DE102006038927B4

DE102006038927B4 - Method for determining the incision in liver tumor resection

Info

Publication number: DE102006038927B4
Application number: DE102006038927A
Authority: DE
Inventors: Achim Prof. Dr. Schweikard
Original assignee: Universitaet zu Luebeck
Current assignee: Universitaet zu Luebeck
Priority date: 2006-08-18
Filing date: 2006-08-18
Publication date: 2010-03-25
Anticipated expiration: 2026-08-19
Also published as: DE102006038927A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Lebertumorresektionsschnittführung aus einem präoperativ erstellten 3D-Modell des Lebergefäßbaumes (1) und einem intraoperativ erstellten 2D-Ultraschallschnittbild,
gekennzeichnet durch die Schritte
– Ausführen einer Vielzahl virtueller Schnitte (A, B, C) durch das 3D-Modell des Lebergefäßbaums (1) in einer Vielzahl von Schnittebenen (A1, A2) und Schnittwinkeln (W1, W2, W3) und Berechnung des jeweils virtuell verbleibenden Leberrestvolumens,
– Speichern der virtuellen Schnitte (A, B, C) und des für jeden Schnitt berechneten Leberrestvolumens in einer Datenbank,
– Zuordnen des 2D-Ultraschallschnittbilds einer durch das 3D-Modell geführten Ebene und
– Bestimmen desjenigen virtuellen Schnitts im 2D-Ultraschallschnittbild, der bei vollständiger Lebertumorresektion ein Maximum an Leberrestvolumen hat.Method for determining the liver tumor resection cutting guide from a preoperatively created 3D model of the liver vessel tree (1) and an intraoperatively produced 2D ultrasound slice image,
characterized by the steps
Performing a plurality of virtual sections (A, B, C) through the 3D model of the liver vessel tree (1) in a plurality of sectional planes (A1, A2) and intersecting angles (W1, W2, W3) and calculating each remaining virtual residual volume of the liver,
Storing the virtual sections (A, B, C) and the residual liver volume calculated for each section in a database,
Associating the 2D ultrasound slice image with a plane passing through the 3D model and
- Determining that virtual section in the 2D ultrasound section image, which has a maximum residual liver volume in complete liver tumor resection.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Lebertumorresektionsschnittführung aus einem präoperativ erstellten 3-D-Modell des Lebergefäßbaumes und einem intraoperativ erstellten 2-D-Ultraschallschnittbild. Das erfindungsgemäße Verfahren vereint bekannte bildgebende Verfahren aus der Medizin und bekannten Rechenverfahren aus der angewandten Informatik, mit denen das verbleibende Restvolumen einer Leber intraoperativ unmittelbar vor dem operativen Entfernen eines Leberabschnittes bestimmt werden kann.The The invention relates to a method for determining the liver tumor resection cutting guide a preoperative created 3-D model of the hepatic vein tree and one intraoperatively created 2-D ultrasound section image. The inventive method combines well-known imaging techniques from medicine and known Computational methods from applied computer science, with which the remaining Residual volume of a liver intraoperatively immediately before the operative Removal of a liver section can be determined.

Verfahren zum Abgleich präoperativ gewonnener (Bild-)Daten mit während einer Operation gewonnenen Daten sind beispielsweise aus der WO 2002034153 A1 und der US 2004092815 A1 bekannt.Methods for comparing preoperatively obtained (image) data obtained during an operation, for example, from WO 2002034153 A1 and the US 2004092815 A1 known.

In der Leberchirurgie ergibt sich eine kritische Situation nach dem Entfernen eines bestimmten Lebervolumens, welches für das Weiterleben des Patienten einen entscheidenden Einfluss ausübt. Eine große Lebervolumenreduktion wird beispielsweise dann nötig, wenn sich ein größerer Tumor in der Leber weit ausgebreitet hat und evt. auch gesundes Gewebe infiltriert wurde. Langfristige medizinische Untersuchungen haben belegt, dass bei einer Entfernung von mehr als 2/3 des gesamten Lebervolumens ein Weiterleben des Patienten sehr problematisch ist und meistens kurz nach der Teilleberentfernung der Exitus eintritt.In liver surgery results in a critical situation after Removing a specific volume of liver, which is for living on the patient has a decisive influence. A big liver volume reduction becomes necessary, for example, if there is a bigger tumor has spread widely in the liver and possibly also healthy tissue was infiltrated. Have long-term medical examinations proves that at a distance of more than 2/3 of the total Liver volume, a patient's survival is very problematic and most often shortly after the removal of the liver particles, the death occurs.

Um dem Chirurgen eine möglichst verlässliche, aber auch sinnvolle Information über das Entfernen eines bestimmten Lebervolumens im Hinblick auf eine erfolgreiche Operation und ein möglichst sicheres Weiterleben des Patienten zu geben, wird die Leber in ihren Volumenausmaßen präoperativ durch eine CT- oder MR-Tomographie erfasst. Aufbauend auf den Leberumrissen wird der sog. Gefäßbaum der Leber konstruiert, indem ein 3-D-Modell dieses Baumes errechnet wird. Unmittelbar vor und auch während der Operation wird mittels eines Ultraschallgerätes ein Ultraschallbild von der Leber erstellt. Als Standardmethode zur Restvolumenabschätzung der Leber wird dieses Ultraschallbild mit den entsprechenden Wertepunkten im CT und den zugehörigen Punkten im Ultraschallbild weitestgehend zur Deckung gebracht. Auf diesen Daten aufbauend wird das Leberrestvolumen aus den Tomographiedaten geschätzt, indem ein virtueller Schnitt durch den Gefäßbaum gelegt wird. Nach der virtuellen Durchtrennung des Gefäßbaumes wird der vom Restbaum überdeckte Volumenanteil ebenfalls geschätzt und bei annähernder Übereinstimmung beider Restvolumen als Ganzes wird der blutige Schnitt, wenn er für das Weiterleben des Patienten medizinisch verantwortbar ist, ausgeführt.Around the surgeon one as possible reliable, but also meaningful information about removing a certain liver volume with regard to a successful operation and one possible To give the patient a safe life, the liver becomes in her volume dimensions preoperatively detected by a CT or MR tomography. Based on the liver outlines becomes the so-called vascular tree of the liver constructed by calculating a 3-D model of this tree. Immediately before and also during The operation is an ultrasound image of created the liver. As a standard method for residual volume estimation of Liver will take this ultrasound image with the corresponding value points in the CT and the associated Scored points in the ultrasound image as far as possible to cover. On Based on this data, the remaining liver volume is taken from the tomography data appreciated by a virtual cut is placed through the vascular tree. After virtual transection of the vascular tree will be covered by the rest tree Volume fraction also estimated and at approximate match both residual volume as a whole becomes the bloody cut when he for the Resume the patient is medically responsible, executed.

Diese Vorgehensweise erfordert eine mehrfache Registrierung von Ultraschalldaten und einen Abgleich mit den Tomographiedaten, die auf Grund unterschiedlicher Entstehungen aufwendige Umrechnungs- und Verrechnungsmethoden erfordern, wofür während der Operation meistens die Zeit nicht zur Verfügung steht. Besonders nachteilig bei dieser Methode ist die zuverlässige Registrierung verformbarer Weichgewebeobjekte durch präoperative Modelldarstellungen. Registrierverfahren hierfür gelten bisher als nicht gelöst. Versuche mit teilmanuellen Ansätzen und mit Benutzerinteraktionen haben sich, soll das Ergebnis mehr Informationen liefern als das Ultraschall-/Tomographieschnittmodell, als sehr zeitaufwändig erwiesen und sind daher intraoperativ nicht nutzbar.These Procedure requires multiple registration of ultrasound data and a comparison with the tomography data, due to different Forms of elaborate conversion and billing methods require, for what during the Operation mostly the time is not available. Particularly disadvantageous With this method, reliable registration is more deformable Soft tissue objects by preoperative Model representations. Registration procedures for this are currently considered unsolved. tries with partial manual approaches and with user interactions, the result should be more Provide information as the ultrasound / tomography slice model, as very time consuming proved and are therefore not usable intraoperatively.

Aufgabe der Erfindung ist es, aus den vorliegenden CT- oder MR- und Ultraschalldaten eine Methode anzugeben, die präoperativ eine topologische Zerlegung der Leber in einen Gefäßbaum errechnet, die mögliche Anzahl der topologisch unterschiedlichen Schnitte/Zerlegungen durch den Gefäßbaum in eine Datenstruktur in endlich viele Einträge komprimiert und abspeichert, um intraoperativ mögliche virtuelle Schnitte durch Abgleich mit den abgespeicher ten Einträgen vorzunehmen, die eine sichere Tumorentfernung bei maximal möglichem Leberrestvolumen ermöglicht.task The invention is from the present CT or MR and ultrasound data to provide a method that is preoperative calculated a topological decomposition of the liver into a vascular tree, the possible Number of topologically different cuts / decompositions the vascular tree in one Compresses and stores data structure in finitely many entries, possible intraoperatively make virtual cuts by comparing with the saved entries, which allows a safe tumor removal at the maximum possible liver residual volume.

Die Aufgabe wird durch das Verfahren nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.The The object is achieved by the method according to the features of the claim 1 solved. Advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent Claims.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:The The invention will be described below with reference to the accompanying drawings explained. Showing:

1 den Gefäßbaum einer Leber mit Verzweigungsstruktur, 1 the vascular tree of a liver with branching structure,

2 die Verzweigungsstruktur mit unterschiedlichen Operationsschnitten, 2 the branching structure with different operation sections,

3 verschiedene Operationsschnitte durch den Gefäßbaum mit veränderten Schnittwinkeln, und 3 various surgical sections through the vascular tree with altered cutting angles, and

4 das mit den Schnitten A1 und A2 korrespondierende 2D-Ultraschallbild. 4 the corresponding with the sections A1 and A2 2D ultrasound image.

Wie beim Stand der Technik beschrieben, werden präoperativ mittels CT- oder MR-Tomographie die Lebervolumenausmaße erfasst, aus denen der sogenannte Gefäßbaum 1 der Leber als 3-D-Modell errechnet wird. Intraoperativ werden, um einen Lebertumor sicher entfernen zu können, manuell virtuelle Schnitte im 2-D-Ultraschallschnittbild um den Tumor herum eingetragen. Entscheidend für das erfindungsgemäße Verfahren ist nun, dass trotz einer Vielzahl möglicher Schnitte A, B, C, etc., Schnittebenen A1, A2, etc., und Schnittwinkel W1, W2, W3, etc. durch den errechneten Gefäßbaum 1 nur wenige tatsächlich unterschiedliche Schnitte A existieren. Bei einer optimalen Ermittlung des Gefäßbaumes 1 mit den Verästelungen 2, 3 in dem zur Resektion anstehenden Leberabschnitt führen alle Schnitte z. B. in der Nähe von Schnittebene A in 3 mit ähnlich geführtem Winkel W1, W2 hinsichtlich des Leberrestvolumens zum gleichen Resultat. Gleiches gilt für den gezeigten Schnitt A2 mit verändertem Schnittwinkel W3 in 3. In dem 2D-Ultraschallschnittbild in 4 würden die ausgeführten Schnitte A, A1, A2 durch den Gefäßbaum 1 und seinen Verästelungen 2, 3 stets zu Kreisen und/oder Ellipsen 4, 5, 6 mit unterschiedlichen Ausdehnungen führen. Erfindungsgemäß wird daraus ein interoperatives Verfahren zur Ermittlung des Leberrestvolumens erstellt, indem die für vorgeschlagene Schnitte A, B, C, A1, A2 durch die Leber ermittelten 2-D-Ultraschallschnittebenen 4, 5, 6 mit dem präoperativ gewonnenen 3-D-Gefäßbaum 1, 2, 3 zur Deckung gebracht werden. Zur Bestimmung des Restvolumens wird in einer zuvor angelegten Datenstruktur gesucht, die direkt aus dem vorverarbeiteten Gefäßbaum 1 mit seinen Verästelungen 2, 3 angelegt wurde und in der die möglichen Schnittansichten, z. B. 4, 5, 6, klassifiziert sind – gewissermaßen ein „Topologisch Vorverarbeiteter Gefäßbaum” (TVG). Eine mögliche englisch Bezeichnung wäre: topologically preposcessed vessel tree. Charakteristisch für einen Schnitt sind also Anzahl, Abstände, Halbachsen, Flächen und/oder Durchmesser dieser kreisförmigen oder elliptischen Strukturen, aus deren aktuellen Werten der passende TVG-Eintrag bestimmt wird, mit dem dann für den auszuführenden Schnitt ein Maximum an Leberrestvolumen vorherbestimmt werden kann. Für die rechnerische Bestimmung können Standardverfahren aus dem Bereich logistische Datenbanken, des maschinellen Lernens oder des Pattern Matching verwendet werden.As described in the prior art, the liver volume extents are detected preoperatively by CT or MR tomography, from which the so-called vascular tree 1 the liver is calculated as a 3-D model. Intraoperatively, in order to be able to safely remove a liver tumor, virtual sections are manually entered in the 2-D ultrasound image around the tumor. Decisive for him inventive method is now that, despite a variety of possible cuts A, B, C, etc., cutting planes A1, A2, etc., and cutting angle W1, W2, W3, etc. by the calculated vascular tree 1 only a few actually different cuts A exist. For an optimal determination of the vascular tree 1 with the ramifications 2 . 3 in the liver section to be resected, all cuts are made z. B. in the vicinity of section plane A in 3 with similarly guided angles W1, W2 regarding the residual liver volume for the same result. The same applies to the section A2 shown with a modified cutting angle W3 in FIG 3 , In the 2D ultrasound section image in 4 would the executed sections A, A1, A2 through the vascular tree 1 and its ramifications 2 . 3 always to circles and / or ellipses 4 . 5 . 6 with different dimensions. According to the invention, an interoperative method for determining the remaining volume of the liver is created therefrom by the 2-D ultrasound section planes determined for the proposed sections A, B, C, A1, A2 by the liver 4 . 5 . 6 with the preoperatively acquired 3-D vascular tree 1 . 2 . 3 be brought to cover. To determine the residual volume is searched in a previously created data structure, directly from the preprocessed vascular tree 1 with its ramifications 2 . 3 was created and in the possible sectional views, z. B. 4 . 5 . 6 , classified - in a sense a "topologically preprocessed vascular tree" (TVG). A possible English name would be: topologically preposcessed vessel tree. Thus, a number, distances, semiaxes, areas and / or diameters of these circular or elliptical structures are characteristic of a section, from whose current values the appropriate TVG entry is determined, with which then a maximum residual liver volume can be predetermined for the cut to be carried out. Standard methods from the field of logistic databases, machine learning or pattern matching can be used for the mathematical determination.

Zur Bestimmung des TVGs wird folgende Methode angegeben: Der Freiheitsgrad einer Ebene im Raum beträgt vier; d. h.: man benötigt vier Parameter zur Beschreibung der vollständigen Lage einer Ebene im Raum. Nach Diskretisierung dieser vier Parameter mit hinreichend feiner Auflösung – z. B. 60 Teilschritte für jeden Parameter – werden die entsprechenden Ebenen vollständig aufgezählt. Nach diesem Beispiel entstehen 60⁴ Ebenen. Zu jeder Grundebene werden die charakteristischen Werte für die topologisch unterschiedlichen Schnittebenen bestimmt. Dieses sind im Allgemeinen nur sehr wenige, wie die 2 und 3 zeigen. Für die so entstandenen topologisch verschiedenen Schnittebenen werden Bereichsgrenzen hinsichtlich der jeweiligen charakteristischen Werte (Anzahl, Abstände, Halbachsen u. ä.) bestimmt. Ergeben sich funktionelle Abhängigkeiten zwischen den einzelnen charakteristischen Werten, werden diese zusätzlich abgespeichert. Für eine konkret aus dem Ultraschallbild bestimmte Ebene mit den eingezeichneten Gefäßquerschnitten muss intraoperativ nur noch der TVG durchsucht werden, woraus sich das zum Schnitt entlang der Ultraschallbildebene, die das zu entfernende Tumorgewebe anzeigt, das dazugehörende Restvolumen unmittelbar ergibt.To determine the TVG, the following method is given: The degree of freedom of a plane in space is four; ie: you need four parameters to describe the complete position of a plane in space. After discretization of these four parameters with sufficiently fine resolution - z. B. 60 substeps for each parameter - the corresponding levels are listed in full. According to this example, 60 ⁴ levels are created. For each ground plane, the characteristic values for the topologically different cutting planes are determined. These are generally very few, like the ones 2 and 3 demonstrate. For the resulting topologically different cutting planes, range limits are determined with regard to the respective characteristic values (number, distances, half axes and the like). If there are functional dependencies between the individual characteristic values, these are additionally stored. For a specific plane determined by the ultrasound image with the drawn vessel cross-sections, only the TVG has to be searched intraoperatively, from which the immediate residual volume results for the section along the ultrasound image plane, which indicates the tumor tissue to be removed.

In einer ersten Erweiterung der Erfindung kann der Gefäßbaum noch präoperativ verformt werden, um die möglichen intraoperativen Verformungen der Leber mitzumodellieren, damit Topologieveränderungen berücksichtigt werden können, die sich durch den Wegschnitt von Teilen der Leber ergeben, da durch die Leberverformung neue, im unverformten Baum noch nicht enthaltene Schnitttopologien möglich sind.In a first extension of the invention, the vascular tree still preoperatively be deformed to the possible mitomumellieren intraoperative deformations of the liver, so topology changes considered can be which result from cutting away parts of the liver, through the liver deformation new, not yet contained in the undeformed tree Cutting topologies possible are.

In einer nächsten Erweiterung ist das Ultraschallgerät navigiert – d. h.: seine räumliche Lage relativ zur Leber als Zielstruktur ist näherungsweise bekannt. Hierzu wird mit dem Ultraschallkopf beispielsweise ein optisches Trackingsystem fest verbunden, wodurch die Lage der Leber im Raum durch Abtasten einiger Punkte mit dem navigierenden Zeiger bekannt ist. Durch diese zusätzliche Information kann die Genauigkeit bei der Topologischen Registrie rung erhöht werden. Durch diese Erweiterung ergibt sich ein Verfahren, bestehend aus mehreren Schritten, welches auf einer Näherungsregistrierung durch navigierenden Ultraschall basiert. Die Schritte bestehen aus:

– der Berechnung des Gefäßbaumes und der TVG (Rekonstruktion, präoperativ),
– dem Ultraschallbild, das navigiert aufgenommen wird, sodass die räumliche Lage des Bildes durch das Trackingsystem erfasst wird,
– der räumlichen Lage des Schnittes, die erfindungsgemäß nicht hochgenau bestimmt werden muss, sondern nur unterscheidbar von topologische anderen Schnittebenen sein muss,
– einem Ultraschallbild in dem Gefäße durch Punkte markiert sind,
– der Bestimmung des Eintrags im TVG, der diesen Markierungen entspricht und der Berechnung und Ausgabe des verbleibenden Leberrestvolumens.

In a next extension, the ultrasound device is navigated - ie: its spatial position relative to the liver as the target structure is approximately known. For this purpose, for example, an optical tracking system is firmly connected to the ultrasound head, whereby the position of the liver in space by scanning some points with the navigating pointer is known. This additional information can increase the accuracy of topological registration. This extension results in a method consisting of several steps, which is based on an approximation registration by navigating ultrasound. The steps consist of:

- the calculation of the vascular tree and the TVG (reconstruction, preoperative),
The ultrasound image, which is recorded navigated so that the spatial position of the image is detected by the tracking system,
The spatial position of the cut, which according to the invention does not have to be determined with high precision, but only has to be distinguishable from topological other cutting planes,
An ultrasound image in which vessels are marked by dots,
- the determination of the entry in the TVG corresponding to these markers and the calculation and output of the remaining residual volume of the liver.

Eine weitere Alternative ergibt sich, indem statt eines Ultraschallbildes mehrere nebeneinander liegende Ultraschallbilder aufgenommen werden, evt. auch aus unterschiedlichen Richtungen oder parallel zueinander. Mit Hilfe dieser Ultraschallbilder kann die genaue Relativlage ermittelt werden, die für eine weitere Verbesserung der Topologischen Registrierung mitbenutzt werden kann.A Another alternative arises by taking an ultrasound image instead several adjacent ultrasound images are taken, evt. also from different directions or parallel to each other. With the help of these ultrasound images, the exact relative position can be determined be that for one further improvement of topological registration shared can be.

Neben der Bestimmung des Restvolumens können auch andere Navigationsaufgaben im Weichgewebe mit dem beschriebenen Verfahren gelöst werden. Beispielsweise kann zugesichert werden, dass ein präoperativ geplanter Gewebeschnitt hinsichtlich der Ebene hochgenau mit dem tatsächlich intraoperativ geführten Schnitt übereinstimmt.In addition to the determination of the residual volume, other navigation tasks in soft tissue can be solved with the described method. For example, it can be assured that a preoperatively planned tissue section coincides with the level with high precision with the actually intraoperatively guided cut.

Eine weitere Ausführungsart der Erfindung besteht darin, dass dem Chirurgen zur Erleichterung des Erlernens der beschriebenen Vorgehensweise ein Trainingssystem zur Verfügung gestellt wird, in dem die genannten Schritte in der genannten Reihenfolge ausgeführt werden, und der gesamte OP-Prozess oder nur der Navigationsprozess in der hier beschriebenen Form in der Simulation eingeübt und vorbereitet werden kann. Dies kann sowohl auf den patientenspezifischen Daten, oder auch generischen Daten erfolgen.A further embodiment the invention is that the surgeon to facilitate the Learning the procedure described a training system for disposal in which the said steps in the stated order accomplished and the entire OR process or just the navigation process practiced and prepared in simulation as described here can be. This can be done both on the patient-specific data, or generic data.

Claims

Method for the determination of the liver tumor resection cutting guidance from a preoperatively created 3D model of the liver vessel tree ( 1 ) and an intraoperatively generated 2D ultrasound slice image, characterized by the steps of - performing a plurality of virtual incisions (A, B, C) through the 3D model of the hepatic vessel tree ( 1 ) in a plurality of sectional planes (A1, A2) and intersecting angles (W1, W2, W3) and calculating each remaining virtual residual volume of the liver, - storing the virtual sections (A, B, C) and the residual liver volume calculated for each section in a database Assigning the 2D ultrasound slice image to a plane guided by the 3D model; and determining the virtual slice in the 2D ultrasound slice image that has a maximum residual liver volume when completely resected for liver tumor resection.

Method according to claim 1, characterized in that that the calculation of residual liver volume under consideration expected intraoperative deformation of the hepatic tree.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the 2D ultrasound section image with a created a tracking system connected ultrasound head of an ultrasound device becomes.