DE102008006516A1 - Röntgeneinrichtung und Verfahren für eine Röntgeneinrichtung zur Ermittlung der Position und/oder der Orientierung eines in einen Körper eines Lebewesens eingeführten medizinischen Objektes - Google Patents

Röntgeneinrichtung und Verfahren für eine Röntgeneinrichtung zur Ermittlung der Position und/oder der Orientierung eines in einen Körper eines Lebewesens eingeführten medizinischen Objektes Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Röntgeneinrichtung zur Ermittlung der Position und/oder der Orientierung eines medizinischen Objektes (10), aufweisend ein Röntgengerät zur Gewinnung wenigstens eines Röntgenbildes von einem Lebewesen (P), in dessen Körper ein bestimmtes medizinisches Objekt (10) eingeführt wurde, einen Datenspeicher (14), umfassend jeweils wenigstens ein definiertes Muster von zumindest einem Teilbereich (11) einer Vielzahl von verschiedenen medizinischen Objekten (10), eine Recheneinheit (13) zur Ermittlung der Position und/oder der Orientierung des bestimmten, in den Körper des Lebenwesens (P) eingeführten medizinischen Objektes (10), basierend auf dem Röntgenbild, einem Muster des bestimmten medizinischen Objektes (10) und einem Mustererkennungsalgorithmus, und Identifizierungsmittel (9, 15-19) zur Identifizierung des bestimmten medizinischen Objektes (10) vor der Ermittlung der Position und/oder Orientierung des bestimmten medizinischen Objektes (10). Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren für die Röngeneinrichtung, bei dem das bestimmte medizinische Objekt (10) vor dem Beginn der Ermittlung der Position und/oder der Orientierung des bestimmten, in den Körper des Lebewesens (P) eingeführten medizinischen Objektes (10) identifiziert wird.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Nach einer Variante der Erfindung ist das medizinische Objekte ein medizinisches Instrument, beispielsweise ein Katheter, oder ein Implantat, beispielsweise ein Stent.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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..
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es ist auch möglich, anhand des zweiten Röntgenbilds ebenfalls eine solche Projektionslinie zu berechnen.
  • 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.
  • 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.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
  • 1 eine Röntgeneinrichtung nach der Erfindung und
  • 2 die Spitze eines Katheters.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • So ist auch dem Katheter 10 eine eindeutige Verwaltungsnummer und dem Muster der Spitze 11 des Katheters 10 eine eindeutige Musternummer zugeordnet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • - DE 102005028746 A1 [0009, 0047]

Claims (16)

  1. Röntgeneinrichtung zur Ermittlung der Position und/oder der Orientierung eines medizinischen Objektes (10) aufweisend – ein Röntgengerät zur Gewinnung wenigstens eines Röntgenbildes von einem Lebewesen (P), in dessen Körper ein bestimmtes medizinisches Objekt (10) eingeführt wurde, – einen Datenspeicher (14) umfassend jeweils wenigstens ein definiertes Muster von zumindest einem Teilbereich (11) einer Vielzahl von verschiedenen medizinischen Objekten (10), – eine Recheneinheit (13) zur Ermittlung der Position und/oder der Orientierung des bestimmten in den Körper des Lebewesens (P) eingeführten medizinischen Objektes (10) basierend auf dem Röntgenbild, einem Muster des bestimmten medizinischen Objektes (10) und einem Mustererkennungsalgorithmus, und – Identifizierungsmittel (9, 1519) zur Identifizierung des bestimmten medizinischen Objektes (10) vor der Ermittlung der Position und/oder Orientierung des bestimmten medizinischen Objektes (10).
  2. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Identifizierungsmittel (9, 1519) Verwaltungsnummern aufweisen, wobei jedem medizinischen Objekt (10) eine eindeutige Verwaltungsnummer zugeordnet ist.
  3. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 2, bei der die eindeutige Verwaltungsnummer auf dem medizinischen Objekt (10) oder einer Verpackung des medizinischen Objektes (10) angeordnet ist.
  4. Röntgeneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Identifizierungsmittel (9, 1519) Musternummern aufweisen, wobei jedem Muster eines medizinischen Objektes (10) eine eindeutige Musternummer zugeordnet ist.
  5. Röntgeneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Identifizierungsmittel Eingabe-(9) und/oder Einlesemittel (16, 18) aufweisen.
  6. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 5, bei der den verschiedenen medizinischen Objekten (10) jeweils ein eindeutiger Barcode und/oder jeweils ein RFID-Transponder (17) zugeordnet ist, wobei die Einlesemittel ein Barcodelesegerät (16) und/oder ein Lesegerät (18) eines RFID-Systems umfassen.
  7. Röntgeneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welche einen optischen Scanner (19) zur Aufnahme eines Musters eines noch nicht erfassten medizinischen Objektes aufweist.
  8. Röntgeneinrichtung nach Anspruch 7, bei der dem neu erfassten medizinischen Objekt eine Verwaltungsnummer und/oder dem Muster des neu erfassten medizinischen Objektes eine Musternummer zuordenbar ist.
  9. Röntgeneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das medizinische Objekt ein medizinische Instrument, ein Implantat, ein Katheter (10) oder ein Stent ist.
  10. Verfahren für eine Röntgeneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Ermittlung der Position und/oder der Orientierung eines in einen Körper eines Lebewesens (P) eingeführten bestimmten medizinischen Objektes (10), bei dem das bestimmte medizinische Objekt (10) vor dem Beginn der Ermittlung der Position und/oder der Orientierung des bestimmten in den Körper des Lebewesens (P) eingeführten medizinischen Objektes (10) basierend auf einem Muster des bestimmten medizinischen Objektes (10), wenigstens einem Röntgenbild von dem in den Körper des Lebewesens (P) eingeführten medizinischen Objekt (10) und einem Mustererkennungsalgorithmus identifiziert wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem a) das Röntgenbild zur Hervorhebung von Abbildungsstrukturen des bestimmten Objektes (10) vorverarbeitet wird, b) je drei Parameter für die Position und/oder je drei Parameter für die Orientierung des Musters im Raum initialisiert werden, c) eine zweidimensionale Projektion des Musters anhand der drei Parameter für die Position und/oder der drei Parameter für die Orientierung des Musters erzeugt wird, d) die zweidimensionale Projektion des Musters mit den Abbildungsstrukturen des vorverarbeiteten Röntgenbildes verglichen und ein diesbezügliches Ähnlichkeitsmaßes aufgrund des Vergleichs ermittelt wird, e1) die aktuellen drei Parameter für die Position und/oder die aktuellen drei Parameter für die Orientierung zur Bestimmung von Position und/oder Orientierung des bestimmten medizinischen Objektes (10) im Röntgenbild verwendet werden, wenn das Ähnlichkeitsmaß einen Abbruch des Verfahrens rechtfertigt, oder e2) der Satz aus drei Parametern für die Position und/oder der Satz aus drei Parametern für die Orientierung anpasst und die Schritte c) bis e) in einer Optimierungsschleife wiederholt werden, bis das Ähnlichkeitsmaß einen Abbruch des Verfahrens rechtfertigt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Vorverarbeitung in Schritt a) eine Hochpassfilterung und/oder eine Binärisierung des Röntgenbildes umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem ein zweites Röntgenbild unter einem von dem ersten Röntgenbild verschiedenen Projektionswinkel gewonnen und die Schritte a) bis e) unter Verwendung des zweiten Röntgenbildes durchgeführt werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem bei der Festlegung der drei neuen Parameter für die Position und/oder der drei neuen Parameter für die Orientierung des Musters in Bezug auf das vorverarbeitete zweite Röntgenbild der Satz aus den anhand des ersten Röntgenbildes gewonnenen Parametern für die Position und/oder Orientierung berücksichtigt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem f) anhand der mit dem ersten Röntgenbild gewonnenen Parameter eine Rückprojektion des bestimmten medizinischen Objektes (10) aus dem ersten Röntgenbild in den dreidimensionalen Raum durchgeführt wird, aufgrund der man eine erste Projektionslinie erhält, g) anhand der mit dem zweiten Röntgenbild gewonnenen Parameter eine Rückprojektion des bestimmten medizinischen Objektes (10) aus dem zweiten Röntgenbild in den dreidimensionalen Raum durchgeführt wird, aufgrund der man eine zweite Projektionslinie erhält, und bei dem h) der Punkt mit kleinstem quadratischem Abstand zu den beiden Projektionslinien oder gegebenenfalls der Schnittpunkt ermittelt wird, der zur Lokalisierung des Objektes (10) im dreidimensionalen Raum dient.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der kleinste Abstand der beiden Projektionslinien voneinander als Maß für die Qualität der Lokalisierung des Objektes (10) ermittelt wird.
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