DE102010007653A1 - Method for image assistance of medical intervention during treatment of patient, involves computing projection parameter valid for receiving position by look-up table determined in preceding calibration process - Google Patents

Method for image assistance of medical intervention during treatment of patient, involves computing projection parameter valid for receiving position by look-up table determined in preceding calibration process Download PDF

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Abstract

The method involves mechanically coupling a reference body (42) i.e. bone screw, with a reference instrument (40) i.e. screw driver, during recording a two-dimensional (2D) calibration image. A set of 2D-X-ray images in receiving positions is captured according to a 2D-calibration image. Positions of an X-ray source (20) and an X-ray receiver (22) in the receiving position are detected relative to positions of the source and the receiver in an initial position. A projection parameter valid for the receiving position is computed by a look-up table determined in a preceding calibration process. An independent claim is also included for a device for image assistance of medical intervention using a medical instrument.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bildunterstützung eines mit einem medizinischen Instrument durchgeführten medizinischen Eingriffes.The invention relates to a method and a device for image support of a medical intervention performed with a medical instrument.

Bei der Durchführung eines medizinischen Eingriffes an einem Lebewesen ist es bekannt, den Operateur bei der Führung des medizinischen Instruments durch eine optische Bildinformation zu unterstützen. Hierzu wird ein virtuelles Bild des Instruments in ein beispielsweise mit einem Röntgengerät gewonnenes 2D- oder 3D-Bild des Behandlungsgebietes des Lebewesens positionsrichtig eingeblendet.When performing a medical procedure on a living being, it is known to assist the surgeon in guiding the medical instrument by means of optical image information. For this purpose, a virtual image of the instrument is displayed in the correct position in a 2D or 3D image of the treatment area of the living being obtained, for example, with an X-ray machine.

Um die Durchführung einer solchen auch als Fluoronavigation bezeichneten intraoperativen Navigation zu ermöglichen, kann beispielsweise vom Behandlungsgebiet während des operativen Eingriffes kontinuierlich ein 2D-Röntgenbild erstellt werden, so dass das Instrument gemeinsam mit dem Behandlungsgebiet durch die Röntgenstrahlung abgebildet wird. Dies ist jedoch aufgrund der mit einer solch dauernden Röntgenbestrahlung sowohl für den Behandelten als auch für den Behandelnden einhergehenden Strahlenbelastung nachteilig. Zur Vermeidung einer solch hohen Strahlenbelastung ist es deshalb bekannt, die Röntgenbilderzeugung und den operativen Eingriff zeitlich zu entkoppeln und das chirurgische Instrument nach erfolgter Röntgenbilderzeugung kameraunterstützt zu navigieren, indem ein Bild des Instrumentes in Echtzeit in ein vorhandenes, d. h. vorher aufgenommenes Röntgenbild positionsrichtig eingeblendet wird. Hierzu ist es erforderlich, sowohl die Position des Instrumentes in einem Bezugssystem als auch die Position dieses Bezugssystems relativ zu den Bildkoordinaten des Röntgenbildes zu bestimmen.In order to enable such intraoperative navigation, also referred to as fluoronavigation, to be carried out, a 2D X-ray image may for example be continuously generated by the treatment area during the surgical procedure so that the instrument is imaged by the X-radiation together with the treatment area. However, this is disadvantageous due to the radiation exposure associated with such continuous X-irradiation for both the subject and the practitioner. To avoid such a high radiation exposure, it is therefore known to temporally decouple the X-ray imaging and the surgical procedure and to navigate the surgical instrument after the X-ray imaging camera assisted by an image of the instrument in real time in an existing, d. H. previously recorded X-ray image is displayed in the correct position. For this purpose, it is necessary to determine both the position of the instrument in a frame of reference and the position of this frame of reference relative to the image coordinates of the x-ray image.

Bei dem zur intraoperativen Navigation in der Regel verwendeten Röntgengerät handelt es sich in vielen Fällen um ein sogenanntes C-Bogen-Röntgengerät, bei dem Röntgenquelle und Röntgenempfänger einander gegenüberliegend an einem um zwei zueinander senkrechte Achsen schwenkbaren C-Bogen gelagert sind, um auf diese Weise Röntgenbilder aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen erzeugen zu können.In many cases, the X-ray apparatus used for intraoperative navigation is a so-called C-arm X-ray apparatus, in which the X-ray source and the X-ray receiver are mounted opposite one another on a C-arm pivotable about two mutually perpendicular axes in order to achieve this To be able to generate X-ray images from different projection directions.

Um ein positionsgenaues Einblenden eines Instrumentes in ein 2D-Röntgenbild oder ein aus 2D-Röntgenbildern berechnetes 3D-Bild zu ermöglichen, muss einerseits dessen räumliche Lage in einem auf den Patienten bezogenen Bezugssystem bekannt und andererseits die räumliche Lage des zu dem oder den 2D-Röntgenbildern jeweils gehörenden Projektionskegels in diesem Bezugssystem bekannt sein. Als Projektionskegel wird dabei der vom Ursprung der Röntgenstrahlung, beispielsweise der Fokus einer Röntgenröhre, ausgehende Strahlenkegel, innerhalb dem sich die auf die Empfangsfläche des Röntgenempfängers auftreffenden Röntgenstrahlen ausbreiten, bezeichnet. Idealerweise ist die Lage dieses Projektionskegels bereits dann bekannt, wenn die räumliche Lage der Bildebene, d. h. die Eintrittsfläche des Röntgenempfängers festliegt, so dass es ausreichen müsste, die Position des Röntgenempfängers in dem Bezugssystem zu bestimmen, in dem auch die Position des Instrumentes erfasst wird. In der Praxis hat sich aber herausgestellt, dass allein das Bestimmen der Position des Röntgenempfängers nicht ausreicht, um den Projektionskegel sicher festlegen zu können, da dieser aufgrund der unvermeidbaren und von der Lage der Röntgenstrahlachse abhängigen Durchbiegung des C-Bogens nicht immer dieselbe Relativposition zum Röntgenempfänger aufweist.In order to enable a precise insertion of an instrument into a 2D X-ray image or a 3D image calculated from 2D X-ray images, it is necessary to know its spatial position in a reference system related to the patient and the spatial position of the 2D X-ray images respectively belonging projection cone be known in this frame of reference. In this case, the cone of rays emanating from the origin of the X-radiation, for example the focus of an X-ray tube, within which the X-rays impinging on the receiving surface of the X-ray receiver propagate is referred to as the projection cone. Ideally, the position of this projection cone is already known when the spatial position of the image plane, i. H. the entry surface of the X-ray receiver is fixed, so that it should be sufficient to determine the position of the X-ray receiver in the reference system, in which the position of the instrument is detected. In practice, however, it has turned out that merely the determination of the position of the X-ray receiver is not sufficient to reliably fix the projection cone, since this is not always the same relative position to the X-ray receiver due to the unavoidable deflection of the C-arm, which depends on the position of the X-ray axis having.

In der DE 199 17 867 A1 wird deshalb vorgeschlagen, am Röntgenempfänger eine Referenzstruktur anzuordnen, die neben optischen Positionsmarken für die Navigation mit einer Positionserfassungseinrichtung auch Röntgenmarker enthält, die im Strahlengang der Röntgenstrahlung liegen und im Röntgenbild abgebildet werden. Aus der Lage der im Röntgenbild sichtbaren Röntgenmarker können sowohl die relative Lage des Projektionskegels errechnet als auch eventuelle, insbesondere bei der Verwendung von Röntgenbildverstärkern auftretende Verzerrungen gemessen werden. Die Messung der Verzerrungen muss für jedes aufgenommene 2D-Röntgenbild durchgeführt werden, um sie anschließend eliminieren zu können.In the DE 199 17 867 A1 Therefore, it is proposed to arrange a reference structure on the X-ray receiver which, in addition to optical position markers for navigation with a position detection device, also contains X-ray markers which lie in the beam path of the X-radiation and are imaged in the X-ray image. The position of the X-ray markers visible in the X-ray image can be used both to calculate the relative position of the projection cone and also to measure any distortions which occur, in particular, when X-ray image intensifiers are used. The measurement of the distortions must be carried out for each recorded 2D X-ray image in order to then be able to eliminate them.

Die im Röntgenbild sichtbaren Röntgenmarker haben jedoch den Nachteil, dass sie einen Teil des Röntgenbildes abschatten und auf diese Weise unvermeidlich mit einem Informationsverlust einhergehen. Dieser Informationsverlust lässt sich auch dann nicht vollständig vermeiden, wenn diese Röntgenmarker aus dem Röntgenbild durch Methoden der digitalen Bildverarbeitung eliminiert werden. Darüber hinaus wird der zwischen Röntgenempfänger und Röntgenquelle frei zugängliche Raum durch die Anbringung von vor der Empfangsfläche angeordneten Röntgenmarkern verringert.However, the X-ray markers visible in the X-ray image have the disadvantage that they shade a part of the X-ray image and in this way inevitably go hand in hand with a loss of information. This loss of information can not be completely avoided even if these X-ray markers are eliminated from the X-ray image by methods of digital image processing. In addition, the space freely accessible between the X-ray receiver and the X-ray source is reduced by the attachment of X-ray markers arranged in front of the receiving surface.

Alternativ hierzu ist es aus der DE 103 60 025 A1 bekannt, bei der 3D-Navigation mit einem C-Bogen-Röntgengerät die Position des Röntgenempfängers mit einer Positionserfassungseinrichtung zu bestimmen, wobei jeder Position des Röntgenempfängers eine in einer vorhergehenden Kalibrierung ermittelte, die Lage des Projektionskegels wiedergebende und die Durchbiegung des C-Bogens korrekt berücksichtigende Projektionsmatrix zugeordnet ist. Durch diese Maßnahme ist die Verwendung von Röntgenmarkern nicht mehr erforderlich und dementsprechend der Workflow verbessert. Um eine hohe Genauigkeit der Navigation zu ermöglichen, ist jedoch eine aufwendige Kalibrierung für unterschiedliche Scanbahnen erforderlich, die in regelmäßigen Abständen wiederholt werden muss.Alternatively, it is from the DE 103 60 025 A1 in the case of 3D navigation with a C-arm X-ray apparatus, it is possible to determine the position of the X-ray receiver with a position detection device, each position of the X-ray receiver having a determination of the position of the projection cone and correctly taking into account the deflection of the C-arm in a previous calibration Projection matrix is assigned. As a result of this measure, the use of X-ray markers is no longer necessary and, accordingly, the workflow is improved. To enable a high accuracy of the navigation, however, a complex calibration for different scanning paths is required, which must be repeated at regular intervals.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bildunterstützung eines mit einem medizinischen Instrument durchgeführten medizinischen Eingriffes anzugeben, das gegenüber den bekannten Verfahren vereinfacht ist. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine nach diesem Verfahren arbeitende Einrichtung anzugeben.The invention is based on the object of specifying a method for image support of a medical instrument performed with a medical instrument, which is simplified compared to the known methods. In addition, the invention has for its object to provide a working device according to this method.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen wird bei einem Verfahren mit einem in unterschiedlichen Aufnahmepositionen positionierbaren Röntgengerät in einer Grundposition zumindest ein 2D-Kalibrierbild von einem Behandlungsgebiet aufgenommen, während innerhalb oder in einer Umgebung des Behandlungsgebietes ein mit Positionsmarkern versehener Referenzkörper eingebracht ist, der während der Aufnahme des 2D-Kalibrierbildes mit einem Referenzinstrument in einer räumlich eindeutigen Weise mechanisch gekoppelt ist. Das Referenzinstrument ist mit Röntgenmarkern versehen, mit deren Positionen im 2D-Kalibrierbild ein dem Referenzkörper zugeordnetes Bezugssystem in Beziehung zu einem Bezugssystem des Röntgengerätes gesetzt wird. Nach der Aufnahme des zumindest einen 2D-Kalibrierbildes werden eine Mehrzahl von 2D-Röntgenbildern in Aufnahmepositionen aufgenommen, die von der Grundposition verschieden sind, und es wird die zur Aufnahmeposition jeweils gehörende Lage von Röntgenquelle und Röntgenempfänger des Röntgengerätes relativ zur Lage von Röntenquelle und Röntgenempfänger in der Grundposition erfasst, und es werden die für die jeweilige Aufnahmeposition gültigen Projektionsparameter unter Zuhilfenahme einer in einer vorhergehenden Kalibrierung ermittelten Look-up-Tabelle berechnet.With regard to the method, the object is achieved according to the invention by a method having the features of claim 1. According to these features, in a method with a positionable in different recording positions X-ray device in a basic position at least a 2D calibration image is taken from a treatment area, while within or in a vicinity of the treatment area, a reference body provided with position markers is introduced, which is mechanically coupled during recording of the 2D calibration image with a reference instrument in a spatially unique manner. The reference instrument is provided with X-ray markers whose positions in the 2D calibration image are used to relate a reference system associated with the reference body to a reference system of the X-ray apparatus. After the recording of the at least one 2D calibration image, a plurality of 2D X-ray images are recorded in recording positions which are different from the basic position, and it is the respective recording position of X-ray source and X-ray receiver of the X-ray relative to the position of Röntenquelle and X-ray receiver in the basic position is detected, and it is calculated for the respective recording position projection parameters using a determined in a previous calibration look-up table.

Da Referenzkörper und Referenzinstrument in einer räumlich eindeutigen, d. h. hinsichtlich aller 6 Freiheitsgrade hinreichend genau festgelegten Weise mechanisch gekoppelt sind, ist es auf einfache Weise möglich, mit einem einzigen 2D-Kalbrierbild ein dem Referenzkörper und damit dem Patienten zugeordnetes Bezugssystem unmittelbar in räumliche Beziehung zu den vom Röntgengerät in den verschiedenen Aufnahmepositionen erzeugten Röntgenbildern zu setzen, ohne dass eine aufwendige Positionserfassung von Röntgenquelle und Röntgenempfänger erforderlich ist, da es ausreichend ist, die mit einfachen Weggebern auf einfache Weise messbaren relativen Positionsänderungen von Röntgenquelle und Röntgenempfänger zwischen den einzelnen Aufnahmepositionen zu erfassen. Hierzu müssen lediglich die für die jeweiligen Aufnahmepositionen in einem Bezugssystem des Röntgengerätes gültigen Projektionsparameter oder Projektionsmatrizen in einer vorherigen Kalibrierung bestimmt und in einer Look-up-Tabelle abgelegt sein.Since reference body and reference instrument in a spatially unique, d. H. With respect to all 6 degrees of freedom with sufficient accuracy defined manner are mechanically coupled, it is easily possible to use a reference frame and thus the patient associated reference system with a single 2D Kalbrierbild directly in spatial relation to the X-ray generated by the X-ray machine in the different recording positions X-ray images , without a complex position detection of X-ray source and X-ray receiver is required, since it is sufficient to detect the easily detectable with simple encoders relative position changes of X-ray source and X-ray receiver between the individual recording positions. For this purpose, only the projection parameters or projection matrices that are valid for the respective recording positions in a reference system of the X-ray apparatus need to be determined in a previous calibration and stored in a look-up table.

Hinsichtlich der Einrichtung wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 7. Die Vorteile dieser Einrichtung entsprechen sinngemäß den zum Verfahren gemäß Patentanspruch 1 angegebenen Vorteilen.With regard to the device, the object is achieved according to the invention with a device having the features of claim 7. The advantages of this device correspond mutatis mutandis to the method according to claim 1 advantages.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Einrichtung sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 bzw. 8 bis 12 angegeben.Advantageous embodiments of the method and the device are given in the claims 2 to 6 and 8 to 12.

1 eine Einrichtung gemäß der Erfindung mit einem Röntgengerät in einer Ausgangsposition, 1 a device according to the invention with an X-ray device in a starting position,

2 ein zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung besonders geeignetes Referenzinstrument mit einem daran angeordneten Referenzkörper. 2 a reference instrument particularly suitable for carrying out the method according to the invention with a reference body arranged thereon.

3 eine Situation, in der der am Referenzinstrument angeordnete Referenzkörper an einem Körperteil des Patienten fixiert ist, 3 a situation in which the reference body arranged on the reference instrument is fixed to a body part of the patient,

4 das Röntgengerät gemäß 1 in einer von der Ausgangsposition verschiedenen Aufnahmeposition. 4 the X-ray device according to 1 in a different recording position from the starting position.

Gemäß 1 umfasst eine Einrichtung gemäß der Erfindung ein mobiles Röntgengerät 2, bei dem an einem Gerätewagen 4 höhenverstellbar ein Lagerteil 8 für einen C-Bogen 10 angeordnet ist. Das Lagerteil 8 ist schwenkbar um eine parallel zur Zeichenebene orientierte Achse 12 (Angulationsachse) gelagert. Im Lagerteil 8 ist der C-Bogen 10 schwenkbar um eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Achse 14 (Orbitalachse) geführt. Die durch diese Lagerung möglichen Schwenkbewegungen φ und θ sind durch die Doppelpfeile 15 bzw. 16 veranschaulicht. Der C-Bogen 10 ist außerdem in Richtung x der Angulationsachse 12 sowie in der Höhe h verstellbar am Gerätewagen 4 gelagert, wie dies durch die Doppelpfeile 17 bzw. 18 veranschaulicht ist. Die Verschiebung x, die Höhe h, der Angulationswinkel φ und der Orbitalwinkel θ, d. h. die bei ruhendem Gerätewagen 4 möglichen Positionsänderungen des C-Bogens 10 werden mit einer schematisch veranschaulichten Positionsgeberanordnung 19a relativ zu einer Grund- oder Ausgangsposition erfasst. Am Gerätewagen 4 ist außerdem ein optischer Positionsgeber 19b angeordnet, mit dem eine relative Verschiebung des Gerätewagens 4 erfasst werden kann.According to 1 A device according to the invention comprises a mobile X-ray device 2 in which on a equipment cart 4 height adjustable a bearing part 8th for a C-arm 10 is arranged. The bearing part 8th is pivotable about an axis oriented parallel to the plane of the drawing 12 (Angulation axis) stored. In the warehouse part 8th is the C-arm 10 pivotable about an axis perpendicular to the plane of the drawing 14 (Orbital axis) out. The possible by this storage pivotal movements φ and θ are by the double arrows 15 respectively. 16 illustrated. The C-arm 10 is also in the direction x of the angulation axis 12 and height h adjustable on equipment cart 4 stored as indicated by the double arrows 17 respectively. 18 is illustrated. The displacement x, the height h, the angulation angle φ and the orbital angle θ, ie the stationary trolley 4 possible position changes of the C-arm 10 be with a schematically illustrated position encoder arrangement 19a detected relative to a basic or starting position. On the equipment cart 4 is also an optical position sensor 19b arranged with which a relative displacement of the equipment cart 4 can be detected.

Am C-Bogen 10 sind einander gegenüberliegend eine Röntgenquelle 20, in der Regel eine Röntgenröhre, und ein Röntgenempfänger 22, vorzugsweise ein verzerrungsfreier digitaler Röntgendetektor mit ebener Empfangsfläche, angeordnet.At the C-bow 10 are opposite each other an X-ray source 20 , usually one X-ray tube, and an X-ray receiver 22 , preferably a distortion-free digital X-ray detector with a flat receiving surface arranged.

Im Projektionskegel 24 der von der Röntgenquelle 20 emittierten Röntgenstrahlung, d. h. dem Strahlenkegel, dessen Spitze durch die annähernd punktförmige Röntgenquelle 20 – bei Verwendung einer Röntgenröhre deren Fokus – und dessen Grundfläche durch die Empfangsfläche des Röntgenempfängers 22 gebildet wird, befindet sich auf einem Patientenlagerungstisch 25 ein Patient P, an dem ein bildunterstützter Eingriff durchgeführt werden soll.In the projection cone 24 that from the X-ray source 20 emitted X-rays, ie the cone of rays, whose tip through the approximately point-like X-ray source 20 - When using an X-ray tube whose focus - and its base by the receiving surface of the X-ray receiver 22 is formed on a patient table 25 a patient P to whom a picture-assisted procedure is to be performed.

In einer vorhergehenden Kalibrierung werden bei ruhendem Gerätewagen 4 für unterschiedliche Aufnahmepositionen des C-Bogens 10 – Angulationswinkel φ und Orbitalwinkel θ und, falls aufgrund möglicher mechanischer Durchbiegung erforderlich, Verschiebung x, Höhe h, – die jeweils gültigen Projektionsparameter in einem auf das Röntgengerät 2 bezogenen Bezugssystem bestimmt und in einer Look-up-Tabelle abgelegt. Mit Hilfe der von der Positionsgeberanordnung 19a bei der Aufnahme der zu bildunterstützen Eingriff verwendeten 2D-Röntgenbilder aktuell ermittelten Werte für die Verschiebung x, die Höhe h, den Angulationswinkel φ und den Orbitalwinkel θ können somit die für die Röntgenabbildung in den jeweiligen aktuellen Aufnahmepositionen des C-Bogens 10 gültigen Projektionsparameter unter Zuhilfenahme der Look-up-Tabelle berechnet werden.In a previous calibration, when the equipment cart is stationary 4 for different recording positions of the C-arm 10 - Angulation angle φ and orbital angle θ and, if required due to possible mechanical deflection, displacement x, height h, - the respectively valid projection parameters in one on the X-ray machine 2 determined reference system and stored in a look-up table. With the help of the position encoder arrangement 19a Thus, when the x-ray images used for image-assisted surgery are acquired, the x, height h, angulation angle .phi., and orbital angle .theta. can be used for X-ray imaging in the respective current positions of the C-arm 10 valid projection parameters using the look-up table.

In der Figur ist der C-Bogen 10 beispielhaft in einer bei der 3D-Navigation üblichen Ausgangsposition dargestellt, in der sich Röntgenquelle 20 und Röntgenempfänger 22 einander in einer Horizontalebene gegenüberliegen. In einer Grundposition, die im Beispiel dieser Ausgangsposition entspricht, wird am oder im Patienten P mit einem Referenzinstrument 40 ein Referenzkörper 42 in eine Endstellung gebracht, in der er während des Eingriffes verbleibt. Das Referenzinstrument 40 greift zum Anbringen des Referenzkörpers 42 am oder im Patienten P in diesen derart ein, dass zwischen Referenzkörper 42 und Referenzinstrument 40 eine feste und eindeutige geometrischen Beziehung besteht. Mit anderen Worten: Die Orientierung und Lage des Referenzinstrumentes 40 legt die Orientierung und Lage des Referenzkörpers 42 eindeutig fest. In dieser Grundposition sind die Lage des Projektionskegel 24 und die Lage des Patienten P und damit die Position des Referenzkörpers 42 bzw. des Referenzinstrumentes 40 derart eingestellt, dass sich das Referenzinstrument 40 zumindest teilweise innerhalb des dieser Grundposition zugehörenden Projektionskegels 24 befindet. In dieser Grundposition wird ein fluoroskopisches 2D-Kalibrierbild aufgenommen, wenn sich der Referenzkörper 42 mit in diesen eingreifenden Referenzinstrument 40 in einer Endstellung befindet, in der er während eines darauf folgenden Eingriffes verbleibt.In the figure is the C-arm 10 exemplified in a customary in the 3D navigation starting position in the X-ray source 20 and X-ray receiver 22 facing each other in a horizontal plane. In a basic position, which in the example corresponds to this starting position, P is on or in the patient with a reference instrument 40 a reference body 42 brought into an end position in which he remains during the procedure. The reference instrument 40 engages to attach the reference body 42 on or in the patient P in this one such that between reference body 42 and reference instrument 40 there is a firm and unambiguous geometric relationship. In other words, the orientation and location of the reference instrument 40 sets the orientation and position of the reference body 42 clearly stated. In this basic position are the position of the projection cone 24 and the position of the patient P and thus the position of the reference body 42 or the reference instrument 40 set so that the reference instrument 40 at least partially within the projection cone associated with this home position 24 located. In this basic position, a fluoroscopic 2D calibration image is taken when the reference body 42 with this intervening reference instrument 40 in an end position in which it remains during a subsequent procedure.

Gemäß 2 ist das Referenzinstrument 40, im Beispiel ein Schraubendreher, mit für Röntgenstrahlung undurchlässigen und im 2D-Kalibrierbild wiedergegebenen Röntgenmarkern 44 versehen, die am Referenzinstrument 40 nichtplaner, d. h. nicht in einer einzigen, gemeinsamen Ebene liegend angeordnet sind, und mit deren Positionen im 2D-Kalibrierbild aufgrund der für die Grundposition bekannten Projektionsparameter die Lage und Position des Referenzinstruments 40 einem dem Röntgengerät 2 zugeordneten Bezugssystem bestimmt wird. Am Referenzkörper 42, im Beispiel eine Knochenschraube, sind ebenfalls Positionsmarker 46 angeordnet, deren Positionen im Raum mit einem in 1 schematisch dargestellten Positionserfassungssystem 50 bestimmt werden können. Im Ausführungsbeispiel ist ein elektromagnetisches Positionserfassungssystem 50 mit einem mehrere Senderspulen umfassenden Sender 52 vorgesehen, dem als Positionsmarker 46 am Referenzkörper 42 angebrachte Empfängerspulen zugeordnet sind. Da die räumliche Beziehung zwischen den Röntgenmarkern 44 des Referenzinstrumentes und den Positionsmarkern 46 des Referenzkörpers bekannt ist, kann auf diese Weise ein dem Referenzkörper 42 zugeordnetes und mit dem Positionserfassungssystem 50 korreliertes Bezugssystem in Beziehung zu dem Bezugssystem des Röntgengerätes 2 gesetzt werden.According to 2 is the reference instrument 40 , in the example a screwdriver, with X-ray markers impermeable to X-ray radiation and reproduced in the 2D calibration image 44 provided on the reference instrument 40 non-planner, that is, not arranged in a single, common plane lying, and with their positions in the 2D calibration image due to the projection parameters known for the basic position, the position and position of the reference instrument 40 an X-ray machine 2 assigned reference system is determined. On the reference body 42 , in the example a bone screw, are also position markers 46 arranged, whose positions in the room with an in 1 schematically illustrated position detection system 50 can be determined. In the embodiment, an electromagnetic position detection system 50 with a transmitter comprising several transmitter coils 52 provided as a position marker 46 on the reference body 42 attached receiver coils are assigned. Because the spatial relationship between the x-ray markers 44 the reference instrument and the position markers 46 of the reference body is known, can in this way a the reference body 42 assigned and with the position detection system 50 correlated reference system in relation to the reference system of the x-ray apparatus 2 be set.

Anstelle eines elektromagnetischen Positionserfassungssystems können grundsätzlich auch Positionserfassungseinrichtungen verwendet werden, die nach anderen Verfahren arbeiten, beispielsweise markerlose optische Trackingverfahren oder Trackingverfahren mit aktiven, lichtemittierende optischen Positionsmarken, wenn ein unmittelbarer Sichtkontakt zwischen den Positionsmarkern 46 des Referenzkörpers 42 und dem Positionserfassungssystem möglich ist.Instead of an electromagnetic position detection system, it is also possible in principle to use position detection devices which operate according to other methods, for example markerless optical tracking methods or tracking methods with active, light-emitting optical position markers, if direct visual contact between the position markers 46 of the reference body 42 and the position detection system is possible.

3 zeigt den in einem am oder im Patienten P befindlichen und als Referenz zu einem zu behandelnden Objekt oder Behandlungsgebiet G geeigneten Körperteil 60, im Beispiel ein Knochen, in einer Endstellung fixierten Referenzkörper 42 mit an diesem noch im Eingriff befindlichen Referenzinstrument 40. Zumindest der mit den Röntgenmarkern 44 versehene Teil des Referenzinstrumentes 40 befindet sich innerhalb des Projektionskegels 24, innerhalb dem sich die Röntgenstrahlung bei der Aufnahme des 2D-Kalibrierbildes ausbreitet, so dass die am Referenzinstrument 40 angebrachten Röntgenmarker 44 im 2D-Kalibrierbild sichtbar sind. Bei der Aufnahme des 2D-Kalibrierbildes wird die vom optischen Positionsgeber 19b erfasste Position des Gerätewagens 4 gespeichert oder auf null zurückgesetzt. 3 shows the body part located in or on a patient P and suitable as a reference to an object or treatment area G to be treated 60 , in the example a bone, in a final position fixed reference body 42 with reference instrument still in operation 40 , At least that with the x-ray markers 44 provided part of the reference instrument 40 is inside the projection cone 24 within which the X-ray propagates when taking the 2D calibration image, so that the on the reference instrument 40 attached x-ray marker 44 are visible in the 2D calibration image. When taking the 2D calibration image, that of the optical position sensor 19b detected position of the equipment cart 4 saved or reset to zero.

Durch die auf diese Weise erfolgte Registrierung des Referenzinstrumentes 40 im Bezugssystem des Röntgengerätes 2 ist aufgrund der eindeutigen räumlichen Beziehung zwischen dem Referenzinstrument 40 und dem am Patienten P fixierten Referenzkörper 42 auch dessen Lage und Position in diesem Bezugssystem bekannt. Durch Erfassen der Position und Lage des Referenzkörpers 42 mit dem ihm zugeordneten Positionserfassungssystem 50 ist außerdem eine eindeutige Beziehung der zwischen dem Bezugssystem des Röntgengerätes 2 und dem Bezugssystem des Positionserfassungssystems 50 und damit auch mit einem Patientenbezugssystem hergestellt.By registering the reference instrument in this way 40 in the reference system of the X-ray machine 2 is due to the clear spatial relationship between the reference instrument 40 and the reference body fixed to the patient P 42 also its location and position in this reference system known. By detecting the position and position of the reference body 42 with its assigned position detection system 50 is also a unique relationship between the reference system of the X-ray machine 2 and the reference system of the position detection system 50 and thus also produced with a patient reference system.

Nach Aufnahme des 2D-Kalibrierbildes wird das Referenzinstrument 40 entfernt und es werden weitere 2D-Röntgenbilder aus unterschiedlichen Aufnahmepositionen aufgenommen, von denen eine in 4 dargestellt ist, bei der sich die Röntgenquelle 20 unterhalb des Patientenlagerungstisches 25 befindet. Die in diesen Aufnahmepositionen gültigen Projektionsparameter und deren Zuordnung zum Patienten können dann über die von der Positionsgeberanordnung 19a aus der in der vorhergehenden Kalibrierung ermittelten Look-up-Tabelle berechnet sowie für den Fall, dass der Gerätewagen 4 zusätzlich zwischen den Röntgenaufnahmen verschoben wird, auf der Grundlage der vom optischen Positionsgeber 19b übermittelten Messwerte zusätzlich korrigiert werden.After taking the 2D calibration image, the reference instrument becomes 40 and further 2D x-ray images are taken from different recording positions, one of which is in 4 is shown, in which the X-ray source 20 below the patient table 25 located. The projection parameters valid in these recording positions and their assignment to the patient can then be determined by the position encoder arrangement 19a calculated from the look-up table determined in the previous calibration and in the event that the equipment cart 4 in addition, between the x-rays is shifted, on the basis of the optical position sensor 19b additionally be corrected.

Für einen anschließenden Eingriff mit einem medizinischen Instrument 70 kann dann das Röntgengerät 2 entfernt werden, da die räumliche Zuordnung zwischen Patientenbezugssystem und den aufgenommenen 2D-Röntgenbildern sowie den daraus gegeben falls berechneten 3D-Bildern bekannt ist, so dass nur noch eine Registrierung des medizinischen Instrumentes 70 erforderlich ist. Wenn dieses ebenfalls mit vom Positionserfassungssystem 50 erfassbaren Positionsmarkern 46, im Beispiel Sendespulen, versehen ist, ist dessen Position unmittelbar im Patientenbezugssystem bekannt.For a subsequent intervention with a medical instrument 70 can then use the x-ray machine 2 are removed, since the spatial relationship between the patient reference system and the recorded 2D X-ray images and the resulting if calculated 3D images is known, so that only a registration of the medical instrument 70 is required. If this also with the position detection system 50 detectable position markers 46 , is provided in the example transmitting coils, whose position is known directly in the patient reference system.

Die Erfindung ist beispielhaft anhand eines C-Bogen-Röntgengerätes veranschaulicht. Grundsätzlich kann die Erfindung auch bei anderen Röntgengeräten zum Einsatz gelangen, bei denen die Position von Röntgenquelle und Röntgenempfänger ortsveränderlich ist und deren relative Positionsänderung zwischen den einzelnen Aufnahmepositionen mit entsprechenden Positionsgebern erfasst wird. Dementsprechend ist es insbesondere auch möglich, Röntgengeräte einzusetzen, bei denen Röntgenempfänger und Röntgenquelle unabhängig voneinander frei im Raum positioniert werden können, d. h. nicht in einer Weise mechanisch zwangsgekoppelt sind, wie dies bei einem C-Bogen-Röntgengerät der Fall ist. So können beispielsweise Röntgenquelle und Röntgenempfänger jeweils an einem Gelenkarm-Roboter auf voneinander unabhängig und frei verfahrbaren Konsolen angeordnet sein.The invention is illustrated by way of example with reference to a C-arm X-ray apparatus. In principle, the invention can also be used in other X-ray devices in which the position of X-ray source and X-ray receiver is spatially variable and whose relative position change between the individual recording positions is detected with corresponding position sensors. Accordingly, it is also possible in particular to use X-ray devices, in which X-ray receiver and X-ray source can be positioned independently of each other freely in space, d. H. are not mechanically positively coupled in a manner as is the case with a C-arm X-ray apparatus. Thus, for example, X-ray source and X-ray receiver can each be arranged on an articulated arm robot on independent and freely movable consoles.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Verschiebungshift
22
RöntgengerätX-ray machine
44
Gerätewagentrolley
88th
Lagerteilbearing part
1010
C-BogenC-arm
1212
AngulationsachseAngulation axis
1414
Orbitalachseorbital axis
15, 16, 17, 1815, 16, 17, 18
Doppelpfeildouble arrow
19a19a
PositionsgeberanordnungPosition sensor device
19b19b
Positionsgeberlocator
2020
RöntgenquelleX-ray source
2222
RöntgenempfängerX-ray receiver
2424
Projektionskegelprojection cone
2525
PatientenlagerungstischPatient table
4040
Referenzinstrumentreference tool
4242
Referenzkörperreference body
4444
RöntgenmarkerX-ray markers
4646
Positionsmarkerposition marker
5050
PositionserfassungssystemPosition detection system
5252
Sendertransmitter
6060
Körperteilbody part
7070
Instrumentinstrument
hH
Höheheight
xx
Verschiebungshift
PP
Patientpatient
GG
Gebietarea
φφ
AngulationswinkelAngulation angle
θθ
Orbitalwinkelorbital angular

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19917867 A1 [0006] DE 19917867 A1 [0006]
  • DE 10360025 A1 [0008] DE 10360025 A1 [0008]

Claims (13)

Verfahren zur Bildunterstützung eines mit einem medizinischen Instrument (70) durchgeführten medizinischen Eingriffes, bei dem von einem Behandlungsgebiet (G) mit einem in unterschiedlichen Aufnahmepositionen positionierbaren Röntgengerät (2) in einer Grundposition ein 2D-Kalibrierbild aufgenommen wird, während innerhalb oder in einer Umgebung des Behandlungsgebietes (G) ein mit Positionsmarkern (46) versehener Referenzkörper (42) eingebracht ist, der während der Aufnahme des 2D-Kalibrierbildes mit einem Referenzinstrument (40) in einer räumlich eindeutigen Weise mechanisch gekoppelt ist, das mit Röntgenmarkern (44) versehen ist, mit deren Positionen im 2D-Kalibrierbild ein dem Referenzkörper (42) zugeordnetes Bezugssystem in Beziehung zu einem Bezugssystem des Röntgengerätes (2) gesetzt wird, wobei nach der Aufnahme des zumindest einen 2D-Kalibrierbildes eine Mehrzahl von 2D-Röntgenbildern in Aufnahmepositionen aufgenommen werden, die von der Grundposition verschieden sind, und wobei jeweils deren zur Aufnahmeposition gehörende Lage von Röntgenquelle (20) und Röntgenempfänger (22) des Röntgengerätes (2) relativ zur Lage von Röntgenquelle (20) und Röntgenempfänger (22) in der Grundposition erfasst wird und die für die jeweilige Aufnahmeposition gültigen Projektionsparameter unter Zuhilfenahme einer in einer vorhergehenden Kalibrierung ermittelten Look-up-Tabelle berechnet werden.Method for image support of a medical instrument ( 70 ) carried out by a treatment area (G) with a positionable in different receiving positions X-ray device ( 2 ) is recorded in a basic position, a 2D calibration image, while within or in an environment of the treatment area (G) with a position markers ( 46 ) provided reference body ( 42 ), which during the acquisition of the 2D calibration image with a reference instrument ( 40 ) is mechanically coupled in a spatially unique manner, which with X-ray markers ( 44 ), with whose positions in the 2D calibration image a reference body ( 42 ) associated reference system in relation to a reference system of the X-ray device ( 2 ) is set, wherein after the recording of the at least one 2D calibration image, a plurality of 2D X-ray images are recorded in recording positions which are different from the basic position, and wherein each of the recording position belonging to X-ray source ( 20 ) and X-ray receiver ( 22 ) of the X-ray device ( 2 ) relative to the location of x-ray source ( 20 ) and X-ray receiver ( 22 ) is detected in the basic position and the projection parameters valid for the respective recording position are calculated with the aid of a look-up table determined in a preceding calibration. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Referenzkörper eine Knochenschraube verwendet wird.The method of claim 1, wherein a bone screw is used as the reference body. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Referenzinstrument ein Schraubendreher zum Eindrehen der Knochenschraube in einem im Behandlungsgebiet befindlichen Knochen ist.The method of claim 2, wherein the reference instrument is a screwdriver for screwing the bone screw in a bone located in the treatment area. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zum Erfassen der Lage der Positionsmarken und damit der Lage des Referenzkörpers ein elektromagnetisches Positionserfassungssystem vorgesehen ist.Method according to one of the preceding claims, in which an electromagnetic position detection system is provided for detecting the position of the position marks and thus the position of the reference body. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Röntgenmarker (44) am Referenzinstrument (40) nicht in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.Method according to one of the preceding claims, in which the x-ray markers ( 44 ) on the reference instrument ( 40 ) are not arranged in a common plane. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Bildunterstützung ein C-Bogen-Röntgengerät verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, in which a C-arm X-ray device is used for image support. Einrichtung zur Bildunterstützung eines mit einem medizinischen Instrument durchgeführten medizinischen Eingriffes, mit einem in unterschiedlichen Aufnahmepositionen positionierbaren Röntgengerät (2) zum Aufnehmen von 2D-Röntgenbildern, einem in einem Behandlungsgebiet (6) fixierbaren mit Positionsmarkern (46) versehenen Referenzkörper (42), der mit einem mit Röntgenmarkern (44) versehenen Referenzinstrument (40) in einer räumlich eindeutigen Weise mechanisch koppelbar ist, einem Positionserfassungssystem (50) zum Erfassen der Lage des Referenzkörpers (42) im Raum, sowie mit einer am Röntgengerät (2) angeordneten Positionsgeberanordnung (19a) zum Erfassen der relativen Positionsänderungen von Röntgenquelle (20) und Röntgenempfänger (22) zwischen den verschiedenen Aufnahmepositionen.Device for image support of a medical procedure performed with a medical instrument, with an X-ray device positionable in different receiving positions ( 2 ) for taking 2D X-ray images, one in a treatment area ( 6 ) fixable with position markers ( 46 ) provided reference body ( 42 ), one with x-ray markers ( 44 ) ( 40 ) is mechanically coupled in a spatially unique manner, a position detection system ( 50 ) for detecting the position of the reference body ( 42 ) in the room, as well as with an X-ray machine ( 2 ) arranged position encoder arrangement ( 19a ) for detecting the relative position changes of X-ray source ( 20 ) and X-ray receiver ( 22 ) between the different shooting positions. Einrichtung nach Anspruch 7, bei der der Referenzkörper eine Knochenschraube ist.Device according to claim 7, wherein the reference body is a bone screw. Einrichtung nach Anspruch 8, bei der das Referenzinstrument ein Schraubendreher zum Eindrehen der Knochenschraube in einem im Behandlungsgebiet befindlichen Knochen ist.Device according to claim 8, wherein the reference instrument is a screwdriver for screwing the bone screw in a bone located in the treatment area. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der zum Erfassen der Lage der Positionsmarker und damit der Lage des Referenzkörpers ein elektromagnetisches Positionserfassungssystem vorgesehen ist.Device according to one of claims 7 to 9, wherein for detecting the position of the position marker and thus the position of the reference body, an electromagnetic position detection system is provided. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei der zur Bildunterstützung ein C-Bogen-Röntgengerät verwendet wird.Device according to one of Claims 7 to 10, in which a C-arm X-ray device is used for image support. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei der die Röntgenmarker (44) am Referenzinstrument (40) nicht in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.Device according to one of Claims 7 to 11, in which the x-ray markers ( 44 ) on the reference instrument ( 40 ) are not arranged in a common plane. Referenzinstrument (40) mit Röntgenmarkern (44) und daran koppelbarer Referenzkörper (42) mit Positionsmarkern (46) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.Reference Instrument ( 40 ) with X-ray markers ( 44 ) and reference body ( 42 ) with position markers ( 46 ) for carrying out a method according to one of claims 1 to 6.
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