DE102010018291B4 - Navigation system and X-ray system - Google Patents
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Abstract
Navigationssystem (8), mit mindestens einer Kamera (10a,b), und mit mindestens einem Navigationsmarker (12a,b) mit mindestens vier von der Kamera (10a,b) in mindestens einem Kamerabild (20a,b) identifizierbar erfassbaren Markerelementen (22a,b), wobei drei der Markerelemente (22a,b) eine Ebene (26) definieren und das vierte Markerelement (22a,b) außerhalb der Ebene (26) liegt, mit einer anhand der Lage (23) der Abbilder der Markerelemente (22a,b) im Kamerabild (20a,b) die Relativlage (z) des Navigationsmarkers (12a,b) zur Kamera (10a,b) ermittelnden Auswerteeinheit (16), bei dem die Kamera (10a,b) eine endoskopische oder laparoskopische Kamera ist.Navigation system (8), with at least one camera (10a, b), and with at least one navigation marker (12a, b) with at least four identifiable by the camera (10a, b) in at least one camera image (20a, b) marker elements (22a , b), wherein three of the marker elements (22a, b) define a plane (26) and the fourth marker element (22a, b) lies outside the plane (26) with a reference to the position (23) of the images of the marker elements (22a , b) in the camera image (20a, b) the relative position (z) of the navigation marker (12a, b) to the camera (10a, b) determining evaluation unit (16), wherein the camera (10a, b) is an endoscopic or laparoscopic camera ,
Description
Die Erfindung betrifft ein Navigationssystem und ein mit einem Navigationssystem ausgerüstetes Röntgensystem.The invention relates to a navigation system and equipped with a navigation system X-ray system.
An Patienten werden als medizinische Maßnahmen z.B. chirurgische Eingriffe durchgeführt. Hierbei wird es für die Durchführenden, z.B. Chirurgen, mehr und mehr wünschenswert, Navigationsunterstützung zu erhalten. Dies bedeutet, dass sowohl die Position und Orientierung des Patienten bzw. seiner Organe, Knochen oder ähnlichem, als auch Positionen und Orientierungen von Instrumenten, medizinischen Hilfsmitteln, medizinischen Geräten usw. in einem dreidimensionalen Koordinatensystem bekannt sind. Hierbei kann es wünschenswert sein, die Positionen absolut, z.B. im OP-Saal zu kennen, oder zumindest die Relativlagen von Patient und Instrument zu kennen. Sind die entsprechenden Positionen und Orientierungen bekannt, kann z.B. eine sogenannte navigationsunterstützte Chirurgie durchgeführt werden.Patients are referred to as medical measures e.g. performed surgical procedures. Hereby, it will be appreciated by the performers, e.g. Surgeons, more and more desirable to get navigation assistance. This means that both the position and orientation of the patient or his organs, bones or the like, as well as positions and orientations of instruments, medical aids, medical devices, etc. are known in a three-dimensional coordinate system. In doing so, it may be desirable to have the positions absolute, e.g. in the operating room to know, or at least to know the relative positions of patient and instrument. If the corresponding positions and orientations are known, e.g. a so-called navigation-assisted surgery are performed.
Das Problem der Bestimmung von Positionen und Orientierungen im Raum und deren Zuordnung zu Patienten- bzw. Bilddaten ist daher aus der navigationsunterstützten Chirurgie bekannt. Zur Lösung sind folgende Navigationssysteme bekannt:The problem of determining positions and orientations in space and their assignment to patient or image data is therefore known from navigation-assisted surgery. To solve the following navigation systems are known:
An den zu ortenden Objekten werden Navigationsmarker - oder kurz „Marker“ - angebracht. Hierbei sind jeweils mehrere Markerelemente in geometrisch fixer Anordnung auf einem Träger oder Stativ zu einem Marker zusammengefasst. Bekannt ist die Verwendung von aktiven Markerelemente in Form von Leuchtdioden oder passiven Markerelementen in Form von infrarotreflektierenden Kugeln. Derartige Marker werden z.B. an einem chirurgischen Instrument befestigt, wobei die Relativposition zwischen Marker und Instrument oder z.B. dessen Arbeitsspitze bekannt bzw. gegeben ist. So entsteht eine eindeutige geometrische Beziehung zwischen z.B. der Instrumentenspitze und dem Marker. Die Position und Orientierung des Markers wiederum wird über optische Stereokameras detektiert. Über eine geometrische Triangulierung werden Ort und Richtung, d.h. Position und Orientierung des Markers im Bezugssystem der Stereokamera bestimmt. Eine bekannte Stereokamera weist z.B. zwei CCD-Kameras auf und ist als „Polaris“-System der Firma NDI bekannt. Marker benötigen hier jeweils 3 Markerelemente. Mit zwei Markern sind fünf Freiheitsgrade bestimmbar, nämlich drei Positionen und zwei Winkel. Eine Drehung um die Verbindungsachse der beiden Marker kann jedoch nicht bestimmt werden, hiergegen ist die Markeranordnung invariant. Ein dritter Marker dient damit der Bestimmung eines sechsten Freiheitsgrades und der Unterscheidung verschiedener Marker.Navigation markers - or "markers" for short - are attached to the objects to be located. In this case, several marker elements are combined in a geometrically fixed arrangement on a support or tripod to form a marker. The use of active marker elements in the form of light-emitting diodes or passive marker elements in the form of infrared-reflecting spheres is known. Such markers are e.g. attached to a surgical instrument, the relative position between marker and instrument or e.g. whose working tip is known or given. This creates a unique geometric relationship between e.g. the instrument tip and the marker. The position and orientation of the marker in turn is detected by optical stereo cameras. Geometric triangulation defines location and direction, i. Position and orientation of the marker in the reference frame of the stereo camera determined. A known stereo camera has e.g. two CCD cameras and is known as the "Polaris" system from NDI. Markers require 3 marker elements each. With two markers, five degrees of freedom can be determined, namely three positions and two angles. However, a rotation about the connecting axis of the two markers can not be determined, whereas the marker arrangement is invariant. A third marker thus serves to determine a sixth degree of freedom and to distinguish different markers.
Aus
Alternativ zur eben genannten optischen Navigation ist eine sogenannte elektromagnetische Navigation durch entsprechende Navigationssysteme bekannt. Hier dient eine elektromagnetische Sensorspule als Navigationsmarker. Die optische Kamera wird ersetzt durch einen felderzeugenden Feldgenerator. In einem derartigen Navigationssystem wird Position und Orientierung der Sensorspule im Feld des Feldgenerators und damit in dessen Koordinatensystem bestimmt. Die Sensorspule als Navigationsmarker kann dabei wieder an einem Objekt angebracht werden, aber z.B. auch in einem Werkzeug oder in einem Implantat integriert sein.As an alternative to the aforementioned optical navigation, a so-called electromagnetic navigation is known by corresponding navigation systems. Here is an electromagnetic sensor coil as a navigation marker. The optical camera is replaced by a field-generating field generator. In such a navigation system position and orientation of the sensor coil in the field of the field generator and thus determined in the coordinate system. The sensor coil as a navigation marker can be attached to an object again, but e.g. also be integrated in a tool or in an implant.
Hinsichtlich des Röntgensystems befasst sich die Erfindung mit der röntgenologischen Unterstützung chirurgischer Eingriffe wiederum in Verbindung mit der Positionsbestimmung chirurgischer Instrumente bzw. Implantate und deren Einblendung in medizinische Bilddaten, die z.B. vom Röntgensystem erzeugt werden. Bekannt ist hier z.B. die Kombination aus einem Röntgengerät und dem oben genannten Navigationssystem mit optischer Stereo-Kamera in Form des Systems „C-Nav“ der Firma CAS-Innovations oder ähnlichen Systeme der Firma Brainlab.With regard to the X-ray system, the invention is concerned with the radiographic support of surgical procedures, again in connection with the positioning of surgical instruments or implants and their insertion into medical image data, e.g. be generated by the X-ray system. Known here is e.g. the combination of an X-ray machine and the above-mentioned navigation system with optical stereo camera in the form of the system "C-Nav" of the company CAS-Innovations or similar systems of the company Brainlab.
Alternativ ist aus der
Z.B. eine Instrumentenplatzierung, d.h. die Wahl einer Einstichstelle am Patienten erfolgt dann später alleine anhand des Live-Videobildes von Instrument und Patient, überlagert mit dem vorab aufgenommenen Videobild.For example, an instrument placement, i. the choice of a puncture site on the patient is then later alone on the basis of the live video image of instrument and patient, superimposed with the pre-recorded video image.
Zur Kontrolle, ob ein neues Röntgenbild angefertigt werden muss, wird z.B. ein Marker außen auf den Patienten aufgeklebt, der im Videobild und im Röntgenbild sichtbar ist. Verschiebt sich der Marker im Live-Videobild gegenüber der Position im vorher aufgenommenen Röntgenbild, ist von einer Patientenbewegung auszugehen und ein neues Röntgenbild wird angefertigt. To check whether a new X-ray image has to be made, for example, a marker is glued to the outside of the patient, which is visible in the video image and in the X-ray image. If the marker in the live video image shifts compared to the position in the previously recorded X-ray image, a patient's movement is assumed and a new X-ray image is taken.
Die genannten Navigationssysteme sind mit einem hohen Geräteaufwand verbunden. Das CAMC-System bietet keine tatsächliche dreidimensionale Positions- und Orientierungsbestimmung von Markern im Sinne der oben genannten Navigationssysteme. The mentioned navigation systems are associated with a high expenditure on equipment. The CAMC system does not provide actual three-dimensional position and orientation determination of markers in the sense of the above-mentioned navigation systems.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Navigationssystem und ein verbessertes Röntgensystem anzugeben.The object of the present invention is to specify an improved navigation system and an improved x-ray system.
Hinsichtlich des Navigationssystems wird die Aufgabe gelöst durch ein Navigationssystem mit einer Kamera und mit einem Navigationsmarker, wobei der Navigationsmarker mindestens vier Markerelemente umfasst. Die Kamera liefert im Betrieb ein Kamerabild, wobei Kamera und Markerelemente so aufeinander abgestimmt sind, dass im Kamerabild die vier Markerelemente erfassbar und identifizierbar sind. „Erfassbar“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass diese im Kamerabild soweit erkennbar sind, dass deren Lage im Kamerabild erfassbar ist. Mit anderen Worten kann der Ort des Abbilds der Markerelemente im Kamerabild, z.B. relativ zu den Bildgrenzen, bestimmt werden. „Identifizierbar“ bedeutet, dass das Abbild jedes Markerelements im Kamerabild auch dem entsprechenden Markerelement zuordenbar ist. Der Marker ist so gestaltet, dass drei der Markerelemente eine Ebene definieren und das vierte Element außerhalb der genannten Ebene liegt. Damit drei Markerelemente eine Ebene definieren, definieren zwei Markerelemente eine Gerade, wobei das dritte Markerelement außerhalb der Geraden liegt. Mit anderen Worten dürfen die vier Markerelemente nicht in einer Ebene liegen.With regard to the navigation system, the object is achieved by a navigation system with a camera and with a navigation marker, wherein the navigation marker comprises at least four marker elements. The camera delivers a camera image during operation, the camera and marker elements being matched to one another such that the four marker elements can be detected and identified in the camera image. In this context, "detectable" means that they can be recognized in the camera image to the extent that their position in the camera image can be detected. In other words, the location of the image of the marker elements in the camera image, e.g. relative to the image boundaries. "Identifiable" means that the image of each marker element in the camera image can also be assigned to the corresponding marker element. The marker is designed such that three of the marker elements define a plane and the fourth element lies outside of said plane. In order for three marker elements to define a plane, two marker elements define a straight line, with the third marker element lying outside the line. In other words, the four marker elements must not be in one plane.
Das Navigationssystem umfasst außerdem eine Auswerteeinheit. Diese ist so ausgestaltet, dass sie anhand der Lage der Markerelemente, bzw. deren Abbilder, im Kamerabild die Relativlage des Markers zur Kamera ermittelt.The navigation system also includes an evaluation unit. This is designed so that it determines the relative position of the marker to the camera based on the location of the marker elements, or their images, in the camera image.
Gemäß der Erfindung ist die Kamera eine endoskopische oder laparoskopische Kamera. Ein entsprechendes Navigationssystem könnte somit auch durch eine Kamera einer Endoskopiekapsel bei einer magnetischen Kapselendoskopie (MGCE) verwendet werden. Ein derartiges frei magnetisch im Patienten bewegbares Kapselendoskop ist z.B. aus der
Mit anderen Worten wird also gemäß der Erfindung z.B. an einem chirurgischen Instrument oder Implantat ein Marker mit n≥4 durch die Kamera in einem Bild erkennbar abbildbaren, also z.B. optisch sichtbaren, Markerelementen angebracht. Die Markerelemente weisen hierbei eine definierte und bekannte räumliche Struktur bzw. Relativanordnung zueinander auf. Mit anderen Worten sind also innerhalb des Markers Abstände und Winkel der Markerelemente zueinander bekannt, wobei die Marker nicht sämtlich in einer Ebene liegen dürfen. Im Gegensatz zur Stereokamera bei bekannten Navigationssystemen werden die Marker durch eine einfache bzw. einzelne, fest oder mobil z.B. in einem Behandlungsraum angebrachte, Videokamera aufgenommen. Die Kamera des Navigationssystems kann z.B. an einem Gerät oder in einem Behandlungsraum fest installiert sein oder mobil, z.B. auf einem verstellbaren Stativ gelagert sein. Die Kamera wird hierbei hinsichtlich vorhandener geometrischer Bildfehler korrigiert und bezüglich ihrer Abbildungseigenschaften (z.B. hinsichtlich eines verfügbaren Zooms) kalibriert.In other words, according to the invention, e.g. on a surgical instrument or implant, a marker with n≥4 recognizable recognizable by the camera in an image, so e.g. optically visible, marker elements attached. The marker elements in this case have a defined and known spatial structure or relative arrangement to one another. In other words, distances and angles of the marker elements to one another are known within the marker, the markers not being allowed to lie all in one plane. In contrast to the stereo camera in known navigation systems, the markers are identified by a single, fixed or mobile e.g. recorded in a treatment room, video camera recorded. The camera of the navigation system may e.g. be permanently installed on a device or in a treatment room or mobile, e.g. be stored on an adjustable tripod. The camera is thereby corrected for existing geometrical aberrations and calibrated for its imaging properties (e.g., for an available zoom).
Bei der Verwendung von n≥4 Markerelementen pro Navigationsmarker bzw. deren Erkennung im Kamerabild lässt sich die Position und die Orientierung des Navigationsmarkers, d.h. dessen Lage und Orientierung im Koordinatensystem der Kamera durch eine einfache Objekterkennung im Videobild bestimmen. Dies wird von der Auswerteeinheit durchgeführt. Ist der Navigationsmarker fest z.B. an einem Instrument in bekannter Relativposition zu diesem befestigt und die Geometrie des Instruments bekannt, dann lässt sich die Transformation vom Marker z.B. zur chirurgisch aktiven Instrumentenspitze durch eine Kalibrierprozedur eindeutig festlegen bzw. bestimmen.When using n≥4 marker elements per navigation marker or their detection in the camera image, the position and orientation of the navigation marker, ie its position, can be determined and determine orientation in the coordinate system of the camera by a simple object recognition in the video image. This is done by the evaluation unit. If the navigation marker is firmly attached to, for example, an instrument in a known relative position and the geometry of the instrument is known, then the transformation from the marker to the surgically active instrument tip can be clearly defined or determined by a calibration procedure.
Durch eine Bildverarbeitung des Kamerabildes wird eine schnelle Erkennung des Navigationsmarkers und damit eine Echtzeitpositionsmessung ermöglicht, da die Bestimmung der Position des Markers durch einfache geometrische Berechnungen erfolgt. Die Erkennung, d.h. Bestimmung der Position und Orientierung des Navigationsmarkers kann dann in Echtzeit durch stetige Aufnahme von Kamerabildern und deren Auswertung erfolgen, so dass mit Hilfe der Kamera eine kontinuierliche Verfolgung des Markers und damit z.B. des betreffenden Instrumentes erfolgen kann. Hierbei ist lediglich eine direkte und ununterbrochene Sichtlinie zwischen Kamera und Marker erforderlich.Image processing of the camera image enables rapid recognition of the navigation marker and thus real-time position measurement, since the determination of the position of the marker is effected by simple geometric calculations. The recognition, i. Determination of the position and orientation of the navigation marker can then take place in real time by continuous recording of camera images and their evaluation, so that with the aid of the camera a continuous tracking of the marker and thus e.g. the instrument concerned. This only requires a direct and uninterrupted line of sight between the camera and the marker.
Im Gegensatz zur Navigation bzw. Ortsermittlung der Lage eines Markers durch eine Stereokamera ist das erfindungsgemäß genutzte Vorgehen mit einer einzigen Kamera unter Umständen etwas ungenauer, reicht jedoch für die meisten Anwendungen aus. Der Verzicht auf die zweite Kamera muss durch Verwendung eines vierten Markerelements pro Marker im Vergleich zur Stereokamera ausgeglichen werden; dort sind drei Marker ausreichend. Im vorliegenden Verfahren müssen mindestens vier Markerelemente genutzt werden, wobei mehr als vier Markerelemente z.B. die Genauigkeit erhöhen oder Redundanzen nutzbar machen. Bei der bekannten Stereokamera reichen zwei Markerelemente aus, wenn es nicht darauf ankommt, den Drehwinkel um die eigene Achse zu bestimmen, also nur fünf Freiheitsgrade (DoF, Degrees of Freedom) gefordert sind. Sollen alle Parameter, also sechs DoF bestimmt werden, dann sind mindestens drei Markerelemente notwendig.In contrast to the navigation or location determination of the position of a marker by a stereo camera, the procedure used according to the invention with a single camera may be somewhat less accurate, but is sufficient for most applications. The omission of the second camera must be compensated by using a fourth marker element per marker compared to the stereo camera; There are three markers sufficient. In the present method, at least four marker elements must be used, with more than four marker elements e.g. increase the accuracy or make redundancies usable. In the known stereo camera, two marker elements are sufficient if it is not important to determine the angle of rotation about its own axis, ie only five degrees of freedom (DoF, Degrees of Freedom) are required. If all parameters, ie six DoFs are to be determined, then at least three marker elements are necessary.
Die Marker bzw. Markerelemente sollen hinlänglich klein gehalten werden, so dass diese zwar im Kamerabild noch gut erkennbar sind, jedoch nicht so groß sind, dass sie z.B. signifikant anatomische Strukturen des Patienten verdecken. So kann gleichzeitig im Kamerabild eine entsprechende Beobachtung des Patienten durchgeführt werden, z.B. im Rahmen des o.g. CAMC-Verfahrens.The markers or marker elements should be kept sufficiently small so that they are still clearly recognizable in the camera image, but are not so large that they are e.g. obscure significantly anatomical structures of the patient. Thus, a corresponding observation of the patient can be carried out simultaneously in the camera image, e.g. in the context of the o.g. CAMC process.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unterscheiden sich die Markerelemente innerhalb des Navigationsmarkers hinsichtlich ihrer Farbe und/oder Geometrie. Werden die unterschiedlichen Markerelemente, z.B. Kugeln, farblich oder geometrisch unterschiedlich gestaltet und eine Farbkamera verwendet, so wird die Zuordnung der Abbilder der jeweiligen Markerelemente zum tatsächlichen Markerelement signifikant vereinfacht. Die Geometrie als Unterscheidungsmerkmal zu verwenden ist grundsätzlich möglich, allerdings schwierig. Aus jeder Projektionsrichtung muss der Mittelpunkt des Markerelements bestimmbar sein, was insbesondere bei einer Kugelform besonders einfach bzw. eindeutig möglich ist.In a preferred embodiment of the invention, the marker elements within the navigation marker differ in terms of their color and / or geometry. When the different marker elements, e.g. Spheres, color or geometrically designed differently and a color camera used, the assignment of the images of the respective marker elements to the actual marker element is significantly simplified. Using the geometry as a distinguishing feature is basically possible, but difficult. The center point of the marker element must be determinable from each projection direction, which is particularly simple or unambiguously possible, in particular in the case of a spherical shape.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Navigationssystem mindestens zwei Navigationsmarker. Diese unterscheiden sich dann hinsichtlich der Farbe und/oder Geometrie und/oder geometrischen Relativanordnung ihrer Markerelemente. So können die unterschiedlichen Navigationsmarker im Kamerabild leicht unterschieden werden. Unterschiedliche Instrumente können so z.B. anhand von unterschiedlichen Navigationsmarkern unterschieden werden, wenn die entsprechenden Markeranordnungen unterschiedlich gestaltet und simultan durch die Kamera verfolgt werden. Mit anderen Worten kann sich die Unterscheidung bezüglich Farbe und Geometrie sowohl innerhalb eines Navigationsmarkers als auch zwischen unterschiedlichen Navigationsmarkern unterscheiden.In a further embodiment, the navigation system comprises at least two navigation markers. These then differ with respect to the color and / or geometry and / or geometric relative arrangement of their marker elements. Thus, the different navigation markers in the camera image can be easily distinguished. Different instruments may e.g. be distinguished by different navigation markers, if the corresponding marker arrangements are designed differently and simultaneously tracked by the camera. In other words, the distinction in color and geometry may differ both within a navigation marker and between different navigation markers.
In Verbindung mit der o.g. Infrarotkamera könnten verschiedene Markerelemente z.B. mit verschieden reflektierenden Infrarotfiltern ausgestattet sein, um eine Identifikation des Markerelementes bzw. des Navigationsmarkers im Kamerabild zu vereinfachen. Für die Verwendung unterschiedlicher Infrarotfilter könnte dann auch die Kamera mit mehreren Infrarotchips ausgestattet sein, welche jeweils entsprechend auf unterschiedliche Infrarotfilter abgestimmt sind. Auch sind Kameras denkbar, die sowohl Sensorchips im sichtbaren als auch im Infrarotbereich, also mindestens zwei Chips, enthalten.In conjunction with the o.g. Infrared camera could include various marker elements e.g. be equipped with different reflective infrared filters to facilitate identification of the marker element or the navigation marker in the camera image. For the use of different infrared filters, the camera could then also be equipped with a plurality of infrared chips, which are respectively matched to different infrared filters. Cameras are also conceivable which contain both sensor chips in the visible and in the infrared range, ie at least two chips.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Navigationssystems sind die Markerelemente dadurch gebildet, dass sie als Markierungen auf eine Oberfläche des Navigationsmarkers aufgebracht, z.B. aufgedruckt oder aufgeklebt sind. Hierbei muss die geometrische Oberflächengestaltung des Navigationsmarkers dann sicherstellen, dass die Markerelemente - wie oben erläutert - nicht in einer Ebene liegen. Mit anderen Worten ist der Navigationsmarker dann ein räumlich gestaltetes Gebilde mit einer entsprechenden Oberfläche, die die Markerelemente als z.B. farbigen Aufdruck aufweist. Wegen der Anforderung, dass die Marker stets von einer Kamera aus sichtbar sein müssen, ist diese Variante möglich, jedoch unter Umständen schwierig. Auch hier ist eine Ausbildung der Markerelemente als infrarot reflektierende Oberfläche denkbar.In a preferred embodiment of the navigation system, the marker elements are formed by being applied as marks to a surface of the navigation marker, e.g. printed or glued on. Here, the geometric surface design of the navigation marker must then ensure that the marker elements - as explained above - do not lie in one plane. In other words, the navigation marker is then a spatially-shaped entity having a corresponding surface that contains the marker elements as e.g. has colored imprint. Because of the requirement that the markers must always be visible from a camera, this variant is possible, but may be difficult. Again, an education of the marker elements as an infrared reflecting surface is conceivable.
Insbesondere kann in einer besonderen Ausgestaltung dieser Ausführungsform der Navigationsmarker einen integralen Teil z.B. eines Instrumentes bilden bzw. überhaupt durch das Instrument gebildet werden. Die Markerelemente sind nämlich dann direkt auf die Oberfläche des Instrumentes aufgedruckt. So bildet das Instrument bzw. dessen Oberfläche gleichzeitig den Navigationsmarker. Ein Navigationsmarker als separates Bauteil ist so nicht mehr nötig. In particular, in a particular embodiment of this embodiment, the navigation marker may form an integral part of, for example, an instrument or may even be formed by the instrument. The marker elements are then printed directly on the surface of the instrument. Thus, the instrument or its surface simultaneously forms the navigation marker. A navigation marker as a separate component is no longer necessary.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das Navigationssystem mindestens eine zweite Kamera, welche eine eigene Auswerteeinheit aufweist. Dies soll heißen, dass tatsächlich strenggenommen auch nur eine einzige Auswerteeinheit im Navigationssystem für mehrere Kameras vorhanden sein kann. Entscheidend ist, dass das Kamerabild jeder einzelnen Kamera jeweils für sich ausgewertet wird und aus jedem einzelnen Kamerabild die Relativlage des Markers zur jeweiligen Kamera ermittelt wird. Dies stellt einen wesentlichen Unterschied zur Stereokamera gemäß Stand der Technik dar, da hier jeweils mindestens zwei Kameras notwendig sind, um überhaupt eine einzige Position eines Markers bestimmen zu können.In a further embodiment of the invention, the navigation system comprises at least one second camera, which has its own evaluation unit. This means that strictly speaking, only a single evaluation unit in the navigation system for multiple cameras can be present. The decisive factor is that the camera image of each individual camera is evaluated individually and the relative position of the marker for each camera is determined from each individual camera image. This represents a significant difference to the stereo camera according to the prior art, since in each case at least two cameras are necessary to be able to determine a single position of a marker at all.
Durch die Verwendung einer zweiten oder mehrerer weiterer Kameras z.B. an anderen Orten im Behandlungsraum, welche sämtlich auf das Behandlungsgebiet, also den potentiellen Aufenthaltsort von Navigationsmarkern, ausgerichtet sind, kann das Problem der notwendigen Sichtlinie zwischen Kamera und Marker entschärft werden. Hervorzuheben ist, dass die mehreren Kameras auch dann nicht im Sinne der oben genannten Stereokamera, d.h. im Sinne einer Triangulation zusammen arbeiten, sondern jeweils jede Kamera für sich als Einzelkamera anhand der Bildverarbeitung des einzelnen Kamerabildes die jeweilige Relativposition des Markers im Koordinatensystem der jeweiligen einzelnen Kamera ermittelt.By using a second or more additional cameras e.g. At other locations in the treatment room, all of which are aligned with the treatment area, ie the potential location of navigation markers, the problem of the necessary line of sight between camera and marker can be alleviated. It should be emphasized that the several cameras not even in the sense of the above-mentioned stereo camera, i. work together in the sense of triangulation, but each camera for each as a single camera based on the image processing of the individual camera image determines the respective relative position of the marker in the coordinate system of the respective individual camera.
Die Relativpositionen der einzelnen Kameras zueinander können hier besonders einfach ermittelt werden. Hierzu fertigen die Kameras, deren Relativlage zueinander ermittelt werden soll, gleichzeitig ein Kamerabild desselben Markers an. Da aus jedem einzelnen Kamerabild die jeweilige Relativposition der Kamera zum Marker bekannt ist, ist so auch die Relativlage der Kameras zueinander bekannt.The relative positions of the individual cameras relative to one another can be determined particularly easily here. For this purpose, the cameras whose relative position is to be determined relative to one another simultaneously produce a camera image of the same marker. Since the respective relative position of the camera to the marker is known from each individual camera image, the relative position of the cameras relative to one another is also known.
Insbesondere ist ein derartiges Navigationssystem also „in vivo“ nutzbar.In particular, such a navigation system can therefore be used "in vivo".
Hinsichtlich des Röntgensystems wird die Aufgabe gelöst durch ein Röntgensystem mit einem im Betrieb ein Röntgenbild liefernden Röntgengerät und einem oben beschriebenen Navigationssystem. Die Kamera des Navigationssystems ist hierbei derart in das Röntgengerät integriert ist, das ihre Blickrichtung mit der Bildgebungsrichtung des Röntgengerätes zusammenfällt. Mit anderen Worten bilden Kamerabild und Röntgenbild einen im Röntgengerät befindlichen Patienten aus der gleichen Blickrichtung und mit der gleichen Projektionsgeometrie ab. Der Zentralstrahl des Röntgengerätes und die zentrale Abbildungsachse der Kamera fallen zusammen. Blickrichtung - und gegebenenfalls auch der Sichtwinkel - beider Abbildungen sind gleich oder zumindest ähnlich. Der Sichtwinkel der Kamera kann dabei aber auch größer dem Sichtwinkel des Röntgengerätes sein.With regard to the X-ray system, the object is achieved by an X-ray system having an X-ray device which delivers an X-ray image during operation and a navigation system described above. The camera of the navigation system is in this case integrated into the x-ray device, which coincides with its direction of view with the imaging direction of the x-ray device. In other words, the camera image and X-ray image form a patient in the X-ray device from the same viewing direction and with the same projection geometry. The central beam of the X-ray machine and the central imaging axis of the camera coincide. Viewing direction - and possibly also the viewing angle - both images are the same or at least similar. The viewing angle of the camera can also be greater than the viewing angle of the x-ray machine.
Insbesondere wird z.B. ein beliebiges Röntgengerät mit der oben genannten CAMC-Funktionalität - dort speziell nur für einen C-Bogen - ausgerüstet. Das CAMC-System kann z.B. zusammenarbeiten mit einem mobilen oder stationären Röntgen-C-Bogen, einem mobilen Röntgensystem, wie z.B. Siemens „Mobilett“ oder digitalen oder analogen Radiographie-Systemen.In particular, e.g. Any X-ray device with the above-mentioned CAMC functionality - there specifically for a C-arm - equipped. The CAMC system may e.g. work together with a mobile or stationary X-ray C-arm, a mobile X-ray system, e.g. Siemens "Mobilett" or digital or analog radiography systems.
Z.B. kann eine ohnehin im Röntgensystem vorhandene CAMC-Kamera als Kamera des oben genannten Navigationssystems verwendet werden und mit einer entsprechenden Auswerteeinheit nachgerüstet werden. Hinzuzunehmen sind dann noch die oben genannten Navigationsmarker mit Markerelementen.For example, For example, an existing CAMC camera in the X-ray system can be used as a camera of the above-mentioned navigation system and retrofitted with a corresponding evaluation unit. Then there are the above mentioned navigation markers with marker elements.
Im erfindungsgemäßen Röntgensystem wird also durch die Verwendung der Kamera sowohl eine CAMC-Funktionalität ermöglicht, also die Möglichkeit der Bildüberlagerung zwischen einem Kamera- bzw. Videobild und einem 2D-Röntgenprojektionsbild. Mit anderen Worten erfolgt also eine Integration in CAMC. Gleichzeitig ist dank der Verwendung der Kamera im Navigationssystem auch die oben beschriebene 3D-Navigation, also Orts- und Lagebestimmung von Komponenten, mit Hilfe von Navigationsmarkern möglich.In the X-ray system according to the invention, the use of the camera thus enables both CAMC functionality, ie the possibility of image superimposition between a camera or video image and a 2D X-ray projection image. In other words, an integration into CAMC takes place. At the same time, thanks to the use of the camera in the navigation system, the above-described 3D navigation, ie location and position determination of components, is possible with the aid of navigation markers.
Die Kalibrierung der Koordinatensysteme von Kamera und Röntgenbildgebung erfolgt einmalig bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Röntgengerätes, wie auch bei CAMC-Systemen üblich. Eine weitere Kalibrierung zu einem späteren Zeitpunkt ist hier nicht mehr nötig.The calibration of the coordinate systems of the camera and X-ray imaging takes place once during the production of an X-ray apparatus according to the invention, as is usual in CAMC systems. A further calibration at a later date is no longer necessary here.
Durch die Erfindung kann also z.B. die gegenwärtig bekannte CAMC-Funktion zur Operationsunterstützung signifikant erweitert werden. Durch die Erfindung wird eine einfache Navigationsmethode in das Röntgensystem integriert, welche sowohl mit Videounterstützung als auch ohne Videounterstützung sowohl in zwei als auch in drei Dimensionen funktioniert, da die erworbenen Ortsinformationen der Marker in 3D vorliegen. Die Arbeit ohne Videounterstützung funktioniert dabei z.B. dann, wenn vorher ein 3D-Datensatz erzeugt wurde und das 2D-Röntgenbild dem 3D-Datensatz mittels 2D-/3D-Registrierung überlagert wurde.Thus, for example, the currently known CAMC function for operation support can be significantly expanded by the invention. The invention integrates a simple navigation method into the X-ray system, which functions both with video support and without video support in both two or three dimensions, since the acquired location information of the markers is present in 3D. The work without video support works, for example, if a 3D data set was previously generated and the 2D X-ray image was superimposed on the 3D data set by means of 2D / 3D registration.
Durch eine Doppelfunktion der Kamera als Lieferant des Videobildes für die CAMC-Anwendung einerseits und zur Gewinnung der Navigationsinformation im Navigationssystem andererseits ist eine inhärente bzw. einfache Registrierung zwischen Röntgen- und Navigationsfunktionalität sowie eine Online-Überwachung der Überlagerungsqualität möglich. Die Online-Überwachung gelingt z.B. mittels eines Markers, der auf dem Patienten aufgeklebt ist.By a dual function of the camera as a supplier of the video image for the CAMC application on the one hand and to obtain the navigation information in the navigation system on the other hand, an inherent or simple registration between X-ray and navigation functionality and online monitoring of the overlay quality is possible. Online monitoring succeeds e.g. by means of a marker, which is glued on the patient.
Die Integration des Navigationssystems erlaubt eine signifikante Erweiterung der Funktionalität eines bisherigen Röntgensystems.The integration of the navigation system allows a significant expansion of the functionality of a previous X-ray system.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Röntgengerät ein C-Bogen-Röntgengerät. So wird die Navigationsfunktion tatsächlich in ein originäres CAMC-System integriert.In a preferred embodiment of the invention, the X-ray device is a C-arm X-ray device. Thus, the navigation function is actually integrated into an original CAMC system.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Röntgensystem eine Auswerteeinheit auf, welche eine mit dem Navigationsmarker ortskorrelierte Positionsmarke anhand der durch das Navigationssystem ermittelten Relativlage zwischen Marker und Kamera ortsrichtig in das Röntgenbild einblendet. Die in einem CAMC-Röntgengerät ohnehin inhärent bzw. zwingend vorhandene Registrierung zwischen Kamerabild und Röntgenbild kann so genutzt werden. So können die anhand der zum Röntgensystem registrierten Kamera gewonnenen Navigationsinformationen bezüglich der Marker bzw. verbundener Instrumente demnach auch in das Röntgenbild eingeblendet bzw. diesem überlagert werden. Dies ist nützlich, wenn sich z.B. Instrumente bereits im Inneren des Patienten befinden, da beim bisherigen CAMC dann z.B. die im Patienten befindliche Instrumentenspitze nicht mehr in Echtzeit sichtbar war, so lange kein Röntgenbild angefertigt wurde. Die in der Kamera erkennbaren Marker müssen hierzu natürlich in deren Blickfeld außerhalb des Patienten verbleiben.In a further embodiment of the invention, the X-ray system has an evaluation unit, which displays a location mark correlated with the navigation marker in the X-ray image with the correct position between the marker and the camera determined by the navigation system. The registration between the camera image and the X-ray image, which is inherent or mandatory in a CAMC X-ray device anyway, can be used in this way. Thus, the navigation information obtained with respect to the markers or connected instruments based on the camera registered for the x-ray system can thus also be superimposed or superimposed on the x-ray image. This is useful when e.g. Instruments are already inside the patient, as in the previous CAMC then e.g. the instrument tip in the patient was no longer visible in real time, as long as no X-ray image was taken. Of course, the markers recognizable in the camera must remain outside the patient in their field of vision.
Liegen von dem Patienten prä- oder intraoperativ gewonnene 2D- oder Röntgen 3D-Bilddaten vor, so können diese ebenfalls am Röntgengerät registriert werden. Die aktuell durch das Navigationssystem gewonnenen 3D-Positionen der Marker bzw. Instrumente kann dann in die jeweiligen Bilddaten, z.B. das präoperative 3D-Volumen übertragen werden. Aktuell mit dem Röntgensystem gewonnene 2D-Röntgenbilder können dabei auch als Überwachung für mögliche Objektbewegungen, z.B. Patientenbewegungen verwendet werden. Hierzu kann z.B. - wie auch bei CAMC-Verfahren üblich - ein Marker auf die Hautoberfläche des Patienten, aufgeklebt und dessen Bewegung durch die Kamera verfolgt werden.If pre-operative or intraoperative 2D or X-ray 3D image data are available from the patient, they can also be registered on the X-ray machine. The 3D positions of the markers or instruments currently obtained by the navigation system can then be converted into the respective image data, e.g. the preoperative 3D volume will be transferred. 2D X-ray images currently obtained with the X-ray system can also be used as a monitor for possible object movements, e.g. Patient movements are used. For this, e.g. - As usual with CAMC procedures - a marker on the skin surface of the patient, glued and its movement are tracked by the camera.
Wird die Kamera des Navigationssystems nicht wie bei CAMC üblich direkt am C-Bogen befestigt und registriert, so kann die eben erläuterte Vorgehensweise wie bei einer klassischen Navigation durchgeführt werden. Im Behandlungsraum wird anstelle einer klassisch bekannten Stereonavigationskamera die erfindungsgemäße singuläre Videokamera eingesetzt. Die - ggf. auch mehreren - Videokameras können dann strategisch günstiger platziert werden, und die Registrierung wie bei der klassischen optischen Navigation durchgeführt werden.If the camera of the navigation system is not attached and registered directly to the C-arm as usual with CAMC, then the procedure just described can be carried out as with a classic navigation. In the treatment room, the inventive singular video camera is used instead of a classically known stereo navigation camera. The - if necessary, several - video cameras can then be placed strategically favorable, and the registration as in the classical optical navigation are performed.
Mit dem entsprechend ausgerüsteten Röntgensystem, z.B. wenn das Röntgengerät ein C-Bogen ist, können zweite oder weitere Röntgenaufnahmen eines Patienten unter anderen Projektionswinkeln aufgenommen werden. Z.B. liegen dann zwei 2D-Röntgenbilder eines Patienten aus lateraler und AP(anteroposteriorer)-Position vor. So kann die aktuelle vom Navigationssystem ermittelte Instrumentenposition in beiden Röntgenbildern und damit sofort auch in einer zweiten Ebene angezeigt werden. Voraussetzung ist lediglich, dass die Projektionsgeometrie der zweiten Projektionsrichtung ebenfalls bekannt ist. Die Ermittlung der Projektionsposition kann z.B. über einen Winkelgeber bei einem isozentrischen C-Bogen erfolgen. Dies ist gegenüber der reinen CAMC-Funktionalität ein signifikanter Fortschritt, da Quasi-3D-Informationen, z.B. über die Eindringtiefe eines Instrumentes in einen Patienten vorliegen und auch visualisiert werden können.With the appropriately equipped X-ray system, e.g. If the X-ray machine is a C-arm, second or further X-ray images of a patient can be taken at different projection angles. For example, Then there are two 2D X-ray images of a patient from lateral and AP (anteroposterior) position. Thus, the current instrument position determined by the navigation system can be displayed in both X-ray images and thus immediately in a second level. The only prerequisite is that the projection geometry of the second projection direction is also known. The determination of the projection position may e.g. via an angle encoder in an isocentric C-arm. This is a significant advance over pure CAMC functionality because quasi-3D information, e.g. about the penetration depth of an instrument in a patient and can also be visualized.
Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
-
1 ein erfindungsgemäßes Navigationssystem, -
2 ein Kamerabild des Navigationssystems aus1 , -
3 einen Navigationsmarker aus1 , -
4 ein erfindungsgemäßes Röntgensystem, -
5 Kamera- und Röntgenbilder desRöntgensystems aus 4 .
-
1 an inventive navigation system, -
2 a camera image of the navigation system1 . -
3 a navigation marker1 . -
4 an inventive X-ray system, -
5 Camera and X-ray images of theX-ray system 4 ,
Das Navigationssystem
Über dem Patienten
Das Navigationssystem
Das Kamerabild
Gemäß
Eine Lage
Für jeden Navigationsmarker
Insbesondere werden damit auch die Relativlagen
Insbesondere ist damit die Relativlage
Die Kamera
Mit anderen Worten gelingt es so, mit Hilfe des Röntgenbildes
Auch hier ist jeweils wieder eine Ortsmarke
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 22
- Patientpatient
- 44
- Patiententischpatient table
- 66
- Instrumentinstrument
- 77
- Spitzetop
- 88th
- Navigationssystemnavigation system
- 10a,b10a, b
- Kameracamera
- 11a,b11a, b
- Blickrichtungline of sight
- 12a,b12a, b
- Navigationsmarkernavigation markers
- 1313
- Operationsbereichoperation area
- 14a-d14a-d
- Koordinatensystemcoordinate system
- 15a,b15a, b
- Sichtfeldfield of view
- 1616
- Auswerteeinheitevaluation
- 1818
- Bildsensorimage sensor
- 20a,b20a, b
- Kamerabildcamera image
- 22a,b22a, b
- Markerelementmarker element
- 2323
- Lagelocation
- 2424
- GeradeJust
- 2626
- Ebenelevel
- 2828
- Ortsmarkeplacemark
- 3030
- Relativanordnungrelative arrangement
- 3434
- RöntgensystemX-ray system
- 3636
- RöntgengerätX-ray machine
- 3838
- RöntgenstrahlerX-ray
- 4040
- RöntgendetektorX-ray detector
- 4242
- RöntgenkegelX-cone
- 4343
- Bildgebungsrichtungimaging direction
- 4444
- RöntgenbildX-ray photograph
- 4646
- Spiegelmirror
- 4848
- Knochenstrukturbone structure
- 5050
- Pfeil arrow
- X,yX, y
- Abstanddistance
- ZI,R Z I, R
- Relativlagerelative position
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