DE60010309T2

DE60010309T2 - Verfahren zur echtzeitdarstellung von medizinischen bildern

Info

Publication number: DE60010309T2
Application number: DE60010309T
Authority: DE
Inventors: L. Douglas PACKER; A. Richard ROBB
Original assignee: Mayo Foundation for Medical Education and Research
Current assignee: Mayo Foundation for Medical Education and Research
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 2000-09-13
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2020-09-14
Also published as: EP1224621A1; EP1224621B1; AU7481100A; JP4965042B2; WO2001020552A1; US6556695B1; DE60010309D1; JP2003509145A

Description

Verwandte Anmeldungen
Die Anmeldung beansprucht die Priorität der sogenannten Provisional-Anmeldung mit der Nr. 60/118,765, die am 5. Februar 1999 eingereicht wurde.
Hintergrund der Erfindung
Das Gebiet der Erfindung ist die medizinische Abbildung und speziell die Erzeugung von anatomischen Echtzeit-Abbildungen, die dazu verwendet werden, die Ausführung medizinischer Prozeduren zu leiten.
Medizinische hochauflösende Bilder, die exakt detaillierte anatomische Merkmale darstellen, können unter Verwendung einer Anzahl von Abbildungsmodalitäten erzeugt werden. Derartige Bilder können bspw. unter Verwendung von Elektronenstrahl-CT-Systemen, Ultraschallsystemen oder MRI-Systemen erzeugt werden, die kommerziell von einer Anzahl von Herstellern beziehbar sind. Zur Rekonstruktion hochauflösender Bilder und von Bildern mit hohem SNR (Signalrauschverhältnis) müssen jedoch beträchtliche Daten erfasst werden. Eine solche Datenakquisition erfordert eine Zeit, die von Sekunden bis zu vielen Minuten reicht, und zwar abhängig von der Abbildungsmodalität, die verwendet wird, und dem speziellen Objekt der Untersuchung. Wird bspw. das menschliche Herz abgebildet, so müssen sowohl ein kardiales Gating als auch Atmung-Gating während der Datenerfassung angewandt werden, mit dem Ergebnis, dass die Bilddaten nur während kurzer Intervalle während jedes Atmungs- und kardialen Zyklus erfasst werden können. Eine hochauflösende 3D-Abbildung des Herzens kann viele Sekunden oder Minuten für die Abbildung unter Verwendung des MRI-Systems oder eines X-Strahl-CT-System erfordern. Derartige hochauflösende Bilder werden gemeinhin für die Diagnose von Krankheiten verwendet, jedoch können sie nicht mit einer ausreichend hohen Rahmenrate zur Verwendung während medizinischer Prozeduren erfasst und rekonstruiert werden.
Medizinische Bilder werden mit hoher Rahmenrate für den Einsatz während medizinischer Prozeduren erzeugt. Bspw. wird gemeinhin die X-Strahl-Fluoroskopie vom Arzt verwendet, um Katheter während angioplastischer Behandlungen bei der Plazierung von Ballons und Stents zu führen. Die MR Fluoroskopie ist ein Verfahren, das dazu verwendet wird, Echtzeitbilder zur Überwachung medizinischer Prozeduren zu erzeugen, und Echtzeit-Ultraschallbilder werden bei intravaskulären Prozeduren verwendet, wie solche, die bspw. in US Patenten 5,325,860 und 5,345,940 offenbart sind. Derzeitige Echtzeitabbildungsverfahren erzeugen Bilder mit einer Rahmenrate von 10 bis 30 Rahmen pro Sekunde, um eine relativ kontinuierliche, flickerfreie Ansicht der Prozedur, die überwacht und verfolgt wird, vorzusehen.
Während medizinische Echtzeitabbildungen auf diese Weise mit einer Anzahl von wohlbekannten Abbildungsmodalitäten erzeugt werden können, so stellen jedoch derartige Bilder die Anatomie nicht mit hohem Detail oder mit hoher Klarheit dar. Sie stellen medizinische Instrumente mit ausreichender Klarheit dar, jedoch dabei so, dass die Instrumente zu sehen sind und zur Ausführung gewisser medizinischer Prozeduren führbar sind.
Es gibt medizinische Prozeduren, die sowohl eine Echtzeitabbildung zur Führung der Operation als auch hochauflösende Abbildungen mit hohem SNR der anatomischen Strukturen erfordern, die behandelt werden. Eine solche Prozedur ist die geführte ablative Therapie für kardiale Arhythmien. Die ablative Therapie verwendet eine Elektrode, die auf oder nahe der Herzwand plaziert wird und erregt wird, um Lesionen spezifischer Abmessungen in spezifischen anatomischen Stellen hervorzurufen. Diese Lesionen unterbrechen oder ändern die Sequenz, mit der der Herzwandmuskel während einer Arhythmie aktiviert, und falls richtig durchgeführt, führen dazu, das Auftreten der Arhythmie zu verhindern.
Wie in den US Patenten 5,325,860 und 5,345,940 erläutert, können sowohl die Ablationselektrode als auch der Ultraschallwandler intravaskulär über einen Ka theter in das Innere des Herzens befördert werden. Die Ablationselektrode wird unter Verwendung von Ultraschall-Echtzeitultraschallabbildungen in Position geführt und der Ablationsprozess wird unter Verwendung von Echtzeitabbildungen überwacht. Während dieses Verfahren und die Vorrichtung ermöglicht haben, dass bestimmte Typen von Arhythmien erfolgreich behandelt werden konnten, ist doch eine verbesserte Genauigkeit der Plazierung der Ablationselektrode erforderlich, bevor das Verfahren zur Behandlung zahlreicher anderer kardialer Arhythmien angewandt werden kann. Um dies zu tun, muss ein exaktes und klares Bild der zugrundeliegenden Anatomie dem Arzt in Echtzeit zur Verfügung gestellt werden, so dass die Ablationselektrode in exakt der richtigen Stelle plaziert werden kann.
Die WO 99 00052 A beschreibt ein chirurgisches Instrument, welches einen Ultraschallwandler umfassen kann, der selbst sogenannte intra-op Ultraschallbilddaten abtasten und gewinnen kann, um Bilder geringer Auflösung zu erzeugen. Die WO 99 00052 A gewinnt ferner hochauflösende sogenannte pre-op Protokollbilder (aus CT, MIR und/oder MRI Abtastungstechniken) und lehrt, die dargestellten pre-op Protokollbilder während der chirurgischen Prozedur kontinuierlich zu aktualisieren und die resultierenden Darstellungen in Echtzeit fortgesetzt aufzufrischen. Zu diesem Zweck verwendet die WO 99 00052 A Wechsel in der Lage eines Betrachtungsvektors entsprechend Änderungen der Positionen und Orientierung eines chirurgischen Instruments, um das dargestellte Hochauflösungsbild zu aktualisieren. Das chirurgische Instrument liegt hinter dem Ultraschallwandler, der auf der Spitze des chirurgischen Instrumentes vorgesehen ist. Die intra-op und pre-op Bilder werden verschmolzen und die zusammengesetzten Bilder werden dargestellt.
Die US-A-5 662 108 offenbart eine ähnliche Vorrichtung, die dazu ausgelegt ist, Bilder einer Herzkammer zu erzeugen. Das Bild basiert allein auf Impedanzmessungen, die mit einer Anordnung von Elektroden ausgeführt werden, welche passive und aktive Elektroden umfassen. Das dargestellte Bild ist eine mathematisch rekonstruierte Repräsentation der Herzkammer basierend auf berechneten Distanzen zwischen Herzwänden und Elektroden.
Die vorliegende Erfindung versucht, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Lieferung klarer, hochauflösender medizinischer Abbildungen in Echtzeit anzugeben, und speziell solche Bilder, die die Ärzte bei der Durchführung medizinischer Prozeduren unterstützen.
Die erfindungsgemäßen Lösungen sind in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte Weiterbildungen.
Die Erfindung umfasst: Die Erfassung von Bilddaten der Objektanatomie und die Rekonstruktion eines Bildes, welches ein Hochauflösungs-Modell der Objektanatomie ist; die Durchführung einer medizinischen Prozedur, bei der die Objektanatomie in Echtzeit abgebildet wird durch Erfassung von Bildern geringer Auflösung mit einer hohen Rahmenrate; die Zusammenfassung des Hochauflösung-Modellbildes der Objektanatomie mit jedem erfassten Bild geringer Auflösung; die Darstellung des zusammengefassten Hochauflösungs-Modells der Anatomie in Echtzeitbildern für den Arzt. Das hochauflösende mehr dimensionale Modell kann ein 4D-Modell sein, bei dem die vierte Dimension Änderungen in der Anatomie als Funktion der Zeit, kardialen Phase, Atmungsphase oder dergleichen darstellt. Die Erzeugung des Modells wird unter Verwendung einer hochauflösenden Abbildungsmodalität durchgeführt und kann vor der Ausführung der medizinischen Prozedur erfolgen. Die Registrierung des Hochauflösungs-Modells erfolgt in Echtzeit und umfasst 2D oder 3D Raumorientierungen sowie eine Registrierung in Zeit oder Phase, wenn das Modell eine sich ändernde Anatomie darstellt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verschmelzung von Echtzeitbildern physiologischer Daten mit einem anatomischen Modell während eines medizinischen Eingriffs. Die physiologischen Daten können bspw. elektrophysikalische Daten, EEG Daten oder thermische Daten sein. Falls eine medizinische Vorrichtung wie eine endokardiale Elektrodenanordnung verwendet wird, kann bspw. die Vorrichtung selbst nicht dargestellt werden. Statt dessen kann die Lage jeder Elektrode in der Anordnung präzise auf dem registrierten hochauflösenden anatomischen Modell plaziert werden und es wird eine elektronische Aktivierungskarte aus den erfassten elektrophysiologischen Daten erzeugt und über das hochauflösende Bild gelegt bzw. mit diesem verschmolzen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Überlagerung durch Modulieren der Farbe der Pixel, um die Aktivierungszeit der abgebildeten Gewebe anzuzeigen, jedoch können auch andere Darstellungsverfahren verwendet werden.
Ein noch weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, die Lage einer medizinischen Vorrichtung während der Ausführung einer medizinischen Prozedur exakt darzustellen. Die Abbildungen geringer Auflösung zeigen klar die medizinische Vorrichtung an, die in ihren Sichtfeldern angeordnet ist. Auf diese Weise können die Vorrichtungen in den dargestellten Bildern durch deren einfache Überlagerung auf dem registrierten hochauflösenden Modell korrekt lokalisiert werden. Bspw. ist diese Überlagerung im Falle eines Ablationskatheters einfach die Darstellung der Vorrichtung selbst.
Ein noch weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Erzeugung von medizinischen Echtzeitbildern mit einem weiten Sichtfeld. Das Sichtfeld vieler Echtzeit-Abbildungssysteme ist stark eingeschränkt, oder das System kann eine einzige Schicht oder eine einzige Projektionsansicht darstellen. Es erfordert dann auf der Seite des Arztes eine große Fertigkeit und Erfahrung, derartige eingeschränkte Ansichten der Objektanatomie in Beziehung zu setzen und das Bild richtig zu verstehen. Durch die Registrierung bzw. durch die Zusammenpassung des hochauflösenden Modells der Anatomie mit dem eingeschränkten Echtzeitbild kann dem gegenüber ein sehr viel größeres und anschaulicheres Sichtfeld, welches vom Modell dargestellt wird, angezeigt werden. In der Tat kann das registrierte Modell die Objektanatomie in 3D darstellen und die dem Arzt präsentierten Bilder können während des medizinischen Eingriffs eine scheinbar reale Umgebung erzeugen.
Die vorgenannten und weitere Gegenstände und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibungen offenbart. In der Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Beschreibung bilden und in denen veranschaulichend bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt sind. Diese Ausführungsbeispiele repräsentieren nicht notwendigerweise den vollen Umfang der Erfindung, wohingegen diesbezüglich auf die Ansprüche verwiesen wird, um den Schutzumfang der Erfindung zu interpretieren.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockschaltbild eines MRI-Systems, welches im bevorzugten Ausführungsbeispiel zur Akquisition von hochauflösenden Bildern verwendet wird;
2 ist eine graphische Darstellung eines kardialen Zyklusses, wobei die Erfassungsdaten durch das MRI-System der 1 gezeigt ist;
2A ist ein Flußdiagramm eines Prozesses, der dazu verwandt wird, ein 4D Modell der Objektanatomie aus Bildern zu erzeugen, die im MRI-System der 1 erfasst wurden;
3 ist eine Teilansicht eines Katheters, wobei diese Ansicht dessen distales Ende zeigt;
4 ist eine Teilansicht des Katheters der 3, wobei die Ansicht dessen distales Ende detaillierter und bei der Halterung einer Ablationsvorrichtung zeigt;
5 ist eine schematische Darstellung des proximalen Endes des Katheters der 3 und 4, wobei dieses Ende mit einem Abbildungssystem verbunden ist;
6 ist eine bildliche Darstellung des distalen Endes des Katheters in einem Patientenherz während einer medizinischen Prozedur;
7 ist eine bildliche Darstellung des distalen Endes des Katheters der 3 bis 6 bei Darstellung des Sichtfeldes des Ultraschallwandlers, der darin angebracht ist;
8 ist ein Flußdiagramm eines Prozesses, der durch den Echtzeit-Abbildungsprozessor durchgeführt wird, der Teil des Abbildungssystems der 5 ist;
9 ist eine bildliche Darstellung eines Teils eines Abbildungskatheters;
10 ist eine bildliche Darstellung des Abbildungskatheters, wie er in einer Herzkammer plaziert ist;
11 ist eine bildliche Darstellung einer Darstellungsvorrichtung für eine virtuelle Umgebung zur Montage auf einem Kopf.
Beschreibung der bevorzugten Ausführung
Die vorliegende Erfindung erfolgt, indem zunächst ein Hochauflösungs-Modell der interessierenden Anatomie erzeugt wird. Dies erfolgt im bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel, das hier beschrieben wird, bevor die medizinische Prozedur unter Verwendung geeigneter medizinischer Systeme durchgeführt wird. In der bevorzugten Ausführung ist die interessierende Anatomie das menschliche Herz und speziell sind es die Wände der Herzkammer. Ein 4D-Modell wird erzeugt, das das Patientenherz in drei räumlichen Dimensionen bei aufeinanderfolgenden Phasen des kardialen Zykluses zeigt. Die Abbildungsmodalität, die weiter oben erläutert wurde, um dieses spezielle Modell zu erzeugen, ist ein MRI-System jedoch werden die Fachleute auf diesem Gebiet einräumen, dass andere Abbildungsmodalitäten wie eine Elektronenstrahl-CT oder Ultraschalltechnik auch angewandt werden können. Die spezielle verwendete Modalität zur Erzeugung des hochauflösenden Modells wird von zahlreichen Faktoren wie der Ausrüstung und zur Verfügung stehenden Erfahrung, Kosten und der speziellen interessierenden Anatomie abhängen.
Gemäß 1 sind die Hauptkomponenten eine bevorzugten MRI-Systems gezeigt, das dazu verwendet wird, Daten für das hochauflösende Modell zu erfassen. Die Funktionsweise des Systems wird von einer Bedienerkonsole 100 aus gesteuert, die eine Tastatur sowie ein Steuerpult 102 und eine Anzeige 104 umfasst. Die Konsole 100 kommuniziert über eine Leitung 116 mit einem separaten Computersystem 107, das es einer Bedienungsperson ermöglicht, die Erzeugung und Darstellung von Bildern auf dem Bildschirm 104 zu steuern. Das Computersystem 107 umfasst eine Anzahl von Modulen, die miteinander über eine Rückebene kommunizieren. Die Module umfassen einen Bildprozessormodul 106, eine CPU-Modul 108 und einen Speichermodul 113, die in der hier zugrunde liegenden Technik als Frame-Buffer zum Speichern der Bilddaten Arrays bekannt sind. Das Computersystem 107 ist mit einem Plattenspeicher 111 und einem Bandlaufwerk 112 zur Speicherung der Bilddaten und Programme verbunden, und es kommuniziert mit einem separaten Systemsteuerung 122 über eine serielle Hochgeschwindigkeitsleitung 115.
Die Systemsteuerung 122 umfasst einen Satz von Modulen, die miteinander über eine Rückebene verschaltet sind. Diese umfassen einen CPU Modul 119 und einen Impulsgeneratormodul 121, die über eine serielle Verbindung 125 mit der Bedienerkonsole 100 verbunden sind. Über diese Verbindung 125 empfängt die Sy stemsteuerung 122 Befehle von der Bedienungsperson, wobei diese Befehl die Abtastsequenz, die durchzuführen ist, anzeigen. Der Impulsgeneratormodul 121 steuert die Systemkomponenten an, die gewünschte Abtastsequenz auszuführen. Er erzeugt Daten, die die Zeitsteuerung, Stärke und Form von HF Impulsen anzeigen, zu erzeugen sind, sowie die Zeitsteuerung und Länge des Datenerfassungsfensters. Der Pulsgeneratormodul 121 ist mit einem Satz von Gradientenverstärkern 127 verbunden, um die zu erzeugende Zeitsteuerung und Form der Gradientenimpulse während der Abtastung anzuzeigen. Der Impulsgeneratormodul 121 empfängt auch Patientendaten von einer physiologischen Akquisitionssteuerung 129, die Signale von einer Anzahl verschiedener Sensoren empfängt, die mit dem Patienten verbunden sind, wie bspw. ECG Signale von Elektroden oder Atmungssignale von Faltenbälgen. Schließlich ist der Impulsgeneratormodul 121 mit einer Abtastraum-Interface-Schaltung 133 verbunden, die Signale von verschiedenen Sensoren empfängt, die mit dem Zustand des Patienten und des Magnetsystems verknüpft sind. Über die Abtastraum-Interface-Schaltung 133 empfängt ein Patientenpositionierungssystem 134 Befehle zur Bewegung des Patienten in die gewünschte Position zur Abtastung.
Durch den Impulsgeneratormodul 121 erzeugte Gradientenwellenformen werden auf ein Gradientenverstärkersystem 127 gegeben, welches G_x, G_y und G_z Verstärker umfasst. Jeder Gradientenverstärker erregt eine entsprechende Gradientenspule in einer Anordnung, die insgesamt mit 139 bezeichnet ist, um so die Magnetfelder mit Gradienten zu erzeugen, die für positionskodierende Akquisitionssignale verwendet werden. Die Gradientenspulenanordnung 139 bildet einen Teil einer Magnetanordnung 141, die einen polarisierenden Magneten 140 und eine Ganzkörper HF Spule 152 umfasst. Ein Sendemodul 150 in der Systemsteuerung 122 erzeugt Impulse, die von einem HF Verstärker 151 verstärkt werden und über einen Sende-/Empfangsschalter 154 in die HF Spule 152 gekoppelt werden. Die resultierenden von den erregten Kernen im Patienten abgestrahlten Signale können von der selben HF Spule 152 erfasst werden und über den Sende/Empfangsschalter 154 auf einen Vorverstärker 153 gegeben werden. Die verstärkten NMR Signale werden im Empfangsabschnitt der Sende/Empfangseinheit 150 demoduliert, gefiltert und digitalisiert. Der Sende/Empfangsschalter 154 wird von einem Signal vom Impulsgeneratormodul 121 so gesteuert, dass die HF Verstärker 151 während des Sendemodus mit der Spule 152 verbunden wird und während des Empfangsmodus mit dem Vorverstärker 153 verbunden wird. Der Sende/Empfangsschalter 154 ermöglicht auch die Verwendung einer separaten HF Spule (bspw. einer Kopfspule oder Oberflächenspule) sowohl im Sende- als auch im Empfangsmodus.
Die von der HF-Spule 152 aufgenommen NMR Signale werde vom Transceiver Modul 150 digitalisiert und über eine Rückebene 118 zu einem Speichermodul 160 in der Systemsteuerung 122 übertragen. Ist die Abtastung abgeschlossen und ist ein gesamtes Feld der Daten im Speichermodul 160 erfasst worden, beginnt ein Feldprozessor 161 damit, die Daten durch Fourier Transformation in ein Feld von Bilddaten umzusetzen. Diese Bilddaten werden über die serielle Verbindung 115 zum Computersystem 107 übertragen, wo sie im Plattenspeicher 111 gespeichert werden. Ansprechend auf von der Bedienerkonsole 100 empfangene Befehle können diese Daten auf dem Plattenlaufwerk 112 archiviert werden und können dazu verwendet werden, vom Bildprozessor 106 weiterverarbeitet zu werden, und zur Bedienerkonsole 100 übertragen und auf der Anzeige 104 dargestellt zu werden.
Speziell bezugnehmend auf 2 verwendet die kardiale Akquisition entsprechend der bevorzugten Ausführung eine Serie von schnellen Gradientenechoimpulssequenzen, die unter Steuerung durch den Impulsgenerator 121 mit der Wiederholzeit TR jeder Gradientenechoimpulssequenz zwischen 6 und 15 Millisekunden ausgeführt werden, und zwar abhängig von den ausgewählten Abbildungsparametern. Die Datenakquisition oder Datenerfassung wird durch ein ECG Gatingsignal kardial getriggert, wobei das Signal an der Spitze der R-Welle im QRS-Komplex triggert, wie es bei 200 angezeigt ist. Die Impulssequenzen werden während des Intervalls zwischen den kardialen Triggersignalen 200 ausgeführt, wobei das Intervall als R-R-Intervall bezeichnet wird. Die Länge des R-R-Intervalls ist eine Funktion der Herzfrequenz des Patienten.
In einer schnellen kardialen Akquisition unter Verwendung von Gradientenechos wird das R-R-Intervall in viel kurze Segmente unterteilt, wobei jedes Segment eine schnelle Gradientenakquisitionimpulssequenz mit einem nominellen Flip-Winkel zwischen 20° und 30° ist. Jedes schnelle Gradientenechosegment umfasst ein NMR Signal, welches eine einzige Linie des k-Raum repräsentiert, wobei dies manchmal als eine Ansicht bezeichnet wird. Angrenzende schnelle Gradientenechosegmente werden ferner zu Gruppen 202 kombiniert, in denen die Daten jeder Gruppe 202 dazu beitragen, ein Bild bei verschiedenen temporären Phasen des kardialen Zyklus zu erzeugen (R-R-Intervall). Die zeitliche Position dieser Phasenbilder hängt von der relativen Zeit vom kardialen Trigger (R-Welle) 200 zum Zentrum jeder Gruppe 202 der schnellen Gradientenechosegmente ab. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden 15 Gruppen 202 während jedes R-R-Intervalls erfasst und aus den resultierenden 15 erfassten k-Raumdatensätzen werden 15 entsprechende 2D-Schichtbilder unter Verwendung einer zweidimensionalen Fourier-Transformation auf wohl bekannte Weise rekonstruiert. Diese 2D-Schichtbilder zeigen eine Schicht durch das Herz bei 15 aufeinanderfolgenden Phasen des kardialen Zykluses an.
Die Abtastung fährt fort unter Erfassung weiterer Schichten durch das Herz. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden 50 bis 100 zusammenhängende fortlaufende Schichten erfasst und zu 2D-Schichtbildern rekonstruiert. Bei Abschluss der Abtastung werden diese 2D-Schichtbilder zur Bildung von 3D-Bilddatensätzen kombiniert. Infolgedessen werden 15 separate 3D-Bilddatensätze erfasst, in denen die Pixel eine Signalintensität in Voxeln durch das gesamte Patientenherz bei 15 aufeinanderfolgenden kardialen Phasen anzeigen.
Wie oben angezeigt, ist die Abbildungsmodalität, die dazu verwendet wird, die 3D-Bilddatensätze zu erzeugen, nicht auf MRI beschränkt. Andere Modalitäten wie Elektronenstrahl-CT oder Ultraschall können auch zur Erzeugung der erforderlichen hochauflösenden Daten herangezogen werden. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist der, daß die hochauflösenden 3D-Bilddaten vor deren Verwendung in einer medizinischen Echtzeitprozedur erfasst werden können, und dies eliminiert zahlreiche Faktoren, die andernfalls die Auswahl der abbildenden Modalität einschränken würden.
Während es möglich ist, die 15 3D-Abbildungsdatensätze als hochauflösendes dynamisches Modell des Patientenherzen zu verwenden, erfolgt die weitere Ver arbeitung des bevorzugten Ausführungsbeispiel dahingehend, dass der Verarbeitungsaufwand reduziert wird, der erforderlich ist, um das Modell in Echtzeit darzustellen. Darüber hinaus ist die Oberfläche der Herzwände in jeder Kammer in der betrachteten medizinischen Prozedur von Interesse, die im bevorzugten Ausführungsbeispiel praktiziert wird, und es ist eine Übertragung dieser 3D-Oberflächen auf eine 2D-Darstellung, die für den Arzt von größtem Nutzen ist. Die Verarbeitung der erfassten 3D-Bilddatensätze zu einem 4D-Modell, aus dem 3D-Herzwandoberflächen zur Verfügung gestellt werden, kann im Bildprozessor 106 im MRI-System der 1 erfolgen oder kann in einer separaten Arbeitsstation erfolgen. Eine Arbeitsstation wie das Modell O2, kommerziell erhältlich von Silicon Graphics, Inc. aus Mountain View, Kalifornien, wobei diese mit einer 3D-Software arbeitet, wie die, die unter dem Handelsnamen ANALYZE von der Mayo Klinik in Rochester, Minnesota kommerziell erhältlich ist, wird bevorzugt.
Gemäß 2A besteht der erste Schritt im Verfahren darin, die Herzwände, wie im Prozessblock 206 angezeigt ist, von den verbleibenden Strukturen zu segmentieren. Wie in dem Artikel "Three-Dimensional Biomedical Imaging" von Richard A Robb, veröffentlicht im Jahre 1995 durch VCH Publications, Inc., Seiten 166–169, beschrieben, ruft die Segmentierung binäre Volumenbilddatensätze hervor, in denen alle Pixel innerhalb einer Herzwand auf "1" gesetzt sind und alle Pixel außerhalb der Herzwände auf "0" gesetzt sind. Die Segmentierung kann durch Filtern und Schwellwerthaltung der 3D-Bilddatensätze mit anwenderspezifischen Schwellwerten erfolgen, gefolgt durch eine 3D-Bereichsauffüllung, initiiert von geeigneten Startpunkten an, die durch den Benutzer selektiert werden. Den Fachleuten auf diesem Gebiet sind zahlreiche Segmentierungsverfahren bekannt, wie die mathematische Morphologie und die multispektrale Klassifizierung. Dieser Schritt kann eine manuelle Intervention involvieren und kann eine beträchtliche Zeit erfordern, jedoch ist dieser Schritt "offline", bevor die medizinische Prozedur gestartet wird.
Der nächste in Prozessblock 208 angezeigte Schritt besteht darin, die Oberflächen der segmentierten Herzwandbilder kachelartig zusammenzufügen. Wie bspw. von Robb, R.A. und S Aharon, B.M. Cameron beschrieben: "Patient-specific Anatomic Models from Three Dimensional Medical Image Data for Clinical Applications in Surgery and Endoscopy", Journal of Digital Imaging, 10 (3) (Suppl. 1. August): 31–35, 1997, spezifiziert dieser Zusammenlegungsschritt Sätze von x, y, z Punktlagen auf den segmentierten Herzwandoberflächen und verbindet diese so, dass aneinander grenzende Polygone gebildet werden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jedes Polygon oder ist jede "Kachel" ein Dreieck, welches durch eine x, y, z Lage definiert ist und einen Einheitsvektor, der senkrecht zur Ebene des Dreiecks ist. Die durch diese Kacheln definierte Oberflächen können in Lage und Orientierung sehr schnell transformiert werden, weshalb eine Darstellung der Herzwandoberflächen für die Echtzeitverarbeitung attraktiv gestaltet wird.
Das hochauflösende Modell des Patientenherzen wird aus den 15 zusammengefügten Oberflächenbildern durch Erzeugung von 15 zusätzlichen zusammengefügten Oberflächenbildern erzeugt. Dies erfolgt in einem Prozessblock 210 durch Deformieren der erfassten zusammengesetzten Oberflächenbilder. Eine derartige Deformierung oder "Morphing" von 3D Bilddatensätzen ist eine wohlbekannte Prozedur und ist bspw. von Stacy, M., D. Hanson, J. Camp, R.A. Robb beschrieben in: "High Performance Computing In Biomedical Imaging Research at Mayo Clinic", Parallel Computing, 24: 1287–1321, 1998. Es wird so ein dynamisches 4D-Modell des Patientenherzen erzeugt, in dem zusammengesetzte Oberflächen der Herzwände bei aufeinander folgenden Inkrementen der kardialen Bewegung dargestellt werden. Falls in Folge dargestellt oder als Funktion der Zeit im Playback wiedergegeben, wird ein 3D-Hochauflösungsbild des schlagenden Herzens erzeugt. Der Observer kann unter jedwedem Winkel bzgl. des dynamischen Bildes plaziert werden, und wichtiger dabei, es kann der Observer innerhalb einer der Herzkammern plaziert werden. In der Tat kann das dynamische Herzmodell in einem virtuellen Realitätssystem verwendet werden, um den Arzt während der medizinischen Prozedur in das Innere des Patientenherzens zu plazieren. Derartige virtuelle Realitätssysteme sind den Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt, wie bspw. von Robb, R.A. beschrieben ist in: " Virtual Reality Assisted Surgery Planning Using Patient Specific Anatomic Models", IEEE Engineering In Medicine and Biology, Ed., Metin Akay, 15 (2): 60–69, März/April 1996, und es kann dafür gesorgt werden, dass der Betrachter sich physisch innerhalb einer Herzkammer angeordnet fühlt, wobei er auf die Bewegung der Kammerwände sieht, während die medizinische Prozedur ausgeführt wird.
Es sollte für die Fachleute auf dem vorliegenden Gebiet offensichtlich sein, dass es viele andere Arten der Erzeugung des Hochauflösungs-Modells der Objektanatomie gibt. Die Bilddaten können durch Abbildungsmodalitäten wie X-Strahl-CT, Elektronestrahl-CT, Ultraschall oder Magnetresonanzabbildung erfasst werden. Das Hochauflösungs-Modell kann auch eine Anzahl unterschiedlicher Formen abhängig von der Objektanatomie und der speziellen durchzuführenden medizinischen Prozedur annehmen. Das Hochauflösungs-Modell kann so einfach wie ein einziges 2D-Bild oder eine einzige 3D-Abbildung statischer Anatomie sein oder kann dynamische 3D-Strukturen oder Oberflächen darstellen, wie oben beschrieben. Ferner umfasst das oben offenbarte 3D Modell eine große Anzahl an 3D Datensätzen, die kachelartig verlegte Oberflächen bei sukzessiven Inkrementen der kardialen Bewegung darstellen. Ein dynamisches 3D Modell kann auch mit weniger 3D Datensätzen erzeugt werden (bspw. einem, dass das Herz an einer Systole darstellt, und einem, das das Herz bei einer Diastole darstellt), wenn zur Definition der Deformation der verlegten Oberflächen, die während des kardialen Zykluses auftritt, Gleichungen angewandt werden.
Die unter dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendete medizinische Prozedur ist eine intrakardiale Elektrophysiologie. Diese Prozedur involviert die Darstellung einer elektrischen Aktivierungskarte oder Aktivierungsmap, die die Zeitsteuerung der elektrischen Signale anzeigt, die die Muskeln in den Patientenherzkammerwänden aktivieren. Derartige elektrische Aktivierungsmaps zeigen Abnormalitäten der Aktivierung an, die kardiale Arhythmien hervorrufen. Der zweite Teil der Prozedur besteht darin, Herzwandgewebe mit einer endokardialen Ablationsvorrichtung zu entfernen, um derartige Abnormalitäten zu korrigieren. Das System zur Durchführung dieser Prozedur ist in den 3 bis 5 gezeigt.
In den 3 bis 5, auf die nun bezug genommen wird, bezeichnet die Bezugszahl 20 insgesamt einen Katheter 20, der einen länglichen flexiblen röhrenartigen Kunststoff-Katheterkörper 22 mit einem proximalen Ende 24 und einem distalen Ende 26 aufweist. Der Katheter 20 umfasst proximal zu seinem longitudinalen Ende 26 einen phasengesteuerten Ultraschallfeldwandler 30, der dazu ver wendet wird, Ultraschall zu senden und resultierende Echos zu empfangen, um so ein Sichtfeld vorzusehen, innerhalb dessen Merkmale abgebildet werden können. Es sei darauf hingewiesen, dass andere Arten von Ultraschallwandlern verwendet werden können, wie mechanische Typen oder dynamische Feldtypen oder jedwede stereoskopische Offset-Abbildungstypen oder jedwede mehrdimensionale Abbildungstypen, die in einer virtuellen Realitätsumgebung für Unter-Blutbetrieb inkorporiert werden. Ein elektrischer Leiter 36 ist im Katheterkörper 22 vorgesehen, um den Wandler 30 elektrisch mit einer Steuerschaltung 34 außerhalb des Katheterkörpers 22 zu verbinden, und erstreckt sich proximal dem proximalen Ende 24 des Katheterkörpers 22 zu einem Ort proximal dem distalen Ende 26 des Katheterkörpers 22. Eine Zugriffsöffnung 40 erstreckt sich über die Länge des Katheterkörpers 22 und ist dazu konfiguriert, eine therapeutische Vorrichtung aufzunehmen, um so zu ermöglichen, dass Gegenstände über die Zugriffsöffnung 40 zum distalen Ende 26 des Katheterkörpers 22 zum Betrieb innerhalb des Ultraschallwandler-Sichtfeldes befördert werden können. Ferner ist auch eine Führungsdraht-Zugriftsöffnung 42 innerhalb des Katheterkörpers 22 angeordnet und erstreckt sich vom proximalen Ende 24 des Katheterkörpers 22 zum distalen Ende 26 des Katheterkörpers 22 zur Aufnahme eines Führungsdrahtes 44. Wie im Stand der Technik wohl bekannt, kann der Führungsdraht 44 vom Arzt durch die Gefäßstruktur in das Patientenherz hinein vorgeschoben werden. Der Katheterkörper 22 wird dann längs des Führungsdrahtes 44 vorgeschoben, bis ein distales Ende 26 sich innerhalb des Herzens befindet, wie in 6 gezeigt. Der Führungsdraht 44 kann dann zurückgezogen werden.
In der bevorzugten Ausführung hat der Ultraschallwandler eine Frequenz von 5 bis 20 Megahertz (MHz). Intrakardiale Abbildung in einem Erwachsenen benötigt eine Bildpenetration von bis zu 20 Zentimetern (cm). Der Katheterkörper 22 hat eine Durchmesser von 4 bis 24 French [ein French, dividiert durch Pi, entspricht einem Millimeter (mm)]. Die Zugriffsöffnung 40 hat einen Durchmesser von 7 bis 8 French und die Führungsdrahtöffnung 42 hat einen Durchmesser von 0,61 bis 0,93 mm (0,025 bis 0,038 inches). Hinsichtlich einer detaillierten Beschreibung des Katheters 20 wird auf die US 5,345,940 verwiesen, die durch diesen Bezug in die Anmeldung mit eingeschlossen ist.
Wie in 5 gezeigt, ist die Steuerschaltung 34 elektrisch mit einer Transceiver-Schaltung 35 (T/R) zum Empfang und Senden von Signalen über ein Kabel 36 verbunden, welches mit dem Ultraschallwandler 30 verbunden ist. Während des Betriebes veranlasst die Steuerschaltung 36 den Ultraschallwandler 30 zu vibrieren, um so dafür zu sorgen, dass eine geeignete Ultraschallwelle vom distalen Ende 26 des Katheterkörpers 22 ausgeht. Die Ultraschallwelle, die in 4 durch die Linien 50 angezeigt ist, breitet sich durch das blutumgebende distale Ende 26 und einen Teil der Körperstruktur aus. Ein Teil der Ultraschallwelle, die so ausgesendet wird, wird von den Körperstrukturen zurück reflektiert und trifft auf den Wandler 30. Hierdurch wird ein elektrisches Signal erzeugt und über das Kabel 36 zum Eingang des Transceivers 35 übertragen.
Wie weiter unten im Detail erläutert werden wird, werden die Ultraschallbilddaten auf ein Echtzeit-Abbildungssystem 39 gegeben, dass die Echtzeit-Ultraschallbilddaten, das Hochauflösungs-Modell des Patientenherzen, welches im Speicher 37 gespeichert ist, und ein ECG vom Patient nutzt, um Echtzeitbilder zu erzeugen, die über ein Kabel 60 auf eine Anzeige 61 gegeben werden. Das Abbildungssystem 39 ist eine Computer-Workstation, die einen schnellen Mikroprozessor umfasst, eine große Festplatte zum Speichern von Bilddaten und Software für die Implementierung der vorliegenden Erfindung. In der bevorzugten Ausführung wird eine Workstation wie das Modell O2 verwendet, beziehbar durch Silicon Graphic, Inc. of Mountain View, Kalifornien, wobei diese Workstation einen R 10000, 175 MHz Prozessor hat. Die Abbildung verläuft, während eine therapeutische oder chirurgische Vorrichtung am distalen Ende 26 des Katheters 20 innerhalb des vom Ultraschallwandler 30 vorgesehenen Sichtfeldes eingesetzt wird. Der Benutzer kann so die medizinische Prozedur bei deren Ausführung überwachen und verfolgen.
Wie in 5 dargestellt, umfasst der Katheterkörper 22 proximal bei seinem proximalen Ende 24 eine Anbringungsstruktur 52 zur Zugriffsöffnung 40. An der Anbringungsstruktur 52 ist eine Ablationsstruktur 53 befestigt und ein längliches kabelartiges Teil 54 erstreckt sich längs der Zugriffsöffnung 40 und leicht über das distale Ende 26 des Katheterkörpers 22 hinaus. Ein operativer Abschnitt 56 der Ablationseinrichtung 53 ist an diesem distalen Ende befestigt.
Wie in den 6 und 7 gezeigt, führt der Arzt den flexiblen Katheterkörper 22 über den geeigneten Gefäßzugriff an die gewünschte Stelle, wo die Objektanatomie, wie bspw. eine Herzkammer bearbeitet werden kann. Im dargestellten Beispiel wird das distale Ende des Katheters 22 in das rechte Atrium und das rechte Ventrikel eingeführt, wo die Ablationsvorrichtung 56 zur Behandlung kardialer Arhythmien verwendet werden kann. Der Operationsabschnitt 56 der Ablationsvorrichtung befindet sich im Sichtfeld des Ultraschallwandlers 30 und es ist dem Arzt möglich, seine Operation zu überwachen. Darüber hinaus kann der Arzt die Merkmale der Herzwand innerhalb des Sichtfeldes vor, während und nach der Eingriffsaktivität verfolgen. Wie durch die Linien 57 angezeigt ist, ist das Sichtfeld des Ultraschallwandlers 30 auf einen schmalen Bruchteil der umgebenden Wand der Herzkammer beschränkt. Die Qualität der Echtzeit-Ultraschallbilder ist auch eingeschränkt.
Gemäß 5, auf die wiederum Bezug genommen wird, erzeugt der Ultraschallwandler 30, wenn der Arzt die medizinische Prozedur ausführt, Bilddaten mit einer Rahmenrate von 30 Bildern pro Sekunde. Wie nun erläutert wird, verwendet das Echtzeit-Abbildungssystem 39 diese Echtzeit-Bildrahmen zusammen mit einem ECG-Signal vom Patienten zur Zusammenpassung oder Registrierung des gespeicherten hochauflösenden Herzmodells 37. Dieses registrierte hochauflösende Modell wird dann dazu verwendet, hochauflösende Bilder mit großem Sichtfeld in Echtzeit auf der Anzeige 61 zu erzeugen.
Speziell gemäß den 5 und 8 gibt die Software ein Gating-Signal 200 (Torsteuersignal) von einer Gating-Schaltung 38 gemäß Anzeige im Prozessblock 220 in das Echtzeit-Abbildungssystem 39. Die Gating-Schaltung 38 empfängt das ECG Signal vom Patienten und verwendet Methoden, die allgemein bekannt sind, um die Spitze in der R-Welle des QRS Komplexes zu detektieren. Solche Verfahren sind bspw. in den US Patenten 3,939,824 ; 4,259,966 und 4,181,135 beschrieben. Wenn das Gating-Signal 200 detektiert ist, wie im Entscheidungsblock 220 festgestellt, verzweigt das System zur Zurückstellung eines kardialen Phasenzählers im Prozessblock 224. Der Kardialphasen-Zähler hält eine Anzeige der kardialen Phase und wird periodisch durch einen Echtzeitinterrupt während jeden kardialen Zykluses inkrementiert. Das Intervall zwischen zeitgesteuerten Interrupts wird im Prozessblock 225 unter Verwendung der Herzschlagrate des Patienten bestimmt, wie durch den Durchschnitt der vorausgehenden 5 R-R Intervalle gemessen.
Wie im Prozessblock 228 angezeigt, wird dann der letzte Echtzeit-Bildrahmen vom Ultraschallwandler 30 eingegeben und der gegenwärtige Wert des Kardialphasen-Zählers wird gelesen und gemäß Anzeige im Prozessblock 230 am Bild angefügt. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass das gegenwärtige Bild des Kardialphasen-Zählers gelesen und in einer mit Bildrahmen verknüpften Speicherzelle gespeichert wird. Das Echtzeitbild wird dann verarbeitet, um es in eine Form zu geben, die beim Ausricht- bzw. Registrationsprozess verwendet werden kann. In der bevorzugten Ausführung umfasst dies die Detektion der Herzwandgrenzen im Echtzeitbild, wie im Prozessblock 232 angezeigt. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass eine Anzahl wohlbekannter Merkmaldetektionsverfahren angewandt wird, wie das Grenzdetektionsverfahren, das in der gleichzeitig anhängigen US Patentanmeldung 08/935,128 beschrieben ist, die am 22. September 1997 eingereicht wurde und den Titel hat: "Fast Cardiac Boundary Imaging" und durch diesen Bezug mit in die vorliegende Anmeldung einbezogen wird.
Wie im Prozessblock 234 angezeigt, wird dann das geeignete hochauflösende Bild aus dem gespeicherten 4D Modell selektiert. Dies erfolgt durch Verwendung des gespeicherten Phasenzählerwertes, welcher anzeigt, welche Phase des karidalen Zyklusses vom Herzen in dem Moment der Erfassung des aktuellen Echtzeit-Bildrahmens vorlag. Wie oben dargelegt, speichert das 4D Modell 3D-Hochauflösungsbilder, die das Herz bei aufeinanderfolgenden Positionen während des karidalen Zyklusses darstellen, und es wird das nächstgelegene selektiert. Es sollte offensichtlich sein, dass im bevorzugten Ausführungsbeispiel das 4D Modell eine große Anzahl von Bildern (bspw. 30) speichert und dieser Schritt lediglich die Selektion des kardialen Phasenbildes ist, welches am dichtesten am Wert liegt, der durch den Phasenzähler angezeigt wird. Wenn weniger karidale Phasenbilder gespeichert werden, ist es jedoch auch möglich, zwischen den nächstgelegenen Zweiphasenbildern zu interpolieren, um ein hochauflösendes kardiales Bild zu erzeugen, dass das Herz zu genau dem Moment darstellt, der durch den Phasenzähler angezeigt wird.
Das selektierte Hochauflösungsbild wird dann mit dem gegenwärtigen Echtzeitbildrahmen zusammengepasst bzw. ausgerichtet, wie im Prozessblock 236 angezeigt ist. Das bevorzugte Verfahren zur Zusammenpassung oder Ausrichtung der beiden Bilderdatensätze ist im US Patent 5,568,384 beschrieben, das am 22. Oktober 1996 ausgegeben wurde und den Titel hat "Biomedical Imaging And Analysis", wobei es durch die Erwähnung mit eingeschlossen ist. Wie weiter unten detaillierter erläutert ist, ist dies ein iterativer Prozess, bei dem ein passendes Bild (aus dem gespeicherten 4D Modell) zur Lieferung der bestmöglichen Registrierung bzw. Zusammenpassung mit einem Basisbild (dem Echtzeit-Bildrahmen) einer Translation, einer Rotation und einer Skalierung unterzogen wird. Sukzessive Transformationen des Anpassungs- bzw. Abstimmungsbildes erfolgen und es wird nach jeder Transformation eine Cost-Funktion berechnet. Die Cost-Funktion wird als quadratisches Mittel (RMS-Mittel) der Distanzen von Punkten auf dem transformierten Abstimmungsbild bis zu entsprechenden Punkten auf dem Basisbild berechnet. Die Zusammenpassung wird mit der Transformation erzielt, die zu einem globalen Minimum in der Cost-Funktion führt. Die Konvergierung zu diesem Ergebnis wird dadurch beschleunigt, dass man mit Versionen der beiden Bilder geringer Auflösung beginnt und dann sukzessive hochauflösende Bilder ausrichtet und zusammenpasst. Dieser Prozess wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel unter Verwendung des "Chamfer Matching" Merkmals auf dem kommerziell erhältlichen 3D Abbildungssystem implementiert, das oben angegeben wurde und unter dem Markennamen ANALYZE vertrieben wird.
Für die Fachleute auf diesem Gebiet sollte es offensichtlich sein, dass für die Zusammenpassung bekannter Bilder andere Verfahren verwendet werden können, wie das Verfahren aus dem Stand der Technik mit der Bezeichnung "Voxal Matching" und die Verfahren, die in den US Patenten 5,839,440 ; 5,531,520 und 5,706,416 beschrieben sind.
Das durch diese Zusammenpassung gewonnene Hochauflösungsbild der Herzwandanatomie wird auf die Anzeige 41 ausgegeben, wie im Prozessblock 238 angezeigt ist. Eine solche Darstellung kann eine einfache 2D-Darstellung eines Teils der Herzwand innerhalb des Sichtfelds vom Ultraschallwandler sein oder es kann auch eine erweiterte Ansicht sein. In der Tat kann, wie oben bereits erwähnt, das Sichtfeld den Betrachter umgeben und ein Bild liefern, welches den Arzt in die Herzkammer hineinversetzt.
Die Echtzeit-Ultraschallwandlerbilder umfassen nicht nur die Objektanatomie wie einen Teil der Herzwand, sondern auch die medizinischen Vorrichtungen. Wie oben beschrieben, ist im bevorzugten Ausführungsbeispiel die medizinische Vorrichtung einer Ablationsvorrichtung 56, die innerhalb des Sichtfeldes des Ultraschallwandlers 30 manipuliert wird. Die von der medizinischen Vorrichtung empfangenen Echosignale sind akustisch unterscheidbar und können automatisch oder manuell in den rekonstruierten Echtzeitbildern erfasst werden. Wie im Prozessblock 240 angezeigt, wird die Position der medizinischen Vorrichtung so auf die Anzeige 41 ausgegeben, das sie über dem anatomischen Bild liegt, wie im Prozessblock 242 angezeigt ist. Die Überlagerung der medizinischen Vorrichtung kann ein Bild der Vorrichtung sein, ein Zeichen, das die Vorrichtung repräsentiert, oder einfach ein Cursor oder Fadenkreuze.
Der in 8 gezeigte Prozess setzt sich durch die medizinische Prozedur hindurch fort, um den Arzt mit einem kontinuierlich aktualisierten Bild der Objektanatomie und der medizinischen Vorrichtung zu versorgen. Das dargestellte Bild wird mit einer Rahmenrate aktualisiert, die ausreichend hoch ist, um eine fortlaufende Ansicht des Inneren des schlagenden Herzens und der Bewegung und Plazierung der Ablationselektrode zu liefern. Da ein hochauflösendes Bild mit hohem Sichtfeld dargestellt wird, ist es für den Arzt einfach, den Teil der Herzwand zu identifizieren, der behandelt werden muss, um die Ablationsvorrichtung exakter in Position zu bringen.
Die Anzeige 61 kann eine Anzahl verschiedener Formen abhängig von der medizinischen Prozedur, die durchgeführt wird, und den Präferenzen des Arztes annehmen. In der bevorzugten Ausführung wird das Zentrum des Sichtfeldes des akustischen Wandlers mit dem Zentrum einer großen CRT oder LCD Anzeige ausgerichtet. Unterschiedliche Teile der Anatomie können durch Bewegen des distalen Katheterendes 26 betrachtet werden, um den akustischen Wandler auf die interessierenden anatomischen Strukturen zu "zielen". In der Alternative kann ein in den Zeichnungen nicht dargestellter Joystick verwendet werden, um aus dem Sichtfeld des Ultraschallwandlers wegzuscannen, wenn andere Teile der Anatomie ohne Bewegung des Katheters zu untersuchen sind. Die Orientierung des Observers innerhalb der anatomischen Struktur (bspw. der Herzkammer) wird durch Verwendung von Navigations-Icons gehalten, wie in der gleichzeitig anhängigen US Patentanmeldung mit der Nummer 08/982,014 beschrieben ist, die am 1. Dezember 1997 eingereicht wurde und den Titel hat "Graphic Navigational Guides For Accurate Image Orientation and Navigation".
Eine Alternative der vorliegenden Erfindung verwendet eine Anzeige, die am Kopf montiert wird, wie bspw. in 11 gezeigte Vorrichtung, um eine virtuelle Umgebung für den Arzt vorzusehen. Die Anzeige umfasst einen Helm 80, der mit dem Echtzeit-Abbildungssystem 39 über ein Kabel 60 verbunden ist. Die Steuerschaltung 81, die auf der Rückseite des Helms 10 angebracht ist, empfängt Videosignale des Abbildungssystems 39 und setzt sie in Bildrahmen um. LCD Farbdisplays 82 und 83 stellen die Bildrahmen über Optiken 84 für die Betrachteraugen dar. Die LCD Displays 82 und 83 und die Optiken 84 sind in einem Rahmen in einem Frontabschnitt 85 des Helms 10 angebracht. Ein kreisrundes Kopfband 86 ist am Inneren des Helms 10 angebracht und passt sich auf den Kopf des Betrachters so an, dass es den Helm fest, jedoch komfortabel bzgl. der Optik 84 plaziert und auf die Augen des Betrachters ausgerichtet hält.
Ein Kopfpositionssensor 87 ist im oberen Teil des Helms 10 angebracht, um die Orientierung des Helms bzgl. einer ausgewählten Bezugsorientierung oder Bezugslage abzufühlen. Der Sensor 87 umfasst einen Empfänger, der Ultraschallwellen durch eine Öffnung in der Oberseite des Helms empfängt. Die Ultraschallwellen werden von einem Sender 88 erzeugt, der über dem Arbeitstisch angebracht ist. Signale von den Ultraschallsensoren 87 werden über das Kabel 89 übertragen, wo sie zur Erzeugung von Joysticksignalen verarbeitet werden, die das Sichtfeld der von den LCD Displays 82 und 83 erzeugten Bilder bewegen. Wenn der Kopf des Arztes sich in der ausgewählten Bezugsorientierung befindet, entspricht das dargestellte Bild dem Zentrum des Sichtfeldes des Katheter-Ultraschallwandlers 30. Wenn sich der Kopf des Arztes nach links oder rechts, nach oben oder unten dreht, so dreht sich das Zentrum des dargestellten Bildes um einen entsprechenden Betrag. Daher kann der Arzt auf anatomische Merkmale weit außerhalb des Sichtfeldes des Katheter-Ultraschallwandlers 30 blicken. Hinsichtlich einer detaillierteren Erläuterung der am Kopf montierten Anzeigeeinrichtung wird auf das US Patent 5,321,416 mit dem Titel "Head-Mounted Visual Display Apparatus" verwiesen, das durch diesen Bezug in die vorliegende Erfindung eingeschlossen ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Anzeige eines physiologischen Parameters oder Prozesses. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der physiologische Parameter eine Aktivierungszeit, die in der räumlichen Form einer elektrischen Aktivierungskarte oder Aktivierungsmap dargestellt wird. Wie oben angedeutet, sind derartige Aktivierungsmaps funktionelle Bilder, die dazu verwendet werden, Regionen der Herzwand zu identifizieren, die kardiale Arhythmien hervorrufen.
Wie in den 9 und 10 gezeigt wird, werden Daten zur Erzeugung einer Aktivierungsmap unter Verwendung eines Abbildungskatheters 250 erzeugt. Der Abbildungskatheter besteht aus einem flexiblen Schaft 252 mit einem proximalen und distalen extremen Ende. Der flexible Schaft 252 liegt in Form eines länglichen flexiblen rohrförmigen Teils vor, das aus einem geeigneten Kunstoffmaterial wie einem Polyester gefertigt ist. Der Teil ist mit einem Lumen 256 versehen, das sich durch ihn hindurch erstreckt, obgleich er auch eine Multilumen-Konfiguration haben kann.
Eine Elektrodenanordnung 261 in Form eines Korbes ist an der distalen Extremität des Schafts 252 angebracht. Die Anordnung ist mit mehreren, bspw. acht umfangsmäßig beabstandeten und sich in Längsrichtung erstreckenden Armen 262 versehen, die proximale und distale Extremitäten aufweisen. Gemäß Darstellung weisen die Arme 262 einen nach außen gebogenen Formspeicher auf und ihre proximalen Extremitäten sind an der distalen Extremität des Schaftes 252 befestigt. Die distalen Extremitäten der Arme 262 sind an eine Narbe 266 angeschlossen und dort verbunden, wobei die Narbe eine abgerundete vordere Extremität 267 aufweist.
Es sind mehrere Elektroden 268, bspw. vier, auf der Oberseite jedes der Arme 262 ausgebildet. Die Elektroden 268 sind entlang der Arme 262 in Längsrichtung beabstandet und von einander isoliert. Sie sind mit Leitern in einem geeigneten Mehrleiter-Streifen, wie einem (nicht dargestellten) Flachkabel verbunden, das sich durch das Lumen 256 im Schaft 252 erstreckt. Die Elektroden 268 können elektrische Signale erfassen, die in der Wand des Herzens erzeugt werden. Diese elektrischen Signale treten durch das Flachkabel zum proximalen Ende des Abbildungskatheters 252, wo sie auf eine Schaltung gegeben werden, die die Zeitfolge der Signale aufzeichnet, die von jeder Elektrode 268 erfasst werden. Eine Schaltung, wie die im US Patent 5,156,151 offenbarte und von Arrhythmia Research Technology kommerziell beziehbare Schaltung, wird für diesen Zweck verwendet.
Wie im US Patent 5,465,717 , das am 14. November 1995 ausgegeben wurde und den Titel hat "Apparatus And Method For Ventricular Mapping And Ablation", und welches durch den Bezug hier einbezogen wird, wird die Elektrodenanordnung 261 durch Arterien und in eine Kammer des Herzens geführt. Ein (nicht dargestellter) Führungskatheter wird für diesen Zweck verwendet und wenn der Führungskatheter über eine kurze Distanz zurückgezogen wird, um die Korbanordnung 261 freizulegen, krümmen sich die Arme 262 radial auswärts, um die Elektroden 268 gegen die Herzkammerwandungen zu drücken. Die durch die Elektroden 268 erzeugten elektrischen Signale zeigen die relative Zeitfolge der Signale an, die die Herzwandmuskeln während des kardialen Zykluses kontrahieren. Wie im am 25. April 1995 ausgegebenen US Patent 5,409,000 mit dem Titel "Endorcardial Mapping And Ablation System Utilizing Separately Controlled Steerable Ablation Catheter With Ultrasonic Imaging Capabilities And Method" beschrieben, sind die separaten Elektroden 268 mit Ultraschall-Marken kodiert. Die Marken sind Luftblasen, die in jedem Arm 262 ausgebildet sind, um in Ultraschallbildern helle Flecke hervorzurufen. Die Anzahl von Blasen/hellen Flecken zeigt die Identität der Elektrode 268 an.
Es gibt zahlreiche unterschiedlich kommerziell erhältliche Vorrichtungen zur endokardialen Abbildung. Derartige alternative Abbildungsvorrichtungen bzw. Mapping-Vorrichtungen sind von Biossense, Inc. aus Orangeburg, New York beziehbar; ferner von Cardiac Pathway Corporation aus Sunnyvale, Kalifornien und Endocar dial Solutions, Inc. aus St. Paul, Minnesota. Solche Abbildungsvorrichtungen sind auch in den US Patenten 5,568,809 ; 5,345,936 ; 5,228,442 ; 5,507,802 ; 5,558,073 und 5,662,108 offenbart.
Die Erzeugung der elektrischen Aktivierungsmap unter Verwendung der Elektrodenanordnung 261 kann in Echtzeit bei Durchführung der Ablationsprozedur ausgeführt werden. Die Elektrodenanordnung 261 wird gemäß Darstellung in 10 in die Herzkammer des jeweiligen Subjektes eingeführt und es werden die Abbildungsdaten erfasst. Die Ablationsprozedur wird dann unter Verwendung der Ablationsvorrichtung 256 gemäß Darstellung in 6 und gemäß der aus den Abbildungsdaten erzeugten Aktivierungsmaps ausgeführt. Die Ablationsvorrichtung und der damit verknüpfte Ultraschallwandler werden durch das Lumen 256 im Katheterschaft 252 eingeführt und vom Arzt separat manipuliert, um die Ablationsprozedur auszuführen, während Echtzeit-Ultraschallbilder, wie oben beschrieben erfasst werden. Ein solcher Katheter ist bspw. im US Patent 5,409,000 mit dem Titel "Endorcardial Mapping And Ablation System Utilizing Separately Controlled Steerable Ablation Catheter With Ultrasonic Imaging Capabilities And Method" beschrieben.
Die Lagen der Abbildungs-Korbelektroden 268 werden in den erfassten Ultraschallbildern detektiert und die Lagen der Elektroden 268 werden mit dem Arzt dargebotenen hochauflösenden Bild in Ausrichtung gebracht. Die geschieht dadurch, dass der Wandler 30 bei jeder Elektrode 268 anvisiert wird, ein Cursor auf einer im Bild dargestellten Elektrode plaziert wird und die auf dem Bild durch die Anzahl von hellen Flecken angezeigte Elektrodenzahl eingegeben bzw. eingetippt wird. Sind sämtliche Elektrodenpositionen eingegeben worden, so kann eine elektrische Aktivierungsmap auf dem hochauflösenden Bild erzeugt werden.
Die elektrische Aktivierungsmap wird durch Farbkodierung der dargestellten Herzwand-Kacheln mit den mit dem Abbildungskatheter gewonnenen bzw. erfassten Zeitfolgedaten erzeugt. Mit anderen Worten wird die elektronische Aktivierungsmap als Farbkodierung über das detaillierte anatomische Bild gelegt, wie im Prozessblock 252 angezeigt. Die wird dadurch bewerkstelligt, dass die bei jeder Korbelektrode 268 gemessene Aktivierungszeit ihrer entsprechenden Lage im registrierten bzw. ausgerichteten hochauflösenden 3D-Bild zugeordnet wird. Das heißt, Lagen auf dem Bild der Herzwandoberfläche entsprechend Korbelektroden-Lagen werden gemessenen Aktivierungszeiten zugeordnet. Die Aktivierungszeiten anderer Lagen auf der Herzwandoberfläche werden dann durch Mitteilung der Aktivierungszeit der nächsten benachbarten "n"-Korbelektroden, bei Wichtung durch deren euklidische Distanz von dieser Lage, berechnet. Die Aktivierungzeiten für jede Lage/jedes Pixel auf der Herzwandoberfläche wird auf diese Weise berechnet und es wird dann der Bereich von Aktivierungszeiten in 20 auf einander folgende Intervalle unterteilt. Dann werden 20 separate Pixelbänder, jeweils mit Aktivierungzeiten im selben Zeitintervall, mit der selben Farbe farblich kodiert. Unter Verwendung einer Farbe als Darstellung der Zeit, werden so Aktivierungswellenfronten durch farbliche Gestaltung der Pixel im registrierten bzw. ausgerichteten Hochauflösungsbild der Herzwand überlagert.
Es sollte für die Fachleute auf diesem Gebiet offensichtlich sein, dass die registrierten bzw. ausgerichteten physiologischen Daten auf dem hochauflösenden Bild auch auf andere Weise dargestellt werden können. Bspw. kann die Grauskala statt Farbe moduliert werden oder es kann die Textur des Bildes dazu verwendet werden, den der Messung unterliegenden physiologischen Parameter anzuzeigen. Auch können die physiologischen Daten direkt als Zahlen bzw. Nummern dargestellt werden, die auf den aufgezeigten anatomischen Strukturen plaziert werden.
Bei gleichzeitiger Ausführung mit der Ablationsprozedur wird die elektronische Aktivierungsmap kontinuierlich mit der Ausführung der Ablation aktualisiert. Als Folge hiervon kann der Arzt anhand des sich ändernden Musters der farblich gestalteten Aktivierungswellenfronten die präzise Auswirkung sehen, die die Ablation auf die kardiale Aktivierung hat.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Bildern während einer medizinischen Prozedur, wobei die Schritte umfassen: a) Erfassen von Bilddaten einer Anatomie, die das Objekt der medizinischen Prozedur ist und die wiederholt einen Funktionszyklus ausführt, b) Rekonstruieren eines Modellbildes der Objektanatomie hoher Auflösung aus den erfaßten Bilddaten in Form eines mehrdimensionalen Modells, in welchem eine Dimension Änderungen in der Objektanatomie bei diskreten Phasen des Funktionszykluses darstellt, c) Erfassen von Bildern der Objektanatomie geringer Auflösung, sowie die medizinische Prozedur durchgeführt wird; d) Abtasten der Funktionszyklusphase der Objektanatomie, wenn jedes Bild geringer Auflösung erfaßt wird, sowie die medizinische Prozedur durchgeführt wird; e) Zusammenpassen des Hochauflösungs-Modellbildes mit erfaßten Bildern geringer Auflösung, sowie die medizinische Prozedur durchgeführt wird, unter Verwendung der abgetasteten Funktionszyklusphase; und f) Darstellen von Hochauflösungsbildern während der medizinischen Prozedur, die das der Zusammenpassung unterzogene Hochauflösungs-Modellbild verwenden.
Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die Bilder kardiale Bilder sind und die Schritte a) bis f) umfassen: a) Erfassen von Bilddaten vom Herzen des Objekts während aufeinanderfolgender kardialer Phasen; b) Rekonstruieren eines Hochauflösungs-Modellbildes des Objektherzens aus den erfaßten Bilddaten, die das Herz während aufeinanderfolgender kardialer Phasen seines Funktionszyklusses darstellen; c) Erfassen von Bildern der Objektanatomie geringer Auflösung, sowie die medizinische Prozedur durchgeführt wird; d) Detektieren der kardialen Phase, sowie die medizinische Prozedur durchgeführt wird, e) Zusammenpassen des Hochauflösungs-Modellbildes mit erfaßten Bildern geringer Auflösung, sowie die medizinische Prozedur durchgeführt wird, unter Verwendung der detektierten kardialen Phase; und f) Darstellen von Hochauflösungs-Bildern während der medizinischen Prozedur, die das der Zusammenpassung unterzogene Hochauflösungs-Modellbild verwenden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem die Bilder geringer Auflösung eine medizinische Vorrichtung in ihrem Sichtfeld umfassen und die medizinische Vorrichtung während der medizinischen Prozedur durch Überlagerung einer Darstellung der medizinischen Vorrichtung über den Bildern hoher Auflösung dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, in welchem die medizinische Vorrichtung eine Ablationsvorrichtung ist.
Verfahren nach Anspruch 2, in welchem die Bilder geringer Auflösung, mit einem Ultraschallwandler erfaßt werden, der in eine Kammer des Herzens eingeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 5, in welchem die medizinische Vorrichtung eine Ablationsvorrichtung ist, die in die Herzkammer eingeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 5, in welchem die medizinische Vorrichtung eine Elektrodenanordnung ist, die in die Herzkammer eingeführt ist und elektrische Signale erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 7, in welchem die elektrischen durch die Elektrodenanordnung erzeugten Signale auf den Hochauflösungs-Bildern als Aktivierungs-Wellenfronten dargestellt werden, welche die Zeitfolge von Signalen anzeigen, die an einer Herzkammerwand durch die Elektrodenanordnung abgetastet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, in welchem die räumliche Verteilung der Aktivierungs-Wellenfronten durch unterschiedliche Farben angezeigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem die Hochauflösungs-Bilder Darstellungen dreidimensionaler anatomischer Oberflächen sind.
Verfahren nach Anspruch 10, in welchem Schritt f) unter Verwendung einer zweidimensionalen Darstellungsvorrichtung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, in welchem Schritt f) unter Verwendung einer dreidimensionalen Darstellungsvorrichtung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, in welchem Schritt f) unter Verwendung einer am Kopf montierten Anzeige ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, in welchem die anatomischen Oberflächen, die von der am Kopf montierten Anzeige dargestellt werden, teilweise durch die räumliche Orientierung der am Kopf montierten Anzeige bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem die Bilder geringer Auflösung unter Verwendung eines Wandlers erfaßt werden, der ein eingeschränktes Sichtfeld der Objektanatomie hat, und die dargestellten Bilder hoher Auflösung ein größeres Sichtfeld der Objektanatomie darstellen.
Verfahren nach Anspruch 15, in welchem die spezielle Objektanatomie, die in den dargestellten Hochauflösungs-Bildern dargestellt ist, durch die vom Wandler erfaßten Bilder bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem diese eine Dimension Änderungen in der Objektanatomie über die Zeit darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 in welchem der Schritt e) der Zusammenpassung umfaßt, aus dem Hochauflösungs-Modellbild eine Darstellung der Objektanatomie bei einer der diskreten Phasen auszuwählen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem der Schritt e) der Zusammenpassung umfaßt, eine Darstellung der Objektanatomie durch Interpolation zwischen zwei der diskreten Phasen zu erzeugen, die im Hochauflösungs-Modellbild dargestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, in welchem die Elektrodenanordnung, die in das Herz eingeführt ist, elektrische Signale erzeugt, die die Zeitfolge von Signalen anzeigen, welche an einer Herzkammerwand abgetastet werden, und in welchem das Verfahren umfaßt: Positionieren der Elektrodenanordnung in den erfaßten Bildern geringer Auflösung; und Darstellen der durch die Elektrodenanordnung gemessenen Signalzeitfolge auf den dargestellten Hochauflösungs-Bildern.
Verfahren nach Anspruch 20, in welchem die Signalzeitfolge durch Farbcodierung der dargestellten Hochauflösungs-Bilder dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, in welchem die Signalzeitfolge durch eine Texturcodierung der dargestellten Hochauflösungs-Bilder dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, in welchem die Signalzeitfolge durch die Grauskala der dargestellten Hochauflösungs-Bilder dargestellt wird.
Verfahren zum Ausführen einer medizinischen Interventionsprozedur an einem Objekt, wobei die Schritte umfassen: a) Erzeugen eines anatomischen Bildes des Objekts mit einem medizinischen Abbildungssystem und Aktualisieren des anatomischen Bildes in Echtzeit, sowie die medizinische Interventionsprozedur durchgeführt wird. b) Erfassen physiologischer Daten vom Objekt mit einer medizinischen Vorrichtung; c) Räumliche Zusammenpassung der physiologischen Daten mit dem anatomischen Bild; d) Erzeugen eines Ausgangsbildes, welches die räumlich zusammengepassten physiologischen Daten mit dem aktualisierten anatomischen Bild verschmilzt; und e) Wiederholen der Schritte b), c) und d) während der medizinischen Interventionsprozedur zur Darstellung physiologischer Änderungen im Objekt, sowie die Interventionsprozedur durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, in welchem das anatomische Bild mit hoher Auflösung erfaßt wird und durch Erfassen von Bildern geringer Auflösung während der medizinischen Interventionsprozedur aktualisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 24, in welchem die medizinische Vorrichtung eine endokardiale Abbildungsvorrichtung ist und die physiologischen Daten elektrophysiologische Daten sind.
Verfahren nach Anspruch 26, in welchem die räumlich zusammengepassten physiologischen Daten eine elektrische Aktivierungs-Map sind, die über dem aktualisierten anatomischen Bild liegt.