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DE10210287A1 - Verfahren und Vorrichtung zur markerlosen Registrierung für navigationsgeführte Eingriffe - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur markerlosen Registrierung für navigationsgeführte Eingriffe

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DE10210287A1
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ray
coordinate system
arm
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calibration phantom
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DE10210287A
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Matthias Mitschke
Dieter Ritter
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Siemens Corp
Original Assignee
Siemens Corp
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine markerlose Registrierung für navigationsgeführte Eingriffe mit einem Röntgengerät (1) und einem Positionserfassungssystem (10). Durch eine definierte Anordnung eines Tragarms (21, 31, 41) an einer Halterung (20, 30, 40) des Röntgengerätes (1) und eine definierte Anordnung eines Röntgenkalibrierphantoms (22, 32, 42) an dem Tragarm (21, 31, 41) ist die Koordinatentransformation zwischen einem der Halterung (20, 30, 40) zugeordneten Koordinatensystem (K¶H1¶, K¶H2¶, K¶H3¶) und einem dem Röntgenkalibrierphantom (22, 32, 42) zugeordneten Koordinatensystem (K¶R1¶, K¶R2¶, K¶R3¶) bekannt. Durch die Aufnahme und Auswertung von 2-D-Projektionen von dem Röntgenkalibrierphantom (22, 32, 42) mit dem Röntgengerät (1) kann eine Koordinatentransformation zwischem dem der Halterung (20, 30, 40) zugeordneten Koordinatensystem (K¶H1¶, K¶H2¶, K¶H3¶) und einem einem Messvolumen des Röntgengerätes (1) zugeordneten Koordinatensystem (K¶M¶) hergestellt werden. Durch Anordnung einer von dem Positionserfassungssystem (10) erfassbaren Vorrichtung an der Halterung (20, 30, 40) kann für die Navigation eine Koordinatentransformation zwischen dem dem Messvolumen zugeordneten Koordinatensystem (K¶M¶) und einem dem Positionserfassungssystem (10) zugeordneten Koordinatensystem (K¶P¶) ermittelt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft Verfahren zur markerlosen Registrierung für navigationsgeführte Eingriffe, bei denen eine Koordinatentransformation zwischen einem Koordinatensystem eines Positionserfassungssystems und einem Messvolumen eines Röntgengerätes ermittelt wird, welche zur Navigation verwendet wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Ausführung der Verfahren.
  • 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 in ein mit dem 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 zuzuführen.
  • 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 Marker angeordnet oder anatomische Marker, z. B. markante Knochenstrukturen, festgelegt. Die anatomischen oder künstlichen Marker müssen dabei in den mit dem Röntgengerät aufgenommenen Bildinformationen von dem Lebewesen deutlich sichtbar und an dem Lebewesen gut erreichbar sein. Die künstlichen Marker 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 Koordinatensystem der Bildinformation bzw. des rekonstruierten Volumens des Lebewesens verstanden wird. Die Marker müssen dabei in der Regel einzeln und in der richtigen Reihenfolge mit dem Instrument angefahren werden, um die Koordinatentransformation zwischen den beiden Koordinatensystemen ermitteln zu können. Bei sehr präzisen medizinischen Eingriffen werden die Marker auch rigide am Körper des Lebewesens befestigt. Als Beispiel seien die Anbringung eines stereotaktischen Rahmens am Kopf eines Patienten oder die Anbringung von Marker in Knochen oder an der Wirbelsäule eines Patienten genannt. Die Anbringung der Marker erfolgt teilweise in einer separaten Operation, da die Marker bereits vor einer präoperativen Bildgebung, welche häufig zur Navigation verwendet wird, angebracht werden müssen.
  • Die Anbringung und Registrierung der Marker ist demnach eine relativ unangenehme Prozedur für einen Patienten und zudem relativ zeitaufwendig für einen Operateur in der Vorbereitung eines navigationsgeführten Eingriffs.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Verfahren zur markerlosen Ermittlung der Transformationsvorschrift sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
  • Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 7 sowie durch eine Vorrichtung nach Anspruch 10. Erfindungsgemäß ist es, vorgesehen von dem Röntgenkalibrierphantom, welches an dem an der Halterung des Röntgengerätes befestigbaren Tragarm zur Ausrichtung relativ zu dem Röntgengerät in definierter Weise befestigbar ist, eine Serie von 2D-Projektionen aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen aufzunehmen. Aus den 2D-Projektionen kann dabei eine Koordinatentransformation zwischen einem dem Röntgenkalibrierphantom zugeordneten Koordinatensystem und einem einem Messvolumen des Röntgengerätes zugeordneten Koordinatensystem ermittelt werden. Da außerdem die Koordinatentransformation zwischen dem dem Röntgenkalibrierphantom zugeordneten Koordinatensystem und einem der Halterung zugeordneten Koordinatensystem aufgrund der definierten Anordnung des Tragarms an der Halterung und der definierten Anordnung des Röntgenkalibrierphantoms an dem Tragarm bekannt ist, kann die Koordinatentransformation zwischen dem der Halterung zugeordneten Koordinatensystem und dem dem Messvolumen des Röntgengerätes zugeordneten Koordinatensystem problemlos ermittelt werden. Wird schließlich nach der Ermittlung dieser Koordinatentransformation an der Halterung des Röntgengerätes beispielsweise eine mit Markern versehene Markerplatte in definierter Weise angeordnet, welche von einem Positionserfassungssystem erfasst werden kann, so können Koordinaten des dem Messvolumen des Röntgengerätes zugeordneten Koordinatensystems in Koordinaten eines dem Positionserfassungssystem zugeordneten Koordinatensystems und umgekehrt transformiert werden. Demnach können beispielsweise für medizinische Anwendungsfälle bezüglich des Koordinatensystems des Positionserfassungssystems erfasste Koordinaten eines medizinischen Instrumentes in Koordinaten des Koordinatensystems des Messvolumens transformiert werden, so dass Einblendungen von Abbildern des Instrumentes in mit dem Röntgengerät erzeugte Bilder von einem Objekt ohne Registrierung, d. h. ohne Verwendung von an einem Objekt anzubringenden Markern, möglich sind.
  • Nach einer Variante der Erfindung handelt es sich bei dem Röntgengerät um ein C-Bogen-Röntgengerät, dessen C-Bogen vorzugsweise isozentrisch verstellbar ist. Gemäß einer Variante der Erfindung weist das C-Bogen-Röntgengerät ein Lagerteil für den C-Bogen auf, in welchem der C-Bogen längs seines Umfanges verstellbar ist, wobei die Halterung an dem Lagerteil angeordnet ist. Wird der mit dem Röntgenkalibrierphantom versehene Tragarm an der an dem Lagerteil angeordneten Halterung befestigt, so kann dieser bei einer Verstellung des C-Bogens um seine Orbitalachse während der gesamten Aufnahme der Serie von 2D-Projektionen aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen an der Halterung verbleiben. Wenn allerdings gemäß einer anderen Variante der Erfindung die Halterung an einem Röntgenstrahlenempfänger des Röntgengerätes angeordnet ist, welcher sich während der Aufnahme der Serie von 2D-Projektionen relativ zu dem Röntgenkalibrierphantom bewegen soll, ist gemäß weiterer Varianten der Erfindung ein vorzugsweise auf dem Boden platzierbares einstellbares Stativ vorgesehen, an dem das Röntgenkalibrierphantom befestigt werden kann. Das Stativ ist vorzugsweise in fünf Freiheitsgraden einstellbar. Dabei ist es vorgesehen, nach der Anordnung des mit dem Röntgenkalibrierphantom versehenen Tragarms in einer definierten Position an dem Röntgenstrahlenempfänger das Röntgenkalibrierphantom ohne Veränderung seiner Lage auch auf dem Stativ anzuordnen und anschließend die Verbindung zwischen dem Röntgenkalibrierphantom und dem Tragarm zu lösen, so dass das Röntgenkalibrierphantom nur noch auf dem Stativ angeordnet ist. Zur Aufnahme der Serie von 2D-Projektionen wird der Tragarm schließlich von der Halterung des Röntgengerätes abgenommen und die Serie von 2D-Projektionen wird von dem nur noch auf dem Stativ angeordneten Röntgenkalibrierphantom aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen aufgenommen.
  • Nach einem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, mit dem Röntgengerät eine erste Serie von 2D-Projektionen von einem Röntgenkalibrierphantom aufzunehmen und daraus erste Projektionsmatrizen für das Röntgengerät zu ermitteln. Anschließend wird von demselben oder einem anderen Röntgenkalibrierphantom, welches an dem an der Halterung des Röntgengerätes befestigbaren Tragarm zur Ausrichtung relativ zu dem Röntgengerät in definierter Weise befestigt ist, wenigstens eine weitere 2D-Projektion in wenigstens einer definierten Stellung einer Tragevorrichtung für die Röntgenstrahlenguelle und einem Röntgenstrahlenempfänger aufgenommen, aus der eine zweite Projektionsmatrix ermittelt wird. Da die Koordinatentransformation zwischen dem der Halterung zugeordneten Koordinatensystem und dem dem Röntgenkalibrierphantom zugeordneten Koordinatensystem aufgrund der definierten Anordnung des Tragarms an der Halterung und der definierten Anordnung des Röntgenkalibrierphantoms an dem Tragarm bekannt ist, kann anhand einer ersten Projektionsmatrix, welche der definierten Stellung der Tragevorrichtung zugeordnet ist und im Zuge der Ermittlung der ersten Projektionsmatrix ermittelt wurde, und anhand der zweiten Projektionsmatrix, welche der definierten Stellung der Tragevorrichtung zugeordnet ist, die Koordinatentransformation zwischen dem der Halterung zugeordneten Koordinatensystem und einem einem Messvolumen des Röntgengerätes zugeordneten Koordinatensystem ermittelt werden. Wird schließlich, wie bereits zuvor erwähnt, nach der Ermittlung dieser Koordinatentransformation an der Halterung des Röntgengeräts beispielsweise eine von einem Positionserfassungssystem erfassbaren Markerplatte angeordnet, können, wie bereits zuvor erläutert, beispielsweise für medizinische Zwecke Abbilder von medizinischen Instrumenten in mit dem Röntgengerät erzeugte Bilder von einem Objekt ohne Registrierung eingeblendet werden.
  • Varianten der Erfindung sehen dabei vor, dass es sich bei dem Röntgengerät um ein C-Bogen-Röntgengerät handelt, dessen C- Bogen vorzugsweise isozentrisch verstellbar ist und dass die Halterung an der Röntgenstrahlenguelle des Röntgengerätes angeordnet ist.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
  • Fig. 1 ein C-Bogen-Röntgengerät mit einer an einem Lagerteil des C-Bogen-Röntgengeräts angeordneten Halterung, an der ein mit einem Röntgenkalibrierphantom versehener Tragarm befestigt ist,
  • Fig. 2 ein C-Bogen-Röntgengerät mit einer an einer Röntgenstahlempfangseinrichtung des C-Bogen-Röntgengerätes angeordneten Halterung, an der ein mit einem Röntgenkalibrierphantom versehener Tragarm angeordnet ist, und
  • Fig. 3 ein C-Bogen-Röntgengerät mit einer an einer Röntgenstrahlenquelle des C-Bogen-Röntgengerätes angeordneten Halterung, an der ein mit einem Röntgenkalibrierphantom versehener Tragarm befestigt ist.
  • Das in Fig. 1 gezeigte an sich bekannte C-Bogen-Röntgengerät 1 weist ein Lagerteil 2 auf, an dem ein mit einer Röntgenstrahlenquelle 3 und einem Röntgenstrahlenempfänger 4 versehener C-Bogen 5 gelagert ist. Der C-Bogen 5 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels um sein Isozentrum IZ und seine Orbitalachse 0 längs seines Umfanges isozentrisch verstellbar (vgl. Doppelpfeil a). Der C-Bogen 5 ist außerdem zusammen mit dem Lagerteil 2 um seine Angulationsachse A in die Richtungen des Doppelpfeils b isozentrisch verschwenkbar.
  • Mit dem C-Bogen-Röntgengerät 1 können 2D- und 3D-Bilder von Objekten, beispielsweise von Patienten, gewonnen und auf einer Anzeigevorrichtung 6 dargestellt werden. Die hierzu benötigten Einrichtungen, insbesondere ein Bildrechner, sind in an sich bekannter Weise ausgeführt und daher in der Fig. 1 nicht dargestellt und nicht explizit beschrieben.
  • Mit dem C-Bogen-Röntgengerät 1 sollen insbesondere für medizinische Anwendungsfälle navigationsgeführte Eingriffe an nicht dargestellten Patienten durchgeführt werden. Aus diesem Grund ist es erforderlich, eine Koordinatentransformation zwischen einem einem Messvolumen des C-Bogen-Röntgengerätes 1 zugeordneten Koordinatensystem KM, welches im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels seinen Ursprung im Isozentrum IZ des C-Bogen-Röntgengerätes 1 hat, und einem einem in Fig. 1 in schematischer Weise dargestellten Positionserfassungssystem 10 zugeordneten Koordinatensystem KP, in dem auch die Koordinaten eines relativ zu einem Patienten zu navigierenden Instrumentes 11 angegeben werden, zu ermitteln.
  • Zu diesem Zweck ist an dem Lagerteil 2 des C-Bogen-Röntgengerätes 1 eine Halterung 20 angeordnet, welcher ein Koordinatensystem KH1 zugeordnet ist. An der Halterung 20 ist ein von der Halterung 20 abnehmbarer Tragarm 21 befestigt. An dem Tragarm 21 ist ein Röntgenkalibrierphantom 22 befestigt, wobei dem Röntgenkalibrierphantom 22 ein Koordinatensystem KR1 zugeordnet ist. Der Tragarm 21 ist derart definiert an der Halterung 20 angeordnet und das Röntgenkalibrierphantom 22 ist derart definiert an dem Tragarm 21 angeordnet, dass aufgrund der bekannten Abmessungen des Tragarms 21 die Koordinatentransformation zwischen dem der Halterung 20 zugeordneten Koordinatensystem KH1 und dem dem Röntgenkalibrierphantom 22 zugeordneten Koordinatensystem KR1 bekannt ist.
  • Zur Ermittlung der Koordinatentransformation, zwischen dem dem Röntgenkalibrierphantom 22 zugeordneten Koordinatensystem KR1 und dem dem Messvolumen des C-Bogen-Röntgengerätes 1 zugeordneten Koordinatensystem KM wird eine Serie von 2D-Projektionen von dem Röntgenkalibrierphantom 22 unter Verstellung des C-Bogens 5 um seine Orbitalachs O aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen aufgenommen. Das Röntgenkalibrierphantom 22 ist dabei derart an dem Tragarm 21 angeordnet, dass es von einem von der Röntgenstrahlenquelle 3 zu dem Röntgenstrahlenempfänger 4 verlaufenden Röntgenstrahlenbündel durchdrungen wird. Aus der aufgenommenen Serie von 2D-Projektionen von dem Röntgenkalibrierphantom 22 kann schließlich die Koordinatentransformation zwischen dem dem Röntgenkalibrierphantom 22 zugeordneten Koordinatensystem KR1 und dem dem Messvolumen des C-Bogen-Röntgengerätes 1 zugeordneten Koordinatensystem KM ermittelt werden. Das Röntgenkalibrierphantom 22 weist hierzu im Übrigen in an sich bekannter Weise röntgenpositive Marken auf, welche in den 2D-Projektionien abgebildet sind. Die Lage der röntgenpositiven Marken in dem dem Röntgenkalibrierphantom 22 zugeordneten Koordinatensystem KR1 ist dabei bekannt.
  • Da also die Koordinatentransformation zwischen dem der Halterung 20 zugeordneten Koordinatensystem KH1 und dem dem Röntgenkalibrierphantom 22 zugeordneten Koordinatensystem KR1 sowie die Koordinatentransformation zwischen dem dem Röntgenkalibrierphantom 22 zugeordneten Koordinatensystem KR1 und dem dem Messvolumen des C-Bogen-Röntgengerätes 1 zugeordneten Koordinatensystem KM bekannt ist, ist auch in einfacher Weise die Koordinatentransformation zwischen dem der Halterung 20 zugeordneten Koordinatensystem KH1 und dem dem Messvolumen zugeordneten Koordinatensystem KM ermittelbar, welche beispielsweise in einem in der Fig. 1 nicht dargestellten Speicher des C-Bogen-Röntgengerätes 1 gespeichert wird.
  • Soll das C-Bogen-Röntgengerät 1 schließlich für navigationsgeführte Eingriffe an einem Patienten eingesetzt werden, wird der mit dem Röntgenkalibrierphantom 22 versehene Tragarm 21 von der Halterung 20 abgenommen und eine in der Fig. 1 nicht dargestellte aber an sich bekannte, mit Markern versehene Markerplatte derart definiert an der Halterung 20 des C-Bogen-Röntgengerätes 1 angeordnet, dass im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles das der Halterung zugeordnete Koordinatensystem KH1 auch der Markerplatte zugeordnet ist.
  • Aus mit Kameras 12, 13 des Positionserfassungssystems 10 aufgenommenen Kamerabildern, in denen die Markerplatte abgebildet ist, kann schließlich die Koordinatentransformation zwischen dem der Markerplatte 20 zugeordneten Koordinatensystem KH1 und dem dem Positionserfassungssystem zugeordneten Koordinatensystem KP ermittelt werden, so dass insgesamt die Koordinatentransformation zwischen dem dem Messvolumen des C- Bogen-Röntgengerätes 1 zugeordneten Koordinatensystem KM und dem dem Positionserfassungssystem zugeordneten Koordinatensystem KP, beispielsweise mit einem dem Positionserfassungssystem 10 zugeordneten, in der Fig. 1 nicht dargestellten Rechner oder mit einem in der Fig. 1 ebenfalls nicht dargestellten Bildrechner des C-Bogen-Röntgengerätes 1 ermittelt werden kann. Werden schließlich im Zuge eines navigationsgeführten Eingriffs von dem ebenfalls mit einer Marker aufweisenden Markerplatte 14 versehenen Instrument 11 Kamerabilder aufgenommen, so können anhand der Kamerabilder die Positionen des Instrumentes 11 bezüglich des dem Positionserfassungssystem 10 zugeordneten Koordinatensystems KP ermittelt und diese anhand der ermittelten Koordinatentransformation zwischen dem dem Positionserfassungssystem 10 zugeordneten Koordinatensystem KP und dem dem Messvolumen zugeordneten Koordinatensystem KM in Koordinaten des Koordinatensystems KM des Messvolumens transformiert werden. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, bei entsprechender Führung des Instrumentes 11 relativ zu einem Patienten Abbilder des Instrumentes 11 in mit dem C- Bogen-Röntgengerät 1 aufgenommene Röntgenbilder des Patienten einzublenden.
  • In Fig. 2 ist eine zweite Möglichkeit veranschaulicht, eine Koordinatentransformation zwischen einem einem Messvolumen eines C-Bogen-Röntgengerätes zugeordneten Koordinatensystem und einem einer Halterung des C-Bogen-Röntgengerätes zugeordneten Koordinatensystems ohne markerbehaftete Registrierung zu ermitteln. Das in Fig. 2 dargestellte C-Bogen-Röntgengerät entspricht dabei im Wesentlichen dem in Fig. 1 dargestellten C-Bogen-Röntgengerät, so dass die Komponenten des C-Bogen- Röntgengerätes mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Im Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten C-Bogen-Röntgengerät 1 weist das in Fig. 2 dargestellte C-Bogen-Röntgengerät 1 eine an dem Röntgenstrahlenempfänger 4 angeordnete Halterung 30 auf. Der Halterung 30 ist ein Koordinatensystem KHa zugeordnet. An der Halterung 30 ist in definierter Weise ein Tragarm 31 angeordnet, an dem wiederum ein Röntgenkalibrierphantom 32 in definierter Weise angeordnet ist. Das Röntgenkalibrierphantom 32 weist wie das Röntgenkalibrierphantom 22 in nicht dargestellter Weise röntgenpositive Marken auf, deren Lage relativ zu einem dem Röntgenkalibrierphantom 32 zugeordneten Koordinatensystem KR2 bekannt ist. Aufgrund der definierten Anordnung des Tragarmes 31 an der Halterung 30 sowie des Röntgenkalibrierphantoms 32 an dem Tragarm 31 sowie den bekannten Abmessungen des Tragarms 31 ist die Koordinatentransformation zwischen dem der Halterung 30 zugeordneten Koordinatensystem KH2 und dem dem Röntgenkalibrierphantom 32 zugeordneten Koordinatensystem KR2 bekannt.
  • Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, ist das Röntgenkalibrierphantom 32 neben der Anordnung an dem Tragarm 31 zusätzlich an einem auf dem Boden stehenden Stativ 33 angeordnet. Die Anordnung des Röntgenkalibrierphantoms 33 an dem Stativ 33 erfolgt dabei erst nach der Befestigung des mit dem Röntgenkalibrierphantom 32 versehenen Tragarms 31 an der Halterung 30. Das Stativ 33 ist hierzu im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles in nicht näher dargestellter Weise höhenverstellbar und um Kugelgelenke 34, 35 verstellbar ausgeführt. Zur Aufnahme von 2D-Projektionen aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen von dem Röntgenkalibrierphantom 32 wird der Tragarm 31 von dem Röntgenkalibrierphantom 32 und der Halterung 30 gelöst, wobei sich die Lage des Röntgenkalibrierphantoms 32 gegenüber der Halterung 30 bzw. dem C-Bogen- Röntgengerät 1 nicht ändert, so dass die aufgrund der definierten Anordnung des Röntgenkalibrierphantoms 32 an dem Tragarm 31 und des Tragarms 31 an der Halterung 30 bekannte Transformationsvorschrift zwischen dem der Halterung 30 zugeordneten Koordinatensystem KH2 und dem dem Röntgenkalibrierphantom 32 zugeordneten Koordinatensystem KR2 weiterhin Gültigkeit hat.
  • Zur Ermittlung der Koordinatentransformation zwischen dem dem Röntgenkalibrierphantom 32 zugeordneten Koordinatensystem KR2 und dem dem Messvolumen des C-Bogen-Röntgengerätes 1 zugeordneten Koordinatensystem KM wird nach der Entfernung des Tragarms 31 eine Serie von 2D-Projektionen von dem Röntgenkalibrierphantom 32 unter Verstellung des C-Bogens 5 um seine Orbitalachse O aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen aufgenommen. Aus der aufgenommenen Serie von 2D-Projektionen von dem Röntgenkalibrierphantom 32 wird dann die Koordinatentransformation zwischen dem dem Röntgenkalibrierphantom 32 zugeordneten Koordinatensystem KR2 und dem dem Messvolumen des C-Bogen-Röntgengerätes 1 zugeordneten Koordinatensystem KM ermittelt.
  • Da also wiederum die Koordinatentransformation zwischen dem der Halterung 30 zugeordneten Koordinatensystem KH2 und dem dem Röntgenkalibrierphantom 32 zugeordneten Koordinatensystem KR2 sowie die Koordinatentransformation zwischen dem dem Röntgenkalibrierphantom 32 zugeordneten Koordinatensystem KR2 und dem dem Messvolumen des C-Bogen-Röntgengerätes 1 zugeordneten Koordinatensystem KM bekannt ist, ist auch in einfacher Weise die Koordinatentransformation zwischen dem der Halterung 30 zugeordneten Koordinatensystem KH2 und dem dem Messvolumen zugeordneten Koordinatensystem KM ermittelbar, welche wiederum beispielsweise in einem in der Fig. 2 nicht dargestellten Speicher des C-Bogen-Röntgengerätes 1 gespeichert werden kann.
  • Wird schließlich an die Halterung 30, wie im Falle des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels, eine von dem Positionserfassungssystem 10 erfassbare Markerplatte derart definiert an der Halterung 30 angeordnet, dass das der Halterung 30 zugeordnete Koordinatensystem KH2 auch der Markerplatte zugeordnet werden kann, kann eine Transformationsvorschrift zwischen dem dem Messvolumen zugeordneten Koordinatensystem KM und einem einem Positionserfassungssystem zugeordneten Koordinatensystem ermittelt werden, wodurch die Voraussetzungen geschaffen sind, Abbilder eines Instrumentes in mit dem C-Bogen-Röntgengerät 1 aufgenommene Röntgenbilder, beispielsweise von einem Patienten, einzublenden.
  • In Fig. 3 ist eine dritte Möglichkeit veranschaulicht, eine Koordinatentransformation zwischen einem einer Halterung des C-Bogen-Röntgengerätes zugeordneten Koordinatensystem und einem dem Messvolumen des C-Bogen-Röntgengerätes zugeordneten Koordinatensystem zu ermitteln. Das in Fig. 3 dargestellte C- Bogen-Röntgengerät entspricht dabei wiederum dem in Fig. 1 bzw. dem in Fig. 2 dargestellten C-Bogen-Röntgengerät, so dass die Komponenten des in Fig. 3 gezeigten C-Hogen-Röntgengerätes mit denselben Bezugszeichen versehen sind, wie die Komponenten des in den Fig. 1 und 2 dargestellten C-Bogen- Röntgengerätes 1. Das in Fig. 3 gezeigte C-Bogen-Röntgengerät 1 unterscheidet sich von den in den Fig. 1 und 2 dargestellten C-Bogen-Röntgengeräten 1 jedoch dahingehend, dass an der Röntgenstrahlenquelle 3 eine Halterung 40 angeordnet ist, der ein Koordinatensystem KH3 zugeordnet ist. An der Halterung 40 ist ein Tragarm 41 in definierter Weise angeordnet und an dem Tragarm 41 ist ein Röntgenkalibrierphantom 42 in definierter Weise angeordnet. Das Röntgenkalibrierphantom 42 weist wie die Röntgenkalibrierphantome 22 und 32 röntgenpositive Marken auf, deren Lage relativ zu einem dem Röntgenkalibrierphantom 42 zugeordneten Koordinatensystem KR3 bekannt ist. Aufgrund der definierten Anordnung des Tragarms 41 an der Halterung 40 und des Röntgenkalibrierphantoms 42 an dem Tragarm 41 sowie der bekannten Abmessungen des Tragarms 41 ist die Koordinatentransformation zwischen dem der Halterung zugeordneten Koordinatensystem KH3 und dem dem Röntgenkalibrierphantom 42 zugeordneten Koordinatensystem KR3 bekannt.
  • Zur Ermittlung der Koordinatentransformation zwischen dem der Halterung zugeordneten Koordinatensystem KH3 und dem dem Messvolumen zugeordneten Koordinatensystem KM wird zunächst, bevor der mit dem Röntgenkalibrierphantom 42 versehene Tragarm 41 an der Halterung 40 angeordnet wird, das Röntgenkalibrierphantom 42 oder ein anderes Röntgenkalibrierphantom unabhängig von dem Tragarm 41, beispielsweise auf irgendeiner Unterlage, derart relativ zu dem C-Bogen-Röntgengerät 1 angeordnet, dass ein von der Röntgenstrahlenquelle 3 ausgehendes Röntgenstrahlenbündel das Röntgenkalibrierphantom durchdringen kann. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird das Röntgenkalibrierphantom 42 verwendet. Von dem Röntgenkalibrierphantom 42 wird eine erste Serie von 2D-Projektionen aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen durch Verstellung des C-Bogens 5 beispielsweise längs seines Umfanges um die Orbitalachse O aufgenommen, aus denen erste Projektionsmatrizen für das C-Bogen-Röntgengerät 1 ermittelt und in einem Speicher des C-Bogen-Röntgengerätes 1 abgelegt werden. Anschließend wird der mit dem Röntgenkalibrierphantom 42 versehene Tragarm 41 an der Halterung 40, wie in Fig. 3 dargestellt, angeordnet. Von dem derart relativ zu der Röntgenstrahlenquelle 3 angeordneten Röntgenkalibrierphantom 42 wird nun in einerbeliebig wählbaren, aber definierten Stellung des C-Bogens 5, wobei es sich um eine Stellung des C-Bogens 5 handeln muss, welcher dieser bei der Aufnahme einer 2D-Projektion der ersten Serie von 2D-Projektionen eingenommen hat, eine 2D-Projektion von dem Röntgenkalibrierphantom 42 gewonnen, aus der eine zweite zu dieser Stellung des C-Bogens 5 gehörigen Projektionsmatrix ermittelt wird. Basierend auf der bekannten Koordinatentransformation zwischen dem der Halterung 40 zugeordneten Koordinatensystem KH3 und dem dem Röntgenkalibrierphantom 42 zugeordneten Koordinatensystem KR3 sowie basierend auf einer ersten Projektionsmatrix, welche der definierten Stellung des C-Bogens 5 zugeordnet ist und im Zuge der Ermittlung der ersten Projektionsmatrizen ermittelt wurde, und der zweiten Projektionsmatrix, welche der definierten Stellung des C-Bogens 5 zugeordnet ist, kann schließlich die Koordinatentransformation zwischen dem der Halterung 40 zugeordneten Koordinatensystem KH3 und dem dem Messvolumen des C-Bogen-Röntgengerätes 1 zugeordneten Koordinatensystem KM berechnet werden. Die Berechnung erfolgt dabei anhand der folgenden Gleichung

    P1 = P2.T(KH3; KR3).T(KH3; KM), wobei

    P1 die erste Projektionsmatrix, welche der definierten Stellung des C-Bogens 5 zugeordnet ist, P2 die zweite Projektionsmatrix, welche der definierten Stellung des C-Bogens 5 zugeordnet ist, und T(KH3; KR3) die bekannte Transformationsvorschrift zwischen den Koordinatensystemen KH3 und KR3 ist. T(KH3; KM) ist die gesuchte Transformationsvorschrift zwischen den Koordinatensystemen KH3 und KM.
  • Durch eine Zerlegung der Projektionsmatrix P1 in einen extrinsischen und einen intrinsischen Teil sowie durch eine Zerlegung der Projektionsmatrix, welche aus der Matrixmultiplikation der Projektionsmatrix P2 mit der Transformationsvorschrift T(KH3; KR3) hervorgeht, in einen intrinsischen und extrinsischen Teil kann die Transformationsvorschrift T(KH3; KM) aus einem rotatorischen und einem translatorischen Teil, welche aus den extrinsischen Teilen der Zerlegungen der Projektionsmatrizen gebildet werden, zusammengesetzt werden. Demnach kann auch auf diese Weise die Transformationsvorschrift zwischen dem der Halterung 40 zugeordneten Koordinatensystem KH3 und dem dem Messvolumen zugeordneten Koordinatensystem KM ermittelt werden, so dass die Voraussetzungen geschaffen sind, unter Zuhilfenahme eines Positionserfassungssystems, beispielsweise des Positionserfassungssystem 10 aus Fig. 1, Abbilder eines Instrumentes in mit dem C-Bogen- Röntgengerät 1 aufgenommene Röntgenbilder, beispielsweise eines Patienten, einblenden zu können.
  • Im Falle des in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispieles können im Übrigen in mehreren definierten Stellungen des C-Bogens 5 zweite Projektionsmatrizen anhand von in diesen Stellung gewonnenen 2D-Projektionen von dem Röntgenkalibrierphantom 42gewonnen werden, um die Transformationsvorschrift zwischen dem der Halterung 40 zugeordneten Koordinatensystem KH3 und dem dem Messvolumen zugeordneten Koordinatensystem KM zu ermitteln. Dabei muss jedoch beachtet werden, dass durch das Gewicht des Tragarms 41 und des Röntgenkalibrierphantoms 42 möglicherweise die zweiten Projektionsgeometrien des C-Bogen- Röntgengerätes 1 verändert werden können. Dies würde dann eine zusätzliche Kalibrierung des C-Bogen-Röntgengerätes 1 mit dem Tragarm 41 und dem daran angeordneten Röntgenkalibrierphantom 42 erfordern.
  • Im Falle der vorliegenden Ausführungsbeispiele wurde der C- Bogen 5 um seine Orbitalachse O verstellt, um 2D-Projektionen von den Röntgenkalibrierphantomen aufzunehmen. Der C-Bogen 5 kann zur Aufnahme von 2D-Projektionen jedoch auch um seine Angulationsachse A verstellt werden.
  • Des Weiteren muss es sich bei dem Röntgengerät nicht notwendigerweise um ein C-Bogen-Röntgengerät handeln.
  • Darüber hinaus sind die Anordnungen der Halterungen, wie sie in den Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, nur exemplarisch zu verstehen. Beispielsweise kann im Falle des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels die Halterung 20 auch an einer während der Aufnahme der 2D-Projektionen nicht bewegten Komponente des C-Bogen-Röntgengerätes 1 angeordnet sein. Des Weiteren kann im Falle des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiels die Halterung 30 auch an der Röntgenstrahlenquelle 3 oder dem C-Bogen 5 angeordnet sein. Ebenso verhält es sich im Falle des in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispieles.

Claims (11)

1. Verfahren für eine markerlose Registrierung für navigationsgeführte Eingriffe unter Verwendung eines Röntgengerätes (1), einer an dem Röntgengerät (1) angeordneten Halterung (20, 30), eines an der Halterung (20, 30) befestigbaren Tragarms (21, 31) und eines Röntgenkalibrierphantoms (22, 32) aufweisend folgende Verfahrenschritte:
- Befestigung des Tragarms (21, 31) an der Halterung (20, 30) des Röntgengerätes (1),
- Befestigung des Röntgenkalibrierphantoms (22, 32) an einer definierten Stelle des Tragarms (21, 31) derart, dass es von einem von einer Röntgenstrahlenquelle (3) des Röntgengerätes (1) ausgehenden Röntgenstrahlenbündel durchdrungen wird,
- Aufnahme von 2D-Projektionen von dem Röntgenkalibrierphantom (22, 32) aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen, und
- Ermittlung der Koordinatentransformation zwischen einem der Halterung (20, 30) zugeordneten Koordinatensystem (KH1, KH2) und einem einem Messvolumen des Röntgengerätes (1) zugeordneten Koordinatensystem (KM) anhand der bekannten Koordinatentransformation zwischen dem der Halterung (20, 30) zugeordneten Koordinatensystem (KH1, KH2) und dem dem an der definierten Stelle des Tragarms (21, 31) befestigbaren Röntgenkalibrierphantom (22, 33) zugeordneten Koordinatensystem (KR1, KR2) und anhand der 2D-Projektionen, aus denen eine Koordinatentransformation zwischen dem dem Messvolumen des Röntgengerätes (1) zugeordneten Koordinatensystem (KM) und dem dem Röntgenkalibrierphantom (22, 32) zugeordneten Koordinatensystem (KR1, KR2) ermittelbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Röntgengerät ein C- Bogen-Röntgengerät (1) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das C-Bogen-Röntgengerät (1) ein Lagerteil (2) für den C-Bogen (5) aufweist, in welchem der C-Bogen (5) längs seines Umfanges verstellbar ist, wobei die Halterung (20) an dem Lagerteil (2) angeordnet ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Röntgengerät (1) einen Röntgenstrahlenempfänger (4) aufweist, wobei die Halterung (30) an dem Röntgenstrahlenempfänger (4) angeordnet ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem für die Positionierung des Röntgenkalibrierphantoms (32) zusätzlich zu dem Tragarm (31) ein einstellbares Stativ (33) vorgesehen ist, an dem das Röntgenkalibrierphantom (32) befestigt werden kann.
6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Röntgenkalibrierphantom (32) während der Aufnahme der 2D-Projektionen nur auf dem Stativ (33) angeordnet ist.
7. Verfahren für eine markerlose Registrierung für navigationsgeführte Eingriffe unter Verwendung eines Röntgengerätes (1), einer an dem Röntgengerät (1) angeordneten Halterung (40), eines an der Halterung (40) befestigbaren Tragarms (41) und eines Röntgenkalibrierphantoms (42) aufweisend folgende Verfahrenschritte:
- Anordnung des Röntgenkalibrierphantoms (42) derart relativ zu dem Röntgengerät (1), dass es von einem von einer Röntgenstrahlenquelle (3) des Röntgengerätes (1) ausgehenden Röntgenstrahlenbündel durchdrungen wird,
- Aufnahme einer ersten Serie von 2D-Projektionen von dem Röntgenkalibrierphantom (42) mit dem Röntgengerät (1) aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen,
- Ermittlung erster Projektionsmatrizen für das Röntgengerät (1) anhand der ersten Serie von 2D-Projektionen,
- Befestigung des Tragarms (41) an der Halterung (40) des Röntgengerätes (1),
- Befestigung eines Röntgenkalibrierphantoms (42) an einer definierten Stelle des Tragarms (41) derart, dass es von einem von der Röntgenstrahlenquelle (3) des Röntgengerätes (1) ausgehenden Röntgenstrahlenbündel durchdrungen wird,
- Aufnahme wenigstens einer weiteren 2D-Projektion von dem Röntgenkalibrierphantom (42) in wenigstens einer definierten Stellung einer Tragevorrichtung (5) für die Röntgenstrahlenquelle (3) und einen Röntgenstrahlenempfänger (4) des Röntgengerätes (1),
- Ermittlung einer zweiten zu dieser definierten Stellung der Tragevorrichtung (5) gehörigen Projektionsmatrix anhand der 2D-Projektion, und
- Ermittlung der Koordinatentransformation zwischen einem der Halterung (40) zugeordneten Koordinatensystem (KH3) und einem einem Messvolumen des Röntgengerätes (1) zugeordneten Koordinatensystem (KM) anhand der bekannten Koordinatentransformation zwischen dem der Halterung (40) zugeordneten Koordinatensystem (KH3) und dem dem an der definierten Stelle des Tragarms (41) angeordneten Röntgenkalibrierphantom (42) zugeordneten Koordinatensystem (KR3) sowie anhand einer ersten Projektionsmatrix, welche der definierten Stellung der Tragevorrichtung (5) zugeordnet ist und im Zuge der Ermittlung der ersten Projektionsmatrizen ermittelt wurde, und anhand der zweiten Projektionsmatrix, welche der definierten Stellung der Tragevorrichtung (5) zugeordnet ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Röntgengerät ein C- Bogen-Röntgengerätes (1) ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die Halterung (40) an der Röntgenstrahlenquelle (3) des Röntgengerätes (1) angeordnet ist.
10. Vorrichtung für eine markerlose Registrierung für navigationsgeführte Eingriffe aufweisend ein Röntgengerät (1), eine Halterung (20, 30, 40), welche an dem Röntgengerät (1) angeordnet werden kann, einen an der Halterung (20, 30, 40) befestigbaren Tragarm (21, 31, 41) und ein Röntgenkalibrierphantom (22, 32, 42), welches an dem Tragarm (21, 31, 41) an einer definierten Stelle derart befestigt werden kann, dass es von einem von einer Röntgenstrahlenquelle (3) des Röntgengerätes (1) ausgehenden Röntgenstrahlenbündel durchdrungen wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei dem das Röntgengerät ein C-Bogen-Röntgengerät (1) ist.
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