EP2917750A1 - Vorrichtung und verfahren zur kalibrierung von trackingsystemen in bildgebungssystemen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur kalibrierung von trackingsystemen in bildgebungssystemen

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EP2917750A1
EP2917750A1 EP13801479.0A EP13801479A EP2917750A1 EP 2917750 A1 EP2917750 A1 EP 2917750A1 EP 13801479 A EP13801479 A EP 13801479A EP 2917750 A1 EP2917750 A1 EP 2917750A1
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EP
European Patent Office
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imaging
marker
tracking
tracking system
systems
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13801479.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Speck
Ilia Kadachevitch
Thomas Ernst
Maxim Zaitsev
Crispin Lovell-Smith
Julian Maclaren
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Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Original Assignee
Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
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Filing date
Publication date
Application filed by Albert Ludwigs Universitaet Freiburg filed Critical Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Publication of EP2917750A1 publication Critical patent/EP2917750A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01R33/44—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
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    • G01R33/56—Image enhancement or correction, e.g. subtraction or averaging techniques, e.g. improvement of signal-to-noise ratio and resolution
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    • G01R33/5673—Gating or triggering based on a physiological signal other than an MR signal, e.g. ECG gating or motion monitoring using optical systems for monitoring the motion of a fiducial marker
    • G—PHYSICS
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    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2270/00—Control; Monitoring or safety arrangements
    • F04C2270/04—Force
    • F04C2270/041—Controlled or regulated

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for calibrating the coordinate systems of imaging systems with a tracking system before or during image data acquisition, e.g. by means of magnetic resonance tomography.
  • Modern methods of medical or biomedical imaging allow detailed imaging of living organisms. Such methods include, but are not limited to, magnetic resonance imaging (MRI), computed tomography CT, and nuclear medical imaging, such as positron emission tomography (PET), single-photon-transmitted computed tomography (SPECT), or intensity modulated radiation therapy (IMRT).
  • MRI magnetic resonance imaging
  • CT computed tomography
  • nuclear medical imaging such as positron emission tomography (PET), single-photon-transmitted computed tomography (SPECT), or intensity modulated radiation therapy (IMRT).
  • PET positron emission tomography
  • SPECT single-photon-transmitted computed tomography
  • IMRT intensity modulated radiation therapy
  • Methods to reduce or eliminate these aberrations by object motion are e.g. the prospective or retrospective motion correction, in which the movement of the measurement object is compensated either during recording by suitable tracking of the measurement field or during image reconstruction and thus even when moving during the measurement images without corresponding aberrations arise, as in the literature 1 -1 1 described.
  • the movement information can be measured either by means of the imaging modality itself, often referred to as "navigators" for example, but this usually entails an extension or disturbance of the measurement.
  • the movement information can be detected optically by a position measuring system or tracking system, for example, and thus the imaging method itself can be carried out without interference.
  • a necessary step is the calibration of the coordinate systems between the imaging system and the position measuring system, including tracers.
  • the spatial transformation transformation and rotation, with a total of six degrees of freedom
  • the two modalities must be exactly determined, as described in the references 5 and 12.
  • an apparatus and method for detecting drift in calibrated medical tracking systems is known in order to locate features related to one or more coordinate systems within a reference coordinate system.
  • a calibrated tracking system is used on which a motion sensor is mounted in order to detect movements of the tracking system. If such movement is detected, a re-calibration of the tracking system is performed.
  • the measurements must be made in multiple positions with high measurement accuracy, i. with regard to the spatial resolution of the imaging modality, and therefore require long measurement times.
  • the calibration can be very time consuming and last up to several hours.
  • the object of the present invention is to achieve a fast and precise calibration of the coordinate systems of imaging stars and tracking systems, without the necessity of measuring an object detectable by both systems in one or more positions.
  • Another concern of the present invention is to avoid the generation of unusable images by object movement during imaging.
  • a device for calibrating tracking systems in imaging systems, for example for MRT or IMRT or CT, at least comprising: a tracking system with a coordinate system,
  • At least one imaging system and
  • At least one first marker which is arranged as a reference marker stationary relative to the imaging system and whose position and orientation are calibrated in a coordinate system of the imaging system.
  • the device comprises at least one tracking system which records the position of one or more markers, characterized by six degrees of freedom for rotation and translation, once or repeatedly.
  • the location of the reference marker relative to the imaging instrument is known by pre-calibration.
  • the tracking system can be recalibrated using the solid marker according to the invention within seconds.
  • an absolute calibration can always be made with the aid of the first marker, which serves as an external marker or reference marker, in order to calibrate the tracking system, wherein the tracking system does not calibrate to the first coordinate system is.
  • the tracking system can be calibrated by the calibrated marker with a position recording in less than 1 sec.
  • An embodiment of the invention provides that the first marker cooperates with the tracking system such that a changing position of the tracking system can be detected during imaging via the tracking system by means of the first marker and the tracking system can be recalibrated.
  • the tracking system can be arranged outside or in particular also within the imaging system. This can be permanent or temporary, i. so also be arranged removable. In this case, therefore, the need for repeated calibration or re-calibration would be required.
  • the tracking system can be arranged according to a further embodiment of the invention outside of the imaging system.
  • At least one of these first markers is a permanently stationary reference point which is mounted and arranged within the imaging system.
  • One or more of these first markers may also be located outside of one or more imaging systems.
  • the first marker may be located outside the imaging system.
  • Stationary with respect to the marker refers to the location immutability of the marker relative to the imaging system. This marker is calibrated by a single exact determination of its position and orientation in the coordinate system of the imaging modality, via a so-called cross-calibration,
  • Additional markers can be mounted on moving objects within the imaging system.
  • a development of the invention provides that at least one second marker is provided for placement on a movable object, such that the position and orientation of the marker in the coordinate system of the tracking system can be detected during the imaging and can be transferred to the coordinate system of the imaging system are.
  • the orientation and position of the image recording can be tracked continuously or at regular intervals during imaging, so that the imaging volume remains stationary relative to the moving measurement object.
  • aberrations are reduced by object movement or avoided.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that a plurality of markers are each arranged in imaging systems such that their position and orientation are calibrated in the coordinate system of the respective imaging system, wherein the position and orientation of the marker disposed on the mobile object from the coordinate system of the imaging system by measuring the position and orientation by means of the tracking system in the coordinate systems of the imaging systems are transferable.
  • picking positions can be automatically transferred from one imaging modality to another without the need for orientation picking.
  • This allows image capturing, e.g. of patients or experimental animals, in exactly the same position and position
  • the coordinates of a pixel, for example, which was detected in an imaging modality, such as the position of a tumor or another lesion can be transmitted to therapy systems, eg, an irradiation apparatus. So far, this external fixations are often used, which force the patient in a predetermined position.
  • this recording of multiple imaging modalities can be made to cover to present the results simultaneously and spatially correctly superimposed.
  • this can be used to combine the different information from different imaging systems for diagnosis, and, on the other hand, the information of one imaging modality can be used to perform interventions during the imaging on another modality.
  • target areas for intervention from a purely diagnostic imaging modality eg tumors measured by MRI, could be transferred to an interventional imaging modality such as intraoperative x-ray or angiography to aid the procedure.
  • the dynamic position of these objects is detected by the tracking system in its internal coordinate system and can e.g. the correction of object movements during image acquisition serve.
  • a fast calibration of the tracking system is possible by a single measurement of the position of the stationary marker with the tracking system. From the coordinates of the marker in the coordinates of the tracking system and the knowledge of the position of the fixed marker in the coordinates of the imaging system, the position of the tracking system in the coordinates of the imaging system can be determined. Since the position measuring system is usually much faster and more accurate than the imaging modality or even the imaging system, this makes a highly precise and even with several measurements extremely fast re-calibration possible.
  • a method for calibrating tracking systems in imaging systems at least comprises the following steps:
  • Provision of at least one first marker which is arranged as a reference marker stationary relative to the imaging system and whose position and orientation has been calibrated in a coordinate system of the imaging system.
  • a further development of the method provides that the marker interacts with the tracking system in such a way that a changing position of the tracking system is detected by the first marker during imaging via the tracking system and the tracking system is recalibrated.
  • the calibration can be carried out as a one-time calibration in the form of a cross calibration of the coordinate system with the coordinates c 0 , C, where c 0 is the translation quaternion and C is the rotation quaternion of the tracking system, the position and orientation r 0 , R of the first marker is stored in the coordinate system of the tracking system and the current position and orientation x 0 , X of the reference point is used in the coordinate system of the tracking system for the calibration, to calculate the current cross-calibration so, S as follows:
  • the stationary reference point is also used during the measurement by means of the imaging modality during which the variable position of a further marker on the imaging object is detected in order to dynamically monitor or correct the calibration.
  • the stationary reference point is also used during the measurement by means of the imaging modality during which the variable position of a further marker on the imaging object is detected in order to dynamically monitor or correct the calibration.
  • this "drift correction" is carried out by fixing the reference marker at a stationary point (mechanically) independently of the imaging modality.This enables the smallest movements of the imaging system itself to be detected and compensated Such movements, such as vibrations, can For example, in magnetic resonance tomographs in measurements with very strong gradient circuits arise, for example in diffusion measurements. The dynamic re-calibration is analogous to the previous variants.
  • this dynamic correction takes place by the reference marker is attached to the imaging modality and the tracking system (mechanical It can also be used to detect any mechanical movement of the
  • a plurality of such stationary markers are mounted in different imaging modalities and precisely measured once, i. calibrated relative to the coordinate system of the imaging modality. Accordingly, in this embodiment of the invention, a plurality of markers are respectively arranged in imaging systems such that their position and orientation have been calibrated in the coordinate system of the respective imaging system, wherein the position and orientation of the marker located on the moving object from the coordinate system of the imaging system into the coordinate systems of Imaging systems are converted.
  • a development of the method provides that at least one second marker is arranged on a movable object, such that the position and orientation of the marker in the coordinate system of the tracking system is detected during the imaging and converted into the coordinate system of the imaging system.
  • the orientation and position of the image acquisition can be tracked continuously or at regular intervals during imaging, so that that the imaging volume remains stationary relative to the moving measurement object.
  • aberrations are reduced by object movement or avoided.
  • FIG. 1 shows schematically an arrangement of a device 1 for calibrating a tracking system in an imaging system
  • Figures 2a, 2b and 2c schematically show an arrangement of several imaging systems with associated coordinate systems.
  • the schematically represented device 1 comprises a tracking system 10, which is arranged in an imaging system 20, for example for MRT.
  • the tracking system 10 has a coordinate system 50.
  • the device has a first marker 70, which is stationary as a reference marker relative to the imaging system 20 ordered and whose position and orientation are calibrated in a coordinate system 60 of the imaging system 20.
  • the tracking system 10 and the first marker 70 are arranged within the imaging system 20.
  • a second marker 30 is provided on a movable object 40 such that the position and orientation of the marker 30 in the coordinate system 50 of the tracking system 10 can be detected during imaging and transmitted to the coordinate system 60 of the imaging system 20.
  • the device 1 for calibrating tracking systems 10 in imaging systems 20a, 20b, 20c for example for MRT or IMRT or CT, may comprise at least the following components: a tracking system 10 having a coordinate system 50,
  • At least one first marker 70a, 70b, 70c which is arranged as a reference marker stationary relative to the imaging system 20a, 20b, 20c and whose position and orientation are calibrated in a coordinate system 60a, 60b, 60c of the imaging system 20a, 20b, 20c,
  • FIGS. 2a, 2b and 2c show schematically an arrangement of several Biid proceedingsssystemeen with associated coordinate systems analogous to Figure 1, wherein in Figures 2a, 2b and 2c the same object 40, each with a first marker 70a, 70b and 70c in different imaging or therapy Modalities 20a, 20b and 20c is examined.
  • a plurality of markers 70a, 70b and 70c are respectively provided in imaging systems 20a, e.g. for MRI, 20b e.g. for CT and 20c e.g. for IMRT but also PET, so that their position and orientation in the coordinate systems 60a, 60b and 60c of the respective Biid suitsssystems 20a, 20b and 20c has been calibrated, the position and orientation of the object marker 30 from the coordinate system 60a of the Biid practicesssystems 20a in the Coordinate systems 60b and / or 60c of the imaging systems 20b and / or 20c can be transmitted.
  • the second marker 30 is mounted on the moving object 40 in such a way that the position and orientation of the marker 30 in the coordinate system 50 of the tracking system 10 during imaging is detected and incorporated into the coordinate system 60a, 60b, 60c of the imaging system 20a. 20b, 20c can be transferred or converted.
  • the first marker 70a, 70b, 70c interacts with the tracking system 10 such that a changing position of the tracking system 10 during imaging via the tracking system 0 can be detected by means of the first marker 70a, 70b, 70c and the tracking system 10 can be recalibrated.
  • the tracking system 10 can in this case be arranged inside or outside the imaging system 20a, 20b, 20c.
  • the first marker 70a, 70b, 70c may be disposed inside or outside of the imaging system 20a, 20b, 20c.
  • a plurality of markers 70a, 70b, 70c are respectively arranged in imaging systems 20a, 20b or 20c such that their position and orientation in the coordinate system 60a, 60b, 60c of the respective imaging system 20a, 20b, 20c
  • the position and orientation of the marker 30 disposed on the movable object 40 can be converted from the coordinate system 60a of the imaging system 20a to the coordinate systems 60b, 60c of the imaging systems 20b, 20c.
  • the imaging modality is inherently different, e.g. MRI, CT,
  • the tracking system can also each be a different or the same and be arranged mobile or stationary within or outside of the imaging system.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kalibrierung der Koordinatensysteme von Biidgebungssystemen mit einem Trackingsystem vor oder während der Bilddatenaufnahme, z.B. mittels Magnetresonanztomographie.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Kalibrierung von Trackingsystemen in Bild- gebungssystemen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kalibrierung der Koordinatensysteme von Bildgebungssystemen mit einem Trackingsystem vor oder während der Bilddatenaufnahme, z.B. mittels Magnetresonanztomographie. Moderne Verfahren der medizinischen oder biomedizinischen Bildgebung ermöglichen detaillierte Abbildungen lebender Organismen. Solche Verfahren beinhalten unter anderem die Magnetresonanztomographie MRT, die Computertomographie CT, und nuklearmedizinische Bildgebung, wie beispielsweise die Positronenemissionstomographie (PET), die Single-Photon-Emitted Computertomographie (SPECT) oder die intensitätsmodulierte Strahlentherapie (IMRT).
Viele dieser Verfahren benötigen lange Messzeiten von vielen Sekunden oder Minuten und sind daher anfällig für Bildquaiitätsverluste durch Bewegung des Messobjektes, des Patienten oder Tieres, durch welche die Aufnahmen unbrauchbar werden können, indem sogenannte„verwackelte Aufnahmen" entstehen.
Methoden, um diese Bildfehler durch Objekfbewegung zu reduzieren oder beheben, sind z.B. die prospektive oder retrospektive Bewegungskorrektur, bei welchen die Bewegung des Messobjektes entweder bereits während der Aufnahme durch geeignete Nachführung des Messfeldes oder während der Bildrekonstruktion kompensiert wird und somit auch bei Bewegung während der Messung Bilder ohne entsprechende Abbildungsfehler entstehen, wie in den Literaturstellen 1 -1 1 beschrieben. Die Bewegungsinformation kann dabei entweder mittels der Bildgebungsmodalität selbst gemessen werden, oftmals beispielsweise als„Navigatoren" bezeichnet. Dies bedingt jedoch zumeist eine Verlängerung oder Störung der Messung.
Alternativ kann die Bewegungsinformation durch ein Positions-Messsystem oder auch Trackingsystem, z.B. optisch erfasst werden und somit das Bildgebungsver- fahren selbst ohne Störung durchgeführt werden. Bei Positionsdetektion durch ein solches System ist ein notwendiger Schritt die Kalibrierung der Koordinatensysteme zwischen dem Bildgebungssystem und dem Positions-Messsystem, auch Tra- ckingsystem genannt. Hierbei muss die räumliche Transformation (Translation und Rotation, mit insgesamt sechs Freiheitsgraden) zwischen den beiden Modalitäten exakt bestimmt werden, wie in den Literaturstellen 5 und 12 beschrieben. Aus EP 1 913 333 B1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen einer Drift in kalibrierten Tracking-Systemen für medizinische Anwendungen bekannt, um Merkmale in Bezug auf ein oder mehrere Koordinatensysteme innerhalb eines Bezugskoordinatensystems lokalisieren zu können. Verwendet wird hierbei ein kalibriertes Trackingsystem, an welchem ein Bewegungssensor montiert ist, um Bewegungen des Trackingsystems zu detektieren. Wird eine solche Bewegung festgestellt, wird eine Re-Kalibrierung des Trackingsystems durchgeführt.
Die gängigen Verfahren zur Kalibrierung der Koordinatensysteme von Tracking- systemen und Bildgebungssystemen beinhalten die Messung eines bekannten, für beide Verfahren sichtbaren Objektes durch beide Systeme, sowohl die Bildge- bungsmodalität als auch das Tracking-System, entweder in nur einer Position oder in verschiedenen Objektpositionen. Die hierbei erreichbare Genauigkeit der Kalibrierung ist von der Messgenauigkeit beider Systeme und der Anzahl der Messungen abhängig. Da ein System und hierbei zumeist das Bildgebungssystem die größeren Messfehler hat und wesentlich langsamer ist, ist durch dieses die Genauigkeit der Prozedur limitiert und die Kalibrierung kann zeitaufwendig sein (Minuten bis zu Stunden).
Die Probleme dieser gängigen Verfahren sind somit:
1 ) Für hohe Genauigkeit müssen die Messungen in mehreren Positionen mit hoher Messgenauigkeit, d.h. bzgl. der räumlichen Auflösung der Bildge- bungsmodalität durchgeführt werden und beanspruchen daher lange Messzeiten.
2) Die Genauigkeit der Kalibrierung ist durch Messfehler beider Systeme limitiert, z.B. durch Fehler in der Abbildungstreue der Bildgebungsmodalität.
3) Die Kalibrierung kann sehr zeitaufwendig sein und bis zu mehrere Stunden andauern.
4) Bei Veränderungen der Systeme sind für eine Re-Kalibrierung erneut alle Messungen mit dem vollen Zeitaufwand notwendig. Unerwünschte Veränderungen der Kalibrierung können sich auch durch langsame Instabilitäten, die sogenannten Drifts im Messsystem ergeben. 5) Die Übertragung der Kalibrierung zwischen unterschiedlichen Bildge- bungsmodalitäten sowie Therapiemodalitäten, z.B. für die Strahlentherapie erfordert erneut den vollen Kalibrierungsaufwand für jede Bildgebungsmo- dalität.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine schnelle und präzise Kalibrierung der Koordinatensysteme von Bildgebungs- sy Sternen und Trackingsystemen zu erreichen, ohne die Notwendigkeit einer Messung eines durch beide Systeme detektierbaren Objektes in einer oder mehreren Positionen.
Ein weiteres Anliegen der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Entstehen unbrauchbarer Aufnahmen durch Objektbewegungen während einer Bildgebung zu vermeiden. Zudem wäre es wünschenswert, mehrere Bildgebungsmodalitäten zur Detektierung von Objekten ohne einen höheren Kalibrieraufwand kombinieren zu können.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 9 gelöst sowie den weiteren vorteilhaften Ausführungsformen ge- mäß den Unteransprüchen.
Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Kalibrierung von Trackingsystemen in Bildgebungssystemen , beispielsweise für MRT oder IMRT oder CT, zumindest umfassend: ein Trackingsystem mit einem Koordinatensystem ,
zumindest ein Bildgebungssystem und
zumindest einen ersten Marker , der als ein Referenzmarker ortsfest relativ zu dem Bildgebungssystem angeordnet ist und dessen Position und Orien- tierung in einem Koordinatensystem des Bildgebungssystems kalibriert sind.
Die Vorrichtung umfasst hierbei zumindest ein Trackingsystem, welches die Position eines oder mehrerer Marker, charakterisiert durch sechs Freiheitsgrade für Rotation und Translation, einmalig oder wiederholt erfasst.
Der Ort des Referenzmarkers relativ zu dem Bildgebungsinstrument ist durch eine Vorkalibrierung bekannt. Wenn beispielsweise ein Kamerasystem, so wie es in vielen Anwendungen gehandhabt wird, an einer Wand oder Decke eines Zimmers montiert ist oder als ein mobiles Trackingsystem ausgeführt ist, kann das Tra- ckingsystem anhand des erfindungsgemäßen festen Markers innerhalb von Sekunden rekalibriert werden. Entgegen der Vorgehensweise in EP 1 913 333 B1 kann mit der vorliegenden Erfindung anhand des ersten Markers, der als externer Markers oder Referenzmarkers dient, immer wieder eine absolute Kalibrierung vorgenommen werden, um das Trackingsystem zu kalibrieren, wobei das Trackingsystem nicht auf das erste Koordinatensystem kalibriert ist. Somit kann das Trackingsystem durch den kalibrierten Marker mit einer Positionsaufnahme in we- niger als 1 sec kalibriert werden.
Neben der schnellen Kalibrierung des Trackingsystems ist auf Grund des kalibrierten Markers zudem eine permanente Re-Kalibrierung des Trackingsystems während der Bildgebungsvorgänge möglich.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der erste Marker derart mit dem Trackingsystem zusammenwirkt, dass eine sich ändernde Position des Trackingsystems während einer Bildgebung über das Trackingsystem mittels des ersten Markers erfassbar und das Trackingsystem rekalibrierbar ist.
Das Trackingsystem kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung außerhalb oder insbesondere auch innerhalb des Bildgebungssystems angeordnet sein. Hierbei kann dieses dauerhaft oder auch temporär, d.h. also auch entfernbar angeordnet sein. In diesem Falle wäre daher die Notwendigkeit der wiederholten Kalibrierung oder auch Re-Kalibrierung erforderlich.
Das Trackingsystem kann nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung außerhalb des Bildgebungssystems angeordnet sein. Mindestens einer dieser ersten Marker ist ein dauerhaft ortsfester Referenzpunkt, der innerhalb des Bildgebungssystems montiert wird und angeordnet ist. Ein oder mehrere dieser ersten Marker können ebenfalls außerhalb eines oder mehrerer Bildgebungssysteme angeordnet sein. Ebenso kann der erste Marker außerhalb des Bildgebungssystems angeordnet sein. Ortsfest in Bezug auf den Marker bezieht sich hierbei auf die Ortsunveränderlich- keit des Markers relativ zum Bildgebungssystem. Dieser Marker ist durch einmalige exakte Bestimmung seiner Position und Orientierung im Koordinatensystem der Bildgebungsmodaiität kalibriert, über eine sogenannte Cross-Kalibrierung,
Weitere Marker können an beweglichen Objekten innerhalb des Bildgebungssys- tems montiert werden.
Demgemäß sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass zumindest ein zwei- ter Marker zur Anordnung an einem beweglichen Objekt vorgesehen ist, derart, dass die Position und Orientierung des Markers in dem Koordinatensystem des Trackingsystems während der Bildgebung erfassbar sind und in das Koordinatensystem des Bildgebungssystems übertragbar sind. Hierdurch kann während der Bildgebung kontinuierlich oder in regelmäßigen Abständen die Orientierung und Position der Bildaufnahme nachgeführt werden, sodass das Bildgebungsvolumen gegenüber dem bewegten Messobjekt ortsfest bleibt. Hierdurch werden Abbildungsfehler durch Objektbewegung verringert oder vermieden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mehrere Marker je- weils in Bildgebungssystemen angeordnet sind, derart dass deren Position und Orientierung in dem Koordinatensystem des jeweiligen Bildgebungssystems kalibriert sind, wobei die Position und Orientierung des am beweglichen Objekt angeordneten Markers aus dem Koordinatensystem des Bildgebungssystems durch Messung der Position und Orientierung mittels des Trackingsystems in die Koordi- natensysteme der Bildgebungssysteme übertragbar sind.
Durch diese Vorrichtung und dieses Verfahren können Aufnahmepositionen automatisch von einer Bildgebungsmodaiität auf eine andere übertragen werden ohne die Notwendigkeit einer Orientierungsaufnahme. Dies ermöglicht Bildaufnahmen, z.B. von Patienten oder Versuchstieren, in exakt identischer Position und
Schichtorientierung zwischen unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten und kann die Untersuchungsdauer verkürzen bzw. die Strahlenexposition verringern. Des Weiteren können hierdurch z.B. die Koordinaten eines Bildpunktes, der in einer Bildgebungsmodaiität erfasst wurde, wie etwa die Position eines Tumors oder ei- ner anderen Läsion, auf Therapiesysteme, z.B. ein Bestrahlungsgerät übertragen werden. Bislang werden hierzu oftmals externe Fixierungen verwendet, welche den Patienten in eine vorgegebene Position zwingen. Weiterhin können hierdurch Aufnahmen mehrerer Bildgebungsmodalitäten in Deckung gebracht werden, um die Ergebnisse simultan und räumlich korrekt überlagert darzustellen. Hiermit kann zum einen die unterschiedliche Information unterschiedlicher Bildgebungssysteme zur Diagnostik kombiniert werden, und zum anderen können die Informationen einer Bildgebungsmodalität zur Durchführung von Interventionen währen der Bild- gebung an einer anderen Modalität genutzt werden. So könnten z.B. Zielregionen für einen Eingriff aus einer rein diagnostischen Bildgebungsmodalität, z.B. Tumore mittels MRT gemessen, auf eine interventionelle Bildgebungsmodalität, wie etwa intraoperatives Röntgen oder Angiographie übertragen werden, um den Eingriff zu unterstützen.
Die dynamische Position dieser Objekte wird durch das Trackingsystem in dessen internen Koordinatensystem erfasst und kann z.B. der Korrektur von Objektbewegungen während der Bildaufnahme dienen. Eine schnelle Kalibrierung des Tra- ckingsystems ist durch eine einzige Messung der Lage des ortsfesten Markers mit dem Trackingsystems möglich. Aus den Koordinaten des Markers in den Koordinaten des Trackingsystems und der Kenntnis der Position des ortsfesten Markers in den Koordinaten des Bildgebungssystems kann die Position des Trackingsystems in den Koordinaten des Bildgebungssystems bestimmt werden. Da das Positionsmesssystem in der Regel sehr viel schneller und genauer ist als die Bildge- bungsmodalität oder auch das Bildgebungssystem, ist hiermit eine hoch-präzise und auch bei mehreren Messungen extrem schnelle Re-Kalibrierung möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Kalibrierung von Trackingsystemen in Bildgebungssystemen , beispielsweise für MRT oder IMRT oder CT, zumindest aufweisend folgende Schritte:
- Bereitstellung eines Trackingsystems mit einem Koo rd i n aten syste m und zumindest
- eines Bildgebungssystems ,
- Bereitstellung von zumindest einem ersten Marker , der als ein Referenz- marker ortsfest relativ zu dem Bildgebungssystem angeordnet wird und dessen Position und Orientierung in einem Koordinatensystem des Bildgebungssystems kalibriert worden ist. Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der Marker derart mit dem Trackingsystem zusammenwirkt, dass eine sich ändernde Position des Trackingsystems während einer Bildgebung über das Trackingsystem mittels des ersten Markers erfasst und das Trackingsystem rekalibriert wird. Die Kalibrierung kann nach einer Ausgestaltung als eine einmalige Kalibrierung in Form einer Cross-Kalibrierung des Koordinatensystems mit den Koordinaten c0, C, wobei c0 das Translationsquaternion und C das Rotationsquaternion ist, des Trackingsystems erfolgen, wobei die Position und Orientierung r0, R des ersten Markers im Koordinatensystem des Trackingsystems gespeichert wird und die aktuelle Position und Orientierung x0, X des Referenzpunktes im Koordinatensystem des Trackingsystems für die Kalibrierung genutzt wird, um die aktuelle Cross-Kalibrierung so, S wie folgt zu errechnen:
S=X RC wobei X das konjugiert Rotationsquaternion des Quatemion X ist und s0= Co+C* r0 C - S* x0 S wobei C* und S* die Konjugierten der Rotationsquaternionen C und S sind.
In einer ersten Variante dieses Verfahrens wird der ortsfeste Referenzpunkt auch während der Messung mittels der Bildgebungsmodalität genutzt, während welcher die veränderliche Position eines weiteren Markers am Bildgebungsobjekt erfasst wird, um dynamisch die Kalibrierung zu überwachen bzw. zu korrigieren. Hierdurch können zeitliche Instabilitäten oder Drifts im Positionsmesssystem erfasst und kompensiert werden. Dies stellt somit eine dynamische Re-Kalibrierung der Koordinatensysteme dar. Bei Annahme der Stationarität des Referenzmarkers wird eine scheinbare Bewegung durch solche zeitlichen Instabilitäten verursacht und kann zur Korrektur genutzt werden.
Zur Driftkorrektur werden die Anfangspositionen (Translationsquaternion) und Ori- entierungen (Rotationsquaternion) des Objektes t0, Tc, und Referenzmarkers do, Do gemessen. Die geometrische Transformation zwischen diesen beiden x0, X ist somit:
X = D* 0 TQ und xc = tc - X* d0 X
Sind tj, Tj und dj, Dj die aktuellen Tracking Daten zum Zeitpunkt j, kann die korrigierte Objektposition tj corr, T, corr berechnet werden als: oorr = Dj D* 0 Tj und tj corr = tj - T* j corrX* (d0 -dj) X Tj corr in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt diese„Driftkorrektur", indem der Referenzmarker an einem stationären Punkt (mechanisch) unabhängig von der Bildgebungsmodalität befestigt wird. Hierdurch können kleinste Bewegungen des Bildgebungssystems selbst erfasst und kompensiert werden. Solche Be- wegungen, etwa Vibrationen, können zum Beispiel bei Magnetresonanztomographen in Messungen mit sehr starken Gradientenschaltungen entstehen, etwa bei Diffusionsmessungen. Die dynamische Re-Kalibrierung erfolgt analog der vorherigen Varianten. In einer alternativen Ausführungsvariante erfolgt diese dynamische Korrektur indem der Referenzmarker an der Bildgebungsmodalität befestig wird und das Tra- ckingsystem (mechanisch) unabhängig von dieser ortsfest montiert wird. Hierdurch kann ebenfalls eine eventuelle mechanische Bewegung des Bildgebungssystems erfasst werden.
In einer weiteren Verfahrensvariante werden mehrere solche stationären Marker in unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten montiert und einmalig exakt eingemessen, d.h. relativ zum Koordinatensystem der Bildgebungsmodalität kalibriert. Demgemäß werden in dieser Ausführungsform der Erfindung mehrere Marker jeweils in Bildgebungssystemen angeordnet , derart dass deren Position und Orientierung in dem Koordinatensystem des jeweiligen Bildgebungssystems kalibriert worden sind, wobei die Position und Orientierung des am beweglichen Objekt angeordneten Markers aus dem Koordinatensystem des Bildgebungssystems in die Koordinatensysteme der Bildgebungssysteme umgerechnet werden.
Durch Nutzung dieser Referenzmarker können Untersuchungen desselben Objektes oder derselben Patienten an mehreren Geräten bzw. Bildgebungssystemen oder Bildgebungsmodalitäten exakt in Übereinstimmung gebracht werden.
Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass zumindest ein zweiter Marker an einem beweglichen Objekt angeordnet wird, derart, dass die Position und Orientierung des Markers in dem Koordinatensystem des Trackingsystems während der Bildgebung erfasst wird und in das Koordinatensystem des Bildgebungs- Systems umgerechnet wird.
Hierdurch kann während der Bildgebung kontinuierlich oder in regelmäßigen Abständen die Orientierung und Position der Biidaufnahme nachgeführt werden, so- dass das Bildgebungsvolumen gegenüber dem bewegten Messobjekt ortsfest bleibt. Hierdurch werden Abbildungsfehler durch Objektbewegung verringert oder vermieden. Beispielhaft werden Ausführungsformen der Erfindung in den nachfolgenden Figuren dargestellt und näher beschrieben, wobei die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist.
Es zeigen:
Fig. 1 : schematisch eine Anordnung einer Vorrichtung 1 zur Kalibrierung eines Trackingsystems in einem Bildgebungssystem und die
Fig. 2a, 2b und 2c: schematisch eine Anordnung mehrerer Bildgebungssysteme mit zugehörigen Koordinatensystemen.
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet. Gemäß Figur 1 umfasst die schematisch dargestellte Vorrichtung 1 ein Tracking- sy stemen 10, welches in einem Bildgebungssystem 20, beispielsweise für MRT angeordnet ist. Das Trackingsystem 10 hat ein Koordinatensystem 50. Zudem weist die Vorrichtung einen ersten Marker 70 auf, der als ein Referenzmarker ortsfest relativ zu dem Bildgebungssystem 20 angerordnet ist und dessen Position und Orientierung in einem Koordinatensystem 60 des Bildgebungssystems 20 kalibriert sind.
Hierbei sind das Trackingsystem 10 und der erste Marker 70 innerhalb des Bildgebungssystems 20 angeordnet.
Ein zweiter Marker 30 ist an einem beweglichen Objekt 40 vorgesehen, derart, dass die Position und Orientierung des Markers 30 in dem Koordinatensystem 50 des Trackingsystems 10 während der Bildgebung erfasst werden können und in das Koordinatensystem 60 des Bildgebungssystems 20 übertragen werden kön- nen. Prinzipiell kann die Vorrichtung 1 zur Kalibrierung von Trackingsystemen 10 in Biidgebungssystemen 20a, 20b, 20c, beispielsweise für MRT oder IMRT oder CT, zumindest folgende Bestandteile umfassen: - ein Trackingsystem 10 mit einem Koordinatensystem 50,
zumindest ein Bildgebungssystem 20a, 20b, 20c und
zumindest einen ersten Marker 70a, 70b, 70c, der als ein Referenzmarker ortsfest relativ zu dem Bildgebungssystem 20a, 20b, 20c angeordnet ist und dessen Position und Orientierung in einem Koordinatensystem 60a, 60b, 60c des Biidgebungssystems 20a, 20b, 20c kalibriert sind,
wie dieses auch nachfolgend in den Figuren 2a -2c gezeigt wird.
Fig. 2a, 2b und 2c zeigen schematisch eine Anordnung von mehreren Biidgebungssystemen mit zugehörigen Koordinatensystemen analog zu Figur 1 , wobei in den Figuren 2a, 2b und 2c dasselbe Objekt 40 mit jeweils einem ersten Marker 70a, 70b und 70c in unterschiedlichen Bildgebungs- oder Therapie-Modalitäten 20a, 20b und 20c untersucht wird.
Demgemäß sind mehrere Marker 70a, 70b und 70c jeweils in Bildgebungssyste- men 20a, z.B. für MRT, 20b z.B. für CT und 20c z.B. für IMRT aber auch PET angeordnet, derart dass deren Position und Orientierung in den Koordinatensystemen 60a, 60b und 60c des jeweiligen Biidgebungssystems 20a, 20b und 20c kalibriert worden ist, wobei die Position und Orientierung des Objektmarkers 30 aus dem Koordinatensystem 60a des Biidgebungssystems 20a in die Koordinatensys- teme 60b und/oder 60c der Bildgebungssysteme 20b und/oder 20c übertragen werden können.
Vorteilhafterweise wird der zweite Marker 30 zur Anordnung an dem beweglichen Objekt 40 derart angebracht, dass die Position und Orientierung des Markers 30 in dem Koordinatensystem 50 des Trackingsystems 10 während der Bildgebung er- fasst und in das Koordinatensystem 60a, 60b, 60c des Biidgebungssystems 20a, 20b, 20c übertragen bzw. umgerechnet werden können.
Der erste Marker 70a, 70b, 70c wirkt hierbei derart mit dem Trackingsystem 10 zusammen, dass eine sich ändernde Position des Trackingsystems 10 während einer Bildgebung über das Trackingsystem 0 mittels des ersten Markers 70a, 70b, 70c erfasst und das Trackingsystem 10 rekalibriert werden kann. Das Trackingsystem 10 kann hierbei innerhalb oder außerhalb des Bildgebungs- systems 20a, 20b, 20c angeordnet werden.
Ebenso kann der erste Marker 70a, 70b, 70c innerhalb oder außerhalb des Bildgebungssystems 20a, 20b, 20c angeordnet werden.
Es ist zudem vorgesehen, dass mehrere Marker 70a, 70b, 70c jeweils in Bildge- bungssystemen 20a, 20b oder 20c angeordnet werden, derart dass deren Position und Orientierung in dem Koordinatensystem 60a, 60b, 60c des jeweiligen Bildge- bungssystems 20a, 20b, 20c kalibriert worden sind, wobei die Position und Orientierung des am beweglichen Objekt 40 angeordneten Markers 30 aus dem Koordinatensystem 60a des Bildgebungssystems 20a in die Koordinatensysteme 60b, 60c der Bildgebungssysteme 20b, 20c umgerechnet werden kann. Die Bildgebungsmodalität ist naturgemäß jeweils eine andere, z.B. MRT, CT,
IMRT, PET, SPECT und dergleichen, wobei der Referenzmarker jeweils ein anderer ist, da dieser fest mit dem Bildgebungsgerät verbunden ist. Das Trackingsystem kann ebenfalls jeweils ein anderes oder auch dasselbe sein und mobil oder stationär innerhalb oder außerhalb des Bildgebungssystems angeordnet sein.
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Claims

Patentansprüche . Vorrichtung (1 ) zur Kalibrierung von Trackingsystemen (10) in Bildgebungs- systemen (20a, 20b, 20c), beispielsweise für MRT oder IMRT oder CT, zu- mindest umfassend:
- ein Trackingsystem (10) mit einem Koordinatensystem (50),
- zumindest ein Bildgebungssystem (20a, 20b, 20c) und
- zumindest einen ersten Marker (70a, 70b, 70c), der als ein Referenzmarker ortsfest relativ zu dem Bildgebungssystem (20a, 20b, 20c) angeordnet ist und dessen Position und Orientierung in einem Koordinatensystem (60a, 60b, 60c) des Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c) kalibriert sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Marker (70a, 70b, 70c) derart mit dem Trackingsystem (10) zusammenwirkt, dass eine sich ändernde Position des Trackingsystems (10) während einer Bildge- bung über das Trackingsystem (10) mittels des ersten Markers (70a, 70b, 70c) erfassbar und das Trackingsystem (10) rekalibrierbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trackingsystem ( 10) innerhalb des Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Tra- ckingsystem (10) außerhalb des Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Marker (70a, 70b, 70c) innerhalb des Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c) an- geordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Marker (70a, 70b, 70c) außerhalb des Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zweiter Marker (30) zur Anordnung an einem beweglichen Objekt (40) vorgesehen ist, derart, dass die Position und Orien- tierung des Markers (30) in dem Koordinatensystem (50) des Trackingsystems ( 0) während der Bildgebung erfassbar sind und in das Koordinatensystem (60a, 60b, 60c) des Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c) übertragbar sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Marker (70a, 70b, 70c) jeweils in Bildgebungssyste- men (20a, 20b oder 20c) angeordnet sind, derart dass deren Position und Orientierung in dem Koordinatensystem (60) des jeweiligen Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c) kalibriert sind, wobei die Position und Orientierung des am beweglichen Objekt (40) angeordneten Markers (30) aus dem Koordinatensystem (60a) des Bildgebungssystems (20a) durch Messung der Position und Orientierung mittels des Trackingsystems in die Koordinatensysteme (60b, 60c) der Bildgebungssysteme (20b, 20c) übertragbar sind.
9. Verfahren zur Kalibrierung von Trackingsystemen (10) in Bildgebungssyste- men (20a, 20b, 20c), beispielsweise für MRT oder IMRT oder CT, zumindest aufweisend folgende Schritte:
- Bereitstellung eines Trackingsystems (10) mit einem Koordinatensystem (50) und zumindest
- eines Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c),
- Bereitstellung von zumindest einem ersten Marker (70a, 70b, 70c), der als ein Referenzmarker ortsfest relativ zu dem Bildgebungssystem (20a, 20b, 20c) angeordnet wird und dessen Position und Orientierung in einem Koor- dinatensystem (60a, 60b, 60c) des Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c) kalibriert worden ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Marker (70a, 70b, 70c) derart mit dem Trackingsystem (10) zusammenwirkt, dass eine sich ändernde Position des Trackingsystems (10) während einer Bildgebung über das Trackingsystem (10) mittels des ersten Markers (70a, 70b, 70c) erfasst und das Trackingsystem rekalibriert wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine einmalige Kalibrierung in Form einer Cross-Kalibrierung des Koordinatensystems (50) mit den Koordinaten (co, C, wobei Co das Translationsquaternion und C das Rotationsquaternion ist) des Trackingsystems (10) erfolgt und die Position und Orientierung (r0, R) des ersten Markers (70) im Koordinatensystem (50) des Trackingsystems (10) gespeichert wird und die aktuelle Position und Orientierung (x0, X) des Referenzpunktes im Koordinatensystem (50) des Trackingsystems (10) für die Kalibrierung genutzt wird, um die aktuelle Cross-Kalibrierung (s0, S) wie folgt zu errechnen:
S=X*RC wobei X das konjugierte Rotationsquaternion des Quaternion X ist und s0= c0+C* r0 C - S* x0 S wobei C* und S* die Konjugierten der Rotationsquaternionen C und S sind.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zweiter Marker (30) an einem beweglichen Objekt (40) angeordnet wird, derart, dass die Position und Orientierung des Markers (30) in dem Koordinatensystem (50) des Trackingsystems (10) während der Bildgebung erfasst wird und in das Koordinatensystem (60a, 60b, 60c) des Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c) umgerechnet wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Marker (70a, 70b, 70c) jeweils in Bildgebungssystemen (20a, 20b oder 20c) angeordnet werden, derart dass deren Position und Orientierung in dem Koordinatensystem (60a, 60b, 60c) des jeweiligen Bildgebungssystems (20a, 20b, 20c) kalibriert worden sind, wobei die Position und Orientierung des am beweglichen Objekt (40) angeordneten Markers (30) aus dem Koordinatensystem (60a) des Bildgebungssystems (20a) in die Koordinatensysteme (60b, 60c) der Biidgebungssysteme (20b, 20c) umgerechnet werden.
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