DE102005023165A1

DE102005023165A1 - Medizinisches Bildgebungssystem mit einem um einen Patienten verfahrbaren Teil und Kollisionsschutzverfahren

Info

Publication number: DE102005023165A1
Application number: DE102005023165A
Authority: DE
Inventors: Philipp Dr Bernhardt; Jan Dr. Boese; Marcus Dr. Pfister; Norbert Rahn
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2006-11-23
Also published as: US20060274888A1; US7428296B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein medizinisches Bildgebungssystem sowie ein Kollisionsschutzverfahren für ein solches. Bei diesem wird die Bewegung eines verfahrbaren Teils, z. B. eines C-Bogens (2), gestoppt oder verlangsamt, wenn das Teil in eine den Patienten (18) umhüllende individuelle Schutzzone (22) eintritt. Diese wird aus der durch einen optischen Sensor (24, 26) erfassten Oberfläche des Patienten individuelle für jeden Patienten berechnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein medizinisches Bildgebungssystem mit einem um einen Patienten verfahrbaren Teil und insbesondere ein System, bei welchem die Bewegung des verfahrbaren Teils durch ein Steuerungsmodul gesteuert wird, welches die Bewegung stoppt oder verlangsamt, wenn das Teil in eine den Patienten umhüllende Schutzzone eintritt. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Kollisionsschutzverfahren für ein solches Bildgebungssystem.

Im Stand der Technik sind medizinische Bildgebungssysteme, insbesondere Röntgensysteme bekannt, die sich durch eine große Flexibilität in den Bewegungen der Bildaufnahmegeräte um den Patienten auszeichnen. Im Falle eines Röntgensystems handelt es sich bei diesen verfahrbaren Teilen insbesondere um den Röntgendetektor und die Röntgenröhre. Großer Beliebtheit erfreuen sich insbesondere die so genannten C-Bogen-Röntgensysteme, bei welchen Röntgenröhre- und Detektor jeweils an einander gegenüberliegenden Armen eines C-Bogens befestigt sind, welcher beliebig um den Patienten verfahrbar ist, um so Röntgenaufnahmen aus beliebigen Projektionsrichtungen zu ermöglichen. Durch Variation des Abstandes zwischen Röntgendetektor und Patient kann darüber hinaus die Vergrößerung verändert und die bildverrauschende Streustrahlung minimiert werden. Solche Systeme wie z. B. das AXIOM Artis der Siemens AG werden insbesondere als Angiographiesysteme benutzt. Zunehmend werden mit solchen Röntgengeräten auch quasi-tomographische 3D-Bilder erzeugt, bei denen der C-Bogen um ca. 180° um den Patienten verfahren wird. Bei einem solchen Durchlauf, der auch mit DynaRun bezeichnet wird, werden die beweglichen Teile zum Teil mit erheblicher Geschwindigkeit um den Patienten rotiert. Ein Problem derartiger Bildgebungssysteme mit verfahrbaren Teilen liegt darin, dass eine Kollision der verfahrbaren Teile mit dem Patienten möglich ist. Um Gefährdun gen für den Patienten auszuschließen, müssen daher Schutzmechanismen eingeführt werden.

Bei dem o.g. System AXIOM Artis wird z. B. eine den Patienten umhüllende Schutzzone definiert. Nähert sich ein C-Arm an diese Schutzzone an, wird er deutlich verlangsamt, um die Gefahr einer Kollision zu vermeiden. Diese Schutzzone ist für alle Patienten gleich und hat angenähert die Form eines über der Patientenliege angeordneten Ellipsoids. Insbesondere bei dünnen Patienten liegt diese Schutzzone daher oft weit entfernt von der tatsächlichen Patientenoberfläche. Daher dauert es oft unnötig lange, um eine bestimmte Angulation des C-Bogens anzufahren.

Bei den Geräten der Firma Philips befinden sich teilweise an den C-Armen kapazitive Sensoren, welche die Nähe des Patienten detektieren und daraufhin die Bewegung des C-Arms verlangsamen. Diese Sensoren haben jedoch nur eine geringe Reichweite, so dass auch hier die Bewegung des C-Bogens bei Eintritt in eine angenommene Schutzzone verlangsamt werden sollte.

Als letzte Sicherheit weisen beide Systeme mechanische Rückmelder auf, die bei einem tatsächlichen Patientenkontakt sofort die Bewegung der verfahrbaren Teile stoppen.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein medizinisches Bildgebungssystem mit einem schnelleren, genaueren und einfacheren Kollisionsschutzsystem, sowie ein entsprechendes Kollisionsschutzverfahren, bereit zu stellen. Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 10. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Bildgebungssystems und Kollisionsschutzverfahren sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird bei einem medizinischen Bildgebungssystem ein optischer Sensor zur Erfassung der Oberfläche des Patienten vorgesehen, wobei das Bildgebungssystem dazu ausge legt ist, aus der erfassten Oberfläche des Patienten eine individuelle Schutzzone für diesen Patienten zu berechnen. Wie im Stand der Technik bekannt, kann dann die Bewegung des verfahrbaren Teils durch ein Steuerungsmodul gestoppt oder verlangsamt werden, wenn das Teil in diese Schutzzone eintritt. Da diese Schutzzone die genaue Form des Patienten berücksichtigt, die durch optische Oberflächenerfassung ermittelt wurde, ist somit ein erheblich vergrößerter Bewegungsspielraum des verfahrbaren Teils ermöglicht. Die individuelle Schutzzone kann beispielsweise in einem vorbestimmten Abstand zur gemessenen Patientenoberfläche beginnen, z. B. in einem Abstand von 2 bis 6 cm. Es wird als z. B. um die mit der optischen Oberflächenerfassung gemessene Form des Patienten eine „Hüllkurve" gelegt, die sehr genau den notwendigen Schutzabstand zum Patienten wiedergibt.

Der optische Sensor umfasst bevorzugt eine Lichtquelle und mindestens eine Kamera. Derartige optische Sensoren sind beispielsweise von der 3D-SHAPE GmbH (www.3D-shape.com) erhältlich und beruhen auf der Projektion von Streifenmustern. Die Muster werden durch einen Projektor aus einer ersten Richtung auf das zu erfassende Objekt projiziert und aus einer anderen Richtung mit einer Kamera beobachtet. Die Streifen scheinen für die Kamera, je nach Form des beobachteten Objekts, mehr oder weniger deformiert. Aus der Deformation der Streifen kann auf die Form des Objekts zurück geschlossen werden. Vorzugsweise werden mehr als 3 Streifenmuster projiziert, wobei die Intensität der Streifen einen sinusförmigen Verlauf annimmt. Zur gleichzeitigen Erfassung von 2 Seiten des Objekts kann eine zweite Kamera vorgesehen sein.

Dieses Verfahren zur optischen Oberflächenerfassung, auch Formerfassung genannt, ist z. B. in der DE 102 58 130 A1 beschrieben. Diese Druckschrift, dessen Offenbarungsgehalt hiermit in diese Patentanmeldung aufgenommen wird, beschreibt ferner ein weiteres Verfahren, welches mit dem Namen „Shape from Shading" bezeichnet wird. Bei diesem Verfahren wird aus der Variation der Helligkeit in einem Bild auf die Form des abgebildeten Objektes geschlossen. Betrachtet man beispielsweise die Fotographie eines Gesichtes, so stellt man Helligkeitsschwankungen fest, obwohl man annehmen kann, dass sich der Reflexionskoeffizient der Haut kam ändert. Vielmehr entstehen diese Helligkeitsschwankungen dadurch, dass bestimmte Teile der Oberfläche so orientiert sind, dass sie mehr Licht zur Kamera strahlen als andere. Fällt das Licht einer Lichtquelle senkrecht auf die Oberfläche, so ist die Helligkeit maximal, bei streifendem Einfall ist sie minimal. Aus diesen Unterschieden kann die Kontur bestimmt werden.

Weitere Verfahren zur optischen Formerfassung von Gegenständen sind in der US 6,590,669 B1 und der EP 0 372 241 A1 beschrieben. Für das vorliegende Bildgebungssystem und Kollisionsschutzverfahren kann prinzipiell jedes geeignete optische Sensorsystem bzw. Verfahren zur optischen Oberflächenerfassung verwendet werden. Besonders bevorzugt ist das o.g. System der 3D-SHAPE GmbH, bei welchem das zu vermessenden Objekt, hier also der Patient, mit einem Streifenmuster beleuchtet wird. Da für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung nur eine relativ grobe Auflösung der gemessenen Oberfläche benötigt wird, kann die Patientenoberfläche in einem Zeitraum von wenigen Sekunden bis zu ca. 1 min erfasst werden.

Aus der so erfassten Patientenoberfläche wird vorzugsweise ein 3D-Modell des Patienten erstellt. Dieses Modell kann beispielsweise die Oberfläche angenähert aus Dreiecken abbilden.

Dieses Modell wird dann bevorzugt mit dem Koordinatensystem des verfahrbaren Teils des Bildgebungssystems registriert, um die Bewegung des verfahrbaren Teils entsprechend steuern zu können. Um diese Registrierung zu ermöglichen, ist das Koordinatensystem des Bildgebungssystems und das des optischen Sensors vorzugsweise räumlich zueinander kalibriert. Das bedeutet, dass die räumliche Lage und Orientierung der beiden Geräte zueinander bekannt sind. Genauer heißt dies, dass die Relation des Koordianten-Ursprungs des Koordinatensystems des optischen Sensors und der Koordinaten-Ursprung des Koordina tensystems des Bildgebungssystems zu einander bekannt sind. Bezüglich der räumlichen Anordnung des optischen Sensors relativ zum Bildgebungssystem gibt es folgende Ausführungsmöglichkeiten:
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist der optische Sensor starr mit dem beweglichen Teil, im Fall eines C-Bogen-Röntgensystems also mit dem C-Bogen, verbunden. In diesem Fall kann die Kalibrierung bereits werkseitig bei Herstellung des Bildgebungssystems vorgenommen werden. Ist das Bildgebungssystem stationär in einem Untersuchungsraum angeordnet, besteht auch die Möglichkeit, den optischen Sensor an einem festen Ort (stationär) innerhalb dieses Raumes anzuordnen, beispielsweiseihn an der Decke zu montieren. Auch in diesem Fall muss die räumliche Beziehung zwischen Sensor und Bildgebungssystem nur einmalig z. B. bei der Aufstellung des Bildgebungssystems durch Kalibrierung bestimmt werden. Mögliche Veränderungen, z. B. Drehen des optischen Sensors in seiner Verankerung, können über Drehsensoren rückgemeldet werden, wodurch ein automatisches Update der räumlichen Beziehung der beiden Koordinatensysteme durchgeführt wird.

Gemäß einer dritten Ausführungsform ist der optische Sensor beweglich zum Bildgebungsystem angeordnet. Hierbei ist entweder der optischen Sensor mobil angeordnet, z. B. auf einem innerhalb des Raumes frei bewegbaren Stativ, ähnlich einem Infusionsständer, oder das Bildgebungssystem ist mobil, oder beide Komponenten sind mobil. Bei dieser Ausführungsform kann die Kalibrierung der räumlichen Beziehung der beiden Koordinatensysteme mittels Positions-/Orientierungssensoren vorgenommen werden, die sowohl am optischen Sensor als auch am Bildgebungssystem, insbesondere an dem beweglichen Teil wie dem C-Bogen, montiert sind, um so die Lage der beiden Geräte zueinander zu bestimmen. Solche Positions-/Orientierungssensoren nutzen z. B. statische oder niederfrequente magnetische Felder.

Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung sind C-Bogen-Röntgensysteme, bei welchen das verfahrbare Teil ein Röntgendetektor bzw. eine Röntgenröhre ist, die jeweils an gegenüberliegenden Armen eines C-Bogen befestigt sind. Die optische Oberflächenerfassung und die Berechnung der individuellen Schutzzone kann jeweils vor der Aufnahme von Bilddaten insbesondere vor einem bildgesteuerten diagnostischen oder chirurgischen Eingriff und/oder periodisch während des Eingriffs erfolgen. Vorzugsweise wird das Kollisionsschutzverfahren nach einer Patientenbewegung wiederholt. Besonders bevorzugt kann die Oberflächenerfassung und Berechnung der Schutzzone auch während eines DynaRuns durchgeführt werden, um bei heftigen Patientenbewegungen zur Ersparung von Dosis den Scan abzubrechen. Dies setzt voraus, dass der optische Sensor schnell genug arbeitet, und dass die optische Oberflächenerfassung innerhalb von ca. 1 bis 10 Sekunden, insbesondere innerhalb von 5 Sekunden abgeschlossen ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beispielhaft beschrieben. In den Zeichnungen zeigen
1 eine schematische Ansicht eines medizinischen Bildgebungssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit im Querschnitt dargestellten Patienten und
2 eine schematische Ansicht eines mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßem Verfahrens berechneten 3D-Modell des Patienten.
1 zeigt einen C-Bogen Röntgengerät 1 mit einem C-Bogen 2, an dessen gegenüberliegenden Armen jeweils eine Röntgenröhre 4 und ein Röntgendetektor 6 befestigt sind. Der C-Bogen ist um eine Patientenliege 16 verfahrbar und zu diesem Zweck beweglich an dem Ständer 8 aufgehängt. Die die Bewegung des C-Bogens bewirkenden Elektromotoren sind nicht dargestellt. Gesteuert wird diese Bewegung durch das Steuerungsmodul 12, welches Teil eines Steuerung- und Bildverarbeitungsrechners 10 sein kann. Die mit dem Bildgebungssystem 1 aufgenommenen Röntgenbilder können auf dem Bildschirm 14 dargestellt werden. Der Patient 18 ist auf der Liege 16 als schraffierte Fläche dargestellt. Die gestrichelte Linie 19 umschreibt einen Ellipsoiden, welcher bei den Bildgebungssystemen gemäß Stand der Technik die Hüllkurve für die Schutzzone um den Patienten darstellt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist diese Hüllkurve 19 erheblich breiter und höher als der dargestellte Patient, da sie nicht auf diesen speziellen Patienten zugeschnitten ist, sondern für alle denkbaren, auch alle übergewichtigen, Patienten ausreichend Schutz bieten soll.
Am C-Bogen 2 sind ferner ein Projektor 24 und eine Kamera 26 befestigt, welche gemeinsam den optischen Sensor bilden. Wie oben beschrieben, kann der Projektor 24 den Patienten mit einem Streifenmuster beleuchten, welches von der Kamera 26 aus einer seitlichen Richtung betrachtet wird. Aus der durch die Kontur des Patienten resultierenden Verschiebung der Streifen kann z. B. ebenfalls durch den Steuerungsrechner 10 die Oberflächenform des Patienten 18 berechnet werden.
Diese Oberflächenform, die durch den optischen Sensor mit einer Auflösung von ca. 1 mm bis 4 cm, vorzugsweise mit einer Auflösung von ca. 1 bis 2 cm, bestimmt wurde, wird dann dazu verwendet, eine individuelle Hüllkurve 21, in der Zeichnung strichpunktiert dargestellt, um den Patienten 18 zu legen. Diese Hüllkurve weist z. B. einen durchschnittlichen Abstand von 5 cm zum Patienten auf, muss jedoch der Patientenoberfläche nicht ganz exakt folgen, wie auch aus der 2 ersichtlich ist. Von dieser Hüllkurve 21 wird die individuelle Schutzzone 22 für diesen Patienten umschlossen. Die Hüllkurve 21 ist mit dem Koordinatensystem des C-Bogens kalibriert, so dass der Steuerungsrechner 10 die Bewegungen des C-Bogens so steuern kann, dass weder die Röntgenröhre 4 noch der Detektor 6 in die Schutzzone 22 eintritt, oder dass die Bewegung bei einer Durchschreitung der individuellen Schutzzone stark verlangsamt wird. Durchquert einer der beweglichen Teile jedoch außerhalb der Schutzzone 22 liegende Bereiche, die innerhalb des Ellipsoiden 19 liegen, ist keine Verlangsamung der Bewegung erforderlich.
Die Oberflächenerfassung kann jeweils einmal vor einer Untersuchung oder einem bildgesteuerten Eingriff am Patienten vorgenommen werden, und/oder nach Bedarf während der Untersuchung oder dem Eingriff wiederholt werden.
2 zeigt schematisch ein Modell 17 eines Patienten, das mit der optischen Oberflächenerfassung erstellt wurde. Bei 28 sind einzelne Pixel angedeutet, aus denen das Modell zusammengesetzt ist. Alternativ kann das 3D-Modell auch durch eine Dreiecksoberfläche aufgespannt sein. Gemäß einer noch weiteren Alternative kann die Patientenoberfläche auch jeweils als Silhouette erfasst sein, wobei die Hüllkurve 21 jeweils um die Silhouette gelegt wird. Vorzugsweise werden hierbei Patientensilhouetten aus mehreren Blickrichtungen aufgenommen. Die Hüllkurve 21 gibt sehr genau den Schutzabstand zum Patienten wieder. Sie ist auch nicht an besondere Formmodelle gebunden und berücksichtigt also, im Gegensatz zum Ellipsoidmodell, auch einen herausragenden Arm oder dergleichen.
Das erfindungsgemäße Bildgebungssystem und Kollisionsschutzverfahren ermöglicht also sowohl einen verbesserten Schutz des Patienten als auch eine Verbesserung des Workflows. Letzteres ergibt sich daraus, dass weniger Verlangsamerungen der C-Arm-Bewegung bei Annäherung an die angenommen Schutzzone notwendig sind, wenn die exakte Größe und Form des Patienten bekannt sind.

Claims

Medizinisches Bildgebungssystem (1) mit einem um einen Patienten verfahrbaren Teil (4, 6), wobei die Bewegung des verfahrbaren Teils (4, 6) durch ein Steuerungsmodul (12) gesteuert wird, welches die Bewegung stoppt oder verlangsamt, wenn das Teil (4, 6) in eine den Patienten umhüllende Schutzzone (22) eintritt, gekennzeichnet durch einen optischen Sensor (24, 26) zur Erfassung der Oberfläche des Patienten (18), wobei das Bildgebungssystem (1) dazu ausgelegt ist, aus der erfassten Oberfläche des Patienten eine individuelle Schutzzone (22) für diesen Patienten zu berechnen.
Bildgebungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor eine Lichtquelle (24) und mindestens eine Kamera (26) umfasst.
Bildgebungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bildgebungssystem ein Röntgensystem (1) ist und das verfahrbare Teil ein Röntgendetektor (6) oder eine Röntgenröhre (4) ist.
Bildgebungsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es ein C-Bogensystem ist, bei welchem der Röntgendetektor (6) und die Röntgenröhre (4) an einem C-Bogen (2) befestigt sind, der um den Patienten (18) verfahrbar ist.
Bildgebungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (24, 26) ebenfalls am C-Bogen (2) befestigt ist.
Bildgebungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (24, 26) stationär oder beweglich innerhalb des Raumes angeordnet ist, in dem sich das Bildgebungssystem (1) befindet.
Bildgebungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koordinatensystem des Bildgebungsystems (1) und das des optischen Sensor (24, 26) räumlich zueinander kalibriert sind.
Bildgebungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bildgebungssystem (1) dazu ausgelegt ist, aus der erfassten Oberfläche des Patienten (18) ein 3D-Modell (17) des Patienten zu erstellen und dieses mit dem Koordinatensystem des Bildgebungsystems (1) zu registrieren.
Bildgebungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle ein Projektor (24) ist, welcher den Patienten (18) zur Erfassung seiner Oberfläche mit einem Streifenmuster beleuchtet.
Kollisionsschutzverfahren für ein medizinisches Bildgebungssystem (1) mit einem um einen Patienten (18) verfahrbaren Teil (4, 6), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Verhinderung einer Kollision des verfahrbaren Teils (4, 6) mit dem Patienten (18), wobei die Bewegung des verfahrbaren Teils (4, 6) gestoppt oder verlangsamt wird, wenn das Teil in eine den Patienten (18) umhüllende Schutzzone (22) eintritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Patienten optisch erfasst wird und aus der erfassten Oberfläche des Patienten (18) eine individuelle Schutzzone (22) für diesen Patienten berechnet wird.
Kollisionsschutzverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Oberflächenerfassung und die Berechnung der individuellen Schutzzone (22) jeweils vor oder während einer Aufnahme von Bilddaten durchgeführt wird.
Kollisionsschutzverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Oberflächenerfassung und die Berechnung der individuellen Schutzzone (22) nach einer Patientenbewegung wiederholt wird.
Kollisionsschutzverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Oberflächenerfassung durch einen optischen Sensor (24, 26) erfolgt und dass das Koordinatensystem des Bildgebungssystems (1) und das des optischen Sensors (24, 26) vor der Aufnahme von Bilddaten zueinander kalibriert werden.
Kollisionsschutzverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der erfassten Patientenoberfläche ein 3D-Modell (17) des Patienten (18) erstellt wird, anhand dessen die individuelle Schutzzone (22) berechnet wird.