DE10047382C2 - Röntgenkalibrierphantom, Verfahren zur markerlosen Registrierung für navigationsgeführte Eingriffe unter Verwendung des Röntgenkalibrierphantoms und medizinisches System aufweisend ein derartiges Röntgenkalibrierphantom - Google Patents
Röntgenkalibrierphantom, Verfahren zur markerlosen Registrierung für navigationsgeführte Eingriffe unter Verwendung des Röntgenkalibrierphantoms und medizinisches System aufweisend ein derartiges RöntgenkalibrierphantomInfo
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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 ver
einfachten 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 Vorsehen 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.
Erfindungsgemäß weist das Röntgenkalibrierphantom zusätzlich
röntgenpositive Marken für eine Offline-Bestimmung von Pro
jektionsgeometrien eines um eine Achse reproduzierbar drehba
ren Röntgensystems für die Rekonstruktion eines Volumendaten
satzes aus einer Serie von aus unterschiedlichen Projektions
richtungen mit dem Röntgensystem aufgenommenen 2D-
Projektionen auf. Mit dem Röntgenkalibrierphantom können dem
nach gleichzeitig in einer Offline-Prozedur, also vor einer
Objekt- bzw. Patientenmessung, Transformationsvorschriften
für die Navigation und die Projektionsgeometrien für ein
Röntgensystems, d. h. die Positionen der Röntgenstrahlenquelle
und des Röntgenstrahlenempfängers 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 ge
eigneten Röntgengerätes, beispielsweise eines verfahrbaren C-
Bogen-Röntgengerätes, die Voraussetzungen geschaffen, ohne
markerbehaftete Registrierung Navigation anhand von intra-
operativ erzeugten Volumendaten betreiben zu können.
Die mit einem Positionserfassungssystem erfassbaren Marken
sind dabei in einem ersten Bereich und die röntgenpositiven
Marken in einem von dem ersten verschiedenen zweiten Bereich
des Röntgenkalibrierphantoms angeordnet, so dass die Ermitt
lung der Transformationsvorschriften für die Navigation nicht
negativ durch die röntgenpositiven Marken bzw. die Ermittlung
der Projektionsgeometrien nicht negativ durch die von dem Po
sitionserfassungssystem 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.
Aus der US 5,442,674 ist im Übrigen ein Röntgenkalibrierphan
tom bekannt, welches zur Ermittlung von Projektionsgeometrien
eines Röntgensystems eine helixförmige Anordnung von röntgen
positiven Marken aufweist.
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 durchleuchtenden ersten Objektes übereinstimmt oder dass die Lage der bei den Koordinatensysteme relativ zueinander bekannt oder in einfacher Weise ermittelbar ist,
- b) Bestimmung der Position und Lage des Koordinatensystems des Röntgenkalibrierphantoms bzw. des zu rekonstruierenden Volumens und eines dem Röntgengerät zugeordneten Koordina tensystems mit dem Positionserfassungssystem, und
- c) Ermittlung der Transformationsbeziehung zwischen dem Koor dinatensystem des Röntgengerätes und dem Koordinatensystem des Röntgenkalibrierphantoms bzw. des zu rekonstruierenden 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 Rönt
gengerät und das Röntgenkalibrierphantom mit von dem Positi
onserfassungssystem erfassbaren Marken versehen sind, und wo
bei das Röntgengerät und das Röntgenkalibrierphantom in einem
Kalibriervorgang derart relativ zueinander ausrichtbar sind,
dass mit Hilfe des Positionserfassungssystems eine Transfor
mationsbeziehung zwischen einem dem Röntgenkalibrierphantom
einbeschriebenes Koordinatensystem bzw. einem Koordinatensys
tem eines zu rekonstruierenden Volumens eines in einer späte
ren Objektmessung mit dem Röntgengerät zu durchleuchtenden
Objektes und einem dem Röntgengerät zugeordneten Koor
dinatensystem 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 Röntgenka
librierphantom 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 OW 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 OR, der an der Patientenlagerungsvorrich
tung 18 angeordneten Markerplatte 35 ist das Koordinatensys
tem OL, dem Kamerasystem des Positionserfassungssystems 30
ist das Koordinatensystem OS und dem Röntgenkalibrierphantom
RP ist das Koordinatensystem OP 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 OP wenigstens im Wesent
lichen mit dem Koordinatensystem OW 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 OP des Röntgenkalibrierphantoms RP und des Koor
dinatensystems OW 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 OP des Röntgenkalibrierphantoms RP bei der Offli
ne-Prozedur im beispielsweise mittels Laserstrahlen kennzei
chenbaren Isozentrum IZ des C-Bogens 17 bzw. dass bei Patien
tenmessungen der Ursprung des Koordinatensystems OW 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
OP des Röntgenkalibrierphantoms RP und somit dem Koordinaten
system OW des später zu rekonstruierenden Volumens und dem
Koordinatensystem OR 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 OW relativ zu
dem C-Bogen-Röntgengerät 10, welche der Ausrichtung des Koor
dinatensystems OP bei der Offline-Prozedur entspricht, eine
Transformationsbeziehung zwischen dem Koordinatensystem OW
des zu rekonstruierenden Volumens des Patienten P und dem Ko
ordinatensystem OS 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 OR des C-Bogen-Röntgengerätes 10 und dem Koordinaten
system OP des Röntgenkalibrierphantoms RP bzw. dem Koordina
tensystem OW des zu rekonstruierenden Volumens zu ermitteln.
Wird schließlich mit Hilfe des Positionserfassungssystems 30
die Position des Instrumentes 40 in dem Koordinatensystems OS
bestimmt, kann aufgrund der bekannten Transformationsbezie
hung zwischen dem Koordinatensystem OS des Positionserfas
sungssystems und dem Koordinatensystem OW des zu rekonstruie
renden Volumens ein Abbild des Instrumentes 40 in das zu re
konstruierende 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 OP des Röntgen
kalibrierphantoms RP bzw. dem Koordinatensystem OW des zu re
konstruierenden Volumens und dem Koordinatensystem OL 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 OP des Röntgenkalibrierphantoms RP bzw. dem
Koordinatensystem OW des zu rekonstruierenden Volumens und
dem Koordinatensystem OL der Patientenlagerungsvorrichtung 18
die Transformationsbeziehung zwischen dem Koordinatensystem
OS des Positionserfassungssystems 30 und dem Koordinatensys
tem OW 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 OS des Positionserfassungssystems 30 und
dem Koordinatensystem OW 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
OO und dem Koordinatensystem OW 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 OS des Positionserfas
sungssystems und dem Koordinatensystem OW des zu rekonstruie
renden bzw. bereits rekonstruierten Volumens basierend auf
der ermittelten Transformationsbeziehung zwischen dem Koordi
natensystem OO des Patienten P und dem Koordinatensystem OW
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. Vielmehr kann das Röntgenka
librierphantom auch eine andere geeignete Gestalt aufweisen.
Das Positionserfassungssystem muss nicht notwendigerweise ein
optisches Positionserfassungssystem sein. Vielmehr kommen
auch elektromagnetische oder andere bekannte Positionserfas
sungssystem in Frage.
Claims (20)
1. Röntgenkalibrierphantom aufweisend röntgenpositive Marken
(3) für die Ermittlung von Projektionsgeometrien eines um ei
ne Achse (A) drehbaren Röntgensystems für die Rekonstruktion
eines Volumendatensatzes und von den röntgenpositiven Marken
(3) verschiedene, mit einem Positionserfassungssystem (30)
erfassbare Marken (4) zur markerlosen Registrierung für navi
gationsgeführte Eingriffe an einem Objekt (P), wobei 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.
2. Röntgenkalibrierphantom nach Anspruch 1, 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.
3. Röntgenkalibrierphantom nach Anspruch 1 oder 2, bei dem
die von dem Positionserfassungssystem (30) erfassbaren Marken
(4) auf wenigstens einer an dem Röntgenkalibrierphantom (RP)
befestigten Markerplatte (5) angeordnet sind.
4. Röntgenkalibrierphantom nach Anspruch 1 bis 3, bei dem die
röntgenpositiven Marken (3) helixförmig angeordnet sind.
5. 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 OP wenigstens im Wesentlichen mit einem Koordinaten system OW eines zu rekonstruierenden Volumens eines im Zu ge einer späteren Objektmessung mit dem Röntgengerät (10) zu durchleuchtenden ersten Objektes (P) übereinstimmt o der dass die Lage der beiden Koordinatensysteme OP und OW relativ zueinander bekannt oder in einfacher Weise ermit telbar ist,
- b) Bestimmung der Position und Lage des Koordinatensystems OP des Röntgenkalibrierphantoms (RP) bzw. OW des zu rekon struierenden Volumens und eines dem Röntgengerät (10) zu geordneten Koordinatensystems OR, und
- c) Ermittlung der Transformationsbeziehung zwischen dem Ko ordinatensystem OR des Röntgengerätes (10) und dem Koordi natensystem OP des Röntgenkalibrierphantoms (RP) bzw. OW des zu rekonstruierenden Volumens.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem mit dem Positionserfas
sungssystem (30) die Position eines zweiten, relativ zu dem
ersten Objekt (P) zu navigierenden Objektes (40) erfasst
wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, 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 OL
und dem Koordinatensystem OP des Röntgenkalibrierphantoms
(RP) bzw. OW des zu rekonstruierenden Volumens ermittelt
wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, 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 OO und dem
Koordinatensystem OW des zu rekonstruierenden Volumens ermit
telt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, 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.
10. Verfahren nach Anspruch 9, 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.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, 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.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, bei dem das
Röntgengerät ein verfahrbares C-Bogen-Röntgengerät (10) ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der C-Bogen (17) des
Röntgengerätes (10) isozentrisch verstellbar ist.
14. 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 OP bzw. einem
Koordinatensystem OW eines zu rekonstruierenden Volumens ei
nes in einer späteren Objektmessung mit dem Röntgengerät (10)
zu durchleuchtenden Objektes (P) und einem dem Röntgengerät
(10) zugeordneten Koordinatensystem OR ermittelbar ist.
15. Medizinisches System nach Anspruch 14, 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.
16. Medizinisches System nach Anspruch 14 oder 15, 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.
17. Medizinisches System nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
bei dem das Röntgenkalibrierphantom (RP) zusätzlich zu den
von dem Positionserfassungssystem (30) erfassbaren Marken (4)
röntgenpositive Marken (3) aufweist.
18. Medizinisches System nach Anspruch 17, 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 Deck
flächen (1) mit den von dem Positionserfassungssystem (30)
erfassbaren Marken (4) versehen ist.
19. Medizinisches System nach einem der Ansprüche 14 bis 18,
bei dem das Röntgengerät ein verfahrbares C-Bogen-Röntgen
gerät (10) ist.
20. Medizinisches System nach Anspruch 19, bei dem der C-
Bogen (17) des Röntgengerätes (30) isozentrisch verstellbar
ist.
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