DE10360025A1 - Verfahren und Einrichtung zur Bildunterstützung eines mit einem medizinischen Instrument durchgeführten operativen Eingriffes - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Bildunterstützung eines mit einem medizinischen Instrument durchgeführten operativen Eingriffes Download PDF

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Bildunterstützung eines mit einem medizinischen Instrument durchgeführten operativen Eingriffes wird mit einem C-Bogen-Röntgengerät in zumindest einer Schwenkposition des C-Bogens ein zweidimensionales Röntgenbild eines zu behandelnden Volumenbereiches erzeugt und gespeichert. Mit einer Positionserfassungseinrichtung wird zumindest mittelbar die Position eines Gerätebezugssystems und die bei der Bilderzeugung vorliegende Position eines dem Patienten zugeordneten Referenzbezugssystems erfasst. Zwischen dem Referenzbezugssystem und einem Bildkoordinatensystem des Röntgenbildes wird unter Zuhilfenahme von bekannten, in einer vorhergehenden Kalibrierung gemessenen und gespeicherten gerätespezifischen Abbildungsvorschriften eine Transformationsvorschrift ermittelt. Während des anschließenden Eingriffes wird mit der Positionserfassungseinrichtung die Position des Instrumentes im Referenzbezugssystem erfasst und mithilfe dieser Transformationsvorschrift positionsgetreu in das gespeicherte zweidimensionale Röntgenbild eingeblendet.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bildunterstützung eines mit einem medizinischen Instrument durchgeführten operativen Eingriffes.
  • Bei der Durchführung eines operativen Eingriffes an einem Lebewesen ist es bekannt, den Operateur bei der Führung des medizinischen Instruments durch eine optische Bildinformation zu unterstützen. Hierzu wird ein Bild des Instruments in ein beispielsweise mit einem Röntgengerät gewonnenes 2D- oder 3D-Bild des Behandlungsgebietes des Lebewesens positionsrichtig eingeblendet.
  • Um die Durchführung einer solchen auch als Fluoronavigation bezeichneten intraoperativen Navigation zu ermöglichen, kann beispielsweise vom Behandlungsgebiet während des operativen Eingriffes kontinuierlich ein 2D-Röntgenbild erstellt werden, so dass das Instrument gemeinsam mit dem Behandlungsgebiet durch die Röntgenstrahlung abgebildet wird. Dies ist jedoch aufgrund der mit einer solch dauernden Röntgenbestrahlung sowohl für den Behandelten als auch für den Behandelnden einhergehenden Strahlenbelastung nachteilig. Zur Vermeidung einer solch hohen Strahlenbelastung ist es deshalb bekannt, die Röntgenbilderzeugung und den operativen Eingriff zeitlich zu entkoppeln und das chirurgische Instrument nach erfolgter Röntgenbilderzeugung kameraunterstützt zu navigieren, indem ein Bild des Instrumentes in Echtzeit in ein vorhandenes, d.h. vorher aufgenommenes Röntgenbild positionsrichtig eingeblendet wird. Hierzu ist es erforderlich, sowohl die Position des Instrumentes in einem Bezugssystem als auch die Position dieses Bezugssystems relativ zu den Bildkoordinaten des Röntgenbildes zu bestimmen.
  • Bei dem zur intraoperativen Navigation in der Regel verwendeten Röntgengerät handelt es sich in vielen Fällen um ein sogenanntes C-Bogen-Röntgengerät, bei dem Röntgenquelle und Röntgenempfänger einander gegenüberliegend an einem um zwei zueinander orbitale Achsen schwenkbaren C-Bogen gelagert sind, um auf diese Weise Röntgenbilder aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen erzeugen zu können.
  • Für das positionsgenaue Einblenden eines Instrumentes, dessen räumliche Lage in einem Bezugssystem bekannt ist, in ein 2D-Röntgenbild ist die genaue Kenntnis der räumlichen Lage des zu diesem 2D-Bild gehörenden Projektionskegels in diesem Bezugssystem erforderlich. Idealerweise ist die Lage dieses Projektionskegels bereits dann bekannt, wenn die räumliche Lage der Bildebene, d. h. die Eintrittsfläche des Röntgenempfängers festliegt, so dass es ausreichen müsste, die Position des Röntgenempfängers in dem Bezugssystem zu bestimmen, in dem auch die Position des Instrumentes erfasst wird. In der Praxis hat sich aber herausgestellt, dass allein das Bestimmen der Position des Röntgenempfängers nicht ausreicht, um den Projektionskegel sicher festlegen zu können, da dieser aufgrund der unvermeidbaren und von der Lage der Röntgenstrahlachse abhängigen Durchbiegung des C-Bogens nicht immer dieselbe Relativposition zum Röntgenempfänger aufweist.
  • In der DE 199 17 867 A1 wird deshalb vorgeschlagen, am Röntgenempfänger eine Referenzstruktur anzuordnen, die neben optischen Positionsmarken für die kameraunterstützte Navigation auch Röntgenmarker enthält, die im Strahlengang der Röntgenstrahlung liegen und im Röntgenbild abgebildet werden. Aus der Lage der im Röntgenbild sichtbaren Röntgenmarker können sowohl die genaue Lage des Projektionskegels errechnet als auch eventuelle Verzerrungen rechnerisch eliminiert werden.
  • Die im Röntgenbild sichtbaren Röntgenmarker haben jedoch den Nachteil, dass sie einen Teil des Röntgenbildes abschatten und auf diese Weise unvermeidlich mit einem Informationsverlust verbunden sind. Dieser Informationsverlust lässt sich auch dann nicht vollständig vermeiden, wenn diese Röntgenmarker aus dem Röntgenbild durch digitale Bildverarbeitung eliminiert werden.
    •
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Bildunterstützung eines mit einem medizinischen Instrument durchgeführten operativen Eingriffes anzugeben, das eine genaue Navigation ohne die Verwendung von Röntgenmarkern ermöglicht. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine nach diesem Verfahren arbeitende Einrichtung anzugeben.
  • Die erstgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Bei dem Verfahren zur Bildunterstützung eines mit einem medizinischen Instrument durchgeführten operativen Eingriffes wird mit einem C-Bogen-Röntgengerät in zumindest einer Schwenkposition des C-Bogens ein zweidimensionales Röntgenbild eines zu behandelnden Volumenbereiches erzeugt und gespeichert. Mit einer Positionserfassungseinrichtung wird zumindest mittelbar die Position eines Gerätebezugssystems und die bei der Bilderzeugung vorliegende Position eines dem Patienten zugeordneten Referenzbezugssystems erfasst. Zwischen dem Referenzbezugssystem und einem Bildkoordinatensystem des Röntgenbildes wird unter Zuhilfenahme von bekannten, in einer vorhergehenden Kalibrierung gemessenen und gespeicherten gerätespezifischen Abbildungsvorschrift eine Transformationsvorschrift ermittelt. Während des anschließenden Eingriffes wird mit der Positionserfassungseinrichtung die Position eines dem Instrument zugeordneten Instrumentenbezugsystems im Referenzbezugssystem erfasst und das Instrument mit Hilfe der ermittelten Transformationsvorschrift positionsgetreu in das gespeicherte zweidimensionale Röntgenbild eingeblendet.
  • Durch diese Maßnahmen ist es möglich, das medizinische Instrument positionsgetreu in ein vorher gewonnenes zweidimen sionales Röntgenbild einzublenden, ohne dass es der Anbringung zusätzlicher, die Bildqualität verschlechternder Röntgenmarker bedarf. Außerdem ist durch diese Vorgehensweise eine korrekte Einblendung des Instruments in das Röntgenbild auch dann möglich, wenn die Positionserfassungseinrichtung während des Eingriffes, beispielsweise zur besseren Erkennbarkeit des Instruments, in eine andere Position im Raum verfahren wird.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden zur Ermittlung der Transformationsvorschrift zwischen dem Bildkoordinatensystem und dem Referenzbezugssystem die folgenden Schritte durchgeführt:
    • a) Erfassen der Position des C-Bogen-Röntgengerätes mit der Positionserfassungseinrichtung in einer Grundstellung,
    • b) Ermitteln einer Transformationsvorschrift zwischen dem Navigationsbezugssystem und einem dem C-Bogen-Röntgengerät zugeordneten Gerätebezugssystem mit Hilfe der im vorangegangenen Schritt erfassten Positionsdaten des C-Bogen-Röntgengerätes,
    • c) Ermitteln einer Transformationsvorschrift zwischen dem Referenzbezugssystem und dem Gerätebezugssystem,
    • d) Ermitteln einer Transformationsvorschrift zwischen dem Gerätebezugssystem und dem Bildkoordinatensystem des in der Schwenkposition erzeugten zweidimensionalen Röntgenbildes mit Hilfe einer dieser Schwenkposition zugeordneten und in einer vorangegangenen Kalibrierung ermittelten und gespeicherten Projektionsmatrix,
    • e) Ermitteln der Transformationsvorschrift zwischen dem Referenzbezugssystem und dem Bildkoordinatensystem mit Hilfe der in den beiden vorhergehenden Schritten ermittelten Transformationsvorschriften.
  • Durch die Verwendung der für das betreffende C-Bogen-Röntgengerät für eine Vielzahl von Stellungen des C-Bogens jeweils bekannten und gerätespezifischen, als Projektionsmat rix bezeichnete Abbildungsvorschrift zwischen dem Gerätebezugssystem und dem Bildkoordinatensystem ist eine korrekte Navigation mit minimalem Kalibrieraufwand möglich.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Position des C-Bogen-Röntgengerätes in einer Grundstellung des C-Bogens anhand von Positionsmarken erfasst, die am Röntgenempfänger angeordnet sind. Die Position des Gerätebezugssystems wird mit einer in einer vorangegangenen Kalibrierung ermittelten Abbildungsvorschrift aus der Position eines diesen Positionsmarken zugeordneten Empfängerbezugssystems ermittelt. Durch die Verwendung einer nur einmalig zu bestimmenden, gerätespezifischen und für jedes C-Bogen-Röntgengerät bekannten, als Gerätematrix bezeichnete Abbildungsvorschrift zwischen dem Empfängerbezugssystem und dem Gerätebezugssystem kann die Position des Gerätebezugssystems besonders einfach und präzise bestimmt werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die tatsächliche Schwenkposition des C-Bogens erfasst und dieser Schwenkposition diejenige Projektionsmatrix zugeordnet, die in einer Kalibrierung für eine Kalibrierposition ermittelt und gespeichert worden ist, die der tatsächlichen Schwenkposition am nächsten liegt.
  • Vorzugsweise wird zum Ermitteln der Transformationsvorschrift zwischen dem Navigationsbezugssystem und dem Gerätebezugssystem mit Hilfe der Positionserfassungseinrichtung die Position eines ortsfest im Raum angeordneten Basisbezugssystems erfasst. Durch diese Vorgehensweise ist es möglich, die Positionserfassungseinrichtung nach dem Ermitteln der Transformationsvorschrift zwischen dem Navigationsbezugssystem und dem Gerätebezugssystem in beliebige Positionen im Behandlungsraum verfahren zu können.
  • Die zweitgenannten Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 7. Die Einrichtung zur Bildunterstützung eines mit einem medizinischen Instrument durchgeführten operativen Eingriffes enthält ein C-Bogen-Röntgengerät zum Erzeugen eines zweidimensionalen Röntgenbildes, eine Positionserfassungseinrichtung zum wenigstens mittelbaren Erfassen der Position eines dem C-Bogen-Röntgengerät zugeordneten Gerätebezugssystems, eines dem Patienten zugeordneten Referenzbezugssystems und eines dem medizinischen Instrument zugeordneten Instrumentenbezugssystems, eine Recheneinrichtung zum Ermitteln einer während der Erzeugung des Röntgenbildes geltenden Transformationsvorschrift zwischen dem Referenzbezugssystem und einem Bildkoordinatensystem mit Hilfe gespeicherter gerätespezifischer Abbildungsvorschriften sowie zum Ermitteln einer während des Eingriffs geltenden Transformationsvorschrift zwischen dem Referenzbezugssystem und dem Instrumentenbezugssystem und zum positionsgetreuen Einblenden des Instruments in das zweidimensionale Röntgenbild mit Hilfe dieser Transformationsvorschriften.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung sind in den diesem Patentanspruch zugeordneten Unteransprüchen wiedergegeben. Die Vorteile der in diesen Patentansprüchen wiedergegebenen Einrichtungen ergeben sich sinngemäß aus den Vorteilen der ihnen jeweils entsprechenden Verfahrensansprüche.
    •
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
  • 1 und 2 eine Einrichtung gemäß der Erfindung in einer Grund bzw.- einer Arbeitsstellung.
  • 3 eine schematische Darstellung der Vorgehensweise bei der bildunterstützten Navigation.
  • Gemäß 1 umfasst eine Einrichtung gemäß der Erfindung ein mobiles C-Bogen-Röntgengerät 2 mit einem Gerätewagen 4, an dem höhenverstellbar ein Lagerteil 8 für einen C-Bogen 10 an geordnet ist. Das Lagerteil 8 ist schwenkbar um eine parallel zur Zeichenebene orientierte Achse 12 (Angulationsachse) gelagert. Im Lagerteil 8 ist der C-Bogen schwenkbar um eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Achse 14 (Orbitalachse) geführt. Die durch diese Lagerung möglichen Schwenkbewegungen sind durch die Doppelpfeile 16 und 18 veranschaulicht.
  • Am C-Bogen 10 sind einander gegenüberliegend eine Röntgenquelle 20 und ein Röntgenempfänger 22 angeordnet. Im Strahlenkegel 24 der von der Röntgenquelle 20 emittierten Röntgenstrahlung befindet sich ein zu behandelnder Patient P.
  • Das C-Bogen-Röntgengerät 2 umfasst eine Einrichtung 26 zur Wiedergabe eines vom Röntgenempfänger 22 empfangenen zweidimensionalen Röntgenbildes. Dem Röntgengerät ist ein zweidimensionales Bildkoordinatensystem OM zugeordnet.
  • Ein Anlagenteil des C-Bogen-Röntgengerätes 2, im Ausführungsbeispiel der Röntgenempfänger 22, ist mit optischen Positionsmarken 28, beispielsweise IR-Reflektoren, zur Positionserfassung versehen. Diese legen ein Empfängerbezugssystem OR fest.
  • In der Nähe des C-Bogen-Röntgengerätes 2 ist eine mobile Positionserfassungseinrichtung 30 angeordnet, die zwei Kameras 32 und 34, im Beispiel Infrarotkameras, sowie einen Infrarotsender 36 enthält. Alternativ hierzu ist auch der Einsatz einer ortsfest im Behandlungsraum angeordneten Positionserfassungseinrichtung möglich. Der Positionserfassungseinrichtung 30 ist ein Navigationsbezugssystem ON zugeordnet, auf das die Koordinaten oder Positionsdaten der von der Positionserfassungseinrichtung 30 erfassten Anlagenteile bezogen sind.
  • In der Figur ist außerdem ein medizinisches Instrument 40 veranschaulicht, das ebenfalls mit optischen Positionsmarken 42 versehen ist, mit denen eine Bestimmung seiner Position, d.h. der Lage eines durch diese Positionsmarken 42 definier ten Instrumentenbezugssystems OI, mit der Positionserfassungseinrichtung 30 ermöglicht ist.
  • In einem ersten Schritt wird der Gerätewagen 4 mit dem C-Bogen-Röntgengerät 2 im Behandlungsraum in eine Arbeitsposition verfahren und dort arretiert, so dass das C-Bogen-Röntgengerät 2 zumindest während der gesamten Dauer einer Kalibrierung und anschließenden Bilderzeugung ortsfest im Behandlungsraum fixiert ist.
  • Dem C-Bogen-Röntgengerät 2 ist ein Gerätebezugssystem OD zugeordnet, dessen Lage im Raum unabhängig von der aktuellen Winkelstellung des C-Bogens eine Grundposition des C-Bogen-Röntgengerätes 2 bei ortsfest fixiertem Gerätewagen 4 definiert. Der Ursprung dieses Gerätebezugssystems OD liegt beim Ausführungsbeispiel im sogenannten Isozentrum C, d.h. dem Schnittpunkt der Angulationsachse 12 mit der Orbitalachse 14. Seine x- bzw. y-Achse verläuft parallel zur Angulations- bzw. Orbitalachse 12 bzw. 14.
  • Am Gerätewagen 4 ist eine Markerplatte 44 mit Positionsmarken 46 angeordnet. Diese legen ein Basisbezugssystem OX fest, das bei fixiertem Gerätewagen 4 im Raum ortsfest ist. Ein solches ortsfestes Basisbezugssystem OX kann auch an anderer Stelle fest im Behandlungsraum angeordnet sein.
  • Da es möglich ist, dass sich das Behandlungsgebiet während des darauffolgenden Eingriffes verlagert, ist ein dynamisches Referenzbezugssystem OP durch Positionsmarker 44 festgelegt, die in der Nähe des operativ zu behandelnden Körperteiles, beispielsweise an einer fest an einem Knochen angebrachten Markerplatte, angeordnet sind.
  • Die zur korrekten Navigation erforderlichen Rechenoperationen werden in einem Rechner 50 durchgeführt, in dem auch die gerätespezifischen Daten (Gerätematrix, Projektionsmatrizen) des C-Bogen-Röntgengerätes gespeichert sind.
  • Zur Bestimmung der Lage des Gerätebezugssystems OD wird der C-Bogen 10 bei ruhendem Gerätewagen 4 in eine Grundstellung x0 geschwenkt. In dieser, im Ausführungsbeispiel horizontalen Grundstellung x0 wird mit Hilfe der Positionserfassungseinrichtung 30 und der am Röntgenempfänger 22 angeordneten optischen Positionsmarken 28 eine Transformationsvorschrift
    Figure 00090001
    zwischen dem Navigationsbezugssystem ON und einem dem Röntgenempfänger 22 zugeordneten Empfängerbezugssystem OR ermittelt.
  • Für diese Grundstellung x0 ist die als Gerätematrix
    Figure 00090002
    bezeichnete Transformationsvorschrift zwischen dem Gerätebezugssystem OD und dem dem Röntgenempfänger 22 zugeordneten Empfängerbezugssystem OR in einem vorangegangenem Kalibriervorgang ermittelt und im Rechner 50 gespeichert worden. Damit ist auch die Transformationsvorschrift zwischen dem Navigationsbezugssystem ON und dem Gerätebezugssystem OD, d. h. die Lage des Gerätebezugssystems OD im Navigationsbezugssystem ON bekannt.
  • Um eine Kenntnis über die räumliche Lage des Gerätebezugssystems OD im Navigationsbezugssystem der ON Positionserfassungseinrichtung 30 auch dann zu haben, wenn deren Position anschließend relativ zum fixierten Gerätewagen verändert wird, wird während der Kalibrierung von der Positionserfassungseinrichtung 30 die Lage des während der gesamten Kalibrier- und Bilderzeugungsphase ortsfesten Basisbezugssystems OX erfasst, d h. eine Transformationsvorschrift
    Figure 00090003
    zwischen dem Navigationsbezugssystem ON und einem ortsfesten Basisbezugssystem OX ermittelt. Der Index "0" deutet an, dass es sich um Vorgänge während der Kalibrierung handelt. Im Ausführungsbeispiel ist das Basisbezugssystem OX am Gerätewagen 4 fixiert, da dieser wenigstens bis zum Abschluss der Bilderzeugung, in der Regel sogar während des gesamten Eingriffes ortsfest bleibt.
  • Damit können die Transformationsvorschriften
    Figure 00100001
    zwischen dem Basisbezugssystem OX und dem Empfängerbezugssystem OR sowie dem Gerätebezugssystem OD
    Figure 00100002
    berechnet werden. Die Kalibrierung ist abgeschlossen.
  • Die während der Kalibrierung durchgeführten Schritte sind in 3 anhand der durchgezogenen Pfeile veranschaulicht.
  • Die Verwendung des ortsfesten Basisbezugssystem OX hat den Vorteil, dass der Operateur anschließend, d. h. auch bereits bei der nachfolgenden Bilderzeugung die Positionserfassungseinrichtung 30 in eine andere, beispielsweise zum Erfassen der am Röntgenempfänger 22 angeordneten Positionsmarken 28 günstigere Stellung bringen kann.
  • Anschließend an die Kalibrierung wird der C-Bogen 10 in eine frei wählbare Schwenkposition geschwenkt, in der ein Röntgenbild des Behandlungsgebietes erzeugt wird. In dieser Arbeitsposition wird vom Positionserfassungssystem 30, dessen Ort durch die Verwendung des Basisbezugssystems OX nicht mehr mit seinem Ort während der Kalibrierung übereinstimmen muss, die Lage des Basisbezugssystems OX, d. h. die Transformationsvorschrift
    Figure 00100003
    zwischen dem Navigationsbezugssystem ON und dem Basisbezugssystem OX ermittelt. Der Index "I" bedeutet, dass es sich um Vorgänge während der Bilderzeugung handelt.
  • Dies ist in 2 dargestellt, in der sich die Schwenkposition des C-Bogens 10 zwischen den Kalibrierpositionen xi und xt+i befindet. Jeder Kalibrierposition xi entspricht ein Winkelpaar aus einem Angulationswinkel und einem Orbitalwinkel (in der Figur ist vereinfachend eine Situation für den Angulationswinkel = 0 dargestellt, so dass sich die Kalibrierpositionen xi nur durch den Orbitalwinkel unterscheiden). Für jede dieser Kalibrierpositionen xi ist in einer vorhergehen den einmaligen gerätespezifischen Kalibriermessung eine zuge hörige Projektionsmatrix
    Figure 00110001
    bestimmt und im Rechner 50 gespeichert worden, mit deren Hilfe das Gerätebezugssystems OD korrekt in das Bildkoordinatensystem OM projiziert wird.
  • Figure 00110002
  • Für die in der Schwenkposition zur korrekten Wiedergabe der Lage des Gerätebezugssystems OD im Bildkoordinatensystem OM erforderliche Projektionsmatrix
    Figure 00110003
    wird nun diejenige Projektionsmatrix verwendet, die zu einer Kalibrierposition gehört, die der tatsächlichen Schwenkposition am nächsten liegt. Dies ist im Ausführungsbeispiel die Kalibrierposition xi und dementsprechend die Projektionsmatrix
    Figure 00110004
    . Die tatsächliche Schwenkposition des C-Bogens 10 wird im Ausführungsbeispiel durch geeignete Winkelgeber am C-Bogen-Röntgengerät 2 erfasst. Alternativ hierzu kann die aktuelle Schwenkposition des C-Bogens 10 auch mit der Positionserfassungseinrichtung 30 ermittelt werden, indem diese die tatsächliche Stellung des Röntgenempfängers 22 erfasst und daraus mit Hilfe der Positionserfassungseinrichtung eine Transformationsvorschrift
    Figure 00110005
    zwischen dem Basisbezugssystem OX und dem aktuellen Empfängerbezugssystem OR ermittelt. Aus der Transformationsvorschrift
    Figure 00110006
    und der in der Grundstellung x0 ermittelten Trans formationsvorschrift
    Figure 00110007
    können dann die Drehwinkel errechnet und die zugehörige Projektionsmatrix der nächstgelegenen Schwenkstellung ermittelt werden.
  • In der Schwenkposition wird vom Positionserfassungssystem 30 die Lage des Referenzbezugssystems OP, d. h. die Transformationsvorschrift
    Figure 00110008
    zwischen dem Navigationsbezugssystem ON und dem Referenzbezugssystem OP ermittelt. Damit kann auch die Transformationsvorschrift
    Figure 00110009
    zwischen dem Basisbezugssystem OX und dem Referenzbezugssystem OP und somit auch die Transformationsvorschrift
    Figure 00120001
    zwischen dem Referenzbezugssystem OP und dem Gerätebezugssystem OD bekannt, so dass mit Hilfe der Projektionsmatrix
    Figure 00120002
    das Referenzbezugssystem OP korrekt in das Bildkoordinatensystem OM projiziert werden kann. Zwischen dem Bildkoordinatensystem OM und dem Referenzbezugssystem OP gibt es dann eine feste Transformationsbeziehung
    Figure 00120003
    . Mit anderen Worten: Sind die Koordinaten eines Raumpunktes (yP1, yP2, yP3) im Referenzbezugssystem bekannt, so liegen dessen Koordinaten (yM1, YM2) im Bildkoordinatensystem OM fest. Die bei der Bilderzeugung durchgeführten Schritte sind in der 3 durch strichpunktierte Pfeile veranschaulicht.
  • In dieser Weise können eine Mehrzahl von aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen gewonnenen Röntgenbilder mit jeweils bekannter Transformationsvorschrift zwischen dem Bildbezugssystem und dem zum Zeitpunkt der Bilderzeugung gültigen Referenzbezugssystem erzeugt und gespeichert werden.
  • Nach der Aufnahme des zumindest eine Röntgenbildes wird mit der eigentlichen Navigation begonnen. Hierzu kann die Positionserfassungseinrichtung 30 in eine für die Erkennbarkeit der am Instrument angeordneten Positionsmarken 42 günstige Position gefahren werden. Nun werden mit der Positionserfassungseinrichtung 30 sowohl die Lage des Instrumentenbezugssystems OI als auch des dynamischen Referenzbezugssystems OP im Navigationsbezugssystem ON bzw. die Transformationsvorschriften
    Figure 00120004
    erfasst, aus denen die Transformationsvorschrift
    Figure 00120005
    ermittelt wird, wobei der Index "N" Verfahrensschritte, die während der Navigation stattfinden, charakterisiert. Diese gibt nun die Lage des Instruments 40 im Referenzbezugssystem OP an, dessen Lage im Bildkoordinatensystem OM wiederum bekannt ist, so dass die Lage des Instrumentes 40 mit Hilfe der Transformationsvorschrift
    Figure 00130001
    korrekt in das Bild projiziert werden kann. Diese Schritte sind in 3 durch die gestrichelten Pfeile veranschaulicht.
  • Während der Navigation ist es grundsätzlich möglich, das C-Bogen-Röntgengerät 2 zu entfernen, um auf diese Weise, dem Operateur einen ungehinderten Zugang zum Behandlungsgebiet zu ermöglichen. Ein Verbleib des Gerätewagens 6 in der während der Kalibrierung arretierten Stellung hat jedoch den Vorteil, dass es dem Operateur ohne erneute Kalibrierung möglich ist, ein neues Röntgenbild aus einer für den nächsten Eingriff günstigeren Position zu erzeugen.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Bildunterstützung eines mit einem medizinischen Instrument durchgeführten operativen Eingriffes, bei dem mit einem C-Bogen-Röntgengerät in zumindest einer Schwenkposition des C-Bogens ein zweidimensionales Röntgenbild eines zu behandelnden Volumenbereiches erzeugt und gespeichert und mit einer Positionserfassungseinrichtung zumindest mittelbar die Position eines Gerätebezugssystems und die bei der Bilderzeugung vorliegende Position eines dem Patienten zugeordneten Referenzbezugssystems erfasst wird, und bei dem eine Transformationsvorschrift zwischen dem Referenzbezugssystem und einem Bildkoordinatensystem des Röntgenbildes unter Zuhilfenahme von bekannten, in einer vorhergehenden Kalibrierung gemessenen und gespeicherten gerätespezifischen Abbildungsvorschrift ermittelt wird, und bei dem anschließend während des nachfolgenden Eingriffes mit der Positionserfassungseinrichtung die Position eines dem Instrument zugeordneten Instrumentenbezugssystems im Referenzbezugssystem erfasst und das Instrument mit Hilfe der ermittelten Transformationsvorschrift positionsgetreu in das gespeicherte zweidimensionale Röntgenbild eingeblendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, mit folgenden Merkmalen: a) Erfassen der Position des C-Bogen-Röntgengerätes mit der Positionserfassungseinrichtung in einer Grundstellung, b) Ermitteln einer Transformationsvorschrift zwischen dem Navigationsbezugssystem und einem dem C-Bogen-Röntgengerät zugeordneten Gerätebezugssystem mit Hilfe der im vorangegangenen Schritt erfassten Positionsdaten des C-Bogen-Röntgengerätes, c) Ermitteln einer Transformationsvorschrift zwischen dem Referenzbezugssystem und dem Gerätebezugssystem, d) Ermitteln einer Transformationsvorschrift zwischen dem Gerätebezugssystem und dem Bildkoordinatensystem des in der Schwenkposition erzeugten zweidimensionalen Röntgen bildes mit Hilfe einer dieser Schwenkposition zugeordneten und in einer vorangegangenen Kalibrierung ermittelten und gespeicherten Projektionsmatrix, e) Ermitteln der Transformationsvorschrift zwischen dem Referenzbezugssystem und dem Bildkoordinatensystem mit Hilfe der in den beiden vorhergehenden Schritten ermittelten Transformationsvorschriften.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Position des C-Bogen-Röntgengerätes in der Grundstellung des C-Bogens anhand von Positionsmarken erfasst wird, die am Röntgenempfänger angeordnet sind, und bei dem die Position des Gerätebezugssystems mit einer in einer vorangegangenen Kalibrierung ermittelten Gerätematrix aus der Position des diesen Positionsmarken zugeordneten Empfängerbezugssystems ermittelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die tatsächliche Schwenkposition des C-Bogens erfasst und dieser Schwenkposition diejenige Projektionsmatrix zugeordnet wird, die in einer Kalibrierung für eine Kalibrierposition ermittelt und gespeichert worden ist, die der tatsächlichen Schwenkposition am nächsten liegt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zum Ermitteln der Transformationsvorschrift zwischen dem Navigationsbezugssystem und dem Gerätebezugssystem mit Hilfe der Positionserfassungseinrichtung die Position eines ortsfest im Raum angeordneten Basisbezugssystems erfasst wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Positionserfassungseinrichtung nach dem Ermitteln der Transformationsvorschrift zwischen dem Navigationsbezugssystem und dem Gerätebezugssystem verfahren wird.
  7. Einrichtung zur Bildunterstützung eines mit einem medizinischen Instrument durchgeführten operativen Eingriffes, mit einem C-Bogen-Röntgengerät zum Erzeugen eines zweidimensiona len Röntgenbildes, und mit einer Positionserfassungseinrichtung zum wenigstens mittelbaren Erfassen der Position eines dem C-Bogen-Röntgengerät zugeordneten Gerätebezugssystems, eines dem Patienten zugeordneten Referenzbezugssystems und eines dem medizinischen Instrument zugeordneten Instrumentenbezugssystems, sowie mit einer Recheneinrichtung zum Ermitteln einer während der Erzeugung des Röntgenbildes geltenden Transformationsvorschrift zwischen dem Referenzbezugssystem und einem Bildkoordinatensystem sowie einer während des Eingriffs geltenden Transformationsvorschrift zwischen dem Referenzbezugssystem und dem Instrumentenbezugssystem mit Hilfe gespeicherter gerätespezifischer Abbildungsvorschriften und zum positionsgetreuen Einblenden des Instruments in das zweidimensionale Röntgenbild mit Hilfe dieser Transformationsvorschriften.
  8. Einrichtung nach Anspruch 7, bei der zum wenigstens mittelbaren Erfassen der Position des dem C-Bogen-Röntgengerät zugeordneten Gerätebezugssystems am Röntgenempfänger angeordnete Positionsmarken vorgesehen sind.
  9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, mit Mitteln zum Erfassen einer bei der Erzeugung des Röntgenbildes vorliegenden tatsächlichen Schwenkposition des C-Bogens sowie einer Speichereinrichtung in der die in einer zum Speichern der in einer Kalibrierung für eine Vielzahl von Kalibrierstellungen ermittelten Projektionsmatrix, wobei die Recheneinrichtung dieser Schwenkposition eine Projektionsmatrix zuordnet, die in der Kalibrierung für eine Kalibrierposition ermittelt und gespeichert worden ist, die der tatsächlichen Schwenkposition am nächsten liegt.
  10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der zum Ermitteln der Transformationsvorschrift zwischen dem Navigationsbezugssystem und dem zugeordneten Gerätebezugssystem ein von der Positionserfassungseinrichtung erfassbares, ortsfest im Raum angeordnetes Basisbezugssystem vorgesehen ist.
  11. Einrichtung nach Anspruch 10, bei dem die Positionserfassungseinrichtung verfahrbar ist.
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