DE102014211271A1

DE102014211271A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Berechnung einer einzustellenden Position eines Aufnahmesystems

Info

Publication number: DE102014211271A1
Application number: DE102014211271.0A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Kleinszig; Florian Mahn
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2014-05-19
Filing date: 2014-06-12
Publication date: 2015-11-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Berechnung einer einzustellenden Position eines Aufnahmesystems, das eines oder mehrerer Bilder von einem interessierenden Objekt aus einer oder mehrerer Projektionsrichtungen aufnehmen kann, wobei die Bilder durch Rotation des Aufnahmesystems um das Objekt und/oder durch Verschiebung des Aufnahmesystems zum/vom Objekt hin/weg aufgenommen werden. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: a) Verwendung zumindest einer ersten Bildaufnahme (AP; L) von dem interessierenden Objekt (9) aus einer ersten Projektionsrichtung, b) Erkennen eines für einen interventionellen Eingriff definierten Zielbereichs (W) des interessierenden Objektes in der zumindest einen ersten Bildaufnahme, c) Ermitteln einer für den interventionellen Eingriff günstigen zweiten Projektionsrichtung (LP; APP) für wenigstens eine zweite Bildaufnahme von dem definierten Zielbereich des interessierenden Objekts, d) Anzeigen wenigstens einer änderbaren, optischen Markierung (M) im oder nahe des Zielbereichs an einer Anzeigevorrichtung (8) zur Anzeige der ersten Bildaufnahme und e) Berechnung der einzustellenden Position des Aufnahmesystems zur Aufnahme der wenigstens einen zweiten Bildaufnahme in Abhängigkeit von den sich aus der Markierung ergebenden Koordinaten und der ermittelten zweiten Projektionsrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Berechnung einer einzustellenden Position eines Aufnahmesystems, das eines oder mehrerer Bilder von einem interessierenden Objekt aus einer oder mehrerer Projektionsrichtungen aufnehmen kann, wobei die Bilder durch Rotation des Aufnahmesystems um das Objekt und/oder durch Verschiebung des Aufnahmesystems zum/vom Objekt hin/weg aufgenommen werden.
Hintergrund der Erfindung
Während einer Intervention werden zur Navigation der Instrumente, beispielsweise im Bandscheibenfach, mit Hilfe von fluoroskopischer Durchleuchtung Echtzeitbilder gewonnen. Verglichen mit dreidimensionalen (3-D) Angio(graphie)-Bildern zeigen diese Durchleuchtungs- oder zweidimensionalen (2-D) Bilder zwar keine räumlichen (3-D) Details, sie sind jedoch schneller verfügbar und minimieren die Strahlenbelastung für Patient und Arzt.
In der Wirbelsäulenchirurgie ist eine Projektion parallel zum Bandscheibenfach der zu operierenden Wirbel notwendig. Eine solche Einstellung erleichtert das genaue Platzieren von Instrumenten und Implantaten, wie z.B. Pedikelschrauben. Eine genaue Einstellung der Projektionsrichtungen ist Grundlage für ein optimales Operationsergebnis. Dies erfordert eine Kenntnis über die Projektionsrichtungen „Anterior-Posterior“ und „Lateral“ sowie eine entsprechende Positionierung des Aufnamesystems z.B. an einem C-Bogens eines C-Bogen-Röntgengeräts.
Das Auffinden einer solchen Projektion ist oft sehr zeitaufwendig und röntgenstrahlungsintensiv.
Meist sind auch Messungen in Bildern z.B. vor und nach dem Aufrichten des Bandscheibenfaches nicht genau möglich, da die Bilder nicht exakt aus derselben Richtung aufgenommen wurden.
Bisher wird dies durch eine Versuch-Irrtum-Methode mit vielen Aufnahmen gelöst. Es folgen dabei oft suboptimale Ergebnisse bei der Einstellung dieser Projektionen und nachfolgend auch ungenauen Platzierungen von Implantaten.
Um eine annähernde Vergleichbarkeit von Bildern zu erreichen, versucht man möglichst genau, ohne ein Hilfsmittel, die ursprüngliche Richtung zu treffen. Dieses Vorgehen ist entweder sehr zeitaufwendig bzw. erfordert unnötig viele Probeaufnahmen.
Aus US 6,195,409 B1 ist eine Methode zur Bestimmung der Orientierung und Lokalisierung von standard-tomographischen Schichten für eine automatische Patientenscanvorschrift bekannt. In Spalte 7, Zeilen 1 bis 4 dieser Druckschrift wird schon darauf hingewiesen, dass es schwierig ist, manuell eine Scanvorschrift entlang des Rückmarks zu finden, insbesondere wenn die Wirbelsäule gebogen ist.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass die oben genannten Problem überwunden werden.
Darstellung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Erfindung beansprucht ein Verfahren zur Berechnung einer einzustellenden Position eines Aufnahmesystems, das eines oder mehrerer Bilder von einem interessierenden Objekt aus einer oder mehrerer Projektionsrichtungen aufnehmen kann, wobei die Bilder durch Rotation des Aufnahmesystems um das Objekt und/oder durch Verschiebung des Aufnahmesystems zum/vom Objekt hin/weg aufgenommen werden, aufweisend folgende Schritte:

a) Verwendung zumindest einer ersten Bildaufnahme von dem interessierenden Objekt aus einer ersten Projektionsrichtung,
b) Erkennen eines für einen interventionellen Eingriff definierten Zielbereichs des interessierenden Objektes in der zumindest einen ersten Bildaufnahme,
c) Ermitteln einer für den interventionellen Eingriff günstigen zweiten Projektionsrichtung für wenigstens eine zweite Bildaufnahme von dem definierten Zielbereich des interessierenden Objekts,
d) Anzeigen wenigstens einer änderbaren, optischen Markierung im oder nahe des Zielbereichs an einer Anzeigevorrichtung zur Anzeige der ersten Bildaufnahme und
e) Berechnung der einzustellenden Position des Aufnahmesystems zur Aufnahme der wenigstens einen zweiten Bildaufnahme in Abhängigkeit von den sich aus der Markierung ergebenden Koordinaten und der ermittelten zweiten Projektionsrichtung.

Mit der Erfindung können Implantate bei einer Intervention genauer platziert werden, wobei unnötige Röntgenaufnahmen vermieden werden.
Vorzugsweise ist die zweite Projektionsrichtung möglichst orthogonal zur ersten Projektionsrichtung ausgerichtet, um eine optimale Ansicht für eine Instrumentennavigation zu bieten.
Zur Ermittlung der zweiten Projektionsrichtung in obigen Schritt c) kann wenigstens eine zweite Bildaufnahme von dem interessierenden Objekt aus einer zweiten Projektionsrichtung verwendet werden.
Folgende weitere Schritte können durchgeführt werden:

– Erkennen des für den interventionellen Eingriff definierten Zielbereichs des interessierenden Objektes in der wenigstens einen zweiten Bildaufnahme und
– Anzeigen wenigstens einer änderbaren, optischen Markierung im oder nahe des Zielbereichs an einer Anzeigevorrichtung zur Anzeige der zweiten Bildaufnahme, wobei die sich aus der Markierung ergebenden Koordinaten in die Berechnung der einzustellenden Position des Aufnahmesystems einfließen.

Das Aufnahmesystem kann dabei in die berechnete, einzustellende Position automatisch z.B. mit Hilfe eines Motors und/oder Roboters und/oder manuell durch den Benutzer geführt werden.
Die eine der beiden Projektionsrichtungen z.B. die erste Projektionsrichtung repräsentiert eine Anterior-Posterior-Ansicht und die andere der beiden Projektionsrichtungen z.B. die zweite Projektionsrichtung repräsentiert eine Lateral-Ansicht oder umgekehrt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung, insbesondere ein medizinisches Gerät, welches zur Durchführung des oben genannten Verfahrens hardwaremäßig und/oder firmwaremäßig und/oder softwaremäßig ausgebildet ist.
Die kann als ein medizinisches Gerät z.B. eine Röntgen(diagnostik)einrichtung, Computertomograph oder ein C-Bogen-Gerät mit einem Aufnahmesystem oder auch als Bildsystem für die genannten Geräte ausgebildet sein.
Die oben genannten Weiterbildungen der Erfindung in Hinblick auf das Verfahren gelten entsprechend für die Vorrichtung.
Beschreibung eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele
Nachstehend werden vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
1 eine Röntgendiagnostikeinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 einen beispielhaften Ablauf des erfindungsgemäßen Vorgehens.
In 1 ist eine Röntgendiagnostikeinrichtung, zum Beispiel ein C-Bogen-System 1 dargestellt, die einen drehbaren gelagerten C-Bogen 2 aufweist, an dessen Enden eine Röntgenstrahlungsquelle, beispielsweise ein Röntgenstrahler 3, und ein Röntgenbilddetektor 4 angebracht sind. Der Röntgenbilddetektor 4 kann ein rechteckiger oder quadratischer, flacher Halbleiterdetektor sein, der vorzugsweise aus amorphem Silizium hergestellt ist. Röntgenquelle und -detektor bilden ein Aufnahmesystem. Im Strahlengang der Röntgenstrahlungsquelle 3 befindet sich ein Patientenlagerungstisch 5 zur Aufnahme eines interessierenden Zielbereichs, zum Beispiel ein Bandscheibenfach eines zu untersuchenden Objektes, hier des Patienten 9. An der Röntgendiagnostikeinrichtung ist ein Bildsystem 6 angeschlossen, das die Bildsignale des Röntgendetektors 4 empfängt und verarbeitet. Das Bildsystem 6 umfasst desweiteren einen Auswerterechner 7 und eine Anzeigevorrichtung 8, vorzugsweise ausgebildet als ein Dual-Monitor-System.
Zur Erstellung von 3-D-Bilddatensätzen wird der drehbar gelagerte C-Bogen 2 mit Röntgenstrahler 3 und Bilddetektor 4 gedreht. Die Röntgenstrahlungsquelle 3 imitiert einen von einem Strahlenfokus der Röntgenstrahlungsquelle 3 ausgehendes Strahlenbündel 10, das auf den Röntgenbilddetektor 4 trifft. Die Röntgenstrahlungsquelle 2 und der Röntgenbilddetektor 4 laufen jeweils so um den interessierenden Zielbereich herum, dass sich die Röntgenstrahlungsquelle 2 und der Röntgenbilddetektor 4 auf entgegengesetzten Seiten des interessierenden Zielbereichs gegenüber liegen.
Es sind auch sogenannte Biplan-Röntgengerät mit zwei C-Bögen für einen solchen Einsatz denkbar.
2 zeigt einen beispielhaften Ablauf (Workflow) des erfindungsgemäßen Vorgehens, das beispielsweise im Bildsystem 6 implementiert sein kann.
Um eine für eine chirurgische Intervention geeignete Projektionsrichtung zu ermitteln bzw. zu berechnen, wird wenigstens ein Bild erfasst. Vorzugsweise werden zwei Bilder aus unterschiedlichen Aufnahmeansichten aufgenommen bzw. erfasst, für die der untenstehend Ablauf näher beschrieben wird. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Aufnahmeansichten orthogonal zueinander angeordnet z.B. Anterior-Posterior und Laterale Ansicht.

1. Aufnahme wenigstens eines Bildes L, das den Zielbereich z.B. ein Bandscheibenfach ungefähr in der lateralen Ansicht zeigt.
2. Aufnahme wenigstens eines Bildes AP, das den Zielbereich ungefähr in der anterior-posterior Ansicht zeigt.
3. Automatische Erkennung z.B. mit optischen Markierung bzw. ggf. manuelle optische Markierung zur Definition des Zielbereichs. Im definierten Zielbereich W können ein oder mehrere erkannte Wirbelkörper und/oder Bandscheibenfächer liegen. a. Im Bild AP wird mit einer änderbaren optischen Markierung M im oder nahe des Zielbereichs W die korrekte laterale Projektionsrichtung angegeben. b. Im Bild L wird mit einer änderbaren optischen Markierung M) im oder nahe des Zielbereichs W die korrekte anterior-posterior Projektionsrichtung angegeben. c. C-Bogen Positionierung bzw. Positionierung des Aufnahmesystems anhand einer berechneten Projektionsrichtung aus den Koordinaten der Markierungen und der angegebenen, einzustellenden Projektionsrichtungen LP und APP. d. GGf. Aufnahme zumindest eines zweiten Bildes nach der Positionierung gemäß c.

Die C-Bogen- bzw. Aufnahmesystem Positionierung kann automatisch mit Hilfe eines Motors oder eine Roboters Komplett motorisiert und automatisch in die gewünschte Position durchgeführt werden. Auch eine manuelle Positionierung des C-Bogens bzw. des Aufnahmesystems durch den Benutzer ist denkbar.
Diese Methode kann auch zum Vergleich von zeitlich unterschiedlichen Aufnahmen verwendet werden. So können pre- und postoperative Bilder direkt miteinander verglichen werden. Dies erlaubt eine softwarebasierte automatische Auswertung von klinischen Parametern, wie z.B. Lordose-/Kyphosewinkel bzw. erreichte Bandscheibenhöhe nach dem interventionellen Eingriff etc.
Mit dieser Methode kann das Aufnahmesystem wieder genau positioniert werden. Es können Vergleichsmessungen zur Evaluierung klinisch relevanter Parameter, z.B. Höhe des Bandscheibenfaches vor und nach der Platzierung eines Implantates, durchgeführt werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: C-Bogen-System
2: C-Bogen
3: Röntgenstrahlungsquelle
4: Röntgenbilddetektor
5: Patientenlagerungstisch
6: Bildsystem
7: Auswerterechner
8: Anzeigevorrichtung
9: Patient
10: Strahlenbündel
AP: Anterior-Posterior-Bildaufnahme
L: Lateral-Bildaufnahme
W: erkannter bzw. definierter Zielbereich
M: optische Markierung(en)
LP: Berechnete Lateral-Projektionsrichtung
APP: Berechnete Anterior-Posterior-Projektionsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6195409 B1 [0008]

Claims

Verfahren zur Berechnung einer einzustellenden Position eines Aufnahmesystems, das eines oder mehrerer Bilder (L, AP) von einem interessierenden Objekt (9) aus einer oder mehrerer Projektionsrichtungen aufnehmen kann, wobei die Bilder durch Rotation des Aufnahmesystems um das Objekt und/oder durch Verschiebung des Aufnahmesystems zum Objekt hin und/oder vom Objekt weg aufgenommen werden, aufweisend folgende Schritte: a) Verwendung zumindest einer ersten Bildaufnahme (AP; L) von dem interessierenden Objekt (9) aus einer ersten Projektionsrichtung, b) Erkennen eines für einen interventionellen Eingriff definierten Zielbereichs (W) des interessierenden Objektes in der zumindest einen ersten Bildaufnahme, c) Ermitteln einer für den interventionellen Eingriff günstigen zweiten Projektionsrichtung (LP; APP) für wenigstens eine zweite Bildaufnahme von dem definierten Zielbereich des interessierenden Objekts, d) Anzeigen wenigstens einer änderbaren, optischen Markierung (M) im oder nahe des Zielbereichs an einer Anzeigevorrichtung (8) zur Anzeige der ersten Bildaufnahme und e) Berechnung der einzustellenden Position des Aufnahmesystems zur Aufnahme der wenigstens einen zweiten Bildaufnahme in Abhängigkeit von den sich aus der Markierung ergebenden Koordinaten und der ermittelten zweiten Projektionsrichtung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Projektionsrichtung möglichst orthogonal zur ersten Projektionsrichtung ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der zweiten Projektionsrichtung in Schritt c) wenigstens eine zweite Bildaufnahme (AP;L) von dem interessierenden Objekt aus einer zweiten Projektionsrichtung verwendet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Schritte durchgeführt werden: – Erkennen des für den interventionellen Eingriff definierten Zielbereichs (W) des interessierenden Objektes (P) in der wenigstens einen zweiten Bildaufnahme und – Anzeigen wenigstens einer änderbaren, optischen Markierung (M) im oder nahe des Zielbereichs an einer Anzeigevorrichtung (8) zur Anzeige der zweiten Bildaufnahme, wobei die sich aus der Markierung ergebenden Koordinaten in die Berechnung der einzustellenden Position des Aufnahmesystems einfließen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmesystem in die berechnete, einzustellende Position automatisch geführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eine der beiden Projektionsrichtungen eine Anterior-Posterior-Ansicht repräsentiert und die andere der beiden Prjektionsrichtungen eine Lateral-Ansicht repräsentiert.
Medizinische Vorrichtung mit einem Aufnahmesystem, ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend: a) Mittel zur Verwendung zumindest einer ersten Bildaufnahme (AP; L) von dem interessierenden Objekt (9) aus einer ersten Projektionsrichtung, b) Mittel zum Erkennen eines für einen interventionellen Eingriff definierten Zielbereichs (w) des interessierenden Objektes in der zumindest einen ersten Bildaufnahme, c) Mittel zum Ermitteln einer für den interventionellen Eingriff günstigen zweiten Projektionsrichtung (LP, APP) für wenigstens eine zweite Bildaufnahme von dem definierten Zielbereich des interessierenden Objekts, d) Mittel zum Anzeigen wenigstens einer änderbaren, optischen Markierung (M) im oder nahe des Zielbereichs an einer Anzeigevorrichtung zur Anzeige der ersten Bildaufnahme und e) Mittel zur Berechnung der einzustellenden Position des Aufnahmesystems zur Aufnahme der wenigstens einen zweiten Bildaufnahme in Abhängigkeit von den sich aus der Markierung ergebenden Koordinaten und der ermittelten zweiten Projektionsrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der zweiten Projektionsrichtung wenigstens eine zweite Bildaufnahme von dem interessierenden Objekt aus einer zweiten Projektionsrichtung verwendbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eine der beiden Projektionsrichtungen eine Anterior-Posterior-Ansicht repräsentiert und die andere der beiden Prjektionsrichtungen eine Lateral-Ansicht repräsentiert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche 8 oder 9, aufweisend: – Mittel zum Erkennen des für den interventionellen Eingriff definierten Zielbereichs (W) des interessierenden Objektes in der wenigstens einen zweiten Bildaufnahme und – Mittel zum Anzeigen wenigstens einer änderbaren, optischen Markierung (M) im oder nahe des Zielbereichs an einer Anzeigevorrichtung zur Anzeige der zweiten Bildaufnahme, wobei die sich aus der Markierung ergebenden Koordinaten in die Berechnung der einzustellenden Position des Aufnahmesystems einfließen.