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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung der Komponenten einer Röntgendiagnostikeinrichtung mit einer mit einem Bildverarbeitungsrechner verbundenen Bildanzeige- und Bildausgabevorrichtung, einer Steuervorrichtung für die Bewegung der Komponenten und einer Eingabevorrichtung. Derartige Vorrichtungen und Verfahren dienen der Bedienung von Röntgendiagnostikeinrichtungen.
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Aus der Patentliteratur sind eine Reihe von Röntgendiagnostikeinrichtungen mit Vorrichtungen und Verfahren zur Bedienung der Komponenten der Röntgendiagnostikeinrichtung bekannt.
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So ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift
DE 41 32 117 C1 eine Röntgendiagnostikeinrichtung bekannt, bei der die untersuchende Person die Komponenten der Röntgendiagnostikeinrichtung über ein Bedienfeld steuern kann, ohne den Blick von der Anzeigevorrichtung abwenden zu müssen.
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Aus der Patentanmeldung
WO 01 / 50 959 A1 ist eine Vorrichtung zur kontrollierten Bewegung eines medizinischen Geräts, insbesondere eines motorisch verstellbaren C-Bogens, bekannt. Dabei ist vorgesehen, dass der Operateur mittels eines Joysticks oder mittels Spracheingabe die Bewegung des C-Bogens steuert.
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Aus der deutschen Patentanmeldung
DE 44 23 359 A1 ist eine chirurgische, mehrfach motorisch verstellbare Röntgendiagnostikeinrichtung bekannt, die eine Einstellung einer gewünschten Projektionsgeometrie über eine Steuerung und eine Eingabevorrichtung ermöglicht.
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Aus der deutschen Patentanmeldung
DE 100 57 027 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kennzeichnung einer Stelle an einem Untersuchungsobjekt bekannt.
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Aus der deutschen Patentanmeldung
DE 102 46 934 A1 ist eine Benutzereingabevorrichtung zur Steuerung der Bewegung einer medizinischen Abbildungsvorrichtung bekannt.
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Die deutsche Patentanmeldung
DE 100 37 491 A1 betrifft ein Verfahren zur Visualisierung von Strukturen im Körperinneren.
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Das Dokument
DE 199 46 092 A1 betrifft eine Röntgeneinrichtung und ein Betriebsverfahren zur Ermittlung eines 3D-Bilddatensatzes eines bewegten Objekts, wobei nacheinander Projektionsdatensätze aus unterschiedlichen Röntgenpositionen ermittelt werden und die Röntgeneinrichtung mittels eines Bewegungssignals gesteuert wird.
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Das Dokument
DE 100 57 023 A1 betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines 3D-Volumendatensatzes eines Objekts aus 2D-Projektionen, wobei in dem 3D-Datensatz das Objekt mit optischen Markierungen versehen wird und die Markierungen in den 2D-Projektionen eingeblendet werden. Es ist vorgesehen, die Markierung automatisch zu erzeugen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Verfahren zur Steuerung der Bewegung von Komponenten einer Röntgendiagnostikeinrichtung dahin gehend weiter zu entwickeln und zu verbessern, dass der Operateur beziehungsweise die untersuchende Person in kurzer Zeit und bei insgesamt geringer Strahlenbelastung für den Patienten die von ihm bzw. von ihr gewünschte oder die für das Operationsverfahren notwendige Projektionsgeometrie festlegen und einstellen kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
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Die Erfindung wird anhand der Abbildungen nachstehend näher erläutert.
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In 1 ist eine mobile Röntgendiagnostikeinrichtung mit einem mehrfach verstellbaren C-Bogen dargestellt. Auf einem Gerätewagen 1, der mittels Rollen 14, 15 auf dem Fußboden 16 verfahrbar ist, ist eine mehrfach verstellbare Halterung 5 angeordnet, die einen kreisbogenförmigen C-Bogen 6 trägt, wobei dieser längs seines Umfanges an der Halterung 5 beweglich gelagert ist. Der C-Bogen 6 weist an seinen Enden einen Röntgenstrahlenempfänger 7 und diesem gegenüber liegend eine Röntgenstrahlenquelle 8 auf. Durch den Fokuspunkt 9 und den Mittelpunkt 12 des Eingangsfensters 11 des Röntgenstrahlenempfängers 7 ist die Richtung des Zentralstrahls 10 festgelegt. Der Zentralstrahlvektor 100 ist bei einer bestimmten Einstellung der Komponenten der Röntgendiagnostikeinrichtung im Raum durch die Koordinaten des Fokuspunktes 9 im Raum und durch die Richtung des Zentralstrahles definiert, wobei der Zentralvektor 100 in Richtung des Mittelpunktes 12 des Eingangsfensters 11 zeigt. Zwischen der Röntgenstrahlenquelle 8 und dem Röntgenstrahlenempfänger 7 ist ein Untersuchungsobjekt 18 angeordnet. Der Wagen 1 trägt eine Säule 2, die mittels eines Pendellagers 21 mit einer Horizontalführung 3 verbunden ist. Die Horizontalführung 3 ist mittels der Säule höhenverstellbar und um die Pendelachse 20 drehbar gelagert. Die Horizontalführung 3 trägt an der dem C-Bogen 6 zugewandten Seite ein Kipplager 4, in dem die Halterung 5 um die Kippachse 40 drehbar gelagert ist. Die Pendelachse 20 ist vorzugsweise vertikal und die Kippachse 40 horizontal im Raum angeordnet. Alle Verstelleinrichtungen wie Drehachsen oder Linearführungen weisen wenigstens Winkel- bzw. Wegmeßeinrichtungen auf, deren Meßwerte an einen Steuerrechner geleitet werden. Die Verstelleinrichtungen weisen Stellmotoren auf, die eine automatische Verstellung der Röntgendiagnostikeinrichtung erlauben.
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In 2 sind ein dreidimensionales Untersuchungsobjekt 18 und zwei Projektionen des Untersuchungsobjekts 18 von dem Fokuspunkt 9, 9' einer Röntgenstrahlenquelle auf ein Eingangsfenster 11, 11' eines Röntgenstrahlernempfängers dargestellt. Die beiden Projektionen sind zwei Stellungen der aus der Röntgenstrahlenquelle 9 und dem Röntgenstrahlenempfänger 7 bestehenden Aufnahmeeinheit der 1 zugeordnet. Es wird im folgenden der Einfachheiit halber angenommen, dass die Geometrie der Aufnahmeeinheit nicht veränderlich ist (beispielsweise ist der Abstand zwischen Fokuspunkt 9,9' der Röntgenstrahlenquelle und dem Eingangsfenster 11,11' des Röntgenbildwandlers konstant) und dass auch auf einer Anzeigeeinheit das Projektionsbild mit immer der gleichen Vergrößerung angezeigt wird. Diese Einschränkungen können in der Praxis entfallen. Wenn beispielsweise bei der Aufnahmeeinheit der Abstand zwischen der Röntgenstrahlenquelle und dem Röntgenbildwandler veränderlich ist, ist beispielsweise ein Wegaufnehmer zur Messung des Abstands vorgesehen.
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In 2 ist das Eingangsfenster 11, 11' mit den Mittelpunkten 12, 12' für die durch die Lage des Fokuspunktes 9,9' und die Richtung des Zentralstrahls 10, 10' im Raum festgelegte Aufnahmegeometrie schematisch dargestellt. Ein mit dem Eingangsfenster 11, 11' verbundenes Koordinatensystem 13,13' dient zur Festlegung der Koordinaten von markierten Punkten in der Anzeige des jeweiligen Röntgenprojektionsbildes. Beispielhaft ist in der 2 als Untersuchungsobjekt ein Wirbelkörper dargestellt; in den Projektionen des Untersuchungsobjekts 18 auf das Eingangsfenster 11, 11' sind jeweils drei Punkte angekreuzt, die den auf dem Untersuchungsobjekt 18 markierten Punkten entsprechen. Welche Punkte des Untersuchungsobjekts 18 in den jeweiligen Projektionsbildern markiert werden, hängt vom Untersuchungsobjekt und von der jeweiligen Aufnahmesituation ab. Für das Markieren der Punkte auf den Projektionsaufnahmen ist die Kenntnis der anatomischen Gegebenheiten des Untersuchungsobjekts notwendig.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden schrittweise erläutert:
- Im Verfahrensschritt 1 werden mehrere Aufnahmen des Untersuchungsobjekts aufgenommen, wobei bei jeder Aufnahme die Lage der Aufnahmeeinheit im Raum verändert wird und zwar so, dass daß die jeweiligen Zentralstrahlen nicht zusammen fallen. In der Praxis werden - sofern dies auf Grund der Aufnahmesituation möglich ist - Winkel von > 20 Grad zwischen den Zentralstrahlen bevorzugt. Bei einigen Untersuchungssituationen ist es vorteilhaft, wenigstens zwei Aufnahmen aufzunehmen, bei denen die Zentralstrahlen annähernd senkrecht aufeinander stehen. Die Verhältnisse bei der Röntgenprojektion eines Untersuchungsobjektes 18 mittels einer Röntgenstrahlenquelle 8 mit Fokuspunkt 9 auf das Eingangsfenster 11 des Röntgenstrahlenempfängers 7, werden durch die Angabe der Lage des Eingangsfensters 11, des Fokuspunktes 9 und des Untersuchungsobjekts 18 vollständig beschrieben und im folgenden „Projektionsgeometrie“ genannt. Die Lage des Eingangsfensters 11 und des Fokuspunktes 9 im Raum können rekonstruiert werden, wenn alle Verstellwege der Freiheitsgrade der Bewegung der Röntgendiagnostikeinrichtung bekannt sind. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass jedem Freiheitsgrad ein Wegmeßsystem zugeordnet ist, wobei die Wegmeßinformationen in einem Steuerrechner der Röntgendiagnostikeinrichtung verarbeitet werden.
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Bei Röntgenuntersuchungen während chirurgischer Eingriffe wird die Aufnahmeserie vorzugsweise nach der Fixierung des Untersuchungsobjekts auf einem Operationstisch aufgenommen. Die Verstellung des Röntgendiagnostikgeräts erfolgt beispielsweise durch eine Hilfskraft oder durch den Operateur selbst, wobei vorzugsweise sterile Eingabemittel zur Navigation verwendet werden. Die Aufnahmen werden in einem Speicher eines Bildverarbeitungsrechners gespeichert und sind vorzugsweise über sterile Eingabemittel bearbeitbar. Zu jeder Aufnahme werden die Stellungsinformationen der Wegmeßeinrichtungen derart gespeichert, dass sie dem Bildverarbeitungsprogramm zur Verfügung stehen.
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Im Verfahrensschritt 2 markiert der Operateur oder eine Hilfskraft mit Anatomiekenntnissen zunächst auf dem ersten Bild mittels eines elektronischen Zeigers eine Anzahl von ersten Punkten P1(S1), P1(S2) P1(S3) usw., welche charakteristischen Punkten S1, S2, S3 usw. der abgebildeten anatomischen Struktur er markiert Punkte auf einer Linie in den Projektionsbildern, die zu einer Begrenzungsfläche der anatomischen Struktur entsprechen, oder bekannter Geometrie gehören. Als Beispiel sei die Markierung von Punkten auf der kreisförmigen Begrenzungslinie der Projektion eines kugelförmigen Gelenkkopfes genannt. Im zweiten Projektionsbild der Aufnahmeserie werden dann die Punkte P2(Sl), P2 (S2), P2(S3) usw. markiert, im dritten Bild die Punkte P3 (S1), P3 (S2), P3(S3) usw. Die Punkte P1 (Si), P2(Si), P3(Si) usw. sind miteinander korreliert; sie stellen die Projektionen des Punktes Si im Untersuchungsobjekt unter der jeweiligen Projektionsgeometrie der Aufnahme dar.
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Für den Fall, dass in einer Aufnahme A der Punkt PA(Si) nicht festgelegt werden kann, weil er beispielsweise durch einen Röntgenschatten eines Instruments oder der Patientenliege überlagert ist, wird die Markierung dieses Punktes weggelassen.
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Am Ende der Markierungsarbeiten in den Röntgenprojektionsaufnahmen stehen im Speicher des Bildverarbeitungsrechners der Röntgendiagnostikeinrichtung folgende Daten zur Verfügung:
- • die Lage des Fokuspunktes des Röntgenstrahlers und die Lage des Eingangsfensters des Röntgenbildwandlers für jede Aufnahme aus dem Verfahrensschritt 1
- • jeweils ein Koordinatenpaar (x,y) in einem mit dem Eingangsfenster des Röntgenbildwandlers verbundenen Koordinatensystems für jeden ausgewählten Punkt Si der anatomischen Struktur und für jede Aufnahme, sofern das Koordinatenpaar ermittelt wurde.
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Mit Hilfe eines trivialen Gleichungssystems werden im Bildverarbeitungsrechner der Röntgendiagnostikeinrichtung die Koordinatentripel (x,y,z) der Punkte Si in einem raumfesten Koordinatensystem ermittelt. Je nach Anzahl der ausgewählten Punkte Si wird die anatomische Struktur durch ein mehr oder weniger grobes Gittermodell festgelegt. Für die Benutzungsfreundlichkeit des Systems ist es von Vorteil, wenn das Gittermodell in die jeweilige Aufnahme einblendbar ist.
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In einem dritten Verfahrensschritt wird von dem Operateur die gewünschte Zielstellung der Projektionsgeometrie und der Point of Interest (POI) festgelegt, der beispielsweise in der Mitte des angezeigten Bildes zu liegen kommen soll. Die gewünschte Zielstellung der Projektionsgeometrie kann beispielsweise durch Markieren von zwei Punkten oder einer Richtung im Gittermodell festgelegt werden. Es ist vorgesehen, dass für bestimmte Operationsverfahren, welche zur Sicherstellung einer professionellen Röntgenkontrolle eine definierte Aufnahmeprojektionen erfordern, Softwaremodelle der anatomischen Strukturen im Rechner abgelegt werden und der Operateur beispielsweise bei einer Aufnahme des kugelförmigen Teils des Femurkopfes lediglich einen Punkt der Kugeloberfläche markiert und in einem Menü folgende Vorschrift zur Festlegung der Projektionsgeometrie auswählt:
- „Der Zentralstrahl soll senkrecht zur Tangentialebene der Kugelfläche des Femurkopfes im markierten Punkt stehen und soll den markierten Punkt enthalten.“
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Während die Verfahrensschritte 1 und 2 bei Bedarf auch von einer oder mehreren Hilfspersonen ausgeführt werden können, liegt die Verantwortung für den Verfahrensschritt 3 in der Regel beim Operateur. Insbesondere werden durch die geeignete Auswahl der Zielstellungen der Projektionsgeometrien auch die forensischen Dokumentationspflichten erfüllt. Der Verfahrensschritt 3 kann während einer Operation mehrmals wiederholt werden, nämlich immer dann, wenn der Operateur eine Röntgenkontrollaufnahme mit veränderter Projektionsgeometrie wünscht oder diese für eine erforderliche forensische Dokumentation benötigt. Da es vorgesehen ist, dass die Eingabemittel sterilisierbar sind, so dass sie sich im sterilen Operationsbereich befinden und betätigt werden können, muss der Operateur seine Arbeitsposition nicht verlassen, um eine neue Projektionsgeometrie festzulegen.
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Im Verfahrensschritt Nr. 4 werden aus der Vorgabe der Lage des Zentralstrahls im Raum und aus der Lage des POI unter Berücksichtigung der kinematischen Eigenschaften der Röntgendiagnostikeinrichtung die Zielstellungen der einzelnen Komponenten der Röntgendiagnostikeinrichtung errechnet. Dabei kann beispielsweise nur die Verstellbarkeit der Halterung beispielsweise eines C-Bogens oder auch die Verfahrbarkeit eines Gerätewagens berücksichtigt werden, auf dem die Halterung des C-Bogens angeordnet ist.
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Im Verfahrensschritt Nr. 5 löst der Operateur eine Bewegung der Komponenten der Röntgendiagnostikeinrichtung in Richtung der jeweiligen Zielstellung aus, wobei zur Vermeidung von Kollisionen bekannte Techniken zur Anwendung kommen, wie sie beispielsweise in dem Patentdokument
WO 01 / 50 959 A1 beschrieben sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Röntgendiagnostikeinrichtung mittels Stellmotoren an den mechanischen Komponenten durch eine Steuerung verstellt werden, wobei geeignete Mittel zur Vermeidung von Kollisionen von Teilen der Röntgendiagnostikeinrichtung mit anderen Einrichtungsgegenständen oder mit dem Untersuchungsobjekt zur Verfügungt stehen. Es ist ferner vorgesehen, dass die Untersuchungsperson die Bewegung der Röntgendiagnostikeinrichtung in einer Weise führt, dass eine Bewegung der Komponenten durch Stellmotoren lediglich dann erfolgt, wenn die Untersuchungsperson oder eine Hilfskraft eine über einer einstellbaren Schwelle liegende Verstellkraft auf die Röntgendiagnostikeinrichtung ausübt.
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Es ist ferner vorgesehen, eine Röntgendiagnostikeinrichtungb zu schaffen, bei der die vom Operateur gewünschte Zielstellung über geeignete Anzeigemittel an eine Bedienperson übermittelt werden, die dann die Einstellung der Röntgendiagnostikeinrichtung manuell vornimmt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es einem Operateur, die Navigation einer Röntgendiagnostikeinrichtung selbsttätig zu übernehmen; insbesondere wird eine zeitsparende, genaue räumliche Führung der Röntgendiagnostikeinrichtung bei insgesamt geringstmöglicher Strahlenbelastung des Untersuchungsobjekts erreicht. Dies ist insbesondere bei solchen Operationen von Vorteil, bei denen die Lage und Tiefe von Bohrungen oder die Lage von Schrauben, Platten oder Implantaten kontrolliert und für spätere forensische Nachweise dokumentiert werden muss.
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Verzeichnis der Abbildungen:
- 1: Mobile Röntgendiagnostikeinrichtung mit C-Bogen
- 2: Projektionsgeometrie der Röntgenabbildung
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gerätewagen
- 2
- Säule
- 3
- Horizontalführung
- 4
- Kipplager
- 5
- Halterung
- 6
- C-Bogen
- 7
- Röntgenstrahlenempfänger
- 8
- Röntgenstrahlenquelle
- 9, 9'
- Fokuspunkt
- 10, 10'
- Zentralstrahl
- 11, 11'
- Eingangsfenster
- 12, 12'
- Mittelpunkt des Eingangsfensters
- 13, 13'
- Koordinatensystem des Eingangsfensters
- 14
- Rolle
- 15
- Rolle
- 16
- Fußboden
- 18
- Untersuchungsobjekt
- 20
- Pendelachse
- 21
- Pendellager
- 40
- Kippachse
- 100
- Zentralstrahlvektor
