DE102007029888A1

DE102007029888A1 - Bildgebendes Verfahren für die medizinische Diagnostik und nach diesem Verfahren arbeitende Einrichtung

Info

Publication number: DE102007029888A1
Application number: DE102007029888A
Authority: DE
Inventors: Jens Fehre; Rainer Kuth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Invandus De GmbH
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2027-06-29
Also published as: US20090005641A1; DE102007029888B4; NL2001680A1; US8870750B2; NL2001680C2

Abstract

Bei einem bildgebenden Verfahren für die medizinische Diagnostik und einer nach diesem Verfahren arbeitenden Einrichtung wird während einer endoskopischen Untersuchung von einer Körperregion eines Patienten (12) mit einem Endoskop (20) ein Bild (28) mit einem nichtendoskopischen bildgebenden Verfahren erzeugt und das Bildfeld (22) des Endoskops (20) ermittelt und positions- und orientierungsgetreu im Bild (28) wiedergegeben.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein bildgebendes Verfahren für die medizinische Diagnostik sowie auf eine nach diesem Verfahren arbeitende bildgebende Einrichtung.
In der medizinischen Diagnostik werden in einer Reihe von Anwendungsfällen gleichzeitig oder nacheinander unterschiedliche bildgebende Verfahren eingesetzt, um die Diagnose zu erleichtern oder Fehldiagnosen zu vermeiden. So ist es in der Urologie beispielsweise bekannt, sowohl eine endoskopische Untersuchung als auch eine Röntgenuntersuchung durchzuführen. Bei einem endoskopischen Verfahren werden in Echtzeit hochaufgelöste farbige optische Bilder in Blickrichtung des Endoskops erzeugt. Jedes Bild bietet jedoch nur eine zweidimensionale Information der Beschaffenheit eines Ausschnitts der Innenoberfläche des Hohlraums und keine Information aus tieferen Schichten oder in anderen Blickrichtungen. Demgegenüber werden bei einem Röntgenverfahren auch Informationen aus Bereichen erhalten, die in einem Endoskopiebild nicht sichtbar sind. Die Verknüpfung von einzelnen oder mehreren endoskopischen Bildern mit einem oder mehreren Röntgenbildern derselben Körperregion erfordern beim Betrachter nicht nur eine genaue Kenntnis der Anatomie sondern auch ein ausgeprägtes dreidimensionales Vorstellungsvermögen, das erst erlernt werden muss und häufig zu Fehlinterpretationen führt. Darüber hinaus weichen pathologische Strukturen oft in komplexer Weise vom Standard ab, so dass eine Verknüpfung von Endoskopiebildern und Röntgenbildern zusätzlich erschwert ist.
Eine der Ursachen für diese Schwierigkeiten liegt auch darin, dass die in der Regel zusätzlich zur Endoskopie eingesetzten Verfahren, beispielsweise neben den bereits erwähnten Röntgenverfahren auch Magnetresonanzverfahren oder Ultraschallverfahren, Schnittbilder des Untersuchungsobjekts bereitstel len, während im Endoskopiebild lediglich eine einer Grenzfläche zwischen einem optisch durchlässigen und einem optisch undurchlässigen Medium auf eine zweidimensionale Bildebene dargestellt ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein bildgebendes Verfahren für die medizinische Diagnostik anzugeben, das dem Nutzer die Interpretation von mit endoskopischen Verfahren und nichtendoskopischen Verfahren gewonnenen Bilddaten erleichtert. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine nach diesem Verfahren arbeitende Einrichtung anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einem bildgebenden Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß dieser Merkmale wird während einer endoskopischen Untersuchung einer Körperregion eines Patienten von dieser ein Bild mit einem nichtendoskopischen bildgebenden Verfahren erzeugt, und es wird das Bildfeld des Endoskops ermittelt und positions- und orientierungsgetreu im Bild wiedergegeben.
Durch diese Maßnahme ist es dem Nutzer möglich, die im Endoskopiebild oder im Bild identifizierten Strukturen einander zuzuordnen und hinsichtlich ihrer diagnostischen Relevanz zu beurteilen.
Der Begriff „Bild" wird in der vorliegenden Beschreibung ausschließlich verwendet für Bilder, die mit einem nichtendoskopischen bildgebenden Verfahren erzeugt worden sind, beispielsweise Röntgenbilder, Magnetresonanzbilder oder Ultraschallbilder.
Eine besonders einfache Ermittlung der Lage und Orientierung des Bildfeldes des Endoskops ist durch Vergleich des mit dem nichtendoskopischen bildgebenden Verfahren vom Endoskop erzeugten Bildes, d. h. im Bild wiedergegebenen Endoskops mit einem für das nichtendoskopische Verfahren gespeicherten dreidimensionalen Modell des Endoskops möglich. Bei diesem Modell handelt es sich um ein dreidimensionales Bild des Endoskops, das mit diesem Verfahren bei einer Kalibrierung erzeugt worden ist. Bei einem solchen Mustervergleich wird das Modell mit entsprechenden Koordinatentransformationen solange gedreht und verschoben, bis das Bild des Endoskops und das auf die Bildebene nach den Koordinatentransformationen projizierte Modell maximale Übereinstimmung zeigen. Mit dem Modell verknüpft ist auch dessen Bildfeld, das ebenso wie das Modell in die Bildebene projiziert wird.
Alternativ hierzu werden die Bildkoordinaten des Bildes in einem ortsfesten Koordinatensystem bestimmt und die Lage und Orientierung des Bildfeldes des Endoskops wird mit einer Positionserfassungseinrichtung in diesem ortsfesten Koordinatensystem gemessen. Durch diese Maßnahme ist ein Mustervergleich nicht erforderlich und das Bildfeld kann rein rechnerisch in das Bild auch dann projiziert werden, wenn das Endoskop selbst im Bild nicht sichtbar ist.
Die Zuordnung einer im Endoskopiebild wiedergegebenen Struktur zu einer im Bild wiedergegebenen Struktur ist für den Betrachter erleichtert, wenn das wiedergegebene Bildfeld durch im Bild erkennbare, optisch undurchlässige Strukturen begrenzt wird.
Eine zusätzliche Erleichterung für den Nutzer wird erzielt, wenn eine vom Nutzer im Endoskopiebild gesetzte Marke im Bild als vom Endoskop ausgehender Strahl oder als Endpunkt an einer optisch undurchlässigen Struktur angezeigt wird.
Alternativ oder ergänzend hierzu wird ein vom Nutzer im Endoskopiebild ausgewähltes Gebiet im Bild als vom Endoskop ausgehendes Strahlbündel oder als Endfläche an einer optisch undurchlässigen Struktur angezeigt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Marke bzw. Fläche mit Methoden der Bildverarbeitung automatisch segmentiert.
Wenn das mit einem nichtendoskopischen bildgebenden Verfahren erzeugte Bild ein 3D-Bild ist, kann das Bildfeld des Endoskops besonders anschaulich in räumlicher Darstellung visualisiert werden.
Hinsichtlich der Einrichtung wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 10, deren Vorteile sinngemäß den zu den Verfahrensansprüchen angegebenen Vorteilen entsprechen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
1 eine Einrichtung gemäß der Erfindung in einer schematischen Prinzipdarstellung,
2 bis 4 jeweils ein mit einem nichtendoskopischen bildgebenden Verfahren erzeugtes Bild eines Untersuchungsobjekts und ein Endoskopiebild.
Gemäß 1 umfasst eine Einrichtung gemäß der Erfindung ein Endoskopiegerät 2 sowie ein nach einem nichtendoskopischen Verfahren arbeitendes Bilderzeugungssystem 4, im Beispiel ein C-Bogen-Röntgengerät mit einer Röntgenquelle 6 und einem Röntgenempfänger 8, die an einem gestrichelt in der Figur dargestellten C-Bogen 9 angeordnet sind. Der C-Bogen 9 kann um ein Isozentrum 10 geschwenkt werden, so dass ein zweidimensionales Bild (Schnittbild) aus einer Körperregion eines Patienten 12 erzeugt werden kann. Diese Schwenkbewegung um eine senkrecht zur vom C-Bogen 9 aufgespannte Ebene (in der Figur die Zeichenebene) ist durch einen Doppelpfeil 14 veranschaulicht. Wenn außerdem der C-Bogen 5 um eine Achse geschwenkt werden kann, die in einer von ihm aufgespannten Ebene liegt und durch den Doppelpfeil 16 veranschaulicht ist, ist es möglich, aus der Körperregion des Patienten 12 auch einen 3D-Bilddatensatz zu erstellen.
Über eine Körperöffnung ist in einen Hohlraum 18 des Körpers 12 ein Endoskop 20 eingeführt, mit dem es möglich ist, einen Ausschnitt der inneren Oberfläche einer Wand 30 des Hohlraums 18 optisch zu betrachten. In der Figur ist der seitliche Rand 19 eines vom Endoskop 20 erfassten Bildfeldes 22 gestrichelt eingezeichnet.
Ausgehend von der Wand 30 des Hohlraums 18 erstreckt sich im Beispiel eine pathologische Gewebezone 24, beispielsweise ein Tumor, in einen hinter der Wand 30, d. h. außerhalb des Hohlraumes 18 liegenden Bereich. Diese pathologische Gewebezone 24 liegt im dargestellten Beispiel im Bildfeld 22 des Endoskops 20 und ist in einem in dieser Position des Endoskops 20 aufgenommen Endoskopiebild 26 als flächige Struktur 240 der Innenoberfläche zu erkennen, die sich zwar von der Umgebung abhebt, aber deren eindeutige Befundung nicht ohne weiteres möglich ist.
In einem mit dem Bilderzeugungssystem 4 erzeugten Bild 28, im Beispiel ein zweidimensionales Röntgenschnittbild, sind nun unter anderem die eine optisch undurchlässige Struktur bildende Kontur der Wand 30 des Hohlraums 18 sowie weitere in der Schnittebene liegende Strukturen 32 erkennbar. In diesem Bild 28 ist nun für den Nutzer eine Struktur 242 zu erkennen, die sich in das Innere des Gewebes ausdehnt und die pathologischen Gewebezone 24 wiedergibt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist außerdem das Endoskop 20 im Bild 28 sichtbar.
Anhand eines in einem Speicher 40 des Bilderzeugungssystems 4 abgelegten dreidimensionalen Modells des Endoskops 20 wird nun durch Vergleich des Bildes vom Endoskop 20 mit diesem Modell die Lage des Endoskops 20 und damit des Bildfeldes 22 relativ zu einem dem Bilderzeugungssystem 4 zugeordneten Bildkoordinatensystem x_B, y_B ermittelt. Mit einer in einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 42 des Bilderzeugungssystems 4 implementierten Bildverarbeitungssoftware wird das Bildfeld 22 positions- und orientierungsgetreu in das Bild 28 eingeblendet, d. h. für den Nutzer sichtbar hervorgehoben. Hierzu wird beispielsweise das gesamte Bildfeld 22 eingefärbt. Alternativ ist es auch möglich, ausschließlich den Rand 19 des Bildfeldes 22 als Randstrahlen im Bild 28 anzuzeigen.
Im dargestellten Beispiel enden außerdem sowohl der Rand 19 als auch das Bildfeld 22 an der im Bild 28 erkennbaren Kontur der Wand 30 des Hohlraums 18, um dem Betrachter zu visualisieren, dass nur ein dieser Kontur entsprechender Flächenbereich im Endoskopiebild 26 sichtbar ist. Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, die Endfläche des Bildfeldes 22 an der optisch undurchlässigen Struktur (Wand 30) hervorzuheben.
Der Betrachter erkennt nun durch Vergleich von Endoskopiebild 26 und Bild 28 unmittelbar, dass die im Endoskopiebild 26 sichtbare flächige Struktur 240 zu der sich tief in das Gewebe erstreckenden Struktur 242 im Bild 28 gehört und kann auf diese Weise beide Strukturen 240, 242 eindeutig einander zuordnen und beispielsweise deren Volumenausdehnung besser beurteilen, da ihm das Endoskopiebild 26 und das Bild 28 Größenvorstellungen in zueinander senkrechten Schnittebenen vermitteln.
Im dargestellten Beispiel ist dem Endoskop 20 außerdem eine Positionserfassungseinrichtung 50 zugeordnet, mit der mit Hilfe von in der Figur nicht näher dargestellten, im Bereich der Endoskopspitze angeordneten Sensoren die Lage und Orientierung des Endoskops 20 und damit auch die Lage und Orientierung des Bildfeldes 22 in einem ortfesten Koordinatensystem x, y, z ermittelt werden kann. Bei bekannter Beziehung zwischen den Bildkoordinatensystem x_B, y_B des Bildes 28 und dem ortsfesten Koordinatensystem x, y, z, ist es möglich, das Bild feld 22 in das Bild 28 lagerichtig einzutragen, ohne dass es notwendig ist, ein Modell des Endoskops 20 zu speichern.
Der Betrachter hat nun seinerseits die Möglichkeit, im Endoskopiebild ein ihn interessierendes Gebiet 52 zu markieren, das im Beispiel die Struktur 240 umfasst. Dieses Gebiet 52 wird von einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 54 des Endoskopiegerätes 2 an die Steuer- und Auswerteeinrichtung 42 des Bilderzeugungssystems 4 weitergeleitet und mit der Bildverarbeitungssoftware im Bild 28, beispielsweise in Form eines schraffiert dargestellten eingeschränkten Bildfeldes 56 oder in Form von gestrichelt eingezeichneten Randstrahlen 58 eingeblendet, wie dies in 2 veranschaulicht ist.
Alternativ hierzu kann der Betrachter im Endoskopiebild 26 auch an einem einzelnen, ihn interessierenden Punkt eine Marke 60 setzen, der dann gemäß 3 entweder eine an der Wand 30 endende, gestrichelt eingezeichnete Sichtlinie oder Strahl 62 oder ebenfalls als Endpunkt 61 dieses Strahls 62 an der Wand 30, d. h. der optisch undurchlässigen Struktur im Bild 28, dargestellt wird.
Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass das interessierende Gebiet 52 oder die Marke mit Methoden der Bildverarbeitung automatisch segmentiert wird.
In den 1 bis 3 sind Situationen dargestellt, in denen das Endoskop 20 im Bild (Schnittbild) 28 sichtbar ist. Dies ist nicht notwendig der Fall, da sich die Spitze des Endoskops auch in einer außerhalb der Schnittebene liegenden Ebene befinden kann.
In 4 ist eine Situation dargestellt, bei der die Spitze des Endoskops außerhalb der in 1 dargestellten Zeichenebene (die Bildebene des Bildes 28) angeordnet ist und die optische Achse der im Endoskop integrierten Videokamera senkrecht zur Schnittebene ausgerichtet ist. In diesem Fall ist das Bildfeld 22 des Endoskops eine Kreisfläche (bei schräger Orientierung der optischen Achse eine Ellipse), und der Betrachter kann bei Betrachtung des von Endoskopiebildes 26 und des Bildes 28 allenfalls die Information entnehmen, dass eine Synthese beider Bilder nicht möglich ist.
Im Ausführungsbeispiel werden vom Bilderzeugungssystem 4 zweidimensionale Schnittbilder erzeugt. Das Verfahren lässt sich jedoch mit besonders großen Vorteil auch dann einsetzen, wenn das Bilderzeugungssystem 4 vom Untersuchungsobjekt 12 einen dreidimensionalen Bilddatensatz erzeugt. Dann lässt sich das in der Regel kegelförmige Bildfeld 22 des Endoskops räumlich in den 3D-Datensatz einblenden und die Orientierung des Nutzers ist erheblich erleichtert.
Die Erfindung ist auch nicht auf das im Ausführungsbeispiel dargestellte flexible Endoskop beschränkt. Grundsätzlich kann das Endoskop auch starr oder als Endoskopkapsel ausgeführt sein.

Claims

Bildgebendes Verfahren für die medizinische Diagnostik, bei dem während einer endoskopischen Untersuchung einer Körperregion eines Patienten (12) mit einem Endoskop (20) von dieser ein Bild (28) mit einem nichtendoskopischen bildgebenden Verfahren erzeugt wird, und bei dem das Bildfeld (22) des Endoskops (20) ermittelt und positions- und orientierungsgetreu im Bild (28) wiedergegeben wird.
Bildgebendes Verfahren nach Anspruch 1, bei dem anhand eines für das nichtendoskopische Verfahren gespeicherten dreidimensionalen Modells des Endoskops (20) die Lage und Orientierung des Bildfeldes (22) des Endoskops (20) durch Vergleich des mit dem nichtendoskopischen bildgebenden Verfahren vom Endoskop (20) erzeugten Bildes und im Bild (28) wiedergegebenen Endoskops (20) mit dem Modell ermittelt wird.
Bildgebendes Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Bildkoordinaten des Bildes (28) in einem ortsfesten Koordinatensystem (x, y, z) bestimmt werden und die Lage und Orientierung des Bildfeldes (22) des Endoskops (20) mit einer Positionserfassungseinrichtung (50) in diesem ortsfesten Koordinatensystem (x, y, z) gemessen wird.
Bildgebendes Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das wiedergegebene Bildfeld (22) durch im Bild (28) erkennbare optisch undurchlässige Strukturen begrenzt wird.
Bildgebendes Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine vom Nutzer im Endoskopiebild (26) gesetzte Marke (60) im Bild (28) als vom Endoskop (20) ausgehender Strahl (62) oder als Endpunkt an einer optisch undurchlässigen Struktur angezeigt wird.
Bildgebendes Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem ein vom Nutzer im Endoskopiebild (26) ausgewähltes Gebiet (52) im Bild (28) als vom Endoskop (20) ausgehendes Strahlbündel oder als Endfläche an einer optisch undurchlässigen Struktur angezeigt wird.
Bildgebendes Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem Marke bzw. Fläche mit Methoden der Bildverarbeitung automatisch segmentiert wird.
Bildgebendes Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das mit einem nichtendoskopischen bildgebenden Verfahren erzeugte Bild (28) ein 3D-Bild ist.
Bildgebendes Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das mit einem nichtendoskopischen bildgebenden Verfahren erzeugte Bild (28) ein Röntgenbild ist.
Bildgebende Einrichtung mit einem Endoskopiegerät (2) zum Erzeugen eines Endoskopiebildes (26) aus einer Körperregion eines Patienten (12) und mit einem Bilderzeugungssystem (4) zum Erzeugen eines Bildes (28) dieser Körperregion mit einem nichtendoskopischen bildgebenden Verfahren, mit einer Auswerteeinrichtung, die die vom Endoskopiegerät (2) und Bilderzeugungssystem (4) jeweils erzeugten Endoskopiebilder (26) bzw. Bilder (28) mit einer in ihr implementierten Software zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 verarbeitet.
Bildgebende Einrichtung nach Anspruch 10, bei der das Bilderzeugungssystem (4) ein C-Bogen-Röntgengerät ist.
Bildgebende Einrichtung nach Anspruch 10, bei der dem Endoskop (20) eine Positionserfassungseinrichtung (50) zum Messen seiner Position in einem ortsfesten Koordinatensystem zugeordnet ist.