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DE102005030646B4 - Verfahren zur Kontur-Visualisierung von zumindest einer interessierenden Region in 2D-Durchleuchtungsbildern - Google Patents

Verfahren zur Kontur-Visualisierung von zumindest einer interessierenden Region in 2D-Durchleuchtungsbildern Download PDF

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DE102005030646B4
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Abstract

Verfahren zur Kontur-Visualisierung von zumindest einer interessierenden Region (6) in 2D-Durchleuchtungsbildern (15), aufweisend die folgenden Schritte:
S1: Erzeugen eines zumindest die eine interessierende Region (6) aufweisenden 3D-Rohdatensatzes, in dem die Kontur der interessierenden Region (6) ersichtlich ist,
S2: Automatisiertes Erzeugen eines segmentierten 3D-Datensatzes aus dem 3D-Rohdatensatz (12), in dem die Kontur bei der zumindest einen interessierenden Region (6) eindeutig abgegrenzt ist,
S3: Erzeugen eines 2D-Durchleuchtungsbildes (15) welches die zumindest eine interessierende Region (6) enthält,
S4: Erzeugen einer 2D-Projektion (14) aus dem segmentierten 3D-Datensatz, die deckungsgleich mit dem 2D-Durchleuchtungsbild (15) ist,
S5: Automatisiertes Bestimmen der Kontur (17) der zumindest einen interessierenden Region (6) in der 2D-Projektion (14), und
S6: Überlagern der Kontur (17) mit dem 2D-Durchleuchtungsbild (15).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, welches bspw. einem Arzt die Orientierung in 2D-Durchleuchtungsbildern erleichtert. Dabei bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren welches insbesondere bei Interventionen unter Röntgenkontrolle eine graphisch klare und eindeutige Orientierungshilfe gibt.
  • In zunehmendem Maß erfolgen Untersuchungen oder Behandlungen eines (erkrankten) Patienten minimal-invasiv, d.h. mit möglichst geringem operativen Aufwand. Als Beispiel sind Behandlungen mit Endoskop, Laparoskop, Katheter oder Biopsie-Nadeln zu nennen, die jeweils über eine kleine Körperöffnung zu dem Untersuchungsbereich – im weiteren Verlauf als "interessierende Region" oder als "interessierender Bereich" bezeichnet – des Patienten eingeführt werden. Katheter beispielsweise kommen häufig im Rahmen angiographischer oder kardiologischer Untersuchungen zum Einsatz.
  • Das Problem aus medizinisch-technischer Sicht besteht zunächst darin, in einem 2D-Durchleuchtungsbild – beispielsweise aufgenommen mit einem konventionellen Röntgengerät oder mit einem Röntgen-C-Bogen – eine interessierende Region (z.B. einen Tumor) eindeutig zu identifizieren d.h. deren Grenzen zu erkennen. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Lösung dieses Problems.
  • Die geschilderte Problematik tritt insbesondere dann in den Vordergrund, wenn die interessierende Region im Rahmen eines Eingriffs (Operation oder Untersuchung) mit einem medizinischen Instrument angefahren werden muss. Zu denken ist hierbei – ohne Beschränkung der Allgemeinheit – an eine Biopsienadel oder an einen Katheter der zwar durch eine intraoperative Röntgenkontrolle, z.B. mit dem so genannten C-Bogen, sehr exakt und hoch aufgelöst in einem oder mehreren 2D-Durchleuchtungsbildern visualisiert werden kann, wobei aber bei derartigen Kontroll-Aufnahmen die Darstellung der Anatomie des Patienten, insbesondere die Darstellung der pathogenen interessierenden Region (Tumor, Aneurysma, Stenose etc.) ungenügend ist und nicht geeignet ist, dem Arzt eine Orientierungshilfe zu geben. Eine genaue Lokalisation der betroffenen Körperstelle ist daher sehr schwierig.
  • Im Stand der Technik gibt es zahlreiche Ansätze, dem Arzt unter intraoperativer Röntgenkontrolle die Orientierung im Körperinneren zu erleichtern.
  • Die älteste und daher auch bekannteste Methode besteht darin, Kontrastmittel zu injizieren, eine Röntgen-Momentaufnahme zu machen, diese als Referenzbild zu speichern und einer aktuellen (intraoperativen) Durchleuchtung zu unterlegen. Wiederum nachteilig ist jedoch, dass dieser Vorgang bei jeder Neu-Angulation des C-Bogens oder anderen Änderungen der (Angiographie-)Anlage (z. B. Veränderungen durch Zoom, SID = Source Image Distance, Tischverschiebung usw.) wiederholt werden muss.
  • Eine weitere Methode besteht darin, zunächst einen Volumendatensatz des betreffenden Körperbereiches zu akquirieren, der die interessierende Region bzw. das erkrankte oder zu diagnostizierende Organ oder Gewebe vollständig enthält. Dies erfolgt beispielsweise durch (Kontrastmittel-basierte) Spiral-Computertomographie oder anderen 3D-Bildgebungsmodalitäten. (In MRT-Aufnahmen sind z.B. Tumore auch ohne Kontrastmittel sichtbar.) Im weiteren wird auf Basis des 3D-Datensatzes ein künstliches 3D-Volumen-Projektionsbild erzeugt, das unter der gleichen Perspektive zu sehen ist, wie das aktuelle Durchleuchtungsbild und diesem ebenfalls unterlegt wird. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von "künstlicher Projektion" des 3D-Volumens.
  • Ferner existieren externe (Infrarot-basierte, magnetische etc.) Navigations-Systeme, die die 3D-Position eines medizinischen Instrumentes (Katheter, Nadel) durch externe Positionssensoren bestimmen und auf Basis dieser Information eine Orientierung einem zuvor aufgenommenen 3D-Volumendatensatz ermöglichen. Vgl. hierzu die Druckschrift DE 103 22 738 A1 .
  • Allen 3D-basierten Verfahren gemeinsam ist ein photorealistisches Unterlegen eines (3D-)Referenzbildes bezüglich eines aktuellen (intraoperativen) Durchleuchtungsbildes mit dem Nachteil einer in hohem Maße unübersichtlichen Darstellung der Anatomie, die den Arzt eher verunsichert als ihn unterstützt.
  • In der Druckschrift DE 102 14 254 A1 ist ein Verfahren offenbart, zwei hinsichtlich der Auflösung unterschiedliche Tomographieverfahren (z.B. SPECT oder PET mit CT oder MRT) zu verknüpfen, um bei gering auflösenden Tomographieverfahren höhere Abbildungsqualitäten zu erreichen. Dazu werden nur segmentierte Bildbereiche rückprojiziert, wobei diese Einschränkung des Bildbereiches die Bereichs- oder Bildregistrierung beschleunigt und das Signal-Rausch-Verhältnis erhöht.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, in Durchleuchtungsbildern, bspw. bei minimal-invasiven Eingriffen unter Röntgenkontrolle eine klare, einfache und daher übersichtliche Orientierungshilfe zu geben, die die Navigation erleichtert.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch die gegenständlichen Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
  • Es wird ein Verfahren beansprucht zur Kontur-Visualisierung von zumindest einer interessierenden Region in 2D-Durchleuchtungsbildern, aufweisend die folgenden Schritte:
    S1: Erzeugen eines zumindest eine interessierende Region aufweisenden 3D-Rohdatensatzes, in dem die Kontur der interessierenden Region ersichtlich ist,
    S2: Automatisiertes Erzeugen eines segmentierten 3D-Datensatzes aus dem 3D-Rohdatensatz in dem die Kontur bei zumindest einer interessierenden Region eindeutig abgegrenzt ist,
    S3: Erzeugen eines 2D-Durchleuchtungsbildes welches die zumindest eine interessierende Region enthält,
    S4: Erzeugen einer 2D-Projektion aus dem segmentierten 3D-Datensatz, die deckungsgleich mit dem 2D-Durchleuchtungsbild ist,
    S5: Automatisiertes Bestimmen der Kontur der zumindest einen interessierenden Region in der 2D-Projektion, und
    S6: Überlagern der Kontur mit dem 2D-Durchleuchtungsbild.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das 2D-Durchleuchtungsbild intraoperativ erhalten, möglicherweise auf eine intraoperative Veränderung hin überwacht und im Falle einer intraoperativen Veränderung des 2D-Durchleuchtungsbildes die Schritte S4 bis S6 wiederholt.
  • Der anfangs ermittelte 3D-Rohdatensatz kann mit beliebiger Bildgebungsmodalität präoperativ erfolgen.
  • Die 2D-Projektion wird vorteilhafterweise durch eine 2D-3D-Registrierung erzeugt, wobei diese 2D-3D-Registrierung bildbasiert oder markerbasiert erfolgt.
  • Das Bestimmen der Kontur erfolgt erfindungsgemäß durch automatische Segmentierung und wird gegebenenfalls weiterhin vorteilhaft durch Grafikprimitive wie Linien, Kurven, Splines etc. approximiert.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen bezug nehmend auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 schematisch eine Prinzipskizze einer für das erfindungsgemäße Verfahren möglichen Untersuchungs- und/oder Behandlungseinrichtung;
  • 2 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens und
  • 3 die erfindungsgemäßen bildverarbeitenden Schritte an den beteiligten Bilddatensätzen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf beliebige existierende 2D-Durchleuchtungsbilder angewendet werden, unabhängig von einem ärztlichen Eingriff, wird jedoch im Folgenden anhand einer intraoperativen minimal-invasiven Maßnahme unter Röntgenkontrolle erläutert, da eine solche den wichtigsten Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt.
  • 1 zeigt eine Prinzipskizze einer im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzten möglichen Untersuchungs- und/oder Behandlungseinrichtung 1 für minimal-invasive Eingriffe unter Röntgenkontrolle. Die Einrichtung 1 besteht aus einem C-Bogen 3 zur Aufnahme zweidimensionaler Durchleuchtungsbilder (2D-Durchleuchtungsbilder bzw. 2D-Fluoro-Bilder), an dem eine Röntgenstrahlenquelle 4 und ein Strahlendetektor 5, z.B. ein Festkörperbilddetektor und eine Toolplatte TP angeordnet sind. Der Untersuchungsbereich 6 eines Patienten 7 befindet sich vorzugsweise im Isozentrum des C-Bogens, so dass er vollständig in den aufgenommenen Durchleuchtungsbildern zu sehen ist.
  • In unmittelbarer Nähe des C-Bogens 3 befindet sich ein Navigationssensor S, durch den die aktuelle Position der Toolplatte TP, und damit die des C-Bogens 3, sowie die Position und Lage eines für den Eingriff verwendeten medizinischen Instrumentes 11 und des Patienten selbst erfasst werden kann.
  • Der Betrieb der Einrichtung 1 wird über eine Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung 8 gesteuert, die u.a. auch den Bildaufnahmebetrieb steuert.
  • Sie umfasst ferner eine nicht näher gezeigte Bildverarbeitungseinrichtung mit einem oder mehreren Bildschirmen 10, auf dem bzw. denen die Durchleuchtungsbilder dargestellt werden.
  • In der Bildverarbeitungseinrichtung ist unter anderem ein 3D-Rohdatensatz 9 vorhanden, der vorzugsweise präoperativ aufgenommen wurde und insbesondere die interessierende Region (pathologischer Bereich) derart vollständig enthält, dass diese gegenüber dem umliegenden Gewebe eindeutig abgegrenzt erscheint bzw. abgrenzbar ist. Dieser 3D-Rohdatensatz 9 kann mit einer beliebigen Bildgebungsmodalität aufgenommen worden sein, sofern diese eine eindeutige Abgrenzung gewährleistet.
  • Im Falle einer computertomographischen Aufnahme sollte diese zur Darstellung von Weichgewebe (Tumor) daher Kontrastmittel-basiert erfolgen.
  • MRT-Aufnahmen erfordern in der Regel keine spezifischen Aufnahmebedingungen, obwohl in manchen Fällen auch diese Kontrastmittel-basiert zu besseren Bildern führen. Der 3D-Rohdatensatz 9 kann auch mit der eigenen Bildaufnahmeeinrichtung 2 aufgenommen worden sein, also unmittelbar vor der eigentlichen Intervention, wobei die Bildaufnahmeeinrichtung 2 dann im 3D-Angiographiemodus betrieben werden muss.
  • Die vorliegende Erfindung stellt nun ein Verfahren bereit, bei dem einem bei beliebiger C-Bogenposition aufgenommenen intraoperativen aktuellen 2D-Durchleuchtungsbild, welches im wesentlichen nur das medizinische Instrument in deutlicher Weise abbildet, der Untersuchungsbereich 6 (also die interessierende Region) in klarer und ausgesprochen deutlicher Weise überlagert wird.
  • Es hat sich herausgestellt, dass der behandelnde Arzt in den meisten Fällen an einer realistischen Überlagerung nicht interessiert ist und eine Orientierungshilfe wünscht, die beispielsweise nur die Grenzen oder Konturen eines Tumors zeigen.
  • Um dies zu Realisieren wird folgendes erfindungsgemäße Vorgehen vorgeschlagen (siehe Verfahrenflussdiagramm von 2 in Verbindung mit 3):
    Dem Verfahren liegt ein (präoperativer) 3D-Rohdatensatz 12 zugrunde, der die interessierende Region 6, eingebettet in umliegendes Gewebe 13, enthält. In 3 besitzt solch umliegendes Gewebe 13 eine angiographische Struktur.
  • In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird der 3D-Rohdatensatz 12 dergestalt akquiriert, dass die interessierende Region 6 (beispielsweise der Tumor) vom umliegenden Gewebe 13 eindeutig abgegrenzt werden kann. In einem zweiten Verfahrensschritt S2 erfolgt eine solche Abgrenzung durch automatische Segmentierung, wodurch ein segmentierter 3D-Datensatz 13 erhalten wird, der nur noch die interessierende Region enthält und insofern eine Begrenzung erfährt. In einem dritten Verfahrensschritt S3 wird ein 2D-Durchleuchtungsbild (beispielsweise mit dem C-Bogen) aufgenommen. In einem weiteren bildverarbeitenden Verfahrensschritt S4 wird aus dem segmentierten 3D-Datensatz rein rechnerisch eine 2D-Projektion 14 erzeugt, die entsprechend Größe und räumlicher Orientierung zu dem aktuellen intraoperativen 2D-Durchleuchtungsbild 15 entsprechend der aktuellen C-Bogenstellung kongruent, also deckungsgleich ist.
  • Die Erzeugung dieser 2D-Projektion aus dem segmentierten 3D-Datensatz erfolgt automatisch mittels bekannter 2D/3D-Registrier-Verfahren nach dem Stand der Technik, beispielsweise Bild-basiert oder Marker-basiert.
  • In einem fünften Verfahrensschritt S5 werden mit bekannten Segmentierverfahren die Konturen der sichtbaren Volumenbestandteile der 2D-Projektion bestimmt und gegebenenfalls durch Graphikprimitive (Linien, Kurvensegmente, Splines etc.) approximiert, um eine reduzierte 2D-Projektion 16 zu erhalten. Diese reduzierte 2D-Projektion 16 ist gemäß ihrer Geometrie mit dem 2D-Durchleuchtungsbild identisch, nur dass sie als einzige Bildinformation die Kontur 17 der interessierenden Region 6 in dieser Perspektive enthält.
  • In einem sechsten und vorläufig letzten Verfahrensschritt S6 wird die reduzierte 2D-Projektion 16 und damit die Kontur 17 der interessierenden Region 6 dem 2D-Durchleuchtungsbild 15 überlagert.
  • Letztlich führt dies auf dem Bildschirm 10 der Bildverarbeitungseinrichtung gemäß 1 zu einem Summenbild 18, in dem bei der aktuellen C-Bogenposition das medizinische Instrument 11 relativ zu der scharf begrenzten Kontur der interessierenden Region dargestellt ist. Die Anatomie des umliegenden (Hintergrund-)Gewebes (beispielsweise der Kopf 7 in 1) wird nur schwach-kontrastiert dargestellt.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird (beispielsweise über das Navigationssysem S) in einem weiteren siebten Verfahrensschritt S7 eine Änderung der Angulation des C-Bogens bzw. weitere Änderungen von Anlagenparametern oder auch Patientenbewegungen überwacht und in einem achten Verfahrensschritt S8 die überlagerte Grafik gelöscht, wenn die dargestellte Kontur nicht mehr gültig ist. In diesem Fall beginnt das Verfahren erneut bei Schritt S4, wodurch eine neue, der neuen C-Bogenkonfiguration entsprechende reduzierte 2D-Projektion ermittelt wird. Die Geschwindigkeit des Verfahrens ist abhängig von der Rechnerleistung der Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung 8, die aber erwartungsgemäß so schnell ist, dass der Anwender mit einer Konturüberlagerung in Echtzeit rechnen darf.
  • Zusammengefasst ergeben sich durch das erfindungsgemäße Verfahren folgende Vorteile:
    • – Durch das Segmentieren des präoperativen 3D-Rohdatensatz können eng definierte, anatomisch sinnvolle Grenzen in der Gestalt scharfer Konturen beschrieben werden.
    • – Diese Grenzen werden durch die Überlagerung dieser Konturen mit den 2D-Durchleuchtungsbildern (intraoperative- bzw. live-Aufnahme-Bilder) wesentlich besser visualisiert, als bei einer Überlagerung eines kompletten 3D-Rohdatensatzes mit dem aktuellen Durchleuchtungsbild. Durch die erfindungsgemäße Darstellung der Konturen mit Grafikprimitiven werden die Grenzen schärfer und klarer abgegrenzt, als es durch derzeit zur Verfügung stehende Verfahren möglich ist.
    • – Bei intraoperativen Änderungen des 2D-Durchleuchtungsbildes (z.B. durch Bewegung des C-Bogens bzw. Änderungen von Anlagenparametern wie z.B. Zoom, SID, Tischbewegung oder Patientenbewegung) können die Konturen automatisch und kontinuierlich aktualisiert werden, so dass beim Betrachter auf dem überlagerten 2D-Durchleuchtungsbild ein räumlicher Eindruck der anatomischen Struktur während der Parameteränderung entsteht. Dies hat bei Kontrastmitteleinsatz den Vorteil, dass für eine neue Angulation kein zusätzliches Kontrastmittel verabreicht werden muss und zum anderen die Konturen sofort und ohne weitere Interaktion Seitens des Anwenders zur Verfügung stehen.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Kontur-Visualisierung von zumindest einer interessierenden Region (6) in 2D-Durchleuchtungsbildern (15), aufweisend die folgenden Schritte: S1: Erzeugen eines zumindest die eine interessierende Region (6) aufweisenden 3D-Rohdatensatzes, in dem die Kontur der interessierenden Region (6) ersichtlich ist, S2: Automatisiertes Erzeugen eines segmentierten 3D-Datensatzes aus dem 3D-Rohdatensatz (12), in dem die Kontur bei der zumindest einen interessierenden Region (6) eindeutig abgegrenzt ist, S3: Erzeugen eines 2D-Durchleuchtungsbildes (15) welches die zumindest eine interessierende Region (6) enthält, S4: Erzeugen einer 2D-Projektion (14) aus dem segmentierten 3D-Datensatz, die deckungsgleich mit dem 2D-Durchleuchtungsbild (15) ist, S5: Automatisiertes Bestimmen der Kontur (17) der zumindest einen interessierenden Region (6) in der 2D-Projektion (14), und S6: Überlagern der Kontur (17) mit dem 2D-Durchleuchtungsbild (15).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das 2D-Durchleuchtungsbild (15) intraoperativ erhalten wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das 2D-Durchleuchtungsbild (15) auf eine intraoperative Veränderung hin überwacht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem im Falle einer intraoperativen Veränderung des 2D-Durchleuchtungsbildes (15) die Schritte S4 bis S6 wiederholt werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Bestimmung des 3D-Rohdatensatzes (12) mit beliebiger Bildgebungsmodalität präoperativ erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die 2D-Projektion (14) durch eine 2D-3D-Registrierung erzeugt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die 2D-3D-Registrierung bildbasiert oder markerbasiert erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Kontur (17) durch Grafikprimitive approximiert wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Grafikprimitive Linien, Kurven oder Splines darstellen.
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