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DE19919907A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Katheter-Navigation in dreidimensionalen Gefäßbaum-Aufnahmen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Katheter-Navigation in dreidimensionalen Gefäßbaum-Aufnahmen

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DE19919907A1 DE19919907A DE19919907A DE19919907A1 DE 19919907 A1 DE19919907 A1 DE 19919907A1 DE 19919907 A DE19919907 A DE 19919907A DE 19919907 A DE19919907 A DE 19919907A DE 19919907 A1 DE19919907 A1 DE 19919907A1
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Abstract

Verfahren zur Katheter-Navigation in dreidimensionalen Gefäßbaum-Aufnahmen, insbesondere für intrakraniale Applikation, wobei die Katheterposition mittels eines in seine Spitze eingebauten miniaturisierten Positionserfassungssystems ermittelt und in die 3-D-Ansicht des präoperativ aufgenommenen und in einem Navigationsrechner rekonstruierten Gefäßbaums eingeblendet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine zu des­ sen Durchführung geeignete Vorrichtung zur Katheter-Naviga­ tion in dreidimensionalen Gefäßbaum-Aufnahmen, insbesondere für intrakraniale Applikationen.
Die Behandlung von Gefäßpathologien, insbesondere intrakra­ nialer Gefäßpathologien, erfolgt häufig mit Hilfe eines Katheters, der in die Femoral-Arterie eingeführt und durch die Gefäße an den Ort der Läsion geführt wird. Diese Prozedur wird unter kontinuierlich gepulster 2D-Röntgen-Durchleuchtung (häufig mit Biplan-Systemen) und unter Kontrastmittelapplika­ tion durchgeführt. Dabei stellt es sich für den Neuro-Ra­ diologen oft als sehr schwierig dar, die aufgenommenen 2D- Durchleuchtungsbilder mit der komplexen, dreidimensionalen Form des realen Gefäßbaums in Übereinstimmung zu bringen. Ein weiterer Nachteil dieses bekannten Verfahrens liegt darin, dass die kontinuierlich während der Intervention durchzufüh­ rende Durchleuchtung Strahlungsbelastung für Arzt und Patient mit sich führt, und dass das injizierte Kontrastmittel, das ja auch während der gesamten Katheter-Behandlung vorliegen muss und somit ständig nachinjiziert werden muss, toxische Wirkung besitzt.
Dreidimensionale Abbildungen des Gefäßbaums können heutzutage durch verschiedene bildgebende Modalitäten, wie z. B. Magnet- Resonanz-Angiographie (MRA), Computertomographie-Angiographie (CTA) und die 3D-Angiographie erzeugt werden. Bei dieser 3D- Angiographie wird aus mehreren, ca. 50, präoperativen oder intraoperativen, aus verschiedenen Winkeln aufgenommenen 2D- Röntgenprojektionsbildern, die im allgemeinen mit Hilfe eines C-Bogen-Röntgengeräts gewonnen werden, ein 3D-Volumen des Ge­ fäßbaums rekonstruiert und visualisiert. Durch die 3D-Auf- nahmetechniken erhält der Neuro-Radiologe eine 3D-Abbildung des Gefäßbaums, hat aber keine direkte Kenntnis über die ak­ tuelle Position des Katheters in diesem 3D-Gefäßbaum während der Intervention. Vielmehr muss er eine gedankliche Abbildung der intraoperativen 2D-Durchleuchtungsbilder, in denen der Katheter ja mit abgebildet ist, auf den präoperativ aufgenom­ menen und rekonstruierten 3D-Gefäßbaum, in dem der Katheter nicht abgebildet ist, vornehmen, was bei komplexen Gefäßbaum­ strukturen mühsam und zeitaufwendig sein kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine zu seiner Durchführung geeignete Vorrichtung zu schaffen, durch die die Strahlenbelastung für Arzt und Pati­ ent während der Intervention ebenso reduziert ist wie die Kontrastmittelgabe während der Intervention, und bei dem die aktuelle Katheterposition in einer dreidimensionalen Ansicht des Gefäßbaums dargestellt wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Katheterposition mittels eines in seine Spitze ein­ gebauten miniaturisierten Positionserfassungssystems ermit­ telt und in die 3D-Ansicht des präoperativ aufgenommenen und in einem Navigationsrechner rekonstruierten Gefäßbaums einge­ blendet wird, wobei vor der Intervention mittels einer Mehr­ zahl von am Körper des Patienten angebrachten Markern, deren Position durch den Katheter erfasst wird, eine Abbildung (Registrierung) des 3D-Patientenkoordinatensystems auf das 3D-Bildkoordinatensystem erfolgt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann während der Inter­ vention und völlig ohne intraoperative Durchleuchtungsaufna­ men und ohne intraoperative Kontrastmittelgabe eine Naviga­ tion des Katheters im 3D-Gefäßbaum ermöglicht werden.
Zur Registrierung kann - wenn die Marker im 3D-Bild sichtbar sind - jeweils die Markerposition im 3D-Bild angefahren wer­ den, beispielsweise mit Hilfe einer Maus, und in Relation zu den durch Antasten des jeweils gleichen Markers mit der Katheterspitze ermittelten Positionen im Patientenkoordina­ tensystem gebracht werden. Problemlos ist dies bei der CTA und bei der MRA möglich, bei der beispielsweise der gesamte Kopf mit den außen daran angebrachten Markern problemlos als 3D-Bild erstellt werden kann. Die Magnet-Resonanz-Angiogra­ phie (MRA) hat dabei noch den zusätzlichen Vorteil, dass überhaupt keine Strahlenbelastung, noch nicht einmal zur Ge­ winnung des präoperativen Bilddatensatzes für den Gefäßbaum für den Patienten auftritt.
Probleme mit dieser Art der Registrierung können allerdings bei der 3D-Angiographie auftreten, bei denen die in den 2D- Aufnahmen noch abgebildeten Marker im 3D-Bild wegen der Größe des Kopfes und des neu erstellbaren Ausschnitts nicht mit er­ scheinen. Um hier Abhilfe zu schaffen, kann in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Marker in wenigstens zwei 2D-Projektionsbildern, aus denen das 3D-Angiobild er­ rechnet wird, erfasst und mit Hilfe der zu den jeweiligen 2D- Projektionsbildern berechneten Projektionsmatrizen, die zur Rekonstruktion des 3D-Volumensatzes des Gefäßbaums ermittelt wurden, auf das abgebildete Objekt im Navigationsrechner zu­ rückprojiziert und in Relation zu den Markerkoordinaten im Patientenkoordinatensystem gebracht werden. Dabei können je­ weils die Schwerpunkte der Marker als Schwerpunkte des jewei­ ligen Schnittvolumens der Projektionskegel der verwendeten 2D-Projektionsbilder als 3D-Koordinaten ermittelt werden, am einfachsten derart, dass vor der Rückprojektion eines in 2D- Projektionsbild identifizierten Markers dessen Schwerpunkt im 2D-Bild erfasst und nur dieser Punkt rückprojiziert wird.
Die Identifikation der Marker kann dabei interaktiv oder aber auch automatisch erfolgen, wobei speziell für die automati­ sche Identifizierung die Marker alle unterschiedlich ausge­ bildet sind und sich somit durch ihre unterschiedliche Form und/oder Größe in den Bildern leicht und auch automatisierbar unterscheiden lassen. Bei einer interaktiven Identifikation ist darauf zu achten, dass die Marker sowohl im Patienten- als auch im Bildkoordinatensystem - und hier wiederum in je­ der der n Projektionsbilder - in derselben Reihenfolge iden­ tifiziert werden.
Die Visualisierung des Gefäßbaums unter Einblendung der Katheterspitze entsprechend ihrer jeweiligen über das Posi­ tionserfassungssystem ermittelten Position und deren Umrech­ nung in das Bildkoordinatensystem, kann in 3D-Oberflächendar­ stellung erfolgen, wobei die Katheterspitze in die mit Hilfe einer Segmentierung und nachfolgendem Surface Rendering oder Volume Rendering erzeugte dreidimensionale Abbildung des Ge­ fäßbaums eingeblendet wird.
Die 3D-Visualisierung des Gefäßbaums kann auch in MIP (Maxi­ mum Intensity Projections) erfolgen, bei der die aktuelle Position der Katheterspitze auf das nächstgelegene Pixel ab­ gebildet wird, so dass die Katheterspitze in das MIP-Display eingeblendet werden kann.
Besonders günstig und hilfreich für den Neuro-Radiologen bei der Navigierung des Katheters ist eine "Fly-Through"-Visuali­ sierung des Gefäßbaums aus der Sicht der Katheterspitze, die eine besonders einfache Manipulation des Katheters an Ge­ fäßabzweigungen ermöglicht.
Während der Intervention wird fortlaufend kontrolliert, ob sich der in den Gefäßbaum eingeblendete Katheter innerhalb der abgebildeten Gefäße befindet. Sollte dies während der Intervention nicht mehr gewährleistet sein, beispielsweise weil sich der Patient trotz der Fixierung etwas bewegt hat, so muss ein Registrierungs-Update durchgeführt werden. Neben einem globalen Registrierungs-Update mit Neuregistrierung des gesamten 3D-Gefäßbaums entsprechend der Registrierung vor der Intervention kann dabei auch ein lokales Registrierungs-Up­ date unter Verzerrung von Teilen des 3D-Gefäßbaums (Defor­ mable Matching Registrierung) entsprechend von Verschiebungen und Deformationen der Gefäße durch den Katheter durchgeführt werden. Während globale Registrierungs-Updates, die vor allem dann hilfreich sind, wenn Änderungen der Patientenposition bezüglich des normalerweise ortsinvarianten Senders des Posi­ tionserfassungssystems aufgetreten sind, oder wenn die aktu­ ell vorliegende Registrierung sich als nicht genügend genau erweist, mit Hilfe der am Kopf des Patienten angebrachten Marker, sogenannter "Fiducial-Marker", durchgeführt werden können, müssen lokale Registrierungs-Updates anhand anatomi­ scher Landmarken, die im 3D-Gefäßbaum selbst zu identifizie­ ren sind, durchgeführt werden.
Eine zur Durchführung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens ge­ eignete Vorrichtung ist gekennzeichnet durch ein Positionser­ fassungssystems mit in unmittelbarer Nähe des Patienten ange­ ordneten Sendespulen und einem in der Spitze eines Neuro- Katheters eingebauten Empfänger sowie am Patienten befestig­ ten Markern, einem Navigationsrechner zur Rekonstruktion ei­ nes 3D-Gefäßbaums aus präoperativ ermittelten Aufnahmen des Patienten und einer Registriereinrichtung zum Abbilden des Patientenkoordinatensystem auf das 3D-Bildkoordinatensystem.
Während üblicherweise die Sendespulen des Positionserfas­ sungssystems irgendwo im Raum außerhalb des Körpers des Pati­ enten angeordnet sind, kann es in Sonderfällen auch zweck­ mäßig sein, die Sendespulen direkt am Patienten zu befesti­ gen. Dies hat den Vorteil, dass etwaige Lageveränderungen des Patienten während der Intervention kein Registrierungs-Update erfordern, da durch diese Lageveränderungen die gemessene Position der Katheterspitze sich nicht ändert. Eine weitere Möglichkeit, etwaige Lage-Veränderungen des Patienten während der Intervention detektieren zu können, ist, eine oder meh­ rere Empfänger-Spulen fix am Patienten zu befestigen und de­ ren Position kontinuierlich zu erfassen. So ist es möglich, die Position der in den Katheter integrierten Empfänger-Spule auch nach Patientenbewegung korrekt in die prä- oder intraoperativ ermittelten Aufnahmen des Patienten einzublen­ den.
Die Marker können speziell zur automatischen Identifizierung unterschiedlich ausgebildet und gegebenenfalls auch mit Kon­ trastmittel gefüllt sein. Der Navigationsrechner, der mit einer Visualisierungseinrichtung für den Gefäßbaum zum Ein­ blenden der Katheterspitze versehen ist, kann ein gesonderter Rechner oder aber auch unmittelbar der Rechner sein, der zur Erstellung der präoperativen 3D-Bilddatensätze verwendet wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Registrie­ rung bei der 3D-Angiographie.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Messobjekts mit vier daran angebrachten Markern und den Verlauf der Projektionskegel der Marker bei der Erstellung ei­ ner 2D-Projektionsaufnahme,
Fig. 2 die Ermittlung der Markerkoordinaten im 3D-Bildko­ ordinatensystem anhand der Markerprojektionen in zwei 2D-Projektionsbildern,
Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung, bei der anstelle der Marker ihre Schwerpunkte rückproji­ ziert werden, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung unter Verwendung von verschiedenförmigen Markern zur automatischen Iden­ tifikation und automatischen Registrierung.
Die Fig. 1 zeigt bei 1 schematisch den Kopf des Patienten, an dem außen vier Marker 2 bis 5 befestigt sind, die in einer schematisch angedeuteten 2D-Projektionsbild 6 an den Marker­ bildpositionen 2' bis 5' abgebildet sind. Der Kreis 7 zeigt die ideale Bahn, auf der sich die Röhre und der Detektor eines C-Bogen-Röntgengeräts für die 3D-Angiographie bewegen, wobei neben dem Röhrenfokus 8 eine Reihe weiterer Positionen der Röhre durch Kreuze auf dem Kreis 7 angedeutet sind, von denen aus Aufnahmen von 2D-Projektionsbildern erfolgen sol­ len.
In Fig. 2 ist dargestellt, wie die Markerkoordinaten im 3D- Bildkoordinatensystem anhand der Markerprojektionen in zwei 2D-Projektionsbildern 6', 6'' entsprechend der Röntgendetek­ torpositionen mit den jeweils zugehörigen Röhrenfokusposi­ tionen 8' und 8'' ermittelt werden können. Das Markerposi­ tionsbild 3' bzw. 3'' des Markers 3 in den verschiedenen 2D- Projektionsbildern 6', 6'' wird, was durch die Pfeile 9 und 10 angedeutet ist, mit Hilfe der projektionsbildspezifischen Projektionsmatrizen rückprojiziert und das Schnittvolumen der beiden Projektionskegel ergibt die Position des Markers im 3D-Bild.
In Fig. 3 sind die Verhältnisse vereinfacht dahingehend dar­ gestellt, dass anstelle der Marker nur ihre Schwerpunkte S3' und S3'' rückprojiziert werden.
Die Fig. 4 schließlich zeigt schematisch wie durch Verwendung verschiedenförmiger Marker 2, 3, 4 und 5 die Voraussetzung dafür geschaffen ist, dass die Identifikation und damit auch die Registrierung automatisch erfolgen können, indem durch diese verschiedene Form jeder der Marker ein anderes Marker­ positionsbild 2' bis 5' liefert, das zur automatischen Iden­ tifikation herangezogen werden kann.
Die Erfindung ist dabei nicht auf das dargestellte Ausfüh­ rungsbeispiel beschränkt. So können auch mehr und anders aus­ gestaltete Marker eingesetzt werden und es bedarf natürlich der Rückprojektion der Markerpositionen aus den 2D-Projek­ tionsbildern zur Ermittlung der dreidimensionalen Koordinaten der Markerpositon dann nicht, wenn die Marker im 3D-Bild sichtbar sind. Dies ist aber bei Verwendung von 3D-Angiogra­ phie in den meisten Fällen nicht der Fall.

Claims (26)

1. Verfahren zur Katheter-Navigation in dreidimensionalen Gefäßbaum-Aufnahmen, insbesondere für interkraniale Applika­ tion, dadurch gekennzeichnet, dass die Katheterposition mittels eines in seine Spitze ein­ gebauten miniaturisierten Positionserfassungssystems ermit­ telt und in die 3D-Ansicht des präoperativ aufgenommenen und in einem Navigationsrechner rekonstruierten Gefäßbaums einge­ blendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass vor der Intervention mit­ tels einer Mehrzahl von am Körper des Patienten angebrachten Markern, deren Position durch den Katheter erfasst wird, eine Abbildung (Registrierung) des 3D-Patientenkoordinatensystems auf das 3D-Bildkoordinatensystem erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Bilddaten durch CT-Angiographie, Magnet-Resonanz-Angiographie oder 3D- Angiographie mit einem C-Bogen-Röntgengerät ermittelt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Markerpositionen im 3D-Bild angefahren und in Relation zu den durch Antasten der Marker mit der Katheterspitze ermittelten Positionen im Patientenkoordinatensystem gebracht werden.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bei Verwendung eines C-Bogen-Röntgengeräts zur 3D-Angiographie Marker in wenigstens zwei 2D-Projektionsbildern, aus denen das 3D- Angiobild errechnet wird, erfasst und mit Hilfe der zu den jeweiligen 2D-Projektionsbildern berechneten Projektions­ matrizen, die zur Rekonstruktion des 3D-Volumensatzes des Ge­ fäßbaumes ermittelt wurden, auf das abgebildete Objekt im Navigationsrechner rückprojiziert und in Relation zu den Mar­ kerkoordinaten im Patientenkoordinatensystem gebracht werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass jeweils die Schwerpunkte der Marker als Schwerpunkte des Schnittvolumens der Projek­ tionskegel der jeweils verwendeten 2D-Projektionsbilder als 3D-Koordinaten ermittelt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Rückprojektion eines im 2D-Projektionsbild identifizierten Markers dessen Schwerpunkte des Markers im 2D-Bild erfasst und rückpro­ jiziert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, dass die Identifikation der Marker interaktiv erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, dass die Identifikation der Marker automatisch erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, dass die 3D- Visualisierung des Gefäßbaums in 3D-Oberflächendarstellung erfolgt, wobei die Katheterspitze in die mit Hilfe einer Seg­ mentierung und nachfolgenden Surface Rendering oder Volume Rendering erzeugte dreidimensionale Abbildung des Gefäßbaums eingeblendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, dass die 3D- Visualisierung des Gefäßbaum in MIP (Maximum Intensity Projections) erfolgt, bei der die aktuelle Position der Katheterspitze auf das nächstgelegene Pixel abgebildet wird, so dass die Katheterspitze in das MIP-Display eingeblendet werden kann.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, dass eine "Fly-Through"-Visualisierung des Gefäßbaums aus der Sicht der Katheterspitze verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, dass während der Intervention zusätzliche Registrierungs-Updates durchgeführt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, dass ein globales Registrie­ rungs-Update mit Neuregistrierung des gesamten 3D-Gefäßbaums durchgeführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, dass ein lokales Registrierungs- Update unter Verzerrung von Teilen des 3D-Gefäßbaums (Deformable Matching Registrierung) entsprechend von Ver­ schiebungen und Deformationen der Gefäße durch den Katheter durchgeführt wird.
16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch ein Positionserfassungssystem mit in unmittel­ barer Nähe des Patienten angeordneten Sendespulen und einem in die Spitze eines Neuro-Katheters eingebauten Empfängers sowie am Patienten befestigten Markern, einem Navigations­ rechner zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Gefäßbaums aus präoperativ ermittelten Aufnahmen des Patienten und einer Registriereinrichtung zum Abbilden des Patientenkoordinaten­ systems auf das 3D-Bildkoordinatensystem.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespulen am Patienten befestigt sind.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Empfänger-Spulen am Patienten befestigt sind.
19. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Marker unter­ schiedlich ausgebildet sind.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, da­ durch gekennzeichnet, dass der Navigationsrechner eine Visualisierungseinrichtung für den Gefäßbaum in 3D-Oberflächendarstellung aufweist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, da­ durch gekennzeichnet, dass der Navigationsrechner eine "Fly-Through"-Visualisierungseinrich­ tung aufweist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, da­ durch gekennzeichnet, dass Navi­ gationsrechner eine Visualisierungseinrichtung mit einem MIP (Maximum Intensity Projections)-Display aufweist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, ge­ kennzeichnet durch eine CT-Angio­ graphie-Anlage zur Erstellung des 3D-Bilddatensatzes für den Gefäßbaum.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, ge­ kennzeichnet durch eine MR-Angio­ graphie-Anlage zur Erstellung des 3D-Bilddatensatzes für den Gefäßbaum.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, ge­ kennzeichnet durch eine 3D-Angio­ graphie-Anlage mit einem C-Bogen-Röntgengerät zur Erstellung von 2D-Projektionsbildern aus unterschiedlichen Richtungen und zur Erstellung des 3D-Bilddatensatzes für den Gefäßbaum aus den 2D-Projektionsbildern über berechnete Projektions­ matrizen.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, da­ durch gekennzeichnet, dass der Rechner zur Erstellung des präoperativen 3D-Bilddatensatzes gleichzeitig den Navigationsrechner bildet.
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