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Die
Erfindung betrifft Verfahren zur intraoperativen Erzeugung eines
aktualisierten Volumendatensatzes von einem Patienten.
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Im
Zuge eines medizinischen Eingriffs an einem Patienten, insbesondere
eines minimalinvasiven Eingriffs, ist es häufig erforderlich, an biologischem
Gewebe des Patienten vorgenommene Lageveränderungen mittels diagnostischer
Röntgenbildgebung
zu kontrollieren. Ein solches Erfordernis existiert beispielsweise
bei komplizierten Knochenbrüchen,
insbesondere bei Trümmerbrüchen mit
mehreren kleinen Knochenfragmenten komplexer Morphologie, welche
bei der Osteosynthese relativ zueinander ausgerichtet und fixiert
werden müssen.
Heutzutage erfolgt die Repositionierung der Knochenfragmente und
deren anschließende
Fixierung unter Zuhilfenahme von einzelnen 2D-Röntgenprojektionen, wobei
der Chirurg während
des minimalinvasiven Eingriffs darauf angewiesen ist, mit Hilfe
der unter verschiedenen Blickrichtungen aufgenommenen 2D-Röntgenprojektionen
die in Wirklichkeit dreidimensionale anatomische Situation mental
zu rekonstruieren. Diese mentale 3D-Rekonstruktion der realen dreidimensionalen
anatomischen Situation aus mehreren intraoperativ aufgenommenen
2D-Röntgenprojektionen
erfordert von dem Chirurgen sehr viel Erfahrung, Vorstellungskraft
und Konzentration.
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Andererseits
besteht heutzutage die Möglichkeit,
nach der Lagerung des Patienten zu bestimmten Zeitpunkten des Osteosynthese-Eingriffs intraoperativ
einen Bildinformationen von den Knochenfragmenten aufweisenden Volumendatensatz mit
Hilfe eines C-Bogen-Röntgengerätes zu erzeugen,
wobei zur Rekonstruktion des Volumendatensatzes eine Serie von 2D-Röntgenprojektionen
unter verschiedenen Projektionswinkeln aufgenom men wird. Der Chirurg
würde es
bevorzugen, die Osteosynthese anhand solcher intraoperativ erzeugter
Volumendaten vorzunehmen, aus denen 2D- oder 3D-Bilder erzeugt werden
können.
Diese Absicht scheitert allerdings an der Aktualität der 3D-Bilddaten, da eine
während
der kontinuierlichen Repositionierung der Knochenfragmente zu häufige oder
gar kontinuierliche vollständige
intraoperative Aktualisierung der 3D-Bilddaten sowohl aus zeitlichen
Gründen
als auch aufgrund von Strahlenschutzaspekten nicht möglich ist.
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In
der
DE 198 07 884
A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur intraoperativen
rechnergestützten
Bestimmung von räumlichen
Koordinaten anatomischer Zielobjekte beschrieben. Hierbei werden
zur intraoperativen dreidimensionalen Visualisierung mehrere Aufnahmen
aus unterschiedlichen Positionen und/oder Orientierungen angefertigt.
Diese Aufnahmen werden mit vor der Operation angefertigten oder
in einer früheren
Operationsphase gewonnenen Aufnahmen verglichen. Darüber hinaus
ist in der
DE 198
07 884 A1 offenbart, dass für den Fall, dass Einzelaufnahmen
keine ausreichende Information über
das Zielobjekt geben können,
eine dreidimensionale Rekonstruktion durchgeführt wird.
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Weiterhin
ist durch die
DE 197
05 600 A1 ein Verfahren zur Ermittlung der Transformation
zwischen einem durch einen Datensatz dreidimensional abgebildeten
Objekt und dem Objekt selbst bekannt. Außerdem ist in der
DE 197 05 600 A1 eine Anordnung
zur Durchführung
des Verfahrens offenbart. Bei dem beschriebenen Verfahren wird wenigstens
eine Röntgenaufnahme
des Objekts angefertigt. Von einem Teil des durch den Datensatzdargestellten
Volumens wird ein Pseudo-Projektionsbild berechnet und mit der Röntgenaufnahme
verglichen. Die Parameter, die der Berechnung des Pseudo-Projektbildes zugrunde
liegen, werden so lange variiert, bis sich eine optimale Übereinstimmung
ergibt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Verfahren zur intraoperativen
Erzeugung eines aktualisierten Volumendatensatzes unter möglichst
geringer Strahlenbelastung für
den Patienten anzugeben.
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Nach
der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach
Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 11. Die Lösung nach
dem Verfahren des Anspruchs 1 beruht darauf, dass vor einem medizinischen
Eingriff an einem Patienten, aber nach dessen Lagerung auf einer
Lagerungsvorrichtung eine Serie von n 2D-Röntgenprojektionen von einem
biologischen Gewebe des Patienten unter n verschiedenen Projektionswinkeln
mit einem Röntgensystem
aufgenommen wird, aus denen anhand bekannter, beispielsweise in
einem Offline-Kalibrierprozess
ermittelter oder online während der
Patientenmessung ermittelter Projektionsgeometrien ein Bildinformationen
von dem biologischen Gewebe aufweisender Volumendatensatz rekonstruiert wird.
Die in dem Volumendatensatz enthaltenen Bildinformationen des biologischen
Gewebes werden vorzugsweise derart segmentiert, dass die 3D-Kontur des
biologischen Gewebes in dem Volumendatensatz gekennzeichnet ist.
Während
des medizinischen Eingriffs werden nach einer Lageveränderung
des biologischen Gewebes m < n
2D-Röntgenprojektionen von
dem biologischen Gewebe des Patienten unter m verschiedenen Projektionswinkeln
mit dem Röntgensystem
aufgenommen und deren Projektionsgeometrien ermittelt. In diesen
intraoperativ aufgenommenen m 2D-Röntgenprojektionen werden die
Bildinformationen des biologischen Gewebes segmentiert, so dass
in jeder der m 2D-Röntgenprojektionen
die 2D-Kontur des biologischen Gewebes gekennzeichnet ist. Anschließend werden
basierend auf den ermittelten Projektionsgeometrien die in den m 2D-Röntgenprojektionen
segmentierten 2D-Konturen des biologischen Gewebes in den rekonstruierten Volumendatensatz
rückprojiziert,
so dass in dem resultierenden bzw. aktualisierten Volumendatensatz eine
3D-Kontur des biologischen Gewebes vor und nach dessen Lageveränderung
vorliegt. Die 3D-Kontur
des in seiner Lage veränderten
biologischen Gewebes in dem aktualisierten Volumendatensatzes kann
auch als „Pseudo-3D-Kontur" des biologischen Gewebes
bezeichnet werden, worunter eine nicht vollständig beschriebene 3D-Struktur
verstanden wird, die durch die 2D-3D-Rückprojektion aus einigen wenigen
intraoperativ ermittelten 2D-Konturen entstanden ist. Diese Pseudo-3D-Kontur
reicht jedoch zu einer Visualisierung von Position und Orientierung des
in seiner Lage veränderten
biologischen Gewebes aus. Das Verfahren ermöglicht es also, während eines
medizinischen Eingriffs an einem Patienten nach Aufnahme einiger
weniger 2D-Röntgenprojektionen
und damit durch Applikation von deutlich weniger Röntgendosis,
als dies etwa bei einer erneuten Aufnahme einer ganzen Serie von
n 2D-Röntgenprojektionen
der Fall wäre,
und in einer im Vergleich zu einer erneuten Aufnahme einer ganzen
Serie von n 2D-Röntgenprojektionen
deutlich verkürzten
Zeit einen aktuelle Bildinformationen von in seiner Lage verändertem
biologischen Gewebe enthaltenden Volumendatensatz des Patienten
zu erzeugen. Aufgrund der geringen Strahlenbelastung für den Patienten
und der verhältnismäßig kurzen
Rechenzeit kann eine derartige Aktualisierung eines Volumendatensatzes
auch mehrfach während
eines medizinischen Eingriffs vorgenommen werden.
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Um
die 3D-Kontur des biologischen Gewebes in seiner Ausgangslage und
die 3D-Kontur des biologischen Gewebes nach seiner Lageveränderung
besser voneinander unterscheiden zu können, werden nach einer Variante
der Erfindung die 3D-Kontur des biologischen Gewebes in seiner Ausgangslage
und die 3D-Kontur des biologischen Gewebes nach seiner Lageveränderung
zur Unterscheidung voneinander in dem aktualisierten Volumendatensatz
codiert dargestellt. Nach einer Ausführungsform der Erfindung handelt
es sich bei der Codierung vorzugsweise um eine Grauwert- oder Farbcodierung,
so dass in dem aktualisierten Volumendatensatz die 3D-Kontur des
biologischen Gewebes in seiner ursprünglichen Position und Orientierung
beispielsweise graucodiert und die 3D-Kontur des biologischen Gewebes
in seiner aktuellen Position und Orientierung während des Eingriffs farbcodiert
dargestellt sind.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung handelt es sich bei dem biologischen Gewebe um ein
Knochenfragment, in der Regel um mehrere Knochenfragmente, welche
im Rahmen einer Osteosynthese relativ zueinander ausgerichtet und
fixiert werden müssen.
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Nach
einer Variante der Erfindung nimmt das Röntgensystem bei einer intraoperativen
Aufnahme einer der m 2D-Röntgenprojektionen
wenigstens im Wesentlichen eine Position relativ zu dem Patienten wie
bei der Aufnahme einer 2D-Röntgenprojektion der
Serie von n 2D-Röntgenprojektionen
ein. Dies hat den Vorteil, dass die Projektionsgeometrien für diese intraoperativ
aufgenommene 2D-Röntgenprojektion den
Projektionsgeometrien der entsprechenden 2D-Röntgenprojektion der Serien
von n 2D-Röntgenprojektionen
entsprechen und demnach bereits bekannt sind, so dass diese unmittelbar
zur Rückprojektion
der 2D-Kontur des
biologischen Gewebes in den rekonstruierten Volumendatensatz herangezogen werden
können.
Nach Varianten der Erfindung kann die Einnahme einer derartigen
Position des Röntgensystems
erreicht werden, indem das Röntgensystem automatisch
motorisch oder manuell unter Kontrolle von Winkel- oder Positionsgebern
in eine solche Position verstellt wird oder dass eine mechanische
Arretiervorrichtung zu Hilfe genommen wird.
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Alternativ
hierzu kann das Röntgensystem bei
einer intraoperativen Aufnahme einer der m 2D-Röntgenprojektionen jedoch auch
eine andere Position relativ zu dem Patienten wie bei der Aufnahme
einer 2D-Röntgenprojektion
der Serie von n 2D-Röntgenprojektionen
einnehmen. In diesem Fall müssen
die Projektionsgeometrien für
diese Position des Röntgensystems
entweder in einem gesonderten Kalibrierprozess vor der Patientenmessung
ermittelt oder mittels Interpolation aus den bereits bekannten oder
ermittelten Projektionsgeometrien des Röntgensystems berechnet werden.
Auch in diesem Fall sind schließlich
die Projektionsgeometrien bekannt, um die in den intraoperativ aufgenommenen
m 2D-Röntgenprojektionen
segmentierten 2D-Konturen des biologischen Gewebes in den Volumendatensatz
rückprojizieren
zu können.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung umfasst das Röntgensystem
einen mit einer Röntgenstrahlenquelle
und einem Röntgenstrahlenempfänger versehenen
C-Bogen. Vorzugsweise ist der C-Bogen isozentrisch verstellbar und Teil
eines verfahrbaren C-Bogen-Röntgengerätes.
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Wie
bereits erwähnt,
wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung auch gelöst durch
ein Verfahren nach Anspruch 11, bei dem aus einer mit einem Röntgensystem
aufgenommenen Serie von n 2D-Röntgenprojektionen
von einem biologischen Gewebe eines Patienten nach dessen Lagerung
unter n verschiedenen Projektionswinkeln anhand von, beispielsweise
aus einem Offline-Kalibrierprozess,
bekannten Projektionsgeometrien ein Bildinformationen von dem biologischen
Gewebe aufweisender Volumendatensatz rekonstruiert wird. Die in
dem Volumendatensatz enthaltenen Bildinformationen des biologischen
Gewebes werden dabei derart segmentiert, dass die 3D-Kontur des
biologischen Gewebes in dem Volumendatensatz gekennzeichnet ist.
Während
des medizinischen Eingriffs werden m < n 2D-Röntgenprojektionen von dem biologischen
Gewebe des Patienten unter m verschiedenen Projektionswinkeln mit
dem Röntgensystem
aufgenommen und deren Projektionsgeometrien ermittelt. Anschließend wird
die in dem Volumendatensatz segmentierte 3D-Kontur des biologischen
Gewebes in jede der m 2D-Röntgenprojektionen
projiziert und solange virtuell in dem Volumendatensatz repositioniert
bis die vorzugsweise als 2D-Kontur in eine jede der m 2D-Röntgenprojektionen
projizierte 3D-Kontur wenigstens im Wesentlichen mit den in der
jeweiligen 2D-Röntgenprojektion
enthaltenen Bildinformationen des biologischen Gewebes deckungsgleich
ist. Diese Prozedur läuft
in der Regel iterativ ab. Ist Deckungsgleichheit erreicht, wird
der Volumendatensatz basierend auf den Informationen aus der Repositionierung um
eine die Lageänderung
des biologischen Gewebes veranschaulichende 3D-Kontur aktualisiert.
Auch mit diesem Verfahren kann basierend auf einer intraoperativen
Aufnahme von m 2D-Röntgenprojektionen
ein aktualisierter Volumendatensatz erzeugt werden, welcher sowohl
Bildinformationen des biologischen Gewebes des Patienten in dessen
Ausgangslage als auch aktuelle, während der Durchführung eines
medizinischen Eingriffs aufgenommene Bildinformationen von dem biologischen
Gewebe aufweist, so dass, beispielsweise für einen den medizinischen Eingriff
durchführenden
Chirurgen, der Unterschied zwischen aktueller Situation und Ausgangslage
in dem Volumendatensatz erkennbar ist.
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Nach
einer Variante der Erfindung wird die 3D-Kontur in dem Volumendatensatz
solange rotiert und/oder translatorisch verstellt, bis wenigstens
im Wesentlichen Deckungsgleichheit zwischen der in die jeweilige
2D-Röntgenprojektion
projizierten 3D-Kontur und den in der 2D-Röntgenprojektion enthaltenen
Bildinformationen des biologischen Gewebes gemäß einer Vorgabe erreicht ist,
d. h. bis alle korrespondierenden Punkte korrespondierender 2D-Konturen
wenigstens einen vorgegebenen Abstand voneinander aufweisen.
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Um
die 3D-Kontur des biologischen Gewebes in seiner Ausgangslage und
die 3D-Kontur des biologischen Gewebes nach seiner Lageveränderung
besser voneinander unterscheiden zu können, werden auch bei diesem
Verfahren nach einer Variante der Er findung die 3D-Kontur des biologischen Gewebes
in seiner Ausgangslage und die 3D-Kontur des biologischen Gewebes
nach seiner Lageveränderung
zur Unterscheidung voneinander in dem aktualisierten Volumendatensatz
codiert dargestellt. Vorzugsweise handelt es sich nach einer Ausführungsform
der Erfindung bei der Kodierung auch hier um eine Grauwert- oder
Farbcodierung.
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Wie
bereits für
das erste erfindungsgemäße Verfahren
erläutert,
kann es sich bei dem biologischen Gewebe um ein Knochenfragment,
vorzugsweise um mehrere Knochenfragmente, handeln. Des Weiteren
kann nach Varianten der Erfindung das Röntgensystem bei einer intraoperativen
Aufnahme einer der m 2D-Röntgenprojektionen
wenigstens im Wesentlichen eine Position relativ zu dem Patienten wie
bei der Aufnahme einer 2D-Röntgenprojektion der
Serie von n 2D-Röntgenprojektionen
einnehmen, was, wie bereits zuvor beschrieben, bewerkstelligt werden
kann. Das Röntgensystem
kann aber auch bei der Aufnahme der m 2D-Röntgenprojektionen vollkommen
andere Positionen einnehmen, so dass die Projektionsgeometrien für diese
Positionen des Röntgensystems
in einem Kalibrierprozess ermittelt oder mittels Interpolation aus
bereits bekannten Projektionsgeometrien berechnet werden müssen.
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Nach
einer Variante der Erfindung umfasst das Röntgensystem, wie bereits zuvor
beschrieben, einen mit einer Röntgenstrahlenquelle
und einen Röntgenstrahlenempfänger versehenen
C-Bogen, welcher
vorzugsweise isozentrisch verstellbar und Teil eines verfahrbaren
C-Bogen-Röntgengerätes ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den beigefügten
schematischen Figuren dargestellt. Es zeigen:
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1 ein
C-Bogen-Röntgengerät zur Durchführung der
erfindungsgemäßen Verfahren,
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2 schematisch
veranschaulicht die Rekonstruktion eines Volumendatensatzes aus
einer Serie von n 2D-Röntgenprojektionen,
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3 und 4 schematisch
veranschaulicht die Erzeugung eines aktualisierten Volumendatensatzes
anhand von m intraoperativ aufgenommenen 2D-Röntgenprojektionen.
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Das
in 1 dargestellte C-Bogen-Röntgengerät 1 ist zur Ausführung der
erfindungsgemäßen Verfahren
geeignet und weist einen mit Rädern 2 versehenen
Gerätewagen 3 auf,
in dem eine eine Säule 5 umfassende,
in der 1 nur schematisch angedeutete Hubvorrichtung 4 angeordnet
ist. An der Säule 5 ist
ein Halteteil 6 angeordnet, an dem ein Lagerteil 7 zur
Lagerung eines C-Bogens 8 vorhanden ist. Am C-Bogen 8 sind
einander gegenüberliegend
eine Röntgenstrahlenquelle 9 und
ein Röntgenstrahlenempfänger 10 angeordnet.
Die Röntgenstrahlenquelle 9 sendet
vorzugsweise ein kegelförmiges
Röntgenstrahlenbündel in
Richtung auf den eine flächenhafte
Empfangsfläche
aufweisenden Röntgenstrahlenempfänger 10 aus,
bei dem es sich beispielsweise um einen Röntgenbildverstärker oder
einen Flachbilddetektor handeln kann. Der C-Bogen 8 kann
im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
sowohl um seine in der 1 schematisch angedeutete Orbitalachse
A als auch um seine in der 1 schematisch
angedeutete Angulationsachse B isozentrisch verstellt werden.
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Mit
dem C-Bogen-Röntgengerät
1 können Volumendatensätze, beispielsweise
Voxelvolumen, von Körperteilen
eines auf einer Patientenliege
11 gelagerten Patienten
P angefertigt werden kann. Hierzu ist im Falle des vorliegenden
Ausführungsbeispiels
im Gerätewagen
3 ein
in nicht dargestellter Weise mit dem Röntgenstrahlenempfänger
10 verbundener
Bildrechner
12 angeordnet. Der Bildrechner
12 kann
in an sich bekannter Weise aus einer mit der Röntgenstrahlenquelle
9 und
dem Röntgenstrahlenempfänger
10 gewonnenen
Serie von n 2D-Röntgen projektionen,
welche bei einer Verstellung des C-Bogens
8 um ein in einem
Bild darzustellendes Körperteil
des Patienten P gewonnen werden, durch Rückprojektion einen Volumendatensatz
bzw. ein Voxelvolumen von dem darzustellenden Körperteil rekonstruieren. Der
C-Bogen
8 wird dabei entweder längs seines Umfanges um die
Orbitalachse A oder bei einer Verstellung des C-Bogens
8 um
die Angulationsachse B um ca. 190° verstellt,
wobei während der
Verstellung ca. 50 bis 200 2D-Röntgenprojektionen
gewonnen werden. Die für
die Rekonstruktion eines Voxelvolumens erforderlichen Projektionsgeometrien
sind in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines Kalibrierphantoms
in einer Offline-Kalibrierung des C-Bogen-Röntgengerätes
1 ermittelt worden
und in einem nicht explizit dargestellten Speicher des C-Bogen-Röntgengerätes
1 abgelegt,
auf den der Bildrechner
12 Zugriff hat. Eine Offline-Kalibrierung zur
Ermittlung der Projektionsgeometrien kann beispielsweise mit einem
in der
DE 100 47 382
A1 beschriebenen, röntgenpositive
Marken aufweisenden Kalibrierphantom erfolgen.
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Mit
dem C-Bogen-Röntgengerät 1 wird
im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
vom Kniebereich K des Patienten P, welcher im Kniebereich K einen
Trümmerbruch
erlitten hat, nach der Lagerung des Patienten P auf der Patientenliege 11 eine
Serie von n 2D-Röntgenprojektionen
unter n verschiedenen Projektionswinkeln aufgenommen, wobei der
C-Bogen 8 zusammen mit der Röntgenstrahlenquelle 9 und
dem Röntgenstrahlenempfänger 10 um
seine Orbitalachse A um ca. 190° verstellt
wird. Mit Hilfe des Bildrechners 12 wird aus der Serie
von n 2D-Röntgenprojektionen
und den für
diese Verstellbewegung des C-Bogens 8 ermittelten,
in dem erwähnten
Speicher abgelegten Projektionsgeometrien ein Voxelvolumen vom Kniebereich
K des Patienten P durch Rückprojektion
rekonstruiert. In 2 sind in schematischer Darstellung
die Aufnahme der n 2D-Röntgenprojektionen
unter Verstellung des C-Bogens 8 auf einer Kreisbahn KB
sowie die Rückprojektion
zur Rekonstruktion des Voxelvolumens V1 schematisch veranschaulicht.
Die in
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2 exemplarisch
dargestellten 2D-Röntgenprojektionen
P1 bis P3 sowie das rekonstruierte Voxelvolumen V1 enthalten jeweils
zwei Punkte, welche Abbildungen KF1 und KF2 von Knochenfragmenten
darstellen sollen. Während
die Darstellung der Abbildungen KF1 und KF2 der Knochenfragmente
in den 2D-Röntgenprojektionen
zweidimensional ist, ist deren Darstellung in dem Voxelvolumen V1
in aus 2 nicht zu erkennender Weise dreidimensional.
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Aus
diesem Voxelvolumen V1, welches im Bildrechner 12 vorliegt,
können
mittels an sich bekannter Verfahren, beispielsweise dem MPR-Verfahren
(multiplanare Reformation), 3D-Bilder oder 2D-Bilder von dem Kniebereich
K erzeugt und auf einer mit dem Bildrechner 12 in nicht
dargestellter Weise verbundenen Anzeigeeinrichtung 13 dargestellt werden.
In 1 ist exemplarisch ein aus dem ersten Voxelvolumen
V1 erzeugtes realitätsnahes
Bild vom Trümmerbruch
im Kniebereich K des Patienten P dargestellt. Auf diese Weise kann
ein in der 1 nicht dargestellter, den Patienten
P behandelnder Chirurg einen Eindruck vom Trümmerbruch im Kniebetreich K
des Patienten P gewinnen und die Osteosynthese, d.h. die Repositionierung
der einzelnen Knochenfragmente KF und deren anschließende Fixierung
planen.
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Um
die bei der Repositionierung in ihrer Position und Orientierung
veränderten
Knochenfragmente relativ zu deren in 2 gezeigten
Ausgangspositionen bildlich darstellen und somit den Chirurgen bei
der Osteosynthese unterstützen
zu können, werden
die 3D-Abbildungen der Knochenfragmente, im Falle des vorliegenden
Ausführungsbeispiels
die Abbildungen KF1 und KF2, in dem rekonstruierten Voxelvolumen
V1 segmentiert, so dass die 3D-Kontur eines jeden zu repositionierenden
Knochenfragmentes gekennzeichnet und visuell erkennbar ist. Nach
intraoperativ an den Knochenfragmenten vorgenommenen Lageveränderungen
werden intraoperativ m < n,
beispielsweise m = 5, 2D-Röntgenprojektionen
von dem Kniebereich K und somit den Knochenfragmenten des Patienten
P unter m verschiedenen Projektionswinkeln aufgenommen. Der C-Bogen 8 wird hierzu
in die entsprechenden ausgewählten
Positionen relativ zu dem Patienten P gebracht. Vorzugsweise nimmt
der C-Bogen 8 bei den intraoperativen Aufnahmen der m 2D-Röntgenprojektionen von
dem Kniebereich K des Patienten P Positionen ein, welche wenigstens
im Wesentlichen Positionen entsprechen, aus denen bereits eine 2D-Röntgenprojektion
der Serie von n 2D-Röntgenprojektionen aufgenommen
wurde. Auf diese Weise sind die Projektionsgeometrien für die intraoperativ
aufgenommenen 2D-Röntgenprojektion
bereits bekannt und müssen
nicht extra berechnet werden. In den intraoperativ aufgenommenen
m 2D-Röntgenprojektionen werden
die 2D-Konturen der abgebildeten, in ihrer Lage veränderten
Knochenfragmente segmentiert. Diese in den intraoperativ aufgenommenen
m 2D-Röntgenprojektionen
segmentierten 2D-Konturen werden basierend auf den ermittelten Projektionsgeometrien
mittels des Bildrechners 12 in das rekonstruierte Voxelvolumen
V1 rückprojiziert,
so dass man ein aktualisiertes Voxelvolumen erhält, in dem die 3D-Konturen
der Knochenfragmente in Ihrer Ausgangslage und die 3D-Konturen der Knochenfragmente
nach deren Lageveränderung
enthalten sind.
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In 3 ist
dieses Vorgehen schematisch veranschaulicht. Wie aus 3 zu
erkennen ist, werden in der Position des C-Bogens 8, in der die 2D-Röntgenprojektion
P1 gewonnen wurde, intraoperativ die 2D-Röntgenprojektion PM1 und in
der Position des C-Bogens 8, in der die 2D-Röntgenprojektion
P3 gewonnen wurde, intraoperativ die 2D-Röntgenprojektion PM3 gewonnen.
Die in den 2D-Röntgenprojektion
PM1 und PM3 vorhandenen Abbildungen KF1V und KF2V der Knochenfragmente,
welche deren aktuelle veränderte
Lage zeigen, werden in den 2D-Röntgenprojektion
PM1 und PM3 segmentiert, so dass deren 2D-Kontur gekennzeichnet
und visuell erkennbar ist. Die segmentierten 2D-Konturen der Abbildungen
KF1V und KF2V der Knochenfragmente werden dann, wie in 3 mit
Pfeilen PF1 angedeutet, in das rekonstruierte Voxelvolumen V1 rückprojiziert,
so dass man das in 3 gezeigte um die 3D-Konturen
der in den 2D-Röntgenprojektion PM1
und PM3 vorhandenen Abbildungen KF1V und KF2V der Knochenfragmente
aktualisierte Voxelvolumen VA1 erhält. Das sich ergebende aktualisierte
Voxelvolumen VA1 enthält
demnach, wie in 3 gezeigt ist, sowohl 3D-Konturen der Knochenfragmente in
ihrer Ausgangsposition und -orientierung als auch als Überlagerung
3D-Konturen der Knochenfragmente in ihrer aktuellen Position und
Orientierung während
des medizinischen Eingriffs. Die in dem aktualisierten Voxelvolumen
VA1 enthaltenen 3D-Konturen von den in ihrer Lage veränderten
Knochenfragmenten, welche aus den wenigen, beispielsweise m = 5 intraoperativ
aufgenommenen 2D-Röntgenprojektionen
resultieren, weisen zwar nicht die Bildschärfe wie die in ihrer Ausgangslage
dargestellten Knochenfragmente auf, weshalb diese auch als Pseudo-3D-Konturen
bezeichnet werden. Die Abbildung ist jedoch derart ausreichend,
dass der den Eingriff durchführende
Chirurg bei der Repositionierung der Knochenfragmente wirkungsvoll
unterstützt
wird.
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Um
in dem aktualisierten Voxelvolumen VA1 die 3D-Konturen der Knochenfragmente
in ihrer Ausgangslage von den 3D-Konturen der Knochenfragmente nach
deren Repositionierung besser voneinander unterscheiden zu können, werden
diese vorzugsweise grau- oder farbcodiert. In diesem modifizierten
aktualisierten Voxelvolumen sind dann die 3D-Konturen der Knochenfragmente
in ihrer ursprünglichen
Position und Orientierung beispielsweise graucodiert und die 3D-Konturen
der Knochenfragmente in ihrer aktuelle Position und Orientierung während des
Eingriffs farbcodiert dargestellt.
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Bei
dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren
werden nach der Aufnahme der Serien von n 2D-Röntgenprojektionen und nach
der in 2 veranschaulichten Rekonstruktion des Voxelvolumens V1
ebenfalls die 3D-Konturen der in dem Voxelvolumen V1 abgebildeten
Knochenfragmente segmentiert. Des weiteren werden nach einer Lageveränderung
der Knochenfragmente während
des medizinischen Eingriffs unter m verschiedenen Projektionswinkeln
intraoperativ m 2D-Röntgenprojektionen
von dem Kniebereich K und somit den in ihrer Lage veränderten
Knochenfrag menten des Patienten P aufgenommenen und in den aufgenommenen
m 2D-Röntgenprojektionen
die 2D-Konturen der abgebildeten Knochenfragmente segmentiert. Wie
zuvor beschrieben, wird der C-Bogen 8 bei der Aufnahme der
m 2D-Röntgenprojektionen
dabei vorzugsweise an Positionen relativ zu dem Patienten P gebracht, an
denen bereits 2D-Röntgenprojektionen
der Serie von n 2D-Röntgenprojektionen
aufgenommen wurden, so dass die Projektionsgeometrien für die m 2D-Röntgenprojektionen
bekannt sind.
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Anschließend werden
basierend auf den Projektionsgeometrien für die m 2D-Röntgenprojektionen
die in dem Voxelvolumen V1 segmentierten 3D-Konturen der Knochenfragmente
mittels des Bildrechners 12 als 2D-Konturen in jede der
m 2D-Röntgenprojektionen
projiziert. In dem rekonstruierten Voxelvolumen werden die 3D-Konturen
der Knochenfragmente dann solange virtuell durch Rotation und/oder
translatorische Verstellungen unter gleichzeitiger Projektion in
die m 2D-Röntgenprojektionen
repositioniert bis die in die m 2D-Röntgenprojektionen projizierten
3D-Konturen der Knochenfragmente wenigstens im Wesentlichen mit
den entsprechenden intraoperativ aufgenommenen 2D-Konturen der Knochenfragmente
in den m 2D-Röntgenprojektionen
deckungsgleich sind. Unter Deckungsgleichheit wird dabei verstanden,
dass alle korrespondierenden Punkte korrespondierender 2D-Konturen
einen gemäß einer
Vorgabe genügend
kleinen Abstand voneinander aufweisen. Basierend auf aus dieser
virtuellen Repositionierung gewonnenen Informationen wird das Voxelvolumen
V1 um die Lageänderung
der Knochenfragmente veranschaulichende 3D-Konturen der Knochenfragmente
aktualisiert, so dass in dem aktualisierten Voxelvolumen die 3D-Konturen
der Knochenfragmente in ihrer Ausgangslage und die 3D-Konturen der
Knochenfragmente in ihrer veränderten
Lage enthalten sind.
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Das
Prinzip des zweiten Verfahrens zur intraoperativen Aktualisierung
eines Volumendatensatzes ist in 4 veranschaulicht.
In dem unter anderem aus den 2D-Röntgenprojektionen P1 bis P3
rekonstruierten Voxelvolumen V1, in dem die 3D-Konturen der Abbildungen KF1 und KF2
von Knochenfragmenten segmentiert wurden, werden die 3D-Konturen
der Abbildungen KF1 und KF2 solange virtuell repositioniert bis
deren durch Pfeile PF2 angedeutete 2D-Projektionen 2DKF1, 2DKF2
in die intraoperativ aufgenommenen 2D-Röntgenprojektionen PM1 und PM3 mit
den in den intraoperativ aufgenommenen 2D-Röntgenprojektionen PM1 und PM3
enthaltenen Abbildungen KF1V und KF2V der Knochenfragmente, welche
als 2D-Konturen segmentiert sind, deckungsgleich sind. In 4 ist
mit Pfeilen PF3 die Verschiebung der 2D-Projektionen 2DKF1, 2DKF2 der
3D-Konturen der Knochenfragmente auf die in den intraoperativ aufgenommenen
2D-Röntgenprojektionen
PM1 und PM3 abgebildeten und als 2D-Kontur segmentierten Knochenfragmente
veranschaulicht. Die Verschiebung der 2D-Projektionen 2DKF1, 2DKF2
in den 2D-Röntgenprojektionen
PM1, PM3 resultiert dabei auf in dem Voxelvolumen V1 vorgenommenen
Verstellungen der 3D-Konturen, welche vorzugsweise kontinuierlich
entsprechend in die intraoperativ aufgenommenen 2D-Röntgenprojektionen
PM1 und PM3 projiziert werden. Das in 4 gezeigte
Voxelvolumen VA2 stellt den Endzustand dar, wenn, wie durch die
Pfeile PF4 veranschaulicht, Deckungsgleichheit erzielt ist. Das
Voxelvolumen VA2 beinhaltet dann wie das Voxelvolumen VA1 3D-Konturen von Knochenfragmenten
in ihrer Ausgangslage und 3D-Konturen
von Knochenfragmenten nach einer Repositionierung.
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Für das zweite
Verfahren kann für
das vorliegende Ausführungsbeispiel
folgendes Struktogramm angegeben werden:
Für alle der m 2D-Röntgenprojektionen:
Für alle der
k Knochenfragmente:
Projektion der 3D-Kontur des Knochenfragments
auf die 2D-Röntgenprojektion
Ist
der Abstand zwischen projizierter 3D-Kontur und 2D-Kontur genügend klein?
Ja → Voxelvolumen
ist bereits aktuell. Keine virtuelle Repositionierung des Knochen fragments
notwendig → nächstes Knochenfragment
Für alle Rotations-/Translations-Freiheitsgrade
der Knochenfragmente:
Veränderung
der Freiheitsgrade
Ist der Abstand zwischen projizierter 3D-Kontur und 2D-Kontur
genügend
klein?
Ja → Voxelvolumen
ist bereits aktuell. Keine virtuelle Repositionierung des Knochenfragments
notwendig → nächstes Knochenfragment
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Um
auch im Falle des zweiten Verfahrens die 3D-Konturen der Knochenfragmente
in ihrer Ausgangsstellung von den 3D-Konturen der Knochenfragmente nach einer
Repositionierung in dem aktualisierten Voxelvolumen VA2 besser voneinander
unterscheiden zu können,
werden diese vorzugsweise codiert dargestellt. Auf diese Weise erhält man ein modifiziertes
aktualisiertes Voxelvolumen, in dem die Bildinformationen der Knochenfragmente
in ihrer ursprünglichen
Position und Orientierung beispielsweise graucodiert und die Bildinformationen
der Knochenfragmente in ihrer aktuellen Position und Orientierung
während
des Eingriffs farbcodiert dargestellt sind.
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Wie
zuvor für
beide Verfahren erwähnt,
erweist es sich als vorteilhaft, wenn bei einer intraoperativen
Aufnahme einer der m 2D-Röntgenprojektionen
der C-Bogen 8 wenigstens im Wesentlichen eine Position
relativ zu dem Patienten P wie bei der Aufnahme einer 2D-Röntgenprojektion
der Serie von n 2D-Röntgenprojektionen
einnimmt, da in diesem Fall für
die m 2D-Röntgenprojektion
die für
die Rückprojektion
erforderlichen Projektionsgeometrien bekannt sind. Die Einnahme
einer derartigen Position kann beispielsweise dadurch erreicht werden,
dass der C-Bogen 8 von einem in der 1 angedeuteten,
mit einem Eingabemittel versehenen Bedienpult 15 aus durch
eine entsprechende Eingabe automatisch an eine derartige Position verfahren
wird. In der 1 ist ein von dem Bedienpult 15 aus
ansteuerbarer Elektromotor 16 für die Orbitalverstellung des
C-Bogens 8 längs
seines Umfanges in dem Lagerteil 7 gezeigt. Durch eine
entsprechende Vorgabe an dem Bedienpult 15 kann der C-Bogen 8 demnach
in jede Position automatisch verfahren werden, die der C-Bogen 8 bei
der Aufnahme einer der n 2D-Röntgenprojektionen
von dem Kniebereich K des Patienten P eingenommen hat. Für die Verstellung
des C-Bogens 8 um seine Angulationsachse B ist ein entsprechender,
von dem Bedienpult 15 aus ansteuerbarer Elektromotor, welcher
allerdings in der 1 nicht gezeigt ist, vorgesehen.
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Die
Einnahme einer Position bei der intraoperativen Aufnahme einer 2D-Röntgenprojektion, welche
einer Position des C-Bogens 8 bei
der Aufnahme einer 2D-Röntgenprojektion
der Serie von n 2D-Röntgenprojektionen
entspricht, kann jedoch auch derart erreicht werden, dass der C-Bogen 8 mittels
eines in der 1 gezeigten Handgriffs 17 manuell
verstellt wird, was unter Kontrolle von Winkeln- oder Positionsgebern
erfolgt, welche in 1 mit den Bezugszeichen 18 und 19 versehen
sind.
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Eine
dritte Möglichkeit,
den C-Bogen 8 bei der intraoperativen Aufnahme einer der
m 2D-Röntgenprojektionen
in eine Position zu bringen, die der C-Bogen 8 bereits
bei der Aufnahme einer 2D-Röntgenprojektion
der Serie von n 2D-Röntgenprojektionen
eingenommen hat, besteht in der Verwendung einer mechanischen Arretiervorrichtung.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
umfasst die mechanische Arretiervorrichtung fünf in den C-Bogen 8 eingebrachte
Bohrungen 20 bis 24 und eine an dem Lagerteil 7 angeordnete
hackenförmige
Vorrichtung 25, welche zur Arretierung des C-Bogens 8 jeweils
in eine der Öffnungen 20 bis 24 eingeführt werden kann.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles
ist die hackenförmige
Vorrichtung 25 in die Öffnung 21 eingeführt und
arretiert den C-Bogen 8 demnach in einer definierten Position,
welche einer Position entspricht, die der C-Bogen 8 auch
bereits bei der Aufnahme einer 2D-Röntgenprojektion der Serie von
n 2D-Projektionen
eingenommen hat.
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Im
Unterschied zu dem zuvor beschriebenen Vorgehen kann der C-Bogen
8 bei
der intraoperativen Aufnahme von 2D-Röntgenprojektionen jedoch auch andere
Positionen relativ zu dem Patienten P bzw. dem Kniebereich K des
Patienten P wie bei der Aufnahme der 2D-Röntgenprojektionen der Serie
von n 2D-Röntgenprojektionen
einnehmen. In diesem Fall müssen
allerdings für
diese Positionen des C-Bogens
8 die Projektionsgeometrien
entweder in einem gesonderten Kalibrierprozess vor der eigentlichen Patientenmessung,
beispielsweise mit dem in der
DE 100 47 382 A1 beschriebenen Röntgenkalibierphantom
ermittelt werden oder die Projektionsgeometrien werden von dem Bildrechner
12 mittels
Interpolation aus den bereits bekannten oder ermittelten Projektionsgeometrien
für den
C-Bogen
8 an diesen Positionen berechnet.
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Sofern
die Projektionsgeometrien für
diese Positionen des C-Bogens 8 bekannt
sind, können
im Falle des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens in an sich bekannter
Weise unter Verwendung dieser Projektionsgeometrien die in den m
2D-Röntgenprojektionen
segmentierten 2D-Konturen in das Voxelvolumen rückprojiziert werden.
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Im
Falle des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens
können
nach der Ermittlung der Projektionsgeometrien in an sich bekannter
Weise mit dem Bildrechner 12 die 3D-Konturen aus dem Voxelvolumen
als 2D-Konturen in die m 2D-Röntgenprojektionen
projiziert und mit den 2D-Konturen der in den intraoperativ aufgenommenen
m 2D-Röntgenprojektionen
abgebildeten Knochenfragmenten in Deckung gebracht werden.
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Die
erfindungsgemäßen Verfahren
wurden vorstehend am Beispiel eines verfahrbaren C-Bogen-Röntgengerätes erläutert. Die
Verfahren können jedoch
nicht nur mit verfahrbaren, sondern auch mit stationären C-Bogen-Röntgengeräten oder
anderen Röntgen geräten, mit
denen die Erzeugung eines Volumendatensatzes aus 2D-Röntgenprojektionen möglich ist,
durchgeführt
werden.
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Des
Weiteren wurden die erfindungsgemäßen Verfahren anhand der Repositionierung
von Knochenfragmenten erläutert.
Die Verfahren sind jedoch nicht nur bei der Repositionierung von
Knochenfragmenten anwendbar. Vielmehr können mit den erfindungsgemäßen Verfahren
auch Volumendatensätze
von anderen biologischen Geweben oder auch anderen Objekten innerhalb
des Körpers
eines Patienten nach Lageveränderungen
der biologischen Gewebe oder der Objekte aktualisiert werden.