WO2012143290A1 - Verfahren zur ermittlung einer zielposition für eine medizinische massnahme - Google Patents

Verfahren zur ermittlung einer zielposition für eine medizinische massnahme Download PDF

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WO2012143290A1
WO2012143290A1 PCT/EP2012/056744 EP2012056744W WO2012143290A1 WO 2012143290 A1 WO2012143290 A1 WO 2012143290A1 EP 2012056744 W EP2012056744 W EP 2012056744W WO 2012143290 A1 WO2012143290 A1 WO 2012143290A1
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marker
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target position
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Rainer Graumann
Gerhard Kleinszig
Martin Ringholz
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • A61B2090/3983—Reference marker arrangements for use with image guided surgery

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the position - in a coordinate system - a target position for an invasive medical procedure on a patient.
  • Invasive medical measures Runaway ⁇ leads to patients.
  • a medical instrument penetrates through the skin of the patient at an entry position, for example a specific position of the abdominal surface of the patient. From there, it should reach a target position within the patient. The target position is then a specific point inside the patient, eg the gallbladder.
  • a method of Acti-Views, Haifa, Israel is known. This procedure is based on a small video camera clipped onto needle-shaped instruments such as biopsy needles or K-wires.
  • the A ⁇ position occurs for the instrument is the injection site on the body surface.
  • At the site of a marker ⁇ foil is glued to the patient who has both visual markers and through X-ray marker.
  • the position and orientation of the video camera and thus of the instrument is determined in real time by means of the image of the optical markers of the marker film in the image recorded by the camera.
  • the video camera can for example also ⁇ needle bends, so they are global and uniform, measured and taken into account for the guidance of the instrument to the target position in the patient-.
  • the camera together with the op ⁇ tables markers thus forms in this case an optically operating navigation system for the movement of the instrument.
  • a 3D CT micrograph of the patient is acquired in a first step and is carried out ⁇ Based on the patient an engagement planning. In other words, based on the 3D-CT recording, both the target position and the entry position are determined in relation to the patient, ie to his anatomy.
  • a second step is positioned to connect the marker sheet in de ⁇ finierter manner at the planned entry point on the patient.
  • a further 3D CT data set is then created by the patient with fixed marker foil, which images both the marker foil or the X-ray markers and the target position in its reconstruction volume.
  • the x-ray markers present on the marker film are recorded in the 3D-CT
  • This method therefore calculates a transformation between the patient, the X-ray markers, the optical markers and the instrument.
  • the target position or target position is then known in the coordinate system of the optical markers, which also serves the navigated guidance of the instrument to the target position.
  • a disadvantage of the method is that two preoperative SD-CT data records must be generated. At least for the two ⁇ th 3D data an X-ray procedure with an adequate volume reconstruction is necessary because the markers at the marker sheet to the body surface and the target position must be displayed in the patient in the same 3D-CT data.
  • a further disadvantage is that the patient wears the marker film from the time between the two preoperative CT images to surgery on the skin. Any Hautver ⁇ shifts can therefore not be measured by the method or corrected. Simple and inexpensive intra-operative 2D imaging can not be included in the procedure because its reconstruction volume is often too small.
  • the object of the present invention is to provide an improved method for determining the position of an o.g. Specify target position in a coordinate system.
  • the object is achieved by a method according to claim 1.
  • the inventive method assumes that the A ⁇ occurs position and the target position in the patient relative to its anatomy already established or have been established osseope ⁇ -operatively or intra-operatively - for example, by X - can be fixed. This can be done in any way, for example by previous MR or ultrasound examinations or the above-mentioned first 3D-CT image data set.
  • a one ⁇ occurs mark is attached to the patient first.
  • the position of the entry position in the coordinate system is defined by the entry mark and thus - since this defines the coordinate ⁇ system - also the relative position of the entry position in the coordinate system known.
  • a picture ⁇ identifiable in a transillumination location markers in a known relative position is fixed in the coordinate system.
  • at least two 2D fluoroscopy images of the patient which images each jointly depict the position marker and the target position, are recorded from different recording directions.
  • the position of the target position in the coordinate system is then taken from the image of the target position and the position marker in the determined two fluoroscopic images and the known relative position of the location marker in the coordinate system.
  • the abovementioned known method is extended so that it can be used exclusively on the basis of intraoperative 2D x-ray images.
  • the invention is based on the recognition that it is necessary for the use of 2D X-ray images instead of a 3D CT data set, that for both shots di recording geometry of the fluoroscopic device, which generates the 2D fluoroscopic images known. This can be done, for example, that the place marker - at any time, even without a patient - are temporarily mounted in the beam path of the fluoroscopy device and from the sen the pro smiesmatrizen the fluoroscopy are net calculation.
  • the marker geometry only has to be suitable for such a determination.
  • Imaging or fluoroscopy sufficient to determine the location of the target position for a measure on a patient in a coordinate system.
  • the position marker clearly contains identifiable in 2D fluoroscopic images, i. each individually distinguishable, marker structures such as circles, stars or triangles. Individual marker structures of the location marker are thus clearly identifiable in the fluoroscopic image or e.g. automatically segmented by image analysis.
  • the two different recording directions for the 2D fluoroscopic images only need to be selected so that a spatial assignment of the respective image contents in a three-dimensional coordinate system is possible from the totality of both images.
  • fluoroscopic images are taken from mutually orthogonal projection directions. It only has to be ensured that not an orthogonal recording, for example, picks up a marker plate directly from the side. Therefore, the Pro etechnischsschen as orthogonal as possible, with the boundary condition of the marker recognition, to choose.
  • the 2D fluoroscopic images are X-ray images
  • the location markers are then X-ray markers.
  • the transilluminator is an x-ray device, e.g. an x-ray C-arm that is usually available in an operating room anyway.
  • a fluoroscopic device is fixed in a 3D receiving position.
  • the fluoroscopic device is aligned in different recording directions in one and the same 3D recording position.
  • the 2D projection images are recorded so that they serve to reconstruct SD image data.
  • the 3D image data does contain the target position, not the location marker.
  • the 2D fluoroscopic images are then recorded with the same fluoroscopic device in the same 3D imaging position.
  • the patient intraoperatively generates 3D image data which have a comparatively small volume of reconstruction .
  • this is only sufficient to display the target position, but not also for the simultaneous display of the location marker.
  • SD image data are therefore unsuitable for the known method of position determination.
  • the same X-ray apparatus also Transmitted fluoroscopic images, which then (in contrast to the reconstruction volume) are chosen so that they reflect both the location marker and the target position in 2D fluoroscopic images from two different shooting directions.
  • two of the 2D pro tion images are used as 2D Druchbeluchtungsbidler.
  • a film is affixed to the patient as an admission mark. This then carries, for example, as in the known method, the location marker.
  • the coordinate system is assigned to a navigation system.
  • the navigation system is used for navigation, therefore focused leadership, an instrument with which the invasive medical degree ⁇ takeover is to be performed on the patient.
  • a navigation marker of the navigation system is then arranged in a known relative position to the entry mark.
  • a navigation marker be detected navigation device is arranged in a known position relative to the tool and the location marker is arranged in a known Re ⁇ lativlage to the navigation apparatus.
  • the instrument can be guided by the navigation system through the entry ⁇ position to the target position in the patient here.
  • the location marker is determined in the coordinate system by the navigation system and is therefore known in the process.
  • the navigation marker firmly attached to the entry mark, the place marker firmly attached to the navigation device and the navigation device firmly attached to the instrument.
  • the respective relative positions are clearly defined and easily determinable.
  • the navigation markers are optical markers and the navigation device is a camera.
  • determining the target position and the entry position in advance relative to the patient that is, before the start of the first invention shown SEN process step, in addition received fluoroscopic image data of the patient.
  • fluoroscopic image data of the patient.
  • FIG. 2 shows the patient from FIG. 1 with an X-ray C-arm
  • FIG. 3 shows the patient from FIG. 1 during a 3D X-ray imaging
  • Fig. 1 shows a patient 2, on which an invasive medical procedure is to be performed.
  • an instrument 4 is to be brought by an entry position 6 on the body surface of the patient 2 to a target position 8 in the interior of the patient 2.
  • the navigation system 10 is therefore assigned a coordinate system 12.
  • the entry mark 14 defines the coordinate system 12, for example by optically detectable navigation markers 16 attached to the navigation system 10 in a known relative position relative to it. In the simplest way, these are arranged directly on the foil.
  • the entry mark 14 also indicates the entry position 6, for example, is placed at a known distance and alignment with this on the patient 2.
  • the relative position E of the entry position 6 to the entry mark 14 and thus in Koordina ⁇ tensystem 12 is thus known and shown symbolically in Fig. 1 by an arrow.
  • a location marker 18, likewise in a known relative position R - symbolized by an arrow - is placed to the coordinate system 12 or the entry mark 14. Also its position in coordina ⁇ tensystem 12 is thus known.
  • the patient 2 now takes two 2D fluoroscopic images 22a, b in two different imaging directions 20a, b.
  • the example is X-ray images
  • Take-up directions 20a, b symbolize the spatial direction of the central beam of an X-ray system, not shown.
  • the receiving directions 20a, b are selected such that the target position 8 as well as the entry position 6 are detected in both 2D x-ray images 22a, b.
  • the placemark 18 is designed such that it in the
  • X-ray images 22a, b can be imaged, so this 24a, b of the target position 8 as well as images 26a, b of the location marker 18.
  • the position L indicated in Fig. 1 again by an arrow, the target position 8 im Coordinate system 12 determined.
  • the prerequisite for this is the knowledge of the acquisition geometry of the respective 2D fluoroscopy images 22a, b, i. the knowledge of the spatial position of the recording directions 20a, b and the respective projection matrices of the images in the coordinate system 12.
  • the navigation marker 16 can in particular be used if it is placed in a known relative position N 1 - represented by an arrow in FIG. 1 - to the entry mark 14.
  • a navigation device 28 of the navigation system 10 acquiring the navigation marker 16, eg in the
  • Trap of an optical mark as a navigation marker 16 a camera is then also arranged in a known relative position N2 to In ⁇ instrument 4, indicated in Fig. 1 by a
  • the location marker 18 is then mounted in a known relative position N3 to the navigation device 28.
  • the relative position R in the coordinate system 12 can then be determined by the navigation system 10 on the basis of the known relative positions Nl-3.
  • the relative position R in the coordinate system 12 is not known a priori, but is first determined by the navigation system 10.
  • 2 again shows the patient 2 with applied entry mark 14 and placed instrument 4.
  • the entry mark 14 directly indicates the entry position 6, in that the latter lies directly in the region of the entry mark 14, ie the instrument 4 pierces the entry mark 14 at a defined point.
  • the navigation markers 16 are printed directly on the entry mark 14 as optical markers.
  • the navigation device 28 in the form of a camera is attached directly to the instrument 4.
  • Au ⁇ ßerdem carries the navigation device 28 fixedly attached to this domestic stall striving location marker 18 in the form of x-ray markers.
  • the two 2D fluoroscopic images 22a, b are recorded here by means of a fluoroscopic device 32, in the example an X-ray C-arm.
  • the C-arm is pivoted from the shown position of the receiving direction 20a in the direction of the arrow 34 in a direction indicated by dashed lines second receiving direction 20b.
  • x-ray markers in the form of the position markers 18 are attached to the video camera in the form of the navigation device 28, which determine the coordinate transformation between the 2D fluoroscopy images 22a, b supplied by the transilluminator 32 and the video image supplied by the navigation device 28, and thus allow the surgical instrument 4.
  • the marker film in the form of the entry mark 14 only optical markers in the form of
  • Navigation marker 16 contains.
  • the transformation can also, the marker sheet, so gate mark 14 SUC ⁇ gen, if the location markers 18 are arranged there in addition. At the navigation device 28 then no location marker 18 are required.
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment in which, in contrast to FIG. 2, the location markers 18 are arranged directly on the entry mark 14 in the form of the X-ray markers.
  • the Na ⁇ vigations réelle 28 therefore carries no location marker 18.
  • Entry mark 14 is known because they are fixed in a known position.
  • the fluoroscopic device 32 with its base carrier 36 is fixedly positioned in a 3D recording position P.
  • the base support 36 is initially no longer moved. Only the actual C-arm of the transilluminator device 32 is moved in or against the direction of the arrow 34 in order to receive a set 38 of 2D projection images 40. From the set 38, 3D image data 42 are reconstructed.
  • the reconstruction volume of the 3D image data 42 is tively small, so that it contains only the target position 8 and its immediate surroundings, but not the entry Posi tion ⁇ 6 and the gate mark 14th
  • the fluoroscopic device 32 is again pivoted between the two positions shown in order to record the two 2D fluoroscopic images 22a, b. These are symbolized in FIG. 3 by the respective image of one of the placemarks 18 at the location of the x-ray detector.
  • the 2D Druchleuchtungscalire 22a, b are now not separately recorded, but it will be two already created from two different shooting directions, 2D proj etationstrade 40 used from the set 38, which are suitable in that they each map both the target position 8 and the location marker 18.
  • Intraoperative 3D C-arm imaging has only small reconstructed volumes so attached normally the au ⁇ ßerrenz the patient 2 location marker 18 is not in Reconstructed volume are included and a registration between the instrument and image data set is not possible.
  • the marker film therefore contains spatially distinguishable markers 18, eg ellipses, circles, triangles or star-shaped objects. These objects are therefore automatically segmentable in the 2D fluoroscopic images 22a, b, for example by means of model-based segmentation. From the 2D positions of the projected X-ray markers or location markers 18 in the at least two projection exposures 22a, B, the 3D positions of the X-ray markers are again determined with the aid of the corresponding known projection matrices.
  • the exclusive Ver ⁇ application of intraoperative imaging a preoperative imaging such as CT or MR which generates all the patients and not only a correspondingly small volume, is no longer necessary sufficient. If high-quality, large-volume CT or MR images of the patient are available, they can be transferred to intraoperative 3D C-arm imaging, for example via image fusion.
  • Intraoperative 3D C-arm imaging is generally not allowed for diagnostic purposes.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Ermittlung der Lage (L) einer Zielposition (8) für eine invasive medizinische Maßnahme an einem Patienten (2) in einem Koordinatensystem (12) : - wird eine das Koordinatensystem (12) definierende, eine Eintrittsposition (6) für die Maßnahme anzeigende Eintrittsmarke (14) am Patienten (2) fixiert, - wird ein in einem Durchleuchtungsbild identifizierbarer Ortsmarker (18) in einer bekannten Relativlage (R) im Koordinatensystem (12) fixiert, - werden mindestens zwei jeweils den Ortsmarker (18) und die Zielposition (8) gemeinsam abbildende 2D- Durchleuchtungsbilder (22a, b) des Patienten (2) aus verschiedenen Aufnahmerichtungen (20a, b) aufgenommen, - wird die Lage (L) der Zielposition (8) im Koordinatensystem (12) aus dem Abbild (24a, b) der Zielposition (8) und dem Abbild (26a, b) des Ortsmarkers (18) in den 2D- Durchleuchtungsbildern (22a, b) und der Relativlage (R) des Ortsmarkers (18) im Koordinatensystem (12) ermittelt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Ermittlung einer Zielposition für eine medizinische Maßnahme
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Lage - in einem Koordinatensystem - einer Zielposition für eine invasive medizinische Maßnahme an einem Patienten. An Patienten werden invasive medizinische Maßnahmen durchge¬ führt. Hierbei dringt ein medizinisches Instrument an einer Eintrittsposition, z.B. einer bestimmten Position der Bauchoberfläche des Patienten, durch die Haut des Patienten ein. Von dort soll es zu einer innerhalb des Patienten liegenden Zielposition gelangen. Die Zielposition ist dann eine bestimmte Stelle im Inneren des Patienten, z.B. dessen Gallenblase.
Um das Instrument möglichst zielgenau zur Zielposition zu bringen, ist beispielsweise ein Verfahren der Firma Acti- Views, Haifa, Israel bekannt. Dieses Verfahren basiert auf einer kleinen Videokamera, die an nadeiförmige Instrumente, z.B. Biopsienadeln oder K-Drähte, angeklippt wird. Die Ein¬ trittsposition für das Instrument ist die Einstichstelle auf der Körperoberfläche. An der Einstichstelle wird eine Marker¬ folie an den Patienten geklebt, die sowohl über visuelle Marker als auch über Röntgenmarker verfügt. Die Position und Orientierung der Videokamera und damit des Instruments wird mittels der Abbildung der optischen Marker der Markerfolie im von der Kamera aufgenommenen Bild in Echtzeit ermittelt. Da die Markerfolie an der geplanten Einstichstelle positioniert ist, können über die Videokamera beispielsweise auch Nadel¬ verbiegungen, so sie global und gleichförmig sind, gemessen und für die Führung des Instruments zur Zielposition im Pati- enten berücksichtigt werden. Die Kamera zusammen mit den op¬ tischen Markern bildet hierbei also ein optisch arbeitendes Navigationssystem für die Bewegung des Instruments. Für die Durchführung des Verfahrens wird in einem ersten Schritt eine 3D-CT-Aufnähme des Patienten akquiriert und dar¬ auf aufbauend eine Eingriffsplanung am Patienten durchgeführt. Mit anderen Worten wird anhand der 3D-CT-Aufnähme so- wohl die Zielposition als auch die Eintrittsposition in Relation zum Patienten, d.h. zu dessen Anatomie, festgelegt. In einem zweiten Schritt wird anschließen die Markerfolie in de¬ finierter Weise an der geplanten Eintrittsstelle am Patienten positioniert .
Vom Patienten mit fixierter Markerfolie wird dann ein weiterer 3D-CT-Datensatz erstellt, welcher in seinem Rekonstruktionsvolumen sowohl die Markerfolie beziehungsweise die Rönt- genmarker als auch die Zielposition abbildet. Die auf der Markerfolie vorhandenen Röntgenmarker werden im 3D-CT-
Datensatz identifiziert und einem entsprechenden Koordinatensystem bzw. Bezugssystem zugeordnet, welches durch die Markerfolie definiert ist. Mit anderen Worten erfolgt so die Zu¬ ordnung der Koordinatensysteme der optischen Marker und der Röntgenmarker. So ist auch die Zuordnung der im 3D-CT-
Datensatz sichtbaren Zielposition zu den Koordinaten des optischen Navigationssystems möglich. Mit dieser Methode wird also eine Transformation zwischen dem Patienten, den Röntgen- markern, den optischen Markern und dem Instrument berechnet. Die Ziellage oder Zielposition ist dann im Koordinatensystem der optischen Marker bekannt, welche auch der navigierten Führung des Instruments zur Zielposition dient.
Nachteilig bei dem Verfahren ist, dass zwei präoperative SD- CT-Datensätze erzeugt werden müssen. Zumindest für den zwei¬ ten 3D-Datensatz ist ein Röntgenverfahren mit ausreichend großem Rekonstruktionsvolumen nötig, da die Marker an der Markerfolie an der Körperoberfläche und die Zielposition im Patienten im selben 3D-CT-Datensatz abgebildet werden müssen. Nachteilig ist weiterhin, dass der Patient die Markerfolie vom Zeitpunkt zwischen den beiden präoperativen CT-Aufnahmen bis zur Operation auf der Haut trägt. Eventuelle Hautver¬ schiebungen können damit durch das Verfahren nicht gemessen oder korrigiert werden. Eine einfache und kostengünstige intraoperative 2D-Bildgebung kann in das Verfahren nicht einbezogen werden, da deren Rekonstruktionsvolumen oft zu klein ist .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung der Lage einer o.g. Zielposition in einem Koordinatensystem anzugeben. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren geht davon aus, dass die Ein¬ trittsposition und die Zielposition im Patienten in Relation zu dessen Anatomie bereits ermittelt beziehungsweise präope¬ rativ festgelegt wurden oder intraoperativ - z.B. per Röntgen - festlegbar sind. Dies kann auf beliebige Weise geschehen, z.B. durch vorhergehende MR- oder Ultraschalluntersuchungen oder den o.g. ersten 3D-CT-Bilddatensatz .
Wie oben erläutert, wird am Patienten zunächst eine Ein¬ trittsmarke fixiert. Diese definiert ein Koordinatensystem und zeigt außerdem eindeutig die Eintrittsposition für die invasive medizinische Maßnahme am Patienten an. Die Lage der Eintrittsposition im Koordinatensystem ist durch die Eintrittsmarke definiert und somit - da diese das Koordinaten¬ system definiert - auch die Relativlage der Eintrittsposition im Koordinatensystem bekannt. In einem nächsten Schritt wird ein in einem Durchleuchtungs¬ bild identifizierbarer Ortsmarker in einer bekannten Relativlage im Koordinatensystem fixiert. Anschließend werden erfindungsgemäß mindestens zwei, jeweils den Ortsmarker und die Zielposition gemeinsam abbildende 2D-Durchleuchtungsbilder des Patienten aus verschiedenen Aufnahmerichtungen aufgenommen. Die Lage der Zielposition im Koordinatensystem wird dann aus dem Abbild der Zielposition und des Ortsmarkers in den zwei Durchleuchtungsbildern und der bekannten Relativlage des Ortsmarkers im Koordinatensystem ermittelt.
Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß das oben genannte be kannte Verfahren so erweitert, dass dieses ausschließlich au Basis intraoperativer 2D-Röntgenbilder angewendet werden kann. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass es für die Verwendung von 2D-Röntgenbildern anstelle eines 3D- CT-Datensatzes erforderlich ist, dass für beide Aufnahmen di Aufnahmegeometrie des Durchleuchtungsgerätes, welches die 2D Durchleuchtungsbilder erzeugt, bekannt ist. Dies kann z.B. dadurch geschehen, dass die Ortsmarker - zu einem beliebigen Zeitpunkt, auch ohne Patient - provisorisch im Strahlengang der Durchleuchtungseinrichtung angebracht werden und aus die sen die Pro ektionsmatrizen der Durchleuchtungsanlage berech net werden. Die Markergeometrie muss lediglich für eine sol¬ che Bestimmung geeignet sein.
Gemäß der Erfindung bietet sich dann der Vorteil, dass intra¬ operativ eine ausschließliche Nutzung von 2D-
Bildgebungsverfahren beziehungsweise Durchleuchtungsverfahren ausreicht, um die Lage der Zielposition für eine Maßnahme an einem Patienten in einem Koordinatensystem zu ermitteln.
Der Ortsmarker enthält erfindungsgemäß eindeutig in 2D- Durchleuchtungsbildern identifizierbare, d.h. jeweils individuell unterscheidbare, Markerstrukturen wie Kreise, Sterne oder Dreiecke. Einzelne Markerstrukturen des Ortsmarkers sind damit im Durchleuchtungsbild eindeutig identifizierbar oder z.B. automatisch durch Bildauswertung segmentierbar.
Die zwei verschiedenen Aufnahmerichtungen für die 2D- Durchleuchtungsbilder müssen lediglich so gewählt werden, dass aus der Gesamtheit beider Bilder eine Ortszuordnung der jeweiligen Bildinhalte in einem dreidimensionalen Koordinatensystem möglich ist. Idealerweise werden z.B. Durchleuchtungsbilder aus zueinander orthogonalen Projektionsrichtungen aufgenommen. Hierbei muss nur sichergestellt sein, dass nicht eine orthogonale Aufnahme z.B. eine Markerplatte direkt von der Seite aufnimmt. Daher sind die Pro ektionsrichtungen so orthogonal wie möglich, mit der Randbedingung der Markererkennbarkeit, zu wählen.
Im einfachsten und üblichsten Fall sind die 2D- Durchleuchtungsbilder Röntgenbilder, die Ortsmarker sind dann Röntgenmarker . Das Durchleuchtungsgerät ist ein Röntgengerät, z.B. ein in einem Operationssaal ohnehin in der Regel zur Verfügung stehender Röntgen-C-Bogen .
In einer bevorzugten Aus führungs form der Erfindung wird ein Durchleuchtungsgerät in einer 3D-Aufnahmeposition fixiert. Diese definiert eine fixierte Grundposition. Beispielsweise wird im Falle eines Röntgen-C-Bogens dessen Grundträger zu¬ nächst in einer bestimmten Position zum Patienten ausgerichtet. Mit Hilfe des Durchleuchtungsgerätes wird aus dieser Po¬ sition heraus ein Satz von 2D-Pro ektionsbildern vom Patienten angefertigt. Hierzu wird in ein und derselben 3D- Aufnahmeposition das Durchleuchtungsgerät in verschiedenen Aufnahmerichtungen ausgerichtet. Im Beispiel des Röntgen-C- Bogens geschieht dies durch Orbitalverschwenkung des C-Arms bei ortsfestem Grundträger. Die 2D-Pro ektionsbilder werden so aufgenommen, dass diese zur Rekonstruktion von SD- Bilddaten dienen. Die 3D-Bilddaten enthalten aber im Gegensatz zu oben zwar die Zielposition, nicht jedoch den Ortsmarker. In dieser Aus führungs form der Erfindung werden dann die 2D-Durchleuchtungsbilder mit demselben Durchleuchtungsgerät in unveränderter 3D-Aufnahmeposition aufgenommen.
Mit anderen Worten werden also vom Patienten intraoperativ 3D-Bilddaten erzeugt, welche ein vergleichsweise kleines Re¬ konstruktionsvolumen aufweisen. Dies reicht in der Regel nur zur Darstellung der Zielposition, jedoch nicht auch zur gleichzeitigen Darstellung des Ortsmarkers aus. Für das bekannte Verfahren der Lageermittlung eignen sich derartige SD- Bilddaten also nicht. Gemäß der Erfindung werden jedoch mit ein und demselben Durchleuchtungsgerät auch die 2D- Durchleuchtungsbilder aufgenommen, welche dann (im Gegensatz zum Rekonstruktionsvolumen) so gewählt werden, dass sie aus zwei verschiedenen Aufnahmerichtungen sowohl den Ortsmarker als auch die Zielposition in 2D-Durchleuchtungsbildern abbilden .
In einer Variante dieses Verfahrens werden als 2D- Druchleuchtungsbidler zwei der 2D-Pro ektionsbilder verwendet. Mit anderen Worten werden zwei der Bilder des zur SD- Rekonstruktion verwendeten Bilddatensatzes, also ein Teil der 2D-Pro ektionsbilder doppelt verwendet, nämlich sowohl zur Rekonstruktion des 3D-Volumens als auch für das erfindungsge¬ mäße Verfahren zur Ermittlung der Lage der Zielposition.
In einer bevorzugten Aus führungs form des Verfahrens wird als Eintrittsmarke eine Folie am Patienten fixiert. Diese trägt dann beispielsweise, wie auch im bekannten Verfahren, den Ortsmarker .
In einer bevorzugten Aus führungs form des Verfahrens ist das Koordinatensystem einem Navigationssystem zugeordnet. Das Navigationssystem dient zur Navigation, also gezielten Führung, eines Instruments, mit welchem die invasive medizinische Ma߬ nahme am Patienten durchgeführt werden soll. Ein Navigations- marker des Navigationssystems ist dann in bekannter Relativlage zur Eintrittsmarke angeordnet. Ein den Navigationsmarker erfassendes Navigationsgerät ist in bekannter Relativlage zum Instrument angeordnet und der Ortsmarker ist in bekannter Re¬ lativlage zum Navigationsgerät angeordnet. Das Instrument kann hier an Hand des Navigationssystems durch die Eintritts¬ position zur Zielposition im Patienten geführt werden.
In dieser Aus führungs form des Verfahrens wird also die Rela¬ tivlage des Ortsmarkers im Koordinatensystem durch das Navigationssystem ermittelt und ist dadurch im Verfahren bekannt.
Um die oben genannten bekannten Relativlagen möglichst einfach zu gestalten ist in einer bevorzugten Aus führungs form dann der Navigationsmarker an der Eintrittsmarke fest angebracht, der Ortsmarker fest am Navigationsgerät angebracht und das Navigationsgerät fest am Instrument angebracht. So sind die jeweiligen Relativlagen eindeutig festgelegt und einfach bestimmbar.
Im Falle eines optisch arbeitenden Navigationssystems sind die Navigationsmarker optische Marker und das Navigationsge¬ rät ist eine Kamera.
In einer bevorzugten Aus führungs form werden zur Festlegung der Zielposition und der Eintrittsposition relativ zum Patienten vorab, das heißt vor Beginn des ersten erfindungsgemä¬ ßen Verfahrensschrittes, zusätzlich Durchleuchtungsbilddaten des Patienten aufgenommen. Auch hier können alleine 2D-Bilder aus verschiedenen Aufnahmerichtungen genügen. Alternativ können jedoch auch mehrere 2D-Proj ektions- beziehungsweise Rönt¬ genbilder oder auch ein präoperativer 3D-Bilddatensatz gemäß Stand der Technik, angefertigt werden.
Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
Fig. 1 die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem Patienten,
Fig. 2 den Patienten aus Fig. 1 mit einem Röntgen-C-Bogen, Fig. 3 den Patienten aus Fig. 1 bei einer 3D- Röntgenbildgebung . Fig. 1 zeigt einen Patienten 2, an dem eine invasive medizinische Maßnahme durchzuführen ist. Hierzu soll ein Instrument 4 durch eine Eintrittsposition 6 an der Körperoberfläche des Patienten 2 zu einer Zielposition 8 im Inneren des Patienten 2 gebracht werden. Zunächst wird in einem präoperativen
Schritt sowohl die Eintrittsposition 6 als auch die Zielposition 8 in ihrer Relativlage zum Patienten 2 beziehungsweise zu dessen Anatomie festgelegt. Dies geschieht beispielsweise durch die Aufnahme eines präoperativen, hochauflösenden MR- Bilddatensatzes, die Aufnahme von Röntgenbildern, Ultra¬ schalluntersuchungen o.a. Die medizinische Maßnahme am Pati¬ enten soll mit Hilfe eines in Fig. 1 nur angedeuteten Navigationssystems 10 erfolgen. Dem Navigationssystem 10 ist daher ein Koordinatensystem 12 zugeordnet.
Zunächst eine Eintrittsmarke 14 in Form einer auf den Patien¬ ten 2 beziehungsweise dessen Körperoberfläche aufklebbaren Folie am Patienten 2 fixiert. Die Eintrittsmarke 14 definiert das Koordinatensystem 12, z.B. durch in bekannter Relativposition zu ihr angebrachte, dem Navigationssystem 10 zugehörende optisch detektierbare Navigationsmarker 16. In einfachster Weise sind diese direkt an der Folie angeordnet. Die Eintrittsmarke 14 zeigt außerdem die Eintrittsposition 6 an, ist z.B. in einem bekannten Abstand und Ausrichtung zu dieser am Patienten 2 platziert. Die Relativlage E der Eintrittsposition 6 zur Eintrittsmarke 14 und damit im Koordina¬ tensystem 12 ist damit bekannt und in Fig. 1 durch einen Pfeil symbolisch dargestellt.
In einem nächsten Schritt wird ein Ortsmarker 18, ebenfalls in einer bekannten Relativlage R - symbolisiert durch einen Pfeil - zum Koordinatensystem 12 beziehungsweise der Ein- trittsmarke 14 platziert. Auch dessen Position im Koordina¬ tensystem 12 ist damit bekannt.
Vom Patienten 2 werden nun in zwei verschiedenen Aufnahmerichtungen 20a, b zwei 2D-Durchleuchtungsbilder 22a, b aufge- nommen. Im Beispiel handelt es sich um Röntgenbilder, die
Aufnahmerichtungen 20a, b symbolisieren die Raumrichtung des Zentralstrahls einer nicht dargestellten Röntgenanlage . Die Aufnahmerichtungen 20a, b sind hierbei so gewählt, dass in beiden 2D-Durchleuchtungsbildern 22a, b jeweils die Zielposi- tion 8 sowie auch die Eintrittsposition 6 erfasst wird. Die Ortsmarke 18 ist derart ausgestaltet, dass diese in den
Durchleuchtungsbildern 22a, b abbildbar ist, diese also Abbil- der 24a, b der Zielposition 8 sowie Abbilder 26a, b des Orts- markers 18 enthalten.
Aus den Abbildern 24a, b der Zielposition 8 und den Abbildern 26a, b des Ortsmarkers 18 sowie der Relativlage R des Ortsmar- kers 18 im Koordinatensystem 12 wird erfindungsgemäß die Lage L, in Fig. 1 wieder durch einen Pfeil angedeutet, der Zielposition 8 im Koordinatensystem 12 ermittelt. Voraussetzung hierfür ist die Kenntnis der Aufnahmegeometrie der jeweiligen 2D-Durchleuchtungsbilder 22a, b, d.h. die Kenntnis der Raumlage der Aufnahmerichtungen 20a, b und die jeweiligen Projektionsmatrizen der Abbildungen im Koordinatensystem 12.
Wird das Instrument 4 nun ebenfalls im Navigationssystem 10 erfasst, so kann - aufgrund der Kenntnis sämtlicher Positi¬ onsdaten im Koordinatensystem 12 - das Instrument 4 zielgenau durch die Eintrittsposition 6 zur Zielposition 8 geführt werden . Zur Ermittlung der Relativlage R des Ortsmarkers 18 im Koordinatensystem 12 kann insbesondere der Navigationsmarker 16 benutzt werden, wenn dieser in einer bekannten Relativlage Nl - in Fig. 1 dargestellt durch einen Pfeil - zur Eintrittsmarke 14 platziert wird. Ein den Navigationsmarker 16 erfassen- des Navigationsgerät 28 des Navigationssystems 10, z.B. im
Falle einer optischen Marke als Navigationsmarker 16 eine Kamera, wird dann ebenfalls in bekannter Relativlage N2 zum In¬ strument 4 angeordnet, in Fig. 1 angedeutet durch einen
Pfeil. In diesem Fall wird dann der Ortsmarker 18 in einer bekannten Relativlage N3 zum Navigationsgerät 28 angebracht. Die Relativlage R im Koordinatensystem 12 kann dann durch das Navigationssystem 10 an Hand der bekannten Relativlagen Nl-3 ermittelt werden. Mit anderen Worten ist die Relativlage R im Koordinatensystem 12 nicht a priori bekannt, sondern wird durch das Navigationssystem 10 erst ermittelt.
In einer alternativen Aus führungs form des Verfahrens werden vor dessen Beginn zusätzlich Durchleuchtungsbilddaten 30 des Patienten 2 aufgenommen, um die jeweilige Lage der Zielposition 8 und der Eintrittsposition 6 im Patienten 2 relativ zu diesem beziehungsweise zu dessen Anatomie festzulegen. Fig. 2 zeigt nochmals den Patienten 2 mit aufgebrachter Eintrittsmarke 14 und platziertem Instrument 4. Hier gibt die Eintrittsmarke 14 die Eintrittsposition 6 direkt vor, indem letztere direkt im Bereich der Eintrittsmarke 14 liegt, das Instrument 4 also die Eintrittsmarke 14 an einer definierten durchsticht. Außerdem sind im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 die Navigationsmarker 16 als optische Marker direkt auf die Eintrittsmarke 14 aufgedruckt. Das Navigationsgerät 28 in Form einer Kamera ist direkt am Instrument 4 befestigt. Au¬ ßerdem trägt das Navigationsgerät 28 die an diesem fest in- stallierten Ortsmarker 18 in Form von Röntgenmarkern . Die beiden 2D-Durchleuchtungsbilder 22a, b werden hier mit Hilfe eines Durchleuchtungsgerätes 32, im Beispiel ein Röntgen-C- Bogen aufgenommen. Hierzu wird der C-Bogen aus der gezeigten Stellung der Aufnahmerichtung 20a in Richtung des Pfeils 34 in eine gestrichelt angedeutete zweite Aufnahmerichtung 20b verschwenkt. In dieser Aus führungs form werden also an der Videokamera in Form des Navigationsgerätes 28 Röntgenmarker in Form der Ortsmarker 18 angebracht, die eine Bestimmung der Koordinatentransformation zwischen den vom Durchleuchtungsge- rät 32 gelieferten 2D-Durchleuchtungsbildern 22a, b und dem von Navigationsgerät 28 gelieferten Videobild, und damit dem chirurgischen Instrument 4 ermöglichen.
In diesem Fall ist es ausreichend, dass die Markerfolie in Form der Eintrittsmarke 14 nur optische Marker in Form der
Navigationsmarker 16 enthält. Alternativ kann die Transformation auch über die Markerfolie, also Eintrittsmarke 14 erfol¬ gen, wenn dort zusätzlich die Ortsmarker 18 angeordnet sind. Am Navigationsgerät 28 sind dann keine Ortsmarker 18 mehr er- forderlich.
In den beiden möglichst orthogonal aufgenommenen Durchleuchtungsbildern 22a, b, d.h. bei möglichst orthogonalen Aufnahme- richtungen 20a, b werden die jeweiligen Abbilder von Zielposition 8 und Eintrittsposition 6, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert, erkannt. Dafür ist es erforderlich, dass für beide 2D-Durchleuchtungsbilder 22a, b die Röntgengeometrie be- kannt ist, dies kann z.B. dadurch geschehen, dass die Eintrittsmarke 14 zu einem beliebigen Zeitpunkt provisorisch an einem beliebigen Objekt angebracht wird und aus deren Rönt¬ genaufnahmen die Projektionsmatrizen berechnet werden. Anschließend wird nach Festlegung der Eintrittsposition 6 dort die Eintrittsmarke 14 angeklebt und - wie oben beschrie¬ ben - die beiden Röntgenaufnahmen 22a, b akquiriert und die Lage L der Zielposition 8 im Koordinatensystem 12 der Eintrittsmarke 14 bestimmt. Das Instrument 14 in Form der Nadel kann jetzt ausschließlich auf Basis der vom Navigationsgerät 28 erzeugten optischen Bilder der Markerfolie beziehungsweise Navigationsmarker 16 zu Zielposition 8 geführt werden, wobei Nadelverbiegungen wie im bekannten Verfahren bestimmt und korrigiert werden können.
Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei welcher im Gegensatz zu Fig. 2 die Ortsmarker 18 in Form der Röntgenmar- ker direkt auf der Eintrittsmarke 14 angeordnet sind. Das Na¬ vigationsgerät 28 trägt daher keine Ortsmarker 18. Die Rela- tivposition R der Ortsmarker 18 im Koordinatensystem 12 der
Eintrittsmarke 14 ist bekannt, da diese in bekannter Position fest angeordnet sind.
In Fig. 3 ist das Durchleuchtungsgerät 32 mit seinem Grund- träger 36 in einer 3D-Aufnahmeposition P fest positioniert. Der Grundträger 36 wird zunächst nicht mehr bewegt. Bewegt wird lediglich der eigentliche C-Arm des Durchleuchtungsgerä¬ tes 32 in oder entgegen der Richtung des Pfeils 34, um einen Satz 38 von 2D-Proj ektionsbildern 40 aufzunehmen. Aus dem Satz 38 werden 3D-Bilddaten 42 rekonstruiert.
Da es sich hier um eine intraoperative 3D-Bildgebung handelt, ist das Rekonstruktionsvolumen der 3D-Bilddaten 42 ver- gleichsweise klein, so dass dieses nur die Zielposition 8 und deren unmittelbare Umgebung, jedoch nicht die Eintrittsposi¬ tion 6 beziehungsweise die Eintrittsmarke 14 enthält. Jedoch wird nun gemäß einer Variante der Erfindung in der unveränderten 3D-Aufnahmeposition P das Durchleuchtungsgerät 32 derart zwischen den beiden gezeigten Positionen nochmals verschwenkt, um die beiden 2D-Durchleuchtungsbilder 22a, b aufzunehmen. Diese sind in Fig. 3 durch die jeweilige Abbildung einer der Ortsmarken 18 an der Stelle des Röntgendetektors symbolisiert .
In einer alternativen Aus führungs form der Erfindung werden die 2D-Druchleuchtungsbilder 22a, b nun nicht separat aufgenommen, sondern es werden hierfür zwei bereits aus zwei verschiedenen Aufnahmerichtungen erstellte, 2D-Proj ektionsbilder 40 aus dem Satz 38 verwendet, die insofern geeignet sind, als sie jeweils sowohl die Zielposition 8 als auch die Ortsmarker 18 abbilden.
Die Intraoperative 3D-C-Bogen-Bildgebung verfügt nur über kleine rekonstruierte Volumina, so dass im Normalfall die au¬ ßerhalb des Patienten 2 angebrachten Ortsmarker 18 nicht im Rekonstruierten Volumen enthalten sind und damit eine Registrierung zwischen Instrument und Bilddatensatz nicht möglich ist. In Fig. 3 enthält die Markerfolie daher voneinander unterscheidbare Ortsmarker 18, z.B. Elipsen, Kreise, Dreiecke oder sternförmige Objekte. Diese Objekte sind daher in den 2D-Durchleuchtungsbildern 22a, b automatisch segmentierbar, z.B. mittels modellbasierter Segmentierung. Aus den 2D- Positionen der projizierten Röntgenmarker bzw. Ortsmarker 18 in den wenigsten zwei Projektionsaufnahmen 22a, b werden unter Zuhilfenahme der entsprechenden bekannten Projektionsmatrizen wieder die 3D-Positionen der Röntgenmarker bestimmt. Aus der Kenntnis der 3D-Positionen der Röntgenmarker kann dann die Registrierung der Videokamera und damit des Instrumentes er¬ folgen . Gemäß Fig. 3 werden also zunächst z.B. mehrere 2D- Röntgenbilder oder ein 3D-Datensatz des Patienten erzeugt. Hieraus erfolgt die Bestimmung von Eintrittsposition 6 und Zielposition 8. Es folgt das Aufkleben der Markerfolie auf den Patienten und die Bestimmung der 3D-Positionen oder der Röntgenmarker der Markerfolie entweder wie beschrieben aus einer 3D-Datenakquisition oder aus mehreren 2D- Pro ektionsaufnahmen, so die entsprechenden Pro ektionsmatrizen bekannt sind. Abschließend erfolgt die Registrierung mit der optischen Videokamera und dann die Führung des Instru¬ ments 4 an Hand des Navigationssystems 10.
In dieser Verfahrensvariante genügt die ausschließliche Ver¬ wendung von intraoperativer Bildgebung, eine präoperative Bildgebung wie CT oder MR, welche den ganzen Patienten und nicht nur ein entsprechend kleines Volumen erzeugt, ist nicht mehr erforderlich. Falls entsprechend hochqualitative und großvolumige CT- oder MR-Bilder des Patienten vorliegen, können diese beispielsweise via Bildfusion auf die intraoperati- ve 3D-C-Bogen-Bildgebung übertragen werden.
Eine intraoperative 3D-C-Bogen-Bildgebung ist in der Regel für Diagnosezwecke nicht zugelassen.
Bezugs zeichenliste
2 Patient
4 Instrument
6 Eintrittsposition
8 Zielposition
10 Navigationssystem
12 Koordinatensystem
14 Eintrittsmarke
16 Navigationsmarker
18 Ortsmarker
20a, Aufnahmerichtung
22a, b 2D-Durchleuchtungsbilder 24a, b Abbild der Zielposition 26a, b Abbild des Ortsmarkers 28 Navigationsgerät
30 Durchleuchtungsbilddaten 32 Durchleuchtungsgerät
34 Pfeil
36 Grundträger
38 Satz
40 2D-Pro ektionsbild
42 3D-Bilddaten E,R Relativlage
L Lage
Nl,2,3 Relativlage
P 3D-Aufnahmeposition

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung der Lage (L) einer Zielposition (8) für eine invasive medizinische Maßnahme an einem Patien- ten (2) in einem Koordinatensystem (12), bei dem:
- eine das Koordinatensystem (12) definierende, eine Ein¬ trittsposition (6) für die Maßnahme anzeigende Eintrittsmarke (14) am Patienten (2) fixiert wird,
- ein in einem Durchleuchtungsbild identifizierbarer Ortsmar- ker (18) in einer bekannten Relativlage (R) im Koordinatensystem (12) fixiert wird,
- mindestens zwei jeweils den Ortsmarker (18) und die Zielpo¬ sition (8) gemeinsam abbildende 2D-Durchleuchtungsbilder (22a, b) des Patienten (2) aus verschiedenen Aufnahmerichtun- gen (20a, b) aufgenommen werden,
- die Lage (L) der Zielposition (8) im Koordinatensystem (12) aus dem Abbild (24a, b) der Zielposition (8) und dem Abbild (26a, b) des Ortsmarkers (18) in den 2D-Durchleuchtungsbildern (22a, b) und der Relativlage (R) des Ortsmarkers (18) im Koor- dinatensystem (12) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei vom Patienten (2) mit Hilfe eines in einer 3D-Aufnahmeposition (P) fixierten Durchleuchtungsgerätes (32) ein Satz (38) von 2D- Pro ektionsbildern (40) zur Rekonstruktion von die Zielposition (8), aber nicht den Ortsmarker (18) enthaltenden SD- Bilddaten (42) aufgenommen werden, bei dem die 2D- Durchleuchtungsbilder (22a, b) mit dem selben Durchleuchtungsgerät (32) in unveränderter 3D-Aufnahmeposition (P) aufgenom- men werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem als 2D- Durchleuchtungsbilder (22a, b) zwei der 2D-Proj ektionsbilder (40) verwendet werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Eintrittsmarke (14) eine Folie am Patienten (2) fixiert wird .
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Koordinatensystem (12) einem zur Navigation eines die Maßnahme durchführenden Instruments (4) dienenden Navigati¬ onssystem (10) zugeordnet ist, bei dem ein Navigationsmarker (16) des Navigationssystems (10) in bekannter Relativlage
(Nl) zur Eintrittsmarke (14) angeordnet wird, ein den Naviga¬ tionsmarker (16) erfassendes Navigationsgerät (28) in bekannter Relativlage (N2) zum Instrument (4) angeordnet wird und der Ortsmarker (18) in bekannter Relativlage (N3) zum Naviga- tionsgerät (28) angeordnet wird.
6. Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem vorab Durchleuchtungsbilddaten (30) des Patienten (2) zur Festlegung der Zielposition (8) und der Eintrittsposition (6) re- lativ zum Patienten (2) aufgenommen werden.
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