DE102009031400A1

DE102009031400A1 - Vorrichtung und Verfahren zur rechnergestützten 2D-Navigation

Info

Publication number: DE102009031400A1
Application number: DE102009031400A
Authority: DE
Inventors: Martin Ringholz; Stefan Schneider
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-07-01
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2011-01-05
Also published as: US20110004431A1

Abstract

Bei der vorliegenden Vorrichtung und dem dazugehörigen Verfahren werden Parameter von Projektionsmatrizen eines 3-D-Kalibriervorgangs einer C-Bogeneinheit für eine 2-D-Navigation verwendet.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur rechnergestützten 2D-Navigation.
Zur Bildregistrierung bedarf es einer Vielzahl von Verfahrensschritten, insbesondere von Koordinatentransformationen zwischen verschiedenen jeweils unterschiedlichen Objekten zugeordneten Koordinatensystemen. Bei der Navigation, insbesondere bei einer rechnergestützten Navigation, werden die Positionen von trackbaren Objekten, wie beispielsweise Instrumente, Patientenklemmen, Markerring am Bildverstärker erfasst. Auf jedem trackbaren Objekt befindet sich eine charakteristische Anordnung von mindestens drei optischen Markern. Diese drei optischen Marker können beispielsweise auf einem Stern angeordnet sein. Bei bisher bekannten 2D-Navigationsverfahren wird die Lage des Röntgenbildes bzgl. Strahlengeometrie durch Röntgenmarker erfasst.
Um die Position der jeweiligen Objekte und deren jeweiligen Positionen zueinander zu bestimmen, bedarf es jeweils eines rechenintensiven Registrierverfahrens.
Bisherige Verfahren zur Bildregistrierung bringen den Nachteil mit sich, dass durch die in einem Röntgenbild abgebildeten Metallkugeln der Röntgenmarker evtl. wichtige Bildinformationen verdecken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Vorrichtung und ein dazugehöriges Verfahren zur Registrierung anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 oder 4 angegebenen Merkmale gelöst.
Bei der Vorrichtung und dem Verfahren zur Verwendung von Projektionsmatrizen wird eine Positionierungsvorrichtung zur Erfassung der Ausrichtung der Bildgebungseinheit vorgesehen, wobei 3D-Kalibrierdaten der Bildgebungseinheit in einer Speichereinheit hinterlegt sind und für die 2D-Navigation entsprechend der aktuellen Ausrichtung der Bildgebungseinheit abgerufen werden.
Der Gegenstand der Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass der untere Teil eines 2D-Topfes an der Bildverstärkereinheit bzw. dem Detektor der Bildgebungseinheit, bestehend aus mindestens in zwei Ebenen angeordneten Röntgenmarkerkugeln entfallen kann, da aus den 3D-Kalibrierdaten jeweils Projektionsmatrizen mit extrensischen und intrensischen Parametern ermittelbar sind.
Die Erfindung bringt den Vorteil eines verbesserten klinischen Workflows mit sich, da der gesamte Abstand zwischen Röntgenquelle und Detektor eines C-Bogens uneingeschränkt nutzbar ist.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass in den Röntgenbildern keine Informationen durch abgebildete Röntgenmarker überdeckt werden.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass aufgrund der bereits vorliegenden Projektionsmatrizen auf eine Bildentzerrung während der Registrierprozedur verzichtet werden kann.
Die Erfindung soll im Folgenden mittels eines dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen
1 ein Registrierverfahren,
2 eine schematische Anordnung des Gegenstandes der Erfindung,
3 eine weitere Anordnung und
4 ein weiteres Registrierverfahren.
In 1 ist zum besseren Verständnis des Gegenstandes der Erfindung eine bekannte Art einer Registrierung beschrieben. Zur Umsetzung des Registrierverfahrens sind eine Trackingkamera, eine Recheneinheit RE zur Verknüpfung der gesammelten Bild- bzw. Röntgenbilddaten, eine Röntgeneinheit CB bestehend aus Röntgenquelle RQ sowie einem Detektor bzw. einer Bildverstärkereinheit BV gezeigt. In der Recheneinheit RE können die am Detektor BV der Röntgeneinheit CB abgreifbaren zweidimensionalen Röntgenbilder beispielsweise zu einem Volumenbild zusammengefügt werden. In beispielsweise derselben Recheneinheit RE werden die von den Kameras der Trackingeinheit TS aufgenommenen optischen Informationen, wie beispielsweise die der optischen Marker, ausgewertet. Optische Marker sind an einer ortsfesten Hardwareschnittstelle KP am Gehäuse des Bildverstärkers BV des C-Bogens CB, an einem Referenzstern RS, welcher an einem Objekt CD angebracht ist und an einem chirurgischen Werkzeug ON angeordnet. Die optischen Marker werden beispielsweise an einem Stern mit drei Armen befestigt. Dieser Stern weist eine charakteristische Ausprägung auf, die von der Trackingeinheit TS erkannt wird. Des Weiteren sind aus der 1 den jeweiligen Objekten erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Koordinatensysteme EK, ZK, DK, VK und FK zu entnehmen. Das erste Koordinatensystem EK kann beispielsweise einer Orientierungsvorrichtung RS mit optischen Markern OPM, zugeordnet sein. Die Orientierungsvorrichtung RS kann auch als Wirbelklemme bezeichnet werden. Das zweite Koordinatensystem ZK ist mit einem Objekt OD, von dem mittels der C-Bogeneinheit Röntgenbilder RB erstellt werden, zugeordnet. Dem dritten Koordinatensystem DK sind optische Marker sowie Röntgenmarker zugeordnet, diese sind beispielsweise innerhalb einer an der Bildverstärkereinheit BV der C-Bogeneinheit CB angebrachten ortsfesten Hardwareschnittstelle KP angeordnet. Ein viertes Koordinatensystem VK wird den von einem Patienten aufgenommenen Röntgenbildern RB zugeordnet. In diesem Röntgenbild RB werden die am Bildverstärker BV zugeordneten Röntgenmarkerkugeln RM abgebildet. Das fünfte Koordinatensystem FK ist beispielsweise einem chirurgischen Instrument ON zugeordnet. An diesem chirurgischen Instrument ON sind ebenfalls optische Markerkugeln OPM in einer charakteristischen Anordnung angebracht.
Ein Registriervorgang läuft in der dargestellten Konstellation in mehreren Stufen, z. B. 1–3 ab. Zuerst wird eine Beziehung zwischen einem auf einer Wirbelklemme RS zugeordneten Referenzstern, dem das erste Koordinatensystem EK zugeordnet ist und den optischen Markerkugeln OPM, die auf der Bildverstärkereinheit BV angeordnet sind, hergestellt. Danach wird eine Verbindung zwischen den Röntgenmarkern am Bildverstärker BV und dem der Röntgenaufnahme zugeordneten vierten Koordinatensystem VK hergestellt. Den optischen Markern OPM und den Röntgenmarkern RM am Bildverstärker BV ist das dritte Koordinatensystem DK zugeordnet. Die Position der Röntgenmarker beschreibt die Strahlengeometrie der Röntgeneinheit CB. Die Recheneinheit RE errechnet eine Beziehung zwischen dem ersten Koordinatensystem EK und dem vierten Koordinatensystem VK. Währenddessen der Chirurg mittels des chirurgischen Instrumentes ON operative Eingriffe am Patienten vornimmt, werden über das optische Trackingsystem TS die charakteristische Anordnung der optischen Marker OPM am chirurgischen Instrument ON erkannt. Über die zuvor ermittelte Beziehung zwischen dem Referenzstern und dem Röntgenbild kann somit eine Beziehung zwischen dem chirurgischen Instrument ON über die Orientierungsvorrichtung RS zum Röntgenbild RB fortlaufend und aktuell, beispielsweise an einem Bildschirm, dargestellt werden.
2 gibt schematisch, gemäß der Erfindung, die Röntgeneinheit CB mit der Röntgenquelle RQ sowie der Bildverstärkereinheit BV wieder. Schematisch dargestellt ist ebenso die Positionierungsvorrichtung mit ersten und zweiten Positionsgebern EP, ZP. Zum einen liefert der erste Positionsgeber EP den aktuellen Orbitalwinkel, zum anderen liefert der zweite Positionsgeber ZP den Angulationswinkel des C-Bogens. In einer dem C-Bogen CB zugeordneten Einheit sind beispielsweise die während eines Kalibriervorgangs abgespeicherten, positionsspezifischen 3D-Kalibrierdaten in Look-up-Tabellen LT in einer der Recheneinheit RE zugeordneten Speichereinheit abgelegt.
Eine Projektionsmatrix beschreibt die Transformation vom zweiten Koordinatensystem ZK zum vierten Koordinatensystem VK für einen bestimmten Winkel. Um eine Beziehung zwischen dem dritten und vierten Koordinatensystem DK, VK zu bekommen, muss die Markergeometrie mit der Bildverstärkergeometrie in Verbindung gebracht werden. Hierzu lassen sich die Parameter der Projektionsmatrix in zwei Gruppen aufteilen, die intrinsischen und extrensischen Parameter. Die intrinsischen Parameter beschreiben das Abbildungssystem selbst, also Pixelgröße des Detektors, Auftreffpunkt der optischen Achse ausgehend von dem Röhrenfokus auf dem Detektor. Unter den extrensischen Parametern werden die Position und Orientierung des Abbildungssystems bezüglich eines ortsfesten Koordinatensystems beschrieben. Das ortsfeste Koordinatensystem kann die Markergeometrie sein, die mit dem dritten Koordinatensystem DK verknüpft ist. Während der 3D-Kalibrierung der C-Bogeneinheit CB werden sowohl gerätespezifische Daten bei Angularer- bzw. Swivelbewegung und aus den entsprechenden Kombinationsmöglichkeiten mit einer Angular/Orbital/Swivel-Position von diskreten Schritten in der Recheneinheit RE abgespeichert. Auf die gerätespezifischen Daten, die während des Kalibriervorgangs erfasst und abgespeichert wurden, wird dann im Folgebetrieb zurückgegriffen. Eine 3D-Aufnahme besteht typischerweise aus mehreren Projektionsbildern, die entlang einer Rotation, also zum Beispiel einer 190°-Orbitaldrehung oder einer 360°-Angulardrehung angelegt werden. Die Positionen bei denen Röntgenbilder angelegt werden, müssen sowohl für die 3D-Kalibrierung, als auch für einen 3D-Scan reproduzierbar sein.
Wie in 2 angedeutet, weist die C-Bogeneinheit CB einen ersten bzw. zweiten Positionsgeber EP, ZP auf. Mittels dieser schematisch dargestellten Positionsgeber kann die Orientierung des C-Bogens im Raum ermittelt werden. Aufgrund der daraus abgeleiteten Orientierungsdaten kann auf die zugehörigen Look-up-Tabellen LT zu den jeweiligen 2D-Röntgenbildaufnahmen zugegriffen werden. Die aktuelle Position kann über die Winkelpositionsgeber EP und ZP, wie oben beschrieben, am Gerät selber aufgenommen werden. Aufgrund der ermittelten Position der C-Bogeneinheit CB können in der Look-up-Tabelle entsprechende 3D-Projektionsmatrizen mit den dazugehörigen extrensischen bzw. intrinsischen Parameterdaten entnommen werden. Besteht zwischen den unter einem bestimmten Orbital- und Angulations-Winkel während der Kalibrierungsphase aufgenommenen 2D-Bilddaten und der augenblicklichen Position der C-Bogeneinheit CB keine Übereinstimmung, so werden über die abgespeicherten Projektionsmatrizen die der augenblicklichen Stellung der C-Bogeneinheit CB am nächsten liegende Projektionsmatrizen zur weiteren Berechnung herangezogen. Durch Interpolation von benachbarten Projektionsmatrizen kann die für die augenblickliche Stellung der C-Bogeneinheit CB maßgebende Projektionsmatrix ermittelt werden.
Die in 4 dargestellte Anordnung weist keine Röntgenmarker an der ortsfesten Hardwareschnittstelle KP auf. In 4 ist ein optisches Trackingsystem TS, die Recheneinheit RE sowie der C-Bogen CB mit der Röntgenquelle RQ und der Bildverstärkereinheit BV gezeigt. An der Bildverstärkereinheit BV, an einer an dem Objekt OD angeordneten Orientierungsvorrichtung RS sowie an einem optischen Instrument ON sind optische Marker OPM angeordnet. Der Orientierungseinheit RS ist ein erstes Koordinatensystem EK, dem Objekt OD ein zweites Koordinatensystem ZK, der Bildverstärkereinheit BV des C-Bogens CB ein drittes Koordinatensystem DK, dem Röntgenbild RB des Patienten ein viertes Koordinatensystem VK und dem chirurgischen Instrument ON ein fünftes Koordinatensystem FK zugeordnet.
Bei dieser Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren zur 2D-Navigation mit einer Bildgebungseinheit CB, BV, RQ einem optischen Trackingsystem TS und einer Recheneinheit RE, wird mit der Positionierungsvorrichtung EP, ZP, KP die Ausrichtung der Bildgebungseinheit CB, BV, RQ erfasst und mittels der Recheneinheit RE auf Parameter von Projektionsmatrizen entsprechend der aktuellen Ausrichtung der Bildgebungseinheit auf 3D-Kalibrierdaten der Bildgebungseinheit CB, BV, RQ, RE zurückgegriffen um daraus eine Beziehung zwischen trackbaren Objekten für eine 2D-Navigation abzuleiten.
Die Registrierung erfolgt in der Art und Weise, dass über die Orientierungsvorrichtung RS eine Verbindung zwischen dem ersten Koordinatensystem EK und den am Bildverstärker BV angeordneten optischen Markern OPM, denen das dritte Koordinatensystem DK zugeordnet ist, über das optische Trackingsystem TS hergestellt wird. Danach wird eine Transformation zwischen dem dritten und dem zweiten Koordinatensystem ZK und über die bereits in den Look-up-Tabellen abgelegten Kalibrierungsdaten zum Röntgenbild, dem das vierte Koordinatensystem VK zugeordnet ist hergestellt. Ebenso wird die sich ständig ändernde Beziehung zwischen dem fünften und ersten Koordinatensystem während des navigationsgestützten chirurgischen Eingriffs hergestellt.

RS: Orientierungsvorrichtung/Referenzstern/Wirbelklemme
RB: Röntgenbild
ON: chirurgisches Instrument
OD: Patient/zu untersuchendes Objekt
BV: Bildverstärkereinheit/Detektor
RQ: Röntgenquelle
OPM: optische Marker
RM: Röntgenmarker
TS: optisches Trackingsystem
CB: C-Bogen
2D: 2D-Röntgenprojektion von Patienten
RE: Recheneinheit
EK: erstes Koordinatensystem
ZK: zweites Koordinatensystem
DK: drittes Koordinatensystem
VK: viertes Koordinatensystem
FK: fünftes Koordinatensystem
LT: Loop-up-Tabelle
EP: erster Positionsgeber
ZP: zweiter Positionsgeber
KP: ortsfeste Hardwareschnittstelle

Claims

Vorrichtung zur 2D-Navigation mit einer Bildgebungseinheit (CB, BV, RQ), einem optischen Trackingsystem (TS) und einer Recheneinheit (RE), dadurch gekennzeichnet, dass eine Positionierungsvorrichtung (EP, ZP, KP) zur Erfassung einer Ausrichtung der Bildgebungseinheit (CB, BV, RQ) vorgesehen ist, dass die Recheneinheit (RE) derart ausgebildet ist, dass diese auf Parameter von Projektionsmatrizen von 3D-Kalibrierdaten der Bildgebungseinheit (CB, BV, RQ, RE) entsprechend einer aktuellen Ausrichtung der Bildgebungseinheit zurückgreift um daraus eine Beziehung zwischen trackbaren Objekten für eine 2D-Navigation abzuleiten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungsvorrichtung (EP, ZP, KP) aus ersten und zweiten Positionsgebern (EP, ZP) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungsvorrichtung (EP, ZP, KP) aus einer orstfesten Hardwareschnittstelle (KP), bestehend aus mindestens einem mit optischen Markern versehenen Ring gebildet ist.
Verfahren zur 2D-Navigation mit einer Bildgebungseinheit (CB, RV, RQ) und einem optischen Trackingsystem (TS), dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der Bildgebungseinheit (CB, BV, RQ) erfasst wird, dass auf Parameter von Projektionsmatrizen von 3D-Kalibrierdaten der Bildgebungseinheit (CB, BV, RQ, RE) entsprechend einer aktuellen Ausrichtung der Bildgebungseinheit (CB, BV, RQ) zurückgegriffen wird, um daraus eine Beziehung zwischen Objekten für eine 2D-Navigation abzuleiten.