DE102010020783B4

DE102010020783B4 - Verfahren und System zum Ermitteln von 3D-Geometriedaten von Objekten

Info

Publication number: DE102010020783B4
Application number: DE102010020783.7A
Authority: DE
Inventors: Dr. Graumann Rainer; Dr. Heer Volker
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: SIEMENS HEALTHINEERS AG, DE
Priority date: 2010-05-18
Filing date: 2010-05-18
Publication date: 2022-05-12
Anticipated expiration: 2030-05-19
Also published as: WO2011144413A1; DE102010020783A1

Abstract

Verfahren zum Ermitteln von 3D-Geometriedaten eines angepassten Objekts (I), welches durch Biegen eines Basisobjekts, dessen 3D-Geometriedaten elektronisch vorliegen, entstanden ist, mit folgenden Schritten:a) Erfassen von zumindest zwei 2D-Abbildern des angepassten Objekts mittels zweier digitaler Kameras (K1, K2) oder eines Röntgensystems;b) Automatisches Ermitteln der Biegung des Basisobjekts, die zum angepassten Objekt geführt hat, aus den 2D-Abbildern des angepassten Objekts und den 3D-Geometriedaten des Basisobjekts, indem aus den 2D-Abbildungen ein 3D-Hüllenmodell des angepassten Objekts berechnet und durch Rechenverfahren Ort und Grad derjenigen Biegung ermittelt wird, welche die durch die vorhandenen 3D-Geometriedaten des nicht-angepassten Objekts beschriebene Hülle in das berechnete 3D-Hüllenmodell transformiert; undc) Ermitteln der 3D-Geometriedaten des angepassten Objekts durch Anpassen der 3D-Geometriedaten des Basisobjekts anhand der automatisch ermittelten Biegung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Ermitteln von 3D-Geometriedaten von Objekten, insbesondere medizinischen Implantaten.
Viele chirurgische Eingriffe erfolgen mit dem Ziel, Implantate in den Körper des behandelten Patienten oder Tieres einzubringen, welche beispielsweise den Stütz- und Bewegungsapparat dauerhaft oder für eine gewisse Zeit unterstützen oder partiell rekonstruieren. Im Regelfall sind die 3D-Geometriedaten der verwendeten Implantate bekannt und werden beispielsweise vom Hersteller des Implantats in geeigneter elektronischer Form zur Verfügung gestellt. Diese 3D-Geometrieaten sind für die Planung, oder für die präzise und störungsfreie Durchführung des chirurgischen Eingriffs notwendig. In der modernen Chirurgie erfolgen Eingriffe meist bildgestützt, d.h. der Chirurg sieht in vielen Fällen beispielsweise nicht die tatsächliche Lage des Implantats relativ zum Skelett, sondern ein projektives Abbild des Skeletts und das projektive Abbild des Implantats auf einem Bildschirm. In jüngster Zeit werden auch die 3D-Geometriedaten des Implantats genutzt, um sie an das projektive Abbild des Implantats im Röntgenbild anzupassen und daraus 3D-Informationen über die Lage und Orientierung des Implantats zu gewinnen.
Häufig erweist es sich allerdings während der Durchführung des Eingriffs als notwendig, das vorgefertigte Implantat individuell anzupassen, beispielsweise durch (in der Regel leichtes) Verbiegen des Implantats. Eine solche Anpassung hat allerdings zur Folge, dass die vorhandenen 3D-Geometriedaten nicht mehr verwendet werden können, da sie nicht mehr zum Implantat passen.
Zwar ist es prinzipiell denkbar, die 3D-Geometriedaten des intra-operativ, also während des Eingriffs angepassten Implantats noch während des Eingriffs komplett neu zu erfassen, allerdings sind die bekannten Verfahren hierfür kaum geeignet. Beispielsweise könnte das angepasste Implantat mittels Laserscanner oder mittels Streifenlichtscanner dreidimensional gescannt werden. Ein solcher 3D-Scan ist allerdings bei metallischen Implantaten nicht ohne weiteres durchführbar, da die metallischen Oberflächen, insbesondere bei der Verwendung von Implantaten aus chirurgischem Stahl, zu stark reflektieren und für den 3D-Scan zunächst behandelt werden müssten. Eine Oberflächenbehandlung z.B. mittels nicht reflektierenden Stäuben ist aus Sterilitätsgründen nicht geeignet. Daneben benötigt der 3D-Scan insgesamt leicht eine halbe Stunde oder länger und scheidet daher für eine intra-operative Neuerfassung der 3D-Geometriedaten aus. Hinzu tritt, dass intra-operative 3D-Scans noch nicht ausreichend automatisiert sind und daher Fachkräfte dafür benötigt werden, welche im Operationsteam nicht zur Verfügung stehen. Schließlich muss das Implantat steril gehalten oder nach dem 3D-Scan sterilisiert werden, was zusätzliche Vorkehrungen und Maßnahmen erfordert.
Zwar könnte das Problem der stark reflektierenden Oberflächen umgangen werden, indem zunächst ein Abdruck des angepassten Implantats erstellt wird, welches dann 3D-gescannt wird. Insgesamt würde dies aber kaum zu einer Verbesserung gegenüber dem direkten 3D-Scannen des Implantats führen, da sich weder der Zeitaufwand verringern ließe noch auf die Fachkraft verzichtet werden könnte, welche den 3D-Scan durchführt.
In der US 2005/0222793 A1 ist eine Anpassung einer Verformung eines Gegenstandes auf bestehende 3D-Daten des Gegenstandes offenbart, wobei die Verformung des Gegenstandes durch auf diesem Gegenstand angeordnete Marker erfasst wird.
Aus der WO 2001/078015 A2 , der DE 10 2008 051 532 A1 und der DE 10 2007 034 221 A1 sind Verfahren zur virtuellen Anpassung von Modellen oder Gegenständen an Körperteile (z.B. Knochen) bekannt. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren anzugeben, mit welchem die 3D-Geometriedaten eines Objekts, z.B. eines Implantats, schneller ermittelt werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Ermitteln von 3D-Geometriedaten eines angepassten Objekts, welches durch Biegen eines Basisobjekts, dessen 3D-Geometriedaten elektronisch vorliegen, entstanden ist, das folgende Schritte aufweist:

a) Erfassen von zumindest zwei 2D-Abbildern des angepassten Objekts mittels zweier digitaler Kameras oder eines Röntgensystems;
b) Automatisches Ermitteln der Biegung des Basisobjekts, die zum angepassten Objekt geführt hat, aus den 2D-Abbildern des angepassten Objekts und den 3D-Geometriedaten des Basisobjekts, indem aus den 2D-Abbildungen ein 3D-Hüllenmodell des angepassten Objekts berechnet und durch Rechenverfahren Ort und Grad derjenigen Biegung ermittelt wird, welche die durch die vorhandenen 3D-Geometriedaten des nicht-angepassten Objekts beschriebene Hülle in das berechnete 3D-Hüllenmodell transformiert; und
c) Ermitteln der 3D-Geometriedaten des angepassten Objekts durch Anpassen der 3D-Geometriedaten des Basisobjekts anhand der automatisch ermittelten Biegung.

Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zum Ermitteln von 3D-Geometriedaten eines angepassten Objekts, welches durch Biegen eines Basisobjekts, dessen 3D-Geometriedaten elektronisch vorliegen, entstanden ist, bei dem die folgenden Verfahrensschritte wie folgt iterativ ablaufen:

α) Erfassen von zumindest zwei 2D-Projektionsbildern des angepassten Objekts mittels zweier digitaler Kameras oder eines Röntgensystems;
β) Berechnen von erwarteten 2D-Projektionsbildern aus 3D-Geometriedaten, welche in der ersten Iteration den 3D-Geometriedaten des Basisobjekts entsprechen und in allen weiteren Iterationen den berechneten 3D-Geometriedaten des angepassten Objekts;
γ) Ermitteln einer Abweichung zwischen den 2D-Projektionsbildern des angepassten Objekts und den erwarteten 2D-Projektionsbildern;
δ) Berechnen der 3D-Geometriedaten des angepassten Objekts (I) anhand einer aus der ermittelten Abweichung geschätzten Biegung des Basisobjekts; und
ε) Wiederholen der Schritte β) bis δ) solange, bis die im Schritt γ) ermittelte Abweichung eine bestimmte Schwelle unterschreitet.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein System, welches Mittel zum Erfassen von 2D-Abbildern in Form von digitalen Kameras oder einem Röntgensystem und Mittel zum Umsetzen des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist.
Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass bei vergleichsweise einfachen Verformungen von Objekten, wie sie durch Biegen entstehen, bei der Ermittlung neuer 3D-Geometriedaten in großem Umfang auf die 3D-Geometriedaten des Basisobjekts zurückgegriffen wird und somit eine vollständige 3D-Abtastung des angepassten Objekts nicht notwendig ist. Dies vereinfacht die Ermittlung der neuen 3D-Geometriedaten soweit, so dass keine besonders geschulte Fachkraft notwendig ist, um das Verfahren zu bedienen, das Objekt durch das Verfahren nicht beeinträchtigt wird und insbesondere steril bleibt, und das Verfahren insgesamt auch sehr schnell abläuft, da nur wenige klassische Aufnahmen mittels digitaler Kameras oder digitaler Röntgenapparatur notwendig sind. Im einfachsten Fall kann als digitale Kameras jeweils ein CCD-Chip mit einer vergleichsweise einfachen Optik benutzt werden.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine optische Bildaufnahmevorrichtung mit zwei digitalen Kameras K1 und K2 und einer Objektauflage O, auf der ein Implantat I angeordnet ist. Implantat I befindet sich im Abbildungsbereich der Kameras K1 und K2. Objektauflage O wird vorzugsweise aus einem stabilen Material gefertigt, welches leicht gereinigt und sterilisiert werden kann, beispielsweise Glas oder Edelstahl. Lichtquellen (nicht dargestellt), Objektauflage und Kameras werden so angeordnet, dass auf der Objektauflage O angeordnete Objekte gut ausgeleuchtet sind, ohne dass die an der Oberfläche der Objektauflage entstehenden Reflexionen die Bildaufnahme durch die Kameras K1 und K2 beeinträchtigen. Gegebenenfalls wird die Oberfläche der Objektauflage behandelt, um Reflexionen zu minimieren (beispielsweise durch Mattieren oder Beschichten mit einer Antiglare-Beschichtung). Ein Gehäuse (nicht dargestellt) kann vorgesehen sein, um die Objektauflage O und die Objektivlinsen der Kameras vor Verschmutzung zu schützen und die Kameras in festen Positionen zu halten. Die Positionen der Kameras werden dabei so gewählt, dass eine optimale Aufnahme des Implantats möglich ist.
Wird nun während der Durchführung eines chirurgischen Eingriffs ein vorgefertigtes Implantat, dessen 3D-Geometriedaten elektronisch vorliegen, durch Verbiegen individuell angepasst, können die 3D-Geometriedaten des angepassten Implantats gewonnen werden, indem das angepasste Implantat mit dem in der Figur dargestellten System aus zwei Richtungen fotografiert wird und anschließend mithilfe der gewonnenen 2D-Abbildungen des angepassten Objekts die 3D-Geometriedaten angepasst werden. Dabei werden die bekannten Aufnahmegeometrien der Kameras berücksichtigt, sodass Abbildungsfehler wie beispielsweise Kissen- und Trapezverzerrungen korrigiert werden können. Natürlich können mehr auch mehr als zwei 2D-Abbildungen genutzt werden, die entweder durch weitere Kameras (nicht dargestellt) oder durch die vorhandenen Kameras nach einer vorzugsweise definierten Drehung des Implantats erzeugt werden.
Die Anpassung der 3D-Geometriedaten kann beispielsweise durch einen einfachen Warping-Algorithmus erfolgen, nachdem aus den 2D-Abbildungen und den 3D-Geometriedaten des vorgefertigten Implantats die Biegung des angepassten Implantats ermittelt wurde. Diese einfache, schnelle und robuste Anpassung ist möglich, da über sehr viel Vorwissen verfügt werden kann, nämlich die 3D-Geometriedaten des nicht-angepassten Implantats, welche beispielsweise Angaben zu Lage und Durchmesser von Bohrungen und Angaben zu anderen durch die Biegung nicht beeinflussten Elementen umfassen. Die Biegung kann beispielsweise geschätzt werden, indem aus den 2D-Abbildungen ein 3D-Hüllenmodell des angepassten Implantats berechnet wird und anschließend durch Rechenverfahren Ort und Grad derjenigen Biegung ermittelt wird, welche die durch die vorhandenen 3D-Geometriedaten des nicht-angepassten Implantats beschriebene Hülle in das berechnete 3D-Hüllenmodell transformiert.
In einer alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die 2D-Abbildungen des angepassten Implantats durch ein Röntgensystem erzeugt. Dabei wird vorzugsweise ein C-Bogen-Röntgensystem eingesetzt, und es werden mindestens zwei 2D-Projektionsaufnahmen genutzt, deren Abbildungsachsen senkrecht aufeinander stehen.
Auch hier kann wiederum ein 3D-Hüllenmodell des angepassten Implantats berechnet und anschließend durch Rechenverfahren Ort und Grad derjenigen Biegung ermittelt werden, welche die durch die vorhandenen 3D-Geometriedaten des nicht-angepassten Implantats beschriebene Hülle in das berechnete 3D-Hüllenmodell transformiert.
Alternativ kann ein iteratives Verfahren genutzt werden um die 3D-Geometriedaten des angepassten Implantats zu ermitteln. Dabei werden erwartete 2D-Projektionsbilder aus 3D-Geometriedaten berechnet. Als Basis dienen in der ersten Iteration die 3D-Geometriedaten des nicht-angepassten Implantats. In weiteren Iterationen werden als 3D-Geometriedaten die durch das iterative Verfahren ermittelten 3D-Geometriedaten des angepassten Objekts genutzt und weiter angepasst. Die erwarteten 2D-Projektionsbilder werden mit den 2D-Projektionsbildern des angepassten Objekts verglichen, und die Abweichungen zwischen den Bildern werden festgestellt. Aus dem Vergleich werden Rückschlüsse auf die Verbiegung des Implantats gezogen. Die 3D-Geometriedaten des angepassten Implantats werden anhand einer aus der ermittelten Abweichung geschätzten Biegung des Basisobjekts berechnet. Dies wird solange wiederholt, bis die ermittelte Abweichung zwischen den berechneten und den realen 2D-Projektionsbildern eine bestimmte Schwelle unterschreitet.

Claims

Verfahren zum Ermitteln von 3D-Geometriedaten eines angepassten Objekts (I), welches durch Biegen eines Basisobjekts, dessen 3D-Geometriedaten elektronisch vorliegen, entstanden ist, mit folgenden Schritten: a) Erfassen von zumindest zwei 2D-Abbildern des angepassten Objekts mittels zweier digitaler Kameras (K1, K2) oder eines Röntgensystems; b) Automatisches Ermitteln der Biegung des Basisobjekts, die zum angepassten Objekt geführt hat, aus den 2D-Abbildern des angepassten Objekts und den 3D-Geometriedaten des Basisobjekts, indem aus den 2D-Abbildungen ein 3D-Hüllenmodell des angepassten Objekts berechnet und durch Rechenverfahren Ort und Grad derjenigen Biegung ermittelt wird, welche die durch die vorhandenen 3D-Geometriedaten des nicht-angepassten Objekts beschriebene Hülle in das berechnete 3D-Hüllenmodell transformiert; und c) Ermitteln der 3D-Geometriedaten des angepassten Objekts durch Anpassen der 3D-Geometriedaten des Basisobjekts anhand der automatisch ermittelten Biegung.
Verfahren zum Ermitteln von 3D-Geometriedaten eines angepassten Objekts (I), welches durch Biegen eines Basisobjekts, dessen 3D-Geometriedaten elektronisch vorliegen, entstanden ist, bei dem die folgenden Verfahrensschritte wie folgt iterativ ablaufen: α) Erfassen von zumindest zwei 2D-Projektionsbildern des angepassten Objekts (I) mittels zweier digitaler Kameras (K1, K2) oder eines Röntgensystems; β) Berechnen von erwarteten 2D-Projektionsbildern aus 3D-Geometriedaten, welche in der ersten Iteration den 3D-Geometriedaten des Basisobjekts entsprechen und in allen weiteren Iterationen den berechneten 3D-Geometriedaten des angepassten Objekts (I); γ) Ermitteln einer Abweichung zwischen den 2D-Projektionsbildern des angepassten Objekts (I) und den erwarteten 2D-Projektionsbildern; δ) Berechnen der 3D-Geometriedaten des angepassten Objekts (I) anhand einer aus der ermittelten Abweichung geschätzten Biegung des Basisobjekts; ε) Wiederholen der Schritte β) bis δ) solange, bis die im Schritt γ) ermittelte Abweichung eine bestimmte Schwelle unterschreitet.
Medizinisches System zum Ermitteln von 3D-Geometriedaten eines angepassten Implantats (I), welches durch Biegen eines Basisimplantats, dessen 3D-Geometriedaten elektronisch vorliegen, entstanden ist, das folgendes aufweist: - Mittel (K1, K2) zum Erfassen von 2D-Abbildern des Implantats (I) in Form von digitalen Kameras (K1, K2) oder einem Röntgensystem; sowie - Mittel zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2.