-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Die
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung betreffen allgemein ein mobiles auf einem
C-Arm basierendes Röntgensystem zum
Erzeugen von dreidimensionalen volumetrischen (3D) Datensätzen und
zur Verwendung der Datensätze
in diagnostischen und interventionellen medizinischen Prozeduren.
Insbesondere betrifft wenigstens eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ein mobiles auf einem C-Arm basierendes
medizinisches Röntgen-Bildgebungssystem,
das dreidimensionale volumetrische Datensätze aus digitalen Bilder aufbaut,
die teilweise auf Koordinateninformation für Patienten und dem Röntgenempfänger beruhen,
und die Datensätze
für auszuführende diagnostische
und interventionelle Prozeduren verwendet.
-
Herkömmliche
medizinische Bildgebungsvorrichtungen, wie zum Beispiel Computertomographie
(CT) und Magnetresonanzbildgebung (MRI) nutzen hoch entwickelte
mechanische Portalstrukturen, um Patienten und zum Aufbau von Patientenbildgebungsdatensätzen verwendete
Geräte
zu unterstützen.
Die CT- und MRI-Datensätze
werden aus mehreren Scans erzeugt, in denen die genaue Position des
Patienten aus der Beziehung zwischen dem mechanischen Portal und
dem mit dem Portal integriert ausgebildeten Patiententisch bekannt
ist. Beispielsweise verwenden CT-Systeme ein ringförmiges Portal,
das eine kontinuierlich rotierende Fächerstrahlbündel-Röntgenstrahlungsquelle und eine
gegenüberliegende
gekrümmte
Detektoranordnung abstützt. Die
Fächerstrahlbündel-Röntgenstrahlungsquelle und
die Detektoranordnung rotieren kontinuierlich innerhalb des Portals.
Das CT-System enthält
auch einen mit dem Portal integriert ausgebildeten Patiententisch.
Der Tisch bewegt den Patienten in vordefinierten Inkrement-Schritten
durch das Portal, während
die Fächerstrahlbündel-Röntgenstrahlungsquelle
kontinuierlich rotiert. Die mechanische Verbindung zwischen dem
Portal und dem Tisch in dem CT-System hält eine bekannte Beziehung
zwischen der Position des Patienten und der Röntgenstrahlungsquelle und der
Detektoranordnung zu allen Zeitpunkten aufrecht, und somit ist man
in der Lage, einen Satz von in einer bekannten Beziehung zueinander
ausgerichteten 2D Bildern zu aufzubauen, um einen 3D volumetrischen
Datensatz der Bilder zu aufzubauen. Sobald das 3D Volumen aufgebaut
ist, können
einzelne Scheiben des Patienten gewonnen werden, um dem Arzt gewünschte Ansichten
zu präsentieren,
wie zum Beispiel die sagittalen, koronalen und axialen Ansichten;
oder segmentierte oder gerenderte bzw. berechnete Bildansichten.
MRI-Systeme halten eine ähnliche
mechanische Verbindung zwischen dem die Magnetspulen und den Patiententisch
tragenden Portal aufrecht.
-
Jedoch
sind CT- und MR-Systeme extrem komplex, groß und teuer. In letzterer Zeit
wurden intraoperative MR- und mobile CT-Systeme vorgeschlagen. Jedoch
erfordern diese intraoperativen MR- und mobilen CT-Systeme immer
noch eine Konfiguration, die einen integriert mit dem Portal ausgebildeten
Patiententisch aufweist. Viele intraoperative und diagnostische
Prozeduren rechtfertigen oder lassen die Kosten von MR- und CT-Systemen
sei es mobil oder anders, nicht zu. Ferner sind intraoperative MR-
und mobile CT-Systeme immer noch ziemlich groß und nehmen einen erheblichen
Anteil eines Operationsraumes in Anspruch.
-
Derzeit
werden viele diagnostische und chirurgische Prozeduren unter Verwendung
eines Röntgensystems
mit mobilem C-Arm
in einem Durchleuchtungs- oder Digitalspot-Modus ausgeführt. Mobile
C-Arm Röntgensysteme
findet man zunehmender in einem Operationsraum oder interoperativen Krankenhaus-
und Klinik-Einrichtungen, da derartige Systeme wesentlich kleiner,
weniger komplex und weniger teuer als CT- und MR-Systeme sind. Herkömmliche
mobile C-Arm Systeme wurden bereits während chirurgischer Prozeduren
durch Durchführen
einer standardmäßigen Durchleuchtungs-Röntgenbildgebung
zum Erfassen von einem oder mehreren Röntgenbildern des Patienten
während
der Prozedur verwendet. Die üblichsten
Röntgenbilder,
die unter Verwendung des mobilen C-Arms gewonnen werden, umfassen
die AP- und Lateralansichten. Beispielsweise kann der Arzt während einer
chirurgischen Planungsphase zwei Aufnahmen/Schüsse, nämlich eine AP-Ansicht und eine
Lateralansicht erhalten, um zu Beginn den interessierenden Bereich zu
betrachten und zu untersuchen. In einer Wirbelsäulenprozedur wird der Arzt
anschließend
das Gewebe von dem interessierenden Bereich (ROI) entfernen, um
einen interessierenden Knochenabschnitt freizulegen. Anschließend platziert
der Arzt das chirurgische Instrument oder Werkzeug in der Nähe des interessierenden
Knochenabschnittes, wobei sich das Instrument oder Werkzeug in einer
gewünschten Position
und Orientierung befindet, bei welcher der Arzt die chirurgische
Prozedur ausführen
möchte. Der
Arzt macht anschließend
typischerweise zwei neue Aufnahmen/Schüsse (AP und lateral) des ROI und
des Instrumentes, um die Position und Orientierung des Instrumentes/Werkzeugs
in Bezug auf den interessierenden Knochenabschnitt zu betrachten. Dann
beginnt der Arzt mit der chirurgischen Prozedur, wie zum Beispiel
dem Bohren eines Loches in den Knochen oder dergleichen. Bei verschiedenen Stadien
während
der chirurgischen Prozedur macht der Arzt neue Paare von Aufnahmen/Schüssen (AP und
seitlich), um den Fortschritt der Prozedur zu ermitteln. Dieser
Prozess wird wiederholt, bis das Werkzeug ein gewünschtes
Ziel erreicht. Das vorgenannte Vorgehen erfordert die Ausführung mehrerer Aufnahmen
des Patienten, und bewirkt dadurch, dass der Patient eine große Röntgendosis
aufnimmt, obwohl es zu bevorzugen ist, die zum Abschießen einer
Prozedur erforderliche Strahlungsdosis zu minimieren.
-
C-Arm
basierende System haben eine Konfiguration von Gelenken und Verbindungseinrichtungen,
die dem Arzt ermöglichen,
den C-Arm über
mehrere Bewegungsrichtungen, wie zum Beispiel eine Kreisbahnnachführrichtung,
Longitudinalnachführrichtung,
Lateralnachführrichtung,
Transversalnachführrichtung,
Schwenknachführrichtung
und eine "Pendel"-Nachführrichtung
zu bewegen und zu drehen. Der C-Arm kann durch jede von den vorgenannten
Nachführrichten
bewegt werden, indem mechanische Verriegelungen an den entsprechenden
Gelenken und Zwischenverbindungen gelöst werden.
-
Wenigstens
ein System mit C-Arm wurde bereits vorgeschlagen, das einen mechanischen
Motor enthält,
um den C-Arm (und somit die Röntgenstrahlungsquelle
und den Bildverstärker)
in der Kreisbahnnachführrichtung
nämlich
in einem gekrümmten
Pfad innerhalb der durch den C-Armgestell definierten Ebene anzutreiben.
Sobald der Motor den C-Arm in der Kreisbahnnachführrichtung bewegt, wird eine
Serie von Aufnahmen gemacht. Die Serie der Aufnahmen wird in einen
Datensatz zur Anzeige als ein dreidimensionales Volumen kombiniert.
Jedoch ist das motorbetriebene C-Arm System nur für diagnostische
Prozeduren, nicht für
interventionelle Prozeduren geeignet, da die Bild-Frames nicht zu
der Patientenposition oder Ausrichtung korreliert sind.
-
WO 00/64367 offenbart ein
Verfahren und eine Vorrichtung für
eine bildgesteuerte Chirurgie.
DE
19917867 offenbart in ähnlicher
Weise ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung einer geführten Chirurgie
an einem Patienten.
-
Es
bleibt ein Bedarf nach einem verbesserten auf einem C-Arm basierenden System,
das in der Lage ist, 3D volumetrische Datensätze eines Patienten und einer
Instrumenteninformation aufzubauen und in der Lage ist, Scheiben,
Segmente oder berechnete Volumina oder Daten in jedem gewünschten
Betrachtungswinkel zur Verwendung während diagnostischer und interventioneller
Prozeduren anzuzeigen.
-
KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein medizinisches Bildgebungssystem geschaffen, das aufweist:
eine
C-Arm Einheit mit einer Röntgenstrahlungsquelle
zum Erzeugen von Röntgenstrahlen
und einem Empfänger
zum Gewinnen von Bildaufnahmen aus empfangenen Röntgenstrahlen, wobei der C-Arm
die Röntgenstrahlungsquelle
und den Empfänger
entlang einem Bilderfassungspfad zwischen wenigstens ersten und
zweiten Aufnahmepositionen bewegt;
einen Positionsdetektor
zum Überwachen
der Position des Empfängers
und der Position eines Patienten und zum Erzeugen von Positionsdaten;
ein
Erfassungsmodul zum Sammeln einer Serie von Bildaufnahmen aus dem
Empfänger,
welche wenigstens erste und zweite Bildaufnahmen enthalten, die gewonnen
werden, während
sich die Röntgenstrahlungsquelle
und der Empfänger
in den ersten bzw. zweiten Aufnahmepositionen befinden, wobei das
Erfassungsmodul die Serie von Bildaufnahmen auf der Basis der Positionsdaten
aus dem Positionsdetektor sammelt;
einen Bildprozessor zum
Konstruieren eines dreidimensionalen (3D) volumetrischen Datensatzes
auf der Basis der Serie von Bildaufnahmen und Positionsdaten aus
dem Positionsdetektor; und
eine Anzeigeeinrichtung, die die
Bilder auf der Basis des dreidimensionalen volumetrischen Datensatzes anzeigt.
-
Gemäß einem
Aspekt einer bevorzugten Ausführungsform
wird ein medizinisches Bildgebungssystem geschaffen, das einen C-Arm mit einer Röntgenstrahlungsquelle
zum Erzeugen von Röntgenstrahlen
und eine Empfängervorrichtung
zum Empfangen von Röntgenstrahlen
und Ableiten eines Durchleuchtungsbilder aus den empfangenen Röntgenstrahlen
aufweist. Der C-Arm bewegt die Röntgenstrahlungsquelle
und die Empfängervorrichtung entlang
eines Bilderfassungspfades zwischen wenigstens ersten und zweiten
Bilderfassungspositionen. Ein Erfassungsmodul gewinnt eine Serie
von 2D Durchleuchtungsbildern, wobei die ersten und zweiten Durchleuchtungsbilder
gewonnen werden, wenn die Röntgenstrahlungsquelle
und der Empfänger
sich an den ersten beziehungsweise zweiten Bilderfassungspositionen
befinden. Ein Bildprozessor baut ein 3D Volumen aus Objektvoxeln
auf der Basis der Serie von Durchleuchtungsbildern auf. Ein Monitor
zeigt Bilder auf der Basis des 3D Volumens wie zum Beispiel 3D Berechnungen,
Patientenscheiben und dergleichen an. Eine Positionsverfolgungseinrichtung überwacht
die Position des C-Arms und eines Patienten bei jeder Position über eine
Serie von Aufnahmen und liefert Positionsinformati on für den Patienten
und den Rezeptor für
die Durchleuchtungsbilder. Der C-Arm kann manuell, mechanisch oder
automatisch entlang des gewünschten
Bilderfassungspfades bewegt werden.
-
Gemäß wenigstens
einer alternativen Ausführungsform
baut ein Bildprozessor ein Computertomographievolumen aus einer
Serie von 2D Durchleuchtungsbildern auf. Der Bildprozessor transformiert
mehrere 2D Durchleuchtungsbilder in 3D volumetrischen Datensätze. Der
Bildprozessor kann eine iterative Rekonstruktionstechnik durchführen, um das
3D Volumen aufzubauen. Alternativ kann der Bildprozessor eine Rückprojektionstechnik
durchführen,
um das 2D Volumen aufzubauen.
-
Gemäß der wenigstens
einen alternativen Ausführungsform
baut ein Bildprozessor ein Computertomographie-Volumen aus einer
Serie von 2D Durchleuchtungsbildern auf. Der Bildprozessor transformiert
mehrere 2D Durchleuchtungsbilder in 3D volumetrischen Datensätze. Der
Bildprozessor kann eine iterative Rekonstruktionstechnik ausführen, um das
3D Volumen aufzubauen. Alternativ kann der Filmprozessor eine Rückprojektionstechnik
ausführen,
um das 3D Volumen auszuführen.
-
Gemäß wenigstens
einer alternativen Ausführungsform
ist der C-Arm drehbar an der Basis befestigt, die den C-Arm entlang
eines Kreisbahnrotationspfades bewegt, um die Röntgenstrahlungsquelle und die
Empfängervorrichtung
zu veranlassen einem Bogen um eine Kreisbahnachse zu folgen, die
senkrecht zu einer durch den C-Arm definierten Ebene ausgebildet
ist. Gemäß wenigstens
einer alternativen Ausführungsform
ist eine mobile Basis mit Rädern vorgesehen.
Der C-Arm kann auf der Basis montiert sein, und die Basis kann auf
den Rädern
entlang eines lateralen Drehungsbogens beweglich sein, der tan gential
zu einer Kreisbahnachse ausgebildet ist, welche die C-Arm Ebene
durchquert, um die Röntgenstrahlungsquelle
und die Empfängervorrichtung entlang
einem lateralen Bilderfassungspfads zwischen den ersten und zweiten
Positionen zu bewegen. Ein Schwenkelement kann vorgesehen sein. Das
Schwenkelement kann den C-Arm um eine Schwenkachse schwenken, die
in der den C-Arm enthaltenden Ebene enthalten ist und sich daran
entlang erstreckt. Das Schwenkelement schwenkt die Röntgenstrahlungsquelle
und die Empfängervorrichtung
um einen Schwenkbilderfassungspfad zwischen den ersten und zweiten
Positionen.
-
Gemäß einer
weiteren alternativen Ausführungsform
erfasst das Erfassungsmodul eine Sequenz von 2D Durchleuchtungsbildern
an vorbestimmten Positionen, die in Abstand entlang des Bildgebungspfades
angeordnet sind. Optional kann das Erfassungsmodul 2D Durchleuchtungsbilder
in einem gleichmäßigen Intervall
entlang dem Bilderfassungspfad gewinnen. Das gleichmäßige Intervall kann
bei angenähert
jeweils 5° Drehung
des C-Arms liegen. Das Erfassungsmodul berechnet kontinuierlich
die Position des C-Arms in Bezug auf ein Koordinaten-Bezugssystem und
löst die
Röntgenstrahlungsquelle
aus, um Aufnahmen zu generieren, wenn der C-Arm vorbestimmte Positionen
entlang des Bildgebungspfades erreicht.
-
In
einer Ausführungsform
können
die ersten und zweiten Positionen die Anfangs- bzw. Endpositionen
entlang einem gekrümmten
Bewegungsbereichs des C-Arms darstellen. Die Anfangs- und Endpositionen
können
zwischen 145 und 190° auseinander
liegen.
-
Die
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
in einer Vielfalt von diagnostischen Prozeduren, interventionellen
chirurgischen Anwendungen und dergleichen, wie zum Beispiel in orthopädischen
Prozeduren, Wirbelsäulenuntersuchungen
und Anwendungen, Gelenkersetzungsprozeduren und dergleichen eingesetzt
werden. Eine Wirbelsäulenanwendung
kann die Anbringung eines Stiftes oder einer Schraube an einem Wirbel,
wie zum Beispiel dem Hals-, Brust- oder Lumbalwirbel beinhalten.
Der Wirbel stellt eine komplexe Anatomie dar, welche nicht ausreichend über AP- und
Lateraldurchleuchtungsansichten dargestellt werden kann. Die AP-
und Lateralansichten müssen nicht
notwendigerweise adäquat
ein kompliziertes Detail des Wirbels darstellen. Bevorzugt umfassen Wirbelsäulenanwendungen
die Anzeige von sagittalen, koronalen und axialen Ansichten, um
einen Querschnitt der Wirbelsäule
in einem Scheibenformat darzustellen. Gemäß wenigstens einer bevorzugten
Ausführungsform
können
sagittale, koronale und axiale Ansichten aus dem 3D volumetrischen Datensatz
gewonnen werden, die durch den C-Arm gewonnen werden.
-
Wenn
der Arzt eine Wirbelsäulenchirurgie durchführt, kann
das Instrument oder das Werkzeug auf einem oder mehreren von den
dem Arzt dargestellten 2D oder 3D Bildern überlagert werden. Die Position
des Instrumentes oder Werkzeug wird kontinuierlich und wiederholt
in Echtzeit aktualisiert, um die Bewegung des Instrumentes oder
Werkzeuges in Bezug auf die Patientenwirbelsäule zu verfolgen.
-
Ein
Beispiel einer üblichen
orthopädischen Prozedur,
in welcher wenigstens eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann, beinhaltet eine Bruchreposition,
wie zum Beispiel, wenn ein gebrochener Knochen eingerichtet wird.
Während
der Bruchrepositionsoperation können
eine oder mehrere Verfolgungsvorrichtungen an einem oder mehreren Punkt(en)
des gebrochenen Knochens angebracht werden. Die gewonnenen 2D oder
3D Bilder, die den gebrochenen Knochen darstellen, können zur
chirurgischen Planung und/oder Einrichtung verwendet werden. Die
2D oder 3D Bilder können
ferner während
der Ausführung
der Bruchrepositionsprozedur (das heißt, bei der Einrichtung des
Knochens) verwendet werden, um Ansichten in jeder beliebigen Orientierung
der gebrochenen Knochen zu gewinnen. Sobald der Bruch geschlossen
ist, können
die 2D oder 3D Bilder in jeder gewünschten Orientierung betrachtet
werden, um festzustellen, ob die Knochen korrekt ausgerichtet sind.
-
Ein
weiteres Beispiel einer üblichen
orthopädischen
Prozedur, in welcher wenigstens eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, beinhaltet eine
Gelenkersetzung, wie zum Beispiel den Austausch eines Knies durch
eine Prothese. Eine Knieprothese enthält eine Kugel und ein Aufnahmegelenk.
Eine Einkerbung wird in dem Knochen auf der einen Seite de Knies
geschnitten, und die Kugel darin eingesetzt. Eine Einkerbung wird
in den Knochen auf der anderen Seite des Knies geschnitten und das
Aufnahmegelenk darin eingesetzt. Es ist wichtig, dass die Kugel und
das Aufnahmegelenk korrekt innerhalb den Knochenaussparungen ausgerichtet
sind, da, wenn eines davon um einigen wenige Grade fehlausgerichtet ist,
der Fuß nicht
korrekt ausgerichtet wird. Ferner bewirkt eine Fehlausrichtung innerhalb
der Kugel und des Gelenkes einen vorzeitigen Verschleiß der Prothese,
da die Gelenke für
eine gleichmäßige Belastung
ausgelegt sind. Wenn die Belastung nur um ein paar Grade unsymmetrisch
ist, wird das Gelenk vorzeitig verschlissen.
-
Allgemeine
orthopädische
und Wirbelsäulenprozeduren
werden weder als zulässige
Notwendigkeit eines Computertomographiesystems noch als Rechtfertigung
der zusätzlichen
Kosten für
den Betrieb eines CT-Systems angesehen. Jedoch sind typischerweise
Durchleuchtungssysteme in den meisten Operationsräumen vorhanden
oder verfügbar,
und somit einfacher zur Verwendung während allgemeiner orthopädischer
und Wirbelsäulenprozeduren
verfügbar.
Eine volumetrische Rekonstruktion mit dem Durchleuchtungsgerät bietet
dem Arzt die Möglichkeit
die chirurgische Planung schnell durchzuführen, während ein Patient auf dem Tisch
anästhesiert
wird. Innerhalb weniger Minuten der chirurgischen Planungsphase
(zum Beispiel einer präoperativen
Planung) ist der Arzt in der Lage, den Plan durchzuführen, um
eine korrekte Ausrichtung (zum Beispiel interoperative Navigation)
zu leisten und Qualitätssicherung
zu verifizieren. Somit ermöglicht
wenigstens eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung einem Arzt die Verifizierung, dass ein
Plan korrekt ausgeführt
worden ist. Gemäß wenigstens
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung können
Bildgebungsdaten während
einer intraoperativen Prozedur (zum Beispiel intraoperative Datensammlung)
ohne die Notwenigkeit einer Voraus-Bildgebung gesammelt werden.
Durch die Leistung der interoperativen Datensammlung muss der Patient
nicht in einen getrennten Raum zur Bildsammlung gebracht werden,
sondern die Bilder können
stattdessen durch den C-Arm gewonnen werden, während der Patient anästhesiert
und für
den Eingriff vorbereitet wird.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die
vorstehende Zusammenfassung sowie die nachfolgende detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung werden besser verständlich,
wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden.
Zum Zwecke der Veranschaulichung der bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden in den Zeichnungen Ausführungsformen
dargestellt, welche derzeit bevorzugt werden. Es dürfte sich
jedoch verstehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die in
den beigefügten
Zeichnungen dargestellten Anordnungen und Instrumentalität beschränkt ist.
-
1 stellt
eine Blockdarstellung eines Durchleuchtungs-Bildgebungssystems dar,
das gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
-
2 stellt
ein Durchleuchtungs-Bildgebungssystem unter Verwendung eines elektromagnetischen
Verfolgungs-Subsystems dar, und kann über einen gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Bereich einer Kreisbahnrotation
bewegt werden.
-
3 stellt
ein Durchleuchtungs-Bildgebungssystem dar, das ein elektromagnetisches
Verfolgungs-Subsystem verwendet und über einen gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Bereich einer lateralen
Rotation bewegt werden kann.
-
4 stellt
ein Durchleuchtungs-Bildgebungssystem dar, das ein optisches Verfolgungs-Subsystem
verwendet und über
einen gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Bereich einer Kreisbahnrotation
bewegt werden kann.
-
5 stellt
ein Durchleuchtungs-Bildgebungssystem dar, das ein optisches Verfolgungs-Subsystem
verwendet und über
einen gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Bereich einer lateralen Rotation
bewegt werden kann.
-
6 stellt
einen C-Arm dar, der gemäß einer
oder mehreren von dem bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung bewegt werden kann.
-
7 stellt
eine Blockdarstellung einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung dar.
-
8 stellt
ein Flussdiagramm der gemäß einem
wenigstens einer der bevorzugten Ausführungsform ausgeführten Schritte
dar.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
1 stellt
ein Durchleuchtungs-Röntgensystem 10 dar,
dass einen C-Arm 12 enthält, der elektrisch mit einem
Röntgengenerator 14,
einem Bildverarbeitungscomputer 16 und einem Verfolgungsmodul 18 verbunden
ist. Das Verfolgungsmodul 18 kommuniziert mit einem Verfolgungsdatenprozessor 20,
welcher wiederum mit dem Bildverarbeitungscomputer 16 und
dem Röntgengenerator 14 kommuniziert.
Der Bildverarbeitungscomputer 16 kommuniziert mit einem
Monitor 48.
-
Der
C-Arm 12 enthält
eine auf der einen Seite befestigte Röntgenstrahlungsquelle 36 und
eine auf der gegenüberliegenden
Seite befestigte Röntgenstrahlungs-Empfängervorrichtung 34.
Der C-Arm 12 ist in mehreren Richtungen entlang mehreren
Bilderfassungspfaden beweglich, welche unter anderem eine Kreisbahnnachführrichtung,
Longitudinalnachführrichtung,
Lateralnachführrichtung,
Quernachführrichtung,
Schwenknachführrichtung
und eine "Pendel"-Nachführrichtung
umfassen. Die Kreisbahnrotationsrichtung ist mit einem Pfeil A bezeichnet. 1A stellt den C-Arm 12 und den
Empfänger 34 in
durchge zogenen Linien dar, während
sie sich in einer ersten Position (P1) befinden, und in Strichlinien,
während
sie sich in einer zweiten Position (P2) befinden. Alternativ können der
C-Arm 12, der Empfänger 34 und
die Röntgenstrahlungsquelle 36 entlang
Bilderfassungspfaden in den Longitudinal-, Lateral-, Quer- und Pendelnachführrichtungen
und dergleichen bewegt werden.
-
Das
Verfolgungsmodul 18 überwacht
die Position des Patienten 22, des Empfängers 34 und eines
Instrumentes oder Werkzeugs 24 (falls vorhanden), das von
einem Arzt während
einer Diagnose oder interventionellen chirurgischen Prozedur verwendet
wird. Das Verfolgungsmodul 18 liefert Verfolgungskomponentenkoordinaten 26 in
Bezug auf jeden Patienten 22, Empfänger 34 und das Instrument 24 an
den Verfolgungsdatenprozessor 20. Der Verfolgungsdatenprozessor 20 verwendet
die Verfolgungskomponentenkoordinaten 26, um kontinuierlich
die Positionen des Empfängers 34,
des Patienten 22 und des Instrumentes 24 in Bezug
auf ein Koordinatensystem zu Berechnen, das relativ zu einem Koordinatensystem-Bezugspunkt
definiert ist. Der Bezugspunkt für
das Koordinatensystem hängt
teilweise von dem Typ des verwendeten Verfolgungsmoduls 18 ab. Der
Verfolgungsdatenprozessor 20 sendet Steuer- oder Auslösebefehle 28 an
den Röntgengenerator 14 aus,
welcher wiederum die Aufnahme von einer oder mehreren Aufnahmen
durch die Röntgenstrahlungsquelle 36 und
den Empfänger 34 veranlasst.
Der Verfolgungsdatenprozessor 20 liefert Aufnahmebezugsdaten 30 an
den Bildverarbeitungscomputer 16. Die Steuer- oder Auslösebefehle 28 und
die Aufnahmebezugsdaten 30 werden durch den Verfolgungsdatenprozessor 20 gemäß nachstehend
detaillierterer Erläuterung
auf der Basis der Verfolgungskomponentenkoordinaten 26 erzeugt,
sobald der C-Arm entlang einem Bilderfassungspfad bewegt wird.
-
Beispielsweise
kann der C-Arm 12 manuell zwischen ersten und zweiten Positionen
P1 und P2 bewegt werden, wenn eine Folge von Aufnahmen gewonnen
wird. Der Bilderfassungspfad kann entlang einer Kreisbahnrotationsrichtung
(gemäß Darstellung in 2)
liegen, und der Empfänger 34 kann über einen
Bewegungsbereich von 0 bis 145° oder
von 0 bis 190° gedreht
werden. Alternativ kann der Bilderfassungspfad entlang der durch
den Pfeil B in 3 angezeigten lateralen Rotationsrichtung
zwischen den Positionen P3 und P4 liegen.
-
Der
Bildverarbeitungscomputer 16 sammelt eine Serie von Bildaufnahmen 32 aus
dem Empfänger 34,
sobald der C-Arm 12 gedreht wird. Der Empfänger 34 sammelt
jedes Mal eine Bildaufnahme 32, wenn die Röntgenstrahlungsquelle 36 durch
den Röntgengenerator 14 ausgelöst wird.
Der Bildverarbeitungscomputer 16 kombiniert jede Bildaufnahme 32 mit
entsprechenden Aufnahmebezugsdaten 30 und verwendet die
Aufnahmebezugsdaten 30, um einen dreidimensionalen volumetrischen
Datensatz gemäß nachstehender
detaillierterer Erläuterung
zu erzeugen. Der dreidimensionale volumetrische Datensatz wird zum
Erzeugen von Bildern, wie zum Beispiel Scheiben, eines interessierenden
Bereichs des Patienten verwendet. Beispielsweise kann der Bildverarbeitungscomputer 16 aus
dem volumetrischen Datensatz sagittale, koronale und/oder axiale
Ansichten einer Patientenwirbelsäule,
eines Knies und dergleichen erzeugen.
-
6 stellt
eine exemplarische mobile Röntgeneinheit 110 mit
einem C-Arm dar. Eine Hauptfunktion der mobilen Röntgeneinheit 110 mit
C-Arm ist die Erzeugung von Röntgenstrahlen
für diagnostische und
interventionelle Bildgebung. Die Einheit 110 besteht aus
einem Hauptgestell 110, einem C-Arm 112, einem
L-Arm 113 und einem Steuerfeld 114. Der untere
Ab schnitt des Hauptgestells 111 bildet eine D-förmige Struktur,
in welcher Rollen verwendet werden, um die Mobilität der Einheit 110 sicherzustellen. Das
Hauptgestell 111 enthält
ein Energieversorgungsfeld 117 zur Steuerung des Anschlusses
der Energieversorgung, sowie weiterer Vorrichtungen an der Einheit 110.
Der Hauptrahmen 111 enthält auch eine vertikale Hebesäule 118,
die eine vertikale Bewegung des C-Arms 112 und L-Arms 113 in
Bezug auf das Hauptgestell 111 ermöglicht. Die vertikale Hebesäule 118 endet
in einem oberen Gehäuse 119, in
welcher ein horizontaler Auslegerarm 120 durch das obere
Gehäuse 119 hindurchtritt
und eine senkrechte Bewegung des Arms 120 in Bezug auf
die vertikale Hebesäule 118 durch
die Bewegung des horizontalen Auslegerarms 120 in Bezug
auf das obere Gehäuse 119 ermöglicht.
Der C-Arm 112 kann entlang der Achse des horizontalen Auslegerarms 120 bewegt
werden, dass er eine effektive Quernachführbewegung bewirkt. Der L-Arm 113 kann
sich um den horizontalen Auslegerarm 120 so drehen (Schwenknachführbewegung),
dass der L-Arm 113 in einem Bogen von 360° bewegt werden
kann. Der horizontale Auslegerarm 120 ist mit dem einen
Ende des L-Arms 113 verbunden, während das äußere Ende des L-Arms 113 mit
dem C-Arm 112 verbunden ist.
-
Der
C-Arm 112 besitzt einen C-förmigen Aufbau mit einem Röntgenstrahlungsemitter 123 an
dem einen Ende des C-Arms 112 und einen Empfänger, wie
zum Beispiel einen Bildverstärker 124 mit
einer Kamera 125 an dem anderen Ende des C-Arms 112. Der
C-Arm 112 enthält
eine Kippverriegelung 128 und eine Kippbremse 127,
die eine Drehung des C-Arms 112 über 180° ermöglichen. Eine Kollimatoranordnung 129 kann
zur Kollimierung des aus dem Röntgenstrahlungsemitter 123 emittierten
Röntgenstrahls
vorgesehen sein. Ein Abstandshalter 130 erzeugt einen Sicherheitsabstand,
bis zu dem ein Patient an den Röntgenstrahlungsemitter 123 gebracht werden
kann.
-
Die
Einheit 110 ist typischerweise mit einer Überwachungseinheit
verbunden, wobei eine derartige Überwachungseinheit
die notwendige Einrichtung enthält,
um das durch die Kamera 125 erzeugte Videobild zu betrachten.
Die Verbindung wird über
Kabel erreicht, welche über
das Energieversorgungssteuerfeld 117 der Einheit 110 mit
der Überwachungseinrichtung
wie zum Beispiel einem Videoanzeigenmonitorkarte verbunden sind,
welche typischerweise in Verbindung mit der Röntgeneinheit 110 mit
dem C-Arm verwendet wird. Alternativ können die Überwachungseinrichtung und
die Videoanzeigen-Monitorkarte in die Röntgeneinheit 110 des
C-Arms integriert ausgebildet sein.
-
Gemäß 1 empfängt das
Verfolgungsmodul 18 Positionsinformation von Empfänger-, Patienten-
und Instrumenten-Positionssensoren 40, 42 beziehungsweise 44.
Die Sensoren 40-44 können mit dem
Verfolgungsmodul 18 über
Drahtleitungen, Infrarot, Funkwellen und dergleichen kommunizieren.
Die Sensoren 40-44 und das Verfolgungsmodul 18 können konfiguriert
sein, dass sie auf der Basis von einem von mehreren bekannten Medien,
wie zum Beispiel Elektromagnetismus, Optik, Infrarot und dergleichen
arbeiten. Alternativ können
die Sensoren 40-44 und
das Verfolgungsmodul 18 auf der Basis einer Kombination
eines derartigen Mediums arbeiten.
-
Nur
als Beispiel ist in einer elektromagnetischen (EM) Implementation
ein Feld-Sender/Generator mit bis zu drei orthogonal angeordneten
Magnetdipolen (zum Beispiel Stromschleifen oder elektromagnetischen)
vorgesehen. Die von jedem der drei Dipole erzeugten Magnetfelder
sind voneinander entweder über
Phasen-, Frequenz- oder Zeit-Multiplex unterscheidbar. Die Magnetfelder
dienen zur Positionsdetektion.
-
Der
Feld-Sender/Generator kann irgendeinen von dem Patientenpositionssensor 42,
Empfängerpositionssensor 40 oder
Instrumentenpositionssensor 44 ausbilden. Der Feld-Sender/Generator emittiert
EM-Felder, die durch die anderen zwei Positionssensoren 40-44 detektiert
werden. Beispielsweise kann der Patientenpositionssensor 42 den Feld-Sender/Generator
enthalten, während
die Empfänger-
und Instrumentenpositionssensoren 40 und 44 jeweils
einen oder mehrere Feldsensoren aufweisen.
-
In
einer alternativen Ausführungsform
können
die Sensoren 40-44 und das Verfolgungsmodul 18 auf
der Basis von optischen oder infraroten Signalen basieren. In einer
auf Optik oder Infrarot basierenden Ausführungsform ist eine getrennte
Positionsüberwachungskamera 46 hinzugefügt, um die
Position der Sensoren 40-44 zu überwachen,
und um mit dem Verfolgungsmodul 18 zu kommunizieren. In
dieser alternativen Ausführungsform
kann aktives Infrarotlicht periodisch von jedem der Sensoren 40-44 ausgesendet
und von der Positionsüberwachungskamera 46 detektiert
werden. Alternativ können
die Sensoren 40-44 in einer passiven optischen
Konfiguration arbeiten, wodurch getrennte Infrarotemitter bei der
Kamera 46 und/oder in dem Raum angeordnet sind. Die Emitter
werden periodisch ausgelöst,
um infrarotes Licht zu emittieren. Das emittierte Infrarotlicht
wird von den Sensoren 40-44 auf eine oder mehrere
Kameras 46 reflektiert. Die aktive oder passive optische Information,
welche durch das Zusammenwirken der Sensoren 40-44 und
die Positionsüberwachungskamera 46 gesammelt
wird, wird von dem Verfolgungsmodul 18 verwendet, um Verfolgungskomponentenkoordinaten
für jeden
von den Patienten 22, den Empfänger 34 und das Instrument 24 zu
definieren. Die Positionsinformation kann sechs Freiheitsgrade, wie
zum Beispiel x, y, z-Koordinaten und Nick-, Roll- und Gierwinkelorientierungen definieren.
Die Positionsinformation kann im Polar- oder kartesischen Koordinatensystemen
definiert werden.
-
In
noch einer weiteren alternativen Ausführungsform können das
Verfolgungsmodul 18, die Sensoren 40-44 auf
der Basis von Triangulation von Signalen arbeiten, wobei der Sensor 42 als
ein Signalsender arbeitet, während
die Sensoren 40 und 44 als Signalempfänger arbeiten.
In einem Triangulationssystem wird die Positionsdetektion durch
Vergleichen von Eigenschaften erster und zweiter ausgesendeter Signale
erreicht, um zurückgelegte
relative Strecken zu ermitteln. Die ausgesendeten Signale können Ultraschall,
elektromagnetische Signale, wie zum Beispiel Funkwellen, Laserlicht,
Licht aus lichtemittierenden Dioden und dergleichen sein.
-
Als
eine weitere alternative Ausführungsform können mehrere
HF-Empfangsspulen um das Subjekt herum angeordnet sein, wie zum
Beispiel an dem Empfänger
34 angebracht
sein, wie es in dem
U.S. Patent
5 251 635 dargestellt ist. Das chirurgische Instrument
24 kann
so modifiziert sein, dass es eine kleine HF-Sendespule enthält, wobei
wenigstens eine Spule auf jedem Werkzeug oder Instrument
24 zum
Ermitteln der Instrumentenposition und wenigstens zwei Spulen pro
Instrument zur Ermittlung der Orientierung dienen. Das Verfolgungsmodul
18 und der
Verfolgungsdatenprozessor
20 arbeiten zusammen, um eine
Position und Orientierung der Sendespulen und somit des Instrumentes
24 zu
berechnen. Die berechnete Position des Instrumentes
24 wird
durch Überlagerung
eines Symbols auf einem Röntgenbild
dargestellt, das auf dem Videomonitor
48 erscheint. Der
Sensor
42 auf dem Patienten
22 kann in der vorstehend
beschriebenen Weise verwendet werden, um die Position innerhalb
der Bezugskoordinatensystems zu lokalisieren. Das Bezugskoordinatensystem
in der vorliegenden exemplarischen Ausführungsform ist mit dem Sender
auf dem Instrument
24 als der Ursprung des Koordinatensystems
definiert. Während
des Betriebs überwacht
das Verfolgungsmodul
18 die Position des Instrumentes
24 und
des Empfängers
34 in
Bezug auf ein Koordinatensystem mit einem Ursprung bei dem Sender
des Patientenpositionssensors
42.
-
Das
Verfolgungsmodul 18 erzeugt einen kontinuierlichen Strom
von Verfolgungskomponentenkoordinaten, wie zum Beispiel die kartesischen Koordinaten,
Nicken, Rollen und Gieren für
das Instrument (I(x, y, z, Nicken, Rollen, Gieren)) für das Instrument,
für den
Detektor 34 D(x, y, z, Nicken, Rollen, Gieren) und/oder
für den
Patienten 22 P(x, y, z, Nicken, Rollen, Gieren). Wenn der
Patientenpositionssensor 42 mit einem EM-Sender darin (gemäß wenigstens
einer bevorzugten Ausführungsform)
versehen ist, kann das Koordinatenbezugssystem mit dem Ursprung
an der Stelle des Patientenpositionssenders 42 definiert
werden. Wenn ein Infrarotverfolgungssystem verwendet wird, kann
das Koordinatensystem mit dem Ursprungspunkt bei der Patientenüberwachungskamera 46 definiert
werden.
-
Der
Verfolgungsdatenprozessor 20 sammelt kontinuierlich den
Strom von Verfolgungskomponentenkoordinaten 26 und berechnet
kontinuierlich die Position des Patienten 22, des Empfängers 34 und des
Instruments 24 in Bezug auf einen Bezugspunkt. Der Verfolgungsdatenprozessor 20 kann
Rotationspositionen des C-Arms berechnen und jede derartige Position
kurzzeitig speichern. Jede neue Rotationspension kann mit einer
Zielposition, welche eine feste Winkelposition (definiert in x,
y, z Koordinaten innerhalb des Koordinatensystems) repräsentiert
oder auf der Basis einer festen Winkelbewegung (zum Beispiel 5° oder dergleichen)
verglichen werden. Wenn eine 3D Erfassungsprozedur gestartet wird,
legt der Verfol gungsdatenprozessor eine Bezugsorientierung für den C-Arm
fest. Beispielsweise kann der Verfolgungsdatenprozessor 20 einen
Erfassungsprozess initiieren, sobald der Empfänger 34 an ein Ende
eines Bilderfassungspfades bewegt wird, wobei die Anfangs- und Endpunkte
einem 0° Winkel
beziehungsweise 190° Winkel
entsprechen. Alternativ kann der Verfolgungsdatenprozessor 20 das
Koordinatenbezugssystem mit dem C-Arm 12 an einem Zwischenpunkt
entlang seines Bewegungsbereichs lokalisiert, initialisieren. In
dieser alternativen Ausführungsform definiert
der Verfolgungsdatenprozessor 20 die momentane Position
des Empfängers 34 (wo
immer der sich befindet) als einen Startpunkt für eine Erfassungsprozedur.
Sobald der Verfolgungsdatenprozessor 20 den Start- oder
Ausgangspunkt für
die Bilderfassungsprozedur festgelegt hat, wird ein Steuer/Auslöse-Befehl 28 an
den Röntgengenerator 14 gesendet
und Anfangsaufnahmebezugsdaten 30 werden an den Bildverarbeitungscomputer 16 gesendet.
Eine Anfangsbildaufnahme 34 wird erhalten und verarbeitet.
-
Nach
der Festlegung einer Anfangsposition für den Empfänger 34, überwacht
der Verfolgungsdatenprozessor 20 kontinuierlich die Verfolgungskomponentenkoordinaten 26 für den Empfänger 34 und
ermittelt, wenn sich der Rezeptor 34 über eine vorbestimmte Strecke
bewegt. Wenn die Verfolgungskomponentenkoordinaten 26 anzeigen,
dass sich der Empfänger 34 über die
vorbestimmte Strecke aus der Anfangsposition bewegt hat, sendet
dann der Verwaltungsdatenprozessor 20 einen neuen Steuer- oder Auslösebefehl 28 an
den Röntgengenerator 14, um
dadurch die Röntgenstrahlungsquelle 36 zu
veranlassen eine Röntgenaufnahme
auszuführen.
Der Verfolgungsdatenprozessor 20 sendet auch neue Aufnahmebezugsdaten 30 an
den Bildverarbeitungscomputer 16. Dieser Vorgang wird in
vordefinierten Intervallen über
einen Bilderfassungspfad wiederholt, um eine Serie von Bildern zu
gewinnen. Der Bildverarbeitungscomputer 16 gewinnt die
Serie der Bildaufnahmen 32, die einer Serie von Aufnahmebezugsdaten 30 entspricht,
und kombiniert dieselben in einen volumetrischen Datensatz, der
im Speicher gespeichert ist.
-
Beispielsweise
kann der Verfolgungsdatenprozessor 20 den Röntgengenerator 14 und
den Bildverarbeitungscomputer 16 veranlassen, Bildaufnahmen
an verschiedenen Bogenintervallen während der Bewegung des Empfängers 34 um
den Kreisbahnpfad der Bewegung zu gewinnen. Der Kreisbahnbereich
der Bewegung für
den Empfänger 34, über welchen
Bilder gewonnen werden, kann ein Bewegungsbereich von 145° oder bis
zu 190° für den C-Arm 12 sein.
Somit kann der Rezeptor 34 von einem Nullwinkelbezugspunkt über 145° Drehung
bewegt werden, während
Bildaufnahmen 32 an vorbestimmten Bogenintervallen ausgeführt werden,
um einen Satz von Bildaufnahmen zu gewinnen, die zum Konstruieren
eines 3D-Volumens verwendet werden. Optional können die Bogenintervalle gleichmäßig in 1°, 5° und 10° Intervallen
und dergleichen in Abstand angeordnet sein, so dass angenähert 100,
40 beziehungsweise 15 Bildaufnahmen oder Frames während der
Bewegung des Detektors 34 während der Drehung gewonnen
wird. Die Bogenintervalle können
gleichmäßig oder
ungleichmäßig voneinander
in Abstand angeordnet sein.
-
Der
Empfänger 34 kann
manuell durch den Bediener mit jeder gewünschten Geschwindigkeit bewegt
werden. Der Bediener kann auch den Empfänger 34 mit zunehmender,
abnehmender oder anderweitig ungleichmäßiger Geschwindigkeit bewegen, da
die Aufnahmen nur ausgelöst
werden, wenn sich der Rezeptor 34 an den gewünschten
Positionen befindet, welche direkt durch das Verfolgungsmodul 118 überwacht
werden.
-
2-3 stellen
zwei exemplarische Bereiche für
die Bewegung des C-Arms 12 dar. In dem Beispiel von 2 wird
der C-Arm 12 über
einem Bereich einer Kreisbewegung manuell oder automatisch bewegt,
um diskrete Aufnahmen bei erwünschten
Intervallen (zum Beispiel Aufnahmeintervallen 50) zu gewinnen,
um einen 3D Patientendatensatz aufzubauen. In dem Beispiel von 3 kann
der C-Arm 12 in einer sich von einer Kreisbahnrotation
unterschiedlichen Richtung bewegt werden, der C-Arm 12 kann nämlich über einen
Bereich einer lateralen Rotation bewegt werden. Bei diskreten Winkeln
entlang des Bereichs der lateralen Bewegung welche durch die gestrichelte
Linie 55 dargestellt wird, können Aufnahmen in der vorstehend
zum Konstruieren eines 3D-Datensatz erläuterten Weise gewonnen werden.
-
4-5 stellen
einen Bereich einer Kreisbahnrotation beziehungsweise Lateralrotation dar, über welchem
der Rezeptor 34 ähnlich
den Bewegungsbereichen der 2-3 bewegt
werden kann. In dem Beispiel der 4-5 wird
ein optisches Verfolgungssystem mit einer Kamera 46 verwendet,
um die Position von LEDs 47 und 48 auf dem Empfänger 34 und
von LEDs 51 und 52 auf dem Patienten 22 zu
verfolgen. Optional können
die LEDs 47, 48, 51 und 52 passive
Reflektoren sein.
-
7 stellt
eine alternative Ausführungsform dar,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist. Ein Durchleuchtungs-Bildgebungssystem 200 enthält einen
auf einem C-Arm
montierten Detektor 210 zum Detektieren von durch einen
Patienten hindurchgetretenen Röntgenstrahlen.
Ein Verfolgungssubsystem 220 empfängt Patientenkoordinateninformation 225,
Detektorkoordinateninformation 230 und Instrumentenkoordinateninformation 235. Das
Verfolgungssubsystem 220 verarbeitet die Koordinateninformation 225-235 und
gibt diese an eine Bildverarbeitungseinheit 240 weiter,
welche Aufnahme-Frames
aus dem Detektor 210 empfängt und Bild-Frames an die
Anzeigeinrichtung 250 ausgibt. Die Bildverarbeitungseinheit 240 enthält einen
Frame-Erfasser bzw. Frame-Grabber 260, welcher Aufnahme-Frames
aus dem Detektor 210 an Zeitpunkten sammelt, welche durch
die Positionsdaten 245 vorgegeben sind, die von dem Verfolgungssubsystem 220 geliefert
werden.
-
Die
Aufnahme-Frames werden aus dem Frame-Grabber 260 an den
Bildvolumenprozessor 270 weitergegeben, welcher die Speicherung
der Aufnahme-Frames in einem Volumenbildspeicher 280 verwaltet.
Der Bildvolumenprozessor 270 konstruiert ein dreidimensionales
Patientendatenvolumen in dem Volumenbildspeicher 280. Das
3D Patientendatenvolumen kann auf der Basis sehr weniger Aufnahme-Frames
wie zum Beispiel 10 und dergleichen aufgebaut werden. Wenn zusätzlich die
Aufnahme-Frames durch den Frame-Erfasser 270 gewonnen werden,
wird die Genauigkeit und Vollständigkeit
des 3D Patientendatenvolumens verbessert. Zusätzlich zu dem Aufbau des 3D
Patientendatenvolumens baut der Bildvolumenprozessor 270 auch
Bildscheiben aus dem Volumen auf. Die Scheiben werden in dem Scheibendatensatzspeicher 290 gespeichert.
-
Der
Anzeigegraphikprozessor 295 greift auf den Scheibendatensatzspeicher 290 zu,
um die Bildscheiben auf der Anzeigeinrichtung 250 darzustellen. Der
Anzeigegraphikprozessor 295 baut auf graphische Darstellungen
des Instrumentes oder Werkzeugs 24 auf und überlagert
die Instrumentengraphik auf den Bildscheiben auf der Anzeige 250.
Der Anzeigegraphikprozessor 295 kann mehrere zweidimensionale
Bildscheiben gleichzeitig auf der Anzeigeeinrichtung 250 mit überlagerter
Instrumentengraphik auf jeder Bildscheibe darstellen. Alternativ
oder in Kombination mit Bildscheiben kann der Anzeigegraphikprozessor 295 eine
dreidimensionale Berechnung des 3D Patientendatenvolumens aufzubauen und
die dreidimensionale Berechnung auf der Anzeigeeinrichtung 250 getrennt
oder in Kombination mit einer dreidimensionalen graphischen Darstellung des
Instrumentes 24 anzeigen. Das dreidimensionale Patientenbild
und die dreidimensionale Instrumentengraphik können gesteuert werden, dass
sie sich (in einem Videotypformat) drehen, um die Betrachtung des
Patientendatenvolumens aus mehreren Winkeln zu ermöglichen
und um die Betrachtung der Instrumentengraphik aus mehreren Winkeln
zu ermöglichen.
Die Drehung des dreidimensional dargestellten Patientendatenvolumens
kann automatisch sein, wie zum Beispiel in einem simulierten Videoformat,
oder kann manuell in einer schrittartigen Weise durch den Bediener
des Systems gesteuert werden. Beispielsweise kann der Bediener das
bzw. die Bilder drehen, indem er einen interessierenden Bereich
mit einer Maus anklickt und das Bild zieht, um eine Drehung und/oder
Translation zu bewirken.
-
8 stellt
eine allgemeine Verarbeitungssequenz gefolgt von wenigstens einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit der Gewinnung und Darstellung
von Durchleuchtungsinformation von Instrumenten- oder Werkzeuginformation dar. Beginnend
bei dem Schritt 300 gewinnt der Empfänger 34 eine Anfangsaufnahme
und das Verfolgungsmodul 18 und der Verfolgungsdatenprozessor 20 initialisieren
die Position des Bildempfängers 34.
Die Ausgangsposition des Bildempfängers 34 kann einen
Punkt an einem Endpunkt der Rotationskreisbahn des Empfängers 34 um den
C-Arm 12 sein. Alternativ kann die Ausgangsposition für den Bildempfänger 34 lediglich
die momentane Position zu dem Zeitpunkt darstellen, an dem eine
Bedienungsperson eine 3D Erfassungsoperation initiiert. Sobald die
Anfangsaufnahme und die Position des Empfängers 34 bei dem Schritt 300 erhalten
wurden, geht der Ablauf zu dem Schritt 305 über, bei
welchem die Position des Empfängers 34 automatisch
durch das Verfolgungsmodul 18 und den Verfolgungsdatenprozessor 20 überwacht
werden.
-
Sobald
sich der Empfänger 34 über eine
gewünschte
Strecke aus der letzten Position bewegt, bei welcher eine Aufnahme
gewonnen wurde, geht der Ablauf zu dem Schritt 310 über. Bei
dem Schritt 310 veranlasst der Verfolgungsdatenprozessor 20 den
Röntgengenerator 14,
die Röntgenstrahlungsquelle 36 auszulösen, um
eine neue Aufnahme zu gewinnen. Der Verfolgungsdatenprozessor 20 weist bei
dem Schritt 315 den Bildprozessor 16 an, eine neue
Aufnahme aus dem Empfänger 34 zu
erfassen. Der Bildverarbeitungscomputer 16 erfasst die
neue Aufnahme und speichert bei dem Schritt 320 die neue
Aufnahme zusammen mit der Position des Empfängers 34, wobei die
Positionsinformation von dem Verfolgungsdatenprozessor 20 geliefert
wird. Die bei dem Schritt 315 gewonnene neue Aufnahme wird
bei dem Schritt 325 von dem Bildverarbeitungscomputer 16 verwendet,
um den 3D Patientendatensatz zu aktualisieren. Bei dem Schritt 335 baut
der Bildverarbeitungscomputer 16 Patientenscheiben und/oder
ein dreidimensionales Bild des 3D Patientendatensatzes auf.
-
Bevorzugt
wird der 3D Patientendatensatz mit der Information aus 10 oder mehr
Aufnahmen aktualisiert, bevor Patientenscheiben rekonstruiert werden.
Zusätzliche
Aufnahmen können über 10 Aufnahmen
hinaus gewonnen werden, indem die Schritte 305-325 wiederholt
werden, um dadurch die Information in dem 3D Patientendatensatz
zu verbessern. Sobald Patientenscheiben und/oder 3D Bilder bei dem
Schritt 335 konstruiert werden, werden die Patientenscheiben
und/oder 3D Bilder bei dem Schritt 340 alleine oder in
Kombination mit Instrumentengraphik, welche die Position des Instrumentes 24 in
Bezug auf den Patienten 22 anzeigt, dargestellt. Gestrichelte
Linien 330, 345 und 350 zeigen an, dass,
während
die Schritte 325, 335 und 340 ausgeführt werden,
der Bildverarbeitungscomputer 16 parallele Operationen
ausführt,
um die Schritte 305-340 zu wiederholen, um den
3D Patientendatensatz nachzubessern und auch um die Patientenscheiben
und die 3D Bilder nachzubessern, die gerade angezeigt werden.
-
Zurückkehrend
zu 1 sind lediglich als Beispiel eine Reihe von gestrichelten
Linien 50 dargestellt, welche diskrete Positionen darstellen,
an welchen Aufnahmen zur Verwendung bei dem Aufbau des 3D Patientendatensatzes
gewonnen werden können.
Optional können
die Bilderfassungspositionen 50 gleichmäßig unterteilt sein, wie zum
Beispiel in 5° Intervallen
und dergleichen entlang wenigstens einem Abschnitt der Kreisbahnrotation
des Empfängers 34.
Beispielsweise kann der Empfänger 34 entlang
einem Bogen von 145° der
Kreisbahnrotation bewegt werden, wobei alle 5° Aufnahmen gewonnen werden.
-
Als
eine weitere Alternative kann der Empfänger 34 über einen
Teil von oder über
den gesamten Bewegungsbereich des C-Arms 12 (Kreisbahn, Longitudinal-,
Quer-, Schwenkrichtung oder anderweitig) mehr als einmal während der
Sammlung des 3D Patientendatensatzes bewegt werden. Beispielsweise
kann der Arzt den Empfänger 34 über eine Kreisbahnrotation
von 145° in
einer ersten Richtung und über
eine Kreisbahnrotation von 145° in
der entgegengesetzten Richtung bewegen, wobei während beiden der Empfänger 34 Aufnahmen
gewinnt. Die während
der Bewegung des Empfängers 34 in
beiden Richtungen gewonnenen Aufnahmen können sich bei denselben Winkelpositionen
oder unterschiedlichen Positionen die zueinander verschachtelt sind
(zum Beispiel bei 0°,
10°, 20° Winkeln
usw.) in der ersten Bewegungsrichtung und bei 25°, 15°, 5° Winkeln und dergleichen in
der entgegengesetzten Bewegungsrichtung befinden.
-
Als
eine weitere Alternative können,
wenn Patientenscheiben und/oder Bilder bei dem Schritt 335 rekonstruiert
und/oder bei dem Schritt 340 angezeigt werden, Löcher in
dem Datensatz identifiziert werden (z.B. Bereiche für welche
nur sehr wenige oder keine Daten bekannt sind). Diese Löcher können als
schwarze Bereiche auf der Anzeige erscheinen. Löcher in dem Datensatz können manuell
durch den Arzt identifiziert werden, während die Scheiben bei dem
Schritt 340 angezeigt werden. Alternativ kann das System
automatisch Löcher
in dem Datensatz bei dem Schritt 335 identifizieren. Sobald
Löcher in
dem Datensatz lokalisiert sind, kann der Empfänger 34 automatisch
oder manuell über
einen kleineren Abschnitt des Gesamtbilderfassungspfades bewegt
werden, um zusätzliche
Daten zu gewinnen, um die Löcher
in dem 3D Patientendatensatz aufzufüllen. Optional kann, wenn Löcher in
dem Patientendatensatz bei dem Schritt 335 identifiziert
werden, der Bildverarbeitungscomputer 16 den Verarbeitungsdatenprozessor 20 über den
Bereich informieren, für welchen
mehr Daten benötigt
werden, und als Reaktion darauf kann der Verarbeitungsdatenprozessor 20 nur
zusätzliche
Aufnahmen (über
die Steuerung des Röntgengenerators 14)
an bestimmten diskreten Kreisbahnwinkeln für den Empfänger 34 gewinnen. Beispielsweise
kann, wenn der Bildverarbeitungscomputer 16 bei dem Schritt 335 feststellt,
dass weitere Aufnahmen für
einen interessierenden Bereich in Verbindung mit den Winkelpositionen
von 40° bis 60° des Empfängers 34 benötigt werden,
der Bildverarbeitungscomputer 16 den Verfolgungsdatenprozessor 20 anweisen,
die Positionsinformation des Empfängers 34 aus dem Verfolgungsmodul 18 zu überwachen
und nur zusätzliche
Aufnahmen auszulösen,
wenn der Empfänger 34 durch
den Kreisbahnbereich (falls über hauet)
von 40° bis
60° bewegt
wird. Die Bedienungsperson kann den Empfänger 34 über einen
größeren Winkelbereich
(zum Beispiel 10° bis 90°) bewegen,
wobei aber der Empfänger 34 nur neue
Aufnahmen in den gewünschten
Winkelpositionen (zum Beispiel 40° bis
60°) aufnimmt.
-
Alternativ
kann der Bediener Löcher
in dem Datensatz identifizieren, während Scheiben und/oder 3D
Bilder bei dem Schritt 340 dargestellt werden. In diesem
Falle kann der Bediener manuell einen Bereich von Kreisbahnpositionen
eingeben, bei welchem neue Aufnahmen gewonnen werden sollten. Beispielsweise
kann der Benutzer den Verfolgungsdatenprozessor 20 informieren,
dass neue Aufnahmen zwischen den Kreisbahnwinkeln 120° bis 170° gewonnen
werden sollten. Danach überwacht
der Verfolgungsdatenprozessor 20 die Positionsinformation
aus dem Verfolgungsmodul 18 und löst die Röntgenstrahlungsquelle 36 nur
dann aus, wenn der Empfänger 34 durch
den manuell eingegebenen interessierenden Kreisbahnbereich bewegt
wird.
-
Der
3D Patientendatensatz kann im Schritt 325 unter Verwendung
eines von mehreren Algorithmen aufgebaut werden, die für den Aufbau
von dreidimensionalen Datenvolumina auf der Basis von aus einer
Konusbündelquelle
erhaltenen Aufnahmen bekannt sind. Beispielsweise kann der 3D Patientendatensatz
bei dem Schritt 325 unter Verwendung einer von mehreren
allgemein bekannten Techniken wie zum Beispiel Vorwärts- und/oder
Rückwärtsprojektionstechniken
aufgebaut werden. Die in dem Schritt 335 aufgebauten Patientenscheiben
und 3D Bilder können
gemäß irgendeinem
von mehreren bekannten Algorithmen, wie zum Beispiel den in Verbindung mit
existierenden CT-Systemen
verwendeten erzeugt werden. Die 3D Bilder, die bei dem Schritt 335 konstruiert
und bei dem Schritt 340 angezeigt werden, können aus
dem 3D Patientendatensatz auf der Basis einer von beliebigen bekannten
Volumenberechnungstechniken, wie zum Beispiel durch Strahlverfolgungsverfahren
(Ray Casting) und dergleichen erzeugt werden. Verschiedene bekannte
Techniken existieren für
den Aufbau von Datensätzen
von Patientenscheiben (wie zum Beispiel für sagittale, koronale und axiale
Patientenansichten), Segmente und 3D Bearbeitungsbilder.
-
Die
Anzahl der in den Schritten 305-325 gesammelten
Aufnahmen bestimmt den erforderlichen Zeitaufwand zur Rekonstruktion
von Patientenscheiben bei dem Schritt 335. Beispielsweise
kann es, wenn 40 Frames zum Aufbau des 3D Patientendatensatz gewonnen
werden, bis zu 14 Minuten dauern, um einen Satz von Patientenscheiben
daraus zu rekonstruieren. Die Patientenscheiben können schneller
konstruiert werden, wenn weniger Frames gewonnen werden, und langsamer,
wenn mehr als 40 Frames gewonnen werden.
-
Optional
kann der Bildverarbeitungscomputer 16 eine Frame-Mittelung
durchführen,
wobei der Empfänger 34 mehr
als eine Aufnahme an jeder Winkelposition gewinnt und derartige
Frames mittelt, bevor der gemittelte Frame zum Aktualisieren des
3D Patientendatensatzes verwendet wird. Bevorzugt kann jedoch der
Bildverarbeitungscomputer 16 nur eine Aufnahme verwenden,
die bei dem Empfänger 34 für jede Kreisbahnrotation
gewonnen wird. Wenn nur eine Aufnahme für jede Kreisbahnrotation gewonnen
wird, wird der Röntgengenerator 14 so
gesteuert, dass er eine Röntgendosis
mit höherer
Energie erzeugt. Beispielsweise kann, wenn eine Frame-Mittelung
angewendet wird, eine geringe Dosis (zum Beispiel 40 mA) verwendet
werden, während, wenn
nur eine einzige Aufnahme bei jeder Kreisbahnrotation gewonnen wird,
eine hohe Dosis (zum Bei spiel 150 mA und dergleichen) verwendet
werden kann. In bestimmten Fällen
kann es vorteilhafter, sein hohe Energiedosen zu verwenden, wie
sie bei Anwendungen am Herzen eingesetzt werden, um Bilder hoher
Qualität
ohne Mittelung zu erhalten.
-
Wenn
hohe Energiedosen erzeugt werden, können kürzere Impulslängen im
Vergleich zur Verwendung von niedrigeren Energiedosen verwendet werden.
Beispielsweise kann, wenn nur eine einzige Aufnahme bei jeder Kreisbahnrotation
des Empfängers 34 gewonnen
wird, der Röntgengenerator 14 so gesteuert
werden, dass er einen kurzen Impuls mit hoher Energie zwischen 3
und 6 ms erzeugt. Während
der Frame-Mittelung kann der Röntgengenerator 14 einen
längeren
Impuls mit geringerer Energie wie z.B. bis zu 20 ms oder mehr erzeugen.
In bestimmten Anwendungen kann es zu bevorzugen sein, nur eine einzige
Aufnahme aus dem Empfänger 34 bei
jeder Kreisbahnrotation zu gewinnen, um ein Überstrahlen zu verhindern,
das durch die Mittelurig von zwei oder mehr Frames verursacht wird,
die beinahe nebeneinander liegen, aber nicht genau bei denselben
Positionen des Empfängers 34 erhalten werden.
-
Optional
kann der Empfänger 34 einen
in Kombination mit einer Vitikon-Scankamera genutzten Bildverstärker enthalten.
Alternativ kann der Empfänger 34 einen
in Verbindung mit einer CCC-Detektorkamera genutzten Bildverstärker enthalten.
Optiken sind typischerweise zwischen dem Bildverstärker und
der Kamera vorgesehen, um einen kompakteren Empfänger 34 zu schaffen.
Als eine weitere Alternative kann der Empfänger 34 als ein Flachtafeldetektor
ausgebaut sein, und dadurch vollständig die Notwendigkeit für einen
Bildverstärker oder
eine Kamera erübrigen.
-
In
bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
wird der Empfänger 34 als
manuell von dem Bediener bewegt beschrieben. Die manuelle Bewegung wird
unterstützt,
da das Verfolgungs-Subsystem
die absolute Position des Empfängers 34 unter
Bezugnahme auf ein Koordinatensystem ermittelt, welches sowohl das
Instrument 24 als auch den Patienten 22 beinhaltet.
Die manuelle Bewegung des Empfängers 34 erübrigt die
Notwendigkeit für
eine zusätzliche Struktur
in Verbindung mit einer automatischen Steuerung des Empfängers 34.
Die Verwendung eines Verfolgungssystems, das die Absolutposition
des Empfängers 34,
des Instrumentes 24 und des Patienten 22 innerhalb
eines gemeinsamen Koordinatensystems detektiert, und aus derartiger
Information Aufnahmen auslöst,
macht die Geschwindigkeit und Beschleunigungsrate des Empfängers 34 irrelevant. Somit ändert die
Geschwindigkeit, mit welcher der Empfänger 34 bewegt wird,
nicht die Genauigkeit oder die Qualität der Bilder.
-
Als
eine alternative Ausführungsform
muss das das Verfolgungsmodul 18 und den Verfolgungsdatenprozessor 20 enthaltende
Verfolgungssystem nicht die Position des Empfängers 34 überwachen. Stattdessen
kann eine Serie von Sensoren um den C-Arm 12 herum angeordnet sein,
um die Kreisbahnrotation, Longitudinalrotation, Lateralrotation,
Bewegung des L-Arms, Querbewegung, die "Pendel"-Bewegung und dergleichen zu detektieren.
Die Serie von Sensoren kann durch die Überwachung aller Bewegungspunkte
innerhalb des C-Arms in Bezug auf einen Bezugspunkt wie zum Beispiel
einem Punkt in dem Raum, einen Punkt auf dem Patienten oder einem
Punkt auf dem Instrument dazu verwendet werden, den Zeitpunkt zu
steuern, an welchem Aufnahmen gewonnen werden und eine Sequenz von
zu gewinnenden Aufnahmen entlang mehreren Bilderfassungspfaden zusätzlich zu
den in den 1-5 dargestellten
ermöglichen.
-
Als
eine weitere Alternative kann der C-Arm 12 einen zusammengesetzten
Volumendatensatz aufbauen, der sich entlang eines Patienten über einen
größeren Bereich
als den des Empfängers 34 erstreckt,
wie zum Beispiel entlang der Wirbelsäule eines Patienten. Mehrere
Sätze von
Aufnahmen können
ausgeführt
werden, um ein rechteckiges Volumen aufzubauen, das einen interessierenden
Bereich einschließt,
wie zum Beispiel die vollständige Wirbelsäule, ein
vollständiges
Bein und dergleichen. Beispielsweise kann der C-Arm in der Nähe der Basis der
Wirbelsäule
positioniert werden und über
einen Kreisbahnbewegungsbereich bewegt werden, um einen ersten Satz
von Daten zu erhalten. Typischerweise ist der Empfänger 34 in
der Lage Daten für
einen Bereich von bis zu 23 bis 30,5 cm (9 bis 12 inches) Durchmesser
abhängig
von dem Vergrößerungseffekt
zu sammeln, der durch den Abstand des Patienten von der Röntgenstrahlungsquelle 36 bewirkt
wird. Sobald eine erste Serie von Aufnahmen gewonnen ist, kann der
C-Arm 12 entlang der Wirbelsäule in einem Betrag von weniger
als zu 23 bis 30,5 cm (9 bis 12 inches) so bewegt werden, dass die
neue Position des C-Arm leicht die anfängliche Position des C-Arms 12 überlappt.
Sobald er neu positioniert ist kann der C-Arm in einer neuen Kreisbahnrotation
bewegt werden, um eine zweite Serie von Bildaufnahmen zu gewinnen.
Dieser Vorgang kann falls erforderlich nochmals für einen
dritten Satz von Bildaufnahmen wiederholt werden, bis Information
bezüglich
der vollständigen
Wirbelsäule
gewonnen ist. Die ersten, zweiten (und falls erforderlich dritten)
Sätze von
Aufnahmen für
das Rückgrat
können
kombiniert werden, um ein rechteckiges Volumen aufzubauen, aus welchem
Scheiben erhalten werden.