge etwa gleich dem Durchmesser der Nadel ist.

Jeder Zylinderabschnitt wird nun mit den Röntgenquellen XRS1 bzw. XRS2 in die beiden DSA-Bilder projiziert. Das ist mög­ lich, da die Lage aller beteiligten Elemente - Röntgenquelle, Trajektorie und Bildebene - im selben Koordinatensystem bekannt ist. Wenn höchstens eine der Projektionen des Zylin­ derabschnitts auf ein Blutgefäß in einem DSA-Bild fällt, dann kann an der Stelle des Zylinderabschnitts bei der Erzeugung der DSA-Bilder kein Blutgefäß gewesen sein, denn sonst wäre dieses Blutgefäß in beide DSA-Bilder projiziert worden. Fallen beide Projektionen des Zylinderabschnitts auf ein Blutgefäß in den DSA-Projektionen, dann war bei der DSA- Aufnahme möglicherweise an der Stelle des Zylinderabschnitts ein Blutgefäß. Scheinbare Schnittpunkte können dadurch ent­ stehen, daß irgendwo in beiden Strahlengängen jeweils ein Blutgefäß liegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren liefert also ein notwendiges aber nicht hinreichendes Kriterium dafür, daß die geplante Trajektorie ein Blutgefäß trifft. Sie liefert daher im allge­ meinen zu viele Schnittpunkte, wobei in dieser Menge aber - zumindest prinzipiell - jeder tatsächliche Schnittpunkt enthalten ist.

Um die Zahl scheinbarer Schnittpunkte zu reduzieren, können zusätzlich die Durchmesser der beiden Blutgefäße auf die ein projizierter Zylinderabschnitt fällt, verglichen werden. Denn mit Hilfe der Projektionsgeometrie läßt sich aus den Durch­ messern der projizierten Blutgefäße die ursprüngliche Gefäß­ dicke am Raumpunkt des Zylinderabschnitts berechnen. Nur wenn beide ursprünglichen Gefäßdicken gleich sind, kann es sich um daßelbe Gefäß und daher um ein Schnittpunkt zwischen der Trajektorie und einem Blutgefäß handeln.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich interaktiv oder automatisch realisieren. Im interaktiven Modus werden die Zylinderabschnitte nacheinander in die beiden DSA-Bilder projiziert und der Benutzer überprüft jeweils, ob die Projek­ tion des Zylinderabschnitts in beiden DSA-Bildern ein Blutge­ fäß trifft. Diese Überprüfung kann automatisiert werden, wenn die DSA-Bilder vorher segmentiert wurden, d. h. das Informa­ tion darüber vorliegt′ ob an einem bestimmten Bildpunkt ein Gefäß vorhanden ist. Eine solche Segmentierung ist auch Voraussetzung für den beschriebenen Vergleich der Gefäß dicken, um scheinbare Schnittpunkte automatisch zu eliminie­ ren.

Die Forderung der Orthogonalität der beiden Projektionsbilde­ benen ist lediglich als praktischer Hinweis zu verstehen. Genauer lautet die Forderung, daß die Projektionen jede zu untersuchende Trajektorie enthalten müssen. Um ein möglichst großes Volumen möglicher Trajektorien zu überdecken, sind deshalb zwei orthogonale bzw. im wesentlichen orthogonale Projektionen sinnvoll. Selbstverständlich können auch mehr als zwei Projektionen herangezogen werden; dies erhöht sogar die Zuverlässigkeit der Methode.

Ist eine Nadeltrajektorie gefunden, die keine Schnittpunkte mit Blutgefäßen hat, sind für den behandelnden Arzt die Antworten auf zwei Fragen besonders wichtig:

• a) Befinden sich in einer bestimmten, vom Arzt vorgebbaren Entfernung von der Nadeltrajektorie keine Blutgefäße?
• b) In welcher Entfernung von der Nadeltrajektorie liegt mit Sicherheit kein Blutgefäß?

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und einiger DSA- Bilder mit möglichst unterschiedlichen Projektionsrichtungen kann der Arzt bei der Suche nach den Antworten auf diese Fragen wirksam technisch unterstützt werden. Hierzu wird um die Trajektorie ein Zylinder mit dem Radius r gelegt. Dieser Zylinder wird in Scheiben zerlegt (siehe Fig. 1); der Ab­ stand der Scheiben richtig sich nach der gewünschten Genauig­ keit. Der Rand jeder dieser Scheiben wird in alle zur Verfü­ gung stehenden DSA-Bilder projiziert, die dort als Ellipsen, im Grenzfall als Kreise oder Geraden (falls die Projektions­ strahlen in der Ellipsenebene liegen) erscheinen. Dann werden in einem der Bilder die Schnittpunkte der Ellipsen mit Blut­ gefäßen identifiziert. Jedem dieser Schnittpunkte entspricht genau ein Punkt im Raum auf der Zylinderoberfläche (im Spezi­ alfall der Geraden entspricht der Schnittpunkt zwei Raumpunk­ ten), der dann in alle anderen Bilder projiziert wird. Tref­ fen die Projektionen in allen Bildern auf ein Blutgefäß, dann handelt es sich möglicherweise um einen Schnittpunkt des Zylinders mit einem Blutgefäß. Findet man für keine der Zylinderscheiben einen Schnittpunkt mit einem Blutgefäß, dann liegt in der Entfernung r von der Nadeltrajektorie mit Si­ cherheit kein Blutgefäß.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Verfahrens wird die Beantwortung der genannten Fragen durch den Arzt mit Hilfe der Technik folgendermaßen unter­ stützt: Die Oberfläche des Zylinders um die Nadeltrajektorie wird - wie es in Fig. 2 schematisch dargestellt ist - in Nadelrichtung in Geraden (G) zerlegt; der Abstand der Geraden (G) untereinander richtet sich wieder nach der gewünschten Genauigkeit. Dann werden diese Geraden (G) in alle DSA-Bilder projiziert, und es wird wie im Falle der Ellipsen überprüft, ob irgendeine der Geraden (G) ein Blutgefäß schneidet. Findet man für keine der Geraden (G) einen Schnittpunkt mit einem Blutgefäß, dann liegt in der Entfernung r von der Nadeltra­ jektorie mit Sicherheit kein Blutgefäß.

Hat man auf diese Weise festgestellt, daß die Oberfläche des Zylinders von keinem Blutgefäß geschnitten wird, dann kann auch innerhalb dieses Zylinders keine Blutgefäß liegen. Dies ist nicht möglich, da ein Blutgefäß nicht innerhalb des Zylinders beginnen und enden kann, sondern immer mit dem gesamten Gefäßbaum verbunden ist. Vergrößert man den Radius r des Zylinders solange, bis man auf ein Blutgefäß stößt, dann hat man mit diesem Wert für r den Abstand des nächstgelegenen Blutgefäßes gefunden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in verschiedenen Graden der Automatisierung zum Einsatz kommen. In einem Fall kann sich die Technik auf die Projektion der genannten Linien (z. B. Nadeltrajektorie, Ellipsen, Geraden (G), etc.) in die DSA-Bilder beschränken und so die Auswertung der Bilder, d. h. die Feststellung von Schnittpunkten und Messung von Abständen dem Arzt unter Einsatz seines natürlichen visuellen Systems überlassen. Im anderen Fall können dem Fachmann bekannte Bildverarbeitungsverfahren (z. B. Segmentierung der DSA-Bil­ der, etc.) zum Einsatz kommen, um die Schnittpunkte und Abstände automatisch zu bestimmen. Im Extremfall kann eine optimale Nadeltrajektorie weitgehend automatisch bestimmt und dem Arzt lediglich als Ergebnis, gegebenenfalls zusammen mit den Abstandswerten zu benachbarten Blutgefäßen, ausgegeben werden. Ferner sind fallweise verschiedene Formen der opti­ schen Anzeige von Linien, Blutgefäßen, Schnittpunkten und / oder Abständen wünschenswert. Alle diese Maßnahmen kann der Fachmann zur weiteren Ausgestaltung dieser Erfindung ergrei­ fen.

Claims (4)

1. Bildverarbeitungsverfahren zur medizintechnischen Unterstützung stereotaktischer Operationen, bei dem mindestens zwei nicht koplanare Projektionsbilder des Operationsgebietes verwendet werden, und bei dem Linien in diese Projektionsbilder eingeblendet werden, die auf einer um eine Nadeltrajektorie zentrierten, zylindrischen Fläche mit vorgebbarem radialen Abstand zu dieser Nadeltrajektorie liegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem elliptische, im Grenz­ fall kreisförmige Linien in diese Projektionsbilder einge­ blendet werden, die auf einer um eine Nadeltrajektorie zen­ trierten, zylindrischen Fläche mit vorgebbarem radialen Abstand zu dieser Nadeltrajektorie liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem gerade Linien in diese Projektionsbilder eingeblendet werden, die auf einer um eine Nadeltrajektorie zentrierten, zylindrischen Fläche mit vor­ gebbarem radialen Abstand zu dieser Nadeltrajektorie liegen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem koinzidente Schnittpunkte oder Bereiche, in denen Mindestab­ stände unterschritten werden könnten, in den Projektionsbil­ dern ermittelt und in wenigstens einem Bild so angezeigt wer­ den, daß der behandelnde Arzt bei seiner Entscheidung wirksam unterstützt wird.