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
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Abstract
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
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
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
Gemäß
Am C-Bogen
Im Projektionskegel
In einer vorhergehenden Kalibrierung werden bei ruhendem Gerätewagen
In der Figur ist der C-Bogen
Gemäß
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
Durch die auf diese Weise erfolgte Registrierung des Referenzinstrumentes
Nach Aufnahme des 2D-Kalibrierbildes wird das Referenzinstrument
Für einen anschließenden Eingriff mit einem medizinischen Instrument
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
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- DE 10360025 A1 [0008] DE 10360025 A1 [0008]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20120901 |