DE102004048066A1

DE102004048066A1 - Vorrichtung und Verfahren zur geometrischen Kalibrierung unterschiedlicher Meßeinrichtungen, insbesondere bei der Anwendung bildgebender Operations-, Therapie- oder Diagnostikmethoden

Info

Publication number: DE102004048066A1
Application number: DE102004048066A
Authority: DE
Inventors: Werner Prof. Dr. Neddermeyer; Wolfgang Prof. Dr. Winkler; geb. Dreckmann Matthias Dipl.-Ing. Aleff; Adrian Dipl.-Ing. Krzizok
Original assignee: TECMEDIC GmbH
Current assignee: TECMEDIC GmbH
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-04-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung unterschiedlicher Meßeinrichtungen (8, 9, 9'), insbesondere bei der Anwendung bildgebender Operations-, Therapie- oder Diagnosemethoden, bei der mittels eines ersten bildgebenden Verfahrens (8) eine Erfassung geometrischer Informationen erfolgt, die mit an demselben Objekt erfaßten geometrischen Informationen eines weiteren bildgebenden Verfahrens (9) abzugleichen sind. Bei einer derartigen Vorrichtung erfolgt eine Kalibrierung mittels eines Kalibrierkörpers (1), der mindestens eine eindeutig identifizierbare erste Markierung (2) aufweist, deren Lage und Orientierung innerhalb eines Bezugsraumes (13) mit dem ersten bildgebenden Verfahren (8) erfaßbar ist, und mindestens eine eindeutig identifizierbare zweite Markierung (3) aufweist, deren Lage und Orientierung innerhalb des gleichen Bezugsraumes (13) mit einem weiteren bildgebenden Verfahren (9) erfaßbar ist, wobei anhand der bekannten Relativlage und Relativorientierung der ersten und zweiten Markierungen (2, 3) des Kalibrierkörpers (1) zueinander auf Basis der mit dem ersten und zweiten bildgebenden Verfahren (8, 9) erfaßten geometrischen Informationen über die Markierungen (2, 3) ein Abgleich der Meßeinrichtungen der bildgebenden Verfahren (8, 9) durchführbar ist. Ebenfalls wird ein entsprechendes Verfahren zur Durchführung der Kalibrierung vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung unterschiedlicher Meßeinrichtungen, insbesondere bei der Anwendung bildgebender Operations-, Therapie- oder Diagnosemethoden gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein entsprechendes Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruches 19.

Der zunehmende Einsatz von computergestützten Operationstechniken bzw. analog bei computergestützten Therapie- oder Diagnosemethoden, zu denen im weiteren vereinfachend vorwiegend von Operationstechniken gesprochen wird, ist nur erreichbar durch den Einsatz bildgebender Verfahren, die den Operateur vor und während der Operation, d. h. bei der Operationsplanung und bei der Operationsdurchführung unterstützen und die eigentliche Operation nur wenig hinsichtlich der Vornahme entsprechender Bedienhandlungen der technischen Ausrüstungen stören. Hierbei kommt den bildgebenden Verfahren besondere Bedeutung zu, da nur durch die Verwendung bildgebender Verfahren im Vorfeld der Operation bei der Operationsplanung und bei der Durchführung der Operation der Operateur eine Rückmel dung darüber bekommt, ob die Operation bestimmungsgemäß ausgeführt wird und den beabsichtigten Erfolg zeitigt. Insbesondere auch bei den ebenfalls zunehmend angewandten minimal-invasiven Operationsverfahren ist der Operateur nahezu vollständig auf die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Informationen angewiesen, die die bildgebenden Verfahren zur Verfügung stellen.

War es in der Anfangszeit bildgestützter Operationstechniken oder Therapietechniken oder Bestrahlungstechniken üblich, die Operationen oder Therapien oder Bestrahlungen über den gesamten Ablauf beispielsweise durch Röntgenaufnahmen oder Computertomographien zu überwachen, so ist der Einsatz derartiger bildgebender Verfahren während der ganzen Dauer der Operation oder Therapie oder Bestrahlung sowohl für den Behandelten als auch für das Behandlungspersonal problematisch, da üblicherweise verwendete Röntgenverfahren eine hohe Strahlenbelastung mit sich bringen. Auch sind viele Operationen oder Therapien oder Bestrahlungen aufgrund der äußerst beengten Platzverhältnisse gar nicht in einem Magnetresonanztomographen ausführbar, so daß der Patient ständig zwischen dem Behandlungsbezirk und dem Magnetresonanztomographen hin und her bewegt werden muß, um während der Operation oder Therapie oder Bestrahlung immer wieder das bildgebende Verfahren einsetzen zu können. Dieses Verfahren ist umständlich und für den Patienten belastend, wodurch der Erfolg einer solchen Operation oder Therapie oder Bestrahlung häufig in Frage gestellt wird.

Es ist daher beispielsweise aus der DE 10161160 A1 ein Verfahren zur Erfassung der räumlichen Position von Markierungen in einem Raum mittels optischer Verfahren bekannt geworden, bei dem während der eigentlichen Ausführung einer Operation nicht mehr das ursprünglich bildgebende Verfahren (beispielsweise die Computertomographie bzw. die Kernspintomographie) zum Einsatz kommt, sondern basierend auf den aus einem derartigen bildgebenden Verfahren herstammenden Daten während der Operation durch ein sogenanntes Navigationssystem jeweils aktualisiert und dem Operateur auf einem Bildschirm angezeigt werden. Hierdurch wird es ermöglicht, daß das für die räumliche Erfassung des Operationsfeldes notwendige bildgebende Verfahren zur Vorbereitung der Operation nur einmal oder wenige Male ausgeführt werden muß und dann während der eigentlichen Operation die geometrischen Verhältnisse innerhalb des Operationsgebietes sowie die Operationsverrich tungen durch den Operateur mittels optischer Erkennungsverfahren beispielsweise über Kameras erfaßt werden und mit den Daten aus dem ursprünglichen bildgebenden Verfahren korreliert werden. Diese korrelierten Daten ergeben kann die jeweils aktuelle Situation im Operationsgebiet wieder und erlauben damit dem Operateur, auch ohne die ständige Anwendung des ursprünglichen bildgebenden Verfahrens das Operationsgebiet in dessen räumlicher Gestaltung ständig im Auge zu haben und gleichzeitig seine eigenen Handlungen überwachen und korrigieren zu können. Eine derartige geometrischer Überwachung des Operationsgebietes und der Handhabung eines Operateurs wird auch als Navigationssystem bezeichnet.

Voraussetzung für die Anwendung eines derartigen Überlagerungsverfahrens ist es allerdings, daß die aus dem ursprünglichen bildgebenden Verfahren gewonnenen Daten mit den Daten, die aus der beispielsweise optischen Erfassung des Operationsgebietes mit dem Navigationssystem während der Operation möglichst genau korreliert werden können, so daß entsprechende Abweichungen zwischen den jeweiligen Daten nicht auftreten können und der Operateur genau diejenigen geometrischen Verhältnisse angezeigt bekommen, die der Situation im Operationsgebiet exakt entsprechen. Hierfür wurde in der DE 10161160 A1 vorgeschlagen, ein Kalibriergestell mit Zielmarkierungen zu versehen und zur Kalibrierung in den Arbeitsbereich des ersten bildgebenden Verfahrens einzubringen. Hierbei wird dieses Kalibriergestell sowie die Zielmarken zur Bestimmung der gegenseitigen Relativlage des ursprünglichen bildgebenden Verfahrens und der optischen Überwachung des Operationsgebietes durch das Navigationssystem verwendet. Problematisch an dieser Vorgehensweise ist es, daß die üblicherweise bei Navigationsverfahren eingesetzten Kamerasysteme typischerweise optisch mit hohem Kontrast ausgestattete Markierungen zur sicheren Erkennung einzelner Punkte auf dem Kalibriergestell benötigen, wohingegen beispielsweise in einem Computertomographen derartige Markierungen in aller Regel nicht oder nur sehr schwach abgebildet werden. Daher ist die Kalibrierung an dem im Stand der Technik vorgeschlagenen Kalibriergestell relativ ungenau und die daraus gewonnenen Daten mit entsprechenden Unsicherheiten behaftet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Vorrichtung und ein zur Benutzung der Vorrichtung geeignetes Verfahren vorzuschlagen, mit dem die Kalibrierung zwischen den jeweiligen Koordinatensystemen unterschiedli cher bildgebender Verfahren möglichst vereinfacht und wesentlich genauer als bislang üblich durchgeführt werden kann.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich hinsichtlich der Vorrichtung aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 19 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des zugehörigen Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung hinsichtlich der Vorrichtung geht aus von einer Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung unterschiedlicher Meßeinrichtungen, insbesondere bei der Anwendung bildgebender Operationsmethoden, bei der mittels eines ersten bildgebenden Verfahrens eine Erfassung geometrischer Informationen erfolgt, die mit an dem selben Objekt erfaßten geometrischen Informationen eines weiteren bildgebenden Verfahrens abzugleichen sind. Eine derartige gattungsgemäße Vorrichtung wird dadurch in erfinderischer Weise weiter entwickelt, daß die Kalibrierung mittels eines Kalibrierkörpers erfolgt, der mindestens eine eindeutig identifizierbare erste Markierung aufweist, deren Lage und Orientierung innerhalb eines Bezugsraumes mit dem ersten bildgebenden Verfahren erfaßbar ist, und mindestens eine eindeutig identifizierbare zweite Markierung aufweist, deren Lage und Orientierung innerhalb des gleichen Bezugsraumes mit einem weiteren bildgebenden Verfahren erfaßbar ist, wobei anhand der bekannten Relativlage und Relativorientierung der ersten und zweiten Markierungen des Kalibrierkörpers zueinander auf Basis der mit dem ersten und zweiten bildgebenden Verfahren erfaßten geometrischen Informationen über die Markierungen ein Abgleich der Meßeinrichtungen der bildgebenden Verfahren durchführbar ist. Hierdurch ist mit nur einem Kalibrierkörper eine Kalibrierung von zwei oder auch möglicherweise mehr als zwei unterschiedlichen bildgebenden Verfahren denkbar, wobei jedes der bildgebenden Verfahren an dem Kalibrierkörper mindestens eine entsprechende Markierung vorfindet, die aufgrund der Art des bildgebenden Verfahrens besonders gut durch das bildgebende Verfahren zu erkennen und damit die so gewonnenen Daten mit hoher Genauigkeit zu erfassen und weiter zu verarbeiten sind. Hierdurch werden Fehler aufgrund von Erkennungsungenauigkeiten der Markierungen durch nicht optimal auf das jeweilige bildgebende Verfahren abgestimmte Markierungen vermieden, gleichzeitig kann die Kalibrierung einfach und mit Hilfe nur eines entsprechenden Kalibrierkörpers durchgeführt werden, wodurch die Kalibrierzeit insgesamt wesentlich verringert und gleichwohl die Genauigkeit erhöht wird. Durch die genaue, beispielsweise bei der Herstellung oder bei einem Einmeßvorgang festgelegte bzw. erfaßte räumliche Beabstandung der unterschiedlichen Markierungen an dem Kalibrierkörper ist der Positionsversatz und der Orientierungsversatz zwischen den Markierungen für die jeweiligen bildgebenden Verfahren unveränderlich vorgegeben und kann zur Kompensation von Ungenauigkeiten bzw. Verschiebungen und Verdrehungen der Meßeinrichtungen zur Durchführung der bildgebenden Verfahren benutzt werden. Hierdurch kann beispielsweise in einem Magnetresonanztomographen, in dem zur Einmessung der Geometrie eines Operationsfeldes eines Patienten ein Magnetresonanztomogramm angefertigt wird und gleichzeitig das Operationsfeld durch ein Kamerasystem aus einer Anzahl von Kameras überwacht wird, die Anordnung der einzelnen Kameras zueinander und bezogen auf das Koordinatensystems des Magnetresonanztomographen kalibriert werden. Hierzu wird der Magnetresonanztomographen eine Schichtaufnahme des Kalibrierkörpers anfertigen, auf dem die für den Magnetresonanztomographen besonders geeigneten Markierungen unzweideutig zu erkennen sind, während gleichzeitig oder zeitlich versetzt das Kamerasystem ebenfalls von dem selben Kalibrierkörper und in der selben oder eine eindeutig dazu beabstandeten Position innerhalb des Magnetresonanztomographen eine entsprechende Aufnahme der für die Erfassung durch die Kameras gedachten Markierungen anfertigt. Werden nun diese unterschiedlichen Aufnahmen der jeweiligen Markierungen ausgewertet und zueinander geometrisch in Verhältnis gesetzt, so kann der Positions- und Lageversatz zwischen den jeweiligen Koordinatensystemen des Kamerasystems und des Magnetresonanztomographen ermittelt und für die weitere Nutzung gespeichert werden. Hiermit ist es möglich, Daten, die von dem Magnetresonanztomographen beispielsweise vor einer Operation eines Patienten aufgenommen wurden, mit den Daten eines Kamerasystems zu kombinieren, die während der Durchführung einer entsprechenden Operation von einem Kamerasystem gemacht werden. Damit hat aber ein Operateur auch ohne die Notwendigkeit einer ständigen Durchführung von Magnetresonanztomographen aufgrund der Überlagerung der beiden Bildinformationen eine aktuelle Informationen über die geometrischen Verhältnisse in dem Operationsgebiet. Selbstverständlich ist es auch denkbar, daß der Kalibrierkörper zur Kalibrierung von mehreren gleichartigen bildgebenden Systemen wie etwa mehreren Kame rasystemen verwendet wird, die beispielsweise für unterschiedliche Arbeitsräume genutzt werden können.

Hierbei kann in einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung die mindestens eine Markierung für das bildgebende Verfahren eine optisch eindeutig erkennbare Anordnung von Markierungsträgern auf einer Fläche des Kalibrierkörpers aufweisen, deren optische Erfassung mittels mindestens einer Kamera erfolgt. Derartige Markierungen, die in weiterer Ausgestaltung beispielsweise optisch erfaßbare Markierungsträger in Form von geometrischen Elementen sind, die sich mit hohem Kontrast optisch von einer Bezugsfläche des Kalibrierkörpers abheben, können mit Kameras einfach erkannt werden und damit eine genaue Erfassung der Positionen und Orientierungen der Markierungen mittels Bildauswertung und bezogen auf ein Kamera-Koordinatensystemen ermöglichen. Hierdurch ist mit Standardverfahren möglich, aus den Kamerabildern entsprechende geometrische Informationen mit hoher Genauigkeit zu berechnen und beispielsweise wie vorstehend schon beschrieben im Rahmen von Navigationssystemen für die Durchführung von bildgestützten Operationstechniken zu verwenden. Von Vorteil ist es hierbei weiter, wenn die optisch erfaßbaren Markierungsträger auf einer ebenen Fläche des Kalibrierkörpers angeordnet sind, da dann die Auswertung der Abbilder der Markierungsträger besonders einfach durchzuführen ist. Hierbei können ebenfalls die optisch erfaßbaren Markierungsträger eine Anzahl von, vorzugsweise gitterartig angeordneten geometrischen Elementen aufweisen, wodurch allein schon durch die Anzahl der einzelnen Markierungen eine genaue Erfassung der Orientierung und der Positionen des Kalibrierkörpers erreicht werden kann.

In einer anderen Ausgestaltung ist es auch denkbar, daß die optisch erfaßbaren Markierungsträger geometrisch definierte Leuchtelemente aufweisen, die sich selbstleuchtend von einer Bezugsfläche des Kalibrierkörpers abheben. Durch entsprechende selbstleuchtende Markierungen kann beispielsweise unter schlechten Lichtverhältnissen oder auch schlicht zur Erhöhung des Kontrastes ein Kalibrieren mit Hilfe des erfindungsgemäßen Kalibrierkörpers erfolgen.

Weiterhin können die optisch erfaßbaren Markierungsträger eine unregelmäßige Anordnung zueinander einnehmen und/oder eine unterschiedliche Geometrie aufweisen, um diese Markierungsträger von anderen optisch erfaßbaren Markierungsträ gern an dem Kalibrierrahmen eindeutig zu unterscheiden. So ist es beispielsweise denkbar, mehrere Markierungsträger an unterschiedlichen Stellen des Kalibrierkörpers anzubringen, um beispielsweise bei schlechten Lichtverhältnissen oder Verdeckungen einzelner Teile des Kalibrierkörpers aufgrund einer Kameraanordnung gleichwohl eine sichere Kalibrierung durchführen zu können, wofür durch die unterschiedliche Geometrie oder unregelmäßige Anordnung eindeutig identifiziert werden kann, welche Gruppe von Markierungsträgern von jeder Kamera jeweils erfaßt wird.

In anderer Ausgestaltung ist es auch denkbar, daß als mindestens eine Markierung für das bildgebende Verfahren die eindeutig erkennbare Geometrie des Kalibrierkörpers selbst nutzbar ist. Ist beispielsweise der Kalibrierkörpers selbst entsprechend geometrisch eindeutig gestaltet und durch das gewählte bildgebende Verfahren abbildbar, so kann auch die Außengeometrie des Kalibrierkörpers oder auch beispielsweise einzelne Segmente der Form des Kalibrierkörpers als Markierung dienen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist es denkbar, daß die mindestens eine Markierung für das bildgebende Verfahren eine eindeutig erkennbare Anordnung von Strukturen innerhalb des Kalibrierkörpers aufweist. Derartige innerhalb des Kalibrierkörpers angeordnete Strukturen können in weiterer Ausgestaltung beispielsweise Kavitäten aufweisen, die mit einer Substanz gefüllt sind, die mittels des weiteren bildgebenden Verfahrens eindeutig erkennbar ist. Insbesondere, wenn die Kavitäten als längserstreckte Kanäle und besonders bevorzugte zum Beispiel als senkrecht zueinander angeordnete Kanäle ausgebildet sind, die in Form eines vorzugsweise orthogonalen Koordinatensystems angeordnet sind, läßt sich aus der Erfassung eines derartig angeordneten Kanalsystems unmittelbar auf die Lage des Nullpunktes des dadurch repräsentierten Koordinatensystems an dem Kalibrierkörper schließen. Hierdurch ist die Auswertung der erfaßten Bildinformationen besonders einfach.

In weiterer Ausgestaltung ist es dabei denkbar, daß die Kavitäten mit einem Fluid, insbesondere mit Wasser gefüllt sind, dessen Erfassung mittels Magnetresonanz, insbesondere mittels Magnetresonanztomographie erfolgt. Fluide und insbesondere Wasser werden durch Verfahren zur Detektion von Magnetresonanzen besonders gut erfaßt und ergeben damit eine hohe Genauigkeit bei der Erfassung der Lage der Kavitäten in dem Kalibrierkörper.

Ebenfalls können die Kavitäten mit einem Metall oder einer anderen Substanz gefüllt werden, dessen Erfassung mittels Röntgenstrahlen, insbesondere mittels Computertomographie erfolgt. Beispielsweise können in die Kavitäten entsprechende Zylinder eingeschraubt oder eingesteckt werden, die Metalle oder auch sonstige Substanzen aufweisen, die sich durch Röntgenstrahlen besonders gut abbilden lassen.

Weiterhin könnten die Kavitäten mit einer Substanz gefüllt sein, deren Erfassung mittels Ultraschalltechnik, insbesondere mittels 3D-Ultraschalltechniken erfolgt.

Für andere bildgebende Verfahren wäre es auch denkbar, daß die Kavitäten mit einem Kontrastmittel oder mit einer eigene Strahlung aussendenden, insbesondere schwach strahlenden Substanz gefüllt sind, deren Erfassung beispielsweise mittels Positronenstrahlquellen erfolgt.

Die Erfindung betrifft gemäß Anspruch 19 weiterhin ein Verfahren zur geometrischen Kalibrierung unterschiedlicher Meßeinrichtungen, insbesondere bei der Anwendung bildgebender Operations-, Therapie- oder Diagnosemethoden, bei denen mittels eines ersten bildgebenden Verfahrens eine Erfassung geometrischer Informationen erfolgt, die mit an dem selben Objekt erfaßten geometrischen Informationen eines weiteren bildgebenden Verfahrens abzugleichen sind. Hierbei kann zur Kalibrierung ein Kalibrierkörper verwendet werden, der mindestens eine eindeutig identifizierbare erste Markierung aufweist, deren Lage und Orientierung innerhalb eines Bezugsraumes mit dem ersten bildgebenden Verfahren erfaßbar ist, und mindestens eine eindeutig identifizierbare zweite Markierung aufweist, deren Lage und Orientierung innerhalb des gleichen Bezugsraumes mit dem weiteren bildgebenden Verfahren erfaßbar ist. Wird nun der Kalibrierkörper innerhalb des Bezugsraumes angeordnet und dessen Lage und Orientierung in identischer Anordnung zeitlich nacheinander oder gleichzeitig mit dem ersten und dem weiteren bildgebenden Verfahren erfaßt, so kann aus der Lage und Orientierung der derart erfaßten ersten und zweiten Markierungen jeweils separat bezogen auf für jedes der bildgebenden Verfahren eigenständige Bezugskoordinatensysteme umgerechnet werden und anhand der bekannten Relativpositionen und Relativorientierungen von ersten und zweiten Markierungen an dem Kalibrierkörper die Meßeinrichtungen des ersten und des weiteren bildgebenden Verfahrens zueinander bezogen auf ihre Relativposition und Relativlage bzw. die Lage und Orientierung der jeweiligen zueinander Bezugskoordinatensyste me umgerechnet werden. Damit ist ein einfach durchzuführendes und gleichzeitig sicheres sowie genaues Verfahren zur Kalibrierung unterschiedlicher Meßeinrichtungen für verschiedene bildgebende Verfahren geschaffen, durch das mit einem einzigen Kalibrierkörper und in einer gleichzeitigen oder zeitnah nacheinander ausgeführten Kalibrierung und ohne die Gefahr von Fehlern durch Verwendung unterschiedlicher Kalibrierkörper eine Einmessung beispielsweise von bildgebenden Systemen im Zusammenhang mit minimal-invasiven Operationen erfolgen kann. Hierbei ist es auch denkbar, daß mehr als zwei bildgebende Verfahren mit demselben Kalibrierkörper geometrisch kalibriert werden, indem für jedes bildgebende Verfahren erfaßbare Markierungen oder Markierungsgruppen an dem Kalibrierkörper vorgesehen werden, die jeweils mit einem der bildgebenden Verfahren wie vorstehend erfaßt separat erfaßt und zueinander in Relation gesetzt werden können.

Besonders bevorzugt ist es, wenn als bildgebendes Verfahren die optische Erfassung von geometrischen Informationen mittels Kameras verwendet wird, wobei in weiterer Ausgestaltung jede innerhalb des Bezugsraumes angeordnete Kamera ein eigenes Bild des in dem Bezugsraum angeordneten Kalibrierkörpers und der daran angeordneten Markierung erfaßt und in einer nachgeschalteten Erfassungseinheit die Bilder der Kameras mit den erfaßten Markierungen miteinander zu genauen Positionen und Orientierung der Kameras im Bezugsraum verrechnet werden. Hierbei kann sowohl die Positionierung und Orientierung der einzelnen Kameras zueinander als auch zu einem weiteren bildgebenden Verfahren eingemessen werden, für das an dem Kalibrierkörper ebenfalls eine entsprechende Markierung vorgesehen wird.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Verrechnung der Bilder der innerhalb des Bezugsraumes angeordneten Kameras mit einem Verfahren nach Lenz (R.K. Lenz, „Linsenfehlerkorrigierte Eichung von Halbleiterkameras mit Standardobjektiven für hochgenaue 3D-Messungen in Echtzeit", Informatik Fachberichte 149, 9. DAGM-Symposium 1987, Braunschweig, 29. September – 1. Oktober, Seiten 212–216, Springer, 1987) oder Tsai (R. Tsai, „An Efficient and Accurate Camera Calibration Technique for 3d Machine Vision", Proceedings of IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, pp. 364–374, Miami Beach, Florida, 1986) durchgeführt wird, die als bekannte Verfahren für diese Zwecke üblicherweise eingesetzt werden und daher softwaretechnisch einfach zu implementieren bzw. zu nutzen sind.

In weiteren Ausgestaltungen können als bildgebende Verfahren die Erfassung von geometrischen Informationen mittels Röntgenstrahlen, insbesondere die Computertomographie, oder mittels Magnetresonanz, insbesondere die Kernspintomographie verwendet werden. Derartige Verfahren sind beispielsweise für die medizinische Diagnostik heute Standard und damit flächendeckend vorhanden und apparativ auf einem hohen Stand. Hierbei werden besonders bevorzugt die geometrischen Informationen als dreidimensionale Schichtbilder des Kalibrierkörpers zur Berechnung der Lage des Kalibrierkörpers innerhalb des Bezugsraums verwendet.

Als weitere bildgebende Verfahren kann die Erfassung von geometrischen Informationen mittels Positronenstrahlquellen oder auch mittels Ultraschalltechnik, insbesondere mittels 3D-Ultraschalltechniken verwendet werden.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt die Zeichnung.
Es zeigen:
1 – eine isometrische Prinzipdarstellung des Kalibrierkörpers mit daran außenseitig angeordneten optisch erkennbaren Markierungen und im Inneren angeordneten mittels Röntgenstrahlung oder Magnetresonanz erfaßbaren Kanälen,
2 – ein Magnetresonanztomograph zur bildgebenden Untersuchung und/oder Behandlung eines Patienten mit daran angeordneten Kamerasystemen und einem in dem Bezugsraum des Magnetresonanztomographen angeordneten Kalibrierkörpers,
3 – eine Vergrößerung eines Ausschnittes der Darstellung der 3 mit besser erkennbarem Bezugsraum und Kalibrierkörper.
In der 1 ist in einer als Prinzipbeispiel gedachten Darstellung der Aufbau eines Kalibrierkörpers 1 zur Durchführung einer Kalibrierung hinsichtlich der geometrischen Zuordnung eines in der 2 bzw. 3 genauer erkennbaren Kamerasystems 9 und eines Magnetresonanztomographen 8 zu erkennen, mit dem die Bezugspositionen des Kamerasystems 9 und der nicht näher angegebenen bildgebenden Einheiten des Magnetresonanztomographen 8 zueinander Kalibrierung werden können. Eine derartige Kalibration ist deswegen notwendig, um beispielsweise in einer nachfolgenden Operation hinsichtlich der geometrischen Zuordnung beispielsweise von Operationswerkzeugen oder dergleichen zu dem Körper eines Patienten 10 eindeutige geometrischer Verhältnisse festlegen zu können. Hierzu wird der Patient auf einem mittels eines Hubtisches 12 verfahrbaren Behandlungstisch 11 in den tunnelartigen Bezugsraum 13 des Magnetresonanztomographen 8 eingeschoben und in grundsätzlich bekannter Weise durch die bildgebenden Einheiten des Magnetresonanztomographen 8 untersucht. Die derart entstandenen Schichtaufnahmen von Teilen des Körpers des Patienten 10 werden dann beispielsweise bei einer nachfolgenden Operation dazu genutzt, um mittels Überlagerung durch geometrische Informationen, die von einem Kamerasystem 9' außerhalb des Magnetresonanztomographen 8 mittels eines medizinischen Navigationssystems in grundsätzlich bekannter Weise gewonnen werden, eine aktuelle Situation während der Operation für den Operateur optisch anzuzeigen.
Hierfür ist es aber von entscheidender Bedeutung, die durch den Magnetresonanztomographen 8 gewonnenen geometrischen Informationen in Form der Schichtbilder ins Verhältnis zu optisch mittels der Kameras 9 gewonnenen Informationen über den Körper des Patienten 10 zu setzen. Hierfür müssen aber die Koordinatensysteme, die von dem Magnetresonanztomographen 8 und von den Kameras 9 verwendet werden, zueinander kalibriert werden, um geometrische Informationen an gleichen Stelle des Körpers des Patienten 10 überlagern zu können.
Hierfür wird der Kalibrierkörper 1 vor der Untersuchung des Patienten 10 in den Bezugsraum 13 des Magnetresonanztomographen 8 eingebracht und sowohl durch die bildgebenden Einrichtungen des Magnetresonanztomographen 8 als auch durch die Kameras 9 abgebildet. Anschließend wird anhand dieser Abbildungen festgestellt, welche Differenzen hinsichtlich der Bezugskoordinatensysteme 4, 5 von Magnetresonanztomographen 8 bzw. Kameras 9 existieren und diese Differenzen können dann bei der nachfolgenden Überlagerung beispielsweise im Rahmen der Operation des Patienten 10 berücksichtigt werden. Damit ist es möglich, durch den Magnetresonanztomographen 8 gewonnene Bildinformationen direkt mit Bildinformationen von Kameras 9 bzw. den Bildinformationen der auf einem Portal 14 angeordneten Kame ras 9' zu überlagern und damit dem Operateur entsprechende Informationen für die Durchführung einer Operation zur Verfügung zu stellen.
Damit der Kalibrierkörper 1 sowohl von den bildgebenden Einheiten des Magnetresonanztomographen 8 als auch von den Kameras 9 jeweils optimal erkannt werden kann und gleichzeitig ein möglicher Versatz durch Verwendung unterschiedlicher Kalibrierkörper für die jeweiligen bildgebenden Verfahren vermieden wird, weist der erfindungsgemäße Kalibrierkörper 1 sowohl Markierungen 2 für die Erfassung mittels der Kameras 9 als auch Markierungen 3 für die Erfassung durch die bildgebenden Einheiten des Magnetresonanztomographen 8 auf. Die Markierungen 2 für die Erkennung durch die Kameras 9 sind in der 1 nur als kreisförmige Elemente angedeutet, wobei selbstverständlich jede Form optisch gut wahrnehmbarer Markierungen 2 auf der hier eben ausgestalteten Fläche 6 des Kalibrierkörpers 1 denkbar sind, beispielsweise Kreuze, Punkte, geometrische Muster oder dergleichen, die einzeln oder wie in der 1 dargestellt in einer Mehrzahl von Markierungen 2 etwa in einer zeilen- und spaltenförmigen Anordnung angebracht werden können. Wichtig ist hierbei vor allem, daß diese Markierungen 2 einen hohen Kontrast zur Oberfläche der Fläche 16 des Kalibrierkörpers 1 aufweisen und damit sich mit den Kameras 9 eindeutig abbilden lassen. Anhand dieses Musters der Markierungen 2 oder auch einzelner Markierungen 2 kann dann in einer nicht weiter dargestellten, nachgeschalteten Auswerteeinheit die genaue Lage des Kalibrierkörpers 1 innerhalb des Bezugsraums 13 des Magnetresonanztomographen 8 mittels grundsätzlich bekannter Methoden der Bildauswertung bestimmt werden.
Ebenfalls ist im Inneren des Kalibrierkörpers 1 eine Anzahl von Markierungen 3 in Form von Kanälen 3 zu erkennen, in die beispielsweise Substanzen eingefüllt werden können, die sich mittels bildgebender Verfahren wie etwa in einem Magnetresonanztomographen 8, einem Kernspintomographie in oder dergleichen bildgebenden Einheiten besonders gut abbilden. Diese Kanäle 3 sind im Beispiel gemäß 1 etwa senkrecht zueinander in das Innere des Kalibrierkörpers 1 eingebracht und damit in ihrer Lage bezogen auf die Markierungen 2 auf der Fläche 6 des Kalibrierkörpers 1 eindeutig bestimmt. Der Versatz 7 der sich hieraus berechnenden Koordinatensysteme 4 bzw. 5 für die optisch wahrnehmbaren Markierungen 2 bzw. die mittels bildgebenden Verfahren erkennbaren Markierungen 3 wird beispielsweise bei der Fertigung des Kalibrierkörpers 1 genau eingestellt bzw. nach der Herstellung genau vermessen, so daß der Versatz 7 in dem Kalibrierkörper 1 verkörpert ein für allemal festliegt. Werden nun sowohl die Markierungen 2 als auch die Markierungen 3 in den bildgebenden Verfahren 8, 9 erfaßt und jeweils in den nachgeschalteten Auswerteeinheiten in ihrer Lage bezogen auf ein jeweils gerätebezogenes Koordinatensystem des Magnetresonanztomographen 8 bzw. der Kameras 9 ermittelt, so läßt sich direkt ineinander umrechnen, wie groß der Versatz und möglicherweise auch die unterschiedliche Orientierung dieser gerätebezogenen Koordinatensysteme bezogen auf die Koordinatensysteme 4, 5 des Kalibrierkörpers 1 ist. Anhand dieses festgestellten Versatzes ist es dann möglich, die mit den bildgebenden Verfahren 8, 9 gewonnenen Daten rechnerisch miteinander in Korrelation zu bringen, beispielsweise einander zu überlagern und damit optisch mittels der Kameras 9 und mittels beispielsweise des Magnetresonanztomographen 8 gewonnenen Informationen zu einem Gesamtbild zu verrechnen. Damit ist aber eine wesentliche Verbesserung beispielsweise für nachfolgende Operationen denkbar, indem mittels des Magnetresonanztomographen 8 nur einmal ein Schichtbild des Patienten 10 gewonnen werden muß und dann durch medizinische Navigationsverfahren mittels Kamerasystem 9, 9' entsprechende Veränderungen in diese Schichtbilder des Magnetresonanztomographen 8 eingespielt werden können. Damit hat der Operateur ohne ständig notwendige Aufnahmen mit dem Magnetresonanztomographen 8 aktuelle Bilder des Operationsgebietes des Patienten 10, ohne daß der Patient 10 einer hohen Strahlenbelastung ausgesetzt werden muß.

1: Kalibrierkörper
2: optische Markierung
3: Kernspinmarkierung
4: Koordinatensystem für optische Markierung
5: Koordinatensystem für Kernspinmarkierung
6: Oberfläche Kalibrierkörper
7: Versatz
8: Magnetresonanztomograph
9, 9': Kamerasystem
10: Patient
11: verschiebbarer Untersuchungstisch
12: Hubtisch
13: Untersuchungsraum Magnetresonanztomograph
14: Portal

Claims

Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung unterschiedlicher Meßeinrichtungen (8, 9, 9'), insbesondere bei der Anwendung bildgebender Operations-, Therapie- oder Diagnosemethoden, bei der mittels eines ersten bildgebenden Verfahrens (8) eine Erfassung geometrischer Informationen erfolgt, die mit an dem selben Objekt erfaßten geometrischen Informationen eines weiteren bildgebenden Verfahrens (9) abzugleichen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung mittels eines Kalibrierkörpers (1) erfolgt, der mindestens eine eindeutig identifizierbare erste Markierung (2) aufweist, deren Lage und Orientierung innerhalb eines Bezugsraumes (13) mit dem ersten bildgebenden Verfahren (8) erfaßbar ist, und mindestens eine eindeutig identifizierbare zweite Markierung (3) aufweist, deren Lage und Orientierung innerhalb des gleichen Bezugsraumes (13) mit einem weiteren bildgebenden Verfahren (9) erfaßbar ist, wobei anhand der bekannten Relativlage und Relativorientierung der ersten und zweiten Markierungen (2, 3) des Kalibrierkörpers (1) zueinander auf Basis der mit dem ersten und zweiten bildgebenden Verfahren (8, 9) erfaßten geometrischen Informationen über die Markierungen (2, 3) ein Abgleich der Meßeinrichtungen der bildgebenden Verfahren (8, 9) durchführbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kalibrierkörper (1) mehr als zwei unterschiedlich erfaßbare Markierungen (2, 3) oder Markierungsgruppen aufweist, von denen jede Markierung (2, 3) oder Markierungsgruppe mit einem anderen bildgebenden Verfahren (8, 9) erfaßbar ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Markierung (2) für das bildgebende Verfahren (9) eine optisch eindeutig erkennbare Anordnung von Markierungsträgern (2) auf einer Fläche (6) des Kalibrierkörpers (1) aufweist, deren optische Erfassung mittels mindestens einer Kamera (9) erfolgt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch erfaßbaren Markierungsträger (2) geometrische Elemente sind, die sich mit hohem Kontrast optisch von einer Bezugsfläche (6) des Kalibrierkörpers (1) abheben.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch erfaßbaren Markierungsträger (2) auf einer ebenen Fläche (6) des Kalibrierkörpers (1) angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch erfaßbaren Markierungsträger (2) eine Anzahl von, vorzugsweise gitterartig angeordneten geometrischen Elementen aufweisen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch erfaßbaren Markierungsträger (2) geometrisch definierte Leuchtelemente aufweisen, die sich selbstleuchtend von einer Bezugsfläche (6) des Kalibrierkörpers (1) abheben.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch erfaßbaren Markierungsträger (2) eine unregelmäßige Anordnung zueinander einnehmen und/oder eine unterschiedliche Geometrie aufweisen, um diese Markierungsträger (2) von anderen optisch erfaßbaren Markierungsträgern an dem Kalibrierkörper (1) eindeutig zu unterscheiden.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als mindestens eine Markierung für das bildgebende Verfahren (9) die eindeutig erkennbare Geometrie des Kalibrierkörpers (1) selbst nutzbar ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Markierung (3) das bildgebende Verfahren (8) eine eindeutig erkennbare Anordnung von Strukturen (3) innerhalb des Kalibrierkörpers (1) aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die innerhalb des Kalibrierkörpers (1) angeordneten Strukturen Kavitäten (3) aufweisen, die mit einer Substanz gefüllt sind, die mittels des bildgebenden Verfahrens (8) eindeutig erkennbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kavitäten (3) als längserstreckte Kanäle (3) ausgebildet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kavitäten (3) als senkrecht zueinander angeordnete Kanäle (3) ausgebildet sind, die in Form eines vorzugsweise orthogonalen Koordinatensystems (5) angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kavitäten (3) mit einem Fluid, insbesondere mit Wasser gefüllt sind, dessen Erfassung mittels Magnetresonanz, insbesondere mittels Kernspintomographie erfolgt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kavitäten (3) mit einem Metall oder einer anderen Substanz gefüllt sind, dessen Erfassung mittels Röntgenstrahlen, insbesondere mittels Computertomographie erfolgt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kavitäten (3) mit einer Substanz gefüllt sind, deren Erfassung mittels Ultraschalltechnik, insbesondere mittels 3D-Ultraschalltechniken erfolgt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kavitäten (3) mit einem Kontrastmittel gefüllt sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kavitäten (3) mit einer eigene Strahlung aussendenden, insbesondere schwach strahlenden Substanz gefüllt sind, deren Erfassung mittels Positronenstrahlquellen erfolgt.
Verfahren zur geometrischen Kalibrierung unterschiedlicher Meßeinrichtungen (8, 9), insbesondere bei der Anwendung bildgebender Operations-, Therapie- oder Diagnosemethoden, bei denen mittels eines ersten bildgebenden Verfahrens (8) eine Erfassung geometrischer Informationen erfolgt, die mit an dem selben Objekt erfaßten geometrischen Informationen eines weiteren bildgebenden Verfahrens (9) abzugleichen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kalibrierung ein Kalibrierkörper (1) verwendet wird, der mindestens eine eindeutig identifizierbare erste Markierung (3) aufweist, deren Lage und Orientierung innerhalb eines Bezugsraumes (13) mit dem ersten bildgebenden Verfahren (8) erfaßbar ist, und mindestens eine eindeutig identifizierbare zweite Markierung (3) aufweist, deren Lage und Orientierung innerhalb des gleichen Bezugsraumes (13) mit dem weiteren bildgebenden Verfahren (9) erfaßbar ist, der Kalibrierkörper (1) innerhalb des Bezugsraumes (13) angeordnet und dessen Lage und Orientierung in identischer Anordnung zeitlich nacheinander oder gleichzeitig mit dem ersten und dem weiteren bildgebenden Verfahren (8, 9) erfaßt wird, die Lage und Orientierung der derart erfaßten ersten und zweiten Markierungen (2, 3) jeweils separat bezogen auf für jedes der bildgebenden Verfahren (8, 9) eigenständige Bezugskoordinatensysteme (4, 5) umgerechnet werden, anhand der bekannten Relativpositionen und Relativorientierungen von ersten und zweiten Markierungen (2, 3) an dem Kalibrierkörper (1) die Meßeinrichtungen des ersten und des weiteren bildgebenden Verfahrens (8, 9) zueinander bezogen auf ihre Relativposition und Relativlage bzw. die Lage und Orientie rung der jeweiligen zueinander Bezugskoordinatensysteme (4, 5) kalibriert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei bildgebende Verfahren (8, 9) mit demselben Kalibrierkörper (1) geometrisch kalibriert werden, indem für jedes bildgebende Verfahren (8, 9) erfaßbare Markierungen (2, 3) oder Markierungsgruppen an dem Kalibrierkörper (1) vorgesehen werden, die jeweils mit einem der bildgebenden Verfahren (8, 9) erfaßt werden können.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß als bildgebendes Verfahren (8, 9) die optische Erfassung von geometrischen Informationen (2) mittels Kameras (9) verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß jede innerhalb des Bezugsraumes (13) angeordnete Kamera (9) ein eigenes Bild des in dem Bezugsraum (13) angeordneten Kalibrierkörpers (1) und der daran angeordneten Markierung (2) erfaßt und in einer nachgeschalteten Erfassungseinheit die Bilder der Kameras (9) mit den erfaßten Markierungen (2) miteinander zu genauen Positionen und Orientierung der Kameras (9) im Bezugsraum (13) verrechnet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Verrechnung der Bilder der innerhalb des Bezugsraumes (13) angeordneten Kameras (9) mit einem Verfahren nach Lenz oder Tsai durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß als bildgebendes Verfahren (8) die Erfassung von geometrischen Informationen mittels Röntgenstrahlen, insbesondere die Computertomographie verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß als bildgebendes Verfahren (8) die Erfassung von geometrischen Informationen mittels Magnetresonanz, insbesondere die Kernspintomographie verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrischen Informationen als dreidimensionale Schichtbilder des Kalibrierkörpers (1) zur Berechnung der Lage des Kalibrierkörpers (1) innerhalb des Bezugsraums (13) verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß als bildgebendes Verfahren (3) die Erfassung von geometrischen Informationen mittels Positronenstrahlquellen verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß als bildgebendes Verfahren (3) die optische Erfassung von geometrischen Informationen mittels Ultraschalltechnik, insbesondere mittels 3D-Ultraschalltechniken verwendet wird.