DE10047382A1 - Röntgenkalibrierphantom, Verfahren zur markerlosen Registrierung für navigationsgeführte Eingriffe unter Verwendung des Röntgenkalibrierphantoms und medizinisches System aufweisend ein derartiges Röntgenkalibrierphantom - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Röntgenkalibrierphantom (RP) mit von einem Positionserfassungssystem (30) erfassbaren Marken (4). Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur markerlosen Registrierung für navigationsgeführte Eingriffe unter Verwendung des Röntgenkalibrierphantoms (RP). Ein medizinisches System zur Ausführung des Verfahrens umfasst ein C-Bogen-Röntgengerät (10), ein Positionserfassungssystem (30) und das Röntgenkalibrierphantom (RP).

Description

Die Erfindung betrifft ein Röntgenkalibrierphantom aufweisend Marken. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur markerlosen Registrierung für navigationsgeführte Eingriffe unter Verwendung des Röntgenkalibrierphantoms sowie ein medi­ zinisches System aufweisend ein derartiges Röntgenkalibrier­ phantom.

Zur Unterstützung medizinischer Eingriffe an Lebewesen wird zunehmend Navigation betrieben, worunter die mittels opti­ scher Bildinformationen unterstützte Führung eines medizini­ schen Instrumentes relativ zu einem Lebewesen bzw. relativ zu einem in Behandlung stehenden Gewebebereich des Lebewesens verstanden wird. Dabei wird ein Abbild des Instrumentes, bei­ spielsweise in ein mit einem Röntgengerät gewonnenes 2D- oder 3D-Bild von dem Lebewesen, eingeblendet. Auf diese Weise kann ein Operateur ein zumindest teilweise in das Lebewesen einge­ drungenes Instrument, dessen Spitze beispielsweise durch das Eindringen in Körpergewebe nicht mehr direkt sichtbar ist, anhand der Bildinformationen relativ zu dem zu behandelnden Gewebebereich des Lebewesens führen, ohne Gefahr zu laufen, dem Lebewesen unbeabsichtigt Schaden zuzuführen.

Um einen derartigen navigationsgeführten Eingriff zu ermögli­ chen, d. h. ein Abbild des Instrumentes in Bildinformation von einem Lebewesen positions- und lagegenau einblenden zu kön­ nen, ist es erforderlich, eine mathematische Beziehung in Form einer Koordinatentransformation zwischen einem Koordina­ tensystem der Bildinformationen von dem Lebewesen bzw. einem Koordinatensystem des rekonstruierten Volumens des Lebewesens und einem Koordinatensystem, bezüglich dessen die Positionen des zu navigierenden Instrumentes angegeben werden, herzu­ stellen. Hierzu werden bisweilen an dem Lebewesen künstliche Marken angeordnet oder anatomische Marken, z. B. markante Kno­ chenstrukturen, festgelegt. Die anatomischen oder künstlichen Marken müssen dabei in den mit dem Röntgengerät aufgenommenen Bildinformationen von dem Lebewesen deutlich sichtbar und an dem Lebewesen gut erreichbar sein. Die künstlichen Marken sind z. B. an der Hautoberfläche des Lebewesens befestigt, um eine sogenannte Registrierung vornehmen zu können, worunter die Ermittlung der räumlichen Transformationsvorschrift zwi­ schen dem Koordinatensystem, in dem die Positionen des zu na­ vigierenden Instrumentes angegeben werden, und dem für die Navigation verwendeten Koordinatensystem der Bildinformation bzw. des rekonstruierten Volumens des Lebewesens verstanden wird. Die Marken müssen dabei in der Regel einzeln mit dem Instrument angefahren werden, um die Koordinatentransformati­ on zwischen den beiden Koordinatensystemen ermitteln zu kön­ nen. Bei sehr präzisen medizinischen Eingriffen werden die Marken auch rigide am Körper des Lebewesens befestigt. Als Beispiel seien die Anbringung eines stereotaktischen Rahmens am Kopf eines Patienten oder die Anbringung von Marken in Knochen oder an der Wirbelsäule eines Patienten genannt. Die Anbringung der Marken erfolgt teilweise in einer separaten Operation, da die Marken bereits vor einer präoperativen Bildgebung, welche häufig zur Navigation verwendet wird, an­ gebracht werden müssen.

Die Anbringung und Registrierung der Marken ist demnach eine relativ unangenehme Prozedur für einen Patienten und zudem relativ zeitaufwendig für einen Operateur in der Vorbereitung eines navigationsgeführten Eingriffs.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Voraus­ setzungen für eine vereinfachte Ermittlung der Transformati­ onsvorschrift für die Navigation eines Instrumentes, insbe­ sondere unter Verwendung von Volumendaten, zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Angabe eines vereinfachten Verfahrens zur markerlosen Ermittlung der Trans­ formationsvorschrift sowie in der Angabe eines medizinischen Systems zur Durchführung des Verfahrens.

Nach der Erfindung wird die erste Aufgabe gelöst durch ein Röntgenkalibrierphantom zur markerlosen Registrierung für na­ vigationsgeführte Eingriffe an einem Objekt aufweisend Mar­ ken, welche mit einem Positionserfassungssystem erfassbar sind. Durch das Versehen eines Röntgenkalibrierphantoms mit derartigen Marken werden die Voraussetzungen geschaffen, in einer Offline-Prozedur eine Transformationsbeziehung zwischen einem dem Röntgenkalibrierphantom zugeordneten Koordinaten­ system und einem einem für die Bildgebung bei der Navigation vorgesehenen Röntgensystem zugeordneten Koordinatensystem mit Hilfe des Positionserfassungssystems zu ermitteln, wozu das Röntgensystem ebenfalls mit von dem Positionserfassungssystem erfassbaren Marken versehen ist. Das Röntgenkalibrierphantom wird dabei derart relativ zu dem Röntgensystem angeordnet, dass das Koordinatensystem des Röntgenkalibrierphantoms mit dem Koordinatensystem eines mit dem Röntgensystem zu rekon­ struierenden Volumens eines ersten Objektes wenigstens im We­ sentlichen bezüglich Lage und Orientierung übereinstimmt bzw. dass dessen Lage und Orientierung relativ zu dem Koordinaten­ system des zu rekonstruierenden Volumens bekannt ist. Demnach ist bei einer Objektmessung, wenn das Röntgenkalibrierphantom entfernt ist und im Allgemeinen die Stellung des Röntgensys­ tems und des Positionserfassungssystems relativ zueinander im Vergleich zu ihrer Stellung bei der Offline-Prozedur verän­ dert worden ist, die Transformationsbeziehung zwischen dem Koordinatensystem des zu rekonstruierenden Volumens und einem Koordinatensystem des Positionserfassungssystems durch die Verwendung der ermittelten Transformationsbeziehung zwischen dem Koordinatensystem des Röntgensystems und dem Koordinaten­ system des zu rekonstruierenden Volumens und durch die Erfas­ sung der neuen Position des Röntgensystems mit dem Positions­ erfassungssystem bestimmbar. Wird schließlich mit dem Positi­ onserfassungssystem auch die Position eines relativ zu dem ersten Objekt zu navigierenden zweiten Objektes erfasst, so kann aufgrund der ermittelten Transformationsbeziehung zwi­ schen dem Koordinatensystem des Positionserfassungssystems und dem Koordinatensystem des zu rekonstruierenden Volumens ein Abbild des zweiten Objektes in ein nach einer Objektmes­ sung mit dem Röntgengerät rekonstruiertes Volumen von dem ersten Objekt eingeblendet werden. Demnach schafft das erfin­ dungsgemäße Röntgenkalibrierphantom die Voraussetzungen die Ermittlung der Transformationsvorschrift zur Navigation eines zweiten Objektes relativ zu einem ersten Objekt zu vereinfa­ chen, wobei eine markerbehaftete Registrierung vermieden wird.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Rönt­ genkalibrierphantom zusätzlich röntgenpositive Marken für ei­ ne Offline-Bestimmung von Projektionsgeometrien eines um eine Achse reproduzierbar drehbaren Röntgensystems für die Rekon­ struktion eines Volumendatensatzes aus einer Serie von aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen mit dem Röntgensystem aufgenommenen 2D-Projektionen aufweist. Mit dem Röntgenkalib­ rierphantom können demnach gleichzeitig in einer Offline- Prozedur, also vor einer Objekt- bzw. Patientenmessung, Transformationsvorschriften für die Navigation und die Pro­ jektionsgeometrien für ein Röntgensystems, d. h. die Positio­ nen der Röntgenstrahlenquelle und des Röntgenstrahlenempfän­ gers sowie der Projektionswinkel und der Orientierung des Röntgensystems während einer jeden 2D-Projektion einer Serie von 2D-Projektionen, deren Kenntnis für die Rekonstruktion eines Volumendatensatzes erforderlich ist, ermittelt werden. Damit werden bei Verwendung eines geeigneten Röntgengerätes, beispielsweise eines verfahrbaren C-Bogen-Röntgengerätes, die Voraussetzungen geschaffen, ohne markerbehaftete Registrie­ rung Navigation anhand von intra-operativ erzeugten Volumen­ daten betreiben zu können.

Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass die mit einem Po­ sitionserfassungssystem erfassbaren Marken in einem ersten Bereich und die röntgenpositiven Marken in einem von dem ers­ ten verschiedenen zweiten Bereich des Röntgenkalibrierphan­ toms angeordnet sind, so dass die Ermittlung der Transforma­ tionsvorschriften für die Navigation nicht negativ durch die röntgenpositiven Marken bzw. die Ermittlung der Projektions­ geometrien nicht negativ durch die von dem Positionserfas­ sungssystem erfassbaren Marken beeinflusst wird.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist das Röntgenka­ librierphantom von zylinderförmiger Gestalt, wobei der erste Bereich eine der Deckflächen und der zweite Bereich die Man­ telfläche des zylinderförmigen Röntgenkalibrierphantoms ist. Gemäß einer Variante der Erfindung sind die von dem Positi­ onserfassungssystem erfassbaren Marken auf wenigstens einer an dem Röntgenkalibrierphantom befestigten Markerplatte ange­ ordnet, welche in der Regel Bestandteil des Positionserfas­ sungssystems ist.

Eine weitere Variante der Erfindung sieht vor, dass die rönt­ genpositiven Marken des Röntgenkalibrierphantoms helixförmig angeordnet sind. Bei der Ermittlung der Projektionsgeometrie hat sich die helixförmige Anordnung der Marken dahingehend als vorteilhaft erwiesen, dass nur relativ wenige Überlappun­ gen von Marken des ersten Bereichs in den 2D-Projektionen zur Ermittlung der Projektionsgeometrien auftreten.

Die zweite Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Ver­ fahren zur markerlosen Registrierung für navigationsgeführte Eingriffe unter Verwendung eines Positionserfassungssystems, eines Röntgengerätes und eines Röntgenkalibrierphantoms, wo­ bei das Röntgengerät und das Röntgenkalibrierphantom mit von dem Positionserfassungssystem erfassbaren Marken versehen sind, aufweisend folgende Verfahrensschritte:

• a) Ausrichtung des Röntgengerätes und des Röntgenkalibrier­ phantoms derart relativ zueinander, dass ein dem Röntgen­ kalibrierphantom zugeordnetes Koordinatensystem wenigs­ tens im Wesentlichen mit einem Koordinatensystem eines zu rekonstruierenden Volumens eines im Zuge einer späteren Objektmessung mit dem Röntgengerät zu durchleutenden ers­ ten Objektes übereinstimmt oder dass die Lage der beiden Koordinatensysteme relativ zueinander bekannt oder in einfacher Weise ermittelbar ist,
• b) Bestimmung der Position und Lage des Koordinatensystems des Röntgenkalibrierphantoms bzw. des zu rekonstruieren­ den Volumens und eines dem Röntgengerät zugeordneten Ko­ ordinatensystems mit dem Positionserfassungssystem, und
• c) Ermittlung der Transformationsbeziehung zwischen dem Ko­ ordinatensystem des Röntgengerätes und dem Koordinaten­ system des Röntgenkalibrierphantoms bzw. des zu rekon­ struierenden Volumens.

Wie bereits vorstehend erwähnt kann bei einer Objektmessung, wenn das Röntgenkalibrierphantom entfernt ist und die Stel­ lung des Röntgengerätes und des Positionserfassungssystems relativ zueinander im Vergleich zu ihrer Stellung bei der Offline-Prozedur verändert worden ist, die Transformationsbe­ ziehung zwischen dem Koordinatensystem des zu rekonstruieren­ den bzw. bereits rekonstruierten Volumens und einem Koordina­ tensystem des Positionserfassungssystems durch die Verwendung der ermittelten Transformationsbeziehung zwischen dem Koordi­ natensystem des Röntgensystems und dem Koordinatensystem des mit dem Röntgengerät rekonstruierten Volumens und durch die Erfassung der neuen Position des Röntgensystems mit dem Posi­ tionserfassungssystem bestimmt werden.

Wird schließlich gemäß einer Variante der Erfindung mit dem Positionserfassungssystem auch die Position eines zweiten, relativ zu dem ersten Objekt zu navigierenden Objektes, z. B. eines zu navigierenden Instrumentes, erfasst, kann aufgrund der ermittelten Transformationsbeziehung zwischen dem Koordi­ natensystem des Positionserfassungssystems und dem Koordina­ tensystem des zu rekonstruierenden Volumens ein Abbild des Instrumentes in ein nach einer Objektmessung mit dem Röntgen­ gerät rekonstruiertes Volumen eingeblendet werden.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das erste Objekt auf einer Lagerungsvorrichtung gelagert ist, welche mit von dem Positionserfassungssystem erfassbaren Marken ver­ sehen ist, wobei mit dem Positionserfassungssystem die Posi­ tion der Lagerungsvorrichtung erfasst und eine Transformati­ onsbeziehung zwischen einem der Lagerungsvorrichtung zugeord­ neten Koordinatensystem und dem Koordinatensystem des Rönt­ genkalibrierphantoms bzw. des zu rekonstruierenden Volumens ermittelt wird. Diese Ausführungsform der Erfindung ist dann vorteilhaft, wenn bei dem navigationsgeführten Eingriff das Röntgengerät von der Lagerungsvorrichtung entfernt wird und die Gefahr besteht, dass das Positionserfassungssystem, bei­ spielsweise durch ungewolltes Verrücken, seine Position rela­ tiv zu dem rekonstruierten Volumen verändert. In diesem Fall bildet die mit den Marken versehene Lagerungsvorrichtung ei­ nen Fixpunkt, über den eine Beziehung zwischen dem Koordina­ tensystem des Positionserfassungssystems und dem Koordinaten­ system des rekonstruierten Volumens herstellbar ist.

Eine andere Variante der Erfindung sieht vor, dass das erste Objekt bei dem navigationsgeführten Eingriff mit von dem Po­ sitionserfassungssystem erfassbaren Marken versehen ist. Dies ist dann von Vorteil, wenn die Gefahr besteht, dass das erste Objekt seine Lage auf der Lagerungsvorrichtung verändert. Dann würde nach einem Entfernen des Röntgengerätes von der Lagerungsvorrichtung und einem Verrücken des Positionserfas­ sungssystems kein Fixpunkt mehr existieren, von dem aus eine Transformationsbeziehung zwischen dem Koordinatensystem des Positionserfassungssystems und dem Koordinatensystem des zu rekonstruierenden bzw. bereits rekonstruierten Volumens er­ mittelbar wäre. Wenn aber an dem ersten Objekt selbst mit dem Positionserfassungssystem erfassbare Marken angeordnet sind, kann eine Transformationsbeziehung zwischen einem dem ersten Objekt zugeordneten Koordinatensystem und dem Koordinatensys­ tem des zu rekonstruierenden Volumens des ersten Objektes er­ mittelt werden. Demnach kann selbst nach einer Änderung der Lage des ersten Objektes durch die Erfassung der Position des ersten Objektes eine Transformationsbeziehung zwischen dem Positionserfassungssystems und dem Koordinatensystem des zu rekonstruierenden bzw. bereits rekonstruierten Volumens ba­ sierend auf der ermittelten Transformationsbeziehung zwischen dem Koordinatensystem des ersten Objektes und dem Koordina­ tensystem des zu rekonstruierenden bzw. bereits rekonstruier­ ten Volumens des ersten Objektes ermittelt werden.

Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass das Röntgenkalib­ rierphantom zusätzlich zu den von dem Positionserfassungssys­ tem erfassbaren Marken röntgenpositive Marken aufweist, so dass gleichzeitig zu der Ermittlung der Transformationsbezie­ hungen in der Offline-Prozedur die Ermittlung von Projekti­ onsgeometrien des Röntgengerätes für die Rekonstruktion eines Volumendatensatzes des ersten Objektes aus aufgenommenen 2D- Projektionen von dem ersten Objekt erfolgen kann. Damit wer­ den die Voraussetzungen geschaffen, ohne markerbehaftete Re­ gistrierung Navigation anhand von intra-operativ erzeugten Volumendaten betreiben zu können.

Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Die dritte Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein medi­ zinisches System aufweisend ein Positionserfassungssystem, ein Röntgengerät und ein Röntgenkalibrierphantom, wobei das Röntgengerät und das Röntgenkalibrierphantom mit von dem Po­ sitionserfassungssystem erfassbaren Marken versehen sind, und wobei das Röntgengerät und das Röntgenkalibrierphantom in ei­ nem Kalibriervorgang derart relativ zueinander ausrichtbar sind, dass mit Hilfe des Positionserfassungssystems eine Transformationsbeziehung zwischen einem dem Röntgenkalibrier­ phantom einbeschriebenes Koordinatensystem bzw. einem Koordi­ natensystem eines zu rekonstruierenden Volumens eines in ei­ ner späteren Objektmessung mit dem Röntgengerät zu durchleu­ tenden Objektes und einem dem Röntgengerät zugeordneten Koordinatensystem ermittelbar ist. Mit dem medizinischen System ist die Ermittlung der Transformationsbeziehungen, wie vor­ stehend beschrieben, sowie die Durchführung der Navigation eines Objektes relativ zu einem rekonstruierten Volumen mög­ lich.

Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass das medizinische System außerdem eine für ein zu untersuchendes Objekt vorge­ sehene Lagerungsvorrichtung aufweist, welche mit von dem Po­ sitionserfassungssystem erfassbaren Marken versehen ist. Auf diese Weise ist, wie ebenfalls bereits vorstehend erwähnt, im Falle einer Entfernung des Röntgengerätes von der Lagerungs­ vorrichtung und einer ungewollten Verschiebung des Positions­ erfassungssystems, beispielsweise während eines Eingriffs an einem Patienten, eine Transformationsbeziehung zwischen dem Koordinatensystem des rekonstruierten Volumens und dem Koor­ dinatensystem des Positionserfassungssystem ermittelbar, wenn zuvor die Transformationsbeziehung zwischen dem Koordinaten­ system der Lagerungsvorrichtung und dem Koordinatensystem des zu rekonstruierenden Volumens ermittelt wurde.

Weitere Ausgestaltungen des medizinisches System ergeben sich aus den anhängigen Patentansprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Röntgenkalibrierphantom,

Fig. 2 die Verwendung des Röntgenkalibrierphantoms aus Fig. 1 zur markerlosen Registrierung für navigations­ geführte Eingriffe, und

Fig. 3 die Navigation eines Instrumentes relativ zu einem Patienten P.

Die Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Röntgenkalibrierphan­ tom RP, welches einen ersten, mit von einem Positionserfas­ sungssystem erfassbaren Marken 4 versehenen Bereich 1 und ei­ nen zweiten mit röntgenpositiven Marken 3 versehenen Bereich 2 aufweist.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist das Rönt­ genkalibrierphantom RP in Form eines Zylinders ausgeführt, wobei die eine Deckfläche des Zylinders den mit den von einem Positionserfassungssystem erfassbaren Marken 4 versehenen ersten Bereich 1 und die Mantelfläche des Zylinders den mit den röntgenpositiven Marken 3 versehenen zweiten Bereich 2 bildet.

Während die röntgenpositiven Marken 3 im zweiten Bereich 2 helixförmig angeordnet sind, sind die von dem Positionserfas­ sungssystem erfassbaren Marken 4 im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels auf einer an der Deckfläche 2 befestig­ ten Markerplatte 5 angeordnet. Im Falle des vorliegenden Aus­ führungsbeispiels handelt es sich bei den Marken 4 um optisch erfassbare Marken 4, wobei die Markerplatte 5 Bestandteil ei­ nes optischen Positionserfassungssystem ist.

Das in der Fig. 1 dargestellte Röntgenkalibrierphantom RP ist für eine markerlose Registrierung für navigationsgeführte Eingriffe an einem Objekt, im Falle des vorliegenden Ausfüh­ rungsbeispiels an einem in Fig. 3 gezeigten Patienten P, in einer Offline-Prozedur vorgesehen. Die Navigation soll anhand von von einem Röntgengerät gelieferten Röntgenbildern, vor­ zugsweise anhand eines von einem C-Bogen-Röntgengerät gelie­ ferten Volumendatensatzes erfolgen. Eine weitere Verwendung des Röntgenkalibrierphantoms RP besteht in einer Offline- Bestimmung der Projektionsgeometrien eines um eine Achse re­ produzierbar motorisch drehbaren Röntgensystems, beispiels­ weise des Röntgensystems des C-Bogen-Röntgengerätes, für die Rekonstruktion eines Volumendatensatzes von einem Gewebebe­ reich des Patienten P aus mit dem Röntgensystem aufgenommenen 2D-Projektionen von dem Gewebebereich, welche bei einer Ver­ stellung des C-Bogens um die Achse und relativ zu dem Gewebe­ bereich gewonnen wurden.

Damit die Offline-Bestimmung der Projektionsgeometrien, wofür die röntgenpositiven Marken 3 herangezogen werden, nicht durch die für die markerlose Registrierung vorgesehenen, von dem Positionserfassungssystem erfassbaren Marken negativ be­ einflusst wird, und umgekehrt, sind die röntgenpositiven Mar­ ken 3 und die von dem Positionserfassungssystem erfassbaren Marken 4 in den zwei voneinander getrennten Bereichen 1 und 2 des Röntgenkalibrierphantoms RP angeordnet.

Die Fig. 2 zeigt die Verwendung des Röntgenkalibrierphantoms RP zur markenlosen Registrierung für navigationsgeführte Ein­ griffe mit einem im Falle des vorliegenden Ausführungsbei­ spiels verfahrbaren C-Bogen-Röntgengerät 10 und zur Ermitt­ lung der Projektionsgeometrien des verfahrbaren C-Bogen- Röntgengerätes 10 in einer Offline-Prozedur.

Das an sich bekannte C-Bogen-Röntgengerät 10 weist einen Ge­ rätewagen 12 mit einer Hubvorrichtung 13 auf, mit welcher ein Lagerteil 14 verbunden ist. An dem Lagerteil 14 ist ein mit einer Röntgenstrahlenquelle 15 und einem Röntgenstrahlenemp­ fänger 16 versehener, im Falle des vorliegenden Ausführungs­ beispiels isozentrisch längs seines Umfanges um die Orbital­ achse A verstellbarer C-Bogen 17 gelagert (vgl. Doppelpfeil a). Der C-Bogen 17 ist außerdem zusammen mit dem Lagerteil 14 um seine Angulationsachse B in die Richtungen des Doppel­ pfeils b, isozentrisch verschwenkbar. Alle Verstellbewegungen des den C-Bogen 17, die Röntgenstrahlenquelle 15 und den Röntgenstrahlenempfänger 16 umfassenden Röntgensystems sind reproduzierbar.

In der Fig. 2 ist außerdem das bereits erwähnte optische Po­ sitionserfassungssystem 30 dargestellt, welches ein zwei Ka­ meras 31, 32 umfassendes Kamerasystem, die an dem Röntgenkalibrierphantom RP angeordnete Markerplatte 5, eine im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels an dem Lagerteil 14 des C-Bogen-Röntgengerätes 10 angeordnete Markerplatte 33, eine an einer Patientenlagerungsvorrichtung 18 angeordneten Mar­ kerplatte 35, eine an einem in Fig. 3 gezeigten Patienten P angeordneten Markerplatte 36 und einen in Fig. 3 gezeigten an einem medizinischen Instrument 40 befestigten Positionssensor 34 aufweist. Mit dem Positionserfassungssystem 30 können die Positionen und Orientierungen der Markerplatte 5 und somit des Röntgenkalibrierphantoms RP, der Markerplatte 35 und so­ mit der Patientenlagerungsvorrichtung 18, der Markerplatte 36 und somit des Patenten P, des Positionssensors 34 und somit des Instrumentes 40 sowie der Markerplatte 33 und somit des Lagerteils 14 des C-Bogen-Röntgengerätes 10 bestimmt werden.

Die für die Positionsbestimmung erforderlichen Rechenmittel des Positionserfassungssystems 30, z. B. ein handelsüblicher Rechner, sind in an sich bekannter Weise ausgeführt und daher in den Fig. 2 und 3 nicht dargestellt und nicht explizit be­ schrieben.

Mit Hilfe des Positionserfassungssystems 30 wird ein naviga­ tionsgeführter Eingriff an dem in Fig. 3 dargestellten Pati­ enten P ermöglicht, bei dem ein in der Fig. 3 nicht darge­ stellter Operateur das medizinisches Instrument 40, welches mit dem Positionssensor 34 des Positionserfassungssystems 30 versehen ist, anhand eines beispielsweise auf einer Anzeige­ einrichtung 19 dargestellten rekonstruierten Volumens von ei­ nem Gewebebereich des Patienten P, in das ein Abbild des In­ strumentes 40 eingeblendet ist, relativ zu dem Patienten P führt. Vorzugsweise wird das rekonstruierte Volumen von dem Patienten P für den navigationsgeführten Eingriff intraopera­ tiv, also während des medizinischen Eingriffs an dem Patien­ ten P, mit dem C-Bogen-Röntgengerät 10 gewonnen.

Um einen navigationsgeführten Eingriff durchführen zu können, ist allerdings die Kenntnis der Koordinatentransformation zwischen dem dem zu rekonstruierenden bzw. bereits rekon­ struierten Volumen des Patienten P einbeschriebenen Koordina­ tensystem O_W und dem Koordinatensystem, in dem die Koordina­ ten des Instrumentes 40 angegeben werden, erforderlich, deren Ermittlung in einer Offline-Prozedur anhand von Fig. 2 im Folgenden beschrieben ist.

Der an dem Lagerteil 14 befestigten Markerplatte 33 ist das Koordinatensystem O_R, der an der Patientenlagerungsvorrich­ tung 18 angeordneten Markerplatte 35 ist das Koordinatensys­ tem O_L, dem Kamerasystem des Positionserfassungssystems 30 ist das Koordinatensystem O_S, und dem Röntgenkalibrierphantom RP ist das Koordinatensystem O_P einbeschrieben. Das C-Bogen- Röntgengerät 10 und das im Falle des vorliegenden Ausfüh­ rungsbeispiels auf der Patientenlagerungsvorrichtung 18 gela­ gerte Röntgenkalibrierphantom RP sind derart relativ zueinan­ der ausgerichtet worden, dass das dem Röntgenkalibrierphantom RP einbeschriebene Koordinatensystem O_P, wenigstens im Wesent­ lichen mit dem Koordinatensystem O_W des später im Zuge einer Patientenmessung mit dem C-Bogen-Röntgengerät 10 zu rekon­ struierenden Volumens im Falle des vorliegenden Ausführungs­ beispiels eines Gewebebereiches des Patienten P bezüglich La­ ge und Orientierung übereinstimmt. Alternativ kann das Rönt­ genkalibrierphantom RP auch nur derart relativ zu dem C- Bogen-Röntgengerät 10 ausgerichtet sein, dass die relative Lage der beiden Koordinatensysteme, also die Lage des Koordi­ natensystems O_P des Röntgenkalibrierphantoms RP und des Koor­ dinatensystems O_W des zu rekonstruierenden Volumens, zueinan­ der bekannt ist. Da im Falle des vorliegenden Ausführungsbei­ spiels der C-Bogen 17 isozentrisch und reproduzierbar ver­ stellbar ist, wird man das Röntgenkalibrierphantom RP, wie auch bei späteren Patientenmessungen den Patienten P, vor­ zugsweise derart ausrichten, dass der Ursprung des Koordina­ tensystems O_P des Röntgenkalibrierphantoms RP bei der Offli­ ne-Prozedur im beispielsweise mittels Laserstrahlen kennzei­ chenbaren Isozentrum IZ des C-Bogens 17 bzw. dass bei Patientenmessungen der Ursprung des Koordinatensystems O_W im Iso­ zentrum IZ des C-Bogens 17 liegt.

Nach der Ausrichtung des C-Bogen-Röntgengerätes 10 und des Röntgenkalibrierphantoms RP relativ zueinander werden mit Hilfe des Positionserfassungssystems 30 die Lage und Orien­ tierung des mit der Markerplatte 5 versehenen Röntgenkalib­ rierphantoms RP sowie die Lage und Orientierung des mit der Markerplatte 33 versehenen Lagerteils 14 ermittelt, woraus eine Transformationsbeziehung zwischen dem Koordinatensystem O_P des Röntgenkalibrierphantoms RP und somit dem Koordinaten­ system O_W des später zu rekonstruierenden Volumens und dem Koordinatensystem O_R des C-Bogen-Röntgengerätes 10 ermittelt wird. Durch diese Ermittlung ist es möglich bei einer Patien­ tenmessung, also nach der Offline-Prozedur d. h. nach einer Entfernung des Röntgenkalibrierphantoms RP und einer Verstel­ lung des Kamerasystems des Positionserfassungssystems 30 und des C-Bogen-Röntgengerätes 10 relativ zueinander sowie nach einer Ausrichtung des dem zu rekonstruierenden Volumen des Patienten P einbeschriebenen Koordinatensystems O_W relativ zu dem C-Bogen-Röntgengerät 10, welche der Ausrichtung des Koor­ dinatensystems O_P bei der Offline-Prozedur entspricht, eine Transformationsbeziehung zwischen dem Koordinatensystem O_W des zu rekonstruierenden Volumens des Patienten P und dem Ko­ ordinatensystem O_S des Positionserfassungssystems 30 durch die Erfassung der neuen Position des C-Bogen-Röntgengerätes 10 durch das Positionserfassungssystem 30 und durch die zuvor ermittelte Transformationsbeziehung zwischen dem Koordinaten­ system O_R des C-Bogen-Röntgengerätes 10 und dem Koordinaten­ system O_P des Röntgenkalibrierphantoms RP bzw. dem Koordina­ tensystem O_W des zu rekonstruierenden Volumens zu ermitteln. Wird schließlich mit Hilfe des Positionserfassungssystems 30 die Position des Instrumentes 40 in dem Koordinatensystems O_S bestimmt, kann aufgrund der bekannten Transformationsbezie­ hung zwischen dem Koordinatensystem O_S des Positionserfas­ sungssystems und dem Koordinatensystem O_W des zu rekonstruie­ renden Volumens ein Abbild des Instrumentes 40 in das zu rekonstruierende bzw. bereits rekonstruierte Volumen eingeblen­ det werden.

Somit wird deutlich, dass das erfindungsgemäße Röntgenkalib­ rierphantom RP die Voraussetzungen für eine markerlose Re­ gistrierung für navigationsgeführte Eingriffe an einem Objekt schafft.

Bei der Offline-Prozedur kann in einem weiteren Verfahrens­ schritt mit dem Positionserfassungssystem 30 die Transforma­ tionsbeziehung zwischen dem Koordinatensystem O_P des Röntgen­ kalibrierphantoms RP bzw. dem Koordinatensystem O_W des zu re­ konstruierenden Volumens und dem Koordinatensystem O_L der Pa­ tientenlagerungsvorrichtung 18 ermittelt werden. Diese Trans­ formationsbeziehung wird vorzugsweise dann zur Navigation verwendet, wenn das C-Bogen-Röntgengerät 10 von der Lage­ rungsvorrichtung 18 und somit dem Patienten P entfernt wurde und gleichzeitig das Positionserfassungssystem 30 relativ zu dem Patienten P verrückt wurde. Um in diesem Fall wieder eine Transformationsbeziehung zwischen dem zu rekonstruierenden bzw. dem bereits rekonstruierten Volumen und dem Positionser­ fassungssystem 30 herstellen zu können, wird mit dem Positi­ onserfassungssystem 30 die Position der Patientenlagerungs­ vorrichtung 18 bestimmt, so dass aufgrund der in der Offline- Prozedur ermittelten Transformationsbeziehung zwischen dem Koordinatensystem O_P des Röntgenkalibrierphantoms RP bzw. dem Koordinatensystem O_W des zu rekonstruierenden Volumens und dem Koordinatensystem O_L der Patientenlagerungsvorrichtung 18 die Transformationsbeziehung zwischen dem Koordinatensystem O_S des Positionserfassungssystems 30 und dem Koordinatensys­ tem O_W des rekonstruierten Volumens in einfacher Weise wäh­ rend eines Eingriffs ermittelbar ist.

Die Herstellung einer derartigen Transformationsbeziehung ist auch dann möglich, wenn an dem Patienten P eine mit von dem Positionserfassungssystem 30 erfassbaren Marken versehene Markerplatte 36, welche an einer unkritischen Körperstelle außerhalb des zu behandelnden Gewebebereiches angeordnet wer­ den kann, befestigt ist. Dies ist dann von Vorteil, wenn die Gefahr besteht, dass der Patient P seine Lage auf der Patien­ tenlagerungsvorrichtung 18 verändert. Dann würde nach einem Entfernen des C-Bogen-Röntgengerätes 10 von der Patientenla­ gerungsvorrichtung 18 und einem Verrücken des Kamerasystems des Positionserfassungssystems 30 kein Fixpunkt mehr existie­ ren, von dem aus eine Transformationsbeziehung zwischen dem Koordinatensystem O_S des Positionserfassungssystems 30 und dem Koordinatensystem O_W des zu rekonstruierenden bzw. be­ reits rekonstruierten Volumens ermittelbar wäre. Durch die Anordnung der Markerplatte 36 an dem Patienten P ist dies je­ doch auch unter diesen Umständen möglich. Es kann nämlich ei­ ne Transformationsbeziehung zwischen einem der Markerplatte 36 und somit dem Patienten P zugeordneten Koordinatensystem O_O und dem Koordinatensystem O_W des zu rekonstruierenden Vo­ lumens des Patienten P ermittelt werden. Demnach kann selbst nach einer Änderung der Lage des Patienten P durch die Erfas­ sung der Position des Patienten P eine Transformationsbezie­ hung zwischen dem Koordinatensystem O_S des Positionserfas­ sungssystems und dem Koordinatensystem O_W des zu rekonstruie­ renden bzw. bereits rekonstruierten Volumens basierend auf der ermittelten Transformationsbeziehung zwischen dem Koordi­ natensystem O_O des Patienten P und dem Koordinatensystem O_W des zu rekonstruierenden bzw. bereits rekonstruierten Volu­ mens des Patienten P ermittelt werden.

Die Ermittlung der Projektionsgeometrien, deren Kenntnis Vor­ aussetzung für die Rekonstruktion eines Volumens des Patien­ ten P aus einer Serie von mit dem C-Bogen-Röntgengerät 10 ge­ wonnenen 2D-Projektionen ist, erfolgt ebenfalls in der Offli­ ne-Prozedur und zwar anhand der röntgenpositiven Marken 3 des Röntgenkalibrierphantoms RP. Die Ermittlung erfolgt in an sich bekannter Weise.

Die markerlose Registrierung und die Ermittlung der Projekti­ onsgeometrien erfolgen also in einer Offline-Prozedur, wobei die Lage des Röntgenkalibrierphantoms während der Offline- Prozedur nicht verändert wird.

Die in der Offline-Prozedur ermittelten Transformationsvor­ schriften und die Projektionsgeometrien werden schließlich in nicht dargestellten Speichereinrichtung, beispielsweise für medizinische Anwendungsfälle, wie dem in Fig. 3 gezeigten, bereitgehalten.

Demnach kann mit dem C-Bogen-Röntgengerät 10 intra-operativ ein Volumendatensatz von einem Gewebebereich des in der Fig. 3 schematisch dargestellten, auf der Patientenliege 18 gelagerten Patienten P gewonnen und auf der Anzeigeeinrich­ tung 19 in der gewünschten Form dargestellt werden. Der Volu­ mendatensatz wird dabei aus einer Serie von 2D-Projektionen, welche beispielsweise bei einer Verstellung des C-Bogens 17 um die Orbitalachse A gewonnen wurden, unter Heranziehung der in der Offline-Prozedur ermittelten Projektionsgeometrien intra-operativ ermittelt. Die hierzu benötigten Einrichtun­ gen, insbesondere ein Bildrechner, sind in an sich bekannter Weise ausgeführt und daher in den Fig. 2 und 3 nicht darge­ stellt und nicht explizit beschrieben.

Anhand der ermittelten Transformationsvorschriften und des intra-operativ ermittelten Volumendatensatzes ist demnach die Navigation des Instrumentes 40 relativ zu dem in dem Volumen­ datensatz abgebildeten Gewebebereich des Patienten P intra­ operativ möglich.

Die Ausführung des vorstehend beschriebene Röntgenkalibrier­ phantom RP ist im Übrigen nur exemplarisch zu verstehen. Das Röntgenkalibrierphantom muss also nicht notwendigerweise eine zylinderförmige Gestalt haben und gleichzeitig röntgenpositi­ ve und von einem Positionserfassungssystem erfassbare Marken aufweisen. Vielmehr kann das Röntgenkalibrierphantom auch ei­ ne andere geeignete Gestalt und nur von einem Positionserfas­ sungssystem erfassbare Marken aufweisen.

In der Ausführung mit beiderlei Art von Marken sollten die röntgenpositiven Marken jedoch in einem anderen Bereich als die von einem Positionserfassungssystems erfassbaren Marken angeordnet werden, um eine gegenseitige Beeinflussung bei der Offline-Prozedur zur Ermittlung der Projektionsgeometrien und der markenlosen Registrierung zu vermeiden.

Das Positionserfassungssystem muss nicht notwendigerweise ein optisches Positionserfassungssystem sein. Vielmehr kommen auch elektromagnetische oder andere bekannte Positionserfas­ sungssystem in Frage.

Claims (22)

1. Röntgenkalibrierphantom zur markerlosen Registrierung für navigationsgeführte Eingriffe an einem Objekt (P) aufweisend Marken (4), welche mit einem Positionserfassungssystem (30) erfassbar sind.

2. Röntgenkalibrierphantom nach Anspruch 1, welches zusätz­ lich röntgenpositive Marken (3) für die Ermittlung von Pro­ jektionsgeometrien eines um eine Achse (A) drehbaren Röntgen­ systems für die Rekonstruktion eines Volumendatensatzes auf­ weist.

3. Röntgenkalibrierphantom nach Anspruch 2, bei dem die mit dem Positionserfassungssystem (30) erfassbaren Marken (4) in einem ersten Bereich (1) und die röntgenpositiven Marken (3) in einem von dem ersten verschiedenen zweiten Bereich (2) des Röntgenkalibrierphantoms (RP) angeordnet sind.

4. Röntgenkalibrierphantom nach Anspruch 3, welches von zy­ linderförmiger Gestalt ist, wobei der erste Bereich (1) eine der Deckflächen und der zweite Bereich (2) die Mantelfläche des zylinderförmigen Röntgenkalibrierphantoms (RP) ist.

5. Röntgenkalibrierphantom nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die von dem Positionserfassungssystem (30) erfassba­ ren Marken (4) auf wenigstens einer an dem Röntgenkalibrier­ phantom (RP) befestigten Markerplatte (5) angeordnet sind.

6. Röntgenkalibrierphantom nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die röntgenpositiven Marken (3) helixförmig angeord­ net sind.

7. Verfahren zur markerlosen Registrierung für navigationsge­ führte Eingriffe unter Verwendung eines Positionserfassungs­ systems (30), eines Röntgengerätes (10) und eines Röntgenka­ librierphantoms (RP), wobei das Röntgengerät (10) und das Röntgenkalibrierphantom (RP) mit von dem Positionserfassungs­ system (30) erfassbaren Marken (4, 33) versehen sind, aufwei­ send folgende Verfahrensschritte:

• a) Ausrichtung des Röntgengerätes (10) und des Röntgenkalib­ rierphantom (RP) derart relativ zueinander, dass ein dem Röntgenkalibrierphantom (RP) zugeordnetes Koordinatensys­ tem O_P wenigstens im Wesentlichen mit einem Koordinaten­ system O_W eines zu rekonstruierenden Volumens eines im Zu­ ge einer späteren Objektmessung mit dem Röntgengerät (10) zu durchleutenden ersten Objektes (P) übereinstimmt oder dass die Lage der beiden Koordinatensysteme O_P und O_W re­ lativ zueinander bekannt oder in einfacher Weise ermit­ telbar ist,
• b) Bestimmung der Position und Lage des Koordinatensystems O_P des Röntgenkalibrierphantoms (RP) bzw. O_W des zu rekon­ struierenden Volumens und eines dem Röntgengerät (10) zu­ geordneten Koordinatensystems O_R, und
• c) Ermittlung der Transformationsbeziehung zwischen dem Ko­ ordinatensystem O_R des Röntgengerätes (10) und dem Koordi­ natensystem O_P des Röntgenkalibrierphantoms (RP) bzw. O_W des zu rekonstruierenden Volumens.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem mit dem Positionserfas­ sungssystem (30) die Position eines zweiten, relativ zu dem ersten Objekt (P) zu navigierenden Objektes (40) erfasst wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem eine Lagerungs­ vorrichtung (18) für das erste Objekt (P) vorgesehen ist, welche mit von dem Positionserfassungssystem (30) erfassbaren Marken (35) versehen ist, wobei mit dem Positionserfassungs­ system (30) die Position der Lagerungsvorrichtung (18) er­ fasst und eine Transformationsbeziehung zwischen einem der Lagerungsvorrichtung (18) zugeordneten Koordinatensystem O_L und dem Koordinatensystem O_P des Röntgenkalibrierphantoms (RP) bzw. O_W des zu rekonstruierenden Volumens ermittelt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem das erste Objekt (P) mit von dem Positionserfassungssystem (30) erfassbaren Marken (36) versehen ist, wobei mit dem Positi­ onserfassungssystem (30) die Position des ersten Objektes (P) erfasst und eine Transformationsbeziehung zwischen einem dem ersten Objekt (P) zugeordneten Koordinatensystem O_O und dem Koordinatensystem O_W des zu rekonstruierenden Volumens ermit­ telt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem das Röntgenkalibrierphantom (RP) zusätzlich zu den von dem Posi­ tionserfassungssystem (30) erfassbaren Marken (4) röntgenpo­ sitive Marken (3) aufweist, wobei zusätzlich eine Offline- Bestimmung der Projektionsgeometrien des Röntgengerätes (10) für die Rekonstruktion eines Volumendatensatzes von dem ers­ ten Objekt (P) aus aufgenommenen 2D-Projektionen von dem ers­ ten Objekt (P) erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Röntgenkalibrier­ phantom (RP) von zylinderförmiger Gestalt ist, wobei die röntgenpositiven Marken (3) helixförmig um die Mantelfläche (2) angeordnet sind und wenigstens eine der Deckflächen (1) mit den von dem Positionserfassungssystem (30) erfassbaren Marken (4) versehen ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei dem die von dem Positionserfassungssystem (30) erfassbaren Marken (4) jeweils auf einer an dem Röntgenkalibrierphantom (RP), dem Röntgengerät (10) bzw. der Lagerungsvorrichtung (18) befes­ tigten Markerplatte (5, 33, 35) angeordnet sind.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei dem das Röntgengerät ein verfahrbares C-Bogen-Röntgengerät (10) ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der C-Bogen (17) des Röntgengerätes (10) isozentrisch verstellbar ist.

16. Medizinisches System aufweisend ein Positionserfassungs­ system (30), ein Röntgengerät (10) und ein Röntgenkalibrier­ phantom (RP), wobei das Röntgengerät (10) und das Röntgenka­ librierphantom (RP) mit von dem Positionserfassungssystem (30) erfassbaren Marken (4) versehen sind, und wobei das Röntgengerät (10) und das Röntgenkalibrierphantom (RP) in ei­ nem Kalibriervorgang derart relativ zueinander ausrichtbar sind, dass mit Hilfe des Positionserfassungssystems (30) eine Transformationsbeziehung zwischen einem dem Röntgenkalibrier­ phantom (RP) einbeschriebenes Koordinatensystem O_P bzw. einem Koordinatensystem O_W eines zu rekonstruierenden Volumens ei­ nes in einer späteren Objektmessung mit dem Röntgengerät (10) zu durchleutenden Objektes (P) und einem dem Röntgengerät (10) zugeordneten Koordinatensystem O_R ermittelbar ist.

17. Medizinisches System nach Anspruch 16, aufweisend eine Lagerungsvorrichtung (18) für das Objekt (P), welche mit von dem Positionserfassungssystem (30) erfassbaren Marken (35) versehen ist, so dass mit dem Positionserfassungssystem (30) die Position der Lagerungsvorrichtung (18) erfassbar ist.

18. Medizinisches System nach Anspruch 16 oder 17, bei dem die von dem Positionserfassungssystem (30) erfassbaren Marken jeweils auf einer an dem Röntgenkalibrierphantom (RP), dem Röntgengerät (10) bzw. der Lagerungsvorrichtung (18) befes­ tigten Markerplatte (5, 33, 35) angeordnet sind.

19. Medizinisches System nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem das Röntgenkalibrierphantom (RP) zusätzlich zu den von dem Positionserfassungssystem (30) erfassbaren Marken (4) röntgenpositive Marken (3) aufweist.

20. Medizinisches System nach Anspruch 19, bei dem das Rönt­ genkalibrierphantom (RP) von zylinderförmiger Gestalt ist, wobei die röntgenpositiven Marken (3) helixförmig um die Man­ telfläche (2) angeordnet sind und wenigstens eine der Deckflächen (1) mit den von dem Positionserfassungssystem (30) erfassbaren Marken (4) versehen ist.

21. Medizinisches System nach einem der Ansprüche 16 bis 20, bei dem das Röntgengerät ein verfahrbares C-Bogen- Röntgengerät (10) ist.

22. Medizinisches System nach Anspruch 21, bei dem der C- Bogen (17) des Röntgengerätes (30) isozentrisch verstellbar ist.