Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer ersten und mindestens einer zweiten in biologisches Gewebe eingeführten Vorrichtung mit Hilfe eines medizinischen Bildgebungsverfahrens, sowie eine medizinische Bildgebungsvorrichtung und eine Bildverarbeitungseinheit zur Ausführung des Verfahrens.

In verschiedenen Bereichen der modernen Lebenswissenschaften einschließlich der Medizin ist es von Bedeutung, in biologisches Gewebe eingeführte Vorrichtungen mit Hilfe eines Bildgebungsverfahrens zu erkennen. Bei den eingeführten Vorrichtungen kann es sich beispielsweise um Katheter oder um Implantate handeln, die typischerweise aus nicht-biologischem Material gefertigt werden. Da medizinische Bildgebungsverfahren darauf ausgelegt sind, biologisches Gewebe oder biologische Strukturen abzubilden, sind eingeführte Vorrichtungen oftmals nicht oder allenfalls nur indirekt erkennbar, weil sie nicht direkt abgebildet werden.

Mit Hilfe der Markertechnologie können Position und Lage von eingeführten Vorrichtungen in biologischem Gewebe mit medizinischer Bildgebung dargestellt werden, in dem die eingeführten Vorrichtungen mit Markierungen (Markern) versehen werden, die direkt von dem Bildgebungsverfahren erkannt und abgebildet werden. Die Marker sind dabei aus einem Material gefertigt, das von dem Bildgebungsverfahren detektiert wird, wie zum Beispiel Eisenoxid- Nanopartikel in der Magnetresonanztomographie und im Magnetic Particle Imaging oder Materialien mit hoher Absorptionsvermögen für Röntgenstrahlung in der Computertomographie oder für Ultraschall in der Sonographie. Damit kann das Positionieren der eingeführten Vorrichtung unter Beobachtung im medizinischen Bildgebungsverfahren erleichtert werden.

Eine besondere Herausforderung besteht beim Einführen mehrerer Vorrichtungen in biologisches Gewebe. US 6,574,497 Bl beschreibt, dass Marker zweier verschiedener eingeführter Vorrichtungen am Bildschirm eines medizinischen Bildgebungsverfahrens detektiert werden. Das Erkennen und Auswerten der Marker im dargestellten Bild bleibt jedoch dem Betrachter des Bildschirms überlassen.

Die Erfindung hat zum Ziel, das Erkennen mindestens zwei verschiedener in biologisches Gewebe eingeführter Vorrichtungen mit Hilfe eines medizinischem Bildgebungsverfahrens zu verbessern.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist definiert durch die Merkmale von Patentanspruch 1.

Die beiden eingeführten Vorrichtungen weisen jeweils Markierungen (Marker) auf, die von dem Bildgebungsverfahren detektierbar sind. Bei den mindestens zwei eingeführten Vorrichtungen kann es sich um einen medizinischen Katheter und um einen Führungsdraht handeln. Der medizinische Katheter kann ein Ballonkatheter beispielsweise zur Angioplastie oder ein Mikrokatheter für die lokale Freigabe von radioaktiven Beads zur Behandlung von Tumoren oder anderen Medikamenten. Bei den eingeführten Vorrichtungen kann es sich alternativ oder ergänzend um medizinische Implantate handeln, zum Beispiel in Form einer Biopsienadel oder einem Stent, der mit Hilfe eines Katheters und/oder eines Führungsdrahtes in biologischem Gewebe platziert werden soll.

Erfindungsgemäß wird mit dem Bildgebungsverfahren zunächst ein Bilddatensatz mit Bilddaten des biologischen Gewebes und der Markierungen mit der Vorrichtung erzeugt. In dem Bilddatensatz wird dann mindesten ein Bildpunkt einer ersten Markierung der ersten eingeführten Vorrichtung detektiert. Anschließend wird mindestens ein Bildpunkt einer zweiten Markierung einer der eingeführten Vorrichtungen detektiert, sofern sich die zweite Markierung innerhalb eines vorgegebenen Abstands zu dem detektierten Bildpunkt der ersten Markierung befindet. Hierzu wird also in einem vorgegebenen Abstand in irgendeiner Raumrichtung nach einem Bildpunkt mindestens einer weiteren Markierung der eingeführten Vorrichtungen in dem Bilddatensatz gesucht. Wenn ein solcher Bildpunkt und die zugehörigen weiteren Markierungen detektiert wurden, wird schließlich ermittelt, ob die detektierte zweite Markierung eine Markierung der zweiten eingeführten Vorrichtung ist.

Damit ist es möglich, automatisch bereits in den digitalen Bilddaten des Bildgebungsverfahrens zu prüfen und festzustellen, ob sich verschiedene der eingeführten Vorrichtungen in dem vorgegebenen Abstand befinden. Die Prüfung erfolgt nicht durch einen menschlichen Betrachter, sondern stattdessen vielmehr durch das Bildgebungssystem. Hierzu können die Schritte b), c) und d) von einem digitalen Bildverarbeitungsalgorithmus automatisiert ausgeführt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich nicht um ein therapeutisches Verfahren, weil das Erkennen eingeführter Vorrichtungen in biologischem Gewebe keine medizinische Behandlung des menschlichen oder tierischen Körpers darstellt und auch keine therapeutische Wirkung hat. Auch handelt es sich nicht um ein diagnostisches Verfahren, weil keine Diagnose einer Erkrankung eines Patienten durchgeführt wird, sondern eingeführte Vorrichtungen in biologischem Gewebe erkannt werden sollen. Ein chirurgisches Verfahren liegt ebenfalls nicht vor, weil das erfindungsgemäße Verfahren keinen invasiven oder chirurgischen Verfahrensschritt aufweist. Das Einführen der zu detektierenden Vorrichtungen ist nicht Bestandteil der Erfindung. Es besteht kein funktioneller Zusammenhang zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Wirkung auf den Körper. Insbesondere soll das erfindungsgemäße Verfahren weder therapeutisch noch diagnostisch oder chirurgisch eingesetzt werden.

Markierungen verschiedener eingeführter Vorrichtungen sollen möglichst unterschieden werden können. Es soll ermittelt werden, ob die detektierte zweite Markierung eine Markierung der zweiten eingeführten Vorrichtung oder der ersten eingeführten Vorrichtung ist. Um dies zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn die Markierungen verschiedener eingeführter Vorrichtungen jeweils verschiedene, den jeweiligen Vorrichtungen eindeutig zuzuordnende Merkmale oder Eigenschaften aufweisen. Die Markierungen der ersten eingeführten Vorrichtung sollen dabei also ein erstes Merkmal aufweisen, während die Markierungen der mindestens zweiten eingeführten Vorrichtung ein zweites, von dem ersten verschiedenes und durch die Bildgebung eindeutig unterscheidbares Merkmal aufweisen. Entsprechendes gilt für die Markierungen möglicher weiterer eingeführter Vorrichtungen.

Bei den Merkmalen oder Eigenschaften kann es sich um physikalische Eigenschaften des Materials der Markierungen handeln, beispielsweise um den magnetischen Spin im MRI, um die Relaxationszeit und/oder um den T1/T2- Kontrast in der Magnetresonanz-Bildgebung.

So können die Markierungen der eingeführten Vorrichtungen beispielsweise verschiedene Formen aufweisen, wobei eine Segmentierung und/oder eine Mustererkennung einer digitalen Bildverarbeitung erfolgen kann, um die Formen der beiden detektierten Markierungen in dem Bilddatensatz zu ermitteln.

Alternativ oder ergänzend können die Markierungen der beiden eingeführten Vorrichtungen verschiedene Materialien aufweisen, die von der Bildgebung als verschiedene Materialien erkennbar sind, wobei in Schritt d) eine Auswertung von Eigenschaften der Bilddaten (zum Beispiel der Amplituden und/oder der Frequenz) erfolgen kann, um die Materialien der beiden detektierten Markierungen in dem Bilddatensatz zu ermitteln. Dabei ist von Vorteil, wenn die verschiedenen Materialien in den Bilddaten der Bildgebung verschiedene Amplituden und/oder verschiedene Frequenzen der zugehörigen Bildpunkte der beiden Materialien bewirken.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es zweckmäßig, mindestens eine weitere Markierung der ersten eingeführten Vorrichtung und mindestens eine weitere Markierung der mindestens zweiten eingeführten Vorrichtung zu ermitteln. Die auf diese Weise ermittelten Markierungen verschiedener Vorrichtungen können jeweils segmentiert und klassifiziert werden. Eine erste Klasse beinhaltet dabei die Markierungen der ersten eingeführten Vorrichtung und eine zweite Klasse beinhaltet die Markierungen der zweiten eingeführten Vorrichtung. Die erste Klasse ist dabei der ersten eingeführten Vorrichtung zugeordnet und die zweite Klasse ist der zweiten eingeführten Vorrichtung zugeordnet. Weitere Klassen können für entsprechende weitere eingeführte Vorrichtungen vorgesehen sein.

Auf diese Weise können anhand der jeweils mehreren erkannten Marker die verschiedenen eingeführten Vorrichtungen bereits in dem Bilddatensatz ermittelt und beobachtet werden, ohne dass hierzu ein menschlicher Betrachter an einem Bildschirm des Bildgebungsverfahren erforderlich ist.

Wenn festgestellt wird, dass die zweite Markierung eine Markierung der zweiten eingeführten Vorrichtung ist, wird vorteilhafterweise geprüft, ob sich der Abstand zwischen den beiden detektierten Markierungen während einer Zeitdauer verändert. Dadurch ist es möglich, durch das Bildgebungssystem zu ermitteln und zu beobachten, ob sich die beiden eingeführten Vorrichtungen einander annähern, in welcher Ausrichtung sie sich zueinander befinden und wie sich der Abstand zwischen den eingeführten Vorrichtungen während der Zeitdauer verändert. Dies kann von Vorteil sein, wenn der Abstand, die Position und/oder die Ausrichtung der mindestens zwei Vorrichtungen zueinander verändert werden soll, beispielsweise wenn mit Hilfe einer der beiden eingeführten Vorrichtungen die jeweils andere eingeführte Vorrichtung in dem biologischen Gewebe bewegt oder positioniert werden soll.

Bei einem Ausführungsbeispiel wird nach dem Detektieren eines Bildpunkts einer Markierung mindestens ein weiterer Bildpunkt derselben Markierung detektiert, indem in dem Bilddatensatz nach weiteren Bildpunkten derselben Markierung innerhalb eines vorgegebenen Abstands zu dem detektierten Bildpunkt der Markierung gesucht wird. Auf diese Weise können Form, Größe, Dichte oder Zusammensetzung der Markierung in dem Bildgebungssystem ermittelt werden, wodurch das Erkennen der räumlichen Position und/oder Ausrichtung der zugehörigen eingeführten Vorrichtung in dem biologischen Gewebe ermöglicht wird.

Nach dem Detektieren mehrerer Bildpunkte einer Markierung können eine Segmentierung und eine anschließende Klassifikation der Bildpunkte zur Erkennung von Form, Größe, Dichte oder Zusammensetzung der Markierung erfolgen. Nach Detektieren mehrerer Bildpunkte jeweils verschiedener Markierungen wird bei einem Ausführungsbeispiel jeweils mindestens ein Bildpunkt im Zentrum der Markierungen ermittelt. Die so ermittelten zentralen Bildpunkte verschiedener Markierungen derselben eingeführten Vorrichtung können dann durch eine Linie miteinander verbunden werden. Die so erzeugte Linie kann in Form von Bilddaten in dem Bilddatensatz hinterlegt werden. Auf diese Weise können Form, Ausrichtung, Ausdehnung und/oder Lage der eingeführten Vorrichtung in dem biologischen Gewebe in dem Bilddatensatz ermittelt und rekonstruiert werden.

Nach dem Detektieren von Bildpunkten jeweils mehrerer Markierungen der mindestens zwei eingeführten Vorrichtungen kann zu den Bildpunkten mehrerer Markierungen einer der beiden einführbaren Vorrichtungen jeweils geprüft werden, ob sich innerhalb eines vorgegebenen Abstands zu dem Bildpunkt der ersten Markierung ein Bildpunkt einer Markierung einer anderen eingeführten Vorrichtung befindet.

Wenn festgestellt wird, dass die zweite Markierung eine Markierung der zweiten oder einer anderen eingeführten Vorrichtung ist, kann der Abstand zwischen den beiden Bildpunkten, zwischen den beiden Markierungen und/oder zwischen anderen Bildpunkten der beiden Markierungen ermittelt und vorzugsweise während einer Zeitdauer beobachtet werden.

Das Verfahren kann zu jeweils verschiedenen Zeitpunkten mehrmals ausgeführt werden, um Veränderungen der Position der detektierten Markierungen oder Veränderungen der relativen Lage von Markierungen verschiedener eingeführter Vorrichtungen zu beobachten.

Erfindungsgemäß wird zudem eine medizinische Bildgebungsvorrichtung mit einer Bildverarbeitungseinheit bereitgestellt, die zur Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist.

Zudem wird eine Bildverarbeitungseinheit mit einem elektronischen Speicher bereitgestellt, indem eine Bildverarbeitungsalgorithmus zur Ausführung des obigen Verfahrens hinterlegt ist. Von Vorteil ist es insbesondere, wenn jede der beiden einführbaren Vorrichtungen mit mehreren Markierungen versehen wird, bei denen für die Abstände benachbarter Markierungen derselben einführbaren Vorrichtung folgendes gilt: benachbarte Markierungen der einen einführbaren Vorrichtung weisen denselben Abstand oder ein ganzzahliges Vielfaches des Abstandes auf wie benachbarte Markierungen der oder einer anderen einführbaren Vorrichtung; benachbarte Markierungen der einen einführbaren Vorrichtung weisen einen Abstand zueinander auf, der der Länge oder der Breite einer der Markierungen der oder einer anderen einführbaren Vorrichtung entspricht und/oder mehrere Markierungen der einen einführbaren Vorrichtung sind in Abständen zueinander angeordnet, die den Abständen entsprechender Markierungen der oder einer anderen einführbaren Vorrichtung entsprechen.

Im Folgenden wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ansicht des Ausführungsbeispiels in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine zweite Ansicht des Ausführungsbeispiels in schematischer

Darstellung und

Fig. 3 eine dritte Ansicht des Ausführungsbeispiels in schematischer

Darstellung.

Die drei Figuren zeigen eine erste in biologisches Gewebe einführbare Vorrichtung 12 in Form eines Führungsdrahtes und eine zweite in biologisches Gewebe einführbare Vorrichtung 14 in Form eines Ballonkatheters, der mit Hilfe des Führungsdrahtes in dem biologischen Gewebe, genauer gesagt in einem Blutgefäß, eines Patienten platziert werden soll. Beide einführbare Vorrichtungen sind rotationssymmetrisch. Denkbar sind auch drei oder mehr einführbare Vorrichtungen.

Die erste einführbare Vorrichtung 12 ist mit drei Markierungen 16, 18, 20 in Form von ringförmig umlaufenden Eisenoxidstreifen versehen. Der Abstand zwischen der ersten Markierung 16 und der zweiten Markierung 18 der ersten Vorrichtung 12 beträgt etwa 2 cm. Der Abstand zwischen der zweiten Markierung 18 und der dritten Markierung 20 der ersten Vorrichtung 12 beträgt ebenfalls etwa 2 cm.

In ähnlicher Weise ist die zweite einführbare Vorrichtung 14 mit mehreren Markierungen 22, 24, 26, 28 versehen. Der Abstand zwischen der ersten Markierung 22 und der zweiten Markierung 24 der zweiten Vorrichtung 14 entspricht dem Abstand zwischen den ersten beiden Markierungen 16, 18 der ersten Vorrichtung 12 und beträgt damit ebenfalls etwa 2 cm. Der Abstand zwischen der zweiten Markierung 24 und der vierten Markierung 28 der zweiten Vorrichtung 14 entspricht dem Abstand zwischen der zweiten Markierung 18 und der dritten Markierung 20 der ersten einführbaren Vorrichtung 12 und beträgt damit circa 2 cm. Der Abstand zwischen der dritten Markierung 26 und der vierten Markierung 28 der zweiten einführbaren Vorrichtung 14 entspricht ungefähr der Breite in Axialrichtung der langgestreckten ersten Vorrichtung 12.

Fig. 2 zeigt die beiden einführbaren Vorrichtungen 12, 14 in axialer Längsrichtung hintereinander. Der Pfeil in Fig. 2 deutet die Richtung an, in der der Ballonkatheter der zweiten einführbaren Vorrichtung 14 in Richtung auf und über den Führungsdraht der ersten einführbaren Vorrichtung 12 geschoben werden soll.

In der Bildgebung eines Magnetresonanztomographen sind die Markierungen 16 - 28 der beiden Vorrichtungen 12, 14 erkennbar. Dabei erzeugt das Bildgebungsverfahren des Magnetresonanztomographen auf herkömmliche Weise einen digitalen Bilddatensatz mit den Bildpunkten der abgebildeten Bereiche. Die Markierungen 16 - 28 können aufgrund ihrer Form, Größe, Dichte oder Zusammensetzung durch Bildgebungsverfahren automatisch erkannt und voneinander unterschieden werden, wobei das Prinzip des Bildgebungsverfahrens entscheidend ist für den Aufbau des Algorithmus. Dabei werden von dem Bildgebungsverfahren zunächst zu einem detektierten Bildpunkt einer der Markierungen 16, 18, 20 sämtliche Bildpunkte derselben Markierung gesucht. Das Bildgebungsverfahren beinhaltet dabei einen digitalen Bildverarbeitungsalgorithmus, der Bildpunkte durch ein

Mustererkennungsverfahren und durch eine Klassifikation der jeweiligen Markierung zugeordnet. Dieses Verfahren wird für jede der Markierungen wiederholt.

Dabei wird zunächst ausgehend von mindestens einem Bildpunkt einer detektierten Markierung in einem vorgegebenen Abstand nach einem Bildpunkt einer Markierung der jeweils anderen einführbaren Vorrichtung gesucht. Auf ähnliche Weise wie oben beschrieben werden auch die anderen Markierungen der anderen einführbaren Vorrichtung ermittelt und die zugehörigen Bildpunkte in dem Bilddatensatz des Bildgebungsverfahrens identifiziert, markiert und gespeichert.

Bei einem relativen Verschieben der beiden einführbaren Vorrichtungen 12, 14 gegeneinander, wobei die zweite Vorrichtung 14 in Richtung des Pfeiles in Fig. 3 gegenüber der ersten Vorrichtung 12 verschoben wird, werden von dem Bildverarbeitungsalgorithmus die Positionen der Markierungen beider Vorrichtungen 12, 14 beobachtet und verfolgt. Dabei werden insbesondere die Abstände nahe beieinander liegender Markierungen verschiedener Vorrichtungen 12, 14 ermittelt und verfolgt.

So werden beispielsweise die Abstände zwischen den Bildpunkten der zweiten Markierung 24 der zweiten Vorrichtung 14 und der zweiten Markierung 18 der ersten Vorrichtung 12 beobachtet, während die beiden Vorrichtungen 12, 14 relativ zueinander verschoben werden. In Fig. 2 ist dieser Abstand groß. In Fig. 3 ist der Abstand minimal. Dies kann von dem erfindungsgemäßen Bildgebungsverfahren erkannt werden.

In entsprechender Weise werden auch die Abstände zwischen den Bildpunkten der ersten Markierung 16 der ersten Vorrichtung 12 und der ersten Markierung 22 der zweiten Vorrichtung 14 beobachtet und nachverfolgt. Im Rahmen einer Redundanzmessung kann das Ergebnis der Abstandsmessung in Bezug auf die beiden zweiten Markierungen 18, 24 bestätigt werden. In entsprechender Weise wird auch im Hinblick auf den Abstand zwischen den Bildpunkten der beiden dritten Markierungen 20, 26 oder der dritten Markierung 20 der ersten Vorrichtung 12 und der vierten Markierung 28 der zweiten Vorrichtung 14 verfahren.

Zusätzlich ermöglichen es die Markierungen 26, 28 der zweiten Vorrichtung 14 und die dritte Markierung 18 der ersten Vorrichtung 12, festzustellen, ob sich die dritte Markierung 20 der ersten Vorrichtung 12 zwischen der dritten Markierung 26 und der vierten Markierung 28 der zweiten Vorrichtung 14 befindet.

Insofern können die Markierungen in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Bildgebungsverfahren als "Einparkhilfe" genutzt werden, um mit dem Bildgebungsverfahren festzustellen, ob die beiden eingeführten Vorrichtungen 12, 14 einen gewünschten, vorgegebenen Abstand und eine bevorzugte relative Ausrichtung zueinander aufweisen.

In entsprechender Weise bezieht sich die Erfindung auch auf eine medizinische Bildgebungsvorrichtung mit einer Bildverarbeitungseinheit, die zur Ausführung des zuvor beschriebenen Verfahrens ausgebildet sind. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Bildverarbeitungseinheit mit einem elektronischen Speicher, indem ein Bildverarbeitungsalgorithmus zur Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens hinterlegt ist. Dadurch sind sowohl die erfindungsgemäße Bildgebungsvorrichtung als auch die erfindungsgemäße Bildverarbeitungseinheit dazu ausgebildet, einen Bilddatensatz mit Bilddaten des biologischen Gewebes zu erzeugen und mindesten einen Bildpunkt einer ersten Markierung 16 der ersten eingeführten Vorrichtung 12 in dem Bilddatensatz zu detektieren, sowie anschließend mindestens einen Bildpunkt einer zweiten Markierung einer der eingeführten Vorrichtungen 12, 14 zu detektieren, die sich innerhalb eines vorgegebenen Abstandes zu dem detektierten Bildpunkt der ersten Markierung 16 befinden, wobei schließlich ermittelt wird, ob die detektierte zweite Markierung eine Markierung der zweiten eingeführten Vorrichtung 14 ist.