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 DE 102 06 193 C1 , DE 11 2007 001 214 T5 , DE 102 46 147 A1 , WO 2007/ 128 377 A1 und US 2005 / 0 201 613 A1 sind gegebenenfalls für Navigationssysteme geeignete extrakorporale Kameras bekannt. WO 2009/ 047 335 A1 beschreibt ein CAD (Computer Aided Design) Modell für die intelligente und automatische Objekterkennung.Out DE 102 06 193 C1 . DE 11 2007 001 214 T5 . DE 102 46 147 A1 . WO 2007/128 377 A1 and US 2005/0 201 613 A1 are optionally known for navigation systems extracorporeal cameras known. WO 2009/047 335 A1 describes a CAD (Computer Aided Design) model for intelligent and automatic object recognition.

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 DE 100 49 103 A1 - z.B. als sogenanntes „CAMC“-System (camera augmented mobile C-arm) der Fa. Siemens - ein Röntgengerät bekannt, bei dem eine optische Videokamera fest derart in das Röntgengerät integriert ist, dass ihre Blickrichtung derjenigen der Röntgenabbildung des Röntgengerätes entspricht. Dieses System erlaubt eine geometrisch exakte Überlagerung des z.B. von einem C-Bogen gewonnenen 2D-Röntgebildes mit dem Live-Kamera-Bild der Videokamera zur Unterstützung chirurgischer Eingriffe. Zunächst wird ein Röntgenbild zeitgleich mit einem Videobild des Patienten angefertigt. Das Videobild zeigt dann die sichtbare Oberfläche des Patienten und im Operationsgeld vorhandene Instrumente. Beide Bilder, Röntgenbild und Videobild, können ineinander überblendet, d.h. nach Wahl des Benutzers verschieden stark hervorgehoben werden.Alternatively, from the DE 100 49 103 A1 - For example, as a so-called "CAMC" system (camera augmented mobile C-arm) from the company Siemens - an X-ray device is known in which an optical video camera is firmly integrated into the X-ray device that their line of sight corresponds to that of the X-ray image of the X-ray device. This system allows a geometrically exact superimposition of the 2D X-ray image obtained eg from a C-arm with the live camera image of the video camera to support surgical procedures. First, an X-ray image is taken simultaneously with a video image of the patient. The video image then shows the visible surface of the patient and instruments available in the surgery allowance. Both images, X-ray image and video image, can be faded into each other, that are highlighted according to the user's choice different levels.

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 DE 101 42 253 C1 bekannt. Mit einer derartigen Kamera sind auch Einsätze des Navigationssystems innerhalb eines Patienten, d.h. innerhalb dessen Körpers möglich. Insbesondere in Kombination mit auf endoskopischen Instrumenten aufgedruckten Navigationsmarkern können so beispielsweise zusammen mit der Kamera in den Patienten eingeführte Instrumente in ihrer Relativposition zur endoskopischen Kamera geortet werden. Besonders in dieser Ausführungsform ist also eine optische Navigation innerhalb eines Patienten möglich, was mit bisherigen optischen Navigationssystemen unmöglich war bzw. aufgrund der benötigten zwei Kameras im Sinne einer Stereokamera bisher nicht praktikabel war. Die Kamera ist z.B. eine im sichtbaren oder Infrarotlichtbereich arbeitende Kamera, welche insbesondere im letzteren Fall mit einer entsprechenden Infrarotlichtquelle und infrarotreflektierenden Markerelementen kombiniert ist. Insbesondere in Verbindung mit einer Infrarotkamera ist in der Regel eine Infrarotlichtquelle, z.B. um das Kameraobjektiv herum, angebracht. Eine derartige Anordnung ist z.B. als passives Kamerasystem bzw. passive Kamera der Fa. Polaris bekannt, die mit passiven Markern, z.B. reflektierenden Kügelchen arbeitet. Im Gegensatz hierzu verwenden aktive System aktive Marker, d.h. solche, die aktiv Licht aussenden, z.B. mit Hilfe von aktiv angesteuerten LEDs, die von der Kamera detektiert werden. Die Navigationsmarker bzw. Markerelemente sind dann beispielsweise mit einer infrarotreflektierenden Oberfläche ausgestattet. Die Infrarotkamera verfügt dann über einen infrarotsensitiven Detektor. Auch sind hier zusätzliche Infrarotlichtquellen, z.B. an einem Röntgen-C-Bogen, denkbar.According to the invention, the camera is an endoscopic or laparoscopic camera. A corresponding navigation system could thus also be used by a camera of an endoscopy capsule in a magnetic capsule endoscopy (MGCE). Such a freely movable in the patient capsule endoscope is eg from the DE 101 42 253 C1 known. Inserts of the navigation system within a patient, ie within the body, are also possible with such a camera. In particular, in combination with navigation markers printed on endoscopic instruments, for example, instruments introduced into the patient together with the camera can be located in their relative position to the endoscopic camera. Especially in this embodiment, therefore, an optical navigation within a patient is possible, which was impossible with previous optical navigation systems or due to the required two cameras in the sense of a stereo camera was previously impractical. The camera is, for example, a camera operating in the visible or infrared light range, which, in particular in the latter case, is combined with a corresponding infrared light source and infrared-reflecting marker elements. In particular, in conjunction with an infrared camera is usually an infrared light source, for example, around the camera lens, mounted. Such an arrangement is known, for example, as a passive camera system or passive camera from the company Polaris, which works with passive markers, for example reflective beads. In contrast, active systems use active markers, ie those that actively emit light, eg with the help of actively controlled LEDs, which are detected by the camera. The navigation markers or marker elements are then equipped, for example, with an infrared-reflecting surface. The infrared camera then has an infrared-sensitive detector. Also here are additional infrared light sources, eg on an X-ray C-arm, conceivable.

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 aus 1,
  • 3 einen Navigationsmarker aus 1,
  • 4 ein erfindungsgemäßes Röntgensystem,
  • 5 Kamera- und Röntgenbilder des Röntgensystems aus 4.
For a further description of the invention reference is made to the embodiments of the drawings. They show, in each case in a schematic outline sketch:
  • 1 an inventive navigation system,
  • 2 a camera image of the navigation system 1 .
  • 3 a navigation marker 1 .
  • 4 an inventive X-ray system,
  • 5 Camera and X-ray images of the X-ray system 4 ,

1 zeigt einen Patienten 2 auf einem Patiententisch 4, an welchem gerade chirurgischer Eingriff durchgeführt wird. Dieser erfolgt mittels eines medizinischen Instruments 6 bzw. dessen als Werkzeug ausgebildeter Spitze 7. Der Eingriff wird als navigationsunterstützte Chirurgie durchgeführt. Hierzu dient ein Navigationssystem 8 gemäß der Erfindung. 1 shows a patient 2 on a patient table 4 on which surgery is currently being performed. This is done by means of a medical instrument 6 or its trained as a tool tip 7 , The procedure is performed as navigation-assisted surgery. This is served by a navigation system 8th according to the invention.

Das Navigationssystem 8 umfasst eine Kamera 10a in Form einer optischen Videokamera, sowie zwei Navigationsmarker 12a,b. Der Navigationsmarker 12a ist fest, also in bekannter Relativposition am Patienten 2 fixiert, so dass jede Bewegung des Patienten 2 auch zwangsweise zu einer Bewegung des Navigationsmarkers 12a führt. Der Navigationsmarker 12b ist fest am Instrument 6 angebracht, so dass sich jede Bewegung des Instruments 6 auch in einer Bewegung des Navigationsmarkers 12b niederschlägt. Insbesondere ist die gesamte Geometrie des Instruments 6, insbesondere die Relativlage der Spitze 7, in Relation zum Navigationsmarker 12b bekannt. Der Navigationsmarker 12a dient als Referenz und definiert ein Koordinatensystem 14a, welches als Referenz- bzw. Patientenkoordinatensystem dient. Der Navigationsmarker 12b dagegen definiert ein Instrumentenkoordinatensystem 14b.The navigation system 8th includes a camera 10a in the form of an optical video camera, as well as two navigation markers 12a B. The navigation marker 12a is fixed, so in known relative position on the patient 2 fixed so that every movement of the patients 2 also forcibly to a movement of the navigation marker 12a leads. The navigation marker 12b is firmly on the instrument 6 attached, so that every movement of the instrument 6 also in a movement of the navigation marker 12b reflected. In particular, the entire geometry of the instrument 6 , in particular the relative position of the tip 7 , in relation to the navigation marker 12b known. The navigation marker 12a serves as a reference and defines a coordinate system 14a , which serves as a reference or patient coordinate system. The navigation marker 12b on the other hand defines an instrument coordinate system 14b ,

Über dem Patienten 2 befindet sich ein Raumbereich, nämlich der Operationsbereich 13, in dem sich während des Eingriffs Instrumente 6 bzw. Navigationsmarker 12a,b befinden können, die für den Eingriff in diesem Moment relevant sind. Die Kamera besitzt eine Blickrichtung 11a als mittlere Bildrichtung, die zentral auf den Operationsbereich 13 gerichtet ist. Die Kamera besitzt ein Sichtfeld 15a, welches den gesamten Operationsbereich 13 erfasst.About the patient 2 there is a room area, namely the operating area 13 in which there are instruments during the procedure 6 or navigation markers 12a , b, which are relevant to the intervention at this moment. The camera has a viewing direction 11a as a central image direction, central to the surgical field 13 is directed. The camera has a field of view 15a which covers the entire operating area 13 detected.

Das Navigationssystem 8 umfasst außerdem eine Auswerteeinheit 16, welche mit der Kamera 10a bzw. deren Bildsensor 18 verbunden ist. Während des Betriebs des Navigationssystems 8 nimmt nun die Kamera 10a über den Bildsensor 18 ein Kamerabild 20a auf und übermittelt dieses an die Auswerteeinheit 16.The navigation system 8th also includes an evaluation unit 16 which with the camera 10a or their image sensor 18 connected is. During operation of the navigation system 8th Now take the camera 10a over the image sensor 18 a camera picture 20a and transmits this to the evaluation unit 16 ,

Das Kamerabild 20a ist vergrößert in 2 dargestellt. Im Kamerabild 20 sind jeweilige Abbilder von Patient 2, Patiententisch 4 und den beiden Navigationsmarkern 12a,b zusammen mit dem des Instruments 6 zu sehen. Vom Instrument 6 ist nur der außerhalb des Patienten 2 befindliche Teil zu sehen; der im Patienten 2 befindliche Teil mit der Spitze 7 ist in 2 lediglich gestrichelt angedeutet, jedoch nicht sichtbar.The camera picture 20a is enlarged in 2 shown. In the camera picture 20 are respective images of the patient 2 , Patient table 4 and the two navigation markers 12a , b together with that of the instrument 6 to see. From the instrument 6 is only the outside of the patient 2 to see located part; the one in the patient 2 located part with the top 7 is in 2 indicated only by dashed lines, but not visible.

3 zeigt vergrößert den Navigationsmarker 12a. Der Navigationsmarker 12a weist vier Markerelemente 22a auf, der Navigationsmarker 12b vier Markerelemente 22b. Zwei der Markerelemente 22a definieren eine Gerade 24 im Raum, fallen also nicht zusammen. Ein drittes Markerelement 22a ist derart angeordnet, dass es außerhalb dieser Linie 24 liegt und so zusammen mit den erstgenannten beiden Markerelementen 22a eine Ebene 26 im Raum definiert. Das vierte Markerelement 22a liegt wiederum außerhalb dieser Ebene 26. Die jeweilige relative Raumlage der Markerelemente 22a zueinander beschreibt deren Relativanordnung 30, welche beispielsweise für verschiedene Navigationsmarker 12a,b unterschiedlich ist, um diese jeweils voneinander im Kamerabild 20 unterscheiden zu können. 3 shows enlarged the navigation marker 12a , The navigation marker 12a has four marker elements 22a on, the navigation marker 12b four marker elements 22b , Two of the marker elements 22a define a straight line 24 in the room, so do not coincide. A third marker element 22a is arranged such that it is outside this line 24 lies and so together with the former two marker elements 22a a level 26 defined in the room. The fourth marker element 22a again lies outside this level 26 , The respective relative spatial position of the marker elements 22a each other describes their relative arrangement 30 , which for example for different navigation markers 12a , b is different to each other in the camera image 20 to be able to distinguish.

Gemäß 1 wertet nun die Auswerteeinheit 16 das in 2 gezeigte Kamerabild 20a folgendermaßen aus: Zunächst werden die jeweiligen Abbilder der Markerelemente 22a bzw. 22b erkannt und mit den jeweiligen Markerelementen 22a,b identifiziert. Die Positionen bzw. Lagen 23 der Abbilder der Markerelemente 22a bzw. 22b im Kamerabild 20a werden erfasst.According to 1 now evaluates the evaluation unit 16 this in 2 shown camera image 20a As follows: First, the respective images of the marker elements 22a respectively. 22b recognized and with the respective marker elements 22a , b identified. The positions or positions 23 the images of the marker elements 22a respectively. 22b in the camera picture 20a are recorded.

Eine Lage 23 eines Abbildes ist z.B. gekennzeichnet durch die jeweiligen Abstände x und y des Abbildes zum Bildrand des Kamerabildes 20a, wie in 2 gezeigt.A location 23 an image is characterized for example by the respective distances x and y of the image to the image edge of the camera image 20a , as in 2 shown.

Für jeden Navigationsmarker 12a und 12b ermittelt dann die Auswerteeinheit 16 die Ortsposition und Orientierung des jeweiligen Navigationsmarkers 12a,b im Koordinatensystem 14c der Kamera 10a. Mit anderen Worten werden so Transformationsmatrizen zwischen den Koordinatensystemen 14a,b und dem Koordinatensystem 14c ermittelt. Die einzelnen Koordinatensysteme 14a-c werden also zueinander ortsrichtig registriert. Dies geschieht mit bekannten, nicht näher erläuterten Verfahren der Bildverarbeitung in Echtzeit.For every navigation marker 12a and 12b then determines the evaluation unit 16 the location and orientation of the respective navigation marker 12a , b in the coordinate system 14c the camera 10a , In other words, transformation matrices become so between the coordinate systems 14a , b and the coordinate system 14c determined. The individual coordinate systems 14a-c are registered with each other in the right place. This is done with known, not further explained methods of image processing in real time.

Insbesondere werden damit auch die Relativlagen zI und zR zwischen den Koordinatensysteme 14a,b der Navigationsmarker 12a,b und dem Koordinatensystem 14c der Kamera 10a ermittelt. Die jeweiligen Relativlagen ZI,R beschreiben damit jeweils Position und Orientierung, d.h. einen Referenzpunkt und eine vektorielle Ausrichtung der Koordinatensysteme 14a,b bzw. der Navigationsmarker 12a,b und damit von Patient 2 und Instrument 6 und dessen Spitze 7 im Koordinatensystem 14c.In particular, so are the relative positions z i and z R between the coordinate systems 14a , b the navigation marker 12a , b and the coordinate system 14c the camera 10a determined. The relative positions Z I, R describe in each case position and orientation, ie a reference point and a vectorial orientation of the coordinate systems 14a , b or the navigation marker 12a , b and thus of patient 2 and instrument 6 and its tip 7 in the coordinate system 14c ,

Insbesondere ist damit die Relativlage zI der Spitze 7 des Instrumentes 6 im Koordinatensystem 14c bekannt, in welchem auch das Kamerabild 20a aufgenommen wurde. Gemäß dieser Information kann eine die Instrumentenspitze 7 anzeigende Ortsmarke 28 in das Kamerabild 20a eingeblendet werden.In particular, this is the relative position z i the top 7 of the instrument 6 in the coordinate system 14c known, in which also the camera image 20a has been recorded. According to this information, an instrument tip 7 indicating placemark 28 in the camera picture 20a to be displayed.

1 zeigt in einer alternativen Ausführungsform gestrichelt eine zweite Kamera 10b, deren Blickrichtung 11b ebenfalls auf den Operationsbereich 13 ausgerichtet ist. Das Sichtfeld 15b erfasst also in Gänze den Operationsbereich 13. Durch die andere räumliche Anordnung der Kamera 10b im Raum bzw. der Winkelabweichung der Blickrichtungen 11a,b ergibt sich folgender Vorteil: Wenn sich z.B. eine nicht gezeigte Hand eines Chirurgen störend zwischen der Kamera 10a und dem Navigationsmarker 12a befindet, so dass dieser im Kamerabild 20a der Kamera 10a nicht sichtbar ist, ist er aber im Kamerabild 20b der Kamera 10b sichtbar. Die Ortsverfolgung des Navigationsmarkers 12a kann so ununterbrochen fortgesetzt werden. Eine entsprechende Relativlage zI kann daher auch zwischen dem Navigationsmarker 12a und der Kamera 10b bzw. deren Koordinatensystem 14d ermittelt werden. Da auch die Relativlage der Kamerakoordinatensysteme 14c und 14d bekannt ist, sind somit wieder sämtliche Ortszusammenhänge in der in 1 gezeigten Situation eindeutig bekannt. 1 shows in an alternative embodiment in dashed lines a second camera 10b whose line of sight 11b also on the surgery area 13 is aligned. The field of vision 15b thus completely covers the surgical area 13 , Through the other spatial arrangement of the camera 10b in the room or the angular deviation of the viewing directions 11a , b results in the following advantage: For example, if a surgeon's hand, not shown, interferes with the camera 10a and the navigation marker 12a so that this is in the camera image 20a the camera 10a is not visible, but he is in the camera image 20b the camera 10b visible, noticeable. The location tracking of the navigation marker 12a can be continued so continuously. A corresponding relative position z i can therefore also between the navigation marker 12a and the camera 10b or their coordinate system 14d be determined. As well as the relative position of the camera coordinate systems 14c and 14d is known, are thus again all local contexts in the in 1 situation clearly known.

4 zeigt ein erfindungsgemäßes Röntgensystem 34 mit einem Röntgengerät 36 in Form eines C-Bogens und dem oben bereits erläuterten Navigationssystem 8. Alternativ zu 1 wird hier die medizinische Maßnahme am Patienten 2 mit Röntgenunterstützung durchgeführt. Hierzu ist am Röntgensystem 34 ein Röntgenstrahler 38 und im Patiententisch 4 ein Röntgendetektor 40 integriert. Mit Hilfe des Röntgengerätes 36 kann am Patienten 2 ein gewisser Raumbereich in einem Röntgenbild 44 abgebildet werden. Der Raumbereich ergibt sich aus dem Röntgenkegel 42, der sich um dessen Bildgebungsrichtung 43 herum erstreckt. 4 shows an inventive X-ray system 34 with an x-ray machine 36 in the form of a C-arm and the navigation system already explained above 8th , alternative to 1 Here is the medical procedure on the patient 2 performed with X-ray support. This is the x-ray system 34 an X-ray source 38 and in the patient table 4 an x-ray detector 40 integrated. With the help of the X-ray machine 36 can be on the patient 2 a certain area of space in an x-ray image 44 be imaged. The room area results from the X-ray cone 42 who cares about its imaging direction 43 extends around.

Die Kamera 10a ist derart in das Röntgensystem 34 integriert, dass diese auf einen in der Nähe des Röntgenstrahlers 38 im Röntgenkegel 42 liegenden Spiegel 46 gerichtet ist. Die Blickrichtung 11a der Kamera 10a nach der Umlenkung durch den Spiegel 46 fällt mit der Bildgebungsrichtung 43 zusammen. Die Anordnung der Kamera 10a bzw. des Spiegels 46 erfolgt derart, dass Sichtfeld 15a mit dem Röntgenkegel 42 zusammenfällt bzw. diesen zumindest enthält. So ist sichergestellt, dass sämtliche im Röntgenbild 44 abgebildeten Durchleuchtungsinformation des Patienten 2 auch in Form der durchleuchteten Patientenoberfläche von der Kamera 10a abgebildet wird.The camera 10a is so in the X-ray system 34 Integrate that on one near the X-ray source 38 in the X-ray cone 42 lying mirror 46 is directed. The direction of view 11a the camera 10a after the deflection by the mirror 46 coincides with the imaging direction 43 together. The arrangement of the camera 10a or the mirror 46 takes place in such a way that field of vision 15a with the x-ray cone 42 coincides or at least contains this. This ensures that all in X-ray 44 pictured fluoroscopic information of the patient 2 also in the form of the illuminated patient surface of the camera 10a is shown.

Mit anderen Worten gelingt es so, mit Hilfe des Röntgenbildes 44 die von der Kamera 10a im Kamerabild 20a aufgenommene Körperoberfläche bzw. -region des Patienten 2 zusätzlich röntgendurchsichtig darzustellen. Insbesondere können beide Bilder deckungsgleich dargestellt werden bzw. je nach Gewichtung ineinander überblendet werden.In other words, it succeeds with the help of the X-ray image 44 the from the camera 10a in the camera picture 20a recorded body surface or region of the patient 2 in addition to render radiopaque. In particular, both images can be displayed congruently or be blended into each other depending on the weighting.

5a zeigt ein Kamerabild 20a, das mit dem Röntgensystem 34 gemäß 4 aufgenommen wurde. Das zu dem Kamerabild 20a gleichzeitig aufgenommene Röntgenbild 44 ist ortsrichtig in das Bild 20 eingeblendet. Im Bereich des Röntgenbildes 44 sind daher auch Knochenstrukturen 48 im Inneren des Patienten 2 sichtbar. Außerdem ist auch die Spitze 7 des Instruments 6 nun vollständig, nämlich aufgrund der Röntgendurchleuchtung und des Bildinhaltes des Röntgenbildes 44 sichtbar. 5b zeigt eine weitere Kombination aus Kamerabild 20 und Röntgenbild 44 welche derart gewonnen wurde, dass in 4 das Röntgengerät 36 bzw. der C-Bogen in Richtung des Pfeils 50 um 90° verschwenkt wurde. Auch hier ist wieder der Patient 2 von der Seite als Bildinhalt des Kamerabildes 20a sowie Knochenstrukturen 48 im Patienten 2 als Bildinhalt des Röntgenbildes 44 in überlagerter Darstellung sichtbar. 5a shows a camera picture 20a that with the x-ray system 34 according to 4 has been recorded. That to the camera picture 20a Simultaneously recorded X-ray image 44 is right in the picture 20 appears. In the area of the X-ray image 44 are therefore also bone structures 48 inside the patient 2 visible, noticeable. Besides, also the tip is 7 of the instrument 6 now completely, namely due to the fluoroscopy and the image content of the X-ray image 44 visible, noticeable. 5b shows another combination of camera image 20 and X-ray image 44 which was obtained in such a way that in 4 the x-ray machine 36 or the C-arm in the direction of the arrow 50 was pivoted by 90 °. Again, the patient is back 2 from the side as image content of the camera image 20a as well as bone structures 48 in the patient 2 as image content of the X-ray image 44 visible in superimposed representation.

Auch hier ist jeweils wieder eine Ortsmarke 28 für die Position der Spitze 7 des Instruments 6 ortsrichtig in das Röntgenbild 44 und das Kamerabild 20 eingeblendet.Again, each is again a placemark 28 for the position of the tip 7 of the instrument 6 Locally correct in the X-ray image 44 and the camera image 20 appears.

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

Claims (8)

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 (zI,R) 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 position (23) of the images of the marker elements (22a , b) in the camera image (20a, b) the relative position (z I, R ) of the navigation marker (12a, b) to the camera (10a, b) determining evaluation unit (16), wherein the camera (10a, b) an endoscopic or laparoscopic camera is. Navigationssystem (8) nach Anspruch 1, bei dem sich die Markerelemente (22a,b) innerhalb des Navigationsmarkers (12a,b) hinsichtlich ihrer Farbe und/oder Geometrie unterscheiden.Navigation system (8) to Claim 1 in which the marker elements (22a, b) within the navigation marker (12a, b) differ in terms of their color and / or geometry. Navigationssystem (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens zwei Navigationsmarkern (12a,b), die sich hinsichtlich der Farbe und/oder Geometrie und/oder geometrischen Relativanordnung (30) ihrer Markerelemente (22a,b) unterscheiden.Navigation system (8) according to one of the preceding claims, with at least two navigation markers (12a, b), which differ in terms of color and / or geometry and / or geometric relative arrangement (30) of their marker elements (22a, b). Navigationssystem (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Markerelemente (22a,b) als Markierung auf eine Oberfläche des Navigationsmarkers (12a,b) aufgebracht sind.Navigation system (8) according to one of the preceding claims, in which the marker elements (22a, b) are applied as a marking on a surface of the navigation marker (12a, b). Navigationssystem (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens einer zweiten Kamera (10a,b).Navigation system (8) according to one of the preceding claims, with at least one second camera (10a, b). Röntgensystem (34) mit einem mindestens ein Röntgenbild (44) liefernden Röntgengerät (36) und einem Navigationssystem (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kamera (10a,b) derart in das Röntgengerät (34) integriert ist, dass ihre Blickrichtung (11a,b) mit der Bildgebungsrichtung (43) des Röntgengerätes (36) zusammenfällt.X-ray system (34) having an X-ray device (36) and at least one X-ray image (44) according to one of the preceding claims, in which the camera (10a, b) is integrated in the X-ray device (34) such that its Viewing direction (11a, b) coincides with the imaging direction (43) of the x-ray device (36). Röntgensystem (34) nach Anspruch 6, bei dem das Röntgengerät (36) ein C-Bogen-Röntgengerät ist.X-ray system (34) after Claim 6 in which the X-ray machine (36) is a C-arm X-ray machine. Röntgensystem (34) nach Anspruch 6 oder 7, mit einer eine mit dem Navigationsmarker (12a,b) ortskorrelierte Ortsmarke (28) anhand der Relativlage (zI,R) ortsrichtig in das Röntgenbild (44) einblendenden Auswerteeinheit (16).X-ray system (34) after Claim 6 or 7 , with a location mark (28) which correlates with the navigation marker (12a, b) with the aid of the relative position (z I, R ) in place in the x-ray image (44).
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