DE10137914A1 - Verfahren zur Ermittlung einer Koordinatentransformation für die Navigation eines Objekts - Google Patents

Verfahren zur Ermittlung einer Koordinatentransformation für die Navigation eines Objekts

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Koordinatentransformation zwischen einem Koordinatensystem (O¶W¶) eines ersten, mit einem Röntgengerät (1) abzubildenden Objektes (P) und einem Koordinatensystem (O¶I¶) eines zweiten, relativ zu dem ersten Objekt (P) zu navigierenden Objektes (10). Das Verfahren beruht auf einer Ermittlung einer Transformationsbeziehung zwischen einem Koordinatensystem (O¶S¶) eines Positionserfassungssystems (2) und dem Koordinatensystem (O¶W¶) des ersten Objektes (P) in einem Offline-Kalibriervorgang, der Bestimmung der Position des Röntgengerätes (1) während Röntgenaufnahmen von dem ersten Objekt (P) und der Bestimmung der Position des zweiten Objektes (10) mit dem Positionserfassungssystem (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Koordinatentransformation zwischen einem Koordinatensystem eines ersten mit einem Röntgengerät abzubildenden Objektes und einem Koordinatensystem eines zweiten relativ zu dem ers­ ten Objekt zu navigierenden Objektes.
Unter der Navigation des zweiten Objektes relativ zu dem ers­ ten Objekt versteht man im Allgemeinen die mittels optischer Bildinformationen unterstützte Führung des zweiten Objektes relativ zu dem ersten Objekt, wobei ein Abbild des zweiten Objektes in mit dem Röntgengerät gewonnene Bildinformationen von dem ersten Objekt eingeblendet wird.
Ein derartiges Vorgehen erlangt insbesondere im Bereich der Medizin zunehmend an Bedeutung, wobei bei navigationsgeführ­ ten Eingriffen in der Regel eine Einblendung eines Abbildes eines medizinischen Instrumentes in von einem Lebewesen auf­ genommene Bildinformationen erfolgt. Auf diese Weise kann ein Operateur ein in das Lebewesen zumindest teilweise eingedrun­ genes Instrument, dessen Spitze beispielsweise durch das Ein­ dringen in Körpergewebe nicht mehr direkt sichtbär ist, an­ hand der Bildinformationen relativ zu dem zu untersuchenden bzw. zu behandelnden Gewebebereich des Lebewesens führen ohne Gefahr zu Laufen dem Lebewesen unbeabsichtigt Schaden zu zu­ fügen.
Um einen derartigen navigationsgeführten Eingriff zu ermögli­ chen, d. h. ein Abbild des Instrumentes in Bildinformationen von einem Lebewesen positions- und lagegenau einblenden zu können, ist es erforderlich, eine mathematische Beziehung in Form einer Koordinatentransformation zwischen einem dem Lebe­ wesen einbeschriebenen Koordinatensystem und einem Koordina­ tensystem des zu navigierenden Instrumentes herzustellen. Hierzu werden bisweilen an dem Lebewesen künstliche Marken angeordnet oder anatomische Marken, z. B. markante Knochen­ strukturen, 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 der in dem Koordinatensystem des zu navigierenden Instrumentes angegebenen Koordinaten in die räumlichen Koordinaten des für die Navigation verwendeten Koordinatensystems des Lebewesens verstanden wird. Die Marken müssen dabei in der Regel einzeln mit dem Instrument angefahren werden, um die Koordinaten­ transformation zwischen dem Koordinatensystem des Lebewesens und dem Koordinatensystem des Instrumentes ermitteln zu kön­ nen. Bei sehr präzisen medizinischen Eingriffen werden die Marken auch rigide am Körper des Lebewesens befestigt. Als Beispiele seien die Anbringung eines stereotaktische Rahmens am Kopf eines Patienten oder die Anbringung von Marken in Knochen oder an der Wirbelsäulen 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.
Aus der DE 69 50 3814 T2 sind ein Gerät und ein Verfahren für die computergestützte Chirurgie bekannt. Dabei wird ein be­ stimmtes Lichtmuster auf eine Körperstelle eines Patienten projiziert, von der zuvor 3D-Bilder erzeugt und gespeichert wurden. Das Lichtmuster wird mit Videokameras aufgenommen und es werden 3D-Bilder von dem Lichtmuster erzeugt. Die 3D- Bilder von dem sich auf der Körperoberfläche abzeichnenden Lichtmuster werden mit den gespeicherten 3D-Bildern überla­ gert, so dass diese einen gemeinsamen Bezugsrahmen bilden. Außerdem nehmen die Kameras ein mit einem Muster versehenes Zeigermittel auf, welches in die überlagerten 3D-Bilder für die Navigation eingeblendet wird.
In der DE 196 32 273 A1 sind Verfahren zur Bestimmung der Geometriegrößen eines bewegungsfähigen Körpers beschrieben.
In der DE 195 36 180 A1 wird zur Lokalisierung eines Instru­ mentes relativ zu dreidimensionalen Körperdaten eines Patien­ ten vorgeschlagen, eine interne Markereinrichtung zur Festle­ gung eines körperinternen, räumlichen Bezugssystems fest mit dem Körper zu verbinden. In einer Analyse-Abtastung des Kör­ pers werden die Positionen der bei der Analyse-Abtastung ge­ wonnen dreidimensionalen Körperdaten in dem durch die Mar­ kereinrichtung festgelegten körperinternen Bezugssystem be­ stimmt. Es wird die Lage und Orientierung des durch die in­ terne Markereinrichtung festgelegten körperinternen Bezugs­ systems relativ zu einem durch eine externe Markereinrichtung festgelegten körperexternen Bezugssystem bestimmt. Bezüglich der externen Markereinrichtung wird die Lage und Orientierung eines zu navigierenden Instrumentes bestimmt, wodurch eine Beziehung zu der internen Markereinrichtung und somit den dreidimensionalen Körperdaten hergestellt werden kann.
Aus der DE 43 06 037 A1 sind ein Gerät und Verfahren zum Ver­ knüpfen eines aus einem Elektrokardiogramm lokalisierten Zentrums intrakardialer Aktivität mit einem Ultraschall­ schnittbild bekannt. Dabei werden mit Hilfe eines Positions­ erfassungssystems ein Ort intrakardialer Aktivität aus dem Elektrokardiogramm bestimmt und der Ort in einem Ultraschall­ schnittbild markiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung einer Koordinatentransformation zwischen einem Koordinatensystem eines ersten mit einem Röntgengerät abzu­ bildenden Objektes und einem Koordinatensystem eines zweiten relativ zu dem ersten Objekt zu navigierenden Objektes derart anzugeben, dass keine Marken behaftete Registrierung erfor­ derlich ist, um eine Beziehung zwischen dem Koordinatensystem des ersten Objektes und dem Koordinatensystem des zweiten Objektes anzugeben.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Ver­ fahren zur Ermittlung einer Koordinatentransformation zwi­ schen einem Koordinatensystem eines ersten mit einem Röntgen­ gerät abzubildenden Objektes und einem Koordinatensystem ei­ nes zweiten relativ zu dem ersten Objekt zu navigierenden Objektes, wobei ein Positionserfassungssystem zur Ermittlung der Positionen des Röntgengerätes und des zweiten Objektes vorhanden ist, aufweisend folgende Verfahrensschritte:
  • a) Ermittlung von Transformationsbeziehungen L, V und S zwi­ schen Koordinatensystemen des Positionserfassungssystems, des Röntgengerätes und des ersten Objektes in einem Ka­ libriervorgang vor der Gewinnung von Bildinformationen von dem ersten Objekt mit dem Röntgengerät, wobei L die Koordinatentransformation zwischen einem Koordinaten­ system einer an dem Röntgengerät angeordneten, mit dem Positionserfassungssystem zusammenwirkenden Markierung und dem Koordinatensystem des Positionserfassungssystems, V die Koordinatentransformation zwischen dem Koordinaten­ system des Positionserfassungssystems und dem Koordina­ tensystem des ersten Objektes und S die Koordinatentrans­ formation zwischen dem Koordinatensystem der Markierung für eine Referenzstellung des Röntgengerätes relativ zu dem ersten Objekt und dem Koordinatensystem des ersten Objektes ist,
  • b) Ermittlung der während der Gewinnung von Bildinforma­ tionen von dem ersten Objekt mit dem Röntgengerät gegen­ über der Kalibrierung veränderten Koordinatentransforma­ tion L' zwischen dem Koordinatensystem der Markierung und dem Koordinatensystem des Positionserfassungssystems, welche aus einer veränderten Position des Röntgengerätes und des Positionserfassungssystems relativ zueinander re­ sultiert, oder Ermittlung der während der Gewinnung von Bildinformationen von dem ersten Objekt mit dem Röntgen­ gerät gegenüber der Kalibrierung veränderten Koordinaten­ transformation LS' zwischen dem Koordinatensystem der Mar­ kierung und dem Koordinatensystem des Positionserfas­ sungssystems für die Referenzstellung des Röntgengerätes relativ zu dem ersten Objekt,
  • c) Ermittlung der Koordinatentransformation L" zwischen dem Koordinatensystem des zweiten Objektes und dem Koordina­ tensystem des Positionserfassungssystems und
  • d) Ermittlung der Koordinatentransformation zwischen dem Ko­ ordinatensystem des zweiten Objektes und dem Koordinaten­ system des ersten Objektes anhand der in den Schritten a) bis c) ermitteln Koordinatentransformationen V, L, L' lS', L" und S.
Erfindungsgemäß kann allein durch die Ermittlung von Koordi­ natentransformationen zwischen den an der Bildgebung betei­ ligten Gerätschaften und Objekten, ohne eine Registrierung mit Marken vornehmen zu müssen, eine Transformationsbeziehung zwischen dem Koordinatensystem eines ersten Objektes und dem Koordinatensystem eines zweiten Objektes zur Navigation des zweiten Objektes relativ zu dem ersten Objekt hergeleitet werden.
Gemäß einer Variante der Erfindung ist es vorgesehen, ein Abbild des zweiten Objektes in ein mit einem C-Bogen-Röntgen­ gerät gewonnenes 3D-Bild von dem ersten Objekt zu Navigati­ onszwecken einzublenden. Verschiedene 3D-Bilder können dabei aus einer Serie von 2D-Projektionen, welche bei unterschied­ lichen Projektionswinkeln des Röntgensystems des C-Bogen- Röntgengerätes relativ zu dem ersten Objekt aufgenommen wer­ den, gewonnen werden. Dabei ist die Kenntnis der Projektions­ geometrien ausgedrückt in sogenannten Projektionsmatrizen erforderlich, welche in einem einmaligen Kalibriervorgang mit Hilfe eines Röntgenkalibrierphantoms für das jeweilige Rönt­ gengerät vor Patientenmessungen gewonnen werden. Während die­ ses Kalibriervorganges werden die vorstehend erwähnten Koor­ dinatentransformationen L, V und S ermittelt. Die Ermittlung der Projektionsmatrizen sowie die Ermittlung der Koordinaten­ transformationen L, V und S ist ausführlich in dem Artikel von M. Mitschke und N. Navab, "Recovering Projection Geome­ try: How a cheap camera can outperform an expensive stereo system", IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, 13-15 June 2000, Hilton Head Island, South Carolina, Volume 1, S. 193-200 beschrieben, dessen Inhalt ausdrücklich Bestandteil der vorliegenden Offenbarung sein soll.
Anhand der in dem Kalibriervorgang ermittelten Koordinaten­ transformationen L, V und S kann schließlich unter Verwendung der während der Gewinnung von Bildinformationen von dem ers­ ten Objekt mit Hilfe des Positionserfassungssystems ermit­ telten Koordinatentransformationen L', Ls' und L"die Koordi­ natentransformation zwischen dem Koordinatensystem des zwei­ ten Objektes und dem Koordinatensystem des ersten Objektes bestimmt werden.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, eine Koordina­ tentransformation M aus den Koordinatentransformationen L und L' nach M = L'L-1 zu ermitteln, welche die Änderung der Transformationsbeziehung zwischen dem Koordinatensystem der an dem Röntgengerät angeordneten Markierung und dem Koordina­ tensystem des Positionserfassungssystems angibt. Diese Ände­ rung resultiert daraus, dass sich das Positionserfassungs­ system und das Röntgengerät bei einem navigationsgeführten Eingriff in der Regel in einer anderen Position und Orientie­ rung relativ zueinander als bei der Kalibrierung befinden. Nach einer Variante der Erfindung lässt sich demnach die Ko­ ordinatentransformation zwischen dem Koordinatensystem des zweiten Objektes und dem Koordinatensystem des ersten Objek­ tes durch die Beziehung V M L" ausdrücken.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung lässt sich die Koordinatentransformation zwischen dem Koordinatensystem des zweiten Objektes und dem Koordinatensystem des ersten Objektes durch die Beziehung S Ls'-1 L" ausdrücken, wobei die Koordinatentransformation Ls' für die Referenzstellung des Röntgengerätes relativ zu dem ersten Objekt während der Ge­ winnung von Röntgenaufnahmen von dem ersten Objekt mit Hilfe des Positionserfassungssystems ermittelt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beigefügten schematischen Zeichnung dargestellt, welche exemplarisch die Transformationsbeziehungen zwischen den einzelnen Koordina­ tensystemen eines Röntgengerätes, eines Positionserfassungs­ systems sowie eines ersten und zweiten Objektes veranschau­ licht.
Die Figur zeigt ein C-Bogen-Röntgengerät 1 und ein Positions­ erfassungssystem 2.
Das C-Bogen-Röntgengerät 1 weist einen Gerätewagen 3 mit ei­ ner Hubvorrichtung 4 auf, mit welcher ein Lagerteil 5 verbun­ den ist. An dem Lagerteil 5 ist ein mit einer Röntgenstrah­ lenguelle 6 und einem Röntgenstrahlenempfänger 7 versehener, im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels isozentrisch, längs seines Umfanges verstellbarer C-Bogen 8 gelagert (vgl. Doppelpfeil a). Der C-Bogen 8 ist außerdem zusammen mit dem Lagerteil 5 um seine Angulationsachse B im Falle des vorlie­ genden Beispiels in die Richtungen des Doppelpfeils b iso­ zentrisch verschwenkbar.
Mit dem C-Bogen-Röntgengerät 1 können 2D- und 3D-Bilder von einem in der Figur schematisch dargestellten, auf einer Pati­ entenliege 11 gelagerten Patienten P gewonnen und auf einer Anzeigeeinrichtung 12 dargestellt werden. Die hierzu benötig­ ten Einrichtungen, insbesondere ein Bildrechner, sind in an sich bekannter Weise ausgeführt und daher in der Figur nicht dargestellt und nicht explizit beschrieben.
Bei dem Positionserfassungssystem 2 des vorliegenden Ausfüh­ rungsbeispiels handelt es sich um ein optisches Positionser­ fassungssystem, welches ein zwei Kameras 20, 21 umfassendes Kamerasystem, eine im Falle des vorliegenden Ausführungsbei­ spiels an der Röntgenstrahlenquelle 6 angeordnete Marker­ platte 22 und einen an einem medizinischen Instrument 10 an­ geordneten Marker 23 aufweist. Mit dem Positionserfassungs­ system 2 können die Positionen und Orientierungen der Marker­ platte 22 und somit des die Röntgenstrahlenquelle 6 und den Röntgenstrahlenempfänger 7 umfassenden Röntgensystems und die Positionen und Orientierungen des Markers 23 und somit des Instrumentes 10 bestimmt werden.
Die für die Positionsbestimmung erforderlichen Rechenmittel des Positionserfassungssystems, z. B. ein handelsüblicher Rechner, sind in an sich bekannter Weise ausgeführt und daher ebenfalls in der Figur nicht dargestellt und nicht explizit beschrieben.
Mit Hilfe des Positionserfassungssystems 2 wird ein navigati­ onsgeführter Eingriff an dem Patienten P ermöglicht, bei dem ein in der Figur nicht dargestellter Operateur das Instrument 10 anhand von beispielsweise auf der Anzeigeeinrichtung 12 dargestellten Bildinformationen von dem Patienten P, in die ein Abbild des Instrumentes 10 eingeblendet ist, relativ zu dem Patienten P führt. Die Bildinformationen von dem Patien­ ten P werden für den navigationsgeführten Eingriff im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels intra-operativ, also während eines medizinischen Eingriffes an dem Patienten P, mit dem C-Bogen-Röntgengerät 1 gewonnen.
Um einen navigationsgeführten Eingriff durchführen zu können, ist allerdings die Kenntnis der Koordinatentransformation zwischen einem dem Patienten P einbeschriebenen Koordinaten­ system OW und einem dem Instrument 10 einbeschriebenen Koor­ dinatensystem OI erforderlich, deren erfindungsgemäße Ermitt­ lung im Folgenden beschrieben ist.
Dem Röntgensystem bzw. der Röntgenstrahlenguelle 6 ist das Koordinatensystem OX, dem Kamerasystem des Positionserfas­ sungssystems 2 ist das Koordinatensystem OS und der an der Röntgenstrahlenquelle 6 angeordneten Markerplatte 22 ist das Koordinatensystem OT einbeschrieben. Die Koordinatensysteme sind in der Figur alle als kartesische Koordinatensysteme dargestellt, was jedoch nicht zwingend der Fall sein muss. Des weiteren ist die Wahl der Lage und Orientierung der Koor­ dinatensysteme sowie deren Bezeichnung nur exemplarisch zu verstehen.
Da die Navigation vorzugsweise anhand von intra-operativ mit dem C-Bogen-Röntgengerät 1 gewonnenen 3D-Bildinformationen von dem Patienten P erfolgen soll, werden zunächst in einem in der Regel einmaligen Offline-Kalibriervorgang, d. h. vor einer Patientenmessung, die Projektionsgeometrien des C-Bo­ gen-Röntgengerätes 1 in Form von sogenannten Projektionsmat­ rizen mit Hilfe eines Röntgenkalibrierphantoms ermittelt. Ein hierfür geeignetes Röntgenkalibrierphantom ist beispielsweise in der US 5,822,396 beschrieben.
Mit Hilfe der in dem Offline-Kalibriervorgang gewonnenen Pro­ jektionsgeometrien können aus einer Serie von mit dem C-Bo­ gen-Röntgengerät 1 gewonnenen 2D-Projektionen 3D-Bilder von einem Objekt, im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels von dem Patienten P, erzeugt werden. Im Zuge der Ermittlung der Projektionsgeometrien werden in dem Offline-Kalibriervor­ gang auch die Koordinatentransformationen L, Q, V und S er­ mittelt, wobei L die Koordinatentransformation zwischen dem Koordinatensystem OT der an der Röntgenstrahlenquelle 6 ange­ ordneten, zu dem Positionserfassungssystem 2 gehörigen Mar­ kerplatte 22 und dem Koordinatensystem OS des Kamerasystems des Positionserfassungssystems 2, Q die Koordinatentrans­ formation zwischen dem Koordinatensystem OT der Markerplatte 22 und dem Koordinatensystem OX des Röntgensystems, V die Koordinatentransformation zwischen dem Koordinatensystem OS des Positionserfassungssystems 2 und dem Koordinatensystem OW des Patienten P bzw. während der Kalibrierung des Röntgenka­ librierphantoms und S die Koordinatentransformation zwischen dem Koordinatensystem OT der Markerplatte 22 für eine Refe­ renzstellung des C-Bogens 8 relativ zu dem Kalibrierphantom und dem Koordinatensystem OW des Patienten P bzw. während der Kalibrierung des Röntgenkalibrierphantoms ist. Die Refe­ renzstellung des C-Bogens 8 besteht beispielsweise in der Stellung, bei der eine erste 2D-Projektion einer Serie von 2D-Projektionen zur Gewinnung eines 3D-Bildes von dem Kalib­ rierphantom bzw. von dem Patienten P aufgenommen wird. Die Koordinatentransformation L ist in der Figur mit gestrichel­ ten Linien dargestellt, da sich diese Koordinatentransforma­ tion in der Regel bei der in der Figur dargestellten Situ­ ation der Patientenmessung gegenüber der Situation bei der Offline-Kalibrierung verändert. Die Veränderung basiert auf einer veränderten Position und Orientierung des C-Bogen-Rönt­ gengerätes 1 und somit der Markerplatte 22 und des Kamerasys­ tems des Positionserfassungssystems 2 relativ zueinander ge­ genüber der Offline-Kalibrierung.
Aus der Offline-Kalibrierung sind also die Projektionsmatri­ zen für die 3D-Bildgebung als auch die Koordinatentransforma­ tionen L, Q, V und S bekannt, deren Ermittlung ausführlich in dem Artikel von M. Mitschke und N. Navab, "Recovering Projec­ tion Geometry: How a cheap camera can outperform an expensive stereo system", IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, 13-15 June 2000, Hilton Head Island, South Carolina, Volume 1, S. 193-200 ausführlich beschrieben ist, dessen Inhalt Bestandteil der vorliegenden Offenbarung sein soll. Die Ermittlung der Projektionsgeomet­ rien sowie der Koordinatentransformationen erfolgt im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels mit Hilfe des Bildrech­ ners des C-Bogen-Röntgengerätes 1 und mit Hilfe des Rechner des Positionserfassungssystems 2, welche zusammenwirken. Die Projektionsmatrizen sowie die Koordinatentransformationen L, Q, V und S werden in einem in der Figur nicht dargestellten Speicher des C-Bogen-Röntgengerätes 1 für die Rekonstruktion von 3D-Bildern von einem Objekt und zum Zwecke der Navigation bereit gehalten.
Während einer Patientenmessung, also während der Gewinnung von 3D-Bildern, von dem Patienten P mit dem C-Bogen-Röntgen­ gerät 1, bei der der C-Bogen 8 und das Kamerasystem eine ge­ genüber der Offline-Kalibrierung verschiedene Stellung re­ lativ zueinander einnehmen, wird eine Serie von 2D-Projek­ tionen von dem Patienten P aus unterschiedlichen Projektions­ richtungen aufgenommen. Mit Hilfe des Positionserfassungs­ systems 2 werden dabei die Positionen des C-Bogens 8 be­ stimmt, woraus die aus der veränderten Stellung des C-Bogens 8 und des Kamerasystems relativ zueinander resultierende Ko­ ordinatentransformation 12 abgeleitet wird. Aus der ursprüng­ lichen Koordinatentransformation L und der während der Pati­ entenmessung ermittelten Koordinatentransformation 12 kann schließlich die Veränderung der Position und der Orientierung der Markerplatte 22 während der Patientenmessung im Vergleich zur Offline-Kalibrierung durch die weitere Koordinatentrans­ formation M beschrieben werden. Die Koordinatentransformation M ergibt sich aus der Beziehung M L = L' zu M = L'L-1.
Während des navigationsgeführten Eingriffes ist nun die Transformationsbeziehung zwischen dem Koordinatensystem OS des Kamerasystems des Positionserfassungssystems 2 und dem Koordinatensystem OW des Patienten P bekannt. Die Position und Orientierung des Instrumentes 10 kann mit Hilfe des Mar­ kers 23 und des Kamerasystems des Positionserfassungssystems 2 ermittelt werden, wobei die Koordinatentransformation von dem Koordinatensystem % des zu navigierenden medizinischen Instrumentes 10 zu dem Koordinatensystem OS des Kamerasystems des Positionserfassungssystems 2 mit L" bezeichnet wird. Dem­ nach kann die Position und Orientierung des durch das Positi­ onserfassungssystem 2 verfolgten medizinischen Instrumentes 10 zu einem in einem 3D-Bild veranschaulichten rekonstruier­ ten Volumen des Patienten P direkt ermittelt werden. Die Ko­ ordinatentransformation zwischen dem Koordinatensystem OI des Instrumentes und dem Koordinatensystem OW des Patienten P ergibt sich dabei zu V M L". Anhand dieser Koordinatentrans­ formation kann schließlich ein Abbild des Instrumentes 10 positions- und lagegenau in ein auf der Anzeigeeinrichtung 12 dargestelltes rekonstruiertes Volumen des Patienten P einge­ blendet werden.
Eine zweite Variante der Ermittlung der Koordinatentransfor­ mation zwischen dem Koordinatensystem OI des Instrumentes 10 und dem Koordinatensystem OW des Patienten P erhält man unter Verwendung der Koordinatentransformation S. Während der Pati­ entenmessung wird dabei aufgrund der veränderten Stellung des C-Bogens 8 relativ zu dem Kamerasystem des Positionserfas­ sungssystems 2 im Vergleich zur Offline-Kalibrierung, aber bei der gleichen Referenzstellung des C-Bogens 8, bei der die Koordinatentransformation S ermittelt wurde, die Koordinaten­ transformation LS' mit Hilfe des Positionserfassungssystems 2 ermittelt. Auch in diesem Fall ist nun die Beziehung zwischen dem Koordinatensystem OS des Kamerasystems des Positionser­ fassungssystems 2 und dem Koordinatensystem OW des Patienten P bekannt, so dass unter Verwendung der Koordinatentransfor­ mation L" ebenfalls die Koordinatentransformation von dem Koordinatensystem OI des Instrumentes 10 zu dem Koordinaten­ system OW des Patienten P erfolgen kann. Die Transformations­ vorschrift ergibt sich hierbei zu S LS'-1 L".
Somit wird deutlich, dass allein durch die Ermittlung der Koordinatentransformationen L, V und S in einem Offline-Ka­ libriervorgang und durch die Ermittlung der Koordinatentrans­ formationen L' bzw. LS' und L" intra-operativ, also während der Patientenmessung, eine Transformationsbeziehung zwischen dem Koordinatensystem OW des Patienten P und dem Koordinaten­ system OI des Instrumentes 10 zur Navigation des Instrumentes 10 relativ zu dem Patienten P ermittelt werden kann. Eine Marken behaftete Registrierung ist damit erfindungsgemäß ver­ mieden.
Bei dem zur Navigation verwendeten Positionserfassungssystem muss es sich im Übrigen nicht notwendigerweise um ein opti­ sches Positionserfassungssystem handeln. Vielmehr sind auch elektromagnetische oder andere bekannte Positionserfassungs­ systeme einsetzbar.
Die in der Figur eingetragenen Richtungen der Koordinaten­ transformationen sind nur exemplarisch zu verstehen. Wesent­ lich ist die Ermittlung einer Koordinatentransformation zwi­ schen zwei Koordinatensystemen.
Die Erfindung wurde vorstehend am Beispiel eines medizini­ schen Verwendungszweckes beschrieben. Die Anwendung der Er­ findung ist jedoch nicht auf den Bereich der Medizin be­ schränkt.

Claims (5)

1. Verfahren zur Ermittlung einer Koordinatentransformation zwischen einem Koordinatensystem (OW) eines ersten mit einem Röntgengerät (1) abzubildenden Objektes (P) und einem Koordi­ natensystem (OI) eines zweiten relativ zu dem ersten Objekt (P) zu navigierenden Objektes (10), wobei ein Positionserfas­ sungssystem (2) zur Ermittlung der Positionen des Röntgenge­ rätes (1) und des zweiten Objektes (10) vorhanden ist, auf­ weisend folgende Verfahrensschritte:
  • a) Ermittlung von Transformationsbeziehungen L, V und S zwi­ schen Koordinatensystemen des Positionserfassungssystems (2), des Röntgengerätes (1) und des ersten Objektes (P) in einem Kalibriervorgang vor der Gewinnung von Bildin­ formationen von dem ersten Objekt (P) mit dem Röntgenge­ rät (1), wobei L die Koordinatentransformation zwischen einem Koordinatensystem (OT) einer an dem Röntgengerät (1) angeordneten, mit dem Positionserfassungssystem (2) zu­ sammenwirkenden Markierung (22) und einem Koordinatensys­ tem (OS) des Positionserfassungssystems (2), V die Koordi­ natentransformation zwischen dem Koordinatensystem (OS) des Positionserfassungssystems (2) und dem Koordina­ tensystem (OW) des ersten Objektes (P) und S die Koordina­ tentransformation zwischen dem Koordinatensystem (OT) der Markierung (22) für eine Referenzstellung des Röntgenge­ rätes (1) relativ zu dem ersten Objekt (P) und dem Koor­ dinatensystem (OW) des ersten Objektes (P) ist,
  • b) Ermittlung der während der Gewinnung von Bildinforma­ tionen von dem ersten Objekt (P) mit dem Röntgengerät (1) gegenüber der Kalibrierung veränderten Koordinatentrans­ formation L' zwischen dem Koordinatensystem (OT) der Mar­ kierung (22) und dem Koordinatensystem (OS) des Posi­ tionserfassungssystems (2), welche aus einer veränderten Position des Röntgengerätes (1) und des Positionserfas­ sungssystems (2) relativ zueinander resultiert, oder Er­ mittlung der während der Gewinnung von Bildinformationen von dem ersten Objekt (P) mit dem Röntgengerät (1) gegen­ über der Kalibrierung veränderten Koordinatentransforma­ tion LS' zwischen dem Koordinatensystem (OT) der Mar­ kierung (22) für die Referenzstellung des Röntgengerätes (1) relativ zu dem ersten Objekt (P) und dem Koordinaten­ system (OS) des Positionserfassungssystems (2),
  • c) Ermittlung der Koordinatentransformation L" zwischen dem Koordinatensystem (OI) des zweiten Objektes (10) und dem Koordinatensystem (OS) des Positionserfassungssystems (2), und
  • d) Ermittlung der Koordinatentransformation zwischen dem Ko­ ordinatensystem (OI) des zweiten Objektes und dem Koordi­ natensystem (OW) des ersten Objektes (P) anhand der in den Schritten a) bis c) ermittelten Koordinatentransforma­ tionen V, L, L', Ls', L" und S.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Koordinatentrans­ formation M aus den Koordinatentransformationen L, L' nach M = L' L-1 ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem sich die Koordinaten­ transformation zwischen dem Koordinatensystem (OI) des zwei­ ten Objektes (10) und dem Koordinatensystem (OW) des ersten Objektes (P) zu V M L" ergibt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem sich die Koordinaten­ transformation zwischen dem Koordinatensystem (OI) des zwei­ ten Objektes (10) und dem Koordinatensystem (OW) des ersten Objektes (P) zu S Ls'-1 L" ergibt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Röntgengerät ein C-Bogen-Röntgengerät (1) ist.
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