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DE10202091B4 - Vorrichtung zur Ermittlung einer Koordinatentransformation - Google Patents

Vorrichtung zur Ermittlung einer Koordinatentransformation Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Ermittlung einer Koordinatentransformation für die Einblendung eines Abbildes eines ersten Objektes (2) in ein Röntgenbild (4) eines zweiten Objektes (P), aufweisend
– Mittel (30) zur Befestigung der Vorrichtung (1) an dem zweiten Objekt (P),
– von einem Navigationssystem (20) erfassbare Marker (33), welche mit den Mitteln (30) zur Befestigung verbunden sind, und
– mit den Mitteln (30) zur Befestigung verbundene röntgenpositive Marken (31), wobei die Lagen der mit dem Navigationssystem (20) erfassbaren Marker (33) und der röntgenpositiven Marken (31) relativ zueinander bekannt sind, und wobei die röntgenpositiven Marken (31) von den Mitteln (30) zur Befestigung der Vorrichtung (1) abnehmbar sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Koordinatentransformation für die Einblendung eines Abbildes eines ersten Objektes in ein Röntgenbild eines zweiten Objektes.
  • Zur Unterstützung medizinischer Eingriffe an Lebewesen wird zunehmend Navigation betrieben, worunter die mittels optischer Bildinformationen unterstützte Führung eines medizinischen Instrumentes relativ zu einem Lebewesen bzw. relativ zu einem in Behandlung stehenden Gewebebereich des Lebewesens verstanden wird. Dabei wird ein Abbild des Instrumentes, beispielsweise in ein mit einem Röntgengerät gewonnenes 2D- oder 3D-Bild von dem Lebewesen, eingeblendet. Auf diese Weise kann ein Operateur ein zumindest teilweise in das Lebewesen eingedrungenes Instrument, dessen Spitze beispielsweise durch das Eindringen in Körpergewebe nicht mehr direkt sichtbar ist, anhand der Bildinformationen relativ zu dem zu behandelnden Gewebebereich des Lebewesens führen, ohne Gefahr zu laufen, dem Lebewesen unbeabsichtigt Schaden zu zufügen.
  • Um einen derartigen navigationsgeführten Eingriff zu ermöglichen, d.h. ein Abbild des Instrumentes in Bildinformation von einem Lebewesen positions- und lagegenau einblenden zu können, ist es erforderlich, eine mathematische Beziehung in Form einer Koordinatentransformation zwischen einem Koordinatensystem der Bildinformationen von dem Lebewesen bzw. einem Koordinatensystem des rekonstruierten Volumens des Lebewesens und einem Koordinatensystem, bezüglich dessen die Positionen des zu navigierenden Instrumentes angegeben werden, herzustellen. Hierzu werden bisweilen an dem Lebewesen künstliche Marken angeordnet oder anatomische Marken, z.B. markante Knochenstrukturen, festgelegt. Die anatomischen oder künstlichen Marken müssen dabei in den mit dem Röntgengerät aufgenommenen Bildinformationen von dem Lebewesen deutlich sichtbar und an dem Lebewesen gut erreichbar sein. Die künstlichen Marken sind z.B. an der Hautoberfläche des Lebewesens befestigt, um eine sogenannte Registrierung vornehmen zu können, worunter die Ermittlung der räumlichen Transformationsvorschrift zwischen dem Koordinatensystem, in dem die Positionen des zu navigierenden Instrumentes angegeben werden, und dem für die Navigation verwendeten Koordinatensystem der Bildinformation bzw. des rekonstruierten Volumens des Lebewesens verstanden wird. Die Marken müssen dabei in der Regel einzeln mit dem Instrument angefahren werden, um die Koordinatentransformation zwischen den beiden Koordinatensystemen ermitteln zu können. Die Registrierung der Marken ist demnach ein relativ zeitaufwendiger Prozess für einen Operateur.
  • In der DE 199 09 816 A1 ist beispielsweise ein Navigationssystem zur Durchführung und Unterstützung von chirurgischen Eingriffen beschrieben, wobei das System auf eine Bilddatenbank für präoperativ angefertigte Kernspin- und/oder Computertomographiedaten zurückgreift. Am Patienten werden dabei Marken angeordnet, welche in den von dem Patienten aufgenommenen Bildern sichtbar sind. In einer Registrierungsprozedur, bei der die am Patienten angeordneten Marken mit einem Instrument, dessen Positionen mit einem Navigationssystem ermittelt werden können, angefahren werden, kann schließlich eine Transformationsbeziehung zwischen den von dem Patienten aufgenommenen Bildern und dem dem Navigationssystem zugeordneten Koordinatensystem hergestellt werden.
  • Aus der DE 199 17 867 A1 ist eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Koordinatentransformation bekannt, welche nicht näher bezeichnete Mittel zur Befestigung der Vorrichtung an einem Objekt aufweist, bei dem es sich auch um den Patienten handeln kann. Die Vorrichtung umfasst einen Adapter mit von einem Navigationssystem erfassbaren Markern sowie eine Referenzstruktur mit röntgenpositiven Marken. Anhand der Referenzstruktur und des Adapters kann eine Koordinatentransfor mation zwischen einem einem Navigationssystem zugeordneten Koordinatensystem und einem einem Röntgenbild zugeordneten Koordinatensystem hergestellt werden.
  • Aus der DE 195 15 748 A1 ist ein Therapiegerät zur Behandlung eines Körperbereichs eines Patienten mit akustischen Wellen bekannt, bei dem mittels einer Workstation und mit Hilfe von 3D-Navigationssystemen anhand unabhängig von dem Therapiegerät mit einem bildgebenden Gerät gewonnener, auf einem Bildschirm der Workstation angezeigter Bilder des zu behandelnden Körperbereiches des Patienten die für die Behandlung erforderliche räumliche Zuordnung des Patienten und einer Quelle akustischer Wellen des Therapiegerätes relativ zueinander bewirkt wird.
  • Außerdem ist in der DE 199 51 502 A1 ein System beschrieben, welches eine Bildaufnahmevorrichtung zur Aufnahme von Bildern von einem Patienten und ein Navigationssystem zur Bestimmung der Position der Bildaufnahmevorrichtung sowie zur Bestimmung der Position eines relativ zu dem Patienten zu bewegenden Objektes aufweist. Durch eine Bestimmung der Position des Instrumentes relativ zu der Bildaufnahmevorrichtung kann ein Abbild des medizinischen Instrumentes in ein mit der Bildaufnahmevorrichtung gewonnenes Bild von dem Patienten eingeblendet werden.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart anzugeben, dass die Ermittlung der Koordinatentransformation vereinfacht ist.
  • Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Koordinatentransformation für die Einblendung eines Abbildes eines ersten Objektes in ein Röntgenbild eines zweiten Objektes, aufweisend Mittel zur Befestigung der Vorrichtung an dem zweiten Objekt, von einem Navigationssystem erfassbare Marker, welche mit den Mitteln zur Befestigung verbunden sind, und mit den Mitteln zur Be festigung verbundene röntgenpositive Marken, wobei die Lagen der mit dem Navigationssystem erfassbaren Marker und der röntgenpositiven Marken relativ zueinander bekannt sind, und wobei die röntgenpositiven Marken von den Mitteln zur Befestigung der Vorrichtung abnehmbar sind Nach der Erfindung ist es also vorgesehen, die Vorrichtung mit den Mitteln zur Befestigung an dem zweiten Objekt, beispielsweise an einem Lebewesen bzw. einem zu untersuchenden Gewebe des Lebewesens zu befestigen. Anschließend können mit einem Navigationssystem die Koordinaten der mit dem Navigationssystem erfassbaren Marker der Vorrichtung in einem dem Navigationssystem zugeordneten Koordinatensystem ermittelt werden. Dadurch, dass die Lagen der mit dem Navigationssystem erfassbaren Marker und der röntgenpositiven Marken der Vorrichtung relativ zueinander bekannt sind, können auch die Koordinaten der röntgenpositiven Marken in dem dem Navigationssystem zugeordneten Koordinatensystem ermittelt werden. Wird schließlich ein Röntgenbild von dem mit der Vorrichtung versehenen Lebewesen bzw, von dem mit der Vorrichtung versehenen zu behandelnden Gewebe des Lebewesens aufgenommen, so können die in der Regel darin abgebildeten röntgenpositiven Marken der Vorrichtung manuell oder vorzugsweise vollautomatisch detektiert und deren Koordinaten in einem dem Röntgenbild zugeordneten Koordinatensystem ermittelt werden. Anschließend kann in einfacher Weise eine Koordinatentransformation zwischen dem dem Röntgenbild zugeordneten Koordinatensystem und dem dem Navigationssystem zugeordneten Koordinatensystem, in dem die Koordinaten der röntgenpositiven Marken der Vorrichtung bekannt sind, ermittelt werden. Zur Navigation eines ersten Objektes, beispielsweise eines Instrumentes, relativ zu dem zu behandelnden Gewebe des Lebewesens anhand des Röntgenbildes von dem Gewebe muss demnach das hierfür verwendete Instrument nur noch mit entsprechenden, von dem Navigationssystem erfassbaren Markern versehen werden, so dass dessen Koordinaten in dem dem Navigationssystem zugeordneten Koordinatensystem stets ermittelbar sind. Aufgrund der bekannten Koordinatentransformation zwischen dem dem Navigationssystem zugeordne ten Koordinatensystem und dem dem Röntgenbild zugeordneten Koordinatensystem kann schließlich ein Abbild des Instrumentes in das Röntgenbild des Gewebes zur Unterstützung des medizinischen Eingriffes eingeblendet werden. Besonders vorteilhaft ist es, dass die röntgenpositiven Marken von der Vorrichtung abgenommen werden können, was in der Regel nach der Ermittlung der Koordinatentransformation geschieht. Auf diese Weise behindern die röntgenpositiven Marken einen Arzt bei seinem medizinischen Eingriff an dem zu behandelnden Gewebe des Lebewesens nicht. Dadurch, dass die Vorrichtung mit den von dem Navigationssystem erfassbaren Markern weiterhin im Gewebe verbleibt, können darüber hinaus Bewegungen des zu behandelnden Gewebes, sei es durch Umlagerungen oder durch periodische Bewegungen, beispielsweise infolge von Atemtätigkeit des Lebewesens, mit dem Navigationssystem erfasst und entsprechend bei der Einblendung des Abbildes des Instrumentes in das Röntgenbild berücksichtigt werden.
  • Weitere Varianten der Erfindung sehen vor, dass die Mittel zur Befestigung sowie die von dem Navigationssystem erfassbaren Marker der Vorrichtung röntgentransparent sind. Auf diese weise wird deren Abbildung in einem von dem Lebewesen gewonnenen Röntgenbild vermieden, so dass es zu keinen störenden Überlagerungen kommt.
    •
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beigefügten schematischen Figur dargestellt. In der Figur ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Ermittlung einer Koordinatentransformation für die Einblendung eines Abbildes eines medizinischen Instrumentes 2 in ein mit einem Röntgengerät 3 erzeugtes Röntgenbild 4 eines Körperteils eines Patienten P veranschaulicht.
  • Bei dem Röntgengerät 3 handelt es sich um ein an sich bekanntes C-Bogen-Röntgengerät 3 mit einem Gerätewagen 10 mit einer Hubvorrichtung 11, mit welcher ein Lagerteil 12 verbunden ist. An dem Lagerteil 12 ist ein mit einer Röntgenstrahlen quelle 13 und einem Röntgenstrahlenempfänger 14 versehener, im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels, isozentrisch, längs seines Umfanges um die Orbitalachse A verstellbarer C-Bogen 15 gelagert (vgl. Doppelpfeil a). Der C-Bogen 15 ist außerdem zusammen mit dem Lagerteil 12 um seine Angulationsachse B in die Richtungen des Doppelpfeils b isozentrisch verschwenkbar.
  • Mit dem C-Bogen-Röntgengerät 3 können in an sich bekannter Weise 2D-Projektionen von Körperbereichen des Patienten P oder ein Volumendatensatz von einem Körperbereich des Patienten P gewonnen werden. Zur Gewinnung eines Volumendatensatzes von einem Körperbereich des Patienten P wird der C-Bogen 15 entweder um seine Orbitalachse A oder um seine Angulationsachse B in einem Winkelbereich von ca. 190° verstellt, wobei ca. 50 bis 100 2D-Projektionen von dem jeweiligen Körperbereich aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen gewonnen werden, aus denen der Volumendatensatz in an sich bekannter Weise rekonstruiert wird. Aus dem Volumendatensatz können wiederum in an sich bekannter Weise 2D- oder 3D-Röntgenbilder von dem aufgenommenen Körperbereich des Patienten P erzeugt und auf einem Sichtgerät 5 dargestellt werden.
  • In der Figur ist außerdem ein optisches Navigationssystem 20 dargestellt, welches zwei Kameras 21, 22 umfasst. Zur Unterstützung eines navigationsgeführten Eingriffes an dem Patienten P ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1, wie in der Figur dargestellt, an dem Patienten P befestigt. Die Vorrichtung 1 umfasst dabei einen aus einem röntgentransparenten Material ausgebildeten Stab 30, welcher in nicht näher dargestellter Weise am Oberarmknochen des Patienten P befestigt ist. Hierzu ist der Oberarm des Patienten P mit einem Loch versehen worden, in welches der Stab 30 mit seinem einem Ende eingeführt worden ist. An dem Stab 30 sind außerdem vier röntgenpositive Marken 31 derart angeordnet, dass sich diese nahe an dem Oberarmknochen des Patienten P befinden, welcher das Operationsgebiet darstellt. Darüber hinaus weist die Vorrichtung 1 an ihrem vom Patienten P entfernten Ende eine röntgentransparente Markerplatte 32 auf, welche mit von dem Navigationssystem 20 erfassbaren, röntgentransparenten Markern 33 versehen ist. Die Marker 33 sowie die röntgenpositiven Marken 31 der Vorrichtung 1 sind derart in definierter Weise relativ zueinander angeordnet, dass durch die Erfassung der Koordinaten der Marker 33 der Vorrichtung 1 mit Hilfe der Kameras 21, 22 des Navigationssystems 20 in einem dem Navigationssystem 20 zugeordneten kartesischen Koordinatensystems ON auch die Koordinaten der röntgenpositiven Marken 31 der Vorrichtung 1 bestimmbar und somit bekannt sind. Die Koordinaten der Marker 33 sowie der röntgenpositiven Marken 31 werden dabei mit Hilfe eines an sich bekannten, in der Figur nicht dargestellten, dem Navigationssystem 20 zugeordneten Rechners anhand der von den Markern 33 gewonnenen Kamerabilder bezüglich des Koordinatensystems ON bestimmt.
  • Wird im Zuge des navigationsgeführten Eingriffes mit Hilfe des C-Bogen-Röntgengerätes 3 ein Volumendatensatz von dem Bereich um den Oberarmknochen des Patienten P gewonnen, so sind die röntgenpositiven Marken 31 ebenfalls als Abbilder in dem Volumendatensatz enthalten und können gegebenenfalls in einem aus dem Volumendatensatz erzeugten 2D- oder 3D-Röntgenbild 4 abgebildet werden. Die Koordinaten der in dem Volumendatensatz als Abbilder enthaltenen Marken 31 werden manuell oder vollautomatisch in einem dem Volumendatensatz zugeordneten Koordinatensystem OV ermittelt, so dass anhand der Koordinaten der in dem Volumendatensatz als Abbilder enthaltenen röntgenpositiven Marken 31 eine Koordinatentransformation zwischen dem dem Navigationssystem zugeordneten Koordinatensystem ON, in dem die Koordinaten der röntgenpositiven Marken 31 bekannt sind, und dem dem rekonstruierten Volumen zugeordneten Koordinatensystem OV, in dem die Röntgenpositiven Marken 31 als Abbilder enthalten sind, ermittelt wird. Da ein für die Navigation verwendetes Röntgenbild aus dem Volumendatensatz erzeugt wird, ist das Koordinatensystem OV dabei auch dem verwendeten Röntgenbild zugeordnet, so dass Abbilder von Objekten, deren Koordinaten in dem dem Navigationssystem zugeordneten Koordinatensystem ON bekannt sind, unter Verwendung der ermittelten Koordinatentransformation in das Röntgenbild eingeblendet werden können.
  • Um ein für die Behandlung des Patienten P notwendiges Instrument 2 anhand von auf dem Sichtgerät 5 dargestellten Röntgenbildern navigieren zu können, ist an dem Instrument 2 eine Markerplatte 40 mit von dem Navigationssystem 20 erfassbaren Markern 41 in definierte Weise angeordnet. Dadurch können die Koordinaten des Instrumentes 2 während des navigationsgeführten Eingriffes stets in dem dem Navigationssystem zugeordneten Koordinatensystem ON ermittelt werden, so dass mittels der ermittelten Koordinatentransformation zwischen dem dem Navigationssystem zugeordneten Koordinatensystem ON und dem dem Volumendatensatz zugeordneten Koordinatensystem ON ein Abbild des Instrumentes 2 in ein aus dem Volumendatensatz erzeugtes und auf dem Sichtgerät 5 dargestelltes Röntgenbild 4 des Bereiches des Oberarmes des Patienten P eingeblendet werden kann.
  • Die Ermittlung des für die Navigation verwendeten Volumendatensatzes von dem Patienten P sowie die Ermittlung der Koordinaten der von dem Navigationssystem 20 erfassbaren Marker 33, der röntgenpositiven Marken 31 sowie die Ermittlung der Koordinatentransformation zwischen den Koordinatensystemen ON des Navigationssystems und OV des Volumendatensatzes erfolgt vorzugsweise intraoperativ, also während des chirurgischen Eingriffs an dem Patienten P.
  • Die röntgenpositiven Marken 31 können im Übrigen von der Vorrichtung 1 abgenommen werden, so dass diese einen in der Figur nicht dargestellten Chirurgen bei der Behandlung des Patienten P nicht stören. Dadurch, dass die Vorrichtung 1 mit den von dem Navigationssystem 20 erfassbaren Markern 33 an dem Patienten P verbleiben kann, können Bewegungen des Patienten P, insbesondere Bewegungen des Bereiches des Operationsgebietes, von dem Navigationssystem 20 erfasst und entsprechend bei der Einblendung eines Abbildes des Instrumentes 2 in ein aus dem Volumendatensatz erzeugtes Röntgenbild 4 berücksichtigt werden.
  • Die Erfindung wurde vorstehend am Beispiel eines optischen Navigationssystems 20 erläutert. Bei dem Navigationssystem muss es sich jedoch nicht notwendigerweise um ein optisches Navigationssystem handeln. Vielmehr kann auch ein elektromagnetisches Navigationssystem oder ein auf akustischen Wellen basierendes Navigationssystem verwendet werden. In diesem Fall sind die optischen Markern 33 bzw. 41 beispielsweise durch elektromagnetische Sender oder akustische Sender und die Kameras 21, 22 durch geeignete Empfänger für elektromagnetische Wellen oder Empfänger für akustische Wellen zu ersetzen.
  • Bei dem Röntgengerät muss es sich im Übrigen nicht notwendigerweise um ein C-Bogen-Röntgengerät handeln.
  • Des weiteren müssen die röntgenpositiven Marken 31 nicht notwendigerweise von der Vorrichtung 1 abnehmbar sein.
  • Darüber hinaus müssen die Mittel 30 zur Befestigung der Vorrichtung und die von dem Navigationssystem 20 erfassbaren Marker 33 nicht notwendigerweise röntgentransparent sein.

Claims (3)

  1. Vorrichtung zur Ermittlung einer Koordinatentransformation für die Einblendung eines Abbildes eines ersten Objektes (2) in ein Röntgenbild (4) eines zweiten Objektes (P), aufweisend – Mittel (30) zur Befestigung der Vorrichtung (1) an dem zweiten Objekt (P), – von einem Navigationssystem (20) erfassbare Marker (33), welche mit den Mitteln (30) zur Befestigung verbunden sind, und – mit den Mitteln (30) zur Befestigung verbundene röntgenpositive Marken (31), wobei die Lagen der mit dem Navigationssystem (20) erfassbaren Marker (33) und der röntgenpositiven Marken (31) relativ zueinander bekannt sind, und wobei die röntgenpositiven Marken (31) von den Mitteln (30) zur Befestigung der Vorrichtung (1) abnehmbar sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Mittel (30) zur Befestigung der Vorrichtung (1) aus einem röntgentransparenten Material sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die von dem Navigationssystem (20) erfassbaren Marker (33) röntgentransparent sind.
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