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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Echtzeitrekonstruktion und Darstellung eines dreidimensionalen Zielvolumens, insbesondere im menschlichen Körper, wobei aus einer eine Mindestzahl von zweidimensionalen Bildern einer im Zielvolumen befindlichen Bildaufnahmeeinrichtung umfassenden Grundmenge ein dreidimensionales Rekonstruktionsvolumen bestimmt wird.
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Insbesondere in der Medizin ist es bei der Untersuchung bzw. Behandlung von Hohlorganen, insbesondere dem Herzen, im menschlichen Körper wichtig, eine dreidimensionale Visualisierung zu untersuchender Bereiche des Hohlorgans zu erhalten, wie sie nur von einer in das Zielvolumen im Hohlorgan eingebrachten Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen werden können. Die interessierenden Details können dabei neben Gewebearten, dem Blutfluss oder eingebrachten weiteren Kathetern bzw. dem Katheter, der die Bildaufnahmeeinrichtung trägt, auch Anomalien, wie beispielsweise durch Ablation entstandene Läsionen sein.
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Ist eine bestimmte Anzahl zweidimensionaler Bilder aufgenommen, so kann ein dreidimensionales Rekonstruktionsvolumen aus dieser Mindestzahl von Bildern rekonstruiert werden. Die Aktualisierungsfrequenz dieser Rekonstruktionsvolumen ist jedoch relativ niedrig, da zur Rekonstruktion die Mindestzahl von zweidimensionalen Bildern vorhanden sein muss. Insbesondere bei Aufnahmen an bewegten Hohlorganen, zum Beispiel dem Herzen, ist eine Triggerung anhand des entsprechenden physiologischen Parameters notwendig, insbesondere eine EKG-Triggerung. Während einer bestimmten Bewegungsphase beispielsweise des Herzens kann jedoch nur eine begrenzte Anzahl Bilder aufgenommen werden. Da zur Erstellung einer Rekonstruktion im Bereich von 10 bis 100 Bildern, je nach Genauigkeit der Rekonstruktion, erforderlich sind, können zur Aufnahme der Mindestzahl an Bildern mehrere Bewegungszyklen erforderlich sein.
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Soll eine zeitliche Veränderung im Zielvolumen, beispielsweise eine Bewegung im Zielvolumen, insbesondere durch ein medizinisches Instrument, oder ein im Zielvolumen durchgeführter Eingriff dargestellt werden, so muss wiederum die Mindestzahl an zweidimensionalen Bildern aufgenommen werden, woraufhin ein neues dreidimensionales Rekonstruktionsvolumen zur Anzeige gebracht wird. Bis dahin kann jedoch, insbesondere bei Vorhandensein einer Triggerung, eine erhebliche und gegebenenfalls kritische Zeitspanne vergehen.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 102 45 670 A1 ist ein Verfahren zur Rekonstruktion und Darstellung eines dreidimensionalen Zielvolumens bekannt. Die Offenlegungsschrift betrifft Verfahren zur intraoperativen Erzeugung eines aktualisierten Volumendatensatzes von einem Patienten.
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In der Offenlegungsschrift
DE 102 10 650 A1 wird ebenfalls ein derartiges Verfahren offenbart.
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In der Offenlegungsschrift
DE 101 19 228 A1 wird ein Verfahren zur dreidimensionalen Bildgebung eines sich bewegenden Untersuchungsobjekts offenbart, insbesondere zur Herzbildgebung mit einem C-Bogen mit einer Strahlungsquelle und einem Strahlungsempfänger.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das eine schnellere und aktuellere Darstellung, insbesondere bei Veränderungen im Zielvolumen, ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei Aufnahme eines neuen Bildes in die Grundmenge unter einer vorbestimmten ersten Bedingung eine lokal begrenzte Aktualisierung mindestens der von dem oder den neuen Bildern abgedeckten Teilbereiche des Rekonstruktionsvolumens durchgeführt wird und das aktualisierte Rekonstruktionsvolumen dargestellt wird. Dabei werden die aufgenommenen Bilder in einem Speicher abgelegt und als Grundmenge wird eine definierte Teilmenge der im Speicherbereich abgelegten Bilder gewählt, wobei die Bilder nach dem Aufnahmezeitpunkt geordnet in dem Speicher abgelegt werden, wobei die Größe des Speichers während des Verfahrens angepasst wird, wobei zu jedem Voxel des Rekonstruktionsvolumens eine zugeordnete Information gespeichert wird, die die Bilder, die in der Rekonstruktion zu diesem Voxel beigetragen haben, wiedergibt, oder zu jedem Bild eine zugeordnete Information gespeichert wird, die die Voxel des Rekonstruktionsvolumens enthält, zu denen das Bild beigetragen hat und wobei ein Bild aus dem Speicher gelöscht wird, wenn es zur Rekonstruktion nicht mehr beiträgt oder ein Schwellwert für die Anzahl der Voxel, zu denen ein Bild beiträgt, festgelegt wird, bei dessen Unterschreiten das Bild aus dem Speicher gelöscht wird.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden fortlaufend in Echtzeit, gegebenenfalls getriggert, zweidimensionale Bilder unter verschiedenen Positionen und Orientierungen im Zielvolumen aufgenommen. Dabei muss die Bewegung der Bildaufnahmeeinrichtung möglichst so vorgenommen werden, dass eine gute Abdeckung des Zielvolumens erreicht wird. Dies kann automatisch oder manuell geschehen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann man sich am ehesten durch das gleichzeitige Ablaufen zweier paralleler, unabhängiger Prozesse vorstellen. Einmal werden kontinuierlich zweidimensionale Bilder aufgenommen und abgespeichert. Die Erfindung schlägt nun vor, in einem parallelen Prozess eine Aktualisierung des Rekonstruktionsvolumens in den Teilbereichen bzw. ihrer Umgebung vorzunehmen, für die schon neue Bilder vorliegen. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass bei Aufnahme eines neuen Bildes bzw. neuer Bilder in einem bestimmten Bereich nicht das gesamte dreidimensionale Rekonstruktionsvolumen neu berechnet werden muss, sondern unter Einsparung von Berechnungszeit und Gewinnung einer höheren Aktualisierungsrate dies auf die tatsächlich abgedeckten Teilbereiche und gegebenenfalls ihre Umgebungen beschränkt werden kann. Es werden folglich immer die aktuellsten zweidimensionalen Bilder zur Aktualisierung der Rekonstruktion verwendet, so dass die Aktualisierung der Gesamtrekonstruktion im Prinzip schrittweise bzw. inkrementell erfolgt. Das gesamte Rekonstruktionsvolumen ist damit zumindest teilweise aktueller als in dem Fall, in dem jedes Mal eine komplette Neurekonstruktion des Rekonstruktionsvolumens aufgrund neuer zweidimensionaler Bilder erfolgt. Bei genügend schneller Aufnahme der zweidimensionalen Bilder und bei genügend schneller Aktualisierung des Rekonstruktionsvolumens ist mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens sogar eine Echtzeit-3D-Bildgebung durch die inkrementellen Aktualisierungen des dreidimensionalen Volumens möglich. Insbesondere kann dabei gegebenenfalls auf die EKG-Triggerung verzichtet werden und es kann sogar eine Bewegung des Zielvolumens im dreidimensionalen Rekonstruktionsvolumen abgebildet werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird zwischen dem Speicher und der Grundmenge unterschieden. Der Speicher enthält eine bestimmte Anzahl Bilder, von denen nicht notwendig alle schon oder noch zum aktuellen Rekonstruktionsvolumen beitragen. Die Grundmenge umfasst die Bilder, welche in das aktuelle Rekonstruktionsvolumen einfließen. Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass die beiden oben genannten Prozesse, nämlich der Aufnahme- und Abspeicherungsprozess sowie der Rekonstruktionsprozess, auf einen gemeinsamen, dynamisch angelegten Speicher zurückgreifen, dessen Größe zweckmäßigerweise während des Verfahrens angepasst werden kann. Dieser Speicher enthält somit mindestens alle neu aufgenommenen Bilder sowie die Grundmenge der Bilder, die für das aktuelle Rekonstruktionsvolumen verwendet werden. Mit besonderem Vorteil können die Bilder im Speicher in einer geordneten Liste, insbesondere nach dem Aufnahmezeitpunkt geordnet, abgelegt werden. Die Bilder bilden dann eine verkettete Liste, aus der besonders einfach Untermengen herausgegriffen werden können.
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Die Bearbeitung der Voxel kann man sich als einen dritten Prozess, einen Löschprozess, vorstellen, der überwacht, inwiefern Bilder in der Grundmenge überhaupt noch benötigt werden bzw. ob diese bereits wegfallen können. Sehr alte Bilder tragen beispielsweise aufgrund der stattfindenden Aktualisierungen oft nur noch an sehr wenigen Stellen des Rekonstruktionsvolumens bei. Diese Bilder werden identifiziert und aus der Grundmenge entfernt, wobei gegebenenfalls eine Aktualisierung stattfindet, worin diese wenigen Voxel beispielsweise neu interpoliert werden. So wird ein effektives Speichermanagement ermöglicht.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist der Speicher als ein Ringpuffer ausgebildet. Dabei wird automatisch bei Aufnahme eines neuen Bildes an der Stelle des Schreibzeigers des Ringpuffers ein anderes Bild, bei zeitlicher Ordnung das älteste vorhandene Bild, gelöscht und überschrieben. Durch die Zahl der Speicherplätze in dem Ringpuffer wird die Zahl insgesamt gespeicherter Bilder vorgegeben und durch Erhöhung oder Erniedrigung dieser Platzzahl kann die Größe des Ringpuffers dynamisch verändert werden. Insbesondere kann die Grundmenge als in einem bestimmten oder anhand von Informationen über die neuen Bilder bestimmbaren Abschnitt des Ringpuffers abgelegte, aufeinander folgende Bilder gewählt werden. Neben dem Schreibzeiger ist ein Lesezeiger vorgesehen, ab dem eine gewisse Anzahl von Bildern die Grundmenge bildet.
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Auch allgemein kann vorgesehen sein, dass die Grundmenge und/oder der Speicher eine feste Anzahl Bilder umfasst, insbesondere, dass bei Vorhandensein der festen Anzahl immer ein Bild, insbesondere das älteste Bild, aus der Grundmenge und/oder dem Speicher entfernt wird, wenn ein neues Bild hinzugefügt wird. Die Zahl der in die Rekonstruktion einfließenden Bilder bzw. die Zahl der abgespeicherten Bilder wird dabei vorteilhafterweise konstant gehalten. Eine Grundmenge mit einer festen Anzahl von Bildern sorgt dafür, dass zu alte Bilder bei einer Aktualisierung und einer stattfindenden Interpolation nicht mehr die Aktualität des Rekonstruktionsvolumens verschleiern können. Eine Könstanthaltung der im Speicher gespeicherten Bilder sorgt für eine gleichmäßige Speicherauslastung.
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Ein aktuelles dreidimensionales Rekonstruktionsvolumen hängt nicht nur davon ab, dass immer die neuesten Bilder mit eingeflochten werden, sondern auch davon, ob veraltete Informationen aus dem Rekonstruktionsvolumen wieder gelöscht werden. Daher ist vorzugsweise auch vorgesehen, dass bei Wegfall eines Bildes aus der Grundmenge unter einer weiteren Bedingung eine lokal begrenzte Aktualisierung mindestens der von dem oder den wegfallenden Bildern abgedeckten Teilbereiche des Rekonstruktionsvolumens durchgeführt wird und das aktualisierte Rekonstruktionsvolumen dargestellt wird. Es wird hier daher zwischen zwei Möglichkeiten unterschieden. Bei Wegfallen eines Bildes kann zum einen lediglich die entsprechende Referenz entfernt werden, die Bilddaten verbleiben so lange im Rekonstruktionsvolumen, bis eine Aktualisierung aufgrund eines dort oder in der Nähe aufgenommenen neuen Bildes erfolgt, wobei das weggefallene Bild dann bei der Interpolation nicht mehr beachtet wird. Alternativ ist es jedoch vorteilhafterweise im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass auch im Bereich des weggefallenen Bildes schon bei Wegfallen eine Aktualisierung, insbesondere eine neue Interpolation, stattfindet. Dadurch verbleiben veraltete Bilddaten auch dann nicht im Rekonstruktionsvolumen, wenn im entsprechenden Teilbereich und gegebenenfalls seiner Umgebung lange Zeit kein neues Bild mehr aufgenommen wird. Auch dies trägt folglich zur Aktualität des Rekonstruktionsvolumens bei.
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Eine zweckmäßige erste Bedingung bzw. weitere Bedingung zur Aktualisierung kann eine bestimmte Zahl neuer oder weggefallener Bilder sein. Insbesondere, in einer besonders aktuellen Variante, kann vorgesehen sein, dass bei jedem neu aufgenommenen oder weggefallenen Bild eine Aktualisierung stattfindet. Erfindungsgemäß kann aber auch vorgesehen sein, dass beispielsweise immer, wenn vier neue Bilder aufgenommen worden sind, eine Aktualisierung des Rekonstruktionsvolumens stattfindet. Selbiges kann bei vier weggefallenen Bildern geschehen. Ein besonders hoher Grad der Aktualität wird jedoch dann erreicht, wenn eine Aktualisierung bei jedem neu aufgenommenen und gegebenenfalls weggefallenen Bild stattfindet. Diese Aktualisierungsbedingung kann noch weiter konkretisiert werden. Häufig sind nur Veränderungen in einem bestimmten Untervolumen des Zielvolumens, beispielsweise in der Nähe eines im Zielvolumen arbeitenden medizinischen Geräts, von Interesse. Dann kann vorgesehen sein, dass für die Zählung neuer bzw. weggefallener Bilder nur Bilder gezählt werden, deren Abdeckungsbereich zumindest teilweise in dem definierten Untervolumen des Zielvolumens, insbesondere in der Nähe des im Zielvolumen arbeitenden medizinischen Geräts, dessen Position festgestellt wird, liegen. Im Falle eines medizinischen Geräts kann sich dieses spezielle Untervolumen zeitlich mit der Position des medizinischen Geräts, die beispielsweise durch ein Ortungs- oder Navigationssystem festgestellt werden kann, verschieben. Als Beispiel sei hierzu ein Ablationseingriff im Herzen genannt. Dabei werden ein Katheter mit einer Bildaufnahmeeinrichtung sowie ein Ablationskatheter in das Herz eingebracht und es werden für Herzrhythmusstörungen verantwortliche Gewebebereiche gezielt durch Applikation hochfrequenter Ströme mittels des Ablationskatheters verödet. Dadurch entstehen so genannte Läsionen, die auf den Bildern der Bildaufnahmeeinrichtung sichtbar sind. Um festzustellen, ob die Läsionen vollständig im gewünschten Sinne erzeugt worden sind, ist natürlich eine Aktualisierung des Rekonstruktionsvolumens in dem Bereich, in dem der Ablationskatheter gerade arbeitet, besonders hilfreich. Dies kann durch das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft erreicht werden.
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Alternativ zu einer Zählung der aufgenommenen bzw. weggefallenen Bilder ist es natürlich auch möglich, dass die erste oder die weitere Bedingung das Vergehen eines bestimmten Zeitintervalls ist und eine Aktualisierung nur bei neu aufgenommenen oder weggefallenen Bildern im Zielvolumen stattfindet. In dieser Variante ist also eine regelmäßige Aktualisierung vorgesehen, die unabhängig von der Zahl neu aufgenommener oder gegebenenfalls weggefallener Bilder ist, aber selbstverständlich nicht stattfindet, wenn weder Bilder neu aufgenommen wurden noch welche weggefallen sind.
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Bei der Aktualisierung der Teilbereiche neuer Bilder können die in dem durch das oder die neuen Bilder abgedeckten Bereich des Rekonstruktionsvolumens vorhandenen Bilddaten durch die entsprechenden Bilddaten des oder der neuen Bilder ersetzt werden. Bei dieser grundlegenden Aktualisierung werden also genau die Orte aktualisiert, an denen neue, aktuellere originäre Bilddaten aus einem zweidimensionalen Bild vorliegen.
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Eine umfassendere und qualitativ hochwertigere Aktualisierung wird vor allem dann erreicht, wenn bei der Aktualisierung auch eine vorbestimmte Umgebung der von dem oder den neuen oder weggefallenen Bildern abgedeckten Teilbereiche aktualisiert wird, insbesondere eine Interpolation stattfindet. Es werden also nicht nur neue originäre Bilddaten eingesetzt, sondern auch eine vorbestimmte Umgebung um den,abgedeckten Teilbereich wird durch eine neue Interpolation aktualisiert. Dies führt dazu, dass die neuen Bilddaten der neu aufgenommenen Bilder langsam aber sicher das gesamte Rekonstruktionsvolumen aktualisieren. Bei einer solchen Aktualisierung der Umgebung können auch weitere Bedingungen betrachtet werden. So kann vorgesehen sein, dass bei der Aktualisierung der Umgebung des von einem neuen Bild abgedeckten Teilbereiches nur solche Bilder aus der Grundmenge berücksichtigt werden, die innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls vor dem neuen Bild aufgenommen wurden. Damit wird ausgeschlossen, dass zu alte Bilder mit den neuen Bildern interpoliert werden.
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Ebenso ist es möglich, dass ein Löschzeitpunkt relativ zum aktuellen Zeitpunkt bestimmt wird und Bilder, deren Aufnahmezeitpunkt vor dem Löschzeitpunkt liegt, aus der Grundmenge entfernt und/oder aus dem Speicher gelöscht werden. Auch dies kann im Rahmen des oben schon erwähnten Löschprozesses geschehen. Es werden folglich nur Bilder beibehalten, die innerhalb einer bestimmten Zeitspanne relativ zum jetzigen Zeitpunkt aufgenommen wurden, beispielsweise die Bilder der letzten 10 Minuten. Auch diese Ausführungsform begünstigt ein effektives Speichermanagement.
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Trotz der regelmäßigen Aktualisierung des Rekonstruktionsvolumens bleibt festzuhalten, dass diese jeweils nur lokal stattfindet. Gegebenenfalls werden sogar nur originäre Bilddaten aus von diesen Bildern abgedeckten Bereichen neu in das Rekonstruktionsvolumen eingefügt. Daher ist es zumindest möglich, dass nach einer gewissen Zeit die Gesamtqualität der Rekonstruktion leidet. Zweckmäßigerweise kann daher eine Neurekonstruktionsbedingung vorgesehen sein, bei deren Eintritt das Rekonstruktionsvolumen komplett neu aus den Bildern der Grundmenge rekonstruiert wird. Solche Neurekonstruktionsbedingungen können beispielsweise der Ablauf eines Neurekonstruktionszeitintervalls und/oder die Aufnahme einer bestimmten Zahl neuer Bilder sein. Damit wird ein gewisser aufrecht erhaltener Qualitätsstandard erreicht. Insbesondere kann es bei solchen Neurekonstruktionen vorgesehen sein, dass die Grundmenge aus möglichst aktuellen Bildern neu bestimmt und der Rest des Speichers wieder geleert wird.
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Die Wahl der zur Grundmenge gehörenden Bilder kann von der Wahl des Ablaufs der Aufnahme abhängig sein. Ist allein durch das Aufnahmeverfahren eine hinreichend gute Abdeckung des Zielvolumens durch die Bilder in einem bestimmten Zeitintervall jeweils gesichert, kann vorgesehen sein, dass die Grundmenge der Bilder von allen während eines bestimmten oder anhand des aktuellen Zeitpunkts bestimmbaren Zeitintervalls aufgenommenen Bildern gebildet wird. Liegen die Bilder zeitlich geordnet in einer Liste vor, wird beispielsweise ein zusammenhängender Teilbereich der Liste als Grundmenge definiert. So sind beispielsweise Katheter bekannt, in denen sich eine Bildaufnahmeeinrichtung automatisch periodisch dreht oder sich der Katheter selber dreht. Dann wird in einer Periode ein „Rundumblick“ durchgeführt.
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Alternativ ist es möglich, dass die Grundmenge der Bilder durch ein eine optimale Abdeckung des Zielvolumens sicherndes Kriterium ausgewählt wird. Es werden folglich aus der Masse der aufgenommenen Bilder diejenigen ausgesucht, die eine gleichmäßige und vollständige Abdeckung des Zielvolumens realisieren. Dabei ist es zweckmäßig, als weiteres Kriterium bei benachbarte oder gleiche Teilbereiche des Zielvolumens abdeckenden Bildern den Aufnahmezeitpunkt zu berücksichtigen, insbesondere neuere Bilder bevorzugt in die Grundmenge aufzunehmen. Dies ist schon im Sinne der Aktualität von Vorteil.
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Beispielsweise kann es bei einer langsamen, schrittweisen Bewegung der Bildaufnahmeeinrichtung innerhalb des Zielvolumens, in der dieses beispielsweise schrittweise abgescannt wird, sinnvoll sein, dass eine dynamische Vergrößerung des Rekonstruktionsvolumens bei Aufnahme außerhalb des Bereichs des bisherigen Rekonstruktionsvolumens liegender Bilder erfolgt. Das Rekonstruktionsvolumen wächst demnach langsam an. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn als Hohlorgan z. B. ein Blutgefäß aufgenommen werden soll und sich ein Katheter mit einer Bildaufnahmeeinrichtung langsam durch dieses Blutgefäß bewegt. Dann findet am vorderen Ende der Bewegung, also da, wo sich die Bildaufnahmeeinrichtung gerade befindet, eine ständige Aktualisierung und gegebenenfalls Erweiterung statt, während keine Neurekonstruktion des weiter hinten liegenden, bereits aufgenommenen Bereiches erforderlich ist.
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Um eine gewisse Qualität der Rekonstruktion garantieren zu können, kann vorgesehen sein, dass eine Aktualisierung erst ab einer bestimmten Anzahl insgesamt aufgenommener Bilder durchgeführt wird.
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Zur Darstellung des Rekonstruktionsvolumens sind mehrere Möglichkeiten vorgesehen, die wohlbekannt sind und hier dementsprechend nicht im Detail erläutert werden sollen. Als Möglichkeit zur dreidimensionalen Darstellung seien beispielsweise die „fly“-Visualisierung eines Rekonstruktionsvolumens in einer Innenansicht oder die „volume rendering“-Technik genannt. Ebenso gut ist es möglich, einem Nutzer zweidimensionale Schnittansichten des Rekonstruktionsvolumens zur Anzeige zu bringen. Der Benutzer hat dabei allerlei Wahlmöglichkeiten, er kann die Ansicht wählen, das Rekonstruktionsvolumen drehen, zoomen, gegebenenfalls bestimmte Bereiche hervorheben lassen und beliebige weitere Optionen auswählen.
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Insbesondere und mit besonderem Vorteil kann jedoch vorgesehen sein, dass die während der Aktualisierung geänderten Bereiche oder die durch neue Bilder abgedeckten Bereiche in der Darstellung insbesondere farbig gekennzeichnet werden. Dadurch ist erkennbar, wo Aktualisierungen stattfanden und welche Bereiche des Rekonstruktionsvolumens somit am aktuellsten sind. In einer Weiterbildung kann auch eine graduelle Anzeige der Aktualität der Rekonstruktion, beispielsweise farbcodiert, vorgesehen sein. So kann ein Benutzer auch erkennen, in welchen Bereichen beispielsweise veraltete Daten vorliegen, um diese gegebenenfalls mit der Bildaufnahmeeinrichtung anzusteuern, um neue Daten zu sammeln. Durch die Aktualitätsanzeige in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhält der Benutzer nicht nur eine hoch aktuelle Darstellung des Rekonstruktionsvolumens, sondern auch weitere Informationen über die Aktualität des jeweiligen Bereiches.
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Zweckmäßig kann es ebenso sein, wenn mit der Darstellung des aktualisierten Rekonstruktionsvolumens ein älteres Rekonstruktionsvolumen dargestellt wird. Der Benutzer kann aus einer solchen kombinierten Darstellung ablesen, welche Veränderungen es in welchem Bereich des Zielvolumens gegeben hat, da ihm eine direkte Vergleichsmöglichkeit gegeben ist.
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Die Bildaufnahmeeinrichtung kann automatisch oder manuell periodisch bewegt werden und die Grundmenge als die Bilder bestimmt werden, die während der letzten Periodendauer aufgenommen wurden. Bei der Aufnahme von Hohlorganen, insbesondere von Hohlgefäßen, ist es möglich, beispielsweise eine in einem Katheterkopf angeordnete rotierende Bildaufnahmeeinrichtung zu verwenden. Bewegt sich der Katheter nur unwesentlich, so wird nach einer Umdrehung wiederum gerade der Teilbereich des Zielvolumens aufgenommen, der vor einer Umdrehung aufgenommen wurde. Im Zuge der Aktualisierung kann dieses Bild beispielsweise dann einfach ersetzt werden. Einen besonderen Vorteil erhält diese Variante unter Verwendung des Ringpuffers. Dabei kann nämlich vorgesehen sein, dass der Ringpuffer genauso viele Speicherplätze hat, wie Bilder einer kompletten Periode aufgenommen werden. Zur Rekonstruktion wird dann automatisch als Grundmenge der gesamte Inhalt des Ringpuffers verwendet und ein Bild, das einen bestimmten Teilbereich des Zielvolumens zeigt, ist immer an derselben Position im Ringpuffer abgelegt.
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Als Bildaufnahmeeinrichtung kann insbesondere eine Ultraschalleinrichtung vorgesehen sein. Im Bereich der Herzbildgebung haben sich intrakardiale Echographieeinrichtungen (ICE-Einrichtungen) als ein Standard durchgesetzt. Es kann jedoch auch eine OCT-Bildaufnahmeeinrichtung (optical coherence tomography) vorgesehen sein.
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Die bislang genannten Parameter, Schwellwerte und Einstellungen können natürlich allesamt durch den Benutzer, beispielsweise über ein Benutzerinterface, konfiguriert werden. Ein Benutzer kann beispielsweise angeben, wie viele neu aufgenommene zweidimensionale Bilder vorhanden sein müssen, bevor eine Aktualisierung des Rekonstruktionsvolumens stattfindet. Ebenso wie die erste Bedingung oder die weitere Bedingung kann ein Benutzer ebenfalls konfigurieren, welche Neurekonstruktionsbedingungen zu einer kompletten Neurekonstruktion führen sollen. Natürlich sind auch alle anderen Verfahrensparameter benutzerseitig konfigurierbar.
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Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine medizinische Untersuchungseinrichtung, ausgebildet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 eine allgemeine Prinzipskizze des Zugriffs von drei parallel laufenden Prozessen auf einen Speicher,
- 3 einen Ablaufplan eines Aufnahme- und Abspeicherungsprozesses,
- 4 einen Ablaufplan eines Rekonstruktionsprozesses,
- 5 einen Ablaufplan eines Löschprozesses,
- 6 einen Ringpuffer als Beispiel für die Realisierung des Speichers,
- 7 ein Beispiel für die Darstellung eines Schnitts durch das Rekonstruktionsvolumen, und
- 8 die Darstellung des aktuellen Rekonstruktionsvolumens neben einem älteren Rekonstruktionsvolumen.
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1 zeigt eine medizinische Untersuchungseinrichtung 1. Dabei befindet sich ein Patient 2 auf einer Patientenliege 3, wobei der Patient ein aufzunehmendes Zielvolumen 4 umfasst, hier insbesondere im kardialen Bereich, in das bereits ein Katheter 5, umfassend eine Bildaufnahmeeinrichtung, eingebracht ist. Der Katheter 5 sowie die Bildaufnahmeeinrichtung werden durch ein Kathetersteuergerät 6 entsprechend angesteuert. Ein EKG-Gerät 7 nimmt das EKG des Patienten 2 auf. Das EKG-Gerät 7 sendet seine Daten an das Kathetersteuergerät 6, so dass eine getriggerte Aufnahme von zweidimensionalen Bildern durch die Bildaufnahmeeinrichtung, hier eine Ultraschalleinrichtung, erfolgen kann. Die Position und Orientierung der Bildaufnahmeeinrichtung des Katheters 5 zur Zeit der Aufnahme eines zweidimensionalen Bildes kann durch ein bei 8 angedeutetes Ortungs- und Navigationssystem ermittelt werden. Zu jedem aufgenommenen zweidimensionalen Bild wird dessen Position und Orientierung innerhalb des Zielvolumens 4 aufgezeichnet und gespeichert. Die Bilder werden sodann an eine Recheneinrichtung 9 übermittelt. Da die Position und die Orientierung der Bilder bekannt sind, kann in der Recheneinrichtung 9 daraus ein Rekonstruktionsvolumen bestimmt werden. Zusätzlich ist die Recheneinrichtung 9 dazu ausgebildet, bei kontinuierlicher Aufnahme von Bildern unter Eintritt bestimmter Bedingungen eine lokal begrenzte Aktualisierung des Rekonstruktionsvolumens vorzunehmen. Das jeweils aktuelle Rekonstruktionsvolumen kann auf einem Monitor 10 dargestellt werden.
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Die Arbeitsweise der Recheneinrichtung 9, also das erfindungsgemäße Verfahren, wird durch 2 näher erläutert. Innerhalb der Recheneinrichtung 9 ist ein Speicher 11 vorgesehen, in dem die Bilddaten der Bilder abgelegt werden. Aus den im Speicher 11 abgelegten Bildern wird unter bestimmten Kriterien eine Grundmenge 12 bestimmt, die die Bilder enthält, die aktuell für das Rekonstruktionsvolumen verwendet werden. In der Recheneinrichtung 9 laufen zudem parallel drei verschiedene Prozesse. Ein Aufnahme- und Abspeicherungsprozess 13 steuert die Aufnahme sowie das Abspeichern neuer Bilder im Speicher 11. Ein Rekonstruktionsprozess 14 erstellt bzw. aktualisiert das Rekonstruktionsvolumen. Ein Löschprozess 15 sorgt für ein ideales Speichermanagement. Alle drei Prozesse 13, 14 und 15 greifen gleichzeitig auf den dynamischen Speicher 11 zu, dessen Größe zur Laufzeit angepasst werden kann. Die Prozesse 13, 14 und 15 sollen nun im Folgenden näher erläutert werden.
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3 zeigt einen Ablaufplan des Aufnahme- und Abspeicherungsprozesses 13. Dabei werden kontinuierlich in Echtzeit, gegebenenfalls durch das EKG-Gerät 7 getriggert, neue Bilder aufgenommen, Schritt S13.1. Ein solches neu aufgenommenes Bild wird dann in Schritt S13.2 im Speicher 11 abgelegt. Zugleich wird der Zähler für aufgenommene Bilder um eins erhöht. Ist vorgesehen, dass für jedes neu aufgenommene Bild ab einer festen Anzahl im Speicher 11 vorhandener Bilder ein anderes Bild, beispielsweise das älteste vorhandene Bild oder ein Bild, das Orientierung und Position mit dem neu aufgenommenen Bild gemein hat, gelöscht wird, so geschieht auch dies in Schritt S13.2, wobei der Speicherplatz des wegfallenden Bildes durch das neu aufgenommene Bild überschrieben wird. Gegebenenfalls wird auch der Zähler für weggefallene Bilder erhöht. In Schritt S13.3 wird dann überprüft, ob der Vorgang, sprich die Bildaufnahme, beendet werden soll. Falls nein, wird das nächste Bild aufgenommen. Falls ja, werden der Prozess 13 wie auch das Verfahren und die anderen Prozesse beendet.
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4 zeigt einen Ablaufplan des Rekonstruktionsprozesses 14. In Schritt S14.1 beginnt das Verfahren, gleichzeitig mit der Aufnahme von Bildern, also dem Aufnahme- und Abspeicherungsprozess 13. Damit eine erste Rekonstruktion vorgenommen werden kann, sprich ein Rekonstruktionsvolumen erzeugt werden kann, muss zunächst eine Mindestzahl an aufgenommenen Bildern im Speicher 11 vorliegen. Dies wird in Schritt S14.2 überprüft. Ist die Mindestzahl erreicht, so wird das komplette dreidimensionale Rekonstruktionsvolumen in Schritt S14.3 rekonstruiert. Zu Beginn des Verfahrens wird die Grundmenge 12 bei Erreichen der Mindestzahl selbstverständlich noch von allen im Speicher 11 abgelegten Bildern gebildet. Nach dieser ersten Rekonstruktion wird das Rekonstruktionsvolumen auf dem Monitor 10 dargestellt. Danach folgen mehrere, sich bis zum Ende des Verfahrens, also dem Ende der Aufnahme, wiederholende Schritte. Zunächst wird in Schritt S14.4 überprüft, ob die Neurekonstruktionsbedingung, also die Bedingung für eine komplett neue Rekonstruktion des Rekonstruktionsvolumens, gegeben ist. Eine solche Bedingung kann beispielsweise das Erreichen einer bestimmten Zahl von seit der letzten kompletten Rekonstruktion aufgenommenen neuen Bildern sein. Natürlich ist es ebenso möglich, in regelmäßigen Zeitabständen eine komplett neue Rekonstruktion des Rekonstruktionsvolumens aus der Grundmenge anzufertigen. Ist also die Neurekonstruktionsbedingung gegeben, so werden die entsprechenden Zähler zurückgesetzt und es wird in Schritt S14.3 das komplette Rekonstruktionsvolumen aus der Grundmenge 12 neu rekonstruiert und dargestellt.
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Die Grundmenge 12 kann dabei auf verschiedene Arten definiert werden. So ist es beispielsweise möglich, alle während eines bestimmten Zeitabschnitts aufgenommenen Bilder heranzuziehen. Das Kriterium für die Aufnahme von Bildern in die Grundmenge 12 kann jedoch auch eine möglichst ideale Abdeckung des Zielvolumens 4 sein. Auch dabei kann jedoch als weiteres Kriterium der Aufnahmezeitpunkt mit beachtet werden.
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Ist die Neurekonstruktionsbedingung in Schritt S14.4 nicht gegeben, so wird als nächstes überprüft, ob in Schritt S14.5 die vorbestimmte erste Bedingung oder weitere Bedingung zur lokal begrenzten Aktualisierung des Rekonstruktionsvolumens vorliegt. Dabei kann insbesondere auf die Zählung der neu aufgenommenen oder weggefallenen Bilder bzw. ihre Summe zurückgegriffen werden. So kann eine Aktualisierung bei einer bestimmten Zahl neu aufgenommener Bilder vorgenommen werden. Eine zeitlich gesteuerte Aktualisierung ist natürlich genauso gut möglich. Ist die Bedingung nicht erfüllt, so wird in Schritt S14.4 wieder die Neurekonstruktionsbedingung überprüft. Ist jedoch die erste Bedingung oder die weitere Bedingung in Schritt S14.5 erfüllt, so findet in Schritt S14.6 die Aktualisierung des Rekonstruktionsvolumens und die Darstellung des Rekonstruktionsvolumens statt, und die entsprechenden Zähler werden zurückgesetzt.
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Diese lokal begrenzte Aktualisierung, die, da sie lokal begrenzt ist, weniger Rechen- bzw. Bearbeitungszeit benötigt, kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden. Zum einen ist es möglich, für die Orte im Rekonstruktionsvolumen, an denen neue originäre Bilddaten vorliegen, einfach diese neuen originären Bilddaten im Rekonstruktionsvolumen, also im entsprechenden Voxel, einzutragen.Zusätzlich und unter Erreichung besserer Qualität ist es möglich, eine feste Umgebung um die von dem neu aufgenommenen bzw. dem weggefallenen Bild abgedeckten Teilbereich des Rekonstruktionsvolumens zu definieren und unter Hinzunahme weiterer Bilder aus der Grundmenge 12 in dieser Umgebung eine neue Interpolation vorzunehmen. Die für die Interpolation in der Umgebung aus der Grundmenge 12 verwendeten Bilder können dabei weiteren Bedingungen unterworfen sein. So kann beispielsweise vorgesehen sein, zu dieser aktualisierenden Interpolation Bilder heranzuziehen, die nicht länger als eine vorbestimmte Zeit vor dem betrachteten neu aufgenommenen Bild bzw. dem Wegfallen des alten Bildes aufgenommen wurden.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm des Löschprozesses 15. Hierbei handelt es sich um einen nach dem Beginn des Verfahrens in Schritt S15.1 ständig im Hintergrund laufenden Prozess zur Optimierung des Speichermanagements. Dabei wird zunächst im Schritt S15.2 überprüft, ob oder in welchem Maße das im Augenblick betrachtete Bild zum Rekonstruktionsvolumen beiträgt. Hier ist es natürlich erforderlich, dass der Beitrag feststellbar ist. Dazu ist es zweckmäßigerweise vorgesehen, dass zu jedem Bild die Voxel des Rekonstruktionsvolumens gespeichert werden, zu denen dieses Bild beiträgt.
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Alternativ ist es natürlich auch möglich, zu jedem Voxel des Rekonstruktionsvolumens abzuspeichern, welches Bild dazu beigetragen hat und dann die Zahl der Vorkommnisse dieses Bildes, das gerade betrachtet wird, zu zählen. Wird ein Bild aus der Grundmenge 12 für das Rekonstruktionsvolumen überhaupt nicht mehr benötigt oder unterschreitet die Zahl der Voxel, zu denen es beiträgt, einen vorgegebenen Schwellwert, so kann das Bild aus der Grundmenge 12 und aus dem Speicher 11 entfernt werden, Schritt S15.3. Im Falle eines Schwellwertes, also eines noch vorhandenen Beitrags zum Rekonstruktionsvolumen, wird hierbei gegebenenfalls der Zähler für weggefallene Bilder um eines erhöht.
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Im nächsten Schritt, S15.4, wird überprüft, ob das gerade betrachtete Bild gegebenenfalls eine Altersgrenze überschreitet, ob es folglich zu alt ist. Damit wird verhindert, dass zu alte Bilder in der Grundmenge 12 oder dem Speicher 11 verbleiben. Ist das Bild zu alt, so wird es in Schritt S15.3 gelöscht. In allen Fällen, also bei Löschung oder Nichtlöschung des gerade betrachteten Bildes, wird dann in Schritt S15.5 das nächste Bild ausgewählt und es werden die Bedingungen dafür untersucht.
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6 zeigt als Beispiel für die Realisierung eines Speichers 11 einen Ringpuffer 16. Neu aufgenommene Bilder werden dabei vom Aufnahme- und Abspeicherungsprozess 13 an der Position des Schreibzeigers 17 abgelegt, wodurch ein altes Bild überschrieben wird. Wie der Pfeil 18 andeutet, werden in dieser Richtung alte Bilder immer von neu aufgenommenen Bildern überschrieben. Die Bilder sind im Ringpuffer 16 nach dem Aufnahmezeitpunkt geordnet, und die Grundmenge 12 wird von aufeinander folgenden Bildern innerhalb eines bestimmten Aufnahmezeitabschnitts gebildet. In 6 steht zu Beginn einer kompletten Neurekonstruktion des dreidimensionalen Rekonstruktionsvolumens der Lesezeiger 19 am Beginn der Grundmenge 12. Zwischen dem Lesezeiger 19 und dem Schreibzeiger 17 sind noch ältere Bilder 20 gespeichert, die nicht mehr zum Rekonstruktionsvolumen beitragen. Zwischen dem Ende der Grundmenge 12 und dem Schreibzeiger 17 befinden sich neu aufgenommene Bilder 21, die noch nicht in das Rekonstruktionsvolumen eingehen, da die Bedingung für eine Aktualisierung des Rekonstruktionsvolumens noch nicht erfüllt sind.
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7 zeigt als ein Beispiel der Darstellung eines Rekonstruktionsvolumens einen Schnitt durch eine Herzwand des Patienten 2. Zu erkennen sind das Blut 22, das Endokard 23 und das Myokard 24. Farblich gekennzeichnet ist bei 25 ein Bereich, der kürzlich im Rahmen einer Aktualisierung des Rekonstruktionsvolumens mit aktualisiert wurde, mithin der Abdeckungsbereich eines neu aufgenommenen Bildes sowie dessen definierte Umgebung.
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Wie in 8 dargestellt ist, können auch zu verschiedenen Zeitpunkten erstellte Rekonstruktionsvolumina 26 und 27 parallel nebeneinander dargestellt werden. Das Rekonstruktionsvolumen 27 ist dabei das aktuellere Volumen. Beide Darstellungen zeigen die Herzkammer 28 des Patienten 2 zu verschiedenen Zeitpunkten. Ebenso in der Darstellung zu sehen ist ein Interventionskatheter 29. Durch die parallele Darstellung der beiden Rekonstruktionsvolumina 26 und 27 kann der Benutzer erkennen, dass sich der Interventionskatheter von seiner Stellung im Rekonstruktionsvolumen 26 inzwischen zu einer neuen Stellung im neuen Rekonstruktionsvolumen 27 weiter bewegt hat. Auch beispielsweise das Entstehen von Läsionen kann auf diese Art und Weise visualisiert werden.
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Über ein ebenso auf dem Monitor 10 anzeigbares Benutzerinterface kann der Benutzer Parameter, Bedingungen und Schwellwerte so verändern, dass sie ideal für den durchzuführenden Vorgang geeignet sind. Dabei ist es insbesondere auch möglich, beispielsweise den Schwellwert für eine Aktualisierung bei neu aufgenommenen Bildern räumlich zu begrenzten. So kann dann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine Aktualisierung des Rekonstruktionsvolumens nicht allgemein bei beispielsweise fünf aufgenommenen neuen Bildern durchgeführt wird, sondern nur dann, wenn fünf neu aufgenommene Bilder vorliegen, die den Bereich des Interventionskatheters 29 zeigen. Der Benutzer kann also ein Untervolumen wählen, das ihn besonders interessiert, auch wenn sich dieses gegebenenfalls während des Vorgangs verschiebt.