DE102011076188B4

DE102011076188B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Planung einer endovaskulären Prozedur mit einem medizinischen Instrument

Info

Publication number: DE102011076188B4
Application number: DE102011076188A
Authority: DE
Inventors: Peter Aulbach
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2031-05-21
Also published as: CN102871729B; DE102011076188A1; CN102871729A; US20120296620A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Planung einer endovaskulären Prozedur, bei der ein medizinisches Instrument, insbesondere ein Katheter, in ein Gefäß eingeführt und über das Gefäß an seinen Anwendungsort geführt wird. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung werden Gefäßdurchmesser und Biegeradien entlang eines markierten Gefäßverlaufs automatisch aus einem Volumendatensatz der medizinischen Bildgebung bestimmt und mit einem maximalen Durchmesser und minimalen Biegeradius des für den Einsatz geplanten medizinischen Instruments verglichen. Stellen oder Bereiche innerhalb des markierten Gefäßverlaufs, die einen zu geringen Gefäßdurchmesser oder Biegeradius aufweisen, werden dann in einer Bilddarstellung des Gefäßbaums bzw. Gefäßverlaufs farbig markiert. Auf diese Weise erkennt der Anwender sofort kritische Bereiche und kann ggf. seine Planung ändern oder auf ein Instrument mit anderen geometrischen Daten zugreifen. Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen die Planung der endovaskulären Prozedur auch für unerfahrene Anwender.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Planung einer endovaskulären Prozedur, bei der ein medizinisches Instrument, insbesondere ein Katheter, in ein Gefäß eingeführt und über das Gefäß an seinen Anwendungsort geführt wird.
Bei verschiedenen Erkrankungen der Arterien und Venen kann die Behandlung endovaskulär, d. h. durch die Blutgefäße hindurch, erfolgen. Die Arten der Anwendungen sind vielfältig und umfassen bspw. die Stentkrafteinbringung bei abdominalen oder thorakalen Aortenaneurysmen, bei Aneurysmen der Hirnarterien, bei Gefäßverengungen an der Aorta carotis oder den Koronararterien oder bei Aorten/Mitralklappeninsuffizienz oder den minimalinvasiven Klappenersatz (z. B. TAVI). Bei diesen endovaskulären, minimalinvasiven Prozeduren ist eine präoperative Planung erforderlich, die häufig mittels Computertomographie (CT) oder Magnetresonanz-Tomographie (MRT) durchgeführt wird.
Bei vielen der minimalinvasiven Anwendungen kommt ein Katheter zum Einsatz, über den bspw. Stents oder Aortenklappen an den Anwendungsort gebracht werden. Die Katheter weisen je nach Art der Anwendung verschiedene Durchmesser und unterschiedliche Katheterenden (Spitzen) auf. Je dicker und länger die Spitze eines Katheters ist, desto schwieriger ist in der Regel ein geeigneter Zugang zur Einsatzstelle bzw. zum Anwendungsort zu erreichen und desto steifer ist der Katheter. Ein steifer dicker Katheter muss sorgfältig und behutsam durch die Gefäße navigiert werden. Dies erfordert eine genaue Planung des minimalinvasiven Eingriffs, um einen Gefäßverlauf mit ausreichenden Gefäßdurchmessern und Krümmungsradien der Gefäße zu ermitteln, die für die geplante Prozedur mit dem entsprechenden Katheter geeignet sind. Dies ist oft sehr schwierig abzuschätzen und bedarf großer Erfahrung und Kenntnis des Anwenders.
Aus der DE 10 2007 028 065 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur automatischen Wegplanung einer endovaskulären Prozedur bekannt, bei der ein medizinisches Instrument, insbesondere ein Katheter, in ein Gefäß eingeführt und über das Gefäß an einen Anwendungsort geführt wird. Zur automatischen Wegplanung wird ein Volumendatensatz der medizinischen Bildgebung bereitgestellt, in dem bspw. ein Gefäß identifiziert wird und durch den Benutzer über ein graphisches Eingabegerät ein Ausgangssuchpunkt sowie ein Zielsuchpunkt gesetzt werden. Der Volumendatensatz wird hierzu an einem Bildschirm geeignet visualisiert. Der Zielsuchpunkt sowie der Ausgangssuchpunkt werden anschließend automatisch in dem jeweiligen Gefäß zentriert und unter Berücksichtigung des Gefäßverlaufes automatisch miteinander verbunden, so dass die Verbindungslinie bevorzugt vollständig im Inneren des Gefäßes verläuft. Diese automatische Wegplanung kann auch in Gefäßbäumen eingesetzt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Planung einer endovaskulären Prozedur mit einem medizinischen Instrument anzugeben, die eine zuverlässige Planung auch für unerfahrene Anwender ermöglichen.
Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Die vorgeschlagene Vorrichtung umfasst zumindest ein Visualisierungsmodul, das einen Gefäßbaum aus einem Volumendatensatz der medizinischen Bildgebung an einem Bildschirm visualisiert, ein Interaktionsmodul, ein Bestimmungsmodul sowie ein Auswertemodul. Das Interaktionsmodul ist so ausgebildet, dass es einem Anwender ermöglicht, über eine graphische Benutzerschnittstelle einen Gefäßverlauf innerhalb der Darstellung zu markieren oder Anfangs- und Endpunkte einer Prozedur zu setzen, und einen maximalen Durchmesser und minimalen Krümmungsradius eines medizinischen Instruments oder Information einzugeben, aus der der maximale Durchmesser und minimale Krümmungsradius des medizinischen Instruments bestimmt werden kann. Das Bestimmungsmodul bestimmt auf Basis des Volumendatensatzes Gefäßdurchmesser und Krümmungsradien von Biegungen entlang des markierten Gefäßverlaufs. Hierbei können bekannte Techniken des Standes der Technik eingesetzt werden, die diese Parameter, bspw. auf Basis einer Segmentierung des Gefäßverlaufs, bestimmen. Das Auswertemodul vergleicht dann den maximalen Durchmesser und minimalen Krümmungsradius des medizinischen Instruments mit den aus dem Volumendatensatz bestimmten Durchmessern und Krümmungsradien des Gefäßverlaufs und ermittelt Gefäßbereiche innerhalb des Gefäßverlaufs, in denen der Durchmesser oder Krümmungsradius des Gefäßverlaufs kleiner als der maximale Durchmesser oder minimale Krümmungsradius des Instruments ist. Die Information über diese Gefäßbereiche wird an das Visualisierungsmodul übergeben, das diese Bereiche in der Darstellung dann farbig hervorhebt.
Die Bestimmung der Gefäßdurchmesser und Krümmungsradien von Biegungen entlang des markierten Gefäßverlaufs sowie die Auswertung und Farbcodierung kritischer Bereiche erfolgt automatisiert ohne Eingriff des Anwenders. Dies ergibt einen erheblichen Zeitvorteil bei der Planung minimalinvasiver Prozeduren. Mit Hilfe der Farbcodierung kann der Anwender sofort die schwierigen und unwegsamen Stellen im Datensatz bzw. Gefäßverlauf in Augenschein nehmen und ggf. andere Operationspfade planen oder auf einen anderen Katheter oder ein anderes medizinisches Instrument zurückgreifen. Auch unerfahrene Anwender können damit eine schwierige Planung endovaskulärer Eingriffe durchführen. Durch die Farbcodierung von Engstellen bei der Katheteranwendung treten geringere Komplikationsraten beim späteren Eingriff auf.
Bei den bei dem Verfahren und der Vorrichtung herangezogenen Volumendatensätzen der medizinischen Bildgebung handelt es sich vorzugsweise um CT- oder MRT-Datensätze. Hierbei kann es sich auch um eine zeitliche Abfolge von 3D-Datensätzen handeln, die bspw. in verschiedenen Herzphasen aufgezeichnet wurden. Das Bestimmungsmodul bestimmt dann die Gefäßdurchmesser und Krümmungsradien entlang des Gefäßverlaufs in sämtlichen Datensätzen bzw. aufgezeichneten Phasen. Das Auswertemodul ist dabei so ausgebildet, dass es bei derartigen multiphasischen Volumendatensätzen jeweils den kleinsten Gefäßdurchmesser und kleinsten Biegungsradius an den jeweiligen Stellen im Gefäßverlauf für den Vergleich heranzieht. Auf diese Weise wird berücksichtigt, dass möglicherweise der Gefäßdurchmesser oder der Krümmungsradius in einer bestimmten Herzphase zu gering für den Einsatz eines bestimmten Instruments bzw. Katheters wird. Durch die Berücksichtigung der komplexen Bewegungen des Herzens und der damit verbundenen Vaskulatur mit deren Auswirkung auf die Durchmesser bzw. Krümmungsradien kann die Komplikationsrate bei dem geplanten Eingriff nochmals reduziert werden.
Die vorgeschlagene Vorrichtung umfasst vorzugsweise auch ein Planungsmodul, das aus Anfangs- und Endpunkten innerhalb des Gefäßbaums, die durch den Anwender in der Darstellung des Gefäßbaums gesetzt werden, einen Gefäßverlauf mit dem kürzesten Weg zwischen Anfangs- und Endpunkt ermittelt und als Gefäßverlauf für die weitere Auswertung markiert. Auf diese Weise kann der Anwender den Zugangspunkt für das Instrument zu einem Gefäß und den Zielpunkt des Instruments für die geplante Anwendung markieren und erhält automatisch den kürzesten Pfad zwischen diesen beiden Punkten durch die Gefäße.
Der Anwender kann bei der vorgeschlagenen Vorrichtung sowie dem zugehörigen Verfahren auch die Gefäße selbst durch einen Klick in der Darstellung markieren, durch die er das Instrument führen will. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, jeweils einzelne Punkte im Gefäßbaum anzuklicken, die den Gefäßverlauf markieren.
Die Eingabe der Information über die maximale Dicke des Instruments (entsprechend der dicksten Stelle des eingeführten Teils des Instruments) sowie entsprechend des minimalen Krümmungsradius, den der eingeführte Teil des Instruments ermöglicht, kann bspw. direkt durch Eingabe dieser Daten erfolgen. In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung gibt der Anwender lediglich die Bezeichnung des Instruments ein, durch die dieses eindeutig identifiziert werden kann. Die Vorrichtung ist in diesem Fall mit einer Datenbank verbunden oder umfasst eine derartige Datenbank, in der dann zu jeder Instrumenten- oder Katheterbezeichnung die entsprechenden maximalen Durchmesser und minimalen Krümmungsradien angeführt sind. Aus dieser Datenbank liest das Auswertemodul diese Daten für den durchzuführenden Vergleich.
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 schematisch ein Beispiel für einen Aufbau der vorgeschlagenen Vorrichtung, und
2 ein Beispiel für die Verfahrensschritte bei der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens.
Die vorgeschlagene Vorrichtung und das zugehörige Verfahren werden im Folgenden am Beispiel einer Planung zum Einsatz eines TAVI-Katheters erläutert. TAVI-Katheter sind ca. 7 mm dick und erfordern aufgrund ihrer Steifheit relativ große Biegungsradien der beteiligten Gefäße. Für die Planung wurde ein CT-angiographischer Datensatz aufgezeichnet, der von der Leiste bis zum Aortenbogen führt. Dieser Volumendatensatz wird in der vorgeschlagenen Vorrichtung in einem Datenspeicher 1 abgespeichert. Der Datensatz mit den aufgrund der Angiographie deutlich hervorgehobenen Gefäßen wird dem Anwender über ein Visualisierungsmodul 2 an einem Bildschirm 3 dargestellt. Der Anwender kann die Gefäße am Bildschirm anwählen, durch die der Weg des Katheters später verlaufen soll. Dies erfolgt in der Regel mit Hilfe eines graphischen Eingabegerätes, bspw. einer Maus 4, über ein Interaktionsmodul 5. Die Gefäße können dabei bspw. in bekannter Weise mit einem Mausklick angewählt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Anwender auch einen Anfangspunkt (z. B. Zugang über Leiste, Femoralis) und einen Endpunkt (Aortenklappe) am Bildschirm setzen. Ein Planungsmodul 6 ermittelt daraus automatisch einen zusammenhängenden Pfad innerhalb des Gefäßbaumes, der die kürzeste Verbindung zwischen Anfangs- und Endpunkt darstellt. Entlang dieser ermittelten Mittellinie werden dann im Bestimmungsmodul 7 die Gefäßdurchmesser an jeder Stelle des markierten Gefäßverlaufs berechnet. Hierfür sind aus dem Stand der Technik bereits geeignete Verfahren bekannt.
Sollten die Gefäße noch nicht automatisch gefunden sein, so wird – wie heute üblich – mit dem graphischen Eingabegerät auf die einzelnen Gefäßabschnitte in der Bilddarstellung geklickt. Dadurch werden manuelle Mittellinien gebildet, die aneinandergereiht werden. Danach wird wieder, wie bereits zuvor beschrieben, im Bestimmungsmodul 7 die Bestimmung der Gefäßdurchmesser und Krümmungsradien von Biegungen vorgenommen.
Bekannte Verfahren des Standes der Technik zur Bestimmung des Gefäßdurchmessers entlang einer Mittellinie sind bspw. im Bereich der Gefäßwanddetektion und Stenosenmessung im Einsatz. Nach der Markierung des gewünschten oder ermittelten Gefäßverlaufs und der Bestimmung der Gefäßdurchmesser und Krümmungsradien der Biegungen in diesem Gefäßverlauf kann der Anwender über das Interaktionsmodul 5, bspw. über eine Tastatur 8, den maximalen Durchmesser und minimalen Biegeradius des für den Einsatz geplanten Katheters eingeben. Ein Auswertemodul 9 vergleicht diese Daten mit den in dem Gefäßverlauf bestimmten Daten und ermittelt Stellen im Gefäßverlauf, bei denen der Gefäßdurchmesser kleiner ist als der maximale Durchmesser des Katheters, und Bereiche, die einen geringeren Biegeradius aufweisen als der minimale Biegeradius des Katheters. Die ermittelten Stellen bzw. Bereiche werden an das Visualisierungsmodul 2 übergeben, das die entsprechenden Stellen bzw. Gefäßbereiche mit einem Farboverlay in der Bilddarstellung visualisiert, um dadurch den Anwender vor zu kleinen oder zu scharfen Gefäßradien zu warnen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung mit einer Datenbank verbunden, die geometrische Katheterinformationen zu den jeweiligen Kathetern umfasst. Bei Eingabe eines bestimmten Katheters oder Kathetertyps greift die Vorrichtung dann auf diese Datenbank zu, um die erforderlichen Daten des Katheters, d. h. seine Hauptabmessungen, insbesondere Dicke, sowie seinen minimalen Biegungsradius zu übernehmen und für den Vergleich heranzuziehen.
Das Ergebnis der Planung mit dem vorgeschlagenen Verfahren bzw. der vorgeschlagenen Vorrichtung anhand der Durchmesser und Biegeradiusdaten ist eine Bilddarstellung eines mit Farbcode versehenen CT- oder MRT-Angiographie-Datensatzes. Die rote Farbe kann hierbei z. B. einen zu kleinen Durchmesser oder zu engen Gefäßradius signalisieren. Gelb kann für den intermediären Bereich verwendet werden. Ohne Einfärbung bleibt der freie Bereich, d. h. der Gefäßbereich, der vom Katheter ohne Gefahr passiert werden kann. Berücksichtigung finden hierbei auch Gefäßengstellen, wie Stenosen oder Plaques. Diese werden schon heute mit bekannten Gefäßwandsegmentierungsalgorithmen oder durch CT Dual Energy direkte Angiographie sehr gut ermittelt bzw. das freie Gefäßlumen quantifiziert.
Die hier beschriebenen Verfahrensschritte des vorgeschlagenen Verfahrens sind in der 2 nochmals schematisch dargestellt.
Bei einer weiteren, vorteilhaften Ausprägung des Verfahrens wird die Bewegung der Gefäße bei multiphasischen Datensätzen berücksichtigt. Derartige Datensätze werden in der Regel mittels EKG-Kopplung aufgenommen. Hierbei kann auch die komplexe Bewegung der Aorta ascendens berücksichtigt werden. So kann bspw. in einer bestimmten Herzphase ein Krümmungsradius oder ein Durchmesser zu gering werden. Dies wird bei der Auswertung dieser Datensätze mit dem vorgeschlagenen Verfahren bzw. der vorgeschlagenen Vorrichtung berücksichtigt.
Mit Hilfe der Farbcodierung kann der Anwender sofort die schwierigen und unwegsamen Stellen im Gefäßverlauf bzw. Gefäßbaum des Datensatzes in Augenschein nehmen und ggf. andere Operationspfade planen oder auf einen anderen Katheter zurückgreifen.

Claims

Vorrichtung zur Planung einer endovaskulären Prozedur, bei der ein medizinisches Instrument, insbesondere ein Katheter, in ein Gefäß eingeführt und über das Gefäß an einen Anwendungsort geführt wird, mit – einem Visualisierungsmodul (2), das einen Gefäßbaum aus einem Volumendatensatz der medizinischen Bildgebung an einem Bildschirm (3) visualisiert, – einem Interaktionsmodul (5), das einem Anwender ermöglicht, über eine graphische Benutzerschnittstelle einen Gefäßverlauf innerhalb der Darstellung am Bildschirm (3) zu markieren oder Anfangs- und Endpunkte einer Prozedur zu setzen, und einen maximalen Durchmesser und minimalen Krümmungsradius eines medizinischen Instruments oder Information einzugeben, aus der ein maximaler Durchmesser und minimaler Krümmungsradius eines medizinischen Instruments bestimmbar ist, – einem Bestimmungsmodul (7), das Gefäßdurchmesser und Krümmungsradien von Biegungen entlang des oder eines markierten Gefäßverlaufs aus dem Volumendatensatz bestimmt, – einem Auswertemodul (9), das den maximalen Durchmesser und minimalen Krümmungsradius des medizinischen Instruments mit den bestimmten Durchmessern und Krümmungsradien des Gefäßverlaufs vergleicht, Gefäßbereiche innerhalb des Gefäßverlaufs ermittelt und an das Visualisierungsmodul (2) übergibt, in denen der Durchmesser oder Krümmungsradius des Gefäßverlaufs kleiner als der maximale Durchmesser oder minimale Krümmungsradius des Instruments ist, – wobei das Visualisierungsmodul (2) so ausgebildet ist, dass es die übergebenen Bereiche in der Darstellung farbig hervorhebt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem Planungsmodul (6), das aus den durch den Anwender gesetzten Anfangs- und Endpunkten einer Prozedur in dem Gefäßbaum einen Gefäßverlauf mit dem kürzesten Weg zwischen Anfangs- und Endpunkt ermittelt und markiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Interaktionsmodul (5) so ausgebildet ist, dass es dem Anwender ermöglicht, Punkte für die Bildung von Mittellinien durch einzelne Gefäßabschnitte des Gefäßbaums zu setzen, und den dadurch erhaltenen Gefäßverlauf zu markieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Interaktionsmodul (5) so ausgebildet ist, dass es bei Eingabe einer Bezeichnung eines medizinischen Instruments aus einer Datenbank den maximalen Durchmesser und minimalen Krümmungsradius des medizinischen Instruments abruft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Bestimmungsmodul (7) so ausgebildet ist, dass es eine Reduzierung im Gefäßdurchmesser durch Plaques oder Stenosen erkennt und bei der Bestimmung der Gefäßdurchmesser berücksichtigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Auswertemodul (9) so ausgebildet ist, dass es bei multiphasischen Volumendatensätzen eine zeitliche Veränderung von Gefäßdurchmessern und Krümmungsradien erfasst, und den Vergleich jeweils mit den kleinsten Gefäßdurchmessern und Biegeradien jedes Gefäßabschnitts des Gefäßverlaufs vornimmt.
Verfahren zur Planung einer endovaskulären Prozedur, bei der ein medizinisches Instrument, insbesondere ein Katheter, in ein Gefäß eingeführt und über das Gefäß an einen Anwendungsort geführt wird, bei dem – ein Gefäßbaum aus einem Volumendatensatz der medizinischen Bildgebung an einem Bildschirm (3) visualisiert wird, – einem Anwender ermöglicht wird, über eine graphische Benutzerschnittstelle einen Gefäßverlauf innerhalb der Darstellung am Bildschirm (3) zu markieren oder Anfangs- und Endpunkte einer Prozedur zu setzen, und einen maximalen Durchmesser und minimalen Krümmungsradius eines medizinischen Instruments oder Information einzugeben, aus der ein maximaler Durchmesser und minimaler Krümmungsradius eines medizinischen Instruments bestimmbar ist, – Gefäßdurchmesser und Krümmungsradien von Biegungen entlang des oder eines markierten Gefäßverlaufs automatisiert aus dem Volumendatensatz bestimmt werden, – der maximale Durchmesser und minimale Krümmungsradius des medizinischen Instruments mit den bestimmten Durchmessern und Krümmungsradien des Gefäßverlaufs automatisiert verglichen wird und Gefäßbereiche innerhalb des Gefäßverlaufs ermittelt werden, in denen der Durchmesser oder Krümmungsradius des Gefäßverlaufs kleiner als der maximale Durchmesser oder minimale Krümmungsradius des Instruments ist, und – die ermittelten Gefäßbereiche in der Darstellung farbig hervorgehoben werden.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem automatisiert aus den durch den Anwender gesetzten Anfangs- und Endpunkten einer Prozedur in dem Gefäßbaum ein Gefäßverlauf mit dem kürzesten Weg zwischen Anfangs- und Endpunkt ermittelt und markiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem eine Reduzierung im Gefäßdurchmesser durch Plaques oder Stenosen automatisch erkannt und bei der Bestimmung der Gefäßdurchmesser berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem bei multiphasischen Volumendatensätzen eine zeitliche Veränderung von Gefäßdurchmessern und Krümmungsradien erfasst und der Vergleich jeweils mit den kleinsten Gefäßdurchmessern und Biegeradien jedes Gefäßabschnitts des Gefäßverlaufs vorgenommen wird.