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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Ermittlung der Bewegung eines Objekts in einer Bildgebungseinrichtung.
Insbesondere bezieht sich eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung auf eine dreidimensionale Bewegung eines Patienten, der
auf einer Liege zwischen einer Strahlungsquelle und einem Strahlungsempfänger einer bildgebenden
Einrichtung positioniert ist.
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Auf
dem Gebiet der medizinischen Bildgebung ist es bekannt, strahlungsopake
(d.h. für
die Strahlung durchscheinend ausgebildete) Marker, die auf einem
Objekt, wie beispielsweise einem Patienten, positioniert sind, als
Referenzpunkte zu nutzen, um die Führung von Operationsinstrumenten
während
einer Operation zu unterstützen
und/oder die Zusammenführung
von Bildern beispielsweise die Überlagerung
von Bildern, die von einer bildgebenden Einrichtung akquiriert worden
sind, zu gestatten. Die bildgebende Einrichtung weist bekanntermaßen ein
Mittel auf, das eine Strahlungsquelle, wie beispielsweise Röntgenstrahlenquelle
bildet, die einem Mittel zum Empfang eines Bildes gegenüber liegend angeordnet
ist, wobei das eine Strahlungsquelle bildende Mittel und das Mittel
zur Aufnahme eines Bilds in relativer Drehung um wenigstens eine
Achse, üblicherweise
drei Achsen, gehalten sind, wobei Mittel zum Betrieb, Mittel zur
Akquisition, Mittel zur Visualisierung der Bilder und Steuerungsmittel
vorhanden sind. Der Patient wird auf einer Liege positioniert, die in
drei möglichen
Translationsrichtungen in Bezug auf einen gegebenen Raum bewegt
werden kann, d.h. längs,
seitlich und vertikal, so dass derjenige Teil des Patientenkörpers, der
zu untersuchen und/oder zu behandeln ist, sich zwischen dem die
Strahlungsquelle bildenden Mittel und dem Bildaufnahmemittel erstreckt.
Diese Mobilität
der Liege und der Strahlungsquelle und des Bildempfängers gestatten
es einem Praktiker, Bilder von jedem Teil des Körpers eines Patienten zu akquirieren,
der auf der Liege liegt. Beispielsweise ist es üblich, zweidimensionale fluoroskopische
Bilder, die durch Beleuchtung des Patienten mit niedrigen Röntgenstrahlendosen
bei einer Operation erhalten worden sind, zu nutzen, um das Instrument
in dem zu behandelnden Patientenorgan zu führen. Die mit diesen fluoroskopischen
Bildern zusammenhängende
Information kann vorzugsweise in dreidimensionale rekonstruierte
Bilder eingeführt oder übersetzt
werden, um die Führung
der Operationsinstrumente zu verbessern. Alternativ können akquirierte
dreidimensionale Bilder auf die während der Intervention akquirierten
zweidimensionalen fluoroskopischen Bilder projiziert werden.
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Um
diese Projektion von 3D-Bildern auf fluoroskopische 2D-Bilder oder
umgekehrt die Umsetzung der fluoroskopischen 2D-Bildinformation
in 3D-Bilder zu ermöglichen,
ist es notwendig, die Akquisitionsparameter der fluoroskopischen
2D-Bilder in Bezug
auf die untersuchte Patientenkörperregion zu
bestimmen. Dies ist beispielsweise in der
US 6359960 der Fall, die ein Verfahren
zur automatischen Bestimmung der dreidimensionalen Bestimmung von
Koordinaten von Markern ohne Intervention eines Benutzers beschreibt.
Das Verfahren beinhaltet die Erfassung der Positionen der Marker
in zweidimensionalen Projektionen, dann durch eine inverse Projektion,
die Bestimmung der Koordinaten der Marker identifiziert in drei
Dimensionen, wobei die Geometrie der Projektionen bekannt ist.
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Diese
Verfahren zur Bestimmung der dreidimensionalen Koordinaten von an
dem Patienten plazierten Marker machen es möglich, bei einer Operation
chirurgische Instrumente zu führen
und/oder Bilder miteinander zu kombinieren, beispielsweise indem
3D-Bilder in radiografische 2D-Bilder projiziert werden oder umgekehrt.
Diese Verfahren gehen dessen ungeachtet davon aus, dass der Patient
perfekt in Ruhe bleibt, wenn die dreidimensionalen Koordinaten der
Marker bestimmt werden. Jedoch ist es sehr wahrscheinlich, dass
sich der Patient während der
Prozedur bewegt, was dann zu einer Ungenauigkeit in den Projektionen
der 3D-Bilder in radiografische Bilder oder umgekehrt führt, was
zu einem Interpretationsfehler bei den visualisierten Bildern führen kann.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung überwindet
diesen Nachteil, indem ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung
der dreidimensionalen Bewegung eines Patienten vorgeschlagen wird,
der zwischen einer Röntgenstrahlungsquelle
und einem Bildempfänger
einer bildgebenden Röntgeneinrichtung auf
einer Liege positioniert ist, wobei die Projektion des dreidimensionalen
Bilds des Körpers
des Patienten in radiografische Bilder und/oder die Repositionierung
zweidimensionaler fluoroskopischer Bildinformation in dreidimensionale rekonstruierte
Bilder justiert wird, die auf Visualisierungsmitteln der bildgebenden
Einrichtung wiedergegeben werden.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Bestimmung der dreidimensionalen Bewegung eines
Objekts, das auf einem Lagerungsmittel zwischen einem eine Strahlungsquelle
bildenden Mittel und einem bildaufnehmenden Mittel positioniert
ist, wobei das eine Strahlungsquelle bildende Mittel dem Bildaufnahmemittel
gegenüber
liegend angeordnet ist, wobei das eine Strahlungsquelle bildende
Mittel und das bildaufnehmende Mittel um wenigstens eine Achse drehbar
angetrieben sind, wobei Betriebsmittel, Mittel zur Bildakquisition,
Mittel zur Visualisierung der Bilder sowie Steuermittel vorgesehen
sind.
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Eine
Ausführungsform
des Verfahrens und der Vorrichtung bezieht sich auf die Ermittlung
der dreidimensionalen Bewegung eines Objekts, das zwischen einem
eine Strahlungsquelle bildenden Mittel und einem Bildaufnahmemittel
in einer bildgebenden Einrichtung auf einem Unterstützungsmittel
positioniert ist. Das Verfahren und die Vorrichtung beziehen sich
insbesondere auf die Platzierung einer Anzahl von Markern, die wenigstens
drei strahlungsopake Marker umfassen, auf einem Objektkörper, wobei
die Marker einen festen Referenzrahmen bilden. Das Aufnehmen oder
Akquirieren wenigstens eines ersten radiografischen Bilds des Objekts
in einer ersten bestimmten Fixposition der bildgebenden Einrichtung
erfolgt in dem von den Markern gebildeten Referenzrahmen. Das Aufnehmen
oder Akquirieren wenigstens eines zweiten radiografischen Bilds
des Objekts in einer zweiten bestimmten Fixposition der bildgebenden
Apparatur erfolgt in dem Referenzrahmen der Marker. Durch Bestimmung
einer Matrix der dreidimensionalen Be wegung des Objekts in Bezug
auf das eine Strahlungsquelle bildende Mittel der bildgebenden Einrichtung
auf Basis der zweidimensionalen Bewegungen der Marker in den radiografischen
Bildern, wird ein Mittel geschaffen, mit dem die Strahlungsquelle
einen fixen Referenzrahmen bildet.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Andere
Vorzüge
und Charakteristika verstehen sich besser aus der folgenden Beschreibung
verschiedener alternativer Ausführungsformen,
die auf Basis der beigefügten
Zeichnungen als nicht beschränkende
Beispiele des Verfahrens dienen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Perspektivansicht einer Ausführungsform einer bildgebenden
Einrichtung,
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2 eine
Perspektivansicht des Kopfs eines Patienten, der ein Kopfträgerteil
mit strahlungsopaken Markern trägt,
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3 eine
schematische Perspektivansicht der Bewegung der Projektionen der
Marker auf einem Bildempfänger
aus einer ersten Position in eine zweite Position,
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4 eine
schematische Perspektivansicht der Bewegung der Projektionen der
Marker auf dem Bildempfänger
und einer Strahlungsquelle gemäß einer
Homografie, die durch die Ebene der Marker induziert wird, die einen
fixierten Referenzrahmen bilden und
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5 eine
schematische Veranschaulichung eines Verfahrens zur Erzeugung eines
radiografischen Bilds.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Wie
in 1 veranschaulicht, weist eine bildgebende Einrichtung 1 konventionellerweise
ein Mittel 2 zur Aufnahme eines Bilds (wie beispielsweise
einen digitalen Bildempfänger)
und ein Mittel 3 auf, das Strahlung wie beispielsweise
Röntgenstrahlung
liefert und Strahlung auf das Mittel 2 zur Aufnahme eines
Bildes sendet, wobei das Mittel 2 zur Aufnahme eines Bilds
und das Mittel 3, das eine Strahlungsquelle bildet, an
entsprechenden Enden eines C- oder U-förmigen Arms 4 positioniert
ist. Der Arm 4 dreht sich um drei Achsen 5, 5' und 5'', die durch Punkte und Striche
schematisch veranschaulicht sind. Der C-förmige Arm 4 dreht
um eine Achse 5, die an einem Träger 6a gesichert ist,
der entlang eines Zwischenarms 6b verschiebbar ist. Der
Zwischenarm 6b kann um eine zweite Achse 5' drehen, die
zu der Fläche
einer L-förmigen
Basis 6c rechtwinklig orientiert ist, die mittels einer
Dreheinrichtung um eine vertikale Achse 5'' drehen
kann. Der C-förmige
Arm 4 kann deshalb um drei Achsen 5, 5', 5'' drehen, wobei die Achsen ein Referenzsystem
zur spezifischen Positionierung des C-förmigen Arms 4 bilden.
Eine Position des C-förmigen
Arms 4 kann somit in dem Referenzsystem, das durch die
drei Achsen 5, 5' und 5'' definiert ist, als Position durch
drei Winkel L, P und C ausgedrückt
werden, die der C-förmige
Arm 4 entsprechend mit den Achsen 5, 5' und 5'' einschließt. SID (Source Image Distance)
bezeichnet den Abstand, der das eine Strahlungsquelle bildende Mittel 3 von dem
Bildaufnahmemittel 2 trennt, wobei der Abstand SID gemäß der Position
des C- förmigen Arms
im Hinblick auf seine mechanische Deformation variiert.
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Die
bildgebende Einrichtung 1 weist außerdem einen justierbaren Kollimator 7 auf,
der an den Ausgang des eine Strahlungsquelle bildenden Mittels 3 angeordnet
ist. Die bildgebende Einrichtung 1 weist außerdem ein
Betriebsmittel 8 auf, das mit dem eine Strahlungsquelle
bildenden Mittel 3, dem Kollimator 7, dem Bildaufnahmemittel 2,
dem Akquisitionsmittel 9 und dem Visualisierungsmittel 10 verbunden
ist. Das Steuerungsmittel 11 kann eine Tastatur, eine Maus,
Steuertasten oder ähnliches
sein und ist mit dem Betriebsmittel 8 verbunden.
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Ein
Objekt, wie beispielsweise ein Patient P, ist auf einem Stützmittel 12,
wie beispielsweise einer Liege, positioniert, die sich zwischen
dem eine Strahlungsquelle bildenden Mittel 3 und dem Bildaufnahmemittel 2 erstreckt.
Um die dreidimensionale Bewegung des Objekts zu erfassen, ist das
Objekt mit einem Kopfträger 13 ausgerüstet, wie
in 2 veranschaulicht ist, wobei der Kopfträger strahlungsopake Marker 14 aufweist.
Die Marker liegen in einer gemeinsamen Ebene auf einem rechteckigen
Träger 15,
der sich über
der Stirn des Patienten P erstreckt. Es wird angemerkt, dass die
Liege 12 in drei möglichen
Translationsrichtungen bewegt werden kann, die einem gegebenen Raum
zugeordnet sind, d.h. in Längsrichtung,
seitlich und vertikal, um es einem Praktiker zu gestatten, Bilder
von jedem Teil des Körpers
eines Patienten zu akquirieren, der auf der Liege 12 liegt.
Es wird wenigstens ein erstes radiografisches Bild des Patienten
in einer ersten bestimmten Fixposition der bildgebenden Einrichtung
aufgenommen, in dem die Marker 14 erscheinen, ohne dass sich
der Patient bewegt hat und es wird ein zweites radiografisches Bild des
Patienten in einer zweiten bestimmten Fixposition der bildgebenden
Einrichtung aufgenommen, in dem die Marker 14 erscheinen,
wobei der Patient sich in Bezug auf seine Position bewegt hat, die
er bei der Aufnahme des ersten radiografischen Bilds eingenommen
hat. Die Matrix der dreidimensionalen Bewegung des Patienten in
Bezug auf die Strahlungsquelle wird dann auf der Basis der zweidimensionalen
Bewegungen der Marker in den radiografischen Bildern bestimmt, wobei
die Strahlungsquelle einen fixen Referenzrahmen bildet, d.h. ein
Referenzkoordinatensystem aufspannt. Die dreidimensionale Bewegung
M = (R/T) der Marker 14, d.h. des Patienten, ist äquivalent
zu der inversen Bewegung M–1 der Strahlungsquelle 3,
wie in 3 veranschaulicht, oder von Flächen, die die radiografischen
Bilder enthalten, wenn angenommen wird, dass die Marker im Raum
fest angeordnet sind. Der Begriff Bewegung der Marker 14 soll
eine dreidimensionale Starrkörperbewegung
bezeichnen, d.h. die die Marker voneinander trennenden Abstände bleiben
während
ihrer Bewegung unverändert.
In Bezug auf 3 bedeutet dies, dass die Bewegung
der Marker 14 aus einer ersten durch Kreuze repräsentierten
Position in eine zweite Position, in der die Marker 14 durch
Quadrate repräsentiert
werden, einer Bewegung der Strahlungsquelle 3 entspricht,
wie sie durch den Pfeil a angedeutet wird.
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Es
wird einerseits P1 = I1·E1 betrachtet, die Projektionsmatrix, die
der Position der bildgebenden Einrichtung entspricht, wenn das radiografische
Bild in der ersten Position der bildgebenden Einrichtung aufgenommen
wird, wobei I1 die Matrix der intrinsischen
Parameter der bildgebenden Einrichtung in ihrer ersten Position
und E1 die Matrix der extrinsischen Parameter
der bildgebenden Einrichtung in ihrer ersten Position ist, wobei
der Patient sich nicht bewegt hat und andererseits ist P2 = I2·E2 die Projektionsmatrix, die der Positi on
der bildgebenden Einrichtung entspricht, wenn das radiografische
Bild in der zweiten Position der bildgebenden Einrichtung aufgenommen
wird, wenn sich der Patient in Bezug auf die Position bewegt hat,
in der das erste radiografische Bild aufgenommen worden ist, wobei
I2 die Matrix der intrinsischen Parameter
der bildgebenden Einrichtung in ihrer zweiten Position und E2 die Matrix der extrinsischen Parameter
der bildgebenden Einrichtung in ihrer zweiten Position ist, wobei
die Bewegung M in der Form M = (R/T) = E1 –1·E2 geschrieben werden kann. Die Bewegung M
der Marker ist somit äquivalent
zu der Bewegung der extrinsischen Parameter zwischen den Positionen 1 und 2 der
bildgebenden Einrichtung 1 in dem fixierten Referenzrahmen
der Marker 14. Um die Bewegung M des Patienten zu ermitteln,
wird deshalb die Matrix der intrinsischen Parameter I1 der
bildgebenden Einrichtung bei der Aufnahme des ersten radiografischen
Bilds und die Matrix der intrinsischen Parameter I2 der
bildgebenden Einrichtung bei der Aufnahme des zweiten radiografischen
Bilds bestimmt, wobei die intrinsischen Parameter I1 und
I2 im Vorhinein durch irgendein geeignetes
Verfahren bestimmt worden sind, beispielsweise durch ein multistufiges
Kalibrationsverfahren, und sie sind gleich oder werden gleich gesetzt.
Es wird dann die Matrix der extrinsischen Parameter E2 der
bildgebenden Einrichtung bei der Aufnahme des zweiten radiografischen
Bilds als eine Funktion der Matrix der intrinsischen Parameter I1 der bildgebenden Einrichtung bei der Aufnahme
des ersten radiografischen Bilds bestimmt. Die inverse Matrix der
extrinsischen Parameter E1 –1 der
bildgebenden Einrichtung wird dann auf der Basis der intrinsischen
Parameter I1 bestimmt, wobei die Matrix
M dann die der dreidimensionalen Bewegung des Patienten entsprechende
Matrix M als Funktion der Inversmatrix E1 –1 der
extrinsischen Parameter E1 der bildgebenden
Einrichtung bestimmt wird, wenn das erste radiografische Bild aufgenommen und
die Matrix der extrinsischen Parameter E2 der
bildgebenden Einrichtung bestimmt wird, wenn das zweite radiografische
Bild aufgenommen wird.
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Gemäß einer
ersten alternativen Ausführungsform
des Verfahrens werden die extrinsischen Parameter E
2 unter
Nutzung der intrinsischen Parameter I
1 der
bildgebenden Einrichtung in ihrer ersten Position geschätzt, indem
das folgende Kriterium minimiert wird:
in der
die dreidimensionalen Positionen
sind, die durch die Projektionsmatrix I·E
2 in
das Bild projiziert worden sind und wobei
die zweidimensionalen Positionen
der Marker sind, die in dem zweiten radiografischen Bild beobachtet werden.
Nach Schätzung
der extrinsischen Parameter E
2 kann die
Bewegung M der Marker
14, d.h. der Patientenbewegung M
aus der ersten Gleichung extrahiert werden.
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Die
Matrix der intrinsischen Parameter I
1 der bildgebenden
Einrichtung
1 wird bei der Aufnahme des ersten radiografischen
Bilds entsprechend der so genannten Multibildkalibriermethode bestimmt,
indem ein 3D-Phantom bekannter Geometrie zwischen der Strahlungsquelle
3 und
dem Bildempfänger
2 platziert
wird und dann n Bilder des dreidimensionalen Phantoms in der bestimmten
Fixposition der bildgebenden Einrichtung
1 aufgenommen
werden, wobei n eine positive ganze Zahl in der Größenordnung von
30 ist und das 3D-Phantom gedreht und/oder zwischen zwei aufeinander
folgenden Bildern verschoben wird. Das 3D-Phantom enthält strahlungsopake
Elemente und kann beispielsweise, wie in der
US 5442674 beschrieben, eine Schraubenform
haben.
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Somit
werden, um die intrinsischen Parameter der bildgebenden Einrichtung
in einer bestimmten Fixposition zu bestimmen, n Bilder akquiriert
und dann die n Projektionsmatrizen, die den n Bildern entsprechen,
berechnet. Die bildgebende Einrichtung 1 bleibt während der
Akquisition der n radiografischen Bilder fix, wobei die intrinsischen
Parameter für
alle aufgenommenen Bilder identisch sind. Weil außerdem das
3D-Phantom während der
Akquisition der n Bilder bewegt wird, sind die intrinsischen Parameter für jedes
der n Bilder unterschiedlich. Es wird dann auf Basis der Projektion
der mit n Bildern berechneten Fehler, die der bestimmten Fixposition
der bildgebenden Einrichtung 1 entsprechen, eine Fehlerfunktion
entsprechend der Gleichung E = argmin(f(u0,
v0, α,
R1, T1, R2, T2, ..., Rn, Tn)) entspricht,
in der u0, v0 und α die drei
intrinsischen Parameter der bildgebenden Einrichtung 1 und
Ri und Ti die extrinsischen
Parameter des Bilds mit der Nummer i sind, um die instrinsischen
Parameter der bildgebenden Einrichtung in ihrer bestimmten Fixposition
zu ermitteln.
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Die
Fehlerfunktion kann folgendermaßen
geschrieben werden:
wobei
die zweidimensionalen Positionen
der Marker sind, die in dem Bild Nr. i zu beobachten sind und die
Relation
in der
die dreidimensionalen Positionen
sind, die durch die Projektionsmatrix Mi in das Bild projiziert
worden sind, wobei
die Projektionsmatrix für das Bild
Nr. i ist.
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Gemäß einer
zweiten alternativen Ausführungsform
des Verfahrens wird die Matrix der extrinsischen Parameter E2 der bildgebenden Einrichtung bei der Aufnahme
des zweiten radiografischen Bildes bestimmt, indem die planare Homographie
H berechnet wird, d.h. die Homographie in Bezug auf eine Ebene π zwischen
dem ersten radiografischen Bild der Marker 14, die eine
Ebene P1 bilden und dem zweiten radiografischen
Bild der Marker 14, die eine zweite Ebene P2 bilden,
wie in 4 schematisch veranschaulicht ist. Entsprechend
dieser Homographie H bewegt sich die Strahlungsquelle 2 in
Bezug auf den fixen Referenzrahmen der Marker 14. Weil sich
die Marker 14 in der gleichen Ebene π erstrecken, kann somit eine
planare Homographie H zwischen der Ebene P1 des
ersten radiografischen Bilds und der Ebene P2 des
zweiten radiografischen Bilds zugeordnet werden, was in der Form
X2 ∝ HX1
für alle
Marker 14 der Ebene π beschrieben
werden kann, wobei ∝ eine
Entsprechung beschreibt, die einen multiplikativen Faktor beinhaltet.
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Wird
L, die dreidimensionale Bewegung zwischen dem dreidimensionalen
Koordinatensystem und dem Koordinatensystem in dem die Gleichung der
Ebene π y
= 0 ist betrachtet, gilt das Folgende für alle Marker
14 der
Ebene π:
X
1 = <P
iL>·(x z 1)
t, wobei <A> die Matrix A ohne
ihre zweite Spalte bezeichnet. <P
iL> ist
invertierbar es sei denn, die Ebene π geht durch den Ursprung der
Strahlungsquelle
3. Es folgt aus den vorigen zwei Gleichungen,
dass <P
2L> ∝ H<P
1L>. Die Unterdrückung der
zweiten Spalte in der Matrix P
2 verhindert
nicht, dass die komplette dreidimensionale Bewegung M der Marker
14 gefunden wird.
Im Hinblick auf die vorgehende Gleichung ist <P
2L> bekannt und weil,
wie oben gezeigt, I gleich I
1 und I
2 ist, wird die folgende Gleichung erhalten:
Γ–1H <P1L> ∝ [r1r3t], in der r
1 und
r
2 die orthogonalen Vektoren sind. Die zweite
Spalte der Bewegung der Marker ist einfach durch r
2 =
r
3 × r
1 gegeben. Diese Orthogonalitätsbedingung
ist in der Praxis niemals perfekt befriedigt und es sollte vorzugsweise
eine Renormierung angewendet werden. Es ist dann möglich, E
2 und M aus den folgenden Gleichungen zu
berechnen:
E2 = [r1r2r3]·L–1 und
M = E1 –1·E2. -
Es
versteht sich, dass die eine oder andere der beschriebenen Methoden
verwendet werden kann, um die dreidimensionale Bewegung der Marker 14 zu
bestimmen, wobei die Wahl der Methode von der Verteilung der Marker 14 in
dem Bild abhängt.
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Das
Verfahren zur Bestimmung der dreidimensionalen Bewegung eines auf
einer Liege 12 zwischen einer Strahlungsquelle 3 und
einem Bildempfänger 2 einer
bildgebenden Einrichtung 1 positionierten Patienten wird
genutzt, um die Projektion eines dreidimensionalen rekonstruierten
Bilds des Körpers
eines Patienten in radiografische Bilder zu justieren oder zweidimensionale
radiografische Bildinformation in ein dreidimensionales rekonstruiertes Bild
zu repositionieren, das auf dem Visualisierungsmittel 10 angezeigt
wird, um die Führung
eines Objekts in einem Organ des Patienten zu unterstützen. Es
wird auf 5 verwiesen, wobei es die 2D-Erfassung 101 der
strahlungsopaken Marker möglich macht,
auf die Bewegung M 102 des Patienten zu schließen. Ein
in dem Betriebsmittel 8 der bildgebenden Einrichtung 1 aufgezeichnetes
Computerprogramm konstruiert ein visualisiertes Bild 103 mittels einer
Projektionsmatrix 104 auf der Basis der Bewegung M 102 des
Patienten, ein radiografisches Bild 105 und ein dreidimensionales
Bild 106 eines Organs des Patienten, wobei das visualisierte
Bild 103 die Projektion eines dreidimensionalen Bilds des
Körpers
des Patienten in radiografische Bilder ist und umgekehrt.
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Es
ist ersichtlich, dass die Marker 14 direkt an dem Körper des
Patienten platziert werden können,
wobei wenigstens drei Marker 14 eine gewünschte Ebene
festlegen.
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Eine
Ausführungsform
des Verfahrens beinhaltet: das Platzieren wenigstens dreier strahlungsopaker
Marker auf dem Körper
des Objekts, wobei die Marker einen festen Referenzrahmen festlegen,
die Aufnahme wenigstens eines ersten radiografischen Bilds des Objekts
für eine
erste bestimmte Fixposition der bildgebenden Einrichtung in dem
Referenzrahmen der Marker, die Aufnahme wenigstens eines zweiten
radiografischen Bilds des Objekts in einer zweiten bestimmten Fixposition
der bildgebenden Einrichtung in dem Referenzrahmen der Marker, die Bestimmung
der Matrix der dreidimensionalen Bewegung des Objekts in Bezug auf
das eine Strahlungsquelle bildende Mittel der bildgebenden Einrichtung auf
Basis der zweidimensionalen Bewegung der Marker in den radiografischen
Bildern, wobei das eine Strahlungsquelle bildende Mittel dann einen
festen Referenzrahmen bzw. ein Bezugskoordinatensystem festlegt.
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Um
die dreidimensionale Bewegungsmatrix des Patienten in Bezug auf
die Strahlungsquelle der bildgebenden Einrichtung auf Basis der
zweidimensionalen Bewegungen der Marker in den radiografischen Bildern
zu bestimmen: wird die Matrix der intrinsischen Parameter der bildgebenden
Einrichtung bestimmt; die Matrix der extrinsischen Parameter der bildgebenden
Einrichtung wird in der zweiten Position als Funktion der Matrix
der intrinsischen Parameter der bildgebenden Einrichtung bestimmt;
die inverse Matrix der extrinsischen Parameter der bildgebenden
Einrichtung in ihrer ersten Position wird bestimmt; die Matrix,
die der dreidimensionalen Bewegung des Objekts entspricht, wird
als Funktion der inversen Matrix der extrinsischen Parameter der
bildgebenden Einrichtung in ihrer ersten Position in dem festen
Referenzrahmen der Marker sowie die Matrix der extrinsischen Parameter
der bildgebenden Einrichtung in ihrer zweiten Position in dem festen
Referenzrahmen der Marker bestimmt.
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Entsprechend
der ersten alternativen Ausführungsform
des Verfahrens wird die Matrix der extrinsischen Parameter der bildgebenden
Einrichtung bei der Aufnahme des zweiten radiografischen Bilds als
Funktion der Matrix der intrinsischen Parameter der bildgebenden
Einrichtung bestimmt, wenn das erste radiografische Bild in dem
festen Referenzrahmen der Marker bestimmt wird.
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Entsprechend
der zweiten alternativen Ausführungsform
des Verfahrens wird die Matrix der extrinsischen Parameter der bildgebenden
Einrichtung bei der Aufnahme des zweiten radiografischen Bilds bestimmt,
indem die planare Homographie H zwischen dem ersten radiografischen
Bild der Marker und dem zweiten radiografischen Bild der Marker
bestimmt, wobei die Marker einen festen Referenzrahmen bilden.
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Die
Marker können
entweder direkt auf dem Körper
des Patienten oder an einem Träger
auf dem Patientenkörper
platziert werden.
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Die
Matrix und die inverse Matrix der extrinsischen Parameter der bildgebenden
Einrichtung in ihrer ersten Position wird auf der Basis der Matrix
der intrinsischen Parameter der bildgebenden Einrichtung bestimmt.
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Die
folgenden Schritte können
dazu genutzt werden, die intrinsischen Parameter der bildgebenden
Einrichtung zu bestimmen: es wird ein 3D-Phantom zwischen der Strahlungsquelle
und dem Bildempfänger
platziert; es wird eine Anzahl von Bildern des 3D-Phantoms in der
bestimmten Fixposition der bildgebenden Einrichtung akquiriert;
das 3D-Phantom wird zwischen zwei aufeinander folgenden Bildern
gedreht und/oder verschoben; und die intrinsischen Parameter der
bildgebenden Einrichtung werden in ihrer ersten Position berechnet,
indem auf der Basis der Bilder des 3D-Phantoms eine Kalibrierung durchgeführt wird.
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Das
Verfahren zur Bestimmung der dreidimensionalen Bewegung eines auf
einem Trägermittel zwischen
einer Strahlungsquelle und einem Bildempfänger einer bildgebenden Einrichtung
platzierten Objekts schafft die Justage der Projektion eines dreidimensional
rekonstruierten Bilds des Objektkörpers auf radiografische Bilder
oder die Repositionierung zweidimensionaler radiografischer Bildinformation
in dreidimensionale rekonstruierte Bilder, die auf dem Visualisierungsmittel
angezeigt werden, um die Führung
eines Objekts in einem oder in ein Organ des Patienten zu unterstützen.
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Während eine
Ausführungsform
der Erfindung mit Bezug auf die exemplarischen Ausführungsformen
beschrieben worden ist, versteht es sich für den Fachmann außerdem,
dass an der Funktion und/oder der Art und Weise der Ausführung und/oder
dem Ergebnis und/oder hinsichtlich äquivalenten Veränderungen
vorgenommen werden können
und dass Elemente ersetzt werden können, ohne den Bereich der
Erfindung zu verlassen. Zusätzlich können viele
Modifikationen vorgenommen werden, um eine Anpassung an eine spezielle
Situation oder ein Material vorzunehmen, ohne den Geist der Erfindung
zu verlassen. Deshalb ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht
auf die Ausführungsform
beschränkt
ist, die hier als diejenige beschrieben ist, die als zur Ausführung der
Erfindung am besten geeignet ist sondern die Erfindung umfasst alle
Ausführungsformen,
die in den Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche fallen. Außerdem hat
die Verwendung der Begriffe erster, zweiter usw. keinerlei Reihenfolge oder
Rangordnung von Bedeutung zur Folge – vielmehr dienen die Begriffe
erster, zweiter usw. oder die Begriffe „Schritte" lediglich dazu, Elemente oder Merkmale
voneinander zu unterscheiden. Außerdem stellt die Verwendung
der Begriffe ein, eines usw. keine Beschränkung hinsichtlich der Quantität dar sondern
bezeichnet lediglich das Vorhandensein wenigstens eines der in Bezug
genommenen Elemente oder Merkmale.
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Verfahren
und Vorrichtung zur Bestimmung einer dreidimensionalen Bewegung
eines Patienten, der zwischen einer Röntgenstrahlungsquelle 3 und einem
Bildempfänger 2 einer
bildgebenden Röntgeneinrichtung 1 auf
einer Liege 12 positioniert ist. Die Vorrichtung enthält eine
Röntgenstrahlungsquelle 3, die
einem Bildempfänger 2 gegenüber liegend
angeordnet ist, wobei die Röntgenstrahlungsquelle 3 und der
Bildempfänger 2 um
eine Achse 5 drehbar angetrieben sind. Das Verfahren und
die Vorrichtung funktionieren folgendermaßen: es werden wenigstens drei
strahlungsopake Marker 14 auf dem Körper des Patienten platziert,
es wird in einer ersten bestimmten Fixposition der bildgebenden
Einrichtung 1 wenigstens ein erstes radiografisches Bild
des Patienten aufgenommen; es wird in einer zweiten bestimmten Fixposition
der bildgebenden Einrichtung 1 wenigstens ein zweites radiografisches
Bild des Patienten aufgenommen; und es wird eine Matrix der dreidimensionalen
Bewegung des Patienten in Bezug auf die Röntgenstrahlungsquelle 3 der
bildgebenden Einrichtung auf der Basis der zweidimensionalen Bewegungen
der Marker 14 in den radiografischen Bildern bestimmt,
wobei die Strahlungsquelle 3 einen festen Referenzrahmen
bildet.
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- 1
- bildgebende
Röntgeneinrichtung
- 2
- digitaler
Bildempfänger
- 3
- Röntgenstrahlungsquelle
- 4
- C-
oder U-förmiger
Arm
- 5,
5', 5''
- Achsen
- 6a
- Träger
- 6b
- Zwischenarm
- 6c
- L-förmige Basis
- 7
- justierbarer
Kollimator
- 8
- Betriebsmittel
- 9
- Akquisitionseinrichtung
- 10
- Visualisierungsmittel
- 11
- Steuereinrichtung
- P
- Patient
- 12
- Liege
- 13
- Kopfträger
- 14
- Marker
- 15
- rechteckiger
Träger
- π
- Ebene
- 101
- 2D-Erfassung
- 102
- Ermittlung
der Bewegung M des Patienten
- 103
- Konstruktion
eines visualisierten Bildes
- 104
- Projektionsmatrix
- 105
- radiografisches
Bild
- 106
- dreidimensionales
Bild
die dreidimensionalen Positionen sind, die durch die Projektionsmatrix I·E2 in das Bild projiziert worden sind und wobei
die zweidimensionalen Positionen der Marker sind, die in dem zweiten radiografischen Bild beobachtet werden. Nach Schätzung der extrinsischen Parameter E2 kann die Bewegung M der Marker
die zweidimensionalen Positionen der Marker sind, die in dem Bild Nr. i zu beobachten sind und die Relation
in der
die dreidimensionalen Positionen sind, die durch die Projektionsmatrix Mi in das Bild projiziert worden sind, wobei
die Projektionsmatrix für das Bild Nr. i ist.