DE102009051897A1 - Method for intraoperative recording of two dimensional x-ray image of e.g. organ of patient during positioning of intervertebral disk prosthesis, involves moving x-ray source to calculated target position, and recording image of organ - Google Patents

Method for intraoperative recording of two dimensional x-ray image of e.g. organ of patient during positioning of intervertebral disk prosthesis, involves moving x-ray source to calculated target position, and recording image of organ Download PDF

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Abstract

The method involves determining a perspective position for recording an intraoperative two dimensional (2D) image of an organ of a patient (44), and intraoperative recording of the 2D image by an x-ray device (12). A target position of an x-ray source (36) is calculated such that the organ is illuminated from the determined perspective position by comparing the 2D image with a three dimensional (3D) image based on a geometrical ratio obtained by projecting the organ at an x-ray detector (38). The source is moved to the calculated target position, and the 2D image of the organ is recorded. An independent claim is also included for an x-ray system comprising an x-ray detector commonly movable with an x-ray source.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Röntgensystem zum intraoperativen Aufnehmen eines 2D-Röntgenbildes eines Organs aus einer gewünschten Perspektive.The invention relates to a method and an X-ray system for intraoperatively taking a 2D X-ray image of an organ from a desired perspective.

2. Beschreibung des Standes der Technik2. Description of the Related Art

Zahlreiche chirurgische Verfahren erfordern heute eine intraoperative Aufnahme von Röntgenbildern. Meist wird hierzu ein Röntgengerät mit einem sogenannten C-Bogen eingesetzt, der an einem Ende eine Röntgenquelle und an dem gegenüberliegenden Ende einen Röntgendetektor trägt. Da der C-Bogen in vielfältiger Weise verfahrbar ist, können Röntgenbilder von einem Organ eines Patienten meist aus unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen werden.Numerous surgical procedures today require an intraoperative recording of X-ray images. In most cases, an X-ray machine with a so-called C-arm is used, which carries an X-ray source at one end and an X-ray detector at the opposite end. Since the C-arm can be moved in a variety of ways, X-ray images of a patient's organ can usually be taken from different perspectives.

Häufig kommt es auf die Wahl dieser Perspektive entscheidend an. Der Grund hierfür kann z. B. darin liegen, dass überhaupt nur von einer ganz bestimmten Perspektive aus die interessierende Struktur auf einem Röntgenbild erkennbar ist. In anderen Fällen muss das Organ von einer bestimmten Perspektive aus durchleuchtet werden, damit Knochen optimal mit Hilfe von Schrauben oder anderen Hilfsmitteln zueinander ausgerichtet werden können. Auch wenn der korrekte Sitz eines Implantats, z. B. einer Bandscheibenprothese, überprüft werden soll, muss das Implantat mit den angrenzenden Knochen meist von einer bestimmten Perspektive aus durchleuchtet werden.Often the choice of this perspective is crucial. The reason for this can be z. B. lie in the fact that only from a very specific perspective of the structure of interest on an X-ray image is recognizable. In other cases, the organ needs to be transilluminated from a particular perspective so that bones can be optimally aligned by means of screws or other aids. Even if the correct fit of an implant, z. B. an intervertebral disc prosthesis, to be checked, the implant must be transilluminated with the adjacent bone usually from a particular perspective.

Bislang geht man in derartigen Fällen so vor, dass der Bediener des Röntgengeräts auf Anweisung des Chirurgen die Röntgenquelle so positioniert, dass ein erstes Röntgenbild aus einer Perspektive aufgenommen wird, von der man annimmt, dass sie der gewünschten Perspektive bereits recht nahe kommt. Durch intermittierendes oder kontinuierliches Nachjustieren und Beobachten des aufgenommenen Röntgenbildes wird dann im Wege des ”Try and Error” so lange die Position der Röntgenquelle nachjustiert, bis die gewünschte Perspektive eingestellt ist und sich die Röntgenquelle in ihrer Zielposition befindet.So far, in such cases, the operator of the X-ray machine is positioned by the surgeon's instructions to position the X-ray source so that a first X-ray image is taken from a perspective that is believed to be quite close to the desired perspective. By intermittent or continuous readjustment and observation of the recorded X-ray image, the position of the X-ray source is then readjusted by means of the "try and error" until the desired perspective is set and the X-ray source is in its target position.

Diese Art, eine gewünschte Zielposition der Röntgenquelle anzufahren, ist nicht nur zeitaufwändig, sondern führt wegen der zahlreichen Röntgenbilder, die hierzu aufgenommen werden müssen, zu einer beträchtlichen Strahlenbelastung des Patienten und auch des sich in seiner Nähe befindenden medizinischen Personals.This way of approaching a desired target position of the X-ray source is not only time-consuming but, because of the numerous X-ray images that have to be taken for this purpose, results in a considerable radiation exposure of the patient and of the medical staff in the vicinity.

Aus der DE 103 22 739 A1 ist ein Verfahren bekannt, mit dem vom Chirurgen geführte Instrumente, die intraoperativ in 2D-Röntgenbildern erfasst werden, in präoperativ erzeugte 3D-Bilder des betreffenden Organs eingespielt werden. Auf diese Weise ist es dem Chirurgen möglich, das Instruments auf dem meist mit höherer Auflösung dargestellten 3D-Bild zu verfolgen.From the DE 103 22 739 A1 A method is known in which instruments guided by the surgeon, which are recorded intraoperatively in 2D X-ray images, are recorded in preoperatively generated 3D images of the relevant organ. In this way it is possible for the surgeon to follow the instrument on the 3D image, which is usually displayed with a higher resolution.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein System zum intraoperativen Aufnehmen eines 2D-Bildes eines Organs aus einer gewünschten Perspektive so zu verbessern, dass die Zielposition der Röntgenquelle in kürzerer Zeit angefahren werden kann. Ferner soll die bislang unvermeidliche Strahlenbelastung für den Patienten und des sich in seiner Nähe befindenden medizinischen Personals beim Auffinden der Zielposition der Röntgenquelle verringert werden.The object of the present invention is to improve a method and a system for intraoperatively taking a 2D image of an organ from a desired perspective so that the target position of the X-ray source can be approached in a shorter time. Furthermore, the hitherto unavoidable radiation exposure for the patient and the medical staff in his vicinity when finding the target position of the X-ray source to be reduced.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren unter Verwendung eines Röntgengerätes, das eine Röntgenquelle und einen gemeinsam mit der Röntgenquelle verfahrbaren Röntgendetektor aufweist, gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

  • a) Präoperatives Erzeugen eines 3D-Bildes des Organs;
  • b) Festlegen einer Perspektive, von der aus ein intraoperatives 2D-Bild des Organs aufgenommen werden soll, unter Verwendung des 3D-Bildes;
  • c) Intraoperatives Aufnehmen eines vorläufigen 2D-Bildes des Organs mit Hilfe des Röntgengeräts, wobei sich die Röntgenquelle in einer Ausgangsposition befindet;
  • d) Berechnen einer vorzugsweise relativ zu der Ausgangsposition angegebenen Zielposition, welche die Röntgenquelle einnehmen muss, damit das Organ mit der in Schritt b) festgelegten Perspektive durchleuchtet werden kann, durch Abgleich des vorläufigen 2D-Bildes mit dem 3D-Bild unter Berücksichtigung der bei der Projektion des Organs auf den Röntgendetektor herrschenden geometrischen Verhältnisse;
  • e) Verfahren der Röntgenquelle an die in Schritt d) berechnete Zielposition;
  • f) Aufnehmen eines endgültigen 2D-Bildes des Organs.
According to the invention, this object is achieved by a method using an x-ray device which has an x-ray source and an x-ray detector which can be moved jointly with the x-ray source, the method comprising the following steps:
  • a) Preoperatively generating a 3D image of the organ;
  • b) determining a perspective from which to record an intraoperative 2D image of the organ using the 3D image;
  • c) intraoperatively taking a preliminary 2D image of the organ by means of the X-ray apparatus, wherein the X-ray source is in a starting position;
  • d) calculating a target position, preferably relative to the starting position, which the X-ray source must occupy, so that the organ can be transilluminated with the perspective determined in step b), by matching the preliminary 2D image with the 3D image, taking into account that in the Projection of the organ on the X-ray detector prevailing geometric relationships;
  • e) moving the X-ray source to the target position calculated in step d);
  • f) taking a final 2D image of the organ.

Der Erfinder hat erkannt, dass man die Zielposition, an der sich die Röntgenquelle befinden muss, um das Röntgenbild aus der gewünschten Perspektive aufnehmen zu können, auch rechnerisch bestimmen kann. Voraussetzung hierfür ist, dass die Form des betreffenden Organs bekannt ist. Zu diesem Zweck wird ein 3D-Bild des Organs präoperativ erzeugt, zum Beispiel unter Verwendung hochauflösender bildgebender Verfahren wie der Magnetresonanztomographie (MRT). Ferner muss ein vorläufiges 2D-Bild des Organs intraoperativ mit Hilfe des Röntgengeräts aufgenommen werden. Dieses 2D-Bild wird mit dem präoperativ aufgenommenen 3D-Bild in Beziehung gesetzt, um unter Berücksichtigung der bei der Projektion des Organs auf den Röntgendetektor herrschenden geometrischen Verhältnisse die Zielposition zu berechnen, und zwar vorzugsweise relativ zu der Ausgangsposition, von der aus das vorläufige 2D-Bild aufgenommen wurde. Die Röntgenquelle kann dann manuell oder motorisch an die berechnete Zielposition gefahren werden, um von dort das endgültige 3D-Bild des Organs aus der gewünschten Perspektive aufzunehmen.The inventor has recognized that one can also computationally determine the target position at which the X-ray source must be in order to be able to record the X-ray image from the desired perspective. The prerequisite for this is that the form of the institution concerned is known. For this purpose, a 3D image of the organ is generated preoperatively, for example using high-resolution imaging techniques such as Magnetic resonance imaging (MRI). Furthermore, a preliminary 2D image of the organ must be taken intraoperatively using the X-ray machine. This 2D image is correlated with the preoperatively acquired 3D image to calculate the target position, taking into account the geometric relationships prevailing in the projection of the organ on the X-ray detector, preferably relative to the starting position from which the preliminary 2D Picture was taken. The X-ray source can then be moved manually or by motor to the calculated target position in order to record therefrom the final 3D image of the organ from the desired perspective.

Die Aufnahme eines 2D-Bildes des Organs aus der gewünschten Perspektive erfordert somit lediglich ein einziges zusätzliches intraoperatives 2D-Röntgenbild, das hier als ”vorläufiges 2D-Bild” bezeichnet wird. Das ”Try and Error” Verfahren, das bislang zum Auffinden der Zielposition der Röntgenquelle zur Anwendung kommt, wird erfindungsgemäß ersetzt durch ein direktes Anfahren einer zuvor berechneten Zielposition.The acquisition of a 2D image of the organ from the desired perspective thus requires only a single additional intraoperative 2D X-ray image, referred to herein as a "preliminary 2D image". The "try and error" method, which has hitherto been used for finding the target position of the X-ray source, is replaced according to the invention by a direct approach of a previously calculated target position.

Damit einher geht nicht nur ein deutlicher Zeitgewinn, sondern vor allem auch eine beträchtliche Verringerung der Strahlenbelastung für den Patienten und das medizinische Personal. Wo bislang häufig 10, 20 oder gelegentlich noch mehr intraoperative Röntgenaufnahmen erforderlich waren, um die Zielposition der Röntgenquelle zu finden, von der das Organ aus der gewünschten Perspektive aufgenommen werden kann, genügen bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich zwei Röntgenaufnahmen. Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls erforderliche präoperativ erzeugte 3D-Bild wird meist ohnehin im Rahmen der Diagnose oder Vorbereitung der Operation benötigt. Deswegen erhöht dieses 3D-Bild weder wirklich den Aufwand, noch geht damit regelmäßig eine zusätzliche Strahlenbelastung einher, wenn man die Diagnose und Vorbereitung der Operation mitberücksichtigt.This not only saves a considerable amount of time but, above all, a considerable reduction in radiation exposure for the patient and the medical staff. Where hitherto often 10, 20 or occasionally more intraoperative radiographs were required to find the target position of the X-ray source from which the organ can be picked from the desired perspective, only two X-ray images are sufficient when using the method according to the invention. The preoperatively generated 3D image which is likewise required in the method according to the invention is usually required in any case within the scope of the diagnosis or preparation of the operation. Therefore, this 3D image does not really increase the effort, nor is it regularly associated with additional radiation exposure, taking into account the diagnosis and preparation of the operation.

Hinzu kommt ferner, dass das Anfahren der gewünschten Zielposition nicht mehr wie im Stand der Technik die Mitwirkung des Chirurgen erfordert. Denn bislang musste dieser unter Zuhilfenahme seiner anatomischen Kenntnisse feststellen, wie die Röntgenquelle verfahren werden muss, damit man eine Aufnahme aus der gewünschten Perspektive machen kann. Bei der Vielzahl der möglichen Bewegungsachsen eines modernen Röntgengeräts erfordern diese Feststellungen, die im Verlaufe einer Operation meist in großer Zahl getroffen werden mussten, vom Chirurgen viel Erfahrung und höchste Konzentration. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hingegen kann der Chirurg oder ein Mitglied des nichtärztlichen Personals in Ruhe vor oder während der Operation auf der Grundlage des präoperativ aufgenommenen 3D-Bildes die gewünschte Perspektive festlegen und dem nichtärztlichen Personal die weiteren Schritte überlassen.An additional factor is that starting up the desired target position no longer requires the involvement of the surgeon as in the prior art. So far, he had to determine with the help of his anatomical knowledge, how the X-ray source must be moved so that you can take a picture from the desired perspective. Given the multitude of possible movement axes of a modern X-ray machine, these findings, which usually had to be made in large numbers in the course of an operation, require a lot of experience and maximum concentration from the surgeon. When using the method according to the invention, however, the surgeon or a member of the non-medical personnel at rest before or during surgery on the basis of preoperatively recorded 3D image set the desired perspective and leave the non-medical personnel the next steps.

Ein für die Durchführung des Verfahrens geeignetes Röntgengerät weist typischerweise einen C-Bogen auf, der es ermöglicht, die Röntgenquelle gemeinsam mit dem Röntgendetektor, der am gegenüberliegenden Ende des C-Bogens angeordnet ist, in vielfältiger Weise zu verfahren. Dadurch ist es möglich, die Organe des Patienten aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Perspektiven zu durchleuchten. Als Organe werden in diesem Zusammenhang sämtliche Funktionseinheiten des Organismus bezeichnet, zum Beispiel Knochen, Gefäße, Haut oder Organe im engeren Sinne wie Magen oder Niere.An X-ray machine suitable for carrying out the method typically has a C-arm, which makes it possible to move the X-ray source in a variety of ways together with the X-ray detector which is arranged at the opposite end of the C-arm. This makes it possible to illuminate the patient's organs from a variety of different perspectives. As organs in this context, all functional units of the organism are referred to, for example, bones, vessels, skin or organs in the strict sense, such as stomach or kidney.

Der Begriff der ”Perspektive” beschreibt im vorliegenden Zusammenhang ganz allgemein, wie ein dreidimensionales Organ auf eine zweidimensionale Fläche abgebildet wird. Da die Lage des Röntgendetektors relativ zur Röntgenquelle unveränderbar ist, wird die Perspektive allein durch den Ort der Röntgenquelle relativ zum Organ und den Richtungen festgelegt, unter denen die Röntgenquelle Röntgenstrahlen emittiert. Bei vielen Röntgenquellen ist das Winkelspektrum der Röntgenstrahlung fest vorgegeben oder allenfalls an seinen Rändern abblendbar, so dass die Zielposition lediglich den Ort der Röntgenquelle und deren dreidimensionale Ausrichtung im Raum beschreibt. Falls das Röntgengerät nicht nur ein Verändern der Lage und Ausrichtung der Röntgenquelle ermöglicht, sondern auch ein Verändern des Winkelspektrums, so kann das erfindungsgemäße Verfahren auch dahingehend erweitert werden, dass im Schritt d) ein Winkelspektrum berechnet wird, bei dessen Einstellung das später aufgenommene 2D-Bild in der gewünschten Perspektive erscheint. Ein einstellbares Winkelspektrum der Röntgenquelle ermöglicht es dabei, die Zahl der Perspektiven, aus denen von dem betreffenden Organ ein 2D-Bild aufgenommen werden kann, zu vergrößern.In the present context, the term "perspective" generally describes how a three-dimensional organ is imaged onto a two-dimensional surface. Since the position of the X-ray detector relative to the X-ray source is immutable, the perspective is determined solely by the location of the X-ray source relative to the organ and the directions at which the X-ray source emits X-rays. In many X-ray sources, the angle spectrum of the X-radiation is fixed or at best dimmable at its edges, so that the target position describes only the location of the X-ray source and its three-dimensional orientation in space. If the x-ray device not only allows the position and orientation of the x-ray source to be changed, but also changes the angular spectrum, then the method according to the invention can also be extended such that an angle spectrum is calculated in step d), in the course of which the 2D image taken later is calculated. Picture appears in the desired perspective. An adjustable angle spectrum of the X-ray source makes it possible to increase the number of perspectives from which a 2D image can be taken by the organ in question.

Das Verfahren der Röntgenquelle an die in Schritt d) berechnete Zielposition kann manuell erfolgen. Eine Anzeigeeinrichtung des Röntgengeräts zeigt einer Bedienperson in diesem Falle an, wie die Röntgenquelle verstellt werden muss, um in diese in die Zielposition zu überführen. Bei vielen Röntgengeräten sind den einzelnen Bewegungsachsen Skalen mit Maßeinheiten zugeordnet. Die Anzeige könnte dann z. B. nur die relativen Änderungen angeben, z. B. ”–2° Orbitalbewegung; +2 Einheiten Horizonalbewegung”. Selbstverständlich können aber auch Absolutwerte angegeben werden, z. B. ”44° Orbitalwinkel, 13 cm Horizontalabstand”.The method of the X-ray source to the target position calculated in step d) can be done manually. A display device of the X-ray device indicates to an operator in this case how the X-ray source has to be adjusted in order to transfer it to the target position. In many X-ray machines, scales with units of measure are assigned to the individual movement axes. The ad could then z. For example, only specify the relative changes, e.g. B. "-2 ° orbital motion; +2 units of horizontal movement ". Of course, however, absolute values can also be specified, for. B. "44 ° orbital angle, 13 cm horizontal distance".

Besonders schnell kann die Zielposition angefahren werden, wenn die Röntgenquelle motorisch verfahrbar ist. In diesem Fall weist das Röntgengerät Antriebe zum gemeinsamen Verfahren der Röntgenquelle und des Röntgendetektors und eine Steuereinheit auf, durch welche die Antriebe derart ansteuerbar sind, dass sie die Röntgenquelle von der Ausgangsposition zur Zielposition verfahren.The target position can be approached particularly quickly if the X-ray source can be moved by a motor. In this case, the X-ray machine points Actuators for the common method of the X-ray source and the X-ray detector and a control unit, by which the drives are controllable such that they move the X-ray source from the starting position to the target position.

Um im Schritt d) die Zielposition relativ zu der Ausgangsposition angegeben zu können, werden bei einer Ausgestaltung der Erfindung sowohl die Ausgangsposition als auch die Zielposition relativ zu dem Organ angegeben. Im Einzelnen wird dann in einem Schritt d1) die Ausgangsposition der Röntgenquelle, bei der das vorläufige 2D-Bild im Schritt c) aufgenommen wird, relativ zu dem Organ angegeben, wobei das vorläufige 2D-Bild mit dem 3D-Bild unter Berücksichtigung der bei der Projektion des Organs auf den Röntgendetektor herrschenden geometrische Verhältnisse abgeglichen wird. Ferner wird in einem Schritt d2) die Zielposition, welche die Röntgenquelle einnehmen muss, damit das Organ mit der in Schritt b) festgelegten Perspektive durchleuchtet werden kann, ebenfalls relativ zu dem Organ angegeben. Da das Organ dann einen gemeinsamen Bezug für die Ausgangs- und Zielposition darstellt, lässt sich die Zielposition anschließend leicht relativ zu der Ausgangsposition berechnen. Das vorläufige intraoperativ aufgenommene 2D-Bild des Organs dient somit lediglich dazu, den Ort der Röntgenquelle relativ zu dem Organ zu bestimmen. Da sich der Zielort der Röntgenquelle relativ zu dem Organ unmittelbar aus der gewünschten Perspektive ergibt, lässt sich dann leicht ableiten, welchen Weg die Röntgenquelle von der Ausgangsposition zur Zielposition zurücklegen muss.In order to be able to specify the target position relative to the starting position in step d), in one embodiment of the invention both the starting position and the target position relative to the organ are indicated. Specifically, then, in a step d1), the home position of the X-ray source in which the preliminary 2D image is captured in step c) is given relative to the organ, the preliminary 2D image having the 3D image taking into account that in the Projection of the organ is matched to the X-ray detector prevailing geometrical relationships. Further, in a step d2), the target position which the x-ray source must occupy so that the organ can be transilluminated with the perspective determined in step b) is also indicated relative to the organ. Since the organ then represents a common reference for the initial and target positions, the target position can then be easily calculated relative to the starting position. The preliminary intraoperatively taken 2D image of the organ thus serves only to determine the location of the X-ray source relative to the organ. Since the target location of the x-ray source relative to the organ results directly from the desired perspective, it is then easy to deduce which path the x-ray source has to travel from the starting position to the target position.

In vielen Fällen wird die Ausgangsposition lediglich geringfügig korrigiert werden müssen, um zu der Zielposition zu gelangen. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass die Röntgenquelle um einige wenige Grade verschwenkt oder einige wenige Zentimeter translatorisch verfahren wird.In many cases, the starting position will only need to be slightly corrected to get to the target position. This may mean, for example, that the X-ray source is pivoted by a few degrees or translationally moved a few centimeters.

Um den Abgleich des vorläufigen 2D-Bildes mit dem 3D-Bild zu vereinfachen, können aus diesen Bildern Kantenbilder abgeleitet werden. Die hierzu erforderlichen Algorithmen sind im Stand der Technik zu den bildgebenden Verfahren bekannt.To simplify the comparison of the preliminary 2D image with the 3D image, edge images can be derived from these images. The algorithms required for this purpose are known in the prior art for the imaging methods.

Hinsichtlich des Röntgensystems wird die eingangs genannte Aufgabe durch ein Röntgensystem gelöst mit:

  • a) einer Röntgenquelle und einem gemeinsam mit der Röntgenquelle verfahrbaren Röntgendetektor,
  • b) eine Anzeigeeinrichtung, auf der ein präoperativ erzeugtes 3D-Bild des Organs angezeigt werden kann,
  • c) eine Eingabeeinrichtung, mit der ein Benutzer unter Verwendung des auf der Anzeigeeinrichtung angezeigten 3D-Bildes eine Perspektive festlegen kann, von der das 2D-Bild des Organs aufgenommen werden soll,
  • d) eine Recheneinheit, die derart programmiert ist, dass sie eine vorzugsweise relativ zu der Ausgangsposition angegebene Zielposition berechnet, welche die Röntgenquelle einnehmen muss, damit das Organ mit der in Schritt b) festgelegten Perspektive durchleuchtet werden kann, wobei das vorläufige 2D-Bild mit dem 3D-Bild unter Berücksichtigung der bei der Projektion des Organs auf den Röntgendetektor herrschenden geometrischen Verhältnisse abgeglichen wird.
With regard to the X-ray system, the object mentioned at the beginning is solved by an X-ray system with:
  • a) an X-ray source and an X-ray detector movable together with the X-ray source,
  • b) a display device on which a preoperatively generated 3D image of the organ can be displayed,
  • c) an input device with which a user can specify a perspective from which the 2D image of the organ is to be recorded, using the 3D image displayed on the display device,
  • d) an arithmetic unit programmed to calculate a target position, preferably relative to the home position, which the X-ray source must occupy so that the organ can be transilluminated with the perspective determined in step b), the preliminary 2D image having the 3D image is adjusted taking into account the prevailing in the projection of the organ on the X-ray detector geometric relationships.

Die vorstehend zum erfindungsgemäßen Verfahren genannten Vorteile und vorteilhaften Weiterbildungen gelten entsprechend für das Röntgensystem.The advantages and advantageous developments mentioned above for the method according to the invention apply correspondingly to the X-ray system.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of an embodiment with reference to the drawings. Show:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems; 1 a schematic representation of a system according to the invention;

2a bis 2c einen Würfel aus unterschiedlichen Perspektiven; 2a to 2c a cube from different perspectives;

3 die Projektion des in den 2a bis 2c gezeigten Würfels auf eine ebene Fläche von einer Ausgangsposition aus; 3 the projection of the into the 2a to 2c shown cube on a flat surface from a starting position;

4 die Projektion des Würfels auf die ebene Fläche von der Zielposition aus; 4 the projection of the cube on the flat surface from the target position;

5 ein Flussdiagramm zur Erläuterung wesentlicher Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens. 5 a flowchart for explaining essential steps of the method according to the invention.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS

1. Röntgensystem1. X-ray system

In der 1 ist ein erfindungsgemäßes Röntgensystem schematisch dargestellt und insgesamt mit 10 bezeichnet. Das Röntgensystem 10 umfasst ein Röntgengerät 12 mit einem mehrfach verstellbaren C-Bogen 14 und einem Gerätewagen 16, der mittels Rollen 18, 20 auf dem Fußboden verfahrbar ist. Der Gerätewagen 16 nimmt eine Säule 22 auf, die senkrecht zum Fußboden angeordnet und in nicht näher dargestellter Weise höhenverstellbar ist, was in der 1 durch einen Doppelpfeil 24 angedeutet ist. Eine Horizontalführung 26 ist über ein Pendellager 28 mit dem oberen Ende der Säule 22 verbunden. Das Pendellager 28 ermöglicht eine Drehung der Horizontalführung um eine Pendelachse 30. Eine Stirnseite der Horizontalführung 26 ist über ein Kipplager 32 mit einer Halterung 34 verbunden, die den C-Bogen 14 hält. An einem Ende des C-Bogens 14 ist eine Röntgenquelle 36 und an dem anderen Ende ein Röntgendetektor 38 befestigt. Die Lage der Röntgenquelle 36 relativ zu dem Röntgendetektor 38 ist dabei nicht veränderbar, sondern fest durch die Geometrie des C-Bogens 14 vorgegeben.In the 1 an inventive X-ray system is shown schematically and in total with 10 designated. The X-ray system 10 includes an X-ray machine 12 with a multi-adjustable C-arm 14 and a trolley 16 that by means of rollers 18 . 20 is movable on the floor. The equipment cart 16 takes a pillar 22 on, which is arranged perpendicular to the floor and adjustable in height in a manner not shown, which in the 1 by a double arrow 24 is indicated. A horizontal guide 26 is about a pendulum bearing 28 with the upper end of the column 22 connected. The pendulum bearing 28 allows a rotation of the Horizontal guide around a pendulum axle 30 , One end of the horizontal guide 26 is about a dump camp 32 with a holder 34 connected to the C-arm 14 holds. At one end of the C-arm 14 is an x-ray source 36 and at the other end, an X-ray detector 38 attached. The location of the x-ray source 36 relative to the x-ray detector 38 is not changeable, but fixed by the geometry of the C-arm 14 specified.

Der C-Bogen 14 ist längs seines Umfangs beweglich an der Halterung 34 gelagert, was in der 1 durch einen Doppelpfeil 40 angedeutet ist. Ferner kann der C-Bogen 14 mit Hilfe des Kipplagers 32 um eine Kippachse 42 gekippt werden, die senkrecht zur Pendelachse 30 verläuft. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Pendelachse senkrecht zum Fußboden angeordnet, so dass die Kippachse 42 stets in einer Horizontalen liegt.The C-arm 14 is movable along the circumference of the bracket 34 stored what is in the 1 by a double arrow 40 is indicated. Furthermore, the C-arm 14 with the help of the dump camp 32 around a tilt axis 42 be tilted, which is perpendicular to the pendulum axis 30 runs. In the illustrated embodiment, the pendulum axis is arranged perpendicular to the floor, so that the tilting axis 42 always in a horizontal plane.

Mit dem C-Bogen 14 ist es möglich, einen Patienten 44 auch während einer Operation zu durchleuchten und auf diese Weise ein intraoperatives Röntgenbild eines Organs des Patienten 44 zu gewinnen. Der C-Bogen 14 umgreift dabei einen Operationstisch 46, auf dem der Patient 44 gelagert ist. Infolge der mehrfachen Verlagerbarkeit des C-Bogens 14 ist es möglich, von den meisten Organen des Patienten 2D-Röntgenbilder aus unterschiedlichen Perspektiven aufzunehmen.With the C-arm 14 is it possible for a patient 44 also during an operation to illuminate and in this way an intraoperative radiograph of an organ of the patient 44 to win. The C-arm 14 encompasses an operating table 46 on which the patient 44 is stored. Due to the multiple displaceability of the C-arm 14 It is possible to record 2D X-ray images from different perspectives on most of the patient's organs.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann der C-Bogen 14 motorisch verstellt werden. Zu diesem Zweck weist das Röntgengerät eine Vielzahl von Antrieben auf, die den unterschiedlichen Bewegungsachsen zugeordnet und in der 1 durch gestrichelte Rechtecke angedeutet sind. Im Einzelnen handelt es sich dabei um einen Antrieb 48a für die Rollen 18, 20, einen Antrieb 48b für eine Lenkbewegung der Rollen 18, 20, einen Antrieb 48c für eine Vertikalverstellung der Säule 22 entlang der Pendelachse 30, einen Antrieb 48d für eine Pendelbewegung der Horizontalführung 26 um die Pendelachse 30, einen Antrieb 48e für eine Horizontalbewegung der Halterung 34 entlang der Kippachse 42, einen Antrieb 48f für eine Kippbewegung des C-Bogens 14 um die Kippachse 42 und um einen Antrieb 48g für eine Orbitalbewegung des C-Bogens 14 längs seines Umfanges in der Halterung 34.In the illustrated embodiment, the C-arm 14 be adjusted by motor. For this purpose, the x-ray device has a plurality of drives, which are assigned to the different axes of motion and in the 1 are indicated by dashed rectangles. In detail, this is a drive 48a for the roles 18 . 20 , a drive 48b for a steering movement of the rollers 18 . 20 , a drive 48c for a vertical adjustment of the column 22 along the pendulum axis 30 , a drive 48d for a pendulum movement of the horizontal guide 26 around the pendulum axis 30 , a drive 48e for a horizontal movement of the holder 34 along the tilt axis 42 , a drive 48f for a tilting movement of the C-arm 14 around the tilt axis 42 and a drive 48g for an orbital movement of the C-arm 14 along its circumference in the holder 34 ,

Eine Steuereinheit 47 des Röntgengeräts 12, welche die Antriebe 48 steuert, ist mit einer Recheneinheit 50 über eine drahtgebundene oder drahtlose Datenverbindung 52 verbunden. Ferner weist das Röntgensystem 10 eine Anzeigeeinrichtung 54 und eine Eingabeeinrichtung 56 auf, die beide mit der Recheneinheit 50 über Datenverbindungen kommunizieren können. Bei der Anzeigeeinrichtung 54 handelt es sich im einfachsten Falle um einen Bildschirm, in Betracht kommen jedoch beispielsweise auch Projektionsgeräte (Beamer) oder Head-up-Displays. Die Eingabeeinrichtung 56 weist bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Computermaus 58 und eine Tastatur 60 auf, jedoch kommen auch andere Eingabeeinrichtungen wie Mousepads, berührungsempfindliche Bildschirme oder sprachgesteuerte Eingabeeinrichtungen in Betracht.A control unit 47 of the X-ray machine 12 which the drives 48 controls is with a computing unit 50 via a wired or wireless data connection 52 connected. Furthermore, the X-ray system has 10 a display device 54 and an input device 56 on, both with the arithmetic unit 50 can communicate via data connections. In the display device 54 In the simplest case, this is a screen, but projection devices (beamer) or head-up displays, for example, are also suitable. The input device 56 points in the in the 1 illustrated embodiment, a computer mouse 58 and a keyboard 60 However, other input devices such as mouse pads, touch-sensitive screens or voice-controlled input devices may also be considered.

Die Recheneinheit 50, die Anzeigeeinrichtung 54 und die Eingabeeinrichtung 56 können Bestandteil eines an sich herkömmlichen Personalcomputers sein, wie dies in der 1 dargestellt ist. In diesem Falle ist lediglich eine erfindungsgemäße Software auf dem Personalcomputer zu installieren. In vielen Fällen wird es jedoch notwendig sein, auf speziellere Hardware zurückzugreifen, die zum einen für einen Einsatz in Operationssälen optimiert ist und es zum anderen dem Chirurgen gestattet, von seinem Platz am Operationstisch 46 aus bequem die von der Anzeigeeinrichtung 54 dargestellten Inhalte zu erfassen und Eingaben über die Eingabeeinrichtung 56 tätigen zu können.The arithmetic unit 50 , the display device 54 and the input device 56 can be part of a per se conventional personal computer, as in the 1 is shown. In this case, only a software according to the invention is to be installed on the personal computer. In many cases, however, it will be necessary to resort to more specialized hardware, firstly optimized for use in operating theaters and secondly, allowing the surgeon to sit down at the operating table 46 from the comfortable of the display device 54 to capture displayed content and inputs via the input device 56 to be able to do.

2. Funktion2nd function

Die Funktion des Röntgensystems 10 wird im Folgenden mit Bezug auf die übrigen Figuren näher erläutert:
Zunächst legt der Chirurg fest, von welchen Organen des Patienten 44 er während einer später durchzuführenden Operation mit dem Röntgengerät 12 Röntgenbilder aufnehmen möchte. Der Einfachheit halber wird angenommen, dass es sich dabei lediglich um ein einziges Organ, zum Beispiel einen Wirbel, handelt. Sollen Röntgenbilder von mehreren Organen intraoperativ aufgenommen werden, so sind die nachfolgend aufgeführten Schritte für die anderen Organe entsprechend durchzuführen.
The function of the X-ray system 10 is explained in more detail below with reference to the remaining figures:
First, the surgeon determines from which organs of the patient 44 he during an operation to be performed later with the X-ray machine 12 Would like to record x-rays. For the sake of simplicity, it is assumed that this is only a single organ, for example a vortex. If x-ray images of several organs are to be taken intraoperatively, the following steps should be carried out accordingly for the other organs.

Von dem vom Chirurgen bestimmten Organ wird in einem ersten Schritt präoperativ ein 3D-Bild aufgenommen. Hierzu kann beispielsweise ein Computertomograph (CT), ein Magnetresonanztomograph (MRT), ein Ultraschallgerät oder ein Positron-Emissions-Tomograph (PET) verwendet werden. Das dabei verwendete bildgebende Verfahren sollte es ermöglichen, das 3D-Bild des Organs mit möglichst hoher Auflösung zu erhalten. Ein 3D-Bild eines Organs zeichnet sich dadurch aus, dass es Daten enthält, welche die dreidimensionale Form des betreffenden Organs beschreiben. Wird ein solches 3D-Bild zweidimensional auf einem Bildschirm oder einer ähnlichen Anzeigeeinrichtung dargestellt, so kann z. B. die Richtung, von der aus das Organ betrachtet wird, verändert werden (oder, umgekehrt ausgedrückt, das Organ gedreht werden). Das präoperativ aufgenommene 3D-Bild wird in der Recheneinheit 50 gespeichert; der präoperative Teil des Verfahrens ist damit abgeschlossen.In a first step, a 3D image is taken preoperatively by the organ determined by the surgeon. A computer tomograph (CT), a magnetic resonance tomograph (MRT), an ultrasound machine or a positron emission tomograph (PET), for example, can be used for this purpose. The imaging method used should make it possible to obtain the 3D image of the organ with the highest possible resolution. A 3D image of an organ is characterized by containing data describing the three-dimensional shape of the organ in question. If such a 3D image is displayed two-dimensionally on a screen or a similar display device, then z. For example, the direction from which the organ is viewed may be changed (or, conversely, the organ rotated). The preoperatively recorded 3D image is in the arithmetic unit 50 saved; the preoperative part of the procedure is now complete.

Während der Operation an dem Organ legt der Chirurg fest, aus welcher Perspektive mit Hilfe des Röntgengeräts 12 ein intraoperatives 2D-Bild des Organs aufgenommen werden soll. Hierzu verwendet der Chirurg die Anzeigeeinrichtung 54 und die Eingabeeinrichtung 56. Das Vorgehen bei dieser Festlegung ist in den 2a bis 2c schematisch dargestellt:
Der Einfachheit halber ist hier angenommen, dass das zu durchleuchtende Organ ein Würfel 62 ist. Da in der Recheneinheit 50 das präoperativ augenommene 3D-Bild und damit die vollständige dreidimensionale Form des Würfels 62 gespeichert ist, kann der Würfel 62 auf der Anzeigeeinrichtung 54 aus jeder beliebigen Perspektive dargestellt werden.
During surgery on the organ, the surgeon determines from which perspective using the X-ray machine 12 an intraoperative 2D image of the organ is to be recorded. For this purpose, the surgeon uses the display device 54 and the input device 56 , The procedure for this determination is in the 2a to 2c shown schematically:
For the sake of simplicity, it is assumed here that the organ to be transilluminated is a cube 62 is. Because in the arithmetic unit 50 the preoperatively taken 3D image and thus the complete three-dimensional shape of the cube 62 saved, the cube can 62 on the display device 54 be presented from any perspective.

Die Anzeigeinrichtung 54 zeigt den Würfel 62 zunächst in einer bestimmten voreingestellten Ausgangsperspektive, in welcher der Würfel möglichst unverzerrt erscheint. Hier sei angenommen, dass es sich dabei um eine Parallelprojektion von schräg oben handelt. Diese Ausgangsposition kann der Chirurg nun abwandeln. Da die Röntgenstrahlen die Röntgenquelle 36 divergierend verlassen, wird das Organ (Würfel 62) in der Art einer Zentralprojektion auf den Röntgendetektor 38 projiziert. Da die Art der Projektion somit durch das Röntgensystem 12 fest vorgegeben ist, schaltet die Anzeigeeinrichtung 54 direkt auf eine Darstellung in Zentralprojektion um, wie in der 2b erkennbar ist. Der Chirurg kann nun jedoch die Projektionsrichtung verändern, d. h. festlegen, von welcher Seite aus der Würfel 62 darstellt werden soll. Hierzu kann der Chirurg z. B. einen Bildschirmzeiger 64 verwenden, mit dem er den Würfel 62 so lange dreht, bis er aus. einer gewünschten Richtung projiziert erscheint. Aus dieser Richtung muss später das intraoperativ aufgenommene 2D-Röntgenbildes aufgenommen werden.The display device 54 shows the cube 62 first in a certain preset starting perspective, in which the cube appears as undistorted as possible. Here it is assumed that this is a parallel projection from diagonally above. This starting position can now be modified by the surgeon. Because the x-rays are the x-ray source 36 leave divergently, the organ (cube 62 ) in the manner of a central projection on the X-ray detector 38 projected. Because the type of projection thus by the X-ray system 12 is fixed, the display switches 54 directly to a representation in central projection around, as in the 2 B is recognizable. However, the surgeon can now change the direction of projection, ie determine from which side of the cube 62 should be represented. For this purpose, the surgeon z. B. a screen pointer 64 use it with the dice 62 until he turns off. a desired direction appears projected. From this direction, the intraoperatively recorded 2D X-ray image must be taken later.

Hier sei der Einfachheit halber angenommen, dass der Chirurg ein 2D-Röntgenbild intraoperativ aufnehmen möchte, bei dem der Würfel 62 aus einer Zentralperspektive aufgenommen erscheint, bei welcher der Fluchtpunkt an einem bestimmten Punkt auf einer Mittelsenkrechten einer bestimmten Würfelfläche zu liegen kommt. Ausgehend von dem in der 2b gezeigten Zwischenschritt kann der Chirurg den Würfel 62 so lange mit Hilfe des Bildschirmzeigers 64 drehen, bis diese von ihm gewünschte Perspektive erreicht ist (2c). Diese gewünschte Sollperspektive bestätigt der Chirurg mit Hilfe der Eingabeeinrichtung 56, wodurch ein entsprechender Datensatz in der Recheneinheit 50 gespeichert wird.Here, for the sake of simplicity, it is assumed that the surgeon wants to take a 2D X-ray image intraoperatively, in which the cube 62 appears from a central perspective, in which the vanishing point comes to lie at a certain point on a mid-perpendicular of a particular cube surface. Starting from the in the 2 B The surgeon can see the cube 62 so long with the help of the screen pointer 64 turn until this desired perspective is reached ( 2c ). This desired target perspective is confirmed by the surgeon with the aid of the input device 56 , whereby a corresponding record in the arithmetic unit 50 is stored.

Die in der Recheneinheit 50 zu diesem Zweck verwendete Software kann die Darstellung des Würfels 62 so steuern, dass nur solche Perspektiven von der Anzeigeeinrichtung 54 angezeigt werden können, die sich mit dem Röntgengerät 12 realisieren lassen. Dabei können insbesondere die bei der Projektion des Würfels 62 auf den Röntgendetektor 38 herrschenden geometrischen Verhältnisse berücksichtigt werden. Hierzu zählen u. a. das in der 1 bei 66 angedeutete Winkelspektrum, mit dem die Röntgenquelle 36 die Röntgenstrahlen emittiert, und der Abstand zwischen der Röntgenquelle 36 und dem Röntgendetektor 38. Wenn der Chirurg beispielsweise gerne eine Perspektive auswählen möchte, bei welcher der Betrachter noch näher am Würfel 62 zu sein scheint, als dies in der 2c gezeigt ist, so kann eine solche Darstellung unterbunden sein, weil ja auch die Röntgenquelle 36 nicht beliebig nahe an das Organ herangeführt werden kann.The in the arithmetic unit 50 Software used for this purpose may be the representation of the cube 62 so control that only such perspectives from the display device 54 can be displayed, dealing with the X-ray machine 12 let realize. In particular, in the projection of the cube 62 on the x-ray detector 38 prevailing geometrical conditions are taken into account. These include, inter alia, in the 1 at 66 indicated angle spectrum with which the X-ray source 36 the X-rays emitted, and the distance between the X-ray source 36 and the X-ray detector 38 , For example, if the surgeon wants to pick a perspective that would bring the viewer closer to the cube 62 seems to be, than this in the 2c is shown, such a representation can be prevented, because yes, the X-ray source 36 can not be brought arbitrarily close to the organ.

In einem nächsten Schritt wird von dem Röntgengerät 12 ein vorläufiges 2D-Bild des Organs intraoperativ aufgenommen. Zu diesem Zweck wird der C-Bogen 14 mit Hilfe der Antriebe 48 in eine Ausgangsposition verfahren, von der angenommen wird, dass ein von dort aufgenommenes Röntgenbild der Perspektive relativ nahe kommt, die der Chirurg zuvor unter Verwendung des präoperativ aufgenommenen 3D-Bildes festgelegt hat. Das von dieser Ausgangsposition aufgenommene 2D-Röntgenbild wird nun von der Recheneinheit 50 dazu verwendet, eine relativ zu der Ausgangsposition angegebene Zielposition der Röntgenquelle 36 zu berechnen, von der aus das Organ genau unter der zuvor vom Chirurgen festgelegten Perspektive durchleuchtet werden kann. Die dabei durchzuführenden Schritte werden nun mit Bezug auf die 3 und 4 erläutert:
Die 3 zeigt die geometrischen Verhältnisse, die während der Durchleuchtung des Würfels 62 im Zusammenhang mit der Aufnahme des vorläufigen 2D-Bildes geherrscht haben. Wie man in der 3 erkennen kann, ist bei dem vorläufigen 2D-Bild 68, das von der nur durch Erfahrung festgelegten Ausgangsposition der Röntgenquelle 36 aus aufgenommen wurde, das Bild 70 des Würfels 62 nicht mit der in der 2c gezeigten Perspektive dargestellt, die vom Chirurgen gewünscht wird. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Position der Röntgenquelle 36 nicht exakt auf der Mittelsenkrechten der gewünschten Würfelfläche 72 angeordnet, sondern leicht hierzu versetzt ist. In der kleinen Vorderansicht des Würfels 62 rechts in der 2 ist dies gut erkennbar. Dadurch entsteht ein verzerrtes Bild 70 des Würfels 62.
In a next step is from the X-ray machine 12 a preliminary 2D image of the organ taken intraoperatively. For this purpose, the C-arm 14 with the help of the drives 48 to a home position, from which it is assumed that an X-ray image taken from there comes relatively close to the perspective that the surgeon previously determined using the preoperatively acquired 3D image. The 2D x-ray image taken from this starting position is now read by the arithmetic unit 50 used for this, a target position of the X-ray source indicated relative to the starting position 36 from which the organ can be screened just under the perspective previously determined by the surgeon. The steps to be performed will now be described with reference to FIGS 3 and 4 explains:
The 3 shows the geometric relationships that occur during fluoroscopy of the cube 62 in connection with the taking of the preliminary 2D image. How to get in the 3 can recognize is in the preliminary 2D image 68 , that of the starting position of the X-ray source determined only by experience 36 was taken out of the picture 70 of the cube 62 not with in the 2c shown perspective desired by the surgeon. The reason for this is that the position of the X-ray source 36 not exactly on the mid-perpendicular of the desired cube area 72 arranged, but is slightly offset to this. In the small front view of the cube 62 right in the 2 This is easily recognizable. This creates a distorted picture 70 of the cube 62 ,

Aufgabe der Recheneinheit 50 ist es nun, ausgehend von der Ausgangsposition der Röntgenquelle 36 eine Zielposition anzugeben, von der aus das intraoperativ aufgenommene endgültige 2D-Röntgenbild genau aus der Perspektive aufgenommen erscheint, die der Chirurg zuvor festgelegt hat. Für die Darstellung rechts in der 2 bedeutet dies, dass die Lage der Röntgenquelle 36 so verändert werden muss, dass sie auf der Mittelsenkrechten der Würfelfläche 72 zu liegen kommt, wie dies rechts in der 4 gezeigt ist.Task of the arithmetic unit 50 it is now, starting from the starting position of the X-ray source 36 indicate a target position from which the intraoperatively acquired final 2D X-ray image appears to be taken exactly from the perspective previously set by the surgeon. For the representation right in the 2 This means that the location of the X-ray source 36 must be changed so that they are on the mid-perpendicular of the cube face 72 to come to rest, as is right in the 4 is shown.

Falls der Würfel 62 mit einer Markierung versehen ist, deren Lage und Ausrichtung relativ zu einem festen Bezugssystem mit Hilfe eines Ortungssystems bestimmt werden können, und falls auch die Lage und die Ausrichtung der Röntgenquelle 36 mit Hilfe eines Ortungssystems ermittelt werden können, so lässt sich leicht eine relativ zu dem Bezugssystem angegebene Zielposition für die Röntgenquelle 36 ableiten. In den meisten Fällen sind diese Voraussetzungen jedoch nicht gegeben. Aus der räumlichen Anordnung des C-Bogens 14 zum Patienten 44 lässt sich dann die Lage und Ausrichtung der Röntgenquelle 36 relativ zu den einzelnen Organen des Patienten 44 nicht bestimmen, da die Lage des Patienten 44 auf dem Operationstisch 46 nicht genau bekannt ist. Es ist auch nicht ohne weiteres ermittelbar, wo sich das zu durchleuchtende Organ relativ zu einem bestimmten Bezugspunkt des Patienten befindet. If the cube 62 is provided with a marking whose position and orientation can be determined relative to a fixed reference frame by means of a locating system, and if so, the position and orientation of the X-ray source 36 can be determined with the aid of a locating system, it is easy to determine a target position for the X-ray source relative to the reference system 36 derived. In most cases, these conditions are not met. From the spatial arrangement of the C-arm 14 to the patient 44 can then be the location and orientation of the X-ray source 36 relative to the individual organs of the patient 44 do not determine the location of the patient 44 on the operating table 46 not exactly known. It is also not readily determinable where the organ to be screened is relative to a particular reference point of the patient.

Da jedoch die genaue Form des Organs aus dem präoperativ erzeugten 3D-Bild ebenso bekannt ist wie die bei der Projektion des Organs auf den Röntgendetektor 38 herrschenden geometrischen Verhältnisse, lässt sich die Lage der Röntgenquelle 36 relativ zu dem Organ rechnerisch aus diesen Daten ableiten.However, since the exact shape of the organ from the preoperatively generated 3D image is as well known as that in the projection of the organ on the X-ray detector 38 prevailing geometrical conditions, the location of the X-ray source can be 36 derive mathematically from these data relative to the organ.

Am Beispiel des in der 3 dargestellten Würfels kann dies in der Weise erfolgen, dass man zunächst rechnerisch von einem mit der Röntgenquelle 36 zusammenfallenden Fluchtpunkt Strahlen ausgehen lässt, die an den Strukturen des verzerrten Bildes 70 des Würfels 62 enden. Da die Lage der Röntgenquelle 36 relativ zum Röntgendetektor 38 fest vorgegeben ist, lässt sich dieses Bündel von Projektionsstrahlen rechnerisch leicht aufspannen. In dieses Strahlenbündel muss der Würfel 62 nun so eingefügt werden, dass die an den Strukturen des Bildes 70 endenden Projektionsstrahlen durch entsprechende Strukturen des Würfels 62 verlaufen. Die hierzu erforderlichen Algorithmen sind aus der Bildverarbeitung bekannt. Ausgangspunkt für diese Berechnung kann dabei eine Lage des Würfels 62 sein, wie sie vom Chirurgen bei der Festlegung der Perspektive des intraoperativen 2D-Bildes bestimmt wurde. Wenn die Ausgangsposition der späteren Zielposition relativ nahe kommt, so genügen relativ kleine translatorische und/oder rotatorische Bewegungen des Würfels 62, bis dieser rechnerisch ein Bild erzeugt, das mit dem vorläufigen 2D-Bild 70 übereinstimmt. Sobald diese Übereinstimmung erreicht ist, kann die Lage der Röntgenquelle 36 relativ zu dem Organ (Würfel 62) aus den geometrischen Verhältnissen bestimmt werden.The example of the in the 3 Cube shown this can be done in such a way that one first computationally of a with the X-ray source 36 coincident vanishing rays emanate from the structures of the distorted image 70 of the cube 62 end up. Because the location of the x-ray source 36 relative to the x-ray detector 38 is fixed, this bundle of projection beams can be computed easily computationally. In this beam must the cube 62 now be inserted that on the structures of the image 70 ending projection rays through corresponding structures of the cube 62 run. The algorithms required for this purpose are known from image processing. Starting point for this calculation can be a position of the cube 62 as determined by the surgeon in establishing the perspective of the intraoperative 2D image. If the starting position is relatively close to the later target position, then relatively small translational and / or rotational movements of the cube are sufficient 62 until it computationally generates an image with the preliminary 2D image 70 matches. Once this match is achieved, the location of the x-ray source may be 36 relative to the organ (cube 62 ) are determined from the geometric relationships.

Bei vielen Organen ist es nicht einfach, Strukturen auf einem durch Projektion gewonnenen 2D-Bild entsprechende Strukturen des Organs in einem 3D-Bild zuzuordnen. Hilfreich kann es in diesem Zusammenhang sein, aus dem 2D-Bild und dem 3D-Bild Kantenbilder abzuleiten, wofür geeignete Kanten-Detektionsalgorithmen im Stand der Technik bekannt sind. Der vorstehend beschriebene Abgleich der Strukturen lässt sich für 2D- und 3D-Kantenbilder im Allgemeinen relativ leicht durchführen.In many organs, it is not easy to associate structures on a 2D image obtained by projection with corresponding structures of the organ in a 3D image. It may be helpful in this context to derive edge images from the 2D image and the 3D image, for which suitable edge detection algorithms are known in the prior art. The above-described alignment of the structures is generally relatively easy for 2D and 3D edge images.

Berücksichtigt werden muss nun noch die relativ zu dem Organ (Würfel 62) angegebene Zielposition, welche die Röntgenquelle 36 einnehmen muss, damit das Organ mit der vom Chirurgen festgelegten Perspektive durchleuchtet werden kann. Diese Information wurde bereits gespeichert, als der Chirurg die gewünschte Perspektive festgelegt hat. Um nämlich das in der 2c gezeigte Bild des Würfels 62 darstellen zu können, musste die Software einen Fluchtpunkt für die Projektion relativ zu dem Würfel 62 festlegen.Now you have to consider the relative to the organ (cube 62 ) indicated target position, which is the X-ray source 36 in order for the organ to be screened with the surgeon's perspective. This information was already saved when the surgeon set the desired perspective. Namely in the 2c shown picture of the cube 62 The software needed to have a vanishing point for the projection relative to the cube 62 establish.

Nachdem nun sowohl die Ausgangsposition der Röntgenquelle 36 relativ zu dem Würfel 62 als auch die Zielposition relativ zu dem Würfel 62 bekannt ist, ist es ein Leichtes, die Zielposition relativ zu der Ausgangsposition zu berechnen. Die Steuereinheit 47 steuert nun die Antriebe 48 so an, dass die Röntgenquelle 36 von ihrer Ausgangsposition, von der aus sie das vorläufige 2D-Bild 70 des Würfels 62 aufgenommen hat, zur Zielposition verfahren wird. In der 4 ist dieser Verfahrvorgang durch kleine Pfeile 74 angedeutet. Da der Röntgendetektor 38 stets zusammen mit der Röntgenquelle 36 verfahren wird, ist in der 4 auch die Lage des Bilds 68' relativ zu dem Würfel 62 verändert.Now that both the starting position of the X-ray source 36 relative to the cube 62 as well as the target position relative to the cube 62 is known, it is easy to calculate the target position relative to the starting position. The control unit 47 now controls the drives 48 so on, that the x-ray source 36 from their starting position, from which they take the preliminary 2D image 70 of the cube 62 has taken, is moved to the target position. In the 4 is this process by small arrows 74 indicated. As the X-ray detector 38 always together with the X-ray source 36 is in the 4 also the location of the picture 68 ' relative to the cube 62 changed.

Man beachte in diesem Zusammenhang, dass der Verfahrweg (anders als dies die 4 suggerieren mag) im Allgemeinen nicht ausschließlich in einer linearen translatorischen Bewegung der Röntgenquelle 36 besteht, sondern zusätzlich Rotationen um eine oder mehrere Achsen umfasst, da die Zielposition der Röntgenquelle 36 nicht nur deren Ort, sondern auch deren Ausrichtung beinhaltet.Note in this context that the travel path (unlike the 4 in general) not exclusively in a linear translational motion of the X-ray source 36 but additionally includes rotations about one or more axes, since the target position of the x-ray source 36 not only their location but also their orientation.

Die wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden mit Bezug auf das in der 5 gezeigte Flussdiagramm nochmals zusammengefasst:
In einem ersten Schritt S1 wird präoperativ ein 3D-Bild des Organs, hier des Würfels 62, erzeugt.
The essential steps of the method according to the invention are described below with reference to the in the 5 summarized flow chart summarized again:
In a first step S1 preoperatively a 3D image of the organ, here the cube 62 , generated.

In einem zweiten Schritt S2 wird vom Chirurgen eine Perspektive festgelegt, von der aus ein intraoperatives 2D-Bild des Organs aufgenommen werden soll.In a second step S2, the surgeon defines a perspective from which an intraoperative 2D image of the organ is to be recorded.

In einem dritten Schritt S3 wird ein vorläufiges 2D-Bild des Organs mit Hilfe des Röntgengeräts 12 intraoperativ aufgenommen, wobei sich die Röntgenquelle 36 in einer Ausgangsposition befindet.In a third step S3, a preliminary 2D image of the organ with the aid of the X-ray device 12 recorded intraoperatively, with the X-ray source 36 is in a starting position.

In einem vierten Schritt S4 wird eine vorzugsweise relativ zu der Ausgangsposition angegebene Zielposition berechnet, welche die Röntgenquelle 36 einnehmen muss, damit das Organ mit der in Schritt b) festgelegten Perspektive durchleuchtet werden kann. Dabei wird das vorläufige 2D-Bild mit dem 3D-Bild unter Berücksichtigung der bei der Projektion des Organs auf den Röntgendetektor herrschenden geometrischen Verhältnisse abgeglichen. In a fourth step S4, a target position, which is preferably indicated relative to the starting position, is calculated, which is the X-ray source 36 so that the organ can be screened with the perspective established in step b). In this case, the preliminary 2D image is compared with the 3D image, taking into account the geometric conditions prevailing during the projection of the organ onto the X-ray detector.

In einem fünften Schritt S5 wird die Röntgenquelle 36 an die in Schritt S4 berechnete Zielposition verfahren.In a fifth step S5, the X-ray source 36 to the target position calculated in step S4.

In einem sechsten Schritt S6 wird das endgültige 2D-Bild des Organs aufgenommen.In a sixth step S6, the final 2D image of the organ is recorded.

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Claims (11)

Verfahren zum intraoperativen Aufnehmen eines 2D-Röntgenbildes eines Organs (62) aus einer gewünschten Perspektive und unter Verwendung eines Röntgengeräts (12), das eine Röntgenquelle (36) und einen gemeinsam mit der Röntgenquelle (36) verfahrbaren Röntgendetektor (38) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Präoperatives Erzeugen eines 3D-Bildes des Organs; b) Festlegen einer Perspektive, von der aus ein intraoperatives 2D-Bild des Organs aufgenommen werden soll, unter Verwendung des 3D-Bildes; c) Intraoperatives Aufnehmen eines vorläufigen 2D-Bildes des Organs mit Hilfe des Röntgengeräts (12), wobei sich die Röntgenquelle (36) in einer Ausgangsposition befindet; d) Berechnen einer Zielposition, welche die Röntgenquelle (36) einnehmen muss, damit das Organ mit der in Schritt b) festgelegten Perspektive durchleuchtet werden kann, durch Abgleich des vorläufigen 2D-Bildes mit dem 3D-Bild unter Berücksichtigung der bei der Projektion des Organs auf den Röntgendetektor (38) herrschenden geometrischen Verhältnisse; e) Verfahren der Röntgenquelle (36) an die in Schritt d) berechnete Zielposition; f) Aufnehmen eines endgültigen 2D-Bildes des Organs.Method for intraoperatively taking a 2D x-ray image of an organ ( 62 ) from a desired perspective and using an X-ray machine ( 12 ), which is an X-ray source ( 36 ) and one together with the X-ray source ( 36 ) movable X-ray detector ( 38 ), characterized by the following steps: a) preoperative generation of a 3D image of the organ; b) determining a perspective from which to record an intraoperative 2D image of the organ using the 3D image; c) Intraoperative acquisition of a preliminary 2D image of the organ with the aid of the X-ray apparatus ( 12 ), wherein the X-ray source ( 36 ) is in a home position; d) calculating a target position which the X-ray source ( 36 ), so that the organ can be transilluminated with the perspective determined in step b), by matching the preliminary 2D image with the 3D image, taking into account the projection of the organ onto the X-ray detector (FIG. 38 ) prevailing geometrical conditions; e) Method of X-ray source ( 36 ) to the target position calculated in step d); f) taking a final 2D image of the organ. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt d) folgende weitere Schritte umfasst: d1) Berechnen einer relativ zu dem Organ angegebenen Ausgangsposition der Röntgenquelle, bei der das vorläufige 2D-Bild in Schritt c) aufgenommen wird, durch Abgleich des vorläufigen 2D-Bildes mit dem 3D-Bild unter Berücksichtigung der bei der Projektion des Organs auf den Röntgendetektor herrschenden geometrischen Verhältnisse; d2) Berechnen einer relativ zu dem Organ angegebenen Zielposition, welche die Röntgenquelle einnehmen muss, damit das Organ mit der in Schritt b) festgelegten Perspektive durchleuchtet werden kann; d3) Berechnen der Zielposition relativ zu der Ausgangsposition.Method according to Claim 1, characterized in that the step d) comprises the following further steps: d1) calculating a starting position of the X-ray source relative to the organ at which the preliminary 2D image is acquired in step c) by matching the preliminary 2D image with the 3D image taking into account the projection of the organ onto the X-ray detector prevailing geometrical conditions; d2) calculating a target position indicated relative to the organ which the X-ray source must occupy to allow the organ to be transilluminated with the perspective determined in step b); d3) calculating the target position relative to the home position. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem vorläufigen 2D-Bild und dem 3D-Bild Kantenbilder abgeleitet werden, und dass der Abgleich in Schritt d) auf der Grundlage der Kantenbilder durchgeführt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that edge images are derived from the preliminary 2D image and the 3D image, and that the adjustment in step d) is performed on the basis of the edge images. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenquelle motorisch an die in Schritt d) berechnete Zielposition verfahren wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the x-ray source is moved by motor to the target position calculated in step d). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Projektion des Organs auf den Röntgendetektor herrschenden geometrischen Verhältnisse ein Winkelspektrum, mit dem Röntgenstrahlen von der Röntgenquelle emittiert werden, und den Abstand zwischen der Röntgenquelle und dem Röntgendetektor umfassen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the geometric conditions prevailing in the projection of the organ on the X-ray detector, an angle spectrum, are emitted with the X-rays from the X-ray source, and the distance between the X-ray source and the X-ray detector. Röntgensystem zum intraoperativen Aufnehmen eines 2D-Röntgenbildes eines Organs aus einer gewünschten Perspektive zur Herstellung intraoperativer Röntgenbilder, mit: a) einer Röntgenquelle (36) und einem gemeinsam mit der Röntgenquelle (36) verfahrbaren Röntgendetektor (38), b) eine Anzeigeeinrichtung (54), auf der ein präoperativ erzeugtes 3D-Bild des Organs angezeigt werden kann, c) eine Eingabeeinrichtung (56), mit der ein Benutzer unter Verwendung des auf der Anzeigeeinrichtung (54) angezeigten 3D-Bildes eine Perspektive festlegen kann, von der das 2D-Bild des Organs aufgenommen werden soll, d) eine Recheneinheit (50), die derart programmiert ist, dass sie eine Zielposition berechnet, welche die Röntgenquelle (36) einnehmen muss, damit das Organ mit der in Schritt b) festgelegten Perspektive durchleuchtet werden kann, wobei das vorläufige 2D-Bild mit dem 3D-Bild unter Berücksichtigung der bei der Projektion des Organs auf den Röntgendetektor herrschenden geometrischen Verhältnisse abgeglichen wird.X-ray system for intraoperatively taking a 2D X-ray image of an organ from a desired perspective for producing intraoperative X-ray images, comprising: a) an X-ray source ( 36 ) and one together with the X-ray source ( 36 ) movable X-ray detector ( 38 ), b) a display device ( 54 ) on which a preoperatively generated 3D image of the organ can be displayed, c) an input device ( 56 ), by which a user is informed by means of the on the display device ( 54 ) can determine a perspective from which the 2D image of the organ is to be recorded, d) a computing unit ( 50 ) which is programmed to calculate a target position which the X-ray source ( 36 ), so that the organ can be transilluminated with the perspective determined in step b), whereby the preliminary 2D image is aligned with the 3D image, taking into account the geometric conditions prevailing in the projection of the organ on the X-ray detector. Röntgensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Röntgensystem (12) Antriebe (48) zum gemeinsamen Verfahren der Röntgenquelle (36) und des Röntgendetektors (38) und eine Steuereinheit (47) aufweist, durch welche die Antriebe (48) derart ansteuerbar sind, dass sie die Röntgenquelle (36) von der Ausgangsposition zur Zielposition verfahren.X-ray system according to claim 6, characterized in that the X-ray system ( 12 ) Drives ( 48 ) for the common method of the X-ray source ( 36 ) and the X-ray detector ( 38 ) and a control unit ( 47 ), by which the drives ( 48 ) are controllable such that they are the X-ray source ( 36 ) move from the starting position to the target position. Röntgensystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (50) derart programmiert ist, dass sie folgende weitere Schritte durchführt: a) Berechnen einer relativ zu dem Organ angegebenen Ausgangsposition der Röntgenquelle (36), bei der das vorläufige 2D-Bild aufgenommen wird, durch Abgleich des vorläufigen 2D-Bildes mit dem 3D-Bild unter Berücksichtigung der bei der Projektion des Organs auf den Röntgendetektor herrschenden geometrischen Verhältnisse; b) Berechnen einer relativ zu dem Organ angegebenen Zielposition, welche die Röntgenquelle (36) einnehmen muss, damit das Organ mit der festgelegten Perspektive durchleuchtet werden kann; c) Berechnen der Zielposition relativ zu der Ausgangsposition.X-ray system according to claim 6 or 7, characterized in that the arithmetic unit ( 50 ) is programmed to perform the following further steps: a) calculating a starting position of the X-ray source relative to the organ ( 36 ), in which the preliminary 2D image is captured, by matching the preliminary 2D image with the 3D image, taking into account the geometric relationships prevailing in the projection of the organ on the X-ray detector; b) calculating a target position indicated relative to the organ which the X-ray source ( 36 ), so that the organ can be examined with the specified perspective; c) calculating the target position relative to the home position. Röntgensystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (50) derart programmiert ist, dass sie aus dem vorläufigen 2D-Bild und dem 3D-Bild Kantenbilder ableitet, und dass der Abgleich des vorläufigen 2D-Bilds mit dem 3D-Bild auf der Grundlage der Kantenbilder durchgeführt wird. X-ray system according to one of claims 6 to 8, characterized in that the arithmetic unit ( 50 ) is programmed to derive edge images from the preliminary 2D image and the 3D image, and that the alignment of the preliminary 2D image with the 3D image is performed on the basis of the edge images. Röntgensystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es Antriebe (48) aufweist, die dazu eingerichtet sind, die Röntgenquelle (36) motorisch an die berechnete Zielposition zu verfahren.X-ray system according to one of claims 6 to 9, characterized in that it drives ( 48 ), which are adapted to the X-ray source ( 36 ) to move to the calculated target position by motor. Röntgensystem nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Projektion des Organs auf den Röntgendetektor (38) herrschenden geometrischen Verhältnisse ein Winkelspektrum, mit dem Röntgenstrahlen von der Röntgenquelle (36) emittiert werden, und den Abstand zwischen der Röntgenquelle (36) und dem Röntgendetektor (38) umfassen.X-ray system according to one of claims 6 to 10, characterized in that in the projection of the organ on the X-ray detector ( 38 ) geometric conditions an angle spectrum, with the X-rays from the X-ray source ( 36 ) and the distance between the X-ray source ( 36 ) and the X-ray detector ( 38 ).
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