DE102008009266B4

DE102008009266B4 - Verfahren und Einrichtung zur Kalibrierung einer Instrumentenlokalisierungseinrichtung mit einer Bildgebungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102008009266B4
Application number: DE102008009266A
Authority: DE
Inventors: Dr. Boese Jan; Dr. John Matthias
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2013-01-10
Anticipated expiration: 2028-02-16
Also published as: DE102008009266A1; US8165839B2; US20090205403A1

Abstract

Verfahren zur Kalibrierung einer Instrumentenlokalisierungseinrichtung (3) mit einer Bildgebungsvorrichtung (10), – bei welchem die Instrumentenlokalisierungsvorrichtung (3) und die Bildgebungsvorrichtung (10) miteinander zeitlich synchronisiert werden, – bei welchem ein medizinisches Instrument (2) in einen gemeinsamen Erfassungsbereich der Instrumentenlokalisierungseinrichtung (3) und der Bildgebungsvorrichtung (10) gehalten wird und anschließend nach Maßgabe der Synchronisierung dreimal zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten jeweils synchron sowohl eine Positionsbestimmung mittels der Instrumentenlokalisierungsvorrichtung (3) als auch eine Bildaufnahme mittels der Bildgebungsvorrichtung (10) erfolgt und jeweils der zugehörige Punkt (pTCS) zur Position des medizinischen Instruments (2) relativ zu einem Trackingkoordinatensystem (TCS) der Instrumentenlokalisierungsvorrichtung (3) gemessen und der zugehörige Bildpunkt (pPCS) relativ zu einem Bildkoordinatensystem (PCS) der Bildgebungsvorrichtung (10) aus der Bildaufnahme ermittelt werden, wobei das Instrument (2) zwischen diesen Messungen bewegt wird, – bei welchem anhand der gemessenen Punkte (pPCS)i und der ermittelten Bildpunkte (pPCS)i eine Transformationsvorschrift zur Abbildung des Trackingkoordinatensystem (TCS) auf das Bildkoordinatensystem (PCS) parametriert wird,...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kalibrierung einer Instrumentenlokalisierungseinrichtung mit einer Bildgebungsvorrichtung, insbesondere zur Abbildung eines sogenannten Trackingkoordinatensystems der Lokalisierungsvorrichtung auf ein Bildkoordinatensystem der Bildgebungsvorrichtung. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine zur Durchführung des Verfahrens ausgebildete Einrichtung.
Ein medizinischer Eingriff wie beispielsweise eine Ablation von krankhaftem Herzgewebe zur Behandlung von Herzrhythmusstörungen wird üblicherweise mittels eines in den Patientenkörper eingeführten medizinischen Instruments – beispielsweise eines Katheters – durchgeführt. Der behandelnde Arzt hat dabei während der Behandlung in der Regel keine direkte Sicht auf das Instrument und die zu behandelnde Körperregion. Für eine präzise Durchführung der Behandlung wird das Instrument stattdessen normalerweise mittels eines bildgebenden Verfahrens im Patientenkörper sichtbar gemacht. Als bildgebende Verfahren werden hierbei insbesondere Röntgenbildgebungsverfahren eingesetzt. Das Instrument kann in diesem Fall z. B. in einem Röntgenbild des Patienten verfolgt werden.
Zusätzlich oder alternativ wird zur Bestimmung der Instrumentenposition häufig auch eine Instrumentenlokalisierungseinrichtung (auch als Trackingsystem bezeichnet) eingesetzt. Ein solches Trackingsystem erfasst die Position des Instruments im Raum mittels eines optischen, akustischen, elektromagnetischen oder impedanzbasierten Verfahrens. Häufig sind hierzu am Instrument definierte Detektionspunkte vorgesehen, die von dem Trackingsystem detektiert werden können.
Bildgebungsvorrichtungen mit Echtzeitauflösung wie z. B. Röntgendurchleuchtungsgeräte liefern in der Regel nur ein zweidimensionales, aber dafür vergleichsweise exaktes Bild des Instruments. Mit einem Trackingsystem hingegen kann fortlaufend in Echtzeit die räumliche Position des Instruments bestimmt werden, allerdings meist nur lokal – es fehlt die Übersicht über das ganze Objekt, bzw. die Umgebung. Außerdem ist die Positionsbestimmung des Trackingsystems häufig ungenau. Insbesondere wird die Instrumentenposition durch ein Trackingsystem oft verzerrt wiedergegeben.
Um die jeweiligen Vorteile der Bildgebung und des Instrumententracking besser nutzen zu können, werden die Koordinatensysteme der Bildgebungsvorrichtung und des Trackingsystems mitunter überlagert, so dass für jeden Punkt des Trackingkoordinatensystems ein entsprechender Punkt im Bildkoordinatensystem bestimmt werden kann. Beispielsweise kann dann die Positionsinformation des Trackingsystems dazu genutzt werden, das medizinische Instrument in einem mittels der Bildgebung vorab erzeugten dreidimensionalen Röntgenbild, insbesondere einem Computertomogramm oder Angiogramm, darzustellen und in diesem virtuellen 3D-Abbild des Patienten zu navigieren.
Die Überlagerung bzw. Abbildung des Trackingkoordinatensystems mit dem Bildkoordinatensystem wird auch als Registrierung bezeichnet. Zur Durchführung einer solchen Registrierung wird in der Regel ein sogenanntes Kalibrierphantom eingesetzt, welches viele detektierbare Markierungspunkte enthält, deren relative Positionen zueinander bekannt sind. Das Kalibrierphantom wird ortsfest, z. B. unter einem Patiententisch im Raum fixiert, und die solchermaßen festgelegte Lage der Markierungspunkte sowohl mittels der Bildgebung als auch mittels des Trackingsystems bestimmt. Anhand der erfassten Koordinaten der Markierungspunkte im Trackingkoordinatensystem und im Bildkoordinatensystem wird anschließend eine Transformationsvorschrift bestimmt, die das Trackingkoordinatensystem auf das Bildkoordinatensystem abbildet.
Die Durchführung einer solchen Registrierung ist aber vergleichsweise aufwändig und stört mitunter den laufenden Betrieb der zugehörigen medizinischen Einrichtung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kalibrierung einer Instrumentenlokalisierungsvorrichtung mit einer Bildgebungsvorrichtung anzugeben, das schnell und insbesondere im laufenden Betrieb einer diese Vorrichtungen umfassenden medizinischen Einrichtung einfach durchführbar ist. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Einrichtung anzugeben.
Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach ist vorgesehen, die nachfolgend als Trackingsystem bezeichnete Instrumentenlokalisierungsvorrichtung und die Bildgebungsvorrichtung miteinander zeitlich zu synchronisieren, so dass sichergestellt ist, dass beide Vorrichtungen auf einer gemeinsamen Zeitskala arbeiten.
Nach Maßgabe dieser Synchronisierung werden verfahrensgemäß zeitgleich sowohl mittels des Trackingsystems als auch mittels der Bildgebungsvorrichtung mindestens drei Messungen der Position eines medizinischen Instruments vorgenommen. Das Instrument und/oder die Bildgebungsvorrichtung werden hierbei zwischen den Messungen relativ zueinander bewegt. Es wird also im Laufe der Messungen entweder das Instrument bei feststehender Bildgebungsvorrichtung bewegt. Oder es wird die Bildgebungsvorrichtung gegenüber dem festgehaltenen Instrument bewegt. Oder es werden sowohl das Instrument als auch die Bildgebungsvorrichtung bewegt, so dass sich die relative Positionierung des Instruments zu der Bildgebungsvorrichtung im Raum ändert. Als Ergebnis jeder dieser Messungen wird folglich eine Position des Instruments sowohl in einem dem Trackingsystem zugeordneten Trackingkoordinatensystem als auch in einem der Bildgebungsvorrichtung zugeordneten Bildkoordinatensystem festgestellt.
Anhand der festgestellten Instrumentenpositionen wird dann eine Registrierung vorgenommen, indem eine vorgegebene Transformationsvorschrift parametriert wird, so dass das Trackingkoordinatensystem auf das Bildkoordinatensystem abgebildet wird. Als Parametrierung wird dabei die Bestimmung von konkreten Werten für die zunächst abstrakt vorgegebenen Parameter der Transformationsvorschrift verstanden.
Bei der Bildgebungsvorrichtung handelt es sich insbesondere um ein Röntgengerät, bevorzugt ein sogenanntes C-Bogen-Röntgengerät. Das Trackingsystem detektiert ein oder mehrere definierte Detektionspunkte des zu lokalisierenden Instruments. Bei diesen Detektionspunkten handelt es sich entweder um passive Markierungen oder um Sender oder Empfänger des Trackingsystems.
Nach dem vorgeschlagenen Verfahren ist es vorteilhafterweise nicht notwendig, ein Kalibrierphantom oder ähnliche zusätzliche Geräte für die Durchführung der Registrierung einzusetzen. Vielmehr ist für die Registrierung lediglich das für Behandlungszwecke ohnehin eingesetzte Instrument erforderlich. Zudem kann die Registrierung nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren auch während einer gewöhnlichen medizinischen Behandlung erfolgen, ohne das der behandelnde Arzt irgendwelche Vorkehrungen treffen muss. Bei der Behandlung ist das zu lokalisierende Instrument nämlich in der Regel immer einer gewissen Bewegung unterworfen, so dass die für die Parametrierung der Transformationsvorschrift erforderlichen unterschiedlichen Instrumentenpositionen automatisch eingenommen werden. Insbesondere wenn es sich bei dem Instrument um ein handgehaltenes Instrument handelt, erfolgt eine hinreichende Bewegung des Instruments in der Regel schon durch die Motorik des Benutzers, und somit für den Benutzer unbewusst.
Dadurch dass verfahrensgemäß die Registrierung der Koordinatensysteme auf Basis des sich bewegenden medizinischen Instruments durchgeführt wird, ist es ferner auch möglich, die Registrierung jederzeit, insbesondere auch während der Behandlung, zu erneuern bzw. zu kontrollieren.
Zur Erzielung unterschiedlicher Instrumentenpositionen im Bildkoordinatensystem wird in einer zweckmäßigen Ausbildung des Verfahrens zusätzlich oder alternativ zu der Bewegung des Instruments im umgebenden Raum die Orientierung der Bildachse im Raum geändert.
Um in möglichst kurzer Zeit möglichst viele unterschiedliche Instrumentenpositionen zu sammeln, ist in einer Variante des Verfahrens vorgesehen, im Rahmen der Messungen die Positionen mehrerer Instrumente und/oder gegebenenfalls mehrerer definierter Detektionspunkte eines Instruments zu bestimmen.
Bei einer Bildgebungsvorrichtung mit mehreren zueinander gekippten Bildachsen, beispielsweise einem sogenannten Bi-Plane-Röntgensystem, ist zu dem gleichen Zweck in einer weiteren Variante des Verfahrens vorgesehen, die Position des Instruments zeitgleich in den diesen Bildachsen jeweils zugeordneten Bildkoordinatensystemen zu bestimmen.
Insbesondere bei Verwendung eines Röntgengeräts als Bildgebungsvorrichtung handelt es sich bei dem Bildkoordinatensystem insbesondere um ein zweidimensionales Koordinatensystem, das eine im Raum senkrecht zu einer Bildachse angeordnete Bildfläche beschreibt. Im Falle eines Röntgengeräts handelt es sich bei der Bildachse um den Zentralstrahl des von der Röntgenquelle auf den Röntgendetektor des Geräts emittierten Röntgenfeldes, und bei der Bildfläche um die Detektorfläche.
In vorteilhafter Ausbildung des Verfahrens wird als Transformationsvorschrift eine Kombination einer affinen Abbildung und einer Projektion herangezogen. Als affine Abbildung wird gemäß der mathematischen Definition dieses Begriffs eine Abbildung zwischen den durch das Bildkoordinatensystem bzw. das Trackingkoordinatensystem aufgespannten Vektorräumen verstanden, die Kollinearitäten und Abstandsverhältnisse paralleler Strecken bewahrt. Als affine Abbildung wird insbesondere eine Kombination einer oder mehrerer Translationen und Rotationen, sowie gegebenenfalls Skalierungen und Scherungen herangezogen.
Die Transformationsvorschrift ist in einer vorteilhaften Verfahrensvariante als Matrixgleichung der Form P_PCS = M_p·T·p_TCS gegeben. Dabei bezeichnen

– p_PCS: einen einer gemessenen Instrumentenposition entsprechenden Bildpunkt in Koordinaten des Bildkoordinatensystem,
– p_TCS: einen dieser gemessenen Instrumentenposition entsprechenden Punkt in Koordinaten des Trackingkoordinatensystems,
– T: eine das Trackingkoordinatensystem auf ein Raumkoordinatensystem der Bildgebungsvorrichtung abbildende Transformationsmatrix, und
– M: eine das Raumkoordinatensystem in Abhängigkeit der Lage der Bildachse auf das Bildkoordinatensystem abbildende Projektionsmatrix.

Bei Verwendung eines Röntgengeräts als Bildgebungsvorrichtung handelt es sich bei dem Bildkoordinatensystem insbesondere um

– ein zweidimensionales karthesisches Koordinatensystem: p_PCS = (u_PCS, v_PCS)^T,
– bei dem Raumkoordinatensystem der Bildgebungsvorrichtung um ein dreidimensionales karthesisches Koordinatensystem: p_RCS = (x_RCS, y_RCS, z_RCS)^T, und
– bei dem Trackingkoordinatensystem ebenfalls um ein dreidimensionales karthesisches Koordinatensystem: p_TCS = x_TCS, y_TCS, z_TCS)^T.

Mit Klammerausdrücken der Form (...)^T sind hierbei mathematisch Spaltenvektoren gekennzeichnet. Für eine vereinfachte mathematische Behandlung sind die Punkte p_PCS und p_TCS in GLG 1 optional in Form von sogenannten homogenen Koordinaten geschrieben, und in diesem Zusammenhang jeweils um eine (formale) Dimension erweitert.
Die Parameter der Transformationsmatrix werden bevorzugt mithilfe eines Iterationsverfahrens näherungsweise ermittelt. Alternativ hierzu können die Parameter der Transformationsmatrix durch mathematisch analytische Lösung der Transformationsvorschrift für die gemessenen Instrumentenpositionen bestimmt werden, insbesondere durch Lösung der Transformationsvorschrift als lineares Gleichungssystem.
Vorteilhafterweise wird im Rahmen des Registrierungsverfahrens weiterhin eine Verzerrung des Trackingkoordinatensystems erkannt und berücksichtigt, das Trackingkoordinatensystem also entzerrt. Hierzu ist vorgesehen, eine nicht-starre Transformationsvorschrift in einem Minimierungsverfahren zu parametrieren. Als nicht-starr wird eine Transformation dann bezeichnet, wenn sie sie sich nicht ausschließlich auf Drehungen und Translationen zurückführen lässt.
In zweckmäßiger Ausführung wird hierbei eine Transformationsvorschrift der Form ΣM(T(p_TCS), s_p) + α·S(T) herangezogen. Darin bezeichnen

– p_TCS: wiederum einen einer gemessenen Instrumentenposition entsprechenden Punkt in Koordinaten des Trackingkoordinatensystems,
– T: eine das Trackingkoordinatensystem auf das Raumkoordinatensystem der Bildgebungsvorrichtung abbildende Transformationsfunktion,
– s_p: einen Bildstrahl, der einem der gemessenen Instrumentenposition in Koordinaten des Bildkoordinatensystems entsprechenden Bildpunkt p_PCS zugeordnet ist,
– M: ein den Abstand des Punktes T(p_TCS) vom Bildstrahl s_p angebendes Maß,
– α: einen Wichtungsfaktor, und
– S: ein Maß für die Stärke der Verzerrung der Abbildungsfunktion T.

Bevorzugt werden entweder die Bildgebungsvorrichtung oder das Trackingsystem als Signalgeber für die Erfassung der Instrumentenpositionen durch beide Vorrichtungen herangezogen. Die signalgebende Vorrichtung triggert in dieser Ausführung also die jeweils andere Vorrichtung, so dass eine zeitgleiche Positionserfassung sichergestellt ist. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass beide Vorrichtungen im Wesentlichen kontinuierlich die Instrumentenposition erfassen, wobei jede Messung mit einem synchronisierten Zeitstempel versehen wird. In diesem Fall können dann rückwirkend anhand des Zeitstempels zeitgleiche Positionsmessungen beider Vorrichtungen einander zugeordnet werden.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Positionsbestimmung im Rahmen der Bildgebungsvorrichtung automatisch durch eine Bildverarbeitungssoftware, die in der Lage ist, bestimmte definierte Detektionspunkte des Instruments in einem Bild, insbesondere Röntgenbild, zu erkennen. In einer Alternative des Verfahrens ist es auch möglich, die Positionsbestimmung im Bild manuell vorzunehmen. Beispielsweise wird hierbei die Position des Instruments im Bild mithilfe einer Computermaus markiert.
In zweckmäßiger Ausführung des Verfahrens wird ein elektromagnetisches Trackingsystem herangezogen. Dabei umfasst das Instrument eine in dem vorgesehenen Detektionspunkt angeordnete Spulenanordnung, mit der die Stärke von durch externe Spulen erzeugten Magnetfeldern gemessen wird. Anhand des gemessenen Magnetfeldes wird die Position des Instruments berechnet.
In einer vorteilhaften Alternativausführung wird ein impedanzbasiertes Trackingsystem herangezogen. Hierbei werden z. B. drei näherungsweise orthogonal angeordnete Paare von externen Elektroden auf der Haut des Patienten angebracht, an welche nacheinander definierte Wechselspannungen angelegt werden. Das Instrument ist mit einer oder mehreren am Detektionspunkt angeordneten Messelektroden versehen. Anhand der am Instrument anliegenden Spannung kann die Impedanz zwischen Instrument und Elektroden bestimmt werden, wodurch die Position des Instruments näherungsweise ermittelt wird.
Wiederum in einer Alternativausführung des Verfahrens wird ein akustisches Trackingsystem herangezogen, wobei nach dem „Fledermausprinzip” anhand von Schallwellen, insbesondere Ultraschallwellen, die Position des Instruments ermittelt wird. Das Instrument ist im Rahmen eines solchen Trackingsystems insbesondere passiv, ist also selbst weder mit Schallerzeugern noch mit Schalldetektoren versehen.
Ferner können im Rahmen des Verfahrens auch ein mechanisches Trackingsystem oder ein optisches Trackingsystem herangezogen werden
Bezüglich der Einrichtung wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 11. Danach umfasst die Einrichtung eine Instrumentenlokalisierungsvorrichtung (d. h. ein Trackingsystem), eine Bildgebungsvorrichtung sowie eine diese Vorrichtungen ansteuernde Kontrolleinheit. Die Kontrolleinheit umfasst hierbei ein schaltungs- und/oder programmtechnisch zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgebildetes Registrierungsmodul. Bei der Kontrolleinheit handelt es sich bevorzugt um eine Datenverarbeitungsanlage, bei dem Registrierungsmodul bevorzugt um ein auf dieser Datenverarbeitungsanlage implementiertes Softwaremodul. Das Registrierungsmodul kann aber auch ganz oder teilweise aus Hardwarekomponenten gebildet sein.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in schematischer Darstellung eine medizinische Einrichtung zur Lokalisierung und Visualisierung eines medizinischen Instruments mit einem Trackingsystem, einem C-Bogen-Röntgengerät und einer Kontrolleinheit,
2 in schematischer Darstellung eine Position des Instruments in einem Raumkoordinatensystem sowie in einem Bildkoordinatensystem des Röntgengeräts.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in 1 dargestellte Einrichtung 1 dient zur Lokalisierung und Visualisierung eines (in 1 nur angedeuteten) medizinischen Instruments 2, bei dem es sich beispielsweise um einen Katheter handelt.
Die Einrichtung 1 umfasst hierzu eine (nachfolgend als Trackingsystem 3 bezeichnete) Instrumentenlokalisierungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Position eines definierten Detektionspunktes D des Instruments 2 als Punkt p_TCS eines dreidimensionalen Trackingkoordinatensystems TCS mit Koordinaten x_TCS, y_TCS, z_TCS zu bestimmen. Bei dem Detektionspunkt D handelt es sich beispielsweise um die Spitze des Instruments 2.
Das Trackingsystem 3 beruht im dargestellten Beispiel auf einem elektromagnetischen Detektionsprinzip. Dabei wird von einem (nicht dargestellten) Sender des Trackingsystems 3 ein räumlich inhomogenes Magnetfeld M erzeugt. Das Trackingsystem 3 umfasst weiterhin drei am Detektionspunkt D des Instruments 2 angebrachte und orthogonal zueinander ausgerichtete Messspulen, mittels derer die Stärke und Richtung des Magnetfeldes M an der Position des Detektionspunktes D gemessen wird.
Entsprechende Messwerte werden über ein Verbindungskabel 4 von dem Instrument 2 einer Auswerteeinheit 5 des Trackingsystems 3 zugeleitet. Die Auswerteeinheit 5 ermittelt anhand der gemessenen Magnetfeldstärke die Koordinaten des Punktes p_TCS im Trackingkoordinatensystem TCS.
Die Einrichtung 1 umfasst des Weiteren eine Bildgebungsvorrichtung in Form eines (C-Bogen-)Röntgengeräts 10. Das Röntgengerät 10 umfasst einen sogenannten C-Bogen 11, an dessen Armen ein Röntgenstrahler 12 und ein Röntgendetektor 13 derart gehaltert sind, dass sie sich entlang einer Bildachse 14 gegenüberstehen. Der C-Bogen 11 ist gegenüber einem Sockel 15 um zwei zueinander senkrechte Achsen schwenkbar, so dass die Bildachse 14 gegenüber einem mit dem Sockel 15 ortsfesten dreidimensionalen Raumkoordinatensystem RCS mit Koordinaten x_RCS, y_RCS und z_RCS quasi beliebige Orientierungen einnehmen kann.
Bezüglich des Röntgengeräts 10 ist zudem ein zweidimensionales karthesisches Bildkoordinatensystem PCS definiert. Das Bildkoordinatensystem PCS umfasst zwei Koordinaten u_PCS und v_PCS, die senkrecht auf die Bildachse 14 stehen und somit eine mit einer Detektorfläche 16 des Röntgendetektors 13 coplanare Ebene aufspannen. In Rahmen des Bildkoordinantensystems PCS ist die Position eines jeden Bildpunktes p_PCS eines mittels des Röntgendetektors 13 aufgenommenen Röntgenbildes R in Einheiten der Koordinaten u_PCS und v_PCS bestimmbar.
Die Einrichtung 1 umfasst schließlich eine durch eine Datenverarbeitungsanlage gebildete Kontrolleinheit 20. Die Kontrolleinheit 20 dient primär zur Ansteuerung des Röntgengeräts 10 sowie zur Bearbeitung und Auswertung der von diesem erzeugten Röntgenbilder R. Die Kontrolleinheit 20 ist hierzu über eine Datenleitung 21 mit dem Röntgengerät 10 verbunden. Zur Ausgabe der Röntgenbilder R ist die Kontrolleinheit 20 weiterhin über eine Datenleitung 22 mit einem Bildschirm 23 verbunden.
Durch Aufnahme eines Röntgenbildes R kann – alternativ oder zusätzlich zu dem Körperinneren eines schematisch auf einem Patiententisch 24 dargestellten Patienten 25 – auch das Instrument 2 abgebildet und angezeigt werden. Ein solches Röntgenbild R des Instruments 2 ist in 1 schematisch auf dem Bildschirm 23 angedeutet.
Wie insbesondere 2 zu entnehmen ist, wird bei der Aufnahme eines solchen Röntgenbildes R der Detektionspunkt D des Instruments 2, der sich bezüglich des Raumkoordinatensystems RCS an einem Punkt p_RCS befindet, in einen der Bildpunkte p_PCS auf die Detektorfläche 15 projiziert. Die den Röntgenstrahler 12 über den Punkt p_RCS mit dem Bildpunkt p_PCS verbindende Projektionsgerade wird dabei als Bildstrahl s_p des Bildpunktes p_PCS bezeichnet.
Die Abbildung des Instruments 2 auf dem Röntgenbild R wird im Rahmen der Einrichtung 1 zur Bestimmung der Instrumentenposition mittels des Röntgengeräts 10 ausgenutzt. In der Kontrolleinheit 20 ist hierzu ein Mustererkennungsalgorithmus implementiert, der in dem digitalen Röntgenbild R das Abbild des Instruments 2 erkennt und die Koordinaten u_PCS, v_PCS des dem Detektionspunkt D entsprechenden Bildpunktes p_PCS ermittelt. Aufgrund der Zweidimensionalität des Bildkoordinatensystems PCS kann jedoch auf diesem Wege nicht eindeutig auf die Instrumentenposition im Raum rückgeschlossen werden. Vielmehr kann – wie aus 2 erkennbar ist – anhand der Koordinaten u_PCS, v_PCS und der bekannten Orientierung der Bildachse 14 bezüglich des Raumkoordinatensystems RCS lediglich der Bildstrahl s_p ermittelt werden, auf dem der Detektionspunkt D liegt.
Um die mittels des Trackingsystems 3 und des Röntgengeräts 10 gewinnbare Information über die Instrumentenposition in Kombination nützen zu können, werden das Trackingkoordinatensystem TCS und das Bildkoordinatensystem PCS im Zuge einer sogenannten Registrierung aufeinander abgebildet. Es wird also in anderen Worten die relative Lage des Trackingkoordinatensystems TCS zu dem Bildkoordinatensystem PCS ermittelt. In der Kontrolleinheit 20 ist hierzu ein als Softwaremodul ausgeführtes Registrierungsmodul 26 implementiert. Zur Durchführung der Registrierung steuert die Kontrolleinheit 20 auch das Trackingsystem 3 über eine Datenleitung 27 an. Über diese Datenleitung 27 werden der Kontrolleinheit 3 außerdem Messwerte über die von dem Trackingsystem 3 erfasste Punkte p_TCS der Instrumentenposition im Trackingkoordinatensystem TCS zugeführt.
In Hinblick auf die Abbildung des Trackingkoordinatensystems TCS auf das Bildkoordinatensystem PCS ist im Rahmen des Registrierungsmoduls 26 eine Transformationsvorschrift in Form der Matrixgleichung p_PCS = M_p·T·p_TCS GLG 1 hinterlegt. Für eine vereinfachte mathematische Behandlung sind die Punkte p_PCS und p_TCS in GLG 1 in Form von sogenannten homogenen Koordinaten geschrieben, und in diesem Zusammenhang jeweils um eine (formale) Dimension erweitert: – P_PCS = (u_PCS, v_PCS)^T → p_PCS = (u_PCS, v_PCS, 1)^T – p_TCS = (z_TCS, y_TCS, z_TCS)^T → p_TCS = (z_TCS, y_TCS, z_TCS, 1)^T
Die sogenannte Transformationsmatrix T in GLG 1 bildet den Punkt p_TCS des Trackingkoordinatensystems TCS auf den Punkt p_RCS des Raumkoordinatensystems RCS ab: p_RCS = T·p_TCS GLG 2
Die Transformationsmatrix T hat die Dimension 4 × 4 und somit maximal 16 unbekannte Parameter, deren Werte im Zuge der Registrierung zu bestimmen sind. Die Transformationsmatrix T ermöglicht dabei insbesondere die Formulierung einer beliebigen affinen Abbildung der Trackingkoordinatensystems TCS auf das Raumkoordinatensystem RCS, nämlich eine Kombination von Drehungen, Translationen, Skalierungen und Scherungen.
Sofern das Trackingkoordinatensystem TCS bezüglich des Raumkoordinatensystems RCS nicht oder nur in vernachlässigbarem Umfang verzerrt ist, kann die durch die Transformationsmatrix T vermittelte Abbildung auf eine starre Abbildung mit drei Rotationsfreiheitsgraden und drei Translationsfreiheitsgraden reduziert werden. In diesem einfachen Fall hat die Translationsmatrix T nur 6 unabhängig voneinander zu bestimmende Parameter.
Die sogenannte Projektionsmatrix N bildet das Raumkoordinatensystem RCS auf das Bildkoordinaten PCS ab: p_PCS = M_p·p_RCS GLG 3
Die Projektionsmatrix N hat die Dimension 3 × 4. Die Projektionsmatrix M hat somit 12 Elemente, deren Werte durch die bekannte Orientierung der Bildachse 14 bezüglich des Raumkoordinatensystems RCS bestimmt sind.
Zur Durchführung der Registrierung hält ein nicht-dargestellter Benutzer das Instrument 2 in einen gemeinsamen Erfassungsbereich des Trackingsystems 3 und des Röntgengeräts 10 und startet hierauf den von dem Registrierungsmodul 26 durchgeführte Registrierungsalgorithmus.
Das Registrierungsmodul 26 veranlasst im Laufe dieses Algorithmus das Röntgengerät 10 mehrfach zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t_i (i = 1, 2, ..., n) zur Aufnahme jeweils eines Röntgenbildes R_i. Zu den selben Zeitpunkten t_i veranlasst das Registrierungsmodul 26 das Trackingsystem 3 jeweils zur Messung eines zugehörigen Punktes (p_TCS)_i der Instrumentenposition. Infolge der gemeinsamen Ansteuerung des Röntgengeräts 10 und des Trackingsystems 3 durch die Kontrolleinheit 20 erfolgt hierbei die Bildaufnahme bzw. Positionsbestimmung jeweils synchron. Zwischen den Zeitpunkten t_i wird das Instrument 2 jeweils durch den Benutzer bewegt. Bei einem handgehaltenen Instrument 2 erfolgt diese Bewegung automatisch infolge der Motorik des Benutzers und somit unbewusst. Sie kann sich aber auch durch die bestimmungsgemäße Verwendung des Instruments 2 während einer medizinischen Behandlung des Patienten 25 ergeben. Zusätzlich kann zwischen den Zeitpunkten t_i durch Verschwenkung des C-Bogens 11 auch die Orientierung der Bildachse 14 im Raum verändert werden. Aus den Röntgenbildern R_i ermittelt die Kontrolleinheit 20 jeweils den zugehörigen Bildpunkt (p_PCS)_i, auf den der Detektionspunkt D projiziert wird.
Sofern eine Verzerrung des Trackingkoordinatensystems TCS und sonstige Messfehler vernachlässigt werden können, genügt grundsätzlich bereits die Aufnahme der Instrumentenposition zu n = 3 Zeitpunkten t_i. Anhand der resultierenden drei Punktepaare (p_PCS)_i und (p_TCS)_i kann GLG 1 analytisch gelöst werden.
Zur Reduzierung des statistischen Messfehlers werden bevorzugt jedoch wesentlich mehr Messungen (n > 3) getätigt.
Anhand der so erhaltenen Punktepaare (p_TCs)_i und (p_PCS)_i zu je gleichen Zeitpunkten t_i löst das Registrierungsmodul 26 anschließend die GLG 1 in einem Iterationsverfahren unter Bestimmung der Parameter der Transformationsmatrix T näherungsweise. Dabei werden eine vorgegebene Anzahl von Freiheitsgraden der Transformationsmatrix T (z. B. 3 Drehrichtungen und 3 Translationsrichtungen) systematisch derart verändert, dass für alle aufgenommenen Punktepaare (p_TCS)_i und (p_PCS)_i die GLG 1 bestmöglichst erfüllt ist. Als Maß für die Erfüllung der GLG 1 kann insbesondere ein gemittelter quadratischer Fehler der GLG 1 minimiert werden.
Insbesondere bei impedanzbasierten Trackingsystemen treten häufig Messfehler auf, die zu einer ortsabhängig unterschiedlich starken Fehlbestimmung des Punktes p_TCS führen. Gegenüber dem Raumkoordinatensystem RCS erscheint das Trackingkoordinatensystem TCS hierdurch verzerrt, so dass die beiden Koordinatensysteme TCS und RCS nicht mehr befriedigend durch eine affine Abbildung in Deckung gebracht werden können. Bei stärkerer Verzerrung des Trackingkoordinatensystems TCS ist eine hinreichend exakte Lösung der GLG 1 daher oft nicht möglich.
In diesem Fall schaltet das Registrierungsmodul 26 in einen Entzerrungsmodus um, im Rahmen dessen das Registrierungsmodul 26 eine hinterlegte Transformationsvorschrift der Form Σ(M(T(p_TCS), s_p) + αS(T)) GLG 4 heranzieht. Darin bezeichnet T(p_TCS) eine Transformationsfunktion, die jeden Punkt p_TCS des Trackingkoordinatensystems TCS auf einen (prinzipiell beliebigen) zugehörigen Punkt p_RCS des Raumkoordinatensystems RCS abbildet: p_RCS = T(p_TCS) GLG 5
Die Funktion M(T(p_TCS), s_p) gibt den Abstand des über GLG 5 berechneten Punktes p_RCS zu dem bekannten Bildstrahl s_p wieder.
S ist ein Maß für die Stärke der Verzerrung des Trackingkoordinatensystems TCS. Mit anderen Worten ist S ein Maß für die Abweichung der Abbildungsfunktion T von einer starren, also nur durch Drehungen und Translationen bestimmten Abbildung. Bei dem Parameter α handelt es sich um einen empirisch bestimmbaren Wichtungsfaktor.
Zur Verwendung in GLG 4 geeignete Funktionen T und S sind z. B. aus B. Fischer, J. Modersitzki, „Intensity based image registration with a guaranteed one-to-one point match”, Methods of Information in Medicine, Stuttgart (Schattauer Verlag), 2004, 43: 327–330) bekannt.
Die Summe Σ in GLG 4 läuft über alle Punkte p_TCS des (für diese Zwecke geeignet quantisierten) Trackingkoordinatensystems TCS.
Das Registrierungsmodul 26 parametriert die Transformationsfunktion T durch Minimierung von GLG 4 unter Variierung der Transformationsfunktion T. Als Initialwert der Transformationsfunktion T für den Minimierungsprozess zieht das Registrierungsmodul 26 eine vorgegebene Grob-Registrierung heran. Als Grob-Registrierung verwendet das Registrierungsmodul 26 insbesondere die beste Lösung der GLG 1 heran, die vor dem Wechsel in den Entzerrungsmodus ermittelt werden konnte.

Claims

Verfahren zur Kalibrierung einer Instrumentenlokalisierungseinrichtung (3) mit einer Bildgebungsvorrichtung (10), – bei welchem die Instrumentenlokalisierungsvorrichtung (3) und die Bildgebungsvorrichtung (10) miteinander zeitlich synchronisiert werden, – bei welchem ein medizinisches Instrument (2) in einen gemeinsamen Erfassungsbereich der Instrumentenlokalisierungseinrichtung (3) und der Bildgebungsvorrichtung (10) gehalten wird und anschließend nach Maßgabe der Synchronisierung dreimal zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten jeweils synchron sowohl eine Positionsbestimmung mittels der Instrumentenlokalisierungsvorrichtung (3) als auch eine Bildaufnahme mittels der Bildgebungsvorrichtung (10) erfolgt und jeweils der zugehörige Punkt (p_TCS) zur Position des medizinischen Instruments (2) relativ zu einem Trackingkoordinatensystem (TCS) der Instrumentenlokalisierungsvorrichtung (3) gemessen und der zugehörige Bildpunkt (p_PCS) relativ zu einem Bildkoordinatensystem (PCS) der Bildgebungsvorrichtung (10) aus der Bildaufnahme ermittelt werden, wobei das Instrument (2) zwischen diesen Messungen bewegt wird, – bei welchem anhand der gemessenen Punkte (p_PCS)_i und der ermittelten Bildpunkte (p_PCS)_i eine Transformationsvorschrift zur Abbildung des Trackingkoordinatensystem (TCS) auf das Bildkoordinatensystem (PCS) parametriert wird, und wobei das der Bildgebungsvorrichtung (10) zugeordnete Bildkoordinatensystem (PCS) zweidimensional ist und eine im Raum senkrecht zu einer Bildachse (14) angeordnete Bildfläche (15) beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Transformationsvorschrift eine affine Abbildung in Kombination mit einer Projektion herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei zwischen den Messungen zusätzlich auch die Orientierung der Bildachse (14) im Raum geändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei im Rahmen der Messungen die Position mehrerer Instrumente und/oder mehrere definierte Detektionspunkte eines Instruments bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mittels der Bildgebungsvorrichtung (10) die Position eines Instruments zeitgleich in zwei Bildkoordinatensystemen mit zueinander gekippter Bildachse bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei als Transformationsvorschrift eine Matrixgleichung der Form p_PCS = M_p·T·p_TCS herangezogen wird, wobei – p_PCS einen einer Instrumentenposition zugehörigen Bildpunkt in Koordinaten (u_PCS, v_PCS) des Bildkoordinatensystems (PCS), – p_TCS einen dieser Instrumentenposition zugehörigen Punkt in Koordinaten (x_TCS, y_TCS, z_TCS) des Trackingkoordinatensystems (TCS), – T eine das Trackingkoordinatensystem (TCS) auf ein Raumkoordinatensystem (RCS) der Bildgebungsvorrichtung (10) abbildende Transformationsmatrix, und – M_p eine das Raumkoordinatensystem (RCS) in Abhängigkeit der Lage einer Bildachse (14) auf das Bildkoordinatensystem (PCS) abbildende Projektionsmatrix bezeichnen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Parameter der Transformationsmatrix (T) mithilfe eines Iterationsverfahrens näherungsweise ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Parameter der Transformationsmatrix (T) durch mathematisch analytische Lösung der Transformationsvorschrift für die gemessenen Instrumentenpositionen bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zur Entzerrung des Trackingkoordinatensystems (TCS) eine nicht-starre Transformationsvorschrift in einem Minimierungsverfahren parametriert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine Transformationsvorschrift der Form ΣM(T(p_TCS), s_P) + α·S(T) herangezogen wird, wobei – p_TCS einen einer Instrumentenposition zugehörigen Punkt in Koordinaten (x_TCS, y_TCS, z_TCS) des Trackingkoordinatensystems (TCS), – T(p_TCS) eine das Trackingkoordinatensystem (TCS) auf ein Raumkoordinatensystem (RCS) der Bildgebungsvorrichtung (10) abbildende Transformationsfunktion, und – s_p einen Bildstrahl, der einem der Instrumentenposition in Koordinaten des Bildkoordinatensystems (PCS) zugehörigen Bildpunkt p_PCS zugeordnet ist, – M ein den Abstand des aus der Transformationsfunktion T(p_TCS) berechneten Punktes vom Bildstrahl s_p angebendes Maß, – α einen Wichtungsfaktor, und – S ein Maß für die Stärke der Verzerrung der Transformationsfunktion T(p_TCS) bezeichnen.
Einrichtung (1) zur Lokalisierung und Visualisierung eines medizinischen Instruments (2), mit einer Instrumentenlokalisierungsvorrichtung (3), mit einer Bildgebungsvorrichtung (10) sowie mit einer diese Vorrichtungen (3, 10) ansteuernden Kontrolleinheit (20), wobei die Kontrolleinheit (20) ein Registrierungsmodul (26) umfasst, wobei das Registrierungsmodul (26) zur Ausführung eines Verfahrens zur Kalibrierung einer Instrumentenlokalisierungseinrichtung (3) mit einer Bildgebungsvorrichtung (10) ausgebildet ist, – bei welchem die Instrumentenlokalisierungsvorrichtung (3) und die Bildgebungsvorrichtung (10) miteinander zeitlich synchronisiert werden, – bei welchem ein medizinisches Instrument (2) in einen gemeinsamen Erfassungsbereich der Instrumentenlokalisierungseinrichtung (3) und der Bildgebungsvorrichtung (10) gehalten wird und anschließend nach Maßgabe der Synchronisierung dreimal zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten zwischen denen das Instrument (2) bewegt wird, jeweils synchron sowohl eine Positionsbestimmung mittels der Instrumentenlokalisierungsvorrichtung (3) als auch eine Bildaufnahme mittels der Bildgebungsvorrichtung (10) erfolgt und jeweils der zugehörige Punkt (p_TCS) zur Position des medizinischen Instruments (2) relativ zu einem Trackingkoordinatensystem (TCS) der Instrumentenlokalisierungsvorrichtung (3) gemessen und der zugehörige Bildpunkt (p_PCS) relativ zu einem Bildkoordinatensystem (PCS) der Bildgebungsvorrichtung (10) aus der Bildaufnahme ermittelt werden, – bei welchem anhand der gemessenen Punkte (p_TCS)_i und der ermittelten Bildpunkte (p_PCS)_i eine Transformationsvorschrift zur Abbildung des Trackingkoordinatensystem (TCS) auf das Bildkoordinatensystem (PCS) parametriert wird, und wobei das der Bildgebungsvorrichtung (10) zugeordnete Bildkoordinatensystem (PCS) zweidimensional ist und eine im Raum senkrecht zu einer Bildachse (14) angeordnete Bildfläche (15) beschreibt.