DE102005016258A1

DE102005016258A1 - Verfahren zur Bestimmung der Rektumdistanz im Kolon

Info

Publication number: DE102005016258A1
Application number: DE102005016258A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Großkopf; Lutz Dr. Gündel
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2006-10-12
Also published as: US7894873B2; US20060251308A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Bestimmung der Rektumdistanz im Kolon eines Patienten, wobei durch Bearbeitung von 3-D-Bilddatensätzen der Weg im Kolon zwischen einer ausgewählten Stelle, vorzugsweise einer Läsion, und dem Rektum bestimmt wird, wobei mindestens zwei 3-D-Bilddatensätze bei unterschiedlicher Lagerung des Patienten aufgenommen werden und aus der Zusammenschau der mindestens zwei 3-D-Bilddatensätze der Weg zwischen Rektum und ausgewählter Stelle bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Bestimmung der Rektumdistanz im Kolon eines Patienten, wobei durch Bearbeitung von 3D-Bilddatensätzen der Weg im Kolon zwischen einer ausgewählten Stelle, vorzugsweise einer Läsion, und dem Rektum bestimmt wird.

Grundsätzlich sind solche Verfahren zur automatischen Bestimmung der Rektumdistanz im Kolon aus der Europäischen Patentschrift EP 1 057 161 B1 bekannt. Dort wird beschrieben, wie durch eine automatische Ermittlung eines Weges in 3D-Bilddatensätzen von Kolondarstellungen der Weg zwischen einer Läsion im Kolon und dem Rektum ermittelt werden kann. Beispielhaft wird auch auf die Verwendung des Dijkstra-Verfahrens zum Finden des kürzesten Weges auf einem Graphen hingewiesen.

Das Problem bei derartigen Verfahren, bei denen aus einer 3D-Darstellung des Kolons eines Patienten automatisch die Wegberechnung durchgeführt werden, liegt darin, dass je nach Lage in der die 3D-Darstellung aufgenommen wird, Teile des Kolons nicht vollständig durchgängig sein können und dadurch das automatische Verfahren bei derartige Darstellungen nicht zum Ziel führen, sondern vorzeitig abgebrochen werden müssen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches es ermöglicht, die Rektumdistanz im Kolon eines Patienten auch dann automatisch zu bestimmen, wenn in der Kolonaufnahme lagebedingte Verschlüsse vorliegen.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.

Die Erfinder haben erkannt, dass sich das Problem eines vorzeitigen Abbruchs beim automatischen Berechnen der Rektumdistanz im Kolon zu einer ausgewählten Stelle umgehen lässt, indem nicht nur eine einzige 3D-Darstellung des Patienten in einer einzigen Lage verwendet wird, sondern dass mindestens zwei oder mehrere Aufnahmen des Patienten in unterschiedlichen Lagen durchgeführt werden. Hierdurch wird erreicht, dass Stellen im Kolon, deren Durchgang in einer bestimmten Lage versperrt ist, durch Umlagerung des Patienten geöffnet werden. Durch eine Zusammenschau der verschiedenen Bilder unterschiedlicher Lagerungen des Patienten ist es dann möglich, derartige lagerungsabhängige Verschlüsse bei der automatischen Berechnung der Rektumdistanz zu überbrücken und mit großer Erfolgswahrscheinlichkeit die Rektumdistanz automatisch zu bestimmen.

Entsprechend diesem Grundgedanken schlagen die Erfinder vor, das an sich bekannte Verfahren zur automatischen Bestimmung der Rektumdistanz im Kolon eines Patienten, bei dem durch Bearbeitung von 3D-Bilddatensätzen der Weg im Kolon zwischen einer ausgewählten Stelle, vorzugsweise einer Läsion, und dem Rektum bestimmt wird, dahingehend zu verbessern, dass mindestens zwei 3D-Bilddatensätze bei unterschiedlicher Lagerung des Patienten aufgenommen werden und aus der Zusammenschau der mindestens zwei 3D-Bilddatensätze der Weg zwischen Rektum und der ausgewählter Stelle bestimmt wird.

Bezüglich der Zusammenschau der unterschiedlichen 3D-Bilddatensätze ergibt sich eine Vielfalt von Möglichkeiten der Ausführung.

Eine erste beispielhafte Möglichkeit besteht darin, die vorhanden 3D-Darstellungen des Patienten in unterschiedlicher Lage durch ein Morphingverfahren oder durch eine Registrierung miteinander zu verknüpfen, so dass auch hier mögliche Verschlüsse im Kolonweg geöffnet werden und eine automatische abbruchfreie Wegberechnung möglich wird.

Es ist auch alternativ oder zusätzlich möglich, die 3D-Bilddatensätze selbst zu überlagern, beispielsweise durch eine Oder-Verknüpfung der luftgefüllten Voxel der Bilddatensätze, so dass überall dort, wo in einer der Darstellungen der luftgefüllte Bereich des Kolons gefunden wird, in der überlagerten Darstellung ein tatsächlich findbarer Weg aufgezeigt wird. Hierdurch werden Verschlüsse, die in einer Darstellung vorliegen, in der überlagerten Variante kompensiert, so dass insgesamt eine automatische Wegberechnung ohne vorzeitigen Abbruch wegen eines Verschlusses durchgeführt werden kann.

Eine andere Variante der Erfindung sieht vor, dass für jeden der mindestens zwei 3D-Bilddatensätze eine automatische Wegberechnung durchgeführt wird und Wegberechnungen, die vor dem Erreichen des Rektums abbrechen, unbeachtet bleiben.

Außerdem besteht die Möglichkeit, dass für jeden der mindestens zwei 3D-Bilddatensätze eine automatische Wegberechnung durchgeführt wird und jeweils wechselseitig vorzeitige Wegabbrüche aufgrund von Verschlüssen durch Wege des jeweils anderen 3D-Bilddatensatzes ersetzt werden, wobei die Wegberechnung in dem Bilddatensatz mit vorzeitig abgebrochenem Weg nach der Überbrückung wieder in diesem Bilddatensatz aufgenommen wird. Es wird hierbei also eine Zusammenschau der 3D-Bilddatensätze verwendet, bei der in jedem einzelnen 3D-Bilddatensatz eine Wegberechnung stattfindet. Sobald in einem der 3D-Bilddatensätze ein Wegabbruch detektiert wird, wird der Weg durch diesen an sich verschlossenen Teil des Kolons durch einen Weg der durch eine andere Lagerung eröffnet worden ist ersetzt, bis wieder ein freier Teil des Kolons erreicht worden ist. Es wird also letztendlich aufgrund der Redundanz der Aufnahmen der jeweils vorhandene Verschluss unterdrückt.

Ebenso ist es möglich, für jeden der mindestens zwei 3D-Bilddatensätze eine automatische Wegberechnung durchzuführen und aus der Summe der ermittelten Wege den Gesamtweg zu bilden. Hierbei wird darauf hingewiesen, dass diese Summenbildung nicht eine Addition der Weglängen darstellt, sondern dass in dieser Summenbildung die tatsächlichen geometrischen Wege bezüglich ihrer Lage zusammengefasst werden sollen, woraus sich dann der Gesamtweg errechnet.

Eine weitere Möglichkeit kann darin bestehen, dass für jeden der mindestens zwei 3D-Bilddatensätze eine automatische Wegberechnung zu mindestens einem markanten Punkt im Kolon durchgeführt wird, die Weglängen zwischen den markanten Punkten, soweit ohne vorzeitigen Abbruch durchführbar, bestimmt werden und aus allen so vorhandenen Teilwegen der Gesamtweg zwischen der vorbestimmten Stelle und dem Rektum ermittelt wird. Bei dieser Variante wird die Tatsache ausgenutzt, dass jeder Kolon bestimmte charakteristische Merkmale aufweist, die automatisch ermittelbar sind. Beispielsweise handelt es sich dabei um einen vorhandenen Blinddarm oder die rechte oder linke Kurve oder den Krummdarm. Werden nun in einer Tabelle die unterschiedlichen Weglängen zwischen den markanten Punkten und der ausgewählten Stelle, jeweils für unterschiedliche Lagerungen ermittelt, aufgetragen, so lässt sich durch eine Mittelwertbildung aller tatsächlich gefundenen Teilwege die Gesamtstrecke zwischen der ausgewählten Stelle oder einer Läsion zum Rektum zusammensetzen. Grundsätzlich muss hierbei nicht unbedingt eine Mittelwertbildung erfolgen, es besteht auch die Möglichkeit, durch andere mathematische Verfahren den wahrscheinlichsten Weg zu ermitteln, wobei Ausreißer bezüglich der ermittelten Länge eines Teilweges unberücksichtigt bleiben können. Beispiele sind Meridianwerte, arithmetische Mittel oder ähnliche Verfahren.

Eine weitere erfindungsgemäße Variante des Verfahrens zur automatischen Bestimmung der Rektumdistanz im Kolon eines Patienten, die ggf. auch mit einer einzigen Aufnahme durchgeführt werden kann, sieht vor, dass bei mindestens einem 3D-Bilddatensatz eine automatische Wegberechnung zu mindestens einem markanten Punkt, dessen mittlerer statistischer Abstand zum Rektum weitgehend patientenunabhängig bekannt oder als Funktion anderer Patientenparameter, wie beispielsweise der Größe, dem Gewicht oder dem Geschlecht, konstant ist, durchgeführt wird und die Weglänge zum Rektum aus der Summe des berechneten Weges und der patientenunabhängig bekannten Distanz ermittelt wird. Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens wird die Tatsache berücksichtigt, dass die Weglänge von bestimmten markanten Punkten im Kolon zum Rektum mit großer Sicherheit für einen Patienten vorhergesagt werden können. Entsprechend muss nur noch der Wege zwischen solch einem markanten Punkt zu der ausgewählten Stelle oder zu der Läsion im Kolon bestimmt werden, um die tatsächliche Weglänge von der ausgewählten Stelle zum Rektum berechnen zu können. Hierbei ist es auch möglich, dass die markante Stelle nicht unbedingt auf dem Weg zwischen der ausgewählten Stelle und dem Rektum liegt, sondern es besteht auch die Möglichkeit, dass die markante Stelle sich außerhalb dieser Strecke befindet, das heißt es wird also ein Weg berechnet, der vom Rektum wegführt und tiefer in den Kolonbereich hineinführt, wobei anschließend dieser gefundene Weg von der statisch bekannten Entfernung vom markanten Punkt zum Rektum abgezogen werden muss, um die tatsächliche Distanz von der ausgewählten Stelle zum Rektum zu bestimmen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung schlagen die Erfinder auch vor, dass durch Registrierung einer Vielzahl von Kolonaufnahmen verschiedener Vergleichspersonen ein typischer Kolon-Volumendatensatz erstellt wird und dieser mit mindestens einer Aufnahme des aktuell untersuchten Patienten registriert wird und anhand des daraus entstandenen Bilddatensatzes eine automatische Wegberechnung zum Rektum ermittelt wird.

Das Verfahren der Registrierung verschiedener Volumenbilddatensätze ist beispielsweise aus der Cardio-Bilddarstellung bekannt. Diesbezüglich wird auf die Schrift Timo Mäkele et al., A Review of Cardiac Image Registration Methods, IEEE Transactions on Medical Imaging, Vol. 21, No. 9, September 2002, 1011–1021, mit weiterführenden Literaturangaben verwiesen. In der nachfolgenden Figurenbeschreibung wird dieses Verfahren nochmals explizit erklärt.

Außerdem ist auch eine Kombination möglich, wobei durch Registrierung einer Vielzahl von Kolonaufnahmen verschiedener Vergleichspersonen ein typischer Kolon-Volumendatensatz erstellt wird und dieser mit mindestens einer Aufnahme des aktuell untersuchten Patienten zumindest teilweise registriert wird und anhand des daraus entstandenen Bilddatensatzes eine automatische Wegberechnung zu mindestens einem markanten Punkt durchgeführt wird, und aus der Summe dieses Abstandes und dem bekannten Abstand dieses markanten Punktes aus dem durch Registrierung einer Vielzahl von Kolonaufnahmen verschiedener Vergleichspersonen bekannten typischen Kolon-Volumendatensatz (Kolon-Atlas) der Abstand zum Rektum ermittelt wird.

Bei den oben genannten Verfahren kann in erfindungsgemäßer Weise die Wegberechnung entweder ausschließlich an der vorbestimmten Stelle im Kolon beginnen oder ausschließlich am Rektum beginnen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Wegberechnung von beiden Seiten aus durchzuführen, wobei bei dieser Variante bei einem vorhandenen Verschluss und vorzeitigem Wegabbruch insgesamt ein größerer Teil des möglichen zu berechnenden Weges vorliegt.

Bevorzugt wird das Verfahren bezüglich der Wegberechnung nach dem Dijkstra-Verfahren durchgeführt.

Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wobei folgende Bezugszeichen verwendet werden: A: Appendix Veriformis; C_x: Kolon; L: Läsion; P, P_x: markante Punkte; R: Rektum; T_x: Weg/Pfad; V_x: Verschluss.
Es zeigen im einzelnen:
1: beispielhafte Darstellung einer Kolon-Aufnahme mit Darstellung des berechneten Weges im Kolon;
2–5: vereinfachte Darstellungen einer Überlagerung zweier Kolon-Verläufe aus zwei unterschiedlichen Patientenlagerungen mit anschließender Berechnung des Weges;
6–9: vereinfachte Darstellungen der Wegberechnung aus zwei Kolon-Darstellungen mit unterschiedlicher Lagerung und anschließender Ermittlung des Gesamtweges durch Summenbildung der einzelnen automatisch ermittelten Wege;
10–11: vereinfachte Darstellungen des Verfahrens zur Distanzermittlung mit Hilfe eines markanten Zwischenpunktes im Kolon, hier dem Appendix Vermiformis;
12: schematische Darstellung einer Variante der Wegberechnung bis zum nächsten markanten Punkt, wobei die Gesamtdistanz zum Rektum anschließend durch Addition dieses tatsächlich gemessenen Weges und dem statistisch bekannten markanten Punkt im Kolon zum Rektum durchgeführt wird;
13: schematische Beispiele einer Registrierung;
14: Registrierungsablauf;
15: durch Registrierung erstellter Kolon-Atlas;
16: Überlagerung eines Kolons gemäß Kolon-Atlas und einer aktuellen Kolonaufnahme.
In der 1 ist eine dreidimensionale CT-Aufnahme eines luftgefüllten Kolons C₁ dargestellt, wobei hier der Weg T₁ im Kolon C₁ von einer gefundenen Läsion L zum Rektum R, der durch ein automatisches Verfahren berechnet wurde, bereits eingetragen ist. Eine solche computergestützte Ermittlung des Weges durch das Kolon kann beispielhaft wie folgt durchgeführt werden:
Für die Diagnose von Anatomie und Pathologie des Kolons eines Patienten werden mit Hilfe von Scannern, zum Beispiel Röntgen-Computertomographen, Kernspintomographen oder Ultraschall-Scannern, in vielen medizinischen Situationen 3-dimensionale medizinische Bilddaten akquiriert. Die virtuelle Kolonoskopie unterstützt den Diagnostiker bei der Auswertung der gewonnen Bilddaten. Dabei rekonstruiert ein Bildprozessor 3-dimensionale Ansichten der Oberfläche des luftgefüllten Innenraums des Kolons, die Ansichten nachempfunden sind, die ein physikalisches Endoskop erstellt.
Damit der Anwender der virtuellen Kolonoskopie bestimmte Stellen im Kolon in einer nachfolgenden interventionellen Kolonoskopie auffinden kann, wird die jeweilige Rektumdistanz dieser markanten Stelle bestimmt. Diese Entfernungsangabe gibt dem Diagnostiker an, wie weit das Endoskop im Kolon während der interventionellen Kolonoskopie vorgeschoben werden muss, um in den Bereich der betrachteten Stelle zu gelangen.
Geometrisch gesehen ist die Rektumdistanz die kürzeste Distanz von einer bestimmten Stelle entlang des Verlaufs des Kolons zur Außenluft.
In der Bildbearbeitung werden zunächst diejenigen Voxel (Bildelemente) in den Bilddaten markiert, die Luft bzw. Außenluft enthalten. Die Distanzmessung bestimmt anschließend die kürzeste Distanz entlang des Kolon-Verlaufes des gewählten Startpunktes von dem nächsten als Außenluft markierten Voxel.
Mit einem modalitäts-spezifischen Verfahren, welches sich im Fall eines vorliegenden computertomographischen 3D-Bilddatensatzes auf die ermittelten Röntgenabsorptionswerte bezieht, liegt der Dichtewert von Luft unterhalb eines bestimmten Schwellwertes, so dass hiermit zunächst die Identifikation aller Luft-Voxel durchgeführt wird.
Beim Markieren der Außenluft untersucht ein Verfahren die 2-dimensionalen Nachbarschaftsbeziehungen der Luft-Voxel in Schichten senkrecht zur Längsachse des Patienten. Startpunkt der Analyse sind in jeder Schicht Punkte von denen sicher angenommen werden kann, dass sie in der Außenluft liegen, beispielsweise die vier Eckpunkte der jeweiligen Schicht. Es werden in mehreren Iterationen alle Luft-Voxel der Schicht markiert, die einen direkten Nachbarn haben, der als Außenluft identifiziert werden konnte. Da der Kolon in diesen Schichten nur am Rektum mit der Außenluft in Verbindung steht, werden Luft-Voxels im Kolon hierbei nicht markiert.
Die Distanzmessung sucht, mit Hilfe des Dijkstra-Verfahrens vom Startpunkt ausgehend, geradlinige Streckenabschnitte definierter Länge in wenigstens allen sechs kartesischen Hauptachsenrichtungen (X+, X–, Y+, Y–, Z+, Z–), die vollständig entlang von Luft-Voxeln verlaufen. Da der Startpunkt im Kolon-Innenraum gewählt wird, liegen alle so gefundenen Endpunkte auch im Innenraum des Kolon. Jeden auf diese Weise gefundenen Endpunkt markiert das Verfahren anschließend mit der Länge des zurückgelegten Streckenabschnittes. In weiteren Iterationen wird die Suche nun von allen gefundenen Endpunkten um neue Streckenabschnitte expandiert, die wiederum vollständig entlang von Luft-Voxel verlaufen. Diese Endpunkte werden nun jeweils mit der Summe aus der Länge des neuen Streckenabschnittes und des am vorherigen Endpunkt vermerkten Distanzwertes markiert. Trifft das Verfahren dabei mehrfach auf einen gleichen Endpunkt, wird der Endpunkt mit dem Minimum dieser Summen am jeweiligen Endpunkt markiert. Ein solcher Endpunkt wird bei weiteren Iterationen folglich nicht weiter betrachtet. Die Expansion der Endpunkte wird solange wiederholt, bis ein Endpunkt in der Außenluft gefunden wird. Die berechnete Streckensumme dieses Endpunktes ist die approximierte Rektumdistanz.
Mit Hilfe einer Liste der Endpunkte, die nach der akkumulierten Distanz geordnet ist, lässt sich das Suchverfahren optimieren. Dabei wird jeweils nur der Endpunkt expandiert, der bis dato die geringste akkumulierte Distanz aufweist, indem dieser Endpunkt aus dem Kopf der Liste gelesen wird. Die Suche expandiert dadurch gleichmäßig in alle Raumrichtungen.
Mit Hilfe einer Bestrafungsfunktion, die die Distanz des jeweiligen Endpunktes von der Kolon-Wand bzw. vom Skelett des Kolons oder von einem zuvor mit dem Endoskop abgeflogenen Pfad mit einbezieht, können die Endpunkte zusätzlich geordnet werden. Dabei wird eine heuristische Gewichtung aus akkumulierter Distanz und Distanz zur Kolon-Wand/Mittellinie verwendet. Die Suche expandiert dadurch vorzugsweise entlang der Mittellinie des Kolons und findet so nach wenigen Iterationen das Rektum.
Aufgrund der Suche entlang der Hauptachsenrichtungen wird der Distanzwert approximiert, da das Endoskop beim Vorschieben einen geradlinigem Verlauf folgt, die Distanz jedoch entlang eines stufigen Verlaufs gemessen wird, deren Größe sich nach der Länge der geradlinigen Streckenabschnitte richtet. Die Approximationsgüte lässt sich verbessern, wenn die Suche zusätzlich zu den Hauptachsenrichtungen auch in Diagonalenrichtungen expandiert wird.
Ein ähnlicher Effekt kann erzielt werden, indem nachdem ein Endpunkt in der Außenluft gefunden wurde, der vom Start punkt zu diesem Endpunkt führende Pfad zurück verfolgt wird und dieser geglättet wird, z.B. indem einzelne Endpunkte ausgelassen werden. Dabei muss überprüft werden, ob die neu entstandenen Streckenabschnitte entlang von Luft-Voxel verläuft, d.h. innerhalb des Kolons verläuft.
Das oben beschriebene Verfahren zeigt lediglich eine der möglichen Varianten der Bildbearbeitung. Andere bekannte Verarbeitungsverfahren zur automatischen Wegberechnung können ebenfalls verwendet werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Da der Kolon sich bei der Bildakquisition auch partiell verschliessen kann, kann es zu Situationen kommen, in denen das oben beschriebene Dijkstra-Verfahren kein Rektum findet. Dieses Problem lässt sich jedoch erfindungsgemäß beheben, indem mindestens zwei Bilddatensätze des Patienten, aufgenommen in unterschiedlicher Lagerung, verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Datensatz vom Patienten in Bauchlage und einer in Rückenlage akquiriert werden. In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann der Kolon-Verlauf beider Datensätze dann zunächst miteinander in räumliche Übereinstimmung gebracht werden, zum Beispiel über ein weiter unten beschriebenes Registrierungsverfahren. Die partiellen Verschlüsse können nun dadurch überbrückt werden, dass bei der Identifikation von Luft-Voxel beide Datensätze in geeigneter Weise, zum Beispiel durch eine Oder-Verknüpfung oder eine Hüllenbildung, kombiniert werden.
Da die Anatomie des Kolons anatomische Merkmale aufweist – z.B. Blinddarm (Caecum), Wurmfortsatz (Appendix Veriformis), rechte oder linke Kurve (Flexura Coli Dextra oder Flexura Coli Sinistra) Krummdarm (Sinus) – die von Patient zu Patient in ihrer Rektumdistanz nur wenig variieren, kann die Rektumdistanz anhand dieser zusätzlichen Merkmale bestimmt werden. Trifft die rückwärtige Distanzmessung auf eines dieser Merkmale, kann die Distanzmessung entweder terminieren und die mittlere statistische Rektumdistanz des Merkmals zu der bis zu diesem Punkt ermittelten Distanz addieren oder die Distanzmessung fortsetzen und einen Mittelwert aus beiden, oder gegebenenfalls an mehreren Merkmalen bestimmten, Distanzen ausgeben.
Eine besondere Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den 2 bis 5 dargestellt. Diese 2 bis 5 zeigen eine vereinfachte Darstellung eines Kolons C₁, beziehungsweise C₂ in den 2 und 3, aufgenommen mit unterschiedlicher Lagerung des Patienten. Beispielhaft ist in jeder Darstellung des Kolons in den 2 beziehungsweise 3 ein Verschluss V₁ beziehungsweise V₂ gezeigt, an dem im Falle einer automatischen Wegberechnung dieser zu einem Abbruch führen würde, da hier kein luftgefüllter Raum mehr vorliegt, der eine Wegberechnung ermöglichen würde.
Erfindungsgemäß werden in der 4 die beiden Volumina der Kolons C₁ und C₂ so überlagert, dass sowohl die Positionen der Läsion L als auch den Rektums R identisch sind und anschließend durch eine Oder-Verknüpfung oder eine Umhüllung beider Volumina ein Gesamtweg der beiden Kolons C₁ und C₃ durch die Summe der Wege bestimmt wird.
Die so ermittelte Summe des Kolons C_S ist in der 5 dargestellt. Grundsätzlich entspricht sie einer Umhüllung der beiden Kolonwege C₁ und C₂ aus der 4. In dieser Summendarstellung der 5 sind keine Verschlüsse mehr zu erkennen, so dass durch eine automatische Wegberechnung der Weg T zwischen der Läsion L und dem Rektum R ohne vorzeitigen Abbruch berechnet werden kann, so dass damit die Rektumdistanz der Läsion bestimmt ist.
Eine andere Variante der Wegermittlung ist in den 6 bis 9 dargestellt.
Die 6 zeigt eine erste Aufnahme des Kolons C₁ mit einem Verschluss V₁ relativ nahe am Rektum R. Der so berechnete Weg T₁, beginnend an der Läsion L, reicht bis an den Verschluss V₁ heran.
Gleichzeitig ist in der 7 ein Weg T₂ dargestellt, der vom Rektum R beginnend bis zu der dort gezeigten Verschlussstelle V₂, die hier relativ nahe an der Läsion L vorliegt, reicht.
In der 8 sind dann die beiden Weg T₁ und T₂ – ohne Darstellung des Kolons – gezeigt und die Summenbildung dieser beiden Wege T₁ und T₂ zu einem gemeinsamen Pfad T_S ist in der 9 dargestellt. Es wird also damit der Gesamtweg zwischen der Läsion L und dem Rektum R in der 9 durch die Summe der Wege und entsprechende Mittelwertbildung im Bereich des Kastens ermittelt.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass eine sehr ähnliche Berechnung auch dadurch möglich ist, dass beispielsweise in den 6 und 7 die Wege jeweils ausgehend von der Läsion und vom Rektum berechnet werden, so dass lediglich an den beiden Verschlussstellen V₁ und V₂ Lücken in der Wegberechnung bestehen, wobei anschließend durch Summenbildung – wie es in den 8 und 9 dargestellt worden ist – der Gesamtweg ermittelt werden kann.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen automatischen Distanzberechnung im Kolon ist in den 10 und 11 dargestellt. Die 10 zeigt ein beispielhaftes Kolon C₁, in einer ersten Lagerung eines Patienten aufgenommen, wobei dieser Kolon zusätzlich über einen markanten Punkt P verfügt, der durch den dort vorhandenen Appendix Veriformis A bestimmt wird. Die Wegberechnung des Weges T₁ in der 10 führt, wiederum von der Läsion L ausgehend, über den markanten Punkt P hinweg bis zum Verschluss V₁, wo der Weg abbricht. Entsprechend ist in der 11 der gleiche Kolon C₂ mit anderer Lagerung dargestellt, wobei der Verschluss in diesem Fall an einer Stelle zwischen der Läsion L und dem markanten Punkt P vorliegt. Entsprechend wurde der Weg T₂ ausgehend vom Rektum R über den markanten Punkt P hinausgehend bis zur Verschlussstelle V₂ berechnet. Wird nun die Distanz zwischen der Läsion L und dem markanten Punkt P aus der 10 und dem markanten Punkt P bis zum Rektum R aus der 11 entnommen und beide Teilwegstrecken aufaddiert, so entspricht die Summe dieser Teilwegstrecken der gesamten Distanz zwischen der Läsion L und dem Rektum R.
Eine andere erfindungsgemäße Möglichkeit der Wegberechnung ist schließlich in der 12 dargestellt. Hier ist ein Kolon C₁ in einer einzigen Lagerung dargestellt, wobei eine Verschlussstelle V₁ in der Nähe des Rektums vorliegt. Erfindungsgemäß wird der Weg T₁ zwischen der Läsion L und einem markanten Punkt P auf der Basis der 3D-Aufnahme berechnet. Aus statistischen Erhebungen ist mit guter Sicherheit die Rektumdistanz des markanten Punktes P bekannt, so dass durch Aufaddition der berechneten Strecke T₁ und der statistisch bekannten Rektumdistanz des markanten Punktes P die tatsächliche Entfernung der Läsion L vom Rektum bestimmbar ist. Eine verbesserte Variante dieser Ausführung kann beispielsweise dadurch gegeben werden, dass zusätzlich durch andere Kolon-Aufnahmen mit unterschiedlichen Lagerungen des Patienten weitere Distanzen vermessen werden, so dass hierdurch durch Mittelwertbildung der so ermittelten Rektumdistanzen zur Läsion eine verbesserte Auswertung möglich ist. Zusätzlich kann beispielsweise durch eine derartige Distanzberechnung zwischen zwei markanten Punkten im Kolon die Abweichung der patienteneigenen Werte von statistischen Mittelwerten berechnete werden, so dass zusätzlich diese patientenspezifischen Unterschiede mit in die Berechnung Eingang finden können.
Es besteht also die Möglichkeit, die tatsächliche Distanz zwischen zwei markanten Punkten zu vermessen und die Änderung in Relation zum statistischen Wert auch auf andere statisti sche Werte zu übertragen, so dass eine verbesserte Genauigkeit der Distanzermittlung aus der Kombination tatsächlich gemessener Werte und statistisch vorhandener Werte ermöglicht wird.
In besonderen Varianten der Erfindung wird ein sogenanntes Registrierungsverfahren genutzt, durch welches zwei n-dimensionale, medizinische Datensätze der gleichen Körperregion durch globale rigide, affine, projektive oder kurvenförmige Transformationen oder zusätzlich durch lokale Transformation, ähnlich einem Morphing-Verfahren, in räumliche beziehungsweise zeitliche Übereinstimmung gebracht.
Die Eingangsdatensätze können dabei sowohl von einem einzelnen als auch von unterschiedlichen Patienten in gleicher oder unterschiedlicher Lagerung (z.B. Rücken-Bauchlage) erstellt worden sein. Darüber hinaus ist es grundsätzlich möglich, Bilddaten der gleichen Modalität, wie CT-CT, MR-MR, etc. oder auch zweier unterschiedlicher Modalitäten wie CT-PET, MR-SPECT, etc. miteinander zu registrieren.
Die 13 zeigt schematisch die Registrierung zweier geometrischer Figuren Kreis und Quadrat. Dabei wird mit Hilfe eines iterativen Optimierungsverfahrens im Verlauf der Registrierung ein Datensatz solange in kleinen Schritten transformiert, bis eine Position mit maximaler Übereinstimmung mit dem zweiten Referenzdatensatz gefunden ist. Im Allgemeinen arbeitet ein solches Verfahren in jeder Iteration daher in zwei Schritten, wie es im Verfahrensschema in 14 dargestellt ist, nämlich der Transformation um ein geeignetes δ und einer Bewertung der bisher gefundenen Übereinstimmung.
Die Verfahrensschritte bedeuten im einzelnen:

1:: Beginn der Registrierung mit zwei n-dimensionalen Bilddatensätzen initial unterschiedlicher Ausrichtung;
2:: Transformation um δ;
3:: Bewertung der Übereinstimmung;
4:: Optimum erreicht?;
5:: Weg für „Ja";
6:: Weg für „Nein";
7:: Ergebnis mit zwei n-dimensionalen Bilddatensätzen mit gleicher Ausrichtung.

Die Transformation kann sowohl eine globale Änderung des gesamten Daten-Kubus bewirken (Rotation, Translation, Skalierung, Scherung, etc.), als auch einzelne Teilwürfel lokal nach unterschiedlichen Vorschriften transformieren. Nach jedem Transformationsschritt wird die Güte der gefundenen Übereinstimmung durch ein geeignetes Bewertungsverfahren, z.B. Summe der Differenz der Lage manuell gesetzter, korrelierender Marker; Summe der Intensitätsdifferenzen der Voxel; Korrelation der Intensitäten; max. Mutual Information, ermittelt, und gegebenenfalls die Richtung und Größe des nächsten Schrittes bestimmt. Das Verfahren terminiert, wenn keine verbessernde Schrittrichtung mehr gefunden werden kann, d.h. wenn eine lokal optimale Transformation des initialen Datensatzes in den Referenzdatensatz gefunden ist.
In Analogie zu den oben beschriebenen Registrierungsverfahren ist es auch möglich, einen anatomischen Atlas oder Referenzbilddatensatz auf der Basis einer Vielzahl von n Patientendatensätzen zu erstellen, der eine mittlere Patientenanatomie, sowie zusätzlich ein Maß für lokale Abweichungen, widerspiegelt.
Hierzu können zunächst alle n Datensätze durch rigide Transformationen registriert werden, um die durch die Aufnahme und unterschiedliche Patientenlagerung gegebene Transformation zu eliminieren. Anschließend wird ein initialer Datensatz mit n Patientendatensätzen elastisch so transformiert, dass er eine maximale Summe an Übereinstimmung beziehungsweise minimale quadratische Abweichung mit diesen n Datensätzen aufweist.
Wird ein solches Verfahren zur Erstellung eines Kolon-Atlas durchgeführt, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine mittlere Rektumdistanz für jeden Punkt P_x im Kolon C_a bestimmt und mit dem Atlas gespeichert werden. Ein solcher Atlas ist beispielhaft in der 15 dargestellt.
Zur Bestimmung der Rektumdistanz eines Punktes im Kolon des untersuchten Patienten kann die im Atlas gespeicherte Rektumdistanz genutzt werden. Ein (oder mehrere) akquirierter Patientendatensatz wird dazu mit dem anatomischen Atlas registriert. Anschließend kann der im Patientendatensatz markierte Punkt im Atlas identifiziert werden und die für diesen gespeicherte Rektumdistanz in geeigneter Kombination mit weiteren Messungen ausgegeben werden.
Die 16 zeigt dabei schematisch das Ergebnis der Registrierung einer Kolonaufnahme C₁ eines aktuellen Patienten-Kolons mit einem Atlas-Bild C_a.
Ergänzend ist noch darauf hinzuweisen, dass auch die zu Referenzbildern registrierten Kolon-Aufnahmen in Abhängigkeit von patientenspezifischen Daten, wie Alter, Größe, Geschlecht, etc., erstellt werden können, wobei in der erfindungsgemäßen Ausführung des Verfahrens jeweils Atlas-Bilder mit ähnlichen oder identischen patiententypischen Merkmalen verwendet werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen sinnfälligen Kombinationen, insbesondere in anderen Kombinationen, als sie in den Rückbezügen der Patentansprüche angegeben sind, oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Insgesamt wird mit der Erfindung also vorgeschlagen, ein an sich bekanntes Verfahren zur computergestützten Bestimmung der Rektumdistanz zwischen einer ausgewählten Stelle und dem Rektum zu verwenden, wobei aus mindestens zwei 3D-Bilddatensätzen, entweder bei unterschiedlicher Lagerung des Patienten aufgenommen, oder mindestens einem 3D-Bilddatensatz des Patienten und mindestens einem statistisch relevanten Referenz-3D-Bilddatensatz, durch Zusammenschau der Weg zwischen Rektum und ausgewählter Stelle bestimmt wird. Die Zusammenschau kann dabei sowohl in einer anfänglichen Bearbeitung der mindestens zwei Bilddatensätze zu einem gemeinsamen Bilddatensatz und anschließender Anwendung einer bekannten automatischen Wegbestimmung liegen oder auch in der Zusammenschau der zuvor berechneten Wege auf der Basis mehrerer unbearbeiteter Bilddatensätze, wobei hier Fehler in der Wegberechnung kompensiert werden. Selbstverständlich schließt die Erfindung auch eine Kombination dieser beiden letztgenannten Grundtypen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit ein.

Claims

Verfahren zur automatischen Bestimmung der Rektumdistanz im Kolon (C_x) eines Patienten, wobei durch Bearbeitung von 3D-Bilddatensätzen der Weg (T_x) im Kolon zwischen einer ausgewählten Stelle, vorzugsweise einer Läsion (L), und dem Rektum (R) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei 3D-Bilddatensätze bei unterschiedlicher Lagerung des Patienten aufgenommen werden und aus der Zusammenschau der mindestens zwei 3D-Bilddatensätze der Weg (T_S) zwischen Rektum und ausgewählter Stelle bestimmt wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Zusammenschau mindestens zwei 3D-Bilddatensätzen durch ein Registrierungsverfahren verknüpft werden und daraus ein neuer 3D-Bilddatensatz ermittelt wird, in dem die automatische Wegberechnung stattfindet.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Zusammenschau mindestens zwei 3D-Bilddatensätze durch ein Morphingverfahren verknüpft werden und daraus ein neuer 3D-Bilddatensatz ermittelt wird, in dem die automatische Wegberechnung stattfindet.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Zusammenschau eine Oder-Verknüpfung durchgeführt wird und daraus ein neuer 3D-Bilddatensatz ermittelt wird, in dem die automatische Wegberechnung stattfindet.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden der mindestens zwei 3D-Bilddatensätze eine automatische Wegberechnung durchgeführt wird und Wegberechnungen, die vor dem Erreichen des Rektums (R) abbrechen, unbeachtet bleiben.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden der mindestens zwei 3D-Bilddatensätze eine automatische Wegberechnung durchgeführt wird und jeweils wechselseitig vorzeitige Wegabbrüche aufgrund von Verschlüssen (V_x) durch Wege des jeweils anderen 3D-Bilddatensatzes ersetzt werden, wobei die Wegberechnung in dem Bilddatensatz mit vorzeitig abgebrochenem Weg nach der Überbrückung wieder in diesem Bilddatensatz aufgenommen wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden der mindestens zwei 3D-Bilddatensätze eine automatische Wegberechnung durchgeführt wird und aus der Summe der ermittelten Wege der Gesamtweg gebildet wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden der mindestens zwei 3D-Bilddatensätze eine automatische Wegberechnung zu mindestens einem markanten Punkt (P) im Kolon (C_x) durchgeführt wird, die Weglängen zwischen den markanten Punkten (P), soweit ohne vorzeitigen Abbruch durchführbar, bestimmt werden und aus allen so vorhandenen Teilwegen der Gesamtweg zwischen der vorbestimmten Stelle und dem Rektum ermittelt wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtweg aus der Summe der Mittelwerte oder Meridianwerte oder arithmetischen Mittel der ermittelten Teilwege berechnet wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1 oder dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens einem 3D-Bilddatensatz eine automatische Wegberechnung zu mindestens einem markanten Punkt (P), dessen mittlerer statistischer Abstand zum Rektum (R) weitgehend patientenunabhängig konstant oder als Funktion anderer Patientenparameter (z.B. Größe, Gewicht, Geschlecht) konstant ist, im Kolon (C_x) durchgeführt wird, und die Weglänge zum Rektum (R) aus der Summe des berechneten Weges und der patientenunabhängig bekannten Distanz ermittelt wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1 oder dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Registrierung einer Vielzahl von Kolonaufnahmen verschiedener Vergleichspersonen ein typischer Kolon-Volumendatensatz erstellt wird und dieser mit mindestens einer Aufnahme des aktuell untersuchten Patienten registriert wird und anhand des daraus entstandenen Bilddatensatzes eine automatische Wegberechnung zum Rektum (R) ermittelt wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1 oder dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Registrierung einer Vielzahl von Kolonaufnahmen verschiedener Vergleichspersonen ein typischer Kolon-Volumendatensatz erstellt wird und dieser mit mindestens einer Aufnahme des aktuell untersuchten Patienten zumindest teilweise registriert wird und anhand des daraus entstandenen Bilddatensatzes eine automatische Wegberechnung zu mindestens einem markanten Punkt (P) durchgeführt wird, und aus der Summe dieses Abstandes und dem bekannten Abstand dieses markanten Punktes (P) aus dem durch Registrierung einer Vielzahl von Kolonaufnahmen verschiedener Vergleichspersonen bekannten typischen Kolon- Volumendatensatz der Abstand zum Rektum (R) ermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegberechnung ausschließlich am Rektum (R) beginnt.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegberechnung sowohl am Rektum (R) als auch an der vorbestimmten Stelle (L) im Kolon (C_x) beginnt.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegberechnung ausschließlich an der vorbestimmten Stelle (L) im Kolon (C_x) beginnt.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass für die Wegberechnung ein Dijkstra-Verfahren verwendet wird.