DE102007013807B4

DE102007013807B4 - Verfahren zur Unterstützung der Navigation interventioneller Werkzeuge bei Durchführung von CT- bzw. MRT-gesteuerten Interventionen in einer vorgegebenen Interventionsebene

Info

Publication number: DE102007013807B4
Application number: DE102007013807.7A
Authority: DE
Inventors: Dr. Klingenbeck-Regn Klaus
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2014-11-13
Anticipated expiration: 2027-03-23
Also published as: US20080242971A1; DE102007013807A1; US9406134B2

Abstract

Verfahren zur Unterstützung der Navigation interventioneller Werkzeuge bei Durchführung von CT- bzw. MRT-gesteuerten Interventionen in einer vorgegebenen Interventionsebene (E), wobei aus der Interventionsebene (E) herausführende Richtungsabweichungen des Ist-Verlaufs eines interventionellen Werkzeugs (W) von einem vorgebbaren Soll-Verlauf (h) durch Registrierung der verkürzt dargestellten Gesamtlänge oder einer verkürzt dargestellten Teillänge dieses interventionellen Werkzeugs (W) in der 2D-Projektionsdarstellung einer fluoroskopischen Durchleuchtungsaufnahme (F3), die in einer zur Interventionsebene (E) normal verlaufenden 2D-Projektionsrichtung (p→ R) aufgenommen wurde, erfasst und zur Anzeige gebracht werden, und wobei es sich bei dem interventionellen Werkzeug (W) um eine Punktionsnadel (N) handelt, die zur Durchführung einer unter CT- bzw. MRT-gestützter bildgebender Kontrolle nach örtlicher Betäubung durchgeführten histologischen Gewebeprobenentnahme oder im Rahmen einer Tumor- bzw. Schmerztherapie verwendet wird, aufweisend die folgenden Schritte: Generierung (S1) einer 3D-Aufnahme (M) eines darzustellenden Bildobjekts (BO) bzw. Zielgebiets (ZG) oder Umrechnung (S1') präinterventionell akquirierter Bilddaten in einen Volumendatensatz einer rekonstruierten 3D-Ansicht (M') dieses Bildobjekts (BO) bzw. Zielgebiets (ZG), Festlegung (S2) der Raumkoordinaten (x1, y1 und z1) eines zu erreichenden Punktionsziels (P1) in dem akquirierten dreidimensionalen Datensatz, bezogen auf ein dreidimensionales kartesisches Ortskoordinatensystem (K) mit geeignet festgelegtem Koordinatenursprung (O), Festlegung (S3a) der Raumkoordinaten (x0, y0 und z0) einer Einstichstelle P0(x0, y0, z0) in dem dreidimensionalen kartesischen Ortskoordinatensystem (K) und Einführung (S3b) der Punktionsnadel (N) in einen zu untersuchende Gewebebereich im Zielgebiet (ZG) um einen vorgebbaren Längenbetrag in einer vorgebbaren Richtung, Generierung (S4) mindestens einer die aktuelle Lage der Punktionsnadel (N) darstellenden fluoroskopischen 2D-Durchleuchtungsaufnahme (F1 und F2) aus jeder von mindestens zwei verschiedenen Projektionsrichtungen, Detektion (S5a) und Kennzeichnung (S5b) des Ortes der Nadelspitze (P2) in den 2D-Projektionsaufnahmen (F1 und F2) dieser beiden Projektionsrichtungen, Berechnung (S6) der Ortskoordinaten (x2, y2 und z2) des Raumpunktes P2 in dem dreidimensionalen kartesischen Ortskoordinatensystem (K), ausgehend von den 2D-Positionen dieses Raumpunkts (P2) in den beiden generierten 2D-Fluoroskopiebildern (F1 und F2), ...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein im Bereich der diagnostischen und interventionellen Radiologie anzuwendendes Verfahren zur Unterstützung der Navigation interventioneller Werkzeuge bei der Durchführung von CT- bzw. MRT-gesteuerten minimal-invasiven Interventionen an inneren Organen, Gewebebereichen, Läsionen oder pathologischen Strukturen im Körperinneren eines Patienten in einer vorgegebenen Interventionsebene, welches dazu dient, die Präzision und Sicherheit interventioneller Eingriffe, die z. B. zur Durchführung einer unter CT- bzw. MRT-gestützter bildgebender Kontrolle nach örtlicher Betäubung erfolgenden histologischen Gewebeprobenentnahme (Biopsie) oder im Rahmen einer Tumor- bzw. Schmerztherapie erforderlich sind, zu verbessern. Veranschaulicht wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines einsetzbaren Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs- und Bildvisualisierungssystems.
Bei einem CT- bzw. MRT-gesteuerten interventionellen Eingriff werden zur Unterstützung und Kontrolle der Navigation dazu erforderlicher interventioneller Werkzeuge herkömmlicherweise unter fluoroskopischer Bildgebung in Echtzeit generierte 2D-Projektionsbilder von den zu behandelnden anatomischen Gewebebereichen, den verwendeten medizinischen Instrumenten und den sie umgebenden Regionen im Körperinneren eines zu behandelnden Patienten auf einem Anzeigebildschirm dargestellt. Zur Kontrolle eines solchen interventionellen Eingriffs mittels Röntgenbildgebung kann z. B. ein herkömmliches multidirektionales C-Bogen-Durchleuchtungssystem verwendet werden. Moderne C-Bogen-Geräte ermöglichen eine Rotationsakquisition von 2D-Projektionsaufnahmen abzubildender Gewebebereiche mit anschließender 3D-Rekonstruktion der akquirierten Bilddaten, welche dann in dreidimensional gerenderter Form visualisiert werden. Zu diesem Zweck wird aus den 2D-Projektionsaufnahmen der betreffenden Gewebebereiche unter Verwendung geeigneter digitaler Bildverarbeitungsfunktionen ein 3D-Datensatz errechnet. Was die Bildqualität und die Möglichkeiten der Visualisierung anbelangt, haben die resultierenden 3D-Abbildungen CT-ähnliche Eigenschaften.
In DE 10 2005 012 698 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Navigation eines medizinischen Instruments in einer Gefäßstruktur eines Körpers offenbart, bei dem die Gefäßstruktur mit Hilfe eines bildverarbeitenden System anhand eines zuvor aufgenommenen Röntgenbildes eines zu untersuchenden Teilbereichs des Körpers automatisch erkannt und die Position des Instruments mit Hilfe eines passiven Ortungssystems in Bezug zu der Gefäßstruktur ermittelt wird.
Ferner ist in DE 10 2004 061 591 B3 ein Verfahren zum Betrieb eines bildgebenden medizinischen Gerätes offenbart, bei dem die Bildverfälschung, welche aufgrund der Verformung der Patientenliege während der Patientenverschiebung auftreten kann, auf Basis der Verzerrung/Veränderung der Liegengeometrie eben durch die Verformung im aktuellen Bild (z. B. Vergrößerung der Breite/Dicke des Liegenbretts) rückgerechnet wird.
Im Bereich der interventionellen Rotationsangiografie ist in diesem Zusammenhang insbesondere eine von der Firma Siemens entwickelte Technologie zu nennen, welche unter der Produktbezeichnung syngo DynaCT bekannt geworden ist. syngo DynaCT nutzt die Aufnahmen einer Rotationsangiografie und erstellt daraus ein Angiografie-CT-Bild (ACT). Bei einer C-Bogen-Rotation von 220° erfolgt die Bildakquisition typischerweise innerhalb von ca. 5 bis 10 Sekunden. Das aufgenommene Volumen kann dann direkt im Angiografieraum dreidimensional rekonstruiert werden. Die Einsatzgebiete von syngo DynaCT reichen von der Darstellung von Blutungen oder Pathologien des Hirnkammersystems bis hin zur Führung und Überprüfung von Punktionen und Drainagesystemen. Bei der Visualisierung von Tumoren und Metastasen, z. B. in der Leber, wird syngo DynaCT darüber hinaus auch zur Unterstützung therapeutischer Maßnahmen, wie z. B. der Embolisierung oder RF-Ablation, verwendet. Da syngo DynaCT bereits während der Durchführung eines interventionellen Eingriffs CT-ähnliche Bilder liefert, muss ein zu behandelnder Patient zwecks Generierung der Bilddaten zweidimensionaler Projektionsaufnahmen, die dann in einen Volumendatensatz umgerechnet und in grafischer Form zur Anzeige gebracht werden müssen, nicht mehr extra in einen Computertomografen umgelagert werden.
Alternativ zu syngo DynaCT können auch CT-, PET-CT- bzw. MRT-gestützte radiologische Bildgebungsverfahren zum Einsatz kommen, mit deren Hilfe Bilddaten zweidimensionaler Projektionsaufnahmen von interessierenden Gewebebereichen, Organen, Läsionen, anatomischen oder pathologischen Strukturen im Körperinneren eines zu behandelnden Patienten präinterventionell gewannen werden. Diese Bilddaten müssen dann erst in einen Volumendatensatz einer rekonstruierten 3D-Ansicht M der betreffenden Bildobjekte umgerechnet, mit den Bilddaten eines 2D-Fluoroskopiebildes F, welches die umliegenden Gewebebereiche dieser Bildobjekte zeigt, koregistriert, fusioniert und mit diesem zusammen grafisch visualisiert werden, bevor ein unter bildgebender Kontrolle durchzuführender interventioneller Eingriff erfolgen kann.
Zur Koregistrierung (engl.: „matching”) der beiden Bilder M und F müssen für die unter Umständen auf unterschiedliche Ortskoordinatensysteme bezogenen Datensätze eines in den beiden Abbildungen dargestellten identischen Bildobjekts BO die Lageversatz- und Winkelversatzparameter einer zwei- oder dreidimensionalen Koordinatentransformation ermittelt werden, welche die Koordinaten des einen Datensatzes in die Koordinaten des jeweils anderen Datensatzes überführt und somit die beiden Darstellungen des betreffenden Bildobjekts BO miteinander zur Deckung bringt. Um die Qualität dieser Überführung (d. h. die Güte der Bildüberlagerung bei einer Fusionierung beider Datensätze) zu optimieren, wird eine über einem Parameterraum definierte Bewertungsfunktion (Metrik) gebildet und einem durch eine Extremalbedingung ausdrückbaren Optimierungskriterium unterzogen, mit dessen Hilfe dann die Lageversatz- und Winkelversatzparameter gefunden werden können, für die die beiden Darstellungen des Bildobjekts BO am besten überlagert sind. Anders ausgedrückt, nimmt die Bewertungsfunktion also ihr Optimum für den Fall an, dass die beiden Datensätze korrekt registriert sind.
Zur Ermittlung der Lageversatz- und Winkelversatzparameter dienen dabei bestimmte Bildmerkmale (im Folgenden auch als „anatomische Landmarken” bezeichnet), die in den beiden zu matchenden Datensätzen des jeweiligen Bildobjekts BO enthalten sind und in einen räumlichen Zusammenhang zueinander gebracht werden können. Handelt es sich bei diesen Landmarken um künstlich angebrachte Markierungsobjekte, wird von „extrinsischer” Registrierung gesprochen. Hierbei wird vor der Bildaufnahme ein in den Bilddaten leicht zu detektierendes System von Orientierungspunkten am Patienten angebracht. Diese Fixpunkte lassen sich anschließend mathematisch relativ einfach in einen gemeinsamen Kontext bringen. In den meisten Fallen liegen die Bilddaten allerdings ohne künstlich hinzugefügte Landmarken vor. In diesem Fall handelt es sich um den Fall einer „intrinsischen” Registrierung. Die benötigten Bildmerkmale müssen dabei oft durch bildanalytische Verfahren gewonnen werden. Dies geschieht entweder durch Detektion anatomischer Landmarken, wobei es sich zum Beispiel um Kanten oder Oberflächen von Knochen, inneren Organen oder deutlich abgrenzbaren Gewebebereichen im Körperinneren des Patienten handeln kann, oder es findet vor dem Matching eine Segmentierung bestimmter Bildmerkmale statt, die in beiden Datensätzen enthalten sind. Intrinsische Bildmerkmale werden beispielsweise im Rahmen voxelbasierter Matchingverfahren verwendet, welche im letzten Jahrzehnt im Zuge der Erforschung intensitätsbasierter Algorithmen, die auf einer Auswertung von „Mutual Information” I(G₁, G₂) als Bewertungskriterium zur Quantifizierung der Güte einer Registrierung basieren, stark an Bedeutung gewonnen haben. Das durch den nachfolgenden Ausdruck
gegebene Registrierungsmaß basiert auf der Kullback-Leiber-Divergenz (KLD) zwischen den zugehörigen Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen p_G1(g₁) und p_G2(g₂) der Grauwert-Verteilungen in den Datensätzen G₁ und G₂ zweier gemeinsam zu registrierender Bilder, wobei mit g₁ und g₂ zwei diskrete Zufallsvariablen für die enthaltenen Grauwerte in diesen beiden Bildern bezeichnet sind. Die Kullback-Leiber-Divergenz auf der rechten Seite der Formel liefert dabei eine Aussage darüber, wie stark die eine Verteilung von der anderen Verteilung abweicht, da sie ein Maß für die gegenseitige Abhängigkeit der beiden Zufallsvariablen g₁ und g₂ darstellt, welches für den Fall größtmöglicher statistischer Abhängigkeit (d. h. bei einer optimalen Registrierung) maximal und für den Fall völliger statistischer Unabhängigkeit (d. h. bei einer absoluten Fehlregistrierung) minimal ist. Da für die Ermittlung von I(G₁, G₂) lediglich die Grauwertinformation akquirierter Bilddaten herangezogen wird, ist hierzu prinzipiell kein a priori-Wissen oder eine Bildanalyse notwendig.
Der große Vorteil von syngo DynaCT gegenüber herkömmlichen Bildakquisitions- und Bildregistrierungssystemen besteht darin, dass visualisierte syngo DynaCT-Bilddatensätze aktuelle 3D-Ansichten von darzustellenden Bildobjekten im Körperinneren eines Patienten wiedergeben, die bereits auf das Ortskoordinatensystem eines 2D-Fluoroskopiebildes der umliegenden Gewebebereiche dieses Bildobjekts bezogen und mit dem 2D-Fluoroskopiebild optimal registriert sind, so dass die Verwendung anatomischer Landmarken zur Koregistrierung dreidimensional rekonstruierter Ansichten präinterventionell akquirierter Bilddaten des Bildobjekts mit den Bilddaten des 2D-Fluoroskopiebildes sowie die Verwendung eines intensitätsbasierten Registrierungsmaßes zur Quantifizierung der Güte dieser Registrierung entfallen können.
Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik, ist die vorliegende Erfindung der Aufgabe gewidmet, die Präzision und Sicherheit CT- bzw. MRT-gesteuerter, minimal-invasiver interventioneller Eingriffe durch Verbesserung der Zielgenauigkeit bei der Führung eines unter bildgebender Kontrolle geführten interventionellen Werkzeugs (wie z. B. einer Punktionsnadel) zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele, die den Gedanken der Erfindung weiterbilden, sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich gemäß einem ersten Aspekt auf ein Verfahren zur Unterstützung der Navigation interventioneller Werkzeuge bei Durchführung von CT- bzw. MRT-gesteuerten Interventionen an inneren Organen, Gewebebereichen, Läsionen oder pathologischen Strukturen im Körperinneren eines Patienten in einer vorgegebenen Interventionsebene. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass aus der Interventionsebene herausführende Richtungsabweichungen des Ist-Verlaufs eines interventionellen Werkzeugs von einem vorgebbaren Soll-Verlauf durch Registrierung der verkürzt dargestellten Gesamtlänge oder einer verkürzt dargestellten Teillänge dieses interventionellen Werkzeugs in der 2D-Projektionsdarstellung einer fluoroskopischen Durchleuchtungsaufnahme, die in einer zur Interventionsebene normal verlaufenden 2D-Projektionsrichtung aufgenommen wurde, erfasst und zur Anzeige gebracht werden.
Die erfassten Richtungsabweichungen des interventionellen Werkzeugs können dabei erfindungsgemäß in eine Stellgröße zur Ansteuerung eines Aktuatorsystems umsetzt werden, das die Richtungsabweichungen durch Gegensteuerung kompensiert. Bei dem interventionellen Werkzeug kann es sich wiederum z. B. um eine Punktionsnadel handeln, die zur Durchführung einer unter CT- bzw. MRT-gestützter bildgebender Kontrolle nach örtlicher Betäubung durchgeführten histologischen Gewebeprobenentnahme oder im Rahmen einer Tumor- bzw. Schmerztherapie verwendet wird, und das Aktuatorsystem kann, wie bereits beschrieben, Teil eines steuerbaren Punktionsroboters sein, der zur zielgenauen Führung der Punktionsnadel beim Nadelvorschub verwendet wird.
Nach Generierung einer 3D-Aufnahme eines darzustellenden Bildobjekts oder Zielgebiets bzw. nach Umrechnung präinterventionell akquirierter Bilddaten in einen Volumendatensatz einer rekonstruierten 3D-Ansicht dieses Bildobjekts oder Zielgebiets werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst die Raumkoordinaten eines zu erreichenden Punktionsziels P₁ in dem akquirierten dreidimensionalen Datensatz und die Raumkoordinaten einer Einstichstelle P₀, bezogen auf ein dreidimensionales kartesisches Ortskoordinatensystem mit geeignet festgelegtem Koordinatenursprung, festgelegt. Danach wird die Punktionsnadel in einen zu untersuchende Gewebebereich im Zielgebiet um einen vorgebbaren Längenbetrag in einer vorgebbaren Richtung eingeführt, woraufhin erfindungsgemäß mindestens eine die aktuelle Lage der Punktionsnadel darstellende fluoroskopische 2D-Durchleuchtungsaufnahme aus jeder von mindestens zwei verschiedenen Projektionsrichtungen generiert wird. Nach Detektion und Kennzeichnung des Ortes der Nadelspitze in den 2D-Projektionsaufnahmen dieser beiden Projektionsrichtungen werden dann die Ortskoordinaten des zugehörigen Raumpunkts P₂ in dem dreidimensionalen kartesischen Ortskoordinatensystem, ausgehend von den 2D-Positionen dieses Raumpunkts in den beiden generierten 2D-Fluoroskopiebildern, berechnet. Im Anschluss daran ist gemäß diesem Verfahren vorgesehen, dass die 2D-Positionen eines weiteren, geeignet festgelegten Raumpunktes P₃ der Punktionsnadel in den 2D-Projektionsaufnahmen der beiden Projektionsrichtungen geschätzt werden und der Ort dieses weiteren Raumpunkts in den beiden generierten 2D-Projektionsaufnahmen gekennzeichnet wird. Daraufhin werden dann die Ortskoordinaten dieses weiteren Raumpunktes P₃ in dem dreidimensionalen kartesischen Ortskoordinatensystem, ausgehend von den geschätzten 2D-Positionen des betreffenden Raumpunktes in den beiden generierten 2D-Fluoroskopiebildern, berechnet. Das Verfahren endet dann damit, dass die geschätzte Lage des weiteren Raumpunktes P₃ solange durch iterative Veränderung seiner Position nachjustiert wird, bis die Richtungen der 2D-Projektionen einer die Raumpunkte P₂ und P₃ miteinander verbindenden Raumgerade mit den projizierten Raumrichtungen der Punktionsnadel in den beiden generierten 2D-Fluoroskopiebildern bis auf einen vorgebbaren Abweichungsbetrag übereinstimmen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann dabei vorgesehen sein, dass die Generierung der mindestens einen die aktuelle Lage der Punktionsnadel darstellenden fluoroskopischen 2D-Durchleuchtungsaufnahme aus jeder der mindestens zwei verschiedenen Projektionsrichtungen entweder mit Hilfe eines C-Bogen-Röntgenaufnahmegeräts oder mit Hilfe einer Zwei-Ebenen-Durchleuchtungsanlage (Biplansystem) durchgeführt wird.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zwei punktförmige Objektmarkierungen detektiert werden, welche an den durch die beiden Raumpunkte P₂ und P₃ festgelegten Stellen an der Spitze bzw. auf der Oberfläche der Punktionsnadel angebracht sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Unterstützung der Navigation interventioneller Werkzeuge bei Durchführung von CT- bzw. MRT-gesteuerten Interventionen in einer vorgegebenen Interventionsebene mit Hilfe einer Zwei-Ebenen-Durchleuchtungsanlage (Biplansystem). Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass aus der Interventionsebene herausführende Richtungsabweichungen des Ist-Verlaufs eines interventionellen Werkzeugs von einem vorgebbaren Soll-Verlauf durch Registrierung zweier Winkelbeträge in den 2D-Projektionsdarstellungen zweier fluoroskopischer Durchleuchtungsaufnahmen, die in zwei verschiedenen, zur Interventionsebene normal verlaufenden Projektionsebenen aufgenommen wurden, erfasst und zur Anzeige gebracht werden, wobei es sich bei den beiden Winkelbeträgen um die Richtungsabweichungen zwischen einer durch 2D-Projektion der Interventionsebene in der betreffenden Projektionsebene abgebildeten Sollgeraden und dem in diese Projektionsebene projizierten Ist-Verlauf des interventionellen Werkzeugs handelt.
Die erfassten Richtungsabweichungen des interventionellen Werkzeugs können dabei erfindungsgemäß in eine Stellgröße zur Ansteuerung eines Aktuatorsystems umsetzt werden, das die Richtungsabweichungen durch Gegensteuerung kompensiert. Bei dem interventionellen Werkzeug kann es sich wiederum z. B. um eine Punktionsnadel handeln, die zur Durchführung einer unter CT- bzw. MRT-gestützter bildgebender Kontrolle nach örtlicher Betäubung durchgeführten histologischen Gewebeprobenentnahme oder im Rahmen einer Tumor- bzw. Schmerztherapie verwendet wird, und das Aktuatorsystem kann, wie bereits beschrieben, Teil eines steuerbaren Punktionsroboters sein, der zur zielgenauen Führung der Punktionsnadel beim Nadelvorschub verwendet wird.
Nach Generierung einer die aktuelle Lage der Punktionsnadel darstellenden fluoroskopischen 2D-Durchleuchtungsaufnahme in einer ersten, zur Interventionsebene normal verlaufende Projektionsebene wird dabei zunächst die Nadelführungsrichtung in dieser ersten Projektionsebene erfasst. Bei Detektion einer einen vorgebbaren Winkelbetrag überschreitenden Richtungsabweichung zwischen dem tatsächlichen Einstichpfad der Nadel und einem idealen Einstichpfad, der durch den Verlauf einer durch 2D-Projektion der Interventionsebene in die erste Projektionsebene abgebildeten Sollgeraden vorgegeben ist, wird die Nadelführungsrichtung dann auf einen Wert nachjustiert, der entweder einen vorgegebenen Winkelbetrag unterschreitet oder die vorgenannte Richtungsabweichung in dieser ersten Projektionsebene vollständig kompensiert. Nach Generierung einer weiteren, die aktuelle Lage der Punktionsnadel darstellenden fluoroskopischen 2D-Durchleuchtungsaufnahme in einer zweiten, zur Interventionsebene normal verlaufende Projektionsebene wird dann zunächst die Nadelführungsrichtung in dieser zweiten Projektionsebene erfasst. Bei Detektion einer einen vorgebbaren Winkelbetrag überschreitenden Richtungsabweichung zwischen dem tatsächlichen Einstichpfad der Nadel und einem idealen Einstichpfad, der durch den Verlauf einer durch 2D-Projektion der Interventionsebene in die zweite Projektionsebene abgebildeten Sollgeraden vorgegeben ist, wird die Nadelführungsrichtung auf einen Wert nachjustiert, der entweder einen vorgegebenen Winkelbetrag unterschreitet oder die vorgenannte Richtungsabweichung in dieser zweiten Projektionsebene vollständig kompensiert. Die vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte zur Erfassung und Nachjustierung der Nadelführungsrichtung in den beiden Projektionsebenen werden dann solange iterativ wiederholt, bis der Einstichpfad der Punktionsnadel mit einem in der Interventionsebene verlaufenden Sollpfad ohne Abweichung bzw. bis auf einen vorgebbaren Winkelbetrag übereinstimmt.
Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen sein, dass anstelle der Interventionsebene der Normalenvektor dieser Ebene in die zweite Projektionsebene hineinprojiziert wird und die Navigation der Punktionsnadel in der Interventionsebene bei Erfassung einer einen vorgebbaren Winkelbetrag überschreitenden Richtungsabweichung zwischen dem tatsächlichen Einstichpfad der Nadel und dem durch den Verlauf eines zu dem Normalenvektor orthogonalen Richtungsvektors vorgegebenen idealen Einstichpfad (Sollpfad) an die Richtung dieses Richtungsvektors angepasst wird, so dass die Regelabweichung in der fluoroskopischen 2D-Durchleuchtungsaufnahme der zweiten Projektionsebene nach erfolgter Nachjustierung kleiner als der vorgegebene Winkelbetrag ist bzw. der Einstichpfad im günstigsten Fall mit dem Sollpfad übereinstimmt.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen, welche in den folgenden Zeichnungen abgebildet sind:
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs- und Bildvisualisierungssystems gemäß vorliegender Erfindung, das zur CT- bzw. MRT-gestützten bildgebenden Kontrolle unter Lokalanästhesie durchgeführter minimal-invasiver Interventionen an inneren Organen, Gewebebereichen, Läsionen oder pathologischen Strukturen eines Patienten verwendet wird, und
2 und 3 zeigen am Beispiel einer CT-gesteuerten Nadelpunktion zwei verschiedene Varianten eines Ablaufdiagramms zur Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur gemeinsamen Registrierung und Visualisierung akquirierter Bilddaten, die im Rahmen eines CT- bzw. MRT-gesteuerten minimal-invasiven interventionellen Eingriffs benötigt werden.
In den folgenden Abschnitten werden die Systemkomponenten des erfindungsgemäßen Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs- und Bildvisualisierungssystems und die Schritte des zugehörigen erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der beigefügten Zeichnungen ohne Beschränkung der Allgemeinheit am Beispiel einer Nadelpunktion im Detail beschrieben.
In 1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Bildverarbeitungs-, Bildvisualisierungs- und Bildarchivierungssystems gemäß vorliegender Erfindung dargestellt, welches es ermöglicht, von einem Bildgebungssystem BGS generierte Bilddaten von inneren Organen, interessierenden Gewebebereichen, pathologischen Strukturen, eingeführten interventionellen Werkzeugen, medizintechnischen Instrumenten, Implantaten etc. im Körperinneren eines zu untersuchenden Patienten zum Einen in Form von zweidimensionalen fluoroskopischen Durchleuchtungsaufnahmen aus verschiedenen Projektionsrichtungen und zum Anderen in Form von dreidimensional rekonstruierten Datensätzen zu erfassen, zu archivieren und entweder getrennt oder in Form koregistrierter und fusionierter grafischer Darstellungen auf dem Anzeigebildschirm AB eines Bildschirm-Terminals zu visualisieren. Als bildgebendes System BGS kann dabei z. B. ein herkömmliches CT- oder MRT-Gerät, ein C-Bogen-Röntgenaufnahmegerät oder eine Zwei-Ebenen-Durchleuchtungsanalage (Biplansystem) verwendet werden.
Wie in 1 skizziert, werden die vom bildgebenden System BGS generierten Bilddaten über eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle I/O einem Bildverarbeitungssystem BVS zugeführt. Das Bildverarbeitungssystem BVS kann dabei neben einer zentralen Steuerungseinrichtung ZSE, welche den Datenaustausch mit dem Bildgebungssystem BGS sowie den Datenaustausch zwischen den einzelnen Systemkomponenten des Bildverarbeitungssystem BVS steuert, unter anderem ein Vorverarbeitungsmodul VVM mit einem digitalen Filter zur Rauschunterdrückung, Kontrastverbesserung und Kantendetektion umfassen. Eine in das Bildverarbeitungssystem BVS integrierte 3D-Bildrendering-Applikation BRA dient zur Generierung von rekonstruierten 3D-Ansichten sowie zur grafischen Visualisierung darzustellender Gewebebereiche. Darüber hinaus umfasst das Bildverarbeitungssystem BVS auch ein eingangsseitig mit den Datenausgängen des Vorverarbeitungsmoduls VVM und der 3D-Bildrendering-Applikation BRA verbundenes Bildvisualisierungs-Tool BVT sowie ein in dieses Bildvisualisierungs-Tool BVT integriertes Navigationshilfe-Tool NHT, welches aus einer Interventionsebene E herausführende Richtungsabweichungen des Ist-Verlaufs einer Punktionsnadel N von einem vorgebbaren Soll-Verlauf durch Registrierung der verkürzt dargestellten Gesamtlänge oder einer verkürzt dargestellten Teillänge dieses interventionellen Werkzeugs in der 2D-Projektionsdarstellung einer fluoroskopischen Durchleuchtungsaufnahme, die in einer zur Interventionsebene E normal verlaufenden 2D-Projektionsrichtung p →_R aufgenommen wurde, erfasst und auf dem Anzeigebildschirm AB des Bildschirm-Terminals zur Anzeige bringt.
Wie in 1 dargestellt, kann die Punktionsnadel N entweder manuell von einem behandelnden Arzt oder von einem Punktionsroboter R geführt und gesteuert werden. Eine in das Bildverarbeitungssystem BVS integrierte Reglungs- und Steuerungseinheit R&S sorgt erfindungsgemäß dafür, dass die über das Navigationshilfe-Tool NHT erfassten Richtungsabweichungen der Punktionsnadel N in eine Stellgröße zur Ansteuerung eines zur Steuerung eines Roboterarms verwendeten Aktuatorsystems AS umgesetzt werden, das die Richtungsabweichungen durch Gegensteuerung kompensiert. Der Roboterarm kann dabei im Idealfall sowohl verschiebbar als auch schwenkbar ausgelegt sein, um Bewegungen in bis zu drei translatorischen (x, y, z) und drei rotatorischen Freiheitsgraden (φ_x, φ_y, φ_z) ausführen zu können und somit in der Lage zu sein, die Punktionsnadel N zielgenau zu einer vorgesehenen Einstichstelle zu steuern und eine vom Arzt oder der Regelungs- und Steuerungseinheit R&S vorgegebene Richtung des Einstichpfads in dem zu punktierenden Gewebe mit hoher Präzision einzuhalten.
Immer dann, wenn Bilddaten von dem CT- bzw. MRT-Gerät generiert und dem Bildverarbeitungssystem BVS über eine Eingabeschnittstelle bereitgestellt werden, können diese, veranlasst durch die zentrale Steuerungseinrichtung ZSE, nach Abschluss der Vorverarbeitung in Vorbereitung für eine spätere grafischen Visualisierung je nach Systemkonfiguration temporär oder persistent in einem Bilddatenspeicher einer externen Speichereinheit SE gespeichert werden, wo sie in ein patientenspezifisches Untersuchungsprotokoll einer Protokolldatei geschrieben werden, welche in einem Speicherbereich der Speichereinheit SE hinterlegt ist. Neben den im Rahmen des Bildgebungsprozesses akquirierten Bilddaten können auch sämtliche Aufnahmeparameter, die von einem die Untersuchung durchführenden Radiologen manuell eingestellt wurden, sowie alle Darstellungs- und Rekonstruktionsparameter, die zur Visualisierung rekonstruierter 3D-Ansichten von bestimmten Gewebebereichen im Körperinneren des Patienten benötigt werden, in einem standardisierten Datenformat (z. B. im DICOM-Format) über eine Datenausgabeschnittstelle DATA_OUT des Bildverarbeitungssystems BVS in das patientenspezifische Untersuchungsprotokoll der extern gespeicherten Protokolldatei geschrieben werden. Zur grafischen Visualisierung können die gespeicherten Bilddaten, Aufnahme- und Rekonstruktionsparameter dann über eine Dateneingabeschnittstelle DATA_IN des Bildverarbeitungssystems BVS in einen nicht dargestellten, lokalen Temporärspeicher des Bildvisualisierungs-Tools BVT geladen werden.
Wie aus 1 ersichtlich, werden dem Bildvisualisierungs-Tool BVT einerseits die mittels fluoroskopischer Bildgebung akquirierten und von dem Vorverarbeitungsmodul VVM gefilterten Bilddaten zweidimensionaler Schnittbilder zu untersuchender Gewebebereiche zugeführt und andererseits Bilddaten rekonstruierter, mit Hilfe der 3D-Bildrendering-Applikation BRA rekonstruierter 3D-Ansichten interessierender Bereiche aus dem Körperinneren Patienten, die dann auf dem Anzeigebildschirm AB des Bildschirm-Terminals in grafischer Form visualisiert werden. Zur Archivierung werden die akquirierten und rekonstruierten Bilddaten über die eingangs erwähnte Datenausgabeschnittstelle DATA_OUT des Bildverarbeitungssystems BVS (z. B. unter Verwendung des DICOM-Formats) in das patientenspezifische Untersuchungsprotokoll der in der externen Speichereinheit SE hinterlegten Protokolldatei geschrieben und dort abrufbar und persistent gespeichert.
In 2 ist ein Ablaufdiagramm dargestellt, anhand dessen das erfindungsgemäße Verfahren zur CT- bzw. MRT-gestützten bildgebenden Kontrolle interventioneller Eingriffe an inneren Organen, Gewebebereichen, Läsionen oder pathologischen Strukturen eines Patienten, welches mit Hilfe des in 1 skizzierten Bildakquisitions-, Bildverarbeitungs- und Bildvisualisierungssystems durchgeführt wird, am Beispiel einer CT-gesteuerten histologischen Gewebeprobenentnahme (Biopsie) mit einer Punktionsnadel N veranschaulicht wird. Als bildgebendes System kann dazu z. B. ein herkömmliches multidirektionales C-Bogen-Röntgenaufnahmegerät verwendet werden. Das Verfahren beginnt damit, dass eine 3D-Aufnahme M eines darzustellenden Bildobjekts BO oder eines interessierenden Zielgebiets ZG erstellt (S1) wird, z. B. mittels syngo DynaCT. Alternativ dazu können auch präinterventionell akquirierte Bilddaten in einen Volumendatensatz einer rekonstruierten 3D-Ansicht M' des betreffenden Bildobjekts BO bzw. Zielgebiets ZG umgerechnet werden (S1'), die später gegebenenfalls mit den Bilddaten eines oder mehrerer, aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen aufgenommener 2D-Fluoroskopiebilder, welche die umliegenden Gewebebereiche dieses Bildobjekts oder Zielgebiets zeigen, koregistriert, fusioniert und mit diesen zusammen aus verschiedenen Blickwinkeln grafisch visualisiert werden können. In einem folgenden Schritt (S2) wird in dem generierten 3D-Datensatz ein z. B. durch drei kartesische Ortskoordinaten x₁, y₁ und z₁ beschriebenes Punktionnziel P₁(x₁, y₁, z₁) (wiederum z. B. mit Hilfe der syngo DynaCT-Applikation) als Schnittpunkt von drei paarweise zueinander orthogonalen Schnittebenen festgelegt, bei denen es sich um die Projektionsebenen dreier durch multiplanare Reformation aus einem Volumendatensatz rekonstruierter 2D-Projektionen in einem dreidimensionalen kartesischen Ortskoordinatensystem handelt. Der den interventionellen Eingriff durchführende Arzt legt dann eine geeignete Einstichstelle P₀(x₀, y₀, z₀) fest (S3a) und führt die Punktionsnadel N in einer bestimmten Richtung ein Stück weit in das zu untersuchende Gewebe ein (S3b). Im Anschluss daran wird aus jeder von mindestens zwei verschiedenen Angulationsrichtungen des verwendeten C-Bogen-Röntgenaufnahmegeräts mindestens eine die aktuelle Lage der Punktionsnadel N darstellende fluoroskopische 2D-Durchleuchtungsaufnahme (F₁ und F₂) generiert (S4). In den 2D-Projektionsaufnahmen dieser beiden Angulationsrichtungen wird dann die Spitze der Punktionsnadel N manuell oder mit Hilfe eines Mustererkennungsalgorithmus detektiert (S5a) und als Punktobjekt gekennzeichnet (S5b), z. B. durch farbliche Hervorhebung dieses Punktobjekts und/oder durch ein Textlabel „P₂”. Da sowohl die Geometrie als auch die aktuelle Position der Detektorfläche des C-Bogen-Geräts bekannt sind, können aus den 2D-Positionen der Nadelspitze in den beiden generierten 2D-Fluoroskopiebildern F₁ und F₂ die kartesischen Ortskoordinaten x₂, y₂ und z₂ des zugehörigen Raumpunkts P₂(x₂, y₂, z₂) in einem dreidimensionalen kartesischen Ortskoordinatensystem K mit geeignet festgelegtem Koordinatenursprung O errechnet werden (S6). Im Anschluss daran werden die 2D-Positionen eines weiteren, geeignet festgelegten Raumpunktes P₃(x₃, y₃, z₃) der Punktionsnadel N in den 2D-Projektionsaufnahmen der beiden Angulationsrichtungen geschätzt (S7a) und ähnlich wie in Schritt S5 in Form eines weiteren Punktobjekts markiert (S7b), wiederum z. B. durch farbliche Hervorhebung dieses Punktobjekts und/oder durch ein Textlabel „P₃”. Wie in Schritt S6 werden dann aus den 2D-Positionen dieses weiteren Punktobjekts in den beiden generierten 2D-Fluoroskopiebildern F₁ und F₂ die kartesischen Ortskoordinaten x₃, y₃ und z₃ des Raumpunkts P₃(x₃, y₃, z₃) in dem durch das kartesische Ortskoordinatensystem aufgespannten 3D-Raum errechnet (S8). Da Schritt S7a jedoch nur auf einer Schätzung beruht, kann es sein, dass es sich bei dem Raumpunkt P₃(x₃, y₃, z₃) tatsächlich nur um einen Punkt in unmittelbarer Nähe der Punktionsnadel N und nicht um einen auf der Punktionsnadel N liegenden Punkt handelt. Aus diesem Grund werden die Ortskoordinaten des Raumpunktes P₃(x₃, y₃, z₃) nun mit Hilfe eines iterativen Verfahrens schrittweise feinjustiert. Zu diesem Zweck werden die beiden Punkte P₂(x₂, y₂, z₂) und P₃(x₃, y₃, z₃) in einem Schritt S9 mit einer durch die Parametergleichung
gegebenen Raumgeraden g miteinander verbunden, deren Richtungsvektor r →_g ≡ P →₂P →₃ = OP →₃ – OP →₂ die Raumrichtung einer „virtuellen Nadel” bildet, welche mit der Raumrichtung der (reellen) Punktionsnadel N in erster Näherung übereinstimmt. Im Anschluss daran wird die Raumgerade g in die beiden 2D-Fluoroskopiebilder F₁ und F₂ hineinprojiziert (S10a). Sofern die Richtungen beider 2D-Projektionen der Raumgerade g mit den projizierten Raumrichtungen der (reellen) Punktionsnadel N in den beiden 2D-Fluoroskopiebildern F₁ und F₂ bis auf eine vorgegebene tolerierbare Abweichung übereinstimmen, was über eine Abfrage (S10b) ermittelt wird, kann das Verfahren unmittelbar mit dem nächsten Schritt (S11) fortgesetzt werden. Andernfalls wird die Lage des Raumpunktes P₃(x₃, y₃, z₃) der virtuellen Nadel N so lange durch iterative Veränderung nachjustiert (S10c), bis die Richtungen beider 2D-Projektionen der Raumgerade g mit den projizierten Raumrichtungen der reellen Punktionsnadel N in den beiden 2D-Fluaroskopiebildern F₁ und F₂ bis auf einen vorgebbaren Abweichungsbetrag übereinstimmen. In dem darauf folgenden Schritt S11 wird dann die Angulationsrichtung des C-Bogens so festgelegt, dass die Projektionsrichtung p →_R der fluoroskopischen Durchleuchtung parallel zum Normalenvektor
einer in der Parameterform
bzw. in der Hesseschen Normalform
gegebenen Interventionsebene E verläuft, deren Aufpunktvektor a →_E durch den Ortsvektor OP →₁ des Raumpunktes P₁(x₁, y₁, z₁) in dem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem K beschrieben wird und die von zwei Richtungsvektoren r →_E1 und r →_E2 aufgespannt wird, welche durch den Differenzvektor P →₁P →₂ zwischen den Ortsvektoren OP →₁ und OP →₂ des durch die beiden Raumpunkte P₁(x₁, y₁, z₁) und P₂(x₂, y₂, z₂) gegebenen Punktepaares bzw. durch den Differenzvektor P →₁P →₃ zwischen den Ortsvektoren OP →₁ und OP →₃ des durch die beiden Raumpunkte P₁(x₁, y₁, z₁) und P₃(x₃, y₃, z₃) gegebenen Punktepaares in diesem Koordinatensystem K gebildet werden. Das System prüft dabei automatisch, ob eine mögliche Kollision des C-Bogens vorliegt (S12). Sofern dies nicht der Fall ist, kann eine entsprechende Angulationsrichtung automatisch eingestellt werden (S13a), oder es wird eine Information an den Arzt ausgegeben, welche beinhaltet, welche Angulationsrichtung der Arzt manuell einstellen soll (S13a'). Bei Vorliegen eines Kollisionsbedingung wird der Arzt vom System darüber informiert, und es werden Vorschläge dahingehend unterbreitet, welche Einstellungen vorzunehmen sind, damit die CT-gestützte Untersuchung kollisionsfrei durchgeführt werden kann. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Ortskoordinaten x₁, y₁ und/oder z₁ des Punktionsziels P₁(x₁, y₁, z₁) variiert werden (S13b). Der neue Zielpunkt muss natürlich innerhalb des interessierenden Zielgebiets ZG liegen und von dem behandelnden Arzt akzeptiert werden, bevor er von dem System übernommen werden kann. Alternativ dazu kann auch eine neue Einstichstelle P₀(x₀, y₀, z₀) der Punktionsnadel N vorgeschlagen werden (S13b'), die wiederum erst von dem behandelnden Arzt akzeptiert werden muss. In letzterem Fall müssen dann die Schritte S3 bis S13a/b bzw. S13a'/b' wiederholt werden. Wenn schließlich die Angulationsrichtung des C-Bogens so eingestellt ist, dass die Durchleuchtung parallel zum Normalenvektor n →_E der Interventionsebene E erfolgt, wird das Dreieck ΔP₁P₂P₃ in das bei dieser Durchleuchtung generierte Fluoroskopiebild F₃ hineinprojiziert. Um die verschiedenen geometrischen Elemente – d. h. die drei Raumpunkte P₁, P₂ und P₃, das Dreieck ΔP₁P₂P₃, die die beiden Raumpunkte P₂ und P₃ verbindende Raumgerade g und/oder die Interventionsebene E, in der die drei Raumpunkte P₁, P₂ und P₃ liegen – zu kennzeichnen, können bei einer grafischen Visualisierung auf dem Anzeigebildschirm eines Bildschirm-Terminals z. B. verschiedene Farben verwendet werden.
Darüber hinaus kann auch eine durch die nachfolgende Parametergleichung
gegebene, in der Interventionsebene E liegende Gerade h eingezeichnet werden, welche die beiden Raumpunkte P₃ und P₁ miteinander verbindet und somit den idealen Einstichpfad der Punktionsnadel N beschreibt, beispielsweise in grüner Farbe. Dabei sollten die Ortskoordinaten x₃, y₃ und z₃ des Raumpunkts P₃ günstigerweise nahe der Einstichstelle P₀ gewählt werden. Der Arzt hat dann die Möglichkeit, die Nadel N zurückzuziehen und gleich auf den durch Aufpunktvektor a →_h = OP →₃ und Richtungsvektor r →_h = P →₃P →₁ der Geraden h vorgegebenen korrekten Einstichpfad zu bringen. Falls die Punktionsnadel N vom idealen Einstichpfad abweicht, kann z. B. vorgesehen sein, dass der auf dem Anzeigebildschirm dargestellte Zielpunkt rot blinkt.
Die Tatsache, dass die fluoroskopische Durchleuchtung in einer Raumrichtung p →_R parallel zum Normalenvektor n →_E der Interventionsebene E erfolgt, bietet eine vorteilhafte Kontrollmöglichkeit für die Nadelführung. Falls der Einstichpfad aus der Interventionsebene E herausführt, erscheint die Punktionsnadel N in der 2D-Projektion des Fluoroskopiebildes F₃ abhängig vom Winkelbetrag der jeweiligen Richtungsabweichung mehr oder weniger verkürzt. Neben Lageabweichungen sind infolge der projektiven Verkürzung also auch Richtungsabweichungen der (reellen) Punktionsnadel N vom grün dargestellten Idealpfad in der Interventionsebene E direkt aus dem fluoroskopischen Durchleuchtungsbild F₃ ersichtlich. Diese Information kann dann entweder von dem behandelnden Arzt visuell wahrgenommen (S14a) und bei der Nadelführung berücksichtigt (S14b) werden oder vom Regelungs- und Steuerungssystem eines steuerbaren Punktionsroboters R als Sollwert-Istwert-Abweichung (Regeldifferenz) erfasst (S14a'), ausgewertet (S14b') und in eine Stellgröße umgesetzt werden (S14c'), die dann im Rahmen einer automatischen Nadelführung zur Richtungskorrektur (Nachjustierung) des Einstichpfads verwendet wird (S14d'). Durch die Verwendung eines solchen Punktionsroboters kann die Zielgenauigkeit und Reproduzierbarkeit der Nadelführung im Vergleich zur Nadelführung durch einen behandelnden Arzt wesentlich gesteigert werden. Der direkte Austausch der geometrischen Sollwert- und Istwert-Daten des Einstichpfads zwischen dem bildgebenden System des C-Bogen-Geräts und dem Punktionsroboter R erlaubt dabei eine weitgehende Automatisierung des Interventionsverfahrens. Allerdings obliegt es auch dabei naturgemäß immer dem behandelnden Arzt, die Ortskoordinaten x₁, y₁ und z₁ des Punktionsziels P₁(x₁, y₁, z₁) vorzugeben und anatomisch günstige Zugangswege zu den im Rahmen einer CT-gesteuerten Intervention zu punktierenden Gewebebereichen auszuwählen, so dass beim Einstechen der Punktionsnadel N kein Knochengewebe im Weg ist und keine Blutgefäße, Nervenstränge oder inneren Organe verletzt werden. Aus diesem Grund wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zuerst ein Probestich ausgeführt, dessen Einstichpfad durch Aufpunktvektor a →_g = OP →₂ und Richtungsvektor r →_g = P →₂P →₃ der Geraden g und damit durch die Ortskoordinaten der beiden Raumpunkte P₂ und P₃ festgelegt ist, also durch Versuchskoordinaten, die von dem behandelnden Arzt vorgegeben werden.
Im Gegensatz zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, bei dem als idealer Einstichpfad die Verbindungsgerade
zwischen dem Einstichpunkt P₀(x₀, y₀, z₀) und dem Punktionsziel P₁(x₁, y₁, z₁) (im Folgenden bezeichnet als „Sollgerade”) festgelegt ist, welche jeweils durch drei kartesische Ortskoordinaten in dem durch das kartesische Koordinatensystem K aufgespannten 3D-Raum definiert sind, und bei dem Fluoroskopiebilder aus mindestens zwei Angulationsrichtungen des C-Bogens aufgenommen werden müssen, in denen die Punktionsnadel N in unterschiedlichen 2D-Projektionsdarstellungen abgebildet ist, um die aktuelle Lage der Punktionsnadel N und die Richtung des Nadelvorschubs mit dem räumlichen Verlauf der Sollgeraden h' zu vergleichen, der durch deren Aufpunktvektor a →_h' = OP →₀ und Richtungsvektor r →_h' = P →₀P →₁ vorgegeben ist, ist eine derartige Vorgehensweise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht mehr erforderlich. Ein weiterer Nachteil des oben beschriebenen herkömmlichen Verfahrens besteht darin, dass der aktuelle Einstichpunkt P₀(x₀, y₀, z₀) in der 3D-Ansicht M' des Zielgebiets ZG nicht darstellbar ist, da er nicht zugleich in beiden der aus mindestens zwei verschiedenen Angulationsrichtungen, d. h. unter verschiedenen Projektionswinkeln aufgenommenen zweidimensionalen fluoroskopischen Durchleuchtungsbilder F₁ und F₂ dargestellt werden kann. Beide Nachteile werden mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches einen Probestich an einem nahe der vorgesehenen Einstichstelle P₀(x₀, y₀, z₀) gelegenen Raumpunkt P₃(x₃, y₃, z₃) auf der Körperoberfläche des Patienten vorsieht, umgangen, da die Koordinaten von P₃ vorteilhafterweise so gewählt werden, dass dieser Raumpunkt in den unter beiden Angulationsrichtungen generierten 2D-Fluoroskopiebildern sichtbar ist und somit auch im 3D-Raum dargestellt werden kann. Aufgrund der erfindungsgemäß vorgegebenen Orthogonalität zwischen der Projektionsrichtung p →_R bei Durchführung der fluoroskopischen Durchleuchtung und den Richtungsvektoren r →_E1 und r →_E2 der Interventionsebene E kann der C-Bogen des bildgebenden C-Bogen-Geräts während der gesamten CT-gesteuerten Intervention in einer stationären Angulation verbleiben.
Um die Detektion der beiden an geeignet festgelegten Stellen der Punktionsnadel N befindlichen Raumpunkte P₂ und P₃ zu erleichtern und zuverlässiger zu machen, kann darüber hinaus erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass an den betreffenden Stellen an der Spitze bzw. auf der Oberfläche der Punktionsnadel N zwei punktförmige Objektmarkierungen angebracht sind. Da der Abstand zwischen diesen beiden Objektmarkierungen (d. h. der Abstand der durch den Raumpunkt P₃ bezeichneten Stelle der Punktionsnadel N zur Nadelspitze) bekannt ist, kann er bei bekannter Raumrichtung der Punktionsnadel N vorteilhaft zur genauen Bestimmung der 3D-Position des Raumpunktes P₃ verwendet werden.
Nach einer mit Hilfe einer Zwei-Ebenen-Durchleuchtungsanlage (Biplansystem) durchgeführten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches in dem Ablaufdiagramm in 3 dargestellt ist, kann vorgesehen sein, dass alternativ zu Schritt S11 eine zur Interventionsebene E senkrecht verlaufende Projektionsebene E_P1 (im Folgenden auch als „erste Durchleuchtungsebene” bezeichnet) anguliert wird (S15). Analog zu den unter Bezugnahme auf das in 2 skizzierte Ablaufdiagramm beschriebenen Verfahrensschritten S14a und S14b bzw. S14a' bis S14d' wird die Navigation der Punktionsnadel N in der Interventionsebene E dann mittels fluoroskopischer Durchleuchtung der zu behandelnden Gewebebereiche in dieser ersten Durchleuchtungsebene E_P1 erfasst (S16a) und bei Detektion einer einen vorgebbaren Winkelbetrag überschreitenden Richtungsabweichung zwischen dem tatsächlichen Einstichpfad der Nadel N und dem durch den Verlauf der grün dargestellten Raumgerade h vorgegebenen idealen Einstichpfad entsprechend nachjustiert (S16b), so dass die Regelabweichung in dem 2D-Fluoroskopiebild F₁' dieser ersten Durchleuchtungsebene E_P1 nach erfolgter Nachjustierung kleiner als der vorgegebene Winkelbetrag ist bzw. der Einstichpfad im günstigsten Fall mit dem grün dargestellten Idealpfad übereinstimmt. Im Anschluss daran wird das zu behandelnde Gewebe in einer weiteren, zur Interventionsebene E senkrecht verlaufende Projektionsebene E_P2 (nachfolgend auch als „zweite Durchleuchtungsebene” bezeichnet) durchleuchtet (S17), die nicht unbedingt exakt orthogonal zur ersten Durchleuchtungsebene E_P1 verlaufen muss. Die Interventionsebene E wird dabei in der 2D-Projektionsdarstellung dieser zweiten Durchleuchtungsebene E_P2 als Gerade g EP2 / E abgebildet und zweckmäßigerweise in einer anderen Farbe als die Farbe der Raumgeraden h dargestellt, z. B. in blauer Farbe. Die Gerade g EP2 / E gibt somit in dieser zweiten Durchleuchtungsebene E_P2 den idealen Einstichpfad der Punktionsnadel N wieder. Da die Abbildungsgeometrie des C-Bogen-Geräts bekannt ist, können unter Umständen notwendige rechnerische Korrekturen bei der Projektion der Interventionsebene E in die zweite Durchleuchtungsebene E_P2 vorgenommen werden, um etwaige Abbildungsfehler zu kompensieren. Analog zu den vorstehend beschriebenen Verfahrensschritten S16a und S16b wird die Navigation der Punktionsnadel N in der Interventionsebene E dann in der zweiten Durchleuchtungsebene E_P2 erfasst (S18a) und bei Detektion einer einen vorgebbaren Winkelbetrag überschreitenden Richtungsabweichung zwischen dem tatsächlichen Einstichpfad der Nadel N und dem durch den Verlauf der blau dargestellten Gerade g EP2 / E vorgegebenen idealen Einstichpfad entsprechend nachjustiert (S18b), so dass die Regelabweichung in dem 2D-Fluoroskopiebild F₂' dieser zweiten Durchleuchtungsebene E_P2 nach erfolgter Nachjustierung kleiner als der vorgegebene Winkelbetrag ist bzw. der Einstichpfad im günstigsten Fall mit dem blau dargestellten Idealpfad übereinstimmt. Fällt der Verlauf des Einstichpfades in beiden 2D-Fluoroskopiebildern F₁' und F₂' mit dem grün bzw. blau eingezeichneten Idealpfad zusammen, der durch den Verlauf einer der beiden Geraden h bzw. g EP2 / E in der jeweiligen 2D-Projektionsdarstellung von F₁' bzw. F₂' festgelegt wird, ist sichergestellt, dass sich die Punktionsnadel N auf dem vorgesehenen Einstichpfad bewegt. Ansonsten werden die Verfahrensschritte S16a, S16b, S18a und S18b solange iterativ wiederholt, bis der Einstichpfad der Punktionsnadel mit einem in der Interventionsebene E verlaufenden Sollpfad ohne Abweichung bzw. bis auf einen vorgebbaren Winkelbetrag übereinstimmt (S19).
Anstelle der Interventionsebene E kann in Schritt S17 auch der Normalenvektor n →_s dieser Ebene in die zweite Durchleuchtungsebene E_P2 projiziert werden (S17'). In diesem Fall muss die Navigation der Punktionsnadel N in der Interventionsebene E bei Erfassung einer einen vorgebbaren Winkelbetrag überschreitenden Richtungsabweichung zwischen dem tatsächlichen Einstichpfad der Nadel N und dem durch den Verlauf eines zu dem Normalenvektor n →_E orthogonalen Richtungsvektors r →_E vorgegebenen idealen Einstichpfad entsprechend nachjustiert, d. h. an die Richtung dieses Richtungsvektors r →_E angepasst werden (S18b'), so dass die Regelabweichung in dem 2D-Fluoroskopiebild F₂' dieser zweiten Durchleuchtungsebene E_P2 nach erfolgter Nachjustierung kleiner als der vorgegebene Winkelbetrag ist bzw. der Einstichpfad im günstigsten Fall mit dem blau dargestellten Idealpfad übereinstimmt. In diesem Fall muss die Punktionsnadel N also orthogonal zum Normalenvektor n →_E der Interventionsebene E vorgeschoben werden.
Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen sein, dass der unter Bezugnahme auf das in 2 dargestellte Ablaufdiagramm beschriebene Schritt S4, welcher sich auf die Generierung mindestens einer die aktuelle Lage der Punktionsnadel N darstellenden fluoroskopischen 2D-Durchleuchtungsaufnahme (F₁ und F₂) aus jeder von mindestens zwei verschiedenen Angulationsrichtungen bezieht, mit Hilfe eines Biplansystems durchgeführt wird.

Claims

Verfahren zur Unterstützung der Navigation interventioneller Werkzeuge bei Durchführung von CT- bzw. MRT-gesteuerten Interventionen in einer vorgegebenen Interventionsebene (E), wobei aus der Interventionsebene (E) herausführende Richtungsabweichungen des Ist-Verlaufs eines interventionellen Werkzeugs (W) von einem vorgebbaren Soll-Verlauf (h) durch Registrierung der verkürzt dargestellten Gesamtlänge oder einer verkürzt dargestellten Teillänge dieses interventionellen Werkzeugs (W) in der 2D-Projektionsdarstellung einer fluoroskopischen Durchleuchtungsaufnahme (F₃), die in einer zur Interventionsebene (E) normal verlaufenden 2D-Projektionsrichtung (p →_R) aufgenommen wurde, erfasst und zur Anzeige gebracht werden, und wobei es sich bei dem interventionellen Werkzeug (W) um eine Punktionsnadel (N) handelt, die zur Durchführung einer unter CT- bzw. MRT-gestützter bildgebender Kontrolle nach örtlicher Betäubung durchgeführten histologischen Gewebeprobenentnahme oder im Rahmen einer Tumor- bzw. Schmerztherapie verwendet wird, aufweisend die folgenden Schritte: Generierung (S1) einer 3D-Aufnahme (M) eines darzustellenden Bildobjekts (BO) bzw. Zielgebiets (ZG) oder Umrechnung (S1') präinterventionell akquirierter Bilddaten in einen Volumendatensatz einer rekonstruierten 3D-Ansicht (M') dieses Bildobjekts (BO) bzw. Zielgebiets (ZG), Festlegung (S2) der Raumkoordinaten (x₁, y₁ und z₁) eines zu erreichenden Punktionsziels (P₁) in dem akquirierten dreidimensionalen Datensatz, bezogen auf ein dreidimensionales kartesisches Ortskoordinatensystem (K) mit geeignet festgelegtem Koordinatenursprung (O), Festlegung (S3a) der Raumkoordinaten (x₀, y₀ und z₀) einer Einstichstelle P₀(x₀, y₀, z₀) in dem dreidimensionalen kartesischen Ortskoordinatensystem (K) und Einführung (S3b) der Punktionsnadel (N) in einen zu untersuchende Gewebebereich im Zielgebiet (ZG) um einen vorgebbaren Längenbetrag in einer vorgebbaren Richtung, Generierung (S4) mindestens einer die aktuelle Lage der Punktionsnadel (N) darstellenden fluoroskopischen 2D-Durchleuchtungsaufnahme (F₁ und F₂) aus jeder von mindestens zwei verschiedenen Projektionsrichtungen, Detektion (S5a) und Kennzeichnung (S5b) des Ortes der Nadelspitze (P₂) in den 2D-Projektionsaufnahmen (F₁ und F₂) dieser beiden Projektionsrichtungen, Berechnung (S6) der Ortskoordinaten (x₂, y₂ und z₂) des Raumpunktes P₂ in dem dreidimensionalen kartesischen Ortskoordinatensystem (K), ausgehend von den 2D-Positionen dieses Raumpunkts (P₂) in den beiden generierten 2D-Fluoroskopiebildern (F₁ und F₂), Schätzung (S7a) der 2D-Positionen eines weiteren, geeignet festgelegten Raumpunktes (P₃) der Punktionsnadel (N) in den 2D-Projektionsaufnahmen der beiden Projektionsrichtungen und Kennzeichnung (S7b) des Ortes dieses Raumpunkts (P₃) in den beiden generierten 2D-Projektionsaufnahmen (F₁ und F₂), Berechnung (S8) der Ortskoordinaten (x₃, y₃ und z₃) des Raumpunktes P₃ in dem dreidimensionalen kartesischen Ortskoordinatensystem (K), ausgehend von den geschätzten 2D-Positionen dieses Raumpunkts (P₃) in den beiden generierten 2D-Fluoroskopiebildern (F₁ und F₂), und Nachjustierung (S10c) der Lage des Raumpunktes P₃ durch iterative Veränderung seiner Position, bis die Richtungen der 2D-Projektionen einer die Raumpunkte P₂ und P₃ miteinander verbindenden (S9) Raumgerade (g) mit den projizierten Raumrichtungen der Punktionsnadel (N) in den beiden generierten 2D-Fluoroskopiebildern (F₁ und F₂) bis auf einen vorgebbaren Abweichungsbetrag übereinstimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Richtungsabweichungen des interventionellen Werkzeugs (W) in eine Stellgröße zur Ansteuerung eines Aktuatorsystems (AS) umsetzt werden, das die Richtungsabweichungen durch Gegensteuerung kompensiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuatorsystem (AS) Teil eines steuerbaren Punktionsroboters (R) ist, der zur zielgenauen Führung der Punktionsnadel (N) beim Nadelvorschub verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt S4 die Generierung der mindestens einen die aktuelle Lage der Punktionsnadel (N) darstellenden fluoroskopischen 2D-Durchleuchtungsaufnahme (F₁ und F₂) aus jeder von mindestens zwei verschiedenen Projektionsrichtungen mit Hilfe eines C-Bogen-Röntgenaufnahmegeräts durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt S4 die Generierung der mindestens einen die aktuelle Lage der Punktionsnadel (N) darstellenden fluoroskopischen 2D-Durchleuchtungsaufnahme (F₁ und F₂) aus jeder von mindestens zwei verschiedenen Projektionsrichtungen mit Hilfe einer Zwei-Ebenen-Durchleuchtungsanlage (Biplansystem) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch den Schritt der Detektion zweier punktförmiger Objektmarkierungen, die an den durch die beiden Raumpunkte P₂ und P₃ festgelegten Stellen an der Spitze bzw. auf der Oberfläche der Punktionsnadel (N) angebracht sind.
Verfahren zur Unterstützung der Navigation interventioneller Werkzeuge bei Durchführung von CT- bzw. MRT-gesteuerten Interventionen in einer vorgegebenen Interventionsebene (E) mit Hilfe einer Zwei-Ebenen-Durchleuchtungsanlage (Biplansystem), dadurch gekennzeichnet, dass aus der Interventionsebene (E) herausführende Richtungsabweichungen des Ist-Verlaufs eines interventionellen Werkzeugs (W) von einem vorgebbaren Soll-Verlauf durch Registrierung zweier Winkelbeträge in den 2D-Projektionsdarstellungen zweier fluoroskopischer Durchleuchtungsaufnahmen (F₁' und F₂'), die in zwei verschiedenen, zur Interventionsebene (E) normal verlaufenden Projektionsebenen (E_P1 bzw. E_P2) aufgenommen wurden, erfasst und zur Anzeige gebracht werden, wobei es sich bei den beiden Winkelbeträgen um die Richtungsabweichungen zwischen einer durch 2D-Projektion der Interventionsebene (E) in der betreffenden Projektionsebene (E_P1 bzw. E_P2) abgebildeten Sollgeraden (h bzw. g EP2 / E ) und dem in diese Projektionsebene (E_P1 bzw. E_P2) projizierten Ist-Verlauf des interventionellen Werkzeugs (W) handelt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Richtungsabweichungen des interventionellen Werkzeugs (W) in eine Stellgröße zur Ansteuerung eines Aktuatorsystems (AS) umgesetzt werden, das die Richtungsabweichungen durch Gegensteuerung kompensiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem interventionellen Werkzeug (W) um eine Punktionsnadel (N) handelt, die zur Durchführung einer unter CT- bzw. MRT-gestützter bildgebender Kontrolle nach örtlicher Betäubung durchgeführten histologischen Gewebeprobenentnahme oder im Rahmen einer Tumor- bzw. Schmerztherapie verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuatorsystem (AS) Teil eines steuerbaren Punktionsroboters (R) ist, der zur zielgenauen Führung der Punktionsnadel (N) beim Nadelvorschub verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, gekennzeichnet durch die Ausführung der folgenden Schritte: – Generierung (S15) einer die aktuelle Lage der Punktionsnadel (N) darstellenden fluoroskopischen 2D-Durchleuchtungsaufnahme (F₁') in einer ersten, zur Interventionsebene (E) normal verlaufende Projektionsebene (E_P1), – Erfassung (S16a) der Nadelführungsrichtung in dieser ersten Projektionsebene (E_P1) und Nachjustierung (S16b) der Nadelführungsrichtung bei Detektion einer einen vorgebbaren Winkelbetrag überschreitenden Richtungsabweichung zwischen dem tatsächlichen Einstichpfad der Nadel (N) und einem idealen Einstichpfad, der durch den Verlauf einer durch 2D-Projektion der Interventionsebene (E) in die erste Projektionsebene (E_P1) abgebildeten Sollgeraden (h) vorgegeben wird, auf einen Wert, der entweder einen vorgegebenen Winkelbetrag unterschreitet oder die Richtungsabweichung in dieser ersten Projektionsebene (E_P1) vollständig kompensiert, – Generierung (S17) einer weiteren, die aktuelle Lage der Punktionsnadel (N) darstellenden fluoroskopischen 2D-Durchleuchtungsaufnahme (F2') in einer zweiten, zur Interventionsebene (E) normal verlaufende Projektionsebene (E), – Erfassung (S18a) der Nadelführungsrichtung in dieser zweiten Projektionsebene (E_P2) und Nachjustierung (S18b) der Nadelführungsrichtung bei Detektion einer einen vorgebbaren Winkelbetrag überschreitenden Richtungsabweichung zwischen dem tatsächlichen Einstichpfad der Nadel (N) und einem idealen Einstichpfad, der durch den Verlauf einer durch 2D-Projektion der Interventionsebene (E) in die zweite Projektionsebene (E_P2) abgebildeten Sollgeraden (g EP2 / E ) vorgegeben wird, auf einen Wert, der entweder einen vorgegebenen Winkelbetrag unterschreitet oder die Richtungsabweichung in dieser zweiten Projektionsebene (E_P2) vollständig kompensiert, und – iterative Wiederholung der Schritte S16a, Sl6b, S18a und S18b, bis der Einstichpfad der Punktionsnadel mit einem in der Interventionsebene (E) verlaufenden Sollpfad ohne Abweichung bzw. bis auf einen vorgebbaren Winkelbetrag übereinstimmt (S19).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt S17 anstelle der Interventionsebene (E) der Normalenvektor (n →_E) dieser Ebene in die zweite Projektionsebene (E_P2) hineinprojiziert wird (S17') und die Navigation der Punktionsnadel (N) in der Interventionsebene (E) bei Erfassung einer einen vorgebbaren Winkelbetrag überschreitenden Richtungsabweichung zwischen dem tatsächlichen Einstichpfad der Nadel (N) und dem durch den Verlauf eines zu dem Normalenvektor (n →_E) orthogonalen Richtungsvektors (r →_E) vorgegebenen idealen Einstichpfad (Sollpfad) an die Richtung dieses Richtungsvektors (r →_E) angepasst wird (S18b'), so dass die Regelabweichung in der fluoroskopischen 2D-Durchleuchtungsaufnahme (F₂') der zweiten Projektionsebene (E_P2) nach erfolgter Nachjustierung kleiner als der vorgegebene Winkelbetrag ist bzw. der Einstichpfad im günstigsten Fall mit dem Sollpfad übereinstimmt.