DE102012021623B4

DE102012021623B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Kalibrierung von Trackingsystemen in Bildgebungssystemen

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Publication number: DE102012021623B4
Application number: DE102012021623.8A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. rer. nat. habil. Speck Oliver; Ilia Kadachevitch; Prof. Ernst Thomas; Maxim Zaitsev; Crispin Lovell-Smith; Julian Mclaren
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2012-11-06
Filing date: 2012-11-06
Publication date: 2021-03-04
Anticipated expiration: 2032-11-07
Also published as: DE102012021623A1; US9746540B2; WO2014072343A1; US20150331078A1; EP2917750A1

Abstract

Verfahren zur Kalibrierung von Trackingsystemen (10) in Bildgebungssystemen (20a, 20b, 20c), beispielsweise für MRT oder IMRT oder CT, zumindest aufweisend folgende Schritte:- Bereitstellung eines Trackingsystems (10) mit einem Koordinatensystem (50) und zumindest- eines Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c),- Bereitstellung von zumindest einem ersten Marker (70a, 70b, 70c), der als ein Referenzmarker ortsfest relativ zu dem Bildgebungssystem (20a, 20b, 20c) angeordnet wird und dessen Position und Orientierung in einem Koordinatensystem (60a, 60b, 60c) des Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c) kalibriert worden ist und wobei- eine einmalige Kalibrierung in Form einer Cross-Kalibrierung des Koordinatensystems (50) mit den Koordinaten (co, C, wobei co das Translationsquaternion und C das Rotationsquaternion ist) des Trackingsystems (10) erfolgt und die Position und Orientierung (ro, R) des ersten Markers (70) im Koordinatensystem (50) des Trackingsystems (10) gespeichert wird und die aktuelle Position und Orientierung (xo, X) des Referenzpunktes im Koordinatensystem (50) des Trackingsystems (10) für die Kalibrierung genutzt wird, um die aktuelle Cross-Kalibrierung (so, S) wie folgt zu errechnen:S=X*RC- wobei X* das konjugierte Rotationsquaternion des Quaternion X ist unds0=c0+C*r0C−S*x0S- wobei C* und S* die Konjugierten der Rotationsquaternionen C und S sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kalibrierung der Koordinatensysteme von Bildgebungssystemen mit einem Trackingsystem vor oder während der Bilddatenaufnahme, z.B. mittels Magnetresonanztomographie.
Moderne Verfahren der medizinischen oder biomedizinischen Bildgebung ermöglichen detaillierte Abbildungen lebender Organismen. Solche Verfahren beinhalten unter anderem die Magnetresonanztomographie MRT, die Computertomographie CT, und nuklearmedizinische Bildgebung, wie beispielsweise die Positronenemissionstomographie (PET), die Single-Photon-Emitted Computertomographie (SPECT) oder die intensitätsmodulierte Strahlentherapie (IMRT).
Viele dieser Verfahren benötigen lange Messzeiten von vielen Sekunden oder Minuten und sind daher anfällig für Bildqualitätsverluste durch Bewegung des Messobjektes, des Patienten oder Tieres, durch welche die Aufnahmen unbrauchbar werden können, indem sogenannte „verwackelte Aufnahmen“ entstehen.
Methoden, um diese Bildfehler durch Objektbewegung zu reduzieren oder beheben, sind z.B. die prospektive oder retrospektive Bewegungskorrektur, bei welchen die Bewegung des Messobjektes entweder bereits während der Aufnahme durch geeignete Nachführung des Messfeldes oder während der Bildrekonstruktion kompensiert wird und somit auch bei Bewegung während der Messung Bilder ohne entsprechende Abbildungsfehler entstehen, wie in den Literaturstellen 1-11 beschrieben.
Die Bewegungsinformation kann dabei entweder mittels der Bildgebungsmodalität selbst gemessen werden, oftmals beispielsweise als „Navigatoren“ bezeichnet. Dies bedingt jedoch zumeist eine Verlängerung oder Störung der Messung.
Alternativ kann die Bewegungsinformation durch ein Positions-Messsystem oder auch Trackingsystem, z.B. optisch erfasst werden und somit das Bildgebungsverfahren selbst ohne Störung durchgeführt werden. Bei Positionsdetektion durch ein solches System ist ein notwendiger Schritt die Kalibrierung der Koordinatensysteme zwischen dem Bildgebungssystem und dem Positions-Messsystem, auch Trackingsystem genannt. Hierbei muss die räumliche Transformation (Translation und Rotation, mit insgesamt sechs Freiheitsgraden) zwischen den beiden Modalitäten exakt bestimmt werden, wie in den Literaturstellen 5 und 12 beschrieben.
Aus EP 1 913 333 B1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen einer Drift in kalibrierten Tracking-Systemen für medizinische Anwendungen bekannt, um Merkmale in Bezug auf ein oder mehrere Koordinatensysteme innerhalb eines Bezugskoordinatensystems lokalisieren zu können. Verwendet wird hierbei ein kalibriertes Trackingsystem, an welchem ein Bewegungssensor montiert ist, um Bewegungen des Trackingsystems zu detektieren. Wird eine solche Bewegung festgestellt, wird eine Re-Kalibrierung des Trackingsystems durchgeführt.
Aus US 2001 / 0 053 204 A1 ist eine Vorrichtung zur Kalibrierung von Trackingsystemen bekannt, umfassend ein Trackingsystem mit einem Koordinatensystem, einem Bildgebungssystem und zumindest einem ersten Marker, der als ein Referenzmarker ortsfest relativ zu dem Bildgebungssystem angeordnet ist und dessen Position und Orientierung in einem Koordinatensystem des Bildgebungssystems kalibriert sind.
Die gängigen Verfahren zur Kalibrierung der Koordinatensysteme von Trackingsystemen und Bildgebungssystemen beinhalten die Messung eines bekannten, für beide Verfahren sichtbaren Objektes durch beide Systeme, sowohl die Bildgebungsmodalität als auch das Tracking-System, entweder in nur einer Position oder in verschiedenen Objektpositionen. Die hierbei erreichbare Genauigkeit der Kalibrierung ist von der Messgenauigkeit beider Systeme und der Anzahl der Messungen abhängig. Da ein System und hierbei zumeist das Bildgebungssystem die größeren Messfehler hat und wesentlich langsamer ist, ist durch dieses die Genauigkeit der Prozedur limitiert und die Kalibrierung kann zeitaufwändig sein (Minuten bis zu Stunden).
Die Probleme dieser gängigen Verfahren sind somit:

1) Für hohe Genauigkeit müssen die Messungen in mehreren Positionen mit hoher Messgenauigkeit, d.h. bzgl. der räumlichen Auflösung der Bildgebungsmodalität durchgeführt werden und beanspruchen daher lange Messzeiten.
2) Die Genauigkeit der Kalibrierung ist durch Messfehler beider Systeme limitiert, z.B. durch Fehler in der Abbildungstreue der Bildgebungsmodalität.
3) Die Kalibrierung kann sehr zeitaufwendig sein und bis zu mehrere Stunden andauern.
4) Bei Veränderungen der Systeme sind für eine Re-Kalibrierung erneut alle Messungen mit dem vollen Zeitaufwand notwendig. Unerwünschte Veränderungen der Kalibrierung können sich auch durch langsame Instabilitäten, die sogenannten Drifts im Messsystem ergeben.
5) Die Übertragung der Kalibrierung zwischen unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten sowie Therapiemodalitäten, z.B. für die Strahlentherapie erfordert erneut den vollen Kalibrierungsaufwand für jede Bildgebungsmodalität.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine schnelle und präzise Kalibrierung der Koordinatensysteme von Bildgebungssystemen und Trackingsystemen zu erzielen, ohne die Notwendigkeit einer Messung eines durch beide Systeme detektierbaren Objektes in einer oder mehreren Positionen.
Ein weiteres Anliegen der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Entstehen unbrauchbarer Aufnahmen durch Objektbewegungen während einer Bildgebung zu vermeiden. Zudem wäre es wünschenswert, mehrere Bildgebungsmodalitäten zur Detektierung von Objekten ohne einen höheren Kalibrieraufwand kombinieren zu können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer Vorrichtung nach Anspruch 5 erfüllt sowie den weiteren vorteilhaften Ausführungsformen gemäß den Unteransprüchen.
Vorgeschlagen wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kalibrierung von Trackingsystemen 10 in Bildgebungssystemen 20a, 20b, 20c, beispielsweise für MRT oder IMRT oder CT, welches zumindest folgende Schritte aufweist:

- Bereitstellung eines Trackingsystems 10 mit einem Koordinatensystem 50 und zumindest
- eines Bildgebungssystems 20a, 20b, 20c,
- Bereitstellung von zumindest einem ersten Marker 70a, 70b, 70c, der als ein Referenzmarker ortsfest relativ zu dem Bildgebungssystem 20a, 20b, 20c angeordnet wird und dessen Position und Orientierung in einem Koordinatensystem 60a, 60b, 60c des Bildgebungssystems 20a, 20b, 20c kalibriert worden ist und wobei
- eine einmalige Kalibrierung in Form einer Cross-Kalibrierung des Koordinatensystems 50 mit den Koordinaten co, C, wobei co das Translationsquaternion und C das Rotationsquaternion ist des Trackingsystems 10 erfolgt und die Position und Orientierung ro, R des ersten Markers 70 im Koordinatensystem 50 des Trackingsystems 10 gespeichert wird und die aktuelle Position und Orientierung xo, X des Referenzpunktes im Koordinatensystem 50 des Trackingsystems 10 für die Kalibrierung genutzt wird, um die aktuelle Cross-Kalibrierung so, S wie folgt zu errechnen: $S = X'RC$
wobei X* das konjugiert Rotationsquaternion des Quaternion X ist und $s_{0} = c_{0} + {C*r}_{0} C - {S*x}_{0} S$
wobei C* und S* die Konjugierten der Rotationsquaternionen C und S sind.

Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der erste Marker 70a, 70b, 70c derart mit dem Trackingsystem 10 zusammenwirkt, dass eine sich ändernde Position des Trackingsystems 10 während einer Bildgebung über das Trackingsystem 10 mittels des ersten Markers 70a, 70b, 70c erfasst und das Trackingsystem rekalibriert wird.
In einer ersten Variante dieses Verfahrens wird der ortsfeste Referenzpunkt auch während der Messung mittels der Bildgebungsmodalität genutzt, während welcher die veränderliche Position eines weiteren Markers am Bildgebungsobjekt erfasst wird, um dynamisch die Kalibrierung zu überwachen bzw. zu korrigieren. Hierdurch können zeitliche Instabilitäten oder Drifts im Positionsmesssystem erfasst und kompensiert werden. Dies stellt somit eine dynamische Re-Kalibrierung der Koordinatensysteme dar. Bei Annahme der Stationarität des Referenzmarkers wird eine scheinbare Bewegung durch solche zeitlichen Instabilitäten verursacht und kann zur Korrektur genutzt werden.
Zur Driftkorrektur werden die Anfangspositionen (Translationsquaternion) und Orientierungen (Rotationsquaternion) des Objektes to, To und Referenzmarkers do, Do gemessen. Die geometrische Transformation zwischen diesen beiden xo, X ist somit: $X = {D*}_{0} T_{0} {und x}_{0} = t_{0} - {X*d}_{0} X$
Sind t_j, T_j und d_j, D_j die aktuellen Tracking Daten zum Zeitpunkt j, kann die korrigierte Objektposition t_j corr, T_j corr berechnet werden als: $T_{j corr} = D_{j} {D*}_{0} T_{j} {und t}_{j corr} = t_{j} - {T*}_{j corr} X* (d_{0} - d_{j}) {XT}_{j corr}$
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt diese „Driftkorrektur“, indem der Referenzmarker an einem stationären Punkt (mechanisch) unabhängig von der Bildgebungsmodalität befestigt wird. Hierdurch können kleinste Bewegungen des Bildgebungssystems selbst erfasst und kompensiert werden. Solche Bewegungen, etwa Vibrationen, können zum Beispiel bei Magnetresonanztomographen in Messungen mit sehr starken Gradientenschaltungen entstehen, etwa bei Diffusionsmessungen. Die dynamische Re-Kalibrierung erfolgt analog der vorherigen Varianten.
In einer alternativen Ausführungsvariante erfolgt diese dynamische Korrektur indem der Referenzmarker an der Bildgebungsmodalität befestig wird und das Trackingsystem (mechanisch) unabhängig von dieser ortsfest montiert wird. Hierdurch kann ebenfalls eine eventuelle mechanische Bewegung des Bildgebungssystems erfasst werden.
In einer weiteren Verfahrensvariante werden mehrere solche stationären Marker in unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten montiert und einmalig exakt eingemessen, d.h. relativ zum Koordinatensystem der Bildgebungsmodalität kalibriert.
Demgemäß werden in dieser Ausführungsform der Erfindung mehrere erste Marker 70a, 70b, 70c jeweils in Bildgebungssystemen 20a, 20b oder 20c angeordnet, derart, dass deren Position und Orientierung in dem Koordinatensystem 60a, 60b, 60c des jeweiligen Bildgebungssystems 20a, 20b, 20c kalibriert worden sind, wobei die Position und Orientierung des Objektmarkers 30 aus dem Koordinatensystem 60a eines der Bildgebungssysteme 20a in die Koordinatensysteme 60b, 60c der anderen Bildgebungssysteme 20b, 20c umgerechnet werden.
Durch Nutzung dieser Referenzmarker können Untersuchungen desselben Objektes oder derselben Patienten an mehreren Geräten bzw. Bildgebungssystemen oder Bildgebungsmodalitäten exakt in Übereinstimmung gebracht werden.
Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass zumindest ein zweiter Marker 30 an einem beweglichen Objekt 40 angeordnet wird, derart, dass die Position und Orientierung des zweiten Markers 30 in dem Koordinatensystem 50 des Trackingsystems 10 während der Bildgebung erfasst wird und in das Koordinatensystem 60a, 60b, 60) des Bildgebungssystems 20a, 20b, 20c umgerechnet wird.
Hierdurch kann während der Bildgebung kontinuierlich oder in regelmäßigen Abständen die Orientierung und Position der Bildaufnahme nachgeführt werden, sodass das Bildgebungsvolumen gegenüber dem bewegten Messobjekt ortsfest bleibt. Hierdurch werden Abbildungsfehler durch Objektbewegung verringert oder vermieden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, zumindest umfassend:

- ein Trackingsystem 10 mit einem Koordinatensystem 50,
- zumindest ein Bildgebungssystem 20a, 20b, 20c und
- zumindest einen ersten Marker 70a, 70b, 70c, der als ein Referenzmarker ortsfest relativ zu dem Bildgebungssystem 20a, 20b, 20c angerordnet ist und dessen Position und Orientierung in einem Koordinatensystem 60a, 60b, 60c des Bildgebungssystems 20a, 20b, 20c kalibriert sind.

Die Vorrichtung umfasst hierbei zumindest ein Trackingsystem, welches die Position eines oder mehrerer Marker, charakterisiert durch sechs Freiheitsgrade für Rotation und Translation, einmalig oder wiederholt erfasst.
Der Ort des Referenzmarkers relativ zu dem Bildgebungsinstrument ist durch eine Vorkalibrierung bekannt. Wenn beispielsweise ein Kamerasystem, so wie es in vielen Anwendungen gehandhabt wird, an einer Wand oder Decke eines Zimmers montiert ist oder als ein mobiles Trackingsystem ausgeführt ist, kann das Trackingsystem anhand des erfindungsgemäßen festen Markers innerhalb von Sekunden rekalibriert werden. Entgegen der Vorgehensweise in EP 1 913 333 B1 kann mit der vorliegenden Erfindung anhand des ersten Markers, der als externer Markers oder Referenzmarkers dient, immer wieder eine absolute Kalibrierung vorgenommen werden, um das Trackingsystem zu kalibrieren, wobei das Trackingsystem 10 nicht auf das erste Koordinatensystem 50 kalibriert ist. Somit kann das Trackingsystem durch den kalibrierten Marker mit einer Positionsaufnahme in weniger als 1 sec kalibriert werden.
Neben der schnellen Kalibrierung des Trackingsystems ist auf Grund des kalibrierten Markers zudem eine permanente Re-Kalibrierung des Trackingsystems während der Bildgebungsvorgänge möglich.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der erste Marker 70a, 70b, 70c derart mit dem Trackingsystem 10 zusammenwirkt, dass eine sich ändernde Position des Trackingsystems 10 während einer Bildgebung über das Trackingsystem 10 mittels des ersten Markers 70a, 70b, 70c erfassbar und das Trackingsystem 10 rekalibrierbar ist.
Das Trackingsystem kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung außerhalb oder insbesondere auch innerhalb des Bildgebungssystems angeordnet sein. Hierbei kann dieses dauerhaft oder auch temporär, d.h. also auch entfernbar angeordnet sein. In diesem Falle wäre daher die Notwendigkeit der wiederholten Kalibrierung oder auch Re-Kalibrierung erforderlich.
Das Trackingsystem 10 kann nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung außerhalb des Bildgebungssystems 20a, 20b, 20c angeordnet sein.
Mindestens einer dieser ersten Marker 70a, 70b, 70c ist ein dauerhaft ortsfester Referenzpunkt, der innerhalb des Bildgebungssystems 20a, 20b, 20c montiert wird und angeordnet ist. Ein oder mehrere dieser ersten Marker 70a, 70b, 70c können ebenfalls außerhalb eines oder mehrerer Bildgebungssysteme angeordnet sein.
Ebenso kann der erste Marker 70a, 70b, 70c außerhalb des Bildgebungssystems 20a, 20b, 20c angeordnet sein.
Ortsfest in Bezug auf den Marker bezieht sich hierbei auf die Ortsunveränderlichkeit des Markers relativ zum Bildgebungssystem. Dieser Marker ist durch einmalige exakte Bestimmung seiner Position und Orientierung im Koordinatensystem der Bildgebungsmodalität kalibriert, über eine sogenannte Cross-Kalibrierung.
Weitere Marker können an beweglichen Objekten innerhalb des Bildgebungssystems montiert werden.
Demgemäß sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass zumindest ein zweiter Marker 30 zur Anordnung an einem beweglichen Objekt 40 vorgesehen ist, derart, dass die Position und Orientierung des zweiten Markers 30 in dem Koordinatensystem 50 des Trackingsystems 10 während der Bildgebung erfassbar sind und in das Koordinatensystem 60a, 60b, 60c des Bildgebungssystems 20a, 20b, 20c übertragbar sind. Hierdurch kann während der Bildgebung kontinuierlich oder in regelmäßigen Abständen die Orientierung und Position der Bildaufnahme nachgeführt werden, sodass das Bildgebungsvolumen gegenüber dem bewegten Messobjekt ortsfest bleibt. Hierdurch werden Abbildungsfehler durch Objektbewegung verringert oder vermieden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mehrere erste Marker 70a, 70b, 70c jeweils in Bildgebungssystemen 20a, 20b oder 20c angeordnet sind, derart dass deren Position und Orientierung in dem Koordinatensystem 60 des jeweiligen Bildgebungssystems 20a, 20b, 20c kalibriert sind, wobei die Position und Orientierung des zweiten Markers 30 aus dem Koordinatensystem 60a eines der Bildgebungssysteme 20a durch Messung der Position und Orientierung mittels des Trackingsystems in die Koordinatensysteme 60b, 60c der Bildgebungssysteme 20b, 20c übertragbar sind.
Durch diese Vorrichtung und dieses Verfahren können Aufnahmepositionen automatisch von einer Bildgebungsmodalität auf eine andere übertragen werden ohne die Notwendigkeit einer Orientierungsaufnahme. Dies ermöglicht Bildaufnahmen, z.B. von Patienten oder Versuchstieren, in exakt identischer Position und Schichtorientierung zwischen unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten und kann die Untersuchungsdauer verkürzen bzw. die Strahlenexposition verringern. Des Weiteren können hierdurch z.B. die Koordinaten eines Bildpunktes, der in einer Bildgebungsmodalität erfasst wurde, wie etwa die Position eines Tumors oder einer anderen Läsion, auf Therapiesysteme, z.B. ein Bestrahlungsgerät übertragen werden. Bislang werden hierzu oftmals externe Fixierungen verwendet, welche den Patienten in eine vorgegebene Position zwingen. Weiterhin können hierdurch Aufnahmen mehrerer Bildgebungsmodalitäten in Deckung gebracht werden, um die Ergebnisse simultan und räumlich korrekt überlagert darzustellen. Hiermit kann zum einen die unterschiedliche Information unterschiedlicher Bildgebungssysteme zur Diagnostik kombiniert werden, und zum anderen können die Informationen einer Bildgebungsmodalität zur Durchführung von Interventionen währen der Bildgebung an einer anderen Modalität genutzt werden. So könnten z.B. Zielregionen für einen Eingriff aus einer rein diagnostischen Bildgebungsmodalität, z.B. Tumore mittels MRT gemessen, auf eine interventionelle Bildgebungsmodalität, wie etwa intraoperatives Röntgen oder Angiographie übertragen werden, um den Eingriff zu unterstützen.
Die dynamische Position dieser Objekte wird durch das Trackingsystem in dessen internen Koordinatensystem erfasst und kann z.B. der Korrektur von Objektbewegungen während der Bildaufnahme dienen. Eine schnelle Kalibrierung des Trackingsystems ist durch eine einzige Messung der Lage des ortsfesten Markers mit dem Trackingsystems möglich. Aus den Koordinaten des Markers in den Koordinaten des Trackingsystems und der Kenntnis der Position des ortsfesten Markers in den Koordinaten des Bildgebungssystems kann die Position des Trackingsystems in den Koordinaten des Bildgebungssystems bestimmt werden. Da das Positionsmesssystem in der Regel sehr viel schneller und genauer ist als die Bildgebungsmodalität oder auch das Bildgebungssystem, ist hiermit eine hoch-präzise und auch bei mehreren Messungen extrem schnelle Re-Kalibrierung möglich.
Beispielhaft werden Ausführungsformen der Erfindung in den nachfolgenden Figuren dargestellt und näher beschrieben, wobei die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist.
Es zeigen:

1: schematisch eine Anordnung einer Vorrichtung 1 zur Kalibrierung eines Trackingsystems in einem Bildgebungssystem
2a, 2b und 2c: schematisch eine Anordnung mehrerer Bildgebungssysteme mit zugehörigen Koordinatensystemen

Gemäß 1 umfasst die schematisch dargestellte Vorrichtung 1 ein Trackingsystemen 10, welches in einem Bildgebungssystem 20, beispielsweise für MRT angeordnet ist. Das Trackingsystem 10 hat ein Koordinatensystem 50. Zudem weist die Vorrichtung einen ersten Marker 70 auf, der als ein Referenzmarker ortsfest relativ zu dem Bildgebungssystem 20 angerordnet ist und dessen Position und Orientierung in einem Koordinatensystem 60 des Bildgebungssystems 20 kalibriert sind.
Hierbei sind das Trackingsystem 10 und der erste Marker 70 innerhalb des Bildgebungssystems 20 angeordnet.
Ein zweiter Marker 30 ist an einem beweglichen Objekt 40 vorgesehen, derart, dass die Position und Orientierung des Markers 30 in dem Koordinatensystem 50 des Trackingsystems 10 während der Bildgebung erfasst werden können und in das Koordinatensystem 60 des Bildgebungssystems 20 übertragen werden können.
2a, 2b und 2c zeigen schematisch eine Anordnung von mehreren Bildgebungssystemen mit zugehörigen Koordinatensystemen analog zu 1, wobei in den 2a, 2b und 2c dasselbe Objekt 40 mit jeweils einem ersten Marker 70a, 70b und 70c in unterschiedlichen Bildgebungs- oder Therapie-Modalitäten 20a, 20b und 20c untersucht wird.
Demgemäß sind mehrere Marker 70a, 70b und 70c jeweils in Bildgebungssystemen 20a, z.B. für MRT, 20b z.B. für CT und 20c z.B. für IMRT aber auch PET angeordnet, derart dass deren Position und Orientierung in den Koordinatensystemen 60a, 60b und 60c des jeweiligen Bildgebungssystems 20a, 20b und 20c kalibriert worden ist, wobei die Position und Orientierung des Objektmarkers 30 aus dem Koordinatensystem 60a des Bildgebungssystems 20a in die Koordinatensysteme 60b und/oder 60c der Bildgebungssysteme 20b und/oder 20c übertragen werden können.
Die Bildgebungsmodalität ist naturgemäß jeweils eine andere, z.B. MRT, CT, IMRT, PET, SPECT und dergleichen, wobei der Referenzmarker jeweils ein anderer ist, da dieser fest mit dem Bildgebungsgerät verbunden ist. Das Trackingsystem kann ebenfalls jeweils ein anderes oder auch dasselbe sein und mobil oder stationär innerhalb oder außerhalb des Bildgebungssystems angeordnet sein.
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Claims

Verfahren zur Kalibrierung von Trackingsystemen (10) in Bildgebungssystemen (20a, 20b, 20c), beispielsweise für MRT oder IMRT oder CT, zumindest aufweisend folgende Schritte: - Bereitstellung eines Trackingsystems (10) mit einem Koordinatensystem (50) und zumindest - eines Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c), - Bereitstellung von zumindest einem ersten Marker (70a, 70b, 70c), der als ein Referenzmarker ortsfest relativ zu dem Bildgebungssystem (20a, 20b, 20c) angeordnet wird und dessen Position und Orientierung in einem Koordinatensystem (60a, 60b, 60c) des Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c) kalibriert worden ist und wobei - eine einmalige Kalibrierung in Form einer Cross-Kalibrierung des Koordinatensystems (50) mit den Koordinaten (co, C, wobei co das Translationsquaternion und C das Rotationsquaternion ist) des Trackingsystems (10) erfolgt und die Position und Orientierung (ro, R) des ersten Markers (70) im Koordinatensystem (50) des Trackingsystems (10) gespeichert wird und die aktuelle Position und Orientierung (xo, X) des Referenzpunktes im Koordinatensystem (50) des Trackingsystems (10) für die Kalibrierung genutzt wird, um die aktuelle Cross-Kalibrierung (so, S) wie folgt zu errechnen: $S = X*RC$
- wobei X* das konjugierte Rotationsquaternion des Quaternion X ist und $s_{0} = c_{0} + {C*r}_{0} C - {S*x}_{0} S$
- wobei C* und S* die Konjugierten der Rotationsquaternionen C und S sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Marker (70a, 70b, 70c) derart mit dem Trackingsystem (10) zusammenwirkt, dass eine sich ändernde Position des Trackingsystems (10) während einer Bildgebung über das Trackingsystem (10) mittels des ersten Markers (70a, 70b, 70c) erfasst und das Trackingsystem rekalibriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zweiter Marker (30) an einem beweglichen Objekt (40) angeordnet wird, derart, dass die Position und Orientierung des zweiten Markers (30) in dem Koordinatensystem (50) des Trackingsystems (10) während der Bildgebung erfasst wird und in das Koordinatensystem (60a, 60b, 60c) des Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c) umgerechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere erste Marker (70a, 70b, 70c) jeweils in Bildgebungssystemen (20a, 20b oder 20c) angeordnet werden, derart dass deren Position und Orientierung in dem Koordinatensystem (60a, 60b, 60c) des jeweiligen Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c) kalibriert worden sind, wobei die Position und Orientierung des zweiten Markers (30) aus dem Koordinatensystem (60a) eines der Bildgebungssysteme (20a) in die Koordinatensysteme (60b, 60c) der anderen Bildgebungssysteme (20b, 20c) umgerechnet werden.
Vorrichtung (1) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zumindest umfassend: - ein Trackingsystem (10) mit einem Koordinatensystem (50), - zumindest ein Bildgebungssystem (20a, 20b, 20c) und - zumindest einen ersten Marker (70a, 70b, 70c), der als ein Referenzmarker ortsfest relativ zu dem Bildgebungssystem (20a, 20b, 20c) angeordnet ist und dessen Position und Orientierung in einem Koordinatensystem (60a, 60b, 60c) des Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c) kalibriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Marker (70a, 70b, 70c) derart mit dem Trackingsystem (10) zusammenwirkt, dass eine sich ändernde Position des Trackingsystems (10) während einer Bildgebung über das Trackingsystem (10) mittels des ersten Markers (70a, 70b, 70c) erfassbar und das Trackingsystem (10) rekalibrierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trackingsystem (10) innerhalb des Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trackingsystem (10) außerhalb des Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Marker (70a, 70b, 70c) innerhalb des Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Marker (70a, 70b, 70c) außerhalb des Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zweiter Marker (30) zur Anordnung an einem beweglichen Objekt (40) vorgesehen ist, derart, dass die Position und Orientierung des zweiten Markers (30) in dem Koordinatensystem (50) des Trackingsystems (10) während der Bildgebung erfassbar sind und in das Koordinatensystem (60a, 60b, 60c) des Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c) übertragbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere erste Marker (70a, 70b, 70c) jeweils in Bildgebungssystemen (20a, 20b oder 20c) angeordnet sind, derart dass deren Position und Orientierung in dem Koordinatensystem (60) des jeweiligen Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c) kalibriert sind, wobei die Position und Orientierung des zweiten Markers (30) aus dem Koordinatensystem (60a) eines der Bildgebungssysteme (20a) durch Messung der Position und Orientierung mittels des Trackingsystems in die Koordinatensysteme (60b, 60c) der anderen Bildgebungssysteme (20b, 20c) übertragbar sind.