DE102005022541A1

DE102005022541A1 - Verfahren und Gerät zur Darstellung von Strukturen auf einem 2D-Durchleuchtungsbild

Info

Publication number: DE102005022541A1
Application number: DE200510022541
Authority: DE
Inventors: Jan Dr. Boese; Marcus Dr. Pfister; Andreas Meyer; Norbert Rahn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2005-05-17
Publication date: 2006-12-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zur Darstellung von Strukturen (1), die in einem 3-D-Bilddatensatz (4) eines Objektes (22) enthalten sind, auf einem 2-D-Durchleuchtungsbild (6) des Objektes. Hierbei wird innerhalb des 3-D-Bilddatensatzes (4) eine aus Punkten, Linien oder geometrischen Figuren bestehende Positionsmarkierung (2) festgelegt, welche die Position eines anatomischen Landmarks markiert. Diese Positionsmarkierung wird dann positionsgenau auf das 2-D-Durchleutungsbild (6) übertragen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zur Darstellung von Strukturen, die in einem 3-D Bilddatensatz eines Objektes enthalten sind, auf einem 2-D Durchleuchtungsbild des Objektes.

Heutzutage werden zahlreiche medizinische Eingriffe mittels intra-operativ gewonnener Röntgenbilder gesteuert. Beispielsweise werden zur Navigation der Instrumente bei neurochirurgischen oder anderen bildgesteuerten minimalinvasiven Eingriffen mit Hilfe von fluoroskopischer Durchleuchtung Echtzeitbilder gewonnen. Diese zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder weisen zwar keine Tiefeninformation auf und zeigen daher keine räumlichen Details, im Gegensatz zu dreidimensionalen durch tomographische Verfahren gewonnenen Bildern sie sind jedoch schneller verfügbar und minimieren die Strahlenbelastung für Patient und Arzt. Die in den intra-operativ gewonnenen Durchleuchtungsbildern fehlende räumliche Information wird im Stand der Technik dadurch kompensiert, dass präoperativ aufgenommene dreidimensionale Bilder (3D-Bilder) mit den zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern (2D-Bildern) registriert werden und mit diesen gemeinsam betrachtet werden. Diese Kombination von co-registrierten, aktuellen 2D-Bildern und räumlich aufgelösten 3D-Bildern erlaubt dem Arzt nun eine bessere Orientierung im Volumen während des Eingriffs.

Diese so genannte 2D3D-Registrierung umfasst im Wesentlichen zwei Schritte:

1. Bildregistrierung: Zunächst muss der prä-operative 3D-Bilddatensatz zu dem intra-operativen Koordinatensystem des Patienten bzw. zu einem intra-operativen 2D-Durchleuchtungsbild registriert werden. Das bedeutet, dass eine Transformationsmatrix gefunden werden muss, mit der ein Objekt aus dem Koordinatensystem des 3D-Bildes in das des 2D-Durchleuchtungsbildes übertragen werden kann. Dadurch kann bestimmt werden, aus welcher Richtung der 3D-Bilddatensatz projiziert werden muss, um mit einem intra-operativen 2D-Durchleuchtungsbild in Deckung gebracht zu werden. Derartige Bildregistrierungsverfahren sind im Stand der Technik bekannt und z. B. beschrieben im Artikel von J. Weese, T.M. Buzug, G.P. Penny, P. Desmedt: „2D/3D Registration and Motion Tracking for Surgical Interventions", Philips Journal of Research 51 (1998) 299–316.
2. Visualisierung: Das zweite Problem ist die Visualisierung der co-registrierten Bilder, d.h. die gemeinsame Darstellung vom aktuellen 2D-Durchleuchtungsbild und einer dieser Ansicht entsprechenden Projektion des prä-operativen 3D-Bildes. Hierfür sind im Stand der Technik verschiedene Methoden bekannt. Gemäß der „Overlay-Methode" werden die beiden Bilder einfach übereinander gelegt. Der Anteil, den jedes der beiden Einzelbilder am fusionierten Bild haben soll („blending"), lässt sich einstellen. Diese Methode wird am häufigsten verwendet, hat jedoch den Nachteil, dass wichtige Objekte im einen Bild durch das andere Bild überblendet werden können. Dies betrifft insbesondere niederkontrastige Objekte im 2D-Durchleuchtungsbild z. B. Katheterspitzen, Stents etc, welche beim Überblenden durch die hochkontrastige 3D-Aufnahme überdeckt werden können.

Eine weitere Methode zur gemeinsamen Darstellung der registrierten Bilder ist die so genannte „Linked Cursor" Methode, bei welcher die Bilder in separaten Fenstern dargestellt werden, wobei beide Fenster einen gemeinsamen Cursor haben. Cursorbewegungen im 2D-Fenster werden dabei in das 3D-Fenster übertragen und umgekehrt. Diese Methode hat zwar nicht das Problem der Überblendungen, dafür muss jedoch mit zwei Fenstern gearbeitet werden, was wiederum die Visualisierung erschwert und insbesondere während einer Operation keine gute Orientierung im 3D-Datensatz verschafft.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein weiteres Verfahren zur Visualisierung von co-registrierten Bildern bereitzustellen, welches eine gute Orientierung ohne das Problem der Überlagerung von Objekten liefert.

Diese Aufgabe löst die Erfindung durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und das Gerät nach Anspruch 8. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das Verfahren setzt voraus, dass der 3D-Bilddatensatz und das 2D-Durchleuchtungsbild co-registriert sind. Dies kann zum einen der Fall sein, wenn der 3D-Bilddatensatz auf dem gleichen Gerät gewonnen wurde wie die 2D-Durchleuchtungsbilder, vorzugsweise bei gleicher Lage des Patienten. Dann ist die Orientierung des 3D-Bilddatensatzes im Bezug auf ein mit dem gleichen Gerät gewonnenes 2D-Durchleuchtungsbild automatisch bekannt. Es kann jedoch auch ein aus einem anderen Gerät oder gar mit einem anderen Bildgebungsverfahren gewonnener 3D-Bilddatensatz verwendet werden, welcher dann mit Hilfe eines der bekannten Verfahren zu dem 2D-Durchleuchtungsbild registriert wird.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass zur Visualisierung nicht der gesamte Bildinhalt des 3D-Bilddatensatzes auf das 2D-Durchleuchtungsbild übertragen werden braucht, sondern nur bestimmte Strukturen bzw. „landmarks", welche zur Orientierung auf den 2D-Durchleuchtungsbildern notwendig sind.

Während eines Eingriffs sind dies insbesondere gewisse anatomische Landmarks, welche der Benutzer vorzugsweise selbst im 3D-Volumen ausgewählt hat. Die Position dieser Struktur innerhalb des 3D-Bilddatensatzes wird durch eine so genannte Positionsmarkierung markiert, welche bevorzugt aus Punkten, Linien, Flächen oder anderen, vorzugsweise einfachen, geometrischen Figuren besteht. Die Punkte können beispielsweise durch den Benutzer mit Hilfe einer Maus im 3D-Bilddatensatz angewählt werden, oder der Benutzer kann Linien, Dreiecke, Ellipsen oder andere geometrische Figuren im 3D-Bilddatensatz aufspannen, welche ein für ihn interessierendes anatomisches Landmark umreißen. Alternativ kann die Positionsmarkierung auch voll- oder halb automatisch durch einen Rechner festgelegt werden.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dann die theoretische Position der Positionsmarkierung auf dem 2D-Druchleuchtungsbild berechnet und das 2D-Durchleuchtungsbild überlagert von der Positionsmarkierung dargestellt. Da es sich bei der Positionsmarkierung vorzugsweise um eine aus Punkten und Linien bestehende, also nicht flächige Struktur handelt, werden durch die Positionsmarkierung keine Objekte auf dem 2D-Durchleuchtungsbild überdeckt.

Vorzugsweise wird mehrmals pro Sekunde ein neues 2D-Durchleuchtungsbild aufgenommen und die Berechnung und Darstellung der Positionsmarkierung für jedes 2D-Durchleuchtungsbild wiederholt. Damit kann die Positionsmarkierung auch auf Fluoroskopiebilder übertragen werden und dabei in Echtzeit an Änderungen der Projektionsgeometrie angepasst werden. Die hierfür verwendete Röntgenanlage ist vorzugsweise derart kalibriert, dass wenn der 3D-Bilddatensatz einmal auf ein 2D-Durchleuchtungsbild registriert ist, auch die Registrierung zu anderen 2D-Durchleuchtungsbildern aus anderen Angulationen bekannt ist. Somit ist dann auch jede weitere Registrierung des 3D-Bilddatensatzes zu den 2D-Bildern bestimmt.

Die durch die Positionsmarkierung markierte Struktur ist vorzugsweise eine Gefäßverzweigung, ein Gefäß, ein Gallengang oder ein Tumor. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Art (Punkt, Linie, aus Linien aufgespannte geometrische Figur) und die Position der Positionsmarkierung innerhalb des 3D-Bilddatensatzes mit einer Maus oder einem anderen Cursor-Steuerungsgerät durch einen Benutzer festgelegt, während der 3D-Bilddatensatz auf einem Bildschirm dargestellt wird. Die markierte Struktur kann auch durch Zielpunkte für Punktionen, Metastasen, Gefäße in der Leber etc. gebildet sein.

Die Erfindung ist auch auf ein Gerät zur Ausführung des Verfahrens gerichtet.

Mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen werden nunmehr bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen
1 zwei Ansichten eines 3D-Bilddatensatzes (schematisch);
2 eine Ansicht eines 2D-Durchleuchtungsbildes mit eingeblendeter Positionsmarkierung (schematisch);
3 ein Flussdiagram eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
4 eine schematische Darstellung eines Röntgengerätes umfassend ein Gerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In 1 sind zwei Ansichten eines fiktiven 3-dimensionalen Datensatzes gezeigt, welcher einen Gefäßbaum 1 enthält. Die beiden Ansichten sind z. B. „maximum intensity projection" (MIP) Bilder des Datensatzes, welche den gleichen Abschnitt des Gefäßbaumes aus 2 verschiedenen Blickrichtungen zeigen. Der 3D-Bilddatensatz kann durch ein beliebiges Verfahren aufgenommen sein, welches eine ausreichend kontrastierte Darstellung der Gefäße bzw. der interessierenden Struktur erlaubt, z. B. 3D-Angiographie, MRT (Magnetresonanztomographie) oder 3D-Ultraschall. Soll der 3D-Bilddatensatz noch andere Strukturen als Gefäße darstellen, können die hierfür jeweils geeigneten Bildgebungsverfahren verwendet werden, z. B. die Röntgencomputertomographie, MRT, PET usw. Vorzugsweise wird es sich um ein CT- oder MRT-Bild handeln, welches vor dem geplanten Eingriff akquiriert wurde.
In dem Flussdiagramm der 3 ist die Akquirierung des 3D-Bildes als Schritt 40 dargestellt. Dieser Schritt kann beispielsweise am Vortag des geplanten Eingriffs erfolgen. Ist der Patient dann im Fall einer Fluoroskopie-gesteuerten Intervention für den Eingriff in der Röntgen-Anlage gelagert, wird das 3D-Bild auf ein 2D-Durchleuchtungsbild dieser Anlage registriert (Schritt 42).
Der die Operation durchführende Arzt wählt nun eine bestimmte Struktur im 3D-Bilddatensatz aus, welche er auf den 2D-Durchleuchtungsbildern dargestellt haben möchte. In 1 sind als Beispiel hierfür die Punkte P1 und P2 gezeigt, die jeweils eine Gefäßverzweigung markieren. Diese Punkte kann der Arzt mit Hilfe der Maus in den beiden MIP-Bildern solange verschieben, bis ihre Position im 3D-Bilddatensatz mit der des gewünschten anatomischen Landmarks übereinstimmt. Im Beispiel der 1 sind die Punkte P1 und P2 darüber hinaus durch eine gekrümmte Linie verbunden, welche dem Gefäßverlauf folgt. Die Linie und die Punkte P1 und P2 bilden gemeinsam die Positionsmarkierung 2.
Als nächstes wird gemäß Schritt 46 in 3 ein 2D-Durchleuchtungsbild aufgenommen und auf Grund der bekannten Registrierung die Position der Positionsmarkierung 2 auf dem 2D-Bild berechnet (Schritt 48). Hierfür wird z. B. eine Projektion der Positionsmarkierung in der Projektionsrichtung des Fluoroskopiebildes berechnet. Die Positionsmarkierung kann nun korrekt auf das Fluoroskopiebild 6 übertragen werden (Schritt 50), wie in 2 gezeigt. Auf dem Fluoroskopiebild ist der Gefäßbaum mangels Kontrastmittel zunächst nicht zu sehen. Dafür ist ein für den Eingriff eingeführtes Instrument, hier ein Katheter 8 mit einer Katheterspitze 10, auf dem Fluoroskopiebild 6 zu erkennen. Darüber hinaus wird die Position des vom Arzt markierten Gefäßes durch die Positionsmarkierung 2 gezeigt. Der Arzt kann sich so auf dem intra-operativen Fluoroskopiebild hervorragend orientieren, ohne dass der Kontrast des Bildes durch die Überlagerung des gesamten 3D-Bildes geschwächt wird.
Die Schritte 46 bis 50 werden vorzugsweise in Echtzeit, d.h. bis zu 15 mal pro Sekunde wiederholt, um so den operativen Eingriff bildgesteuert vornehmen zu können.
Die Positionsmarkierung kann aus Punkten, geraden und gekrümmten Linien bestehen, möglich sind auch 3-dimensionale geometrische Strukturen, z. B. ein kugelförmiger oder ellipsoider Körper, welcher ebenfalls mit Hilfe einer Maus im 3-dimensionalen Volumen aufgespannt werden könnte. Eine weitere Alternative ist eines oder mehrere Dreiecke oder Rechtecke, welche beliebig im Raum orientiert sein können und gemeinsam eine Oberfläche aufspannen, die einer entsprechenden anatomischen Grenzfläche im 3D-Bilddatensatz folgt.
In 4 ist ein Beispiel für eine Röntgen-Anlage mit einem angeschlossenen Gerät gezeigt, mit dem eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden kann. Bei dem Röntgengerät 14 handelt es sich im gezeigten Beispiel um ein C-Bogengerät mit einem C-Bogen 18, an dessen Armen eine Röntgenröhre 16 und ein Röntgendetektor 20 angebracht sind. Hierbei kann es sich z. B. um das Gerät Axiom Artis dFC der Siemens AG, Medical Solutions, Erlangen, Deutschland, handeln. In das Sichtfeld der Röntgen-Anlage ist der Patient 24 gebettet. Mit 22 ist ein Objekt innerhalb des Patienten 24 bezeichnet, welches das Ziel des Eingriffs sein soll, z. B. die Leber, das Herz oder das Gehirn. An die Röntgenanlage angeschlossen ist ein Rechner 25, welcher im gezeigten Beispiel sowohl die Röntgenanlage steuert, als auch die Bildverarbeitung übernimmt. Diese beiden Funktionen können jedoch auch getrennt realisiert sein. Im gezeigten Beispiel wird durch das Steuerungsmodul 26 die C-Bogenbewegung und Aufnahme von intra-operativen Röntgenbildern gesteuert. Im Speicher 28 ist der prä-operative Bilddatensatz gespeichert. Geeignete Ansichten dieses Bilddatensatzes werden auf dem Bildschirm 32 dargestellt, und der Benutzer wählt mit der Maus 34 die Art und die Position einer Positionsmarkierung aus. Im Rechenmodul 30 wird dann die Position der Positionsmarkierung auf dem 2D-Durchleuchtungsbild berechnet und das von der Positionsmarkierung 2 überlagerte Durchleuchtungsbild 6 wird am Bildschirm 32 angezeigt.
Mögliche Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind durchleuchtungsgesteuerte Punktionen von Gallengängen (PTCD) oder Gefäßen (TIPPS) in der Leber. Bei der PTCD kann der zu punktierende Gallengang im durch MRT oder Computertomographie-Angiographie (CTA) erhaltenen 3D-Bilddatensatz vom Benutzer markiert werden, um so die perkutan durchgeführte Punktion zu steuern. Bei einem TIPPS-Eingriff wird von der Lebervene ein Zugang zur Pfortader geschaffen, was bei den herkömmlichen Verfahren „blind" geschieht. Dies birgt Gefahren, da die Punktion unbedingt innerhalb des Lebergewebes erfolgen muss, da sonst die Gefahr einer Blutung entsteht. Hier kann ebenfalls der Zielpunkt auf der Pfortader im 3D-Bilddatensatz markiert werden und diese Markierung im Fluoroskopiebild dargestellt werden, um so die Punktion zu unterstützen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und Gerät erlauben somit dem Benutzer, bestimmte Strukturen, die er im Fluoroskopiebild sehen möchte, mit einfachem Mittel zu markieren, ohne hierbei eine Kontrastverschlechterung des Fluoroskopiebildes in Kauf nehmen zu müssen.

Claims

Verfahren zur Darstellung von Strukturen, die in einem dreidimensionalen Bilddatensatz (4) eines Objektes (22) enthalten sind, auf einem zweidimensionalen Durchleuchtungsbild (6) des Objektes, umfassend die folgenden Schritte: a) Zugreifen auf einen 3D-Bilddatensatz (4) eines Objekts (22), wobei der 3D-Bilddatensatz mit einem medizinischen Bildgebungsverfahren aufgenommen wurde; b) Festlegen einer insbesondere aus Punkten, Linien, Flächen oder sonstigen geometrischen Figuren bestehenden Positionsmarkierung (2) innerhalb des 3D-Bilddatensatzes (4), wobei die Positionsmarkierung die Position einer Struktur (1), insbesondere eines anatomischen Landmarks, innerhalb des Objektes markiert; c) Aufnehmen eines 2D-Durchleuchtungsbildes (6) des Objekts; d) Berechnen der theoretischen Position der Positionsmarkierung auf dem 2D-Durchleuchtungsbild; und e) Darstellen des 2D-Durchleuchtungsbildes (6) überlagert von der Positionsmarkierung (2).
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Schritte c) bis e) bis zu mehrmals pro Sekunde wiederholt werden, so dass die Position der Positionsmarkierung im 2D-Durchleuchtungsbild (6) in Echtzeit an eine Änderung der Durchleuchtungsgeometrie angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das 2D-Durchleuchtungsbild (6) ein Röntgenbild ist und der 3D-Bilddatensatz mit einem beliebigen bildgebenden Verfahren wie MRT, CT, PET oder Ultraschall gewonnen wurde.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem vor Schritt e) eine Registrierung des 3D-Bilddatensatzes (4) in Bezug auf die Röntgenanlage (14) erfolgt, mit der das 2D-Röntgenbild aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das 2D-Durchleuchtungsbild (6) ein Röntgenbild ist und der 3D-Bilddatensatz (4) mittels Computertomographie auf dem gleichen Röntgengerät aufgenommen wurde wie das Röntgenbild.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die durch die Positionsmarkierung (2) markierte Struktur eine Gefäßverzweigung, ein Gefäß, ein Gallengang oder ein Tumor ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Art und Position der Positionsmarkierung (2) innerhalb des 3D-Bilddatensatzes (6) durch einen Benutzer festgelegt wird, während der 3D-Bilddatensatz auf einem Bildschirm (32) dargestellt wird.
Gerät zur Darstellung von Strukturen (1), die in einem dreidimensionalen Bilddatensatz (4) eines Objektes enthalten sind, auf einem zweidimensionalen Durchleuchtungsbild (6) des Objektes, mit – einem ersten Datenspeicher (28) zum Speichern eines 3D-Bilddatensatzes eines Objektes, wobei der 3D-Bilddatensatz mit einem medizinischen Bildgebungsverfahren aufgenommen wurde; – einem Mittel (34) zum Festlegen einer insbesondere aus Punkten (P1, P2), Linien oder geometrischen Figuren bestehenden Positionsmarkierung (2) innerhalb des 3D-Bilddatensatzes, wobei die Positionsmarkierung die Position einer Struktur (1), insbesondere eines anatomischen Landmarks, innerhalb des Objektes markiert; – einem zweiten Datenspeicher (28) zum Speichern eines 2D-Durchleuchtungsbildes des Objektes; – einem Rechner (30) zur Berechnung der theoretischen Position der Positionsmarkierung auf dem 2D-Durchleuchtungsbild; und – einem Bildschirm (32) zum Darstellen des 2D-Durchleuchtungsbildes (6) überlagert von der Positionsmarkierung (2).
Gerät nach Anspruch 8, ferner umfassend ein Röntgengerät (14) zur Aufnahme von 2D-Durchleuchtungsbildern des Objekts (22), insbesondere von Fluoroskopiebildern.
Gerät nach Anspruch 8 oder 9, welches zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 geeignet ist.