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Die Erfindung betrifft ein medizinisches Röntgenaufnahmesystem mit einer verstellbaren Halterung gemäß dem Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Röntgenaufnahme gemäß dem Patentanspruch 13.
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Minimal-invasive medizinische Eingriffe wie zum Beispiel die Ballon-Dilatation (PTCA = Perkutane TransluminaJe Koronare Angioplastie) und das Einsetzen eines Stents zur Behandlung von koronaren Herzerkrankung gewinnen zunehmend an Bedeutung. Bei einem minimal-invasiven Eingriff werden z. B. ein oder mehrere medizinische Instrumente in den Körper eines Patienten zur Therapie oder Diagnostik eingeführt. Nach der Einführung eines medizinischen Instrumentes in den Körper des Patienten ist dieses optisch nicht mehr sichtbar. Das Instrument bzw. dessen Position muss daher zur Navigation im Körper des Patienten in Bildinformationen visualisiert werden.
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Bekannt sind Lösungen, bei denen mit einem Biplan-Röntgensystem Röntgenaufnahmen aus mindestens zwei verschieden Projektionsrichtungen aufgenommen werden und daraus die Position eines medizinischen Instruments im Körper des Patienten bestimmt werden kann: Die
DE 10241184 A1 offenbart ein solches Biplan-Röntgensysstem. Aus der
DE 102 10647 A1 ist ein Verfahren zur Bilddarstellung eines in einen Körperbereich eines Patienten eingebrachten medizinischen Instrumentes bekannt, bei dem aus zwei unter einem bestimmten Winkel aufgenommenen 2D-Röntgenbildern von dem mit dem medizinischen Instrument versehenen Körperbereich des Patienten die Position, insbesondere der Spitze des medizinischen Instrumentes bestimmt wird. Ein Abbild der Spitze des medizinischen Instrumentes kann schließlich in ein 3D-Bild von dem Körperbereich des Patienten eingeblendet werden. Des Weiteren ist in der
DE 10 2005 028 746 A1 ein Verfahren zum Ermitteln der Position und Orientierung eines Objektes, insbesondere eines Katheters, aus zweidimensionalen Röntgenbildern beschrieben. Dabei wird ein dreidimensionales Muster des Katheters auf der Grundlage der bekannten konstruktiven Eigenschaften des Katheters erzeugt. Zur Ermittlung der Position und der Orientierung des Katheters im Körper eines Lebewesens wird das dreidimensionale Muster auf eine zweidimensionale Ebene projiziert und das erzeugte Projektionsbild mit einem Röntgenbild, in dem der Katheter abgebildet ist, verglichen. Anschließend werden anfangs festgelegte Parameter für die Position und die Orientierung des Musters im Raum iterativ verändert und ein Ähnlichkeitsmaß ermittelt, das zur Bestimmung der Position und der Orientierung des Katheters herangezogen wird. Biplan-Röntgensysteme sind häufig platzintensiv, teuer und aufwändig zu bedienen.
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Die
DE 10 2007 045 084 A1 beschreibt ein Röntgensystem zur Aufnahme von Röntgenabbildungen eines Untersuchungsobjektes, mit einer Röntgenquelle zur Aussendung von Röntgenstrahlung, einem Röntgendetektor zur Erfassung von Bilddaten und einer Halterung vorgesehen, wobei die Röntgenquelle und der Röntgendetektor derart an der Halterung angeordnet sind, dass die Röntgenquelle und der Röntgendetektor einen festen Abstand zueinander aufweisen, und wobei die Halterung eine zweite Röntgenquelle aufweist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches medizinisches Röntgenaufnahmesystem bereitzustellen, welches die Lokalisation eines Instruments in einem Untersuchungsobjekts ermöglicht; des weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Aufnahmeverfahren bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Röntgenaufnahme eines Untersuchungsobjekts gemäß dem Patentanspruch 1 und durch ein medizinisches Röntgenaufnahmesystem gemäß dem Patentanspruch 4; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche.
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Mit dem erfindungsgemäßen medizinischen Röntgenaufnahmesystem mit einer verstellbaren Halterung, welche an einander gegenüberliegenden Seiten eine erste Röntgenquelle und einen Röntgendetektor trägt, wobei an der Halterung beabstandet von der ersten Röntgenquelle zumindest eine zweite Röntgenquelle angeordnet ist können auf schnelle, einfache und aufwandslose Weise und ohne eine Bewegung der Halterung Projektionsbilder eines in einem Untersuchungsobjekt angeordneten Instruments aus zwei oder mehr Projektionsrichtungen aufgenommen werden.
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Das Röntgenaufnahmesystem ist zudem deutlich kleiner, platzsparender und dadurch auch kostengünstiger herstellbar als ein Biplan-Röntgensystem.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Halterung von einem C-Bogen gebildet, wobei ein solcher C-Bogen aufgrund seiner gebogenen- bzw. Kreisform eine besonders leichte Anordnung von mehreren Röntgenquellen gewährleistet. Eine weitere Form der Halterung ist zum Beispiel ein U-Bügel.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Röntgenquelle um einen Umfangswinkel von mindestens 10° entlang des C-Bogens versetzt zu der ersten Röntgenquelle angeordnet. Bei mindestens 10° und insbesondere etwa 30° können aus den Projektionsbildern qualitativ hochwertige Rekonstruktionen erstellt werden. Der Umfangswinkel bezieht sich hierbei insbesondere auf das Isozentrum des C-Bogens, d. h. den Punkt, um den der C-Bogen rotiert werden kann.
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In vorteilhafter Weise ist an der Halterung eine dritte Röntgenquelle angeordnet. Zwei dieser Röntgenquellen, die dann ebenfalls idealerweise um einen Umfangswinkel von mindestens 10° entlang des C-Bogens versetzt sind, können so ausschließlich für die Lokalisierung der medizinischen Instrumente verwendet werden, wogegen die erste Röntgenquelle für die Aufnahmen des Untersuchungsobjekts verwendet werden. Das hat den besonderen Vorteil, dass die Intensität und Wellenlänge der ausschließlich für die Instruments verwendeten Röntgenquellen auf bestimmte medizinische Instrumente optimiert werden können. Dadurch kann erreicht werden, dass ein Patient und das medizinische Personal möglichst wenig Röntgenstrahlung ausgesetzt sind.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind weitere Röntgenquellen an der Halterung angeordnet. Diese können zum Beispiel entlang der Halterung oder kreisförmig oder rechteckförmig um die erste Röntgenquelle angeordnet sein.
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In vorteilhafter Weise weist die erste Röntgenquelle eine höhere Leistung auf als die übrigen, für die Lokalisierung der Instrumente verwendeten Röntgenquellen. Die erste Röntgenquelle kann also zum Beispiel etwa 80 bis 120 kW aufweisen und die übrigen Röntgenquellen etwa 5 bis 20 kW. Diese können eine niedrige Leistung aufweisen, da die für Lokalisationszwecke erforderliche Bildqualität nicht notwendigerweise hoch sein muss und da so Patient und medizinisches Personal möglichst wenig Röntgenstrahlung ausgesetzt werden.
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Mach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die von der ersten Röntgenquelle verschiedenen Röntgenquellen von Feldemissionsstrahlern mit Feldemissionskathoden gebildet. Derartige Feldemissionsstrahler sind besonders klein und leicht herstellbar. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Feldemissionskathoden auf der Basis von Kohlenstoff-Nanoröhren (sogenannte CNT-Kathode; carbon nano tube) gebildet. Derartige Materialien weisen eine besonders gute Emissionscharakteristik auf, sind auch bei hohen Strömen stabil und sind zudem besonders klein herstellbar. Feldemissionsstrahler sind auch besonders schnell aktivierbar und erzeugen keine oder wenig Wärme.
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Zweckmäßigerweise für eine besonders gute Beweglichkeit der Halterung ist die Halterung an einem Roboterarm befestigt.
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Zur Lokalisation eines Instrumentes mit dem erfindungsgemäßen medizinischen Röntgenaufnahmesystem ist ein Verfahren zur Aufnahme eines Untersuchungsobjekts mit einem medizinischen Instrument mit folgenden Schritten vorgesehen: Aufnahme wenigstens zweier unter einem Winkel zueinander stehender Projektionsbilder des Untersuchungsbereichs, in denen das Instrument gezeigt ist, wobei die Projektionsbilder mittels verschiedener Röntgenquellen erzeugt werden und die Halterung zwischen den Projektionsbildern nicht bewegt wird, und Rekonstruktion der Position des Instruments in Bezug auf das Untersuchungsobjekt aus den Projektionsbildern.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zur Rekonstruktion der Position des Instruments zusätzlich ein 3D-Bild des Untersuchungsobjekts verwendet. Ein solches 3D-Bild kann zum Beispiel zuvor ohne das Instrument mittels des Röntgenaufnahmesystems aufgenommen werden.
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In vorteilhafter Weise wird außerdem das 3D-Bild bezüglich der Projektionsbilder registriert. Weitere Details zur Lokalisierung können zum Beispiel der
DE 102 10647 A1 und der
DE 10 2005 028 746 A1 entnommen werden.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele erfolgt; es zeigen:
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1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Röntgenaufnahmesystems mit einer zweiten Röntgenquelle;
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2 eine Ansicht eines C-Bogens mit einer zweiten und einer dritten Röntgenquelle;
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3 eine Ansicht eines C-Bogens mit mehreren Röntgenquellen; und
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4 eine Ansicht einer rechteckförmigen Anordnung von Röntgenquellen und eine erste Röntgenquelle.
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In der 1 ist ein erfindungsgemäßes Röntgenaufnahmesystem mit einem C-Bogen 26 und daran befestigtem Hauptröntgenstrahler 10 sowie einem zweiten Röntgenstrahler 12 gezeigt. Der Hauptröntgenstrahler 10 sowie ein Röntgendetektor 11, zum Beispiel ein digitaler Flachbilddetektor, sind an sich gegenüberliegenden Enden des C-Bogens 26 angeordnet. Der zweite Röntgenstrahler 12 ist ebenfalls an dem C-Bogen 26 befestigt, auf den Röntgendetektor 11 ausgerichtet und von dem Hauptröntgenstrahler 10 um einen Umfangswinkel des C-Bogens von mindestens 10° beabstandet angeordnet. Zur Strahlformung und Fokussierung können sowohl bei dem Hauptröntgenstrahler als auch bei dem zweiten Röntgenstrahler und eventuellen weiteren Röntgenstrahlern jeweils Kollimatoren vorgesehen sein. Auf einem Patiententisch 14 ist als Untersuchungsobjekt ein Patient angeordnet, an welchem ein interventioneller Eingriff vorgenommen werden soll. Für diesen Eingriff ist ein Instrument 13 vorgesehen, welches zum Beispiel ein Operationswerkzeug oder ein Katheter sein kann.
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Der C-Bogen ist verstellbar an einem Gestell oder einem Roboterarm, zum Beispiel einem 6-achsigen Knickarmroboter, angeordnet (nicht gezeigt) und kann beliebig translatorisch oder rotatorisch bewegt werden. Das Gestell bzw. der Roboterarm können auf dem Boden, an einer Wand oder der Decke eines Untersuchungsraums angeordnet sein. Zur Ansteuerung des Röntgenaufnahmesystems ist eine Systemsteuerung
15 vorgesehen. Zur Bildverarbeitung von aufgenommenen Röntgenbildern sind einerseits eine Preprocessingeinheit
24 und andererseits eine Bildverarbeitungseinheit
16 vorgesehen, zudem weist das Röntgenaufnahmesystem einen Bilddatenspeicher
20 und ein DICOM-Interface
21 für Patienten- und Bilddaten auf. Der zweite Röntgenstrahler
12 ist mit einer weiteren Ansteuereinheit
23 verbunden und zur Versorgung der Röntgenstrahler ist ein Hochspannungsgenerator
19 und eine Spannungversorgungseinheit
25 vorgesehen. Zusätzlich kann eine Recheneinheit
29 für eine Katheterortung wie zum Beispiel in der
DE 10 2005 028 746 A1 gezeigt vorhanden sein. Zur Bilddarstellung kann ein Display
17 und für Eingaben eines Nutzers ein User-I/O vorhanden sein. Die Komponenten des Röntgenaufnahmesytems können über einen Datenbus
22 verbunden sein.
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In der 2 ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung mit einem dritten Röntgenstrahler 27, welcher ebenfalls an dem C-Bogen 26 angeordnet ist, gezeigt. In dieser Ausführung ist der Hauptröntgenstrahler 10 etwas entfernt vom Ende des C-Bogens angeordnet und auf beiden Seiten von dem Hauptröntgenstrahler entlang des C-Bogens um einen Umfangswinkel α des C-Bogens von mindestens 10° beabstandet sind der zweite Röntgenstrahler 12 und der dritte Röntgenstrahler 27 angeordnet. Der zweite und der dritte Röntgenstrahler 12; 27 können zum Beispiel eine im Vergleich zu dem Hauptröntgenstrahler 10 geringe Röntgenleistung aufweisen und auf das Instrument 13 optimiert sein.
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In der 3 und in der 4 sind weitere Ausgestaltungen der Erfindung gezeigt, wobei in der 3 neben dem Hauptröntgenstrahler 10 insgesamt sechs weitere Röntgenstrahler entlang des C-Bogens 26 vorgesehen sind und in der 4 insgesamt acht weitere Röntgenstrahler rechteckförmig um den Hauptröntgenstrahler 10 herum angeordnet sind. Es können beliebig viele zusätzliche Röntgenstrahler vorgesehen sein.
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Der zweite und der dritte Röntgenstrahler bzw. die weiteren Röntgenstrahler können als Feldemissionsstrahler mit einer Feldemissionskathode ausgebildet sein. Nach einer Ausgestaltung kann auch der Hauptröntgenstrahler als Feldemissionsstrahler ausgebildet sein. Ein Feldemissionsstrahler kann auch mehrere Feldemissionskathoden und Anoden aufweisen.
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Bei der Bildaufnahme werden die einzelnen Röntgenstrahler beispielsweise sequenziell aktiviert und jedes Bild einzeln ausgelesen. Die Aufnahme und Positionserkennung mit dem erfindungsgemäßen Röntgenaufnahmesystem kann zum Beispiel folgendermaßen ablaufen:
Zuerst wird mittels des Röntgenaufnahmesytems und insbesondere des Hauptstrahler ein 3D-Bild eines Untersuchungsobjekts ohne ein Instrument erzeugt. Hierbei kann der C-Bogen um das Untersuchungsobjekt rotieren und dabei eine Vielzahl von Projektionsbildern aufnehmen, die anschließend mittels der Bildverarbeitungseinheit zu einem 3D-Bild des Untersuchungsobjekts rekonstruiert werden.
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Wird anschließend ein minimalinvasiver Eingriff durchgeführt, zum Beispiel ein Katheter oder Instrument in das Untersuchungsobjekt eingeführt, so können im Fluoroskopiemodus Projektionsbilder mit einem oder mehreren Röntgenstrahlern bei geringer Röntgendosis (zum Beispiel mit den Röntgenstrahlern mit geringer Leistung) erstellt werden und diese zweidimensionalen Projektionsbilder mit dem 3D-Bild überlagert dargestellt werden. Für eine genaue Positionsbestimmung und Bestimmung der räumlichen Orientierung des Instruments, zum Beispiel im Bereich seines Zielortes, werden dann mindestens zwei unter einem Winkel zueinander stehende Projektionsbilder des Untersuchungsobjekts, in denen das Instrument gezeigt ist, aufgenommen. Diese Projektionsbilder werden mittels verschiedener Röntgenquellen, zum Beispiel dem Hauptröntgenstrahler und dem zweiten Röntgenstrahler oder dem zweiten Röntgenstrahler und dem dritten Röntgenstrahler erzeugt.
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Zwischen der Aufnahme der Projektionsbilder wird der C-Bogen nicht bewegt, so dass die Aufnahmen sehr schnell hintereinander erstellt werden können. Anschließend kann aus den zwei oder mehr aufgenommenen zweidimensionalen Projektionsbildern mit dem Instrument die Position des Instruments oder der Instrumentenspitze dreidimensional rekonstruiert werden (zum Beispiel auf der Basis von optischer Triangulation) und eine Überlagerung mit dem ursprünglichen 3D-Bild des Untersuchungsobjekts erfolgen. Diese Positionsbestimmung des Instruments kann während des minimalinvasiven Eingriffs bei Bedarf jederzeit wiederholt werden. Für eine genaue Positionsbestimmung sind das ursprüngliche 3D-Bild und die Projektionsbilder mit dem Instrument bezüglich einander in an sich bekannter Weise registriert, das heißt ihre Koordinatensysteme sind bezüglich einander über eine Transformationsmatrix korreliert.
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Die Erfindung lässt sich in folgender Weise kurz zusammenfassen: Erfindungsgemäß ist ein medizinisches Röntgenaufnahmesystem mit einer verstellbaren Halterung, welche an einander gegenüberliegenden Seiten eine erste Röntgenquelle und einen Röntgendetektor trägt, wobei an der Halterung beabstandet von der ersten Röntgenquelle zumindest eine zweite Röntgenquelle angeordnet ist, vorgesehen.
