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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Anpassung einer Überlagerung eines zweidimensionalen medizinischen Durchleuchtungs(bild)datensatzes eines Körpers oder einer Körperregion mit einer Projektion eines medizinischen Volumendatensatzes desselben Körpers bzw. derselben Körperregion.
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Begleitend zu einer Katheteruntersuchung oder einem kathetergestützten Eingriff werden in der Medizintechnik üblicherweise Durchleuchtungsbilder der Körperregion des Gefäßes (meist eines Blutgefäßes) erstellt, in das der Katheter eingeführt ist. Falls sich innerhalb des Gefäßes kein Kontrastmittel befindet, ist es allerdings nicht möglich, das, den Katheter führende Gefäß in den Durchleuchtungsbildern zu erkennen. Um diesen Mangel zu beheben, wird üblicherweise der Durchleuchtungsbilddatensatz mit einer Projektion eines dreidimensionalen Bilddatensatzes der entsprechenden Körperregion überlagert, der zuvor beispielsweise mittels (Rotations-)Angiographie erzeugt wurde. Ein solcher dreidimensionaler Bilddatensatz ist nachfolgend als „Volumendatensatz”, „Tomogramm” oder im Falle eines angiographischen Aufnahmeverfahrens als „Angiogramm” bezeichnet.
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Durch die Überlagerung der Durchleuchtungsbilder mit der Projektion des Volumendatensatzes wird einerseits die Gewebestruktur der untersuchten Körperregion mit hoher Präzision abgebildet. Andererseits kann die Position des Katheters in dieser Gewebestruktur in Echtzeit verfolgt werden. Auf diese Weise kann der Katheter präzise an eine bestimmte Stelle innerhalb des Gefäßes navigiert werden.
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Bei der Überlagerung der Projektion mit dem Durchleuchtungsdatensatz ist allerdings die Position des in dem letzteren Bilddatensatz gezeigten Katheters mit dem Abbild des Gefäßes in der Projektion regelmäßig nicht exakt deckungsgleich. Eine derartige Abweichung entsteht insbesondere dadurch, dass während der Aufnahme des Durchleuchtungsdatensatzes die Position des Gefäßes in dem Körper sich gegenüber derjenigen Position, die das Gefäß bei der Aufnahme des Volumendatensatzes eingenommen hatte, verschoben hat. Eine solche Gefäßverschiebung kann beispielsweise durch eine Bewegung des Körpers oder aber auch durch das Einbringen des Katheters in das Gefäß hervorgerufen werden.
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Zum Ausgleich dieser Abweichung wird herkömmlicher Weise der dreidimensionale Bilddatensatz verschoben oder gedreht, was zu einer veränderten Projektion führt. Mittels dieser Technik ist es teilweise ermöglicht, großräumige Körperbewegungen zu kompensieren. Jedoch wird bei dieser Anpassung eine Veränderung der Gefäßform aufgrund des eingeführten Katheters nicht Rechnung getragen. Somit kann die Position des Katheters innerhalb des Gefäßes nicht mit Sicherheit bestimmt werden, wodurch die Navigation des Katheters mit einer Unsicherheit behaftet ist.
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Aus der
US 2006/0257006 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei dem ein Gefäßbild zuzüglich weiterer Informationen in einem Speicher vorliegt. Mittels der weiteren Informationen wird das Gefäßbild linear oder nicht-linear transformiert, sodass bei einer Überlagerung eines aktuellen Bilds, das ein Objekt zeigt, mit dem angepassten Gefäßbild sich das Objekt innerhalb des Gefäßes befindet.
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In der
DE 10 2010 022 526 A1 ist ein Verfahren zur Verbesserung einer 3D-Darstellung eines medizinischen Instruments in einem nahezu nicht kontrastierten Bereich offenbart. Der Abstand des Instruments in dem Gefäß zu einem Referenzmarker wird bestimmt, wobei der Referenzmarker sowohl in einem Gefäß als auch in einem 3D-Bild des Gefäßes vorliegt. Ausgehend von dem nunmehr bekannten Abstand und dem Referenzmarker wird die Position des Instruments in dem 3D-Bild ermittelt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Anpassung einer Überlagerung eines Durchleuchtungsdatensatzes mit einer Projektion eines Volumendatensatz anzugeben.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 12. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das Verfahren dient der Anpassung einer Überlagerung eines zweidimensionalen Durchleuchtungsbilddatensatzes eines Körpers oder einer Körperregion (nachfolgend auch: Körperteil) mit einem Volumen(bild)datensatz desselben Körpers bzw. derselben Körperregion (Körperteils). Insbesondere ist ein Körper bzw. Körperteil (beispielsweise das Gehirn) eines menschlichen Patienten in den Datensätzen dargestellt. Der Volumendatensatz wird insbesondere mittels Rotationsangiographie erstellt. Grundsätzlich kann der Volumendatensatz aber auch mittels eines anderen tomographischen Bildgebungsverfahrens, z. B. Computertomographie, Magnetresonanztomographie oder einem nuklearmedizinischen Verfahren (z. B. PET oder SPECT) erstellt werden. Der Durchleuchtungsdatensatz wird mittels eines Durchleuchtungsapparats, insbesondere kontinuierlich (d. h. als Echtzeit-Bewegtbildsequenz), erstellt.
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Zur Überlagerung wird eine mit dem Durchleuchtungsdatensatz korrespondierende Projektion des Volumendatensatzes erstellt, d. h. eine Projektion, die hinsichtlich des gezeigten Körpers bzw. Körperteils und der Projektionsrichtung dem Durchleuchtungsdatensatz entspricht. Der Durchleuchtungsdatensatz wird mit der Projektion derart in Deckung gebracht (überlagert), dass die Bildinformation beider Datensätze bestmöglich übereinstimmt.
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Erfindungsgemäß wird sowohl in dem Durchleuchtungsdatensatz als auch in der Projektion des Volumendatensatzes ein bestimmtes Gefäß (insbesondere Blutgefäß) identifiziert. Die Lage und/oder der Verlauf des in dem Durchleuchtungsdatensatz gezeigten Gefäßes werden mit der Lage bzw. dem Verlauf des entsprechenden Gefäßes in dem Volumendatensatz und somit in dessen Projektion verglichen.
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Das in dem Volumendatensatz gezeigte Gefäß wird segmentiert. Mit anderen Worten wird das Gefäß mittels eines Algorithmus in dem Volumendatensatz als zusammenhängende Raumform identifiziert und mittels eines geometrischen Modells nachgebildet. Das geometrische Objekt ist beispielsweise ein sogenanntes 3D-Mesh, d. h. ein insbesondere aus einzelnen Objekten (z. B. Dreiecken) aufgebautes geometrisches Raumgitter. Geeigneter Weise wird die Segmentierung insbesondere vorgenommen, bevor der Durchleuchtungsdatensatz aufgenommen wird.
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In dem Durchleuchtungsdatensatz wird das Gefäß anhand einer Sonde identifiziert, die innerhalb des Gefäßes platziert ist. Die anhand der Sonde bestimmte Lage des Gefäßes in dem Durchleuchtungsdatensatz (nachfolgend „2D-Positionen”) wird anschließend auf den Volumendatensatz abgebildet. Mit anderen Worten wird den 2D-Positionen des Gefäßes in dem Durchleuchtungsdatensatz entsprechende Positionen (im Folgenden „3D-Positionen”) in dem Volumendatensatz zugeordnet.
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Die zur Identifizierung des Gefäßes in dem Durchleuchtungsdatensatz herangezogene Sonde hat eine längliche (eindimensionale) Struktur. Entlang des Verlaufs der Sonde wird innerhalb des Gefäßes eine Anzahl von diskreten Abtastpunkten gewählt, welche jeweils eine von mehreren 2D-Positionen definieren. Die Dichte der Abtastpunkte ist im Bereich einer Sondenspitze im Vergleich zum übrigen Verlauf der Sonde erhöht. Beispielsweise nimmt der Abstand der Abtastpunkte entlang des Verlaufes der Sonde mit zunehmendem Abstand zu der Sondenspitze sukzessive zu. Auf diese Weise werden die mit der Sondenspitze korrespondierenden 3D-Positionen vergleichsweise genau bestimmt.
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In einem sich daran unmittelbar oder mittelbar anschließenden Verfahrensschritt wird die Form des segmentierten Gefäßes, das in dem Volumendatensatz gezeigt ist, an die 3D-Positionen angepasst. Mit anderen Worten wird die segmentierte Form des Gefäßes in Abhängigkeit der 3D-Positionen verformt.
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Dabei werden die Lage und/oder der Verlauf des Gefäßes in dem Volumendatensatz an die Lage bzw. den Verlauf des Gefäßes in dem Durchleuchtungsdatensatz durch Verformung des Volumendatensatzes (genauer: der Bildinformation des Volumendatensatzes) angepasst. Unter Verformung wird hierbei eine Veränderung der Position von einzelnen Bildwerten des Volumendatensatzes zueinander bezeichnet, bei der – anders als bei einer Translation oder Rotation – die Relativlage der Bildwerte verändert wird. Hierbei wird insbesondere der Abstand zwischen den Bildwerten des Volumendatensatzes verändert. Die Verformung lässt sich insbesondere als lokal variierende Translation und/oder Rotation von Bildbereichen des Volumendatensatzes und der dazugehörigen Projektion beschreiben. Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Verfahrensvariante kann im Rahmen der Erfindung grundsätzlich auch – unter Belassung des Volumendatensatzes in dem ursprünglichen Zustand – nur dessen Projektion durch Verformung an den Durchleuchtungsdatensatz angepasst werden.
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Die Bildverformung ermöglicht eine hochpräzise Angleichung der Projektion an den Durchleuchtungsdatensatz. Dies ermöglicht eine leichtere und präzisere Orientierung in dem abgebildeten Körper oder Körperteil.
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Geeigneter Weise wird das Gefäß lediglich in einem Sektor (d. h. einem Subvolumen) des Volumendatensatzes segmentiert. Sofern der Volumendatensatz eine größere Körperregion abbildet als der Durchleuchtungsdatensatz, entspricht der Sektor insbesondere dem Bereich des Volumendatensatzes, dessen Projektion auch in dem zweidimensionalen Durchleuchtungsdatensatz gezeigt ist. Ebenso ist es möglich, den Sektor weiter zu verkleinern und auf einen bestimmten Abschnitt des Körpers zu begrenzen, innerhalb dessen Projektion sich die Sonde befindet. Auf diese Weise kann in mitunter erheblichem Maß unnötiger Rechenaufwand eingespart werden.
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Zweckmäßigerweise erfolgt die Abbildung jeder 2D-Position auf die (jeweils zugehörige) 3D-Position mittels einer Projektionsgeraden, die die 2D-Position des mit der Projektion überlagerten Durchleuchtungsdatensatzes mit einem – der Projektion zugrundeliegenden – Projektionszentrum verbindet. Das anhand der Sonde in dem Durchleuchtungsdatensatz sichtbar gemachte Gefäß wird somit entlang der Projektionsgeraden in das Volumen des Volumendatensatzes rückprojiziert. Zweckmäßigerweise wird jede dieser 2D-Positionen entlang einer zugehörigen Projektionsgeraden in das Volumen des Volumendatensatzes rückprojiziert.
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Die Form des segmentierten Gefäßes wird hierbei insbesondere angepasst, indem ein Bereich dieses segmentierten Gefäßes – insbesondere der der Projektionsgeraden nächstliegende Bereich des segmentierten Gefäßes – in Richtung auf die Projektionsgerade verschoben wird. Mit anderen Worten wird das das segmentierte Gefäß bildende 3D-Mesh zu der Projektionsgeraden hin verzerrt.
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Für die Anpassung des segmentierten Gefäßes wird zweckmäßigerweise in einem ersten Schritt der kürzeste Abstand zwischen der Projektionsgeraden und dem segmentierten Gefäß bestimmt. Entlang dieses kürzesten Abstandes (d. h. entlang der entsprechenden Abstandsgeraden) wird das segmentierte Gefäß dabei auf die Projektionsgerade zu bewegt. In vorteilhafter Weise werden die einzelnen Abschnitte des segmentierten Gefäßes umso mehr verschoben, je näher der jeweilige Raumbereich an der Projektionsgeraden angeordnet ist.
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Zweckmäßigerweise erfolgt die Anpassung des segmentierten Gefäßes auf die 3D-Positionen, insbesondere die Verschiebung des segmentierten Gefäßes bzw. eines Teils des segmentierten Gefäßes, in mehreren Schritten. Mit anderen Worten wird das segmentierte Gefäß iterativ verschoben, zumal auf diese Weise unrealistische Gewebeverformungen vergleichsweise einfach und sicher vermieden werden können. Bei der Verformung des segmentierten Gefäßes werden zweckmäßigerweise physikalische Grenzen und Eigenschaften des Gefäßes (z. B. die Elastizität der Gefäßwand) sowie das Gefäß umgebender Gewebestrukturen (z. B. Knochen oder benachbarte Organe) berücksichtigt. Die ortsabhängige Anpassung der Form des segmentierten Gefäßes wird dabei in zweckmäßiger Ausführung nach Maßgabe einer physikalischen Funktion vorgenommen, die die physikalischen Eigenschaften des Gefäßes, des umgebenden Gewebes und/oder weiterer Einflussfaktoren beschreibt. Die Umsetzung der physikalischen Funktion erfolgt beispielsweise mittels der Zuordnung von einzelnen Gewichts- oder Straftermen zu den einzelnen Eckpunkten der das 3D-Mesh bildenden geometrischen Objekte, deren Summe minimiert wird. In Abhängigkeit dieser Terme erfolgt die Verschiebung der jeweiligen Eckpunkte in Richtung auf die 3D-Position. Insbesondere wird ein Eckpunkt, dem ein vergleichsweise großer Wert als Gewicht- und/oder Strafterm zu geordnet ist, geringer verschoben als ein Eckpunkt mit einem vergleichsweise geringwertigen Gewichtsterm.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung wird geprüft, ob das segmentierte Gefäß von der Projektionsgeraden geschnitten oder berührt wird. Gegebenenfalls wird dies als Indiz dafür erkannt, dass die Gefäßposition in dem betreffenden Volumenbereich bereits hinreichend mit der in dem Durchleuchtungsdatensatz abgebildeten Gefäßposition übereinstimmt. Entsprechend unterbleibt in diesem Fall die (gegebenenfalls weitere) Formanpassung des segmentierten Gefäßes, zumindest in einem bestimmten Bereich um den Schnittpunkt.
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Bei der Sonde handelt es sich insbesondere um einen Katheter. Um ein oder mehrere definierte Abtastpunkte entlang des Katheterverlaufs – insbesondere automatisiert und wiederholbar – bestimmen zu können, umfasst der Katheter vorzugsweise mindestens eine Markierung, die im Durchleuchtungsbild erkennbar abgebildet wird. Die oder jede detektierte Markierung des Katheters wird hierbei als 2D-Position herangezogen. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann der Katheter derart gestaltet sein, dass er in dem Durchleuchtungsbild einen variierenden Bildkontrast aufweist.
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In einer vorteilhaften Variante der Erfindung wird bei der Anpassung eine bereits bekannte Abweichung der Form des segmentierten Gefäßes von der abgebildeten Lage des Gefäßes berücksichtigt. Derartige Informationen werden beispielsweise mittels eines weiteren bildgebenden Verfahrens oder in sonstiger Art und Weise gewonnen. Ebenso wird bei der Anwendung des Anpassungsverfahrens auf einen neuen Durchleuchtungsdatensatz (z. B. einer Bewegtbildsequenz) auf bereits zuvor erfolgte Formanpassungen zurückgegriffen. Bei wiederholter Durchführung des Anpassungsverfahrens werden also das in einem früheren Anpassungszyklus bereits angepasste segmentierte Gefäß und ein entsprechend verformter Volumendatensatz anstelle des ursprünglichen Volumendatensatzes als Ausgangspunkt herangezogen. Dadurch erfolgt die weitere Anpassung vergleichsweise schnell und numerisch unaufwändig.
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Geeigneter Weise werden die überlagerten Datensätze, also das Durchleuchtungsbild und die Projektion des Volumendatensatzes, mit dem angepassten segmentierten Gefäß bildlich, insbesondere auf einem Bildschirm, dargestellt. Hierbei werden aber nach abgeschlossener Verformung des segmentierten Gefäßes (also insbesondere des das Gefäß charakterisierenden 3D-Mesh) die Bildwerte des Volumendatensatzes entsprechend verschoben, so dass die Verformung des Gefäßes in der Bildinformation des Volumendatensatzes nachvollzogen wird.
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Dabei wird das angepasste Gefäß in einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung in einer von der Stärke der Formanpassung abhängigen Einfärbung (flächig oder lediglich mit einer farbigen Umrisslinie, einem übergeblendeten farbigen Gitternetz, etc.) angezeigt. Die Abhängigkeit der Einfärbung von der Formanpassung kann hierbei binär sein in dem Sinne, dass das Gefäß in dem Bereich, in dem seine Form verändert wurde, in einer bestimmten Farbe dargestellt wird. Die Einfärbung kann aber auch kontinuierlich oder mehrstufig von der Stärke der Formanpassung abhängen, beispielsweise indem die lokale Stärke der Verformung auf eine Farbtabelle abgebildet wird. Dabei werden Bereiche des angezeigten Gefäßes, die im Zuge des Verfahrens gegenüber ihrer ursprünglichen Lage in dem Volumendatensatz stark versetzt wurden, mit anderer Farbe dargestellt als gering versetzte Bereiche des Gefäßes. Auf diese Weise wird ein Benutzer vergleichsweise schnell über die Art und Weise der Verformung des segmentierten Gefäßes im Vergleich zu der ursprünglichen Lage des Gefäßes in dem Volumendatensatz informiert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Anpassung einer Überlagerung des Durchleuchtungsdatensatzes mit dem Volumendatensatz ist dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren in zumindest einer der vorstehend beschriebenen Verfahrensvarianten auszuführen. Insbesondere wird das Verfahren von der Vorrichtung automatisch ausgeführt, sobald der Volumendatensatz und der Durchleuchtungsdatensatz zur Verfügung stehen. Hierbei sind die im Zusammenhang des Verfahrens genannten Varianten und deren Vorzüge sinngemäß auf die Vorrichtung zu übertragen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere durch einen Rechner mit einer darauf lauffähig implementierten Software gebildet, die bei bestimmungsgemäßem Ablauf das obige Verfahren automatisch ausführt.
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Des Weiteren weist die Vorrichtung zweckmäßigerweise einen Durchleuchtungsapparat und/oder eine Anzeigeneinheit auf.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die ein Verfahren zur Anpassung einer Überlagerung von Bilddatensätzen ausführt, und
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2 und 3 anhand der gemäß 1 dargestellten Vorrichtung verschiedene Zustände während der Durchführung des Verfahrens.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die in 1 grob schematisch dargestellte Vorrichtung 2 umfasst einen (angedeuteten) Durchleuchtungsapparat 4. Der Durchleuchtungsapparat 4 ist ein röntgenbasierter Angiograph, mittels dessen ein Körperteil 6 eines menschlichen Patienten durchleuchtbar ist. Hierfür werden von einer Röntgenquelle 4a ausgehend Röntgenstrahlen 4b in Richtung des Körperteils 6 emittiert und nach Transmission durch dieses auf einem Detektor 4c detektiert.
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Die Vorrichtung 2 umfasst des Weiteren einen (nicht näher dargestellten) Rechner, in dem ein Steuer- und Auswerteprogramm für den Durchleuchtungsapparat 4 implementiert ist. Das Steuer- und Auswerteprogramm umfasst ein (nicht näher dargestelltes) Überlagerungsmodul. Bei dem Überlagerungsmodul handelt es sich um einen Softwarebaustein, der dazu dient, mittels des Durchleuchtungsapparates 4 erstellte Durchleuchtungsdatensätze 8 mit einer Projektion eines von demselben Körperteil 6 aufgenommenen Volumendatensatzes 18 zu überlagern.
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Der Volumendatensatz 18, bei dem es sich um ein Angiogramm des Körperteils 6 handelt, wird vorzugsweise ebenfalls mittels des – in diesem Fall als Rotationsangiograph betriebenen – Durchleuchtungsapparats 4 erzeugt. Die Röntgenquelle 4a und der Detektor 4c werden hierzu um das Körperteil 6 verschwenkt, wobei unter unterschiedlichen Projektionswinkeln Projektionsbilder des Körperteils 6 aufgenommen werden. Aus diesen Projektionsbildern wird durch ein in dem Steuer- und Auswerterechner implementiertes Rekonstruktionsmodul (nicht näher dargestellt) mittels eines 3D-Rekonstruktionsalgorithmus der Volumendatensatz 18 berechnet.
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Der Volumendatensatz 18 kann alternativ aber auch durch eine weitere bildgebende Modalität, beispielsweise einen Computertomographen oder einen Magnetresonanztomographen, erstellt und der Vorrichtung 2 zugeführt werden.
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Das Überlagerungsmodul führt beim Ablauf auf dem Steuer- und Auswerterechner automatisch das nachfolgend näher beschriebene Verfahren durch.
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Unter Durchleuchtung des Körperteils 6, d. h. kontinuierlicher Bestrahlung des Körperteils 6 mit Röntgenstrahlung vergleichsweise niedriger Intensität wird eine Abfolge von zweidimensionalen Durchleuchtungsdatensätzen 8 des Körperteils 6 erstellt.
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Innerhalb des Körperteils 6 (beispielsweise des Gehirns des Patienten) befindet sich ein (Blut-)Gefäß 10, in das in einem hierzu parallel ausgeführten chirurgischen Verfahren ein Katheter 12 eingeführt wurde. Mittels des Durchleuchtungsapparates 4 ist es aufgrund der physikalischen Gegebenheiten nicht möglich, das Gefäß 10 zu detektieren. Zur Verdeutlichung der Lage des Gefäßes 10 in dem Durchleuchtungsdatensatz 8 ist dieses in der Figur daher lediglich punktiert dargestellt.
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Im Unterschied hierzu ist der Katheter 12 stellenweise aus einem Material gefertigt, das eine hohe Röntgenabsorption aufweist und das sich daher in dem Durchleuchtungsdatensatz 8 deutlich in Form von punktförmigen Markierungen (Abtastpunkte 14) abzeichnet. Diese Lage eines jeden Abtastpunktes 14 (im Einzelnen als 14a bis 14e bezeichnet) in dem zweidimensionalen Bildkoordinatensystem des Durchleuchtungsbildes ist im Weiteren jeweils als 2D-Position 16 bezeichnet.
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Die Dichte der röntgenabsorbierenden Stellen nimmt von der Spitze des Katheters 12 in Richtung auf dessen rückwärtiges Ende hin ab. Die röntgenabsorbierenden Stellen sind mit anderen Worten zum rückwärtigen Ende des Katheters 12 hin zunehmend voneinander beabstandet.
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Aus dem bereits zuvor aufgenommenen Volumensatz 18 des Körperteils 6 wird durch das Überlagerungsmodul ein zweidimensionaler Projektionsdatensatz (nachfolgend Projektion 20) erstellt, der das Gefäß 10 unter dem gleichen Blickwinkel zeigt, unter dem es auch in den Durchleuchtungsdatensätzen 8 abgebildet ist. Zur Erzeugung der Projektion 20 werden ausgehend von einem virtuellen Projektionszentrum 22 die Bildwerte des Volumendatensatzes 18 jeweils entlang von Projektionsgeraden 32 aufsummiert, die das Projektionszentrum 22 mit jedem Punkt der Bildfläche der Projektion 20 verbinden. Das Projektionszentrum 22 ist hierbei derart gewählt, dass seine relative Lage zu dem in dem Volumendatensatz 18 abgebildeten Volumen der relativen Lage der Röntgenquelle 4a zu dem Körperteil 6 während der Durchleuchtung entspricht.
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In einem daran anschließenden Schritt wird durch das Überlagerungsmodul der jeweilige Durchleuchtungsdatensatz 8 mit der Projektion 20 überlagert. Das resultierende Überlagerungsbild wird auf einer Anzeigeeinheit 26 der Vorrichtung 2, insbesondere einem Bildschirm, dargestellt.
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Regelmäßig, so auch in dem in 1 dargestellten Beispiel, stimmt die Form 24 des Gefäßes 10 nicht exakt mit den 2D-Positionen 16 der Abtastpunkte 14 des Katheters 12 – und damit des dieses umhüllenden Gefäßes 10 – überein. Eine derartige Abweichung 28 wird beispielsweise durch das Einführen des Katheters 12 in das Gefäß 10 hervorgerufen, wodurch das Gefäß 10 aus seiner ursprünglichen und in dem Volumendatensatz 18 abgebildeten Lage verformt wird.
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Zur Kompensation dieser Abweichung führt das Überlagerungsmodul ein anhand der 2 und 3 näher beschriebenes Anpassungsverfahren durch.
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Hierbei wird zunächst das Abbild des Gefäßes 10 innerhalb des Volumendatensatzes 18 segmentiert. Es wird somit ein geometrisches Modell der Form 24 des Gefäßes 10, insbesondere ein aus einer Vielzahl von Dreiecken zusammengesetztes dreidimensionales Gitternetz (3D-Mesh), erstellt. Die Segmentierung erfolgt vollautomatisch oder mittels Verwendung von dem Gefäß 10 zugeordneten Punkten des Volumendatensatzes 18, die zuvor von einem Benutzer der Vorrichtung 2 bestimmt worden sind.
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In einem sich daran anschließenden Verfahrensschritt wird jede 2D-Position 16 des Gefäßes 10 in den Durchleuchtungsdatensatz 8 auf eine korrespondierende 3D-Position 30 des dreidimensionalen Bilddatensatzes 18 abgebildet. Hierfür werden die einzelnen Abtastpunkte 14 entlang der Projektionsgeraden 32, die durch die 2D-Position 16 des Abtastpunktes 14 in dem Überlagerungsbild sowie durch das Projektionszentrum 22 läuft, rückprojiziert d. h. zu einer entsprechenden Stelle innerhalb des dreidimensionalen Bilddatensatzes 18 verschoben. Als 3D-Position 30 wird dabei derjenige Punkt der jeweiligen Projektionsgeraden 32 gewählt, der den geringsten Abstand zu dem segmentierten Gefäß 10 aufweist.
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In einem sich daran mittelbar oder unmittelbar anschließenden Verfahrensschritt wird, wie in 3 gezeigt, die Form des segmentierten Gefäßes 10 entsprechend der 3D-Position 30 angepasst. Hierfür wird jeweils derjenige Bereich des segmentierten Gefäßes 10, der einer der Projektionsgeraden 32 am Nächsten liegt, auf diese hin verschoben.
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Bei der Verschiebung wird eine physikalische Funktion verwendet, die die Elastizität des Gefäßes 10 nachbildet. Somit wird derjenige Punkt des segmentierten Gefäßes 10, der der entsprechenden Stelle der 3D-Position 30 am nächsten liegt, auf diese hin verschoben. Benachbarte Punkte des segmentierten Gefäßes 10 werden in einem geringeren Maße verschoben, so dass ein glatter Oberflächenverlauf des segmentierten Gefäßes 10 erhalten bleibt. Beispielsweise wird bei der Verschiebung einem jeden Punkt des segmentiertem Gefäßes, also einem jeden Eckpunkt der das 3D-Mesh bildenden Dreiecke, ein bestimmtes Gewicht oder ein Strafterm zugeordnet, das oder der ein Maß für die jeweilige Stärke der Verschiebung des jeweiligen Eckpunktes repräsentiert. Ferner sind die Gewichte abhängig von der Entfernung des jeweiligen Eckpunktes von der entsprechenden Stelle der 3D-Position 30. Die Summe dieser Gewichte (die in physikalischer Veranschaulichung lokale Kräfte, Spannungen oder Energien beschreiben) wird minimiert, um eine realistische Verformung des Gefäßes zu erhalten.
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Die Verschiebung erfolgt in mehreren Schritten. Mit anderen Worten wird der entsprechende Bereich des segmentierten Gefäßes 10 im Allgemeinen nicht in einem Schritt auf die entsprechende 3D-Position 30 verschoben, sondern lediglich einen bestimmten Bruchteil des Abstandes auf diese hin. Auf diese Weise ist dem Umstand Rechnung getragen, dass das Gefäß 10 in dem Körperteil 6 nicht beliebig verformt werden kann, beispielsweise aufgrund von in dem Körperteil 6 vorhandenen Knochen oder sonstigen das Gefäß 10 umgebenden Gewebestrukturen.
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Sobald die Form 24 des segmentierten, verschobenen Gefäßes 10 mit der 3D-Position 30 übereinstimmt, wird die Verschiebung unterbrochen. Hierbei wird bereits, sobald ein Bereich des angepassten segmentierten Gefäßes 10 mit der 3D-Position 30 übereinstimmt, dieser Bereich nicht weiter verschoben. Eine Übereinstimmung liegt bereits dann vor, wenn das angepasste segmentierte Gefäß 10 von einer der Projektionsgeraden 32 geschnitten oder berührt wird.
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Die vorstehend beschriebene Anpassung wird für jeden der Abtastpunkte 14 durchgeführt. Zusammen mit dem segmentierten Gefäß 10, d. h. mit dem 3D-Mesh des Gefäßes 10, werden auch die örtlich korrespondierenden Bildwerte des Volumendatensatzes 18 verschoben. Die außerhalb des Gefäßes 10 liegende Bildinformation des Volumendatensatzes 18 wird entsprechend der lokalen Verschiebung des Gefäßes 10 gestaucht oder gestreckt.
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Wenn die Form 24 des segmentierten angepassten Gefäßes 10 mit jeder der 3D-Positionen 30 übereinstimmt, wird die Anpassung beendet. Aus dem angepassten Volumendatensatz 18 wird erneut gemäß dem im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Verfahren die Projektion 20 des Volumendatensatzes 18 erstellt und mit dem Durchleuchtungsdatensatz 8 überlagert. Das resultierende Überlagerungsbild wird erneut auf der Anzeigeeinheit 26 dargestellt.
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Dabei wird das angepasste Gefäß 10 entsprechend der Stärke der Anpassung verschieden eingefärbt. Insbesondere werden lediglich gering verschobene Bereiche des Gefäßes 10 mit einer Rotfärbung dargestellt, wohingegen stark verschobene Bereiche des Gefäßes blau eingefärbt dargestellt werden. So sind der den Abtastpunkt 14a umgebende Bereich rot, der die Abtastpunkte 14b und 14e jeweils umgebende Bereich violett und der jeweilige Bereich in der Nähe der Abtastpunkte 14b und 14c blau eingefärbt.
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Das vorstehend beschriebene Überlagerungs- und Anpassungsverfahren wird vorzugsweise auf jeden der fortlaufend erzeugten Durchleuchtungsdatensätze 18 angewendet. Mit anderen Worten wird die weitere Anpassung des segmentierten, in dem Volumendatensatz 18 enthaltenen Gefäßes 10 gestartet, sobald ein weiterer Durchleuchtungsdatensatz 8 vorliegt. Falls die Vorrichtung 2 lediglich über begrenzte Hardwareresourcen verfügt, wird allerdings die Anpassung nur in bestimmten Zeitintervallen angestoßen oder wenn eine bestimmte Anzahl von Durchleuchtungsdatensätzen 8 akquiriert wurde.
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Bei der wiederholten Durchführung des Anpassungsverfahrens wird allerdings nicht auf den ursprünglichen Volumendatensatz 18, sondern auf den bereits angepassten Volumendatensatz 18 zurückgegriffen. Ebenso wird auf das bereits vorhandene Segment, d. h. das 3D-Mesh des angepassten Gefäßes 10 zurückgegriffen, so dass eine erneute Segmentierung des Gefäßes 10 entfällt.
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Ferner können bei der Anpassung zusätzliche Informationen berücksichtigt werden, die in dem parallel ausgeführten chirurgischen Verfahren gewonnen werden oder mittels einer weiteren Untersuchung des Körperteils 6 erlangt worden sind. Das beschriebene Überlagerungs- und Anpassungsverfahren kann außerdem auch zur Darstellung von anderen, menschlichen oder tierischen Körperteilen 6, z. B. dem Herz, verwendet werden.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Vorrichtung
- 4
- Durchleuchtungsapparat
- 4a
- Röntgenquelle
- 4b
- Röntgenstrahlen
- 4c
- Detektor
- 6
- Körperteil
- 8
- Durchleuchtungsdatensatz
- 10
- Gefäß
- 12
- Katheter
- 14, 14a–e
- Abtastpunkt
- 16
- 2D-Position
- 18
- Volumendatensatz
- 20
- Projektion
- 22
- Projektionszentrum
- 24
- Form
- 26
- Anzeigeeinheit
- 28
- Abweichung
- 30
- 3D-Position
- 32
- Projektionsgerade
