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Die Erfindung betrifft eine Markeranordnung und ein Verfahren zur intraoperativen Bestimmung einer Position und Orientierung eines bildgebenden Systems.
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Bildgebende Systeme, die intraoperativ Bilder erzeugen können, sind weit verbreitet. So sind zum Beispiel fluoroskopische C-Bogen-Aufnahmen für die intraoperative Bildgebung, zum Beispiel in der Strahlentherapie, der orthopädischen Chirurgie oder der Endoskopie, weit verbreitet. Kennt man eine Position und Orientierung eines solchen C-Bogens, während einer Aufnahme (C-Bogen-Pose), so kann zum Beispiel ein präoperativ aufgenommenes Computertomogramm mit den intraoperativen Aufnahmen des C-Bogens in Deckung gebracht werden. In dieser Weise können dreidimensionale Informationen des Computertomogramms auch während einer Operation zur Verfügung gestellt werden. Dies kann zum Beispiel eine Orientierung eines Chirurgen als auch eine Navigation von zum Beispiel chirurgischen Instrumenten erheblich erleichtern.
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Nur einige, technisch sehr ausgereifte und dementsprechend teure, C-Bögen bieten derzeit die Möglichkeit, eine C-Bogen-Pose intraoperativ zu bestimmen. Hierzu werden Sensorinformationen von an dem C-Bogen angebrachten Sensoren ausgewertet.
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Eine weitere Möglichkeit, eine C-Bogen-Pose intraoperativ zu bestimmen, besteht darin, ein separates, externes Lageinformationssystem, zum Beispiel ein elektromagnetisches oder optisches Trackingsystem, zu verwenden. Hierdurch werden jedoch in nachteiliger Weise zusätzliche Kosten generiert. Auch bedeutet die Verwendung von externen Lageinformationssystemen einen erhöhten Arbeitsaufwand aufgrund von möglichen Umbauarbeiten in einem Operationssaal. Optische Trackingsysteme benötigen zudem eine Sichtlinienverbindung zwischen optischen Markern und einem Detektor, was unter intraoperativen Bedingungen oft problematisch sein kann. Elektromagnetische Trackingsysteme können in Gegenwart von metallischen Objekten, also zum Beispiel von Teilen des C-Bogens, an Genauigkeit verlieren.
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Auch die Verwendung von radiographischen Markern ist bekannt. Derartige Marker sind in C-Bogen-Aufnahmen gut erkennbar und lassen aufgrund ihrer Anordnung, Form und Größe auf eine C-Bogen-Pose zurückschließen. Die
„Jain, A.K., Fichtinger, G.: "C-Arm-Tracking and Reconstruction without an external tracker" in: MICCAI (1). pp. 494–502. LNCS 4190, Springer 2006" beschreibt eine Verwendung von zufällig verteilten Markern, die aus mindestens drei verschiedenen Richtungen aufgenommen werden müssen, um eine C-Bogen-Pose berechnen zu können. Die
„Ayad, M.S., et al.: „C-Arm pose estimation using a set of coplanar ellipses in correspondence. Proceedings IEEE Int. Symp. Biomed. Imaging 2010, pp. 1401–1404" erweitert eine solche Methode, um eine Verwendung von einer oder mehrerer projektionsinvarianten Ellipsen.
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Die offenbarten Verfahren sind für Anwendungsfälle in der Prostata-Brachytherapie entstanden. Die Marker oder Markeranordnungen werden hierbei nicht auf einem Operationstisch oder unter einem Operationstisch platziert, sondern auf einem so genannten Template, welches für eine Platzierung von Nadeln in der Brachytherapie verwendet wird und daher am Patienten selbst befestigt ist. Die Marker oder Markeranordnungen sind so aufgrund ihrer Form und Größe nicht in jedem Fall für eine Bestimmung der C-Bogen-Pose einsetzbar. Die
"Kainz, B. et al.: Fast marker based C-arm pose estimation. In: Proceedings of MICCAI (2). pp. 652–659, 2008" offenbart eine radiografische Markerplatte, bei welcher eine Anordnung von kugelförmigen Markern derart codiert ist, dass auch bei Aufnahme nur eines kleinen Ausschnitts eine C-Bogen-- Pose in Abhängigkeit der in ein Bild des C-Bogens abgebildeten Markern eine C-Bogen-Pose bestimmt werden kann. Diese Markerplatte wird unterhalb eines C-Bogen-Tisches bzw. eines Operationstisches angebracht. Das beschriebene Verfahren ist hierbei ebenfalls für Anwendungen in der Prostata-Brachytherapie angepasst, wobei die beschriebene Markerplatte eine Bestimmung einer C-Bogen-Pose nur in einem kleinen Winkelbereich und Positionsbereich des C-Bogens ermöglicht. Für eine Anwendung in der so genannten Bronchoskopie, bei der ein relativ großer räumlicher Bereich, z.B. ein Thorax eines auf einem Operationstisch liegenden Patienten, abgebildet werden muss, ist die beschriebene Markerplatte daher nicht geeignet.
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Es stellt sich daher das technische Problem, eine Markeranordnung und ein Verfahren zur intraoperativen Bestimmung einer Position und Orientierung eines beweglichen bildgebenden Systems zu schaffen, welche kostengünstig realisierbar sind und eine einfache und zuverlässige Bestimmung der Position und Orientierung des beweglichen bildgebenden Systems intraoperativ ermöglichen, wobei ein Positions- und Winkelbereich, in welchem eine Bestimmung der Position und Orientierung möglich ist, vergrößert wird.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich insbesondere durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorgeschlagen wird eine Markeranordnung zur intraoperativen Bestimmung einer Position und Orientierung eines beweglichen bildgebenden Systems. Das bewegliche bildgebende System kann hierbei z.B. Röntgenbilder erzeugen. Insbesondere kann das bildgebende System ein so genannter C-Bogen sein. Jedoch ist auch die Verwendung anderer bildgebender Systeme möglich, die es ermöglichen, gleichzeitig einen Teil eines Patienten, z.B. einen Thorax, und einen Teil der Markeranordnungen in einem Bild abzubilden.
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Die Markeranordnung kann hierbei beispielsweise eine Markerplatte sein. Die Markeranordnung, insbesondere eine als Markerplatte ausgebildete Markeranordnung, kann beispielsweise auf oder unter oder in einem Operationstisch angeordnet werden, wobei ein Patient während einer Operation auf dem Operationstisch liegt. In einem solchen Szenario kann das bildgebende System ein Bild erzeugen, welches gleichzeitig einen Teil des Patienten und zumindest einen Teilbereich der Markeranordnung in einem Bild abbildet.
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Die Markeranordnung weist zumindest in einem Teilbereich der Markeranordnung mindestens eine Mehrzahl von abbildbaren Punktstrukturen auf. Abbildbar bedeutet hierbei, dass die Punktstrukturen derart ausgebildet sind, dass diese durch das bildgebende System in ein Bild abbildbar sind. Beispielsweise kann ein Material der Punktstrukturen derart gewählt werden, dass die Punktstrukturen in ein Röntgenbild eines C-Bogens bei einer Röntgenaufnahme abgebildet werden. Z.B. können die Punktstrukturen aus Stahl bestehen.
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Die Punktstrukturen dienen hierbei als Marker, die im Bild als so genannte Landmarken dienen können. Jede Punktstruktur ist derart ausgebildet, dass der Punktstruktur zumindest eine eindeutige Strukturkoordinate in einem Koordinatensystem der Markeranordnung zuordenbar ist. Hierbei ist, z.B. durch eine geometrische Ausbildung der Punktstruktur, der Punktstruktur eine eindeutige Punktkoordinate zugeordnet, d.h. die. Struktur ermöglicht allein aufgrund ihrer Geometrie und/oder in Kombination mit einer vorgegebenen Bestimmungsvorschrift die eindeutige Bestimmung einer Punktkoordinate oder mehrerer Punktkoordinaten. Beispielsweise können, wie nachfolgend beschrieben, die Punktstrukturen kugelförmig ausgebildet sein, wobei die der Punktstruktur zugeordnete Strukturkoordinate durch den Mittelpunkt der kugelförmigen Punktstruktur definiert ist. Alternativ können zum Beispiel kreuzförmige Strukturen, elliptische Strukturen oder ovale Strukturen als Punktstrukturen verwendet werden.
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Die Punktstrukturen sind in dem Teilbereich derart angeordnet, dass diese Punktstrukturen eine Mehrzahl von kollinearen Punktemengen ausbilden. Eine kollineare Punktemenge besteht hierbei aus vier Punkten, die entlang einer Geraden angeordnet sind und entlang dieser Geraden voneinander beabstandet angeordnet sind. Hierbei kann eine kollineare Punktemenge vorzugsweise aus entlang einer Geraden angeordneten, benachbarten Punkten bestehen. Benachbart bedeutet hierbei, dass zwischen den Punktstrukturen eine kollinearen Punktemenge keine weiteren Punktstrukturen entlang der Geraden angeordnet sind.
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Für jede dieser kollinearen Punktemengen ist ein punktbasiertes Doppelverhältnis in Abhängigkeit der Strukturkoordinaten der Punktstrukturen der kollinearen Punktemenge bestimmbar. Ein punktbasiertes Doppelverhältnis bestimmt sich hierbei in Abhängigkeit von Abständen der Punkte der kollinearen Punktemenge. Diese Abstände können in Abhängigkeit der Strukturkoordinaten bestimmt werden. Für eine kollineare Punktemenge, die z.B. aus den Punkten A, B, C, D besteht, die entlang einer Geraden beabstandet voneinander angeordnet sind, bestimmt sich das punktbasierte Doppelverhältnis gemäß pDV = (dist (A, C)/dist (B, C))/(dist (A, D)/dist (B, D)) Formel 1, wobei pDV das punktbasierte Doppelverhältnis und dist (A, B) eine Distanz zwischen den Punkten A, B bezeichnet.
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Erfindungsgemäß sind die Punktstrukturen in dem Teilbereich derart angeordnet, dass eine kollineare Punktemenge eindeutig durch einen Merkmalsvektor charakterisierbar ist, wobei der Merkmalsvektor mindestens ein punktbasiertes Doppelverhältnis umfasst, welches in Abhängigkeit der Strukturkoordinaten der Punktstrukturen der kollinearen Punktemenge bestimmbar ist.
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Eindeutig bedeutet hierbei, dass jede kollineare Punktemenge durch einen Merkmalsvektor charakterisierbar ist, der sich von gleichartig aufgebauten Merkmalsvektoren aller weiteren kollinearen Punktemengen unterscheidet. In anderen Worten bedeutet dies, dass sich eine kollineare Punktemenge mindestens durch ihr punktbasiertes Doppelverhältnis von allen weiteren kollinearen Punktemengen der Markeranordnung unterscheidet.
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Beispielsweise können die punktbasierten Doppelverhältnisse aller kollinearen Punktemengen zumindest in dem Teilbereich verschieden sein. In diesem Fall ist eine kollineare Punktemenge eindeutig in Abhängigkeit ausschließlich des Doppelverhältnisses der kollinearen Punktemenge identifizierbar oder charakterisierbar.
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Es ist jedoch auch möglich, dass der Merkmalsvektor mindestens ein weiteres Doppelverhältnis umfasst. Z.B. ist vorstellbar, dass eine kollineare Punktemenge eindeutig durch eine Kombination aus zwei Doppelverhältnissen identifizierbar ist, wobei ein erstes Doppelverhältnis das Doppelverhältnis der kollinearen Punktemenge ist und ein weiteres Doppelverhältnis z.B. ein Doppelverhältnis einer benachbarten kollinearen Punktemenge ist. Sind beispielsweise fünf Strukturkoordinaten von Punktstrukturen (A, B, C, D, E) entlang einer Geraden benachbart angeordnet, so kann in Abhängigkeit dieser fünf Strukturkoordinaten ein erstes Doppelverhältnis in Abhängigkeit der Punkte A, B, C, D und ein weiteres Doppelverhältnis in Abhängigkeit der Punkte B, C, D, E bestimmt werden. Die Punktstrukturen können in diesem Beispiel derart in dem Teilbereich angeordnet sein, dass ein Merkmalsvektor des ersten und des weiteren Doppelverhältnisses, also eine Kombination dieser Doppelverhältnisse, sich von allen weiteren gleichartig aufgebauten Merkmalsvektoren unterscheidet, die für kollineare Punktemengen zumindest in dem Teilbereich bestimmbar sind.
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Der Merkmalsvektor erlaubt somit in vorteilhafter Weise eine eindeutige Identifizierung oder Charakterisierung einer kollinearen Punktemenge. Er umfasst als Merkmal mindestens das punktbasierte Doppelverhältnis der kollinearen Punktemenge. Umfasst er mindestens ein weiteres Merkmal, so können in vorteilhafter Weise kollineare Punktmengen in dem Teilbereich der Markeranordnung angeordnet sein, deren jeweilige punktbasierte Doppelverhältnisse gleich sind. In diesem Fall ergibt sich der Unterschied und somit die Möglichkeit zur Identifizierung durch das weitere Merkmal des Merkmalsvektors.
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So kann der Merkmalsvektor zusätzlich auch ein Verhältnis eines punktbasierten Doppelverhältnisses, welches in Abhängigkeit der Strukturkoordinaten der Punktstrukturen der kollinearen Punktemenge bestimmbar ist, zu mindestens einem weiteren Doppelverhältnis, beispielsweise mindestens einem weiteren punktbasierten Doppelverhältnis, umfassen. Das Verhältnis kann hierbei beispielsweise eine Differenz sein. So kann eine kollineare Punktemenge beispielsweise eindeutig durch einen Merkmalsvektor identifizierbar sein, der ein punktbasiertes Doppelverhältnis der kollinearen Punktemenge sowie eine Differenz zwischen dem punktbasierten Doppelverhältnis der kollinearen Punktemenge und z.B. einem punktbasierten Doppelverhältnis einer benachbarten kollinearen Punktemenge umfasst. Auch kann eine kollineare Punktemenge eindeutig durch einen Merkmalsvektor identifizierbar sein, der ein punktbasiertes Doppelverhältnis der kollinearen Punktemenge sowie die Differenzen zwischen dem punktbasierten Doppelverhältnis der kollinearen Punktemenge und den punktbasierten Doppelverhältnissen aller weiter vorhandenen kollinearen Punktemengen umfasst. Auch kann eine kollineare Punktemenge eindeutig durch einen Merkmalsvektor identifizierbar sein, der das Doppelverhältnis der kollinearen Punktemenge und eine Anzahl von Differenzen zwischen dem punktbasierten Doppelverhältnis der kollinearen Punktemenge und punktbasierten Doppelverhältnissen einer vorbestimmten Anzahl von z.B. benachbarten kollinearen Punktemengen umfasst.
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Zusammenfassend sind die Punktstrukturen derart in dem mindestens einen Teilbereich der Markeranordnung angeordnet, dass eine kollineare Punktemenge mindestens in Abhängigkeit eines punktbasierten Doppelverhältnisses der kollinearen Punktemenge identifizierbar ist.
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Eine wesentliche Eigenschaft von kollinearen Punktemengen ist, dass das von ihnen gebildete Doppelverhältnis projektionsinvariant ist. Somit entspricht das punktbasierte Doppelverhältnis der kollinearen Punktemenge einem punktbasierten Doppelverhältnis, welches in Abhängigkeit von Bildkoordinaten der durch ein bildgebendes System in ein Bild abgebildeten Punktstrukturen bestimmbar ist, unabhängig von einer Position und Orientierung des bildgebenden Systems.
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Sind Strukturkoordinaten von Punktstrukturen einer kollinearen Punktemenge in einem Koordinatensystem der Markeranordnung vorbekannt und sind abgebildete Punktstrukturen und deren Bildkoordinaten aufgrund des Merkmalsvektors eindeutig identifizierbar bzw. eindeutig charakterisierbar, so kann durch eine Auswertung eines Bildes des bildgebenden Systems, in welches zumindest ein Teil der Markeranordnung abgebildet ist, eine eindeutige Zuordnung von Bildkoordinaten zu Strukturkoordinaten erfolgen. Dies erlaubt in vorteilhafter Weise die Bestimmung einer Position und Orientierung des beweglichen bildgebenden Systems. Denn durch eine Zuordnung von Bildkoordinaten zu vorbekannten Strukturkoordinaten lassen sich in vorteilhafter Weise Parameter einer Projektion der Strukturkoordinaten auf die Bildkoordinaten und somit eine Position und Orientierung des bildgebenden Systems bestimmen.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die kollinearen Punktemengen derart angeordnet, dass Geraden, die durch die Strukturkoordinaten der Punktstrukturen der kollinearen Punktemenge definiert sind, eine Mehrzahl von Linienmengen ausbilden. Eine Linienmenge umfasst hierbei vier voneinander verschiedene Geraden. Hierbei kann eine Linienmenge vier benachbarte Geraden umfassen. Benachbart bedeutet hierbei, dass zwischen einer Geraden und einer weiteren Geraden, die sich unter einem Winkel schneiden, keine weitere Gerade liegt.
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Eine Linienmenge kann hierbei ausschließlich vier benachbarte Geraden umfassen. Vorzugsweise schneiden sich die vier Geraden in einem gemeinsamen Schnittpunkt. Für jede Linienmenge ist ein winkelbasiertes Doppelverhältnis in Abhängigkeit von Schnittwinkeln der Geraden, die die Linienmengen bilden, bestimmbar. Wird z.B. angenommen, dass eine Linienmenge die benachbarten Geraden a, b, c, d umfasst, so ist das winkelbasierte Doppelverhältnis gemäß wDV = (sin (angle(ac))/sin (angle(bc))/(sin (angle(ad))/sin (angle(bd))) Formel 2, wobei wDV ein winkelbasiertes Doppelverhältnis und angle(ac) einen Schnittwinkel der Geraden a und c bezeichnet. Wie ein punktbasiertes Doppelverhältnis ist auch ein winkelbasiertes Doppelverhältnis projektionsinvariant.
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Die Punktstrukturen in dem Teilbereich sind derart angeordnet, dass eine kollineare Punktemenge eindeutig durch einen Merkmalsvektor charakterisierbar ist, wobei der Merkmalsvektor zusätzlich zu dem mindestens einen punktbasierten Doppelverhältnis, welches in Abhängigkeit der Strukturkoordinaten der Punktstrukturen der kollinearen Punktemenge bestimmbar ist, mindestens ein winkelbasiertes Doppelverhältnis umfasst, welches in Abhängigkeit einer Linienmenge bestimmbar ist, die eine Gerade umfasst, die durch die Strukturkoordinaten der Punktstrukturen der kollinearen Punktemenge definiert wird.
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Somit unterscheidet sich eine kollineare Punktemenge durch eine Kombination aus ihrem punktbasierten Doppelverhältnis und dem vorhergehend erläuterten winkelbasierten Doppelverhältnis von allen weiteren kollinearen Punktemengen zumindest des Teilbereichs.
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Vorzugsweise sind Punktstrukturen in dem Teilbereich der Markeranordnung derart angeordnet, dass eine kollineare Punktemenge eindeutig durch ein punktbasiertes Doppelverhältnis der kollinearen Punktemenge und ein winkelbasiertes Doppelverhältnis, welches in Abhängigkeit einer Linienmenge bestimmbar ist, die eine Gerade umfasst, die durch die Strukturkoordinaten der Punktstrukturen der kollinearen Punktemenge definiert wird, identifizierbar ist. Die Kombination aus dem punktbasierten Doppelverhältnis der kollinearen Punktemenge und dem vorhergehend erläuterten winkelbasierten Doppelverhältnis der kollinearen Punktemenge ist hierbei von den Kombinationen eines derartigen punktbasierten Doppelverhältnisses und winkelbasierten Doppelverhältnisses aller weiteren kollinearen Punktemengen verschieden.
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Hierbei können die Strukturkoordinaten von Punktstrukturen der kollinearen Punktemenge eine erste Gerade der Linienmenge definieren, wobei die erste Gerade diejenige Gerade ist, die alle weiteren Geraden der Linienmenge unter einem mathematisch positiven Winkel schneidet. Hierbei ist der Schnittwinkel zwischen zwei Geraden immer der kleinere der beiden Winkel, den die sich schneidenden Geraden miteinander bilden.
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Selbstverständlich ist auch vorstellbar, dass die Strukturkoordinaten von Punktstrukturen der kollinearen Punktemenge eine zweite oder eine dritte oder vierte Gerade der Linienmenge definiert.
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Die Kombination aus einem punktbasierten Doppelverhältnis und einem winkelbasierten Doppelverhältnis ermöglicht in vorteilhafter Weise eine besonders robuste Detektion einer abgebildeten kollinearen Bildpunktemenge und deren Zuordnung zu einer korrespondierenden kollinearen Punktemenge der Markeranordnung. Insbesondere ist es bei einer solchen Anordnung von Punktstrukturen der Markeranordnung nicht notwendig, dass Schnittpunkte der durch die Strukturkoordinaten von Punktstrukturen der kollinearen Punktemengen definierten Geraden in das Bild des bildgebenden Systems abgebildet werden. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine Bestimmung einer Position und Orientierung des bildgebenden Systems auch dann erfolgen, wenn nur ein Ausschnitt der Markeranordnung oder des Teilbereichs der Markeranordnung in das Bild abgebildet wird.
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Vorzugsweise sind alle winkelbasierten Doppelverhältnisse, die in dem zumindest einen Teilbereich der Markeranordnung bestimmbar sind, voneinander verschieden.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Geraden, die durch die Strukturkoordinaten der Punktstrukturen der kollinearen Punktemengen definiert sind, als Radiallinien ausgebildet, wobei die Radiallinien einen gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen. Hierbei weisen also alle Geraden einen gemeinsamen Schnittpunkt, nämlich den gemeinsamen Mittelpunkt, auf. Hierbei sind also Punktstrukturen von kollinearen Punktemengen entlang einer Radiallinie beabstandet voneinander angeordnet. Hierbei kann entlang einer Radiallinie eine Mehrzahl von voneinander verschiedenen kollinearen Punktemengen angeordnet sein. Sind beispielsweise entlang einer Radiallinie fünf Punktstrukturen angeordnet, so sind entlang dieser Radiallinie zwei kollineare Punktemengen angeordnet. Jedoch können voneinander verschiedene kollineare Punktemengen auch entlang voneinander verschiedenen Radiallinien angeordnet sein.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein besonders einfacher, strahlenförmiger Aufbau der erfindungsgemäßen Markeranordnung, der eine eindeutige Charakterisierung und Identifizierung einer kollinearen Punktemenge durch ein einziges punktbasiertes Doppelverhältnis und ein einziges winkelbasiertes Doppelverhältnis erlaubt.
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So kann eine kollineare Punktemenge, die entlang einer Radiallinie angeordnet ist, ein punktbasiertes Doppelverhältnis aufweisen, welches von den punktbasierten Doppelverhältnissen aller weiteren kollinearen Punktemengen, die entlang derselben Radiallinie angeordnet sind, verschieden ist. Vorzugsweise sind alle punktbasierten Doppelverhältnisse der entlang einer Radiallinie angeordneten kollinearen Punktemengen voneinander verschieden. Hierdurch kann entlang einer Radiallinie eine kollineare Punktemenge eindeutig durch ihr Doppelverhältnis charakterisiert und z.B. in einem Bild identifiziert werden. Die Radiallinie, auf der die kollineare Punktemenge angeordnet ist, lässt sich in einer solchen Anordnung in vorteilhafter Weise durch ein winkelbasiertes Doppelverhältnis bestimmen, welches in Abhängigkeit dieser Radiallinie bestimmt wird. Hierbei kann die Radiallinie beispielsweise die erste Gerade der Linienmenge, in Abhängigkeit derer das winkelbasierte Doppelverhältnis bestimmt wird, sein.
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Der gemeinsame Mittelpunkt aller Radiallinien erlaubt in vorteilhafter Weise eine vereinfachte Bestimmung von Radiallinien in einem Bild, in welches die erfindungsgemäße Markeranordnung durch das bildgebende System abgebildet wurde. Hierbei müssen die auf Grundlage von abgebildeten kollinearen Bildpunktmengen definierten Geraden sich in einem gemeinsamen Punkt, der zu dem gemeinsamen Mittelpunkt der Markeranordnung korrespondiert, schneiden. Diese Bedingung erlaubt in vorteilhafter Weise eine z.B. gegenüber Bildrauschen unempfindlichere Bestimmung von Radiallinien in einem Bild und ermöglicht somit eine zuverlässigere Bestimmung einer Position und Orientierung des bildgebenden Systems.
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Hierbei können Winkel zwischen benachbarten Radiallinien, die in dem zumindest einen Teilbereich der Markeranordnung verlaufen, alle voneinander verschieden sein.
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In einer weiteren Ausführungsform sind Strukturkoordinaten der Punktstrukturen der kollinearen Punktemenge entlang einer Radiallinie derart angeordnet, dass die Strukturkoordinaten jeweils in einem Schnittpunkt der Radiallinie und einer konzentrischen Kreislinie liegen. Da eine kollineare Punktemenge aus vier Punktstrukturen besteht, sind die Strukturkoordinaten entlang der Radiallinie derart angeordnet, dass vier Schnittpunkte der Radiallinie mit vier konzentrischen Kreislinien existieren, wobei ein Radius der Kreislinien von dem gemeinsamen Mittelpunkt der Radiallinien ausgehend entlang der Radiallinie nach außen hin zunimmt.
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Ein Mittelpunkt der konzentrischen Kreislinien ist der gemeinsame Mittelpunkt. Weiter liegt entlang einer Kreislinie in mindestens einem weiteren Schnittpunkt der Kreislinie mit einer weiteren Radiallinie eine Strukturkoordinate einer weiteren Punktstruktur. Die weitere Punktstruktur ist hierbei einer weiteren kollinearen Punktemenge zugeordnet, wobei die Strukturkoordinaten der Punktstrukturen der weiteren kollinearen Punktemenge die weitere Radiallinie definieren. Hierbei können die Radien der konzentrischen Kreislinien derart gewählt werden, dass die Doppelverhältnisse aller entlang einer Radiallinie angeordneten kollinearen Punktemengen voneinander verschieden sind.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein besonders einfacher Aufbau einer Markeranordnung. Insbesondere kann bei einer derartigen Anordnung von Punktstrukturen eine kollineare Punktemenge entlang einer Radiallinie durch ihr Doppelverhältnis eindeutig identifiziert werden. Zwar ist es möglich, dass auf unterschiedlichen Radiallinien voneinander verschiedene kollineare Punktemengen angeordnet sind, deren Doppelverhältnisse gleich sind, jedoch können diese Radiallinien, insbesondere falls alle winkelbasierten Doppelverhältnisse, die in Abhängigkeit der Radiallinien bestimmbar sind, verschieden sind, eindeutig voneinander unterschieden und identifiziert werden.
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Hierbei ist zu beachten, dass nicht in jedem Schnittpunkt einer Radiallinie mit einer konzentrischen Kreislinie eine Punktstruktur angeordnet sein muss, deren Strukturkoordinate in dem Schnittpunkt liegt. Insbesondere können entlang einer Radiallinie Schnittpunkte ausgelassen werden. Auslassen bedeutet, dass an diesem Schnittpunkt keine Punktstruktur angeordnet ist, deren Strukturkoordinate in dem Schnittpunkt liegt.
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So kann ein erster Abstandsvektor, der die Abstände aller entlang einer ersten Radiallinie angeordneten Strukturkoordinaten vom gemeinsamen Mittelpunkt beschreibt, von einem weiteren Abstandsvektor einer weiteren Radiallinie, der ebenfalls die Abstände aller entlang der weiteren Radiallinie angeordneten Strukturkoordinaten vom gemeinsamen Mittelpunkt beschreibt, verschieden sein.
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Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine verbesserte Detektion von Radiallinien und darauf angeordneten kollinearen Punktemengen in einem Bild, welches durch das bildgebende System erzeugt wurde. Hierdurch kann eine Zuverlässigkeit einer Bestimmung der Position und Orientierung des bildgebenden Systems weiter verbessert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist entlang einer Geraden, die durch die Strukturkoordinaten der Punktstrukturen der kollinearen Punktemenge definiert ist, zusätzlich mindestens eine Längsstruktur angeordnet, deren Längsachse gleich der Geraden ist oder zu der Geraden korrespondiert (z.B. ein Teilstück der Geraden bildet).
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Die Längsstruktur ist hierbei genau wie die Punktstrukturen abbildbar. Die mindestens eine Längsstruktur kann hierbei zwischen Punktstrukturen einer kollinearen Punktemenge angeordnet sein. Selbstverständlich ist auch vorstellbar, dass die Längsstruktur entlang der Geraden vor oder hinter den Punktstrukturen der kollinearen Punktemenge angeordnet ist.
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Die Anordnung von Längsstrukturen ermöglicht in vorteilhafter Weise eine vereinfachte Detektion von Geraden in einem Bild, welches durch das bildgebende System erzeugt wurde. Hierdurch kann eine Zuverlässigkeit einer Bestimmung der Position und Orientierung des bildgebenden Systems weiter verbessert werden. Hierbei unterliegen die durch abgebildete kollineare Bildpunktmengen definierten Geraden im Bild der weiteren Bedingung, dass sie einer zentralen Längsachse von abgebildeten Längsstrukturen entsprechen müssen.
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Eine zuverlässigere Detektion von Geraden, insbesondere Radiallinien, ermöglicht weiter in vorteilhafter Weise eine verbesserte Detektion von abgebildeten Punktstrukturen, wenn diese in der erfindungsgemäßen Markeranordnung entlang der Radiallinie angeordnet sind. In einem Bildverarbeitungsschritt kann, wenn eine Radiallinie z.B. auf Grundlage von abgebildeten Längsstrukturen zuverlässig detektiert wurde, entlang dieser Radiallinie nach detektierbaren Punktstrukturen gesucht werden. Hierdurch kann ein Detektionsverfahren beschleunigt werden.
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Auch ist vorstellbar, dass Radiallinien ausschließlich durch eine Bestimmung von zentralen Längsachsen von detektierten abgebildeten Längsstrukturen bestimmt werden. In einem weiteren Schritt kann dann entlang dieser Radiallinie nach abgebildeten Punktstrukturen gesucht werden. Hierdurch wird ein Suchraum eingeschränkt und eine Detektion von abgebildeten Punktstrukturen vereinfacht und beschleunigt.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Punktstrukturen kugelförmig ausgebildet. Alternativ oder kumulativ sind die Längsstrukturen zylinder- oder quaderförmig ausgebildet. Es können auch andere Längsstrukturen verwendet werden, z. B. zumindest sich an den Enden in der Längsrichtung verjüngende Strukturen. Punktstrukturen oder kugelförmig ausgebildete Punktstrukturen ermöglichen in vorteilhafter Weise eine eindeutige Bestimmung einer der Punktstruktur zugeordneten Strukturkoordinate, die einem Mittelpunkt der kugelförmig ausgebildeten Punktstruktur entspricht. Weiter wird in vorteilhafter Weise eine kugelförmig ausgebildete Punktstruktur in einem zweidimensionalen Bild als Kreis abgebildet, wobei Bildkoordinaten des Mittelpunkts des abgebildeten Kreises zu den bekannten Strukturkoordinaten des Mittelpunkts der kugelförmig ausgebildeten Punktstruktur korrespondieren können.
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In ähnlicher Weise ermöglicht eine zylinder- oder quaderförmig ausgebildete Längsstruktur eine einfache und zuverlässige Bestimmung einer zentralen Längsachse in einer Abbildung der Längsstruktur in ein Bild des bildgebenden Systems.
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Weiter kann die Markeranordnung, insbesondere eine als Markerplatte ausgebildete Markeranordnung, aus Acrylglas bestehen, wobei Punktstrukturen und gegebenenfalls Längsstrukturen in das Acrylglas eingebettet oder auf das Acrylglas aufgebracht sind. Die Punktstrukturen und gegebenenfalls Längsstrukturen können hierbei beispielsweise aus Stahl bestehen. Handelt es sich bei dem bildgebenden System um ein Röntgensystem, beispielsweise ein C-Bogen, so können die Punktstrukturen und gegebenenfalls Längsstrukturen vorzugsweise zu einem Material bestehen, welches in Bezug auf die verwendete Strahlung einen vorbestimmten (hohen) Absorptionskoeffizienten aufweist und somit gut in einem Röntgenbild sichtbar ist.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Teilbereich einen Halbkreis oder einen Vierteilkreis, wobei ein Mittelpunkt des Halb- oder Viertelkreis der gemeinsame Mittelpunkt ist. Ein Radius des Halb- oder Viertelkreis ist hierbei derart gewählt, dass alle zwischen den beiden Kreisradien, die den Halb- oder Viertelkreis begrenzen, angeordnete Punkt- und/oder Längsstrukturen, innerhalb des Halb- oder Viertelkreises angeordnet sind.
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Die Markeranordnung kann hierbei weitere Teilbereiche aufweisen, insbesondere Teilbereiche, die einen weiteren Halbkreis oder einen weiteren Viertelkreis umfassen, wobei eine Anordnung von Punktstrukturen und gegebenenfalls Längsstrukturen in den Teilbereichen gleich sind. Hierbei ist also nur in einem Teilbereich eine eindeutige Identifizierbarkeit einer kollinearen Punktemenge möglich bzw. ist eine kollineare Punktemenge durch den vorhergehend beschriebenen Merkmalsvektor nur in Bezug auf einen Teilbereich eindeutig charakterisierbar.
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Wird ein Bild von dem bildgebenden System erzeugt, in welches zumindest ein Teil der Markeranordnung abgebildet wird, so kann der Teilbereich, in welchem die abgebildeten Punktstrukturen liegen, beispielsweise durch weitere vorbekannte Informationen bestimmt werden.
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Weiter vorgeschlagen wird ein Tisch, insbesondere ein Operationstisch, auf dem oder in dem oder unter dem eine der vorhergehend beschriebenen Markeranordnungen angebracht ist. Diese kann beispielsweise unter dem Operationstisch befestigt sein.
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Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Position und Orientierung eines beweglichen bildgebenden Systems. Hierbei erzeugt das bewegliche bildgebende System in einem ersten Schritt ein Bild, in welches zumindest ein Teilbereich einer der vorhergehend beschriebenen Markeranordnungen abgebildet wird. Der abgebildete Teilbereich der Markeranordnung muss hierbei nicht dem Teilbereich der erfindungsgemäßen Markeranordnung entsprechen, der die Mehrzahl von abbildbaren Punktstrukturen aufweist. So ist auch vorstellbar, dass nur ein Teil dieses Teilbereichs der Markeranordnung in das Bild abgebildet wird.
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In einem zweiten Schritt werden abgebildete Punktstrukturen detektiert und deren Bildkoordinaten bestimmt. Hierfür können bekannte Detektionsverfahren der Bildverarbeitung, z.B. Segmentationsverfahren, verwendet werden. Weiter werden in einem dritten Schritt abgebildete kollineare Bildpunktemengen detektiert. Dies kann beispielsweise unter Berücksichtigung der Tatsache erfolgen, dass auch in einer abgebildeten kollinearen Bildpunktemenge alle Bildpunkte entlang einer Geraden angeordnet sind. Selbstverständlich ist es zur Erhöhung einer Zuverlässigkeit des Verfahrens möglich, dass Bildpunkte einer abgebildeten kollinearen Bildpunktemenge nicht mehr als ein vorbestimmtes Maß, z.B. ein vorbestimmtes Pixelmaß, von einer gemeinsamen Geraden beabstandet sind. Hierdurch können z.B. durch Bildrauschen bedingte Ungenauigkeiten kompensiert werden.
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In einem vierten Schritt wird für jede kollineare Bildpunktemenge ein (bildbasierter) Merkmalsvektor bestimmt, wobei der (bildbasierte) Merkmalsvektor mindestens ein punktbasiertes Doppelverhältnis umfasst, welches in Abhängigkeit der Bildkoordinaten der abgebildeten Punktstrukturen der kollinearen Bildpunktemenge bestimmt wird. Zur Bestimmung des (bildbasierten) Merkmalsvektors wird im erfindungsgemäßen Verfahren also ein punktbasiertes Doppelverhältnis der entsprechenden kollinearen Bildpunktemenge bestimmt. Dieses ist, wie vorhergehend erläutert, projektionsinvariant. Sind z.B. alle Doppelverhältnisse aller kollinearen Punktemengen, die die Markeranordnung umfasst, voneinander verschieden, so erlaubt das in Abhängigkeit von Bildkoordinaten der abgebildeten Punktstrukturen einer kollinearen Bildpunktemenge bestimmte Doppelverhältnis eine eindeutige Zuordnung von Bildkoordinaten zu Strukturkoordinaten. Somit kann eine durch ihr punktbasiertes Doppelverhältnis eindeutig charakterisierte kollineare Punktemenge der Markeranordnung eindeutig im Bild identifiziert werden.
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In einem fünften Schritt erfolgt dann in Abhängigkeit des mindestens einen Merkmalsvektors eine Zuordnung der kollinearen Bildpunktemenge zu einer korrespondierenden kollinearen Punktemenge der Markeranordnung. Da der Merkmalsvektor, der für eine kollineare Punktemenge der Markeranordnung bestimmbar ist, zumindest in dem Teilbereich der Markeranordnung eine kollinearen Punktemenge eindeutig charakterisiert, kann ein bildbasierter Merkmalsvektor, der in analoger Weise für eine kollineare Bildpunktemenge bestimmt wird, eine eindeutige Identifizierung und Zuordnung der kollinearen Bildpunktemenge zu einer korrespondierenden kollinearen Punktemenge der Markeranordnung erlauben. Besteht der Merkmalsvektor ausschließlich aus projektionsinvarianten Doppelverhältnissen, so entspricht in vorteilhafter Weise der bildbasiert bestimmte Merkmalsvektor für eine kollineare Bildpunktemenge dem Merkmalsvektor einer korrespondierenden kollinearen Punktemenge der Markeranordnung.
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In einem nächsten Schritt wird in Abhängigkeit von korrespondierenden Bildpunktkoordinaten und Strukturkoordinaten eine Position und Orientierung des bildgebenden Systems bestimmt. Dies kann mittels bekannter Verfahren der Bildverarbeitung, insbesondere Registrierungsverfahren, erfolgen. Alternativ oder zusätzlich zu der Bildverarbeitung können bekannte Verfahren der Computer Vision (d.h., insbesondere die Umsetzung von menschlichen Sehleistungen auf Computern) angewendet werden, um die Position und Orientierung zu bestimmen. Insbesondere kann auf diese Weise eine entsprechende Registrierung der Koordinatensysteme durchgeführt werden, zum Beispiel mittels einer so genannten dreidimensionalen Posenschätzung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise eine einfache und zuverlässige Bestimmung einer Position und Orientierung eines bildgebenden Systems auf Grundlage von Bildinformationen. Weiter vorteilhaft ist, dass keine kostenintensive Erweiterung des bildgebenden Systems, sondern nur eine günstige und einfach herzustellende Markeranordnung notwendig ist, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Auch erlaubt das vorgeschlagene Verfahren in vorteilhafter Weise die Bestimmung der Position und Orientierung des bildgebenden Systems für einen großen Positions- und Winkelbereich des Systems.
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In einer weiteren Ausführungsform erzeugt ein bewegliches bildgebendes System ein Bild, in welches zumindest ein Teilbereich einer Markeranordnung abgebildet wird. Hierbei sind kollineare Punktemengen derart angeordnet, dass Geraden, die durch die Strukturkoordinaten der Punktstrukturen der kollinearen Punktemengen definiert sind, eine Mehrzahl von Linienmengen ausbilden, wobei für jede Linienmenge ein winkelbasiertes Doppelverhältnis in Abhängigkeit von Schnittwinkeln der Geraden, die die Linienmengen bilden, bestimmbar ist. Eine derartige Ausbildung der erfindungsgemäßen Markeranordnung ist vorhergehend beschrieben.
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Weiter werden zusätzlich zur Detektion von abgebildeten Punktstrukturen Geraden detektiert, die durch die Bildkoordinaten der abgebildeten Punktstrukturen von abgebildeten kollinearen Bildpunktemengen definiert sind. Hierbei können bekannte Verfahren der Bildverarbeitung verwendet werden, um Geraden zu detektieren, die durch mindestens vier Punkte definiert sind.
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Weiter werden Linienmengen detektiert oder bestimmt, die jeweils vier der vorhergehend detektierten Geraden umfassen.
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Weiter wird für jede kollineare Bildpunktemenge ein (bildbasierter) Merkmalsvektor bestimmt, wobei der (bildbasierte) Merkmalsvektor zusätzlich zu dem vorhergehend erläuterten punktbasierten Doppelverhältnis mindestens ein winkelbasiertes Doppelverhältnis umfasst, welches in Abhängigkeit einer Linienmenge bestimmt wird, die eine Gerade umfasst, die durch die Bildkoordinaten der abgebildeten Punktstrukturen der abgebildeten kollinearen Punktemenge definiert ist. Hierbei kann die Gerade, wie vorhergehend bezüglich der Markeranordnung erläutert, eine erste Gerade der Linienmenge sein.
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Da auch ein winkelbasiertes Doppelverhältnis projektionsinvariant ist, kann durch das beschriebene Verfahren in vorteilhafter Weise eine besonders einfache, schnelle und zuverlässige Identifizierung und Zuordnung der kollinearen Bildpunktemenge, die durch mindestens das punktbasierte Doppelverhältnis und das winkelbasierte Doppelverhältnis charakterisiert ist, zu einer korrespondierenden kollinearen Punktemenge der Markeranordnung erfolgen, wodurch wiederum eine verbesserte, schnellere und zuverlässigere Bestimmung der Position und Orientierung des bildgebenden Systems ermöglicht wird.
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In einer weiteren Ausführungsform wird zusätzlich mindestens eine weitere abgebildete Struktur detektiert, wobei eine Position und Orientierung des bildgebenden Systems zusätzlich in Abhängigkeit mindestens einer Eigenschaft (Bildeigenschaft) der mindestens einen weiteren Struktur bestimmt wird. Beispielsweise kann die mindestens eine weitere abgebildete Struktur eine abgebildete Längsstruktur sein, die zu einer Längsstruktur der Markeranordnung korrespondiert. Die mindestens eine Eigenschaft kann in diesem Fall ein Verlauf einer zentralen Längsachse der Längsstruktur sein. Ist diese in der Markeranordnung z.B. entlang einer Radiallinie angeordnet, entspricht also die zentrale Längsachse der Längsstruktur einer Radiallinie, so kann hierdurch in vorteilhafter Weise eine Detektion von Geraden, insbesondere Radiallinien, vereinfacht werden.
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Weiter können selbstverständlich weitere Auswertungen des Bildes erfolgen, beispielsweise bezüglich einer Verteilung und Anordnung von abgebildeten Punktstrukturen. Derartige Bildinformationen können genutzt werden, um eine Detektion von Geraden, die durch die Bildkoordinaten der abgebildeten Punktstrukturen von abgebildeten kollinearen Bildpunktemengen definiert sind, und/oder Detektion von abgebildeten Punktstrukturen unterstützen und vereinfachen.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
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1 eine Draufsicht auf eine Markerplatte,
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2 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt der in 1 dargestellten Markerplatte und
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3 eine perspektivische Ansicht eines Operationstisches mit einer Markerplatte.
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Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Eigenschaften.
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In 1 ist eine Draufsicht auf eine als Markerplatte 1 ausgebildete Markeranordnung dargestellt. Die Markerplatte 1 hat eine Größe von 100 cm × 51 cm. Die Markerplatte 1 weist eine Mehrzahl von abbildbaren Punktstrukturen 2, A, B, C, D auf (siehe auch 2). Der Einfachheit halber ist in 1 exemplarisch nur eine Punktstruktur 2 mit einem Bezugszeichen versehen. Weiter weist die Markerplatte 1 abbildbare Längsstrukturen 3, 3a, 3b auf (siehe auch 2). Ebenfalls sind der Einfachheit halber nur einige Längsstrukturen 3 in 1 exemplarisch mit einem Bezugszeichen versehen. Jeder Punktstruktur 2, A, B, C, D ist hierbei eine eindeutige Strukturkoordinate, nämlich ein Mittelpunkt der Punktstruktur 2, A, B, C, D, in einem nicht dargestellten, jedoch bekannten Koordinatensystem der Markerplatte 1 zuordenbar. Die Strukturkoordinaten von Punktstrukturen 2, A, B, C, D sind entlang von Radiallinien 4, 4a, 4b, 4c, 4d angeordnet (siehe auch 2). Ebenfalls sind die Längsstrukturen 3, 3a, 3b derart angeordnet, dass ihre zentrale Längsachse einer solchen Radiallinie 4, 4a, 4b, 4c, 4d entspricht. Alle Radiallinien 4, 4a, 4b, 4c, 4d, schneiden sich in einem gemeinsamen Mittelpunkt 5.
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Weiter sind die Strukturkoordinaten der Punktstrukturen 2, A, B, C, D entlang einer Radiallinie 4, 4a, 4b, 4c, 4d derart angeordnet, dass die Strukturkoordinaten jeweils in einem Schnittpunkt der Radiallinie 4, 4a, 4b, 4c, 4d mit einer (nicht dargestellten) konzentrischen Kreislinie liegen, wobei ein Mittelpunkt der konzentrischen Kreislinie der gemeinsame Mittelpunkt 5 ist. Entlang der Kreislinie liegt in mindestens einem weiteren Schnittpunkt der Kreislinie mit eine weiteren Radiallinie 4, 4a, 4b, 4c, 4d eine Strukturkoordinate einer weiteren Punktstruktur 2, A, B, C, D. Dies ergibt einen strahlenförmigen Aufbau der Markerplatte 1 bezüglich der darauf oder darin angeordneten Punktstrukturen 2, A, B, C, D und Längsstrukturen 3, 3a, 3b.
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Die Punktstrukturen 2, A, B, C, D sind derart auf oder in der Markerplatte 1 angeordnet, dass diese Punktstrukturen 2, A, B, C, D eine Mehrzahl von kollinearen Punktemengen 6 ausbilden. Exemplarisch ist in 2 nur eine einzige kollineare Punktemenge 6 dargestellt, die vier Punktstrukturen A, B, C, D umfasst. Die Punktstrukturen A, B, C, D einer kollinearen Punktemenge 6 sind hierbei entlang einer Geraden angeordnet. Diese Gerade entspricht einer Radiallinie 4a. Für jede kollineare Punktemenge 6 ist ein punktbasiertes Doppelverhältnis in Abhängigkeit der Strukturkoordinaten der Punktstrukturen A, B, C, D der jeweiligen kollinearen Punktemenge 6 bestimmbar.
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Die Markerplatte 1 ist derart ausgebildet, dass die Punktstrukturen 2, A, B, C, D derart auf oder in der Markerplatte angeordnet sind, dass eine kollineare Punktemenge 6 eindeutig durch einen Merkmalsvektor charakterisierbar ist. Hierbei umfasst der Merkmalsvektor mindestens das punktbasiertes Doppelverhältnis, welches in Abhängigkeit der Strukturkoordinaten der Punktstrukturen A, B, C, D der kollinearen Punktemenge 6 bestimmbar ist.
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Weiter sind die kollinearen Punktemengen 6 derart angeordnet, dass die Radiallinien 4, 4a, 4b, 4c, 4d, die durch die Strukturkoordinaten der Punktstrukturen 2, A, B, C, D der kollinearen Punktemengen 6 definiert sind, eine Mehrzahl von Linienmengen 7 (siehe 2) ausbilden. In 2 ist exemplarisch nur eine Linienmenge 7 dargestellt, welche die Geraden 4a, 4b, 4c, 4d umfasst. Für jede Linienmenge 7 ist ein winkelbasiertes Doppelverhältnis in Abhängigkeit von Schnittwinkeln von Radiallinien 4a, 4b, 4c, 4d, die die Linienmenge 7 bilden, bestimmbar.
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Auf oder in der Markerplatte 1 sind die Punktstrukturen 2 derart angeordnet, dass eine kollineare Punktemenge 6 eindeutig durch einen Merkmalsvektor charakterisierbar ist, wobei der Merkmalsvektor ein punktbasiertes Doppelverhältnis umfasst, welches in Abhängigkeit der Strukturkoordinaten der Punktstrukturen A, B, C, D der kollinearen Punktemenge 6 bestimmbar ist, und ein winkelbasiertes Doppelverhältnis umfasst, welches in Abhängigkeit einer Linienmenge 7 bestimmbar ist, die eine Radiallinie 4a umfasst, die durch die Strukturkoordinaten der Punktstrukturen A, B, C, D der kollinearen Punktemenge definiert wird. Hierbei ist die Radiallinie 4a die erste Gerade der Linienmenge 7.
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In 1 und 2 ist dargestellt, dass Strukturkoordinaten von Punktstrukturen 2, A, B, C, D entlang von Radiallinien 4, 4a, 4b, 4c, 4d angeordnet sind. Diese Punktstrukturen 2, A, B, C, D sind derart angeordnet, dass für jede Radiallinie 4, 4a, 4b, 4c, 4d mehrere kollineare Punktemengen 6 entlang der jeweiligen Radiallinie 4 angeordnet sind. Hierbei sind die Punktstrukturen derart entlang der Radiallinie 4, 4a, 4b, 4c, 4d angeordnet, dass die punktbasierten Doppelverhältnisse aller entlang der Radiallinie 4, 4a, 4b, 4c, 4d angeordneten kollinearen Punktemengen 6 voneinander verschieden sind. Wird nur eine erste Radiallinie 4, 4a, 4b, 4c, 4d betrachtet, so kann eine kollineare Punktemenge 6, welche entlang dieser Radiallinie 4, 4a, 4b, 4c, 4d angeordnet ist, eindeutig durch ihr Doppelverhältnis charakterisiert werden. Jedoch ist zu beachten, dass Doppelverhältnisse von kollinearen Punktemengen 6, die entlang z.B. einer benachbarten Radiallinie 4, 4a, 4b, 4c, 4d angeordnet sind, gleich Doppelverhältnissen von kollinearen Punktemengen 6 sein können, die entlang der ersten Radiallinie 4, 4a, 4b, 4c, 4d angeordnet sind.
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Die Markerplatte 1 ist hierbei weiter derart ausgebildet, dass winkelbasierte Doppelverhältnisse aller durch die Radiallinien 4, 4a, 4b, 4c, 4d gebildeten Linienmengen 7 voneinander verschieden sind. Somit kann eine bestimmte kollineare Punktemenge 6 eindeutig durch ein winkelbasiertes Doppelverhältnis einer Linienmenge 7, welche eine Radiallinie 4a umfasst, entlang derer die kollineare Punktemenge 6 angeordnet ist, und ein punktbasiertes Doppelverhältnis der kollinearen Punktemenge 6 identifiziert werden, da diese Kombination aus winkelbasiertem Doppelverhältnis und punktbasiertem Doppelverhältnis für jede kollineare Punktemenge 6 der Markerplatte 1 verschieden ist.
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In 2 ist ein Ausschnitt der in 1 dargestellten Markerplatte 1 dargestellt. Hierbei sind wiederum exemplarisch einige Punktstrukturen 2, A, B, C, D und einige Längsstruktur 3, 3a, 3b dargestellt. Weiter dargestellt sind Radiallinien 4, 4a, 4b, 4c, 4d, wobei vier Radiallinien 4a, 4b, 4c, 4d eine Linienmenge 7 ausbilden. Weiter dargestellt sind vier Punktstrukturen A, B, C, D einer kollinearen Punktemenge 6, die entlang der Radiallinie 4a angeordnet sind.
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Die Markerplatte 1 kann hierbei unter einem Operationstisch angeordnet werden. In einem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch ein bewegliches bildgebendes System, beispielsweise einen röntgenbildgebenden C-Bogen, ein Bild erzeugt, in welches zumindest ein Teilbereich der in 1 dargestellten Markerplatte 1 abgebildet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann hierbei beispielsweise von einer Auswerteeinrichtung durchgeführt werden. Weiter kann eine Korrektur einer Radialverzerrung der von dem bildgebenden System erzeugten Bilder erfolgen. Hierbei wird angenommen, dass intrinsische Parameter des bildgebenden Systems vorbekannt sind, beispielsweise in einem Kalibrationsschritt bestimmt werden. Auf Grundlage dieser intrinsischen Parameter kann beispielsweise die vorhergehend erwähnte Korrektur der Radialverzerrung erfolgen.
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Weiter können abgebildete Längsstrukturen im Bild detektiert werden. Hierbei können diese Längsstrukturen mittels bekannter Verfahren der Bildverarbeitung, z.B. Segmentierungsverfahren, detektiert werden. Auf Grundlage von detektierten Längsstrukturen kann z.B. eine grundlegende Orientierung des bildgebenden Systems bestimmt werden. So ist z.B. die relative Anordnung von Längsstrukturen 3a, 3b (siehe 2) von allen relativen Anordnungen der weiteren Längsstrukturen 3 der Markerplatte 1 zueinander verschieden. Dies erlaubt in einfacher Art und Weise eine Bestimmung eines Startwertes für die Orientierung des beweglichen Systems.
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Weiter erfolgen eine Detektion von abgebildeten Punktstrukturen und eine Bestimmung von Bildkoordinaten dieser abgebildeten Punktstrukturen.
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Weiter erfolgt eine Bestimmung von zentralen Längsachsen von abgebildeten (und detektierten) Längsstrukturen. Diese zentralen Längsachsen entsprechen den (abgebildeten) Radiallinien. Weiter kann nach Bestimmung der zentralen Längsachsen ein gemeinsamer Mittelpunkt der (abgebildeten) Radiallinien bestimmt werden.
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Alternativ oder kumulativ können Geraden bestimmt werden, entlang derer die abgebildeten (und detektierten) Punktstrukturen angeordnet sind. Auch diese entsprechen den abgebildeten Radiallinien.
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In einem weiteren Schritt werden im Bild alle Linienmengen bestimmt, die von den detektierten Radiallinien gebildet werden. Hierbei besteht eine Linienmenge aus vier benachbarten Radiallinien. Für jede Linienmenge wird dann das (bildbasierte) winkelbasierte Doppelverhältnis bestimmt. Aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus der Markerplatte 1 ist dieses winkelbasierte Doppelverhältnis eindeutig für eine bestimmte Linienmenge, also verschieden von winkelbasierten Doppelverhältnissen aller weiteren Linienmengen.
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In einem weiteren Schritt wird im Bild entlang einer ersten Geraden, z.B. der zu der Radiallinie 4a korrespondierenden Geraden, einer Linienmenge eine kollineare Bildpunktemenge, die entlang dieser Geraden angeordnet ist, bestimmt. Ein punktbasiertes Doppelverhältnis der kollinearen Bildpunktemenge aufgrund des vorgeschlagenen Aufbaus der Markerplatte 1 von allen punktbasierten Doppelverhältnissen aller weiteren kollinearen Bildpunktemengen, die entlang derselben Geraden angeordnet sind, verschieden.
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Das punktbasierte Doppelverhältnis und das winkelbasierte Doppelverhältnis sind projektionsinvariant. Somit entspricht die Kombination der vorhergehend erläuterten punktbasierten und winkelbasierten Doppelverhältnisse einer kollinearen Bildpunktemenge eindeutig einer korrespondierenden Kombination einer kollinearen Punktemenge 6 der Markerplatte 1.
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Dies erlaubt somit eine eindeutige Identifizierung einer kollinearen Bildpunktemenge und Zuordnung von Bildpunktkoordinaten dieser kollinearen Bildpunktemenge zu korrespondierenden Strukturkoordinaten von Punktstrukturen 2, A, B, C, D der Markerplatte 1. Somit können (extrinsische) Parameter einer Projektion von Bildpunktkoordinaten auf Strukturkoordinaten bestimmt werden. Hierdurch kann auch eine Position und Orientierung des beweglichen bildgebenden Systems in Bezug auf das vorbekannte Koordinatensystem der Markerplatte 1 bestimmt werden. Ist z.B. präoperativ eine Registrierung eines Patienten bezüglich des vorbekannten Koordinatensystems der Markerplatte 1 erfolgt, so können auch im Bild detektierte Patientenstrukturen in das Koordinatensystem der Markerplatte 1 umgerechnet werden. Während einer Operation kann angenommen werden, dass sich ein narkotisierter Patient nicht oder nur minimal bewegt, wodurch eine z.B. präoperativ erfolgte Registrierung des Patienten bezüglich des vorbekannten Koordinatensystems der Markerplatte 1 sich ebenfalls nicht oder nur minimal ändert. Ist weiter z.B. ein präoperativ erzeugtes Computertomogramm des Patienten vorhanden und in Bezug auf den Patienten registriert, so kann in vorteilhafter Weise eine Kombination oder Fusionierung, beispielsweise eine Überlagerung, von präoperativ erzeugten Computertomogrammdaten und intraoperativ gewonnene Bilddaten des bildgebenden Systems erfolgen.
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In 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Operationstisches 8 mit einer Markerplatte 1 dargestellt. Weiter dargestellt ist ein als C-Bogen 9 ausgebildetes bildgebendes System.
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Die Markerplatte 1 ist hierbei unter dem Operationstisch 8 angebracht, wobei ein Patient während einer Operation auf dem Operationstisch angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Markerplatte
- 2
- Punktstruktur
- 3
- Längsstruktur
- 3a
- Längsstruktur
- 3b
- Längsstruktur
- 4
- Radiallinie
- 4a
- Radiallinie
- 4b
- Radiallinie
- 4c
- Radiallinie
- 4d
- Radiallinie
- 5
- gemeinsamer Mittelpunkt
- 6
- kollineare Punktemenge
- 7
- Linienmenge
- 8
- Operationstisch
- 9
- C-Bogen
- A
- Punktstruktur der kollinearen Punktemenge
- B
- Punktstruktur der kollinearen Punktemenge
- C
- Punktstruktur der kollinearen Punktemenge
- D
- Punktstruktur der kollinearen Punktemenge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Jain, A.K., Fichtinger, G.: “C-Arm-Tracking and Reconstruction without an external tracker” in: MICCAI (1). pp. 494–502. LNCS 4190, Springer 2006” [0005]
- „Ayad, M.S., et al.: „C-Arm pose estimation using a set of coplanar ellipses in correspondence. Proceedings IEEE Int. Symp. Biomed. Imaging 2010, pp. 1401–1404" [0005]
- "Kainz, B. et al.: Fast marker based C-arm pose estimation. In: Proceedings of MICCAI (2). pp. 652–659, 2008" [0006]
