DE10141406B4

DE10141406B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Detektieren der dreidimensionalen Position eines in einem Körperbereich eingeführten Untersuchungsinstruments

Info

Publication number: DE10141406B4
Application number: DE10141406A
Authority: DE
Inventors: Norbert Strobel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2001-08-23
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2021-08-24
Also published as: DE10141406A1; JP2003079616A; JP4290398B2; US6810280B2; US20030128800A1

Abstract

Verfahren zum Detektieren der dreidimensionalen Position eines in einen Körperbereich eingeführten Untersuchungsinstruments, an dem wenigstens drei in ihrer geometrischen Anordnung zueinander bekannte strahlungsopake Markierungen vorgesehen sind, unter Verwendung einer Vorrichtung zur Aufnahme von Strahlungsbildern mit einer Strahlungsquelle und einem Strahlungsempfänger, mit folgenden Schritten:
– Aufnahme eines zweidimensionalen Projektionsbildes des Körperbereichs,
– Ermittlung der Positionen (u_i, v_i) wenigstens dreier in dem einen Projektionsbild gezeigter strahlungsopaken Markierungen,
– Ermittlung der Raumkoordinaten (x_i, y_i, z_i) der wenigstens drei Markierungen im Koordinatensystem der Aufnahmevorrichtung anhand der Positionen (u_i, v_i) und der zu dem einen Projektionsbild gehörigen Projektionsmatrix unter Berücksichtigung der bekannten geometrischen Anordnung der Markierungen zueinander.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Detektieren der dreidimensionalen Position eines in einen Körperbereich eingeführten medizinischen Untersuchungsinstruments, unter Verwendung einer Vorrichtung zur Aufnahme von Strahlungsbildern mit einer Strahlungsquelle und einem Strahlungsempfänger.
Damit der Arzt, der z. B. ein Endoskop oder ein ähnliches starres Instrument führt, dieses in das gewünschte Zielgebiet schieben kann, ist es erforderlich, dass er Informationen über die jeweilige Position bzw. Lage des Instruments während des Verschiebens erhält. Bis dato erhält der Arzt die relevanten Informationen anhand von mittels eines Röntgensystems aufgenommenen Durchleuchtungsbildern des Untersuchungs- oder Körperbereichs. Zumeist werden kontinuierliche Durchleuchtungsbilder aus zwei verschiedenen Richtungen bzw. mit zwei unter einem Winkel zueinander stehenden Bildebene aufgenommen. Diese werden dem Arzt nebeneinander an einem gemeinsamen oder zwei nebeneinander stehenden Monitoren dargestellt. Anhand dieser beiden Bilder, deren Bildebenen zumeist senkrecht aufeinander stehen, kann der Arzt die Position des Instruments bestimmen und erkennen, wie sich das Instrument im Raum bewegt. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass der Arzt gleichzeitig auf zwei Monitore bzw. zwei Bilder blicken muss, um die benötigte Information zu erhalten. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die beiden Bilder lediglich Projektionsbilder sind. D. h. alle Körperteile in der Projektionsrichtung sind einander überlagert. Im Ergebnis ist es für den Arzt mithin kompliziert, die tatsächlich gegebene dreidimensionale Geometrie anhand dieser beiden zweidimensionalen Projektionsbilder zu erkennen und zu erfassen, wie das Instrument nun tatsächlich im Körperbereich positioniert ist und wie und in welcher Richtung er es weiter verschieben muss, um in das gewünschte Zielgebiet zu gelangen. Aus der DE 694 19 134 T2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Position eines oder mehrerer Röntgenmarker an einem Katheter mit Röntgenscannersystemen ermittelt wird.
Alternativ dazu ist es insbesondere bei starren Untersuchungsinstrumenten, um die es im vorliegenden Fall geht, auch bekannt, Navigationssysteme zu verwenden. Hierzu wird eine oder werden mehrere Navigationsmarkierungen an unbewegten Positionen des Untersuchungspatienten, z. B. der Haut, einem Knochen oder dergleichen und an dem in seiner Position zu erfassenden Untersuchungsinstrument befestigt. Die bekannten Navigationssysteme verwenden optische Kameras und Infrarotlicht emittierende Dioden in den Markierungen. Andere Techniken verwenden akustische oder magnetische Sensoren. Normalerweise werden sämtliche Positionen bezüglich des Koordinatensystems des Navigationssystems erfasst und anschließend in das Koordinatensystem des C-Bogens, in dem die Bildaufnahme erfolgt, überführt. Auch dieses Verfahren ist sehr aufwendig.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde ein Verfahren anzugeben, das auf einfache Weise die Ermittlung der dreidimensionalen Position eines Untersuchungsinstruments zulässt.
Zur Lösung dieses Problems ist ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den im Anspruch 1 genannten Schritten vorgesehen.

– Aufnahme wenigstens eines zweidimensionalen Projektionsbildes des Körperbereichs,
– Ermittlung der Positionen (u_i, v_i) wenigstens dreier in einem Projektionsbild gezeigten strahlungsopaken Markierungen,
– Ermittlung der Raumkoordinaten (x_i, y_i, z_i) der Markierungen im Koordinatensystem der Aufnahmevorrichtung anhand der Positionen (u_i, v_i) und der zu dem Projektionsbild gehörigen Projektionsmatrix unter Be rücksichtigung der bekannten geometrischen Anordnung der Markierungen zueinander.

Die Erfindung bietet die Möglichkeit, anhand lediglich eines Projektionsbilds die dreidimensionale Position eines Untersuchungsinstruments im Koordinatensystem des C-Bogens erfassen zu können. Anhand eines zweidimensionalen Projektionsbildes, in dem die wenigstens drei am Untersuchungsinstrument angeordneten strahlungsopaken. Markierungen zu sehen sind, werden zunächst ihre zweidimensionalen Positionen u_i, v_i im Projektionsbild und damit in der Ebene des Strahlungsdetektors ermittelt. Die geometrische Anordnung der Markierungen zueinander ist dabei bekannt, d. h. es ist bekannt, wie die Markierungen räumlich zueinander stehen und am Instrument angeordnet sind. Anhand der Projektionsmatrix, die zu dem bearbeiteten Projektionsbild bekannt sein muss und die sämtliche relevanten geometrischen Daten hinsichtlich der Röhren- und Detektorpositionen etc. zu der im jeweiligen Projektionsbild enthält, kann nun anhand der ermittelten Markierungspositionen im Projektionsbild sowie den bekannten geometrischen Verhältnissen hinsichtlich der Anordnung der Markierungen ermittelt werden, wo diese im Raum sind. Denn die Positionen der Abbildungen der Markierungen im Projektionsbild hängen naturgemäß von ihrer Stellung im Raum ab, während sie sich im Strahlengang zwischen dem Fokus der Strahlungsquelle und der Detektorebene befinden.
Dabei kann zur Ermittlung der Raumkoordinaten (x_i, y_i, z_i) zunächst ein Satz linearer Gleichungen zur Beschreibung der direkten Verbindungslinien zwischen dem Fokus der Strahlungsquelle und der jeweiligen Position (u_i, v_i) im Projektionsbild aufgestellt werden, wonach aus dem Gleichungssatz unter Berücksichtigung der geometrischen Anordnung die Raumkoordinaten ermittelt werden.
Die geometrische oder räumliche Anordnung der Markierungen am Untersuchungsinstrument kann beliebig sein, beispielsweise können die Markierungen in einer Linie mit einem definierten Längenabstand positioniert sein. Auch sind andere Positionierungen denkbar. Wichtig ist nur, dass ihre Anordnung zueinander, also der Abstand sowie der Winkel, den sie miteinander bilden, bekannt ist. Auch können mehr als drei Markierungen verwendet werden. Es ist dann nur darauf zu achten, dass im Projektionsbild erkennbar ist, welche drei Markierungen – und zur Ermittlung der Raumkoordinaten müssen mindestens drei Markierungen im Projektionsbild zu sehen sein – konkret dargestellt sind, damit die entsprechenden geometrischen Daten diesbezüglich herangezogen werden können.
Um für den Arzt die erfassten Informationen aussagekräftig ausbreiten und darstellen zu können ist es zweckmäßig, wenn anhand mehrerer zweidimensionalen Projektionen, die vor der Einführung des Untersuchungsinstruments aufgenommen wurden, zuerst ein dreidimensionales Volumenbild des Körperbereichs erstellt wird, in dem die Markierungen dargestellt werden. D. h., dass dem Arzt während der in situ-Erfassung der Markierungskoordinaten diese nach ihrer Ermittlung sofort im erstellten dreidimensionalen Volumenbild dargestellt werden, so dass er genau weiß, wie das Instrument liegt. Die Darstellung der Markierungen ist insbesondere dann bereits ausreichend, wenn diese längs einer Linie am Instrument angeordnet sind. Daneben ist es natürlich auch denkbar, in dem Volumenbild das Untersuchungsinstrument selbst darzustellen. Dieses kann, nachdem die Raumkoordinaten der Markierungen, die fest an dem starren Untersuchungsinstrument befestigt sind, bekannt sind, ohne Probleme in der richtigen Lage ins Volumenbild eingeblendet werden.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine Vorrichtung zur Aufnahme von Strahlungsbildern gemäß Anspruch 6.

– zum Aufnehmen wenigstens eines zweidimensionalen Projektionsbildes eines Körperbereichs, in den ein Untersuchungsinstrument mit wenigstens drei in ihrer geometrischen Anordnung zueinander bekannten Markierungen eingeführt ist,
– zum Ermitteln der Positionen (u_i, v_i) der wenigstens drei in einem Projektionsbild gezeigten strahlungsopaken Markierungen, und
– zum Ermitteln der Raumkoordinaten (x_i, y_i, z_i) der wenigstens drei Markierungen im Koordinatensystem der Aufnahmevorrichtung anhand der Positionen (u_i, v_i) und der zu dem Projektionsbild gehörigen Projektionsmatrix unter Berücksichtigung der bekannten geometrischen Anordnung der Markierungen zueinander.

Die Bildaufnahme- und -rechenmittel können dabei zur Ermittlung der Raumkoordinaten (x_i, y_i, z_i) anhand eines Satzes linearer Gleichungen zur Beschreibung der direkten Verbindungslinien zwischen dem Fokus der Strahlungsquelle und der jeweiligen Position (u_i, v_i) im Projektionsbild unter Berücksichtigung der geometrischen Anordnung ausgebildet sein. Ferner können über die Bildaufnahme- und -rechenmittel entweder allein die Markierungen oder aber das Untersuchungsinstrument selbst in das Volumenbild, das anhand der zweidimensionalen Projektionen errechnet werden kann, eingeblendet werden. Wird das Untersuchungsinstrument eingeblendet so ist es zweckmäßig, wenn im Bildaufnahme- und -rechenmittel eine Darstellung des Untersuchungsinstruments abgelegt ist, das in Abhängigkeit der ermittelten Raumkoordinaten in das Volumenbild eingezeichnet wird. Da natürlich unterschiedlichste Untersuchungsinstrumente in den Körper eingeführt werden können ist es zweckmäßig, wenn zu den unterschiedlichen Typen jeweils entsprechende, benutzerseitig vorher auswähl- oder bestimmbare Bilder abgelegt sind, die dann lagegenau eingezeichnet werden können.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
2 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Ermittlung der Raumkoordinaten.
1 zeigt in Form einer Prinzipskizze eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Vorrichtung 1 umfasst ein C-Bogensystem 2 mit einem C-Bogen 3, an dem eine Strahlungsquelle 4 sowie ein Strahlungsdetektor 5 angeordnet sind. Die Strahlungsquelle 4 ist als Röntgenstrahler, der Strahlungsdetektor 5 als Röntgenbildverstärker oder als Flachbilddetektor ausgebildet.
Zur Steuerung des Bildaufnahmebetriebs sowie zur Ermittlung der auszugebenden Bilder ist ein Bildaufnahme- und -rechenmittel 6 vorgesehen, mit dem sämtliche relevanten Funktionen, sei es die Bewegung des C-Bogens oder die Steuerung der Strahlungsquelle und des Strahlungsdetektors sowie die Koordinatenermittlung und die eigentliche Bildermittelung und Ausgabe gesteuert wird. Die Bildausgabe selbst erfolgt an einem Monitor 7.
In den Patienten 8 soll unter ständiger Beobachtung ein medizinisches, starres Instrument 9 eingeführt werden, das also einen starren Instrumentenkörper besitzt. An dem Instrument 9 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel drei strahlungsopake Markierungen 10 lagestabil angeordnet. Die geometrische Anordnung der Markierungen 10 am Instrumentenkörper ist bekannt. Im gezeigten Beispiel sind die Markierungen 10 in einer Linie angeordnet und jeweils um eine vorbestimmte, bekannte Länge 1 voneinander beabstandet. Es sei angenommen, dass die Markierungen 10 der Reihe nach mit "a, b, c" benannt sind. Dann definiert sich der Abstand von Markierung zu Markierung zu 1_ab, 1_ac und 1_bc.
Zur ständigen Kontrolle der Position des Untersuchungsinstruments 9 wird nun mittels des feststehenden C-Bogensystems 2 kontinuierlich der Körperbereich, in den das Untersuchungsinstrument 9 einzuführen ist, aufgenommen. Das C-Bogensystem liefert einen Satz zeitlich abfolgender zweidimensionaler Projektionsbilder. Zur Ermittlung der Ist-Position des Untersuchungsinstruments 9 wird nun ein Projektionsbild P aus der Serie der Projektionsbilder genommen und analysiert. Dies ist in 2 im Detail dargestellt.
Gezeigt ist das Projektionsbild P, also das Detektorbild, wie es zu einer bestimmten Stellung der Strahlungsquelle 4 und des Strahlungsdetektors 5 vom Körperbereich aufgenommen wurde. In dem Projektionsbild P sind die drei Markierungen 10, die dort mit a, b, c gekennzeichnet sind, sichtbar. Die Position der Markierungen a, b, c im Projektionsbild P kann anhand der Positionsdaten (u_a, v_a), (u_b, v_b) und (u_c, v_c) in der zweidimensionalen Bildebene beschrieben werden, wie in 2 gezeigt.
Weiterhin ist zu dem bekannten Projektionsbild P die Projektionsmatrix bekannt, in der die näheren Informationen hinsichtlich der Stellung der Strahlungsquelle sowie des Strahlungsdetektors im C-Bogensystem-Koordinatensystem und sonstige relevante Bildaufnahmeinformationen enthalten sind. Die drei Markierungen, wie sie am Untersuchungsinstrument angeordnet sind, sind in 2 mit 10a, 10b und 10c gekennzeichnet. Damit sie im Projektionsbild P abgebildet werden können, müssen sie zwangsläufig im Strahlengang zwischen dem Fokus der Strahlungsquelle 4 und der Detektorebene liegen. Anhand der Projektionsmatrix, die u. a. die Position des Fokus der Strahlungsquelle 4 zur gegebenen Projektion P enthält (der Fokus ist mit F in 2 gekennzeichnet) sowie der bekannten geometrischen Randbedingungen aufgrund der relativen Lage der Markierungen 10a, 10b und 10c zueinander ist es nun möglich, die tatsächlichen Raumkoordinaten X_a = (x_a, y_a, z_a) für die Markierung 10a, X_b = (x_b, y_b, z_b) für die Markierung 10b und X_c = (x_c, y_c, z_c) für die Markierung 10c zu berechnen, wobei die Markierungen 10a, b, c auf einer direkten Linie vom Fokus F zum jeweiligen Punkt a, b, c im Projektionsbild P liegen müssen. Die Bestimmung der Raumkoordinaten X_a, X_b und X_c erfolgt im Koordinatensystem (x, y, z) des C-Bogensystems 2.
Sind nun die Koordinaten X_a, X_b und X_c bekannt, so kann hieraus, da die Markierungen fest am Untersuchungsinstrument 9 angeordnet sind, zwangsläufig die genaue Lage des Untersuchungsinstruments 9 im Koordinatensystem (x, y, z) ermittelt werden.
Zur für den Arzt auswertbaren Darstellung kann nun anhand von vor der Intervention aufgenommenen 2-D-Projektionsbildern mit rotierendem C-Bogen ein dreidimensionales Volumen rekonstruiert, wozu bekannte Rekonstruktionsverfahren eingesetzt werden. Die Darstellung des dreidimensionalen Volumenbilds erfolgt am Monitor 7. Ferner wird nun nach Bestimmung der Raumkoordinaten des Untersuchungsinstruments 9 dieses lagerichtig in das am Monitor 7 gezeigte dreidimensionale Volumen eingezeichnet.
Zweckmäßigerweise ist hierzu im Bildaufnahme- und -rechenmittel ein Satz unterschiedlicher Untersuchungsinstrumente abgelegt, so dass auch das von seiner Konstruktion und seinen Abmessungen her richtige Untersuchungsinstrument lage- und dimensionsrichtig in das Volumenbild eingeblendet werden kann.

Claims

Verfahren zum Detektieren der dreidimensionalen Position eines in einen Körperbereich eingeführten Untersuchungsinstruments, an dem wenigstens drei in ihrer geometrischen Anordnung zueinander bekannte strahlungsopake Markierungen vorgesehen sind, unter Verwendung einer Vorrichtung zur Aufnahme von Strahlungsbildern mit einer Strahlungsquelle und einem Strahlungsempfänger, mit folgenden Schritten: – Aufnahme eines zweidimensionalen Projektionsbildes des Körperbereichs, – Ermittlung der Positionen (u_i, v_i) wenigstens dreier in dem einen Projektionsbild gezeigter strahlungsopaken Markierungen, – Ermittlung der Raumkoordinaten (x_i, y_i, z_i) der wenigstens drei Markierungen im Koordinatensystem der Aufnahmevorrichtung anhand der Positionen (u_i, v_i) und der zu dem einen Projektionsbild gehörigen Projektionsmatrix unter Berücksichtigung der bekannten geometrischen Anordnung der Markierungen zueinander.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Raumkoordinaten (x_i, y_i, z_i) ein Satz linearer Gleichungen zur Beschreibung der direkten Verbindungslinien zwischen dem Fokus der Strahlungsquelle und der jeweiligen Position (u_i, v_i) im Projektionsbild aufgestellt wird, wonach aus dem Gleichungssatz unter Berücksichtigung der geometrischen Anordnung die Raumkoordinaten ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Untersuchungsinstrument mit wenigstens drei in einer Linie angeordneten Markierungen verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an hand mehrerer zweidimensionalen Projektionen ein dreidimensionales Volumenbild des Körperbereichs erstellt wird, in dem die Markierungen dargestellt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Volumenbild das Untersuchungsinstrument dargestellt wird.
Vorrichtung zur Aufnahme von Strahlungsbildern umfassend eine Strahlungsquelle (4) und einen Strahlungsempfänger (5), sowie Bildaufnahme- und -rechenmittel (6), die so ausgebildet sind – dass ein zweidimensionales Projektionsbild (P) eines Körperbereichs aufgenommen wird, in den ein Untersuchungsinstrument (9) mit wenigstens drei in ihrer geometrischen Anordnung zueinander bekannten strahlungsopaken Markierungen (10, 10a, 10b, 10c) eingeführt ist, – dass die Positionen (u_i, v_i) der wenigstens drei in dem einen Projektionsbild (P) gezeigten strahlungsopaken Markierungen ermittelt werden, und – dass die Raumkoordinaten (x_i, y_i, z_i) der wenigstens drei Markierungen im Koordinatensystem der Aufnahmevorrichtung anhand der Positionen (u_i, v_i) und der zu dem einen Projektionsbild (P) gehörigen Projektionsmatrix unter Berücksichtigung der bekannten geometrischen Anordnung der Markierungen (10a, 10b, 10c) ermittelt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahme- und -rechenmittel (6) zur Ermittlung der Raumkoordinaten (x_i, y_i, z_i) anhand eines Satzes linearer Gleichungen zur Beschreibung der direkten Verbindungslinien zwischen dem Fokus (F) der Strahlungsquelle (4) und der jeweiligen Position (u_i, v_i) im Projektionsbild (P) unter Berücksichtigung der geometrischen Anordnung ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahme- und -rechenmittel (6) zur Ermittlung eines dreidimensionalen Volumenbilds anhand der zweidimensionalen Projektionen (P) und zur Darstellung der Markierungen (10, 10a, 10b, 10c) im Volumenbild ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahme- und -rechenmittel (6) zur Ermittlung eines dreidimensionalen Volumenbilds anhand der zweidimensionalen Projektionen und zur Darstellung des Untersuchungsinstruments (9) im Volumenbild ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bildaufnahme- und -rechenmittel (6) eine Darstellung des Untersuchungsinstruments (9) abgelegt ist, das in Abhängigkeit der ermittelten Raumkoordinaten in das Volumenbild eingezeichnet wird.