Fusion of interventional ultrasound & X-ray

Abstract

In einer immer älter werdenden Bevölkerung wird die Behandlung von strukturellen Herzkrankheiten zunehmend wichtiger. Verbesserte medizinische Bildgebung und die Einführung neuer Kathetertechnologien führten dazu, dass immer mehr herkömmliche chirurgische Eingriffe am offenen Herzen durch minimal invasive Methoden abgelöst werden. Diese modernen Interventionen müssen durch verschiedenste Bildgebungsverfahren navigiert werden. Hierzu werden hauptsächlich Röntgenfluoroskopie und transösophageale Echokardiografie (TEE) eingesetzt. Röntgen bietet eine gute Visualisierung der eingeführten Katheter, was essentiell für eine gute Navigation ist. TEE hingegen bietet die Möglichkeit der Weichteilgewebedarstellung und kann damit vor allem zur Darstellung von anatomischen Strukturen, wie z.B. Herzklappen, genutzt werden. Beide Modalitäten erzeugen Bilder in Echtzeit und werden für die erfolgreiche Durchführung minimal invasiver Herzchirurgie zwingend benötigt. Üblicherweise sind beide Systeme eigenständig und nicht miteinander verbunden. Es ist anzunehmen, dass eine Bildfusion beider Welten einen großen Vorteil für die behandelnden Operateure erzeugen kann, vor allem eine verbesserte Kommunikation im Behandlungsteam. Ebenso können sich aus der Anwendung heraus neue chirurgische Worfklows ergeben. Eine direkte Fusion beider Systeme scheint nicht möglich, da die Bilddaten eine zu unterschiedliche Charakteristik aufweisen. Daher kommt in dieser Arbeit eine indirekte Registriermethode zum Einsatz. Die TEE-Sonde ist während der Intervention ständig im Fluoroskopiebild sichtbar. Dadurch wird es möglich, die Sonde im Röntgenbild zu registrieren und daraus die 3D Position abzuleiten. Der Zusammenhang zwischen Ultraschallbild und Ultraschallsonde wird durch eine Kalibrierung bestimmt. In dieser Arbeit wurde die Methode der 2D-3D Registrierung gewählt, um die TEE Sonde auf 2D Röntgenbildern zu erkennen. Es werden verschiedene Beiträge präsentiert, welche einen herkömmlichen 2D-3D Registrieralgorithmus verbessern. Nicht nur im Bereich der Ultraschall-Röntgen-Fusion, sondern auch im Hinblick auf allgemeine Registrierprobleme. Eine eingeführte Methode ist die der planaren Parameter. Diese verbessert die Robustheit und die Registriergeschwindigkeit, vor allem während der Registrierung eines Objekts aus zwei nicht-orthogonalen Richtungen. Ein weiterer Ansatz ist der Austausch der herkömmlichen Erzeugung von sogenannten digital reconstructed radiographs. Diese sind zwar ein integraler Bestandteil einer 2D-3D Registrierung aber gleichzeitig sehr zeitaufwendig zu berechnen. Es führt zu einem erheblichen Geschwindigkeitsgewinn die herkömmliche Methode durch schnelles Rendering von Dreiecksnetzen zu ersetzen. Ebenso wird gezeigt, dass eine Kombination von schnellen lernbasierten Detektionsalgorithmen und 2D-3D Registrierung die Genauigkeit und die Registrierreichweite verbessert. Zum Abschluss werden die ersten Ergebnisse eines klinischen Prototypen präsentiert, welcher die zuvor genannten Methoden verwendet.