DE102006035123B4 - Verfahren zum Verbessern der Genauigkeit einer Bronchialbiopsie und Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Verbessern der Genauigkeit einer Bronchialbiopsie - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Verbessern der Genauigkeit einer Bronchialbiopsie umfassend die Schritte
a) Erfassen der Lage und Ausdehnung (D1, D2) der zu biopsierenden Läsion (2) mittels bildgebender Verfahren (S3),
b) Berechnen der maximal möglichen Biopsietiefe (Tmax) bei bekannter Biopsieungenauigkeit in Abhängigkeit der Ausdehnung (D1, D2) der Läsion (S4) und
c) Rechnerbasiertes Erstellen eines in dem zuvor rechnerbasiert segmentierten Bronchienbaum visuellen Biopsievorschlags im Falle einer im Rahmen der Bronchialbiopsiegenauigkeit sicheren Erreichbarkeit der Läsion oder aber Mitteilung der nichtsicheren Erreichbarkeit.

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Biopsie von Läsionen, welche direkt an den Bronchien gelegen sind, wie sie in der Medizin zur Untersuchung von Patienten Anwendung findet. Dabei bezieht sich die vorliegende Erfindung insbesondere auf ein Verfahren zum Durchführen einer solchen, bei welcher abgeschätzt werden kann, ob die Biopsie mit Sicherheit erfolgversprechend ist, d.h. das maligne Gewebe erreicht oder nicht.
• Bei der Diagnose von Lungenrundherden oder bei Läsionen des Mediastinums muss zur Abklärung häufig eine Biopsie der betroffenen Region durchgeführt werden. Nur durch die Gewebeentnahme ist eindeutig feststellbar, ob die Läsion gut- oder bösartig ist, und welche Therapiemaßnahmen gegebenenfalls ergriffen werden müssen. Dies wird vorwiegend perkutan (durch die Haut) durchgeführt. Die Nachteile dieser Methode sind die geringe Trefferquote bei zentral gelegenen Läsionen mit der damit verbundenen zeitaufwendigen und patientenrisikoerhöhenden Wiederholung der Prozedur so wie der so genannte Pneumothorax, bei dem Luft durch den Brustkorb eindringt. Der entstehende Gegendruck an der Lunge erschwert die Atmung und muss in vielen Fällen therapiert werden.
• Aus diesem Grund werden direkt an den Bronchien gelegene Läsionen ausreichender Größe besser transbronchial biopsiert. Hierbei wird ein spezielles Bronchoskop mit einem Kanal zur Visualisierung und einem Arbeitskanal zur Entnahme einer Gewebeprobe eingesetzt. Sind die Läsionen an der inneren Bronchialwand erkennbar, so sind hiermit gute Erfolge erreichbar. Andernfalls besteht während der Biopsie Unsicherheit darüber, ob die Läsion wirklich getroffen wurde. Ist die entnommene Gewebeprobe bösartig, ist das gleichzeitig ein Indiz, dass die Läsion getroffen wurde. Ist dies jedoch nicht der Fall, ist entweder die Läsion gutartig oder sie wurde nicht getroffen und die Biopsie muss wiederholt werden.
• Eine Verbesserung bringt hier ein Verfahren wie im Dokument US 2006/0084860 A1 vorgeschlagen. Hierbei wird mittels bildgebender Verfahren eine Segmentierung der Bronchien durchgeführt und hierdurch ein dreidimensionales virtuelles Bild der Bronchien erstellt. Während der Durchführung der Bronchoskopie wird auf dieser dreidimensionalen virtuellen Darstellung der Bronchien die Läsion auf der inneren Oberfläche der Bronchialwand eingeblendet und gleichzeitig wird in der virtuellen dreidimensionalen Darstellung die aktuelle Position des Bronchoskops dargestellt. Hierdurch kann die Treffsicherheit bei der Bronchoskopie erhöht werden.
• Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass trotz des Einblendens der Läsion auf der inneren Bronchialwand eine sichere Biopsie nicht gegeben ist. Insbesondere bei kleinen oder sehr weit entfernt von der Bronchialwand liegenden Läsionen kann nicht mit Sicherheit festgestellt werden, ob im Falle einer gutartigen Gewebeprobe die Läsion gutartig oder einfach nicht getroffen worden ist.
• Aus DE112004001177T5 ist ein System und Verfahren bekannt zur Planung eines endoskopischen Pfades, bei dem zunächst ein Ziel in einem peripheren Atemweg der Lunge identifiziert und anschließend ein endoskopischer Pfad zu dem Ziel erzeugt wird, wobei der Schritt des Erzeugens eines endoskopischen Pfades zum Ziel erstens das Segmentieren von der Lunge zugehörigen Daten und zweitens das Berechnen eines Atemwegbaumes enthält.
• In dem bereits erwähnten Dokument US2006/084860A1 wird in Abhängigkeit des Lumendurchmessers (=Durchmesser des Bronchialastes) der maximale Biegewinkeldes Bronchoskops und daraus ein modifizierter Projektionswinkel berechnet, unter dem die Läsion auf die Lumenwand (=Bronchialwand abgebildet wird, um an dieser Stelle mit einer Biopsienadel einzustechen.
• In „KIRALY,A.P.; HELFERTY,J.P.; HOFFMAN,E.A.[et al]: Three-Dimensional Path Planning for Virtual Bronchoscopy. In: Proc. IEEE Trans. On Medical Imaging, IEEE Sept. 2004, Vol.23 Nr.9, Seiten 1365-1379“ ist ein Verfahren beschrieben zur dreidimensionalen Pfadplanung für die virtuelle Bronchoskopie.
• In „HELFERTY,J.P.; SHERBONDY, A.J.; KIRALY, A.P. [et al]: Image Guided Endoscopy for Lung-Cancer Assessment. In: Proc. IEEE Int. Conf. Image Processing, IEEE, Oktober 2001, Seiten 307-310“ ist eine bildgeführte Endoskopie für die Lungenkrebsbehandlung offenbart, bei der für die transbronchiale Nadelsaugbiopsie (TBNA) die dreidimensionalen CT-Bilddaten einer virtuellen Bronchoskopie mit den Bildern von einem Endoskop aus der realen Bronchoskopie kombiniert werden, um so Läsionen außerhalb der Bronchialwand auf das Videobild des Endoskops zu übertragen.
• In keinen der angegebenen Verfahren jedoch wird eine der Endoskopie bzw. der Bronchoskopie insbesondere aber der Bronchialbiopsie zugrundeliegende experimentell und arithmetisch vorabbestimmte Genauigkeit berücksichtigt.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbessern der Genauigkeit einer Bronchialbiopsie und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, womit bereits im Vorfeld der Biopsie ermittelt werden kann, ob mit der durchzuführenden Biopsie die Läsion getroffen werden kann oder nicht.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 sowie des unabhängigen Anspruchs 12 gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
• Gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verbessern der Genauigkeit einer Bronchialbiopsie vorgeschlagen, umfassend die Schritte
1. a) Erfassen der Lage und Ausdehnung (D1, D2) der zu biopsierenden Läsion (2) mittels bildgebender Verfahren (S3),
2. b) Berechnen der maximal möglichen Biopsietiefe (Tmax) bei bekannter Biopsieungenauigkeit in Abhängigkeit der Ausdehnung (D1, D2) der Läsion (S4) und
3. c) Rechnerbasiertes Erstellen eines in dem zuvor rechnerbasiert segmentierten Bronchienbaum visuellen Biopsievorschlags im Falle einer im Rahmen der Bronchialbiopsiegenauigkeit sicheren Erreichbarkeit der Läsion oder aber Mitteilung der nichtsicheren Erreichbarkeit
• Vorteilhafter Weise umfasst Schritt c) den Vergleich der berechneten maximalen Biopsietiefe mit einer tatsächlich zur Durchführung der Biopsie nötigen Biopsietiefe.
• Des weiteren umfasst Schritt c) vorteilhafter Weise das Ermitteln eines geeigneten Bronchialastes zur Durchführung der Biopsie, wenn die tatsächliche zur Durchführung der Biopsie nötige Biopsietiefe die berechnete maximale Biopsietiefe nicht übersteigt.
• Des weiteren umfasst Schritt c) vorteilhafter Weise das Ausgeben einer Mitteilung an den Untersucher, wenn die tatsächliche zur Durchführung der Biopsie nötige Biopsietiefe die berechnete maximale Biopsietiefe übersteigt.
• Vorteilhafter Weise wird die Biopsieungenauigkeit einmalig durch Testreihen ermittelt.
• Des weiteren erfolgt vorteilhafter Weise ein erneutes Ermitteln der Biopsieungenauigkeit bei Veränderung der Untersuchungsbedingungen.
• Bevorzugt umfasst das Verfahren das Ermitteln der Biopsieungenauigkeit durch Ermitteln eines translatorischen Fehlers und eines Winkelfehlers bei der Biopsie, wobei der translatorische Fehler eine Abweichung des tatsächlichen Biopsiepunktes von dem idealen Biopsiepunkt und der Winkelfehler eine Abweichung der tatsächlichen Biopsierichtung von der idealen Biopsierichtung ist.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst Schritt b) folgende Schritte:
• I) Berechnung einer ersten maximalen Biopsietiefe in Abhängigkeit einer ersten Ausdehnung der Läsion entlang einer ersten Richtung parallel zur Bronchialwand,
• II) Berechnung einer zweiten maximalen Biopsietiefe in Abhängigkeit einer zweiten Ausdehnung der Läsion entlang einer zweiten Richtung orthogonal zur ersten Richtung parallel zur Bronchialwand, und
• III) Berechnung der gesamten maximalen Biopsietiefe als Minimum der ersten maximalen Biopsietiefe und der zweiten maximalen Biopsietiefe.
• Vorteilhafter Weise erfolgt die Berechnung der ersten maximalen Biopsietiefe als $$T_{1\text{max}}=\frac{\frac{D_1}{2}-t_1}{\text{tan }\alpha },$$

  

  wobei D₁ die Ausdehnung der Läsion in der ersten Richtung ist, t₁ der Abstand des tatsächlichen vom idealen Biopsiepunkt entlang der ersten Richtung und α die Abweichung der tatsächlichen von der idealen Biopsierichtung entlang der ersten Richtung ist.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Berechnung der zweiten maximalen Biopsietiefe als $$T_{2\text{max}}=\frac{\frac{D_2}{2}-t_2}{\text{tan }\beta },$$

  

  wobei D₂ die Ausdehnung der Läsion in der zweiten Richtung ist, t₂ der Abstand des tatsächlichen vom idealen Biopsiepunkt entlang der zweiten Richtung und β die Abweichung der tatsächlichen von der idealen Biopsierichtung entlang der zweiten Richtung ist.
• Bevorzugter Weise ist das bildgebende Verfahren Computertomographie und/oder Kernspintomographie und/oder Röntgen.
• Gemäß Anspruch 12 der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Durchführen zum Verbessern der Genauigkeit einer Bronchialbiopsie vorgeschlagen, umfassend eine Bildgebungsvorrichtung (31) zum Erfassen der Lage und Ausdehnung (D1, D2) einer zu biopsierenden Läsion (2) mittels bildgebender Verfahren (S3),
  gekennzeichnet durch
  ein Biopsietiefenberechnungselement (36) zur Berechnung der maximalen Biopsietiefe (T_max) bei bekannter Biopsieungenauigkeit in Abhängigkeit der Ausdehnung (D1, D2) der Läsion (S4) und
  ein Planungselement (38) zum Erstellen eines Biopsieplanes auf Basis der berechneten maximalen Biopsietiefe (T_max) und der Lage der Läsion (S7, S10).
• Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen bezugnehmend auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.
• 1a und 1b zeigen schematisch die Biopsiepunkte und Biopsierichtungen bei der Biopsie einer an einer Bronchialwand gelegenen Läsion,
• 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Bronchialbaumes mit mehreren Läsionen,
• 3 zeigt schematisch den Ablauf des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung,
• 4 zeigt schematisch den Ablauf der Berechnung der maximalen Biopsietiefe gemäß der vorliegenden Erfindung und
• 5 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
• 1a zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Bronchialwand 1 und eine darunter gelegene Läsion 2. Unter Läsion wird hierbei eine Gewebeauffälligkeit oder Gewebeveränderung jeder Art verstanden, aus der mittels einer Biopsie Gewebeproben entnommen werden sollen.
• In 1a und 1b ist die Läsion 2 als in einer Ebene gelegen dargestellt. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird angenommen, dass die Läsion 2 in einer durch zwei zueinander orthogonale Koordinatenachsen x und y gebildeten Ebene liegt und keinerlei Höhenausdehnung entlang der dritten Koordinatenachse z besitzt. Die Läsion 2 liegt dabei in einer Tiefe T unterhalb der Bronchialwand 1 und besitzt in der x-y-Ebene, welche einen Abstand T von der Bronchialwand hat, eine Größe von D1 entlang einer ersten Richtung, hier entlang der x-Achse, und eine Größe von D2 entlang einer zweiten Richtung, hier entlang der y-Achse.
• Im Falle einer dreidimensionalen Läsion, kann die Tiefe T der Abstand zwischen der Bronchialwand 1 und dem Mittelpunkt der Läsion 2 sein. In diesem Fall sind dann die Größen D1 und D2 die Ausdehnungen entlang der x- und der y-Achse, in der Ebene, in welcher auch der Mittelpunkt der Läsion 2 liegt. Je nach Form der Läsion kann die Tiefe T auch bis zu einem anderen Punkt der Läsion 2 definiert werden und entsprechend auch die Größen D1 und D2. In jedem Fall ist T jedoch die Tiefe, bis zu welcher eine Biopsienadel eingeführt werden muss, so dass eine Gewebeprobe entnommen werden kann. T ist somit die tatsächlich für die Durchführung der Biopsie notwendige Biopsietiefe.
• Im Folgenden werden die bei einer Biopsie auftretenden Fehler und Ungenauigkeiten anhand der Darstellungen Fig. 1a und 1b erläutert. Hierzu wird wie bereits erläutert angenommen, dass die Läsion 2 lediglich zweidimensional ist und somit eine Ausdehnung bzw. Länge D₁ entlang einer ersten Richtung, hier entlang der x-Achse, parallel zur Bronchialwand 1 aufweist, und eine zweite Ausdehnung bzw. Breite D₂ entlang einer zweiten Richtung, hier der y-Achse, orthogonal zu der ersten Richtung und parallel zur Bronchialwand. Bei einer idealen Biopsie durchstößt der Untersucher mit dem Bronchoskop die Bronchialwand 1 an einem Punkt P, welcher genau senkrecht über der Mitte M der Läsion 2 liegt, und bei der idealen Bronchoskopie beträgt der Winkel zwischen dem Bronchoskop und der Bronchialwand 1 genau 90°, d. h. das Bronchoskop trifft senkrecht auf die Läsion 2. Der mögliche Fehler, welcher sich bei einer reellen Biopsie abweichend von einer idealen Biopsie ergeben kann, setzt sich zum einen aus einem translatorischen und zum anderen aus einem Winkelfehler zusammen.
• In 1a ist ein möglicher translatorischer Fehler dargestellt. Unter einem translatorischen Fehler wird eine Abweichung vom idealen Biopsiepunkt P verstanden, d. h. das Bronchoskop durchstößt die Bronchialwand 1 nicht am idealen Punkt P, sondern an einem von dem idealen Punkt P verschiedenen Punkt. Wie in 1a dargestellt, kann das Bronchoskop die Bronchialwand 1 an einem Punkt P₁ durchstoßen, so dass entlang der x-Achse ein Abstand t₁ zwischen dem idealen Punkt P und dem tatsächlichen Punkt P₁ auftritt. Entsprechend kann das Bronchoskop die Bronchialwand an einem Punkt P₂ durchstoßen, welcher von dem idealen Biopsiepunkt P entlang der y-Achse einen Abstand t₂ aufweist. Jede Abweichung vom idealen Biopsiepunkt P lässt sich aus einer Komponente in x-Richtung und einer Komponente in y-Richtung darstellen. Unter der Annahme, dass das Bronchoskop während der Biopsie rechtwinklig zur Bronchialwand 1 gehalten wird, kann somit die Läsion getroffen werden, falls gilt: $${\text{t}}_1<\frac{D_1}{2}{\text{ und t}}_2<\frac{D_2}{2}.$$

  

  D. h., die Läsion 2 wird mit Sicherheit bei der Biopsie getroffen, wenn die Abweichungen t₁ und t₂ in den zwei Ausdehnungsrichtungen der Läsion 2 kleiner sind als die Hälfte der Ausdehnungen D₁ und D₂ der Läsion 2.
• 1b zeigt schematisch den Beitrag eines Winkelfehlers zur Ungenauigkeit der Biopsie. Unter der Annahme, dass die Bronchialwand 1 mittels des Bronchoskops an dem idealen Biopsiepunkt P durchstoßen wird, kann ein Winkelfehler in der x-Richtung oder der y-Richtung auftreten oder es kann ein Winkelfehler in jeder weiteren Richtung auftreten, welcher sich dann entsprechend aus zwei Komponenten entlang der x- und der y-Richtung zusammensetzt. In 1b zeigt der Winkel α hierbei die Abweichung der tatsächlichen Biopsierichtung von der idealen Biopsierichtung entlang der x-Achse. Entsprechend zeigt der Winkel β Abweichung der tatsächlichen Biopsierichtung von der idealen Biopsierichtung entlang der y-Achse. Jede Abweichung in einer anderen Richtung lässt sich aus Komponenten entlang der beiden Richtungen zusammensetzen.
• Die Strecke zwischen dem Mittelpunkt M der Läsion 2, welcher den idealen Biopsiepunkt darstellt, und dem tatsächlichen Biopsiepunkt M₁ entlang der x-Richtung ist in der 1b mit a bezeichnet und ergibt sich bei bekanntem Winkel α aus $$a=T\ast \text{tan }\alpha \text{.}$$

  
• Entsprechend ergibt sich die Strecke zwischen dem Mittelpunkt M der Läsion und dem tatsächlichen Biopsiepunkt M₂ entlang der y-Achse, welche in 1b mit b bezeichnet ist, aus $$b=T\ast \text{tan }\beta \text{.}$$

  
• Der Punkt, in welchem die Läsion 2 somit tatsächlich vom Bronchoskop getroffen wird, kann von dem idealen Punkt aufgrund des translatorischen und des Winkelfehlers abweichen. Der gesamte Fehler f₁ entlang der x-Richtung ergibt sich somit aus dem Abstand t₁ und der Strecke a als $$f_1=t_1+T\ast \text{tan }\alpha \text{.}$$

  
• Entsprechend ergibt sich der Fehler f₂ entlang der y-Richtung aus dem Abstand t₂ und der Strecke b als $$f_2=t_2+T\ast \text{tan }\beta \text{.}$$

  
• Die Bedingung dafür, dass bei der Biopsie die Läsion getroffen wird, ist, dass die Abweichungen entlang der beiden Richtungen x und y nicht größer als die Hälfte der Ausdehnung der Läsion 2 sein dürfen, d. h. es gilt als Bedingung $${\text{f}}_1<\frac{D_1}{2}{\text{ und f}}_2<\frac{D_2}{2}.$$

  
• Die Abweichungen α, β, t₁ und t₂ hängen im wesentlichen von dem verwendeten Bildgebenden Verfahren ab, der Genauigkeit der virtuellen Bronchoskopie, dem verwendeten Bronchoskop und den Fähigkeiten des Untersuchers. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher vorgeschlagen, die Abweichungen α, β, t₁ und t₂ durch die der Bronchoskopie vorhergehenden Testreihen an einem Phantom zu ermitteln. Die so ermittelten Werte können dann dauerhaft gespeichert werden, bis sich eine Veränderung der Untersuchungsbedingungen, beispielsweise ein anderer Untersucher, ein anderes verwendetes Bronchoskop oder ähnliches, ergibt. In diesem Fall der geänderten Untersuchungsbedingungen müssen die Abweichungen α, β, t₁ und t₂ erneut ermittelt werden. Bei bekannten Abweichungen α, β, t₁ und t₂ kann daher in Abhängigkeit der Ausdehnungen D₁ und D₂ der Läsion 2 die Biopsietiefe berechnet werden, bis zu der eine genaue, d. h. eine treffsichere Biopsie durchgeführt werden kann. Die maximale Biopsietiefe T_1max unter der Annahme, dass ein translatorischer sowie ein Winkelfehler nur entlang der x-Richtung auftritt, ergibt sich als: $$T_{1\text{max}}=\frac{\frac{D_1}{2}-t_1}{\text{tan }\alpha }.$$

  
• Entsprechend ergibt sich die maximale Biopsietiefe T_2max unter der Annahme, dass eine translatorische und Winkelungenauigkeit nur entlang der y-Richtung der Läsion 2 auftritt als: $$T_{\text{2max}}=\frac{\frac{D_2}{2}-t_2}{\text{tan }\beta }.$$

  
• Da im Realfall ein translatorischer und Winkelfehler in jeder Richtung auftreten kann, ergibt sich die gesamte maximale Biopsietiefe T_max als das Minimum aus den beiden berechneten Biopsietiefen T_1max und T_2max: $$T_{\text{max}}=Min\left(T_{1\text{max}},T_{2\text{max}}\right).$$

  
• Somit kann bei einer durch die Parameter α, β, t₁ und t₂ gegebenen und bekannten Biopsieungenauigkeit in Abhängigkeit der Ausdehnung der Läsion 2 die Tiefe berechnet werden, bis zu der eine genaue, d. h. eine die Läsion treffende Biopsie durchgeführt werden kann. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst des weiteren einen Schritt, in welchem die so berechnete maximale Biopsietiefe T_max mit der tatsächlich erforderlichen Biopsietiefe T verglichen wird. Falls die berechnete maximale Biopsietiefe die tatsächlich erforderliche Biopsietiefe T übersteigt, so kann die Biopsie treffsicher durchgeführt werden.
• 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt des Bronchialbaums 4 mit drei Läsionen A, B und C. Hierbei sind mehrere Bronchialäste 3 mit den Bronchialwänden 1 dargestellt. Entlang der Bronchialwände ist als gestrichelte Linie die berechnete maximale Biopsietiefe T_max dargestellt. Hierbei wird angenommen, dass im vorliegenden Beispiel die Läsionen A, B und C alle die gleichen Ausdehnungen D₁ und D₂ haben. Falls somit der Abstand einer der Läsionen von der Bronchialwand 1 größer ist als die berechnete maximale Biopsietiefe T_max, so kann eine treffsichere Biopsie nicht durchgeführt werden. Am vorliegenden Beispiel kann die Läsion B problemlos von einem Bronchialast erreicht werden. Die Läsion A hingegen hat einen Abstand, welcher für eine genaue und treffsichere Biopsie zu groß ist. Die Läsion C kann des weiteren beispielsweise von zwei verschiedenen Bronchialästen 3a oder 3b erreicht werden.
• Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand von 3 genauer erläutert. Das Verfahren beginnt in Schritt S0. Im nächsten Schritt S1 wird zunächst überprüft, ob sich eine der Untersuchungsbedingungen geändert hat. Die Untersuchungsbedingungen können, wie bereits erläutert, hierbei die Art der verwendeten Bildgebung, die Genauigkeit der virtuellen Bronchoskopie oder ähnliches sein. Falls sich die Untersuchungsbedingungen nicht geändert haben, wird in Schritt S2 die bereits in Testreihen ermittelte und bekannte Biopsieungenauigkeit, festgelegt in den Parametern α, β, t₁ und t₂ verwendet. Andernfalls, falls sich eine der Untersuchungsbedingungen geändert hat, wird in Schritt S9 anhand von Testreihen an einem Phantom die Biopsieungenauigkeit, d. h. die Parameter α, β, t₁ und t₂ erneut ermittelt. In einem nächsten Schritt S3 wird der Bronchialbaum sowie die Läsion mittels bildgebender Verfahren aufgenommen und segmentiert, um eine dreidimensionale Darstellung zu erhalten. Alternativ kann die Segmentierung des Bronchialbaums und der Läsion auch vor der Überprüfung der geänderten Untersuchungsbedingungen in Schritt S1 erfolgen. In einem nächsten Schritt S4 wird, wie bereits oben erläutert, die maximale Biopsietiefe T_max bei der vorgegebenen Biopsieungenauigkeit für die entsprechende Läsion, d. h. bezugnehmend auf die Ausdehnungen D₁ und D₂ der Läsion 2 berechnet. In einem nächsten Schritt S5 wird die so berechnete maximale Biopsietiefe T_max mit der tatsächlich erforderlichen Biopsietiefe T verglichen und es wird überprüft, ob die berechnete maximale Biopsietiefe T_max größer ist als die tatsächlich erforderliche Biopsietiefe T. Falls diese Bedingung erfüllt ist, wird in einem nächsten Schritt S6 überprüft, ob mindestens ein Bronchialast 3 die Bedingungen für eine durchzuführende Biopsie erfüllt. Falls dies ebenfalls der Fall ist, wird in Schritt S7 ein Vorschlag für eine Biopsie an den Untersucher ausgegeben. Beispielsweise werden in der virtuellen dreidimensionalen Darstellung der Bronchialast und der Punkt markiert, der für die Durchführung der Biopsie besonders geeignet ist. Andernfalls, falls in einem der Schritte S5 oder S6 festgestellt wird, dass die dort überprüften Bedingungen nicht erfüllt sind, wird in einem Schritt S10 eine Nachricht an den Untersucher ausgegeben, dass nicht mit der vorgegebenen Genauigkeit biopsiert werden kann.
• Anhand der 4 wird die Berechnung der maximalen Biopsietiefe nochmals beschrieben. Der Prozess startet in Schritt S20 und im folgenden Schritt S21 wird mittels der bildgebenden Verfahren die erste Ausdehnung D₁ der Läsion 2 in der x-Richtung parallel zur Bronchialwand 1 ermittelt. Im nächsten Schritt S22 wird die zweite Ausdehnung D₂ der Läsion in der y-Richtung parallel zur Bronchialwand 1 und orthogonal zur x-Richtung ermittelt. In folgenden Schritten S23 und S24 werden die jeweiligen maximalen Biopsietiefen T_1max in Abhängigkeit der ersten Ausdehnung D₁ der Läsion 2 entlang der x-Achse und die maximale Biopsietiefe T_2max in Abhängigkeit der zweiten Ausdehnung D₂ der Läsion 2 entlang der y-Achse anhand der bereits genannten Formeln errechnet. Im folgenden Schritt S25 wird dann die gesamte maximale Biopsietiefe T_max als Minimum von T_1max und T_2max berechnet. Das Verfahren endet in Schritt S26.
• Bei der Ermittlung des Biopsieplanes für den Untersucher wird in erster Linie darauf abgestellt, ob die zu untersuchende Läsion 2 einen Abstand T von der Bronchialwand 1 hat, welcher größer ist als die berechnet maximale Biopsietiefe T_max. Sollte eine Läsion 2 von mehreren Bronchialästen 3 aus erreichbar sein, so werden bei der Erstellung des Biopsieplanes noch weitere Faktoren mit eingeschlossen. Beispielsweise können der Durchmesser des Bronchialastes, die Nähe zu nicht zu verletzenden Gefäßen oder ähnliches mit in den Vorschlag eingeschlossen werden. Es können dem Untersucher auch mehrere Vorschläge unterbreitet werden, von denen dieser dann interaktiv einen auswählen kann. Falls der Fall eintritt, dass die Läsion 2 unter den vorgegebenen Bedingungen nicht sicher biopsierbar ist, so wird dies dem Untersucher mitgeteilt. In diesem Fall muss der Untersucher nach Alternativen suchen, oder bewusst die vordefinierten Fehlerkriterien aufweichen.
• 5 zeigt schematisch ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 zur Durchführung des Verfahrens. Über eine Bildgebungsvorrichtung 31, welche ein Computertomograph und/oder ein Kernspintomograph und/oder ein Röntgengerät sein kann, werden mittels entsprechender bildgebender Verfahren die Segmentierung der Läsion 2 und deren Umgebung vorgenommen, um so eine virtuelle dreidimensionale Darstellung der Läsion 2 und des die Läsion 2 umgebenden Gewebes zu erhalten. Durch die Daten der Bildgebungsvorrichtung 31 kann dann auch die Lage und Ausdehnung D₁, D₂ der Läsion 2 bestimmt werden sowie die zur Durchführung der Biopsie tatsächlich erforderliche Biopsietiefe T.
• Die Vorrichtung 30 umfasst einen Prozessor 33, welcher als zentrale Steuereinheit der Vorrichtung 30 dient, beispielsweise zum Ausführen von Befehlen und Abarbeiten von Prozessschritten. Der Prozessor 33 umfasst mehrere Elemente. Ein erstes Berechnungselement 34 dient zur Berechnung der ersten maximalen Biopsietiefe T_1max gemäß Schritt S23, ein zweites Berechnungselement 35 dient zur Berechnung der zweiten maximalen Biopsietiefe T_2max gemäß Schritt S24, ein Berechnungselement 36 dient zur Berechnung der gesamten maximalen Biopsietiefe T_max gemäß Schritt S4 und S25, ein Komparator 37 dient zum Vergleich der gesamten maximalen Biopsietiefe T_max mit der tatsächlich zur Durchführung der Biopsie nötigen Biopsietiefe T gemäß Schritt S5 und das Planungselement 38 dient zur Erstellung eines Biopsieplanes gemäß Schritt S6. Die im Prozessor 33 enthaltenen Elemente 34, 35, 36, 37 und 38 können hierbei entweder Funktionen, welche als Softwarekomponenten in den Hauptspeicher der Vorrichtung 30 geladen und vom Prozessor schrittweise abgearbeitet werden, oder auch Hardwarekomponenten sein, welche zur Durchführung der Berechnungsschritte des Algorithmus geschaltet sind.
• Die Vorrichtung 30 umfasst des weiteren eine Eingabevorrichtung 32, beispielsweise ein Keyboard, eine Maus, ein Touchpad oder ähnliches. Hierüber kann der Untersucher beispielsweise bei der Wahl zwischen mehreren Biopsieplänen einen Plan auswählen. Des weiteren ist eine Ausgabevorrichtung 39, beispielsweise ein oder mehrere Displays vorgesehen, auf denen die virtuelle dreidimensionale Darstellung der Läsion 2 und des umgebenden Gewebes angezeigt wird. Des weiteren wird mittels der Ausgabevorrichtung 39 dem Untersucher gemäß Schritt S7 ein Vorschlag für einen Biopsieplan angezeigt, es wird an den Untersucher gemäß Schritt S10 eine Nachricht ausgegeben, wenn nicht mit ausreichender Genauigkeit biopsiert werden kann oder es werden mehrere Biopsiepläne angezeigt, von denen der Untersucher dann wie bereits erläutert mittels der Eingabevorrichtung 32 interaktiv einen Plan auswählen kann.
• Des weiteren ist ein Speicher 40 vorgesehen zur flüchtigen oder dauerhaften Speicherung von Daten und als Arbeitsspeicher der Vorrichtung 30. Eine Ermittlungsvorrichtung 41 dient zum Ermitteln der Biopsieungenauigkeit gemäß Schritt S9 an Hand von Testreihen an einem Phantom, d.h. durch die Ermittlungsvorrichtung werden die Parameter α, β, t₁ und t₂ ermittelt, durch welche die Biopsieungenauigkeit festgelegt wird.
• Mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird es somit ermöglicht, unter vorgegebenen Untersuchungsbedingungen und in Abhängigkeit der Ausdehnung der zu untersuchenden Läsion und der Lage der Läsion, festzustellen, ob bei einer Biopsie die Läsion sicher getroffen werden kann. Hierdurch kann im Falle einer Entnahme von gutartigem Gewebe sichergestellt werden, dass die Läsion selbst gutartig ist und dass nicht etwa die Läsion nur nicht getroffen wurde. Durch das vorliegende Verfahren kann somit die Genauigkeit der Biopsie verbessert werden.

Claims (21)

1. Verfahren zum Verbessern der Genauigkeit einer Bronchialbiopsie umfassend die Schritte a) Erfassen der Lage und Ausdehnung (D1, D2) der zu biopsierenden Läsion (2) mittels bildgebender Verfahren (S3), b) Berechnen der maximal möglichen Biopsietiefe (Tmax) bei bekannter Biopsieungenauigkeit in Abhängigkeit der Ausdehnung (D1, D2) der Läsion (S4) und c) Rechnerbasiertes Erstellen eines in dem zuvor rechnerbasiert segmentierten Bronchienbaum visuellen Biopsievorschlags im Falle einer im Rahmen der Bronchialbiopsiegenauigkeit sicheren Erreichbarkeit der Läsion oder aber Mitteilung der nichtsicheren Erreichbarkeit.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt c) den Vergleich der berechneten maximalen Biopsietiefe (T_max) mit einer tatsächlich zur Durchführung der Biopsie nötigen Biopsietiefe (T) umfasst (S5).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt c) das Ermitteln eines geeigneten Bronchialastes (3) zur Durchführung der Biopsie umfasst, wenn die tatsächliche zur Durchführung der Biopsie nötige Biopsietiefe (T) die berechnete maximale Biopsietiefe (T_max) nicht übersteigt (S6).
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) eine Mitteilung an den Untersucher ausgegeben wird, wenn die tatsächliche zur Durchführung der Biopsie nötige Biopsietiefe (T) die berechnete maximale Biopsietiefe (T_max) übersteigt (S10).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einmaliges Ermitteln der Biopsieungenauigkeit mittels Testreihen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch erneutes Ermitteln der Biopsieungenauigkeit bei Veränderung der Untersuchungsbedingungen (S9).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Ermitteln der Biopsieungenauigkeit durch Ermitteln eines translatorischen Fehlers und eines Winkelfehlers bei der Biopsie, wobei der translatorische Fehler eine Abweichung des tatsächlichen Biopsiepunktes (P₁, P₂) von dem idealen Biopsiepunkt (P) und der Winkelfehler eine Abweichung (α, β) der tatsächlichen Biopsierichtung von der idealen Biopsierichtung ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) folgende Schritte umfasst: I) Berechnung einer ersten maximalen Biopsietiefe (T_1max) in Abhängigkeit einer ersten Ausdehnung (D₁) der Läsion (2) entlang einer ersten Richtung (x-Achse) parallel zur Bronchialwand (S23), II) Berechnung einer zweiten maximalen Biopsietiefe (T_2max) in Abhängigkeit einer zweiten Ausdehnung (D₂) der Läsion (2) entlang einer zweiten Richtung (y-Achse) orthogonal zur ersten Richtung (x-Achse) parallel zur Bronchialwand (S24), und III) Berechnung der gesamten maximalen Biopsietiefe (T_max) als Minimum der ersten maximalen Biopsietiefe (T_1max) und der zweiten maximalen Biopsietiefe (T_2max) .
9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Berechnung der ersten maximalen Biopsietiefe T_1max als $$T_{1\text{max}}=\frac{\frac{D_1}{2}+t_1}{\text{tan }\alpha },$$

   

   wobei D₁ die Ausdehnung der Läsion (2) in der ersten Richtung (x-Achse) ist, t₁ der Abstand des tatsächlichen vom idealen Biopsiepunkt entlang der ersten Richtung (x-Achse) und α die Abweichung der tatsächlichen von der idealen Biopsierichtung entlang der ersten Richtung (x-Achse) ist.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch Berechnung der zweiten maximalen Biopsietiefe T_2max als $$T_{\text{2max}}=\frac{\frac{D_2}{2}-t_2}{\text{tan }\beta },$$

    

    wobei D₂ die Ausdehnung der Läsion (2) in der zweiten Richtung (y-Achse) ist, t₂ der Abstand des tatsächlichen vom idealen Biopsiepunkt entlang der zweiten Richtung (y-Achse) und β die Abweichung der tatsächlichen von der idealen Biopsierichtung entlang der zweiten Richtung (y-Achse) ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das bildgebende Verfahren Computertomographie und/oder Kernspintomographie und/oder Röntgen ist.
12. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Verbessern der Genauigkeit einer Bronchialbiopsie, umfassend eine Bildgebungsvorrichtung (31) zum Erfassen der Lage und Ausdehnung (D1, D2) einer zu biopsierenden Läsion (2) mittels bildgebender Verfahren (S3), gekennzeichnet durch ein Biopsietiefenberechnungselement (36) zur Berechnung der maximalen Biopsietiefe (T_max) bei bekannter Biopsieungenauigkeit in Abhängigkeit der Ausdehnung (D1, D2) der Läsion (S4) und ein Planungselement (38) zum Erstellen eines Biopsieplanes auf Basis der berechneten maximalen Biopsietiefe (T_max) und der Lage der Läsion (S7, S10).
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Komparator (37) zum Vergleich der berechneten maximalen Biopsietiefe (T_max) mit einer tatsächlich zur Durchführung der Biopsie nötigen Biopsietiefe (T) (S5) .
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Planungselement (38) geeignet ist zum Ermitteln eines geeigneten Bronchialastes (3) zur Durchführung der Biopsie, wenn die tatsächliche zur Durchführung der Biopsie nötige Biopsietiefe (T) die berechnete maximale Biopsietiefe (T_max) nicht übersteigt (S6) .
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch eine Ausgabevorrichtung (39) zum Ausgeben einer Mitteilung an den Untersucher, wenn die tatsächliche zur Durchführung der Biopsie nötige Biopsietiefe (T) die berechnete maximale Biopsietiefe (T_max) übersteigt (S10).
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, gekennzeichnet durch eine Ermittlungsvorrichtung (41) zum einmaligen Ermitteln der Biopsieungenauigkeit mittels Testreihen.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlungsvorrichtung (41) geeignet ist zum erneuten Ermitteln der Biopsieungenauigkeit bei Veränderung der Untersuchungsbedingungen (S9).
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, gekennzeichnet durch ein erstes Berechnungselement (34) zur Berechnung einer ersten maximalen Biopsietiefe (T_1max) in Abhängigkeit einer ersten Ausdehnung (D₁) der Läsion (2) entlang einer ersten Richtung (x-Achse) parallel zur Bronchialwand (S23) und ein zweites Berechnungselement (35) zur Berechnung einer zweiten maximalen Biopsietiefe (T_2max) in Abhängigkeit einer zweiten Ausdehnung (D₂) der Läsion (2) entlang einer zweiten Richtung (y-Achse) orthogonal zur ersten Richtung (x-Achse) parallel zur Bronchialwand (S24), wobei das Berechnungselement (36) zur Berechnung der gesamten maximalen Biopsietiefe (T_max) als Minimum der ersten maximalen Biopsietiefe (T_1max) und der zweiten maximalen Biopsietiefe (T_2max) geeignet ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Berechnungselement (34) geeignet ist zur Berechnung der ersten maximalen Biopsietiefe T_1max als $$T_{1\text{max}}=\frac{\frac{D_1}{2}+t_1}{\text{tan }\alpha },$$

    

    wobei D₁ die Ausdehnung der Läsion (2) in der ersten Richtung (x-Achse) ist, t₁ der Abstand des tatsächlichen vom idealen Biopsiepunkt entlang der ersten Richtung (x-Achse) und α die Abweichung der tatsächlichen von der idealen Biopsierichtung entlang der ersten Richtung (x-Achse) ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Berechnungselement (35) geeignet ist zur Berechnung der zweiten maximalen Biopsietiefe T_2max als $$T_{\text{2max}}=\frac{\frac{D_2}{2}-t_2}{\text{tan }\beta },$$

    

    wobei D₂ die Ausdehnung der Läsion (2) in der zweiten Richtung (y-Achse) ist, t₂ der Abstand des tatsächlichen vom idealen Biopsiepunkt entlang der zweiten Richtung (y-Achse) und β die Abweichung der tatsächlichen von der idealen Biopsierichtung entlang der zweiten Richtung (y-Achse) ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildgebungsvorrichtung (31) ein Computertomograph und/oder Kernspintomograph und/oder Röntgengerät ist.

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