DE102013216459A1

DE102013216459A1 - Medizinisches Instrument und Verfahren zur Lokalisierung eines medizinischen Instruments

Info

Publication number: DE102013216459A1
Application number: DE201310216459
Authority: DE
Inventors: Frank Dennerlein
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2015-02-26
Anticipated expiration: 2033-08-21
Also published as: DE102013216459B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein medizinisches Instrument, das zumindest teilweise aus einem Werkstoff besteht, der im Inneren eine codierte Mikrostruktur aufweist, die in einem Röntgenbild darstellbar ist. Ein derartiges medizinisches Instrument ist in einem Röntgenbild präzise lokalisierbar.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Lokalisierung eines medizinischen Instruments, das eine codierte Mikrostruktur aufweist, umfassend folgende Schritte:
– Aufnahme von wenigstens zwei Projektionsbildern der Region, in der sich das medizinische Instrument befindet, in einem vorgebbaren Winkelbereich,
– Anwendung eines Tomosynthese-Rekonstruktionsverfahrens,
– Ermittlung der Position des medizinischen Instruments anhand der codierten Mikrostruktur innerhalb wenigstens eines Projektionsbildes und
– Darstellung der ermittelten Position des medizinischen Instruments im Tomosynthese-Volumen.
Durch ein derartiges Verfahren ist ein medizinisches Instrument in einem Röntgenbild präzise lokalisierbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein medizinisches Instrument sowie ein Verfahren zur Lokalisierung eines medizinischen Instruments.
In der Chirurgie, der Angiografie und der Neurologie haben in den letzten Jahren minimal-invasive chirurgische Eingriffe (Interventionen) und entsprechende medizinische Behandlungsmethoden (Prozeduren) signifikant an Bedeutung gewonnen. Derartige medizinische Anwendungen (Applikationen) müssen durch bildgebende Verfahren, typischerweise durch Röntgenbilder auf medizinischen C-Bogen-Systemen unterstützt werden. Hierbei ist die Darstellung der medizinischen Instrumente für eine Lokalisierung und für eine Navigation zwingend erforderlich. Für umfassendere Aussagen ist darüber hinaus eine 3D-Positionsinformation erwünscht, die während eines chirurgischen Eingriffes gegebenenfalls auch häufiger und vorzugsweise ohne eine große zeitliche Verzögerung erfolgen sollte.
Mit einer 3D-Kegelstrahlrekonstruktion besitzen medizinische C-Bogen-Systeme prinzipiell technische Verfahren, mit denen medizinische Instrumente und deren Umgebung räumlich dargestellt werden können. Für eine qualitativ gute räumliche Darstellung der Instrumente ist eine 200° Drehung des C-Bogens um den Patienten herum notwendig. Daraus resultieren eine entsprechend höhere Röntgendosis und eine entsprechend längere Aufnahmezeit.
Eine Röntgenbildgebung mittels Tomosynthese, beispielsweise mit einer Abdeckung von 50° bis 100°, würde zwar sowohl die Aufnahmezeit als auch die Röntgendosis wesentlich verringern. Wegen der ungenauen Tiefendarstellung von homogenen Objekten liefert die Tomosynthese allerdings keine präzisen 3D-Informationen für die heute verwendeten medizinischen Instrumente.
Zur Darstellung von Instrumenten werden beispielsweise magnetische oder optische Navigationssysteme und damit zusätzliche Hardware in ein Röntgensystem integriert. Für eine gleichzeitige Darstellung eines Patientenbildes ist eine separate Aufnahme nötig.
Weiterhin ist es bekannt, Stereo-Bildgebungsansätze auf Bi-Plan-Röntgensystemen zur Lokalisation von medizinischen Instrumenten zu verwenden. Diese Lösungen benötigen zwei Bildketten aus jeweils einer Röntgenstrahlungsquelle sowie einem zugehörigen Röntgendetektor und sind deshalb konstruktiv entsprechend aufwändig und teuer. Tomografische Bildinformationen werden hierbei nicht generiert. Ein derartiges Bi-Plan-Röntgensystem ist z. B. aus der DE 10 2010 019 989 A1 bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein medizinisches Instrument zu schaffen, das in einem Röntgenbild präzise lokalisierbar ist.
Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur präzisen Lokalisierung eines medizinischen Instruments in einem Röntgenbild zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein medizinisches Instrument gemäß Anspruch 1 gelöst.
Weiterhin wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst.
Das medizinische Instrument nach Anspruch 1 besteht erfindungsgemäß zumindest teilweise aus einem Werkstoff, der im Inneren eine codierte Mikrostruktur aufweist, die in einem Röntgenbild darstellbar ist.
Der Begriff "medizinisches Instrument" umfasst im vorliegenden Fall alle Gegenstände, die im weitesten Sinne zu therapeutischen oder diagnostischen Zwecken in der Medizin verwendet werden. Ein medizinisches Instrument gemäß der vorgenannten Definition dient somit z.B. zu invasiven bzw. interventionellen Eingriffen. Das medizinische Instrument ist hierzu in ein Untersuchungsobjekt einführbar oder in einem Untersuchungsobjekt platzierbar. Zu den medizinischen Instrumenten zählen beispielsweise chirurgische Werkzeuge (z.B. Nadeln, Scheren, Skalpelle, Klemmen, Pinzetten, Zangen), Katheter, Endoskope oder Implantate (z.B. Stents, künstliches Gewebe aus Gaze).
Dadurch, dass der Werkstoff die codierte Mikrostruktur erfindungsgemäß im Inneren aufweist, besitzt die Oberfläche des medizinischen Instruments gemäß Anspruch 1 keine höhere Rauigkeit als die bekannten medizinischen Instrumente, die aus homogenen Werkstoffen bestehen. Das medizinische Instrument gemäß der Erfindung entspricht damit vollständig den in der Medizin gestellten Anforderungen.
Im Rahmen der Erfindung kann das medizinische Instrument vollständig aus einem Werkstoff hergestellt sein, der im Inneren eine codierte Mikrostruktur aufweist. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig. Für bestimmte Anwendungsfälle genügt es bereits oder es ist sogar günstiger, wenn das medizinische Instrument lediglich teilweise aus einem Werkstoff besteht, der im Inneren eine codierte Mikrostruktur aufweist. So ist es zum Beispiel möglich, dass lediglich die Teile eines medizinischen Instruments aus einem durch eine Mikrostruktur codierten Werkstoff bestehen, die während eines medizinischen Eingriffs oder bei einer Kontrolluntersuchung im Röntgenbild darstellbar sein müssen.
Zu den Werkstoffen, die aufgrund der im Inneren vorhandenen codierten Mikrostruktur für die Herstellung eines erfindungsgemäßen medizinischen Instruments geeignet sind, zählen beispielsweise Kunststoffe wie Polyetheretherketon (PEEK). Es sind jedoch auch andere Werkstoffe geeignet. Voraussetzung hierfür ist lediglich, dass nach der Herstellung des medizinischen Instruments die codierte und im Röntgenbild darstellbare Mikrostruktur nicht auf der Oberfläche des Werkstoffs, sondern nur im Inneren des Werkstoffs vorhanden ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des medizinischen Instruments ist der codierte Werkstoff als Beschichtung aufgebracht (Anspruch 2). Auch bei dieser Ausgestaltung des medizinischen Instruments ist die codierte Mikrostruktur, die im Röntgenbild darstellbar ist, nur im Inneren des Werkstoffs und damit nicht auf der Oberfläche des medizinischen Instruments vorhanden. Eine derartige Lösung ist fertigungstechnisch vorteilhaft, da die Beschichtung nachträglich auf das medizinische Instrument aufgebracht werden kann. Damit können auf einfache Weise sowohl medizinische Instrumente ohne Codierung als auch medizinische Instrumente mit der erfindungsgemäßen Codierung zunächst in einer gemeinsamen Fertigungslinie hergestellt werden und anschließend der gewünschte Fertigungsanteil einer Beschichtung (Coating) zugeführt werden. Auf diese Weise können auch medizinische Instrumente von Fremdherstellern nachträglich mit einer codierten Mikrostruktur versehen werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Mikrostruktur durch Einschlüsse im Inneren des Werkstoffs gebildet (Anspruch 3). Die Einschlüsse können hierbei z.B. eine kugelförmige Struktur (Anspruch 4) und/oder eine zylinderförmige Struktur (Anspruch 5) und/oder eine kegelförmige Struktur (Anspruch 6) aufweisen. Auch andere geometrische Formen, wie z.B. Rechteck, Pyramide, sind ebenfalls für die Einschlüsse realisierbar.
Die Tomosynthese bietet – wie aus der Erkennung von Mikrokalzifikationen in der digitalen Brust-Tomosynthese bekannt – eine hervorragende Tiefenauflösung von kleinen, scharf abgegrenzten Objekten. Damit eignen sich insbesondere Werkstoffe, die im Inneren Einschlüsse mit einer Größe zwischen ca. 100 µm und ca. 500 µm aufweisen (Anspruch 7) und/oder die Einschlüsse mit einem Abstand von ca. 100 µm bis ca. 500 µm zueinander aufweisen (Anspruch 8).
Vorzugsweise sind die die Einschlüsse nach zumindest einer der folgenden Strukturen angeordnet: linear, kreisförmig, räumlich, Koordinatenkreuz (Anspruch 9). Somit ist für die Einschlüsse auch eine Kombination aus wenigstens zwei verschieden Strukturen realisierbar. Die Einschlüsse sind hierbei vorzugsweise gemäß einer vorgegebenen Abfolge angeordnet (Anspruch 10).
Wie aus der Beschreibung der Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen 3 bis 10 ersichtlich ist, kann für die betreffende Röntgenbildgebung, z.B. Tomografie oder Tomosynthese, jeweils das Material mit einer optimalen codierten Mikrostruktur ausgewählt werden.
Für eine Lokalisierung des medizinischen Instruments gemäß Anspruch 1 sowie der entsprechenden vorteilhaften Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen 2 bis 10 ist ein Verfahren gemäß Anspruch 11 geeignet.
Das Verfahren gemäß Anspruch 11 zur Lokalisierung eines medizinischen Instruments, das eine codierte Mikrostruktur aufweist, umfasst erfindungsgemäß folgende Schritte:

– Aufnahme von wenigstens zwei Projektionsbildern der Region, in der sich das medizinische Instrument befindet, in einem vorgebbaren Winkelbereich,
– Anwendung eines Tomosynthese-Rekonstruktionsverfahrens,
– Ermittlung der Position des medizinischen Instruments anhand der codierten Mikrostruktur innerhalb wenigstens eines Projektionsbildes und
– Darstellung der ermittelten Position des medizinischen Instruments im Tomosynthese-Volumen.

Der Winkelbereich, indem die Aufnahme wenigstens eines Projektionsbildes vorgenommen wird, liegt vorzugsweise zwischen ca. 40° und ca. 70°.
In dem Tomosynthese-Rekonstruktionsverfahren wird die innerhalb des Werkstoffs vorhandene codierte Mikrostruktur gut dargestellt, da im Tomosynthese-Volumen des Projektionsbildes eine sehr gute Tiefeninformation liefert. Ein homogener, im Röntgenbild gleichförmig schwächender Gegenstand wäre demgegenüber nur sehr unscharf dargestellt und nicht genau zu lokalisieren. Das Verfahren gemäß Anspruch 11 ermöglicht somit eine zuverlässige Lokalisierung eines medizinischen Instruments gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
Falls eine Positionierung oder eine Navigation des medizinischen Instruments erforderlich sein sollte, ist es zweckmäßig, diese Positionierung bzw. Navigation mithilfe eines Verfahrens nach Anspruch 12 durchzuführen.
Das Verfahren nach Anspruch 12 umfasst folgende Schritte:

– Berechnung von geometrischen Größen (z.B. Winkel, Abstände usw.) und daraus
– Positionierung und/oder Navigation des medizinischen Instruments.

Das Verfahren gemäß Anspruch 12 ermöglicht eine zuverlässige Positionierung sowie eine zuverlässige Navigation eines medizinischen Instruments gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
Die Aufnahme von Projektionsbildern der Region, in der sich das medizinische Instrument befindet, kann beispielsweise gemäß den im Anspruch 13 beschriebenen Verfahrensschritten durchgeführt werden.
Gemäß Anspruch 13 umfasst die Aufnahme des Projektionsbildes hierbei die folgenden Schritte:

– Vorgabe einer Tomosynthese-Geometrie,
– Bestimmung der Tomosynthese-Punktbildfunktion (Point Spread Function – PSF),
– Faltung eines Abbildes der codierten Mikrostruktur mit der Tomosynthese-Punktbildfunktion,
– Berechnung eines Kontrasts des gefalteten Abbildes und
– Anpassung der Tomosynthese-Geometrie und iteratives Durchlaufen der vorherigen Schritte, bis der Kontrast einen geforderten Mindestwert aufweist.

Für die Ermittlung der Position des medizinischen Instruments anhand der codierten Mikrostruktur innerhalb wenigstens eines Projektionsbildes kommt es darauf an, ob eine genaue Kenntnis der Kontur des medizinischen Instruments vorliegt oder nicht.
Ohne eine genaue Kenntnis der Kontur des medizinischen Instruments, also beispielsweise bei flexibel deformierbaren medizinischen Instrumenten (z.B. Katheter, Endoskop) ist ein Verfahren gemäß Anspruch 14 vorteilhaft anwendbar.
Das Verfahren nach Anspruch 14 umfasst folgende Schritte für die Ermittlung der Position des medizinischen Instruments anhand der codierten Mikrostruktur:

– Berechnung einer Wahrscheinlichkeit für das Vorhandensein der codierten Mikrostruktur für jeden Bildpunkt im Tomosynthese-Volumen,
– Segmentierung des Bereichs im Tomosynthese-Volumen, der eine hohe Wahrscheinlichkeit für das Vorhandensein der codierten Mikrostruktur besitzt, und
– Speicherung des segmentierten Bereichs.

Bei einer genauen Kenntnis der Kontur des medizinischen Instruments (z.B. chirurgische Nadeln, Scheren, starre Implantate) ist ein Verfahren gemäß Anspruch 15 vorteilhaft durchführbar.
Das Verfahren nach Anspruch 15 umfasst folgende Schritte für die Ermittlung der Position des medizinischen Instruments anhand der codierten Mikrostruktur:

– Registrierung des bekannten Modells des medizinischen Instruments in dem Tomosynthese-Volumen und
– Speicherung der Registrierungsergebnisse.

Vorzugsweise werden hierfür hochfrequente Bildmerkmale im Tomosynthese-Volumen verwendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010019989 A1 [0006]

Claims

Medizinisches Instrument, das zumindest teilweise aus einem Werkstoff besteht, der im Inneren eine codierte Mikrostruktur aufweist, die in einem Röntgenbild darstellbar ist.
Medizinisches Instrument nach Anspruch 1, wobei der codierte Werkstoff als Beschichtung aufgebracht ist.
Medizinisches Instrument nach Anspruch 1, wobei die Mikrostruktur durch Einschlüsse im Inneren des Werkstoffes gebildet ist.
Medizinisches Instrument nach Anspruch 3, wobei die Einschlüsse eine kugelförmige Struktur besitzen.
Medizinisches Gerät nach Anspruch 3, wobei die Einschlüsse eine zylinderförmige Struktur aufweisen.
Medizinisches Gerät nach Anspruch 3, wobei die Einschlüsse eine kegelförmige Struktur aufweisen.
Medizinisches Gerät nach Anspruch 3, wobei die Einschlüsse eine Größe zwischen ca. 100 µm und ca. 500 µm aufweisen.
Medizinisches Gerät nach Anspruch 3, wobei die Einschlüsse einen Abstand zueinander von ca. 100 µm bis ca. 500 µm aufweisen.
Medizinisches Gerät nach Anspruch 3, wobei die Einschlüsse nach zumindest einer der folgenden Strukturen angeordnet sind: linear, kreisförmig, räumlich, Koordinatenkreuz.
Medizinisches Gerät nach Anspruch 3, wobei die Einschlüsse gemäß einer vorgegebenen Abfolge angeordnet sind.
Verfahren zur Lokalisierung eines medizinischen Instruments, das eine codierte Mikrostruktur aufweist, umfassend folgende Schritte: – Aufnahme von wenigstens zwei Projektionsbildern der Region, in der sich das medizinische Instrument befindet, in einem vorgebbaren Winkelbereich, – Anwendung eines Tomosynthese-Rekonstruktionsverfahrens, – Ermittlung der Position des medizinischen Instruments anhand der codierten Mikrostruktur innerhalb wenigstens eines Projektionsbildes und – Darstellung der ermittelten Position des medizinischen Instruments im Tomosynthese-Volumen.
Verfahren nach Anspruch 11, umfassend folgenden Schritt: – Berechnung von geometrischen Größen und daraus – Positionierung und/oder Navigation des medizinischen Instruments.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Aufnahme des Projektionsbildes folgende Schritte umfasst: – Vorgabe einer Tomosynthese-Geometrie, – Bestimmung der Tomosynthese-Punktbildfunktion, – Faltung eines Abbildes der codierten Mikrostruktur mit der Tomosynthese-Punktbildfunktion, – Berechnung eines Kontrasts des gefalteten Abbildes und – Anpassung der Tomosynthese-Geometrie und iteratives Durchlaufen der vorherigen Schritte, bis der Kontrast einen geforderten Mindestwert aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Ermittlung der Position des medizinischen Instruments anhand der codierten Mikrostruktur folgende Schritte umfasst: – Berechnung einer Wahrscheinlichkeit für das Vorhandensein der codierten Mikrostruktur für jeden Bildpunkt im Tomosynthese-Volumen, – Segmentierung des Bereichs im Tomosynthese-Volumen, der eine hohe Wahrscheinlichkeit für das Vorhandensein der codierten Mikrostruktur besitzt, und – Speicherung des segmentierten Bereichs.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Ermittlung der Position des medizinischen Instruments anhand der codierten Mikrostruktur folgende Schritte umfasst: – Registrierung des bekannten Modells des medizinischen Instruments in dem Tomosynthese-Volumen und – Speicherung der Registrierungsergebnisse.