DE19805112A1 - Verfahren und Vorrichtungen zum Kalibrieren eines Navigationssystems bezüglich Bilddaten eines Magnetresonanzgeräts - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Navigationssystems, welches Navigationssystem Lokalisierungs­ daten in einem ersten Koordinatensystem ausgibt, bezüglich Bilddaten, welche Bilddaten von einem Magnetresonanzgerät in einem zweiten Koordinatensystem erzeugt werden. Weiter be­ trifft die Erfindung Vorrichtungen zum Durchführen des Ver­ fahrens.

Die Lage des Koordinatensystems in einem diagnostischen Ma­ gnetresonanzgerät ist durch den Grundfeldmagneten einschließ­ lich Shimelemente und dem Gradientenspulensystem bestimmt. Sie läßt sich bis auf wenige Millimeter genau bezüglich der äußeren Verkleidung des Geräts angeben. Ein Patient wird bei­ spielsweise mit Hilfe eines an der Verkleidung des Magnetre­ sonanzgeräts angebrachten Laserlichtvisiers, das einen be­ kannten Abstand zu einem vom Gehäuse definierten Mittelpunkt eines Abbildungsvolumens besitzt, im Abbildungsvolumen pla­ ziert. Für viele Magnetresonanzmessungen ist die so erzielte Genauigkeit hinreichend. In bestimmten Fällen, wenn es z. B. auf die Darstellung von Symmetrien im Körper im Magnetreso­ nanz-Bilddatensatz ankommt, wird vor der eigentlichen Bildda­ tenermittlung ein sogenannter Scout-Scan durchgeführt, wobei Schnittbilder in axialer, koronaler und sagittaler Orientie­ rung genau durch das Zentrum des Magnetresonanz- Koordinatensystems verlaufen. Anhand dieser drei Schnitt­ bilder wird die Lage des Patienten im Magnetresonanzgerät korrigiert.

Vorwiegend in der Neurochirurgie werden zunehmend Navigati­ onssysteme eingesetzt, um die chirurgische Präzision zu erhö­ hen und um bei einer Operation von Tumoren die Radikalität zu verbessern. Im allgemeinen werden bei der Neuronavigation be­ stimmte Positionspunkte im Operationsfeld auf präoperative Schnittbilddaten projiziert. Damit kann der Chirurg die Lage von tieferliegenden Strukturen oder Läsionen im Operations­ feld über Schnittbilddaten bestimmen und somit den Zugangsweg minimieren.

Bei der Neuronavigation muß das Bilddatenkoordinatensystem mit dem Patientenkoordinatensystem mit Hilfe des Navigations­ systems zuerst in Deckung gebracht werden, d. h., das Naviga­ tionssystem muß kalibriert werden. Üblicherweise werden hier­ zu im Schnittbild sichtbare Marker vor der Bilddatenaufnahme an verschiedenen Stellen der Kopfoberfläche angebracht. Nach­ dem der Patient dann für die Operation fixiert wurde, können die im Bilddatensatz abgebildeten Marker mit einer Maus oder einem Fadenkreuz gekennzeichnet werden. Die Marker werden ebenfalls mit Hilfe eines Zeigeinstruments (Pointer) des Na­ vigationssystems lokalisiert. Auf diese Weise kann ein Bild­ datenrechner die verschiedenen Markerpunkte zuordnen und die Koordinatensysteme in Deckung bringen. Dieses Verfahren ist nicht nur zeitaufwendig, sondern es birgt auch verschiedene Fehlerquellen. So können sich die Marker auf der Haut nach der Fixierung des Kopfes verschieben. Ungenauigkeiten ergeben sich auch, wenn die Markerpunkte nicht exakt mit dem Faden­ kreuz markiert werden. Eine weitere Fehlerquelle liegt darin, wenn die Spitze des Zeigeinstruments des Navigationssystems das Markerzentrum nicht exakt treffen kann.

Um Verschiebungen der Hirnanatomie nach Öffnung des Schädels oder durch den Einsatz von Hirnspateln berücksichtigen zu können, werden neuerdings die 3D-Magnetresonanz-Schnittbild­ daten für das Navigationssystem durch ein intraoperativ ein­ gesetztes Magnetresonanzgerät während der Operation neu er­ faßt, d. h. Grundlage für das Navigationssystem ist dann­ nicht länger ein präoperativ erstellter 3D-Bilddatensatz, sondern ein aktueller Bilddatensatz, der nach Verschiebungen oder Verlagerungen der Hirnanatomie intraoperativ aufgenommen wird.

Für verschiedene Eingriffe, wie Freihandbiopsien oder Hirn­ biopsien ohne Stereotaxierahmen aber auch für viele interven­ tionelle Techniken unter Magnetresonanz-Schnittbild-Führung (MR-Führung), macht es sogar Sinn, das Navigationssystem di­ rekt in das Magnetresonanzgerät zu integrieren. So kann man z. B. eine bestimmte Position des Schnittbildes interaktiv am Patienten einstellen oder bei Kopplung des Zeigeinstruments des Navigationssystems mit der Biopsienadel sicherstellen, daß die Bildschicht ständig der Lage der Biopsienadel folgt. In diesem Fall können Biopsien extrem schnell und hochpräzise durchgeführt werden. Dabei muß, ähnlich wie bereits oben be­ schrieben, das Koordinatensystem des Magnetresonanzgeräts - das in diesem Fall mit dem Patienten-Koordinatensystem iden­ tisch ist - dem Navigationssystem bekannt gemacht werden, das heißt, das Navigationssystem muß kalibriert werden.

Zum Kalibrieren des Navigationssystems werden bisher mit der Spitze des Zeigeinstruments des Navigationssystems Punkte an einer Oberfläche des Magnetresonanzgeräts angefahren, deren Lage relativ zum Magnetmittelpunkt, der gleichzeitig das Zen­ trum des Patienten- oder Bilddaten-Koordinatensystems ist, bekannt ist. Da der Abstand der Gehäusepunkte zum Magnetmit­ telpunkt jedoch immer eine nicht zu vernachlässigende Tole­ ranz besitzt und zudem der Magnetmittelpunkt auch von der Ju­ stage des Gradientensystems abhängt, ist diese Art der Kali­ brierung mit einem beträchtlichen Fehler behaftet.

Aus der DE 43 25 206 A1 und aus der DE 38 31 278 C2 sind Ori­ entierungseinrichtungen bekannt, die es gestatten, mit Hilfe von Markern Abstände, z. B. von anatomischen Details, in einer Schicht eines Untersuchungsobjekts in einem entsprechenden Schichtbild zu vermessen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein Navigationssystem im Vergleich zu be­ kannten Verfahren genauer auf das Bilddatensystem kalibriert werden kann. Des weiteren sollen Vorrichtungen zum Durchfüh­ ren des Verfahrens angegeben werden.

Die erstgenannte Aufgabe wird in einer ersten Alternative durch ein erstes Verfahren gelöst mit den Schritten: Positio­ nen von mindestens drei in einem Abbildungsvolumen angeordne­ ten Markern werden mit dem Navigationssystem in dem ersten Koordinatensystem und mittels der Magnetresonanz in dem zwei­ ten Koordinatensystem ermittelt, aus den Positionen der Mar­ ker in den beiden Koordinatensystemen werden eine Lage und eine Orientierung der beiden Koordinatensysteme zueinander bestimmt und im ersten Koordinatensystem ermittelte Lokali­ sierungsdaten werden mittels der bekannten Lage und Orientie­ rung der beiden Koordinatensysteme zueinander in das zweite Koordinatensystem transformiert.

Die erstgenannte Aufgabe wird in einer zweiten Alternative durch ein zweites Verfahren gelöst mit den Schritten: Minde­ stens drei verschiedene Positionen eines Markers in einem Ab­ bildungsvolumen werden mit dem Navigationssystem in dem er­ sten Koordinatensystem und mittels der Magnetresonanz in dem zweiten Koordinatensystem ermittelt, aus den Positionen des Markers in den beiden Koordinatensystemen werden eine Lage und eine Orientierung der beiden Koordinatensysteme zueinan­ der bestimmt und im ersten Koordinatensystem ermittelte Loka­ lisierungsdaten werden mittels der bekannten Lage und Orien­ tierung der beiden Koordinatensysteme zueinander in das zwei­ te Koordinatensystem transformiert.

Den beiden alternativen Kalibrierungsverfahren ist gemeinsam, daß die Lage des oder der Navigationsmarker direkt mit dem Magnetresonanzgerät gemessen wird, mit dem dann auch die Pa­ tientenbilddaten aufgenommen werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Position der Marker im zweiten Koordinatensystem mit mindestens einer Pickup-Spule erfaßt. Die Bestimmung der Position der Marker wird dadurch erheblich vereinfacht. Die Empfindlichkeit der Pickup-Spule beschränkt sich auf ihre unmittelbare Umgebung, wodurch sichergestellt ist, daß nur Signale der bildgebenden Substanz des zugeordneten Markers ausgewertet werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedem Marker eine Pickup-Spule zugeordnet ist und jede Pickup-Spule Magnetresonanzsignale empfängt, die von dem entsprechenden Marker ausgesendet werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Ermittlung der Positionen der Marker im zweiten Koordinatensystem für jede Koordinatenrichtung ein nichtselektiver Magnetresonanz-Anregungsimpuls auf den oder die Marker einwirkt und daß daraufhin von dem oder den Mar­ kern ausgesendete Magnetresonanzsignale während des Empfangs mit den Pickup-Spulen mit einem Gradientenfeld in Richtung der entsprechenden Koordinatenrichtung ortscodiert werden. Werden geeignete Verfahren zur Refokussierung der Magnetreso­ nanzsignale benutzt, so kann die Position eines Markers in allen drei Koordinatenrichtungen nach einem einzigen Anre­ gungsimpuls bestimmt werden.

Steht im Magnetresonanzgerät nur ein Auswertekanal zur Verfü­ gung, so können die Pickup-Spulen gemäß einer weiteren vor­ teilhaften Ausgestaltung zeitlich nacheinander mit dem Aus­ wertekanal des Magnetresonanzgeräts verbunden werden.

Die zur Kalibrierung benötigte Zeit kann erheblich verkürzt werden, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die Magnetresonanzsignale von mehreren Pickup-Spulen gleich­ zeitig empfangen werden, wobei die Pickup-Spulen jeweils mit einem Auswertekanal des Magnetresonanzgeräts verbunden sind. Mehrere Auswertekanäle sind bei Magnetresonanzgeräten vorhan­ den, die zum Anschluß von Antennenarrays ausgebildet sind.

Fehler bei der Positionsbestimmung aufgrund von Rauschen kön­ nen bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung verringert werden, wenn die Positionen im zweiten Koordinatensystem mehrmals ermittelt und dann einer Mittelwertbildung unterwor­ fen werden.

Die zweitgenannte Aufgabe bezüglich einer ersten Vorrichtung zur Kalibrierung wird dadurch gelöst, daß ein Marker, der ei­ ne magnetresonanztechnisch nachweisbare Substanz umfaßt, im Zentrum einer Pickup-Spule angeordnet ist, daß die Pickup- Spule mit dem Marker an einer Halterung befestigt ist und daß die Halterung eine Öffnung aufweist zur Aufnahme zumindest eines Teils eines Zeigeinstruments des Navigationssystems. Da das Zentrum des Markers mit der Pickup-Spule für das Zeigein­ strument des Navigationssystems nicht zugänglich ist, wird mit der Halterung ein definierter Abstand einer Tastspitze des Zeigeinstruments zum Zentrum des Markers und der Pickup- Spule vorgegeben. Das Navigationssystem bestimmt neben dem Ort des Zeigeinstruments oder der Tastspitze auch die Rich­ tung, so kann bei bekanntem Abstand der Mittelpunkt des Mark­ ers mit hoher Präzision mit dem Navigationssystem bestimmt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich an die Öffnung in der Halterung eine Füh­ rung für den Teil des Zeigeinstruments anschließt, die den Teil zum Marker hin ausrichtet.

Die zur Kalibrierung benötigte Zeit kann verkürzt werden, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung an der Halterung mindestens drei Marker mit zugeordneten Pickup- Spulen befestigt sind.

Die zweitgenannte Aufgabe bezüglich einer zweiten Vorrichtung zur Kalibrierung wird dadurch gelöst, daß an einem Halteteil mindestens drei optische Markierungen und den Markierungen zugeordnete Marker, die eine magnetresonanztechnisch nach­ weisbare Substanz umfassen, angeordnet sind. Die Lage der Marker im Koordinatensystem des Magnetresonanzgeräts wird z. B. über eine Auswertung eines 3D-Bilddatensatzes ermittelt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die optischen Markierungen als optische Sender zum annä­ hernd punktförmigen Abstrahlen optischer Signale ausgebildet sind.

Der Betrieb der Kalibriereinrichtung im Magnetresonanzgerät erfordert es, daß sie aus antimagnetischen Materialien gefer­ tigt sein muß. Daher umfassen bei einer vorteilhaften Ausge­ staltung die optischen Sender antimagnetische Leuchtdioden, die im Halteteil montiert sind.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die optischen Sender Leuchtdioden, die getrennt vom Halteteil an­ geordnet sind, und optische Übertragungsleitungen von den Leuchtdioden zum Halteteil, wobei Enden der optischen Über­ tragungsleitungen im Halteteil zum Abstrahlen der optischen Signale ausgebildet sind. Dann können die optischen Signale der typischerweise leicht ferromagnetischen Leuchtdioden au­ ßerhalb des Patientenraums im Magneten in optische Übertra­ gungsleitungen eingekoppelt und zum Halteteil geführt werden. Dort treten dann die optischen Signale aus.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Mar­ ker als Torus ausgebildet, wobei im Mittelpunkt jedes Torus die optische Markierung angeordnet ist. Damit decken sich die im Magnetresonanzschnittbild leicht identifizierbaren Mittel­ punkte der Tori mit den Orten der optischen Markierungen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die optischen Markierungen eine reflektierende Oberfläche. Damit entfallen Zuleitungen zum Ansteuern der optischen Markierun­ gen. Es muß dann ein optisches Orts- und Winkelmeßsystem ver­ wendet werden, das rein reflektierende Objekte verfolgen kann, wie z. B. das Navigationssystem POLARIS Optical Tracking System der Firma Northern Digital Inc., Waterloo, Ontario, Kanada.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von zehn Figuren er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einer Prinzipdarstellung ein diagno­ stisches Magnetresonanzgerät mit einem erfindungsgemäß kalibrierbaren Navigati­ onssystem,

Fig. 2 eine Übersicht über die Hauptverfahrens­ schritte zum Kalibrieren des Navigati­ onssystems,

Fig. 3 eine Skizze einer ersten Vorrichtung zum Kalibrieren des Navigationssystems,

Fig. 4.1 bis 4.3 in einem Diagramm Signalverlauf einer Ortscodierung der von einem Marker aus­ gesendeten Magnetresonanzsignale,

Fig. 5.1 bis 5.3 in einem Diagramm Signalverläufe von Po­ sitionssignalen nach einer Decodierung mittels einer Fourier-Transformation,

Fig. 6 eine Skizze einer zweiten Vorrichtung zum Kalibrieren des Navigationssystems,

Fig. 7 eine Skizze einer dritten Vorrichtung zum Kalibrieren des Navigationssystems,

Fig. 8 in einer Seitenansicht eine vierte Vor­ richtung zum Kalibrieren mit antimagne­ tischen Leuchtdioden als optische Mar­ kierungen,

Fig. 9 in einer ausschnittsweisen Darstellung optische Sender mit Lichtleitfasern und

Fig. 10 in einer perspektivischen Ansicht eine fünfte Vorrichtung zum Kalibrieren mit reflektierenden optischen Markierungen.

Das in einer Übersicht in Fig. 1 dargestellte diagnostische Magnetresonanzgerät umfaßt ein offenes Magnetsystem 2 mit zwei gegenüberliegend angeordneten Polschuhen 4, die über ei­ ne C-förmige magnetische Rückführung 6 miteinander verbunden sind. Ein magnetischer Antrieb besteht aus jeweils einer an den Polschuhen 4 angeordneten Elektromagnetwicklung 8. Das Magnetsystem 2 erzeugt zwischen den Polschuhen 4 in einem mehr oder weniger kugelförmigen Bereich ein homogenes und vertikal ausgerichtetes Grundmagnetfeld. Auf einer Patienten­ liege 10 ist ein Phantom 12 innerhalb des homogenen Grundma­ gnetfeldbereichs positioniert, mit dessen Hilfe eine Kali­ brierung von Lokalisierungsdaten zu Bilddaten erfolgt. Die Funktion und der Aufbau des Phantoms 12 werden später noch ausführlich beschrieben. Das offene Magnetsystem 2 stellt ei­ nem Arzt oder Untersucher zusätzlich zum Patientenzugang ei­ nen seitlichen Zugang zur Verfügung, um Eingriffe an einem Patienten vornehmen zu können. In Fig. 1 nicht dargestellt sind die bei diagnostischen Magnetresonanzgeräten vorhandenen Gradientenspulen zur Erzeugung von Gradientenfeldern in drei senkrecht aufeinanderstehenden Richtungen sowie Hochfrequenz­ antennen zum Anregen oder zum Empfangen der Magnetresonanzsi­ gnale. Das Magnetsystem 2 einschließlich der Gradientenspulen und Hochfrequenzantennen befindet sich in einer Hochfrequenz­ kabine 16. Außerhalb der Hochfrequenzkabine 16 ist ein Steu­ errechner 18 angeordnet, der zum Betrieb benötigte Steuersi­ gnale erzeugt und von den Hochfrequenzantennen empfangene Ma­ gnetresonanzsignale zu Bilddaten weiterverarbeitet. Ebenfalls außerhalb der Hochfrequenzkabine 16 sind Gradientenverstärker 20 und ein Hochfrequenz-Sende-Empfangssystem 22 angeordnet, deren Betrieb durch die vom Rechner 18 ausgegebenen Steuersi­ gnale kontrolliert wird.

Innerhalb der Hochfrequenzkabine 16 befindet sich ein Naviga­ tionssystem 26, das eine ortsfeste Einheit 28 und ein Zeige­ instrument 30 umfaßt. Die ortsfeste Einheit 28 umfaßt ein Ka­ merasystem, das im allgemeinen nicht fest montiert ist, son­ dern je nach Eingriff individuell neu plaziert werden kann. Das Zeigeinstrument 30 besitzt eine Tastspitze 32, deren Po­ sition von der ortsfesten Einheit 28 im Koordinatensystem des Navigationssystems bestimmt werden kann. Das Zeigeinstrument 30 ist über eine erste Signalleitung 34A und die ortsfeste Einheit 28 über eine zweite Signalleitung 34B mit einer au­ ßerhalb der Hochfrequenzkabine 16 angeordneten Interfacebox 35 verbunden. Zum Betrieb in der Nähe des Magnetresonanzge­ räts eignen sich Navigationssysteme 26, die optische oder auch akustische Signale zur Positionsbestimmung der Tastspit­ ze auswerten. Ein geeignetes, mit optischen Signalen arbei­ tendes Navigationssystem ist unter der Bezeichnung POLARIS Optical Tracking System der Firma Northern Digital Inc., Waterloo, Ontario, Kanada, erhältlich. Die Positionsdaten werden über eine dritte Signalleitung 36 dem Rechner 18 mit­ geteilt.

Unmittelbar in der Nähe des Magnetresonanzgeräts ist im Sichtbereich des Arztes oder Untersuchers eine Bilddarstel­ lungseinheit 38 angeordnet, auf der vom Rechner ausgegebene intraoperativ oder auch präoperativ erstellte Schnittbilder wiedergegeben werden können. So hat der Arzt oder Untersucher zum einen die Möglichkeit, mit der Tastspitze 32 eine Schnittebene am Patienten zu definieren, wovon intraoperativ ein anatomisches Schnittbild erstellt werden soll, zum ande­ ren kann auch aus einem schon präoperativ erstellten Bild­ datensatz ein der Lage der Tastspitze 32 entsprechendes Schnittbild ausgewählt werden.

Das setzt jedoch voraus, daß das Navigationssystem 26 auf das Bilddatensystem, das identisch dem Patienten-Koordinatensy­ stem ist, kalibriert ist. Fig. 2 zeigt die wesentlichen Schritte zum Kalibrieren. Dazu werden im homogenen Magnet­ feldbereich des Magnetresonanzgeräts mit dem Navigationssy­ stem 26 drei Positionen in einem ersten Koordinatensystem be­ stimmt (Verfahrensschritt 40). Dieselben drei Positionen wer­ den mit Hilfe des Magnetresonanzgeräts im zweiten Koordina­ tensystem bestimmt (Verfahrensschritt 42). Aus den zu den Po­ sitionen gehörenden Koordinatenwerten im ersten und zweiten Koordinatensystem wird mit aus der analytischen Geometrie be­ kannten Zusammenhängen eine Koordinatentransformationsmatrix bestimmt (Verfahrensschritt 44). Die Koordinatentransformati­ onsmatrix gibt z. B. die Lage und Richtung des ersten Koordi­ natensystems bezüglich des zweiten Koordinatensystems an. Bei der aktuellen Positionserfassung mit dem Navigationssystem werden die im ersten Koordinatensystem erfaßten Positionen in Koordinatenwerte des zweiten Koordinatensystems mittels die­ ser Koordinatentransformationsmatrix transformiert (Verfah­ rensschritt 46).

Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform der Vorrichtung, mit der das Navigationssystem 26 auf das Bilddatensystem kali­ briert werden kann. Auf der Tastspitze 32 des Zeigeinstru­ ments 30 ist mittels einer Halterung 48 eine Pickup-Spule 50 mit einer räumlich isotropen Empfindlichkeitsverteilung befe­ stigt. Der Durchmesser der Pickup-Spule sollte 1 bis 2 mm be­ tragen, um eine punktgenaue Messung zu ermöglichen. Im Zen­ trum der Pickup-Spule 50 ist eine magnetresonanztechnisch nachweisbare Substanz 52 als Marker angeordnet, z. B. in Form einer kleinen Kapsel, die mit Gadolinium oder Öl gefüllt ist. Alternativ kann auch eine magnetresonanztechnisch nachweisba­ re Silikonmischung benutzt werden. Es ist auch möglich, an­ statt einer Kapsel einen flüssigkeitsgefüllten Ring zu ver­ wenden, der um die Pickup-Spule 50 herum angeordnet ist.

Die Pickup-Spule 50 ist über einen Vorverstärker 56 mit einem zum Hochfrequenzsystem 22 des Magnetresonanzgeräts gehörenden Empfänger 58 verbunden. Entsprechend dem anhand von Fig. 2 beschriebenen Verfahren wird die Halterung 48 nacheinander an mindestens drei verschiedenen Orten innerhalb des Abbildungs­ volumens positioniert. Diese Positionen, die nicht alle in einer Ebene liegen dürfen, werden sowohl mit dem Navigations­ system 26 als auch mit dem Magnetresonanzgerät erfaßt. Aus den Positionswerten wird dann die Transformationsmatrix ge­ bildet.

Die Positionsbestimmung der Marker 52 mittels des Magnetreso­ nanzgeräts wird im folgenden anhand der Fig. 4.1 bis 4.3 und 5.1 bis 5.3 erläutert.

Die Fig. 4.1 bis 4.3 zeigen im Ausschnitt drei FID-Signa­ le, die nacheinander nach einer nichtselektiven Anregung mit einem α-Hochfrequenzimpuls von der Pickup-Spule 50 empfangen werden. Fig. 5.1 zeigt eine Ortscodierung in x-Richtung des von dem angeregten Marker 52 ausgesendeten Magnetresonanzsi­ gnals 60 durch gleichzeitiges Erzeugen eines Gradientenfeldes 62 in x-Richtung. In Abhängigkeit der Position des Markers 52 im Gradientenfeld wird sich die Frequenz des Magnetresonanz­ signals 60 einstellen. Eine Fourier-Transformation FFT des empfangenen Magnetresonanzsignals 60 ergibt einen in Fig. 5.1 dargestellten Signalpeak 64 bei einer Frequenz, die dem Koordinatenwert x₁ in der x-Koordinatenrichtung entspricht. Analog wird die Position des Markers 52 in y-Koordinatenrich­ tung bestimmt durch Anlegen eines Gradientenfeldes 66 in y-Rich­ tung, wie in Fig. 4.2 gezeigt. Die Fourier-Transforma­ tion FFT liefert einen Signalpeak 68 an der Stelle y₁, darge­ stellt in Fig. 5.2. Ebenfalls erhält man so die Position des Markers 52 in z-Richtung durch Erzeugen eines Gradientenfel­ des 70 in z-Richtung, wie in Fig. 4.3 dargestellt. Die Fou­ rier-Transformation liefert einen in Fig. 5.3 dargestellten Signalpeak 72 mit einer Frequenz entsprechend dem Koordina­ tenwert z₁.

Die Signalpeaks 64, 68 und 72 sind umso schärfer, je kleiner die Abmessungen des Markers 52 und der Pickup-Spule 50 sind. Mit zunehmender Miniaturisierung der Abmessungen nimmt jedoch auch die Amplitude der Signalpeaks 64, 68 und 72 ab. Damit erhöht sich die Fehlerwahrscheinlichkeit in der Positionsbe­ stimmung aufgrund des schlechteren Signal-Rausch-Verhältnis­ ses. Eine Mehrfachmessung mit anschließender Mittelwertbil­ dung kann jedoch die von Rauschen verursachten Fehler weitge­ hend eliminieren.

Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung, mit der das Navigationssystem auf das Bilddatensystem kali­ briert werden kann. An einem Halter 48A sind vier Pickup- Spulen 50.1 bis 50.4 befestigt. Im Zentrum der Pickup-Spulen 50.1 bis 50.4 befinden sich ebenfalls Marker 52.1 bis 52.4, die eine magnetresonanztechnisch nachweisbare Substanz ent­ halten. Die Halterung 48A ist als würfelförmiges Gestell mit einer Kantenlänge von ca. 10 cm ausgebildet, woran drei Pick­ up-Spulen 50.1 bis 50.3 mit den dazugehörigen Markern 52.1 bis 52.3 an den Ecken und die Pickup-Spule 50.4 mit dem Mar­ ker 52.4 im Zentrum befestigt sind. In unmittelbarer Nähe der Pickup-Spulen 50.1 bis 50.4 sind Vertiefungen angeordnet, die die Tastspitze 32 in einem definierten Abstand und mit einer vorgegebenen Richtung aufnehmen können. Die Pickup-Spulen 50.1 bis 50.4 sind mit einer Hochfrequenzarrayeinrichtung 74 verbunden, die entweder einen Umschalter zum sequentiellen Verbinden der Pickup-Spulen 50.1 bis 50.4 mit dem Empfänger oder einen Vierkanalempfänger zur Parallelverarbeitung der empfangenen Magnetresonanzsignale umfaßt. Diese Ausführungs­ form vereinfacht gegenüber der anhand von Fig. 3 beschriebe­ nen Ausführungsform die Handhabung. Sie kann z. B., wie schon in Fig. 1 gezeigt, als Phantom 12 auf die Patientenliege 10 gestellt werden. Alle Positionen der Marker 52.1 bis 52.4 können dann ohne weitere Handhabung mit dem Magnetresonanzge­ rät ermittelt werden.

Wenn das Zeigeinstrument 30 des optischen Navigationssystems 26 mit mehr als drei optischen Referenzpunkten 76 ausgerüstet ist, die nicht in einer Linie angeordnet sind, kann das Navi­ gationssystem nicht nur die Richtung des Zeigeinstruments 26, sondern auch seine Drehlage bestimmen. Die Lage und Orientie­ rung des Zeigeinstruments 30 ist dann eindeutig bestimmbar.

In diesem Fall wird das Zeigeinstrument 30 in eine in der Halterung 48A angeordnete röhrenförmige Öffnung 78 mit einem Endpunkt gesteckt. Die Lage und Ausrichtung der röhrenförmi­ gen Öffnung 78 relativ zur Lage der Pickup-Spulen 50.1 bis 50.4 mit den Markern 52.1 bis 52.4 ist bekannt. Daher können die mit dem Magnetresonanzgerät ermittelten Positionen der Pickup-Spulen 50.1 bis 50.4 mit der Lage des Zeigeinstruments 30 ohne weitere Handhabung ermittelt werden.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des Phantoms 12, bei dem an die würfelförmige Halterung 48A in festen und be­ kannten Abständen zu den Pickup-Spulen 50.1 bis 50.4 vier op­ tische Referenzpunkte 76.1 bis 76.4 angebracht sind, die von dem im ortsfesten Teil 28 angeordneten Kamerasystem erkannt werden können. Während das Magnetresonanzgerät über die Lage der vier Pickup-Spulen 50.1 bis 50.4 die Lage und Orientie­ rung der Halterung 48A im Koordinatensystem des Magnetreso­ nanzgeräts bestimmen kann, kann das Navigationssystem 26 über die Lage der vier optischen Referenzpunkte 76.1 bis 66.4 die Lage und Orientierung der Halterung 48A im Koordinatensystem des Navigationssystems bestimmen. Damit läßt sich die Kali­ brierung ohne weitere Handhabung durchführen.

Fig. 8 zeigt in einer Seitenansicht eine weitere Ausführung einer Kalibriereinrichtung, womit das optische dreidimensio­ nale Orts- und Winkelmeßsystem an das Koordinatensystem des diagnostischen Magnetresonanzgeräts kalibriert werden kann. Die Kalibriereinrichtung umfaßt ein würfelförmiges Halteteil 100, worin in der Nähe der Ecken als optische Markierungen 76 optische Sender 102 zum annähernd punktförmigen Abstrahlen optischer Signale eingesetzt sind, die von dem hier nicht dargestellten optischen Orts- und Winkelmeßsystem erkannt werden können. Annähernd punktförmig bedeutet, daß die räum­ liche Ausdehnung der Abstrahlfläche der optischen Sender 102 die Orts- und Winkelauflösung des optischen Meßsystems nicht verschlechtert. Als optische Sender 102 werden antimagneti­ sche Leuchtdioden 104 verwendet, die sich vor allem dadurch auszeichnen, daß sie auf ein Keramiksubstrat gebondet sind. Die Leuchtdioden 104 sind in Bohrungen 105 so eingesetzt, daß sie nach außen Lichtsignale abstrahlen können. Auf der hier dargestellten Seite sind zwei optische Sender 102 angeordnet, auf einer weiteren Seite ist mindestens ein zusätzlicher Sen­ der 102 vorhanden.

Die Leuchtdioden 104 sind über elektrische Verbindungsleitun­ gen 106 mit einem Steuergerät 108 verbunden. Sollen die Leuchtdioden 104 individuell, z. B. zyklisch, angesteuert wer­ den, so sind die elektrischen Leitungen 106 einzeln zum Steu­ ergerät 108 geführt. Bei einer gleichzeitigen Ansteuerung der Leuchtdioden 104 genügt eine einzige Verbindungsleitung zum Steuergerät 108.

Um jede Leuchtdiode 104 ist ein ringförmiger Marker 110 ange­ ordnet, der eine magnetresonanztechnisch nachweisbare Sub­ stanz umfaßt. Die Marker 110 sind z. B. mit Salzwasser ge­ füllt.

Fig. 9 zeigt im Ausschnitt eine weitere Ausführung der Kali­ briereinrichtung, die sich von der in Fig. 8 dargestellten Kalibriereinrichtung durch eine andere Ausführung der opti­ schen Sender 102 unterscheidet. Die optischen Sender 102 um­ fassen hier getrennt vom Halteteil 100 angeordnete normale Leuchtdioden 112, die jeweils mit einer optischen Übertra­ gungsleitung 114 gekoppelt sind. Die optischen Übertragungs­ leitungen 114 enden im Halteteil 100 in den Bohrungen 105. Endflächen 118 der Übertragungsleitungen 114 strahlen dann die optischen Signale ab.

Zum Kalibrieren wird die Kalibriereinrichtung in die ungefäh­ re Mitte im Abbildungsvolumen des Magnetresonanzgeräts z. B. auf einer Patientenliege positioniert. Mit dem Magnetreso­ nanzgerät werden die Marker 110 und mit dem optischen Meßsy­ stem die von den optischen Sendern erzeugten Lichtpunkte er­ faßt. Eine Navigationssoftware entnimmt die Koordinaten der Marker 110 dem Magnetresonanzbild und die Ortskoordinaten der zugeordneten antimagnetischen Leuchtdioden 104 bzw. der Lichtaustrittsfläche 118, die mit dem Orts- und Winkelmeßsy­ stem ermittelt wurden. Aus den Koordinatenwerten in den bei­ den Koordinatensystemen werden dann Transformationsparameter berechnet.

Fig. 10 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine weitere Ausführungsform der Kalibriereinrichtung, wobei als optische Markierungen Kugeln 120 mit einer z. B. Infrarotstrahlung re­ flektierenden Oberfläche verwendet sind. Insgesamt sind sechs Kugeln 120 auf zwei Seiten 122, 124 eines Würfels 126 befe­ stigt. Der Würfel 126 ist als geschlossener Hohlkörper ausge­ führt und mit einer magnetresonanztechnisch nachweisbaren Substanz gefüllt. Aus der Form und Größe der im Magnetreso­ nanztomogramm abgebildeten Schnittfläche läßt sich der Ort und die Lage des Würfels 126 eindeutig bestimmen. Aus der be­ kannten Anordnung der optischen Markierungen 120 auf dem Wür­ fel 126 läßt sich dann die Koordinatentransformation ablei­ ten.

Alternativ können die Kugeln 120 mit einer magnetresonanz­ technisch nachweisbaren Substanz gefüllt sein, aus der Größe der im Magnetresonanztomogramm sichtbaren Schnittflächen ebenfalls die zur Kalibrierung benötigte Koordinatentransfor­ mation bestimmt werden kann. Zur Positionserfassung mit dem Navigationssystem werden neben zwei Infrarot-Kameras auch ei­ ne Infrarot-Strahlungsquelle zum Bestrahlen der passiven op­ tischen Marker 120 benötigt.

Claims (21)

1. Verfahren zum Kalibrieren eines Navigationssystems (26), welches Navigationssystem (26) Lokalisierungsdaten in einem ersten Koordinatensystem ausgibt, bezüglich Bilddaten, welche Bilddaten von einem Magnetresonanzgerät in einem zweiten Ko­ ordinatensystem erzeugt werden, mit den Schritten:

• - Positionen von mindestens drei in einem Abbildungsvolu­ men angeordneten Markern (52.1, 52.2, 52.3, 52.4) werden mit dem Navigationssystem (26) in dem ersten Koordina­ tensystem (40) und mittels der Magnetresonanz in dem zweiten Koordinatensystem (42) ermittelt,
• - aus den Positionen der Marker (52.1, 52.2, 52.3, 52.4) in den beiden Koordinatensystemen werden eine Lage und eine Orientierung der beiden Koordinatensysteme zueinan­ der bestimmt (44) und
• - im ersten Koordinatensystem ermittelte Lokalisierungsda­ ten werden mittels der bekannten Lage und Orientierung der beiden Koordinatensysteme zueinander in das zweite Koordinatensystem transformiert (46).

2. Verfahren zum Kalibrieren eines Navigationssystems (26), welches Navigationssystem (26) Lokalisierungsdaten in einem ersten Koordinatensystem ausgibt, bezüglich Bilddaten, welche Bilddaten von einem Magnetresonanzgerät in einem zweiten Ko­ ordinatensystem erzeugt werden, mit den Schritten:

• - Mindestens drei verschiedene Positionen eines Markers (52) in einem Abbildungsvolumen werden mit dem Navigati­ onssystem (26) in dem ersten Koordinatensystem (40) und mittels der Magnetresonanz in dem zweiten Koordinatensy­ stem (42) ermittelt,
• - aus den Positionen des Markers (52) in den beiden Koor­ dinatensystemen werden eine Lage und eine Orientierung der beiden Koordinatensysteme zueinander bestimmt (44) und
• - im ersten Koordinatensystem ermittelte Lokalisierungsda­ ten werden mittels der bekannten Lage und Orientierung der beiden Koordinatensysteme zueinander in das zweite Koordinatensystem transformiert (46).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Position der Marker (52; 52.1, 52.2, 52.3, 52.4) im zweiten Koordinatensystem mit mindestens einer Pickup-Spule (50; 50.1, 50.2, 50.3, 50.4) erfaßt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß jedem Marker (52; 52.1, 52.2, 52.3, 52.4) eine Pick-up-Spule (50; 50.1, 50.2, 50.3, 50.4) zugeordnet ist und daß jede Pickup- Spule (50; 50.1, 50.2, 50.3, 50.4) Magnetresonanzsignale (60) empfängt, die von dem entsprechenden Marker (52; 52.1, 52.2, 52.3, 52.4) ausgesendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Ermittlung der Positio­ nen der Marker (52) im zweiten Koordinatensystem für jede Ko­ ordinatenrichtung ein nichtselektiver Magnetresonanz-Anre­ gungsimpuls auf den oder die Marker (52) einwirkt und daß die daraufhin von dem oder den Markern (52) ausgesendeten Magne­ tresonanzsignale (60) während des Empfangs mit den Pickup- Spulen (50) mit einem Gradientenfeld (62, 66, 70) in Richtung der entsprechenden Koordinatenrichtung ortscodiert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pick-up-Spulen (50; 50.1, 50.2, 50.3, 50.4) zeitlich nacheinander mit einem Aus­ wertekanal des Magnetresonanzgeräts verbunden werden.

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetresonanz­ signale von mehreren Pick-up-Spulen (50; 50.1, 50.2, 50.3, 50.4) gleichzeitig empfangen werden, wobei die Pick-up-Spulen (50; 50.1, 50.2, 50.3, 50.4) jeweils mit einem Auswertekanal des Magnetresonanzgeräts verbunden sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Posi­ tionen im zweiten Koordinatensystem mehrmals ermittelt und dann einer Mittelwertbildung unterworfen werden.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Marker (52), der eine magnetre­ sonanztechnisch nachweisbare Substanz umfaßt, in räumlicher Zuordnung zu einer Pick-up-Spule (50) angeordnet ist, daß die Pick-up-Spule (50) mit dem Marker (52) an einer Halterung (48) befestigt ist und daß die Halterung (48) eine Öffnung aufweist zur Aufnahme mindestens eines Teils (32) eines Zei­ geinstruments (30) des Navigationssystems (26).

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich an die Öffnung in der Halterung (48) eine Führung für den Teil (32) des Zeigein­ struments (30) anschließt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß an der Halterung (48A) mindestens drei Marker (52; 52.1, 52.2, 52.3, 52.4) mit zuge­ ordneten Pick-up-Spulen (50; 50.1, 50.2, 50.3, 50.4) befe­ stigt sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß in räumli­ cher Zuordnung zu der Pickup-Spule (50) oder den Pickup- Spulen (50.1, 50.2, 50.3, 50.4) mindestens ein vom Navigati­ onssystem erkennbarer optischer Referenzpunkt (76; 76.1, 76.2, 76.3, 76.4) angeordnet ist.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an einem Halteteil (100) mindestens drei optische Markierungen (76.1 . . . 76.4) und den Markierungen (76.1 . . . 76.4) fest zugeordnete Marker (110), die eine magne­ tresonanztechnisch nachweisbare Substanz umfassen, angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die optischen Markierungen (76; 76.1 . . . 76.4) als optische Sender (102) zum annähernd punktförmigen Abstrahlen optischer Signale ausgebildet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die optischen Sender (102) antimagnetische Leuchtdioden (4) umfassen, die im Halteteil (100) montiert sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die optischen Sender (102) Leuchtdioden (112) umfassen, die getrennt vom Halteteil (100) angeordnet sind, daß optische Übertragungsleitungen (114) von den Leuchtdioden (112) zum Halteteil führen und daß Enden (118) der optischen Übertragungsleitungen (114) im Halteteil (100) zum Abstrahlen der optischen Signale ausgebildet sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß jeweils einer der Marker (110) einen der optischen Sender (104, 118) umgibt.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß die Marker (110) als Torus ausgebildet sind und daß im Mittelpunkt jedes Torus der Sender (104, 118) angeordnet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die optischen Markierungen (76; 76.1 . . . 76.4) eine reflektierende Oberfläche umfassen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Halteteil als würfelför­ miger geschlossener Hohlkörper (126) ausgebildet ist, der mit der magnetresonanztechnisch nachweisbaren Substanz gefüllt ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Markierun­ gen als Hohlkugeln (120) ausgebildet sind, die mit der magne­ tresonanztechnisch nachweisbaren Substanz gefüllt sind.