DE69738156T2 - Verfahren und Gerät zur Aufnahme eines drei-dimensionalen Bildes eines Körperteils - Google Patents

Verfahren und Gerät zur Aufnahme eines drei-dimensionalen Bildes eines Körperteils Download PDF

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufzeichnen eines dreidimensionalen Bildes eines Teils eines Patientenkörpers gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
  • Zum Aufzeichnen dreidimensionaler Bilder eines Teils eines Patientenkörpers sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Dreidimensionale Bilder dieses Typs werden gewöhnlich aus mehreren Flächenabtastungen und Informationen, die die räumliche Beziehung zwischen diesen Abtastungen und/oder zwischen dem Patienten und den Abtastungen beschreiben, erzeugt. Herkömmliche Verfahren basieren z. B. auf den Prinzipien der Computer-Tomographie, NMR-Tomographie, Ultraschallanalyse, Positronenemissionstomographie oder Röntgentechnik. Vor allem beim Aufzeichnen von ausgedehnten Bereichen ist es wichtig, dass der Teil des Körpers fest an seiner Stelle bleibt, da eine Bewegung die Qualität des Bildes beeinträchtigen kann. Jedoch ist eine Immobilisierung der Position eines Körperteils wie etwa des Kopfes des Patienten im Allgemeinen schwierig und/oder wegen invasiver Anbringungen von Kopfringen oder Kopfrahmen unbequem für den Patienten.
  • DE-A-3447365 lehrt ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 8.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren des oben erwähnten Typs zu schaffen, die diese Nachteile wenigstens teilweise beseitigen.
  • Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Durch Messen von Bewegungen, d. h. Positionsänderungen, des Körperteils während der Bilderfassung wird es möglich, die erfassten Bilddaten zu korrigieren. Falls sich der Patient während der Erfassung z. B. bewegt (insbesondere dreht), werden die Bilddaten so korrigiert, dass alle abgetasteten Bilder in dasselbe Koordinatensystem transformiert werden und mit hoher Genauigkeit kombiniert werden können.
  • Vorzugsweise werden die Bewegungen oder Positionsänderungen optisch detektiert, indem z. B. Referenzmarkierungen an dem Körperteil angebracht werden, die von einem Kamerasystem beobachtet werden. Jedoch ist es auch möglich, die Position des Körperteils mittels geeigneter Bildverarbeitungstechniken, d. h. ohne Verwendung von Referenzmarkierungen, direkt zu detektieren. In jedem Fall wird eine optische Positionserfassung wegen ihrer Einfachheit und ihrer hohen Immunität gegenüber dem Rauschen bevorzugt. Jedoch ist es auch möglich, Bewegungen und Positionsänderungen durch andere Mittel, z. B. durch Ultraschalltriangulation, zu erfassen.
  • Vorzugsweise wird eine Referenzvorrichtung an dem zu messenden Körperteil angebracht.
  • Wenn die Messung am Kopf eines Patienten durchgeführt wird, sollte die Referenzvorrichtung an wenigstens einem Zahn des Oberkiefers des Patienten angebracht werden. Weitere Verbindungen zwischen dem Kopf und der Referenzvorrichtung sind nicht erforderlich. Die Referenzvorrichtung kann durch herkömmliches Zahnabdruckmaterial oder durch andere Befestigungsmittel wie etwa Klammern oder Zahnprothesen bei zahnlosen Patienten an dem Oberkiefer befestigt werden.
  • Vorzugsweise umfasst die Referenzvorrichtung ein Mundstück, das in der oben beschriebenen Weise nicht invasiv mit dem Oberkiefer verbunden wird, sowie ein Referenzelement, das an dem Mundstück angebracht werden kann, um von dem Positionsdetektor erfasst zu werden. Das Referenzelement kann in Bezug auf das Mundstück gedreht werden, was für jede Aufzeichnungsgeometrie das Herstellen einer optimalen Orientierung ermöglicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Beziehung der Referenzmarkierungen (d. h. das Koordinatensystem des Positionsdetektors) in Bezug auf den Körperteil (d. h. das Koordinatensystem des dreidimensionalen Bildes oder das Koordinatensystem des Bilderzeugungssystems) zusammen mit dem Bild gespeichert. Dies ermöglicht das spätere Positionieren des Patienten mit Hilfe der Referenzmarkierungen.
  • Weitere Vorteile, Anwendungen und bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Offenbarung einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Die Figuren zeigen:
  • 1 eine Ansicht einer topographischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 2 einen Blockschaltplan der Vorrichtung von 1,
  • 3 eine Referenzvorrichtung im Mund eines Patienten,
  • 4 die Referenzvorrichtung von 3 und
  • 5 eine Ansicht der Vorrichtung von 4 senkrecht zum Mundstück.
  • 1 zeigt eine Anwendung der Erfindung in einem Computer-Tomographen. Der Computer-Tomograph 1 umfasst eine Messzone 2 für die Aufnahme des Kopfes des Patienten 3. Wie noch näher beschrieben wird, trägt der Patient 3 eine Referenzvorrichtung 4 in seinem Mund, deren dreidimensionale Position während des gesamten Bilderfassungsprozesses von drei Kameras 5 überwacht wird.
  • Wie aus 2 ersichtlich ist, sind die drei Kameras 5 mit einer 3D-Erfassungseinheit 6 verbunden. Der Tomograph 1 und die Erfassungseinheit 6 sind mit einer Verarbeitungseinheit 7 verbunden, die die Abtastungen von dem Tomograph zu einem dreidimensionalen Bild zusammenfügt.
  • Wie in den 3–5 gezeigt ist, besteht die Referenzvorrichtung 4 aus einem Mundstück 10 und einem Referenzelement 11. Das Mundstück 10 umfasst eine U-förmige Beißplatte 12, die mit einem L-förmigen Arm 13 verbunden ist. Ein Befestigungsträger 14 ist durch Schrauben 15 mit dem Arm 13 verbunden. Der Träger 14 trägt einen Stab 16 des Referenzelements 11. Der Stab 16 ist in dem Träger 14 drehbar gehalten und kann durch zwei Schrauben 17 gegen eine Derhung fixiert werden. Die verschafft die Möglichkeit, jede Abtastebene des Bilderzeugungssystems wie etwa eine koronale oder eine sagittale Abtastung zu verwenden. An den Enden des Stabs 16 sind zwei seitliche Körper 18 angeordnet, wovon jeder zwei Finger 19 trägt.
  • An den seitlichen Körpern 18 und den Fingern 19 sind vierzehn Infrarotdioden angebracht. Sie werden als Referenzmarkierungen verwendet, wobei ihre Position durch die Kameras 5 und die 3D-Erfassungseinheit 6 gemessen werden kann. Zu diesem Zweck sind die Dioden 20 durch Kabel 21 mit der 3D-Erfassungseinheit 6 verbunden und werden im Multiplexbetrieb angesteuert.
  • Wie aus 5 ersichtlich ist, sind die seitlichen Körper 18 in Bezug auf den Stab 16 etwas geneigt, so dass nicht alle Dioden in derselben Ebene angeordnet sind. Dies erhöht die Genauigkeit der gemessenen Position der Referenzvorrichtung 4.
  • An den seitlichen Körpern 18 sind Referenzpunkte 23, die aus einem Material bestehen, das durch den Tomographen 1 erfasst werden kann, angebracht. Um die Referenzpunkte 23 und die Dioden 20 an den seitlichen Körpern anzuordnen, werden verschiedene Positionen verwendet. Die Funktion der Referenzpunkte 23 wird weiter unten beschrieben.
  • Die Vorrichtung arbeitet wie folgt:
    Vor der Bilddatenerfassung wird die Beißplatte 12 in sich schnell absetzendes Zahnabdruckmaterial eingebettet und in den Mund des Patienten eingeführt. Der Patient beißt auf die Beißplatte 12, bis das Material ausgehärtet ist. Dies schafft eine im Wesentlichen starre Verbindung zwischen der Referenzvorrichtung 4 und den Zähnen des Oberkiefers des Patienten und dadurch zwischen der Referenzvorrichtung 4 und dem Schädel des Patienten. Eine weitere Verbindung zwischen der Referenzvorrichtung und dem Kopf des Patienten ist nicht erforderlich.
  • Danach wird der Stab 16 im Träger 14 in eine Position gebracht, in der die Dioden 20 von den Kameras 5 während der gesamten tomographischen Messung erfasst werden können. Wenigstens drei Dioden sollten sichtbar sein. Der Stab 16 wird dann durch Schrauben 15 befestigt.
  • Nun wird der Patient in den Tomographen 1 eingeführt, wobei mehrere herkömmlicherweise abgetastete Schnittbilder erlangt werden. Bei jedem abgetasteten Bild wird die Position der Dioden und dadurch die dreidimensionale Orientierung der Referenzvorrichtung 4 in Bezug auf das Kamerasystem gemessen.
  • Die Positionen beider seitlicher Körper 18 kann unabhängig gemessen werden, um eine Relativbewegung der seitlichen Körper 18 und dadurch eine Verformung der Geometrie der Referenzvorrichtung 4 zu erfassen.
  • Ferner kann durch Infrarotdioden 8 (2) die Bewegung des Tischs, der den Patienten trägt, bestimmt werden.
  • Dies verschafft die folgenden Daten:
    • 1. Alle abgetasteten Bilder, die die Referenzpunkte 23 zeigen, ermöglichen die Bestimmung der Position der Abtastebene des Bilderzeugungssystems in Bezug auf das Kamerasystem, d. h. der Beziehung des Koordinatensystems des Tomographen 1 in Bezug auf das Koordinatensystem der 3D-Erfassungseinheit 6. (Alternativ kann auch von einer früheren Kalibrierung die Position der Abtastebene des Bilderzeugungssystems in Bezug auf das Kamerasystem bekannt sein, wobei in diesem Fall die Referenzpunkte 23 nicht erforderlich sind.)
    • 2. Wie oben erwähnt worden ist, wird die 3D-Position der Referenzvorrichtung 4 für jedes von dem Tomographen abgetastete Schnittbild aufgezeichnet. Dies macht es möglich, alle translatorischen Bewegungen und Drehbewegungen des Patienten in Bezug auf das Koordinatensystem des Tomographen zu berechnen, d. h., dass die relative Position des Kopfes des Patienten in Bezug auf den Tomographen bekannt ist. Die entsprechenden Informationen werden für jedes abgetastete Bild gespeichert.
  • Die unter Punkt 2 gespeicherten Informationen ermöglichen der 3D-Verarbeitungseinheit 7 das Zusammenfügen der Schnittbilder zu einem hochqualitativen und präzisen dreidimensionalen Bild, das die Kopfbewegungen des Patienten berücksichtigt.
  • Das dreidimensionale Bild wird zusammen mit Informationen, die die relative Position der Referenzvorrichtung 4 in Bezug auf das dreidimensionale Bild beschreiben (d. h. die relative Position der Referenzvorrichtung 4 in Bezug auf den Kopf des Patienten angeben), gespeichert.
  • Nach der Messung wird die Referenzvorrichtung 4 von den Zähnen des Patienten entfernt. Solange das ausgehärtete Abdruckmaterial an der Beißplatte bleibt, kann jedoch die Referenzvorrichtung noch immer in derselben Position an den Zähnen des Oberkiefers des Patienten angefügt sein. Da Informationen, die die relative Position der Referenzvorrichtung 4 in Bezug auf das Koordinatensystem des 3D-Bildes angeben, zusammen mit dem 3D-Bild gespeichert worden ist, kann die Position des Kopfes des Patienten sofort bestimmt werden, wenn die Referenzvorrichtung erneut angebracht wird. Diese kann z. B. verwendet werden, wenn der Patient mehrere Tage nach der Bilddatenerfassung einer chirurgischen Behandlung unterzogen wird. Die Referenzvorrichtung wird wiederum in den Mund der Patienten eingeführt, wobei das 3D-Erfassungssystem des Chirurgen ihre Position bestimmen kann. Das gleiche 3D-Erfassungssystem kann z. B. auch dazu verwendet werden, die Position von chirurgischen Instrumenten zu messen und diese dem 3D-Bild des Kopfes des Patienten zu überlagern.
  • Vorzugsweise können das Mundstück 10 und das Referenzelement 11 voneinander getrennt werden, so dass nach dem Erstellen des tomographischen Bildes das Referenzelement 11 für andere Patienten verwendet werden kann. Das an den Patienten angepasste Mundstück wird aufbewahrt und kann während einer späteren chirurgischen Behandlung erneut mit dem Referenzelement verbunden werden. Zu diesem Zweck sind die Teile so gestaltet, dass die relative Position zwischen dem Referenzelement 11 und dem Mundstück 10 genau wiederhergestellt werden kann.
  • Das hier beschriebene Konzept ermöglicht die Erzeugung von dreidimensionalen Bildern mit hoher Genauigkeit, wobei es das Immobilisieren der Position des Kopfes (oder eines anderen Körperteils) während der Bilderfassung und der chirurgischen Behandlung erübrigt. Durch die ständige Messung der Kopfposition während der Erfassung können Bewegungen des Patienten kompensiert werden.
  • Zusätzlich zu den oben erwähnten Infrarotdioden kann ein weiterer Satz von Dioden 9 (2) an dem Tomographen angebracht sein, um die Abtastebene zu markieren und ihre Position zu bestimmen. Sie können zum Messen der Neigung des Tomographen und/oder zum Bestimmen der relativen Position zwischen Kameras und dem Tomographen (d. h. der Beziehung zwischen dem Koordinatensystem der 3D-Erfassungseinheit und dem Tomographen) verwendet werden.
  • Dieses Grundkonzept kann auch durch Mittel verkörpert sein, die sich von den bisher beschrieben unterscheiden. Beispielsweise ist es möglich, den Entwurf der Referenzvorrichtung 4 zu variieren. In Abhängigkeit von der gewünschten Genauigkeit der 3D-Erfassungseinheit kann die Referenzvorrichtung 4 kompakter sein und z. B. die Form eines Schnullers haben, der an einem oder mehreren Zähnen des Oberkiefers angebracht wird.
  • Anstatt Zahnabdruckmaterial zum Anbringen der Referenzvorrichtung zu verwenden, können geeignete Klammern oder andere Mittel wie etwa Zahnprothesen verwendet werden.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird die Position der Referenzvorrichtung 4 anhand der Position der Dioden 20 bestimmt. Es kommt jedoch in Betracht, keine aktiven Komponenten an der Referenzvorrichtung 4 anzuordnen und ihre Position durch Verarbeitung der Bilder von den Kameras 5 zu bestimmen. Die Position des Kopfes kann ebenfalls direkt, ohne die Referenzvorrichtung 4 zu verwenden, gemessen werden, indem sie durch mehrere Kameras aufgezeichnet wird und ihre Position durch Bildverarbeitung berechnet wird.
  • Das Bestimmen der Position durch optische Mittel wird bevorzugt, weil optische Signale die Funktionsweise des Tomographen nicht stören. Ferner ist sie schnell und erlaubt z. B. das Erfassen einer Bewegung während des Erlangens eines einzelnen Schnittbildes in einem kurzen Zeitintervall, wobei, falls erforderlich, das abgetastete Bild in seiner Position korrigiert und/oder erneut abgetastet werden kann.
  • Es ist jedoch möglich, eine Positionsmessung auf Grundlage von nicht optischen Verfahren wie etwa der Ultraschalltriangulation oder der Funktriangulation auszuführen.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird die Erfindung bei einem Computer-Tomographen angewandt, jedoch kann sie auch bei anderen 3D-Bilderzeugungstechniken für Körperteile, z. B. bei der NMR-Tomographie, den Ultraschall-Abtasttechniken, der Angiographie, der Positronenemissionstomographie, den nuklearmedizinischen Bilderzeugungsverfahren, der planaren Radiographie usw. verwendet werden.
  • In allen diesen Fällen bildet der Tomograph (die Bilderfassungsvorrichtung) einen ersten Detektor, der während eines längeren Zeitintervalls einzelne Abtastungen erlangt, aus denen Abtastungen der vollständigen dreidimensionalen Bilder zusammengefügt werden können. Gleichzeitig wird unabhängig von dem ersten Detektor ein zweiter Detektor verwendet, um die Position des Kopfes (oder eines anderen zu betrachtenden Körperteils) ständig zu messen und aufzuzeichnen. Die in dieser Weise wiedergewonnen Positionsdaten werden zum Korrigieren (falls erforderlich) der Daten von dem ersten Detektor und zum Erzeugen des dreidimensionalen Bildes verwendet.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Aufzeichnen eines dreidimensionalen Bildes eines Teils eines Patientenkörpers, wobei mehrere einzelne Abtastungen, die durch einen ersten Detektor (1) erhalten werden, zu einem dreidimensionalen Bild zusammengefügt werden, wobei während des Erhaltens der Abtastungen Bewegungen des Körperteils durch wenigstens einen zweiten Detektor (5, 6) detektiert werden und die detektierten Bewegungen kompensiert werden, wenn die einzelnen Abtastungen zusammengefügt werden, wobei mit dem Körperteil Referenzmarkierungen (20) verbunden werden, bevor die Abtastungen erhalten werden, und die Position der Referenzmarkierungen (20) durch den zweiten Detektor (5) detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass Informationen, die die räumliche Beziehung der Referenzmarkierungen (20) zu dem Körperteil definieren, zusammen mit dem dreidimensionalen Bild gespeichert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungen optisch detektiert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzmarkierungen (20) an einer Referenzvorrichtung (4) angebracht sind, die ihrerseits an dem Körperteil angebracht ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Körperteil ein Kopf ist und dass die Referenzvorrichtung (4) wenigstens an einem Zahn oder einem Zahnersatz des Oberkiefers und vorzugsweise an keinen weiteren Teilen des Kopfes angebracht ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Markierungen (23), die durch den ersten Detektor (1) detektiert werden können, an der Referenzvorrichtung (4) angeordnet sind, wobei diese Markierungen (23) verwendet werden, um die relative Position zwischen dem ersten Detektor (1) und dem zweiten Detektor (5, 6) zu bestimmen.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Detektor (1) ein Tomograph, vorzugsweise ein NMR- oder ein Röntgenstrahl-Tomograph, insbesondere ein Computer-Tomograph, ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Patient auf einem Tisch ruht, wobei die Bewegung des Tisches aufgezeichnet wird.
  8. Vorrichtung zum Aufzeichnen eines dreidimensionalen Bildes eines Teils eines Patientenkörpers mittels eines ersten Detektors (1) zum Erhalten einzelner Abtastungen des Körperteils, mit einer Verarbeitungseinheit (7), um die einzelnen Abtastungen zu dem dreidimensionalen Bild zusammenzufügen, und einem zweiten Detektor (5, 6), um Änderungen der Position des Körperteils zu messen, während die einzelnen Abtastungen erhalten werden, wobei die Ergebnisse des zweiten Detektors (5, 6) der Verarbeitungseinheit (7) zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit so beschaffen ist, dass sie Informationen speichert, die die räumliche Beziehung der Referenzmarkierungen (20) zu dem Körperteil zusammen mit dem dreidimensionalen Bild definieren.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Detektor (5, 6) optische Detektoren, vorzugsweise mehrere Kameras (5) umfasst und/oder dass der erste Detektor (1) ein Tomograph, insbesondere ein NMR- oder Röntgenstrahl-Tomograph oder ein Computer-Tomograph ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine Tisch-Messeinheit, um eine Bewegung eines Tisches der Vorrichtung zu detektieren.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie Markierungen (9) umfasst, die in einer definierten Beziehung zu dem ersten Detektor (1) angebracht sind, wobei die Position dieser Markierungen durch den zweiten Detektor detektiert werden kann, um die relative Position zwischen dem ersten Detektor und dem zweiten Detektor zu bestimmen.
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