DE102007010806B4

DE102007010806B4 - Verfahren zum Schaffen erweiterter Möglichkeiten bei der Verwendung von für den Einsatz von Registrierungsverfahren ungeeigneten Bilddaten eines Patienten und Röntgenangiographiesystem

Info

Publication number: DE102007010806B4
Application number: DE102007010806A
Authority: DE
Inventors: Jan Dr. Boese; Jörn Dr. Justiz; Andreas Meyer; Marcus Dr. Pfister
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2007-03-02
Filing date: 2007-03-02
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2027-03-03
Also published as: US20080212858A1; DE102007010806A1; US8050483B2

Abstract

Verfahren zum Schaffen erweiterter Möglichkeiten bei der Verwendung von für den Einsatz von Registrierungsverfahren ungeeigneten Bilddaten eines Patienten mit den Schritten:
– Empfangen eines ersten Bildaufnahmeparametersatzes durch ein erstes Bildaufnahmesystem (100) und Durchführen von Bildaufnahmeschritten durch das erste Bildaufnahmesystem zum Gewinnen eines ersten 3-D-Bilddatensatzes,
– Empfangen eines zweiten Bildaufnahmeparametersatzes durch das erste Bildaufnahmesystem (100) und Durchführen von Bildaufnahmeschritten durch das erste Bildaufnahmesystem (100) zum Gewinnen eines zweiten 3-D-Bilddatensatzes,
– Übermitteln des ersten und des zweiten 3-D-Bilddatensatzes von dem ersten Bildaufnahmesystem (100) an ein zweites Bildaufnahmesystem (200),
– Empfangen von Anweisungen für Bildaufnahme und Durchführen von Bildaufnahmeschritten durch das zweite Bildaufnahmesystem (200) zum Gewinnen eines dritten 3-D-Bilddatensatzes,
– Ermitteln einer Abbildungsvorschrift für die Koordinatentransformation vom zweiten 3-D-Bilddatensatz zum dritten 3-D-Bilddatensatz und
– Verwenden der Abbildungsvorschrift zum Gewinnen von zumindest einer auf dem ersten 3-D-Bilddatensatz basierenden Darstellung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schaffen erweiterter Möglichkeiten bei der Verwendung von für den Einsatz von Registrierungsverfahren ungeeigneten Bilddaten eines Patienten sowie ein Röntgenangiographiesystem zum Einsatz bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Es sind Registrierungsverfahren, welche umfangreiche Möglichkeiten bei der Bilddarstellung zur Unterstützung eines behandelnden Arztes bei einer medizinischen Intervention oder einem chirurgischen Eingriff schaffen. Regelmäßig werden präoperativ Bilddatensätze aufgenommen mit solchen Bildaufnahmesystemen, die den interessierenden Bildbereich optimal darstellen. Während einer Operation werden dann zusätzliche Bilder aufgenommen, die für sich nicht unbedingt ausreichend Information liefern. Nun werden die vorab aufgenommenen Bilddaten mit den während der Operation aufgenommenen Bilddaten registriert. Die Schritte des präoperativen und intraoperativen Aufnehmens von Bildern und ein nachfolgendes Registrieren sind z. B. in der DE 10322738 A1 beschrieben. Der Begriff des Registrierens bedeutet, dass eine Abbildungsvorschrift von dem Koordinatensystem des ersten Bilddatensatzes auf das Koordinatensystem des zweiten Bilddatensatzes ermittelt wird. Die beiden unterschiedlichen Bildaufnahmesysteme, welche für die Erzeugung der beiden Bilddatensätze benutzt wurden, können nur bei jeweils fester zugrundeliegender Patientenposition aufgrund der Bildinformation einander zugeordnet werden. Zur lage- und dimensionsrichtigen Abbildung der Koordinatensysteme aufeinander wird häufig die Bilderkennung verwendet, um so Strukturen in den Bilddaten jeweils erkennen zu können. Die Registrierung von zwei 3D-Bilddatensätzen miteinander ist allgemein bekannt. Ein Überblick hierzu findet sich bei spielsweise in dem Buch von J. V. Hajnal, D. L. G. Hill, D. J. Hawkes ”Medical Image Registration”, Kapitel 3, Seiten 39–70, CRC Press, 2001. Es können die Bildaufnahmesysteme, die zur Erzeugung der einzelnen 3D-Bilddatensätze verwendet werden, unterschiedlich sein. So ist beispielsweise die Registrierung eines mit Hilfe eines Kernspintomographen aufgenommenen 3D-Bilddatensatzes mit einem 3D-Rotationsangiographiebilddatensatz bekannt. Auch die 2D-3D-Registrierung, also die Registrierung eines 3D-Bilddatensatzes mit 2D-Bildern, ist bekannt, siehe zum Beispiel die Dissertation von P. Penney, ”Registration of Tomographic Images to X-ray Projections for Use in Image Guided Interventions”, University of London, 1999 Seiten 36–58 und 97–160.
Zur Verwendung von Bilderkennung ist es für die Registrierung erforderlich, dass Bildstrukturen in den Bilddaten erkennbar sind. Häufig sind die interessierenden Bereiche in dem Patienten jedoch Weichteile. Ein klassisches Beispiel hierfür ist das Patientenherz. Weichteile sind zwar mit Hilfe der Kernspintomographie gut abzubilden, sie sind auf Röntgenbildern jedoch nur schwer zu erkennen. Damit scheidet ein Registrierungsverfahren zwischen präoperativ und intraoperativ aufgenommenen Herz-Bilddaten aus, wenn die intraoperativ aufgenommenen Bilddaten mit Hilfe von einem Röntgenbildaufnahmensystem gewonnen werden. Hilfreich ist es, wenn mit den Bilddaten zu den Weichteilen auch beispielsweise Knochen, wie etwa die Wirbelsäule, abgebildet werden. Bei der Kernspintomographie ist jedoch das innerhalb von typischen Aufnahmezeiten mit einer Dauer von 20 Sekunden aufnehmbare Bildvolumen zu klein: Es können Herz und Wirbelsäule nicht in einem Bild gleichzeitig dargestellt werden. Eine Verlängerung der Aufnahmezeit ist nur schwer möglich, da der Patient den Atem während der Aufnahme anhalten muss. Zudem benötigt die Aufnahme von Muskelgewebe wie des Muskelgewebes des Herzens die Verwendung spezifischer Bildaufnahmeparameter bei der Kernspintomographie und die Abbildung von Knochen die Verwendung ganz anderer Bildaufnahmeparameter. Soll ein Bild sowohl Knochen als auch Muskelgewebe enthalten, müsste ein Kompromiss geschlossen werden, der zu unbefriedigenden Ergebnissen führt.
Nachdem man durch die Registrierungsverfahren eine Abbildungsvorschrift ermittelt hat, können die präoperativ aufgenommenen Bilddaten und die intraoperativ aufgenommenen Bilddaten zu einer Darstellung fusioniert werden. Dies wird im Hause Siemens Medical durch das System syngo iPilot ermöglicht. Details zu syngo iPilot sind beispielsweise in einem Prospekt vom November 2005, der von Siemens Medical Solutions erhältlich ist, beschrieben. Ein Verfahren zur fusionierten Bilddarstellung ist auch in der DE 10357184 A1 beschrieben. Es wäre wünschenswert, wenn auch die hochqualitativen Bilddaten von Weichteilen, welche mit Hilfe von Kernspinresonanz (und auch zum Beispiel mit Hilfe von 3D-Ultraschall-Bildgebungssystemen) aufgenommen werden können, in irgendeiner Weise zur Unterstützung des behandelnden Arztes benutzt werden könnten, was eine Zuordnung zu intraoperativ aufgenommenen Bilddaten notwendig macht.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, die Möglichkeiten der Verwendung von für den (direkten) Einsatz von Registrierungsverfahren ungeeigneten Bilddaten eines Patienten zu erweitern.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und ein Röntgenangiographiesystem mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 7 gelöst.
Somit umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte:

– Empfangen eines ersten Bildaufnahmeparametersatzes durch ein erstes Bildaufnahmesystem und (gegebenenfalls nach Empfang einer Starteingabe) Durchführen von Bildaufnahmeschritten durch das erste Bildaufnahmesystem zum Gewinnen eines ersten 3D-Bilddatensatzes,
– Empfangen eines zweiten Bildaufnahmeparametersatzes durch das erste Bildaufnahmesystem und (gegebenenfalls nach Empfang einer Starteingabe) Durchführen von Bildaufnahmeschritten durch das erste Bildaufnahmesystem zum Gewinnen eines zweiten 3D-Bilddatensatzes,
– Übermitteln des ersten und des zweiten 3-D-Bilddatensatzes von dem ersten Bildaufnahmesystem an ein zweites Bildaufnahmesystem,
– Empfangen von Anweisungen für Bildaufnahme und Durchführen von Bildaufnahmeschritten durch das zweite Bildaufnahmesystem zum Gewinnen eines dritten 3-D-Bilddatensatzes,
– Ermitteln einer Abbildungsvorschrift für die Koordinatentransformation vom zweiten 3-D-Bilddatensatz zum dritten 3-D-Bilddatensatz,
– Verwenden der Abbildungsvorschrift zum Gewinnen von zumindest einer auf dem ersten 3-D-Bilddatensatz basierenden Darstellung.

Das oben beschriebene Problem, dass beispielsweise bei Kernspintomographie nicht Weichteile und Wirbel gleichzeitig abgebildet werden können, wird dadurch gelöst, dass zwei unterschiedliche 3-D-Bilddatensätze aufgenommen werden, zum Beispiel der erste 3-D-Bilddatensatz als Abbildung des Herzens mit für die Abbildung des Herzens geeigneten Bildaufnahmeparametersatz und der zweite 3-D-Bilddatensatz als Abbildung der Wirbelsäule mit für die Abbildung der Wirbelsäule geeignetem Bildaufnahmeparametersatz. Voraussetzung ist, dass sich der Patient zwischen der Aufnahme des ersten und des zweiten 3-D-Bilddatensatzes nicht in dem ersten Bildaufnahmesystem bewegt. Das Koordinatensystem ist dann für den ersten und den zweiten Bilddatensatz dasselbe. Der dritte 3-D-Bilddatensatz kann dann passend zum zweiten 3-D-Bilddatensatz eine Abbildung der Wirbel beinhalten, so dass die Registrierung (Ermitteln der Abbildungsvorschrift) leicht möglich ist. Da der erste und der zweite 3-D-Bilddatensatz dasselbe Koordinatensystem haben, kann diese Abbildungsvorschrift auch zwischen dem ersten 3-D-Bilddatensatz und zum Koordinatensystem des zweiten Bildaufnahmesystems gehörenden Abbildungen verwendet werden.
Beispielsweise umfasst das Verfahren die weiteren Schritte:

– Empfangen von Anweisungen für Bildaufnahme und Durchführen von Bildaufnahmeschritten durch das zweite Bildaufnahmesys tem zum Gewinnen zumindest eines 2-D-Bilds (typischerweise eines 2-D-Projektionsbilds),
– Überlagern des 2-D-Bilds mit einer auf dem ersten 3-D-Bilddatensatz basierenden Darstellung.

Alternativ zum direkten Aufnehmen von solchen 2-D-Bildern durch das zweite Bildaufnahmesystem können auch mit Hilfe von solchen Systemen 2-D-Bilddarstellungen gewonnen werden, deren Koordinatensystem an das des zweiten Bildaufnahmesystems gekoppelt ist. Beispielsweise könnte ein 2-D-Bild auch durch ein elektromagnetisches Lokalisations-System, das fest mit dem zweiten Bildaufnahmesystem verbunden ist, bereitgestellt sein.
Bei der Erfindung wird gewissermaßen ein Umweg von dem Herzen (erster 3-D-Bilddatensatz) über eine Abbildung der Wirbel (zweiter 3-D-Bilddatensatz), über eine zweite Abbildung der Wirbel (dritter 3-D-Bilddatensatz) zu weiteren Abbildungen des Herzens gemacht. Mit Hilfe der Abbildungen der Wirbel wird die Abbildungsvorschrift ermittelt, welche im weiteren Verfahren die Abbildung des Herzens (erster 3-D-Bilddatensatz) mit den weiteren Abbildungen des Herzens (2-D-Bilder) verknüpft.
Es sei darauf hingewiesen, dass zwar für den ersten und den zweiten 3-D-Bilddatensatz dasselbe Koordinatensystem gelten muss und deswegen bei deren Aufnahme der Patient seine Lage nicht ändern darf, dass aber die Lage des Patienten definiert geändert werden kann, wenn sich dieser im zweiten Bildaufnahmesystem befindet. Beispielsweise kann es notwendig sein, die Patientenliege zu verfahren. Dann gehört zu den Bildaufnahmeschritten zum Gewinnen eines 2-D-Bildes eine Lageveränderung des Patienten im zweiten Bildaufnahmesystem, und diese Lageveränderung wird dann beim Gewinnen der auf dem 3-D-Bilddatensatz basierenden Darstellung einfach rechnerisch berücksichtigt, und ein Überlagern ist somit auch dann möglich.
Die, wie bereits mehrfach erwähnt, bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beinhalten, dass das erste Bildaufnahmesystem ein Kernspintomograph ist beziehungsweise alternativ ein 3-D-Ultraschall-Bildaufnahmesystem umfasst, und dass das zweite Bildaufnahmesystem ein Röntgenangiographiesystem ist.
Die Erfindung wird auch durch ein für die Durchführung des Verfahrens ausgelegtes Röntgenangiographiesystem verwirklicht. Demgemäß umfasst das Röntgenangiographiesystem:

– Mittel zum Empfangen eines ersten und eines zweiten 3-D-Bilddatensatzes von einem externen Bildaufnahmesystem und Mittel zum Speichern der 3-D-Bilddatensätze,
– Mittel zum Gewinnen eines 3-D-Röntgenbilddatensatzes als dritten 3-D-Bilddatensatz und Mittel zum Speichern des dritten 3-D-Bilddatensatzes,
– Mittel zum Ermitteln einer Abbildungsvorschrift für die Koordinatentransformation von dem zweiten 3-D-Bilddatensatz zum dritten 3-D-Bilddatensatz, sowie
– Mittel zum Anwenden der Abbildungsvorschrift auf den ersten Bilddatensatz.

Das Röntgenangiographiesystem ist ferner in an sich bekannter Weise bevorzugt dazu ausgelegt, 2-D-Röntgenbildprojektionen aufzunehmen und umfasst Mittel zum Überlagern von auf dem ersten Bilddatensatz basierenden Darstellungen mit den 2-D-Projektionsbildern unter Anwendung der Abbildungsvorschrift.
Anders als im Standardfall muss das Röntgenangiographiesystem somit gleich zwei 3-D-Bilddatensätze von einem externen Bildaufnahmesystem verwalten (empfangen und speichern) und geeignet ausgelegt sein, zum Beispiel in einem zum Röntgenangiographiesystem gehörenden Mikroprozessor geeignet programmiert sein, die Registrierung mit dem einen der 3-D-Bilddatensätze zu machen und die bei der Registrierung gewonnene Abbildungsvorschrift für den anderen der 3-D-Bilddatensätze zu verwenden.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, die in einem Flussdiagramm die Schritte einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt und zugehörig zu den Schritten schematisch das jeweilige Bildaufnahmesystem sowie mit Hilfe dieses Bildaufnahmesystems gewonnene Bilder zeigt.
Es gibt in einem Patientenkörper einen den behandelnden Arzt interessierenden Bereich, der vorliegend in einem Weichteil liegen soll. Zum Beispiel interessiert den Arzt zur Vorbereitung einer Vorhofflimmerablation das linke Atrium des Herzens. Ein Kernspintomograph 100 ist zur Darstellung von solchen Weichteilen optimal geeignet. In Schritt S10 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird demgemäß präoperativ eine Folge von 2-D-Schnittbildern des interessierenden Bereichs aufgenommen, wobei die Bildaufnahmeparameter optimal für die Abbildung des interessierenden Bereichs ausgewählt sind und in bekannter Weise wird aus der Folge von 2-D-Schnittbildern eine 3-D-Rekonstruktion gewonnen, die vorliegend einen ersten 3-D-Bilddatensatz darstellt. Direkt anschließend wird bei unveränderter Position des Patienten im Kernspintomographen 100 eine Folge von 2-D-Schnittbildern von Wirbelkörpern aufgenommen, wobei diesmal die Bildaufnahmeparameter optimale Bedingungen für eine gute Darstellung der Wirbelkörper schaffen, und in bekannter Weise wird aus den 2-D-Schnittstellenbildern eine 3-D-Rekonstruktion erzeugt, die vorliegend einen zweiten 3-D-Bilddatensatz darstellt. Die Schritte S10 und S12 können auch in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen werden. Wesentlich ist lediglich, dass das Koordinatensystem der ersten 3-D-Rekonstruktion gleich dem Koordinatensystem der zweiten 3-D-Rekonstruktion ist.
Nun wird die eigentliche Operation durchgeführt. Der Patient wird in einem Röntgen-C-Bogen-System 200 (das als Röntgenangiographiesystem fungiert) auf einem Patiententisch 210 gelagert. Im Schritt S14 wird in bekannter Weise eine Rotationsangiographie durchgeführt, um zumindest einen Teil der Wir belkörper abzubilden, die in Schritt S12 abgebildet wurden. Man erhält eine dritte 3-D-Rekonstruktion.
In Schritt S16 erfolgt eine 3-D/3-D-Registrierung der beiden Rekonstruktionen der Wirbelsäule zum Ermitteln einer Abbildungsvorschrift von dem Koordinatensystem des Patienten in dem Kernspintomographen 100 zu dem Koordinatensystem, das der Patient auf dem Patiententisch 210 im Röntgenangiographiesystem 200 hat.
Im Schritt S18 wird nun unter Verwendung der Abbildungsvorschrift eine passende Ansicht aus der ersten 3-D-Rekonstruktion ermittelt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass das Koordinatensystem der ersten 3-D-Rekonstruktion gleich dem der zweiten 3-D-Rekonstruktion ist, so dass die in Schritt S16 ermittelte Abbildungsvorschrift auch die erste 3-D-Rekonstruktion auf das Koordinatensystem des Röntgenangiographiesystems 200 abbildet. Die passende Ansicht wird so ermittelt, dass sie zu einer Projektion (einem 2-D-Bild) passt, das der C-Bogen bei einem vorliegend gegebenen Winkel, einer vorliegend gegebenen Vergrößerung und möglicherweise bei weiteren fest eingestellten Variablen aufgenommen hat. Bei dem Ermitteln der passenden Ansicht kann zusätzlich zu der Abbildungsvorschrift auch rechnerisch eine mögliche Verschiebung des Patiententischs 210 zusätzlich zur Stellung des Röntgen-C-Bogens berücksichtigt werden. Die passende Ansicht, welche in Schritt S18 ermittelt wurde, wird dann der bei der vorgegebenen Stellung des C-Bogens aufgenommenen 2-D-Röntgenprojektion überlagert. Eine passgenaue Überlagerung (Fusionierung) ist beispielsweise unter Zuhilfenahme des Systems syngo iPilot von Siemens Medical möglich.
Auf dem Umweg über die Aufnahme von Abbildungen der Wirbelkörper (Schritte S12, S14) wird eine 3-D-Registrierung (Schritt S16) ermöglicht, welche eine Abbildungsvorschrift ergibt, die für Bilddaten von Weichteilen verwendbar ist, die selbst den Einsatz von Registrierungsverfahren gar nicht ermöglichen. Die Erfindung ermöglicht somit die Durchführung der Schritte S18 und S20, es werden überlagerte Darstellungen von präoperativ mit Hilfe eines Kernspintomographen 100 aufgenommenen Bildern zu intraoperativ mit Hilfe des Röntgenangiographiesystems aufgenommenen Bildern ermöglicht.
Herzstück der Erfindung ist das Ermitteln der Abbildungsvorschrift. Nach dem Durchführen des diesbezüglichen Schrittes S16 können sich weitere Möglichkeiten ergeben. Die Abbildungsvorschrift koppelt die erste 3-D-Rekonstruktion an das Koordinatensystem des Röntgenangiographiesystems. Weitere an dieses Koordinatensystem gekoppelte Systeme können dann in Bezug zur ersten 3-D-Rekonstruktion gesetzt werden. Beispielsweise kann an das Röntgenangiographiesystem 200 ein elektromagnetisches Lokalisationssystem gekoppelt sein, mit Hilfe dessen Abbildungen erzeugt werden, die ebenfalls passenden Ansichten überlagert werden können, welche aus der ersten 3-D-Rekonstruktion gewonnen werden.

Claims

Verfahren zum Schaffen erweiterter Möglichkeiten bei der Verwendung von für den Einsatz von Registrierungsverfahren ungeeigneten Bilddaten eines Patienten mit den Schritten: – Empfangen eines ersten Bildaufnahmeparametersatzes durch ein erstes Bildaufnahmesystem (100) und Durchführen von Bildaufnahmeschritten durch das erste Bildaufnahmesystem zum Gewinnen eines ersten 3-D-Bilddatensatzes, – Empfangen eines zweiten Bildaufnahmeparametersatzes durch das erste Bildaufnahmesystem (100) und Durchführen von Bildaufnahmeschritten durch das erste Bildaufnahmesystem (100) zum Gewinnen eines zweiten 3-D-Bilddatensatzes, – Übermitteln des ersten und des zweiten 3-D-Bilddatensatzes von dem ersten Bildaufnahmesystem (100) an ein zweites Bildaufnahmesystem (200), – Empfangen von Anweisungen für Bildaufnahme und Durchführen von Bildaufnahmeschritten durch das zweite Bildaufnahmesystem (200) zum Gewinnen eines dritten 3-D-Bilddatensatzes, – Ermitteln einer Abbildungsvorschrift für die Koordinatentransformation vom zweiten 3-D-Bilddatensatz zum dritten 3-D-Bilddatensatz und – Verwenden der Abbildungsvorschrift zum Gewinnen von zumindest einer auf dem ersten 3-D-Bilddatensatz basierenden Darstellung.
Verfahren nach Anspruch 1, mit den weiteren Schritten: – Empfangen von Anweisungen für Bildaufnahme und Durchführen von Bildaufnahmeschritten durch das zweite Bildaufnahmesystem (200) zum Gewinnen zumindest eines 2-D-Bildes, – Überlagern des 2-D-Bildes mit einer auf dem ersten Bilddatensatz basierenden Darstellung.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem zu den Bildaufnahmeschritten zum Gewinnen eines 2-D-Bildes eine Lageveränderung des Patienten im zweiten Bildaufnahmesystem (200) gehört, die bei dem Gewinnen der auf dem 3-D-Bilddatensatz basierenden Darstellung berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das erste Bildaufnahmesystem einen Kernspintomographen (100) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das erste Bildaufnahmesystem ein 3-D-Ultraschall-Bildaufnahmesystem umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das zweite Bildaufnahmesystem ein Röntgenangiographiesystem (200) ist.
Röntgenangiographiesystem (200), mit – Mitteln mit denen ein erster und ein zweiter 3-D-Bilddatensatz von einem externen Bildaufnahmesystem (100) Empfangen wird, und Mitteln mit denen die 3-D-Bilddatensätze gespeichert werden – Mitteln mit denen ein 3-D-Röntgenbilddatensatz als dritter 3-D-Bilddatensatz gewonnen wird und Mitteln mit denen der dritte 3-D-Bilddatensatz gespeichert wird, – Mitteln mit denen eine Abbildungsvorschrift für die Koordinatentransformation von dem zweiten 3-D-Bilddatensatz zum dritten 3-D-Bilddatensatz ermittelt wird und – Mitteln mit denen die Abbildungsvorschrift auf den ersten 3-D-Bilddatensatz angewendet wird.