DE10109310A1 - Three-dimensional tracking of probe needles, biopsy needles or surgical instruments using a CT or MRT system with improved tracking provided by undertaking a calibration step using an infrared light source calibration frame - Google Patents
Three-dimensional tracking of probe needles, biopsy needles or surgical instruments using a CT or MRT system with improved tracking provided by undertaking a calibration step using an infrared light source calibration frameInfo
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Abstract
Description
Bei der Biopsie (Entnahme von Gewebeproben), Bestrahlung (Brachytherapie), Lasertherapie und Kältetherapie (Kryotherapie) werden Sonden unter der Kontrolle eines Computertomogramms (CT) im Tumorgewebe positioniert. Sowohl der richtige Einstichkanal (Position und Richtung der Sonden) als auch die Sondenverteilung im Tumor sind für die Qualität der Therapie entscheidend.For biopsy (taking tissue samples), radiation (brachytherapy), Laser therapy and cold therapy (cryotherapy) are probes under control a computer tomogram (CT) positioned in the tumor tissue. Both the right one Puncture channel (position and direction of the probes) as well as the probe distribution in the Tumor are crucial for the quality of the therapy.
Zur Zeit erfolgt die CT-gestützte Sondenpositionierung meist nur innerhalb einer zwei dimensionalen Schnittebene eines dreidimensionalen CTs. Hierzu erhält der Patient eine CT-Untersuchung in der Region des Tumors, durch die ein dreidimensionaler Bilddatensatz aufgenommen wird. Aus diesem Datensatz wird ein günstiger zweidimen sionaler Schnitt durch den Tumor gesucht, in der die Sonde positioniert werden soll. Danach erfolgt eine schrittweise Positionierung der Sonde innerhalb dieses Schnittes, wobei jeder Schritt erneut mit einem CT-Schnitt kontrolliert werden muß.At the moment, CT-supported probe positioning is usually only carried out within two dimensional section plane of a three-dimensional CT. The patient receives one for this CT examination in the region of the tumor, through which a three-dimensional Image data record is recorded. This data set turns into an inexpensive two-dim sought for a section through the tumor in which the probe is to be positioned. Then the probe is gradually positioned within this section, each step must be checked again with a CT scan.
Die dreidimensionale Positionsmessung im Raum wird zur Zeit mit Hilfe mechanischer, elektromagnetischer, infrarot- und lasergeführten Meßsystemen in der computergestützten Navigation durchgeführt [1]. Häufig erfolgt die Positionsmessung der Patienten anhand externer Referenzsysteme mit einem stereotaktischen Rahmen. Bei der mechanischen Messung wird die Position eines chirurgischen Instrumentes, z. B. einer Sondenspitze, über einen Meßarm bestimmt, dessen Gelenke die Bewegung eines am Meßarm fixierten chirurgischen Instrumentes in allen 6 Freiheitsgraden ermöglichen [2, 3]. Aus den Meßdaten der Gelenkstellung des Meßarms kann im Submillimeterbereich auf die Position des Instruments geschlossen werden. Problematisch ist bei dieser Meßtechnik sowohl der eingeschränkte Bewegungsfreiraum des Meßarms als auch die rückwirkenden Kräfte durch die Mechanik. Beides ist durch die Konstruktion vorgegeben.The three-dimensional position measurement in space is currently using mechanical, electromagnetic, infrared and laser-guided measuring systems in the computer-aided navigation performed [1]. Position measurement is often carried out of patients using external reference systems with a stereotactic framework. In the mechanical measurement, the position of a surgical instrument, e.g. B. a probe tip, determined by a measuring arm, the joints of which move a surgical instrument attached to the measuring arm in all 6 degrees of freedom enable [2, 3]. From the measurement data of the articulated position of the measuring arm, Submillimeter range on the position of the instrument. The problem with this measuring technique is both the limited freedom of movement of the measuring arm as well as the retroactive forces from the mechanics. Both are through the construction specified.
Bei einer elektromagnetischen Positionsmessung werden ein Sender und ein Sensor be nötigt. Der Sender erzeugt ein dynamisches oder ein statisches Magnetfeld. Im Sensor befinden sich drei elektromagnetische Spulen in orthogonaler Anordnung. Die induzierten Spulenströme lassen sich als Funktion der Position und der Orientierung des Sensors in Bezug auf das vom Sender erzeugte Magnetfeld darstellen. Sofern im Bereich der Umgebung von Sender und Sensor keine Materialien mit magnetischen Eigenschaften vorhanden sind, kann die Raumposition des Sensors mit einer Genauigkeit von ungefähr ±1 mm festgestellt werden. Es stehen drei unterschiedliche elektromagnetische Positionsmeßsysteme zur Verfügung [4, 5, 6]. Da größere magnetische Bauteile wie z. B. der Operationstisch, der CT-Tisch oder auch Konstruktionselemente der Gebäude zu einer Magnetfelddistorsion führen können [7], ist der Einsatz dieser Systeme an besondere bauliche oder einrichtungsmäßige Maßnahmen gebunden, die zunächst nicht vorhanden sind und erst geschaffen werden müssen.An electromagnetic position measurement involves a transmitter and a sensor forces. The transmitter generates a dynamic or a static magnetic field. In the sensor there are three electromagnetic coils in an orthogonal arrangement. The induced coil currents can be calculated as a function of the position and orientation of the Represent sensors in relation to the magnetic field generated by the transmitter. If in Area around the transmitter and sensor no materials with magnetic Properties exist, the spatial position of the sensor can be changed Accuracy of approximately ± 1 mm can be determined. There are three different ones electromagnetic position measuring systems are available [4, 5, 6]. Because bigger magnetic components such as B. the operating table, the CT table or Construction elements of the buildings can lead to magnetic field distortion [7], is the use of these systems on special structural or furnishings Measures are bound that do not exist at first and will only be created have to.
Infrarotmeßsysteme können die Positionen von Infrarotleuchtdioden im Raum messen. Durch die Befestigung von drei Dioden am chirurgischen Instrument können deren Positionen von mindestens zwei infrarotempfindlichen Kameras im Submillimeterbereich bestimmt werden. Diese Technik wird hauptsächlich in der Neurochirurgie als auch in der Mundkiefer- und Gesichtschirurgie zur Navigation angewendet [8, 9, 10].Infrared measuring systems can measure the positions of infrared LEDs in the room. By attaching three diodes to the surgical instrument, their Positions of at least two infrared sensitive cameras in the Submillimeter range can be determined. This technique is mainly used in the Neurosurgery as well as in oral and facial surgery for navigation applied [8, 9, 10].
Alle drei beschriebenen Meßmethoden (mechanisch, elektromagnetisch und infrarot) sind in Navigationssystemen integriert, die eine Navigation außerhalb des CT- Aufnahmeraums am "virtuellen Patienten", d. h. an einem dreidimensionalen CT- oder MR-Volumendatensatz, ermöglichen. Voraussetzung hierzu ist eine genaue Positionskorrelation des Volumendatensatzes und des Navigationssystems. Diese Korrelation wird in der Regel anhand von anatomischen Landmarkern durchgeführt, deren Positionen am Patienten vermessen und in den CT- oder MR-Datensätzen registriert werden. Durch die Kenntnis der Raumpositionen der Landmarker am Patienten und in den Bilddatensätzen kann eine Transformationsvorschrift erstellt werden, die es ermöglicht, weitere gemessene Positionen, z. B. solche von chirurgischen Instrumenten, in den dreidimensionalen Bilddatensätzen darzustellen. Zur Zeit wird dieser Vorgang manuell durch den Anwender ausgeführt, der mit einem Meßfühler sowohl Landmarker am Patienten messen als auch in den Bilddatensätzen identifizieren und markieren muß.All three measurement methods described (mechanical, electromagnetic and infrared) are integrated in navigation systems that allow navigation outside the CT Recording room on the "virtual patient", d. H. on a three-dimensional CT or MR volume data set, enable. Precondition for this is an exact one Position correlation of the volume data set and the navigation system. This Correlation is usually done using anatomical landmarks, measure their positions on the patient and in the CT or MR data sets be registered. By knowing the spatial positions of the landmarks on A transformation rule can be created for patients and in the image data sets be, which allows further measured positions, e.g. B. those of surgical Instruments to represent in the three-dimensional image data sets. Currently is this process is carried out manually by the user using a sensor Measure landmarks on the patient as well as identify them in the image data sets and must mark.
Den vorgenannten Meßmethoden gegenüber wird die lasergestützte Punktion direkt am Computertomographen ohne "virtuellen Patienten" durchgeführt. Nachdem mehrere CT-Schnitte der Tumorregion erzeugt wurden, wird nun ein gewünschter Einstichkanal in den CT-Schnitten vorgegeben. Das System liefert nun die Einstellparameter eines Laserzeigers, der einen Leuchtpunkt (Laserstrahl) auf die Patientenoberfläche projiziert. Dieser stellt den Einstichpunkt der Sonde dar. Nach der Positionierung der Sondenspitze kann deren Orientierung so ausgerichtet werden, daß der Laserpunkt auch das Sondenende trifft. Jetzt entspricht die Sondenachse dem Laserzeiger und somit der Orientierung des gewünschten Einstichkanals. Die Einstichtiefe muß aber vorher manuell auf der Sonde eingezeichnet werden.The above-mentioned measuring methods are compared to the laser-assisted puncture Computer tomographs performed without "virtual patients". After several CT sections of the tumor region were created, now becomes a desired puncture channel specified in the CT sections. The system now provides the setting parameters for one Laser pointer that places a red dot (laser beam) on the patient's surface projected. This represents the puncture point of the probe. After positioning the Probe tip can be oriented so that the laser point too the probe end hits. Now the probe axis corresponds to the laser pointer and thus the Orientation of the desired puncture channel. The penetration depth must be done beforehand be drawn manually on the probe.
Der Nachteil dieser Technik ist, daß sie sich nur zur Positionierung einer Sonde direkt am Computertomographen eignet. Von Vorteil ist hierbei, daß keine Korrelation von Landmarkern am Patienten und deren Bildpunkten erfolgen muß. Voraussetzung hierzu ist aber die konstante Lage des Patienten auf dem CT-Tisch während des gesamten Vorgehens, was aber in der Regel nicht gegeben ist.The disadvantage of this technique is that it can only be used to position a probe directly on a computer tomograph. The advantage here is that there is no correlation of Landmarks on the patient and their pixels must be made. Prerequisite for this but is the constant position of the patient on the CT table throughout Procedure, which is usually not the case.
Eine Weiterentwicklung dieser Technik stellt ein mechanischer Arm mit einer Punktionssonde der Fa. Picker dar, der fest mit dem Computertomographen verbunden ist. Zunächst erfolgt eine CT-Aufnahme der Tumorregion. Durch die Positionsbestimmung der Sonde durch die Armeinstellung und durch die Kenntnis der durchgeführten CT-Schnittpositionen, die durch die Tischposition definiert wird, ist bei einer konstanten Patientenlage eine automatische Sondenpositionierung möglich [11]. Wenn die Konstanz der Patientenlage beim Punktieren nicht gewährleistet ist, müssen zwischenzeitlich neue CT-Aufnahmen zur Kontrolle der aktuellen Sondenposition durchgeführt werden.A mechanical arm with a further development of this technique Puncture probe from the Picker company, which is firmly connected to the computer tomograph is. First, a CT scan of the tumor region is made. Through the Position determination of the probe by arm adjustment and by knowing the performed CT cutting positions, which is defined by the table position, is at automatic probe positioning possible when the patient position is constant [11]. If the patient position is not guaranteed to be constant when puncturing, in the meantime new CT images to check the current probe position be performed.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein stereooptisches und dadurch von magnetischen oder elektromagnetischen Einflüssen freies System zur freihandgeführten, Computergestützten Navigation von chirurgischen Instrumenten oder Sonden in räumlicher Beziehung zu in CT- oder MR-Tomogrammen visualisierbaren und lokalisierbaren Organen, Gefäßen, sonstigen Gewebestrukturen und Risikostrukturen von Patienten zum Zweck einer einfachen und schnellen Applikation unter in Tomogrammschnittbildern dargestellter visueller Kontrolle der Navigationsbewegung und der geführten Instrumenten- oder Sondenrichtung bei weitgehend interaktionsfreien Kalibrierung des Aufnahmesystems, des Führungssystems der Instrumente oder Sonden, der Instrumenten- oder Sondenlänge und der räumlichen Zuordnung bezogen auf die Patientenlage zu betreiben.The present invention has for its object a stereo optical and system free from magnetic or electromagnetic influences hands-free, computer-aided navigation of surgical instruments or probes spatially related to in CT or MR tomograms organs, vessels, other tissue structures that can be visualized and localized Risk structures of patients for easy and quick application under visual control of the Navigation movement and the guided instrument or probe direction largely interaction-free calibration of the recording system, the Guiding system of the instruments or probes, the instrument or probe length and the spatial assignment based on the patient situation.
Ziel dieses Vorgehens ist die Unterstützung des Arztes bei der Biopsie oder Sondenpositionierung im Tumor mit Hilfe eines CT-gestützten Navigationssystems, für das zunächst das neue Meßverfahren entwickelt wird. Vor der Sondenpositionierung wird mit einem CT ein Volumendatensatz der Tumorregion erzeugt und die so aufgenommenen Bilddaten über eine definierte Schnittstelle vom CT zu dem Navigationssystem gesendet. Es erfolgt eine automatische Registrierung der Position des Tumors anhand der Messung der Raumposition von Landmarkern auf dem fixierten Patienten nach einer neuen Methode mit dem vorgestellten System. Danach wird die Navigation der Sonden durch die neuartige stereographische Meßmethode der Raumposition der Sondenspitze und eine Anzeige der zweidimensionalen Schnittebene durch den Volumenbilddatensatz, die durch die Sondenposition und -richtung definiert wird, ermöglicht. Die genannten Nachteile der bekannten Verfahren, keine freie Navigation wie bei der mechanischen Ausführung, keine Störungen durch magnetische Beeinflussung von Gebäudekonstruktionen oder Einrichtungen wie bei elektromagnetischen Verfahren, manuelle Ermittlung von Raumpositionen wie bei den zur Zeit angewandten Infrarot-Verfahren, Markierung der Einstichtiefe der Sonden wie bei den lasergestützten Verfahren und die Voraussetzung einer konstanten Patientenlage sollen vermieden werden.The aim of this procedure is to support the doctor with the biopsy or Probe positioning in the tumor using a CT-based navigation system, for that the new measuring method is first developed. Before positioning the probe a volume data set of the tumor region is generated with a CT and the like captured image data via a defined interface from the CT to the Navigation system sent. The position is automatically registered of the tumor based on the measurement of the spatial position of landmarks on the fixed Patients using a new method with the presented system. After that the Navigation of the probes through the new stereographic measuring method of the Position of the probe tip and a display of the two-dimensional cutting plane by the volume image data set, which is defined by the probe position and direction is made possible. The disadvantages of the known methods mentioned, not free Navigation as with the mechanical version, no interference from magnetic Influencing building constructions or facilities as with electromagnetic method, manual determination of spatial positions as in the currently used infrared method, marking the penetration depth of the probes such as with laser-assisted procedures and the prerequisite for a constant patient position should be avoided.
Zur Lösung der oben angegebenen Aufgabenstellung wird als Tracking-Sensor ein Stereokamerasystem, bestehend aus mindestens zwei CCD-Videokameras, verwendet. Die Kameras werden mit geneigten optischen Achsen für die Überwachung des Arbeitsraumes auf der Patientenliege eingesetzt. Zur Unterdrückung des für die Kameras empfindlichen Wellenlängenbereichs mit Ausnahme des nahen Infrarotbereichs werden die Videokameras mit entsprechenden optischen Langpassfiltern ausgerüstet. Durch die Anordnung mit geneigten optischen Achsen schließt das Kalibriermuster keinen rechten Winkel mit den optischen Achsen ein. Daher ist kein Multiplane-Verfahren sondern ein Singleplane-Verfahren für die Kalibrierung der Kameraparameter ausreichend.To solve the task specified above, a tracking sensor is used Stereo camera system consisting of at least two CCD video cameras. The cameras come with inclined optical axes for monitoring the Workspace used on the patient table. To suppress the for the Cameras sensitive wavelength range with the exception of the near one The video cameras are equipped with appropriate optical infrared Long pass filters equipped. Due to the arrangement with inclined optical axes the calibration pattern does not include a right angle with the optical axes. Therefore, it is not a multiplane process but a single plane process for the Calibration of the camera parameters sufficient.
Die Kalibrierung des Stereokamerasystems bezüglich der Lage und der Orientierung der Kameras im Raum, der Bildweiten der Objektive und einer möglichen radialsymmetri schen Verzerrung der Abbildungen durch die Objektive wird durch ein Kalibriermuster nach dem Singleplane-Verfahren durchgeführt [12-15].The calibration of the stereo camera system with regard to the position and orientation of the Cameras in the room, the image width of the lenses and a possible radial symmetry The distortion of the images caused by the lenses is determined by a calibration pattern carried out according to the single plane procedure [12-15].
Zur freihändigen Instrumenten- oder Sondenführung dient ein mit mindestens drei im infraroten Wellenlängenbereich emittierenden Leuchtdioden bestückter Instrumenten- oder Sondenhalter (Abb. 3 und 4) als Sender, im folgenden Tracker genannt. Die Tracker werden in zwei verschiedenen Ausführungen hergestellt. Die unterschiedlichen Ausführungen dienen zur lateralen (Abb. 3) oder dorsalen/ventralen (Abb. 4) Applikation von Biopsienadeln. Die Anordnungen der Leuchtdioden dürfen keine Rotationssymmetrie bezüglich der Biopsienadelachsen enthalten.For hands-free instrument or probe guidance, an instrument or probe holder ( Fig. 3 and 4) equipped with at least three light emitting diodes emitting in the infrared wavelength range ( Fig. 3 and 4) serves as a transmitter, hereinafter referred to as the tracker. The trackers are manufactured in two different versions. The different versions are used for the lateral ( Fig. 3) or dorsal / ventral ( Fig. 4) application of biopsy needles. The arrangement of the light emitting diodes must not contain any rotational symmetry with respect to the biopsy needle axes.
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1. Die genauen Positionen der Leuchtdioden werden aus deren Abbildungen gewichtet
mit einer Funktion der Helligkeitsverteilung abzüglich eines zu definierenden
Schwellenwertes zur Segmentation des Hintergrundes mit mathematischen Verfahren
berechnet. Dabei wird die Position der Leuchtdiode PLED als gewichteter
Schwerpunkt
bestimmt, wobei die Wichtungsfunktion w(xi) = (h(xi) - S)2
als quadratische Funktion der Helligkeitswerte h(xi), die größer als eine vordefinierte Schwelle S sind, definiert. Durch die automatische Bestimmung der aktuellen Position der Leuchtflecke der Leuchtdioden am Führungssystem durch ein mathematisches Modell entfällt eine Zeit- und geräteaufwendige manuelle Vermessung der aktuellen Positionen der Leuchtflecken der Dioden, die aus fertigungstechnischen Gründen nicht genau bekannt sind. Die genauen Positionen der Leuchtflecke gehen in die Genauigkeit der dreidimensionalen Positionsbestimmung ein.1. The exact positions of the light-emitting diodes are weighted from their images using a function of the brightness distribution minus a threshold value to be defined for segmenting the background using mathematical methods. The position of the light-emitting diode P LED is used as the weighted focus
with the weighting function w (x i ) = (h (x i ) - S) 2
as a quadratic function of the brightness values h (x i ), which are greater than a predefined threshold S. The automatic determination of the current position of the light spots of the light emitting diodes on the guide system by means of a mathematical model eliminates the time and device-consuming manual measurement of the current positions of the light spots of the diodes, which are not exactly known for reasons of production technology. The exact positions of the light spots are included in the accuracy of the three-dimensional position determination. -
2. Die Kalibrierung des Führungssystems der chirurgischen Instrumente oder Sonden
erfolgt in einem iterativen Verfahren automatisch. Ausgehend von Startwerten, die
die ungefähre Position der Leuchtdioden am Tracker, nicht jedoch den eigentlichen
Leuchtfleck beschreiben, wird für alle möglichen Korrespondenzen der Positionen
der Leuchtflecke im rechten und im linken Stereobild aus einem Fehlermaß die
richtige Korrespondenz ausgewählt und die genauen relativen Positionen der
Leuchtflecken untereinander festgelegt. Es entfällt daher eine genaue mechanische
Vermessung der Geometrie des Führungssystems und der Leuchtflecke der
Leuchtdioden.
Hierfür wird der Tracker mathematisch als eine geordnete Menge von n Punkten im Raum modelliert: T = {Ti|Ti ∈ R3, i = 1, . . . n} Jeder der Punkte Ti entspricht einer IR-LED am Tracker. Damit können dem Tracker zwei Eigenschaften zugeordnet werden:- 1. seine Geometrie, d. h. die relativen Positionen der Punkte Ti untereinander unabhängig von deren absoluten Positionen, und
- 2. seine Lage im Raum, d. h. die absoluten Positionen der Punkte Ti.
Bedingt durch den mechanischen Aufbau des Trackers und bedingt durch die Verwendung handelsüblicher IR-LEDs mit nicht bekanntem inneren Aufbau ist eine exakte Vermessung des Trackers nicht möglich. Daher werden die Tracker nach dem neu entwickelten Verfahren kalibriert. Hierzu werden die ungefähren Abstände der LED-Positionen untereinander definiert.
Aus den beiden Stereobildern wird die vorgegebene Anzahl von n LED-Positionen extrahiert (l1. . .ln für das linke, r1. . .rn für das rechte Kamerabild). Da keine Korrespondenzen der LED-Positionen in den Stereobildern bekannt sind, werden alle Kombinationen an Zuordnungen {l1. . .ln } → { r1. . .rn} gebildet und versucht, durch Triangulation die dreidimensionalen Weltkoordinaten der LED-Positionen zu berechnen. Eine Reihe dieser Zuordnungen ergeben keinen Schnittpunkt oder Näherung der Projektionsstrahlen einzelner LED-Positionen innerhalb einer vorgegebenen Grenze von 1 mm und fallen aus der weiteren Betrachtung heraus. Alle nun noch potentiell möglichen Korrespondenzen ergeben eine Menge τ an Trackerformen und -positionen im Raum, die durch P(τ) = {Pi|Pi ∈ R3, i = 1, . . . n} bezeichnet seien. Alle Kombinationen an Zuordnungen der Pi aus P(τ) auf Ti aus T werden gebildet und ein Fehlermaß
mit
d T|k = ||Tk - Tk+1|| Abstände zweier LEDs mit aufsteigendem Index k aus T,
d P|k = ||Pk - Pk+1|| Abstände zweier LEDs mit aufsteigendem Index k aus P(τ)
berechnet. Dasjenige P(τ), für das das Fehlermaß D minimal ist, beschreibt die richtige Korrespondenz τ der LEDs in den Stereobildern und bildet den Tracker optimal auf das Trackermodell T ab.
Dieses Verfahren wird automatisch mehrfach wiederholt und die jeweiligen Positionsdaten der LEDs gemittelt und daraus die als kalibriert angesehenen Positionen der LEDs bestimmt.2. The calibration of the guidance system of the surgical instruments or probes takes place automatically in an iterative process. Starting from initial values that describe the approximate position of the LEDs on the tracker, but not the actual light spot, the correct correspondence is selected for all possible correspondence between the positions of the light spots in the right and left stereo image and the exact relative positions of the light spots with each other established. There is therefore no need for an exact mechanical measurement of the geometry of the guide system and the light spots of the light-emitting diodes.
For this purpose, the tracker is modeled mathematically as an ordered set of n points in space: T = {T i | T i ∈ R 3 , i = 1,. , , n} Each of the points T i corresponds to an IR LED on the tracker. This allows two properties to be assigned to the tracker:- 1. its geometry, ie the relative positions of the points T i with each other regardless of their absolute positions, and
- 2. its position in space, ie the absolute positions of the points T i .
Due to the mechanical structure of the tracker and due to the use of commercially available IR LEDs with an unknown internal structure, an exact measurement of the tracker is not possible. The trackers are therefore calibrated using the newly developed method. For this purpose, the approximate distances between the LED positions are defined.
The specified number of n LED positions is extracted from the two stereo images (l 1 ... N for the left, r 1 .. R n for the right camera image). Since no correspondence of the LED positions in the stereo images is known, all combinations of assignments {l 1 . , .l n } → {r 1 . , .r n } and tries to calculate the three-dimensional world coordinates of the LED positions by triangulation. A number of these assignments do not result in an intersection or approximation of the projection beams of individual LED positions within a predetermined limit of 1 mm and are excluded from further consideration. All correspondences that are now potentially possible result in a set τ of tracker shapes and positions in space, which are determined by P (τ) = {P i | P i ∈ R 3 , i = 1,. , , n}. All combinations of assignments of P i from P (τ) to T i from T are formed and an error measure
With
d T | k = || T k - T k + 1 || Distances between two LEDs with increasing index k from T,
d P | k = || P k - P k + 1 || Distances between two LEDs with increasing index k from P (τ)
calculated. That P (τ) for which the error measure D is minimal describes the correct correspondence τ of the LEDs in the stereo images and maps the tracker optimally to the tracker model T.
This process is automatically repeated several times and the respective position data of the LEDs are averaged and the positions of the LEDs which are considered to be calibrated are determined therefrom. -
3. Die Längen der chirurgischen Instrumente oder Sonden, soweit diese durch die
Entfernung eines definierten Punktes (z. B. die Instrumenten- oder Sondenspitze)
von dem Führungssystem festgelegt werden können, werden durch Tracken des
Führungssystems bei konstanter ortsfester Lage der Instrumenten- oder Sondenspitze
automatisch bestimmt. Dabei wird als Länge der Instrumente oder Sonden der
Radius einer Kugeloberfläche, die durch die Bewegung und durch das Tracking des
Führungssystems ermittelt wird, bestimmt. Die Orientierung der Instrumenten oder
Sonden im Raum ergibt sich dann aus einer geometrische Modellierung der
Instrumente, deren bekannten Befestigungspunkten im Führungssystem und der nun
bekannten Position der Instrumenten- oder Sondenspitze in Bezug auf das
Führungssystem.
Für die Modellierung der Sonde wird vorausgesetzt, daß sich diese als mathematische Gerade gN : x = N + λ m beschreiben läßt, wobei N ein Basispunkt auf der Geraden, m die Geradenrichtung und λ ein freier Parameter ist. Damit kann die Sondenspitze NS als ein Punkt auf der Sondengeraden gN angesehen werden.
Für die Kalibrierung der Sonde wird der Tracker bei in einem Punkt fixierter Sondenspitze bewegt und die Trackerposition bestimmt. Die Berechnung hierzu wird entsprechend dem unter Punkt 2 beschriebenen Verfahren durchgeführt. Zusätzlich werden zur Positionsbestimmung des Trackers alle einzelnen LED-Positionen mit der gleichen Transformationsgleichung optimal auf das gegebene Trackermodell T transformiert. Dadurch gehen bei der Verwendung von mehr als 3 LEDs am Tracker alle verfügbaren Informationen in die Positionsberechnung des Trackers mit ein. Da die Bewegung des Trackers bei mindestens vier nicht in einer Ebene liegenden Positionen eine Kugeloberfläche definiert (Abb. 5), kann nun der Mittelpunkt dieser Kugel durch eine Ausgleichsrechnung aller erkannten Trackerpositionen berechnet und dieser in ein dem Tracker zugeordneten Koordinatensystem transformiert werden. Dieser Punkt definiert eine Sondenspitze und liegt auf der Sondengeraden. Variiert man die Position der Sondenspitze bezüglich des Tracker- Koordinatensystems, d. h. man verschiebt die Sonde in der Halterung am Tracker, und wiederholt das oben beschriebene Verfahren, so erhält man eine Anzahl M an Positionen der Sondenspitze NSi mit i = 1 . . . M, aus der man nun die Sondengerade gN durch eine Ausgleichsgerade x = No + λ mN darstellt, für die die Fehlersumme der euklidischen Abstände der Punkte NSi zur Geraden gN minimal ist. Eine zeitaufwendige Messung der Instrumenten- oder Sondenlänge entfällt, das eventuell notwendige Einzeichnen der Einstichtiefe auf den Sonden entfällt, Abweichungen der Geometrie der Instrumente oder Sonden von der vorgegebenen Form wird durch die Art der Kalibrierung erfaßt.3. The lengths of the surgical instruments or probes, insofar as these can be determined by the distance of a defined point (eg the instrument or probe tip) from the guide system, are determined by tracking the guide system with the instrument or probe tip in a constant, fixed position automatically determined. The radius of a spherical surface, which is determined by the movement and by tracking of the guide system, is determined as the length of the instruments or probes. The orientation of the instruments or probes in space then results from a geometric modeling of the instruments, their known attachment points in the guide system and the now known position of the instrument or probe tip in relation to the guide system.
For the modeling of the probe it is assumed that it can be described as a mathematical straight line g N : x = N + λ m, where N is a base point on the straight line, m is the straight line direction and λ is a free parameter. The probe tip N S can thus be regarded as a point on the probe line g N.
For the calibration of the probe, the tracker is moved with the probe tip fixed at one point and the tracker position is determined. The calculation for this is carried out according to the procedure described under point 2. In addition, in order to determine the position of the tracker, all individual LED positions are optimally transformed to the given tracker model T using the same transformation equation. As a result, when using more than 3 LEDs on the tracker, all available information is included in the position calculation of the tracker. Since the movement of the tracker defines a spherical surface for at least four positions that are not in one plane ( Fig. 5), the center point of this sphere can now be calculated by means of a compensation calculation of all recognized tracker positions and transformed into a coordinate system assigned to the tracker. This point defines a probe tip and lies on the probe line. Varying the position of the probe tip with respect to the tracker coordinate system, ie moving the probe in the holder on the tracker, and repeating the process described above, one obtains a number M of positions of the probe tip N Si with i = 1. , , M, from which the probe line g N is now represented by a compensating line x = No + λ m N , for which the error sum of the Euclidean distances of the points N Si from the line g N is minimal. A time-consuming measurement of the length of the instrument or probe is omitted, there is no need to draw the penetration depth on the probes, deviations in the geometry of the instruments or probes from the specified shape are recorded by the type of calibration. -
4. Die Korrespondenz der chirurgischen Instrumente oder Sonden zur Position des
Patienten wird durch eine weitere Kalibrierung vorgenommen. Dabei werden
Infrarotleuchtdioden als Landmarker, die sich an dem in einer definierten Lage
fixierten Patienten befinden, verwendet. Die Leuchtdioden können sowohl in den
Volumenbilddaten der Tomogramme durch Bildverarbeitungsalgorithmen bestimmt
werden als auch deren aktuelle Lage mit Hilfe des Stereokamerasystems festgestellt
werden. Dadurch erhält man eine Korrespndenz der Position medizinisch
anatomischer Gewebestrukturen bezüglich ihrer aktuellen Lage und in den
Volumenbilddaten. Hierbei handelt es sich um ein komplett automatisches
Verfahren, das für die Echtzeitregistrierung verwendet wird.
Nun kann das chirurgische Instrument oder die Sonde freihändig navigiert und in demjenigen Schnitt durch die dreidimensionalen Tomogramm-Bilddaten dargestellt werden, in deren Ebene sich die Achse des Instruments oder der Sonde bewegt. Dadurch ist eine direkte visuelle Kontrolle der Bewegung der Instrumente oder Sonden in deren Achsrichtung bezüglich Risikostrukturen innerhalb des dargestellten Schnittes möglich.4. The correspondence of the surgical instruments or probes to the position of the patient is carried out by a further calibration. Infrared LEDs are used as landmarks that are located on the patient who is fixed in a defined position. The light-emitting diodes can be determined in the volume image data of the tomograms by image processing algorithms and their current position can be determined with the aid of the stereo camera system. This provides a correspondence between the position of medically anatomical tissue structures with regard to their current position and in the volume image data. This is a completely automatic process that is used for real-time registration.
Now the surgical instrument or the probe can be navigated hands-free and represented in the section through the three-dimensional tomogram image data in whose plane the axis of the instrument or the probe moves. This enables direct visual control of the movement of the instruments or probes in their axial direction with regard to risk structures within the section shown. - 5. Die Eindringtiefe und der Orientierung von chirurgischen Instrumenten oder Sonden kann nun automatisch in Tomogramm-Bilddaten bei einer virtuellen und realen Navigation dargestellt werden. Dadurch kann die optimale Eindringtiefe und eine Gefährdung durch neben und hinter den zu therapierenden Gewebestrukturen liegenden Risikostrukturen visualisiert werden.5. The depth of penetration and the orientation of surgical instruments or probes can now automatically in tomogram image data in a virtual and real Navigation can be shown. This allows the optimal depth of penetration and a Danger from next to and behind the tissue structures to be treated horizontal risk structures can be visualized.
- 6. Durch am Patiententisch angebrachte Infrarot-Leuchtdioden kann dessen Position bezüglich der Bildsensoren kalibriert werden. Eine Verbindung des stereooptischen Trackingverfahren mit einer Patiententisch-Steuerung erlaubt, den Patienten stets so positioniert zu halten, daß nach einer Bewegung des Instruments oder der Sonde die CT-Schnittebene genau durch die Spitze des chirurgische Instruments oder der Sonde verläuft. Durch die automatische Positionierung der Sondenspitze ist eine schnelle Kontrolle der exakten Position relativ zu anatomischen Strukturen gegeben.6. By infrared light diodes attached to the patient table, its position can be calibrated with respect to the image sensors. A connection of the stereo optical Tracking procedure with a patient table control allows the patient to always do so positioned to hold that after movement of the instrument or probe CT section plane right through the tip of the surgical instrument or probe runs. The automatic positioning of the probe tip makes it quick Control of the exact position given relative to anatomical structures.
- 7. Die Anwendbarkeit der stereooptischen Navigations- bzw. Trackingverfahren ist generell auch in weiteren Volumenbilddaten-gebenden Verfahren einsetzbar.7. The applicability of the stereo-optical navigation and tracking procedures is can generally also be used in other volume image data-generating processes.
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Claims (8)
- - einem Computer (PC), der mit Bildverarbeitungsmodulen erweitert ist,
- - mindestens 2 infrarotempfindlichen Bildaufnahmesensoren, die mit festem räumlichen Bezug an einen CT- oder MRT-Tomographen gekoppelt sind,
- - einer Navigationseinrichtung (Tracker), an der mindestens 3 im infraroten Wellenlängenbereich emittierende Leuchtdioden fest gekoppelt sind und an der eine Sonde, Biopsie-Nadeln oder chirurgische Instrumente mechanisch befestigt werden können sowie
- - den Sonden, den Biopsienadeln und den chirurgischen Instrumenten,
- - Mittel zur Kalibrierung der Bildaufnahmesensoren vorhanden sind und
- - Mittel zur Extraktion und Kennzeichnung ausgewählter anatomischer Gewebe strukturen als einzelne Datensätze mit Hilfe der digitalen Bildverarbeitung vorhanden sind.
- - a computer (PC) that is expanded with image processing modules,
- - at least 2 infrared-sensitive image recording sensors, which are coupled with a fixed spatial reference to a CT or MRI tomograph,
- - A navigation device (tracker) to which at least 3 light-emitting diodes emitting in the infrared wavelength range are firmly coupled and to which a probe, biopsy needles or surgical instruments can be mechanically attached, and
- - the probes, the biopsy needles and the surgical instruments,
- - Means for calibrating the image recording sensors are present and
- - Means for the extraction and identification of selected anatomical tissue structures are available as individual data sets with the help of digital image processing.
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---|---|---|---|
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