DE212012000054U1

DE212012000054U1 - Geräte, Aufbau, Schaltungen und Systeme zum Beurteilen, Einschätzen und/oder Bestimmen relativer Positionen, Ausrichtungen, Orientierungen und Rotationswinkel eines Teils eines Knochens und zwischen zwei oder mehreren Teilen eines oder mehrerer Knochen

Info

Publication number: DE212012000054U1
Application number: DE212012000054U
Authority: DE
Original assignee: SURGIX Ltd
Current assignee: ORTHOPEDIC NAVIGATION LTD., IL
Priority date: 2011-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2013-11-29
Anticipated expiration: 2022-02-16
Also published as: WO2012110966A1; US20130322726A1

Abstract

System zum Bestimmen dreidimensionaler Positionen von Punkten in radiografischen Bildern, umfassend: – ein radiografisches Bildgerät zum Erstellen zweidimensionaler Bilder eines ersten anatomischen Elements von einer Person aus wenigstens zwei unterschiedlichen Winkeln; – ein Bezugsobjekt mit in einem radiografischen Bild sichtbaren Bezugsmarkierungen, wobei die Bezugsmarkierungen voneinander basierend auf einem sichtbaren Kennzeichen unterscheidbar sind und bekannte oder ermittelbare geometrische Kennzeichen und räumliche Verhältnisse zwischen ihnen aufweisen, wobei das Objekt so gestaltet ist, dass es in der Nähe des ersten anatomischen Elements derart angeordnet wird, dass wenigstens eine Bezugsmarkierung des Objektes in einem Sichtfeld von jedem der aus zwei oder mehreren Winkeln aufgenommenen zweidimensionalen Bilder erscheinen wird; und – Bildverarbeitungsschaltung zum Hochrechnen einer dreidimensionalen Position, im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt, eines ersten Punktes an dem anatomischen Element, wobei der erste Punkt in wenigstens zwei durch das Bildgerät aus unterschiedlichen Winkeln erstellten Bildern sichtbar ist, wobei das Hochrechnen ein geometrisches Kennzeichen von Projektionen der in einem Sichtfeld der wenigstens zwei Bilder erscheinenden Bezugsmarkierung berücksichtigt.

Description

Inanspruchnahme von Priorität
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität aus:
US Patentanmeldung Nr. 61/442.845 mit dem Titel „Verfahren, Schaltungen, Geräte und Systeme zum Beurteilen, Einschätzen und/oder Bestimmen relativer Abstände, Ausrichtung, Orientierung und Rotationswinkel zwischen zwei oder mehreren Teilen eines Knochens”, eingereicht vom Erfinder der vorliegenden Erfindung am 15.02.2011, die hierdurch in der vorliegenden Beschreibung in ihrer Gesamtheit enthalten ist,
und
US Patenanmeldung Nr. 61/487.360 mit dem Titel „Verfahren, Gerät, Aufbau, Schaltungen und System zum Beurteilen, Einschätzen und/oder Bestimmen relativer Abstände, Ausrichtung, Orientierung und Rotationswinkel zwischen zwei oder mehreren Teilen eines Knochens”, eingereicht vom Erfinder der vorliegenden Erfindung am 18.05.2011, die hierdurch in der vorliegenden Beschreibung in ihrer Gesamtheit enthalten ist.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet von auf Strahlung basierender Abbildung. Spezieller betrifft die Erfindung Geräte, Aufbau, Schaltungen und Systeme zum Beurteilen, Einschätzen und/oder Bestimmen relativer Abstände/Positionen, Ausrichtung, Orientierung und Rotationswinkel eines Teils eines Knochens und zwischen zwei oder mehreren Teilen eines oder mehrerer Knochen.
Hintergrund
Fluoroskopische Röntgenbilder spielen eine Schlüsselrolle in einer Vielfalt von chirurgischen Verfahren wie Frakturreposition und -fixierung, Einführung einer Pedikelschraube und das Positionieren von Implantaten zur Behandlung von Hüftfrakturen, um nur einige zu nennen.
Der Chirurg nutzt ein mobiles fluoroskopisches Röntgengerät (nachfolgend: „C-Bogen” genannt) im Operationsraum (nachfolgend OP genannt), um Position und Orientierung von Knochen, Implantaten und chirurgischen Instrumenten zu bestimmen. Fluoroskopische Röntgeninstrumente haben verschieden Einschränkungen, von denen eine ein enges Sichtfeld (nachfolgend FOV von „Field of View” genannt) ist. Dieses enge FOV macht die Abbildung eines großen Interessenbereiches (nachfolgend ROI von „Region of Interest” genannt) z. B. im Fall der Anordnung von langen Knochen und/oder Implantaten schwierig bis unmöglich.
Informationen von besonderem Interesse und Bedeutung für Chirurgen während der Verfahren einschließlich der chirurgischen Befestigung gebrochener Knochen sind die relativen Positionen und die relativen Orientierungen von Endteilen des gebrochenen Knochens. Das von einem C-Bogen bereitgestellte enge Blickfeld bietet jedoch für einen Chirurgen keine ausreichenden Informationen, um relative Position, Abstand, Ausrichtung, Orientierung und/oder Rotationswinkel zwischen zwei oder mehreren Teilen eines gebrochenen Knochens wie einem Oberschenkelknochen zu bestimmen.
Demzufolge gibt es auf dem Gebiet der medizinischen Darstellung einen Bedarf für verbesserte Verfahren, Schaltungen, Geräte und Systeme zum Beurteilen, Einschätzen und/oder Bestimmen relativer Abstände, Ausrichtung, Orientierung und Rotationswinkel zwischen zwei oder mehreren Teilen eines oder mehrerer Knochen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung umfasst Geräte, Aufbau, Schaltungen und Systeme zum Beurteilen, Einschätzen und/oder Bestimmen relativer Abstände/Positionen, Ausrichtung, Orientierung und Rotationswinkel eines Teils eines Knochens und/oder zwischen zwei oder mehreren Teilen eines Knochens (z. B. eines gebrochenen Knochens). Nach einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Bezugsobjekt wie ein Rastergitter bereitgestellt werden, wobei das Objekt innerhalb eines Sichtfeldes eines Knochen-Bildgerätes (z. B. Röntgengerät oder Fluoroskop) angeordnet sein kann und dabei Bilder eines Knochenbereiches einer Person möglicherweise aus einem oder mehreren unterschiedlichen Perspektiven/Winkeln erstellt werden. Das Bezugsobjekt kann einen Satz aus gemusterten Strukturen und/oder Formen (auch als Gitterelemente bezeichnet) enthalten, der durch ein Knochenbildgerät (z. B. in einem Röntgenbild sichtbar) nachweisbar ist, deren Form, Größe und/oder Positionen (relative oder absolute) in einem durch das Objekt definierten Bezugsrahmen (z. B. Koordinatensatz/-bereich) durch ein Bildbearbeitungssystem erkennbar sein kann.
Nach weiteren Ausführungsformen können ein oder mehrere Bilder eines ersten, möglicherweise aus unterschiedlichen Perspektiven, Ansichten oder Winkeln aufgenommen Knochenbereiches für ein Bildverarbeitungssystem bereitgestellt und von ihm analysiert werden. Das System kann: (1) Gitterelemente im Sichtfeld von (darin vorhandenen) beiden Bildern oder einem Einzelbild erkennen, (2) den Abstand und/oder die Ausrichtung der Gitterelemente relativ zum Bildgerät und/oder relativ zu einem anderen Bezugsrahmen bestimmen und (3) eine Position (z. B. 3D Koordinaten) von einem oder mehreren Punkten des Knochens im ersten Knochenbereich einschätzen. Die Positionseinschätzung kann eine relative Position in einem Bezugsrahmen sein, der durch einen Bezugsrahmen eines Gitters/Objektes oder anderweitig darauf bezogen definiert ist.
Nach weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können ein oder mehrere Bilder eines zweiten, möglicherweise aus unterschiedlichen Perspektiven, Ansichten oder Winkeln aufgenommen Knochenbereiches für ein Bildverarbeitungssystem bereitgestellt und von ihm analysiert werden. Das System kann: (1) Gitter-/Objektelemente im Sichtfeld von (darin vorhandenen) beiden Bildern erkennen, (2) den Abstand und/oder die Orientierung der Gitterelemente relativ zum Bildgerät und/oder relativ zu einem anderen Bezugsrahmen bestimmen und (3) eine Position von einem oder mehreren Punkten (automatisch erkannt oder vom Nutzer angegeben) an dem Knochen im zweiten Knochenbereich einschätzen. Die Positionseinschätzung kann eine relative Position in einem Bezugsrahmen sein, der durch einen Bezugsrahmen des Gitters/Objektes oder anderweitig darauf bezogen definiert ist.
Nach weiteren Ausführungsformen kann das Abbilden des ersten und des zweiten Knochenbereichs mittels des gleichen Gitters vorgenommen werden, wobei das Gitter während des Abbildens beider Bereiche unbeweglich oder in einer angemessenen Weise beweglich sein kann. Der erste und der zweite Knochenbereich können außerdem während und zwischen dem Abbilden beider Knochenbereiche im Wesentlichen fixiert gehalten werden. Demgemäß kann das Bildverarbeitungssystem nach dem Einschätzen der Position (z. B. der Koordinaten) und/oder der Orientierung im gleichen Bezugsrahmen von einem oder mehreren Punkten in jedem der zwei Knochenbereiche einen Abstand zwischen Punkten in jedem der zwei Knochenbereiche einschätzen.
Nach weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann im Verhältnis zum Bezugskoordinatenrahmen die 3D Position von zwei oder mehreren Punkten an jedem der zwei oder mehreren Knochenbereiche bestimmt werden. Basierend auf der relativen Position von zwei oder mehreren Punkten an jedem der zwei oder mehreren Knochenbereiche kann im Verhältnis zum Bezugsrahmen eine Ausrichtung von jedem der Knochenbereiche bestimmt werden. Auf der Basis der Ausrichtung von jedem der Knochenbereiche im Verhältnis zum Bezugsrahmen kann eine Ausrichtung zwischen zwei oder mehreren Knochenbereichen bestimmt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Der als Erfindung angesehene Gegenstand wird im abschließenden Teil der Beschreibung besonders betont und eindeutig beansprucht. Die Erfindung jedoch kann gemeinsam mit deren Aufgaben, Merkmalen und Vorteilen am besten mit Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung verstanden werden, wenn sie mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird, in denen zeigen:
1 einen Ablaufplan, der beispielhafte Schritte von Verarbeitungsverfahren einer beispielhaften Abbildung und eines Bildverarbeitungssystems zum Beurteilen, Einschätzen und/oder Bestimmen von relativen Abständen/Positionen, Ausrichtung, Orientierung und Rotationswinkel eines Teils eines Knochens und zwischen zwei oder mehreren Teilen eines oder mehrerer Knochen, alle gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, enthält.
1A eine Alternative eines letzten Teils des Ablaufplans in 1, die beispielhafte Schritte von Verarbeitungsverfahren einer beispielhaften Abbildung und eines Bildverarbeitungssystems zum Beurteilen, Einschätzen und/oder Bestimmen relativer Abstände/Positionen zwischen zwei oder mehreren Punkten an Teilen eines oder mehrerer Knochen, alle gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, enthält.
1B eine Alternative eines letzten Teils des Ablaufplans in 1, die beispielhafte Schritte von Verarbeitungsverfahren einer beispielhaften Abbildung und eines Bildverarbeitungssystems zum Beurteilen, Einschätzen und/oder Bestimmen relativer Positionen, Ausrichtung, Orientierung und Rotationswinkel zwischen zwei oder mehreren Teilen eines oder mehrerer Knochen, alle gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, enthält.
2 eine Darstellung eines beispielhaften Bezugsobjektes [100] (in diesem Fall ein Gitter), das beispielhafte unterscheidbare Bezugsmarkierungen, alle gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, enthält;
3 eine Darstellung eines beispielhaften, eine beispielhafte Bildfolge durchführenden Abbildungssystems, das die Erstellung von zwei Bildern eines gemeinsamen Knochenteils (eines Knies) und ein Bezugsobjekt aus unterschiedlichen Winkeln enthält, während der Patient und das Bezugsobjekt unbeweglich bleiben, alle gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In der Darstellung ist das Bein des Patienten [306] über der Patientenaufnahme [301] dargestellt, wobei das Bezugsobjekt [100] dazwischen angeordnet ist. Das Abbildungssystem ist in zwei unterschiedlichen Abbildungspositionen [304 & 305] dargestellt.
3A–3C beispielhafte Röntgenbilder, die durch ein beispielhaftes, eine beispielhafte Bildfolge durchführendes Abbildungssystem, wie ausführlich in 3 dargestellt, erstellt werden und die Markierung eines Punktes an einem Knochenteil enthalten, alle gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wobei:
3A zwei Röntgenbilder enthält, die durch ein beispielhaftes, eine beispielhafte Bildfolge durchführendes Abbildungssystem, wie ausführlich in 3 dargestellt, erstellt werden und die Markierung eines Punktes an dem Knochenteil in jedem Bild (in rot) und des Weiteren eine Leitlinie (rot punktierte Linie) enthalten, die durch die Bildbearbeitungsschaltung eingeführt werden, um bei der Markierung des Punktes im zweiten Bild zu helfen;
3B–3C Vergrößerungen der in 3A gezeigten Röntgenbilder;
4 eine Darstellung eines beispielhaften, zwei beispielhafte Bildfolgen durchführenden Abbildungssystems, wobei eine Folge die Erstellung von zwei Bildern eines ersten Knochenteils (eines Knies) aus unterschiedlichen Winkeln und die zweite Folge die Erstellung von zwei Bildern eines zweiten Knochenteils (einer Hüfte) aus unterschiedlichen Winkeln enthält und wobei der Patient und das Bezugsobjekt während der gesamten Durchführung beider Abfolgen unbeweglich bleiben, alle gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In der Darstellung ist das Bein des Patienten [406] über der Patientenaufnahme [301] dargestellt, wobei das Bezugsobjekt [100] dazwischen angeordnet ist. Das Abbildungssystem ist in vier unterschiedlichen Abbildungspositionen dargestellt, zwei von der Hüfte [404 und 405] und zwei vom Knie [402 und 403].
4A–4F beispielhafte Röntgenbilder, die durch ein beispielhaftes, eine beispielhafte Bildfolge durchführendes Abbildungssystem, wie ausführlich in 4 dargestellt, erstellt werden und die Markierung eines Punktes an dem Knochenteil enthalten, alle gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wobei:
4A zwei Röntgenbilder enthält, die durch ein beispielhaftes, eine beispielhafte Bildfolge durchführendes Abbildungssystem, wie ausführlich in 3 dargestellt, erstellt werden und die Markierung eines Punktes an dem Knochenteil in jedem Bild (in rot) und des Weiteren eine Leitlinie (rot punktierte Linie) enthalten, die durch eine Bildbearbeitungsschaltung eingeführt werden, um bei der Markierung des Punktes im zweiten und vierten Bild zu helfen;
4A–4F Vergrößerungen der in 4A gezeigten Röntgenbilder, wobei 4E eine Modifikation von 4D ist, die für veranschaulichende Zwecke hinzugefügte fette Gitterlinien enthält;
5 eine Darstellung eines beispielhaften Verfahrens zur Bestimmung der 3D Position eines Punktes an einem Knochenteil basierend auf zwei Bildern aus zwei unterschiedlichen Winkeln, die von dem Knochenteil und einem Bezugsobjekt erstellt wurden, alle gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In der Darstellung sind die bestimmte Position und der Winkel der Abbildungsvorrichtung zum Zeitpunkt der Erfassung von zwei unterschiedlichen Bildern markiert [501 & 502]; und
6 ein Blockschema einer beispielhaften Abbildung und eines Bildverarbeitungssystems zum Beurteilen, Einschätzen und/oder Bestimmen von relativen Abständen/Positionen, Ausrichtung, Orientierung und Rotationswinkel eines Teils eines Knochens und zwischen zwei oder mehreren Teilen eines oder mehrerer Knochen, alle gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Es wird ersichtlich, dass der Einfachheit und Klarheit der Darstellungen halber die in den Figuren gezeigten Elemente nicht unbedingt maßstabgerecht gezeichnet wurden. Zum Beispiel können die Maße einiger der Elemente der Klarheit halber gegenüber anderen Elementen übertrieben dargestellt sein. Des Weiteren können, wo es angemessen erscheint, Bezugszahlen in den Figuren wiederholt werden, um entsprechende oder sinngemäße Elemente zu kennzeichnen.
Es sollte selbstverständlich sein, dass die begleitenden Zeichnungen lediglich dargestellt sind, um die folgende ausführliche Beschreibung zu verdeutlichen, daher im Wesen beispielhaft sind und nicht alle möglichen Umsetzungen der vorliegenden Erfindung beinhalten.
Ausführliche Beschreibung
Die folgende Beschreibung wird vorgelegt, um dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu nutzen und wird im Zusammenhang mit besonderen Anwendungen der Erfindung und ihren Anforderungen bereitgestellt. Verschiedene Modifikationen der offenbarten Ausführungsformen erschließen sich ohne weiteres dem Fachmann, wobei die hier definierten allgemeinen Grundsätze auf weitere Ausführungsformen und Anwendungen angewandt werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Damit soll die vorliegende Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsformen begrenzt sein, sondern soll dem weitesten Umfang entsprechen, der mit den hier offenbarten Grundsätzen und Merkmalen in Einklang steht.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung werden zahlreiche spezielle Einzelheiten dargelegt, um ein genaues Verständnis der Erfindung bereitzustellen. Der Fachmann wird jedoch verstehen, dass die vorliegende Erfindung ohne diese speziellen Einzelheiten praktiziert werden kann. Bei weiteren Beispielen wurden bekannte Verfahren, Behandlungsmethoden, Komponenten und Schaltungen nicht ausführlich beschrieben, um die vorliegende Erfindung nicht unverständlich zu machen.
Wenn nicht anderweitig speziell angegeben, wird man, wie es anhand der folgenden Erörterung deutlich wird, verstehen, dass in der gesamten Beschreibung Begriffe wie „Verarbeiten”, „Rechnen”, „Kalkulieren”, „Bestimmen” oder dergleichen nutzende Erörterungen, sich auf Handlungen und/oder Abläufe eines Computers oder Computersystems oder ähnlicher elektronischer Rechengeräte einschließlich Mobiltelefone oder beliebiger mobiler Geräte beziehen, die als physikalische wie elektronische Größen dargestellte Daten im Register und/oder Speicher eines Computersystems manipulieren und/oder in andere Daten umwandeln, die ähnlich als physikalische Größen innerhalb von Speichern, Registern oder anderen derartigen Informationsspeicher-, Übertragungs- oder -Anzeigegeräten des Rechensystems dargestellt sind.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können Geräte zur Durchführung der Abläufe hierin umfassen. Dieses Gerät kann für die gewünschten Zwecke speziell konstruiert sein, oder es kann einen universellen Computer aufweisen, der wahlweise aktiviert oder von einem im Computer oder Telefon oder einer beliebigen anderen Rechenvorrichtung gespeicherten Computerprogramm umkonfiguriert wird. Ein derartiges Computerprogramm kann in einem vom Computer lesbaren Speichermedium wie beliebige Arten von Disks bzw. Plattenspeicher einschließlich Disketten, optische Plattenspeicher, CD-ROMs, magnetisch-optische Plattenspeicher, Nurlesespeicher (ROMs), Schreib-Lesespeicher (RAMs), elektrisch programmierbare Nurlesespeicher (EPROMs), elektrisch löschbare und programmierbare Nurlesespeicher (EEPROMs), magnetische oder optische Karten oder beliebige weitere Arten von Medien gespeichert werden, die zum Speichern von elektronischen Befehlen geeignet sind und mit einem Computersystembus gekoppelt werden können, ist aber nicht darauf beschränkt.
Die hier dargestellten Abläufe und Anzeigen beziehen sich nicht von Natur aus auf beliebige besondere Computer oder andere Geräte. Es können verschiedene Allzwecksysteme mit Programmen gemäß der technischen Lehre hier verwendet werden, oder es kann sich als zweckmäßig erweisen, eine speziellere Vorrichtung zu konstruieren, um das gewünschte Verfahren durchzuführen. Der gewünschte Aufbau für eine Vielzahl dieser Systeme wird anhand der folgenden Beschreibung deutlich. Außerdem werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht mit Bezug auf eine beliebige besondere Programmiersprache beschrieben. Es wird deutlich, dass eine Vielzahl von Programmiersprachen verwendet werden kann, um die technische Lehre der Erfindung, wie hier beschrieben, umzusetzen.
Es soll verständlich werden, dass jegliche räumliche Struktur, Technologie und/oder Standard für Computernetzwerke (z. B. Maschennetze, InfiniBand-Verbindungen, RDMA usw.), die heute bekannt sind oder in der Zukunft entwickelt werden sollen, auf die vorliegende Erfindung anwendbar sein können.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet Geräte, Aufbau, Schaltungen und Systeme zum Beurteilen, Einschätzen und/oder Bestimmen relativer Abstände/Positionen, Ausrichtung, Orientierung (d. h. Abstand, axiale Ausrichtung, Winkel, Rotationswinkel usw.) und Rotationswinkel eines Teils eines Knochens und zwischen zwei oder mehreren Teilen eines Knochens oder mehrerer Knochen, z. B. eines gebrochenen Knochens oder Gelenks. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Bezugsobjekt (z. B. ein Bezugsgitter [100]) bereitgestellt werden, wobei das Bezugsobjekt eine Reihe von Bezugsmarkierungen enthalten kann, die in einem radiografischen Bild [ein Beispiel wird in 2 gezeigt] sichtbar sind. Das Bezugsobjekt kann in Verbindung mit einem oder mehreren radiografischen Bildgeräten [101, 102] und Bildverarbeitungsschaltungen [106] verwendet werden, um die Bestimmung einer 3D Position und die Orientierung von Punkten in den durch die Bildgeräte erstellten Bildern und die räumlichen Verhältnisse zwischen diesen Punkten zu erleichtern. Die Bildverarbeitungsschaltung [siehe 1] kann: (1) einen Satz von zwei oder mehreren Bildern analysieren, die ein anatomisches Element und ein Bezugsobjekt enthalten, wobei die Bilder durch die Abbildungsvorrichtungen aus unterschiedlichen Winkeln erstellt wurden, während das anatomische Element und das Bezugsobjekt unbeweglich blieben, (2) die Bezugsmarkierungen im Sichtfeld der Bilder erkennen und (3) die erkannten Bezugsmarkierungen verwenden, um die 3D Position und die Orientierung von einem oder mehreren Punkten am anatomischen Element zu bestimmen. Darüber hinaus kann die Bildverarbeitungsschaltung des Weiteren angepasst werden, um mehrere Bildsätze zu analysieren, wobei jeder Satz zwei oder mehrere Bilder beinhaltet, die ein anatomisches Element und einen Teil des Bezugsobjektes enthalten und aus wenigstens zwei unterschiedlichen Winkeln erfasst werden, wobei das Bezugsobjekt und die anatomischen Elemente während des gesamten Erfassens aller Bilder in allen Sätzen unbeweglich blieben. Die Bildverarbeitungsschaltung kann angepasst sein, um anhand der mehreren Sätze räumliche Verhältnisse zwischen Punkten an anatomischen Elementen, die in unterschiedlichen Bildern erscheinen, mittels des Bezugsobjekts als eine allgemeine/Bezugsebene hochzurechnen.
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Bezugsobjekt [100] mit Bezugsmarkierungen oder Strukturen (hier insgesamt als „Bezugsmarkierungen” bezeichnet) bereitgestellt werden, die in einem radiografischen Bild erkennbar sind. Das Bezugsobjekt außer den Bezugsmarkierungen kann für radiografische Strahlung transparent sein, so dass bei Erscheinen in einem radiografischen Bild nur die Bezugsmarkierungen in dem Bild sichtbar sein können. Zum Beispiel kann das Bezugsobjekt eine Reihe von Metalldrähten umfassen, die in einem röntgenstrahlendurchlässigen Gehäuse eingeschlossen sind. Das Bezugsobjekt kann außerdem aus Metallkugeln hergestellt sein, die in einem Kunststoffgehäuse eingebettet sind, einer Kombination von Kunststoffen mit unterschiedlichem Grad von Strahlungsundurchlässigkeit oder beliebigen weiteren geeigneten Materialkombinationen. Das Bezugsobjekt kann eine beliebige, für seinen Zweck geeignete Form aufweisen. Zum Beispiel kann das Bezugsobjekt eine flache Platte oder ein langes Rohr sein. Nach weiteren Ausführungsformen kann eine Anzahl von Bezugsobjekten bereitgestellt werden, die zum Abbilden unterschiedlicher Bereiche des Körpers einer Person oder für unterschiedliche Verfahren/Situationen geeignet sind, z. B. eine flache Platte zum Abbilden des Beins oder ein langes Rohr zum Abbilden der Wirbelsäule.
Nach einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können Bezugsmarkierungen an dem Bezugsobjekt voneinander basierend auf Farbe, Form, Größe und/oder beliebigen anderen Unterscheidungsmerkmalen unterscheidbar sein [wie in 2 gezeigt wird]. Jede Bezugsmarkierung oder Gruppe von Markierungen kann eine vordefinierte Farbe, Form, Größe und/oder ein anderes Unterscheidungsmerkmal aufweisen. Folglich ist es möglich, jede einzelne Bezugsmarkierung und/oder Sätze von Markierungen entsprechend seiner/ihrer Farbe, Form, Größe und/oder einem anderen Unterscheidungsmerkmal zu erkennen. Wenn eine oder mehrere Bezugsmarkierungen in einem Bild erscheinen, kann es von daher möglich sein, die Bezugsmarkierungen zu erkennen und entsprechend ihrer vordefinierten Form, Größe und/oder Orientierung den Abstand und den Winkel zwischen dem Bildgerät, das das Bild erfasst hat, und dem Bezugsobjekt und/oder der Bezugs-/allgemeinen Ebene zu dem Zeitpunkt, an dem das Bild erfasst wurde, zu bestimmen. Mit anderen Worten, da die Form und die Größe von jeder Bezugsmarkierung bekannt sind, können der Winkel und der Abstand [501 & 502] zu dem Zeitpunkt, an dem das Bild erfasst wurde, zwischen dem Bildgerät, das das Bild erfasst hat, und dem Bezugsobjekt basierend auf der Größe und der Form der Bezugsmarkierung im Bild mittels einfacher Geometrie mühelos bestimmt werden. Wenn die Lage von jeder Bezugsmarkierung am Bezugsobjekt bekannt ist, können darüber hinaus auch die relative Position und Orientierung des Bezugsobjektes bestimmt werden. Ähnlich dazu kann ein 3D Bezugsgitter („Bezugskoordinatensystem”), das durch die Position der Bezugsmarkierungen definiert wird, in einem beliebigen Bild, das wenigstens einen Teil der Bezugsmarkierungen enthält, hochgerechnet werden. Ein solches Gitter kann als Bezugs-/allgemeine Ebene zwischen mehreren Bildern, die wenigstens einen Teil der Bezugsmarkierungen enthalten, genutzt werden solange das Bezugsobjekt unbeweglich bleibt oder seine Bewegung verfolgt wird, während die Bilder erfasst werden, selbst wenn die in den Bildern erscheinenden Bezugsmarkierungen nicht die gleichen Markierungen sind.
Außerdem können in einem Bild erscheinende Bezugsmarkierungen ferner verwendet werden, um Position und Orientierung weiterer Objekte/Punkte in dem Bild im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt und/oder der Bezugs-/allgemeinen Ebene zu bestimmen [wie in 5 veranschaulicht wird], wie es unten beschrieben wird.
Nach weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Tragegestell mit einer Halterung für ein Bezugsobjekt bereitgestellt werden, das angepasst ist, um ein Bezugsobjekt in einer fixierten Lage und Orientierung zu tragen. Ein Tragegestell kann aus einem beliebigen formfesten Material (z. B. Aluminium) gefertigt sein. Gemäß noch weiteren Ausführungsformen kann ein Tragegestell des Weiteren eine oder mehrere Halterungen für ein oder mehrere Bildsystemkomponenten (wie zum Beispiel eine Strahlungsquelle) aufweisen. Ein Tragegestell kann außerdem Gelenkverbindungen aufweisen, um ein manuelles und/oder mechanisches Manövrieren der Halterungen zu ermöglichen, und kann ferner Geber aufweisen, die angepasst sind, um einem Verarbeitungsgerät bzw.
Prozessor die gegenwärtige Position oder Bewegung der beweglichen Teile des Gestells, d. h. die gegenwärtige Position und Orientierung des Bezugsobjektes und/oder der Bildsystemkomponente(n), zu signalisieren. Ein Tragegestell kann längs einer oder mehrerer Achsen und/oder längs eines oder mehrerer Rotationswinkel einstellbar sein. Darüber hinaus kann ein Tragegestell funktionell mit einem Tisch, einem Bett oder einer anderen Patientenaufnahmevorrichtung verbunden sein, so dass es, wenn auf einer Patientenaufnahmevorrichtung ein Patient sitzt, liegt oder steht, das Bezugsobjekt und/oder Abbildungssystemkomponente(n) in einer fixierten und/oder einstellbaren Position im Verhältnis zu dem Patienten positionieren kann.
Nach einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann auch ein radiografisches Abbildungssystem bereitgestellt werden, das umfasst: (1) ein oder mehrere radiografische Bildgeräte (z. B. ein Röntgengerät) [101 & 102], die aus einer oder mehreren Strahlungsquellen [101] und einem oder mehreren Strahlungssensoren oder Sensorenfeldern [102] bestehen können, (2) einen C-Bogen oder eine ähnliche Vorrichtung, die angepasst ist, um die Bildgerätekomponente(n) zu tragen, (3) Bildverarbeitungsschaltungen [106], die angepasst sind, um die von einem oder mehreren Sensoren erfassten Bilder zu verarbeiten, und (4) eine oder mehrere Anzeigevorrichtungen bzw. Displays [107].
Es sollte selbstverständlich sein, dass die technische Lehre der vorliegenden Beschreibung mit jeder beliebigen Abbildungstechnologie mit entsprechenden Modifikationen umgesetzt werden kann und sollte nicht so angesehen werden, dass es auf radiografische Abbildung beschränkt ist. Demzufolge können die hier beschriebenen radiografischen Bildgeräte durch andere Arten von Bildgeräten ersetzt und die Bezugsmarkierungen entsprechend modifiziert werden, um sichtbar zu sein, egal welches Bildgerät verwendet wird.
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Bildverarbeitungsschaltung angepasst sein, um einen Satz von Bildern eines anatomischen Elements [Beispiele davon sind in 3A–3C gezeigt] wie einem Knochen oder einem Teil eines Knochens („Knochenbereich”), der von einem oder mehreren Bildsensoren erfasst wird, zu verarbeiten, während ein Bezugsobjekt so positioniert ist, dass sich wenigstens ein Teil seiner Bezugsmarkierungen im Sichtfeld befindet und die Person und das Bezugsobjekt in allen Bildern des Satzes unbeweglich bleiben. Jedes Bild in einem Satz kann aus einem anderen Winkel und/oder Abstand im Verhältnis zur Person erstellt werden (wie in 3 dargestellt ist). Die Bildverarbeitungsschaltung kann angepasst sein, um 3D Koordinaten von einem oder mehreren Punkten des Knochenbereiches basierend auf der relativen Größe und Form der Bezugsmarkierungen innerhalb des Bildes im Verhältnis zu diesen Punkten in zwei oder mehreren Bildern des Knochenbereiches hochzurechnen (wie es weiter unten beschrieben wird). Die Bildverarbeitungsschaltung kann zu diesem Zweck eine Karte der Bezugsmarkierungen und deren Größe, Form und Position an einem speziellen Bezugsobjekt enthalten. Darüber hinaus kann basierend auf den 3D Koordinaten von zwei oder mehr Punkten des Knochenbereiches die Bildverarbeitungsschaltung angepasst sein, um eine 3D Position und Orientierung des Knochenbereiches im Verhältnis zum Bezugsobjekt und/oder einer durch das Bezugsobjekt definierten Bezugs-/allgemeinen Ebene zu schätzen/bestimmen [wie es in 5 veranschaulicht ist].
Nach weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Bildverarbeitungsschaltung außerdem angepasst sein, um mehrere Bildsätze von zwei oder mehreren Knochen oder Teile von Knochen („Knochenbereiche”), die von dem oder den Bildsensoren erfasst wurden, zu verarbeiten, während ein Bezugsobjekt so positioniert wird, dass wenigstens ein Teil seiner Bezugsmarkierungen im Sichtfeld ist und Person und Bezugsobjekt im Verhältnis zueinander in allen Bildern in den Sätzen unbeweglich bleiben. Jedes Bild in jedem Satz kann aus einem anderen Winkel und/oder Abstand im Verhältnis zu der Person erstellt werden [wie 4 gezeigt]. Die Bildverarbeitungsschaltung kann angepasst sein, um 3D Koordinaten von einem oder mehreren Punkten von jedem der Knochenbereiche basierend auf der relativen Größe und Form der Bezugsmarkierungen in dem Bild im Verhältnis zu diesen Punkten in zwei oder mehreren Bildern des Knochenbereiches hochzurechnen (wie weiter unter beschrieben wird). Darüber hinaus kann basierend auf den 3D Koordinaten von zwei oder mehreren Punkten von jedem der Knochenbereiche die Bildverarbeitungsschaltung angepasst sein, um eine 3D Position und Orientierung von jedem der Knochenbereiche im Verhältnis zum Bezugsobjekt und/oder einer durch das Bezugsobjekt definierten Bezugs-/allgemeinen Ebene zu schätzen/bestimmen. Sobald eine 3D Position und Orientierung von jedem der Knochenbereiche im Verhältnis zu einer allgemeinen Ebene bestimmt/geschätzt wurde, kann folglich eine 3D Position und Orientierung zwischen Knochenbereichen bestimmt werden [siehe 1B]. Mit anderen Worten, basierend auf einer relativen Position und Orientierung von zwei oder mehreren Knochenbereichen im Verhältnis zur allgemeinen Ebene kann eine Ausrichtung zwischen den zwei oder mehreren Bereichen bestimmt werden.
Nach einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Bildverarbeitungsschaltung oder ein damit verbundenes Anzeigemodul angepasst sein, um einem Anwender Daten (im Verhältnis zum Bezugsobjekt 3D Positionen und Orientierungen von Punkten an Knochenbereichen und von Knochenbereichen selbst), die aus den Bildsätzen hochgerechnet wurden, anzuzeigen, und kann des Weiteren angepasst sein, um die Daten auf der Anzeige bzw. dem Display in einer grafischen Form (z. B. ein 3D Modell des Knochenbereichs oder Knochenbereiche) darzustellen. Nach weiteren Ausführungsformen kann die Bildverarbeitungsschaltung oder das Anzeigemodul des Weiteren angepasst sein, um eine Kombination von Daten und grafischer Wiedergabe anzuzeigen (z. B. ein 3D Modell des Knochenbereichs oder der Knochenbereiche) einschließlich einer Überlagerung der Daten bezüglich der Punkte an dem Knochenbereich oder den Knochenbereichen).
Nach noch weiteren Ausführungsformen kann ein interaktives Anzeigemodul bereitgestellt werden, das es dem Anwender ermöglicht, über eine geeignete Schnittstelle (z. B. ein Touchscreen, ein Zeigegerät, eine halbautomatische Auswahl usw.) von der Bildverarbeitungsschaltung anzufordern: (1) unterschiedliche Anzeigeformen und Winkel darzustellen, (2) spezielle Daten anzuzeigen oder nicht anzuzeigen, (3) Daten bezüglich spezieller Interessenpunkte an den Knochenbereichen darzustellen, die durch Verwendung des interaktiven Display ausgewählt wurden, (4) Daten bezüglich der Verhältnisse zwischen unterschiedlichen Knochenbereichen und/oder Punkten an Knochenbereichen anzuzeigen und/oder (5) weitere beliebige operative Befehle.
Die Bildverarbeitungsschaltung oder das Anzeigemodul können außerdem angepasst sein, um gleichzeitig zwei oder mehrere erstellte Bilder und/oder aus den Bildsätzen hochgerechnete Modelle anzuzeigen und in den dargestellten Bildern/Modellen eine Informationsüberlagerung bereitzustellen, die die Position und/oder die Orientierung von Punkten und/oder Bereichen in jedem der Bilder/Modelle möglicherweise im Verhältnis zu einem allgemeinen Bezugsrahmen oder allgemeinen Koordinatensystem (z. B. durch das Bezugsobjekt errichtet) oder im Verhältnis zueinander anzeigen. Die Bildverarbeitungsschaltung kann angepasst sein, um Informationen bezüglich eines relativen Abstandes und/oder einer relativen Orientierung zwischen zwei oder mehreren erfassten Knochenbereichen oder Punkten an erfassten Knochenbereichen zu bestimmen und/oder darzustellen, selbst wenn sie in getrennten Bildern erscheinen, solange der Knochenbereich und das Bezugsobjekt während der Erstellung aller Bilder unbeweglich bleiben (oder die Bewegung des Bezugsobjektes verfolgt wird).
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Bildverarbeitungsschaltung einen oder mehrere Algorithmen zur Identifizierung von Bezugsmarkierungen und/oder zur Registrierung von Bildern aufweisen. Für jeden Satz erstellter Bilder, wobei die Bilder einen Knochen oder Knochenbereich einer Person und Bezugsmarkierungen eines Bezugsobjektes aufweisen, die alle während der gesamten Erstellung der Bilder unbeweglich bleiben, können der eine oder mehrere Algorithmen zur Identifizierung der Bezugsmarkierungen und/oder Registrierung der Bilder: (1) die Orientierung (z. B. Winkel) und die Position (z. B. Abstand und Verschiebung) der Ebene des Bildes im allgemeinen Bezugskoordinatensystem (z. B. relativ zu einem Punkt, einer Achse oder Ebene des allgemeinen Bezugskoordinatensystems) abschätzen und/oder (2) eine Position und/oder Orientierung von einem oder mehreren Punkten am Knochenbereich (z. B. ein oder mehrere Teile an dem abgebildeten Knochen) innerhalb des allgemeinen Bezugskoordinatensystems abschätzen. Der eine oder mehrere Algorithmen zur Markierungsidentifizierung und/oder Bildregistrierung können die Orientierung einer Bildebene eines vorgegebenen Bildes relativ zu dem allgemeinen Bezugskoordinatensystem hochrechnen, indem: (1) erkannt wird, welche der vorgegebenen Bezugsmarkierungen in dem Bild erscheinen, (2) die zweidimensionale Projektion der abgebildeten Markierung (Form, mit der die abgebildete Markierung im Bild erscheint) mit einem von einem Satz möglicher abgeleiteter/vorhergesagter Projektionen der erkannten Markierung (Form, die die erkannte Markierung in einem 2D Bild aus verschiedenen Winkeln hätte) korreliert/angepasst wird. Des Weiteren können die Algorithmen den Abstand der Bildebene relativ zu einem Punkt auf dem gemeinsamen Bezugskoordinatensystem einschätzen/bestimmen, indem die Größe der Projektionen der abgebildeten Markierung mit den korrelierten/angepassten, abgeleiteten/vorhergesagten Projektionen der Markierungen verglichen wird.
Beispielhaftes Verfahren/System zum Bestimmen der Ausrichtung zwischen zwei Teilen eines Oberschenkelknochens.
Das Folgende ist eine Beschreibung einiger spezifischer beispielhafter Umsetzungen der vorliegenden Erfindung. Diese folgenden spezifischen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden dargelegt, um die vorliegende Erfindung und die möglichen Umsetzungen ihrer Grundsätze weiter zu verdeutlichen, und diese von daher nicht so verstanden werden sollten, dass sie den vollen Umfang der vorliegenden Erfindung in irgendeiner Weise umfassen. Es sollte jedem gewöhnlichen Fachmann klar sein, dass viele weitere Umsetzungen der vorliegenden Erfindung möglich sind.
Nach einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können Geräte, Systeme und Verfahren zum Bestimmen der Ausrichtung zwischen zwei Teilen eines Knochens, wie zum Beispiel ein Oberschenkelknochen, möglicherweise in Echtzeit bereitgestellt werden. Diese Systeme, Geräte und Verfahren werden hierzu beispielhaft in Bezug auf einen Oberschenkelknochen beschrieben. Es sollte verständlich werden, dass die gleichen Grundsätze auf jeden menschlichen Körperteil mit den geeigneten Modifikationen angewandt werden können.
Gemäß einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Bezugsobjekt [100] bereitgestellt werden, das aus einem in einem strahlendurchlässigen Gehäuse eingebetteten/umschlossenen Metallgitter besteht. Das Gitter kann Bezugsmarkierungen aufweisen, wobei die Bezugsmarkierungen voneinander durch die Form unterschieden werden können. Demzufolge kann die Bildverarbeitungsschaltung in der Lage sein, basierend auf Größe und Form der Bezugsmarkierungen, die in einem erfassten Bild erscheinen, die Position und die Orientierung des C-Bogens, der das Bild eingefangen hat, im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt zu bestimmen, auch wenn das analysierte Bild nur einen kleinen Teil des Bezugsobjektes enthält. Gemäß solchen Ausführungsformen kann das Bezugsobjekt unter, über oder neben dem Oberschenkelknochen einer Person angeordnet werden. Es können 4 oder mehrere Bilder des Oberschenkelknochens und des Bezugsobjektes aufgenommen werden [wie in 4 dargestellt], wobei das erste Bild den Bereich des Oberschenkelkopfes enthalten und in einer AP Position [404] aufgenommen werden kann, das zweite Bild den Bereich des Oberschenkelkopfes enthalten und in einer schrägen Orientierung [405] aufgenommen werden kann, das dritte Bild den Kniebereich enthalten und in einer AP Position und Orientierung [402] aufgenommen werden kann und das vierte Bild den Kniebereich enthalten und in einer schrägen Orientierung [403] aufgenommen werden kann.
Ein Anwender kann dann in der Lage sein, unter Verwendung von Position und Orientierung des Bezugsobjektes als allgemeinen Bezugsrahmen wenigstens zwei 3D Punkte in dem oder in der Nähe des Oberschenkelknochens zu markieren [dargestellt in 4A–4F], wobei die anatomischen Orientierungspunkte in wenigstens zwei Bildern entweder durch den Anwender markiert, halbautomatisch oder automatisch erfasst werden. Gemäß einigen weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Markierung eines anatomischen Elements durch einen Anwender mit Unterstützung von einer Verarbeitungsschaltung [für ein Beispiel einer solchen Unterstützung siehe gepunktete rote Linie in 4A, 4C & 4F] durchgeführt werden. Sobald zum Beispiel ein Punkt an einem anatomischen Element durch einen Anwender in einem Bild markiert ist, kann die Bildverarbeitungsschaltung dem Anwender das zweite zu markierende Bild darstellen (z. B. ein aus einem zweiten Winkel erfasstes Bild), wobei die Linie zwischen der früheren Lage des Bildgerätes (d. h. die bestimmte Lage des Bildgerätes beim Erfassen des ersten Bildes, in dem der Punkt bereits markiert war) und dem markierten Punkt angezeigt wird [gepunktete rote Linie in 4A, 4C & 4F], was dem Anwender mögliche Lagen des gewünschten Punktes im zweiten Bild zeigt. Auf diese Weise können irrtümliche Markierungen nicht identischer Punkte vermieden werden. Nach weiteren Ausführungsformen kann ein Anwender einen Punkt in einem Bild markieren, wobei die Lage des gleichen Punktes automatisch in einem zweiten Bild bestimmt werden kann.
Die Berechnung einer 3D Position eines markierten Punktes aus 2 Bildern und die Position und Orientierung des darin erscheinenden Bezugsobjektes kann durch einfache geometrische Berechnungen durchgeführt werden und sollte für den Fachmann eine leichte Aufgabe sein. 5 veranschaulicht die Bestimmung der 3D Position eines Punktes am Ende des Oberschenkelknochens unter Verwendung geeigneter Computersoftware, die von der Position und Orientierung des Bezugsobjektes Gebrauch macht.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann das System [1] anschließend die 3D Position dieser Punkte nutzen, um relative Abstände, eine Ausrichtung, eine Orientierung und Rotationswinkel zwischen zwei oder mehreren Teilen eines Knochens zu beurteilen, einzuschätzen und/oder zu bestimmen. Nach weiteren Ausführungsformen kann die Bildverarbeitungsschaltung des Weiteren angepasst sein, um automatisch und/oder auf Befehl relative Abstände, eine Ausrichtung, eine Orientierung und Rotationswinkel zwischen zwei oder mehreren Teilen eines Knochens zu beurteilen, einzuschätzen und/oder zu bestimmen. Die Bildverarbeitungsschaltung kann außerdem angepasst sein, um diese Informationen dem Anwender möglicherweise in grafischer oder semigrafischer Form (z. B. als eine Überlagerung eines Modells des abgebildeten Oberschenkelknochens) anzuzeigen. Nach noch weiteren Ausführungsformen kann die Bildverarbeitungsschaltung automatisch und/oder auf Befehl die zu analysierenden Punkte auswählen.
In noch weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann das System angepasst sein, um die 3D Position eines Satzes von zwei oder mehreren Punkten zu berechnen und sie mit einem zusätzlichen Satz von Punkten in Zusammenhang zu bringen, wobei die zusätzlichen Punkte keine bestimmte 3D Position aufweisen. Vielmehr können diese zusätzlichen Punkte durch eine 2D Position in einem 2D Bild charakterisiert werden. Das System kann angepasst sein, um dem Anwender zu ermöglichen, selbst und/oder automatisch relative Abstände, Ausrichtung, Orientierung und Rotationswinkel zwischen zwei oder mehreren Teilen eines Knochens mittels dieser zwei Punktsätze zu beurteilen, einzuschätzen und/oder zu bestimmen.
Die Messung zwischen Punkten, deren 3D Position bekannt ist, und Punkten, von denen lediglich eine 2D Position bekannt ist, kann durch Bearbeiten der letzteren Kategorie mittels heuristischer Verfahren durchgeführt werden, indem man sie zum Beispiel so betrachtet, als wären sie auf der gleichen Ebene wie die 3D Punkte oder auf der gleichen Ebene wie die Markierungen, oder durch eine beliebige andere heuristische Positionierung dieser Punkte im 3D Raum. Es ist klar, dass der Fachmann unterschiedliche heuristische Verfahren für diese Berechnungen nutzen kann.
Die Schritte beispielhafter Verfahren zum Bestimmen des Abstands zwischen Punkten an einem Knochen und der Ausrichtung zwischen zwei Teilen eines Knochens können gemäß einigen beispielhaften Ausführungsformen sein [1]:

1. Erfassen eines Röntgenbildes, das einen ersten Teil eines Knochens und einen Teil eines Bezugsobjektes innerhalb des Sichtfeldes enthält.
2. Erfassen eines zweiten Röntgenbildes aus einem anderen Winkel, das den ersten Teil und einen Teil des Bezugsobjektes in dem Sichtfeld enthält, während der Knochen im Wesentlichen in der gleichen Position im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt bleibt.
3. Wiederholen der Stufen 1–2 für einen zweiten Teil des Knochens, während der Knochen im Wesentlichen in der gleichen Position im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt bleibt.
4. Berechnen der 3D Position und Orientierung des Abbildungssystems im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt (Bezugsrahmen) in jedem der in den vorherigen Schritten erstellten 4 Röntgenbilder.

A – Bestimmen des Abstands zwischen zwei Punkten im gleichen Knochenteil
[Fig. 1A]

5A. Mittels der ersten 2 Bilder, deren entsprechenden Positionen und Orientierungen des Abbildungssystems und der Projektion des Knochens in jedem der Bilder Berechnen der 3D Position im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt (eine Bezugs-/allgemeine Ebene) von zwei räumlichen Interessenpunkten am ersten Teil des Knochens. Die Interessenpunkte können automatisch oder basierend auf einer Angabe des Anwenders bestimmt werden.
6A. Berechnen des Abstands zwischen den 3D Punkten.

B – Bestimmen des Abstands zwischen zwei Punkten in unterschiedlichen Knochenteilen

5B. Mittels der ersten 2 Bilder, deren entsprechenden Positionen und Orientierungen des Abbildungssystems und der Projektion des Knochens in jedem der Bilder Berechnen der 3D Position, im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt (eine Bezugs-/allgemeine Ebene) eines räumlichen Interessenpunktes an dem ersten Teil des Knochens.
6B. Wiederholen der Stufe 5B für einen Interessenpunkt an dem zweiten Teil des Knochens mittels der zweiten zwei Bilder, deren entsprechenden Positionen und Orientierungen des Abbildungssystems und der Projektion des Knochens in jedem der Bilder.
7B. Berechnen des Abstands zwischen den 3D Punkten, wobei die 3D Positionen im Verhältnis zum Bezugsobjekt (eine Bezugs-/allgemeine Ebene) in den Stufen 5B und 6B berechnet wurden.

C – Bestimmen der Ausrichtung (relative Orientierung) zwischen zwei Knochenteilen
[Fig. 1B]

5C. Mittels der ersten 2 Bilder, deren entsprechenden Positionen und Orientierungen des Abbildungssystems und der Projektion des Knochens in jedem der Bilder Berechnen der 3D Position, im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt (eine Bezugs-/allgemeine Ebene) von zwei räumlichen Interessenpunkten am ersten Teil des Knochens.
6C. Mittels der 3D Position der zwei Interessenpunkte Berechnen der Orientierung/Ausrichtung des ersten Teils des Knochens im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt (die Bezugs-/allgemeine Ebene).
7C. Wiederholen der Schritte 5C und 5D für den zweiten Teil des Knochens mittels der zweiten 2 Bilder.
8C. Basierend auf der Ausrichtung/Orientierung von jedem der Knochenteile im Verhältnis zum Bezugsobjekt (Bezugs-/allgemeine Ebene) Berechnen der Ausrichtung (relative Orientierung) zwischen den zwei Knochenteilen.

Gemäß einigen beispielhaften Ausführungsformen kann das Bestimmen der 3D Position von einem Punkt auf einem in einem Bild erscheinenden Knochenbereich im Verhältnis zu einem Bezugsrahmen das folgende Verfahren aufweisen, das hier im Pseudo-Code ausführlich beschrieben wird:

1. Für jedes Bild im bereitgestellten Bildsatz I a. Erkennen der Bezugsmarkierungen im Bild b. Berechnen der Position und der Orientierung des Abbildungssystems hinsichtlich des Bezugsobjektes
2. Für jeden Interessenpunkt P, dessen Lage in wenigstens zwei Bildern markiert ist a. Für jedes Bild, bei dem die Lage von P bekannt ist i. S die 3D Position der Röntgenquelle des Abbildungssystems relativ zur Position und zur Orientierung des Bezugsobjektes kennzeichnen lassen, wenn das Bild aufgenommen wurde. ii. p_Bild die markierte Position des Punktes p auf dem Bild kennzeichnen lassen. iii. T die 3D Position des Punktes an dem Röntgendetektor kennzeichnen lassen, der p_Bild entsprochen hat, wenn das Bild aufgenommen wurde. iv. Berechnen des Röntgenstrahls B von S nach T. b. Die Lage von P wird der 3D Schnittpunkt aller Strahlen B.

Nach einigen Ausführungsformen können mehr als 2 Bilder eines Knochenteils aus unterschiedlichen Positionen und Orientierungen erfasst werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Verfahren für mehr als 2 Interessenpunkte wiederholt werden, wobei ein Satz von Interessenpunkten in dem oder in der Nähe des Knochens gesammelt wird, dessen 3D Positionen im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt bekannt sind.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Bildverarbeitungsschaltung eine 3D Position und Orientierung des Knochens im Verhältnis zu einem Bezugsobjekt mittels der gekennzeichneten Interessenpunkte linear einfügen und hochrechnen.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Bildverarbeitungsschaltung angepasst sein, um Abstände und Winkel zwischen Punkten in oder in der Nähe eines Knochens entweder durch Interessenpunkte oder dem Einfügen oder Hochrechnen der 3D Position und Orientierung des Knochens im Verhältnis zum Bezugsobjekt, wie es anhand der Berechnungen hergeleitet wurde, zu messen.
Gemäß einigen weiteren Ausführungsformen kann, sobald die 3D Position und Orientierung eines Knochens hinsichtlich des Bezugsobjektes berechnet ist, die Bildverarbeitungsschaltung des Weiteren angepasst sein, um mittels der Bilder, die das Bezugsobjekt und einen oder mehrere Knochen im FOV enthalten, ein Panoramabild zu entwerfen, wobei die Bilder mittels der 3D Position der Knochenteile und nicht der Markierungspositionen zusammengefügt werden können (die Bilder müssen unter Umständen einer Projektionsumwandlung und/oder einer Änderung des Maßstabs unterzogen werden, um zu der berechneten Knochenorientierung zu passen). Anzumerken ist, dass es nach der vorliegenden Erfindung keinen Bedarf für das System gibt, ein 3D Bild eines Knochens rekonstruieren zu können.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird außerdem ein Verfahren zum Bestimmen dreidimensionaler Positionen von Punkten in radiografischen Bildern gemäß den nachfolgenden Ausführungsformen offenbart:

1. Verfahren zum Bestimmen dreidimensionaler Positionen von Punkten in radiografischen Bildern, umfassend: – Erfassen eines ersten Satzes von zwei oder mehreren radiografischen Bildern eines ersten anatomischen Elements und wenigstens eines Teils eines Bezugsobjektes mit Bezugsmarkierungen, wobei die Bezugsmarkierungen voneinander basierend auf einem sichtbaren Kennzeichen unterscheidbar sind und bekannte oder ermittelbare geometrische Kennzeichen und räumliche Verhältnisse zwischen ihnen aufweisen, wobei der erste Satz von Bildern aus wenigstens zwei unterschiedlichen Winkeln erfasst wird und das anatomische Element und das Bezugsobjekt unbeweglich bleiben, während die zwei oder mehreren Bilder erfasst werden; und – Hochrechnen einer dreidimensionalen Position, im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt, eines ersten Punktes an dem ersten anatomischen Element, wobei der erste Punkt in den zwei oder mehreren Bildern sichtbar ist, wobei das Hochrechnen ein geometrisches Kennzeichen von Projektionen einer in einem Sichtfeld von zwei oder mehreren Bildern erscheinenden Bezugsmarkierung berücksichtigt.
2. Verfahren nach Ausführungsform 1, das des Weiteren das Hochrechnen einer dreidimensionalen Position, im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt, eines zweiten Punktes an dem ersten anatomischen Element umfasst, wobei der zweite Punkt in den zwei oder mehreren Bildern sichtbar ist, wobei das Hochrechnen ein geometrisches Kennzeichen von Projektionen einer in einem Sichtfeld von zwei oder mehreren Bildern erscheinenden Bezugsmarkierung berücksichtigt; und Hochrechnen einer dreidimensionalen Position und Orientierung, im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt, des ersten anatomischen Elements basierend auf den hochgerechneten Positionen des ersten und des zweiten Punktes.
3. Verfahren nach Ausführungsform 1, das des Weiteren umfasst: – Erfassen eines zweiten Satzes von zwei oder mehr radiografischen Bildern eines zweiten anatomischen Elements und wenigstens eines Teils des Bezugsobjektes, wobei die Bilder des zweiten Bildsatzes aus wenigstens zwei unterschiedlichen Winkeln erfasst werden und das erste und das zweite anatomische Element und das Bezugsobjekt unbeweglich bleiben, während die zwei Bildsätze erfasst werden; – Hochrechnen einer dreidimensionalen Position, im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt, eines zweiten Punktes an dem zweiten anatomischen Element, wobei der zweite Punkt in den zwei Bildern des zweiten Satzes sichtbar ist, wobei das Hochrechnen der Position des zweiten Punktes ein geometrisches Kennzeichen von Projektionen einer in einem Sichtfeld von zwei oder mehr Bildern des zweiten Satzes erscheinenden Bezugsmarkierung berücksichtigt; und – Hochrechnen eines Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt basierend auf den hochgerechneten Positionen des ersten und des zweiten Punktes.
4. Verfahren nach Ausführungsform 3, das des Weiteren das Bestimmen einer Ausrichtung des ersten und des zweiten Punktes im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt basierend auf den hochgerechneten Positionen des ersten und des zweiten Punktes umfasst.
5. Verfahren nach Ausführungsform 2, das des Weiteren umfasst: – Erfassen eines zweiten Satzes von zwei oder mehr radiografischen Bildern eines zweiten anatomischen Elements und wenigstens eines Teils des Bezugsobjektes, wobei die Bilder des zweiten Bildsatzes aus wenigstens zwei unterschiedlichen Winkeln erfasst werden und das erste und das zweite anatomische Element und das Bezugsobjekt unbeweglich bleiben, während die zwei Bildsätze erfasst werden; – Hochrechnen einer dreidimensionalen Position, im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt, eines dritten und eines vierten Punktes an dem zweiten anatomischen Element, wobei der dritte und der vierte Punkt in den zwei Bildern des zweiten Satzes sichtbar sind, wobei das Hochrechnen der Positionen des dritten und des vierten Punktes ein geometrisches Kennzeichen von Projektionen einer in einem allgemeinen Sichtfeld von zwei oder mehreren Bildern des zweiten Satzes erscheinenden Bezugsmarkierung berücksichtigt; – Hochrechnen einer dreidimensionalen Position und Orientierung, im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt, des zweiten anatomischen Elements basierend auf den hochgerechneten Positionen des dritten und des vierten Punktes; und – Bestimmen eines dreidimensionalen räumlichen Verhältnisses zwischen dem ersten und dem zweiten anatomischen Element basierend auf den hochgerechneten dreidimensionalen Positionen und Orientierungen des ersten und des zweiten anatomischen Elements im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt.
6. Verfahren nach Ausführungsform 5, wobei das erste und das zweite anatomische Element Teile des gleichen Knochens sind.
7. Verfahren nach Ausführungsform 1, das außerdem das Anzeigen einer grafischen Wiedergabe der hochgerechneten Position umfasst.
8. Verfahren nach Ausführungsform 5, das des Weiteren das Anzeigen einer grafischen Wiedergabe der hochgerechneten Positionen und Orientierungen umfasst.

Es sollte klar sein, dass Systeme und Verfahren nach unterschiedlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung viele andere mögliche Kombinationen der oben beschriebenen Komponenten aufweisen können, die dementsprechend andere Kombinationen von Merkmalen bereitstellen.
Dem Fachmann sollte es außerdem verständlich sein, dass einige der Funktionen, die so beschrieben sind, als ob sie durch eine bestimmte Komponente des Systems ausgeführt werden, durch eine andere Komponente des Systems nach anderen Ausführungsformen der Erfindung ausgeführt werden können.
In Beschreibung und Ansprüchen von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist jedes der Worte „umfassen”, „aufweisen” und „haben” und deren Formen nicht notwendigerweise auf Elemente in einer Liste begrenzt, mit der die Wörter im Zusammenhang stehen können.
In der vorliegenden Offenbarung sind nur beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und lediglich wenige Beispiele ihrer Vielseitigkeit gezeigt und beschrieben. Es sollte verständlich werden, dass die vorliegende Erfindung in verschiedenartigen anderen Kombinationen und Umgebungen genutzt werden kann, wobei Änderungen oder Modifikationen innerhalb des Umfangs des erfinderischen Konzepts vorgenommen werden können, wie es hier zum Ausdruck gebracht wird.
Während bestimmte Merkmale der Erfindung hier dargestellt und beschrieben worden sind, werden nun dem Fachmann viele Modifizierungen, Ersetzungen, Änderungen und Entsprechungen in den Sinn kommen. Es sollte daher verständlich sein, dass die angefügten Ansprüche alle derartigen Modifizierungen und Änderungen abdecken sollen, die in den wahren Geist der Erfindung fallen.

Claims

System zum Bestimmen dreidimensionaler Positionen von Punkten in radiografischen Bildern, umfassend: – ein radiografisches Bildgerät zum Erstellen zweidimensionaler Bilder eines ersten anatomischen Elements von einer Person aus wenigstens zwei unterschiedlichen Winkeln; – ein Bezugsobjekt mit in einem radiografischen Bild sichtbaren Bezugsmarkierungen, wobei die Bezugsmarkierungen voneinander basierend auf einem sichtbaren Kennzeichen unterscheidbar sind und bekannte oder ermittelbare geometrische Kennzeichen und räumliche Verhältnisse zwischen ihnen aufweisen, wobei das Objekt so gestaltet ist, dass es in der Nähe des ersten anatomischen Elements derart angeordnet wird, dass wenigstens eine Bezugsmarkierung des Objektes in einem Sichtfeld von jedem der aus zwei oder mehreren Winkeln aufgenommenen zweidimensionalen Bilder erscheinen wird; und – Bildverarbeitungsschaltung zum Hochrechnen einer dreidimensionalen Position, im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt, eines ersten Punktes an dem anatomischen Element, wobei der erste Punkt in wenigstens zwei durch das Bildgerät aus unterschiedlichen Winkeln erstellten Bildern sichtbar ist, wobei das Hochrechnen ein geometrisches Kennzeichen von Projektionen der in einem Sichtfeld der wenigstens zwei Bilder erscheinenden Bezugsmarkierung berücksichtigt.
System nach Anspruch 1, bei dem die Bildverarbeitungsschaltung des Weiteren im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt eine dreidimensionale Position eines zweiten Punktes an dem ersten anatomischen Element hochrechnet, wobei der zweite Punkt in den wenigstens zwei durch das Bildgerät aus unterschiedlichen Winkeln erstellten Bildern sichtbar ist, wobei das Hochrechnen der Position des zweiten Punktes ein geometrisches Kennzeichen von Projektionen der in einem Sichtfeld der wenigstens zwei Bilder erscheinenden Bezugsmarkierung berücksichtigt; und bei dem die Bildverarbeitungsschaltung des Weiteren im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt eine dreidimensionale Position und Orientierung eines ersten anatomischen Elements basierend auf den hochgerechneten Positionen des ersten und des zweiten Punktes hochrechnet.
System nach Anspruch 1, bei dem die Bildverarbeitungsschaltung außerdem im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt eine dreidimensionale Position eines zweiten Punktes an einem zweiten anatomischen Element hochrechnet, wobei der zweite Punkt in den wenigstens zwei weiteren durch das Bildgerät aus unterschiedlichen Winkeln erstellten Bildern sichtbar ist, wobei das Hochrechnen der Position des zweiten Punktes ein geometrisches Kennzeichen von Projektionen der in einem Sichtfeld der wenigstens zwei weiteren Bilder erscheinenden Bezugsmarkierung berücksichtigt; und bei dem die Bildverarbeitungsschaltung des Weiteren einen Abstand zwischen dem ersten Punkt und dem zweiten Punkt basierend auf den hochgerechneten Positionen des ersten und des zweiten Punktes hochrechnet.
System nach Anspruch 3, bei dem die Bildverarbeitungsschaltung des Weiteren eine Ausrichtung des ersten und des zweiten anatomischen Elements im Verhältnis zu dem Bezugsobjekt basierend auf den hochgerechneten Positionen des ersten und des zweiten Punktes bestimmt.
System nach Anspruch 1, das des Weiteren ein Display und ein Wiedergabemodul zum Anzeigen einer grafischen Wiedergabe der hochgerechneten Position auf dem Display umfasst.
System nach Anspruch 1, das außerdem ein interaktives Display umfasst, das angepasst ist, um eine Anwenderauswahl des ersten Punktes zu empfangen.
System zum Bestimmen von räumlichen Verhältnissen zwischen zwei oder mehreren anatomischen Elementen, umfassend: – ein radiografisches Bildgerät zum Erstellen zweidimensionaler Bilder von zwei oder mehreren anatomischen Elementen von einer Person, jeweils aus wenigstens zwei unterschiedlichen Winkeln; – ein Bezugsobjekt mit Bezugsmarkierungen, wobei Bezugsmarkierungen voneinander basierend auf einem sichtbaren Kennzeichen unterscheidbar sind und bekannte oder ermittelbare geometrische Kennzeichen und räumliche Verhältnisse zwischen ihnen aufweisen, wobei das Objekt so gestaltet ist, dass es in der Nähe der zwei oder mehreren anatomischen Elemente derart platziert wird, dass für jedes der zwei oder mehreren anatomischen Elemente wenigstens eine Bezugsmarkierung des Objekts in einem Sichtfeld von wenigstens zwei der aus unterschiedlichen Winkeln aufgenommenen zweidimensionalen Bildern des Elements erscheinen wird; und – Bildverarbeitungsschaltung zum Hochrechnen eines dreidimensionalen räumlichen Verhältnisses zwischen den zwei oder mehreren anatomischen Elementen basierend auf wenigstens zwei durch das Bildgerät aus unterschiedlichen Winkeln erstellten Bildern von jedem der Elemente, wobei das Hochrechnen geometrische Kennzeichen von Projektionen der in einem Sichtfeld von wenigstens zwei Bildern eines jeden Elements erscheinenden Bezugsmarkierungen berücksichtigt.
System nach Anspruch 7, das des Weiteren ein Display und ein Wiedergabemodul zum Anzeigen einer grafischen Wiedergabe des hochgerechneten Verhältnisses auf dem Display umfasst.
System nach Anspruch 8, bei dem das Display ein interaktives Display ist.
System nach Anspruch 7, bei dem die zwei oder mehreren anatomischen Elemente Teile des gleichen Knochens sind.