DE69929026T2

DE69929026T2 - Bildgebungsverfahren für bildgesteuerte chirurgie

Info

Publication number: DE69929026T2
Application number: DE69929026T
Authority: DE
Inventors: Waldemar Zylka; Roland Proksa; P. Willem VAN DER BRUG
Original assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH; Koninklijke Philips NV
Priority date: 1998-05-05
Filing date: 1999-04-22
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2019-04-23
Also published as: EP0999800A1; JP4330181B2; DE69929026D1; CA2296563A1; EP0999800B1; JP2002511015A; WO1999056654A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Bildgebungsmodalität einschließlich eines Abbildungssystems zum Erstellen eines Bildes eines zu untersuchenden Objektes, und eines bildgeführten Operationssystems, wie in Anspruch 1 definiert.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erstellen eines Bildes eines zu untersuchenden Objektes mit Hilfe eines Abbildungssystems, wie in Anspruch 11 definiert.
Abbildungssysteme dieser Art, die für medizinische Zwecke ein Schichtbild eines Untersuchungsbereiches erstellen können, sind beispielsweise Röntgencomputertomographiegeräte, MR-Geräte oder Ultraschallgeräte. Seit kurzem werden Systeme dieser Art auch für bildgeführte Chirurgie verwendet, um chirurgische Instrumente während eines Eingriffs in dem Körper eines Patienten wiederzugeben oder ihnen zu folgen. Die genaue Position der chirurgischen Instrumente kann dann mit Hilfe eines Positionsmesssystems bestimmt werden, das die Position von auf den Instrumenten angebrachten Marken, beispielsweise Licht emittierenden Dioden (LEDs) misst.
Ein Bildgebungsmodalität dieser Art ist besonders geeignet, um in Verbindung mit bildgeführter Chirurgie verwendet zu werden. Das bildgeführte Operationssystem wird verwendet, um während einer Operation einem Anwender, z.B. dem Chirurgen, eine Position und/oder Orientierung eines chirurgischen Instruments innerhalb eines Operationsbereichs im Körper des Patienten zu zeigen Für die Anwendungen ist das zu untersuchende Objekt ein zu untersuchender Patient. Der Patient wird insbesondere so untersucht, dass eine chirurgische Operation so gut wie möglich ausgeführt werden kann. Eine derartige chirurgische Operation ist beispielsweise ein (radiologischer) Eingriff, bei dem ein chirurgisches Instrument in den Körper des Patienten eingebracht wird. Das in den Körper des Patienten eingebrachte chirurgische Instrument kann zur Untersuchung oder zur Behandlung des Patienten eingesetzt werden. Für das Einbringen des chirurgischen Instrumentes werden Bilder verwendet, die vor und/oder während der Operation oder des Eingriffs erstellt werden, beispielsweise Röntgenbilder, Computertomographiebilder oder Magnetresonanzbilder. Das bildgeführte Operationssystem enthält das Positionsmesssystem zum Mes sen der Position und/oder Orientierung des chirurgischen Instrumentes. Das bildgeführte Operationssystem enthält auch den Datenprozessor, der mit einem Computer versehen ist, um entsprechende Positionen in einem betreffenden Bild aus den gemessenen Positionen des chirurgischen Instrumentes abzuleiten. Während der Operation misst das Positionsmesssystem die Position und/oder Orientierung des chirurgischen Instrumentes relativ zum Patienten und der Computer berechnet die der gemessenen Position und/oder Orientierung des chirurgischen Instruments in einem solchen vorher erstellten Bild entsprechende Position und/oder Orientierung. Das genannte vorher erstellte Bild wird auf einem Monitor dargestellt, wobei die tatsächliche Position und/oder Orientierung des chirurgischen Instrumentes darin auch gezeigt werden. Der Chirurg kann das Bild auf dem Monitor betrachten, um die Position des chirurgischen Instrumentes im Operationsbereich zu sehen, ohne dass er direkt Sicht darauf hat. Beispielsweise kann der Chirurg das Bild auf dem Monitor beobachten, um zu bestimmen, wie er das chirurgische Instrument im Operationsbereich ohne großes Risiko einer unnötigen Beschädigung von Gewebe und insbesondere ohne Gefahr einer Beschädigung vitaler Organe bewegen muss.
Ein bildgeführtes Operationssystem dieser Art wird beispielsweise bei der Neurochirurgie verwendet, um während einer Hirnoperation dem Chirurgen genau zu zeigen, wo sich das chirurgische Instrument im Gehirn befindet.
Die Bildgebungsmodalität enthält ein Abbildungssystem. Falls die Bildgebungsmodalität von einer Computertomographie-Einrichtung gebildet wird, enthält das Abbildungssystem eine Röntgenquelle und ein Detektorsystem. Die Röntgenquelle und das Detektorsystem sind in einer Anzahl Orientierungen relativ zu einem zu untersuchenden Patienten angeordnet, um eine Vielzahl von Dichteprofilen zu erfassen. Solche Dichteprofile repräsentieren die Röntgenabsorption in dem zu untersuchenden Patienten in den jeweiligen Orientierungen der Röntgenquelle und des Detektorsystems. Eines oder mehrere Bilder von Querschnitten des zu untersuchenden Patienten werden aus den Dichteprofilen abgeleitet. Falls die Bildgebungsmodalität von einer Magnetresonanzeinrichtung gebildet wird, enthält das Abbildungssystem Empfangsspulen zum Empfang von Magnetresonanzsignalen. Die Magnetresonanzsignale werden durch Spinpolarisation von Atomkernen in dem Patienten mit Hilfe von Magnetfeldern, gefolgt von einer Anregung der Kerne, generiert. Mit dem Zerfall des Kerns vom angeregten Zustand aus geht die Emission von HF-Magnetresonanzsignalen einher. Die Signalpegel der genannten Magnetresonanzsignale repräsentieren Dichten von insbesondere Protonen in dem zu untersuchenden Patienten. Eines oder mehrere Bilder von Querschnitten des zu untersuchenden Patienten werden aus den Magnetresonanzsignalen abgeleitet.
Eine in Verbindung mit einem bildgeführten Operationssystem verwendete Bildgebungsmodalität ist aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 600 610 bekannt.
Die bekannte Bildgebungsmodalität enthält ein Ultaschall-Positionsmesssystem. Ein derartiges Positionsmesssystem misst die tatsächliche Position und/oder Orientierung eines chirurgischen Instrumentes, insbesondere eine Anzeigestiftes. Weiterhin ist der zu untersuchende Patient mit Marken versehen, die in den Schädel des Patienten geschraubt sind. Die Bildgebungsmodalität gibt auch die Marken in dem von dem Bildaufnehmersystem erstellten Bild des Patienten wieder. Das Positionsmesssystem misst die Positionen der Marken. Die Transformation, die die Positionen in dem Koordinatensystem relativ zum Patienten in entsprechende Positionen in dem Koordinatensystem in dem Bild umwandelt, wird aus den gemessenen Positionen der Marken und den Positionen der Bilder der Marken in dem Bild des Patienten abgeleitet. Diese Transformation ermöglicht es, aus der tatsächlich gemessenen Position und/oder Orientierung des chirurgischen Instrumentes die entsprechende Position und/oder Orientierung in dem Bild abzuleiten. Die Position und/oder Orientierung des chirurgischen Instrumentes können in einer Wiedergabe des Bildes des Patienten dargestellt werden. Eine Wiedergabe dieser Art ist beispielsweise das Bild auf dem Monitor, das das Bild des Patienten zusammen mit der aktuellen Position und/oder Orientierung des chirurgischen Instrumentes zeigt.
Ein Nachteil der bekannten Bildgebungsmodalität ist, dass es notwendig ist, den Patienten mit Marken zu versehen, die in den Schädel des Patienten geschraubt werden. Das Anbringen der Marken ist ein zeitraubender Vorgang, der für den Patienten auch ziemlich schmerzhaft ist. WO-A-97-45064 offenbart eine Bildgebungsmodalität nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Bildgebungsmodalität zu schaffen, die zur Verwendung in Verbindung mit bildgeführter Chirurgie geeignet ist und bei der keine gesonderten Marken in oder auf dem Patienten benötigt werden.
Diese Aufgabe wird mit einer erfindungsgemäßen Bildgebungsmodalität gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Positionsmesssystem auch zum Messen der Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems ausgebildet ist und dass der Datenprozessor auch zum Ableiten der Transformation aus der gemessenen Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems ausgebildet ist.
Der Ort des von der Bildgebungsmodalität abgebildeten Gebietes hängt direkt mit der tatsächlichen Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems zusammen. Darüber hinaus wird das von dem Abbildungssystem erstellte Bild auch durch die Einstellung des Abbildungssystems bestimmt. Es hat sich gezeigt, dass es möglich ist, aus der Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems die Transformation zwischen Positionen in dem abgebildeten Gebiet und in dem Bild bei unterschiedlichen Einstellungen des Abbildungssystems abzuleiten. Es ist dann nicht mehr notwendig, Bilder von gesonderten Marken zu verwenden. Die Einstellung des Abbildungssystems betrifft beispielsweise die Projektionsrichtung und die Vergrößerung, mit der das Bild erstellt wird. Das abgebildete Gebiet enthält den Teil des zu untersuchenden Objektes, das abgebildet wird, beispielsweise den zu untersuchenden Patienten. Die Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems werden mit Hilfe des Positionsmesssystems gemessen, beispielsweise indem Bilder davon aus unterschiedlichen Richtungen mit einer Kamera-Einheit aufgenommen werden. Aus den Bildern des Abbildungssystems, wie von der Kamera-Einheit aufgenommen, insbesondere aus den diese Bilder des Abbildungssystems repräsentierenden Bildsignalen, können die Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems und daher das Gebiet im Raum abgeleitet werden, das von dem Abbildungssystem abgebildet wird. Aus der Position des Abbildungssystems einer Computertomographie-Einrichtung kann insbesondere die Position der Abtastebene abgeleitet werden, bei der mit Hilfe der Computertomographie-Einrichtung ein Bild eines Querschnitts des zu untersuchenden Patienten erstellt wird. Wenn die Bildgebungsmodalität eine Computertomographie-Einrichtung ist, ist die Abtastebene das Gebiet im Raum, das von dem Abbildungssystem abgebildet wird. Die Transformation, die Positionen in dem Objekt in entsprechende Positionen in dem mit Hilfe der Bildgebungsmodalität erstellten Bild des Objekts transformiert, kann aus der gemessenen Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems und des zu untersuchenden Objekts abgeleitet werden, insbesondere des zu untersuchenden oder zu behandelnden Patienten. Danach werden auf Basis dieser Transformation aus der gemessenen Position und/oder Orientierung des chirurgischen Instrumentes die entsprechende Position und/oder Orientierung in dem Bild berechnet. Diese berechnete aktuelle Position und/oder Orientierung des chirurgischen Instrumentes werden in dem Bild wiedergegeben, sodass der Chirurg in dem Bild sehen kann, wo genau das chirurgische Instrument sich in dem zu untersuchenden und/oder zu behandelnden Patienten befindet.
Diese und andere Aspekte der Erfindung sollen anhand der folgenden Ausführungsformen, die in den abhängigen Ansprüchen definiert sind, näher erläutert werden.
Vorzugsweise misst das Positionsmesssystem auch die Position und/oder Orientierung des Patienten. So wird erreicht, dass die aus den gemessenen Positionen des Patienten und des Abbildungssystems abgeleitete Transformation die relativen Positionen des Patienten und des Abbildungssystems genau berücksichtigt. Es ist insbesondere möglich, Bewegungen des Patienten relativ zum Abbildungssystem und nachdem die Bilder des Patienten erstellt worden sind, zu berücksichtigen, um die Transformation abzuleiten.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung befindet sich das zu untersuchende Objekt, beispielsweise der zu untersuchende Patient, in einer festen, zuvor bestimmten Position und/oder Orientierung relativ zu dem Positionsmesssystem. Daher ist es nicht notwendig, die Position und/oder Orientierung des Objekts gesondert zu messen. Die Position und/oder Orientierung des zu untersuchenden Patienten relativ zu dem Abbildungssystem folgen eindeutig aus der mit dem Positionsmesssystem gemessenen Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems und den relativen Positionen des Positionsmesssystems und des zu untersuchenden Patienten.
Der abzubildende Teil des Patienten folgt somit aus der gemessenen Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems und der festen geometrischen Beziehung zwischen dem zu untersuchenden Patienten und dem Positionsmesssystem oder der gemessenen Position und/oder Orientierung des zu untersuchenden Patienten; aus der relativen Position und/oder Orientierung des zu untersuchenden Patienten und des Abbildungssystems kann auch abgeleitet werden, wie der genannte Teil abgebildet wird, beispielsweise die Projektionsrichtung und die Vergrößerung des Bildes.
Die feste geometrische Beziehung wird vorzugsweise zwischen dem zu untersuchenden Patienten und der Positionsaufnehmereinheit des Positionsmesssystems hergestellt. Bei der Positionsaufnehmereinheit handelt es sich um den Teil des Positionsmesssystems, das tatsächlich Information hinsichtlich der zu messenden Position und/oder Orientierung aufnimmt. Beispielsweise ist die Positionsaufnehmereinheit die Kamera-Einheit, mit der Bilder des Abbildungssystems aus unterschiedlichen Richtungen erstellt werden. Die Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems werden aus diesen Bildern abgeleitet. Das Positionsmesssystem misst die zu messende Position und/oder Orientierung beispielsweise des Abbildungssystems relativ zur Positionsaufnehmereinheit. Daher genügt es, wenn eine feste geometrische Beziehung zwischen dem zu untersuchenden Patienten und der Positionsaufnehmereinheit besteht, wobei es irrelevant ist, wo andere Teile des Positionsmesssystems, beispielsweise der Datenprozessor, relativ zu dem zu untersuchenden Patienten liegen. Der Datenprozessor leitet beispielsweise die Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems aus Signalen ab, die die mit der Positionsaufnehmereinheit aufgenommene Information repräsentiert. Die Positionsaufnehmereinheit ist vorzugsweise auf dem Objektträger, wie z.B. einem Patiententisch oder Untersuchungstisch, auf dem der zu untersuchende Patient während der Untersuchung oder des chirurgische Eingriffs liegt, montiert oder daran befestigt ist. So wird die feste geometrische Beziehung zwischen der Positionsaufnehmereinheit und dem zu untersuchenden Patienten erhalten.
Die Position und/oder Orientierung eines Rahmens, auf dem das Abbildungssystem montiert ist, können in einfacher Weise gemessen werden. Darüber hinaus besteht eine eindeutige Beziehung zwischen dem Abbildungssystem und dem Rahmen, sodass die Position und/oder Orientierung des Rahmens auch die Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems repräsentieren. Besonders attraktiv ist es, den Rahmen mit einer oder mehreren Strahlungsquellen zu versehen, wie z.B. Lampen, LEDs oder IREDS. Die Position und/oder Orientierung der genannten Strahlungsquellen können sehr einfach von einer CCD-Sensoren enthaltenden Kamera-Einheit aufgenommen werden, indem Bilder der Strahlungsquellen aus unterschiedliche Richtungen aufgenommen werden. In vielen Fällen weist der Rahmen genügend viel Platz auf, um die Strahlungsquellen problemlos zu montieren. Darüber hinaus können die auf dem Rahmen montierten Strahlungsquellen leicht von der Kamera-Einheit beobachtet werden, weil es nie oder nur selten vorkommt, dass der Rahmen und damit die Strahlungsquellen gegenüber der Kamera-Einheit abgeschirmt werden. Außerdem hat sich gezeigt, dass es nicht sehr wichtig ist, wo genau die Kamera-Einheit angeordnet ist, weil die Strahlungsquellen von der Kamera-Einheit von den meisten Positionen aus beobachtet werden können.
Bei einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bildgebungsmodalität ist die Positionsaufnehmereinheit, wie z.B. die Kamera-Einheit, auf dem Abbildungssystem montiert oder daran befestigt. Beispielsweise ist die Kamera-Einheit auf dem Rahmen des Abbildungssystems montiert. Die Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems können durch Aufnehmen der Position und/oder Orientierung eines Signallichtes relativ zum Abbildungssystem mit Hilfe der Positionsaufnehmereinheit bestimmt werden. Dieses Signallicht ist in einer zuvor bestimmten Position und/oder Orientierung in Reichweite der Positionsaufnehmereinheit angeordnet. Die Positionsaufnehmereinheit nimmt dann die Position und/oder Orientierung des Signallichtes relativ zum Abbildungssystem auf. Das Signallicht hat auch eine zuvor bestimmte relative Position und/oder Orientierung in Bezug auf das zu untersuchende Objekt, beispielsweise den zu untersuchenden oder zu behandelnden Patienten, oder die relativen Positionen des Signallichtes und des zu untersuchenden Objekts werden gesondert gemessen. Der Datenprozessor kann in einfacher Weise die Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems in Bezug auf den zu untersuchenden Patienten aus der aufgenommenen relativen Position und/oder Orientierung des Signallichtes und relativen Positionen des Signallichtes und des zu untersuchenden Objekts ableiten. Beispielsweise enthält das Signallicht eine oder mehrere Strahlungsquellen, wie z.B. Lampen, LEDs oder IREDS, die in einer festen Position und/oder Orientierung in gewissem Abstand vom Abbildungssystem angeordnet sind. Die Positionsaufnehmereinheit ist beispielsweise die Kamera-Einheit, die für die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung empfindlich ist. Die Kamera-Einheit ist vorzugsweise auf dem Abbildungssystem oder auf dem Rahmen des Abbildungssystems in solcher Weise montiert, dass die Positionsaufnehmereinheit das Signallicht in praktisch allen machbaren Positionen und/oder Orientierungen des Abbildungssystems geeignet aufnehmen kann.
In der Praxis kann die Transformation zwischen Positionen in dem Bild und Positionen in/auf dem Patienten besonders genau durch Kalibrieren der erfindungsgemäßen Bildgebungsmodalität abgeleitet werden. Während dieser Kalibrierung wird die geometrische Beziehung zwischen dem Rahmen, besonders den auf dem Gehäuse des Rahmens vorgesehenen IREDs, und dem Gebiet, das abgebildet wird, wie z.B. die Abtastebene der Computertomographie-Einrichtung, genau abgeleitet. Hierzu wird ein Kalibrierphantom verwendet. Das Kalibrierphantom enthält Abbildungselemente, die mit Hilfe des Abbildungssystems abgebildet werden können und Aufnehmerelemente, deren Positionen mit Hilfe des Positionsmesssystems gemessen werden können. Weiterhin besteht eine feste geometrische Beziehung zwischen Paaren von Abbildungselementen und Aufnehmerelementen. Die Abbildungselemente sind beispielsweise Röntgenstrahlen absorbierende Stäbe und die Aufnehmerelemente werden von Strahlungsquellen wie z.B. IREDs oder LEDs gebildet, die auf den Röntgenstrahlen absorbierenden Stäben angebracht sind. Beispielsweise ist jedes Mal eine IRED an einem Ende eines der Röntgenstrahlen absorbierenden Stäbe moniert. Um die Bildgebungsmodalität zu kalibrieren, wird mit Hilfe des Abbildungssystems ein Bild des Kalibrierphantoms erstellt, wobei so die Abbildungselemente abgebildet werden. Das Gebiet, das abgebildet wird, besonders die Abtastebene, kann aus den Positio nen der Bilder der Abbildungselemente abgeleitet werden. Beispielsweise nähern sich die Röntgenstrahlen absorbierende Stäbe einander und ist das Kalibrierphantom so positioniert, dass die Röntgenstrahlen absorbierenden Stäbe einander in einer Richtung quer zur Abtastebene nähern. Die Lage der Abtastebene kann so in einfacher Weise aus den Positionen der Röntgenstrahlen absorbierenden Stäbe und aus dem Zwischenraum der Bilder der Röntgenstrahlen absorbierende Stäbe im Bild des Kalibrierphantoms abgeleitet werden. Weiterhin misst das Positionsmesssystem die Positionen der Aufnehmerelemente, wie z.B. der IREDs an den Enden der Röntgenstrahlen absorbierenden Stäbe. Weil zwischen der letzteren und den Aufnehmerelementen eine feste geometrische Beziehung besteht, können die Positionen der Abbildungselemente in einfacher Weise aus den gemessenen Positionen der Aufnehmerelemente abgeleitet werden. Beispielsweise können die Positionen der Röntgenstrahlen absorbierenden Stäbe leicht aus den gemessenen Positionen der IREDs an den Enden der Röntgenstrahlen absorbierenden Stäbe abgeleitet werden. Außerdem misst das Positionsmesssystem die Position des Abbildungssystems, beispielsweise die Positionen der IREDs auf dem Gehäuse des Rahmens. Schließlich bestimmt diese Kalibrierung die Beziehung zwischen den gemessenen Positionen des Abbildungssystems, insbesondere der IREDs auf dem Rahmen, und dem Gebiet, das in der betreffenden gemessenen Position des Abbildungssystems abgebildet wird, besonders der Abtastebene der Computertomographie-Einrichtung. Sobald die Beziehung zwischen der gemessenen Position und dem Gebiet, das abgebildet wird, kalibriert worden ist, genügt es für die Bestimmung der Position der Abtastebene, die Position des Abbildungssystems zu messen und so die Position des abgebildeten Gebietes, beispielsweise der Abtastebene, zu bestimmen. Das Kalibrierphantom wird nach der Kalibrierung nicht mehr benötigt, sodass es aus der Bildgebungsmodalität entfernt wird. Vorzugsweise wird die Bildgebungsmodalität vor Beginn einer chirurgischen Operation, wie z.B. einem radiologischen Eingriff, erneut kalibriert. Es hat sich jedoch gezeigt, dass genaue und zuverlässige Ergebnisse auch erhalten werden, wenn die Bildgebungsmodalität weniger häufig kalibriert wird, beispielsweise einmal am Tag oder sogar nur einmal pro Woche.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems gemessen wird. Bei Anwendung dieses Verfahren ist es nicht notwendig, in oder auf dem Patienten gesonderte Marken anzubringen.
Um einen derartigen Eingriff planen zu können, aber auch, um eine Bestimmung der Position eines Instrumentes während eines solchen Eingriffs zu ermöglichen, ist es notwendig, Schichtbilder des Untersuchungsbereiches zu erstellen, dessen Position im Raum genau bekannt sein muss oder an die Position des Instruments angepasst sein muss.
Der Erfindung liegt auch als Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu verschaffen, bei dem die Position des Schichtbildes in einfacher Weise bestimmt werden kann. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der dargelegten Art gelöst, das die folgenden Schritte enthält:

– Messung der Position des Abbildungssystems mit Hilfe eines Positionsmesssystems,
– Berechnung der Position der Schicht aus der gemessenen Position und aus gespeicherten Kalibrierdaten, die der Position der Schicht relativ zum Abbildungssystem entsprechen.

Gemäß der Erfindung wird die Position der Schicht nicht direkt gemessen, sondern nur die Position des Abbildungssystems (bei einem Computertomographiegerät beispielsweise der Gantry). Aus dieser gemessenen Position und aus zuvor ermittelten und gespeicherten Kalibrierdaten, die der Position der Schicht relativ zu dem Abbildungssystem entsprechen, wird die Position der Schicht berechnet. Wenn die Position der Schicht relativ zu dem Abbildungssystem konstant und z.B. aus den Konstruktionsdaten des Abbildungssystems bekannt ist, lassen sich die Kalibrierdaten sehr einfach Weise angeben.
In der Regel reicht die Stabilität eines Abbildungssystems jedoch nicht aus, um über die gesamte Lebensdauer hinweg eine definierte Position der Schicht relativ zu dem Abbildungssystem zu gewährleisten. Die Kalibrierdaten müssen daher wiederholt ermittelt werden, z.B. im Abstand von Wochen, Tagen oder sogar Stunden. Anspruch 13 beschreibt eine für diese Zwecke geeignete Weiterbildung der Erfindung, die auch dann anwendbar ist, wenn die Position der Schicht relativ zu dem Abbildungssystem gar nicht bekannt ist. Erforderlich ist dazu ein Kalibrierphantom, dessen Bildelemente so konfiguriert sind, dass es im Schichtbild gut wiedergegeben wird und dass seine Position durch die Position der Schicht relativ zum Phantom definiert ist. Das Kalibrierphantom ist mit Marken versehen, die als Aufnehmerelemente wirken, d.h. die Positionen der Marken können mit dem Positionsmesssystem gemessen werden. Ein solches Phantom für ein Computertomographiegerät wird an sich in der europäischen Patentanmeldung EP-B-805 415 beschrieben. Eine Analyse des Schichtbildes ergibt somit die Position der Schicht in Bezug auf das Phantom. Durch Messung der Position des Phantoms und des Abbildungssystems lässt sich dann die Position der Schicht relativ zum Positionsmesssystem bzw. zu dem Abbildungssystem errechnen.
Grundsätzlich wäre es möglich, die Position des Abbildungssystems oder des Phantoms z.B. mit Hilfe eines als Positionsmesssystem dienenden Video-Kamerasystems zu messen, das aus einem oder mehreren Bildern durch automatische Bildanalyse die Position des Abbildungssystems oder des Phantoms ableitet. Einfacher und auch genauer ist jedoch die Positionsmessung gemäß Anspruch 14.
Die Marken können dabei z.B. Miniatur-Spulen sein, die auf elektromagnetischer Basis mit dem Positionsmesssystem zusammenwirken, oder mit Ultraschall detektierbare Marken. Vorzugsweise werden aber in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung optisch wirksame Marken gemäß Anspruch 15 verwendet. Statt der im Anspruch 15 definierten „aktiven" optischen Marken können auch „passive" Marken verwendet werden, z.B. kugelförmige Reflektoren, die das von einem (Infrarot-)Beleuchtungssystem stammende Licht zu dem optischen Positionsmesssystem reflektieren. Solche passiven optischen Marken benötigen keine Stromversorgung.
Wie bereits erwähnt, besteht das Erfordernis nach einer genauen Bestimmung der Position der durch ein Schichtbild abgebildeten Schicht auch bei MR-Geräten oder bei Ultraschallgeräten. Besonders vorteilhaft ist aber die in Anspruch 16 definierte Anwendung bei einem Röntgen-Computertomographiegerät, im folgenden auch als CT-Scanner bezeichnet. Die Ausführungsform nach Anspruch 17 ist für einen CT-Scanner mit einer kippbaren Gantry vorgesehen. Die Ausführungsform nach Anspruch 18 nutzt die Kenntnis der Position der abgebildeten Schicht, um das Abbildungssystem automatisch in eine gegebene Bezugsposition zu führen, die gemäß Anspruch 19 beispielsweise durch die Position eines mit Marken versehenen Instruments voreingestellt sein kann. Das Verlagern der Gantry relativ zum Untersuchungsbereich kann dabei auch dadurch erfolgen, dass der Tisch, auf dem sich der zu untersuchende Patient befindet, relativ zur Gantry verlagert wird.
Anspruch 20 beschreibt eine Einrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren in einem Abbildungssystem durchgeführt werden kann. Diese Anordnung erlaubt die Durchführung des Verfahrens auch bei Abbildungssystemen, deren Konstruktionsdaten nicht bekannt sind, beispielsweise von anderen Herstellern hergestellte Systeme. Anspruch 21 bezieht sich auf die Verwendung einer solchen Einrichtung in einem Abbildungssystem.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Ausführungsform einer Bildgebungsmodalität, d.h. eines mobilen Computertomographiesystems, in dem die Erfindung verwendet wird, und
2 eine andere Ausführungsform einer Bildgebungsmodalität, wiederum ein mobiles Computertomographiesystem, in dem die Erfindung verwendet wird,
3 ein erfindungsgemäßes Computertomographiegerät, zusammen mit einem Phantom und einem Positionsmesssystem,
4 das Phantom,
5 ein Schichtbild eines solchen Phantoms,
6 einen Ablaufplan, der ein Verfahren zum Bestimmen der Kalibrierdaten erläutert, und
7 einen Ablaufplan, der das Erzeugen von Schichtbildern in einer zuvor bestimmten Position erläutert.
1 zeigt eine Ausführungsform einer Bildgebungsmodalität, d.h. eines mobilen Computertomographiesystems, in dem die Erfindung verwendet wird. Die Computertomographie-Einrichtung enthält einen Rahmen 1, in dem eine Röntgenquelle 2 und ein Detektorsystem 3 aufgehängt sind. Der Rahmen hat in der vorliegenden Ausführungsform eine Kreisform. Die Röntgenquelle 2 und das Detektorsystem 3 können zusammen in der Ebene des kreisförmigen Rahmens 1 und um den zu untersuchenden Patienten 10 herum gedreht werden. Der zu untersuchende Patient 10 befindet sich auf einem Untersuchungstisch 7, der als Objektträger dient. Die Röntgenquelle 2 emittiert ein Röntgenstrahlenbündel 22 und das Detektorsystem 3 nimmt aufgrund der lokalen Absorption von Röntgenstrahlen innerhalb des Patienten 10 Dichteprofile auf. Für eine Vielzahl von Richtungen werden jeweilige Dichteprofile aufgenommen, aus denen der Patient mit dem Röntgenstrahlenbündel bestrahlt wird. Eine Rekonstruktionseinheit 20 leitet ein oder mehrere Bilder von Querschnitten des Patienten aus dem Satz Dichteprofile ab. Die Rekonstruktionseinheit 20 berechnet besonders die relativen Dichten im Patienten 10 durch Anwendung einer (inversen) Radon-Transformation auf die Dichteprofile. Die Helligkeitswerte der Bilder der Querschnitte werden aus den relativen Dichten berechnet. Die Bilder werden in einem Bildspeicher 31 gespeichert, der in dem Datenprozessor 5 enthalten ist. Hierzu ist die Rekonstrukti onseinheit 20 mit dem Bildspeicher 31 gekoppelt. Die Computertomographie-Einrichtung ist auch mit Hilfe des Rahmens 1 in einer mobilen Basis 21 montiert. Der Rahmen kann über ein Gelenksystem 23 gekippt werden, wobei so der Winkel der Ebene des Rahmens 1 relativ zum Patienten 10 eingestellt wird.
Der Rahmen 1 ist auch mit einer Anzahl Strahlungsquellen 8 versehen, besonders Infrarotstrahlung emittierenden Dioden (IREDs). Bilder der IREDs 8 werden aus unterschiedlichen Richtungen mit Hilfe einer Kamera-Einheit 4 aufgenommen. Hierzu ist die Kamera-Einheit 4 mit zwei CCD-Bildsensoren 9 versehen, die in einigem Abstand voneinander liegen. Es sei bemerkt, dass Bilder der IREDs 8 auch hintereinander aus unterschiedlichen Richtungen mit einer einzelnen CCD-Bildaufnehmer-Einrichtung aufgenommen werden können. Die Kamera-Einheit 4 ist mit einem Computer 33 in dem Datenprozessor 5 über ein Kabel 32 verbunden. Die Bildsignale, beispielsweise elektronische Videosignale, die die Bilder der IREDS repräsentieren, werden dem Computer 33 über das Kabel 32 zugeführt. Auf Basis der Bildsignale berechnet der Computer 33 die Position und/oder Orientierung des abgebildeten Teil des Patienten und die Transformationsmatrix, die eine Beziehung zwischen einer Position und/oder Orientierung innerhalb des Patienten und der entsprechenden Position und/oder Orientierung im Bild des Querschnitts des Patienten herstellt. Die Kamera-Einheit 4 und der Datenprozessor 5, besonders der Computer 33, bilden einen Teil des Positionsmesssystems, wobei die Positionen und/oder Orientierungen des Abbildungssystems, besonders des Rahmens 1, und des zu untersuchenden Patienten und des chirurgischen Instrumentes gemessen werden.
Der Chirurg oder die den Eingriff vornehmende Person 42, die den Patienten 10 untersucht und/oder behandelt, benutzt ein chirurgisches oder interventionelles Instrument 40, das in den Körper des Patienten eingebracht wird. Das chirurgische Instrument ist auch mit IREDs oder LEDs 41 versehen. Die Kamera-Einheit 4 nimmt Bilder der IREDs 41 auf dem chirurgischen Instrument 40 auf. Auf Basis der Bildsignale der Bilder der IREDs auf dem chirurgischen Instrument und der zuvor berechneten Transformationsmatrix berechnet der Computer 33 die entsprechende Position und/oder Orientierung in dem Bild des Querschnitts. Eine Bildverarbeitungseinheit 34 leitet aus dem betreffenden Bild des Querschnitts aus dem Bildspeicher 31 und der berechneten entsprechenden Position und/oder Orientierung des chirurgischen Instrumentes 40 in dem genannten Bild ab, wobei das verarbeitete Bildsignal das betreffende Bild des Querschnitts zusammen mit der aktuellen Position und/oder Orientierung des chirurgischen Instrumentes in dem Patienten repräsentiert. Das Bildsignal aus der Bildverarbeitungseinheit 34 wird dem Monitor 6 zugeführt, um das Bild des Patienten zusammen mit der aktuellen Position und/oder Orientierung des chirurgischen Instrumentes 40 darzustellen. Der Chirurg kann den Monitor beobachten, um zu sehen, wo im Körper des Patienten das chirurgische Instrument 40 sich befindet.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Bildgebungsmodalität, die wiederum ein mobiles Computertomographiesystem ist, in dem die Erfindung verwendet wird. Die Kamera-Einheit 4 mit zwei CCD Bildsensoren 9 ist auf dem Rahmen 1 der Computertomographie-Einrichtung der in 2 gezeigten Ausführungsform montiert. Ferner ist das Signallicht 11 auf dem Objektträger, nämlich dem Patiententisch 7 angeordnet. Das Signallicht 11 enthält eine Anzahl Strahlungsquellen 12, die Strahlung aussenden, für die die CCD-Bildsensoren 9 empfindlich sind. Die Strahlungsquellen 12 sind vorzugsweise IREDs oder LEDs, aus denen mit für Infrarotstrahlung empfindlichen Bildsensoren 9 Bilder aus unterschiedlichen Richtungen erstellt werden. Die Kamera-Einheit 4 ist mit dem Computer 33 gekoppelt. Die Kamera-Einheit 4 führt dem Computer 33 Bildsignale zu, die die Bilder des Signallichtes 11 repräsentieren. Auf Basis dieser Bildsignale berechnet der Computer 33 die Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems, besonders des Rahmens 1, relativ zu dem Signallicht 11. Der Computer 33 leitet die Transformation, die die Beziehung zwischen Positionen in dem zu untersuchenden Patienten und den entsprechenden Positionen in dem vom Abbildungssystem aufgenommenen Bild des Patienten verschafft, aus der Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems relativ zu dem Signallicht 11 und der Position und/oder Orientierung des zu untersuchenden Patienten relativ zu dem Signallicht 11 ab. Ferner misst das Positionsmesssystem die aktuelle Position und/oder Orientierung des chirurgischen Instrumentes 40 durch Aufnehmen von Bildern der IREDs 41 auf dem chirurgischen Instrument 40 aus unterschiedlichen Richtungen mit Hilfe der Kamera-Einheit 4. Der Computer 33 berechnet die aktuelle Position und/oder Orientierung des chirurgischen Instrumentes aus den Bildern der IREDs 41, die auf dem chirurgischen Instrument montiert sind. Auf Basis der Transformation wird die entsprechende Position und/oder Orientierung in dem Bild des Patienten aus der aktuellen Position und/oder Orientierung des chirurgischen Instrumentes berechnet. Ferner erstellt die Bildverarbeitungseinheit 34 ein Bildsignal, das das Bild des Patienten repräsentiert, in dem die aktuelle Position und/oder Orientierung des chirurgischen Instrumentes wiedergegeben werden. Dieses aus der Bildverarbeitungseinheit kommende Bildsignal wird dem Monitor 6 zugeführt, um das Bild des Patienten zusammen mit der aktuellen Position und/oder Orien tierung des chirurgischen Instrumentes in dem Patienten darzustellen, sodass der Chirurg 42 den Monitor 6 beobachten kann, um zu sehen, wo in dem Patienten sich das chirurgische Instrument befindet.
3 zeigt einen CT-Scanner mit einer Gantry 1 und dem Patiententisch 7, dessen Tischplatte in ihrer Längsrichtung mittels eines Motors 88 verlagerbar ist. Innerhalb der Gantry 1 befinden sich (nicht abgebildet) eine Röntgenquelle, die ein fächerförmiges Röntgenstrahlenbündel erzeugt, und ein Röntgenbilddetektor, der die Intensität des Röntgenstrahlenbündels jenseits des Untersuchungsbereichs detektiert. Eine Steuer- 25 und Recheneinheit 20 zur Rekonstruktion steuert den CT-Scanner und rekonstruiert aus den von dem Röntgendetektor gelieferten Daten ein oder mehrere Schichtbilder, wobei die Position dieser Schichtbilder durch die Bewegungsbahn der Röntgenquelle oder des Röntgendetektors definiert ist. Diese Schichtbilder können auf dem Monitor 11 dargestellt werden. Wie durch den Pfeil 99 angedeutet, kann die Gantry 1 um eine horizontale, zur Längsrichtung des Tisches 7 senkrecht stehende Achse gekippt werden, sodass Schichtbilder von im Raum schräg liegenden Schichten erstellt werden können.
An der Gantry 1 sind Aufnahmeelemente, wie z.B. Strahlungsquellen, die als Marken fungieren, in Form von Licht emittierenden Dioden 8 befestigt. Die Position der Marken 8 und damit auch die Position der Gantry kann mit einem optischen Positionsmesssystem 4, 5 gemessen werden, das mit Hilfe der Kameraeinheit 4, die zwei Kameras aufweist, die Marken 8 auf der Gantry 1 detektiert und aus deren Position in den von den Kamerasystemen aufgenommenen Bildern automatisch deren Position in einem mit dem Positionsmesssystem 4, 5 verbundenen Koordinatensystem x_s, y_s und z_s ermittelt.
Um die Position der mit dem CT-Scanner abgebildeten Schicht genau bestimmen zu können, werden zunächst Kalibrierdaten ermittelt, die der Position der Schicht relativ zu den Marken 8 auf der Gantry entsprechen. Aus diesen Kalibrierdaten und aus der Position der Marken 8 auf der Gantry kann bei einer späteren CT-Untersuchung die genaue Position der wiedergegebenen Schicht im Raum bzw. relativ zum Positionsmesssystem berechnet werden. Das Kalibrierverfahren wird jetzt anhand des in 6 dargestellten Ablaufplans näher erläutert:
Nach der Initialisierung 100 wird im Schritt 101 ein geeignetes Kalibrierphantom 44 in der Gantry 1 platziert. Dieses Phantom ist so gestaltet, dass ein CT-Bild einer Schicht dieses Phantoms in einem eindeutigen Zusammenhang mit der Position der Schicht in bezug auf dieses Phantom steht. Das Phantom kann beispielsweise ein Kunst stoffquader sein, dessen vier Seitenflächen gleichartige ebene Strukturen 66 aus Stäben (z.B. aus Metall) mit hohem Absorptionsvermögen für Röntgenstrahlung enthalten. Diese Stäbe fungieren als die Abbildungselemente, die von dem Abbildungssystem des CT-Scanners abgebildet werden können. Diese Strukturen können durch zwei X-förmig (aber auch N-, Z- oder V-förmig) sich kreuzende Stäbe gebildet werden, deren freie Enden durch zwei zueinander und zu den Kanten des quaderförmigen Körpers 44 parallele Stäbe miteinander verbunden sind. An dem Phantom, beispielsweise an seinen Ecken, sind Marken 5 in Form von Licht emittierenden Dioden angebracht, deren Position in Bezug auf die Strukturen 6 genau definiert und bekannt ist. Wenn daher die Position der Marken 55 an dem Phantom 44 mit Hilfe des Positionsmesssystems gemessen worden ist, lässt sich die genaue Position der Strukturen 66 angeben.
Auf die genaue Positionierung des Phantoms 44 kommt es nicht an. Wichtig ist nur, dass es so in der Gantry angeordnet wird, dass sich ein Schichtbild von ihm erstellen lässt und dass keiner der Stäbe der Strukturen 66 senkrecht zur Längsrichtung des Tisches 7 verläuft, weil ein so gelegener Stab in einem CT-Bild unter Umständen, falls er nicht zufällig genau in der Schichtebene liegt, gar nicht abgebildet wird. Bei dieser Positionierung des Kalibrierphantoms ist der Kippwinkel, d.h. der Winkel, den die Gantry mit einer senkrechten Ebene einschließt, null.
Im Schritt 102 wird ein CT-Bild erstellt, das von der Position der abgebildeten Schicht in Bezug auf das Phantom abhängig ist. Dies ist deutlich aus 4 ersichtlich, die das Phantom und die Abtastebene darstellt, die auch als durch das CT-Bild wiedergegebene Schichtebene bezeichnet wird und mit E eingezeichnet ist. Wie dargestellt durchstößt jeder Stab der Strukturen 66 die Schichtebene in einem (Durchstoß-)Punkt. Die Durchstoßpunkte jeweils einer der Strukturen in einer Ebene liegen auf einer Geraden, nämlich der Linie, die die Schichtebene E und die Ebene der betreffenden Struktur 66 schneidet. Infolgedessen ergibt sich im Prinzip das in 5 dargestellte CT-Bild, das in der Regel jeweils vier Durchstoßpunkte für jede Struktur enthält.
Wenn die Schnittlinie der Schichtebene E mit der Ebene, in der sich eine der Strukturen befindet, die äußeren Stäbe senkrecht schneidet, dann liegen die inneren Durchstoßpunkte symmetrisch zu den äußeren Durchstoßpunkten auf der gleichen Linie, wie bei der oberen und der unteren Punktelinie in 5 dargestellt. Schneidet die Schichtebene E die äußeren Stäbe hingegen unter einem von 90° verschiedenen Winkel, dann liegen die inneren Durchstoßpunkte unsymmetrisch zu den äußeren Durchstoßpunkten auf der glei chen Linie, wie bei der linken und bei der rechten Punktelinie in dem CT-Bild von 5. Je dichter die beiden inneren Durchstoßpunkte zusammenliegen, desto geringer ist der Abstand der Ebene E von dem Kreuzungspunkt der schräg zu den Kanten des Phantoms verlaufenden Stäbe. Wenn die Ebene genau durch den Kreuzungspunkt verläuft, fallen die beiden inneren Durchstoßpunkte zusammen, und das CT-Bild hat dann nur noch drei Punkte auf einer Linie.
Die vorstehenden Überlegungen zeigen, dass aus dem CT-Bild die Position der Schicht in Bezug auf den Phantom ermittelt werden kann. Demgemäß wird im Schritt 103 die Position aller Durchstoßpunkte im CT-Bild vorzugsweise automatisch durch ein geeignetes Bildverarbeitungsverfahren ermittelt. Aus diesen Positionen im zweidimensionalen CT-Bild und der bekannten Geometrie des Phantoms 44 bzw. der Strukturen 66 wird die Position von mindestens drei die Ebene E definierenden Durchstoßpunkten dreidimensional in einem fest mit dem Phantom verbundenen Koordinatensystem x_p, y_p, z_p ermittelt. Im nächsten Schritt 104 wird mit dem Positionsmesssystem 4, 5 die Position der Marken 8 und 55 gemessen. Diese Position ergibt sich somit in einem mit dem Positionsmesssystem verbundenen Koordinatensystem x_s, y_s, z_s.
Da die Position der Marken 55 am Phantom 44 in einem mit dem Phantom verbundenen Koordinatensystem x_p, y_p, und z_p von vornherein bekannt ist und da die Position der Marken 55 zugleich auch mit dem Positionsmesssystem 4, 5 in dem damit verbundenen Koordinatensystem x_s, y_s, z_s gemessen worden ist, wird im Schritt 105 die zuvor (im Schritt 103) schon im Koordinatensystem des Phantoms x_p, y_p, z_p ermittelte Position der Schichtebene E zunächst in dem mit dem Positionsmesssystem verbundenen Koordinatensystem x_s, y_s und z_s berechnet. Durch einen Abgleich mit den zuvor gemessenen Positionen der Marken 8 auf der Gantry wird dann die Schichtebene E relativ zur Gantry ermittelt, d.h. in einem mit der Gantry fest verbundenen Koordinatensystem x_g, y_g und z_g. Diese Koordinaten werden als Kalibrierdaten im Schritt 105 gespeichert.
Wenn bei einer späteren CT-Untersuchung die Gantry wieder, wie bei diesem Kalibrierschritt, senkrecht steht, ist somit die Position der Ebene E in Bezug auf die Gantry oder in Bezug auf die Marken auf der Gantry bekannt. Da die Lage der Gantry im Raum bzw. in Bezug auf das Positionsmesssystem mit diesem gemessen werden kann, muss dann lediglich die Position der Marken 8 auf der Gantry gemessen werden, um die Lage der Schichtebene im Raum bestimmen zu können.
Im Schritt 106 erfolgt eine Abfrage, ob der maximale Kippwinkel der Gantry schon erreicht ist. Ist dies nicht der Fall, wird der Kippwinkel α um ein Inkrement d geändert, und die Schritte 102 ... 105 werden erneut durchlaufen, wobei für diesen Kippwinkel die Position der Schichtebene in Bezug auf das mit der Gantry verbundene Koordinatensystem x_g, y_g, z_g gespeichert wird. Wenn der maximale Kippwinkel nach mehreren Durchläufen der Schleife 102 bis 106 erreicht ist, ist das Kalibrierverfahren abgeschlossen.
Es sei angenommen, dass zu einem späteren Zeitpunkt die Schichtebene des CT-Scanners so nachgeführt werden soll, dass ein in den Untersuchungsbereich eingeführtes chirurgisches Instrument genau in der Schichtebene liegt. Das hierfür erforderliche Verfahren, das die genaue Kenntnis der Lage der Schichtebene voraussetzt, wird anhand des in 7 wiedergegebenen Ablaufplans erläutert.
Nach der Initialisierung 200 wird im Schritt 201 mit dem Positionsmesssystem die Position des (nicht abgebildeten) chirurgischen Instruments mit Hilfe der daran befestigten Marken in Form von LEDs ermittelt. Aus der im Schritt 201 ermittelten Position des Instruments wird im Schritt 202 in einem mit dem Positionsmesssystem verbundenen Koordinatensystem die Position und die Orientierung einer Schichtebene ermittelt, die das chirurgische Instrument enthalten würde.
Im Schritt 203 wird zunächst die Position M(x_s, y_s, z_s) der Marken auf der Gantry ermittelt (dieser Schritt könnte entfallen, wenn sichergestellt ist, dass das Positionsmesssystem und die Gantry seit der Kalibrierung nicht verschoben worden sind). Aus der Messung der Position der Marken 8 auf der Gantry wird im Schritt 203 außerdem die Position der Schichtebene errechnet, die sich aus der momentanen Position der Gantry ergibt. Die Gantry kann dann im Schritt 204 gekippt und manuell oder automatisch in Längsrichtung verschoben werden, bis die Schichtebene mit der durch das Instrument definierten Ebene zusammenfällt. Anstatt die Gantry zu verschieben, kann mittels des Motors 88 auch die Tischplatte des Patiententisches verschoben werden.
Danach wird im Schritt 205 ein CT-Bild erstellt, das das chirurgische Instrument vollständig wiedergibt. Danach ist das Verfahren beendet (206).
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren keinerlei Kenntnisse der Konstruktionsparameter des CT-Scanners voraussetzt. Mit den gleichen Requisiten (Positionsmesssystem, Phantom, Marken) lässt sich mit dem anhand von 6 und 7 erläuterten Verfahren daher auch die Schichtebene bei einem CT-Scanner eines beliebigen Fabrikats bestimmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur bei der Erstellung einzelner CT-Schichtbilder anwendbar, sondern auch bei der sogenannten Spiral-CT, bei der die Röntgenquelle und der Röntgendetektor fortlaufend in der Gantry rotieren und die Gantry und der Patiententisch relativ zueinander verlagert werden. Dabei wird nicht nur eine einzelne Schicht wiedergegeben, sondern ein ganzes Volumen durch eine Serie von Schichten. Die Position dieses Volumens lässt sich mit einer einzigen Messung ermitteln, wenn zusätzlich die zeitliche Position der Messung innerhalb der Spiral-CT-Untersuchung gemessen wird und wenn die Geschwindigkeit bekannt ist, mit der die Gantry und der Patientenlagerungstisch relativ zueinander verlagert werden.
Obwohl die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem CT- Scanner besonders zum Tragen kommen, ist es nicht auf derartige Abbildungssysteme beschränkt. Es kann auch bei einem Ultraschall-Abbildungssystem angewandt werden. Auch hierbei befindet sich der Ultraschallwandler innerhalb eines Gehäuses, sodass sich die Position der von ihm abgebildeten Schichtebene nicht exakt angeben lässt. Versieht man aber das Gehäuse mit Marken und misst man die Position der Schichtebene relativ zu einem ebenfalls mit Marken versehenen Phantom, dann ist es anschließend möglich, die Position der Schichtebene anhand der Marken auf dem den Ultraschallwandler umgebenden Gehäuse zu ermitteln.
Auch bei MR-Verfahren (MR = Magnetresonanz) ist die Erfindung anwendbar. Da dort auch die Position und die Orientierung einer durch ein MR-Bild wiedergegebenen Schicht mit Hilfe von magnetischen Gradientenfeldern definiert wird, ist es schwierig, die exakte Position der Schichtebene anzugeben. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dies auf einfache Weise möglich. Das Phantom muss in diesem Falle so strukturiert sein, dass der MR-Kontrast der Struktur 66 deutlich von dem MR-Kontrast seiner Umgebung abweicht.

Claims

Bildgebungsmodalität, einschließlich – eines Abbildungssystems (1) zum Erstellen eines Bildes eines zu untersuchenden Objekts (10), das in der Bildgebungsmodalität positioniert ist, und – eines bildgeführten Operationssystems (4, 5, 6), einschließlich – eines Positionsmesssystems (4) zum Messen von Positionen in einem Koordinatensystem relativ zum Objekt, und – eines Datenprozessors (33, 34, 31) zum Ableiten einer Transformation zwischen Positionen in dem Bild des Objekts und entsprechenden Positionen in dem Koordinatensystem relativ zum Objekt, dadurch gekennzeichnet, dass – das Positionsmesssystem (4) auch ausgebildet ist, um die Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems zu messen, und dass – der Datenprozessor ausgebildet ist, die Transformation auch aus der gemessenen Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems und auf Basis einer kalibrierten geometrischen Beziehung (44) zwischen dem Abbildungssystem und einem abgebildeten Gebiet (E) abzuleiten.
Bildgebungsmodalität nach Anspruch 1, bei der das Positionsmesssystem ausgebildet ist, eine Position und/oder Orientierung des Objekts relativ zu dem Abbildungssystem zu messen.
Bildgebungsmodalität nach Anspruch 1, bei der eine feste geometrische Beziehung zwischen dem Objekt und dem Abbildungssystem besteht.
Bildgebungsmodalität nach Anspruch 3, auch einschließlich eines Objektträgers (7) zum Tragen des zu untersuchenden Objekts, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionsmesssystem mit einer Positionsaufnehmereinheit (9) zum Aufnehmen der Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems versehen ist, und dass die Positionsaufnehmereinheit auf dem Objektträger montiert ist.
Bildgebungsmodalität nach Anspruch 1, bei der das Abbildungssystem einen Rahmen enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionsmesssystem ausgebildet ist, die Position und/oder Orientierung des Rahmens zu messen.
Bildgebungsmodalität nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildgebungsmodalität mit einem Signallicht versehen ist, die Position und/oder Orientierung des Signallichtes von der Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems unabhängig ist, und dass das Positionsmesssystem mit einer Positionsaufnehmereinheit versehen ist, wobei die Positionsaufnehmereinheit auf dem Abbildungssystem montiert oder daran befestigt ist und ausgebildet ist, die Position und/oder Orientierung des Signallichtes aufzunehmen.
Bildgebungsmodalität nach Anspruch 1, bei der die Positionsaufnehmereinheit eine Kamera-Einheit enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbildungssystem mit zumindest einer Strahlungsquelle versehen ist, für die die Kamera-Einheit empfindlich ist.
Bildgebungsmodalität nach Anspruch 7, bei der das Abbildungssystem einen Rahmen enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle auf dem Rahmen montiert ist.
Bildgebungsmodalität nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle eine Licht emittierende Diode (LED) oder eine Infrarot emittierende Diode (IRED) ist.
Bildgebungsmodalität nach Anspruch 1, insbesondere eine Computertomographie-Einrichtung oder eine Magnetresonanzbildgebungseinrichtung.
Verfahren zum Erstellen eines Bildes eines zu untersuchenden Objekts mit Hilfe eines Abbildungssystems, bei dem – eine Position und/oder Orientierung in einem Koordinatensystem relativ zu dem Objekt gemessen wird, – eine Transformation zwischen Positionen in dem Bild des Objekts und entsprechenden Positionen in einem Koordinatensystem relativ zu dem Objekt abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems gemessen wird und – die Transformation aus der gemessenen Position und/oder Orientierung des Abbildungssystems und auf Basis einer kalibrierten geometrischen Beziehung zwischen dem Abbildungssystem und einem abzubildenden Gebiet abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 11 zum Erstellen eines Bildes eines zu untersuchenden Objekts mit Hilfe eines Abbildungssystems, welches Abbildungssystem Schichtbilder eines Untersuchungsbereichs erstellt, wobei das abgebildete Gebiet eine Schicht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte enthält: – Berechnung der Position der Schicht aus der gemessenen Position des Abbildungssystems und auf Basis einer kalibrierten geometrischen Beziehung zwischen dem Abbildungssystem und der durch gespeicherte Kalibrierdaten (E(xg, yg, zg)), die der Position der Schicht relativ zum Abbildungssystem entsprechen, repräsentierten Schicht.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte zum Bestimmen der Kalibrierdaten enthält: Erstellung (102) eines Schichtbildes eines Phantoms (44), das eine bekannte Struktur hat, – Bestimmung (103) der Position (E(xp, yp, zp)) der durch das Schichtbild wiedergegebenen Schicht relativ zum Phantom (44), – Messung (104) der Position des Abbildungssystems und des Phantoms mit Hilfe des Positionsmesssystems (4), – Bestimmung (105) der Position der Schicht relativ zum Positionsmesssystem oder zum Abbildungssystem, – Speichern der so gewonnenen Kalibrierdaten (E(xg, yg, zg)).
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es mit dem Positionsmesssystem (4, 5) zusammenwirkende, am Phantom (44) und/oder am Abbildungssystem (1) befestigte Marken (8; 55, 12, 41) zur Bestimmung der Position des Phantomkörpers oder des Abbildungssystems verwendet.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es Licht emittierende Dioden (8; 55, 12, 41) als Marken und ein optisches Positionsmesssystem (4, 5) zum Messen der Position der Marken verwendet.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Abbildungssystem in Form eines Röntgencomputertomographiegerätes verwendet, das eine Gantry (1) enthält, und dass es die Position der Gantry des Röntgencomputertomographiegerätes misst.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Gantry um eine Achse gekippt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte enthält: – Bestimmung und Speicherung jeweiliger Sätze von Kalibrierdaten (E(xg, yg, zg)) für eine Anzahl Kippwinkel (a), – Verwendung des für den betreffenden Kippwinkel (a) bestimmten Satzes von Kalibrierdaten (E(xg, yg, zg)) bei einer späteren Untersuchung, um die Position der Schicht aus den gemessenen Positionen der Marken (8) auf der Gantry (1) zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, in dem die Gantry (1) und/oder ein Patiententisch (3) des Röntgencomputertomographiegerätes relativ zum Untersuchungsbereich verlagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erstellen eines Schichtbildes in einer Bezugsposition die Gantry (1) und/oder der Patiententisch (7) automatisch verlagert wird und die Gantry gegebenenfalls gekippt wird, bis die Bezugsposition und die berechnete Position der Schicht übereinstimmen.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugsposition aus der Position eines in den Untersuchungsbereich eingeführten und mit Marken (41) versehenen Instruments (40) abgeleitet wird.
Bildgebungsmodalität nach Anspruch 1 zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 12, wobei das Abbildungssystem zur Erstellung von Schichtbildern eines Untersuchungsbereiches vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Modalität auch enthält – Mittel zum Berechnen der Position der Schicht aus der gemessenen Position des Abbildungssystems und auf Basis einer kalibrierten geometrischen Beziehung zwischen dem Abbildungssystem und der durch gespeicherte Kalibrierdaten, die der Position der Schicht relativ zum Abbildungssystem entsprechen, repräsentierten Schicht.
Verwendung der Modalität nach Anspruch 20, wobei das Abbildungssystem insbesondere ein Röntgencomputertomographiegerät ist.