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DE102009024652A1 - Hochauflösende, dreidimensionale medizinische Bildgebung mit dynamischen Echtzeitinformationen - Google Patents

Hochauflösende, dreidimensionale medizinische Bildgebung mit dynamischen Echtzeitinformationen Download PDF

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DE102009024652A1
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Withdrawn
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DE102009024652A
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English (en)
Inventor
Ulrich Dr. Hartung
Matthias Dr. John
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Priority to US12/797,759 priority patent/US9036880B2/en
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Computer-implementiertes Verfahren, eine Vorrichtung, ein System und ein Computerprogramm zur dreidimensionalen Darstellung von medizinischen Körperstrukturen im Rahmen eines medizinischen, insbesondere herzchirurgischen Eingriffs, wobei aus einem dynamischen Bild (D) einer zu untersuchenden Körperstruktur Bewegungsinformationen abgeleitet werden. Bewegungsinformationen werden aus einer Vektoranalyse abgeleitet. Nach dem Erfassen eines statischen Bildes (S) der jeweiligen Körperstruktur wird die Vektoranalyse auf das statische Bild (S) angewendet, um ein modifiziertes, statisches Bild mit Bewegungsinformationen der Körperstruktur abzuleiten. Daraufhin kann das statische Bild bewegt dargestellt werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren, ein System, eine Vorrichtung und ein Computerprogramm zur dreidimensionalen Darstellung von medizinischen Körperstrukturen im Rahmen von medizinischen interventionellen Prozeduren, wie z. B. elektrophysiologischen oder herzchirurgischen Operationen oder anderen Eingriffen in den menschlichen oder tierischen Körper.
  • In vielen Gebieten der modernen Medizin, insbesondere im Bereich der Kardiologie, werden zunehmend bildgebende Verfahren beim Einsatz von kleineren und komplexeren klinischen Prozeduren eingesetzt.
  • Die bildgebenden Verfahren dienen grundsätzlich zum einen dazu, sich während des operativen Eingriffs in der Körperstruktur zu orientieren und zum anderen dazu, medizinische Instrumente, die im Rahmen des operativen Eingriffs notwendig sind (wie z. B. einen Katheter bei einer herzchirurgischen Operation oder Operationsbesteck), an der exakt korrekten Position zu lokalisieren. Ein anderes Beispiel ist die exakte Positionierung einer Aortenklappen-Prothese bei einer kardiologischen Operation. Darüber hinaus dienen diese Verfahren auch der Diagnostik.
  • Die bildgebenden Verfahren können in unterschiedliche Kategorien klassifiziert werden. So gibt es zum einen die zweidimensionale Bildgebung. Diese Modalitäten erfassen zweidimensionale Bilder. Hierzu zählt die Fluoroskopie, die beispielsweise einen kontinuierlichen Film von zweidimensionalen Röntgen-Durchleuchtungsbildern in Echtzeit produziert.
  • Eine weitere Kategorie betrifft die dreidimensionale Bildgebung zur Erzeugung von dreidimensionalen Bildern. Hierzu zählt beispielsweise das C-Bogen-CTC-Bogen-CT. Bei diesem Verfahren handelt es sich um eine Rotations-Angiografie mit dreidimensionaler Bildrekonstruktion während der Intervention an Röntgen-C-Bogen. Andere Beispiele für dreidimensionale bildgebende Verfahren sind im Stand der Technik bekannt (z. B. CT, MR etc.).
  • Neben der vorhergehenden Klassifikation in zweidimensionale und dreidimensionale bildgebende Verfahren, können diese auch noch nach dem Auflösungsgrad klassifiziert werden. So gibt es hochauflösende Verfahren und weniger hochauflösende Verfahren. Die hochauflösenden Verfahren kennzeichnen sich durch einen sehr hohen Detaillierungsgrad. Üblicherweise sind diese Verfahren jedoch statisch und bieten dem Operateur oder Untersucher während eines Eingriffs keine Informationen zu den jeweiligen untersuchten Körperstrukturen in Bezug auf die Zeit. Bewegungsinformationen können aus den statischen Bildern deshalb nicht abgeleitet werden. Üblicherweise werden die statischen bildgebenden Verfahren prä-operativ eingesetzt.
  • Neben den statischen Verfahren gibt es die dynamischen bildgebenden Verfahren, die einen Zeitbezug umfassen. Zu diesen Verfahren zählen z. B. das Ultraschall, insbesondere ein Herz-Ultraschall, optische Verfahren (beispielsweise Methoden, bei denen eine Kamera in ein Organ eingeführt wird, um Bilder zu akquirieren), Infrarottechniken und die Durchleuchtung. Ebenso ist es möglich, auch mit Magnetresonanz-Tomographen und Computer-Tomographen dynamische Bilder zu erzeugen.
  • Im Bereich der interventionellen Medizin wächst der Bedarf an hochauflösenden Echtzeitverfahren zur dreidimensionalen Bildgebung beständig. Insbesondere im Fachgebiet der Kardiologie werden zunehmend Prozeduren mit diesem Bedarf ausgeführt, wie z. B. ein transfemoraler Aortenklappen-Ersatz. Bereits seit längerer Zeit wird im Bereich der Elektrophysiologie die Behandlung von Vorhofflimmern mit Hilfe von Verödungsprozeduren innerhalb des linken Vorhofes durchgeführt.
  • Als problematisch hat es sich bei den bisher bekannten Bildgebungsverfahren erwiesen, dass die Bildgebung entweder nicht dynamisch ist (z. B. C-Bogen-CTC-Bogen-CT), oder dass die Bildgebung nicht den aktuellen Zustand des Patienten wieder gibt (z. B. Computer-Tomographie), oder dass die akquirierten Bilder nicht die notwendige räumliche Auflösung haben (wie z. B. Ultraschall, elektro-anatomisches Mapping, etc.), oder sie liefern generell keine dreidimensionalen Bilder (wie z. B. die Fluoroskopie).
  • Ausgehend von dem vorstehend erwähnten Stand der Technik hat sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe gestellt, einen Weg aufzuzeigen, mit dem dynamische Informationen, insbesondere Informationen mit einem Zeitbezug in Bezug auf die zu untersuchende Körperstruktur, in eine hochauflösende und detailgetreue, statische Bildgebung integriert werden können, wobei die Bildgebung auch intraoperativ oder intraprozedural einsetzbar ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die beiliegenden unabhängigen Ansprüche gelöst, insbesondere durch ein Verfahren, durch ein System, eine Vorrichtung und ein Computerprogramm gemäß den beiliegenden unabhängigen Ansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den jeweiligen Unteransprüchen.
  • Nachstehend wird die Lösung der Aufgabe in Bezug auf das Verfahren beschrieben. Hierbei erwähnte Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen sind ebenso auch auf die anderen beanspruchten Gegenstände zu übertragen und umgekehrt. Mit anderen Worten können auch die gegenständlichen Ansprüche (die beispielsweise auf ein System oder eine Vorrichtung gerichtet sind) mit den Merkmalen, die in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben oder beansprucht sind, weitergebildet sein. Die entsprechenden funktionalen Merkmale des Verfahrens werden dabei durch entsprechende gegenständliche Module, insbesondere durch Hardware-Module, des Systems bzw. der Vorrichtung ausgebildet.
  • Diese Aufgabe wird insbesondere gelöst durch ein computerimplementiertes Verfahren zur Darstellung von medizinischen Körperstrukturen im Bereich einer interventionellen Medizin und insbesondere im Rahmen eines herzchirurgischen oder sonstigen Eingriffs, umfassend folgende Verfahrensschritte:
    • – Erfassen eines statischen Bildes der Körperstruktur in hoher Auflösung;
    • – Ausführen einer dynamischen Bildgebung zur Erfassung eines dynamischen Bildes;
    • – Ausführen einer Vektoranalyse auf Datensätze des dynamischen Bildes zur Erfassung von Bewegungsinformationen der Körperstruktur;
    • – Anwenden der Vektoranalyse auf das statische Bild zum Berechnen eines modifizierten, statischen Bildes mit Bewegungsinformationen der Körperstruktur;
    • – Darstellen des modifizierten, statischen Bildes mit zugeordneten Bewegungsinformationen der Körperstruktur.
  • Mit anderen Worten bezieht sich ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung darauf, die Vorteile einer hochauflösenden statischen Bildgebung mit einer dynamischen Bildgebung mit niedrigerer Auflösung zu kombinieren. Der erfindungsgemäße Ansatz bietet die Möglichkeit, dass der Untersucher auch während der medizinischen Prozedur bzw. des medizinischen Eingriffs auf eine dynamische Echtzeit-3D-Bildgebung zurückgreifen kann, um den weiteren Verlauf des Eingriffs zu planen und/oder zu steuern. Im Folgenden werden die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten Begrifflichkeiten näher spezifiziert.
  • Bei dem ”Körperstrukturen” handelt es sich insbesondere um Strukturen des menschlichen Körpers, die für die jeweilige medizinische Untersuchung relevant sind. Beispielsweise kann es sich hier um Ausschnitte des Herzens oder um das gesamte Herz handeln. Weitere Beispiele stellen hier alle Arten und Formen von komplexen elektrophysiologischen Prozeduren oder abdominal gefäßchirurgischen Prozeduren dar. Es ist jedoch für die vorliegende Erfindung nicht zwingend, dass immer ein operativer Eingriff durchgeführt werden muss. Ebenso kann der erfindungsgemäße Ansatz auf diagnostische Verfahren oder prä-operative Verfahren angewendet werden. Als Oberbegriff dient hier die Formulierung ”interventionelle Medizin”
  • Unter dem Begriff ”statisches Bild” sollen alle bildgebenden Verfahren zur Erfassung von Bildern verstanden werden, die üblicherweise in hoher Auflösung vorliegen, sehr detailgetreu sind und keinen Zeitbezug (und somit keine dynamischen Informationen) umfassen. Beispiele für statische Bildgebungsverfahren sind die Computer-Tomographie und das C-Bogen-CT. Alternativ können hier MR-Verfahren oder andere funktionale bildgebende Verfahren eingesetzt werden. Sie können als 2D- oder als 3D-Bilddatensatz vorliegen.
  • Unter dem Begriff ”dynamische Bildgebung” sind alle bildgebenden Verfahren zu verstehen, die einen dynamischen Aspekt umfassen. Zu den dynamischen bildgebenden Verfahren zählen insbesondere das Ultraschall, insbesondere das Herz-Ultraschall, das elektro-anatomische Mapping. Alternativ können hier jedoch ebenso MR-Verfahren zum Einsatz kommen. Auch die dynamischen Bilder können als 2D- oder als 3D-Bilddatensatz vorliegen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich sowohl bei dem statischen Bild, als auch bei dem dynamischen Bild um dreidimensionale Bilder. Alternativ können hier jedoch wahlweise auch einzeln oder kumulativ zweidimensionale bildgebende Verfahren zum Einsatz kommen. Mit anderen Worten können das statische Bild und/oder das dynamische Bild auch in zweidimensionaler Form vorliegen. Ein Beispiel für ein zweidimensionales dynamisches bildgebendes Verfahren ist die Fluoroskopie und vor allem das Ultraschall.
  • Unter dem Begriff ”Vektoranalyse” ist eine Technik zu verstehen, mittels derer einzelne Körpersegmente in ihrer Bewegung (Bewegungsrichtung und Bewegungsgeschwindigkeit) quantitativ analysiert werden können. Im Bereich der Ultraschall-Technologie ist dieses Verfahren unter dem Namen ”Axius-Velocity-Vector-Imaging – VVI” von Siemens Medical Solutions in Erlangen entwickelt worden. Bei diesem Verfahren werden Ultraschalldaten zur bildlichen Darstellung der Herzschlagmechanik verwendet, so dass dem Arzt Informationen über die Mechanik der Herzkontraktion zur Verfügung gestellt werden können. Grundsätzlich kann diese Technologie jedoch nicht nur auf dem Gebiet der Herzchirurgie angewendet werden, sondern auf allen medizinischen Gebieten. Erfindungsgemäß wird die Vektoranalyse auf die Datensätze des dynamischen Bildes angewendet, um Bewegungsinformationen der Körperstruktur (z. B. des Herzens) zu erfassen. Die so ermittelten Bewegungsinformationen werden dann aus dem dynamischen Bild herausgelöst und in das statische, hochaufgelöste Bild eingebettet bzw. integriert.
  • Das Anwenden der Vektoranalyse setzt voraus, dass ein eineindeutiger Bezug zwischen dem statischen Bild und dem dynamischen Bild berechnet und bereitgestellt werden kann. In einer detaillierteren Ausführungsform umfasst das Verfahren des vor dem Schritt des Anwendens einen weiteren Verfahrensschritt. Dieser bezieht sich auf eine Registrierung der Bilddatensätze in räumlicher und/oder zeitlicher Hinsicht. Dies dient dazu, um die beiden Datensätze in Bezug aufeinander referenzieren zu können.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform werden einzelne Punkte des jeweiligen Bildes bzw. die jeweiligen Datensätze in Bezug zu einer Zeitachse korreliert. Vorzugsweise dient hierbei das EKG als Zeitachse und Bezugspunkt. Es ist jedoch ebenso möglich, hier andere Referenzpunkte zu wählen, um sozusagen ein ”Mapping” zwischen den Daten des dynamischen Bildes und den Daten des statischen Bildes generieren zu können. Da das dreidimensionale statische Bild in der Regel wesentlich mehr Matrix- bzw. Bildpunkte umfasst als das dynamische Bild (das ja üblicherweise in einer geringeren Auflösung vorliegt), werden bei dem dynamischen Bild die Referenzpunkte interpoliert, für die keine Vektorinformationen vorliegen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das statische Bild vor einem Eingriff, also prä-operativ, erfasst wird. Üblicherweise wird das dynamische Bild während einer medizinischen Prozedur erfasst, bereitgestellt und dargestellt. Alternative Ausführungsformen können es jedoch auch vorsehen, dass das statische Bild ebenso während des medizinischen Eingriffs erfasst wird. Im Rahmen einer medizinischen Diagnose kann es auch sein, dass das statische Bild und/oder das dynamische Bild nicht im Rahmen eines medizinischen Eingriffs, sondern lediglich für diagnostische Zwecke erfasst werden.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird das Verfahren nur auf Oberflächen von Körperstrukturen angewendet. Dies hat den Vorteil, dass lediglich Oberflächen dynamisiert werden.
  • In einer Variante der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Darstellung des modifizierten, statischen Bildes Navigationsinformationen bereitstellt. Mit den Navigationsinformationen wird es möglich, die operative Prozedur zu steuern. Insbesondere kann das Operationsbesteck genau positioniert und relevante Körperstrukturen lokalisiert werden. Ebenso ist eine vollautomatische, computer-gestützte Positionierung von operativen Geräten möglich. Das dargestellte modifizierte, statische Bild kann auch verwendet werden, um medizinische Instrumente (wie z. B. einen Herzkatheter) in der zu untersuchenden Körperstruktur zu identifizieren und zu lokalisieren. So ist es zum einen möglich, einen bereits implementierten Herzkatheter in seiner Position zu überprüfen. Zum anderen ist es möglich, das Neueinsetzen eines Herzkatheters im Rahmen einer interventionellen Prozedur exakt zu positionieren und zu steuern.
  • Wie vorstehend bereits erwähnt, betrifft eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung den Fall, dass sowohl das statische Bild, als auch das dynamische Bild als dreidimensionaler Datensatz vorliegen. Alternativen sehen hier jedoch für das statische Bild und/oder für das dynamische Bild auch zweidimensionale Datensätze vor.
  • Da ein Aspekt auf die Steuerung einer interventionellen Prozedur gerichtet ist, wird die dynamische Bildgebung vorzugsweise in Echtzeit ausgeführt. Dies bietet den wesentlichen Vorteil, dass im Rahmen eines operativen Eingriffs die medizinischen Strukturen (wie Herzkatheter, OP-Besteck, etc.) vollautomatisch positioniert und gesteuert werden können.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das statische Bild eine Computer-Tomographie oder eine C-Bogen-Computer-Tomographie. Bei dem dynamischen Bild handelt es sich üblicherweise um ein Ultraschallbild, beispielsweise vom Herzen. Vorzugsweise handelt es sich um ein dreidimensionales Ultraschallbild.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung können einzelne Schritte des vorstehend erwähnten Verfahrens auch iterativ und damit wiederholt ausgeführt werden. Insbesondere ist es möglich, die Vektoranalyse erneut auf dem dynamischen Bild auszuführen, die ausgeführte Vektoranalyse erneut und damit wiederholt auf das statische Bild anzuwenden und ebenso das modifizierte, statische Bild erneut und wiederholt darzustellen. Dies bietet den Vorteil, dass eine erneute Analyse möglich wird, falls sich an der Bewegung etwas ändert, ohne eine neue dreidimensionale C-Bogen-CT-Aufnahme erfassen zu müssen. Änderungen können beispielsweise durch Medikamentengaben oder im Rahmen der Operation auftreten.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Verfahren computer-gestützt ausgeführt, semi-automatisch oder vollautomatisch getriggert und/oder gesteuert. Das bedeutet, dass automatisch erfasst wird, ob zu einer Körperstruktur ein statisches und ein dynamisches Bild vorliegen. Der Arzt kann dann über eine bereitgestellte Benutzermaske befragt werden, ob er die Kombination der beiden Datensätze wünscht. Anderenfalls wird die Kombination der Datensätze automatisch bereitgestellt.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es möglich, das modifizierte, statische Bild nachzubearbeiten. Dies ist beispielsweise dann besonders von Vorteil, falls das automatisch dargestellte, modifizierte, statische Bild an einzelnen Punkten manuelle Anpassungen erfordert. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, einzelne Referenzpunkte anzupassen, um die Überlagerung bzw. Einbettung aus dem dynamischen Bild in das statische Bild zu optimieren. Dies erfolgt vorzugsweise seitens des Untersuchers von Hand. Es ist jedoch auch möglich, dass der Arzt hierbei unterstützt wird. Eine andere Art der Nachbearbeitung sieht eine manuelle oder automatische Anpassung von Größenausdehnungen vor. Ebenso liegen Hervorhebungen (farbliche Gestaltungen oder dergleichen) im Rahmen von möglichen Nachverarbeitungsschritten.
  • Eine weitere Aufgabenlösung besteht in einem System zur Darstellung von medizinischen Körperstrukturen im Bereich der interventionellen Medizin, umfassend:
    • – zumindest eine statische Modalität zur Erzeugung von statischen Bildern;
    • – zumindest eine dynamische Modalität zur Erzeugung von dynamischen Bildern;
    • – zumindest ein Berechnungsmodul zum Ausführen einer Vektoranalyse auf das dynamische Bild zum Erfassen von Bewegungsinformationen der Körperstruktur, die dann auf das statische Bild angewendet werden zum Berechnen eines modifizierten, statischen Bildes mit den Bewegungsinformationen der Körperstruktur;
    • – zumindest ein Anzeigegerät zur Darstellung des modifizierten, statischen Bildes mit zugeordneten Bewegungsinformationen der Körperstruktur, so wie es vom Berechnungsmodul bereitgestellt wird.
  • Üblicherweise steht das Berechnungsmodul in Datenaustausch mit der statischen und mit der dynamischen Modalität und mit dem Anzeigegerät. In einer einfachen Variante der Erfindung ist dieser Datenaustausch jedoch unidirektional, so dass lediglich das Übertragen der von den jeweiligen Modalitäten erfassten Bilddaten zu dem Berechnungsmodul hin ausgebildet ist.
  • Das Berechnungsmodul kann zusätzlich noch mit einem internen oder externen Speicher zur Speicherung der Vektoranalyse ausgebildet sein. Das Ergebnis der Vektoranalyse kann damit sozusagen auch extern und separat z. B. für anderen Zwecke genutzt werden.
  • Eine weitere Aufgabenlösung besteht in einer Vorrichtung zur Darstellung von medizinischen Körperstrukturen im Bereich der interventionellen Medizin, umfassend:
    • – zumindest ein Berechnungsmodul, das in Datenaustausch mit einer statischen Modalität und mit einer dynamischen Modalität steht und das zum Ausführen einer Vektoranalyse auf Datensätze des dynamischen Bildes zur Erfassung von Bewegungsinformationen der Körperstruktur ausgebildet ist und das zum Anwenden der Vektoranalyse auf das statische Bild zum Berechnen eines modifizierten, statischen Bildes mit Bewegungsinformationen der Körperstruktur ausgebildet ist.
  • Vorzugsweise kann das Berechnungsmodul in Datenaustausch mit einem Monitor stehen, um das modifizierte, statische Bild auf dem Monitor anzuzeigen.
  • Eine weitere Aufgabenlösung besteht in einem Computerprogramm, das zur Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist, falls die Befehle auf dem Computer ausgeführt werden und das Programm in dem Computer geladen ist.
  • Darüber hinaus ist es möglich, dass einzelne Komponenten des vorstehend beschriebenen Verfahrens in einer verkaufsfähigen Einheit und die restlichen Komponenten in einer anderen verkaufsfähigen Einheit – sozusagen als verteiltes System – ausgeführt werden können. So kann die Berechnungsinstanz als Bestandteil einer der statischen oder dynamischen Modalitäten ausgebildet sein, als separate Instanz dem Netzwerk hinzugefügt werden oder als Modul in eine Client/Server-Lösung integriert sein.
  • In der folgenden detaillierten Figurenbeschreibung werden nicht einschränkend zu verstehende Ausführungsbeispiele mit deren Merkmalen und weiteren Vorteilen anhand der Zeichnung besprochen. In dieser zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer statischen Bildgebung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform an einem Beispiel;
  • 2 eine beispielhafte Darstellung für eine dynamische Bildgebung am Beispiel eines transösophagealen Ultraschall-Datensatzes;
  • 3 eine Darstellung eines dynamischen Bildes mit zugeordneten und bereitgestellten Bewegungsinformationen;
  • 4 eine schematische Darstellung eines typischen Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform und
  • 5 eine Darstellung einer grundsätzlichen Struktur des erfindungsgemäßen Systems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das intelligente Kombinieren einer dynamischen Bildgebung mit niedriger Auflösung und einer statischen, hochauflösenden Bildgebung. Aus der dynamischen Bildgebung wird Bewegungsinformation auf die zu untersuchende Struktur ausgewertet bzw. extrahiert, mit der das hochauflösende (aber statisch aufgenommene) Bild bewegt wird.
  • 1 zeigt an einem Beispiel ein statisches Bild S, das mit einem C-Bogen-CT akquiriert worden ist. Von der Firma Siemens ist das Dyna-CT ein Beispiel einer C-Bogen-Modalität. Das in 1 dargestellte Beispiel zeigt eine statische, dreidimensionale Rekonstruktion des Aortenbulbus mit Aorta ascedens und Ansatz der Koronararterien im unteren Bereich. Das statische Bild S wird also üblicherweise mit einer CT- oder Dyna-CT-Modalität erfasst.
  • 2 zeigt an einem Beispiel ein dreidimensionales dynamisches Bild D am Beispiel einer Darstellung aus einem transösophagealen Ultraschall-Datensatz. In diesem Beispiel ist die Mitralklappe bei Mitralklappen-Prolaps im Fokus (rechtes Bild). Üblicherweise liegt der Ultraschall-Datensatz in einer geringeren Auflösung vor und hat ein höheres Rauschen im Vergleich zur Röntgenbildgebung. Neben einer Ultraschall-Modalität zur Erfassung des dynamischen Bildes D können auch andere dynamische Bildgebungen eingesetzt werden, wie beispielsweise optische Methoden, Infrarot und eine Durchleuchtung, sowie ebenfalls MR- und CT-Modalitäten.
  • In 4 ist ein typischer Ablauf gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Erfassung des dynamischen Bildes D und des statischen Bildes S. Alternativ können hier auch mehrfache Akquisitionsvorgänge umfasst sein. Üblicherweise wird während eines operativen Eingriffs oder zur Vorbereitung desselben ein dynamisches Bildgebungsverfahren zur Erfassung des dynamischen Bildes D ausgeführt.
  • In Schritt 10 wird eine Vektoranalyse auf die Datensätze des dynamischen Bildes D angewendet. Die Vektoranalyse dient zur Erfassung von Bewegungsinformationen der zu untersuchenden Körperstruktur.
  • In Schritt 12 werden Bewegungsinformationen zum dynamischen Bild D bereitgestellt.
  • In Schritt 14 wird die bereitgestellte Bewegungsinformation auf das statische Bild S angewendet. Dies führt dazu, dass das statische Bild S mit den erfassten Bewegungsinformationen bewegt werden kann.
  • Das mit den Bewegungsinformationen bewegte, statische Bild S wird als modifiziertes, statisches Bild in Schritt 16 auf einem Monitor M dargestellt.
  • Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft also das Einbetten der erfassten Bewegungsinformationen aus dem dynamischen Bild D in das statische Bild S, so dass das statische Bild S gemäß den Echtzeitvorgaben bewegt werden kann. Damit können die Vorteile einer hochauflösenden aber statischen Bildgebung mit den Vorteilen einer dynamischen Bildgebung in geringerer Auflösung kombiniert werden.
  • Eine alternative Aufgabenlösung besteht aus einem System, das computer-implementiert ist und zur dreidimensionalen Darstellung von medizinischen Körperstrukturen im Rahmen der interventionellen Medizin bestimmt ist. Das System umfasst eine statische Modalität zur Erzeugung von statischen Bildern S und eine dynamische Modalität zur Erzeugung von dynamischen Bildern D und ein Berechnungsmodul 18 zum Ausführen einer Vektoranalyse auf den Datensätzen des dynamischen Bildes D zur Erfassung von Bewegungsinformationen der zu untersuchenden Körperstruktur. Das System umfasst darüber hinaus üblicherweise (aber optional) ein Anzeigegerät, insbesondere einen Monitor M zur Darstellung des modifizierten, statischen Bildes, das anhand der Vorgaben der Vektoranalyse bewegt wird. Die Informationen zur Bewegung des Bildes werden von dem Berechnungsmodul 18 bereitgestellt.
  • 5 zeigt in einer schematischen Darstellung ein solches System, wobei links oben die statische Modalität zur Erfassung des statischen Bildes S und links unten die dynamische Modalität zur Erfassung des dynamischen Bildes D dargestellt ist. Beide Datensätze werden erfasst und dem Berechnungsmodul 18 zugeführt, das mittels einer Vektoranalyse aus dem dynamischen Bild D Bewegungsinformationen ableitet, um das modifizierte, statische Bild bewegt darzustellen. Die Darstellung erfolgt auf dem mit dem Bezugszeichen M gekennzeichneten Monitor.
  • 3 zeigt in einer beispielhaften Darstellung ein dynamisches Bild, in dem Bewegungsinformationen bereitgestellt werden. Als Ergebnis des Verfahrens wird das modifizierte, statische Bild als ein dynamisches, also ein bewegtes Bild, dargestellt. Es basiert auf den hochauflösenden Datensätzen des statischen Bildes S und wird entsprechend den Vorgaben des dynamischen Bildes D bewegt wird. 3 zeigt im Detail die Darstellung des dynamischen Herz-Ultraschallbildes am Beispiel einer Vektoranalyse des linken Ventrikels. Im unteren Bereich der 3 ist das EKG dargestellt, das in diesem Fall als Zeitachse und Referenzierung dient.
  • Ein wichtiger Vorteil und wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass das modifizierte, statische Bild in Echtzeit dargestellt werden kann, so dass es auch während einer Untersuchung zur Steuerung dienen kann. Im Gegensatz zu bisherigen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren können die Echtzeitinformationen dazu verwendet werden, einen Herzkatheter in Relation zur Herzanatomie auch in Echtzeit darzustellen, so dass dieser korrekt positioniert werden kann, ohne dass eine separate Durchleuchtung herangezogen werden muss.
  • Ein weiterer Vorteil gegenüber Systemen aus dem Stand der Technik ist darin zu sehen, dass die (vorzugsweise) dreidimensionalen dynamischen Informationen nun auch in hochauflösender Form verfügbar sind, sozusagen als bewegtes C-Bogen-CT-Bild, und damit dem Arzt die Behandlung oder Operation deutlich erleichtern. Ein weiterer Aspekt ist in der Echtzeitbearbeitung zu sehen. Dies ist ein besonders wichtiger Vorteil, da der Prozedurenablauf es ermöglicht, dass der Untersucher das Gerät in Echtzeit auch während des Eingriffs navigieren und steuern kann.
  • Erfindungsgemäß also der prä-operativ erfasste statische Datensatz mit den Bewegungsinformationen aus dem dreidimensionalen Echodatensatz bewegt. Zur Vorbereitung kann das dynamische (z. B. Ultraschall-)Bild auch mit den Bewegungsinformationen, die aus der Vektoranalyse abgeleitet worden sind, dargestellt werden. In 3 sind diese Bewegungsinformationen als Vektoren dem Bild überlagert dargestellt. Diese Vektoren werden anschließend auf das hochaufgelöste statische Bild S angewendet. Das bewegte (und damit nicht mehr statische) Bild wird auf dem Monitor M dargestellt. Damit wird in Echtzeit die 3D-Bildgebung mit der statischen detailgenauen 3D-Bildgebung des C-Bogen-CT fusioniert. Es wird der dynamische Informationsanteil (also die Echtzeitinformationen) aus den Ultraschalldaten gewonnen und dem C-Bogen-CT-Bild hinzugefügt bzw. aufgelagert.
  • Um das statische Bild S mit den Informationen aus dem dynamischen Bild D bewegen zu können, ist eine Referenzierung der beiden Bilder S, D notwendig. Dieser Vorgang wird auch Registrierung genannt. Vorzugsweise wird die Registrierung semi-automatisch eingeleitet, indem z. B. mehrere exakt übereinstimmende Fixpunkte oder Referenzpunkte innerhalb beider Datensätze S, D erfasst und zugeordnet werden. Alternativ dazu können Kanten in den Bilddaten zur Registrierung herangezogen werden, wie dies bereits im Stand der Technik bekannt ist und von der Anmelderin in einer separaten Patentanmeldung angemeldet worden ist. Eine weitere Alternative zur Registrierung ist die Nutzung eines Positionserkennungssystems am Ultraschallgerät. Diese Positionserkennung ist im Stand der Technik ebenfalls bekannt und basiert auf einer weiteren separaten Patentanmeldung der Anmelderin. Dabei wird z. B. der Positionssensor basierend auf elektromagnetischer Ortung eingesetzt. Es müssen das Ortungssystem und das Röntgensystem registriert werden, damit eine Überlagerung der Bilder D, S berechnet werden kann.
  • Die Ultraschalldaten umfassen einen Zeitbezug bzw. Zeitdaten (möglichst in Echtzeit). Aus diesen Daten können mittels einer Vektoranalyse, insbesondere mittels des VVI-Verfahrens Bewegungsinformationen abgeleitet werden. Der Bewegungsvektor umfasst einen Geschwindigkeitsanteil und einen Richtungsanteil in Bezug auf die jeweilige Bewegung der zu untersuchenden Körperstruktur. Damit kann die Bewegung der zu untersuchenden Körperstruktur in Echtzeit beschrieben werden. Diese Bewegungsinformation wird auf das statische Bild S angewendet. Durch Überlagerung der Bilder S, D können diese Vektoren auf den C-Bogen-CT-Datensatz S angewendet werden. Daraus kann dann ein dynamischer, hochauflösender, dreidimensionaler Datensatz (mit integrierten Bewegungsinformationen) dargestellt werden. Mit anderen Worten wird durch die Zuordnung der Bewegungsinformation zu den entsprechenden C-Bogen-CT-Daten das statische C-Bogen-CT-Modell dynamisiert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass zunächst das statische Bild S erfasst wird, und dass während des Eingriffs eine dynamische Bildgebung zur Erfassung des dynamischen Bildes D ausgeführt wird. Alternativ ist jedoch hier eine andere Abfolge der Verfahrensschritte möglich. Es ist insbesondere auch möglich, während des Eingriffes das dynamische Bild D zu erfassen und daraufhin, also zu einem späteren Zeitpunkt, das statische Bild S zu erfassen, das dann modifiziert, nämlich bewegt, dargestellt werden soll.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es möglich, dass vor dem Erfassen der Bilder S, D eine Zielregion bestimmt wird, die als zu untersuchende Körperstruktur bestimmt wird. Die zu untersuchende Körperstruktur wird dann mittels konventioneller CT- oder C-Bogen-CT-Bildgebung erfasst. Es ist möglich, hier bestimmte Zeittrigger zur Bildakquisition zu bestimmen. Zum Beispiel kann das Ende einer Diastole bei Prozeduren innerhalb der Herzhauptkammern bestimmt werden. Alternativ ist als Zeittrigger das Ende der Systole bei Prozeduren mit Fokus auf die Vorhöfe möglich. In beiden Fällen wird die jeweils größte Größenausdehnung der anatomischen Körperstruktur berücksichtigt. Daraufhin kann ein Bewegungsfeld der Zielregion bzw. der Körperstruktur bestimmt werden. Dies kann beispielsweise durch eine Sequenz der 3D-Ultraschalldaten mit deren Analyse der Bewegungsvektoren ausgeführt werden. Dabei werden die ermittelten Vektoren an den jeweiligen Referenzpunkten in den C-Bogen-CT-Datensatz in Korrelation zu einer Zeitachse eingefügt. Bei der Zeitachse kann das EKG herangezogen werden. Alternativ ist das Bereitstellen einer Referenzzeitachse möglich. Ebenso kann ein manuelles Mapping erforderlich sein, falls keine übereinstimmende Zeitstruktur ermittelt werden kann.
  • Eine Referenzierung der beiden Bilder S, D in Bezug auf die Zeit kann automatisch oder manuell erfolgen. Bei Herzanwendungen enthalten sowohl statische als auch dynamische Bilder ein EKG-Signal, das die Herzphase beschreibt und somit der zeitlichen Registrierung dient. Auch die andere wichtige Bewegung – die Atmung – kann man messen und parallel aufzeichnen.
  • In beiden Fällen ist die zeitliche Registrierung dann automatisch möglich. Bei der automatischen Referenzierung werden grundsätzlich entsprechende Fixpunkte innerhalb der beiden Bilddatensätze S, D identifiziert. Bei der manuellen Referenzierung übernimmt der Arzt diese Zuordnungsfunktion. Dabei kann der Arzt vorteilhafterweise durch eine computergestützte Oberfläche unterstützt werden.
  • Abschließend wird das registrierte Bewegungsfeld auf die statische 3D-Struktur angewendet. Dies kann z. B. durch Integration der zeitlichen Vektorbewegung in die C-Bogen-CT-Gesamtrekonstruktion erfolgen. Dieser Vorgang umfasst eine computer-gestützte und damit automatische Interpolation aller 3D-Matrix- oder Referenzpunkte innerhalb des fusionierten (und damit bewegt dargestellten) C-Bogen-CT-Datensatzes, für die keine Vektorinformationen existieren.
  • Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist auch darin zu sehen, dass lediglich nur Oberflächen von Körperstrukturen dynamisiert werden. Damit kann die Darstellung deutlich beschleunigt werden.
  • In einem letzten Schritt kann die bewegte dreidimensionale Struktur dargestellt werden.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass das modifizierte, statische Bild nachbearbeitet werden kann. Mit anderen Worten ist es also möglich, das Bestimmen des Bewegungsfeldes der Zielregion, die Registrierung der Daten und die Anwendung des registrierten Bewegungsfeldes auf die statische Struktur, sowie die visuelle Darstellung der bewegten Struktur wiederholt auszuführen. Damit wird es möglich, kleinere Korrekturen bei der Überlagerung der beiden Bilddatensätze S, D vorzunehmen. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn der Arzt erkennt, dass bei der überlagerten Darstellung des modifizierten, statischen Bildes Anomalien dargestellt sind, die beispielsweise durch eine falsche Referenzierung entstehen. Der Arzt kann dann manuell bestimmte Punkte justieren. Dies erfolgt vorzugsweise in Echtzeit und mit einer maximalen Verzögerung von 200 Millisekunden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kennzeichnet sich also durch eine Neurekonstruktion eines modifizierten Bilddatensatzes. Es handelt sich also nicht lediglich um eine bloße Fusion von unterschiedlichen Bilddatensätzen. Damit wird es für den untersuchenden oder operierenden Arzt deutlich einfacher, seine medizinischen Geräte (wie z. B. Katheter etc.) zu lokalisieren und korrekt zu positionieren.
  • Darüber hinaus wird es möglich, die gewählte Position in ihrem funktionalen Zusammenspiel im Gesamtorgan zu überprüfen. So kann beispielsweise exakt überprüft werden, ob ein Aortenklappenersatz genau an der richtigen Position im LV-Ausflusstrakt positioniert ist, so dass er weder die Koronarostien mit dem Aortenklappenersatz abdeckt, noch die benachbarte Mitralklappe in ihrer Funktion behindert.
  • Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die Sicherheit der interventionellen Prozeduren durch eine verbesserte Bildgebung deutlich erhöht werden kann. Darüber hinaus kann die Dauer der Prozeduren verringert werden, da der Arzt die Prozedur durch eine verbesserte Bildgebung schneller ausführen kann.
  • Ebenso kann auch die Strahlungsdauer und insgesamt damit die Strahlungsdosis reduziert werden.
  • Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die Beschreibung der Erfindung und die Ausführungsbeispiele grundsätzlich nicht einschränkend in Hinblick auf eine bestimmte physikalische Realisierung der Erfindung zu verstehen sind. Für einen einschlägigen Fachmann ist es insbesondere offensichtlich, dass die Erfindung teilweise oder vollständig in Soft- und/oder Hardware und/oder auf mehrere physikalische Produkte – dabei insbesondere auch Computerprogrammprodukte – verteilt realisiert werden kann.
  • Bezugszeichenliste
    • S
    Statisches Bild
    D
    Dynamisches Bild
    10
    Ausführen einer Vektoranalyse
    12
    Bereitstellen von Bewegungsinformationen zum dynamischen Bild
    14
    Anwenden der Vektoranalyse auf das statische Bild
    16
    Darstellen des modifizierten, statischen Bildes
    18
    Berechnungsmodul
    M
    Monitor

Claims (16)

  1. Verfahren zur Darstellung von medizinischen Körperstrukturen im Bereich der interventionellen Medizin, umfassend folgende Verfahrensschritte: – Erfassen eines statischen Bildes (S) der Körperstruktur in hoher Auflösung; – Ausführen einer dynamischen Bildgebung zur Erfassung eines dynamischen Bildes (D) der Körperstruktur; – Ausführen einer Vektoranalyse (10) auf Datensätzen des dynamischen Bildes (D) zur Erfassung einer Bewegung der Körperstruktur; – Anwenden (14) der Vektoranalyse auf das statische Bild (S) zum Berechnen eines modifizierten, statischen Bildes mit Bewegungsinformationen der Körperstruktur; – Darstellen (16) des modifizierten, statischen Bildes mit zugeordneten Bewegungsinformationen der Körperstruktur.
  2. Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei das statische Bild (S) prä-operativ und/oder wobei das dynamische Bild (D) während einer medizinischen Prozedur erfasst werden.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Darstellung des modifizierten, statischen Bildes Navigationsinformationen bereitstellt und/oder zur Lokalisation von medizinischen Instrumenten in der Körperstruktur im Rahmen einer medizinischen Prozedur bestimmt ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das statische Bild (S) und/oder das dynamische Bild (D) 3-dimensional sind.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die dynamische Bildgebung in Echtzeit ausgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das statische Bild (S) eine Computertomografie oder eine Aufnahme, insbesondere eine dreidimensionale Aufnahme einer interventionelle Röntgenanlage ist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das dynamische Bild (D) ein Ultraschallbild, insbesondere eine 3-dimensionales Ultraschallbild, ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Anwenden (14) der Vektoranalyse folgenden Verfahrensschritt umfasst: – Zuordnen von Daten des dynamischen Bildes (D) auf das statische Bild (S) anhand von Referenzpunkten in Korrelation zu einer Zeitachse.
  9. Verfahren nach Patentanspruch 8, wobei das Zuordnen eine Interpolation aller Matrixpunkte umfasst, für die keine Vektorinformationen vorliegen.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Vektoranalyse auf einem Axius Velocity Vector Imaging Verfahren basiert.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die statische Bildgebung, dynamische Bildgebung und die nachfolgenden Verfahrensschritte iterativ ausgeführt werden können.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Verfahren computer-gestützt ist und semiautomatisch getriggert und/oder ausgeführt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Verfahren nur auf Oberflächen von Körperstrukturen angewendet wird, so dass lediglich Oberflächen dynamisiert werden.
  14. System zur Darstellung von medizinischen Körperstrukturen im Bereich der interventionellen Medizin, umfassend: – zumindest eine statische Modalität zur Erzeugung von statischen Bildern (S); – zumindest eine dynamische Modalität zur Erzeugung von dynamischen Bildern (D); – zumindest ein Berechnungsmodul (18) zum Ausführen einer Vektoranalyse auf das dynamische Bild (D), um Bewegungsinformationen der Körperstruktur zu erfassen, wobei das Berechnungsmodul (18) die Vektoranalyse auf das statische Bild anwendet zum Berechnen eines modifizierten, statischen Bildes mit Bewegungsinformationen der Körperstruktur; – zumindest ein Anzeigegerät (M) zur Darstellung des modifizierten, statischen Bildes mit zugeordneten Bewegungsinformationen der Körperstruktur, so wie es vom Berechnungsmodul (18) bereitgestellt wird.
  15. Vorrichtung zur Darstellung von medizinischen Körperstrukturen im Bereich der interventionellen Medizin, umfassend: – Zumindest ein Berechnungsmodul (18), das in Datenaustausch mit einer statischen Modalität zur Erfassung eines statischen Bildes (S) und mit einer dynamischen Modalität zur Erfassung eines dynamischen Bildes (D) steht und das zum Ausführen einer Vektoranalyse auf das statische Bild (S) ausgebildet ist, um Bewegungsinformationen der Körperstruktur zu erfassen, wobei das Berechnungsmodul (18) ein Ergebnis der Vektoranalyse auf das statische Bild anwendet zum Berechnen eines modifizierten, statischen Bildes mit Bewegungsinformationen der Körperstruktur zum Berechnen eines modifizierten, statischen Bildes mit Bewegungsinformationen der Körperstruktur.
  16. Computerprogramm ladbar oder geladen in einen Speicher eines Computers mit von dem Computer lesbaren Befehlen zur Ausführung des Verfahrens nach den Patentansprüchen 1 bis 13, wenn die Befehle auf dem Computer ausgeführt werden.
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