DE10334163B4 - Method for determining the position of a probe or electrode in the body of a patient Intraoperative stereotaxy with computer tomographs - Google Patents

Method for determining the position of a probe or electrode in the body of a patient Intraoperative stereotaxy with computer tomographs Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Positionsbestimmung einer Sonde oder Elektrode im Körper eines Patienten, wobei mittels einer bewegbaren Röntgenquelle durch Belichtung jeweils einer Bildebene aus zwei senkrecht zu einer Längsachse des Körpers verlaufenden und etwa rechtwinklig zueinander stehenden Richtungen (1, 3) jeweils eine Übersichtsaufnahme mit einem jeweiligen Strahlengang erzeugt und die Röntgenquelle zur zeilenweisen Belichtung der beiden Bildebenen jeweils zusätzlich entlang der Längsachse zwischen zwei Positionen (6) bewegt wird, so dass mittels im jeweiligen Strahlengang der Röntgenquelle positionierter vorderer und hinterer Lokalisatoren (5), in die Fiducials mit bekannter Geometrie eingebettet sind, die Position der Röntgenquelle relativ zur Bildebene und anhand der Übersichtsaufnahmen die Koordinaten von Punkten der Sonde oder Elektrode bestimmbar sind.A method for determining the position of a probe or electrode in the body of a patient, wherein by means of a movable X-ray source by exposing each image plane of two perpendicular to a longitudinal axis of the body extending and approximately perpendicular directions (1, 3) each generates an overview recording with a respective beam path and the X-ray source for linewise exposure of the two image planes is additionally moved along the longitudinal axis between two positions (6) so that the front and rear localizers (5) positioned in the respective beam path of the X-ray source, in which fiducials of known geometry are embedded Position of the X-ray source relative to the image plane and based on the overview photographs the coordinates of points of the probe or electrode can be determined.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung einer Sonde oder Elektrode im Körper eines Patienten.The invention relates to a method for determining the position of a probe or electrode in the body of a patient.

Bei stereotaktischen Operationen werden für therapeutische oder diagnostische Zwecke Sonden in das Gehirn oder andere Körperregionen der Patienten geführt. Die Anwendung der stereotaktischen Methode mit mechanischer Fixierung des Zielbogens am stereotaktischen Ring, der wiederum am Schädel des Patienten befestigt ist, ermöglicht die hochgenaue Platzierung der Sonden durch kleine Bohrungen im Schädel. Die Planung der Sondenpositionen erfolgt unter Verwendung von Röntgen-, CT- und Kernspinbildern, wobei die am Stereotaxiering befestigten Lokalisatoren mit abgebildet werden. Die Lokalisatoren enthalten sogenannte Fiducials, geometrische Gebilde mit bekannter, redundanter Geometrie aus kontrastreichen Materialien. Diese in den Lokalisatoren eingebetteten Fiducials ermöglichen bei Verwendung geeigneter Methoden der Bildverarbeitung und Simulation die Berechnung von Positionen im Gehirn relativ zum stereotaktischen Ring. Dieser Ring kann dann als mechanische Halterung für die Sondenführung verwendet werden.In stereotactic surgery, probes are passed into the brain or other body regions of the patients for therapeutic or diagnostic purposes. The use of the stereotactic method with mechanical fixation of the target arch on the stereotactic ring, which in turn is attached to the skull of the patient, allows the highly accurate placement of the probes through small holes in the skull. The probe positions are planned using X-ray, CT and MRI images, with the locators attached to the stereotaxier ring being imaged. The localizers contain so-called fiducials, geometrical structures with known, redundant geometry of high-contrast materials. These fiducials embedded in the localizers allow the calculation of positions in the brain relative to the stereotactic ring, using appropriate image processing and simulation techniques. This ring can then be used as a mechanical support for the probe guide.

Diese Ortsbestimmung der Sonden kann während der Operation wiederholt durchgeführt werden.This location of the probes can be repeated during the operation.

Zur Überwachung der Operation werden intraoperativ (während der Operation) Röntgenaufnahmen gemacht. Neuerdings sind auch die intraoperative Kernspintomographie und die intraoperative Computertomographie verfügbar. Bei der intraoperativen Computertomographie sind zur räumlichen Ortsbestimmung im Gehirn des Patienten 3D Schichtaufnahmen notwendig, die eine relativ hohe Strahlenbelastung des Patienten verursachen, vor allem, wenn die Kontrollaufnahmen während einer Operation mehrfach durchgeführt werden. Metallteile im Bildfeld des Schnittbildes verursachen Störungen. Der Stand der Technik in der Stereotaxie wird z. B. in: Textbook of Stereotactic and Functional Neurosurgery, McGraw-Hill, (1998), ISBN 0070236046 beschrieben.To monitor the operation, x-rays are taken intraoperatively (during surgery). Recently, intraoperative magnetic resonance imaging and intraoperative computed tomography are also available. In intraoperative computed tomography, spatial recordings in the brain of the patient require 3D tomograms which cause a relatively high radiation exposure of the patient, especially if the control images are repeatedly performed during an operation. Metal parts in the image field of the sectional image cause interference. The state of the art in stereotaxy is z. In: Textbook of Stereotactic and Functional Neurosurgery, McGraw-Hill, (1998), ISBN 0070236046.

Des Weiteren ist aus der DE 38 31 278 A1 ein stereotaktisches Gerät bekannt, mit dem eine Rekonstruktion eines Rahmen-Koordinatensystems auf einem Bild und eine exakte Berechnung der Koordinaten eines Operationsziels möglich sind. Insofern betrifft die DE 38 31 278 A1 zwar nicht konkret ein Verfahren zur Positionsbestimmung einer Sonde oder Elektrode im Körper eines Patienten – wie bei Anspruch 1 –, allerdings wird mit dem bekannten stereotaktischen Gerät die Planung der Sondenposition – nämlich der Ort des Operationsziels – ermöglicht. Insoweit wird die DE 38 31 278 A1 – trotz dieser Unterschiede – als nächstkommender Stand der Technik angesehen.Furthermore, from the DE 38 31 278 A1 a stereotactic device is known, with which a reconstruction of a frame coordinate system on an image and an exact calculation of the coordinates of an operation target are possible. In this respect, the concerns DE 38 31 278 A1 Although not specifically a method for determining the position of a probe or electrode in the body of a patient - as in claim 1 -, however, with the known stereotactic device, the planning of the probe position - namely the location of the operation goal - allows. In that regard, the DE 38 31 278 A1 - despite these differences - considered as the closest prior art.

Bei Einsatz derartiger stereotaktischer Geräte bei der Operation eines Patienten ist es weiterhin üblich, eine Überwachung der Sondenposition vorzunehmen, um Abweichungen dieser Sondenposition von einer gewünschten Position schnell korrigieren zu können. Bei dieser intraoperativen Positionsbestimmung werden häufig die sogenannte intraoperative Computertomographie eingesetzt. Mit dieser Computertomographie werden Schichtaufnahmen hergestellt, die eine hohe Strahlenbelastung des Patienten verursachen, insbesondere wenn Kontrollaufnahmen während einer Operation mehrfach durchgeführt werden müssen.When using such stereotactic devices in the operation of a patient, it is also common practice to monitor the probe position in order to quickly correct deviations of this probe position from a desired position can. In this intraoperative position determination often the so-called intraoperative computed tomography are used. With this computed tomography, tomograms are produced which cause a high radiation exposure of the patient, in particular when control recordings have to be performed several times during an operation.

Weiterhin ist aus der US 5 285 787 A eine Vorrichtung zum Berechnen von Koordinatendaten eines gewünschten Punkts in einem zu untersuchenden Subjekt bekannt. Dabei sind vier Indikatorphantome 21 lösbar ein einem Rahmen 20 befestigt. In diesen Rahmen 20 kann der Kopf eines Patienten angeordnet werden. Von einem Verfahren zur Positionsbestimmung einer Sonde oder Elektrode im Körper eines Patienten mit Hilfe von Übersichtsaufnahmen ist hier nicht die Rede.Furthermore, from the US 5,285,787 A. a device for calculating coordinate data of a desired point in a subject to be examined known. There are four indicator phantoms 21 detachable on a frame 20 attached. In this frame 20 The head of a patient can be arranged. From a method for determining the position of a probe or electrode in the body of a patient with the help of overview photographs is not mentioned here.

Mit Computertomographen können neben den Schnittbildern auch Aufnahmen, die Projektionsbildern ähnlich sind, gemacht werden ( , ). Diese Übersichtsaufnahmen werden beispielsweise ScoutView oder Topogramm genannt. Bei dieser Aufnahmetechnik entsteht eine wesentlich geringere Strahlenbelastung als bei räumlichen Schnittbildaufnahmen. Weiter werden metallische Komponenten ohne Bildstörung als Projektion abgebildet.Computed tomographs can be used not only for the sectional images but also for images that are similar to projection images ( . ). These overview shots are called, for example, ScoutView or Topogram. In this recording technique results in a much lower radiation exposure than in spatial Schnittbildaufnahmen. Furthermore, metallic components without image disturbance are projected as a projection.

Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Positionsbestimmung einer Sonde oder Elektrode im Körper eines Patienten anzugeben, wonach die Positionsbestimmung besonders schonend für den Patienten durchführbar ist.The present invention is based on the object of specifying a method for determining the position of a probe or electrode in the body of a patient, according to which the position determination can be carried out particularly gently for the patient.

Die voranstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei handelt es sich um ein Verfahren zur Positionsbestimmung einer Sonde oder Elektrode im Körper eines Patienten, wobei mittels einer bewegbaren Röntgenquelle durch Belichtung jeweils einer Bildebene aus zwei senkrecht zu einer Längsachse des Körpers verlaufenden und etwa rechtwinklig zueinander stehenden Richtungen jeweils eine Übersichtsaufnahme mit einem jeweiligen Strahlengang erzeugt und die Röntgenquelle zur zeilenweisen Belichtung der beiden Bildebenen jeweils zusätzlich entlang der Längsachse zwischen zwei Positionen bewegt wird, so dass mittels im jeweiligen Strahlengang der Röntgenquelle positionierter vorderer und hinterer Lokalisatoren, in die Fiducials mit bekannter Geometrie eingebettet sind, die Position der Röntgenquelle relativ zur Bildebene und anhand der Übersichtsaufnahmen die Koordinaten von Punkten der Sonde oder Elektrode bestimmbar sind.The above object is achieved by a method according to claim 1. It is a method for determining the position of a probe or electrode in the body of a patient, wherein by means of a movable X-ray source by exposing each image plane of two perpendicular to a longitudinal axis of the body extending and approximately perpendicular directions in each case an overview recording with a respective beam path is generated and the X-ray source for linewise exposure of the two image planes is additionally moved along the longitudinal axis between two positions, so that by means of positioned in the respective beam path of the X-ray source front and rear locators, are embedded in the fiducials with known geometry, the position of the X-ray source relative to Image plane and based on the overview images the coordinates of points of the probe or electrode can be determined.

Nach dem hier erfundenen Verfahren können mittels zweier Übersichtsaufnahmen unter Verwendung von dafür geeigneten Lokalisatoren, die am stereotaktischen Ring oder einer anderen, patientenfesten Halterung befestigt sind, Positionen im Gehirn genau bestimmt werden. Die Aufnahmen müssen dabei so angefertigt werden, dass mindestens je zwei gegenüberliegende Lokalisatoren im Bild sichtbar sind und die Aufnahmen etwa rechtwinkelig zueinander stehen. Aus der bekannten Geometrie der Fiducials lässt sich dann mit Hilfe des Strahlensatzes oder anderer mathematischer Verfahren die Position der Röntgenquelle relativ zur Bildebene bestimmen. Anhand zweier solcher Aufnahmen lassen sich dann durch Rückprojektion oder ähnliche mathematische Verfahren die Koordinaten von Punkten wie beispielsweise der Sondenspitze bestimmen.According to the method invented here, positions in the brain can be accurately determined by means of two overview images using suitable localizers, which are fastened to the stereotactic ring or another holder fixed to the patient. The images must be made in such a way that at least two opposing localizers are visible in the image and the images are approximately at right angles to each other. From the known geometry of the fiducials, the position of the X-ray source relative to the image plane can then be determined with the aid of the beam set or other mathematical methods. Using two such images, the coordinates of points such as the tip of the probe can then be determined by back-projection or similar mathematical methods.

Da zwei Aufnahmen verwendet werden, kann durch Überkreuzprojektion und Schnittpunktberechnung der Rückprojektionsgeraden die räumliche Ortsbestimmung durchgeführt werden.Since two images are used, the spatial position determination can be carried out by cross-projection and intersection calculation of the back projection line.

Dabei werden die unterschiedlichen Abbildungsmethoden entlang der Körperachse und senkrecht zur Körperachse, lineares Scannen und Projektion, berücksichtigt. Ebenfalls wird die gekrümmte Bildebene berücksichtigt, sofern diese nicht eben ist.The different imaging methods along the body axis and perpendicular to the body axis, linear scanning and projection are taken into account. Also, the curved image plane is taken into account, if it is not flat.

Diese intraoperativ bestimmten Positionen können dann mit den für den Eingriff geplanten Positionen verglichen werden, um den richtigen Operationsfortgang zu bestätigen oder, bei Abweichungen, alternative Abläufe zu planen.These intra-operatively determined positions can then be compared with the positions planned for the procedure in order to confirm the correct operation progress or, in the event of deviations, to plan alternative procedures.

Mit der hier beschriebenen Erfindung der stereotaktischen, intraoperativen Positionsbestimmung im Computertomographen kann die Positionsbestimmung der Sondenspitze während der Operation direkt erfolgen, und damit genauer und sicherer als mit indirekten Methoden wie etwa der Neuronavigation, bei der lediglich der aus dem Körper herausragende Teil der Sonde vermessen werden kann. Diese sichere und genaue Positionsbestimmung ist beispielsweise bei Eingriffen wie der Deep Brain Stimulation als Therapie der Parkinsonschen Krankheit vorteilhaft. Hier hängt der Operationserfolg entscheidend von der Positionierung der implantierten Dauerstimulationselektrode ab. Neben der geringeren Strahlenbelastung und der verkürzten Aufnahmezeit ergibt sich als weiterer erheblicher Vorteil des Verfahrens die Abbildung von Sonden und Elektroden ohne die bei Schnittbildaufnahmen häufigen Bildstörungen. Weiter wird die in der Neuronavigation zeitaufwendige und fehleranfällige Referenzierung nicht benötigt.With the invention of the stereotactic, intraoperative position determination in the computer tomograph described here, the position of the probe tip during the operation can be done directly, and thus more accurate and secure than with indirect methods such as neuronavigation, in which only the protruding from the body part of the probe are measured can. This safe and accurate positioning is advantageous, for example, in procedures such as deep brain stimulation as a therapy of Parkinson's disease. Here, the success of the operation depends crucially on the positioning of the implanted permanent stimulation electrode. In addition to the lower radiation exposure and the shortened recording time results in a further significant advantage of the method, the imaging of probes and electrodes without the frequent image acquisition in cross-sectional images. Furthermore, the time-consuming and error-prone referencing required in neuronavigation is not needed.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageous embodiments of the method according to the invention are described in the subclaims.

Beschreibung der : Sicht von der Kopfseite des Patienten durch die Gantry des Computertomographen. Die Röntgenquelle des Computertomographen in der Stellung 1 belichtet eine Bildebene, z. B. eine Anzahl von Detektoren im Detektorring, in Stellung 2. Für die seitliche Aufnahme befindet sich die Röntgenquelle des Computertomographen in Stellung 3 und belichtet die Bildebene in Stellung 4. Röntgenquelle und Bildebene können gemeinsam um den Patienten rotiert werden. Je zwei der Lokalisatoren 5 befinden sich im Strahlengang der Röntgenquelle zur Bildebene.description of : View from the head side of the patient through the gantry of the computer tomograph. The X-ray source of the computer tomograph in position 1 Illuminates an image plane, eg. B. a number of detectors in the detector ring, in position 2 , For the lateral recording, the X-ray source of the computer tomograph is in position 3 and exposes the image plane in position 4 , X-ray source and image plane can be rotated together around the patient. Two of the localizers 5 are located in the beam path of the X-ray source to the image plane.

Beschreibung der : Seitliche Ansicht des Patienten. Die Röntgenquelle wird relativ zum Patienten von Position 6 nach 7 bewegt. Dadurch wird die Bildebene 8 zeilenweise belichtet. Der vordere und der hintere Lokalisator befinden sich im Strahlengang.description of : Lateral view of the patient. The X-ray source is positioned relative to the patient 6 to 7 emotional. This will cause the image plane 8th exposed line by line. The front and rear locators are located in the beam path.

Claims (11)

Verfahren zur Positionsbestimmung einer Sonde oder Elektrode im Körper eines Patienten, wobei mittels einer bewegbaren Röntgenquelle durch Belichtung jeweils einer Bildebene aus zwei senkrecht zu einer Längsachse des Körpers verlaufenden und etwa rechtwinklig zueinander stehenden Richtungen (1, 3) jeweils eine Übersichtsaufnahme mit einem jeweiligen Strahlengang erzeugt und die Röntgenquelle zur zeilenweisen Belichtung der beiden Bildebenen jeweils zusätzlich entlang der Längsachse zwischen zwei Positionen (6) bewegt wird, so dass mittels im jeweiligen Strahlengang der Röntgenquelle positionierter vorderer und hinterer Lokalisatoren (5), in die Fiducials mit bekannter Geometrie eingebettet sind, die Position der Röntgenquelle relativ zur Bildebene und anhand der Übersichtsaufnahmen die Koordinaten von Punkten der Sonde oder Elektrode bestimmbar sind.A method for determining the position of a probe or electrode in the body of a patient, wherein by means of a movable X-ray source by exposure of each image plane of two perpendicular to a longitudinal axis of the body and approximately perpendicular directions ( 1 . 3 ) generates in each case an overview image with a respective beam path and the X-ray source for linewise exposure of the two image planes in each case additionally along the longitudinal axis between two positions ( 6 ) is moved, so that by means positioned in the respective beam path of the X-ray source front and rear localizers ( 5 ), are embedded in the fiducials with known geometry, the position of the X-ray source relative to the image plane and the overview of the coordinates of points of the probe or electrode can be determined. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Übersichtsaufnahmen ScoutViews oder Topogramme sind.Method according to Claim 1, in which the overview images are ScoutViews or topograms. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Koordinaten einer Sondenspitze bestimmt werden.The method of claim 1 or 2, wherein the coordinates of a probe tip are determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Lokalisatoren (5) an einem stereotaktischen Ring oder an einer patientenfesten Halterung befestigt sind.Method according to one of Claims 1 to 3, in which the localizers ( 5 ) are attached to a stereotactic ring or to a patient-fixed holder. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem zwei Lokalisatoren (5) an dem stereotaktischen Ring einander gegenüberstehend angeordnet sind und entsprechend der Beleuchtung aus den zwei Richtungen (1, 3) gemeinsam um die Längsachse rotiert werden. Method according to Claim 4, in which two localizers ( 5 ) are arranged on the stereotactic ring facing each other and according to the illumination from the two directions ( 1 . 3 ) are rotated together about the longitudinal axis. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Koordinaten der Punkte durch Rückprojektion oder andere mathematische Verfahren bestimmt werden.Method according to one of claims 1 to 5, wherein the coordinates of the points are determined by back projection or other mathematical methods. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Koordinaten der Punkte unter Berücksichtigung der Krümmung der Bildebenen bestimmt werden.Method according to one of claims 1 to 6, wherein the coordinates of the points are determined taking into account the curvature of the image planes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Dimension und Geometrien der Fiducials eine rechnerische Korrektur unterschiedlicher Abbildungsmaßstäbe erlauben.Method according to one of claims 1 to 7, wherein the dimensions and geometries of the fiducials allow a computational correction of different magnifications. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Fiducials rechteckig sind.Method according to one of claims 1 to 8, wherein the fiducials are rectangular. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Fiducials Streifen oder andere Markierungen senkrecht oder parallel zur Längsachse aufweisen, um anhand deren Abbildung eine rechnerische Korrektur von Vorschubfehlern und Toleranzen oder der gekrümmten Bildebenen durchzuführen.Method according to one of Claims 1 to 9, in which the fiducials have strips or other markings perpendicular or parallel to the longitudinal axis in order to carry out a mathematical correction of feed errors and tolerances or of the curved image planes on the basis of their imaging. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Verfahren mittels eines Computertomographen ausgeführt wird.Method according to one of claims 1 to 10, wherein the method is carried out by means of a computer tomograph.
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