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Die
Erfindung betrifft eine Röntgeneinrichtung sowie ein Verfahren
für eine Röntgeneinrichtung zur Ermittlung der
Position und/oder der Orientierung eines in einen Körper
eines Lebewesens eingeführten medizinischen Objektes.
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Minimal-invasive
medizinische Eingriffe gewinnen zunehmend an Bedeutung. So sind
beispielsweise bei der Behandlung von koronaren Herzerkrankung die
chirurgischen Bypass-Operationen am Herzen deutlich zu Gunsten der
Ballon-Dilatation (PTCA = Perkutane Transluminale Koronare Angioplastie)
und dem Einsetzen eines Stents zurückgegangen.
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Bei
einem minimal-invasiven Eingriff werden z. B. ein oder mehrere medizinische
Instrumente in den Körper eines Patienten zur Therapie
oder Diagnostik eingeführt. Nach der Einführung
eines medizinischen Instrumentes in den Körper des Patienten
ist dieses optisch für einen den Eingriff durchführen
Arzt nicht mehr sichtbar. Zur Navigation des Instrumentes im Körper
des Patienten muss dieses daher in geeigneter Weise für
den Arzt in Bildinformationen visualisiert werden. Zur Positionsbestimmung
des Instrumentes im Körper des Patienten bei minimal-invasiven
medizinischen Eingriffen, welche für die Visualisierung
des Instrumentes, insbesondere der Spitze des Instrumentes, in Bildinformationen
aus dem Körperinneren des Patienten erforderlich ist, stehen heutzutage
verschiedenartiger Systeme und Verfahren zur Verfügung.
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In
der
US 5,042,486 ist
beispielsweise ein Verfahren zur Ortung eines Katheters in einem
Gefäß eines Lebewesens mittels nicht ionisierender
Felder beschrieben. Hierzu ist die Katheterspitze mit einem Sender
für elektromagnetische oder akus tische Felder oder Wellen
ausgerüstet. Ein Empfänger erfasst diese Wellen
mittels an den Körper des Lebewesens angekoppelter Sensoren
bzw. Antennen und wandelt diese in elektrische Ortungs- oder Bildsignale
um. Zum Zwecke der Lokalisierung der Katheterspitze in Bezug auf
die Gefäßarchitektur werden die Ortungssignale
mit einem auf andere Weise (z. B. Röntgen) gewonnenen Bild
der Gefäßarchitektur auf einem Sichtgerät
kombiniert dargestellt. Das Verfahren erfordert es also, dass jede
Katheterspitze mit einem Sender ausgerüstet werden muss
und zusätzlich mehrere Antennen einschließlich
Empfänger im Untersuchungsraum installiert werden müssen.
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In
der
DE 10 2005
034 167 A1 sind ein Implantat, ein Verfahren und eine Einrichtung
zur Ermittlung der Position des Implantat im Körper eines
Lebewesens beschrieben. Zur Verbesserung der Genauigkeit der Ermittlung
der Position des Implantats im Körper des Lebewesens wird
vorgeschlagen, am Implantat einen zur Ermittlung der Position geeigneten
Transponder vorzusehen. Unter einem geeigneten Transponder wird
dabei ein Transponder verstanden, dessen Koordinaten in einem Koordinatensystem
basierend auf einer vom Transponder gesendeten und von einem Empfänger
empfangenen elektromagnetischen Strahlung ermittelbar sind.
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Des
Weiteren erlauben Fortschritte in der 3D-Röntgenbildgebung
inzwischen 3D-Abbildungen von Organen und auch von Instrumenten,
welche sich im Körper eines Lebewesens befinden. Jedoch ist
es immer noch schwierigen im Röntgenbild zwischen Instrumenten,
Organen und Knochen zu unterscheiden und gleichzeitig möglichst
wenig Röntgenstrahlung für die Bildgebung zu verwenden.
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In
diesem Zusammenhang ist aus der
DE 10 2005 030 607 A1 ein spezielles interventionelles
Instrument bekannt. Das Instrument, bei dem es sich um einen Katheter
handeln kann, ist mit Markierungselementen versehen, die in einem
Röntgenbild erkennbar sind. Auf diese Weise ist der Katheter
in einem Röntgenbild besser lokalisierbar. Beispiele für Markierungsele mente
sind kugelförmige und ringförmige Markierungselemente,
wobei die ringförmigen Markierungselemente die Katheter
nach Art eines Strichcodes kennzeichnen können und so unterschiedliche
Katheter voneinander im Röntgenbild unterscheidbar machen
können. Dennoch kann die Unterscheidung zwischen Instrumenten,
Organen und Knochen in einem Röntgenbild schwierig bleiben.
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Aus
der
DE 102 10 647
A1 ist ein Verfahren zur Bilddarstellung eines in einen
Körperbereich eines Patienten eingebrachten medizinischen
Instrumentes bekannt, bei dem aus zwei unter einem bestimmten Winkel
aufgenommenen 2D-Röntgenbildern von dem mit dem medizinischen
Instrument versehenen Körperbereich des Patienten die Position, insbesondere
der Spitze des medizinischen Instrumentes bestimmt wird. Ein Abbild
der Spitze des medizinischen Instrumentes kann schließlich
in ein 3D-Bild von dem Körperbereich des Patienten eingeblendet
werden.
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Des
Weiteren ist in der
DE
10 2005 028 746 A1 ein Verfahren zum Ermitteln der Position
und Orientierung eines Objektes, insbesondere eines Katheters, aus
zweidimensionalen Röntgenbildern beschrieben. Dabei wird
ein dreidimensionales Muster des Katheters auf der Grundlage der
bekannten konstruktiven Eigenschaften des Katheters erzeugt. Zur Ermittlung
der Position und der Orientierung des Katheters im Körper
eines Lebewesens wird das dreidimensionale Muster auf eine zweidimensionale
Ebene projiziert und das erzeugte Projektionsbild mit einem Röntgenbild,
in dem der Katheter abgebildet ist, verglichen. Anschließend
werden anfangs festgelegte Parameter für die Position und
die Orientierung des Musters im Raum iterativ verändert
und ein Ähnlichkeitsmaß ermittelt, das zur Bestimmung
der Position und der Orientierung des Katheters herangezogen wird.
Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass zunächst aus einer
Vielzahl von vorhandenen Mustern von verschiedenartigen, für
medizinische Eingriffe zur Verfügung stehenden Kathetern
dasjenige Muster eines Katheters herausgefunden werden muss, der
tatsächlich bei dem aktuellen medi zinischen Eingriff verwendet
wird. Dadurch ist der Rechenaufwand sehr hoch und es sind entweder
sehr leistungsfähige und damit teuere Recheneinheiten erforderlich
oder die Positionsbestimmung dauert verhältnismäßig
lange.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Röntgeneinrichtung
und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart anzugeben, dass die
Ermittlungen der Position und/oder der Orientierung eines medizinischen
Objektes vereinfacht ist.
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Nach
der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Röntgeneinrichtung
zur Ermittlung der Position und/oder der Orientierung eines medizinischen
Objektes, aufweisend ein Röntgengerät zur Gewinnung
wenigstens eines Röntgenbildes von einem Lebewesen, in
dessen Körper ein bestimmtes medizinisches Objekt eingeführt
wurde, einen Datenspeicher umfassend jeweils wenigstens ein definiertes
Muster von zumindest einem Teilbereich einer Vielzahl von verschiedenen
medizinischen Objekten, eine Recheneinheit zur Ermittlung der Position und/oder
der Orientierung des bestimmten in den Körper des Lebewesens
eingeführten medizinischen Objektes basierend auf dem wenigstens
einen Röntgenbild, dem Muster des bestimmten medizinischen Objektes
und einem Mustererkennungsalgorithmus, und Identifizierungsmittel
zur Identifizierung des bestimmten medizinischen Objektes vor der
Ermittlung der Position und/oder Orientierung des bestimmten medizinischen
Objektes. Erfindungsgemäß weist die Röntgeneinrichtung
also Identifizierungsmittel auf, so dass der Recheneinheit der Röntgeneinrichtung
vor Beginn der Ermittlung der Position und/oder der Orientierung
des bestimmten medizinischen Objektes der Typ des verwendeten bestimmten
medizinischen Objektes mitgeteilt werden kann. Auf diese Weise verwendet
der Mustererkennungsalgorithmus von Anfang an nur das Muster des
identifizierten medizinischen Objektes, um die Position und/oder
die Orientierung des medizinischen Objektes im Körper des Lebewesens
zu ermitteln, wodurch sich die Ermittlungen der Position und/oder
der Orientierung des medizinischen Objektes verein facht, insbesondere
beschleunigt, da nicht erst aus einer Vielzahl von in Frage kommenden
Mustern, welche in dem Datenspeicher enthalten sind, das zu dem
aktuell verwendeten medizinischen Objekt gehörige Muster
im Zuge der Mustererkennung aufgefunden werden muss. Das Muster,
welches auch als Template bezeichnet werden kann, erfasst dabei
typischerweise die Strukturen des medizinischen Objektes, die in
Röntgenbildern üblicherweise sichtbar sind. Ein
solches Muster ist in der Regel ein 3D-Datensatz, der die Form und Struktur
des medizinischen Objektes, insbesondere seine Metallteile etc.,
nachempfindet.
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Nach
einer Variante der Erfindung weisen die Identifizierungsmittel Verwaltungsnummern
auf, wobei jedem medizinischen Objekt eine eindeutige Verwaltungsnummer
zugeordnet ist. Vorzugsweise ist die eindeutige Verwaltungsnummer
auf dem medizinischen Objekt oder auf einer Verpackung des medizinischen
Objektes angeordnet. Der Datenspeicher der Röntgeneinrichtung
verfügt dabei bevorzugt über eine Aufstellung
der bei der Röntgeneinrichtung eingesetzten medizinischen
Objekte, die mittels eindeutiger Verwaltungsnummern identifizierbar
sind. Somit kann über eine Verwaltungsnummer ein bestimmtes von
dem Mustererkennungsalgorithmus zu verwendendes Muster ausgewählt
werden.
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Nach
einer Ausführungsform der Erfindung können die
Identifizierungsmittel auch Musternummern aufweisen, wobei jedem
Muster eines medizinischen Objektes eine eindeutige Musternummer
zugeordnet ist. Demnach kann auch über die Eingabe einer
Musternummer ein bestimmtes von dem Mustererkennungsalgorithmus
zu verwendendes Muster ausgewählt werden. Ein bestimmtes
medizinisches Objekt kann also auch über seine Musternummer identifiziert
werden, welche ebenfalls auf dem medizinischen Objekt oder einer
Verpackung des medizinischen Objektes angeordnet sein kann.
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Eine
Variante der Erfindung sieht vor, dass die Identifizierungsmittel
Eingabe- und/oder Einlesemittel aufweisen, die vorzugsweise mit
der Recheneinheit verbunden sind. Mithilfe der Eingabemittel, welche
eine Tastatur, eine Maus oder eine andere Eingabevorrichtung umfassen
können, kann von einem Benutzer der Röntgeneinrichtung
die Verwaltungsnummern oder die Musternummer zur weiteren Verwendung
des zugeordneten Musters für die Ermittlungen der Position
und/oder Orientierung des medizinischen Objektes eingegeben werden.
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Nach
einer weiteren Variante der Erfindung ist den verschiedenen medizinischen
Objekten jeweils ein eindeutiger Barcode und/oder ein RFID-Transponder
zugeordnet, wobei die Einlesemittel ein Barcodelesegerät
und/oder eine Lesegerät eines RFID-Systems umfassen. Der
Barcode steht dabei für die eindeutige Verwaltungsnummer.
Im Falle der Verwendung eines RFID-Transponders ist die jeweilige
Verwaltungsnummer in dem Transponder gespeichert und wird mittels
des Lesegerätes eingelesen.
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Eine
Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Röntgeneinrichtung
zusätzlich einen optischen Scanner zur Aufnahme eines Musters
eines noch nicht erfassten medizinischen Objektes aufweist. Soll
also ein bisher nicht an der Röntgeneinrichtung eingesetztes
medizinisches Objekt nunmehr an der Röntgeneinrichtung
eingesetzt werden, so kann mithilfe des optischen Scanners ein entsprechendes
Muster des neuen medizinischen Objektes erzeugt und im Datenspeicher
der Röntgeneinrichtung abgelegt werden. Vorzugsweise wird
dem neue erfassten medizinischen Objektes auch gleich eine eindeutige
Verwaltungsnummer und/oder dem erzeugten Muster des neu erfassten
medizinischen Objektes eine eindeutige Musternummer zugeordnet.
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Nach
einer Variante der Erfindung ist das medizinische Objekte ein medizinisches
Instrument, beispielsweise ein Katheter, oder ein Implantat, beispielsweise
ein Stent.
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Die
das Verfahren betreffende Aufgabe wird gelöst durch ein
Verfahren für eine Röntgeneinrichtung, wie zuvor
beschrieben, bei dem das bestimmte medizinische Objekt vor dem Beginn
der Ermittlung der Position und/oder der Orientierung des bestimmten
in den Körper des Lebewesens eingeführten medizinischen
Objektes basierend auf einem Muster des bestimmten medizinischen
Objektes, wenigstens einem Röntgenbild von dem in den Körper
des Lebewesens eingeführten medizinischen Objekt und einem
Mustererkennungsalgorithmus identifiziert wird. Wie bereits erwähnt
kann auf diese Weise die Ermittlung der Position und/oder der Orientierung
des medizinischen Objektes unter Verwendung eines Mustererkennungsalgorithmus
vereinfacht, insbesondere beschleunigt werden.
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Nach
einer Variante der Erfindung umfasst das Verfahren außerdem
folgende Verfahrensschritte:
- a) Vorverarbeitung
des Röntgenbildes zur Hervorhebung von Abbildungsstrukturen
des bestimmten Objektes,
- b) Initialisierung von je drei Parametern für die Position
und/oder von je drei Parametern für die Orientierung des
Musters des bestimmten medizinischen Objekts im Raum,
- c) Erzeugung einer zweidimensionale Projektion des Musters anhand
der drei Parameter für die Position und/oder der drei Parameter
für die Orientierung des Musters,
- d) Vergleich der zweidimensionalen Projektion des Musters mit
den Abbildungsstrukturen des vorverarbeiteten Röntgenbildes
und Ermittlung eines diesbezüglichen Ähnlichkeitsmaßes
aufgrund des Vergleichs,
- e1) Verwendung der aktuellen drei Parameter für die
Position und/oder der aktuellen drei Parameter für die
Orientieund/oder rung zur Bestimmung von Position Orientierung des
bestimmten medizinischen Objektes im Röntgenbild, wenn
das Ähnlichkeitsmaß einen Abbruch des Verfahrens
rechtfertigt, oder
- e2) Anpassung des Satzes aus drei Parametern für die
Position und/oder der Satz aus drei Parametern für die
Orientierung und Wiederholung der Schritte c) bis e) in einer Optimierungsschleife,
bis das Ähnlichkeitsmaß einen Abbruch des Verfahrens
rechtfertigt.
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Anders
als Verfahren nach dem Stand der Technik, bei denen nur jede ungewöhnliche
Struktur, die sich in irgendeiner Weise von ebenfalls im Röntgenbild
abgebildeten Knochen etc. unterscheidet, als erkannte Struktur gewertet
wird, wird nach dem vorliegenden Verfahren ein Muster des bestimmten
medizinischen Objektes vorgegeben, welches die automatische Mustererkennung
bzw. der Mustererkennungsalgorithmus in dem Röntgenbild
zu erkennen hat.
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Nach
einer Variante der Erfindung umfasst die Vorverarbeitung des Röntgenbildes
eine Hochpassfilterung und/oder eine Binärisierung des
Röntgenbildes, d. h. aus dem Grauwerte aufweisenden Röntgenbild
wird ein Binärbild. In Folge der Binärisierung
bzw. der Hochpassfilterung sind scharfe Strukturen bzw. Abbildungsstrukturen
verhältnismäßig gut zu sehen. Durch die
Vorverarbeitung des Röntgenbilds wird die Mustererkennung
vereinfacht.
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Ausgehend
von dem Muster des bestimmten medizinischen Objektes, also dem,
was auf dem Röntgenbild zu erkennen sein soll, wird nun
die Position und/oder die Orientierung des medizinischen Objektes
ermittelt, so wie es in dem vorverarbeiteten Röntgenbild
zu sehen ist. Dies erfolgt iterativ.
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Es
wird jeweils ein sogenanntes Matching durchgeführt, d.
h. die zweidimensionale Projektion des Musters wird mit den Abbildungsstrukturen
des vorverarbeiteten Röntgenbildes verglichen und es wird
ein diesbezügliches Ähnlichkeitsmaß ermittelt. Für
ein derartiges Ähnlichkeitsmaß stehen im Stand der
Technik übliche Ähnlichkeits-Metriken zur Verfügung
(Mutual Information, Korrelation etc.). Das Ähnlichkeitsmaß ist
ein Gütemaß für die Übereinstimmung.
Bei Iterationen wird man je nach dem verwendeten Maß ein
Maximum oder auch ein Minimum anstreben. Für solche Iterationen
stehen übliche Verfahren zur Verfügung. Beispielsweise
kann bei einer Änderung der Parameter zunächst
mit der Änderung der Translationsparameter begonnen werden
und dann mit einer Änderung der Rotationsparameter etc..
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Nach
einer Ausführungsform der Erfindung werden ein zweites
Röntgenbild unter einem von dem ersten Röntgenbild
verschiedenen Projektionswinkel, beispielsweise mit einer Biplan-Röntgenanlage,
gewonnen und die Schritte a) bis e) unter Verwendung des zweiten
Röntgenbildes durchgeführt. Bei der Festlegung
der drei neuen Parameter für die Position und/oder der
drei neuen Parameter für die Orientierung des Musters relativ
zu dem vorverarbeiteten zweiten Röntgenbild wird vorzugsweise
der Satz aus den anhand des ersten Röntgenbildes gewonnenen
Parametern für die Position und/oder Orientierung berücksichtigt.
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Anhand
der durch Kalibrierung des Röntgengerätes bekannten
Projektionsparameter des Röntgengerätes kann eine
Rückprojektion des in dem jeweiligen Röntgenbild
abgebildeten bestimmten medizinischen Objektes, beispielsweise der
Spitze des medizinischen Objektes, in den dreidimensionalen Raum
durchgeführt werden. Aufgrund einer Unsicherheit in dem
Parameter, der die Tiefe beschreibt, ist das bestimmte medizinische
Objekt durch das Matching der Abbildungsstrukturen des bestimmten medizinischen
Objektes mit der Projektion des Musters im dreidimensionalen Raum
noch nicht genau lokalisiert, sondern man erhält eine Projektionslinie.
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Eine
solche auf dem ersten Röntgenbild basierende Projektionslinie
kann aufgrund des kalibrierten Röntgengerätes
in das zweite Röntgenbild eingeblendet werden, so dass
zur Gewinnung der drei oder sechs Parameter aufgrund des zweiten
Röntgenbilds lediglich die Umgebung der Projektionslinie
berücksichtigt werden muss, wodurch viel Zeit und Rechenaufwand
gespart wird.
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Es
ist auch möglich, anhand des zweiten Röntgenbilds
ebenfalls eine solche Projektionslinie zu berechnen.
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Nach
einer Variante der Erfindung werden demnach unter Verwendung der
mit dem ersten Röntgenbild gewonnenen Parameter eine Rückprojektion
des bestimmten medizinischen Objektes aus dem ersten Röntgenbild
in den dreidimensionalen Raum durchgeführt, aufgrund der
man die erwähnte erste Projektionslinie erhält,
unter Verwendung der mit dem zweiten Röntgenbild gewonnenen
Parameter eine Rückprojektion des bestimmten medizinischen
Objektes aus dem zweiten Röntgenbild in den dreidimensionalen
Raum durchgeführt, aufgrund der man eine zweite Projektionslinie
erhält, und der Punkt mit kleinstem quadratischem Abstand
zu den beiden Projektionslinien oder im Idealfall der Schnittpunkt
der Projektionslinien ermittelt, der zur Lokalisierung des bestimmten
medizinischen Objektes im dreidimensionalen Raum dient. Der kleinste
Abstand kann mit einem quadratischen Verfahren in üblicher Weise
bestimmt werden, wobei die Summe der Quadrate der beiden Abstände
zu den jeweiligen Projektionslinien minimiert sein muss.
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Vorzugsweise
dient der kleinste Abstand der beiden Projektionslinien voneinander
als Maß für die Qualität der Lokalisierung
des bestimmten medizinischen Objekts. Ist die Lokalisierung ideal,
so schneiden sich die beiden Projektionslinien, d. h. der kleinste
Abstand ist Null.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten
schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
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1 eine
Röntgeneinrichtung nach der Erfindung und
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2 die
Spitze eines Katheters.
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In 1 ist
eine Röntgeneinrichtung nach der Erfindung schematisch
dargestellt. Die Röntgeneinrichtung umfasst im Falle des
vorliegenden Ausführungsbeispiels ein Röntgengerät
in Form einer Biplan-Röntgenanlage mit zwei nicht näher
dargestellten C-Bogen. Der erste C-Bogen weist ein erstes Röntgensystem
mit einer Röntgenstrahlenquelle 1 und einen Röntgenstrahlenempfänger 2 auf.
In entsprechender Weise weist der zweite C-Bogen ein zweites Röntgensystem
mit einer Röntgenstrahlenquelle 3 und einen Röntgenstrahlenempfänger 4 auf. Mit
den beiden Röntgensystemen können nacheinander
und auch gleichzeitig 2D-Röntgenprojektionen oder 2D-Röntgenbilder
von einem Körperbereich K eines in 1 schematisch
dargestellten, auf einer nicht gezeigten Lagerungsvorrichtung angeordneten Patienten
P gewonnen werden.
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Die
Biplan-Röntgenanlage ist kalibriert, d. h. die Projektionsgeometrien
der Biplan-Röntgenanlage in Bezug auf die beiden Röntgensysteme
wurden beispielsweise in einem Offline-Kalibrierprozess unter Zuhilfenahme
eines Kalibrierphantoms ermittelt und sind demnach bekannt.
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Die
beiden Röntgensysteme sind an einen Datenbus 5 der
Röntgeneinrichtung angeschlossen, so dass mit den beiden
Röntgenstrahlenempfängern 2, 4 aufgenommene
Bilddaten einer Bildverarbeitungseinheit 6 zugeführt,
dort verarbeitet und auf einem Sichtgerät 7 dargestellt
werden können. Zudem steht für die Bilddaten ein
Bilddatenspeicher 8 zur Verfügung. Als User-Interface
der Röntgeneinrichtung dienen Eingabemittel 9,
die z. B. eine Tastatur, eine Computermaus und/oder einen Touchscreen etc.
umfassen können.
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Die
Röntgeneinrichtung ist unter anderem auch für
minimalinvasive Eingriffe an Lebewesen, wie dem Patienten P vorgesehen,
bei denen ein medizinisches Objekt, z. B. in Form eines medizinischen Instrumentes,
insbesondere eines Katheters, oder in Form eines Implantats, insbesondere
eines Stents, im Körper des Patienten von einem den Eingriff
vornehmenden Arzt geführt bzw. navigiert wird. Im Falle des
vorliegenden Ausführungsbeispiels ist ein Katheter 10 in
den Körper des Patienten P eingeführt, wobei insbesondere
die Spitze 11 des Katheters 10 im Körper
des Patienten unter Röntgenkontrolle navigiert wird. Hierzu
wird z. B. ein Abbild der Spitze 11 des Katheters 10 in
ein zuvor, beispielsweise mit der Biplan-Röntgenanlage
erzeugtes 3D-Bild vom Körperbereich K des Patienten P eingeblendet.
Um das Abbild der Spitze 11 des Katheters 10 in
das 3D-Bild einblenden zu können, muss jedoch jeweils die
Position und/oder die Orientierung der Spitze 11 des Katheters 10 ermittelt
werden.
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Im
Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung
werden sowohl die Position als auch die Orientierung der Spitze 11 des
Katheters 10 im 3D-Raum mittels 2D-Röntgenprojektionen
bzw. 2D-Röntgenbilder und einer Mustererkennung, welche
auch als Template-Matching bezeichnet wird, ermittelt. Um dies bewerkstelligen
zu können weist die Spitze 11 des Katheters 10 ringförmige
metallische Strukturen 12 auf, welche in 2D-Röntgenbildern
erkennbar sind, um die Unterscheidung der Spitze 11 des
Katheters 10 von Knochen oder Organen des Patienten P zu
vereinfachen. 2 zeigt die Spitze 11 des
Katheters 10 mit den metallischen Strukturen 12.
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Für
die Mustererkennung bzw. den Einsatz eines Mustererkennungsalgorithmus
wurde ein dreidimensionales Muster zumindest von der Spitze 11 des
Katheters 10 auf der Grundlage der bekannten, konstruktionsbedingten
Eigenschaften der Spitze 11 des Katheters 10 erzeugt.
Das dreidimensionale katheterspezifische Muster wird einmalig vor
einem minimal-invasiven Eingriff erzeugt und kann in einem binären
Format abgespeichert werden. Hierzu weist die Röntgeneinrichtung
einen einer Recheneinheit 13 zugeordneten Datenspeicher 14 auf,
welche beide an dem Datenbus 5 angeschlossen sind.
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In
der Regel kommen verschiedene medizinische Objekte in Form von Kathetern
und Stents für verschiedene minimal-invasive Eingriffe
an Patienten an der Röntgeneinrichtung zum Einsatz. Die
Röntgeneinrichtung weist daher Identifizierungsmittel für die
verschiedenen medizinischen Objekte auf, um vor einer Anwendung
des Mustererkennungsalgorithmus der Recheneinheit 13, mit
der die Mustererkennung durchgeführt wird, den Typ des
aktuell verwendeten medizinischen Objektes mitteilen zu können, so
dass nur das im Datenspeicher vorhandene Muster des aktuell verwendeten
medizinischen Objektes für die Mustererkennung verwendet
wird, wodurch sich eine schnellere und sichere Erkennung einer Vielzahl
von medizinischen Objekten, insbesondere deren Spitzen ergibt.
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Im
Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung
umfassen die Identifizierungsmittel eindeutige den medizinischen
Objekten zugeordnete Verwaltungsnummern und eindeutige den Mustern
der medizinischen Objekte zugeordnete Musternummern. Die Verwaltungsnummer
eines medizinischen Objektes und die Musternummer des zu dem medizinischen
Objekt gehörigen Musters sind dabei verlinkt. Somit ist
in dem Datenspeicher 14 eine Aufstellung 15 von
eindeutigen Verwaltungs- und Musternummern in Bezug auf verschiedene
medizinische Objekte hinterlegt.
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So
ist auch dem Katheter 10 eine eindeutige Verwaltungsnummer
und dem Muster der Spitze 11 des Katheters 10 eine
eindeutige Musternummer zugeordnet.
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Vorzugsweise
sind die Verwaltungsnummer und/oder auch die Musternummer auf dem
Katheter 10 oder einer Verpackung des Katheters 10 angeordnet.
Auf diese Weise können die Verwaltungsnummer und/oder die
Musternummer, und damit das für die Mustererkennung zu
verwendende Muster, von einem Benutzer der Röntgeneinrichtung
vor dem minimal-invasiven Eingriff mittels der Eingabemittel 9 eingegeben
und somit der Recheneinheit 13 mitgeteilt werden, die im
Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels das Muster
der Spitze 11 des Katheters 10 aus dem Datenspeicher 14 ausliest
und für den Mustererkennungsalgorithmus verwendet.
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Alternativ
kann auf dem Katheter 10 oder der Verpackung des Katheters 10 auch
ein eindeutiger Barcode angeordnet sein, der für die eindeutige
Verwaltungsnummer des Katheters 10 steht. Zusätzlich oder
alternativ kann auf dem Katheter 10 oder der Verpackung
des Katheters 10 ein zweiter eindeutiger Barcode angeordnet
sein, der für die Musternummer des dem Katheter 10 zugeordneten
Musters steht. Zum Lesen des Barcodes weist die Röntgeneinrichtung
ein Barcodelesegerät 16 bzw. einen Barcodescanner
auf, der an den Datenbus 5 angeschlossen ist.
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Der
Katheter 10 oder die Verpackung des Katheters 10 kann
aber auch mit einem RFID-Transponder 17 versehen sein,
der im oder am Katheter 10 bzw. im oder an der Verpackung
angebracht sein kann und die eindeutige Verwaltungsnummer und/oder
Musternummer aufweist. Mit Hilfe eines an den Datenbus 5 angeschlossenen
Lesegerätes 18 des RFID-Systems können
die Verwaltungsnummer und/oder die Musternummer kodiert ausgelesen
und der Recheneinheit 13 mitgeteilt werden.
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Für
medizinische Objekte, die noch nicht an der Röntgeneinrichtung
eingesetzt wurden und zu denen noch kein 3D-Muster existiert, weist
die Röntgeneinrichtung zusätzlich einen optischen
Scanner 19, beispielsweise eine Lasertriangulationseinrichtung
auf, mit deren Hilfe ein 3D-Muster von dem noch nicht erfassten
medizinische Objekt aufgenommen und im Datenspeicher 14 abgelegt
werden kann. Des Weiteren kann dem neu hinzugekommenen medizinischen
Objekt eine eindeutige Verwaltungsnummer und dem zugehörigen
neu aufgenommenen Muster eine eindeutige Musternummer zugeordnet
werden.
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Ist
der Katheter 10 vor dem minimal-invasiven Eingriff am Patienten
P identifiziert worden, indem der Recheinheit 13 die entsprechende
Verwaltungs- oder Musternummer durch Eingabe oder Einlesen mitgeteilt
worden ist, so wird die Recheneinheit 13 für die
Ermittlung der Position und Orientierung der Spitze 11 des
Katheters 10 im Raum nur das Muster der Spitze 11 des
Katheters 10 verwenden.
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Zur
Ermittlung der Position und Orientierung der Spitze
11 des
Katheters
10 im Raum kann im Wesentlichen wie in der
DE 10 2005 028 746
A1 beschrieben vorgegangen werden.
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Mit
den beiden Röntgensystemen der Biplan-Röntgenanlage
werden zu einem bestimmten Zeitpunkt ein erstes und ein zweites
2D-Röntgenbild unter einem voneinander verschiedenen Projektionswinkel
von dem mit der Spitze 11 des Katheters 10 versehenen
Köperbereich K des Patienten P gewonnen.
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Das
erste Röntgenbild wird zunächst zur Hervorhebung
von Abbildungsstrukturen, insbesondere der metallischen Teilstrukturen 12 der
Spitze 11 des Katheters 10 mittels Hochpassfilterung
oder Binärisierung vorverarbeitet. Dadurch werden die Abbildungsstrukturen
hervorgehoben, so dass insbesondere die scharfkantigen Teilstrukturen
des Katheters 10 deutlich abgebildet werden. Das vorverarbeitete
erste Röntgenbild wird dazu verwendet, ein möglichst
ideales Matching bzw. einen möglichst idealen Abgleich
mit dem dreidimensionalen Muster der Spitze 11 des Katheters 10 zu
ermitteln.
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Hierzu
werden im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels je
drei Parametern für die Position und je drei Parameter
für die Orientierung des Musters der Spitze 11 des
Katheters 10 im Raum initialisiert und eine zweidimensionale
Projektion des Musters der Spitze 11 des Katheters 10 anhand
der drei Parameter für die Position und der drei Parameter
für die Orientierung des Musters der Spitze 11 des Katheters 10 erzeugt.
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Anschließend
werden die zweidimensionale Projektion des Musters der Spitze 11 des
Katheters 10 mit dem vorverarbeiteten Röntgenbild,
insbesondere mit den Abbildungsstrukturen des vorverarbeiteten Röntgenbildes
verglichen („gematcht") und ein diesbezügliches Ähnlichkeitsmaßes
aufgrund des Vergleichs ermittelt.
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Rechtfertigt
das Ähnlichkeitsmaß einen Abbruch des Verfahrens,
werden die aktuellen drei Parameter für die Position und
die aktuellen drei Parameter für die Orientierung des Musters
der Spitze 11 des Katheters 10 zur Bestimmung
der Position und der Orientierung der Spitze 11 des Katheters 10 im ersten
Röntgenbild verwendet. Andernfalls werden der Satz aus
drei Parametern für die Position und der Satz aus drei
Parametern für die Orientierung angepasst und die beschriebenen
Schritte in einer Optimierungsschleife wiederholt, bis das Ähnlichkeitsmaß einen
Abbruch des Verfahrens rechtfertigt.
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Das
gleiche Procedere wird auch unter Verwendung des zweiten Röntgenbildes
durchgeführt. Bei der Festlegung der drei Parameter für
die Position und der drei Parameter für die Orientierung
des Musters der Spitze 11 des Katheters 10 in
Bezug auf das vorverarbeitete zweite Röntgenbild kann der Satz
von Parametern für die Position und die Orientierung berücksichtigt
werden, der anhand des ersten Röntgenbildes gewonnenen
wurde.
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Demnach
sind nun die Parameter für die Position und die Orientierung
der Spitze 11 des Katheters 10 im ersten und im
zweiten Röntgenbild bekannt. Schließlich wird
anhand der mit dem ersten Röntgenbild gewonnenen sechs
Parameter und den bekannten Projektionsgeometrien der Biplan-Röntgenanlage
eine Rückprojektion der Spitze 11 des Katheters 10 aus
dem ersten Röntgenbild in den dreidimensionalen Raum durchgeführt,
aufgrund der man eine erste Projektionslinie L1 erhält.
Des Weiteren wird anhand der mit dem zweiten Röntgenbild
gewonnenen sechs Parameter und der bekannten Projektionsgeometrien
der Biplan-Röntgenanlage eine Rückprojektion der
Spitze 11 des Katheters 10 aus dem zweiten Röntgenbild
in den dreidimensionalen Raum durchgeführt, aufgrund der
man eine zweite Projektionslinie L2 erhält.
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Schließlich
ergibt sich die Position der Spitze 11 des Katheters 10 im
dreidimensionalen Raum idealerweise als Schnittpunkt der beiden
Projektionslinien im dreidimensionalen Raum oder als der Punkt im dreidimensionalen
Raum mit kleinstem quadratischem Abstand zu den beiden Projektionslinien.
Der kleinste Abstand der beiden Projektionslinien voneinander dient
dabei als Maß für die Qualität der Lokalisierung
der Spitze 11 des Katheters 10.
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Ist
die Position der Spitze 11 des Katheters 10 im
dreidimensionalen Raum ermittelt, kann ein Abbild der Spitze 11 des Katheters 10 in
ein 3D-Bild vom Körperbereich K des Patienten P eingeblendet und
auf dem Sichtgerät 7 dargestellt werden.
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Wird
das Verfahren für mehrere Punkte des Katheters 10 oder
auch mehrmals zeitlich nacheinander für eine im Wesentlichen
kontinuierliche Navigation durchgeführt, wobei nach initialer
Detektion der Spitze des Katheters in einem Röntgenbild
durch räumliche und zeitliche Plausibilitätskriterien
der Suchraum für nachfolgende Katheterdetektionen einschränkbar
ist – so kann sich in zeitlich aufeinanderfolgend aufgenommenen
Röntgenbildern die Position des Katheters nur um eine bestimmte
Distanz verändert haben – kann auch die Orientierung
des Katheters ermittelt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5042486 [0004]
- - DE 102005034167 A1 [0005]
- - DE 102005030607 A1 [0007]
- - DE 10210647 A1 [0008]
- - DE 102005028746 A1 [0009, 0047]