WO2013131614A1 - Verfahren zur computergestützten bestimmung der lage eines auf einem röntgenbild abgebildeten wirbelsäulenabschnitts relativ zu einem röntgengerät - Google Patents

Verfahren zur computergestützten bestimmung der lage eines auf einem röntgenbild abgebildeten wirbelsäulenabschnitts relativ zu einem röntgengerät Download PDF

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WO2013131614A1
WO2013131614A1 PCT/EP2013/000471 EP2013000471W WO2013131614A1 WO 2013131614 A1 WO2013131614 A1 WO 2013131614A1 EP 2013000471 W EP2013000471 W EP 2013000471W WO 2013131614 A1 WO2013131614 A1 WO 2013131614A1
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spinal column
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Franz Copf
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Franz Copf
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    • A61B6/52—Devices using data or image processing specially adapted for radiation diagnosis
    • A61B6/5211—Devices using data or image processing specially adapted for radiation diagnosis involving processing of medical diagnostic data

Definitions

  • the invention relates to a method for the computer-aided determination of the position of a section of a spinal column depicted on an X-ray image relative to an X-ray device which was used during the acquisition of the X-ray image.
  • the invention further relates to a computer program and a spinal column simulation device for carrying out the method.
  • the computer program also needs if several functional recordings in order to make the doctor a suggestion for a suitable implant geometry.
  • the object of the invention is to provide a method for the computer-assisted determination of the position of a section depicted on an X-ray image of a spinal column relative to an X-ray device. which was used in the recording of the X-ray image.
  • the method comprises the following steps: a) providing a database in which a plurality of data records are contained, each data record comprising:
  • Image information to a two-dimensional reference X-ray image of a spinal column part wherein the reference X-ray images of the data sets differ from each other by the position of the spinal column relative to a first X-ray device, which was used in the recording of the reference X-ray images, and
  • the invention is based on the consideration that in patients of a certain age, although the location, but not the shape of the vertebrae differ significantly from each other. Therefore, it is possible to take the x-rays taken by a patient Compare X-rays taken from a reference spine (or parts of it). For example, if a plurality of X-ray images of a specific lumbar vertebra of such a reference spinal column are made, which differ only by the position of the respective lumbar vertebra relative to the X-ray device, it is possible to obtain a target X-ray image of the patient on which the relevant lumbar vertebrae is also seen to compare with the stored in the database plurality of reference X-ray images of the lumbar vertebra in question.
  • step c) at least one comparison X-ray image, which is most similar to the target X-ray image or parts thereof, can be selected from the reference X-ray images.
  • the position of the spine portion according to step d) can then be derived from the position information contained in the data record to which the comparison X-ray image is assigned. In the same way it is also possible to proceed with the remaining vertebrae which are imaged on the target X-ray image.
  • position information is understood below to mean the totality of information that is required to determine the position, ie the location and the orientation, of a body in three-dimensional space relative to the first x-ray device. write.
  • the location of a body in three-dimensional space is generally indicated by three coordinates of a coordinate system.
  • the coordinate system may be, for example, a Cartesian, a cylindrical or a polar coordinate system.
  • the orientation of a body in space is usually indicated by the angles with respect to three axes in which it is z. B. can act around the axes of a Cartesian coordinate system.
  • a single vertebra an arrangement of a number of adjacent vertebrae forming a spinal column section, a complete spinal column segment will be referred to below a vertebral column part such as the cervical spine or lumbar spine or, in extreme cases, even the whole spine.
  • a data record is understood to mean only a purely logical assignment of information. It is therefore not necessary for the information combined to form a data record to be physically combined in a database structure. Instead, it suffices for the relevant information to be linked to one another in some way, so that the position information stored thereon can be read out for the image information of the reference X-ray images.
  • the layers may each be spaced apart by 5 cm along the three spatial directions, while with respect to the orientation of the spinal column parts, the distances between the angles are 2 °.
  • the comparison of the target X-ray image with the reference X-ray images is then performed by interpolation.
  • a plurality of comparative X-ray images which are most similar to the target X-ray image or parts thereof are selected from the reference X-ray images.
  • the location of the spine portion according to step d) is then derived by interpolation from the location information contained in the data records associated with the comparison x-ray images.
  • the spinal column then includes several articulated vertebrae. Every record in this case comprises a plurality of sub-data sets associated with the data set, each sub-data set comprising image information relative to a two-dimensional reference X-ray image of the spinal column part.
  • the reference X-ray images of the sub-data sets are differentiated by the position of the vertebrae relative to one another when the images of the reference X-ray images were taken. At least one vertebra on the reference X-ray images of all sub-data records assigned to a higher-order data record is always located in the same position specified by the superordinate data record relative to the first X-ray apparatus.
  • An anatomical preparation has the advantage over a model that the specific absorption properties of the vertebrae with respect to the X-ray light in a model can only be reproduced insufficiently.
  • X-ray images of a model can therefore differ significantly from X-ray images of a real vertebra, which has the same shape as the model.
  • an anatomical specimen is also advantageous, above all when not taking pictures of individual vertebrae, but rather of spinal column sections. If the anatomical preparation comprises the intervertebral discs between the vertebrae and possibly even the surrounding ligamentous apparatus the actual movement possibilities are optimally reproduced.
  • a zero position can be defined, in which the vertebra is located in the center of the X-ray beam such that no double edges arise and the axial X-ray passes through the middle between the pedicle eyes of the vertebra in question.
  • a robot In connection with the construction of the database, when using a model or a specimen, a robot can be used, which is the spine part in the different layers in the
  • Path of the first X-ray device arranges.
  • the robot When using suitable servomotors, the robot simultaneously supplies the position information to be stored. With a robot, the large number of x-rays required to build the database can be produced in a relatively short time.
  • the robot when arranging the vortices in different relative positions, to measure resistance forces which occur when the relative position changes. see the vertebrae must be overcome. If these resistance forces are also stored in the database, information about which movement resistance must be overcome as the spine is moved to different positions can be obtained. This information may in turn be used in the selection of a suitable disc prosthesis.
  • a rotation angle limit for a disc prosthesis in which increases the resistance to movement with increasing rotation angle according to a predetermined characteristic. This characteristic can then be specified so that the relevant intervertebral disc prosthesis generates the same rotational resistance as a healthy intervertebral disc.
  • the second X-ray apparatus as described above; d) calculating a target position which the X-ray source must adopt in order that the spinal column part can be transilluminated with the perspective determined in step a), taking into account the position of the spinal column part determined in step c); e) moving the X-ray source to the target position calculated in step d); f) taking a final two-dimensional X-ray image of the spinal column part with the aid of the second X-ray device.
  • the first X-ray machine ultimately serves as a reference to correlate the preliminary X-ray image and the final X-ray image.
  • the three-dimensional image can be an x-ray image of the spinal column of the relevant patient or else a three-dimensional image of a reference spine. In the latter case, the three-dimensional image can also be generated by a computer without a real model of the spine existing.
  • the method according to the invention thus does not require an actual three-dimensional image of the spinal column of the patient, since the referencing takes place via the reference X-ray images which are stored in the database. Nevertheless, the method according to the invention also makes it possible to record a two-dimensional X-ray image from a desired perspective, without having to approach the desired perspective through a large number of experimental exposures. Instead, after taking a single preliminary two-dimensional x-ray image, the x-ray source can directly approach a target position, from which the spinal column in question can be taken from the desired perspective.
  • the invention is also a computer program for determining the position of an imaged on an x-ray image from ⁇ -section of a spinal column relative to an X-ray device that was used during the recording of the X-ray image.
  • the computer program is arranged to cause a computer running the computer program to carry out the following steps: a) accessing a database in which a plurality of data records are contained, each data record comprising:
  • Image information for a two-dimensional reference X-ray image of a spinal column part wherein the reference X-ray images of the data sets differ from one another by the position of the spinal column part relative to a first X-ray device that was used in the acquisition of the reference X-ray images, and
  • the invention also relates to a spinal simulation device comprising a) an X-ray device comprising an X-ray source and an X-ray detector, wherein the X-ray source is adapted to generate X-radiation which propagates along a beam path to the X-ray detector; b) a manipulator comprising: two brackets adapted to hold between them a spinal column which is a model or an anatomical specimen of a vertebral or spinal column taken from a body donor;
  • Actuators which are adapted to move the brackets such that the spine part is arranged in different positions relative to the X-ray device; c) a control device that is set up to control the servomotors of the manipulator and the X-ray device in such a way that the manipulator moves the spine part into different positions relative to the X-ray device, wherein in each case the different layers of an X-ray image of the spine device is recorded and the respective position is stored in a data memory.
  • the manipulator may be adapted to translate the vertebrae into different relative positions. Furthermore, the control unit can then be set up to control the servomotors of the manipulator and the X-ray machine in such a way that the manipulator moves the vertebrae into different relative positions, wherein in each of the different relative positions an X-ray image is taken by the spine unit and the respective one relative position is stored in the data memory.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an X-ray apparatus used for receiving a spinal column section
  • Figure 2 shows the image of three cubes in central perspective
  • FIG. 3 shows the image of three vertebral bodies in central perspective
  • FIG. 4 shows an X-ray machine with a robot according to the invention for constructing a data tape according to the invention
  • FIG. 5 shows the arrangement shown in Figure 4, wherein the
  • Robot is in a different travel position
  • FIG. 6 shows a multiplicity of X-ray images of a vortex from different perspectives
  • FIG. 18 shows a flow chart for explaining essential steps of the method according to the invention. DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a conventional X-ray apparatus that is suitable for taking two-dimensional X-ray images of the human spine WS and designated overall by 10.
  • the X-ray apparatus 10 comprises a stand 12, to which a arm 14 extending in the horizontal direction is fastened in a vertically movable manner.
  • the arm 14 carries at one end a housing 16 in which an x-ray tube 17 is arranged.
  • a target which is bombarded with an electron beam forms an X-ray source 18 for the generation of X-radiation.
  • a diaphragm 20 is arranged in the housing 16, with which the dimensions of the image section can be determined.
  • the diaphragm 20 comprises a plurality of adjustable diaphragm elements which delimit the beam path of the x-ray radiation 22 indicated by dashed lines.
  • the diaphragm 20 may also be integrated in the x-ray tube 17.
  • the arm 14 carries at its opposite end a holder 26 for an X-ray detector 28.
  • This detects the X-ray radiation 22, which passes through the patient 30, and generates an X-ray image thereof.
  • the X-ray detector 28 may be a digital X-ray detector which directly generates a digital X-ray image which is z. B. can be viewed on a screen. Alternatively, the formation of the X-ray detector 28 as a digital storage film or as a classical X-ray film comes into consideration.
  • the face of the patient 30 is in the figure 1 to the stand 12, so that the X-rays 22 laterally pass through a portion of the spine WS of the patient 30.
  • the invention is based on the consideration of comparing the X-ray image 42 or parts thereof with reference X-ray images recorded by one or more vertebrae, the position of the vertebra or vertebra relative to the X-ray apparatus being measured during recording or in others Way determined and stored together with the reference X-ray image.
  • a database which contains a plurality of data records, wherein each record comprises image information to a two-dimensional reference X-ray image of a spinal column part.
  • the reference X-ray images of the data sets are distinguished from one another by the position of the spinal column part relative to the X-ray device that is used when taking the reference X-ray images.
  • Embodiment has the same structure as that shown in Figure 1 X-ray device 10.
  • this is not required; Rather, another X-ray machine can be used for the construction of the database, if that is so is suitable to take two-dimensional X-ray images of spinal parts.
  • the X-ray apparatus 10 'from the X-ray apparatus shown in FIG. 1 it is referred to below as the first X-ray apparatus and the X-ray apparatus shown in FIG. 1 as the second X-ray apparatus 10.
  • control rod 56 can thus be used to tilt the retaining plates 58, as is also indicated by double arrows in the figure 4.
  • the spine part 60 which is a single vertebra in the illustrated embodiment, is transferred to all the layers that the spine part 60 can assume in the beam path of the first X-ray device 10 '.
  • a reference X-ray image is taken by the first X-ray device 10 'and stored together with the position information.
  • the relevant reference X-ray image and the position information then form a data record which is stored in the database.
  • the position information can be determined by measurement with an additional measuring device (not shown).
  • the robot 44 will have servomotors for the adjustment of the holding plates 58, so that the robot 44 itself provides the position information to be stored. In this case, only once the position of the spinal column. Part 60 are measured relative to the holding plates 58.
  • the database therefore contains a multiplicity of further groups of data sets in which the reference X-ray images RB look similar to the group shown in FIG. 6, except that the spine part 60 is arranged rotated by predetermined angles with respect to different axes of rotation.
  • FIG. 7 schematically shows a reference X-ray image RB of the spinal column part 60 taken by the first X-ray device 10 '.
  • the dashed lines indicate the blurred edges of the spine part
  • FIG. 10 shows a workstation 150 having a computer 152, a hard disk memory 154 for the database, a keyboard 156 and two screens 158.
  • a target x-ray image ZB is read into the computer 152, which is recorded with the second x-ray computer. 10 of a portion of the spine WS of the patient 30 was recorded.
  • the attending physician or assistant now marks on the target X-ray image displayed on one of the screens 158 an image section BA on which a single vertebra can be seen.
  • the computer 152 generates from this image section BA an edge image BA ', as shown schematically on the right in FIG. This edge image BA 1 is then compared with the edge images RB 1 of the reference X-ray images RB stored in the database, whereby known comparison algorithms are used.
  • the computer 152 selects from the reference X-ray images RB (or more precisely from the edge images RB 1 associated therewith) a comparison X-ray image VB (see FIG. 6) which is most similar to the edge image detail BA 'from the target X-ray image ZB .
  • the position information which was stored during the generation of the reference X-ray images RB is then read from the data record associated with the comparison X-ray image VB.
  • This position information contained in the data record which is assigned to the comparison X-ray image VB is now assigned to the edge image section BA 'from the target X-ray image ZB.
  • the other vertebrae are also marked on the target X-ray image ZB and edge image sections BA 'are produced therefrom, which are then compared with the edge images RB' of the reference X-ray images RB. In this way, in each case the position is determined which the vertebrae represented on the edge image sections BA 'had relative to the second X-ray device 10 which was used in the acquisition of the target X-ray image ZB.
  • the user further indicates to the computer 152 by means of the keyboard 156 or other input device to which it is in the spine, if for each vertebra own records are stored.
  • a plurality of comparison X-ray images VB whose edge images are most similar to the edge image detail BA 'from the target X-ray image ZB can also be selected from the reference X-ray images RB.
  • the position of the vortex shown on the edge image BA 1 is then derived by interpolation from the position information contained in the data sets to which the comparison X-ray images VB are assigned.
  • the attitude information is given with reference to the so-called axial beam of the beam generated by the X-ray source 18.
  • FIGS. 12 and 13 show the robot 44, wherein the spinal column part clamped between the holding plates 58 is now not a single vertebra but a spinal column.
  • lenabterrorism 70 acts with multiple vertebrae.
  • a spine portion 70 may occupy different positions that differ from each other by the location of the individual vertebrae relative to one another.
  • the lowest vertebra, designated 72 is located at the same location and is also oriented in the same way.
  • the upper holding plate 58 is in different positions in FIGS. 12 and 13, as a result of which the vertebral column section 70 is curved differently.
  • a reference X-ray image is taken and stored with the corresponding position information in the database.
  • Reference X-ray images RB or edge images RB 1 derived therefrom are then obtained, as shown in FIGS. 14 and 15 by way of example for two different curvatures of the spinal column section 70.
  • the curvatures of the spinal column sections are indicated by tilt angles between adjacent vertebrae. Tilts about three orthogonal axes are possible between each pair, whereby a data set for a four-vertebral column portion 60 contains twelve additional coordinates, as illustrated in FIG.
  • Six coordinates indicate the position of one of the four vortices, z. For example, the lowest vortex, and the relative position to the respective neighboring vortex is indicated in each case by six further coordi- nates.
  • the data sets may contain information about which forces the robot 44 had to overcome in order to switch between the positions of the spinal column portion 70 shown in FIGS. 12 and 13, for example.
  • These forces are generated by intervertebral discs 74 (see Figure 12) of the spine portion 70; is it? at the spinal column portion 70 to an anatomical preparation of a body donor, in which even the surrounding ligament apparatus is wholly or at least partially preserved, so this also contributes to the forces that must be overcome by the robot 44 in a position change.
  • the target X-ray image ZB or an edge image ZB 'thereof with the reference X-ray images RB or edge images RB 1 thereof compared.
  • the reference radiograph RB with the greatest similarity here also represents the comparison X-ray image VB, whose position information provides information about how the spinal column portion 70 was arranged relative to the X-ray apparatus 10 that was used to record the target X-ray image ZB.
  • the attending physician immediately receives information of particular interest to him about the relative position between the vertebrae forming the spine portion 70.
  • he may use this information to determine the dimensions of an implant to be inserted into an intervertebral space, or to pass this information to a computer program that assists him in determining it.
  • FIG. 17 is a schematic side view of an X-ray apparatus 100, as used in particular for the production of intraoperative X-ray images.
  • the X-ray apparatus 100 comprises a multiply adjustable C-arm 80 and a device carriage 82, which by means of rollers 84, 86 on the floor of a
  • the equipment cart 82 receives a column 88, which is arranged perpendicular to the floor and height adjustable in a manner not shown, which is indicated in Figure 17 by a double arrow 90.
  • a horizontal guide 92 is connected via a self-aligning bearing 94 with the upper end of the column 88.
  • the pendulum bearing 94 allows rotation of the horizontal guide 92 about a pendulum axis 96.
  • One end of the horizontal guide 92 is connected via a tilting bearing 98 with a bracket 101 which holds the C-arm 80.
  • An X-ray source 102 is attached to one end of the C-arm 80 and an X-ray detector 104 is attached to the other end.
  • the position of the X-ray source 102 relative to the X-ray detector 104 is not variable, but fixed by the geometry of the C-arm 80.
  • the C-arm 80 is movably mounted on the holder 100 along its circumference, which is indicated in FIG. 1 by a double arrow 106. Further, the C-arm 80 can be tilted by means of the tilting bearing 98 about a tilting axis 108 which is perpendicular to the swing axle 96.
  • the pendulum axis is arranged perpendicular to the floor, so that the tilting axis 108 is always in a horizontal plane.
  • the C-arm 80 With the C-arm 80 it is possible to also illuminate a patient 30 during an operation and in this way to obtain an interoperative X-ray image of the spine of the patient 30 win.
  • the C-arm 80 encompasses an operating table 110 on which the patient 30 is mounted. As a result of the multiple displaceability of the C-arm 80, it is possible to perform two-dimensional X-ray images from the spinal column of the patient 30 from different perspectives.
  • the C-arm 80 can be adjusted by motor.
  • the x-ray device 100 has a multiplicity of drives which are assigned to the different axes of motion and are not shown in greater detail in FIG. 17.
  • a control unit 112 for controlling the drives is connected to a computing unit 114 via a wired or a wireless data connection 115.
  • the X-ray device 100 includes a display device 116 and an input device 118, which can communicate with the arithmetic unit 114 via data links.
  • the display device 116 is a screen, but projection devices (beamer) or head-up displays are also suitable.
  • the input device 118 has a keyboard in the exemplary embodiment shown in FIG. 17, but other input devices are also included
  • the computing unit 114, the display device 116 and the input device 118 may be part of a per se conventional personal computer, as shown in Figure 17. In this case, only a software according to the invention is to be installed on the personal computer. In many cases, however, it will be necessary to resort to more specialized hardware which, on the one hand, is optimized for use in operating theaters and, on the other hand, allows the physician, from his place on the operating table 110, to comfortably read the display unit. direction 116 to capture and make input via the input device 118.
  • the attending physician determines from which perspective he wishes to record an X-ray image of a spinal segment of the patient 30. This determination is made using a three-dimensional image of the relevant portion of the spine. This image does not necessarily have to be a three-dimensional image of the patient's spine. It is also possible to use a computer-generated model or reference spine for this purpose.
  • a preliminary two-dimensional X-ray image of the spinal column portion is taken with the aid of the X-ray apparatus 100.
  • the C-arm is transferred to a starting position which, in the experience of the attending physician or an X-ray assistant, is already quite close to a position from which one can presumably obtain the desired perspective.
  • the preliminary X-ray image is now regarded as a target X-ray image in the sense of the preceding exemplary embodiments.
  • the position of the spinal column portion or the individual vertebrae relative to the X-ray apparatus 100 is obtained when the preliminary X-ray exposure was taken.
  • the arithmetic unit 114 is now known exactly in which position the spinal column portion shown is relative to the X-ray machine 100. Knowing the previously defined perspective, from which an X-ray image of the spinal column section is to be taken, the arithmetic unit 114 can now determine a target position. calculate the position that needs to take the X-ray source 102, so that the spine portion can be illuminated with the desired perspective. Such a calculation is therefore easy to carry out, since the fixed perspective ultimately represents nothing other than the specification of the spine portion relative to the X-ray source 102 of the X-ray apparatus 100. Thus, only two such relative indications need to be compared.
  • the X-ray source 102 is now moved to the calculated target position. Then, in a final step, the final two-dimensional X-ray image of the spinal column portion is taken from the desired perspective using the X-ray apparatus 100. 4. Important process steps
  • a database with image information for a two-dimensional reference X-ray image of a spinal column part is provided.
  • the reference X-ray images of the data sets differ in this respect by the position of the spinal column part relative to a first X-ray device that was used when taking the reference X-ray images.
  • Location information about the position of the at least one spinal column part relative to the first X-ray device during the recording of the reference X-ray image is also stored.
  • a third step S3 the target X-ray image recorded in step S2 or a part thereof is compared with the image information stored in the database relative to the reference X-ray images.
  • step S4 on the basis of the results contained in step S3, it is determined in which position the spinal column section was located during step S2 relative to the second X-ray device.
  • a method of computer-assisted determination of the location of an X-ray imaged portion of a spine (WS) relative to an X-ray apparatus (10) used in acquiring the X-ray image comprising the steps of: a) providing a database, where multiple records are contained, each record comprising:
  • step c) comparing the target X-ray image (ZB) recorded in step b) or parts thereof (BA ') thereof with the image information stored in the database relative to the reference X-ray images (RB; RB'); d) determining, on the basis of results obtained in step c), in which position the spinal column section was located during step b) relative to the second x-ray device (10).
  • step c) at least one comparative X-ray image (VB) is selected from the reference X-ray images (RB, RB 1 ), the target X-ray image (ZB) or parts (BA ') thereof most similar.
  • Method according to sentence 2 in which the position of the spine segment according to step d) is derived from the position information contained in the data set, the. the comparative X-ray image (VB) is assigned.
  • Method according to sentence 2 in which a plurality of comparison X-ray images (VB) which are most similar to the target X-ray image (ZB) or parts ( ⁇ ') thereof are selected from the reference X-ray images (RB, RB 1 ) and in which the position of the vertebral column portion according to the step d) is derived by interpolation from the position information contained in the data records to which the comparison X-ray images are assigned.
  • the location information includes data on how far the spine portion is from a symmetry axis (24) with respect to which an x-ray beam (22) generated by the first x-ray apparatus (10 ') is symmetrical.
  • each record comprises a plurality of sub-records associated with the record, each sub-record comprising:
  • Method according to one of the preceding sentences in which the following steps are carried out for constructing the database: al) providing a spine part (60; 70) which is a model or an anatomical preparation of a body dispenser; a2) arranging the spinal column part (60; 70) in different positions in a beam path (22) of the first X-ray device (10 '), the positions being determined and a reference X-ray image (RB) being obtained in each position from the first X-ray device (10') , RB ') of the spinal column part.
  • a robot (44) is used, which arranges the spine part (60; 70) in the different positions in the beam path of the first x-ray device (10 1 ).
  • the spine part (70) comprises a plurality of hingedly connected vertebrae, and wherein in step a2) the robot (44) is further used to dispose the vertebrae in different relative positions.
  • the image information stored in the database is pixel-based image information or vector graphic-based image information.
  • a computer program for determining the position of a portion of a spinal column imaged on an X-ray image relative to an X-ray apparatus used in the acquisition of the X-ray image the computer program being adapted to use a computer (52) on which the computer a) accessing a database containing multiple records, each record comprising: - image information to a two-dimensional one
  • a spinal column simulation apparatus comprising: a) an X-ray apparatus (10 ') comprising an X-ray source (18) and an X-ray detector (28), wherein the X-ray source (18) is adapted to generate X-radiation (22) along an optical path to the X-ray detector (28) spreads; b) a manipulator (44) comprising: two retainers (58) adapted to hold therebetween a spinal column member (60; 70) which is a model or an anatomical one taken from a body donor Preparation of a vertebra or spinal column,
  • Actuators (61) adapted to move the brackets (58) such that the spinal column portion is disposed in different positions relative to the x-ray apparatus (10 '); c) a control device (63) which is adapted to the servomotors (61) of the manipulator (44) and the X-ray device (10 ') to be controlled so that the manipulator (44) moves the spine part in different positions relative to the X-ray device (10'), wherein in each of the different layers an X-ray image (RB, RB 1 ) of the spine device (10 '; ) is recorded and the respective position is stored in a data memory (65).
  • a control device (63) which is adapted to the servomotors (61) of the manipulator (44) and the X-ray device (10 ') to be controlled so that the manipulator (44) moves the spine part in different positions relative to the X-ray device (10'), wherein in each of the different layers an X-ray image (RB, RB 1 ) of the spine device (10 '; ) is recorded
  • a spinal column simulation device according to sentence 20 or 21, wherein the manipulator (44) is arranged to measure forces that must be overcome in a change in relative position.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur computergestützten Bestimmung der Lage eines auf einem Röntgenbild abgebildeten Abschnitts einer Wirbelsäule (WS) relativ zu einem Röntgengerät (10) angegeben, das bei der Aufnahme des Röntgenbildes verwendet wurde. Datensätze in einer Datenbank umfassen jeweils Bildinformationen zu einem zweidimensionalen Referenz-Röntgenbild (RB, RB') eines Wirbelsäulenteils (60; 70), wobei sich die Referenz-Röntgenbilder (RB, RB') der Datensätze durch die Lage des Wirbelsäulenteils (60; 70) relativ zu einem ersten Röntgengerät (10') voneinander unterscheiden, das bei der Aufnahme der Referenz-Röntgenbilder (RB, RB') verwendet wurde. Jeder Datensatz enthält außerdem Lageinformationen zu der Lage des Wirbelsäulenteils (60; 70) relativ zu dem ersten Röntgengerät (101) während der Aufnahme des Referenz-Röntgenbildes (RB, RB'). Durch Vergleich eines Ziel-Röntgenbildes (ZB) oder Teilen (BA') davon mit den in der Datenbank gespeicherten Bildinformationen zu den Referenz- Röntgenbildern (RB; RB') wird ermittelt, in welcher Lage sich der Wirbelsäulenabschnitt während der Aufnahme des Ziel-Röntgenbildes relativ zu dem dabei verwendeten Röntgengerät (10) befand.

Description

VERFAHREN ZUR COMPUTERGESTÜTZTEN BESTIMMUNG DER LAGE EINES AUF EINEM RÖNTGENBILD ABGEBILDETEN WIRBELSÄULENABSCHNITTS RELATIV ZU EINEM RÖNTGENGERÄT
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur computergestützten Bestimmung der Lage eines auf einem Röntgenbild abgebildeten Ab- Schnitts einer Wirbelsäule relativ zu einem Röntgengerät, das bei der Aufnahme des Röntgenbildes verwendet wurde. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm sowie eine Wirbelsäulensimulationsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
2. Beschreibung des Standes der Technik In der Wirbelsäulenchirurgie benötigt der behandelnde Arzt häufig Röntgenaufnahmen eines zu behandelnden Wirbelsäulenabschnitts, bei denen sich die Wirbelsäule in unterschiedlichen Stellungen, z. B. Inklination, Reklination oder Lateralflexion, befindet. Derartige Röntgenaufnahmen der Wirbelsäule werden meist als Funktionsaufnahmen bezeichnet. Durch Vergleichen der Funktionsaufnahmen kann der behandelnde Arzt Rückschlüsse ziehen, wie sich die Abstände und Winkel zwischen den benachbarten Wirbeln verändern, wenn der Patient den Rücken in der Koronaloder Sagittalebene krümmt. Aus einem solchen Vergleich kann der behandelnde Arzt beispielsweise die Abmessungen eines Implantats ableiten, das in einen Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Wirbeln eingeführt werden soll. Falls sich der behandelnde Arzt dabei eines Computerprogramms bedient, wie es aus der WO
2011/104028 bekannt ist, so benötigt das Computerprogramm eben- falls mehrere Funktionsaufnahmen, um dem Arzt einen Vorschlag für eine geeignete Implantatgeometrie unterbreiten zu können.
Um einerseits die Strahlenbelastung und andererseits die Kosten niedrig zu halten, handelt es sich bei derartigen Funktionsauf- nahmen in der Regel um zweidimensionale Röntgenaufnahmen. Auch zweidimensionale Röntgenaufnahmen ermöglichen es dem Arzt, Rückschlüsse auf die dreidimensionale Anordnung der Wirbel im betreffenden Wirbelsäulenabschnitt zu ziehen. Selbst sehr erfahrenen Ärzten gelingt es jedoch nicht immer zuverlässig zu erken- nen, ob ein auf einem Röntgenbild verdreht erscheinender Wirbelsäulenabschnitt tatsächlich gegenüber den übrigen Wirbeln verdreht angeordnet ist oder die Verdrehung lediglich scheinbar ist, weil der Patient während der Röntgenaufnahme verdreht relativ zu dem bei der Röntgenaufnahme verwendeten Röntgengerät aus- gerichtet war.
Der Rückgriff auf ein dreidimensionales Röntgenbild, wie es beispielsweise mit Hilfe der Magnetoresonanztomographie (MRT) erzeugt werden kann, hilft dem behandelnden Arzt nur bedingt weiter, da ein solches Röntgenbild die Wirbelsäulenabschnitte nur in einer einzigen Stellung zeigt. In einer anderen Stellung der Wirbelsäule, z. B. in bei starker Inklination, können zusätzliche Drehungen oder Verschiebungen der Wirbel auftreten, die man allein auf der Grundlage der dreidimensionalen Röntgenaufnahme nicht vorhersehen kann. Dies hängt letztlich mit der Tatsache zusammen, dass die menschliche Wirbelsäule ein äußerst komplexes Organ mit einer großen Anzahl von Freiheitsgraden hat, das sich einer einfachen Vorhersehbarkeit häufig entzieht.
Eine große Hilfe bei der Bewertung von Funktionsaufnahmen wäre es, wenn zumindest bekannt wäre, wie der auf einem Röntgenbild abgebildete Wirbelsäulenabschnitt während der Röntgenaufnahme relativ zu dem Röntgengerät angeordnet gewesen ist. Zwar achtet man bei der Herstellung von Funktionsaufnahmen darauf, dass der Patient eine genau definierte Lage zum Röntgengerät einnimmt. So müssten sich manchmal die Patienten mit ihren Füßen auf am Boden eingezeichnete Umrisse stellen und den Kopf in einer bestimmten Position halten. Da aber die Lage der einzelnen Wirbel innerhalb des Patienten nur ungenau bekannt ist, ist auf der späteren Röntgenaufnahme nicht mehr erkennbar, wo genau sich die einzelnen Wirbel während der Aufnahme relativ zum Röntgengerät befan- den. Dementsprechend ist es nicht möglich, aus einem derartigen zweidimensionalen Röntgenbild die Lage eines Wirbels oder eines Wirbelsäulenabschnitts relativ zu einem äußeren Bezugssystem, z. B. dem Ort der Röntgenquelle, anzugeben. Nur mit solchen genauen Lageinformationen ist es jedoch möglich, aus mehreren Funktionsaufnahmen Rückschlüsse über den dreidimensionalen Aufbau eines Wirbelsäulenabschnitts in mehreren Stellungen zu ziehen .
Noch gravierender sind die Probleme, wenn Funktionsaufnahmen miteinander verglichen werden sollen, die mit unterschiedlichen Röntgengeräten aufgenommen wurden. Da es in der Regel an jeglicher Dokumentation fehlt, wie genau der Patient relativ zu dem betreffenden Röntgengerät während der Aufnahme aufgerichtet war, lassen sich solche Funktionsaufnahmen in der Regel nicht so miteinander vergleichen, dass auf die dreidimensionale Anordnung der Wirbel geschlossen werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur computergestützten Bestimmung der Lage eines auf einem Röntgenbild abgebildeten Abschnitts eine Wirbelsäule relativ zu einem Röntgengerät an- zugeben, das bei der Aufnahme des Röntgenbildes verwendet wurde. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Datenbank, in der mehrere Datensätze enthalten sind, wobei jeder Datensatz umfasst:
Bildinformationen zu einem zweidimensionalen Referenz- Röntgenbild eines Wirbelsäulenteils, wobei sich die Re ferenz-Röntgenbilder der Datensätze durch die Lage des Wirbelsäulenteils relativ zu einem ersten Röntgengerät voneinander unterscheiden, das bei der Aufnahme der Re ferenz-Röntgenbilder verwendet wurde, und
Lageinformationen zu der Lage des Wirbelsäulenteils re lativ zu dem ersten Röntgengerät während der Aufnahme des Referenz-Röntgenbildes ; b) Aufnehmen eines zweidimensionalen Ziel-Röntgenbildes von ei nem Wirbelsäulenabschnitt eines Patienten unter Verwendung eines zweiten Röntgengeräts, das von dem ersten Röntgengerä verschieden sein kann; c) Vergleichen des in Schritt b) aufgenommenen Ziel-Röntgenbildes oder Teilen davon mit den in der Datenbank gespeicherten Bildinformationen zu den Referenz-Röntgenbildern; d) Ermitteln auf der Grundlage von in Schritt c) erhaltenen Er gebnissen, in welcher Lage sich der Wirbelsäulenabschnitt während des Schritts b) relativ zu dem zweiten Röntgengerät befand .
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass sich bei Patienten eines bestimmten Alters zwar die Lage, nicht aber die Form der Wirbel nennenswert voneinander unterscheidet. Daher ist es möglich, die von einem Patienten gemachten Röntgenaufnahmen mit Röntgenaufnahmen zu vergleichen, die von einer Referenz-Wirbelsäule (oder Teilen davon) gemacht wurden. Wenn beispielsweise eine Vielzahl von Röntgenaufnahmen eines ganz bestimmten Lendenwirbels einer solchen Referenz-Wirbelsäule gemacht werden, die sich lediglich durch die Lage des betreffenden Lendenwirbels relativ zum Röntgengerät voneinander unterscheiden, so ist es möglich, ein Ziel-Röntgenbild des Patienten, auf dem der betreffende Lendenwirbel ebenfalls erkennbar ist, mit der in der Datenbank gespeicherten Vielzahl von Referenz-Röntgenbildern des betreffenden Lendenwirbels zu vergleichen. Dann kann im Schritt c) aus den Referenz-Röntgenbildern mindestens ein Vergleichs- Röntgenbild ausgewählt werden, das dem Ziel-Röntgenbild oder Teilen davon am ähnlichsten ist. Die Lage des Wirbelsäulenabschnitts gemäß dem Schritt d) lässt sich dann aus den Lageinfor- mationen ableiten, die in dem Datensatz enthalten sind, dem das Vergleichs-Röntgenbild zugeordnet ist. In gleicher Weise kann auch mit den übrigen Wirbeln verfahren werden, die auf dem Ziel- Röntgenbild abgebildet sind.
Da die Gesetze der Strahlenprojektion in gleicher Weise bei al- len Röntgengeräten gelten, lässt sich somit im Nachhinein für ein beliebiges Röntgenbild ermitteln, in welcher Lage sich einzelne Wirbel oder ein größerer Wirbelsäulenabschnitt relativ zu einem Röntgengerät befand, das bei der Aufnahme des Röntgenbildes verwendet wurde. Dadurch können auch auf der Grundlage von zweidimensionalen Funktionsaufnahmen Aussagen über die dreidimensionale Anordnung der Wirbel des Patienten in unterschiedlichen Stellungen der Wirbelsäule getroffen werden.
Unter dem Begriff der "Lageinformationen" wird im Folgenden die Gesamtheit an Informationen verstanden, die erforderlich sind, um die Lage, d.h. den Ort und die Orientierung, eines Körpers im dreidimensionalen Raum relativ zu dem ersten Röntgengerät zu be- schreiben. Der Ort eines Körpers im dreidimensionalen Raum wird im Allgemeinen durch drei Koordinaten eines Koordinatensystems angegeben. Bei dem Koordinatensystem kann es sich beispielsweise um ein kartesisches, ein Zylinder- oder ein Polar-Koordinaten- System handeln. Die Orientierung eines Körpers im Raum wird meist durch die Winkel bezüglich dreier Achsen angegeben, bei denen es sich z. B. um die Achsen eines kartesischen Koordinatensystems handeln kann.
Die Angabe der Lage eines Wirbelsäulenteils im dreidimensionalen Raum erfordert somit die Angabe von insgesamt sechs Koeffizienten, von denen drei den Ort und drei die Orientierung kennzeichnen. Die Datenbank kann somit beispielsweise für jeden Wirbel mehrere hundert oder sogar mehrere tausend Röntgenbilder umfassen, aus denen der betreffende Wirbel in allen denkbaren Lagen abgebildet ist. Entsprechendes gilt für die übrigen Wirbel der Referenz-Wirbelsäule. Ferner kann die Datenbank entsprechende Datensätze für andere Referenz-Wirbelsäulen enthalten, die insbesondere dem Alter oder auch dem Geschlecht des Patienten Rechnung tragen. Im Prinzip ist es mit der heute verfügbaren Speichertechnologie möglich, sämtliche Bilder als pixelbasierte Bildinformationen in der Datenbank zu speichern. Zum Zwecke der Datenreduktion können die Bildinformationen jedoch auch als vektorgrafikbasierte Informationen gespeichert werden. So lassen sich die Röntgenbilder der Wirbelsäulenteile beispielsweise in parametrisierte Kantenbilder umwandeln, wodurch sich die Informationsmenge drastisch reduziert .
Unter einem Wirbelsäulenteil wird im Folgenden ein einzelner Wirbel, eine einen Wirbelsäulenabschnitt bildende Anordnung meh- rerer benachbarter Wirbel, ein vollständiges Wirbelsäulensegment wie etwa die Halswirbelsäule oder die Lendenwirbelsäule oder im Extremfall sogar die ganze Wirbelsäule verstanden.
Unter einem Datensatz wird im vorliegenden Zusammenhang lediglich eine rein logische Zuordnung von Informationen verstanden. Es ist deswegen nicht erforderlich, dass die zu einem Datensatz zusammengefassten Informationen auch in einer Datenbankstruktur physikalisch zusammengefasst sind. Es genügt stattdessen, dass die betreffenden Informationen auf irgendeine Weise miteinander verknüpft sind, so dass zu den Bildinformationen der Referenz- Röntgenbilder die dazu abgespeicherten Lageinformationen ausgelesen werden können.
Um die Zahl der zu speichernden Referenz-Röntgenbilder zu verringern, kann es zweckmäßig sein, aus der Gesamtzahl der denkbaren unterschiedlichen Lagen des Wirbelsäulenteils eine relativ kleine Auswahl zu treffen. So können die Lagen beispielsweise jeweils um 5 cm entlang der drei Raumrichtungen beabstandet sein, während bezüglich der Orientierung der Wirbelsäulenteile die Abstände zwischen den Winkeln 2° betragen. Der Vergleich des Ziel-Röntgenbilds mit den Referenz-Röntgenbildern erfolgt dann durch Interpolation. Dabei werden aus den Referenz-Röntgenbildern mehrere Vergleichs-Röntenbilder ausgewählt, die dem Ziel-Röntgenbild oder Teilen davon am ähnlichsten sind. Die Lage des Wirbelsäulenabschnitts gemäß dem Schritt d) wird dann durch Interpolation aus den Lageinformationen abgeleitet, die in den Datensätzen enthalten sind, denen die Vergleichs-Röntgenbilder zugeordnet sind.
Eine weitere Verringerung der Datenmenge lässt sich erzielen, wenn nicht einzelne Wirbel miteinander verglichen werden, sondern ganze Wirbelabschnitte. Das Wirbelsäulenteil umfasst dann mehrere gelenkig miteinander verbundene Wirbel. Jeder Datensatz umfasst in diesem Fall mehrere dem Datensatz zugeordnete Unterdatensätze, wobei jeder Unterdatensatz Bildinformationen zu einem zweidimensionalen Referenz-Röntgenbild des Wirbelsäulenteils umfasst. Die Referenz-Röntgenbilder der Unterdatensätze unter- scheiden sich durch die Lage der Wirbel zueinander, als die Aufnahmen der Referenz-Röntgenbilder gemacht wurden. Mindestens ein Wirbel auf den Referenz-Röntgenbildern aller einem übergeordneten Datensatz zugeordneten Unterdatensätze befindet sich dabei immer in der gleichen, durch den übergeordneten Datensatz vorge- gebenen Lage relativ zu dem ersten Röntgengerät. Außerdem umfassen die Unterdatensätze jeweils Lageinformationen zu der relativen Lage der Wirbel zueinander während der Aufnahme des betreffenden Referenz-Röntgenbildes . Diese Reduktion der Datenmenge beruht letztlich darauf, dass bei einer bereits festgestellten Lage eines bestimmten Wirbels die benachbarten Wirbel sich nicht mehr in jeder beliebigen Lage relativ zu dem besagten Wirbel befinden können, sondern die Zahl der möglichen relativen Lagen durch zusätzliche Randbedingungen wie Gelenkgeometrie oder umgebender Bandapparat erheblich eingeschränkt ist. Insbesondere können von den Wirbelsäulenteilen mindestens zwei Ziel-Röntgenbilder gemacht werden, bei denen sich die Wirbel in unterschiedlichen relativen Lagen zueinander befinden. Aus den Lageinformationen zu den relativen Lagen wird dann abgeleitet, wie sich die relative Lage der Wirbel zwischen der Aufnahme der mindestens zwei Ziel-Röntgenbilder verändert hat. Somit lässt sich durch Vergleich von zwei Ziel-Röntgenbildern mit den als Referenz dienenden Referenz-Röntgenbildern unmittelbar ableiten, wie sich die Wirbel zwischen den beiden Aufnahmen relativ zueinander verdreht und/oder verschoben haben. Diese Information ist besonders wichtig, da sie dem behandelnden Arzt oder einem zur seiner Unterstützung verwendeten Computerprogramm Auskunft dar- über verschafft, welche relative Lageänderungen zwei zueinander benachbarte Wirbel überhaupt ausführen können. Wird in das von diesen beiden Wirbeln begrenzte Bandscheibenfach später beispielsweise eine bewegliche Bandscheibenprothese eingesetzt, so sollte diese in der Lage sein, den auf diese Weise erfassten Bewegungsspielraum zu erhalten.
Da von der Referenz-Wirbelsäule oder Teilen davon eine sehr große Anzahl von Röntgenaufnahmen gemacht werden muss, können die Röntgenaufnahmen nicht von einem lebendigen Patienten gemacht werden. Bevorzugt wird deswegen zum Aufbau der Datenbank ein Wirbelsäulenteil bereitgestellt, bei dem es sich um ein Modell oder um ein anatomisches Präparat eines Körperspenders handelt. Im Falle eines Modells kann dieses z. B. nach einer dreidimensionalen hochaufgelösten Röntgenaufnahme einer gesunden Wirbelsäule angefertigt sein. Das Modell oder Präparat wird dann in unterschiedlichen Lagen in einem Strahlengang des ersten Röntgengeräts angeordnet, wobei die Lagen jeweils beispielsweise durch Messung bestimmt werden. In jeder Lage wird von dem ersten Röntgengerät ein Referenz-Röntgenbild des Wirbelsäulenteils gemacht. Ein anatomisches Präparat hat gegenüber einem Modell den Vorzug, dass die spezifischen Absorptionseigenschaften der Wirbel bezüglich des Röntgenlichts in einem Modell nur unzureichend wiedergegeben werden können. Röntgenaufnahmen von einem Modell können sich deswegen signifikant von Röntgenaufnahmen eines realen Wir- bels, der die gleiche Form wie das Modell hat, unterscheiden.
Vorteilhaft ist die Verwendung eines anatomischen Präparats außerdem vor allem dann, wenn nicht Aufnahmen einzelner Wirbel, sondern von Wirbelsäulenabschnitten gemacht werden. Wenn das a- natomische Präparat die Bandscheiben zwischen den Wirbeln und gegebenenfalls sogar den umgebenden Bandapparat umfasst, können die tatsächlich bestehenden Bewegungsmöglichkeiten optimal reproduziert werden.
Nur mit der Verwendung eines Modells oder eines anatomischen Präparats ist es im Übrigen möglich, die Lage des Wirbelsäulen- teils relativ zu dem ersten Röntgengerät mit der erforderlichen Genauigkeit zu bestimmen. Dabei kann insbesondere für jeden Wirbel eine Nulllage definiert werden, bei sich der Wirbel so im Zentrum des Röntgenlichtbündels befindet, dass keine Doppelkanten entstehen und der axiale Röntgenstrahl durch die Mitte zwi- sehen den Pedikelaugen des betreffenden Wirbels verläuft.
Selbstverständlich sind auch andere Festlegungen der Nulllage möglich .
Im Zusammenhang mit dem Aufbau der Datenbank kann bei Verwendung eines Modells oder eines Präparats ein Roboter verwendet werden, der das Wirbelsäulenteil in den unterschiedlichen Lagen im
Strahlengang des ersten Röntgengeräts anordnet. Bei der Verwendung geeigneter Servomotoren liefert der Roboter gleichzeitig die abzuspeichernden Lageinformationen. Mit einem Roboter lässt sich die große Zahl von Röntgenaufnahmen, die für den Aufbau der Datenbank erforderlich ist, in relativ kurzer Zeit herstellen.
Wenn das auf den Referenz-Röntgenbildern abgebildete Wirbelsäulenteil mehrere gelenkig miteinander verbundene Wirbel umfasst, so kann der Roboter ferner dazu verwendet werden, die Wirbel in unterschiedlichen relativen Lagen anzuordnen. Hierzu kann der Roboter über zwei Arme oder ähnliche Halteelemente verfügen, um die beiden Enden des Wirbelsäulenteils relativ zueinander auslenken zu können.
In diesem Falle ist es zweckmäßig, wenn der Roboter beim Anordnen der Wirbel in unterschiedlichen relativen Lagen Widerstands- kräfte misst, die bei einer Veränderung der relativen Lage zwi- sehen den Wirbeln überwunden werden müssen. Wenn diese Widerstandskräfte ebenfalls in der Datenbank gespeichert werden, lassen sich Informationen darüber gewinnen, welcher Bewegungswiderstand überwunden werden muss, wenn die Wirbelsäule in unterschiedliche Stellungen überführt wird. Diese Informationen können ihrerseits bei der Auswahl einer geeigneten Bandscheibenprothese verwendet werden.
Aus der DE 10 2008 048 739 AI ist beispielsweise eine Drehwinkelbegrenzung für eine Bandscheibenprothese bekannt, bei der sich der Bewegungswiderstand mit zunehmendem Drehwinkel gemäß einer vorgebbaren Kennlinie erhöht. Diese Kennlinie kann dann so vorgegeben werden, dass die betreffende Bandscheibenprothese den gleichen Drehwiderstand erzeugt wie eine gesunde Bandscheibe.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch beim Aufnehmen eines zweidimensionalen Röntgenbildes eines Wirbelsäulenteils aus einer gewünschten Perspektive unter Verwendung eines Röntgengeräts verwendet werden, das eine Röntgenquelle und einen gemeinsam mit der Röntgenquelle verfahrbaren Röntgendetektor aufweist. Ein solches Verfahren weist die folgenden Schritte auf: a) Festlegen einer Perspektive, von der aus ein zweidimensionalen Röntgenbild des Wirbelsäulenteils aufgenommen werden soll, unter Verwendung eines dreidimensionalen Bildes; b) Aufnehmen eines vorläufigen zweidimensionalen Röntgenbildes des Wirbelsäulenteils mit Hilfe des zweiten Röntgengeräts, wobei sich die Röntgenquelle in einer Ausgangsposition befindet ; c) Bestimmen der Lage des Wirbelsäulenteils relativ zu dem
zweiten Röntgengerät wie vorstehend beschrieben; d) Berechnen einer Zielposition, welche die Röntgenquelle einnehmen muss, damit das Wirbelsäulenteil mit der in Schritt a) festgelegten Perspektive durchleuchtet werden kann, unter Berücksichtigung der in Schritt c) bestimmten Lage des Wir- belsäulenteils ; e) Verfahren der Röntgenquelle an die in Schritt d) berechnete Zielposition; f) Aufnehmen eines endgültigen zweidimensionalen Röntgenbildes des Wirbelsäulenteils mit Hilfe des zweiten Röntgengeräts. Auch hier dient das erste Röntgengerät letztlich als Referenz, um das vorläufige Röntgenbild und das endgültige Röntgenbild miteinander in Beziehung zu setzen. Das dreidimensionale Bild, unter dessen Verwendung die Perspektive in Schritt i) festgelegt wird, kann ein Röntgenbild der Wirbelsäule des betreffenden Pa- tienten oder auch ein dreidimensionales Bild einer Referenz- Wirbelsäule sein. Im zuletzt genannten Falle kann das dreidimensionale Bild auch von einem Computer erzeugt sein, ohne dass ein reales Modell der Wirbelsäule existiert.
Gegenüber dem Verfahren, das aus der DE 10 2009 051 897 AI be- kannt ist, benötigt das erfindungsgemäße Verfahren somit kein tatsächliches dreidimensionale Bild der Wirbelsäule des Patienten, da die Referenzierung über die Referenz-Röntgenbilder erfolgt, die in der Datenbank gespeichert sind. Trotzdem ermöglicht es auch das erfindungsgemäße Verfahren, ein zweidimensio- nales Röntgenbild aus einer gewünschter Perspektive aufzunehmen, ohne dass man sich durch eine Vielzahl von Versuchsbelichtungen an die gewünschte Perspektive annähern muss. Stattdessen kann die Röntgenquelle nach Aufnahme eines einzigen vorläufigen zweidimensionalen Röntgenbildes direkt eine Zielposition anfahren, von der aus das betreffende Wirbelsäulenteil aus der gewünschten Perspektive aufgenommen werden kann.
Ein solches Verfahren ist vor allem für intraoperative Durchleuchtungen ( Fluoroskopie) zweckmäßig, bei denen mit Hilfe eines C-Bogen-Röntgengeräts in kurzen Zeitabständen Röntgenaufnahmen aus unterschiedlichsten Perspektiven gemacht werden müssen.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Computerprogramm zur Bestimmung der Lage eines auf einem Röntgenbild abgebildeten Ab¬ schnitts einer Wirbelsäule relativ zu einem Röntgengerät, das bei der Aufnahme des Röntgenbildes verwendet wurde. Erfindungsgemäß ist das Computerprogramm dazu eingerichtet, einen Computer, auf dem das Computerprogramm abläuft, dazu zu veranlassen, die folgenden Schritte auszuführen: a) Zugreifen auf eine Datenbank, in der mehrere Datensätze enthalten sind, wobei jeder Datensatz umfasst:
Bildinformationen zu einem zweidimensionalen Referenz- Röntgenbild eines Wirbelsäulenteils, wobei sich die Re- ferenz-Röntgenbilder der Datensätze durch die Lage des Wirbelsäulenteils relativ zu einem ersten Röntgengerät voneinander unterscheiden, das bei der Aufnahme der Re- ferenz-Röntgenbilder verwendet wurde, und
Lageinformationen zu der Lage des Wirbelsäulenteils relativ zu dem ersten Röntgengerät während der Aufnahme des Referenz-Röntgenbildes ; b) Einlesen eines zweidimensionalen Ziel-Röntgenbildes , das von einem Wirbelsäulenabschnitt eines Patienten unter Verwendung eines zweiten Röntgengeräts aufgenommen wurde, das von dem ersten Röntgengerät verschieden sein kann; c) Vergleichen des in Schritt b) eingelesenen Ziel- Röntgenbildes oder Teilen davon mit den in der Datenbank gespeicherten Bildinformationen zu den Referenz-
Röntgenbildern; d) Ermitteln auf der Grundlage von in Schritt c) erhaltenen Ergebnissen, in welcher Lage sich der Wirbelsäulenabschnitt während des Schritts b) relativ zu dem zweiten Röntgengerät befand.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Wirbelsäulen- Simulationsvorrichtung mit a) einem Röntgengerät, das eine Röntgenquelle und einen Rönt- gendetektor umfasst, wobei die Röntgenquelle dazu eingerichtet ist, Röntgenstrahlung zu erzeugen, die sich entlang eines Strahlengangs zum Röntgendetektor hin ausbreitet; b) einem Manipulator, der umfasst: zwei Halterungen, die dazu eingerichtet sind, zwischen sich ein Wirbelsäulenteil zu halten, bei dem es sich um ein Modell oder um ein einem Körperspender entnommenes anatomisches Präparat eines Wirbels oder eines Wirbelsäulenabschnitts handelt,
Stellmotoren, die dazu eingerichtet sind, die Halterungen derart zu verfahren, dass das Wirbelsäulenteil in unterschiedlichen Lagen relativ zu dem Röntgengerät angeordnet ist; c) einem Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, die Stellmotoren des Manipulators und das Röntgengerät derart zu steuern, dass der Manipulator das Wirbelsäulenteil in unterschiedliche Lagen relativ zu dem Röntgengerät verfährt, wobei in je- der der unterschiedlichen Lagen ein Röntgenbild von dem Wirbelsäulengerät aufgenommen wird und die jeweilige Lage in einem Datenspeicher gespeichert wird.
Mit einer solchen Wirbelsäulen-Simulationsvorrichtung ist es möglich, in vergleichsweise kurzer Zeit eine sehr große Anzahl von Röntgenaufnahmen des Wirbelsäulenteils in verschiedenen Lagen zu erzeugen.
Wenn das Wirbelsäulenteil mehrere gelenkig miteinander verbundene Wirbel umfasst, so kann der Manipulator dazu eingerichtet sein, die Wirbel in unterschiedliche relative Lagen zu überführen. Ferner kann dann das Steuergerät dazu eingerichtet sein, die Stellmotoren des Manipulators und das Röntgengerät derart zu steuern, dass der Manipulator die Wirbel in unterschiedliche relative Lagen verfährt, wobei in jeder der unterschiedlichen re- lativen Lagen ein Röntgenbild von dem Wirbelsäulengerät aufgenommen wird und die jeweilige relative Lage in dem Datenspeicher gespeichert wird.
Wenn der Manipulator dazu eingerichtet ist, Kräfte zu messen, die bei einer Änderung der relativen Lage überwunden werden müs- sen, so können diese Informationen ebenfalls in dem Datenspeicher gespeichert werden.
Die vorstehend erläuterte Erfindung lässt sich vorteilhaft nicht nur im Zusammenhang mit Röntgenbildern der Wirbelsäule, sondern auch mit Röntgenbildern anderer Skelettteile einsetzen. An die Stelle des Wirbelsäulenteils tritt dann allgemein ein Skelettteil. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Darin zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines Röntgengeräts, das zur Aufnahme eines Wirbelsäulenabschnitts verwendet wird;
Figur 2 das Bild dreier Würfel in Zentralperspektive;
Figur 3 das Bild dreier Wirbelkörper in Zentralperspektive; Figur 4 ein Röntgengerät mit einem erfindungsgemäßen Roboter zum Aufbau einer erfindungsgemäßen Datenband;
Figur 5 die in der Figur 4 gezeigte Anordnung, wobei sich der
Roboter in einer anderen Verfahrstellung befindet;
Figur 6 eine Vielzahl von Röntgenbildern eines Wirbels aus un- terschiedlichen Perspektiven;
Figur 7 ein einzelnes Röntgenbild eines Wirbels;
Figur 8 ein Kantenbild des in der Figur 7 gezeigten Wirbels;
Figur 9 eine schematische Darstellung eines Datensatzes mit einem Kantenbild eines Wirbels und den dazu abgespeicher- ten Lageinformationen;
Figur 10 einen Arbeitsplatz zur Bearbeitung von Röntgenbildern unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 11 eine schematische Darstellung zur Erläuterung, wie ein
Kantenbildausschnitt eines Ziel-Röntgenbildes mit ge- speicherten Kantenbildern von Referenz-Röntgenbildern verglichen wird;
Figur 12 eine der Figur 4 entsprechende Darstellung eines Röntgengeräts mit einem erfindungsgemäßen Roboter zum Auf- bau einer erfindungsgemäßen Datenband, wobei gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel Röntgenbilder von mehreren Wirbeln gleichzeitig aufgenommen werden;
Figur 13 die in der Figur 12 gezeigte Anordnung, wobei sich der
Roboter in einer anderen Verfahrstellung befindet; Figuren 14 und 15 zwei Kantenbilder von Wirbelsäulenabschnitten in unterschiedlichen Stellungen;
Figur 16 eine Darstellung der Datenbankstruktur für das zweite
Ausführungsbeispiel ;
Figur 17 ein Röntgengerät für die intraoperative Aufnahme von
Röntgenbildern, bei dem nach der Aufnahme eines vorläufigen Röntgenbildes direkt eine gewünschte Zielposition der Röntgenquelle angefahren werden kann.
Figur 18 ein Flussdiagramm zur Erläuterung wesentlicher Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens. BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1. Problemstellung
Die Figur 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein konventionelles Röntgengerät, das für Aufnahme von zweidimensionalen Röntgenbildern der menschlichen Wirbelsäule WS geeignet und insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Das Röntgengerät 10 umfasst einen Ständer 12, an dem ein sich in horizontaler Richtung erstreckender Arm 14 vertikal verfahrbar befestigt ist. Der Arm 14 trägt an einem Ende ein Gehäuse 16, in der eine Röntgenröhre 17 angeordnet ist. In der Röntgenröhre 17 bildet ein Target, das mit einem Elektronenstrahl beschossen wird, eine Röntgenquelle 18 für die Erzeugung von Röntgenstrahlung. Ferner ist in dem Gehäuse 16 eine Blende 20 angeordnet, mit der sich die Abmessungen des Bildausschnitts festlegen lassen. Die Blende 20 umfasst hierzu mehrere verstellbare Blendenelemente, die den Strahlengang der gestrichelt angedeuteten Röntgenstrahlung 22 begrenzen. Die Blende 20 kann auch in die Röntgenröhre 17 integriert sein.
Der Arm 14 trägt an seinem gegenüberliegenden Ende einen Halter 26 für einen Röntgendetektor 28. Dieser erfasst die Röntgenstrahlung 22, die den Patienten 30 durchtritt, und erzeugt daraus ein Röntgenbild. Bei dem Röntgendetektor 28 kann es sich um einen digitalen Röntgendetektor handeln, der unmittelbar ein digitales Röntgenbild erzeugt, das z. B. auf einem Bildschirm betrachtet werden kann. Alternativ hierzu kommt die Ausbildung des Röntgendetektors 28 als digitaler Speicherfilm oder als klassischer Röntgenfilm in Betracht. Das Gesicht des Patienten 30 weist in der Figur 1 zum Ständer 12, so dass die Röntgenstrahlen 22 einen Abschnitt der Wirbelsäule WS des Patienten 30 lateral durchtreten. Der Röntgendetektor 28 nimmt somit ein sagittales Bild der Wirbelsäule des Patienten 30 auf. Wie der im Strahlengang liegende Wirbelsäulenab- schnitt des Patienten 30 auf dem Röntgenbild erscheint, hängt von der Lage, d. h. vom Ort und der Orientierung, der Wirbelsäule relativ zum Röntgengerät 10 ab. Die Abbildung der Wirbelsäule WS auf dem Röntgenbild gehorcht dabei den Regeln der Zentralperspektive, da die Röntgenquelle 18 annähernd punktförmig ist und die Röntgenstrahlen sich geradlinig im Raum ausbreiten. Die Figur 2 illustriert dies, wobei drei Wirbel der Wirbelsäule WS der Einfachheit halber als Kuben 32 dargestellt sind. Je nach der Lage der Kuben 32 relativ zu der durch einen Punkt angedeuteten Lichtquelle 18 sind zusätzlich zur der dem Röntgendetektor 28 zugewandten Frontfläche 34 eine oder zwei Seitenflächen 36, 38 auf dem Röntgenbild erkennbar. Außerdem scheinen an sich parallele Kanten scheinen auf die Lichtquelle 18 zuzulaufen, wie dies für eine Zentralperspektive typisch ist. Jeder der drei i- dentischen Kuben 32 erscheint somit auf einem Röntgenbild an- ders.
Auf einem Röntgenbild ist die Röntgenquelle 18 nicht wie in der Figur 2 erkennbar. Fehlt diese Information und unterstellt man, dass nicht identische Kuben 32, sondern beliebige Körper abgebildet werden, so lässt sich nur mit viel Erfahrung vermuten, welche Form, Größe und Lage die abgebildeten Körper relativ zueinander haben. So wüsste man beispielsweise nicht, ob die Kanten 40 tatsächlich parallel verlaufen oder nicht doch einen Winkel zueinander einschließen.
Die gleichen Probleme stellen sich dem behandelnden Arzt, wenn er auf dem Röntgenbild mehrere Wirbel erkennt und daraus ableiten soll, wie diese relativ zueinander angeordnet sind. Zwar ist dem Arzt die Grundform der abgebildeten Wirbel bekannt, jedoch ist diese einerseits relativ kompliziert, und andererseits führen Abweichungen von der Grundform dazu, dass die tatsächliche Lage der Wirbel relativ zum Röntgengerät 10 im Nachhinein nicht mehr bestimmbar ist.
Dies veranschaulicht die Figur 3, die ein Röntgenbild 42 mit drei Wirbelkörpern WK1, WK2, WK3 des Patienten 30 zeigt. Die Wirbelkörper WK1, WK2, WK 3 können dabei um alle drei Raumachsen zueinander verkippt angeordnet sein. Ähnlich wie bei der Schema- tischen Darstellung der Figur 2 sind in diesem Röntgenbild zusätzliche Seitenflächen 36, 38 mit begrenzenden Kanten 40 erkennbar. Selbst wenn der behandelnde Arzt über eine hochaufgelöste dreidimensionale Darstellung der Wirbelsäule des Patienten 30 verfügt, aus der er die genaue Form der Wirbelkörper WK1, WK2, WK3 erkennen kann, so bleibt es eine schwierige und viel Erfahrung erfordernde Aufgabe, vom Röntgenbild 42 auf den Ort und die Orientierung der Wirbelkörper WK1, WK2, WK3 zu schließen . Wüsste man genau, wie der Patient 30, oder genauer gesagt seine Wirbelsäule WS, während der Aufnahme des Röntgenbildes 42 im Strahlengang des Röntgengeräts 10 angeordnet war, so könnte durch Rückprojektion des Strahlengangs ermittelt werden, wie die Wirbelkörper WK1, WK2, WK3 relativ zueinander angeordnet waren. Die genaue Anordnung des Patienten 30 während der Aufnahme des
Röntgenbildes 42 ist jedoch nicht bekannt, und die Anordnung der Wirbelsäule WS lässt sich selbst dann nicht ermitteln, wenn der Patient tatsächlich sich während der Röntgenaufnahme in einer sehr genau definierten Position relativ zu dem Röntgengerät 10 befand. Dies gilt umso mehr, wenn der behandelnde Arzt seine Diagnose auf der Grundlage von Röntgenbildern 42 sicherstellen muss, die er nicht selbst aufgenommen hat und ihm weder der Type des bei der Aufnahme verwendeten Röntgengeräts 10 noch die genaue Lage des Patienten während der Röntgenaufnahme bekannt ist. 2. Erfindungsgemäße Lösung
Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, mit denen es möglich ist, die Lage des auf einem Röntgenbild abgebildeten Abschnitts einer Wirbelsäule relativ zu dem bei der Aufnahme verwendeten Röntgengerät 10 zu bestimmen. Ist diese Lage bekannt, so lässt sich beispielsweise durch Rück- Projektion des Strahlengangs ermitteln, wie die auf dem Röntgenbild erkennbaren Wirbel relativ zueinander angeordnet sind. Außerdem lassen sich dann mit Röntgenbilder, die mit unterschiedlichen Röntgengeräten aufgenommen wurden, direkt miteinander vergleichen. Letztlich wird es dadurch möglich, allein auf der Grundlage von zweidimensionalen Funktionsaufnahmen Aussagen über die dreidimensionale Anordnung der Wirbel des Patienten in unterschiedlichen Stellungen der Wirbelsäule zu treffen. a) Erstes Ausführungsbeispiel Die Erfindung beruht auf der Überlegung, das Röntgenbild 42 oder Teile davon mit Referenz-Röntgenbildern zu vergleichen, die von einem oder mehreren Wirbeln aufgenommen wurden, wobei während der Aufnahme die Lage des oder der Wirbel relativ zum Röntgengerät gemessen oder in sonstiger Weise bestimmt und zusammen mit dem Referenz- Röntgenbild abgespeichert wird.
Hierzu ist der Aufbau einer Datenbank erforderlich, die mehrere Datensätze enthält, wobei jeder Datensatz Bildinformationen zu einem zweidimensionalen Referenz-Röntgenbild eines Wirbelsäulenteils umfasst. Die Referenz-Röntgenbilder der Datensätze unter- scheiden sich dabei voneinander durch die Lage des Wirbelsäulenteils relativ zu dem Röntgengerät, das bei der Aufnahme der Re- ferenz-Röntgenbilder verwendet wird.
Die Erzeugung einer solchen Datenbank wird im Folgenden mit Bezug auf die Figuren 4 bis 9 erläutert. Die Figur 4 zeigt ein Röntgengerät 10', das im dargestellten
Ausführungsbeispiel den gleichen Aufbau hat wie das in der Figur 1 gezeigte Röntgengerät 10. Für die Erfindung ist dies jedoch nicht erforderlich; vielmehr kann für den Aufbau der Datenbank auch ein anderes Röntgengerät verwendet werden, sofern dies dazu geeignet ist, zweidimensionale Röntgenbilder von Wirbelsäulenteilen aufzunehmen. Um das Röntgengerät 10' von dem in der Figur 1 gezeigten Röntgengerät zu unterscheiden, wird es im Folgenden als erstes Röntgengerät bezeichnet und das in der Figur 1 ge- zeigte Röntgengerät als zweites Röntgengerät 10.
Im Strahlengang des ersten Röntgengeräts 10' ist ein Roboter 44 angeordnet, der so ausgelegt ist, dass er ein Wirbelsäulenteil in unterschiedlichen Lagen im Strahlengang des ersten Röntgengeräts 10' anordnen kann. Der Roboter 44 weist zu diesem Zweck zwei vertikale Schienen 46 auf, entlang derer zwei horizontale
Schienen 48 in Vertikalrichtung individuell verfahrbar sind, wie dies in der Figur 4 durch Doppelpfeile angeordnet ist. Die horizontalen Schienen 48 tragen ihrerseits jeweils einen Tragzylinder 50. Die Tragzylinder 50 sind entlang der horizontalen Schie- nen 48 in horizontaler Richtung verfahrbar, wie dies ebenfalls durch Doppelpfeile angeordnet ist. Die Tragzylinder 50 tragen jeweils eine Tragplatte 52, die teleskopisch relativ zu den Trägzylindern 50 in vertikaler Richtung verfahrbar sind. Außerdem können die Tragplatten 52 um eine vertikale Achse, die mit der Längsachse der Tragzylinder 50 zusammenfällt, gedreht werden, wie dies ebenfalls durch Pfeile angedeutet ist.
Jeder Tragplatte 52 trägt mindestens zwei individuell verstellbare Hydraulikaktuatoren 54 mit Stellstangen 56, deren Länge individuell verstellt werden kann. An den Enden der Stellstangen 56, die zu einem Tragzylinder 50 gehören, ist eine Halteplatte
58 gelenkig befestigt. Die Stellstange 56 können somit dazu verwendet werden, die Halteplatten 58 zu verkippen, wie dies ebenfalls durch Doppelpfeile in der Figur 4 angedeutet ist.
Der Roboter 44 verfügt somit über alle Freiheitsgrade, um ein zwischen den Halteplatten 58 verklemmtes Wirbelsäulenteil 60 in jeder beliebigen Lage, d. h. an jedem beliebigen Ort und in praktisch jeder beliebigen Orientierung, im Strahlengang des ersten Röntgengeräts 10' anzuordnen.
Gesteuert werden Stellmotoren des Roboters 44, von denen einer bei 61 angedeutet ist, und das erste Röntgengerät 10' von einem Steuergerät 63, das mit einem Datenspeicher 65 verbunden ist.
Die Figur 5 zeigt den Roboter 44 in einer anderen Stellung, in der sich das Wirbelsäulenteil 60 an einem anderen Ort und in einer anderen Orientierung im Strahlengang des ersten Röntgenge- räts 10' befindet.
Zum Aufbau der Datenbank wird das Wirbelsäulenteil 60, bei dem es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um einen einzelnen Wirbel handelt, in alle Lagen überführt, die das Wirbelsäulenteil 60 im Strahlengang des ersten Röntgengeräts 10' einnehmen kann. In jeder dieser Lagen wird ein Referenz-Röntgenbild vom ersten Röntgengerät 10' aufgenommen und zusammen mit den Lageinformationen abgespeichert. Das betreffende Referenz-Röntgenbild und die Lageinformation bilden dann einen Datensatz, der in der Datenbank abgelegt wird. Die Lageinformationen können dabei durch Messung mit einem zusätzlichen Messgerät (nicht dargestellt) ermittelt werden. In der Regel wird der Roboter 44 jedoch für die Verstellung der Halteplatten 58 über Servomotoren verfügen, so dass der Roboter 44 selbst die abzuspeichernden Lageinformationen bereitstellt. In diesem Fall muss lediglich einmalig die Lage des Wirbelsäu-. lenteils 60 relativ zu den Halteplatten 58 gemessen werden.
Die Figur 6 zeigt eine kleine Auswahl der Referenz-Röntgen- bildern RB, die schließlich in der Datenbank enthalten sind.
Hier wurde unterstellt, dass das nur schematisch angedeutete Wirbelsäulenteil 60 zwischen den einzelnen Aufnahmen nicht verkippt wurde, so dass die Orientierung des Wirbelsäulenteils 60 auf allen in der Figur 6 dargestellten Referenz-Röntgenaufnahmen RB identisch ist. Mit Hilfe des Roboters 44 verändert wurde le- diglich der Ort, an dem das Wirbelsäulenteil 60 mit identischer Orientierung im Strahlengang des ersten Röntgengeräts 10' angeordnet wurde. Die Datenbank enthält deswegen eine Vielzahl weiterer Gruppen von Datensätzen, bei denen die Referenz-Röntgen- bilder RB ähnlich wie bei den in der Figur 6 gezeigten Gruppe aussehen, nur dass das Wirbelsäulenteil 60 um vorgegebene Winkel bezüglich unterschiedlicher Drehachsen verdreht angeordnet ist.
Da zur Angabe der Lage des Wirbelsäulenteils 60 insgesamt sechs Koordinaten erforderlich sind, nämlich drei Ortskoordinaten und drei Winkelkoordinaten, erhält man eine sechsdimensionale Matrix von Datensätzen, die jeweils ein Referenz-Röntgenbild und die dazugehörigen Lageinformationen enthalten. Bei einer Auflösung k pro Dimension sind somit k6 Datensätze erforderlich. Für k = 10 müssen somit eine Million Datensätze abgespeichert werden. Falls es sich bei dem Wirbelsäulenteil 60 um einen einzelnen Wirbel handelt, so kann es aufgrund der unterschiedlichen Formen der Wirbel erforderlich sein, für jeden oder zumindest für mehrere Wirbel eine entsprechende Anzahl von Datensätzen zu erzeugen und abzuspeichern .
Um die abzuspeichernden Datenmengen zu reduzieren, werden bevor- zugt nicht pixelbasierte Röntgenbilder, sondern lediglich vek- torgraphikbasierte Kantenbilder des aufgenommenen Wirbelsäulenteils 60 gespeichert, wie dies die Figuren 7 und 8 illustrieren. Die Figur 7 zeigt schematisch ein von dem ersten Röntgengerät 10' aufgenommenes Referenz-Röntgenbild RB des Wirbelsäulenteils 60. Die gestrichelten Linien deuten die unscharfen Kanten des
Wirbelsäulenteils 60 an. Durch an sich bekannte Kantendetektion- salgorithmen lässt sich aus dem in der Figur 7 gezeigten Refe- renz-Röntgenbild RB ein Kantenbild RB ' erzeugen, wie es in der Figur 8 schematisch dargestellt ist. Die Kanten können mit vergleichsweise wenigen Informationen als Vektorgraphik gespeichert werden. Ein in der Figur 9 gezeigter vollständiger Datensatz enthält dann lediglich das vereinfachte Kantenbild RB 1 sowie die Lageinformation mit den drei Ortskoordinaten X, Y, Z und den drei Winkelkoordinaten WX, WY, WZ.
Kantenbilder RB ' haben überdies den Vorzug, dass sich diese leichter interpolieren lassen. Damit kann die Auflösung k verringert werden, z. B. auf k = 5, so dass nur noch etwas mehr als 15.000 Datensätze pro Wirbel anfallen.
Anstatt mit dem Roboter 44 und dem ersten Röntgengerät 10' reale Referenz-Röntgenbilder RB des Wirbelsäulenteils 60 aufzunehmen, könnten diese auch rechnerisch erzeugt werden, wenn dem Rechner die Form des Wirbelsäulenteils 60 vorgegeben wird. Der Rechner könnte dann auf der Grundlage der Gesetzte der Strahlengeometrie rechnerisch Kantenbilder erzeugen, wie sie sich bei der Anordnung des Wirbelsäulenteils 60 im simulierten Strahlengang eines Röntgengeräts ergäben. Die für Röntgenaufnahmen typischen Schattierungen und sonstige Effekte, die durch die unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten des Knochengewebes entstehen, lassen sich bei simulierten Referenz-Röntgenaufnahmen jedoch nur schwer nachbilden. Dadurch kann es zu Abweichungen zwischen simulierten Referenz-Röntgenbildern und realen Referenz-Röntgenbildern kommen, die letztlich zu Fehlern bei der Lagebestimmung führen.
Die Figur 10 zeigt einen Arbeitsplatz 150 mit einem Computer 152, einem Festplattenspeicher 154 für die Datenbank, einer Tastatur 156 und zwei Bildschirmen 158. In den Computer 152 wird ein Ziel-Röntgenbild ZB eingelesen, das mit dem zweiten Röntgen- gerät 10 von einem Abschnitt der Wirbelsäule WS des Patienten 30 aufgenommen wurde. Der behandelnde Arzt oder ein Assistent markiert nun auf dem auf einem der Bildschirme 158 dargestellten Ziel-Röntgenbild einen Bildausschnitt BA, auf dem ein einzelner Wirbel erkennbar ist. Der Computer 152 erzeugt aus diesem Bildausschnitt BA ein Kantenbild BA' , wie es rechts in der Figur 11 schematisch dargestellt ist. Dieses Kantenbild BA1 wird nun mit den in der Datenbank gespeicherten Kantenbildern RB1 der Refe- renz-Röntgenbilder RB verglichen, wobei an sich bekannte Ver- gleichsalgorithmen zur Anwendung kommen. Der Computer 152 wählt nun aus den Referenz-Röntgenbildern RB (oder genauer aus den diesen zugeordneten Kantenbildern RB 1 ) ein Vergleichs-Röntgen- bild VB (siehe Figur 6) aus, das dem Kantenbildausschnitt BA' aus dem Ziel-Röntgenbild ZB am ähnlichsten ist. Dann werden aus dem Datensatz, der dem Vergleichs-Röntgenbild VB zugeordnet ist, die Lageinformationen ausgelesen, die bei der Erzeugung der Re- ferenz-Röntgenbilder RB mit abgespeichert wurden. Diese in dem Datensatz, der dem Vergleichs-Röntgenbild VB zugeordnet ist, enthaltenen Lageinformationen werden nun dem Kantenbildaus- schnitt BA' aus dem Ziel-Röntgenbild ZB zugeordnet.
In entsprechender Weise werden auch die anderen Wirbel auf dem Ziel-Röntgenbild ZB markiert und daraus Kantenbildausschnitte BA' erzeugt, die dann mit den Kantenbildern RB ' der Referenz- Röntgenbildern RB verglichen werden. Auf diese Weise wird je- weils die Lage bestimmt, welche die auf den Kantenbildausschnitten BA' dargestellten Wirbel relativ zu dem zweiten Röntgengerät 10 hatten, das bei der Aufnahme des Ziel-Röntgenbildes ZB verwendet wurde.
Der Benutzer gibt in den Computer 152 mit Hilfe der Tastatur 156 oder einer anderen Eingabeeinrichtung ferner an, um welchen Wir- bei der Wirbelsäule es sich handelt, falls für jeden Wirbel eigene Datensätze gespeichert sind.
Falls die Auflösung k gering ist, können auch aus den Referenz- Röntgenbildern RB mehrere Vergleichs-Röntgenbilder VB ausgewählt werden, deren Kantenbilder mit dem Kantenbildausschnitt BA' aus dem Ziel-Röntgenbild ZB am ähnlichsten sind. Die Lage des Wirbels, der auf dem Kantenbild BA1 abgebildet ist, wird dann durch Interpolation aus den Lageinformationen abgeleitet, die in den Datensätzen enthalten sind, denen die Vergleichs-Röntgenbilder VB zugeordnet sind.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Lageinformationen mit Bezug auf den sog. axialen Strahl des Strahlenbündels angegeben, der von der Röntgenquelle 18 erzeugt wird. In den Figuren 1 und 4 ist die Richtung des axialen
Strahls durch eine strichpunktierte Linie 24 angedeutet. Der axiale Strahl verläuft in der Regel durch die Mitte der durch die Blende 20 festgelegten Blendenöffnung und trifft senkrecht auf den Röntgendetektor 28 auf. Gleichzeitig stellt der axiale Strahl eine Symmetrieachse dar, bezüglich der ein von dem Rönt- gengerät erzeugtes Röntgenstrahlenbündel symmetrisch ist. b) Zweites Ausführungsbeispiel
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich nicht nur die Lage einzelner Wirbel, sondern auch ganzer Wirbelsäulenabschnitte bestimmten, in der sich der Wirbelsäulenabschnitt bei der Aufnahme eines zweidimensionalen Röntgenbildes relativ zum Röntgengerät befand.
Die Figuren 12 und 13 zeigen den Roboter 44, wobei es sich bei dem zwischen den Halteplatten 58 eingespannten Wirbelsäulenteil nun nicht um einen einzelnen Wirbel, sondern um einen Wirbelsäu- lenabschnitt 70 mit mehreren Wirbeln handelt. Anders als ein einzelner Wirbel kann ein Wirbelsäulenabschnitt 70 unterschiedliche Stellungen einnehmen, die sich voneinander durch die Lage der einzelnen Wirbel relativ zueinander unterscheiden. So befin- det sich bei den in den Figuren 12 und 13 gezeigten Stellungen des Wirbelsäulenabschnitts 70 der unterste, mit 72 bezeichnete Wirbel am gleichen Ort und ist auch in gleicher Weise orientiert. Die obere Halteplatte 58 befindet sich in den Figuren 12 und 13 jedoch in unterschiedlichen Positionen, wodurch der Wir- belsäulenabschnitt 70 unterschiedlich gekrümmt ist.
Für jede unterschiedliche Krümmung wird ein Referenz-Röntgenbild aufgenommen und mit den entsprechenden Lageinformationen in der Datenbank abgespeichert. Man erhält dann Referenz-Röntgenbilder RB oder daraus abgeleitete Kantenbilder RB 1 , wie sie in den Fi- guren 14 und 15 beispielhaft für zwei unterschiedliche Krümmungen des Wirbelsäulenabschnitts 70 gezeigt sind. Die Krümmungen der Wirbelsäulenabschnitte werden dabei durch Kippwinkel zwischen benachbarten Wirbeln angegeben. Zwischen jedem Paar sind Verkippungen um drei orthogonale Achsen möglich, wodurch ein Da- tensatz für einen Wirbelsäulenabschnitt 60 mit vier Wirbeln zwölf zusätzliche Koordinaten enthält, wie dies die Figur 16 illustriert. Sechs Koordinaten geben dabei die Lage eines der vier Wirbel an, z. B. des untersten Wirbels, und die relative Lage zum jeweiligen Nachbarwirbel wird jeweils durch sechs weitere Koor- dinaten angegeben.
Zusätzlich können die Datensätze Informationen darüber enthalten, welche Kräfte vom Roboter 44 überwunden werden mussten, um etwa zwischen den in den Figuren 12 und 13 gezeigten Stellungen des Wirbelsäulenabschnitts 70 zu wechseln. Diese Kräfte werden von den zwischen den Wirbeln angeordneten Bandscheiben 74 (siehe Figur 12) des Wirbelsäulenabschnitts 70 erzeugt; handelt es sich bei dem Wirbelsäulenabschnitt 70 um ein anatomisches Präparat eines Körperspenders, bei dem auch noch der umgebende Bandapparat ganz oder zumindest teilweise erhalten ist, so trägt auch dieser zu den Kräften bei, die bei einem Stellungswechsel vom Roboter 44 überwunden werden müssen.
Um aus einem Ziel-Röntgenbild ZB, das an einem Wirbelsäulenabschnitt 70 aufgenommen wurde, die Lage und die relative Anordnung der Wirbel zueinander mit Hilfe der Datenbank zu bestimmten, wird das Ziel-Röntgenbild ZB oder ein Kantenbild ZB' davon mit den Referenz-Röntgenbildern RB oder Kantenbildern RB 1 hiervon verglichen. Das Referenz-Röntgenbild RB mit der größten Ähnlichkeit stellt auch hier das Vergleichs-Röntgenbild VB dar, dessen Lageinformationen Aufschluss darüber gibt, wie der Wirbelsäulenabschnitt 70 relativ zu dem Röntgengerät 10 angeordnet war, das für die Aufnahme des Ziel-Röntgenbildes ZB verwendet wurde .
Bei diesem Ausführungsbeispiel erhält der behandelnde Arzt unmittelbar die ihn besonders interessierenden Informationen über die relative Lage zwischen den Wirbeln, die den Wirbelsäulenab- schnitt 70 bilden. Diese Informationen kann er insbesondere dazu verwenden, um die Abmessungen eines in einen Zwischenwirbelraum einzuführenden Implantats zu bestimmen oder diese Informationen an ein Computerprogramm zu übergeben, das ihn bei dieser Festlegung unterstützt. c) Weitere Einsatzmöglichkeiten
Die Erfindung kann vorteilhaft dazu benutzt werden, ein zweidimensionales Röntgenbild eines Wirbelsäulenteils aus einer gewünschten Perspektive aufzunehmen, ohne dass man sich durch eine Vielzahl von Versuchen an die Zielposition der Röntgenquelle an- nähern muss. Die Figur 17 zeigt schematisch in einer Seitenansicht ein Röntgengerät 100, wie es insbesondere für die Erstellung intraoperativer Röntgenaufnahmen verwendet wird. Das Röntgengerät 100 um- fasst einen mehrfach verstellbaren C-Bogen 80 und einen Geräte- wagen 82, der mittels Rollen 84, 86 auf dem Fußboden eines
Operationssaals verfahrbar ist. Der Gerätewagen 82 nimmt eine Säule 88 auf, die senkrecht zum Fußboden angeordnet und in nicht näher dargestellter Weise höhenverstellbar ist, was in der Figur 17 durch einen Doppelpfeil 90 angedeutet ist. Eine Horizontal- führung 92 ist über ein Pendellager 94 mit dem oberen Ende der Säule 88 verbunden. Das Pendellager 94 ermöglicht eine Drehung der Horizontalführung 92 um eine Pendelachse 96. Eine Stirnseite der Horizontalführung 92 ist über ein Kipplager 98 mit einer Halterung 101 verbunden, die den C-Bogen 80 hält. An einem Ende des C-Bogens 80 ist eine Röntgenquelle 102 und an dem anderen Ende ein Röntgendetektor 104 befestigt. Die Lage der Röntgenquelle 102 relativ zu dem Röntgendetektor 104 ist dabei nicht veränderbar, sondern fest durch die Geometrie des C-Bogens 80 vorgegeben. Der C-Bogen 80 ist längs seines Umfangs beweglich an der Halterung 100 gelagert, was in der Figur 1 durch einen Doppelpfeil 106 angedeutet ist. Ferner kann der C-Bogen 80 mit Hilfe des Kipplagers 98 um eine Kippachse 108 gekippt werden, die senkrecht zur Pendelachse 96 verläuft. Bei dem dargestellten Ausfüh- rungsbeispiel ist die Pendelachse senkrecht zum Fußboden angeordnet, so dass die Kippachse 108 stets in einer Horizontalen liegt .
Mit dem C-Bogen 80 ist es möglich, einen Patienten 30 auch während einer Operation zu durchleuchten und auf diese Weise ein interoperatives Röntgenbild der Wirbelsäule des Patienten 30 zu gewinnen. Der C-Bogen 80 umgreift dabei einen Operationstisch 110, auf dem der Patient 30 gelagert ist. Infolge der mehrfachen Verlagerbarkeit des C-Bogens 80 ist es möglich, von der Wirbelsäule des Patienten 30 zweidimensionale Röntgenbilder aus unter- schiedlichen Perspektiven vorzunehmen.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann der C-Bogen 80 motorisch verstellt werden. Zu diesem Zweck weist das Röntgengerät 100 eine Vielzahl von Antrieben auf, die den unterschiedlichen Bewegungsachsen zugeordnet und in der Figur 17 nicht näher dargestellt sind. Eine Steuereinheit 112 zur Steuerung der Antriebe ist über eine drahtgebundene oder eine drahtlose Datenverbindung 115 mit einer Recheneinheit 114 verbunden. Ferner gehört zum Röntgengerät 100 eine Anzeigeeinrichtung 116 und eine Eingabeeinrichtung 118, die mit der Recheneinheit 114 über Da- tenverbindungen kommunizieren können. Bei der Anzeigeeinrichtung 116 handelt es sich im einfachsten Falle um einen Bildschirm, in Betracht kommen jedoch auch Projektionsgeräte (Beamer) oder Head-up-Displays . Die Eingabeeinrichtung 118 weist bei dem in der Figur 17 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Tastatur auf, jedoch kommen auch andere Eingabeeinrichtungen wie
Mauspads, berührungsempfindliche Bildschirme oder sprachgesteuerte Eingabeeinrichtungen in Betracht.
Die Recheneinheit 114, die Anzeigeeinrichtung 116 und die Eingabeeinrichtung 118 können Bestandteil eines an sich herkömmlichen Personalcomputers sein, wie dies in der Figur 17 dargestellt ist. In diesem Falle ist lediglich eine erfindungsgemäße Software auf dem Personalcomputer zu installieren. In vielen Fällen wird es jedoch notwendig sein, auf speziellere Hartware zurückzugreifen, die zum einen für einen Einsatz in Operationssälen optimiert ist und es zum anderen dem Arzt gestattet, von seinem Platz am Operationstisch 110 aus bequem die von der Anzeigeein- richtung 116 dargestellten Inhalte zu erfassen und Eingaben über die Eingabeeinrichtung 118 tätigen zu können.
Im Folgenden wird die Funktion des Röntgengeräts 100 erläutert:
Zunächst legt der behandelnde Arzt fest, von welcher Perspektive aus er ein Röntgenbild von einem Wirbelsäulenabschnitt des Patienten 30 aufnehmen möchte. Diese Festlegung erfolgt unter Verwendung eines dreidimensionalen Bildes des betreffenden Abschnitts der Wirbelsäule. Bei diesem Bild muss es sich nicht unbedingt um ein dreidimensionales Bild der Wirbelsäule des Pati- enten 30 handeln. In Betracht kommt auch, ein computergeneriertes Modell oder eine Referenz-Wirbelsäule zu diesem Zweck zu verwenden. In einem nächsten Schritt wird ein vorläufiges zweidimensionales Röntgenbild des Wirbelsäulenabschnitts mit Hilfe des Röntgengeräts 100 aufgenommen. Vorzugsweise wird der C-Bogen vor der Aufnahme des vorläufigen Röntgenbildes in eine Ausgangsposition überführt, die nach der Erfahrung des behandelnden Arztes oder eines Röntgenassistenten bereits recht nahe an einer Position liegt, von der aus man die gewünschte Perspektive vermutlich erzielen kann. Das vorläufige Röntgenbild wird nun als Ziel-Röntgenbild im Sinne der vorausgehenden Ausführungsbeispiele angesehen. Nach
Durchführung der weiter oben beschriebenen Schritte erhält man die Lage des Wirbelsäulenabschnitts oder der einzelnen Wirbel relativ zu dem Röntgengerät 100, als die vorläufige Röntgenauf- nähme erstellt wurde.
Der Recheneinheit 114 ist nun genau bekannt, in welcher Lage sich der abgebildete Wirbelsäulenabschnitt relativ zum Röntgengerät 100 befindet. In Kenntnis der zuvor festgelegten Perspektive, von der ein Röntgenbild des Wirbelsäulenabschnitts aufge- nommen werden soll, kann die Recheneinheit 114 nun eine Zielpo- sition berechnen, welche die Röntgenquelle 102 einnehmen muss, damit der Wirbelsäulenabschnitt mit der gewünschten Perspektive durchleuchtet werden kann. Eine solche Berechnung ist deswegen leicht durchführbar, weil die festgelegte Perspektive letztlich nichts anderes darstellt als die Angabe des Wirbelsäulenabschnitts relativ zur Röntgenquelle 102 des Röntgengeräts 100. Somit müssen lediglich zwei solche relativen Angaben miteinander verglichen werden.
Gemäß einem aus diesem Vergleich abgeleiteten Verfahrweg wird die Röntgenquelle 102 nun an die berechnete Zielposition verfahren. Dann wird in einem letzten Schritt das endgültige zweidimensionale Röntgenbild des Wirbelsäulenabschnitts von der gewünschten Perspektive aus mit Hilfe des Röntgengeräts 100 aufgenommen . 4. Wichtige Verfahrensschritte
Wichtige Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in dem Flussdiagramm gemäß der Figur 10 zusammengefasst .
In einem ersten Schritt Sl wird eine Datenbank mit Bildinformationen zu einem zweidimensionalen Referenz-Röntgenbild eines Wirbelsäulenteils bereitgestellt. Die Referenz-Röntgenbilder der Datensätze unterscheiden sich dabei durch die Lage des Wirbelsäulenteils relativ zu einem ersten Röntgengerät, das bei der Aufnahme der Referenz-Röntgenbilder verwendet wurde. Gespeichert werden ferner Lageinformationen zu der Lage des mindestens einen Wirbelsäulenteils relativ zu dem ersten Röntgengerät während der Aufnahme des Referenz-Röntgenbildes .
In einem zweiten Schritt S2 wird ein zweidimensionales Ziel- Röntenbild von einem Wirbelsäulenabschnitt des Patienten unter Verwendung eines zweiten Röntgengeräts aufgenommen, das von dem ersten Röntgengerät verschieden sein kann.
In einem dritten Schritt S3 wird das in Schritt S2 aufgenommenen Ziel-Röntgenbild oder einem Teil davon mit den in den in der Datenbank gespeicherten Bildinformationen zu den Referenz-Röntgen- bildern verglichen.
In einem vierten Schritt S4 wird schließlich auf der Grundlage von in Schritt S3 enthaltenen Ergebnissen ermittelt, in welcher Lage sich der Wirbelsäulenabschnitt während des Schritts S2 relativ zu dem zweiten Röntgengerät befand.
4. Wichtige Aspekte der Erfindung
Wichtige Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in den nachfolgenden Sätzen zusammengefasst :
1. Verfahren zur computergestützten Bestimmung der Lage eines auf einem Röntgenbild abgebildeten Abschnitts einer Wirbelsäule (WS) relativ zu einem Röntgengerät (10), das bei der Aufnahme des Röntgenbildes verwendet wurde, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Bereitstellen einer Datenbank, in der mehrere Datensätze enthalten sind, wobei jeder Datensatz umfasst:
Bildinformationen zu einem zweidimensionalen Referenz-Röntgenbild (RB, RB 1 ) eines Wirbelsäulenteils (60; 70), wobei sich die Referenz- Röntgenbilder (RB, RB ' ) der Datensätze durch die Lage des Wirbelsäulenteils (60; 70) relativ zu einem ersten Röntgengerät (10') voneinander unterscheiden, das bei der Aufnahme der Refe- renz-Röntgenbilder (RB, RB') verwendet wurde, und
Lageinformationen zu der Lage des Wirbelsäulenteils (60; 70) relativ zu dem ersten Röntgengerät (10') während der Aufnahme des Referenz- Röntgenbildes (RB, RB ' ) ; b) Aufnehmen eines zweidimensionalen Ziel-Röntgenbildes
(ZB) von einem Wirbelsäulenabschnitt eines Patienten (30) unter Verwendung eines zweiten Röntgengeräts (10) ; c) Vergleichen des in Schritt b) aufgenommenen Ziel- Röntgenbildes (ZB) oder Teilen (BA' ) davon mit den in der Datenbank gespeicherten Bildinformationen zu den Referenz-Röntgenbildern (RB; RB ' ) ; d) Ermitteln auf der Grundlage von in Schritt c) erhaltenen Ergebnissen, in welcher Lage sich der Wirbelsäulenabschnitt während des Schritts b) relativ zu dem zweiten Röntgengerät (10) befand.
Verfahren nach Satz 1, bei welchem in Schritt c) aus den Referenz-Röntgenbildern (RB, RB 1 ) mindestens ein Ver- gleichs-Röntgenbild (VB) ausgewählt wird, das dem Ziel- Röntgenbild (ZB) oder Teilen (BA' ) davon am ähnlichsten ist .
Verfahren nach Satz 2, bei dem die Lage des Wirbelsäulenabschnitts gemäß dem Schritt d) aus den Lageinformationen abgeleitet wird, die in dem Datensatz enthalten sind, dem. das Vergleichs-Röntgenbild (VB) zugeordnet ist. Verfahren nach Satz 2, bei dem aus den Referenz- Röntgenbildern (RB, RB1) mehrere Vergleichs-Röntgenbilder (VB) ausgewählt werden, die dem Ziel-Röntgenbild (ZB) oder Teilen (ΒΑ' ) davon am ähnlichsten sind, und bei dem die Lage des Wirbelsäulenabschnitts gemäß dem Schritt d) durch Interpolation aus den Lageinformationen abgeleitet wird, die in den Datensätzen enthalten sind, denen die Vergleichs-Röntgenbilder zugeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Sätze, bei dem die Lageinformationen Daten enthalten, wie weit das Wirbelsäulenteil von einer Symmetrieachse (24) entfernt ist, bezüglich der ein von dem ersten Röntgengerät (10') erzeugtes Röntgenstrahlenbündel (22) symmetrisch ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Sätze, bei dem das Wirbelsäulenteil (70) mehrere gelenkig miteinander verbundene Wirbel umfasst, und bei dem jeder Datensatz mehrere dem Datensatz zugeordnete Unterdatensätze umfasst, wobei jeder Unterdatensatz umfasst:
Bildinformationen zu einem zweidimensionalen Referenz- Röntgenbild des Wirbelsäulenteils (70), wobei sich die Referenz-Röntgenbilder (RB; RB ' ) der Unterdatensätze durch die relative Lage der Wirbel zueinander unterscheiden, als die Aufnahmen der Referenz-Röntgenbilder gemacht wurden, und wobei sich mindestens ein Wirbel auf den Referenz- Röntgenbildern aller einem übergeordneten Datensatz zugeordneten Unterdatensätze immer in der gleichen, durch den übergeordneten Datensatz vor- gegebenen Lage relativ zu dem ersten Röntgengerät befindet ,
Lageinformationen zu der relativen Lage der Wirbel zueinander während der Aufnahme des betreffenden Refe- renz-Röntgenbildes .
Verfahren nach Satz 6, bei dem von dem Wirbelsäulenteil mindestens zwei Ziel- Röntgenbilder (ZB) gemacht werden, bei denen sich die Wirbel in unterschiedlichen relativen Lagen zueinander befinden, aus den Lageinformationen zu den relativen Lagen abgeleitet wird, wie sich die relative Lage der Wirbel zwischen der Aufnahme der mindestens zwei Ziel- Röntgenbilder (ZB) verändert hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Sätze, bei dem zum Aufbau der Datenbank die folgenden Schritte durchgeführt werden : al) Bereitstellen eines Wirbelsäulenteils (60; 70), bei dem es sich um ein Modell oder um ein anatomisches Präparat eines Körperspenders handelt; a2) Anordnen des Wirbelsäulenteils (60; 70) in unterschiedlichen Lagen in einem Strahlengang (22) des ersten Röntgengeräts (10'), wobei die Lagen bestimmt werden und in jeder Lage von dem ersten Röntgengerät (10') ein Referenz-Röntgenbild (RB, RB ' ) des Wirbelsäulenteils gemacht wird. Verfahren nach Satz 8, bei dem in Schritt a2) ein Roboter (44) verwendet wird, der das Wirbelsäulenteil (60; 70) in den unterschiedlichen Lagen im Strahlengang des ersten Röntgengeräts (101) anordnet.
Verfahren nach Satz 9, bei dem das Wirbelsäulenteil (70) mehrere gelenkig miteinander verbundene Wirbel umfasst, und bei dem in Schritt a2) der Roboter (44) ferner dazu verwendet wird, die Wirbel in unterschiedlichen relativen Lagen anzuordnen .
Verfahren nach Satz 9 oder 10, bei dem der Roboter (44) beim Anordnen der Wirbel in unterschiedlichen relativen Lagen Widerstandskräfte misst, die bei einer Veränderung der relativen Lage zwischen den Wirbeln überwunden werden müssen, wobei die Widerstandskräfte in der Datenbank gespeichert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Sätze, bei dem die in der Datenbank gespeicherten Bildinformationen pixelbasierte Bildinformationen oder vektorgraphikbasierte Bildinformationen sind.
Verfahren nach Satz 12, bei dem die Bildinformationen jeweils Kantenbilder (RB1) der Wirbelsäulenteile umfassen.
Verfahren zum Aufnehmen eines zweidimensionalen Röntgenbildes eines Wirbelsäulenteils aus einer gewünschten Perspektive unter Verwendung eines zweiten Röntgengeräts (100), das eine Röntgenquelle (102) und einen gemeinsam mit der Röntgenquelle verfahrbaren Röntgendetektor (104) aufweist, mit folgenden Schritten: a) Festlegen einer Perspektive, von der aus ein zweidimensionalen Röntgenbild des Wirbelsäulenteils aufge- nommen werden soll, unter Verwendung eines dreidimensionalen Bildes; b) Aufnehmen eines vorläufigen zweidimensionalen Röntgenbildes des Wirbelsäulenteils mit Hilfe des zweiten Röntgengeräts (100), wobei sich die Röntgenquelle in einer Ausgangsposition befindet; c) Bestimmen der Lage des Wirbelsäulenteils relativ zu dem zweiten Röntgengerät (100) nach einem der vorhergehenden Sätze; d) Berechnen einer Zielposition, welche die Röntgenquelle (102) einnehmen muss, damit das Wirbelsäulenteil mit der in Schritt a) festgelegten Perspektive durchleuchtet werden kann, unter Berücksichtigung der in Schritt c) bestimmten Lage des Wirbelsäulenteils; e) Verfahren der Röntgenquelle (102) an die in Schritt d) berechnete Zielposition; f) Aufnehmen eines endgültigen zweidimensionalen Röntgenbildes des Wirbelsäulenteils mit Hilfe des zweiten Röntgengeräts (100).
Verfahren nach Satz 14, bei dem das dreidimensionale Bild von einer Standard-Wirbelsäule aufgenommen oder auf der Grundlage eines Wirbelsäulen-Modells elektronisch erstellt wurde .
Computerprogramm zur Bestimmung der Lage eines auf einem Röntgenbild abgebildeten Abschnitts einer Wirbelsäule relativ zu einem Röntgengerät, das bei der Aufnahme des Röntgenbildes verwendet wurde, wobei das Computerprogramm dazu eingerichtet ist, einen Computer (52), auf dem das Compu- terprogramm abläuft, dazu zu veranlassen, die folgenden Schritte auszuführen: a) Zugreifen auf eine Datenbank, in der mehrere Datensätze enthalten sind, wobei jeder Datensatz umfasst: - Bildinformationen zu einem zweidimensionalen
Referenz-Röntgenbild (RB, RB 1 ) eines Wirbelsäu lenteils (60; 70), wobei sich die Referenz- Röntgenbilder der Datensätze durch die Lage de Wirbelsäulenteils relativ zu einem ersten Rönt gengerät (10') voneinander unterscheiden, das bei der Aufnahme der Referenz-Röntgenbilder verwendet wurde, und
Lageinformationen zu der Lage des Wirbelsäulen teils relativ zu dem ersten Röntgengerät wäh- rend der Aufnahme des Referenz-Röntgenbildes ; b) Einlesen eines zweidimensionalen Ziel-Röntgenbildes
(ZB) , das von einem Wirbelsäulenabschnitt (60; 70) eines Patienten (30) unter Verwendung eines zweiten Röntgengeräts (10 ') aufgenommen wurde; c) Vergleichen des in Schritt b) eingelesenen Ziel-
Röntgenbildes oder Teilen davon mit den in der Daten bank gespeicherten Bildinformationen zu den Referenz Röntgenbildern (RB, RB ' ) ; d) Ermitteln auf der Grundlage von in Schritt c) erhal- tenen Ergebnissen, in welcher Lage sich der Wirbelsäulenabschnitt (60; 70) während des Schritts b) relativ zu dem zweiten Röntgengerät befand. Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gemäß dem Satz 16.
Datenträger, auf dem das Computerprogramm gemäß dem Satz 16 gespeichert ist.
Computer, auf dem das Computerprogramm gemäß dem Satz 18 installiert ist.
Wirbelsäulensimulationsvorrichtung mit : a) einem Röntgengerät (10'), das eine Röntgenquelle (18) und einen Röntgendetektor (28) umfasst, wobei die Röntgenquelle (18) dazu eingerichtet ist, Röntgenstrahlung (22) zu erzeugen, die sich entlang eines Strahlengangs zum Röntgendetektor (28) hin ausbreitet; b) einem Manipulator (44), der umfasst: zwei Halterungen (58), die dazu eingerichtet sind, zwischen sich ein Wirbelsäulenteil (60; 70) zu halten, bei dem es sich um ein Modell oder um ein einem Körperspender entnommenes a- natomisches Präparat eines Wirbels oder eines Wirbelsäulenabschnitts handelt,
Stellmotoren (61), die dazu eingerichtet sind, die Halterungen (58) derart zu verfahren, dass das Wirbelsäulenteil in unterschiedlichen Lagen relativ zu dem Röntgengerät (10 ') angeordnet ist ; c) einem Steuergerät (63), das dazu eingerichtet ist, die Stellmotoren (61) des Manipulators (44) und das Röntgengerät (10 ') derart zu steuern, dass der Manipulator (44) das Wirbelsäulenteil in unterschiedliche Lagen relativ zu dem Röntgengerät (10') verfährt, wobei in jeder der unterschiedlichen Lagen ein Röntgenbild (RB, RB1) von dem Wirbelsäulengerät (10') aufgenommen wird und die jeweilige Lage in einem Datenspeicher (65) gespeichert wird.
Wirbelsäulensimulationsvorrichtung nach Satz 20, bei dem das Wirbelsäulenteil mehrere gelenkig miteinander verbundene Wirbel umfasst, der Manipulator (44) dazu eingerichtet ist, die Wirbel in unterschiedliche relative Lagen zu überführen, und bei dem das Steuergerät (63) dazu eingerichtet ist, die Stellmotoren (61) des Manipulators (44) und das Röntgengerät (10') derart zu steuern, dass der Manipulator die Wirbel in unterschiedliche relative Lagen verfährt, wobei in jeder der unterschiedlichen relativen Lagen ein Röntgenbild von dem Röntgengerät aufgenommen wird und die jeweilige relative Lage in dem Datenspeicher (65) gespeichert wird.
Wirbelsäulensimulationsvorrichtung nach Satz 20 oder 21, bei dem der Manipulator (44) dazu eingerichtet ist, Kräfte zu messen, die bei einer Änderung der relativen Lage überwunden werden müssen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Verfahren zur computergestützten Bestimmung der Lage eines auf einem Röntgenbild abgebildeten Abschnitts einer Wirbelsäule (WS) relativ zu einem Röntgengerät (10), das bei der Aufnahme des Röntgenbildes verwendet wurde, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Bereitstellen einer Datenbank, in der mehrere Datensätze enthalten sind, wobei jeder Datensatz umfasst:
Bildinformationen zu einem zweidimensionalen Referenz-Röntgenbild (RB, RB 1 ) eines Wirbelsäulenteils (60; 70), wobei sich die Referenz- Röntgenbilder (RB, RB 1 ) der Datensätze durch die Lage des Wirbelsäulenteils (60; 70) relativ zu einem ersten Röntgengerät (10') voneinander unterscheiden, das bei der Aufnahme der Refe- renz-Röntgenbilder (RB, RB') verwendet wurde, und
Lageinformationen zu der Lage des Wirbelsäulenteils (60; 70) relativ zu dem ersten Röntgengerät (10') während der Aufnahme des Referenz- Röntgenbildes (RB, RB 1 ) ; b) Aufnehmen eines zweidimensionalen Ziel-Röntgenbildes
(ZB) von einem Wirbelsäulenabschnitt eines Patienten (30) unter Verwendung eines zweiten Röntgengeräts (10) ; c) Vergleichen des in Schritt b) aufgenommenen Ziel- Röntgenbildes (ZB) oder Teilen (BA' ) davon mit den in der Datenbank gespeicherten Bildinformationen zu den Referenz-Röntgenbildern (RB; RB 1 ) ; d) Ermitteln auf der Grundlage von in Schritt c) erhaltenen Ergebnissen, in welcher Lage sich der Wirbelsäulenabschnitt während des Schritts b) relativ zu dem zweiten Röntgengerät (10) befand.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Wirbelsäulenteil (70) mehrere gelenkig miteinander verbundene Wirbel um- fasst, und bei dem jeder Datensatz mehrere dem Datensatz zugeordnete Unterdatensätze umfasst, wobei jeder Unterdatensatz umfasst:
Bildinformationen zu einem zweidimensionalen Referenz- Röntgenbild des Wirbelsäulenteils (70), wobei sich die Referenz-Röntgenbilder (RB; RB 1 ) der Unterdatensätze durch die relative Lage der Wirbel zueinander unterscheiden, als die Aufnahmen der Referenz-Röntgenbilder gemacht wurden, und wobei sich mindestens ein Wirbel auf den Referenz- Röntgenbildern aller einem übergeordneten Datensatz zugeordneten Unterdatensätze immer in der gleichen, durch den übergeordneten Datensatz vorgegebenen Lage relativ zu dem ersten Röntgengerät befindet ,
Lageinformationen zu der relativen Lage der Wirbel zueinander während der Aufnahme des betreffenden Refe- renz-Röntgenbildes .
Verfahren nach Anspruch 2 bei dem von dem Wirbelsäulenteil mindestens zwei Ziel- Röntgenbilder (ZB) gemacht werden, bei denen sich die Wirbel in unterschiedlichen relativen Lagen zueinander befinden, aus den Lageinformationen zu den relativen Lagen abgeleitet wird, wie sich die relative Lage der Wirbel zwischen der Aufnahme der mindestens zwei Ziel- Röntgenbilder (ZB) verändert hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zum Aufbau der Datenbank die folgenden Schritte durchgeführt werden: al) Bereitstellen eines Wirbelsäulenteils (60; 70), bei dem es sich um ein Modell oder um ein anatomisches Präparat eines Körperspenders handelt; a2) Anordnen des Wirbelsäulenteils (60; 70) in unterschiedlichen Lagen in einem Strahlengang (22) des ersten Röntgengeräts (10'), wobei die Lagen bestimmt werden und in jeder Lage von dem ersten Röntgengerät (10') ein Referenz-Röntgenbild (RB, RB 1 ) des Wirbelsäulenteils gemacht wird.
Verfahren nach Anspruch 4 bei dem in Schritt a2) ein Roboter (44) verwendet wird, der das Wirbelsäulenteil (60; 70) in den unterschiedlichen Lagen im Strahlengang des ersten Röntgengeräts (101) anordnet.
Verfahren nach Anspruch 5 bei dem das Wirbelsäulenteil (70) mehrere gelenkig miteinander verbundene Wirbel umfasst, und bei dem in Schritt a2) der Roboter (44) ferner dazu verwendet wird, die Wirbel in unterschiedlichen relativen Lagen anzuordnen . Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem der Roboter (44) beim Anordnen der Wirbel in unterschiedlichen relativen La¬ gen Widerstandskräfte misst, die bei einer Veränderung der relativen Lage zwischen den Wirbeln überwunden werden müssen, wobei die Widerstandskräfte in der Datenbank gespeichert werden.
Verfahren zum Aufnehmen eines zweidimensionalen Röntgenbildes eines Wirbelsäulenteils aus einer gewünschten Perspektive unter Verwendung eines zweiten Röntgengeräts (100), das eine Röntgenquelle (102) und einen gemeinsam mit der Röntgenquelle verfahrbaren Röntgendetektor (104) aufweist, mit folgenden Schritten: a) Festlegen einer Perspektive, von der aus ein zweidimensionalen Röntgenbild des Wirbelsäulenteils aufgenommen werden soll, unter Verwendung eines dreidimensionalen Bildes; b) Aufnehmen eines vorläufigen zweidimensionalen Röntgenbildes des Wirbelsäulenteils mit Hilfe des zweiten Röntgengeräts (100), wobei sich die Röntgenquelle in einer Ausgangsposition befindet; c) Bestimmen der Lage des Wirbelsäulenteils relativ zu dem zweiten Röntgengerät (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; d) Berechnen einer Zielposition, welche die Röntgenquelle (102) einnehmen muss, damit das Wirbelsäulenteil mit der in Schritt a) festgelegten Perspektive durchleuchtet werden kann, unter Berücksichtigung der in Schritt c) bestimmten Lage des Wirbelsäulenteils; e) Verfahren der Röntgenquelle (102) an die in Schritt d) berechnete Zielposition; f) Aufnehmen eines endgültigen zweidimensionalen Röntgenbildes des Wirbelsäulenteils mit Hilfe des zweiten Röntgengeräts (100).
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das dreidimensionale Bild von einer Standard-Wirbelsäule aufgenommen oder auf der Grundlage eines Wirbelsäulen-Modells elektronisch erstellt wurde.
Computerprogramm zur Bestimmung der Lage eines auf einem Röntgenbild abgebildeten Abschnitts einer Wirbelsäule relativ zu einem Röntgengerät, das bei der Aufnahme des Röntgenbildes verwendet wurde, wobei das Computerprogramm dazu eingerichtet ist, einen Computer (52) , auf dem das Computerprogramm abläuft, dazu zu veranlassen, die folgenden Schritte auszuführen: a) Zugreifen auf eine Datenbank, in der mehrere Datensätze enthalten sind, wobei jeder Datensatz umfasst:
Bildinformationen zu einem zweidimensionalen Referenz-Röntgenbild (RB, RB 1 ) eines Wirbelsäulenteils (60; 70), wobei sich die Referenz- Röntgenbilder der Datensätze durch die Lage des Wirbelsäulenteils relativ zu einem ersten Röntgengerät. (10') voneinander unterscheiden, das bei der Aufnahme der Referenz-Röntgenbilder verwendet wurde, und
Lageinformationen zu der Lage des Wirbelsäulenteils relativ zu dem ersten Röntgengerät während der Aufnahme des Referenz-Röntgenbildes ; b) Einlesen eines zweidimensionalen Ziel-Röntgenbildes (ZB) , das von einem Wirbelsäulenabschnitt (60; 70) eines Patienten (30) unter Verwendung eines zweiten Röntgengeräts (10) aufgenommen wurde; c) Vergleichen des in Schritt b) eingelesenen Ziel- Röntgenbildes oder Teilen davon mit den in der Datenbank gespeicherten Bildinformationen zu den Referenz- Röntgenbildern (RB, RB ' ) ; d) Ermitteln auf der Grundlage von in Schritt c) erhaltenen Ergebnissen, in welcher Lage sich der Wirbelsäulenabschnitt (60; 70) während des Schritts b) relativ zu dem zweiten Röntgengerät befand.
Wirbelsäulensimulationsvorrichtung mit : a) einem Röntgengerät (10'), das eine Röntgenquelle (18) und einen Röntgendetektor (28) umfasst, wobei die Röntgenquelle (18) dazu eingerichtet ist, Röntgenstrahlung (22) zu erzeugen, die sich entlang eines Strahlengangs zum Röntgendetektor (28) hin ausbreitet; b) einem Manipulator (44), der umfasst: zwei Halterungen (58), die dazu eingerichtet sind, zwischen sich ein Wirbelsäulenteil (60; 70) zu halten, bei dem es sich um ein Modell oder um ein einem Körperspender entnommenes a- natomisches Präparat eines Wirbels oder eines Wirbelsäulenabschnitts handelt,
Stellmotoren (61), die dazu eingerichtet sind, die Halterungen (58) derart zu verfahren, dass das Wirbelsäulenteil in unterschiedlichen Lagen relativ zu dem Röntgengerät (10') angeordnet ist; c) einem Steuergerät (63), das dazu eingerichtet ist, die Stellmotoren (61) des Manipulators (44) und das Röntgengerät (101) derart zu steuern, dass der Manipulator (44) das Wirbelsäulenteil in unterschiedliche Lagen relativ zu dem Röntgengerät (10') verfährt, wobei in jeder der unterschiedlichen Lagen ein Röntgenbild (RB, RB ' ) von dem Röntgengerät (10') aufgenommen wird und die jeweilige Lage in einem Datenspeicher (65) gespeichert wird.
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