DE19928737C1 - Marking alignment system for combined medical imaging and instrument navigation system - Google Patents

Marking alignment system for combined medical imaging and instrument navigation system

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DE19928737C1
DE19928737C1 DE19928737A DE19928737A DE19928737C1 DE 19928737 C1 DE19928737 C1 DE 19928737C1 DE 19928737 A DE19928737 A DE 19928737A DE 19928737 A DE19928737 A DE 19928737A DE 19928737 C1 DE19928737 C1 DE 19928737C1
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Abstract

The marking alignment system determines the coordinates of a first set of markings applied to the body of the patient (P) in a first coordinate system (K1) and the coordinates of a second set of markings within a medical image relative to a second coordinate system (K2). The sequence of the markings within each set is determined using the spacings between the markings, for aligning the markings within both sets with one another.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zuordnung von an ei­ nem Objekt angeordneten N Marken und in einem Bild von dem Objekt abgebildeten n Marken relativ zueinander mit N = n. Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung des Verfahrens in der Medizin.The invention relates to a method for assigning to egg N marks arranged in an object and in an image of the Object depicted n marks relative to each other with N = n. The invention also relates to the use of the method in the medicine.

In der Bildverarbeitung besteht häufig die Problematik, mar­ kante Stellen oder speziell mit Marken versehene Orte eines Objektes entsprechenden Abbildungen der markanten Stellen o­ der der mit Marken versehenen Orte in einem Bild von dem Ob­ jekt zuzuordnen. Eine derartige Zuordnung ist beispielsweise bei der Bildgebung in der Medizintechnik erforderlich, um Na­ vigation, z. B. die Steuerung eines Instrumentes, anhand von von dem Objekt gewonnener Bilder betreiben zu können.The problem often arises in image processing, mar edges or specially marked places of a Object corresponding pictures of the distinctive places o of the marked places in an image of the Ob assign to ject. Such an assignment is, for example in imaging in medical technology required to Na navigation, e.g. B. the control of an instrument, based on to be able to operate images obtained from the object.

Die Navigation basiert dabei auf einer Abbildung gemäß der mathematischen Gleichung
The navigation is based on a mapping according to the mathematical equation

X = A . x + t (1)
 X = A. x + t (1)

mit
X dem Koordinatenvektor einer an dem Objekt angeordneten Mar­ ke bezüglich eines ersten Koordinatensystems,
x dem Koordinatenvektor einer in dem Bild von dem Objekt ab­ gebildeten Marke bezüglich eines zweiten Koordinatensys­ tems,
A der 3 × 3 Matrix der Richtungscosini der räumlich linearen Abbildung und
t dem Verschiebungsvektor der linearen räumlichen Abbildung.With
X the coordinate vector of a mark arranged on the object with respect to a first coordinate system,
x the coordinate vector of a mark formed in the image from the object with respect to a second coordinate system,
A of the 3 × 3 matrix of the direction cosini of the spatially linear mapping and
t is the displacement vector of the linear spatial mapping.

Die Korrespondenz zwischen den am Objekt angeordneten Marken und den in dem Bild von dem Objekt abgebildeten Marken lie­ fert nach dem Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate aus den in dem ersten Koordinatensystem ermittelten Koordinaten der Marken und den in dem zweiten Koordinatensystem ermittelten Koordinaten der im Bild abgebildeten Marken die Parameter, welche die lineare Abbildung zwischen den beiden Koordinaten­ systemen bestimmen. Zur Ermittlung der linearen Abbildungspa­ rameter ist also die Kenntnis erforderlich, welche an dem Ob­ jekt angeordnete Marke mit welcher in dem Bild von dem Objekt abgebildeten Marke korrespondiert. Bei der Erfassung der Mar­ ken an dem Objekt sowie bei der Erfassung der in einem 2D- oder 3D-Bild abgebildeten Marken besteht dabei in der Regel noch keine eindeutige Zuordnung.The correspondence between the marks arranged on the object and the marks depicted in the picture of the object  produces from the least squares coordinates of the determined in the first coordinate system Marks and those determined in the second coordinate system Coordinates of the marks shown in the picture the parameters, which is the linear mapping between the two coordinates determine systems. To determine the linear mapping pa rameter, it is therefore necessary to know what is involved in the whether ject arranged with which in the picture of the object pictured brand corresponds. When capturing the Mar on the object and when capturing the in a 2D There is usually a trademark or 3D image no clear assignment yet.

In H. Weisse "Maßvergleiche auf Koordinatengeräten mathema­ tisch auswerten", F & M 102 (1994) 9, Seiten 451-454 ist bei­ spielsweise zur Prüfung von Werkstücken ein Verfahren zur Be­ stimmung von Transformationsparametern beschrieben, welches von der Methode des kleinsten Fehlerquadrats Gebrauch macht.In H. Weisse "Comparative measurements on coordinate devices mathema evaluate table ", F & M 102 (1994) 9, pages 451-454 is at for example, for testing workpieces, a method for loading described the transformation parameters makes use of the least square method.

Des weiteren ist aus der DE 195 00 338 C1 ein Verfahren zur Ermittlung der Transformationsparameter für die automatische Bildregistrierung bekannt, mit dem die für den Vorgang der Bildregistrierung notwendigen Transformationsparameter durch eindimensionale Korrelation von Projektionssignalen gefunden werden.Furthermore, DE 195 00 338 C1 describes a method for Determination of the transformation parameters for the automatic Known image registration, which is used for the process of Necessary registration parameters through image registration one-dimensional correlation of projection signals found become.

Nach einem ersten bekannten Verfahren läßt sich anhand der Koordinaten der an dem Objekt angeordneten Marken bezüglich des ersten Koordinatensystems bzw. der in dem Bild von dem Objekt abgebildeten Marken bezüglich des zweiten Koordinaten­ systems eine Information über die einander entsprechende Rei­ henfolge der an dem Objekt angeordneten Marken und der abge­ bildeten Marken dadurch finden, daß die Abstände der Marken bzw. der abgebildeten Marken voneinander ermittelt werden. Bildet man alle Permutationen aus den Marken 1 bis N bzw. den abgebildeten Marken 1 bis n und summiert die Abstände jeweils zu einer permutierten Folge auf, läßt sich aus allen Permuta­ tionen in dem jeweiligen Koordinatensystem diejenige heraus­ finden, welche bei entsprechender Verbindung der Marken die größte Summe der Abstände aufweist. Auf diese Weise kann die Reihenfolge der N Marken zu den abgebildeten n Marken eindeu­ tig zugeordnet werden, so daß anhand der Koordinaten der Mar­ ken bzw. der abgebildeten Marken in den jeweiligen Koordina­ tensystemen die Matrix A und der Verschiebungsvektor t be­ stimmt werden können.According to a first known method, the coordinates of the marks arranged on the object with respect to the first coordinate system or the marks depicted in the image of the object relating to the second coordinate system can be used to provide information about the corresponding sequence of the marks arranged on the object and find the imaged brands in that the distances between the brands or the imaged brands are determined from one another. If all permutations are formed from marks 1 to N or the marks 1 to n shown and the distances are summed up to form a permuted sequence, the permutations in the respective coordinate system can be used to find the one that connects the marks accordingly has the largest sum of the distances. In this way, the order of the N marks can be clearly assigned to the n marks shown, so that the matrix A and the displacement vector t can be determined based on the coordinates of the marks or the marks shown in the respective coordinate systems.

Als nachteilig erweist sich, daß bei einer größeren Anzahl von Marken die Zahl der Permutationen mit der Fakultät stark anwächst. Dies führt zu einer Erhöhung der Rechenzeit für die Ermittlung der einander entsprechenden Reihenfolgen der Mar­ ken, wodurch das Verfahren ineffektiv wird.It turns out to be disadvantageous that with a larger number of brands the number of permutations with the faculty strong grows. This leads to an increase in computing time for the Determination of the corresponding orders of the Mar ken, making the process ineffective.

In der EP 0 337 324 A2 ist im übrigen ein numerisches Verfah­ ren zur Bestimmung desjenigen Punktes einer Gruppe von Punk­ ten in einem zweidimensionalen Koordinatensystem beschrieben, welcher von einem Referenzpunkt den kleinsten Abstand auf­ weist.EP 0 337 324 A2 also uses a numerical method ren to determine that point of a group of punk described in a two-dimensional coordinate system, which is the smallest distance from a reference point has.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, durch das auch bei ei­ ner größeren Anzahl von Marken die Rechenzeit für die Zuord­ nung der an einem Objekt angeordneten Marken und der in einem Bild von dem Objekt abgebildeten Marken relativ zueinander nicht übermäßig anwächst.The invention is therefore based on the object of a method of the type mentioned at the beginning, by which also at ei a larger number of brands the computing time for the assignment of the marks arranged on an object and those in one Image of the object depicted marks relative to each other does not grow excessively.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Ver­ fahren zur Zuordnung von an einem Objekt angeordneten N Mar­ ken und in einem Bild von dem Objekt abgebildeten n Marken relativ zueinander mit N = n aufweisend folgende Verfahrens­ schritte:
According to the invention, this object is achieved by a method for assigning N marks arranged on an object and n marks depicted in an image of the object relative to one another with N = n, having the following method steps:

  • a) Ermittlung der Koordinaten der am Objekt angeordneten N Marken in einem ersten Koordinatensystem, a) Determination of the coordinates of the N arranged on the object Marks in a first coordinate system,  
  • b) Bestimmung eines ersten maximalen bzw. minimalen Abstandes zwischen zwei Marken aus allen Abständen der N Marken von­ einander,b) Determination of a first maximum or minimum distance between two brands from all distances of the N brands of each other,
  • c) Festlegung einer ersten Marke M1 als Startmarke aus einer der beiden den ersten maximalen bzw. minimalen Abstand voneinander aufweisenden Marken derart, daß der Abstand der Startmarke M1 zu einer zweiten Marke M2 der übrigen N- 2 Marken aus allen Abständen der beiden den ersten maxima­ len bzw. minimalen Abstand voneinander aufweisenden Marken zu den übrigen N-2 Marken maximal bzw. minimal ist,c) Definition of a first mark M 1 as a start mark from one of the two marks having the first maximum or minimum distance from one another such that the distance of the start mark M 1 from a second mark M 2 of the remaining N- 2 marks from all distances between the two the first maximum or minimum distance between the marks and the remaining N-2 marks is maximum or minimum,
  • d) sukzessive Bestimmung der Reihenfolge M3 bis MN der Marken aus den übrigen N-I Marken derart, daß der Abstand zwi­ schen der Marke MI und der Marke MI+1 der übrigen N-I Mar­ ken mit I = 2 bis N-1 aus allen Abständen der Marke MI zu den übrigen N-I Marken jeweils maximal bzw. minimal ist,d) successively determining the order M 3 to M N of the brands from the other NI brands in such a way that the distance between the brand M I and the brand M I + 1 of the other NI brands with I = 2 to N-1 all distances of the brand M I to the other NI brands is maximum or minimum,
  • e) Erfassung der Koordinaten der im Bild abgebildeten n Mar­ ken in einem zweiten Koordinatensystem, e) Detection of the coordinates of the n Mar shown in the picture ken in a second coordinate system,  
  • f) Festlegung der Reihenfolge der abgebildeten Marken ml bis mit unter entsprechender Anwendung der Verfahrensschritte b) bis d) auf die im Bild abgebildeten n Marken,f) Determining the order of the brands shown ml to with the appropriate application of the procedural steps b) to d) on the n brands shown in the picture,
  • g) Zuordnung der Reihenfolge der Marken M1 bis MN und der Reihenfolge der im Bild abgebildeten Marken m1 bis mn re­ lativ zueinander.g) Assignment of the order of the marks M 1 to M N and the order of the marks m 1 to m n shown in the image relative to each other.

In Anlehnung an das Verfahren von Dijkstra zur Berechnung der Länge des maximalen bzw. minimalen Weges von einer Startmarke zu allen anderen Marken eines gewichteten Graphen, wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem ersten Schritt in eindeutiger Weise eine Startmarke bestimmt. Die Entscheidung über die weitere Durchlaufrichtung durch die Marken, d. h. die Festlegung einer Reihenfolge der Marken, ausgehend von der Startmarke ist von den Abständen der Marken voneinander abhängig. Die Reihenfolge der Marken wird dabei nach dem Kri­ terium des jeweils maximalen bzw. minimalen Abstandes zweier Marken voneinander festgelegt, d. h. eine in die Reihenfolge aufzunehmende Marke muß zu der ihr vorausgehenden Marke aus allen noch nicht in die Reihenfolge einbezogenen Marken den maximalen bzw. minimalen Abstand von der ihr vorausgehenden Marke aufweisen. Auf diese Weise kann eindeutig und selbst bei einer großen Anzahl von Marken mit verhältnismäßig gerin­ gem Rechenaufwand sowohl die Reihenfolge der N an dem Objekt angeordneten Marken als auch die Reihenfolge der in dem Bild von dem Objekt abgebildeten n Marken ermittelt und in eindeu­ tiger Weise einander zugeordnet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren schafft somit die Voraussetzungen für eine schnelle und effektive Ermittlung der linearen Abbildungsparameter, sprich der Matrix A und des Verschiebungsvektors t, gemäß Gleichung (1).In line with Dijkstra's method for calculating the length of the maximum or minimum path from a starting mark to all other marks of a weighted graph, a starting mark is uniquely determined in a first step according to the method according to the invention. The decision about the further direction of passage through the brands, ie the determination of an order of the brands based on the starting brand, depends on the distances between the brands. The order of the brands is determined according to the criterion of the respective maximum or minimum distance between two brands, ie a brand to be included in the order must have the maximum or minimum distance from all brands not yet included in the order of the previous brand. In this way, both the order of the N marks arranged on the object and the order of the n marks depicted in the image of the object can be clearly determined, even in the case of a large number of marks with relatively little computational effort, and assigned to one another in a clear manner become. The method according to the invention thus creates the conditions for a quick and effective determination of the linear mapping parameters, that is to say the matrix A and the displacement vector t , in accordance with equation (1).

Das Verfahren ist insbesondere zum Einsatz in der Medizin vorgesehen. Ein besonders bevorzugter Einsatzbereich stellt die Navigation eines Instrumentes relativ zum Körper eines Patienten dar. Dabei ist ein Abbild des Instrumentes in das Bild von dem Patienten einblendbar und beispielsweise von ei­ nem Arzt mittels geeigneter Bedieneinrichtung, z. B. einem Joystick oder einem Trackball, in dem Bild verstellbar. Auf­ grund des mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ermit­ telten eindeutigen mathematischen Zusammenhangs zwischen der im Bild dargestellten virtuellen Situation und der realen am Patienten vorherrschenden Situation kann der Arzt eines oder auch mehrere medizinische Instrumente relativ zu dem Patien­ ten navigieren, d. h. Instrumente entsprechend der im Bild dargestellten Situation relativ zu einem Patienten orientie­ ren oder auch bestimmte operative Maßnahmen simulieren. Exem­ plarisch sei hier das Einstechen einer Punktiernadel in den Körper eines Patienten erwähnt. Anhand der Bildinformationen und der in das Bild eingeblendeten Punktiernadel kann der Arzt beispielsweise die geeignetste Einstichstelle an der Körperoberfläche des Patienten finden und die entsprechende durch die Koordinatentransformation festgelegte Stelle am Pa­ tientenkörper ermitteln. Die Bildinformationen können dabei in Form von 2D- oder vorzugsweise 3D-Bildern vom Patienten vorliegen, welche mit an sich bekannten Bildgebungssystemen ermittelbar und darstellbar sind.The method is particularly suitable for use in medicine intended. A particularly preferred area of application the navigation of an instrument relative to the body of a Patient. Here is an image of the instrument in the Image of the patient can be faded in and, for example, of egg  a doctor using a suitable control device, e.g. B. one Joystick or a trackball, adjustable in the picture. On reason of the with the help of the inventive method have a clear mathematical connection between the the virtual situation shown in the picture and the real am The patient's prevailing situation may be one or two also several medical instruments relative to the patient navigate, d. H. Instruments according to the one in the picture presented situation relative to a patient orientie or simulate certain operational measures. Exem The insertion of a puncturing needle into the A patient's body mentioned. Based on the image information and the puncture needle shown in the picture can be For example, the most suitable puncture site at the doctor Find the patient's body surface and the corresponding one position determined by the coordinate transformation on the Pa determine client body. The image information can in the form of 2D or preferably 3D images of the patient are present, which have imaging systems known per se can be determined and displayed.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beigefügten schematischen Zeichnung dargestellt, welche exemplarisch das Verfahren der Zuordnung der Reihenfolge von Marken eines Sy­ stems A und in einem Bild abgebildeten Marken eines Systems B relativ zueinander zeigt.An embodiment of the invention is in the accompanying schematic drawing, which is exemplary Method of assigning the order of marks of a sy stems A and marks of a system B shown in an image shows relative to each other.

Das System A umfaßt einen in der Figur nur schematisch ange­ deuteten Patienten P, welcher mit N = 8 Marken versehen ist. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels befinden sich die Marken 1 bis 8 auf der Körperoberfläche des Patienten P. Die Marken 1 bis 8 müssen sich jedoch nicht notwendigerweise auf der Körperoberfläche des Patienten P befinden, sondern können auch im Körper des Patienten P in geeigneter Weise an­ geordnet sein. The system A includes one in the figure only schematically indicated patient P, which is provided with N = 8 marks. In the case of the present embodiment there are marks 1 to 8 on the body surface of patient P. The brands 1 to 8 do not necessarily have to located on the body surface of the patient P, but can also in the body of the patient P in a suitable manner be ordered.  

Das System B umfaßt eine Anzeigeeinrichtung 10, auf der ein 3D-Volumenbild des Patienten P anzeigbar ist. Zur Gewinnung des 3D-Volumenbildes können an sich bekannte Bildgebungssy­ steme, wie Röntgensysteme, MR-Systeme, Ultraschallsysteme etc. zum Einsatz kommen. Die am Patienten P angeordneten acht Marken sind derart ausgeführt, daß sie in Abhängigkeit von dem verwendeten Bildgebungssystem als Kontrastpunkte, d. h. als n = 8' Abbilder der Marken 1 bis 8, in dem auf der Anzei­ geeinrichtung 10 dargestellten 3D-Volumenbild des Patienten P erscheinen. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist aus Gründen der Übersichtlichkeit auf eine Darstellung von Details aus dem Körperinneren des Patienten P des auf der Anzeigeeinrichtung 10 dargestellten 3D-Volumenbildes verzich­ tet worden. Vielmehr sind zur Erläuterung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens nur die in dem 3D-Volumenbild abgebildeten Marken 1' bis 8' dargestellt.The system B comprises a display device 10 on which a 3D volume image of the patient P can be displayed. Known imaging systems, such as X-ray systems, MR systems, ultrasound systems, etc., can be used to obtain the 3D volume image. The eight marks arranged on the patient P are designed such that they appear as contrast points, ie as n = 8 'images of the marks 1 to 8, in the 3D volume image of the patient P shown on the display device 10 as a function of the imaging system used . In the case of the present exemplary embodiment, for the sake of clarity, details of the interior of the patient P of the 3D volume image shown on the display device 10 have been omitted. Rather, only the marks 1 'to 8' shown in the 3D volume image are shown to explain the method according to the invention.

Um die Abbildung der Marken des Systems A auf die Marken des Systems B und umgekehrt mit der Gleichung (1) beschreiben zu können, ist die Kenntnis erforderlich, welche in dem 3D- Volumenbild abgebildete Marke des Systems B welcher Marke in dem System A entspricht.To map the marks of system A to the marks of Systems B and vice versa with equation (1) knowledge is required, which in the 3D Volume image shown brand of system B which brand in corresponds to system A.

Erfindungsgemäß werden hierzu die Koordinaten der an dem Pa­ tienten P angeordneten, willkürlich numerierten Marken 1 bis 8 in dem System A bezüglich eines ersten, dem System A einbe­ schriebenen Koordinatensystems K1 ermittelt. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels handelt es beim dem Koordi­ natensystem um ein kartesisches Koordinatensystem, was jedoch nicht zwingend ist. Anhand der Koordinaten der Marken 1 bis 8 werden alle Abstände, welche die Marken 1 bis 8 voneinander aufweisen, berechnet und aus den Abständen ein erster maxima­ ler Abstand Dmax zwischen zwei der acht Marken bestimmt. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels weisen die Marken 1 und 7 den in der Figur mit gestrichelter Linie angedeuteten maximalen Abstand Dmax der acht Marken voneinander auf. Zur Festlegung einer der beiden Marken 1 bzw. 7 als eindeutige Startmarke M1 für die Festlegung der Reihenfolge der Marken 1 bis 8 wird aus den Abständen der beiden Marken 1 und 7 zu den übrigen sechs Marken 2, 3, 4, 5, 6 und 8 der maximale Abstand bestimmt. Da der Abstand der Marke 1 zu einer der übrigen sechs Marken, nämlich der Marke 8, größer ist als der Abstand der Marke 7 zu einer der übrigen sechs Marken, wird die Marke 1 als Startmarke M1 und die Marke 8 als zweite Marke M2 der Reihenfolge der acht Marken des Systems A festgelegt.According to the invention, the coordinates of the arbitrarily numbered marks 1 to 8 arranged on the patient P are determined in the system A with respect to a first, the system A inscribed coordinate system K1. In the case of the present exemplary embodiment, the coordinate system is a Cartesian coordinate system, but this is not mandatory. Using the coordinates of the marks 1 to 8, all distances that the marks 1 to 8 have from each other are calculated and a first maximum distance D max between two of the eight marks is determined from the distances. In the case of the present exemplary embodiment, the marks 1 and 7 have the maximum distance D max of the eight marks from one another, indicated by the broken line in the figure. To define one of the two marks 1 and 7 as a clear starting mark M 1 for determining the order of the marks 1 to 8, the distances between the two marks 1 and 7 from the other six marks 2, 3, 4, 5, 6 and 8 determines the maximum distance. Since the distance between brand 1 and one of the remaining six brands, namely brand 8, is greater than the distance between brand 7 and one of the other six brands, brand 1 becomes the starting brand M 1 and brand 8 the second brand M 2 the order of the eight marks of system A.

Ausgehend von der Marke 8 als zweite Marke M2 der Reihenfolge der Marken des Systems A wird der maximale Abstand zu einer der übrigen, bisher noch nicht in die Reihenfolge der Marken eingefügten sechs Marken 2, 3, 4, 5, 6 und 7 gesucht. Im Fal­ le des vorliegenden Ausführungsbeispiels weist die Marke 4 den größten Abstand von der Marke 8 auf und wird somit als Marke M3 in die Reihenfolge der Marken des Systems A aufge­ nommen. Von der Marke 4 wiederum weist die Marke 2 den größ­ ten Abstand auf und wird als Marke M4 in die Reihenfolge der Marken aufgenommen. Auf diese Weise wird sukzessiv die Rei­ henfolge der Marken 1 bis 8 des Systems A bestimmt und wie folgt
Starting from the mark 8 as the second mark M 2 in the order of the marks of the system A, the search is made for the maximum distance from one of the other six marks 2, 3, 4, 5, 6 and 7 which have not yet been added to the order of the marks. In the case of the present exemplary embodiment, the mark 4 has the greatest distance from the mark 8 and is therefore taken up as the mark M 3 in the order of the marks of the system A. From brand 4, brand 2 has the greatest distance and is included as brand M 4 in the order of the brands. In this way, the order of marks 1 to 8 of system A is successively determined and as follows

(M1, . . ., M8) = (1, 8, 4, 2, 5, 6, 3, 7)
(M 1 ,..., M 8 ) = (1, 8, 4, 2, 5, 6, 3, 7)

zusammengefaßt.summarized.

In gleicher Weise werden in dem System B die Koordinaten der in dem 3D-Volumenbild n = 8 abgebildeten, willkürlich nume­ rierten Marken 1' bis 8' bezüglich eines zweiten im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels kartesischen Koordina­ tensystems K2 ermittelt und die Abstände der abgebildeten Marken 1' bis 8' voneinander berechnet. Die abgebildeten Mar­ ken 3' und 7' weisen den größten, mit in der Figur strichlierter Linie angedeuteten Abstand dmax voneinander auf, wobei die abgebildete Marke 3' als Startmarke ml ausgewählt wird, da sie zu der Marke 4' der übrigen sechs Marken 1', 2', 4', 5', 6' und 8' des Systems B einen Abstand aufweist, wel­ cher größer ist als jeder Abstand den die Marke 7' zu einer der sechs übrigen Marken 1', 2', 4', 5', 6' und 8' aufweist. Die Marke 4' ist demnach die zweite Marke m2 in der Reihen­ folge der abgebildeten acht Marken des Systems B. In der zu­ vor für das System A beschriebenen Weise wird auch für das System B sukzessive die Reihenfolge der abgebildeten Marken ermittelt und wie folgt
In the same way, in system B the coordinates of the arbitrarily numbered marks 1 'to 8' shown in the 3D volume image n = 8 are determined with respect to a second Cartesian coordinate system K2 in the case of the present exemplary embodiment, and the distances between the shown marks 1 'to 8' calculated from each other. The brands 3 'and 7' shown have the greatest distance d max from one another, indicated by the broken line in the figure, the brand 3 'shown being selected as the starting mark ml, since it corresponds to the brand 4' of the remaining six brands 1 ', 2', 4 ', 5', 6 'and 8' of the system B is at a distance which is greater than any distance between the mark 7 'and one of the six remaining marks 1', 2 ', 4', 5 ', 6' and 8 '. The mark 4 'is accordingly the second mark m 2 in the sequence of the eight marks of the system B shown. In the manner previously described for the system A, the order of the marks shown is also successively determined for the system B and as follows

(m1, . . ., m8) = (3', 4', 5', 1', 8', 2', 6', 7')
(m 1 ,..., m 8 ) = (3 ', 4', 5 ', 1', 8 ', 2', 6 ', 7')

zusammengefaßt.summarized.

Auf diese Weise erhält man eine eindeutige Zuordnung der Mar­ ken 1 bis 8 des Systems A zu den in dem 3D-Volumenbild des Systems B abgebildeten Marken 1' bis 8'. Die Zuordnung beruht dabei auf der eindeutigen Festlegung einer Startmarke M1 bzw. ml in den beiden Systemen und der sukzessiven Ermittlung der maximalen Abstände der Marken voneinander beim Durchlaufen der Marken in dem jeweiligen System.In this way, one obtains an unambiguous assignment of marks 1 to 8 of system A to the marks 1 'to 8' depicted in the 3D volume image of system B. The assignment is based on the clear definition of a starting mark M 1 or ml in the two systems and the successive determination of the maximum spacing of the marks from one another as the marks pass through the respective system.

Damit das Verfahren fehlerfrei abläuft, sind die 8 Marken an dem Patienten P so anzuordnen, daß die Abstände zwischen den Marken möglichst unterschiedlich lang sind. In der Praxis treten aufgrund der Diskretisierung der Marken gleiche Ab­ stände zwischen Marken nur sehr selten auf, so daß in der Re­ gel unterschiedliche Abstände zwischen den Marken vorliegen. Sollten dennoch die Abstände zwischen einzelnen Marken iden­ tisch sein, wodurch der Ablauf des Verfahrens beeinträchtigt würde, so sind die entsprechenden Marken leicht zu verschie­ ben, um eindeutige Verhältnisse zu schaffen.The 8 brands are on so that the process runs without errors to arrange the patient P so that the distances between the Brands are as different as possible. In practice cede the same due to the discretization of the brands was very rare between brands, so that in the Re there are different distances between the brands. However, the distances between individual brands should be the same be table, which affects the flow of the procedure the respective brands are easy to differentiate ben to create clear relationships.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels wurden die ma­ ximalen Abstände zwischen den Marken herangezogen, um in ein­ deutiger Weise die Reihenfolgen der Marken der beiden Systeme A und B festzulegen. Das Verfahren führt jedoch auch zum Ziel, wenn anstelle der maximalen Abstände zwischen den Mar­ ken die minimalen Abstände bestimmt und somit die Reihenfolge der Marken in den Systemen A und B jeweils nach den minimalen Abständen festgelegt werden. In the case of the present exemplary embodiment, the ma ximal distances between the marks used to in one clearly the order of the brands of the two systems A and B. However, the procedure also leads to Goal if instead of the maximum distances between the Mar The minimum distances are determined and thus the order of marks in systems A and B according to the minimum Intervals can be set.  

Ist die eindeutige Zuordnung der Reihenfolgen der Marken in den Systemen A und B erfolgt, können in an sich bekannter Weise die Matrix A und der Verschiebungsvektor t der Glei­ chung (1) ermittelt werden. Auf diese Weise erhält man eine Vorschrift, die es ermöglicht, Punkte des einen Systems in Punkte des anderen Systems umzurechnen.Once the order of the marks has been clearly assigned in the systems A and B, the matrix A and the displacement vector t of the equation (1) can be determined in a manner known per se. In this way, a rule is obtained that makes it possible to convert points from one system into points from the other system.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Me­ dizin, insbesondere zur Navigation eines medizinischen In­ strumentes relativ zum Körper eines Patienten vorgesehen. Da­ bei kann ein Arzt das 3D-Volumenbild des Patienten P, welches von einem Bildrechner des Bildgebungssystems auf der Anzeige­ einrichtung 10 dargestellt wird, mittels an sich bekannter Bedieneinrichtungen, z. B. einem Joystick oder einem Track­ ball, in seiner Lage verändern und beispielsweise Abbilder von medizinischen Instrumenten, welche er an dem Patienten zum Einsatz bringen möchte, einblenden. Die Darstellung des Patienten in Form eines 3D-Volumenbildes bietet ihm die Mög­ lichkeit, beispielsweise den optimalen Ansatzpunkt eines In­ strumentes für einen operativen Eingriff, z. B. die optimale Ansatzstelle einer Punktiernadel relativ zur Körperoberfläche des Patienten zu finden und entsprechend dem zu punktierenden Organ zu orientieren. Mit Hilfe der gewonnen Abbildungsvor­ schrift erhält er die Koordinaten und die Orientierung des Instrumentes, wie es für den optimalen Eingriff am Patienten P im System A ansetzen muß.The method according to the invention is used in medicine, in particular for navigating a medical instrument relative to a patient's body. Since a doctor can view the 3D volume image of the patient P, which is displayed by an image computer of the imaging system on the display device 10 , by means of control devices known per se, e.g. B. a joystick or a track ball, change its position and, for example, show images of medical instruments that he wants to use on the patient. The representation of the patient in the form of a 3D volume image offers him the opportunity, for example the optimal starting point of an instrument for a surgical intervention, e.g. B. to find the optimal starting point of a puncturing needle relative to the patient's body surface and to orientate it according to the organ to be punctured. With the help of the illustration obtained, he receives the coordinates and the orientation of the instrument as it has to start for the optimal intervention on the patient P in system A.

Claims (2)

1. Verfahren zur Zuordnung von an einem Objekt (P) angeord­ neten N Marken und in einem Bild von dem Objekt (P) abge­ bildeten n Marken relativ zueinander mit N = n aufweisend folgende Verfahrensschritte:
  • a) Ermittlung der Koordinaten der am Objekt (P) angeordneten N Marken in einem ersten Koordinatensystem (K1),
  • b) Bestimmung eines ersten maximalen bzw. minimalen Abstan­ des (Dmax) zwischen zwei Marken aus allen Abständen der N Marken voneinander,
  • c) Festlegung einer ersten Marke M1 als Startmarke aus einer der beiden den ersten maximalen bzw. minimalen Abstand (Dmax) voneinander aufweisenden Marken derart, daß der Ab­ stand der Startmarke M1 zu einer zweiten Marke M2 der üb­ rigen N-2 Marken aus allen Abständen der beiden den er­ sten maximalen bzw. minimalen Abstand (Dmax) voneinander aufweisenden Marken zu den übrigen N-2 Marken maximal bzw. minimal ist,
  • d) sukzessive Bestimmung der Reihenfolge M3 bis MN der Marken aus den übrigen N-I Marken derart, daß der Abstand zwi­ schen der Marke MI und der Marke MI+1 der übrigen N-I Mar­ ken mit I = 2 bis N-1 aus allen Abständen der Marke MI zu den übrigen N-I Marken jeweils maximal bzw. minimal ist,
  • e) Erfassung der Koordinaten der im Bild abgebildeten n Mar­ ken in einem zweiten Koordinatensystem (K2),
  • f) Festlegung der Reihenfolge der abgebildeten Marken m1 bis mn unter entsprechender Anwendung der Verfahrensschritte b) bis d) auf die im Bild abgebildeten n Marken,
  • g) Zuordnung der Reihenfolge der Marken M1 bis MN und der Reihenfolge der im Bild abgebildeten Marken m1 bis mn re­ lativ zueinander.
1. Method for assigning N marks arranged on an object (P) and n marks depicted in an image of the object (P) relative to one another with N = n, comprising the following method steps:
  • a) determining the coordinates of the N marks arranged on the object (P) in a first coordinate system (K1),
  • b) determining a first maximum or minimum distance (D max ) between two marks from all distances of the N marks from one another,
  • c) Determination of a first mark M 1 as a start mark from one of the two marks having the first maximum or minimum distance (D max ) from one another in such a way that the start mark M 1 stood for a second mark M 2 of the usual N-2 Marks from all distances of the two marks having the first maximum or minimum distance (D max ) from one another to the remaining N-2 marks is maximum or minimum,
  • d) successively determining the order M 3 to M N of the brands from the other NI brands in such a way that the distance between the brand M I and the brand M I + 1 of the other NI brands with I = 2 to N-1 all distances of the brand M I to the other NI brands is maximum or minimum,
  • e) detection of the coordinates of the n marks shown in the image in a second coordinate system (K2),
  • f) determining the sequence of the marks m 1 to m n depicted using the process steps b) to d) correspondingly to the n marks depicted in the picture,
  • g) Assignment of the order of the marks M 1 to M N and the order of the marks m 1 to m n shown in the image relative to each other.
2. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Navigation eines medizinischen Instrumentes relativ zum Körper eines Pa­ tienten (P), dessen Abbild in das Bild von Patienten (P) ein­ blendbar ist.2. Use of the method according to claim 1 for navigation of a medical instrument relative to the body of a pa tients (P), whose image in the image of patients (P) is dazzling.
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