DE10201644A1

DE10201644A1 - Registrierungsprozedur bei projektiver intraoperativer 3D-Bildgebung

Info

Publication number: DE10201644A1
Application number: DE10201644A
Authority: DE
Inventors: Rainer Graumann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2002-01-17
Publication date: 2003-08-07
Also published as: US20030139663A1

Abstract

Registrierungsprozedur bei projektiver intraoperativer 3-D-Bildgebung zur Abbildung des 3-D-Patientenkoordinatensystems auf das 3-D-Bildkoordinatensystem, unter Verwendung von am Patienten befestigten Markerpunkten mit festen Positionen relativ zum darzustellenden Körperteil, deren Position durch die ins Bild einzublendenden Instrumente erfasst wird, wobei die Markerpunkte zumindest teilweise außerhalb des rekonstruierbaren 3-D-Volumens angeordnet sind, und wobei die Marker in wenigstens zwei 2-D-Projektionsbildern, aus denen das 3-D-Bild errechnet wird, erfasst und mithilfe der zu den jeweiligen 2-D-Projektionsbildern berechneten Projektionsmatrizen, die zur Rekonstruktion des 3-D-Volumensatzes ermittelt wurden, rückprojiziert und in Relation zu den Markerkoordinaten in Patientenkoordinatensystem gebracht werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Registrierungsprozedur bei projektiver intraoperativer 3D-Bildgebung zur Abbildung des 3D-Patientenkoordinatensystems auf das 3D-Bildkoordinatensystem, unter Verwendung von am Patienten befestigten Markerpunkten mit festen Positionen relativ zum darzustellenden Körperteil, deren Position durch die ins Bild einzublendenden Instrumente erfasst wird.
Die Verwendung von Navigationssystemen bei chirurgischen Operationen erfordert eine Registrierung (Koordinatentransformation) zwischen den Bildkoordinaten, den Instrumenten und dem Patienten.
Herkömmlich geschieht dies durch die Identifikation von anatomischen oder künstlichen Landmarken am Patienten, die sowohl im Bilddatensatz als auch über einen Navigationspointer direkt am Patienten identifiziert und deren Lage im jeweiligen Koordinatensystem bestimmt wird. Die Positionen dieser Punktpaare ermöglichen die Bestimmung der Transformationen zwischen den verschiedenen Koordinatensystemen.
Durch eine markerlose Registrierung wird die räumliche Beziehung zwischen der intraoperativen Bildgebungsmodalität und dem rekonstruierten 3D Datenkubus in einer Kalibrierungsprozedur bestimmt. Dafür muss die Position des Bildgebungsgerätes im Raum durch ein Navigationssystem bestimmt werden. Da die Positionen der Instrumente ebenfalls im Koordinatensystem des Navigationssystems bekannt sind, ist so eine Transformation zwischen dem Patienten und den Bildern möglich.
Bei einer einfacheren und besonders häufig verwendeten Form für die bildgebende Registrierung werden in dem zu rekonstruierenden Volumen Markerpunkte angebracht, die bei der intraoperativen Bildgebung im Bild sichtbar sind. Aus den Positionen der Markerpunkte im Bild und in den entsprechenden Positionen der realen Marker am Patienten lassen sich die erforderlichen Transformationen berechnen.
Bei den heutigen Verfahren mit derartigen Markerregistrierungen müssen die Markerpunkte alle im rekonstruierten Bild enthalten sein, was bei kleinen Volumina, wie bei den heutigen 3D-C-Bogengeräten, bei denen das rekonstruierte Bildvolumen 12 cm³ beträgt, kaum möglich ist. Darüber hinaus ist die Anbringung der Marker innerhalb des kleinen rekonstruierbaren 3D-Volumens, das ja auch das eigentliche Operationsgebiet darstellt, häufig aus Platzgründen oder weil es bei der Operation stört, nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Registrierungsprozedur bei projektiver intraoperativer 3D-Bildgebung mit am Patienten befestigten Markerpunkten so auszugestalten, dass die Markerpunkte einfacher und an nicht störenden Positionen angeordnet werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Markerpunkte zumindest teilweise außerhalb des rekonstruierbaren 3D-Volumens angeordnet sind, und dass die Marker in wenigstens zwei 2D-Projektionsbildern, aus denen das 3D-Bild errechnet wird, erfasst und mithilfe der zu den jeweiligen 2D-Projektionsbildern berechneten Projektionsmatrizen, die zur Rekonstruktion des 3D-Volumensatzes ermittelt wurden, rückprojiziert und in Relation zu den Markerkoordinaten im Patientenkoordinatensystem gebracht werden.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass die 2D- Projektionsbilder ein sehr viel größeres Gebiet erfassen, als das letztendlich aus diesen errechnete 3D-Volumen, sodass Markerpunkte auch außerhalb des errechneten 3D-Volumens in den 2D-Projektionsbildern sichtbar sind. Aus der Erkenntnis der einzelnen Projektionsgeometrien (Projektionsmatrizen) lassen sich die entsprechenden Marker aus den einzelnen Projektionsbildern in den 3D-Raum zurückprojizieren. Aus den Schnittpunkten der entsprechenden Geraden erhält man so die Position der Marker im 3D-Raum, ohne dass sie explizit im rekonstruierten Volumen enthalten sein müssen.

In Ausgestaltung der Erfindung kann dabei vorgesehen sein, dass die Marker zumindest teilweise auch außerhalb des Körpers des Patienten angeordnet sind, wobei selbstverständlich nach wie vor eine feste Position der Marker relativ zum darzustellenden Körperteil im rekonstruierten 3D-Volumen gegeben sein muss. Beispielsweise kann dies bei einem Eingriff an der Wirbelsäule dadurch geschehen, dass an einer relativ weit vom Eingriffsgebiet abgelegenen Stelle der Wirbelsäule außerhalb des Körpers liegende Marker über Verbindungsstifte mit einzelnen Wirbeln fest verbunden sind. Obgleich die Marker, zumindest teilweise, im 3D-Bild überhaupt nicht sichtbar sind, lässt sich eine Navigation der eingeblendeten Instrumente im 3D-Bild durchführen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung, die eine schematische Darstellung eines Messobjekts mit vier daran angebrachten Markern und den Verlauf der Projektionskegel der Marker bei der Erstellung zweier 2D-Projektionsaufnahmen aus unterschiedlichen Blickwinkeln, beispielsweise bei Verwendung eines C-Bogen Röntgengeräts, zeigt.

Die Anordnung des Röntgengeräts in der Position 1 bildet die vier Marker 2 bis 5 als Markerpunkte 2', 3', 4' und 5' im 2D- Projektionsbild 6 ab, das auch das eigentlich interessierende, also beispielsweise zu operierende Objekt 7 in einem rekonstruierbaren 3D-Volumen 8 enthält. In gleicher Weise werden die außerhalb des rekonstruierbaren 3D-Volumens 8angeordneten Marker 2 bis 5 aus der Bildgebungsposition 9 in ein zweites 2D-Bild 10 in den Positionen 2" bis 5" abgebildet.

Durch die Rückprojektion der Markerpunkte in das 3D-Volumen mittels bekannter Projektionsmatrizen lassen sich die Marker aus den einzelnen Projektionsbildern in den 3D-Raum rückprojizieren. Aus den Schnittpunkten der entsprechenden gestrichelten Geraden erhält man so die Position der Marker im 3D- Raum, ohne dass sie explizit im rekonstruierten Volumen 8 enthalten sein müssen. In der Praxis bedeutet dies, dass nicht alle Marker außerhalb des rekonstruierten Volumens 8 liegen müssen, dass aber zumindest einer eine solche versetzte Position aufweisen soll.

Claims

1. Registrierungsprozedur bei projektiver intraoperativer 3D- Bildgebung zur Abbildung des 3D-Patientenkoordinatensystems auf das 3D-Bildkoordinatensystem, unter Verwendung von am Patienten befestigten Markerpunkten mit festen Positionen relativ zum darzustellenden Körperteil, deren Position durch die ins Bild einzublendenden Instrumente erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Markerpunkte zumindest teilweise außerhalb des rekonstruierbaren 3D-Volumens angeordnet sind, und dass die Marker in wenigstens zwei 2D-Projektionsbildern, aus denen das 3D- Bild errechnet wird, erfasst und mithilfe der zu den jeweiligen 2D-Projektionsbildern berechneten Projektionsmatrizen, die zur Rekonstruktion des 3D-Volumensatzes ermittelt wurden, rückprojiziert und in Relation zu den Markerkoordinaten im Patientenkoordinatensystem gebracht werden.

2. Registrierungsprozedur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Marker zumindest teilweise außerhalb des Körpers des Patienten angeordnet sind.