DE102012224057B4

DE102012224057B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bildunterstützung

Info

Publication number: DE102012224057B4
Application number: DE102012224057.8A
Authority: DE
Inventors: Georgios Sakas; Stefan Wesarg
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2016-07-14
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: DE102012224057A1

Abstract

Verfahren zur Bildunterstützung bei der Navigation eines in einen Navigationsbereich eines Patienten eingebrachten medizinischen Instruments, umfassend folgende Verfahrensschritte: – eine präoperative Erzeugung eines 3D-Bilddatensatzes zumindest eines Teils des Navigationsbereichs, – Erzeugung eines 2D-Durchleuchtungsbildes zumindest eines Teils des Navigationsbereichs, – Bestimmung einer Bildposition zumindest eines Teils des medizinischen Instruments im 2D-Durchleuchtungsbild, – Registrierung des 2D-Durchleuchtungsbildes mit dem 3D-Bilddatensatz, – Einblendung zumindest eines Teils des medizinischen Instruments in ein aus dem 3D-Bilddatensatz erzeugtes 3D-Modell in Abhängigkeit der Bildposition des medizinischen Instruments und in Abhängigkeit von Eigenschaften des medizinischen Instruments, wobei Eigenschaften des medizinischen Instruments Materialeigenschaften und/oder geometrische Eigenschaften des medizinischen Instruments sind, wobei das 2D-Durchleuchtungsbild von einem bildgebenden System erzeugt wird, wobei die Registrierung des 2D-Durchleuchtungsbildes mit dem 3D-Bilddatensatz in Abhängigkeit eines externen Referenzmusters erfolgt, wobei zumindest ein Teilbereich des Referenzmusters in das 2D-Durchleuchtungsbild des bildgebenden Systems abgebildet wird, wobei abgebildete Referenzmusterstrukturen detektiert und deren Bildkoordinaten bestimmt werden, wobei in Abhängigkeit von korrespondierenden Bildpunktkoordinaten und Strukturkoordinaten der Referenzmusterstrukturen eine Position und Orientierung des bildgebenden Systems relativ zum Referenzmuster bestimmt wird, wobei das Referenzmuster als Markeranordnung ausgebildet ist, wobei die Markeranordnung zumindest in einem Teilbereich der Markeranordnung mindestens eine Mehrzahl von abbildbaren Punktstrukturen (2, A, B, C, D) aufweist, wobei jede Punktstruktur (2, A, B, C, D) derart ausgebildet sind, dass der Punktstruktur (2, A, B, C, D) eine eindeutige Strukturkoordinate in einem Koordinatensystem der Markeranordnung zuordenbar ist, wobei die Punktstrukturen (2, A, B, C, D) in dem Teilbereich derart angeordnet sind, dass diese eine Mehrzahl von kollinearen Punktemengen ausbilden, wobei für jede kollineare Punktemenge ein punktbasiertes Doppelverhältnis in Abhängigkeit der Strukturkoordinaten der Punktstrukturen (2, A, B, C, D) der kollinearen Punktemenge bestimmbar ist, wobei abgebildete kollineare Bildpunktemengen detektiert werden, wobei für jede kollineare Bildpunktemenge ein Merkmalsvektor bestimmt wird, wobei jeder der ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildunterstützung bei der Navigation eines in einen Untersuchungsbereich eines Patienten eingebrachten medizinischen Instruments, insbesondere eines Katheters.
In medizinischen Anwendungen, bei denen ein medizinisches Instrument, insbesondere ein Katheter, (minimal-)invasiv in den Körper eines Patienten eingebracht wird, ist eine Navigation des medizinischen Instrumentes zu einem Großteil von der Erfahrung des Arztes oder Operateurs abhängig. Typischerweise liegen ihm keine 3D-Bilddaten vor, wobei deren Verfügbarkeit jedoch zugenommen hat. Während des Eingriffs orientiert sich der Arzt daher meist an aktuell, z. B. mittels Angiographie, aufgenommenen 2D-Daten, aus denen er eine Position und Orientierung des medizinischen Instrumentes relativ zu relevanten anatomischen Strukturen abzuschätzen versucht.
Bei der Herzkatheterisierung, aber auch bei verschiedenen anderen interventionellen Therapien, wird ein Katheter durch das Blutgefäßsystem, z. B. die Aorta, bis zu einer gewünschten Zielregion verbracht. Der Katheter kann aus einem langen, mehr oder weniger flexiblen, Schlauch, insbesondere aus einem Schlauch mit Führungsdraht, bestehen, wobei der Katheter während der Katheterisierung nur vom aus dem Körper herausragenden Ende aus manipuliert werden kann. Daher ist die Steuerung vor allem der Spitze des medizinischen Instrumentes schwierig und nur durch einen längeren Lernprozess beherrschbar. Ferner ist der jeweilige Katheter in einem jeweils charakteristischen Winkel vorgebogen, womit das Problem der Wahl des für einen geplanten Eingriff passenden Katheters gestellt wird. Erschwerend kommt hinzu, dass zur Positions- und Ausrichtungskontrolle normalerweise eine 2D-Bildgebung, z. B. mit einem C-Bogen, durchgeführt wird. Dies erlaubt nur eine grobe und damit ungenaue Bestimmung einer 3D-Position in Relation zu einer Anatomie des Patienten. Entsprechend schwierig kann der behandelnde Arzt bestimmen, wo sich genau z. B. die Spitze des medizinischen Instrumentes befindet und mit welcher Ausrichtung die Spitze zum Eingang z. B. des Koronargefäßes steht.
Die DE 10 2004 030 836 A1 offenbart ein Verfahren zur Bilddarstellung eines in einem sich rhythmisch oder arhythmisch bewegenden Untersuchungsbereich eines Patienten eingebrachten medizinischen Instruments, insbesondere eines Katheters, mit folgenden Schritten:

– Verwendung eines präoperativ aufgenommenen 3D-Bilddatensatzes des Untersuchungsbereichs mit zugeordneten EKG-Daten zur phasen- und zeitbezogenen Auflösung der Bilddaten zur Erzeugung eines 3D-Rekonstruktionsbilds des sich bewegenden Untersuchungsbereiches,
– Aufnahme lediglich eines aktuellen 2D-Durchleuchtungsbilds des Untersuchungsbereichs und Erfassung der EKG-Daten zu dem 2D-Durchleuchtungsbild,
– Registrierung des 3D-Bilddatensatzes mit dem 2D-Durchleuchtungsbild anhand der EKG-Daten zur Ermöglichung einer lagerichtigen Darstellung des 3D-Rekonstruktionsbilds, wonach
– kontinuierlich die aktuellen EKG-Daten aufgenommen und über diese die Darstellung des sich bewegenden 3D-Rekonstruktionsbilds getriggert wird, und
– kontinuierlich die aktuellen Positionsdaten des Instruments mittels eines Navigationssystems in einem mit dem Koordinatensystem des 3D-Rekonstruktionsbilds registrierten Koordinatensystem erfolgt und das Instrument im 3D-Rekonstruktionsbild lagerichtig dargestellt wird.

Die Druckschrift offenbart weiter, dass Positionsdaten des medizinischen Instruments unter Verwendung eines Navigationssystems kontinuierlich erfasst werden.
Die US 2008/0095421 A1 offenbart ein Verfahren zur Registrierung eines fluoroskopischen Bildes mit Daten, die ein Volumen repräsentieren. Das Verfahren umfasst die Registrierung des fluoroskopischen Bildes mit Ultraschalldaten, die Registrierung der Ultraschalldaten mit Daten, die das Volumen repräsentieren und die Registrierung des fluoroskopischen Bildes mit Daten, die das Volumen repräsentieren, als eine Funktion der Registrierungen des fluoroskopischen Bildes mit den Ultraschalldaten und der Ultraschalldaten mit den Daten, die das Volumen repräsentieren. Weiter offenbart die Druckschrift, dass eine Katheterposition relativ zu einem Patientenvolumen bestimmt werden kann.
Die DE 10 2011 083 522 A1 offenbart ein Verfahren zur Visualisierung der Qualität eines Ablationsvorgangs mit Hilfe eines Rechen- und Anzeigemittels. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines 3D-Datensatzes wenigstens eines anatomischen Objektes eines Untersuchungsobjektes, das Bereitstellen mindestens eines 3D-Bildmodells eines Ablationsintrumentes, wobei das 3D-Bildmodell wenigstens die Oberfläche des Ablationsinstrumentes modelliert, die Vorgabe mindestens einer Position und einer Ausrichtung des 3D-Bildmodells des Ablationsinstruments innerhalb des wenigstens einen anatomischen Objektes, das lagerichtige Einblenden des 3D-Bildmodells des Ablationsintrumentes in den 3D-Datensatz des wenigstens einen anatomischen Objektes, die Darstellung zumindest eines Teils des eingeblendeten 3D-Bildmodells des Ablationsinstrumentes und des 3D-Datensatzes des wenigstens einen anatomischen Objektes und die Bestimmung wenigstens eines Qualitätskennwertes in Abhängigkeit der Lage des 3D-Bildmodells des Ablationsinstrumentes zu dem wenigstens einen anatomischen Objekt.
Die DE 10 2008 049 038 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung positionsbestimmter Röntgenprojektionen, wobei an der Bildgebungseinheit der Röntgendiagnoseeinrichtung ein Messsystem zur Positionsbestimmung des Strahlers und Detektors befestigt ist, welches bei einer Bewegung der Bildgebungseinheit mitbewegt wird und zusätzliche, im Strahlengang eingebrachte röntgenoptische Marken bei der Röntgenbildaufnahme abgebildet werden und es ermöglichen, die gemessenen Positionen von Strahler und Detektor in ein ortsfestes Koordinatensystem zu transformieren.
Die WO 2011/163 630 A1 offenbart ein robotisches, medizinisches System zur Steuerung eines verformbaren Instrumentes in anatomischen Regionen, wobei das verformbare Instrument mindestens einen Arbeitsabschnitt und ein oder mehrere Positionierelemente, die das verformbare Instrument bewegen, umfasst.
Die US 2004/0097805 A1 offenbart ein bildgeführtes Navigationssystem, um ein Instrument durch eine Region eines Patienten zu führen. Das System umfasst u. a. ein bilderzeugendes Gerät, ein Verfolgungsgerät zum Verfolgen der Position des Instruments in der Region des Patienten und eine Anzeigeeinrichtung zur Anzeige der Bilddaten der Region des Patienten mit einem überlagerten Icon des Instruments.
Es stellt sich das technische Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildunterstützung bei der Navigation eines in einen Untersuchungsbereich eines Patienten eingebrachten medizinischen Instrumentes zu schaffen, welche eine Genauigkeit der Darstellung verbessert und die Navigation, insbesondere eine Planung einer aus einer aktuellen Lage und Orientierung erforderliche Lage- und/oder Orientierungsveränderung erleichtert.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 5. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Bildunterstützung bei der Navigation eines in einen Navigationsbereich eines Patienten eingebrachten medizinischen Instrumentes, insbesondere eines Katheters. Hierbei erfolgt eine gezielte Navigation bei der invasiven Einführung des medizinischen Instruments in den Navigationsbereich, der z. B. ein Hohlraumorgan des menschlichen oder tierischen Körpers zumindest teilweise umfasst.
Es ist eine Grundidee der Erfindung, präoperativ erzeugte, dreidimensionale Bilddaten mit intraoperativ erzeugten zweidimensionalen Bilddaten sowie geometrischen Eigenschaften und Materialeigenschaften des medizinischen Instrumentes derart zu verbinden, dass eine möglichst genaue Darstellung der aktuellen Lage des medizinischen Instrumentes im dreidimensionalen Bilddatensatz erfolgen kann.
Das vorgeschlagene Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

1. Eine präoperative Erzeugung eines 3D-Bilddatensatzes des Navigationsbereiches oder eines Teils des Navigationsbereichs. Der Navigationsbereich bezeichnet hierbei einen Bereich des Patienten, durch den sich das medizinische Instrument bei Einführung und Verbringung in einen gewünschten Zielbereich des Körpers bewegt. Der Navigationsbereich kann hierbei den Zielbereich umfassen. Der 3D-Bilddatensatz kann beispielsweise durch Computertomographie (CT) oder Magnetresonanztomographie (MRT) erzeugt werden. Selbstverständlich sind auch andere Bildgebungsverfahren vorstellbar, die ein 3D-Modell einer Patientenanatomie erzeugen können, z. B. Ultraschall. Dieser 3D-Bilddatensatz kann in einer Speichereinrichtung gespeichert werden.
Auf Grundlage des 3D-Bilddatensatzes können gewünschte anatomische Bereiche oder Organe, insbesondere eine Aorta, bildbasiert bestimmt, also segmentiert, werden. Hierbei können also bestimmte Bildbereiche einer bestimmten anatomischen Struktur oder einem Organ zugeordnet werden.
In Abhängigkeit des 3D-Bilddatensatzes kann ein 3D-Modell berechnet oder erzeugt werden. Das 3D-Modell erlaubt eine dreidimensionale Darstellung der anatomischen Strukturen im Navigationsbereich, die zum Beispiel auf einer geeigneten Anzeigeeinrichtung dargestellt werden kann.
2. Erzeugung eines 2D-Durchleuchtungsbildes des Navigationsbereiches oder eines Teils davon, wobei die Erzeugung intraoperativ, also während der Einführung und Verbringung, erfolgt. Beispielsweise kann das Durchleuchtungsbild mittels einer Röntgeneinrichtung, insbesondere eines C-Bogens, erzeugt werden. Der C-Bogen bezeichnet hierbei eine in ihrer Position und Orientierung, die nachfolgend zusammengefasst als POSE bezeichnet werden, intraoperativ veränderliche Röntgeneinrichtung. Selbstverständlich können auch andere Verfahren zur Erzeugung eines zweidimensionalen Durchleuchtungsbildes angewendet werden.
3. Bestimmung einer Bildposition zumindest eines Teils des medizinischen Instruments im 2D-Durchleuchtungsbild. Eine Bestimmung kann hierbei interaktiv, also durch Bedienung eines Benutzers, erfolgen. Hierzu kann der Benutzer mittels einer geeigneten Eingabevorrichtung, z. B. einer Maus oder einer Tastatur, einen oder mehrere Bildbereich(e) auswählen, die das medizinische Instrument abbilden. Alternativ kann die Bestimmung automatisch, z. B. mittels geeigneter Bildverarbeitungsmethoden, insbesondere Segmentierungsverfahren, erfolgen.
4. Registrierung des 2D-Durchleuchtungsbildes mit dem 3D-Bilddatensatz. Die Registrierung erfolgt hierbei intraoperativ. Durch die Registrierung erfolgt eine lage- und orientierungsrichtige Abbildung des 2D-Durchleuchtungsbildes in den 3D-Bilddatensatz und umgekehrt. Hierzu kann beispielsweise eine Transformationsmatrix berechnet werden, die eine mathematische Beschreibung der Abbildung darstellt. Die Registrierung kann hierbei bildbasiert erfolgen. Hierbei können sowohl im 2D-Durchleuchtungsbild als auch im 3D-Bilddatensatz korrespondierende Bildpunktpaare bestimmt werden, wobei in Abhängigkeit mehrerer korrespondierender Bildpunktpaare die vorhergehend erläuterte Transformationsmatrix bestimmt werden kann.
Durch die Registrierung ist es möglich, die im 2D-Durchleuchtungsbild enthaltenen Bildinformationen, die intraoperativ erzeugt wurden, in den 3D-Bilddatensatz, der präoperativ erzeugt wurde, zu transformieren.
5. Einblendung zumindest eines Teils des medizinischen Instrumentes in ein aus dem 3D-Bilddatensatz erzeugtes 3D-Modell in Abhängigkeit der zuvor bestimmten Bildposition des zumindest einen Teils des medizinischen Instruments und zusätzlich in Abhängigkeit von Eigenschaften des medizinischen Instruments. Hierbei erfolgt also eine Übertragung der vorhergehend extrahierten Position des medizinischen Instruments auf ein 3D-Modell, welches aus den präoperativ erzeugten 3D-Bilddaten erzeugt wird. So kann z. B. eine virtuelle Einblendung des medizinischen Instruments im 3D-Modell, welches in Abhängigkeit der präoperativ erzeugten 3D-Bilddaten generiert wird, erfolgen. Die Einblendung im 3D-Modell bezeichnet hierbei die dreidimensionale Darstellung des medizinischen Instruments in dem 3D-Modell. Die aus dem Durchleuchtungsbild bestimmten 2D-Informationen zur Lage und/oder Orientierung des medizinischen Instruments werden hierbei durch vorbekannte Eigenschaften des medizinischen Instruments zu 3D-Informationen ergänzt, wodurch eine dreidimensionale Darstellung des medizinischen Instruments möglich wird.

Die Einblendung erfolgt somit nicht ausschließlich in Abhängigkeit der zuvor bestimmten Bildposition, sondern zusätzlich in Abhängigkeit von Eigenschaften des medizinischen Instruments. Eigenschaften umfassen hierbei Materialeigenschaften, z. B. eine Elastizität oder Steifigkeit des medizinischen Instruments und weiteren Materialeigenschaften. Die Materialeigenschaften können hierbei entlang eines Verlauf z. B. einer Längsachse des medizinischen Instruments variieren.
Auch umfasst der Begriff Eigenschaft geometrische Eigenschaften des medizinischen Instruments. Geometrische Eigenschaften bezeichnen hierbei z. B. eine Länge, eine Breite und/oder einen Durchmesser, eine Krümmung oder ein Krümmungsverlauf entlang z. B. einer Längsachse des medizinischen Instruments mit z. B. unterschiedlichen Krümmungsradien oder geraden Abschnitten, einen sich verdickenden oder verdünnenden Durchmesser entlang z. B. der Längsachse des medizinischen Instruments und/oder weitere geometrische Eigenschaften.
Der Begriff geometrische Eigenschaften umfasst auch eine, insbesondere natürliche, zwei- oder dreidimensionale Form, die z. B. durch Raumkoordinaten einer Oberfläche des medizinischen Instruments beschrieben werden kann. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Form als eine z. B. gekrümmte Kurve im Raum oder in einer Ebene zu beschreiben. Die Form kann auch als eine Abweichung des Verlaufs des medizinischen Instruments von einer geraden Linie im Raum oder in der Ebene beschrieben werden.
Natürliche Form bedeutet hierbei eine Form, die das medizinische Instrument ohne äußere Einwirkung, z. B. ohne eingeschobenen Führungsdraht, annimmt. Hierbei kann eine zweidimensionale Form die Form einer Projektion eines dreidimensionalen medizinischen Instruments in eine vorbestimmte Projektionsebene sein.
Die Eigenschaften sind hierbei vorbekannt. Insbesondere können diese Eigenschaften für ein bestimmtes medizinisches Instrument z. B. in einer Speichereinrichtung gespeichert sein und nach Auswahl des medizinischen Instruments, welche präoperativ erfolgt, abgerufen werden. Beispielsweise kann ein behandelnder Arzt ein medizinisches Instrument interaktiv, also durch eine manuelle Eingabe, auswählen. Auch ist es möglich, dass eine automatische Auswahl des medizinischen Instruments in Abhängigkeit von im präoperativ erzeugten 3D-Bilddatensatz bestimmten Eigenschaften des Ziel- und/oder Navigationsbereichs ausgewählt wird. Dies kann z. B. zwischen dem vorhergehend erläuterten ersten und zweiten Schritt in einem Zwischenschritt erfolgen.
Erfahrungsgemäß ist im 2D-Durchleuchtungsbild nur ein geringer Ausschnitt eines in den Navigationsbereich eingebrachten medizinischen Instruments abgebildet. Durch die Einblendung in Abhängigkeit von den vorhergehend erläuterten Eigenschaften kann somit in vorteilhafter Weise eine modellbasierte Abbildung eines größeren Teils, insbesondere der vollständige, bisher in den Navigationsbereich eingebrachte Teil, des medizinischen Instruments dreidimensional im 3D-Modell eingeblendet werden.
Die modellbasierte, also eigenschaftsbasierte, Einblendung ermöglicht hierbei in vorteilhafter Weise eine hochgenaue sowie lage- und orientierungsrichtige und insbesondere dreidimensionale intraoperative Darstellung des medizinischen Instruments im, vorzugsweise ganzen, Navigationsbereich. Hierdurch wird die Navigation des medizinischen Instruments wesentlich erleichtert und Behandlungsqualität erhöht.
Diese Art der Einblendung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das eingebrachte medizinische Instrument ein flexibles Instrument ist. Das Verfahren kann insbesondere bei der Herzkatheterisierung angewendet werden.
Die Einblendung kann zusätzlich in Abhängigkeit vorbekannter Gewebeeigenschaften erfolgen, wobei die Gewebeeigenschaften Materialeigenschaften des Gewebes bezeichnen, in welches das medizinische Instrument eingebracht wird. So können z. B. in Abhängigkeit des präoperativ erzeugten 3D-Bilddatensatzes verschiedene Gewebetypen segmentiert werden, deren Eigenschaften vorbekannt sind. Eine Eigenschaft kann hierbei beispielsweise eine Elastizität des Gewebes sein. Eine weitere Eigenschaft kann z. B. eine Oberflächenbeschaffenheit, z. B. ein Reibungskoeffizient, eine Rauigkeit oder weitere Oberflächeneigenschaften des Gewebes sein. In Abhängigkeit der Oberflächenbeschaffenheit kann z. B. bestimmt werden, wie einfach das medizinische Instrument oder ein Führungsdraht an einer z. B. Innenwand eines Blutgefäßes entlang gleitet. Eine weitere Eigenschaft kann auch ein Volumen und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit eines Blutflusses um das medizinische Instrument herum sein, also z. B. durch einen Abschnitt des Gewebes, insbesondere eines Blutgefäßes, in welchem sich das medizinische Instrument befindet. Eine weitere Eigenschaften kann ein Parameter, z. B. eine Frequenz, eine Amplitude und/oder eine Richtung, einer z. B. rhythmischen Deformation des Gewebes, insbesondere eines Blutgefäßes, in welchem sich das medizinische Instrument befindet, sein. Diese Deformation kann z. B. vom Herzschlag abhängen. Hierdurch können z. B. insbesondere in der Aorta Auswirkungen des so genannten Windkesseleffekts berücksichtigt werden.
Durch die Berücksichtigung von Gewebeeigenschaften lässt sich in vorteilhafter Weise ein noch genauerer Verlauf des medizinischen Instruments im, vorzugsweise vollständigen, Navigationsbereich modellieren und somit die lage- und orientierungsrichtige Darstellung des medizinischen Instruments im 3D-Modell weiter verbessern.
Weiter wird das 2D-Durchleuchtungsbild von einem bildgebenden System erzeugt, wobei die Registrierung des 2D-Durchleuchtungsbildes mit dem 3D-Bilddatensatz in Abhängigkeit eines externen Referenzmusters erfolgt, wobei zumindest ein Teilbereich des Referenzmusters in das 2D-Durchleuchtungsbild des bildgebenden Systems abgebildet wird. Hierbei werden abgebildete Referenzmusterstrukturen detektiert und deren Bildkoordinaten bestimmt, wobei in Abhängigkeit von korrespondierenden Bildpunktkoordinaten und Strukturkoordinaten der Referenzmusterstrukturen eine Position und/oder Orientierung des bildgebenden Systems relativ zum Referenzmuster bestimmt werden kann.
Strukturkoordinaten bezeichnen hierbei Koordinaten von Referenzmusterstrukturen in einem Koordinatensystem des Referenzmusters. Vorzugsweise ist das Referenzmuster derart ausgebildet, dass verschiedenen Referenzmusterstrukturen des Referenzmusters in dem Koordinatensystem des Referenzmusters eindeutige Strukturkoordinaten zugeordnet sind.
Hierbei kann eine Position und/oder Orientierung der Referenzmusterstruktur oder des Koordinatensystems der Referenzmusterstruktur bezüglich eines Koordinatensystems des 3D-Bilddatensatzes vorbekannt oder bestimmbar sein.
Es ist z. B. vorstellbar, dass die Referenzmusterstruktur oder ein Teil davon auch in den präoperativ erzeugten 3D-Bilddatensatz abgebildet wird. Somit erlaubt die Detektion von Referenzmusterstrukturen und deren Zuordnung zu vorbekannten Strukturkoordinaten jeweils im 2D-Durchleuchtungsbild und im 3D-Bilddatensatz die Bestimmung von korrespondierenden Bildpunktpaaren. Hierdurch kann eine hochgenaue Registrierung, die vorhergehend unter Schritt 4 beschrieben wurde, erfolgen.
Auch ist vorstellbar, dass das bildgebende System, welches das 2D-Durchleuchtungsbild erzeugt, ein Initialbild erzeugt, in welches zumindest ein Teil des Referenzmusters abgebildet wird. Hierbei ist eine Initial-POSE des bildgebenden Systems bei der Erzeugung des Initialbildes bezüglich eines Koordinatensystems des 3D-Bilddatensatzes bekannt. Die Initial-POSE ist also bezüglich des 3D-Bilddatensatzes registriert. Weiter können, wenn die aktuelle POSE bezüglich der Initial-POSE intraoperativ verändert wird, in einem aktuell erzeugten 2D-Durchleuchtungsbild Referenzmusterstrukturen detektiert und deren Bildkoordinaten bestimmt werden. In Abhängigkeit von vorbekannten Strukturkoordinaten dieser Referenzmusterstrukturen können korrespondierende Bildpunktpaare im aktuell erzeugten 2D-Durchleuchtungsbild und im in der Initial-POSE erzeugten Durchleuchtungsbild bestimmt werden. Hierdurch kann eine hochgenaue Registrierung des aktuellen Durchleuchtungsbildes zuerst auf das in der Initial-POSE erzeugten Durchleuchtungsbild und somit auch auf den 3D-Bilddatensatz erfolgen.
Die vorgeschlagene Ausführungsform ermöglicht in vorteilhafter Weise eine bildbasierte und hochgenaue Registrierung und somit auch eine hochgenaue Darstellung des medizinischen Instruments im 3D-Modell.
Das bildgebende System kann insbesondere der vorhergehend erläuterte C-Bogen sein, der eine intraoperativ in seiner POSE veränderbares Röntgensystem darstellt.
Weiter ist das Referenzmuster als Markeranordnung ausgebildet. Die Markeranordnung weist zumindest in einem Teilbereich der Markeranordnung mindestens eine Mehrzahl von abbildbaren Punktstrukturen auf. Abbildbar bezeichnet hierbei, dass die Punktstrukturen durch ein gewähltes Bildgebungssystem, beispielsweise ein Röntgensystem, mit einer gewünschten Qualität 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.
Jede Punktstruktur ist hierbei derart ausgebildet, dass der Punktstruktur 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 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.
Weiter sind die Punktstrukturen in dem Teilbereich derart angeordnet, dass diese eine Mehrzahl von kollinearen Punktemengen ausbilden, wobei für jede kollineare Punktemenge ein punktbasiertes Doppelverhältnis in Abhängigkeit der Strukturkoordinaten der Punktstrukturen der kollinearen Punktemenge bestimmbar ist.
Eine kollineare Punktemenge besteht hierbei aus vier Punktstrukturen oder 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 einer kollinearen Punktemenge keine weitere Punktstruktur entlang der Geraden angeordnet sind.
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.
Weiter werden abgebildete Punktstrukturen detektiert und deren Bildkoordinaten bestimmt. Hierfür können bekannte Detektionsverfahren der Bildverarbeitung, z. B. Segmentationsverfahren, verwendet werden.
Weiter werden 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.
Für jede kollineare Bildpunktemenge wird ein Merkmalsvektor bestimmt, wobei der Merkmalsvektor mindestens ein punktbasiertes Doppelverhältnis umfasst, welches in Abhängigkeit der Bildkoordinaten der abgebildeten Punktstrukturen der kollinearen Bildpunktemenge bestimmt wird.
Hierbei ist jede kollineare Punktemenge eindeutig durch den entsprechenden Merkmalsvektor charakterisierbar. 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.
Zur Bestimmung des (bildbasierten) Merkmalsvektors wird im erfindungsgemäßen Verfahren also ein punktbasiertes Doppelverhältnis der entsprechenden kollinearen Bildpunktemenge bestimmt. Dieses ist, wie nachfolgend 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.
In Abhängigkeit des mindestens einen Merkmalsvektors erfolgt 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.
In Abhängigkeit von korrespondierenden Bildpunktkoordinaten und Strukturkoordinaten kann dann eine Position und Orientierung des bildgebenden Systems bestimmt werden. 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 POSE-Schätzung.
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 z. B. durch externe Tracking-Systeme, 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.
Ein derartiges Verfahren ist in der nachveröffentlichten Druckschrift DE 10 2012 206 860 A1 beschrieben.
Die Verwendung der beschriebenen Markeranordnung ermöglicht in vorteilhafter Weise eine robuste und hochgenaue Registrierung, die wiederum eine hochgenaue Darstellung des medizinischen Instruments im 3D-Modell erlaubt.
Weiter kann ein bewegliches bildgebendes System ein Bild, in welches zumindest ein Teilbereich einer Markeranordnung abgebildet wird, erzeugen. 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.
Weiter werden zusätzlich zur Detektion von abgebildeten Punktstrukturen Geraden bestimmt, die durch die Bildkoordinaten der abgebildeten Punktstrukturen von abgebildeten kollinearen Bildpunktemengen definiert sind.
Hierbei können bekannte Verfahren der Bildverarbeitung verwendet werden, um Geraden zu bestimmen, die durch mindestens vier Punkte definiert sind.
Weiter werden Linienmengen detektiert oder bestimmt, die jeweils vier der vorhergehend detektierten Geraden umfassen.
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 eine erste Gerade der Linienmenge sein.
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.
Weiter kann zusätzlich mindestens eine weitere abgebildete Struktur detektiert werden, 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, die von einem Mittelpunkt der Markeranordnung ausgeht, angeordnet, entspricht also die zentrale Längsachse der Längsstruktur einer Radiallinie, so kann hierdurch in vorteilhafter Weise eine Detektion von Geraden, insbesondere Radiallinien, vereinfacht werden.
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.
In einer weiteren Ausführungsform wird zusätzlich modellbasiert eine zukünftige Bewegung und/oder Deformation zumindest eines Teils des medizinischen Instruments bestimmt und im 3D-Modell eingeblendet. Hierbei kann z. B. eine Bewegung und/oder Deformation, die erfolgen würde, wenn der behandelnde Arzt die Verbringung mit den aktuell vorliegenden Verbringungsparametern, z. B. einer Vorschubgeschwindigkeit, einer Vorschubkraft, einer Verdrehung und/oder weiteren Verbringungseigenschaften, fortsetzt, eingeblendet werden. Auch diese Einblendung kann dreidimensional erfolgen.
Diese modellbasierte Simulation einer zukünftigen Bewegung und/oder Deformation sowie deren Einblendung erfolgt hierbei wiederum in Abhängigkeit von den vorhergehend erläuterten Eigenschaften des medizinischen Instruments. Zusätzlich können, wie ebenfalls vorhergehend erläutert, Eigenschaften des Gewebes, in welches das medizinische Instrument verbracht wird, berücksichtigt werden.
Hierdurch wird in vorteilhafter Weise ermöglicht, eine zukünftige Lage und/oder Orientierung mit einer hohen Genauigkeit zu prädizieren und darzustellen. Dies erleichtert in vorteilhafter Weise die Navigation.
Auch können in Abhängigkeit einer bestimmten zukünftigen Bewegung und/oder Deformation ideale Verbringungsparameter bestimmt und z. B. auf einer Anzeigeeinrichtung dargestellt werden oder akustisch wiedergegeben werden. Hierdurch wird der behandelnde Arzt in vorteilhafter Weise wie bei einem Navigationssystem angeleitet.
In einer weiteren Ausführungsform ist das medizinische Instrument ein Katheter mit mindestens einem Führungsdraht. Die modellbasierte Bestimmung der zukünftigen Bewegung und/oder Deformation zumindest eines Teils des Katheters wird unter der Annahme, dass der Führungsdraht entfernt wird, bestimmt und im 3D-Modell eingeblendet.
Bei Kathetern, die einen Führungsdraht besitzen, erfolgt nach der Entfernung des Führungsdrahts eine weitere Deformation und/oder Bewegung zumindest eines Teils des Katheters. Die modellbasierte Bestimmung und Einblendung erlaubt hierbei eine positions- und lagerichtige Darstellung einer solchen zukünftigen Bewegung und/oder Deformation. Dies erleichtert somit für den behandelnden Arzt die Katheternavigation.
Weiter vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Bildunterstützung bei der Navigation eines in einen Navigationsbereich eines Patienten eingebrachten medizinischen Instruments. Die Vorrichtung umfasst eine Modellierungseinheit, eine Navigationseinheit und eine Simulationseinheit.
Mittels der Modellierungseinheit ist ein 3D-Modell des Untersuchungsbereichs in Abhängigkeit eines präoperativ erzeugten 3D-Bilddatensatzes erzeugbar. Das 3D-Modell erlaubt eine dreidimensionale bildliche Darstellung der Patientenanatomie. Weiter kann die Modellierungseinheit Form- und Deformationsmodelle von potentiell zum Einsatz kommenden medizinischen Instrumenten, die z. B. von den vorhergehend erläuterten Materialeigenschaften und geometrischen Eigenschaften abhängen, enthalten.
Mittels der Navigationseinheit ist in einem intraoperativ erzeugten 2D-Durchleuchtungsbild des Navigationsbereichs eine Bildposition zumindest eines Teils des medizinischen Instruments bestimmbar. Hierbei kann die Navigationseinheit mit einer Eingabeeinrichtung datentechnisch verbunden sein, wobei ein Benutzer bildbasiert den Teil des medizinischen Instruments bestimmen kann. Auch kann die Navigationseinheit ein automatisches Segmentierungsverfahren durchführen, durch welches der zumindest einen Teil des medizinischen Instruments im 2D-Durchleuchtungsbereich bestimmt wird.
Weiter ist mittels der Navigationseinheit das 2D-Durchleuchtungsbild mit dem 3D-Bilddatensatz registrierbar.
Mittels der Simulationseinheit ist zumindest ein Teil des medizinischen Instruments in einem aus dem 3D-Bilddatensatz erzeugten 3D-Modell in Abhängigkeit der Bildposition des medizinischen Instruments und in Abhängigkeit von Eigenschaften des medizinischen Instruments einblendbar. Hierbei kann eine dreidimensionale Einblendung des medizinischen Instruments erfolgen. Insbesondere kann, wie vorhergehend erläutert, nicht ausschließlich der im 2D-Durchleuchtungsbild bestimmte Teil des medizinischen Instruments, sondern der gesamte in den Navigationsbereich bereits eingebrachte Teil des medizinischen Instruments lage- und orientierungsrichtig und insbesondere dreidimensional eingeblendet werden.
Die Vorrichtung kann weiter ein bildgebendes System zur präoperativen Erzeugung des 3D-Bilddatensatzes und/oder ein bildgebendes System zur intraoperativen Erzeugung des 2D-Durchleuchtungsbildes, insbesondere einen C-Bogen, umfassen. Diese können daten- oder signaltechnisch mit den vorhergehend beschriebenen Einheiten verbunden sein.
Weiter umfasst die Vorrichtung zusätzlich ein externes Referenzmuster und das bildgebende System zur Erzeugung des 2D-Durchleuchtungsbildes. Die Registrierung des 2D-Durchleuchtungsbildes mit dem 3D-Bilddatensatz erfolgt in Abhängigkeit des externen Referenzmusters, wobei das bildgebende System und das Referenzmuster derart zueinander angeordnet sind, dass zumindest ein Teilbereich des Referenzmusters in ein 2D-Durchleuchtungsbild des bildgebenden Systems abbildbar ist. Mittels der Navigationseinheit sind abgebildete Referenzmusterstrukturen detektierbar und deren Bildkoordinaten bestimmbar, wobei in Abhängigkeit von korrespondierenden Bildpunktkoordinaten und Strukturkoordinaten der Referenzmusterstrukturen eine Position und Orientierung des bildgebenden Systems relativ zum Referenzmuster bestimmbar ist.
Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine hochgenaue, bildbasierte Registrierung und somit eine hochgenaue positions- und orientierungsrichtige Darstellung des medizinischen Instruments in einem 3D-Modell des Untersuchungsbereichs.
Weiter ist das Referenzmuster als Markeranordnung ausgebildet, wobei die Markeranordnung zumindest in einem Teilbereich der Markeranordnung mindestens eine Mehrzahl von abbildbaren Punktstrukturen aufweist.
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 der Einführung und Verbringung des medizinischen Instruments auf dem Operationstisch liegt.
Jede Punktstruktur ist derart ausgebildet, dass der Punktstruktur eine eindeutige Strukturkoordinate in einem Koordinatensystem der Markeranordnung zuordenbar ist.
Die Punktstrukturen sind in dem Teilbereich derart angeordnet, dass diese eine Mehrzahl von kollinearen Punktemengen ausbilden, wobei für jede kollineare Punktemenge ein punktbasiertes Doppelverhältnis in Abhängigkeit der Strukturkoordinaten der Punktstrukturen der kollinearen Punktemenge bestimmbar ist. Die Punktstrukturen sind in dem Teilbereich derart angeordnet, dass eine kollineare Punktemenge eindeutig durch einen Merkmalsvektor charakterisierbar ist. Der Merkmalsvektor umfasst mindestens ein punktbasiertes Doppelverhältnis, welches in Abhängigkeit der Strukturkoordinaten der Punktstrukturen der kollinearen Punktemenge bestimmbar ist.
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.
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.
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.
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. Dies wiederum ermöglicht in vorteilhafter Weise eine hochgenaue positions- und orientierungsrichtige Darstellung des medizinischen Instruments im 3D-Modell.
Eine derartige Markeranordnung ist in der nachveröffentlichten Druckschrift DE 10 2012 206 860 A1 beschrieben.
So können die kollinearen Punktemengen derart angeordnet sein, 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 Linienmenge bilden, bestimmbar ist. Die Punktstrukturen sind in dem Teilbereich derart angeordnet, dass eine kollineare Punktemenge eindeutig durch einen Merkmalsvektor charakterisierbar ist, wobei der Merkmalsvektor zusätzlich 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.
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.
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.
Weiter können die Geraden, die durch die Strukturkoordinaten der Punktstrukturen der kollinearen Punktemenge definiert sind, als Radiallinien ausgebildet sein, wobei die Radiallinien einen gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen. Zusätzlich können die Strukturkoordinaten der Punktstrukturen der kollinearen Punktemenge entlang einer Radiallinie derart angeordnet sein, dass die Strukturkoordinaten jeweils in einem Schnittpunkt der Radiallinie und einer konzentrischen Kreislinie liegen, wobei ein Mittelpunkt der konzentrischen Kreislinien der gemeinsame Mittelpunkt ist, wobei entlang einer Kreislinie in mindestens einem weiteren Schnittpunkt der Kreislinie mit einer weiteren Radiallinie eine Strukturkoordinate einer weiteren Punktstruktur liegt.
Weiter kann entlang einer Geraden, die durch die Strukturkoordinaten der Punktstrukturen einer kollinearen Punktemenge definiert ist, zusätzlich mindestens eine Längsstruktur angeordnet sein, deren Längsachse gleich der Geraden ist. Weiter können die Punktstrukturen kugelförmig ausgebildet sein und/oder die Längsstrukturen zylinder- oder quaderförmig ausgebildet sein.
Weiter kann der Teilbereich einen Halbkreis oder Viertelkreis umfasst, wobei ein Mittelpunkt des Halb- oder Viertelkreis der gemeinsame Mittelpunkt ist.
Bezüglich der vorhergehend beschriebenen Markeranordnung wird auch auf die Offenbarung der nachveröffentlichten DE 10 2012 206 860.0 Bezug genommen, insbesondere auch auf die dort angeführten Ausführungsformen und deren Vorteile.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Referenzmuster an einem Patiententisch befestigt. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise gewährleistet, dass das Referenzmuster in verschiedenen Positionen und/oder Orientierungen des bildgebenden Systems zur Erzeugung des Durchleuchtungsbildes abbildbar ist.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
3 eine Markeranordnung.
Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
In 1 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 20 zur Bildunterstützung bei der Navigation eines in einen Navigationsbereich eines Patienten eingebrachten und z. B. als Katheter ausgebildeten medizinischen Instruments (nicht dargestellt) dargestellt. Die Vorrichtung 20 umfasst eine Modellierungseinheit 21, eine Navigationseinheit 22 und eine Simulationseinheit 23. Dargestellt ist weiter ein Computertomograph 24 zur präoperativen Erzeugung eines 3D-Bilddatensatzes des Navigationsbereiches. Weiter dargestellt ist ein C-Bogen 25 zur intraoperativen Erzeugung eines 2D-Durchleuchtungsbildes. Weiter dargestellt ist ein Patiententisch 26, auf dem der Patient während der Einbringung des medizinischen Instruments liegt. Unter dem Patiententisch 26 ist eine als Markerplatte 1 ausgebildete Markeranordnung, die in 3 detailliert beschrieben wird, dargestellt.
Die Modellierungseinheit 21 ist datentechnisch mit dem Computertomograph 24 verbunden. Die Modellierungseinheit erzeugt hierbei aus den präoperativ erzeugten 3D-Bilddaten ein 3D-Modell der Patientenanatomie im Navigationsbereich. Weiter kann die Modellierungseinheit 21 Form- und Deformationsmodelle von potentiell zum Einsatz kommenden medizinischen Instrumenten, insbesondere Kathetern, enthalten. Diese Modelle können z. B. in einer nicht dargestellten Speichereinrichtung der Modellierungseinheit 21 gespeichert sein. Die Navigationseinheit 22 umfasst mehrere Untereinheiten, insbesondere eine POSE-Bestimmungseinheit 28, wobei mittels der POSE-Bestimmungseinheit 28 eine Position und Orientierung des C-Bogens 25 relativ zum Patiententisch 26 bildbasiert bestimmbar ist. Weiter umfasst die Navigationseinheit 22 eine Detektionseinheit 29, wobei mittels der Detektionseinheit 29 der in das 2D-Durchleuchtungsbild abgebildete Teil des Katheters detektierbar ist. Weiter umfasst die Navigationseinheit 29 eine Registrierungseinheit 30, die ein lagerichtiges Übereinanderlegen eines 2D-Durchleuchtungsbildes mit aus dem präoperativ erzeugten 3D-Bilddatensatz generierten, digital-rekonstruierten Radiographien (DRR) ermöglicht. Die Navigationseinheit 22 ist hierbei datentechnisch mit dem C-Bogen 25 sowie mit der Modellierungseinheit 21 verbunden.
Die Simulationseinheit 23 ist derart ausgebildet, dass eine Augmentierung des 3D-Modells der Patientenanatomie im Navigationsbereich mit dem vom C-Bogen 25 erzeugten 2D-Durchleuchtungsbild möglich ist. Zusätzlich kann ein dreidimensionales Kathetermodell eingeblendet werden. Es ist zusätzlich möglich, dass das eingeblendete 3D-Kathetermodell dem real sichtbaren Teil des Katheters überlagert wird. Mittels der Simulationseinheit 23 kann zusätzlich eine zukünftige Bewegung und/oder Deformation des Katheters beim Zurückziehen des Führungsrades des Katheters simuliert werden. Die Simulationseinheit 23 ist hierbei datentechnisch mit einer Darstellungseinrichtung 31 verbunden, die die Darstellung des von der Simulationseinheit 23 erzeugten, augmentierten 3D-Modells erlaubt.
In 2 ist ein schematisches Flussdiagramm eines vorgeschlagenen Verfahrens dargestellt. Hierbei erfolgt in einem ersten Schritt S1 die Erzeugung eines 3D-Modells eines gewünschten Navigationsbereiches in Abhängigkeit von präoperativ erzeugten 3D-Bilddaten. Bei einer Navigation von Herzkathetern kann z. B. ein 3D-Modell der Aorta und der damit verbundenen relevanten anatomischen Strukturen wie Carotis, Subclavia, Koronararterien, Aortenklappen und weiteren anatomischen Strukturen erzeugt werden.
In einem Zwischenschritt S1a erfolgt eine Auswahl eines Katheters, der für die vorliegende Anatomie, die in Abhängigkeit des 3D-Bilddatensatzes bestimmt werden kann, eine geeignete Geometrie, beispielsweise einen geeigneten Winkel oder eine geeignete Krümmung, aufweist. Die Auswahl kann hierbei in Abhängigkeit von Eigenschaften des Katheters, beispielsweise einer geometrischen Form des Katheters und eines Deformationsverhaltens des Katheters, sowie in Abhängigkeit der vorliegenden Anatomie, die in Abhängigkeit des 3D-Bilddatensatzes analysiert wird, erfolgen. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise aus einer großen Anzahl von möglichen Kathetern der am besten geeignetste Katheter ausgewählt werden. Der am besten geeignete Katheter kann z. B. der Katheter sein, der aufgrund seiner Eigenschaften bei der Durchführung durch ein Blutgefäß mit einem vorbekannten Gefäßverlauf möglichst wenig Berührungspunkte mit einer Gefäßwand aufweist. Dieses Verfahren kann im Zwischenschritt S1a automatisiert erfolgen. Weiter erfolgt in einem zweiten Schritt eine Erzeugung eines 2D-Durchleuchtungsbildes des Navigationsbereiches, insbesondere die Erzeugung einer 2D-Angiographieaufnahme.
In einem dritten Schritt S3 wird eine Bildposition zumindest eines Teils des Katheters im 2D-Durchleuchtungsbild bestimmt. Insbesondere kann eine Katheterspitze in der 2D-Angiographie interaktiv oder automatisch bestimmt oder markiert werden. Auch kann ein Katheterverlauf zumindest in einem Teilbereich des Untersuchungsbereiches, z. B. im Bereich der aufsteigenden Aorta, bestimmt werden.
In einem vierten Schritt S4 erfolgt eine intraoperative Registrierung der 2D-Angiographieaufnahme und des 3D-Bilddatensatzes. Hierbei kann die POSE des in 1 dargestellten C-Bogens 25 in Abhängigkeit von Punktstrukturen der in 3 dargestellten Markerplatte 1 bestimmt werden. Ist auf derartige Weise die POSE des C-Bogens 25 bestimmt, kann der C-Bogen bzw. ein Bildkoordinatensystem des C-Bogens 25 auf ein Koordinatensystem des 3D-Bilddatensatzes registriert werden. Hierdurch kann ein lage- und orientierungsrichtiges, korrespondierendes DRR aus dem 3D-Bilddatensatz generiert werden.
In einem fünften Schritt S5 erfolgt eine Einblendung zumindest eines Teils des Katheters in das 3D-Modell in Abhängigkeit der zuvor bestimmten Bildposition des Katheters und in Abhängigkeit von Materialeigenschaften sowie geometrischen Eigenschaften des Katheters. Hierbei erfolgt also eine Übertragung der zuvor extrahierten Katheterposition auf das 3D-Modell und eine virtuelle dreidimensionale Einblendung des Katheters im 3D-Modell.
Weiter kann in einem sechsten Schritt S6 eine Simulation bzw. Animation einer Verformung der Katheterspitze erfolgen, wenn an der aktuellen Position des Katheters der Führungsdraht aus dem Katheter zurückgezogen wird. Hierbei kann die Simulation bzw. Animation unter Verwendung des Kathetermodells sowie eines Modells der Aorta erfolgen.
Somit wird ein kombiniertes System für die Navigation von medizinischen Instrumenten, insbesondere (Herz-)Kathetern, und deren Bewegungs- und/oder Deformationssimulation während des Eingriffs vorgestellt. Hierbei werden präoperativ erzeugte 3D-Bilddaten sowie Modellparameter von verwendeten medizinischen Instrumenten und intraoperativ erzeugte 2D-Durchleuchtungsbilder, z. B. 2D-Angiographieaufnahmen, verknüpft. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise auf Basis der 3D-Daten einerseits einen am besten geeigneten Katheter aus einer großen Anzahl von verfügbaren Kathetern auszuwählen (präoperative Planung) und andererseits die in den 2D-Durchleuchtungsbildern sichtbare Position des Katheters auf die präoperativ generierten 3D-Bilddaten zu übertragen. Somit kann eine Lage und Orientierung des Katheters präzise dargestellt und somit auch präzise gesteuert werden (intraoperative Navigation).
Darüber hinaus ist es auch möglich, eine zu erwartende Bewegung und/oder Deformation des Katheters beim Zurückziehen des Führungsdrahtes während der Intervention mit klinisch ausreichender Genauigkeit zu simulieren und damit dem behandelnden Arzt zusätzliche Informationen bereitzustellen. Neben der Katheternavigation sind selbstverständlich weitere klinische Anwendungen denkbar, wobei bildbasiert ein Instrument verfolgt und eine Position und Orientierung relativ zu einem Untersuchungsbereich bestimmt werden muss. Z. B. kann eine solche Navigation in der Bronchoskopie, Koloskopie, in einer Magenspiegelung und allen NOTES-Anwendungen erfolgen. In Bereichen, wo flexible medizinische Instrumente vordefinierte Formänderungen durchlaufen, kann eine Simulation bzw. Animation der Deformation des virtuellen Instruments, um dessen geänderte Position und/oder Orientierung abzuschätzen, ebenfalls hilfreich sein.
Ein wesentlichen Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens und Vorrichtung besteht darin, dass ein Verletzungsrisiko des Patienten minimiert wird, da eine Sicherheit des Eingriffs erhöht wird.
Weiterhin kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der vorgeschlagenen Vorrichtung eine durchschnittliche Behandlungszeit deutlich reduziert werden.
In 3 ist eine Draufsicht auf eine als Markerplatte 1 ausgebildete Markeranordnung dargestellt. Die Markerplatte 1 hat z. B. eine Größe von 100 cm × 51 cm. Die Markerplatte 1 weist eine Mehrzahl von abbildbaren Punktstrukturen 2, A, B, C, D auf. Der Einfachheit halber ist in 3 exemplarisch nur eine Punktstruktur 2 mit einem Bezugszeichen versehen. Weiter weist die Markerplatte 1 abbildbare Längsstrukturen 3 auf. Ebenfalls sind der Einfachheit halber nur einige Längsstrukturen 3 in 3 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 angeordnet. Ebenfalls sind die Längsstrukturen 3 derart angeordnet, dass ihre zentrale Längsachse einer solchen Radiallinie 4 entspricht. Alle Radiallinien 4 schneiden sich in einem gemeinsamen Mittelpunkt 5.
Weiter sind die Strukturkoordinaten der Punktstrukturen 2, A, B, C, D entlang einer Radiallinie 4 derart angeordnet, dass die Strukturkoordinaten jeweils in einem Schnittpunkt der Radiallinie 4 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 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.
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 ausbilden. Exemplarisch ist in 2 nur eine einzige kollineare Punktemenge dargestellt, die vier Punktstrukturen A, B, C, D umfasst. Die Punktstrukturen A, B, C, D einer kollinearen Punktemenge sind hierbei entlang einer Geraden angeordnet. Diese Gerade entspricht einer Radiallinie. Für jede kollineare Punktemenge ist ein punktbasiertes Doppelverhältnis in Abhängigkeit der Strukturkoordinaten der Punktstrukturen A, B, C, D der jeweiligen kollinearen Punktemenge bestimmbar.
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 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 bestimmbar ist.
Weiter sind die kollinearen Punktemengen derart angeordnet, dass die Radiallinien 4, die durch die Strukturkoordinaten der Punktstrukturen 2, A, B, C, D der kollinearen Punktemengen definiert sind, eine Mehrzahl von Linienmengen ausbilden.
Auf oder in der Markerplatte 1 sind die Punktstrukturen 2 derart angeordnet, dass eine kollineare Punktemenge 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 bestimmbar ist, und ein winkelbasiertes Doppelverhältnis umfasst, welches in Abhängigkeit einer Linienmenge bestimmbar ist, die eine Radiallinie umfasst, die durch die Strukturkoordinaten der Punktstrukturen A, B, C, D der kollinearen Punktemenge definiert wird. Hierbei ist die Radiallinie die erste Gerade der Linienmenge.
In 3 ist dargestellt, dass Strukturkoordinaten von Punktstrukturen 2, A, B, C, D entlang von Radiallinien 4 angeordnet sind. Diese Punktstrukturen 2, A, B, C, D sind derart angeordnet, dass für jede Radiallinie 4 mehrere kollineare Punktemengen entlang der jeweiligen Radiallinie 4 angeordnet sind. Hierbei sind die Punktstrukturen derart entlang der Radiallinie 4 angeordnet, dass die punktbasierten Doppelverhältnisse aller entlang der Radiallinie 4 angeordneten kollinearen Punktemengen voneinander verschieden sind. Wird nur eine erste Radiallinie 4 betrachtet, so kann eine kollineare Punktemenge, welche entlang dieser Radiallinie 4 angeordnet ist, eindeutig durch ihr Doppelverhältnis charakterisiert werden. Jedoch ist zu beachten, dass Doppelverhältnisse von kollinearen Punktemengen, die entlang z. B. einer benachbarten angeordnet sind, gleich Doppelverhältnissen von kollinearen Punktemengen sein können, die entlang der ersten Radiallinie 4 angeordnet sind.
Die Markerplatte 1 ist hierbei weiter derart ausgebildet, dass winkelbasierte Doppelverhältnisse aller durch die Radiallinien 4 gebildeten Linienmengen voneinander verschieden sind. Somit kann eine bestimmte kollineare Punktemenge eindeutig durch ein winkelbasiertes Doppelverhältnis einer Linienmenge, welche eine Radiallinie 4 umfasst, entlang derer die kollineare Punktemenge angeordnet ist, und ein punktbasiertes Doppelverhältnis der kollinearen Punktemenge identifiziert werden, da diese Kombination aus winkelbasiertem Doppelverhältnis und punktbasiertem Doppelverhältnis für jede kollineare Punktemenge der Markerplatte 1 verschieden ist.

Claims

Verfahren zur Bildunterstützung bei der Navigation eines in einen Navigationsbereich eines Patienten eingebrachten medizinischen Instruments, umfassend folgende Verfahrensschritte: – eine präoperative Erzeugung eines 3D-Bilddatensatzes zumindest eines Teils des Navigationsbereichs, – Erzeugung eines 2D-Durchleuchtungsbildes zumindest eines Teils des Navigationsbereichs, – Bestimmung einer Bildposition zumindest eines Teils des medizinischen Instruments im 2D-Durchleuchtungsbild, – Registrierung des 2D-Durchleuchtungsbildes mit dem 3D-Bilddatensatz, – Einblendung zumindest eines Teils des medizinischen Instruments in ein aus dem 3D-Bilddatensatz erzeugtes 3D-Modell in Abhängigkeit der Bildposition des medizinischen Instruments und in Abhängigkeit von Eigenschaften des medizinischen Instruments, wobei Eigenschaften des medizinischen Instruments Materialeigenschaften und/oder geometrische Eigenschaften des medizinischen Instruments sind, wobei das 2D-Durchleuchtungsbild von einem bildgebenden System erzeugt wird, wobei die Registrierung des 2D-Durchleuchtungsbildes mit dem 3D-Bilddatensatz in Abhängigkeit eines externen Referenzmusters erfolgt, wobei zumindest ein Teilbereich des Referenzmusters in das 2D-Durchleuchtungsbild des bildgebenden Systems abgebildet wird, wobei abgebildete Referenzmusterstrukturen detektiert und deren Bildkoordinaten bestimmt werden, wobei in Abhängigkeit von korrespondierenden Bildpunktkoordinaten und Strukturkoordinaten der Referenzmusterstrukturen eine Position und Orientierung des bildgebenden Systems relativ zum Referenzmuster bestimmt wird, wobei das Referenzmuster als Markeranordnung ausgebildet ist, wobei die Markeranordnung zumindest in einem Teilbereich der Markeranordnung mindestens eine Mehrzahl von abbildbaren Punktstrukturen (2, A, B, C, D) aufweist, wobei jede Punktstruktur (2, A, B, C, D) derart ausgebildet sind, dass der Punktstruktur (2, A, B, C, D) eine eindeutige Strukturkoordinate in einem Koordinatensystem der Markeranordnung zuordenbar ist, wobei die Punktstrukturen (2, A, B, C, D) in dem Teilbereich derart angeordnet sind, dass diese eine Mehrzahl von kollinearen Punktemengen ausbilden, wobei für jede kollineare Punktemenge ein punktbasiertes Doppelverhältnis in Abhängigkeit der Strukturkoordinaten der Punktstrukturen (2, A, B, C, D) der kollinearen Punktemenge bestimmbar ist, wobei abgebildete kollineare Bildpunktemengen detektiert werden, wobei für jede kollineare Bildpunktemenge ein Merkmalsvektor bestimmt wird, wobei jeder der Merkmalsvektoren mindestens ein punktbasiertes Doppelverhältnis umfasst, welches in Abhängigkeit der Bildkoordinaten der abgebildeten Punktstrukturen der jeweiligen kollinearen Bildpunktemenge bestimmt wird, wobei in Abhängigkeit des jeweiligen Merkmalsvektors jeweils eine Zuordnung der kollinearen Bildpunktemenge zu der korrespondierenden kollinearen Punktemenge der Markeranordnung erfolgt, wobei in Abhängigkeit von korrespondierenden Bildpunktkoordinaten und Strukturkoordinaten eine Position und Orientierung des bildgebenden Systems bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zusätzlich modellbasiert eine zukünftige Bewegung und/oder Deformation zumindest eines Teils des medizinischen Instruments bestimmt und im 3D-Modell eingeblendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das medizinische Instrument ein Katheter mit mindestens einem Führungsdraht ist, wobei die modellbasierte Bestimmung der zukünftige Bewegung und/oder Deformation zumindest eines Teils des Katheters unter der Annahme, dass der mindestens eine Führungsdraht entfernt ist, bestimmt und im 3D-Modell eingeblendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem Referenzmuster an einem Patiententisch (26) befestigt ist.
Vorrichtung zur Bildunterstützung bei der Navigation eines in einen Navigationsbereichs eines Patienten eingebrachten medizinischen Instruments, wobei die Vorrichtung (20) eine Modellierungseinheit (21), eine Navigationseinheit (22) und eine Simulationseinheit (23) umfasst, wobei mittels der Modellierungseinheit (21) ein 3D-Modell zumindest eines Teils des Navigationsbereichs in Abhängigkeit eines präoperativ erzeugten 3D-Bilddatensatzes erzeugbar ist, wobei mittels der Navigationseinheit (22) in einem intraoperativ erzeugten 2D-Durchleuchtungsbild zumindest eines Teils des Navigationsbereichs eine Bildposition zumindest eines Teils des medizinischen Instruments bestimmbar und das 2D-Durchleuchtungsbild mit dem 3D-Bilddatensatz registrierbar ist, wobei mittels der Simulationseinheit (23) zumindest ein Teil des medizinischen Instruments in einem aus dem 3D-Bilddatensatz erzeugten 3D-Modell in Abhängigkeit der Bildposition des medizinischen Instruments und in Abhängigkeit von Eigenschaften des medizinischen Instruments einblendbar ist, wobei Eigenschaften des medizinischen Instruments Materialeigenschaften und/oder geometrische Eigenschaften des medizinischen Instruments sind, wobei die Vorrichtung (1) zusätzlich ein externes Referenzmuster und ein bildgebendes System zur Erzeugung des 2D-Durchleuchtungsbildes umfasst, wobei die Registrierung des 2D-Durchleuchtungsbildes mit dem 3D-Bilddatensatz in Abhängigkeit des externen Referenzmusters erfolgt, wobei das bildgebende System und das Referenzmuster derart zueinander angeordnet sind, dass zumindest ein Teilbereich des Referenzmusters in das 2D-Durchleuchtungsbild des bildgebenden Systems abbildbar ist, wobei mittels der Navigationseinheit (22) abgebildete Referenzmusterstrukturen detektierbar und deren Bildkoordinaten bestimmbar sind, wobei in Abhängigkeit von korrespondierenden Bildpunktkoordinaten und Strukturkoordinaten der Referenzmusterstrukturen eine Position und Orientierung des bildgebenden Systems relativ zum Referenzmuster bestimmbar ist, wobei das Referenzmuster als Markeranordnung ausgebildet ist, wobei die Markeranordnung zumindest in einem Teilbereich der Markeranordnung mindestens eine Mehrzahl von abbildbaren Punktstrukturen (2, A, B, C, D) aufweist, wobei jede Punktstruktur (2) derart ausgebildet sind, dass der Punktstruktur (2, A, B, C, D) eine eindeutige Strukturkoordinate in einem Koordinatensystem der Markeranordnung zuordenbar ist, wobei die Punktstrukturen (2, A, B, C, D) in dem Teilbereich derart angeordnet sind, dass diese eine Mehrzahl von kollinearen Punktemengen ausbilden, wobei für jede kollineare Punktemenge ein punktbasiertes Doppelverhältnis in Abhängigkeit der Strukturkoordinaten der Punktstrukturen (2, A, B, C, D) der kollinearen Punktemenge bestimmbar ist, wobei die Punktstrukturen (2, A, B, C, D) in dem Teilbereich derart angeordnet sind, dass eine jeweilige kollineare Punktemenge eindeutig durch einen Merkmalsvektor charakterisierbar ist, wobei der jeweilige Merkmalsvektor mindestens ein punktbasiertes Doppelverhältnis umfasst, welches in Abhängigkeit der Strukturkoordinaten der Punktstrukturen (2, A, B, C, D) der jeweiligen kollinearen Punktemenge bestimmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der das Referenzmuster an einem Patiententisch (26) befestigt ist.