DE102017223598B4 - Verfahren zur Registrierung beim Einstellen einer Ausrichtung eines Instruments und Robotersystem - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Registrierung beim Einstellen einer Ausrichtung eines Instruments (4) relativ zu einem Objekt (O) während einer Bearbeitung oder Behandlung dieses Objekts (O) mittels des Instruments (4),- wobei das Instrument (4) beweglich ist und mehrere Freiheitsgrade der Bewegung aufweist,- wobei bei der Behandlung oder Bearbeitung zumindest ein Arbeitsschritt vorgegeben ist, in welchem die Ausrichtung des Instruments (4) relativ zum Objekt (O) vorgegeben ist und in welchem die Einstellung der Ausrichtung lediglich bezüglich einer Teilanzahl der Freiheitsgrade erforderlich ist,- wobei jene Freiheitsgrade, bezüglich welcher eine Einstellung der Ausrichtung erforderlich ist, bestimmt werden und als relevante Freiheitsgrade gespeichert werden,- wobei ein drei-dimensionales Planungsbild des Objekts (O) bereitgestellt wird,- wobei mittels eines Bildgebungssystems (6) zumindest ein zwei-dimensionales Arbeitsbild des Objekts (O) erzeugt wird,- wobei das Arbeitsbild mit dem Planungsbild registriert wird, sodass sich für einige der Freiheitsgrade eine höhere Registrier-Genauigkeit ergibt als für die übrigen Freiheitsgrade,- wobei das Arbeitsbild in einer Blickrichtung (BR) aufgenommen wird, welche in Abhängigkeit der relevanten Freiheitsgrade derart ausgewählt wird, dass die relevanten Freiheitsgrade die Freiheitsgrade mit der höheren Registrier-Genauigkeit sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Registrierung beim Einstellen einer Ausrichtung eines Instruments und ein Robotersystem.
  • Die Behandlung oder Bearbeitung eines individuell geformten Objekts mittels eines Instruments erfordert regelmäßig eine ebenso individuelle Ausrichtung des Instruments relativ zu dem Objekt. Der eigentlichen Behandlung oder Bearbeitung geht daher regelmäßig eine Planungsphase voraus, in welcher eine individuelle Vorgehensweise geplant wird. Dies ist von besonderer Bedeutung bei der Behandlung von Patienten im klinischen Umfeld, wobei dann das Objekt ein Patient ist und die Behandlung oder Bearbeitung eine Operation oder sonstige Behandlung. Im Rahmen einer bildgestützten Behandlung wird vor einem z.B. chirurgischen Eingriff ein drei-dimensionales Planungsbild des Patienten oder zumindest der betroffenen Körperregion erstellt. Anhand dieses Planungsbilds wird dann die durchzuführende Behandlung geplant. Diese umfasst regelmäßig mehrere Arbeitsschritte, z.B. das Ansetzen eines Instruments an einer bestimmten Stelle oder die Führung eines Instruments entlang einer bestimmten Trajektorie.
  • Um die Behandlung oder Bearbeitung wie geplant durchzuführen, muss das Planungsbild mit der während der Behandlung oder Bearbeitung tatsächlich vorliegenden Situation in Übereinstimmung gebracht werden, d.h. das Objekt muss in eine definierte Beziehung zum Instrument gebracht werden. Dies erfolgt typischerweise im Rahmen einer sogenannten Registrierung, bei welcher nach dem Platzieren des Objekts und vor dem Eingriff ein oder mehrere Bilder erzeugt werden, welche dann mit dem Planungsbild verglichen und zur Deckung gebracht werden, d.h. insgesamt registriert werden. Bei zusätzlicher Kenntnis der Beziehung zwischen dem Instrument und den zusätzlichen Bildem kann dann die Ausrichtung des Instruments korrigiert werden, sodass die nachfolgende Behandlung oder Bearbeitung auch tatsächlich in der ursprünglich geplanten Weise - d.h. wie anhand des Planungsbilds beabsichtigt - durchgeführt wird.
  • In der DE 10 2013 214 479 A1 wird ein Verfahren zur Nachführung einer 2D-3D-Registrierung zwischen einem dreidimensionalen Bilddatensatz eines Zielbereichs und mehreren, während eines Behandlungsvorgangs aufgenommenen, zweidimensionalen Projektionsbildern des Zielbereichs beschrieben. Weiter wird eine Bewegungsinformation ermittelt, welche eine Bewegung eines Objekts im Zielbereich beschreibt. Die Registrierung wird dann gemäß der Bewegungsinformation aktualisiert.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Registrierung anzugeben, welches zu einer möglichst hohen Genauigkeit hinsichtlich der Ausrichtung des Instruments relativ zum Objekt führt, sodass eine Behandlung oder Bearbeitung am Objekt möglichst genau und wie ursprünglich geplant erfolgt. Weiterhin soll ein Robotersystem angegeben werden, welches zur Durchführung des verbesserten Verfahrens ausgebildet ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Registrierung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Robotersystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren sinngemäß auch für das Robotersystem und umgekehrt.
  • Das Verfahren dient zur Registrierung beim Einstellen einer Ausrichtung eines Instruments relativ zu einem Objekt während einer Behandlung oder Bearbeitung dieses Objekts mittels des Instruments. Das Verfahren ist demnach ein Registrier-Verfahren. Das Einstellen der Ausrichtung des Instruments sowie die Bearbeitung oder Behandlung des Objekts gehören nicht zum Registrier-Verfahren, sondern sind Teile anderer Verfahren. Die Durchführung des Registrier-Verfahrens erfolgt jedoch im Zusammenhang und insbesondere begleitend zu solchen anderen Verfahren. Anstatt des Begriffspaares „Behandlung oder Bearbeitung“ wird nachfolgend auch ohne Beschränkung der Allgemeinheit lediglich der Begriff „Behandlung“ verwendet.
  • Das Instrument ist beweglich und weist mehrere Freiheitsgrade der Bewegung auf. Bei der Behandlung ist zumindest ein Arbeitsschritt vorgegeben, in welchem die Ausrichtung des Instruments relativ zum Objekt vorgegeben ist. Der Arbeitsschritt an sich gehört nicht zum Registrier-Verfahren. In dem Arbeitsschritt ist die Einstellung der Ausrichtung lediglich bezüglich einer Teilanzahl der Freiheitsgrade erforderlich. Darunter wird insbesondere verstanden, dass die Einstellung der Ausrichtung bezüglich der Teilanzahl der Freiheitsgrade mit höherer Genauigkeit erforderlich ist als für die übrigen Freiheitsgrade. Im Rahmen des Verfahrens werden jene Freiheitsgrade, bezüglich welcher eine Einstellung der Ausrichtung erforderlich ist, bestimmt und als relevante Freiheitsgrade gespeichert.
  • Zunächst wird nun ein drei-dimensionales Planungsbild des Objekts bereitgestellt. Das drei-dimensionale Planungsbild ist allgemein ein drei-dimensionales Bild und wird auch als 3d-Planungsbild oder kurz lediglich als Planungsbild bezeichnet. Das Planungsbild wird vorzugsweise außerhalb des Verfahrens in einem separaten Planungsverfahren erzeugt und für das Verfahren lediglich bereitgestellt, in einer Variante jedoch in einem Planungsschritt als Teil des Verfahrens erzeugt. Im Zusammenhang mit einer medizinischen Behandlung oder Bearbeitung, also z.B. bei einer Operation, ist das Planungsbild ein sogenanntes prä-operatives Bild.
  • Bei dem Verfahren wird dann mittels eines Bildgebungssystems zumindest ein zwei-dimensionales Arbeitsbild des Objekts erzeugt. Das zwei-dimensionale Arbeitsbild ist allgemein ein zwei-dimensionales Bild und wird auch als 2d-Arbeitsbild oder kurz lediglich als Arbeitsbild bezeichnet. Das Arbeitsbild wird insbesondere während der Behandlung erzeugt und demnach gerade nicht in einem separaten Planungsverfahren. Im Zusammenhang mit einer medizinischen Behandlung, also z.B. bei einer Operation, ist das Arbeitsbild ein sogenanntes intraoperatives Bild. Im Ergebnis liegen also zumindest zwei Bilder vor. Diese beiden Bilder weisen eine unterschiedliche Dimensionalität auf.
  • Das zwei-dimensionale Arbeitsbild weist eine Bildebene auf und ist in einer Blickrichtung, d.h. mit einer Perspektive aufgenommen, welche allgemein nicht parallel zur Bildebene ist und welche insbesondere senkrecht zur Bildebene steht, also auch zum Arbeitsbild an sich. Außerdem wird das Arbeitsbild in einer Aufnahmerichtung aufgenommen, welche zwar in manchen Fällen mit der Blickrichtung identisch ist, z.B. bei Kamerabildern oder bei Röntgenbildern, je nach Abbildungsverfahren jedoch technisch bedingt davon abweichen kann, z.B. bei Ultraschallbildern oder auch bei speziellen Röntgenbildern, welche als Schnittbilder aufgenommen werden. Um das Arbeitsbild in einer bestimmten Blickrichtung aufnehmen zu können, ist das Bildgebungssystem in einer entsprechenden Aufnahmeposition eingestellt oder wird in eine solche Aufnahmeposition verfahren.
  • Im Rahmen des Verfahrens wird das Arbeitsbild mit dem Planungsbild registriert. Darunter wird insbesondere verstanden, dass die beiden Bilder in Übereinstimmung gebracht werden. Insbesondere aufgrund der unterschiedlichen Dimensionalität der beiden Bilder ergibt sich durch die Registrierung für einige der Freiheitsgrade eine höhere Registrier-Genauigkeit als für die übrigen Freiheitsgrade. Die Freiheitsgrade sind also jeweils einer von zwei Gruppen von Freiheitsgraden zugeordnet, wobei die Freiheitsgrade einer ersten Gruppe eine höhere Registrier-Genauigkeit aufweisen als die übrigen Freiheitsgrade, welche einer zweiten Gruppe angehören.
  • Wesentlich ist nun insbesondere, dass das Arbeitsbild in einer Blickrichtung und entsprechend aus einer Aufnahmeposition aufgenommen wird, welche in Abhängigkeit der relevanten Freiheitsgrade ausgewählt wird. Das Bildgebungssystem wird also in eine entsprechende Aufnahmeposition verfahren, sodass ein Arbeitsbild aus der gewollten Blickrichtung aufgenommen wird. Die Blickrichtung und entsprechend die Aufnahmeposition werden dabei derart ausgewählt, dass die relevanten Freiheitsgrade die Freiheitsgrade mit der höheren Registrier-Genauigkeit sind. Das Arbeitsbild wird also mit einer speziellen Orientierung derart aufgenommen, dass sich gerade für die relevanten Freiheitsgrade eine besonders gute Registrier-Genauigkeit ergibt. Mit anderen Worten: das Arbeitsbild weist eine Bildebene auf und eine entsprechende Orientierung, welche in Abhängigkeit der relevanten Freiheitsgrade derart ausgewählt werden, dass sich gerade für die relevanten Freiheitsgrade eine möglichst gute Registrier-Genauigkeit ergibt. Letztendlich wird also bei dem Verfahren somit durch eine geschickte Auswahl der Blickrichtung und somit der Bildebene für das Arbeitsbild die Registrier-Genauigkeit bezüglich der relevanten Freiheitsgrade in einem gegebenen Arbeitsschritt verbessert, insbesondere maximiert.
  • Das tatsächliche Einstellen der Ausrichtung des Instruments an sich und entsprechend auch der Arbeitsschritt sind wie bereits angedeutet keine Bestandteile des Verfahrens. Der Arbeitsschritt und jegliche weitere Arbeitsschritte sind vielmehr ein Teil der Behandlung, welche ein separates Verfahren darstellt. Das hier beschriebene Registrier-Verfahren dient lediglich der Vorbereitung der tatsächlichen Einstellung der Ausrichtung sowie des Arbeitsschritts mittels einer Registrierung. Ein Kernaspekt des Verfahrens ist dann entsprechend die Registrierung des Planungsbilds mit dem Arbeitsbild. Die Einstellung der Ausrichtung nach erfolgter Registrierung ist für das Verfahren also lediglich insofern von Bedeutung, als dass anhand der geplanten Einstellung der Ausrichtung bestimmt wird, aus welcher Blickrichtung das Arbeitsbild aufgenommen wird. Jegliche Bewegung des Instruments und insgesamt die tatsächliche Behandlung oder Bearbeitung des Objekts mittels des Instruments sind somit nicht Bestandteil des Verfahrens.
  • Bei der Behandlung handelt es sich vorzugsweise um eine Operation, d.h. einen medizinischen Eingriff an oder in einem Patienten als Objekt der Behandlung. Anstelle der Begriffe „Behandlung“ und „Bearbeitung“ wird auch der allgemeine Begriff „Manipulation“ verwendet. Speziell im klinischen oder medizinischen Kontext ist eine möglichst hohe Registrier-Genauigkeit besonders wünschenswert. Alternativ ist das Objekt ein Werkstück, welches im Zuge der Behandlung oder Bearbeitung geformt oder umgeformt und allgemein bearbeitet wird. Allgemein ist das Objekt insbesondere ein tatsächlicher Körper, d.h. ein reales Objekt und gerade kein lediglich virtuelles Objekt.
  • Der Arbeitsschritt ist üblicherweise einer von mehreren Arbeitsschritten, welche aufeinanderfolgend, also nacheinander ausgeführt werden. Jeder Arbeitsschritt entspricht also einem Behandlungs- oder Bearbeitungsschritt. In einem jeweiligen Arbeitsschritt wird das Instrument demnach allgemein bewegt, d.h. beispielsweise in Stellung gebracht, angesetzt, positioniert, geführt, verfahren, vorgeschoben oder dergleichen.
  • Das Instrument ist generell zur Behandlung oder Bearbeitung geeignet und beispielsweise eine Nadel, ein Bohrer, ein Schneidwerkzeug, eine Sonde oder dergleichen. Das Instrument ist in einer Variante ein Teil oder Bauteil, welches an dem Objekt angefügt oder in dieses eingefügt werden soll. Das Teil ist z.B. eine Schraube. Das Instrument wird alternativ auch als Werkzeug bezeichnet.
  • Vorliegend wird zunächst davon ausgegangen, dass ein Planungsbild des Objekts entweder bereits vorhanden ist oder in einem ersten Schritt erzeugt wird. Das Planungsbild wir dabei in jedem Fall gerade nicht während der eigentlichen Behandlung erzeugt, sondern zuvor in einem Planungsverfahren, d.h. in einer Planungsphase. Während dieser Planungsphase erfolgt insbesondere noch keine tatsächliche Behandlung des Objekts, die Planungsphase dient vielmehr lediglich der Bestimmung der Ausgangssituation und der individuellen Planung der Behandlung im Vorfeld. Ein wesentliches Merkmal der Planungsphase ist insbesondere, dass das Objekt sich danach noch Bewegen oder seine Lage verändern kann. Die Planungsphase erfolgt üblicherweise insbesondere unmittelbar vor der Behandlung und somit am Ort derselben, alternativ jedoch räumlich getrennt von der späteren Behandlung. Im klinischen Kontext wird der Patient geeigneterweise zunächst auf einem Operationstisch positioniert und daraufhin wird das Planungsbild erzeugt. Anschließend wird der Patient auf demselben Operationstisch behandelt oder bearbeitet. Fehler aufgrund möglicher Bewegungen des Patienten nach der Aufnahme des Planungsbilds werden durch die Registrierung mit dem Arbeitsbild während der Operation vermieden.
  • Das Planungsbild ist ein drei-dimensionales Bild des Objekts, sodass eine detaillierte Planung der Behandlung in mehreren Dimensionen möglich ist. In einer geeigneten Ausgestaltung ist das Planungsbild ein Röntgenbild und wird beispielsweise im Rahmen eines CT-Scans erzeugt, d.h. mittels Computertomographie. Geeignet sind demgegenüber aber auch andere insbesondere optische Abbildungen, insbesondere ein mittels eines MRI-Scans oder ein mittels PET-Scan erzeugtes Bild.
  • Das Instrument weist mehrere Freiheitsgrade der Bewegung auf, d.h. Bewegungsfreiheitsgrade, kurz Freiheitsgrade. Nachfolgend wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit davon ausgegangen, dass das Instrument insgesamt sechs Freiheitsgrade aufweist, nämlich je drei translatorische und rotatorische Freiheitsgrade. Mit anderen Worten: das Instrument ist je in Richtung einer x-Achse (d.h. in einer x-Richtung), einer y-Achse (d.h. in einer y-Richtung) und einer z-Achse (d.h. in einer z-Richtung) verschiebbar und um die x-Achse, die y-Achse und die z-Achse jeweils drehbar. Dies gilt im Besonderen für ein Instrument, welches von einem Roboterarm geführt wird. Insgesamt ist das Instrument mittels einer oder mehrerer Translationen oder mittels einer oder mehrerer Drehungen oder mittels einer Kombination hiervon von einer ersten Ausrichtung in eine zweite Ausrichtung überführbar. Unter „Einstellung der Ausrichtung“ wird dann insbesondere verstanden, dass das Instrument von einer ersten Ausrichtung in eine zweite Ausrichtung überführt wird, wodurch insbesondere die räumliche Lage oder die räumliche Orientierung verändert wird oder beides. Insofern ist das Instrument dann auch beweglich.
  • In einem gegebenen Arbeitsschritt soll das Instrument in bestimmter Weise relativ zu dem Objekt ausgerichtet werden. Die Ausrichtung des Instruments ist demnach im Voraus geplant und bekannt und somit eine geplante Ausrichtung des Instruments in dem gegebenen Arbeitsschritt. In einer geeigneten Ausgestaltung erfolgt die Ausrichtung mit dem Ziel, dass Instrument an eine bestimmte Stelle am Objekt zu bringen, beispielsweise eine Einstichstelle für eine Nadel. Alternativ oder zusätzlich erfolgt die Ausrichtung mit dem Ziel, das Instrument nachfolgend entlang einer bestimmten Richtung zu bewegen, beispielsweise in das Objekt einzufahren. Allgemein erfolgt die Ausrichtung also mit dem Ziel, das Instrument an einer bestimmten Stelle des Objekts zu positionieren oder entlang einer bestimmten Trajektorie zu bewegen. In dem Arbeitsschritt ist demnach eine bestimmte Ausrichtung für das Instrument relativ zum Objekt vorgegeben. Die Ausrichtung des Instruments ist in einem gedachten Koordinatensystem mit x-, y- und z-Achse charakterisiert durch insbesondere sechs Koordinaten, welche die Position jeweils entlang der x-, y- und z-Achse sowie eine jeweilige Drehung um diese Achsen angeben.
  • Um die Behandlung wie geplant durchführen zu können, wird das Arbeitsbild des Objekts mit dem Planungsbild desselben Objekts registriert. In einer geeigneten Ausgestaltung ist das Arbeitsbild ein Röntgenbild. Geeignet sind demgegenüber aber auch andere insbesondere optische Abbildungen. Das Arbeitsbild weist gegenüber dem Planungsbild eine reduzierte Dimensionalität auf und ist dadurch vorteilhaft einfacher und schneller zu erzeugen als ein drei-dimensionales Bild, besonders während der Behandlung. Das Arbeitsbild ist als zwei-dimensionales Bild eine perspektivische Projektion des an sich drei-dimensionalen Objekts in einer Bildebene. Aufgrund der reduzierten Dimensionalität weist das Arbeitsbild aber einen entsprechend geringeren Informationsgehalt auf.
  • Bei der Registrierung wird nun eine Transformation mit insbesondere sechs Freiheitsgraden bestimmt, welche das Planungsbild und das Arbeitsbild miteinander verknüpft. Die Registrierung eines 3d-Planungsbilds mit einem 2d-Arbeitsbild wird kurz auch als 2d-3d-Regsistrierung bezeichnet. Die Genauigkeit bei der Registrierung, auch als Registrier-Genauigkeit bezeichnet, hat direkten Einfluss auf die Genauigkeit bei der Einstellung der Ausrichtung des Instruments, d.h. auf die Instrumenten-Genauigkeit. Diese wird zudem insbesondere auch von der Genauigkeit bei der Positionierung eines Roboterarms und allgemein eines Robotersystems beeinflusst, d.h. einer Roboterpositionierungsgenauigkeit. Insbesondere entspricht die Registrierungs-Genauigkeit der Instrumenten-Genauigkeit.
  • Das Arbeitsbild wird vorzugsweise mittels eines Bildgebungssystems aufgenommen. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist dann das Bildgebungssystem mit dem Instrument derart verbunden, dass deren relative Lage zueinander bekannt ist. Besonders geeignet ist eine Ausgestaltung, bei welcher das Bildgebungssystem und das Instrument jeweils ein Teil eines Robotersystems sind. In einer ersten Variante sind das Bildgebungssystem und das Instrument gemeinsam an einem Roboterarm des Robotersystems angebracht, in einer Variante sind das Bildgebungssystem und das Instrument separat an jeweils einem von zwei Roboterarmen des Robotersystems angebracht.
  • Eine Voraussetzung bei der Einstellung der Ausrichtung des Instruments anhand einer Registrierung zweier Bilder ist insbesondere, dass eines der Bilder in vorbekannter Weise mit dem Instrument verknüpft ist. Vorliegend ist insbesondere das Arbeitsbild mit dem Instrument verknüpft, sodass die relative räumliche Beziehung zwischen dem Arbeitsbild und dem Instrument vorbekannt ist. Mit anderen Worten: das Arbeitsbild wird mittels eines Bildgebungssystems erzeugt und dieses Bildgebungssystem ist mit dem Instrument registriert. Durch die Registrierung des Planungsbilds mit dem Arbeitsbild wird dann automatisch auch das Instrument mit dem Planungsbild registriert.
  • Das Arbeitsbild unterscheidet sich von dem Planungsbild weiterhin insbesondere dadurch, dass das Arbeitsbild in der konkreten Situation der Behandlung erzeugt wird, sodass auch die Beziehung zwischen dem Instrument und dem Objekt erfasst wird. Das Arbeitsbild wird demnach während der Behandlung erzeugt. Das Arbeitsbild wird vor oder während einem der Arbeitsschritte erzeugt, d.h. bevor oder während der Arbeitsschritt durchgeführt wird, sodass dieser Arbeitsschritt durch eine Registrierung mit dem Planungsbild sozusagen vorbereitet oder überwacht wird oder beides. Da das Arbeitsbild allgemein während der Behandlung erzeugt wird, erfolgt die Vorbereitung oder Überwachung des entsprechenden Arbeitsschritts online, d.h. während oder im Laufe der Behandlung und dadurch besonders bedarfsgerecht und zielorientiert.
  • Die Erfindung geht zunächst von dem Problem aus, dass der Informationsgehalt im Arbeitsbild aufgrund der reduzierten Dimensionalität nachteilig verringert ist. Speziell können einem zwei-dimensionalen Bild nicht oder lediglich eingeschränkt Tiefeninformationen entnommen werden. Beispielsweise lassen sich dem Arbeitsbild zwar Informationen in der Bildebene entnehmen, nicht jedoch entlang der Blickrichtung. Die Registrierung mit dem Planungsbild und dadurch automatisch auch die Positionierung des Instruments erfolgen somit zwar in der Bildebene mit hoher Genauigkeit, senkrecht dazu aber mit stark eingeschränkter Genauigkeit. Entsprechend ergeben sich für die unterschiedlichen Freiheitsgrade des Instruments unterschiedliche Genauigkeiten. Allgemein ist die Registrier-Genauigkeit bezüglich eines bestimmten Freiheitsgrads somit abhängig von dessen relativer Lage bezüglich der Blickrichtung und der Bildebene des Arbeitsbilds. Translationen entlang der Bildebene und Drehungen um eine Achse senkrecht zur Bildebene (d.h. die Freiheitsgrade innerhalb der Bildebene) können mit höherer Genauigkeit registriert werden als eine Translation senkrecht zur Bildebene und Drehungen um Achsen parallel zur Bildebene (d.h. die Freiheitsgrade außerhalb der Bildebene).
  • Die vorgenannte Problematik des verringerten Informationsgehalt kann grundsätzlich dadurch umgangen werden, dass mehrere Arbeitsbilder aus unterschiedlichen Blickrichtungen aufgenommen werden und kombiniert verwendet werden. Dieser Ansatz ist jedoch entsprechend aufwendig, insbesondere zeitaufwendig. Insbesondere muss zur Aufnahme mehrerer Arbeitsbilder aus unterschiedlichen Blickrichtungen das verwendete Abbildungsgerät, z.B. ein Röntgengerät, entsprechend mehrfach ausgerichtet werden und beansprucht dabei auch einen entsprechend großen Arbeitsbereich. Der Ansatz mit mehreren Arbeitsbildern eignet sich daher nur bedingt als online-Verfahren, d.h. zur Durchführung während der Behandlung oder Bearbeitung.
  • Vorliegend wurde nunmehr erkannt, dass in einem gegebenen Arbeitsschritt nicht unbedingt alle Freiheitsgrade des Instruments von gleicher Bedeutung sind, dass also in einem gegebenen Arbeitsschritt die Anforderungen an die Genauigkeit bezüglich der einzelnen Freiheitsgrade unterschiedlich sind. Dem liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass bei der Behandlung je nach beabsichtigter Ausrichtung, d.h. Positionierung oder Führung, des Instruments in einem gegebenen Arbeitsschritt nicht alle Freiheitsgrade von gleicher Bedeutung sind, sondern dass je nach Art des Arbeitsschritts bestimmte Freiheitsgrade relevanter, d.h. wichtiger sind als andere. Dies soll durch das nachfolgende Beispiel verdeutlicht werden: beim Ansetzen einer Nadel oder alternativ eines Bohrers ist zunächst die Positionierung auf der Oberfläche des Objekts von vorrangiger Bedeutung, um die anvisierte Stelle beim anschließenden Einfahren auch korrekt zu treffen. Bei diesem anschließenden Einfahren der Nadel in das Objekt sind dagegen deren Eindringwinkel und deren Vorwärtsbewegung, d.h. die Eindringtiefe, besonders wichtig. Weist die Nadel z.B. in z-Richtung, so sind also beim Positionieren vorrangig die x-Richtung und die y-Richtung von Bedeutung. Beim Einfahren sind dann vorrangig die z-Richtung sowie die Drehungen um die x-Achse und die y-Achse von Bedeutung.
  • Weiterhin wurde erkannt, dass die Genauigkeit für die einzelnen Freiheitsgrade des Instruments vorrangig von der Ausrichtung des Arbeitsbilds relativ zum Instrument abhängt. Bezugnehmend auf das obige Beispiel eignet sich ein Bild, welches in Richtung der Nadel oder des Bohrers, also in z-Richtung aufgenommen ist, besonders gut zur lateralen Positionierung der Nadel, d.h. zur Ausrichtung in der Bildebene, also on x-Richtung und y-Richtung. Dagegen eignet sich ein Bild, welches seitlich, also von der Seite der Nadel her aufgenommen ist, besonders gut zum Einfahren der Nadel, da von der Seite her der Eindringwinkel und die Eindringtiefe besonders gut erkennbar sind.
  • Ein Kerngedanke der Erfindung besteht nun insbesondere darin, durch eine speziell ausgewählte und möglichst optimale Blickrichtung für das Arbeitsbild eine möglichst gute Registrierung, also eine möglichst hohe Registrier-Genauigkeit und somit auch eine möglichst hohe Instrumenten-Genauigkeit zu erzielen. Dies wird dadurch erreicht, dass bei der Auswahl der Blickrichtung für das Arbeitsbild berücksichtigt wird, welche der Freiheitsgrade des Instruments besonders relevant sind. Das Arbeitsbild wird also insbesondere derart aufgenommen, dass die relevanten Freiheitsgrade möglichst in der Bildebene liegen oder jedenfalls derart, dass die relevanten Freiheitsgrade im Arbeitsbild möglichst gut erkennbar sind.
  • Die Tatsache, dass die Ausrichtung für einen gegebenen Arbeitsschritt vorbekannt ist, wird nun vorteilhaft bei der Registrierung zwecks späterem Einstellen ebendieser Ausrichtung genutzt. Hierzu wird zunächst bestimmt, bezüglich welcher Freiheitsgrade eine Einstellung erforderlich ist, d.h. welche Freiheitsgrade bei dem Arbeitsschritt relevant sind, d.h. auf welche Freiheitsgrade es bei dem Arbeitsschritt ankommt und auf welche nicht. Für einen gegebenen Arbeitsschritt wird das Instrument nämlich gerade nicht entlang sämtlicher Freiheitsgrade bewegt oder bezüglich sämtlicher Freiheitsgrade positioniert, vielmehr sind die Bewegung oder Positionierung und somit allgemein die Ausrichtung auf eine Teilanzahl der Freiheitsgrade beschränkt. Diese Freiheitsgrade, welche in einem gegebenen Arbeitsschritt verwendet werden, werden auch als relevante Freiheitsgrade bezeichnet.
  • Eine andere Art der 2d-3d-Registrierung ist beispielsweise beschrieben in dem Artikel „Toward smart utilization of two X-ray images for 2-D/3-D registration applied to abdominal aortic aneurysm interventions‟, Miao et al., Computers and Electrical Engeineering 39 (2013), S.1485-1498. In dem dort gezeigten, speziellen Anwendungsfall werden Tiefeninformationen für ein 2d-Bild der Aorta aus einem 3d-Bild der Wirbelsäule gewonnen, indem das 3d-Bild als Randbedingung für die räumliche Lage der Aorta verwendet wird.
  • Eine weitere 2d-3d-Registrierung ist beschrieben in dem Artikel „3-D/2-D Registration of CT and MR to X-Ray Images‟, Tomaževič et al., IEEE Transactions on Medical Imaging, Vol. 22 No. 11, Nov. 2003, S.1407ff. Wie in dem zuvor genannten Artikel werden auch hier anatomische Gegebenheiten als zusätzliche Randbedingungen zur Verbesserung der Genauigkeit verwendet, vorliegend die Orientierung von Knochenoberflächen.
  • Bei den beiden vorgenannten Ansätzen wird der Informationsgehalt der Bilder selbst verwendet, um eine möglichst gute Registrier-Genauigkeit zu erhalten. Dazu fließt bei der Bildverarbeitung und der Bestimmung der abgeleiteten Randbedingung anatomisches Vorwissen ein. Dies ist vorliegend nicht von Bedeutung. Vielmehr wird vorliegend ein gänzlich anderer Ansatz verfolgt, bei welchem die Registrier-Genauigkeit dadurch verbessert wird, dass bereits die Bilderzeugung, speziell die Erzeugung des Arbeitsbilds, im Hinblick auf den durchzuführenden Arbeitsschritt und in Kenntnis der geplanten Ausrichtung des Instruments erfolgt. Anstatt also erst im Rahmen der Bildverarbeitung eine möglichst hohe Genauigkeit zu erzielen, wird bereits im Vorfeld bei der Erzeugung des Arbeitsbilds sichergestellt, dass dieses bei der nachfolgenden Verarbeitung zu einer möglichst hohen Genauigkeit führt. In einer zweckmäßigen Variante werden beide Ansätze jedoch gewinnbringend miteinander kombiniert.
  • Da der Arbeitsschritt vorbekannt ist, wird das Bildgebungssystem vor dem entsprechenden Arbeitsschritt und nachdem die relevanten Freiheitsgrade bestimmt worden sind zweckmäßigerweise automatisch in die jeweils optimale Aufnahmeposition verfahren und dann aus der entsprechenden Blickrichtung das Arbeitsbild aufgenommen. Die Behandlung wird dadurch deutlich beschleunigt.
  • Für einen jeweiligen Arbeitsschritt werden vorzugsweise lediglich die hierfür nötigen Arbeitsbilder bestimmt. Die Registrierung erfolgt Workflow-orientiert und für einen bestimmten Freiheitsgrad erst dann, wenn für diesen aufgrund des Arbeitsschritts auch eine Registrierung benötigt wird.
  • Da die Registrierung durch die spezielle Auswahl der Blickrichtung gerade hinsichtlich der relevanten Freiheitsgrade erfolgt, ist auch lediglich ein einzelnes Arbeitsbild für einen gegebenen Arbeitsschritt notwendig, um trotz der reduzierten Dimensionalität eine optimale Genauigkeit für den entsprechenden Arbeitsschritt zu erzielen. Die Aufnahme weiterer Arbeitsbilder für denselben Arbeitsschritt ist gerade nicht notwendig. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird daher für einen jeweiligen Arbeitsschritt lediglich ein Arbeitsbild aufgenommen.
  • Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Registrierung in Abhängigkeit des geplanten Arbeitsschritts ist insbesondere, dass bei mehreren Arbeitsschritten dann eine behandlungs- oder bearbeitungsangepasste Bilderzeugung möglich ist und vorzugsweise auch erfolgt. Die Behandlung weist insbesondere mehrere aufeinanderfolgende Arbeitsschritte auf. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird dann jeweils nach einem Arbeitsschritt und insbesondere unmittelbar vor dem nachfolgenden Arbeitsschritt im Rahmen des Registrierungs-Verfahrens eine Re-Registrierung durchgeführt, indem für den nachfolgenden Arbeitsschritt ein weiteres Arbeitsbild aufgenommen wird, welches mit dem Planungsbild registriert wird. Dabei wird dieses weitere Arbeitsbild wie oben bereits beschrieben in Abhängigkeit der relevanten Freiheitsgrade des nachfolgenden Arbeitsschritts aufgenommen, um für diesen die Registrier-Genauigkeit möglichst zu maximieren. Mit anderen Worten: die Freiheitsgrade, bezüglich welcher eine Einstellung der Ausrichtung für den nachfolgenden Arbeitsschritt erforderlich ist, werden erneut bestimmt und als neue relevante Freiheitsgrade gespeichert. Das weitere Arbeitsbild wird also in einer neuen Blickrichtung aufgenommen, welche in Abhängigkeit der neuen relevanten Freiheitsgrade derart ausgewählt wird, dass die neuen relevanten Freiheitsgrade die Freiheitsgrade mit der höheren Registrier-Genauigkeit sind. Die neue Blickrichtung für das Arbeitsbild des nachfolgenden Arbeitsschritts ist unter Umständen, nicht jedoch notwendigerweise eine andere Blickrichtung, als diejenige des Arbeitsbildes für den vorangegangenen Arbeitsschritt. Falls die Blickrichtung für zwei aufeinanderfolgende Arbeitsschritte identisch ist, wird für den späteren Arbeitsschritt zweckmäßigerweise auf ein Arbeitsbild verzichtet und stattdessen das Arbeitsbild des vorherigen Arbeitsschritts erneut verwendet.
  • Für jeden von mehreren Arbeitsschritten wird dann also ein auf den jeweiligen Arbeitsschritt angepasstes Arbeitsbild erzeugt und mit dem Planungsbild registriert. Dadurch wird vorteilhaft berücksichtigt, dass in den unterschiedlichen Arbeitsschritten üblicherweise auch unterschiedliche Freiheitsgrade relevant sind und dass dann für jeden Arbeitsschritt eine optimale und arbeitsschrittangepasste Registrierung mit einer maximalen Registrier-Genauigkeit für die relevanten Freiheitsgrade durchgeführt wird. Mögliche vorhandene Kalibrierungsfehler wirken sich deutlich weniger oder gar nicht mehr aus, da für jeden Arbeitsschritt die Registrierung derart erfolgt, dass Kalibrierungsfehler vollständig oder überwiegend in den nicht-relevanten Freiheitsgraden vorhanden sind, während die relevanten Freiheitsgrade eine deutlich verbesserte Genauigkeit aufweisen. Diese arbeitsschrittangepasste Registrierung wird auch als Re-Registrierung bezeichnet oder als Workflow-angepasste Bildgebung. Die Erzeugung der Arbeitsbilder wird also arbeitsschrittbezogen durchgeführt, d.h. die Blickrichtung wird für einen bestimmten Arbeitsschritt bestimmt und kann von der optimalen Blickrichtung für einen anderen Arbeitsschritt abweichen. Wesentlich ist, dass das Arbeitsbild zur Registrierung für einen bestimmten Arbeitsschritt dient und dass die Blickrichtung mit Blick auf ebendiesen Arbeitsschritt derart ausgewählt wird, dass sich für die in diesem Arbeitsschritt relevanten Freiheitsgrade des Instruments eine möglichst hohe Registrier-Genauigkeit ergibt.
  • Zweckmäßigerweise wird eine initiale Grobregistrierung durchgeführt, indem das Planungsbild erzeugt wird, während das Objekt am Ort der späteren Behandlung ist, d.h. in einer Behandlungsposition. Die Lage des Objekts ändert sich dann von der Planungsphase zur Behandlung höchstens geringfügig. Bei der Grobregistrierung wird dann angenommen, dass das Planungsbild mit der tatsächlichen Position übereinstimmt. Die Grobregistrierung ist also keine Registrierung im eigentlichen Sinne, denn es werden gerade nicht zwei unterschiedliche Bilder räumlich zueinander in Bezug gesetzt. Die initiale Grobregistrierung dient dann im Weiteren insbesondere als Ausgangspunkt für die nächsten Registrierungen mittels eines Arbeitsbilds.
  • Geeignet ist aber alternativ oder zusätzlich zur zuvor beschriebenen Grobregistrierung auch eine Ausgestaltung, bei welcher das Planungsbild vor einer Behandlung aufgenommen wird und insbesondere nicht am Ort der späteren Behandlung. Nachfolgend wird dann zweckmäßigerweise eine Grobregistrierung durchgeführt, indem zwei Arbeitsbilder aus zwei unterschiedlichen Richtungen aufgenommen werden.
  • Zweckmäßigerweise wird das Planungsbild wird mittels desselben Bildgebungssystems erzeugt wie das spätere Arbeitsbild. Darunter wird insbesondere auch verstanden, dass sämtliche Arbeitsbilder sowie das Planungsbild mittels desselben Bildgebungssystems aufgenommen, falls im Rahmen der Behandlung mehrere Arbeitsbilder erzeugt werden. In dieser Ausgestaltung wird die Behandlung des Objekts vorzugsweise unmittelbar nach der Planungsphase ausgeführt. Eventuelle Bewegungen des Objekts im nach Abschluss der Planungsphase werden dadurch weitestgehend vermieden. Zudem wird dadurch eine Grobregistrierung wie oben beschrieben auf einfache Weise und mit geringem Geräteaufwand ermöglicht. Besonders geeignet ist hierzu ein Röntgengerät, insbesondere ein Computertomographiesystem, kurz CT-System, welches sowohl 3d- als auch 2d-Bilder erzeugen kann.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Bildgebungssystem ein Röntgengerät. Dieses weist zweckmäßigerweise einen C-Bogen auf, welcher eine Röntgenstrahlungsquelle und einen Detektor aufweist. Das Arbeitsbild wird dann erzeugt, indem der C-Bogen in einer geeigneten Stellung an das Objekt herangefahren wird. Der Detektor ist hierbei insbesondere als ein Detektorfeld ausgebildet, welches die Aufnahme eines zweidimensionalen Bildes ermöglicht, mit einer Bildebene, welche parallel zum Detektor ist und senkrecht zu einer Strahlenrichtung von der Röntgenstrahlungsquelle zum Detektor.
  • Auch das Instrument und das Bildgebungssystem sind oder werden insbesondere miteinander registriert, denn für eine möglichst genaue Durchführung der Behandlung oder Bearbeitung ist auch die räumliche Beziehung zwischen dem Instrument und dem Bildgebungssystem von Bedeutung. Durch eine möglichst genaue Registrierung des Instruments mit dem Bildgebungssystem lassen sich relative Fehler zwischen dem Instrument und dem Objekt vorteilhaft reduzieren. In einer grundsätzlich geeigneten Ausgestaltung sind das Instrument und das Bildgebungssystem zu Beginn des Verfahrens und insbesondere auch zu Beginn der Behandlung oder Bearbeitung bereits miteinander registriert. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung werden das Instrument und das Bildgebungssystem alternativ oder zusätzlich während der Behandlung oder Bearbeitung miteinander registriert, indem bei der Erzeugung des Arbeitsbilds das Instrument in dem Arbeitsbild mit abgebildet wird und indem dann anhand des Arbeitsbilds die Lage des Instruments relativ zum Bildgebungssystem bestimmt wird. Das ohnehin aufgenommene Arbeitsbild wird also zusätzlich zur Registrierung des Objekts mit dem Instrument auch dazu verwendet, um das Instrument mit dem Bildgebungssystem zu registrieren. Dadurch wird die Genauigkeit insgesamt weiter verbessert.
  • Das Verfahren eignet sich grundsätzlich zur Registrierung bei einer Vielzahl verschiedenster Arbeitsschritte. Nachfolgend werden einige besonders bevorzugte Situationen und speziell darauf abgestimmte Weiterbildungen des Verfahrens beschrieben. Weitere geeignete Ausgestaltungen ergeben sich durch Kombinationen dieser Weiterbildungen miteinander oder auch mit anderen Weiterbildungen.
  • Bei einer geeigneten Weiterbildung ist in dem Arbeitsschritt eine Position des Instruments auf dem Objekt, insbesondere auf einer Oberfläche des Objekts, vorgegeben und die Einstellung der Position erfolgt lediglich durch eine Translation entlang zweier Translationsrichtungen. Diese zwei Translationsrichtungen werden nun im Rahmen des Verfahrens als relevante Freiheitsgrade bestimmt und gespeichert. Die Blickrichtung wird dann senkrecht zu den Translationsrichtungen und insbesondere entlang des Instruments ausgewählt. Der geplante Arbeitsschritt dient also der Positionierung des Instruments relativ zum Objekt und innerhalb einer Arbeitsebene, welche durch die beiden Translationsrichtungen bestimmt ist. Die beiden Translationsrichtungen sind z.B. die x-Achse und die y-Achse, entlang welcher das Instrument beweglich ist und zum Anfahren der Position dann auch in dem Arbeitsschritt bewegt wird. Die übrigen vier Freiheitsgrade des Instruments sind in diesem Fall nicht relevant. Eine optimale Registrier-Genauigkeit ergibt sich dann dadurch, dass das Bildgebungssystem das Arbeitsbild aus einer solchen Aufnahmeposition aufnimmt, bei welcher die Blickrichtung senkrecht zur Arbeitsebene ist. Dabei wird unter „senkrecht“ insbesondere nicht ausschließlich „exakt senkrecht“ verstanden, vielmehr ist auch eine geringfügige hiervon abweichende Blickrichtung noch vorteilhaft, wenngleich sich mit einer zunehmenden Abweichung prinzipbedingt die Genauigkeit verringert. Geeignet ist insbesondere eine Blickrichtung, welche zur Arbeitsebene in einem Winkel von wenigstens 85° steht.
  • Bei einer weiteren geeigneten Ausgestaltung ist in dem Arbeitsschritt ein Eindringwinkel des Instruments relativ zum Objekt vorgegeben und die Einstellung des Eindringwinkels erfolgt lediglich durch Drehung des Instruments um eine Drehachse. Die Drehachse wird entsprechend als relevanter Freiheitsgrad bestimmt und gespeichert. Die Blickrichtung wird dann entlang der Drehachse ausgewählt. Eine Drehung des Instruments in der Bildebene ist dann mit besonders hoher Genauigkeit durchführbar. Wie bereits im Zusammenhang mit der vorgenannten Ausgestaltung ausgeführt, ist es auch bei der Registrierung hinsichtlich einer möglichst hohen Genauigkeit bei der Einstellung des Eindringwinkels nicht zwingend erforderlich, dass die Blickrichtung exakt entlang der Drehachse gewählt wird. Vielmehr sind auch hier entsprechend geringfügig abweichende Blickrichtungen noch geeignet, eine hohe Registrier-Genauigkeit zu erzielen. Geeignet ist insbesondere eine Blickrichtung, welche zur Drehachse in einem Winkel von höchstens 5° steht.
  • Der geplante Arbeitsschritt dient also der Drehung oder der Neigung des Instruments relativ zum Objekt. Bei einer vorhergehenden Positionierung innerhalb einer Arbeitsebene wie oben beschriebenen, aber auch allgemein, lässt sich dann ein Eindringwinkel des Instruments in das Objekt einstellen oder ändern. Falls das Instrument bereits in das Objekt eingedrungen ist, lässt sich eine Eindringrichtung oder Vorschubrichtung des Instruments ändern oder korrigieren.
  • Sofern das Instrument im Blickfeld des Bildgebungssystems liegt und dann in dem Arbeitsbild sichtbar ist, wird darin das Instrument insbesondere in einer seitlichen Ansicht gezeigt, d.h. das Instrument liegt dann in der Bildebene. Die Blickrichtung weist somit seitlich auf das Instrument.
  • Bei einer weiteren geeigneten Ausgestaltung ist in dem Arbeitsschritt eine Eindringtiefe des Instruments in das Objekt vorgegeben und die Einstellung der Eindringtiefe erfolgt lediglich durch eine Translation des Instruments entlang einer Vorschubrichtung. Die Vorschubrichtung wird als relevanter Freiheitsgrad bestimmt und gespeichert. Die Blickrichtung wird senkrecht zu der Vorschubrichtung ausgewählt. In dieser Ausgestaltung erfolgt die Registrierung mit dem Ziel, im anschließenden Arbeitsschritt das Instrument besonders genau bis zu einer bestimmten Eindringtiefe in das Objekt einfahren zu können. Das Instrument soll also entlang einer Trajektorie bis zu einem bestimmten Zielpunkt bewegt werden. Die Blickrichtung und die Bildebene werden daher insbesondere derart gewählt, dass die Trajektorie gerade innerhalb der Bildebene liegt. Auch hier gilt, dass geringfügig abweichende Blickrichtungen prinzipiell auch noch geeignet sind, insbesondere solche, welche zur Vorschubrichtung in einem Winkel von wenigstens 85° stehen.
  • Zweckmäßigerweise wird während der Durchführung des Arbeitsschritts das Einstellen der Ausrichtung des Werkzeugs mittels des Bildgebungssystems insbesondere wiederkehrend überwacht. Diese Überwachung, nicht jedoch die Bewegung des Instruments, wird als Teil des Registrier-Verfahrens durchgeführt. Dem liegt insbesondere die Überlegung zugrunde, dass das Bildgebungssystem durch die vorangegangene Registrierung bereits in einer optimalen Aufnahmeposition für eine Überwachung der Bewegung des Instruments im anschließenden Arbeitsschritt eingestellt ist. Jegliche Abweichungen von der geplanten Ausrichtung lassen sich mit besonders hoher Genauigkeit beobachten. Hierzu wird während des Arbeitsschritts entsprechend ein Bild aufgenommen, welches prinzipiell dem Arbeitsbild entspricht, jedoch vorteilhaft auch die fortschreitende Bewegung des Instruments zeigt. In diesem Sinne wird dann also eine online-Überwachung des Arbeitsschritts durchgeführt.
  • Wie bereits angedeutet, eignet sich das Verfahren besonders zur Anwendung im klinischen Umfeld und zur Verbesserung einer bildgestützten Behandlung eines Patienten, welcher das Objekt der Behandlung ist. In einem zweckmäßigen Anwendungsfall ist die Behandlung eine Wirbelsäulenoperation, welche zumindest drei Arbeitsschritte aufweist. Die vorgenannten allgemeinen Ausführungen gelten sinngemäß auch für die spezielle Anwendung während einer Wirbelsäulenoperation. Das Instrument ist eine Nadel, z.B. zur Zufuhr eines Betäubungsmittels, ein Bohrer, insbesondere zur Erzeugung eines Bohrlochs in einem Wirbel des Patienten, oder eine Schraube, welche in den Wirbel eingesetzt werden soll, z.B. in ein zuvor erzeugtes Bohrloch. Allgemein erstreckt sich das Instrument also entlang einer Längsachse.
  • Bei der Wirbelsäulenoperation soll das Instrument von außen her an einer bestimmten Eindringstelle in das Objekt eingefahren werden, und zwar in einem bestimmten Eindringwinkel, sodass eine bestimmte Stelle der Wirbelsäule getroffen wird. Dies gilt jeweils für alle drei der vorgenannten Varianten des Instruments. Zweckmäßigerweise wird der Vorgang für jedes der genannten Instrument ausgeführt, sodass zuerst mit einer Nadel eine Betäubung erfolgt, anschließend eine Vorbereitung eines Wirbels mit einem Bohrer und abschließend ein Einsetzen einer Schraub in den Wirbel. Mit Bezug auf ein einzelnes Instrument ist dann ein erster Arbeitsschritt ein Ansetzen des Instruments an den Patienten, ein zweiter Arbeitsschritt ist ein Einstellen eines Eindringwinkels des Instruments und ein dritter Arbeitsschritt ist ein Eindringen des Instruments in den Patienten. Die Arbeitsschritte werden zweckmäßigerweise in der genannten Reihenfolge nacheinander ausgeführt. Die drei Arbeitsschritte werden dann insbesondere für jedes der Instrumente erneut ausgeführt.
  • Im Kontext einer Wirbelsäulenoperation mit den genannten Arbeitsschritten wird für den ersten Arbeitsschritt die Blickrichtung vorteilhafterweise entlang der Längsachse ausgewählt. Für den zweiten und den dritten Arbeitsschritt wird die Blickrichtung vorzugsweise jeweils senkrecht zur Längsachse des Instruments ausgewählt. Während des dritten Arbeitsschritts wird zweckmäßigerweise mittels des Bildgebungssystems wiederkehrend das Eindringen des Instruments überwacht. Durch diese spezielle Wahl der Blickrichtungen in den einzelnen Arbeitsschritten wird eine optimale Registrier-Genauigkeit für jeden der Arbeitsschritte erzielt und die Operation mit deutlich verbesserter Genauigkeit ausgeführt. Die Arbeitsschritte an sich entsprechen insbesondere denjenigen, welche im Rahmen einer bildgestützten Wirbelsäulenoperation üblicherweise durchgeführt werden. Insofern ist das Verfahren vorteilhaft ohne Weiteres bei üblichen Wirbelsäulenoperationen verwendbar, wodurch sich keine oder lediglich geringfügige Änderungen für den Arbeitsablauf eines behandelnden Arztes ergeben.
  • Das Verfahren eignet sich weiterhin besonders im Zusammenhang mit einer robotergestützten Behandlung oder Bearbeitung, bei welcher das Instrument und das Bildgebungssystem jeweils Bestandteile eines Robotersystems sind, wie weiter oben bereits angedeutet wurde. Das Robotersystem ist dann zur Behandlung oder Bearbeitung eines Objekts ausgebildet und weist ein Instrument auf, zur Behandlung oder Bearbeitung des Objekts, sowie ein Bildgebungssystem, zur Aufnahme zumindest eines Arbeitsbilds und zweckmäßigerweise auch zur Aufnahme eines Planungsbilds. Das Robotersystem weist weiterhin eine Steuereinheit auf, welche ausgebildet ist zur Durchführung des bereits beschriebenen Registrier-Verfahrens. Die Steuereinheit wird auch als Controller bezeichnet. Die Steuereinheit ist beispielsweise ein Teil eines Steuerungssystems zur Ansteuerung der einzelnen Teile des Robotersystems. Das Robotersystem dient insgesamt einerseits der Durchführung der Behandlung oder Bearbeitung und ist andererseits derart ausgebildet, dass währenddessen, also sozusagen begleitend, das Registrier-Verfahren durchgeführt wird, um entsprechend die Genauigkeit der Behandlung oder Bearbeitung zu verbessern.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
    • 1 eine Registrierung für einen ersten Arbeitsschritt,
    • 2 eine Registrierung für einen zweiten Arbeitsschritt,
    • 3 eine Registrierung für einen dritten Arbeitsschritt.
  • In den 1 bis 3 ist allgemein eine Behandlung oder Bearbeitung eines Objekts O gezeigt und speziell als Beispiel hierfür eine Wirbelsäulenoperation, wobei das Objekt O ein Patient ist. Dieser ist in den Figuren von oben her in einer liegenden Stellung gezeigt. Schematisch angedeutet sind Torso und Kopf des Patienten.
  • Die Behandlung wird robotergestützt mit einem Robotersystem 2 ausgeführt. Dieses weist einerseits ein Instrument 4 auf, zur Behandlung des Objekts O. Das Instrument 4 ist beispielsweise eine Nadel, ein Bohrer, ein Schneidwerkzeug, eine Sonde oder dergleichen oder ein Teil oder Bauteil, z.B. eine Schraube, welches bzw. welche an dem Objekt O angefügt oder in dieses eingefügt werden soll. Weiter weist das Robotersystem 2 ein Bildgebungssystem 6 auf, zur Aufnahme zumindest eines Arbeitsbilds und vorliegend auch zur Aufnahme eines Planungsbilds. Sämtliche Arbeitsbilder sowie das Planungsbild werden folglich mittels desselben Bildgebungssystems 6 aufgenommen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind das Bildgebungssystem 6 und das Instrument 4 separat an jeweils einem von zwei Roboterarmen 8 des Robotersystems 2 angebracht. Das Robotersystem 2 weist weiterhin eine Steuereinheit 10 auf, welche ausgebildet ist zur Durchführung eines speziellen Registrier-Verfahrens begleitend zur Behandlung.
  • Das Instrument 4 ist beweglich und weist mehrere, vorliegend sechs Freiheitsgrade der Bewegung auf, nämlich je drei translatorische und rotatorische Freiheitsgrade. Mit anderen Worten: das Instrument 4 ist in Richtung einer x-Achse X, einer y-Achse Y und einer z-Achse Z jeweils verschiebbar und um diese Achsen X, Y, Z jeweils drehbar. In einem gegebenen Arbeitsschritt soll das Instrument 4 nun in bestimmter Weise relativ zu dem Objekt O ausgerichtet werden, wobei die Ausrichtung allgemein mit dem Ziel erfolgt, das Instrument 4 an einer bestimmten Stelle des Objekts 0 zu positionieren oder entlang einer bestimmten Trajektorie zu bewegen. Die Ausrichtung des Instruments 4 ist somit in einem gedachten Koordinatensystem mit den Achsen X, Y, Z charakterisiert durch sechs Koordinaten, welche die Position jeweils entlang der Achsen X, Y, Z sowie eine jeweilige Drehung um diese angeben.
  • Das Bildgebungssystem 6 ist vorliegend ein Röntgengerät und weist einen C-Bogen auf, welcher eine Röntgenstrahlungsquelle 12 und einen Detektor 14 aufweist. Das Arbeitsbild wird dann erzeugt, indem der C-Bogen in einer geeigneten Stellung an das Objekt O herangefahren wird. Der Detektor 14 ist hierbei als ein Detektorfeld ausgebildet, welches die Aufnahme eines zwei-dimensionalen Bildes ermöglicht, mit einer Bildebene BE, welche parallel zum Detektor 14 ist und senkrecht zu einer Strahlenrichtung S von der Röntgenstrahlungsquelle 12 zum Detektor 14. Das Bildgebungssystem 6 ist mit dem Instrument 4 derart verbunden, dass deren relative Lage zueinander bekannt ist, denn für eine möglichst genaue Durchführung der Behandlung ist auch die räumliche Beziehung zwischen dem Instrument 4 und dem Bildgebungssystem 6 von Bedeutung. Hierzu sind das Instrument 4 und das Bildgebungssystem 6 miteinander registriert.
  • In Vorbereitung der Behandlung wird zunächst in nicht näher gezeigter Weise ein prä-operatives, drei-dimensionales Planungsbild des Objekts 0 erzeugt und dann für das Verfahren bereitgestellt. Zudem wird eine initiale Grobregistrierung durchgeführt, bei welcher das Planungsbild erzeugt wird, während das Objekt O am Ort der späteren Behandlung ist, vorliegend auf einem nicht näher gezeigten Operationstisch. Bei der Grobregistrierung wird dann angenommen, dass das Planungsbild mit der tatsächlichen Position des Objekts O übereinstimmt.
  • Während der Behandlung wird mittels des Bildgebungssystems 6 zur Vorbereitung eines jeweiligen Arbeitsschritts ein arbeitsschrittspezifisches, zwei-dimensionales, intraoperatives Arbeitsbild des Objekts 0 erzeugt. Das Arbeitsbild weist eine Bildebene BE auf und ist in einer Blickrichtung BR aufgenommen, welche senkrecht zur Bildebene BE steht und vorliegend der Strahlenrichtung S entspricht.
  • Das Verfahren dient zur Registrierung während der Behandlung zwecks verbesserten Einstellens einer Ausrichtung des Instruments 4 relativ dem Objekt O. Hierzu wird das Arbeitsbild nun im Rahmen einer 2d-3d-Registrierung mit dem Planungsbild registriert und dadurch verknüpft. Die Genauigkeit bei der Registrierung, auch als Registrier-Genauigkeit bezeichnet, hat direkten Einfluss auf die Genauigkeit bei der Einstellung der Ausrichtung des Instruments 4, d.h. auf die Instrumenten-Genauigkeit.
  • Bei der Behandlung ist nun für jeden Arbeitsschritt eine bestimmte Ausrichtung des Instruments 4 relativ zum Objekt O vorgegeben. Dabei sind in einem gegebenen Arbeitsschritt nicht unbedingt alle Freiheitsgrade des Instruments 4 von gleicher Bedeutung, sodass also in einem gegebenen Arbeitsschritt die Anforderungen an die Genauigkeit bezüglich der einzelnen Freiheitsgrade unterschiedlich sind.
  • In den 1 bis 3 sind nun drei unterschiedliche Situationen gezeigt, in welchen jeweils eine spezielle Registrierung durchgeführt wird, um im anschließenden Arbeitsschritt eine möglichst hohe Genauigkeit zu erzielen. Vorliegend wird für einen jeweiligen Arbeitsschritt lediglich ein Arbeitsbild aus einer Blickrichtung BR aufgenommen, welche abhängig von denjenigen Freiheitgraden ausgewählt ist, welche für den jeweiligen Arbeitsschritt relevant sind. Die 1 bis 3 zeigen das Bildgebungssystem 6 jeweils in einer hinsichtlich des entsprechenden Arbeitsschritts optimalen Aufnahmeposition.
  • Bei der beispielhaft dargestellten Wirbelsäulenoperation soll das Instrument 4 von außen her an einer bestimmten Eintrittsstelle ES in das Objekt O eingefahren werden, und zwar in einem bestimmten Eindringwinkel EW, sodass eine bestimmte Stelle der Wirbelsäule getroffen wird. Ein erster Arbeitsschritt ist dann ein Anfahren der Eintrittsstelle ES, ein zweiter Arbeitsschritt ist ein Einstellen des Eindringwinkels EW und ein dritter Arbeitsschritt ist ein Eindringen des Instruments 4 bis zu einer bestimmten Eindringtiefe ET. Die Arbeitsschritte werden in der genannten Reihenfolge nacheinander ausgeführt.
  • Für den ersten Arbeitsschritt wird nun wie in 1 gezeigt die Blickrichtung BR entlang der Längsachse L des Instruments 4 ausgewählt, also in Richtung der z-Achse Z. Allgemein ist für den ersten Arbeitsschritt eine Position des Instruments 4 auf einer Oberfläche des Objekts O vorgegeben. Die Einstellung der Position erfolgt lediglich durch eine Translation entlang zweier Translationsrichtungen, nämlich in 1 entlang der x-Achse X und der y-Achse Y, welche gemeinsam eine Arbeitsebene aufspannen, welche hier senkrecht zur Darstellungsebene der Figuren steht. Die x-Achse X und die z-Achse Z liegen in dieser Darstellungsebene, die y-Achse Y steht senkrecht hierzu. Die Translationen in x-Richtung und in y-Richtung sind also vorliegend die relevanten Freiheitsgrade. Die übrigen vier Freiheitsgrade des Instruments sind in diesem Fall nicht relevant. Das Bildgebungssystem 6 nimmt das Arbeitsbild aus der in 1 gezeigten Aufnahmeposition auf, bei welcher die Blickrichtung BR senkrecht zur Arbeitsebene ist.
  • Für den zweiten und den dritten Arbeitsschritt wird die Blickrichtung BR wie in den 2 und 3 gezeigt jeweils senkrecht zur Längsachse L des Instruments 4 ausgewählt und vorliegend speziell in Richtung der x-Achse X und somit senkrecht zur Aufnahmeposition in 1.
  • Bei dem zweiten Arbeitsschritt ist der Eindringwinkel EW vorgegeben, welcher lediglich durch Drehung des Instruments 4 um eine Drehachse X, Y, Z eingestellt wird, nämlich vorliegend einer Drehung um die x-Achse X, also aus der Darstellungsebene der Figuren hinaus, wie in 2 durch den Doppelpfeil angedeutet ist. Die x-Achse X ist also vorliegend der relevante Freiheitsgrad bezüglich des zweiten Arbeitsschritts. Die Blickrichtung BR wird wie in 2 gezeigt entlang der x-Achse X ausgewählt. In dem Arbeitsbild ist dann das Instrument 4 in einer seitlichen Ansicht zu sehen.
  • Bei dem dritten Arbeitsschritt ist die Eindringtiefe ET vorgegeben und das Instrument 4 wird lediglich entlang einer Vorschubrichtung bewegt, vorliegend entlang der z-Achse Z wie in 3 gezeigt. Die z-Achse Z wird demnach bezüglich des dritten Arbeitsschritts als relevanter Freiheitsgrad bestimmt und gespeichert. Die Blickrichtung BR wird wie in 3 erkennbar senkrecht zur z-Achse ausgewählt und vorliegend in Richtung der x-Achse X, also identisch mit der Blickrichtung wie in 2, sodass in einer Variante für den dritten Arbeitsschritt kein Arbeitsbild aufgenommen wird, sondern einfach das Arbeitsbild für den zweiten Arbeitsschritt erneut verwendet wird.
  • Während des dritten Arbeitsschritts wird mittels des Bildgebungssystems 6 zusätzlich wiederkehrend die Eindringtiefe ET des Instruments 4 überwacht. In diesem Sinne wird dann also eine online-Überwachung durchgeführt. Hierzu wird die Aufnahmeposition der 3 beibehalten.
  • Insgesamt werden folglich im Rahmen des Verfahrens jene Freiheitsgrade bestimmt, bezüglich welcher eine Einstellung der Ausrichtung erforderlich ist, und als relevante Freiheitsgrade gespeichert. Das Arbeitsbild für einen jeweiligen Arbeitsschritt wird in einer Blickrichtung BR aufgenommen, welche derart gewählt ist, dass die relevanten Freiheitsgrade die Freiheitsgrade mit der höheren Registrier-Genauigkeit sind. Dabei wird ausgenutzt, dass die Genauigkeit für die einzelnen Freiheitsgrade des Instruments 4 vorrangig von der Ausrichtung des Arbeitsbildes relativ zum Instrument 4 abhängt. Bezugnehmend auf 1 eignet sich ein Arbeitsbild, welches in Richtung der z-Achse Z aufgenommen ist besonders gut zur lateralen Positionierung des Instruments. Dagegen eignet sich ein Arbeitsbild, welches wie in den 2 und 3 von der Seite des Instruments 4 her aufgenommen ist besonders gut zum Einfahren, da von der Seite her der Eindringwinkel EW und die Eindringtiefe ET besonders gut erkennbar sind. Das Arbeitsbild wird also jeweils derart aufgenommen, dass die relevanten Freiheitsgrade möglichst in der Bildebene BE liegen.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Registrierung beim Einstellen einer Ausrichtung eines Instruments (4) relativ zu einem Objekt (O) während einer Bearbeitung oder Behandlung dieses Objekts (O) mittels des Instruments (4), - wobei das Instrument (4) beweglich ist und mehrere Freiheitsgrade der Bewegung aufweist, - wobei bei der Behandlung oder Bearbeitung zumindest ein Arbeitsschritt vorgegeben ist, in welchem die Ausrichtung des Instruments (4) relativ zum Objekt (O) vorgegeben ist und in welchem die Einstellung der Ausrichtung lediglich bezüglich einer Teilanzahl der Freiheitsgrade erforderlich ist, - wobei jene Freiheitsgrade, bezüglich welcher eine Einstellung der Ausrichtung erforderlich ist, bestimmt werden und als relevante Freiheitsgrade gespeichert werden, - wobei ein drei-dimensionales Planungsbild des Objekts (O) bereitgestellt wird, - wobei mittels eines Bildgebungssystems (6) zumindest ein zwei-dimensionales Arbeitsbild des Objekts (O) erzeugt wird, - wobei das Arbeitsbild mit dem Planungsbild registriert wird, sodass sich für einige der Freiheitsgrade eine höhere Registrier-Genauigkeit ergibt als für die übrigen Freiheitsgrade, - wobei das Arbeitsbild in einer Blickrichtung (BR) aufgenommen wird, welche in Abhängigkeit der relevanten Freiheitsgrade derart ausgewählt wird, dass die relevanten Freiheitsgrade die Freiheitsgrade mit der höheren Registrier-Genauigkeit sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei für einen jeweiligen Arbeitsschritt lediglich ein zwei-dimensionales Arbeitsbild aufgenommen wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Behandlung oder Bearbeitung mehrere aufeinanderfolgende Arbeitsschritte aufweist, wobei jeweils nach einem Arbeitsschritt und vor dem nachfolgenden Arbeitsschritt eine Re-Registrierung durchgeführt wird, indem für den nachfolgenden Arbeitsschritt ein weiteres zwei-dimensionales Arbeitsbild aufgenommen wird, welches mit dem Planungsbild registriert wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine initiale Grobregistrierung durchgeführt wird, indem das Planungsbild erzeugt wird, während das Objekt (O) am Ort der Behandlung ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Planungsbild mittels desselben Bildgebungssystems (6) erzeugt wird wie das Arbeitsbild.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Bildgebungssystem (6) ein Röntgengerät ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Instrument (4) und das Bildgebungssystem (6) während der Behandlung oder Bearbeitung miteinander registriert werden, indem bei der Erzeugung des Arbeitsbilds das Instrument (4) mit abgebildet wird und indem anschließend anhand des Arbeitsbilds die Lage des Instruments (4) relativ zum Bildgebungssystem bestimmt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in dem Arbeitsschritt eine Position des Instruments (4) auf dem Objekt (O) vorgegeben ist und die Einstellung der Position lediglich durch eine Translation entlang zweier Translationsrichtungen erfolgt, wobei die zwei Translationsrichtungen als relevante Freiheitsgrade bestimmt und gespeichert werden, wobei die Blickrichtung (BR) senkrecht zu den Translationsrichtungen ausgewählt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in dem Arbeitsschritt ein Eindringwinkel (EW) des Instruments (4) relativ zum Objekt (O) vorgegeben ist und die Einstellung des Eindringwinkels (EW) lediglich durch Drehung des Instruments (4) um eine Drehachse (X, Y, Z) erfolgt, wobei die Drehachse (X, Y, Z) als relevanter Freiheitsgrad bestimmt und gespeichert wird, wobei die Blickrichtung (BR) entlang der Drehachse (X; Y, Z) ausgewählt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei in dem Arbeitsschritt eine Eindringtiefe (ET) des Instruments in das Objekt (O) vorgegeben ist und die Einstellung der Eindringtiefe (ET) lediglich durch eine Translation des Instruments (4) entlang einer Vorschubrichtung (X, Y, Z) erfolgt, wobei die Vorschubrichtung (X, Y, Z) als relevanter Freiheitsgrad bestimmt und gespeichert wird, wobei die Blickrichtung (BR) senkrecht zu der Vorschubrichtung (X, Y, Z) ausgewählt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei während der Durchführung des Arbeitsschritts das Einstellen der Ausrichtung des Instruments (4) mittels des Bildgebungssystems (6) überwacht wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Objekt (0) ein Patient ist, wobei die Behandlung oder Bearbeitung eine WirbelsäulenOperation ist, welche drei Arbeitsschritte aufweist, wobei das Instrument (4) eine Nadel, ein Bohrer oder eine Schraube ist und sich entlang einer Längsachse (L) erstreckt, wobei ein erster Arbeitsschritt ein Ansetzen des Instruments (4) an den Patienten ist, wobei ein zweiter Arbeitsschritt ein Einstellen eines Eindringwinkels (EW) des Instruments (4) ist, wobei ein dritter Arbeitsschritt ein Eindringen des Instruments (4) in den Patienten ist, wobei für den ersten Arbeitsschritt die Blickrichtung (BR) entlang der Längsachse (L) ausgewählt wird, wobei für den zweiten und den dritten Arbeitsschritt die Blickrichtung (BR) jeweils senkrecht zur Längsachse (L) ausgewählt wird, wobei während des dritten Arbeitsschritts mittels des Bildgebungssystems (6) wiederkehrend das Eindringen des Instruments (4) überwacht wird.
  13. Robotersystem (2), - welches zur Behandlung oder Bearbeitung eines Objekts (O) ausgebildet ist, - welches ein Instrument (4) aufweist, zur Behandlung oder Bearbeitung des Objekts (4), - welches ein Bildgebungssystem (6) aufweist, - welches eine Steuereinheit (10) aufweist, welche ausgebildet ist zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3784133A4 (de) * 2018-05-31 2021-06-30 Shanghai United Imaging Healthcare Co., Ltd. Systeme und verfahren zur steuerung einer röntgenbildgebungsvorrichtung
CN110731817B (zh) * 2019-10-11 2021-04-13 浙江大学 一种基于光学扫描自动化轮廓分割匹配的无辐射经皮脊柱定位方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013214479A1 (de) * 2013-07-24 2015-01-29 Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Verfahren zur Nachführung einer 2D-3D-Registrierung bei Bewegung und Rechenvorrichtung

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2303942A (en) 1995-07-28 1997-03-05 Armstrong Projects Ltd Aligning cannula or guide with line on X-ray images
US6740883B1 (en) * 1998-08-14 2004-05-25 Robert Z. Stodilka Application of scatter and attenuation correction to emission tomography images using inferred anatomy from atlas
US6304050B1 (en) * 1999-07-19 2001-10-16 Steven B. Skaar Means and method of robot control relative to an arbitrary surface using camera-space manipulation
US7660623B2 (en) * 2003-01-30 2010-02-09 Medtronic Navigation, Inc. Six degree of freedom alignment display for medical procedures
JP4249583B2 (ja) 2003-09-24 2009-04-02 株式会社日立製作所 穿刺システム
EP1692661B1 (de) * 2003-11-28 2007-10-31 Philips Intellectual Property & Standards GmbH Dreidimensionale rekonstruktion eines objekts aus projektionsfotografien
JP2008061858A (ja) 2006-09-08 2008-03-21 Toshiba Corp 穿刺治療ナビゲーション装置
CN100435735C (zh) * 2006-09-30 2008-11-26 南方医科大学 一种人体骨科手术导航系统
DE102007013407B4 (de) 2007-03-20 2014-12-04 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zur Bereitstellung einer Korrekturinformation
US8942442B2 (en) 2008-08-08 2015-01-27 Koninklijke Philips N.V. Method and device for aligning a needle
WO2011031914A1 (en) * 2009-09-10 2011-03-17 Laurent Angibaud Alignment guides for use in computer assisted orthopedic surgery to prepare a bone element for an implant
CN102147919B (zh) * 2010-02-10 2013-09-25 昆明医学院第一附属医院 一种校正术前三维图像的术中配准方法和装置
DE102010020350B4 (de) * 2010-05-12 2017-02-23 Siemens Healthcare Gmbh Verfahren zur Positionierung des Fokus eines Gradientenfeldes und Behandlungsvorrichtung
CN102542600B (zh) * 2011-12-14 2014-12-03 北京工业大学 一种基于cuda技术的仿真投影drr生成方法
DE102012208389A1 (de) * 2012-05-18 2013-11-21 Fiagon Gmbh Registrierverfahren und -vorrichtung für ein Positionserfassungssystem
CN104411248B (zh) * 2012-06-28 2017-09-26 皇家飞利浦有限公司 在内窥镜外科手术中用于最佳图像采集的c型臂轨迹规划
EP2938260B1 (de) * 2012-12-28 2019-11-06 Koninklijke Philips N.V. Echtzeit-szenenmodellierung mit kombination von 3d-ultraschall und 2d-röntgenbildgebung
JP6157919B2 (ja) 2013-05-09 2017-07-05 東芝メディカルシステムズ株式会社 Ｘ線診断装置
CN109952070B (zh) * 2016-10-05 2022-02-01 纽文思公司 手术导航系统及相关方法
CN106974707B (zh) 2017-04-21 2023-07-21 上海交通大学 Ct引导经皮肺穿刺空间辅助定位装置
CN107330926A (zh) * 2017-08-25 2017-11-07 上海嘉奥信息科技发展有限公司 一种术中导航系统中的非标记医学图像配准系统及方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013214479A1 (de) * 2013-07-24 2015-01-29 Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Verfahren zur Nachführung einer 2D-3D-Registrierung bei Bewegung und Rechenvorrichtung

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