DE60032475T2

DE60032475T2 - Navigationsführung über computergestützte fluoroskopische bildgebung

Info

Publication number: DE60032475T2
Application number: DE60032475T
Authority: DE
Inventors: T. Kevin Memphis FOLEY; R. Kurt Boulder SMITH; A. David Boulder SIMON
Original assignee: Surgical Navigation Technologies Inc
Current assignee: Medtronic Navigation Inc
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 2000-03-21
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2020-03-22
Also published as: AU3902400A; EP1757228A1; US20100041985A1; EP2356940A1; WO2000056215A8; WO2000056215A9; EP1757228B1; US20030073901A1; US6470207B1; EP1178755B1; US7606613B2; DE60032475D1; WO2000056215A1; EP1178755A1; EP2356940B8; EP1178755A4; US20110268248A1; EP2356940B1; US7996064B2

Description

Diese Offenbarung steht in Zusammenhang mit WO-A-0000086, die der US-Patentanmeldung 09/106.109 mit dem Titel „System and Methods for the Reduction and Elimination of Image Artifacts in the Calibration of X-Ray Imagers" entspricht, die am 29. Juni 1998 eingereicht wurde.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist im Allgemeinen auf die bildgestützte Chirurgie und insbesondere auf Systeme und Verfahren zur Verwendung von einem oder mehreren Durchleuchtungsbildern zur Unterstützung der Instrumentennavigation während operativer Eingriffe gerichtet.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Die moderne diagnostische Medizin hat erheblichen Nutzen aus der Radiologie gezogen, der Verwendung von Strahlung wie Röntgenstrahlen zur Erzeugung von Bildern von Strukturen des Körperinneren. Im Allgemeinen werden zur Erzeugung einer Röntgenaufnahme Röntgenstrahlen durch den Körper gesendet und unterschiedlich stark von Gewebe im Körper absorbiert. Auf der Grundlage der relativen Unterschiede der hindurchgelassenen Röntgenintensität entsteht eine Röntgenaufnahme.
Es sind Verfahren bekannt, bei denen mit Röntgenaufnahmen die Echtzeitlage chirurgischer Instrumente im Körper des Patienten, den die Röntgenaufnahme darstellt, bestimmt wird, ohne dass fortwährend Röntgenaufnahmen gemacht werden müssen. Bei einem derartigen System, wie es in der US-Patentschrift 5.772.594 (Barrick) beschrieben ist, werden Leuchtdioden (LEDs) auf einem C-Bogen-Röntgendurchleuchtungsgerät, einem Bohrer und einem Bezugsstab angebracht, der sich am zu untersuchenden Knochen befindet. Ein dreidimensionaler optischer A/D-Wandler erfasst die Lage der LEDs und damit die Lage des Bohrers, des C-Bogen-Durchleuchtungsgeräts und des Zielknochens. Auf der Grundlage dieser Angaben wird die Echtzeitlage des Bohrers im Körper ermittelt, den die Röntgenaufnahme darstellt, und in der Röntgenaufnahme wird eine entsprechende Darstellung des Bohrers angezeigt. Damit kann der Chirurg fortwährend den Fortschritt des operativen Eingriffs beobachten, ohne dass weitere Röntgenaufnahmen erforderlich sind.
Die chirurgische Navigationsunterstützung, wie zuvor erörtert, kann ein Hilfsmittel sein, das dem Arzt bei der Durchführung des operativen Eingriffs behilflich ist. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verschiedene Verbesserungen gegenüber herkömmlichen chirurgischen Navigationsunterstützungsverfahren bereitzustellen.
In der US-Patentschrift 5.772.594 ist ein Röntgensystem mit einem C-Bogen-Durchleuchtungsgerät und den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 offenbart.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aufgaben und Vorteile der Erfindung sind zum Teil in der folgenden Beschreibung dargelegt und zum Teil aus der Beschreibung ersichtlich oder können der Umsetzung der Erfindung in die Praxis entnommen werden. Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden mithilfe der Elemente und Kombinationen verwirklicht und erreicht, die insbesondere in den zugehörigen Ansprüchen dargelegt sind.
Die Erfindung stellt eine Röntgenbildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1 bereit und ein Röntgenabbildungsverfahren nach Anspruch 20.
Bei einer Ausführungsform ist ein Rechner mit dem Röntgenempfangsabschnitt verbunden und im Strahlengang der Röntgenstrahlen, die die Röntgenquelle aussendet, befinden sich Strahlungssensoren. Die Strahlungssensoren erfassen den Anfang und das Ende eines Bestrahlungszyklus und übertragen den erfassten Anfang und das erfasste Ende des Bestrahlungszyklus an den Rechner.
Eine weitere Bildgebungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung weist ein drehbares C-Bogenstativ auf, das ein erstes und zweites Ende aufweist. Das erste Ende weist eine Röntgenquelle zum Einleiten eines Aufnahmezyklus auf und das zweite Ende weist einen Röntgenempfangsabschnitt auf, der angeordnet ist, sodass Röntgenstrahlen, die von der Röntgenquelle ausgesendet werden, in den Röntgenempfangsabschnitt gelangen. Der Röntgenempfangsabschnitt erzeugt ein Bild, das die Intensität der Röntgenstrahlen darstellt, die in den Röntgenempfangsabschnitt gelangen. Ferner ist ein Kalibrierungs- und Verfolgungsmittel enthalten und ein Positionssensor erfasst die Lage des Kalibrierungs- und Verfolgungsobjekts im dreidimensionalen Raum; und ein Rechner ist mit dem Röntgenempfangsabschnitt und dem Positionssensor verbunden. Der Rechner erfasst die Bewegung des C-Bogens auf der Grundlage von Lageänderungen, die der Positionssensor erfasst.
Ein weiterer Gesichtspunkt in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist auf ein Navigationssystem für ein chirurgisches Instrument gerichtet. Das System umfasst einen Rechnerprozessor; einen Positionssensor zur Erfassung dreidimensionaler Lageangaben über ein chirurgisches Instrument und zur Übertragung der Lageangaben an den Rechnerprozessor; einen Speicher, der mit dem Rechnerprozessor verbunden ist, wobei der Speicher Rechnerbefehle umfasst, die, wenn sie vom Rechnerprozessor ausgeführt werden, bewirken, dass der Prozessor ein Symbol erzeugt, das das chirurgische Instrument darstellt, und das Symbol über eine zuvor angefertigte Röntgenaufnahme legt, wobei das Symbol des chirurgischen Instruments die Echtzeitlage des chirurgischen Instruments darstellt, die in die zuvor angefertigte Röntgenaufnahme projiziert wird, und wobei das Symbol als erste Darstellung erzeugt wird, wenn das chirurgische Instrument derart angeordnet ist, dass es im Wesentlichen in der Ebene der zuvor angefertigten Aufnahme sichtbar ist, und wobei das Symbol als zweite Darstellung erzeugt wird, wenn das chirurgische Instrument derart angeordnet ist, dass es sich im Wesentlichen senkrecht zur Ebene der zuvor angefertigten Aufnahme befindet. Schließlich ist eine Anzeige mit dem Prozessor verbunden, um das erzeugte Symbol anzuzeigen, das über die zuvor angefertigte Aufnahme gelegt wird.
Ein weiteres System in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst einen Rechnerprozessor und einen Positionssensor zur Erfassung dreidimensionaler Lageangaben über ein chirurgisches Instrument und zum Übertragen der Lageangaben an den Rechnerprozessor. Ein Speicher ist mit dem Rechnerprozessor verbunden, wobei der Speicher Rechnerbefehle umfasst, die, wenn sie vom Rechnerprozessor ausgeführt werden, bewirken, dass der Prozessor ein Symbol erzeugt, das das chirurgische Instrument darstellt, das in einer zuvor angefertigten Röntgenaufnahme des Körpers eines Patienten angeordnet ist, wobei das Symbol des chirurgischen Instruments einen ersten Abschnitt aufweist, der der tatsächlichen Lage des chirurgischen Instruments entspricht, und einen zweiten Abschnitt, der einer Projektion des chirurgischen Instruments entlang einer Linie entspricht, die durch eine gegenwärtige Bewegungsbahn des chirurgischen Instruments vorgegeben ist. Eine Anzeige ist mit dem Prozessor verbunden, um das erzeugte Symbol anzuzeigen, das über die zuvor angefertigte Aufnahme gelegt wird.
Ferner umfasst ein weiteres Navigationssystem für ein chirurgisches Instrument in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung einen drehbaren C-Bogen zum Anfertigen von Röntgenaufnahmen von einem Patienten, der eine Röntgenquelle und einen Röntgenempfangsabschnitt aufweist, wobei der C-Bogen um eine aus einer Vielzahl von mechanischen Achsen drehbar ist. Ein Rechnerprozessor ist mit dem drehbaren C-Bogen verbunden und ein Speicher ist mit dem Rechnerprozessor verbunden. In dem Speicher werden die Röntgenaufnahmen gespeichert, die mit dem drehbaren C-Bogen angefertigt wurden, und die Rechnerbefehle, die, wenn sie vom Rechnerprozessor ausgeführt werden, bewirken, dass der Rechnerprozessor eine Linie erzeugt, die eine Projektion einer Ebene in die Röntgenaufnahme darstellt, die parallel zu einer der Vielzahl der mechanischen Achsen des C-Bogens verläuft, wobei mit der Linie die eine aus der Vielzahl der mechanischen Achsen des C-Bogens optisch nach einer Achse ausgerichtet werden kann, die sich ergänzende Bildansichten zueinander in Beziehung setzt. Eine Anzeige ist mit dem Prozessor verbunden, um die erzeugte Linie anzuzeigen, die über die Röntgenaufnahme gelegt wird.
Ein weiteres System in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung dient dem Festlegen eines Operationsplans und umfasst eine Röntgenbildgebungsvorrichtung; ein chirurgisches Instrument; einen Positionssensor zum Erfassen der Lage des chirurgischen Instruments im dreidimensionalen Raum; einen Rechnerprozessor in Verbindung mit dem Positionssensor zum Definieren eines Punkts auf einem gedachten Röntgenabbildungsweg als dreidimensionale Lage des chirurgischen Instruments, wobei sich der Punkt außerhalb eines wirklichen Röntgenabbildungswegs der Röntgenbildgebungsvorrichtung befindet, wobei der Rechnerprozessor die Lage des chirurgischen Instruments auf dem gedachten Röntgenabbildungsweg auf eine entsprechende Lage auf dem wirklichen Röntgenabbildungsweg überträgt; und eine Anzeige, die mit dem Prozessor verbunden ist, um eine zuvor angefertigte Röntgenaufnahme anzuzeigen, über die eine Symboldarstellung des chirurgischen Instruments gelegt wurde, wobei die Lage der Symboldarstellung des chirurgischen Instruments auf der zuvor angefertigten Röntgenaufnahme der übertragenen Lage des chirurgischen Instruments entspricht.
Ein weiteres System in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zum Festlegen eines Operationsplans umfasst eine Verbindung von Elementen. Die Elemente umfassen eine Röntgenbildgebungsvorrichtung; ein chirurgisches Instrument; einen Positionssensor zum Erfassen der Lage des chirurgischen Instruments im dreidimensionalen Raum; einen Rechnerprozessor in Verbindung mit dem Positionssensor zum Berechnen einer Projektion der Bewegungsbahn des chirurgischen Instruments ein Stück vor der tatsächlichen Lage des chirurgischen Instruments; und eine Anzeige, die mit dem Prozessor verbunden ist, um eine zuvor angefertigte Röntgenaufnahme anzuzeigen, über die eine Symboldarstellung des chirurgischen Instruments und die berechnete Projektion der Bewegungsbahn des chirurgischen Instruments gelegt wurde.
Ein weiteres System in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung dient der Ausrichtung eines ersten Knochenabschnitts nach einem zweiten Knochenabschnitt bei einem Patienten. Die Vorrichtung umfasst eine erste Positionsmarkierung, die am ersten Knochenabschnitt befestigt ist, und eine zweite Positionsmarkierung, die am ersten Knochenabschnitt befestigt ist. Ein Positionssensor erfasst die relative Lage der ersten und der zweiten Positionsmarkierung im dreidimensionalen Raum. Ein Rechner zeichnet Grenzen von Aufnahmen des ersten und zweiten Knochenabschnitts in einer zuvor angefertigten Röntgenaufnahme ein und, wenn der zweite Knochenabschnitt im Patienten bewegt wird, bewegt der Rechner entsprechend die eingezeichnete Grenze des zweiten Knochenabschnitts in der Röntgenaufnahme. Eine Anzeige ist mit dem Rechner verbunden und zeigt die zuvor angefertigte Röntgenaufnahme an, über die Darstellungen der eingezeichneten Grenzen des ersten und zweiten Knochenabschnitts gelegt wurden.
Ein weiteres System in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist auf ein System zum Anordnen eines chirurgischen Implantats in einem Patienten gerichtet. Das System umfasst einen Rechnerprozessor; Mittel zum Eingeben von Abmessungen des Implantats; einen Positionssensor zum Erfassen von dreidimensionalen Lageangaben über ein chirurgisches Instrument, an dem das chirurgische Implantat befestigt ist, wobei der Positionssensor die Lageangaben an den Rechnerprozessor überträgt; und einen Speicher, der mit dem Rechnerprozessor verbunden ist, wobei der Speicher Rechnerbefehle umfasst, die, wenn sie vom Rechnerprozessor ausgeführt werden, bewirken, dass der Prozessor ein Symbol erzeugt, das das chirurgische Instrument und das daran befestigte chirurgische Implantat darstellt, und das Symbol über eine zuvor angefertigte zweidimensionale Röntgenaufnahme legt, wobei das Symbol des chirurgischen Instruments die Echtzeitlage des chirurgischen Instruments relativ zur zuvor angefertigten zweidimensionalen Röntgenaufnahme darstellt.
Zusätzlich zu den zuvor erwähnten Vorrichtungen und Systemen können die Ideen der vorliegenden Erfindung als mehrere damit zusammenhängende Verfahren angewendet werden.
Ein zusätzliches Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Anfertigen einer zweidimensionalen Röntgenaufnahme des Körpers eines Patienten aus einer gewünschten Blickrichtung. Das Verfahren umfasst das Erzeugen der zweidimensionalen Aufnahme unter Verwendung eines Röntgengeräts; das Angeben einer Blickrichtung in einer dreidimensionalen Aufnahme, die den Körper des Patienten darstellt; das Erzeugen eines zweidimensionalen digital rekonstruierten Röntgenbilds (DRR) auf der Grundlage der dreidimensionalen Aufnahme und der angegebenen Blickrichtung; und das Feststellen, dass die zweidimensionale Röntgenaufnahme mit der gewünschten Blickrichtung übereinstimmt, indem das DRR-Bild mit der Röntgenaufnahme in Übereinstimmung gebracht wird.
Ein weiteres Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Berechnen eines Winkels zwischen einem chirurgischen Instrument und einer Ebene, die in einer Röntgenaufnahme ausgewählt wird. Das Verfahren umfasst mehrere Schritte, einschließlich: Definieren von mindestens zwei Punkten in der Röntgenaufnahme; Definieren einer Ebene, die als die Ebene durch die Röntgenaufnahme verläuft, die die beiden Punkte und lineare Projektionen der beiden Punkte aufweist, wie durch eine Kalibrierungstransformation vorgegeben ist, die zur Kalibrierung der Röntgenaufnahme für die jeweilige Bildgebungsvorrichtung verwendet wird; Erfassen einer Lage des chirurgischen Instruments im dreidimensionalen Raum; und Berechnen des Winkels zwischen dem Schnittpunkt einer Projektion des chirurgischen Instruments im dreidimensionalen Raum und der Ebene.
Ein weiteres Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Ausrichten einer Röntgenbildgebungsvorrichtung nach einer Blickrichtung der Mittelachse des Pedikels eines Patienten. Das Verfahren umfasst das Anzeigen einer dreidimensionalen Aufnahme eines axialen Querschnitts eines Wirbels des Patienten; das Entnehmen eines Winkels aus dem dreidimensionalen Bild, der dem Winkel zwischen Anterior-Posterior-Achse und Mittelachse des Pedikels entspricht; Ausrichten der Röntgenbildgebungsvorrichtung nach der Längsachse des Patienten; und Drehen der Röntgenbildgebungsvorrichtung um die Längsachse des Patienten um den gemessenen Winkel.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die zugehörigen Zeichnungen, die in diese Beschreibung aufgenommen und Bestandteil davon sind, veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen in Übereinstimmung mit dieser Erfindung und tragen gemeinsam mit der Beschreibung zur Erläuterung der Grundsätze der Erfindung bei. Es zeigen
1 eine grafische Darstellung eines beispielhaften Bildgebungssystems, das zur Anfertigung von Röntgenaufnahmen verwendet wird;
2 eine Abbildung, in der ein richtiges und ein verzerrtes Bild dargestellt ist;
3A und 3B eine projektive Transformation bei einem C-Bogen-Durchleuchtungsgerät;
4 ein Flussdiagramm, in dem Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zur Durchführung der zweidimensionalen Navigationsunterstützung dargestellt sind;
5A und 5B beispielhafte Durchleuchtungsbilder, über die ein chirurgisches Instrument als grafisches Symbol gelegt wurde;
6 ein Durchleuchtungsbild einschließlich einer grafischen Einblendung eines Instruments als „Fadenkreuz";
7A bis 7C Aufnahmen sich ergänzender Ansichten und eine Achse, die sie zueinander in Beziehung setzt;
8 eine Aufnahme einer Seitenansicht der Bandscheibe eines Patienten;
9 eine Aufnahme einer Seitenansicht eines Wirbels der Wirbelsäule;
10 eine grafische Darstellung, in der ein System zum Angeben einer geplanten Bewegungsbahn eines chirurgischen Instruments dargestellt ist;
11 ein Flussdiagramm, in dem ein Verfahren zum Angeben einer geplanten Bewegungsbahn eines chirurgischen Instruments dargestellt ist;
12A bis 12C Aufnahmen eines Oberschenkelbruchs, der zwei Knochenbruchstücke enthält;
13 ein Flussdiagramm, in dem Verfahren zum Ausrichten von Knochenbruchstücken in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung dargestellt sind;
14A und 14B Aufnahmen, in denen die Einpflanzung eines Cages in die Wirbelsäule eines Patienten dargestellt ist;
15A bis 15C Aufnahmen, die bei der Anfertigung einer Röntgenansicht der Mittelachse des Pedikels eines Wirbels verwendet werden; und
16A und 16B Aufnahmen, die zur Veranschaulichung der Messung von Winkeln aus der Ebene heraus anhand von Durchleuchtungsbildern verwendet werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG:
Wie hier beschrieben ist, wird durch neuartige Verfahren und Systeme die chirurgische Navigationsunterstützung unter Verwendung einer oder mehrerer Durchleuchtungsbilder verbessert. Die Verfahren und Systeme können entweder zur Navigationsunterstützung unter ausschließlicher Verwendung von zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern oder zur Navigationsunterstützung unter Verwendung einer Verbindung aus zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern und dreidimensionalen volumetrischen Bildern wie CT- oder MRT-Aufnahmen eingesetzt werden.
Es wird nun ausführlich auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, für die in den zugehörigen Zeichnungen Beispiele dargestellt sind. Wenn möglich, werden in allen Zeichnungen dieselben Bezugszeichen verwendet, um dieselben oder ähnliche Teile zu bezeichnen.
SYSTEMÜBERBLICK
1 ist eine grafische Darstellung eines beispielhaften Bildgebungssystems, das zur Anfertigung von Röntgenaufnahmen verwendet wird. Die Durchleuchtungsvorrichtung 100 ist eine C-Bogen-Durchleuchtungs- und Bildgebungsvorrichtung, die den C-Bogen 103, die Röntgenquelle 104, den Röntgenempfangsabschnitt 105, ein Kalibrierungs- und Verfolgungsobjekt 106 und die Strahlungssensoren 107 aufweist. Das Kalibrierungs- und Verfolgungsobjekt 106 weist die Infrarotreflektoren (oder wahlweise Infrarotsender) 109 und die Kalibrierungsmarkierungen 111 auf. Mit dem Rechner 115 für die Steuerung des C-Bogens kann der Arzt den Betrieb der Bildgebungsvorrichtung 100 steuern, beispielsweise die Bildgebungsparameter einstellen.
Eine geeignete Umsetzung der Bildgebungsvorrichtung 100 ist das „Series9600 Mobile Digital Imaging System" von OEC Medical Systems Inc., Salt Lake City, Utah, USA; obwohl das Kalibrierungs- und Verfolgungsobjekt 106 und die Strahlungssensoren 107 üblicherweise nicht im Series9600 Mobile Digital Imaging System enthalten sind und möglicherweise hinzugefügt werden müssen. Der Aufbau des „Series9600 Mobile Digital Imaging System" ähnelt ansonsten der Bildgebungsvorrichtung 100.
Während des Betriebs erzeugt die Röntgenquelle 104 Röntgenstrahlen, die den Patienten 110 und das Kalibrierungsobjekt 106 durchdringen und sich in den Röntgenempfangsabschnitt 105 hinein ausbreiten. Der Empfangsabschnitt 105 erzeugt ein Bild, das die Intensität der empfangenen Röntgenstrahlen wiedergibt. Üblicherweise umfasst der Empfangsabschnitt 105 einen Bildverstärker, der die Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umwandelt, und eine Videokamera mit ladungsgekoppelten (CCD-) Elementen, die das sichtbare Licht in digitale Bilder umwandelt. Der Empfangsabschnitt 105 kann auch eine Vorrichtung sein, die Röntgenstrahlen direkt in digitale Bilder umwandelt, wodurch möglicherweise die Verzerrung vermieden wird, die bei vorheriger Umwandlung in sichtbares Licht entsteht.
Durchleuchtungsbilder, die mit der Bildgebungsvorrichtung 100 angefertigt werden, werden an den Rechner 115 übertragen, von wo aus sie weiter an den Rechner 120 gesendet werden können. Der Rechner 120 stellt Einrichtungen zum Anzeigen (auf dem Bildschirm 121), Speichern, digitalen Verarbeiten oder Drucken eines Ausdrucks der empfangenen Aufnahmen bereit. Dreidimensionale Bilder wie der zuvor angefertigte patientenspezifische CT/MRT-Datensatz 124 oder der dreidimensionale Atlasdatensatz 126 (nachfolgend ausführlicher beschrieben) kann ebenfalls vom Rechner 120 verarbeitet und vom Bildschirm 121 angezeigt werden. Anstatt auf dem Bildschirm 121 angezeigt zu werden oder zusätzlich dazu können dem Arzt die Aufnahmen auch über ein Headup-Display angezeigt werden.
Obwohl die Rechner 115 und 120 als zwei getrennte Rechner dargestellt sind, könnten sie wahlweise auf andere Weise als mehrere Rechner oder als ein einziger Rechner ausgeführt sein, der die Aufgaben erfüllt, die die Rechner 115 und 120 erfüllen. In diesem Fall würde der einzelne Rechner sowohl vom C-Bogen-Gerät 100 als auch vom Positionssensor 130 Daten empfangen.
Die Strahlungssensoren 107 erfassen das Vorhandensein von Strahlung, was verwendet wird, um festzustellen, ob die Bildgebungsvorrichtung 100 aktiv Aufnahmen macht oder nicht. Das Ergebnis ihrer Erfassung wird an den verarbeitenden Rechner 120 übertragen. Wahlweise kann eine Person per Hand angeben, wann die Vorrichtung 100 aktiv Aufnahmen macht oder diese Funktion kann in die Röntgenquelle 104, den Röntgenempfangsabschnitt 105 oder den Steuerungsrechner 115 eingebaut sein.
Während des Betriebs befindet sich der Patient zwischen der Röntgenquelle 104 und dem Röntgenempfangsabschnitt 105. Als Reaktion auf einen Befehl der Bedienungsperson, der am Steuerungsrechner 115 eingegeben wird, werden von der Quelle 104 Röntgenstrahlen ausgesendet und gelangen durch den Patienten 110 und das Kalibrierungsobjekt 106 hindurch und in den Empfangsabschnitt 105 hinein, der eine zweidimensionale Aufnahme des Patienten erzeugt.
Der C-Bogen 103 kann sich in Bezug auf den Patienten 110 drehen, sodass von dem Patienten 110 aus mehreren Richtungen Aufnahmen gemacht werden können. Beispielsweise kann der Arzt den C-Bogen 103 in Richtung der Pfeile 108 oder um die Längsachse des Patienten drehen. Jede dieser Bewegungsrichtungen umfasst die Drehung um eine mechanische Achse des C-Bogens. Bei diesem Beispiel ist die Längsachse des Patienten nach der mechanischen Achse des C-Bogens ausgerichtet.
Die unverarbeiteten Aufnahmen, die im Empfangsabschnitt 105 erzeugt werden, neigen dazu, eine unerwünschte Verzerrung aufzuweisen, die durch mehrere Faktoren verursacht wird, einschließlich der dem Bildverstärker eigenen Bildverzerrung und äußere elektromagnetische Felder. Zeichnungen, die ein ideales und ein verzerrtes Bild zeigen, sind in 2 dargestellt. Das Schachbrett 202 stellt das ideale Bild eines Gegenstands in Form eines Schachbretts dar. Die Aufnahme, die der Empfangsabschnitt 105 macht, kann jedoch eine erhebliche Verzerrung aufweisen, wie das verzerrte Bild 204 zeigt.
Maßgebend für den Bilderzeugungsvorgang in einem System wie dem C-Bogen-Durchleuchtungsgerät 100 ist eine geometrische projektive Transformation, mit der Linien im Abbildungsbereich des Durchleuchtungsgeräts auf Punkte in der Aufnahme (d. h. innerhalb des Röntgenempfangsabschnitts 105) abgebildet werden. Dieses Konzept ist in 3A und 3B dargestellt. Die Aunahme 300 (und jede Aufnahme, die das Durchleuchtungsgerät erzeugt) besteht aus einzelnen Bildpunkten (Pixeln), wobei ein Beispiel dafür mit 302 bezeichnet ist. Jedes Pixel in der Aufnahme 300 weist eine entsprechende dreidimensionale Linie im Abbildungsbereich des Durchleuchtungsgeräts auf. Beispielsweise ist die Linie, die dem Pixel 302 entspricht, mit 304 bezeichnet. Die vollständige Abbildung zwischen Bildpixeln und entsprechenden Linien ist maßgebend für die Projektion von Gegenständen im Abbildungsbereich in die Aufnahme. Der Wert der Intensität an dem Pixel 302 wird von der Dichte der Elemente des Gegenstands (d. h. Bereichen des Körpers eines Patienten, der OP-Tisch usw.) bestimmt, die die Linie 304 durchdringt. Zum Zweck der rechnergestützten Navigationsunterstützung ist es notwendig, die projektive Transformation zu bestimmen, mit der Linien im Abbildungsbereich auf Pixel in der Aufnahme abgebildet werden und umgekehrt. Die geometrische projektive Transformation ist im Fachgebiet bekannt.
Die innere Kalibrierung, der Vorgang der Korrektur der Bildverzerrung eines empfangenen Bilds und der Durchführung der projektiven Transformation für dieses Bild, beinhaltet die Anordnung von „Kalibrierungsmarkierungen" in den Strahlengang der Röntgenstrahlen, wobei eine Kalibrierungsmarkierung ein Gegenstand ist, der für Röntgenstrahlen undurchlässig oder halbundurchlässig ist. Die Kalibrierungsmarkierungen 111 sind nach vorher festgelegten Mustern starr in einer oder mehreren Ebenen im Strahlengang der Röntgenstrahlen angeordnet und in den gespeicherten Aufnahmen sichtbar. Verfolgungsobjekte wie die Sender oder Reflektoren 109 sind in einer festen und bekannten Lage relativ zu den Kalibrierungsmarkierungen 111 befestigt.
Da die echte relative Lage der Kalibrierungsmarkierungen 111 auf den gespeicherten Aufnahmen bekannt ist, kann der Rechner 120 an jedem Pixel der Aufnahme den Grad der Verzerrung berechnen (wobei ein Pixel ein einzelner Punkt in der Aufnahme ist). Folglich kann der Rechner 120 digital die Bildverzerrung ausgleichen und ein verzerrungsfreies Bild erzeugen oder zumindest ein Bild mit geringerer Verzerrung. Wahlweise kann die Verzerrung des Bildes bleiben und anschließende Vorgänge an dem Bild wie das Einblenden einer Symboldarstellung eines chirurgischen Instruments in das Bild (nachfolgend ausführlicher beschrieben) können verzerrt werden, um der Bildverzerrung zu entsprechen, die mit den Kalibrierungsmarkierungen festgestellt wurde. Dieselben Kalibrierungsmarkierungen können auch zur Bestimmung der geometrischen perspektivischen Transformation verwendet werden, da die Lage dieser Markierungen in Bezug auf die Sender oder Reflektoren 109 des Verfolgungsobjekts und schließlich in Bezug auf den Positionssensor 130 bekannt ist. Eine ausführlichere Erläuterung von Verfahren zur Durchführung der inneren Kalibrierung findet sich in den Verweisen B. Schuele et al. „Conection of Image Intensifier Distortion for Three-Dimensional Reconstruction", vorgetragen auf der SPIE Medical Imaging 1995, San Diego, Kalifornien, USA, 1995, und G. Champleboux et al. „Accurate Calibration of Cameras and Range Imaging Sensors: the NPBS Method", Berichte der IEEE International Conference on Robotics and Automation 1992, Nizza, Frankreich, Mai 1992 und WO-A-0000086.
Das Kalibrierungs- und Verfolgungsobjekt 106 kann am Röntgenempfangsabschnitt 105 des C-Bogens befestigt sein. Wahlweise kann das Objekt 106 mechanisch unabhängig vom C-Bogen sein, wobei es in diesem Fall derart angeordnet sein sollte, dass die enthaltenen Kalibrierungsmarkierungen 111 auf jedem Durchleuchtungsbild sichtbar sind, das bei der Navigationsunterstützung verwendet werden soll. Das Element 106 erfüllt zwei Aufgaben. Die erste, wie zuvor beschrieben, besteht darin, die Kalibrierungsmarkierungen 111 aufzunehmen, die bei der inneren Kalibrierung verwendet werden. Die zweite Aufgabe, die nachfolgend ausführlicher beschrieben ist, besteht darin, die Infrarotsender oder -reflektoren 109 aufzunehmen, die als Verfolgungsobjekt für den Positionssensor 130 dienen.
Der Positionssensor 130 ist ein Echtzeit-Infrarotpositionssensor, der mit dem Rechner 120 verbunden ist. Besonders aufgebaute chirurgische Instrumente und andere Markierungen im Bereich des Positionssensors 130 können im dreidimensionalen Raum erfasst und ihre Lage bestimmt werden. Beispielsweise sind in den Griff eines chirurgischen Instruments 140 wie einem Bohrer die Infrarotsender oder -reflektoren 141 integriert. Der Positionssensor 130 erfasst das Vorhandensein und die Lage der Infrarotsender oder -reflektoren 141. Da die relative räumliche Lage der Sender oder Reflektoren im Instrument 140 von vornherein bekannt ist, können der Positionssensor 130 und der Rechner 120 unter Verwendung bekannter mathematischer Transformationen die Lage des Instruments 140 im dreidimensionalen Raum bestimmen. Statt der Verwendung des Infrarotpositionssensors 130 und entsprechender Infrarotsender oder -reflektoren sind andere Arten von Lagebestimmungsvorrichtungen im Fachgebiet bekannt und können verwendet werden. Beispielsweise kann eine Lagebestimmungsvorrichtung auch auf Magnetfeldern, Schallemissionen oder Funkwellen beruhen.
In die Bezugsrahmenmarkierung 150 sind wie beim chirurgischen Instrument 140 Infrarotsender oder -reflektoren integriert, die mit 151 bezeichnet sind. Wie beim Instrument 140 erfasst der Positionssensor 130 auf ähnliche Weise die räumliche Lage der Sender/Reflektoren 151, wodurch der Positionssensor 130 und der Rechner 120 die dreidimensionale Lage der dynamischen Bezugsrahmenmarkierung 150 bestimmen. Die Bestimmung der dreidimensionalen Lage eines Gegenstands relativ zu einem Patienten ist im Fachgebiet bekannt und wird beispielsweise in den folgenden Verweisen erörtert: PCT-Veröffentlichung WO 96/11624 (Bucholz et al.), veröffentlicht am 25. April 1996; die US-Patentschrift 5.384.454 (Bucholz); US-Patentschrift 5.851.183 (Bucholz) und US-Patentschrift 5.871.445 (Bucholz).
Während einer Operation ist die dynamische Bezugsrahmenmarkierung 150 in einer festen Stellung relativ zu dem Bereich des Patienten befestigt, der operiert werden soll. Wenn beispielsweise eine Schraube in die Wirbelsäule des Patienten 110 eingesetzt wird, kann die dynamische Bezugsrahmenmarkierung 150 an einem Abschnitt der Wirbelsäule des Patienten befestigt werden. Da sich der dynamische Bezugsrahmen 150 in einer festen Stellung relativ zum Körper des Patienten befindet und die Lage des Instruments 140 im dreidimensionalen Raum relativ zum dynamischen Bezugsrahmen 150 genau bestimmt werden kann, kann auch die Lage des Instruments 140 relativ zum Körper des Patienten bestimmt werden.
Wie zuvor erörtert wurde, weist das Kalibrierungs- und Verfolgungsobjekt 106 auch die Infrarotsender oder -reflektoren 109 auf, die denen im Instrument 140 oder im dynamischen Bezugsrahmen 150 ähneln. Folglich können der Positionssensor 130 und der Rechner 120 die dreidimensionale Lage des Kalibrierungsobjekts 106 relativ zum Instrument 140 und/oder zum dynamischen Bezugsrahmen 150 und somit die Lage des Patienten bestimmen.
WIRKUNGSWEISE DES SYSTEMS
Im Allgemeinen unterstützt die Bildgebungsvorrichtung, die in 1 dargestellt ist, Ärzte, die operative Eingriffe vornehmen, indem sie auf der Anzeige 121 Echtzeit- oder zuvor angefertigte Aufnahmen wie Durchleuchtungsbilder des Patienten 110 anzeigt. Anhand der Lage der Instrumente, die vom Positionssensor 130 bestimmt wurde, werden Darstellungen der chirurgischen Instrumente 140 über zuvor angefertigte Durchleuchtungsbilder des Patienten 110 gelegt. Auf diese Weise kann der Arzt die Lage des Instruments relativ zum Körper des Patienten sehen, ohne dass Echtzeit-Durchleuchtungsbilder angefertigt werden müssen, wodurch die Strahlenbelastung des Patienten und des Operationsteams stark vermindert wird. Wie es hier verwendet wird, soll „zuvor angefertigt" keine erforderliche Mindestdauer zwischen dem Empfang der Röntgensignale und der Anzeige des entsprechenden Bilds voraussetzen. Die vorübergehende Speicherung des entsprechenden digitalen Signals im Speicher des Rechners während der Anzeige des Durchleuchtungsbilds stellt das vorher Anfertigen des Bilds dar.
4 ist ein Flussdiagramm, in dem Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zur Durchführung der zweidimensionalen Navigationsunterstützung unter Verwendung des Systems von 1 dargestellt sind. Der Arzt beginnt mit der Anfertigung von einem oder mehreren Durchleuchtungsbildern vom Patienten 110 unter Verwendung der Bildgebungsvorrichtung 100 (Schritt 400). Wie zuvor erwähnt wurde, werden durch die Anfertigung einer Röntgenaufnahme die Strahlungssensoren 107 aktiviert, wodurch der Rechner 120 über den Anfang und das Ende des Bestrahlungszyklus informiert wird, der zur Bilderzeugung verwendet wird. Damit ein Durchleuchtungsbild, das mit der Bildgebungsvorrichtung 100 angefertigt wird, zur Navigationsunterstützung verwendet werden kann, sollte sich die Bildgebungsvorrichtung 100 während der Anfertigung des Bilds in Bezug auf den Patienten 110 nicht bewegen. Wenn sich der C-Bogen 103 oder der Patient 110 während der Bilderfassung bewegt, wird die Lage des Durchleuchtungsgeräts relativ zum Bezugsrahmen des Patienten nicht genau bestimmt. Daher ist es wichtig, dass die gespeicherte Lage der Bildgebungsvorrichtung 100 die wahre Lage der Bildgebungsvorrichtung zum Zeitpunkt der Bilderfassung wiedergibt. Wenn sich die Bildgebungsvorrichtung 100 während des Bilderfassungsvorgangs bewegt oder wenn sich die Bildgebungsvorrichtung 100 nach der Bilderfassung bewegt, aber bevor ihrer Lage gespeichert wird, ist die Kalibrierung fehlerhaft und führt so zu falschen grafischen Einblendungen. Um diese Art fehlerhafter Bilder zu verhindern, kann der Rechner 120 die Lageangaben vom Positionssensor 130 prüfen, während die Strahlungssensoren 107 den Nachweis von Strahlen anzeigen. Wenn sich das Kalibrierungs- und Verfolgungsobjekt 106 während der Bilderfassung relativ zum dynamischen Bezugsrahmen 150 bewegt, wird dieses Bild als fehlerhaft markiert (Schritte 401 und 402).
Am Ende des Bestrahlungszyklus ruft der Rechner 120 die angefertigte Aufnahme vom Rechner 115 zur Steuerung des C-Bogens ab und ruft die Lageangaben über die Objektmarkierung 106 und den dynamischen Bezugsrahmen 150 vom Positionssensor 130 ab. Der Rechner 120 kalibriert die angefertigte Aufnahme wie zuvor beschrieben, um dessen projektive Transformation zu entnehmen und wahlweise die Bildverzerrung zu korrigieren (Schritt 1403), und speichert die Aufnahme anschließend gemeinsam mit ihren Lageangaben (Schritt 404). Der Vorgang der Schritte 400 bis 404 wird für jede Aufnahme wiederholt, die angefertigt werden soll (Schritt 405).
Da die angefertigten Aufnahmen zusammen mit den Lageangaben über das Kalibrierungs- und Verfolgungsobjekt 106 und den dynamische Bezugsrahmen 150 gespeichert werden, kann die Lage des C-Bogens 103, der Röntgenquelle 104 und des Empfangsabschnitts 105 relativ zum Patienten 110 für jede Aufnahme auf der Grundlage der projektiven Transformation berechnet werden, die beim Kalibrierungsvorgang ermittelt wurde. Während des operativen Eingriffs erfassen der Positionssensor 130 und der Rechner 120 die Lage des Instruments 140 relativ zum dynamischen Bezugsrahmen 150 und damit relativ zum Patienten 110. Mit diesen Angaben berechnet der Rechner 120 in Echtzeit dynamisch die Projektion des Instruments 140 in jedes Durchleuchtungsbild, wenn der Arzt das Instrument bewegt. Eine grafische Darstellung des Instruments 140 kann anschließend über die Durchleuchtungsbilder gelegt werden (Schritt 406). Die grafische Darstellung des Instruments 140 ist eine Symboldarstellung von der Stelle, an der das wirkliche chirurgische Instrument in dem angefertigten Durchleuchtungsbild erscheinen würde, wenn die Bildgebungsvorrichtung 100 ständig neue Aufnahmen von derselben Ansicht wie die ursprüngliche Aufnahme anfertigen würde. Es gibt keine theoretische Begrenzung der Anzahl von Durchleuchtungsbildern, über die die grafischen Darstellungen des Instruments 140 gleichzeitig gelegt werden können.
5A und 5B sind beispielhafte Durchleuchtungsbilder, über die ein chirurgisches Instrument als grafisches Symbol gelegt wurde. Das Durchleuchtungsbild 500, das in 5A gezeigt ist, ist eine Aufnahme einer Seitenansicht der Lendenwirbelsäule. Die grafische Einblendung 502 ist die symbolhafte Einblendung eines chirurgischen Instruments wie einem Bohrer in die Aufnahme 500. Wenn der Arzt den Bohrer bewegt, stellt der Rechner 120 eine Neuberechnung an und zeigt die neue Stelle der grafischen Einblendung 502 an. Das rautenförmige Ende der Einblendung 502, das als der Bereich 503 bezeichnet ist, stellt die Spitze des Instruments dar. Der Arzt kann die Aufnahme 500 und die Einblendung 502 verwenden, um die Lage und Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs relativ zum Körper des Patienten sichtbar zu machen.
In bestimmten Situationen kann es sein, dass der Arzt wissen möchte, wo sich die Spitze des Instruments befinden würde, wenn das Instrument entlang einer Linie projiziert werden würde, die durch die gegenwärtige Bewegungsbahn des Instruments vorgegeben ist. In Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann der Rechner 120 auf Anweisung des Arztes diese Projektion berechnen und anzeigen. Der Bereich 505 in 5B ist eine Projektion der grafischen Einblendung 502. Wie dargestellt ist, wird die „vorausschauende" Bewegungsbahn 505 der Einblendung 502 mit einer anderen Linienausführung als die Einblendung 502 angezeigt. Nach Vorgabe des Arztes über eine geeignete Rechnerschnittstellenvorrichtung wie einem Tastaturfeld, einer Maus oder einem Touchpad kann der Rechner 120 die Länge der vorausschauenden Bewegungsbahn 505 verändern. Auf diese Weise unterstützt der Rechner 120 den Arzt, indem er ihm anzeigt, wo sich das Instrument im Patienten befinden würde, wenn es im Patienten über eine vorher festgelegte Entfernung vorgeschoben werden würde.
Auch wenn mit dem zuvor beschriebenen „vorausschauenden" Verfahren die grafische Darstellung des Instruments in die Aufnahme projiziert wurde, ist es nicht notwendig, dass sich die grafische Darstellung des Instruments innerhalb der Aufnahme befindet, damit die vorausschauende Bewegungsbahn 505 in die Aufnahme projiziert wird. Beispielsweise kann der Arzt das Instrument über den Patienten und außerhalb der Aufnahme halten, sodass die Darstellung des Instruments nicht in der Aufnahme erscheint. Es kann jedoch dennoch wünschenswert sein, den vorausschauenden Abschnitt 505 in die Aufnahme zu projizieren, um die Planung eines operativen Eingriffs zu erleichtern.
Wenn das chirurgische Instrument 140 senkrecht zur Ebene des Durchleuchtungsbilds steht, wird die grafische Einblendung des chirurgischen Instruments im Wesentlichen zu einem Punkt, wodurch es schlecht zu sehen ist. Um dieses Problem zu verringern, kann der Rechner 120 wahlweise eine andere grafische Darstellung des Instruments 140 verwenden, wenn der Abstand zwischen der Spitze und dem Ende des Instruments 140 in der Bildebene kleiner als ein festgelegter Abstand (z.B. 15 Pixel) wird.
6 ist ein Durchleuchtungsbild einschließlich der grafischen Einblendung 601 des Instruments 140, einschließlich eines kleinen „Fadenkreuzbilds", das die Spitze 602 darstellt, und eines größeren Fadenkreuzes, das das Ende 603 des Instruments 601 darstellt. Der Rechner 120 schaltet automatisch zwischen der Fadenkreuzdarstellung, die in 6 dargestellt ist, und der „geradlinigen" Darstellung um, die in 5 dargestellt ist.
Häufig möchte der Arzt zwei sich ergänzende Durchleuchtungsbilder von dem Patienten anfertigen, beispielsweise Aufnahmen aus Anterior-Posterior-Sicht und eine Seitenansicht der Bandscheiben. Die sich ergänzenden Ansichten werden zueinander in Beziehung gesetzt, indem sie um ein bestimmtes Maß um eine Achse gedreht werden. Beispielsweise stehen eine Anterior-Posterior-Ansicht und eine Seitenansicht durch eine Drehung um 90 Grad um die Achse zueinander in Beziehung, die parallel durch die Länge des Patienten verläuft. Wenn die mechanische Drehachse des C-Bogens 103 nach der Achse ausgerichtet ist, die die sich ergänzenden Ansichten in Beziehung zueinander setzt (wenn z.B. die mechanische Achse nach der Achse ausgerichtet ist, die durch die Länge des Patienten verläuft), kann der Arzt genau und schnell zwischen den sich ergänzenden Ansichten wechseln, indem er den C-Bogen 103 einfach um den Abstandswinkel zwischen den sich ergänzenden Ansichten dreht (gewöhnlich 90 Grad). Im Allgemeinen ist die Drehachse des C-Bogens 103 jedoch nicht schon von sich aus nach der Achse ausgerichtet, die die sich ergänzenden Ansichten in Beziehung zueinander setzt, wodurch der Arzt durch Probieren eine Reihe von zeitaufwendigen Anpassungen der Lage des Durchleuchtungsgeräts über zwei oder mehr Drehachsen vornehmen muss.
In Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann der Chirurg mit der Software auf dem Rechner 120 mühelos die Lage des Durchleuchtungsgeräts einstellen, sodass eine seiner mechanischen Drehachsen, beispielsweise die Drehachse, die in 1 mit den Pfeilen 108 dargestellt ist, nach der Drehachse ausgerichtet ist, die die sich ergänzenden Ansichten in Beziehung zueinander setzt. Der Chirurg kann dann die zweite Aufnahme des sich ergänzenden Bildsatzes anfertigen, indem er den C-Bogen 103 einfach ein Stück, üblicherweise 90 Grad, um die ausgerichtete Achse dreht.
Aufnahmen sich ergänzender Ansichten und die Achse, die sie zueinander in Beziehung setzt, sind in 7A bis 7C dargestellt. Die Aufnahme von 7A zeigt eine Seitenansicht der Bandscheibe des Patienten, wobei die Blickrichtung (d. h. die Richtung des mittigen Strahls der Röntgenbildgebungsvorrichtung 100) ungefähr parallel zu den beiden Endplatten des Wirbels ist, die als Endplatte 705 und Endplatte 706 bezeichnet sind. Die Linie 702 ist die Projektion der Ebene, die im Wesentlichen parallel zu den Endplatten 705 und 706 verläuft. Entsprechend ist die Aufnahme, die in 7B dargestellt ist, eine Anterior-Posterior-Ansicht der Bandscheibe des Patienten, bei der die Blickrichtung parallel zur Ebene 702 ist. Die Drehachse 704, die die Bildansicht von 7A und die Bildansicht von 7B räumlich in Beziehung zueinander setzt, ist eine Linie, die senkrecht zur Ebene zur Ebene 702 verläuft. Das bedeutet, dass eine Drehung der Bildansicht von 7A um neunzig Grad um die Linie, die senkrecht zur Ebene 702 verläuft, die Bildansicht ergibt, die in 7B dargestellt ist. 7C ist eine dreidimensionale Darstellung der Anatomie, die in 7A und 7B gezeigt ist. Die Linie, die senkrecht zur Ebene 702 verläuft, ist durch die Drehachse 704 dargestellt.
8 ist eine Aufnahme einer Seitenansicht der Bandscheibe des Patienten ähnlich 7A. In 8 hat der Rechner 120 jedoch die Linie 802 eingezeichnet, die die Projektion einer Ebene darstellt, die senkrecht zu einer der mechanischen Achsen des C-Bogens verläuft. Die Linie 804 stellt die Ebene dar, die die sich ergänzenden Ansichten räumlich zueinander in Beziehung setzt. Ist die Linie 802 sichtbar, kann der Arzt die Lage der Röntgenbildgebungsvorrichtung 100 so einstellen, dass die Linie 802 nach der Linie 804 ausgerichtet ist. An diesem Punkt besteht das Umschalten zwischen den sich ergänzenden Ansichten einfach darin, den C-Bogen 103 um eine einzige mechanische Achse zu drehen.
Auch wenn die Ausrichtung der Linien 802 und 804, wie zuvor erörtert, unter Verwendung der beiden Linien 802 und 804 dargestellt wurde, die auf dem Durchleuchtungsbild eingezeichnet sind, kann es in der Praxis lediglich erforderlich sein, die Linie 802 auf der Aufnahme anzuzeigen. In diesem Fall stellt sich der Arzt die Linie 804 gedanklich vor. Auch wenn das Verhältnis der sich ergänzenden Ansichten unter Verwendung des Beispiels der Wirbelsäule erörtert wurde, können außerdem durch Anwendung der zuvor erörterten Konzepte auf ähnliche Weise sich ergänzende Durchleuchtungsbilder anderer anatomischer Bereiche gewonnen werden, beispielsweise vom Becken, dem Oberschenkel oder dem Schädel.
Vor dem oder während des operativen Eingriffs kann es sein, dass der Arzt einen Operations„plan" in den Rechner 120 eingeben möchte. Mit dem Plan kann beispielsweise eine gewünschte Bewegungsbahn eines chirurgischen Instruments angegeben werden, die über ein Durchleuchtungsbild gelegt wird. Während des chirurgischen Navigationsvorgangs würde das Ziel des Chirurgen darin bestehen, das grafische Symbol, das die Echtzeitlage des chirurgischen Instruments darstellt, nach der grafischen Einblendung auszurichten, die die geplante Bewegungsbahn darstellt.
9 ist eine Aufnahme einer Seitenansicht eines Wirbels der Wirbelsäule. Angenommen, das Ziel des Operationsplans besteht in der Festlegung einer Linie, die entlang einer gewünschten Bewegungsbahn in der Aufnnhme des Wirbels verläuft. Ein Verfahren zum Erreichen dieses Ziels besteht darin, die Angaben zur gewünschten Bewegungsbahn unter Verwendung herkömmlicher Rechnereingabegeräte direkt in den Rechner 120 einzugeben. Obwohl dieses Verfahren der direkten Kommunikation mit dem Rechner 120 möglich ist, kann es während des Eingriffs hinderlich und störend sein. In Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung besteht ein wahlweises Verfahren, dies zu erreichen, darin, dass der Arzt das chirurgische Instrument in der gewünschten Ausrichtung auf der Oberfläche des Knochens oder der Haut platziert und anschließend die Spitze des Instruments unter Verwendung des vorher beschriebenen vorausschauenden Verfahrens nach vom projiziert. Insbesondere wird die gewünschte Bewegungsbahn festgelegt, indem (1) die Lage und Ausrichtung des Instruments nahe dem Patienten eingestellt wird, während die gedachte Vorschau aktiv ist, und (2) die Länge der gedachten Vorschau angepasst wird. 9 veranschaulicht die Symboldarstellung des Instruments 901 und die gedachte vorausschauende Projektion des Instruments 902. Sobald die gewünschte Bewegungsbahn erzielt wurde, kann der Chirurg den Rechner 120 dazu anweisen, die geplante Bewegungsbahn auf der Anzeige 121 „einzufrieren". Die gewünschte Bewegungsbahn kann unter Verwendung von einem oder mehreren C-Bogen-Durchleuchtungsbildern ermittelt werden, wobei zwei oder mehr erforderlich sind, um eine bestimmte dreidimensionale Bewegungsbahn festzulegen, die anschließend auf jedem C-Bogen-Durchleuchtungsbild angezeigt werden kann. Der Einfriervorgang kann beispielsweise über ein einfaches Eingabegerät wie einen Fußschalter in den Rechner 120 eingegeben werden. Der Arzt kann anschließend unter Verwendung der Einblendung des geplanten Ziels als Anhaltspunkt die Operation fortsetzen.
Ein weiteres Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zum Festlegen einer geplanten Bewegungsbahn eines chirurgischen Instruments ist in 10 und 11 dargestellt, bei dem das chirurgische Instrument im Gegensatz zum zuvor erörterten Verfahren nicht auf oder nahe dem Knochen des Patienten platziert werden muss.
Wie in 10 dargestellt ist, befindet sich der Patient 1001 während der Bilderfassung zwischen der Röntgenquelle 1004 des C-Bogens und dem Röntgenempfangsabschnitt 1006. Durchleuchtungsbilder des Patienten 1001 werden durch die Röntgenstrahlen erzeugt, die die Röntgenquelle 1004 aussendet, während sie sich durch den Patienten 1001 auf dem Weg ausbreiten, den ganz allgemein der Kegel 1010 darstellt. Die Linie 1011 in der Mitte des Kegels 1010 entspricht dem Ursprung (d. h. dem Mittelpunkt) der angefertigten Durchleuchtungsbilder. Der Arzt 1020, der innerhalb der Reichweite des Positionssensors 1030, jedoch vom Patienten 1001 entfernt steht, weist den Rechner an, eine explizite Zuordnung zwischen dem bildgebenden Kegel 1010 des Durchleuchtungsgeräts und einem „gedachten" Kegel 1012 an einer beliebigen Stelle im Raum herzustellen (die für den Positionssensor sichtbar ist). Sobald dieser gedachte Kegel definiert wurde, kann das chirurgische Instrument 1040 auf dieselbe Art und Weise aus diesem gedachten Kegel in ein oder mehrere zuvor angefertigte Durchleuchtungsbilder projiziert werden, als ob sich das Instrument im tatsächlichen Kegel 1010 befinden würde, der einer bestimmten Aufnahme entspricht. Auf diese Weise kann der Arzt 1020 die Bewegungsbahn des chirurgischen Instruments 1040 planen, indem er das Instrument einfach in dem Koordinatensystem verschiebt, das von dem gedachten Kegel erzeugt wird.
Zur Festlegung der Zuordnung zwischen dem tatsächlichen und dem gedachten Kegel ist es erforderlich, dass der Arzt die Lage des gedachten Kegels zum Positionssensor definiert. Im Allgemeinen gibt es viele Möglichkeiten zur Definition eines Kegels im Raum. Beispielsweise können die Lage und Ausrichtung eines Kegels durch drei Punkte definiert werden, von denen einer seiner Spitze entspricht, einer einem zweiten Punkt entlang seiner Mittelachse entspricht und ein dritter der Drehung des Kegels um die Mittelachse entspricht. Deshalb würde eine Möglichkeit zur Definition des Kegels in der Verwendung der Spitze des chirurgischen Instruments für die Definition dieser drei Punkte im Raum relativ zum Positionssensor bestehen. Eine weitere Möglichkeit zur Festlegung dieser Zuordnung besteht in der Verwendung einer einzigen Messung eines chirurgischen Instruments. Unter Verwendung dieses Verfahrens entspricht die Instrumentenachse der Kegelachse, entspricht die Instrumentenspitze einem festgelegten Punkt entlang der Kegelachse (der die Spitze sein könnte, jedoch auch ein anderer Punkt entlang der Mittelachse sein könnte) und die Ausrichtung des Instruments um seine Achse entspricht der Ausrichtung des Kegels um seine Achse. Im Allgemeinen kann jede Anzahl von Messungen, mit denen die Lage und Ausrichtung eines bestimmten Kegels definiert werden, zur Herstellung der Zuordnung zwischen dem tatsächlichen und dem gedachten Kegel verwendet werden.
Die Vorgänge, die in 10 dargestellt sind, sind im Flussdiagramm von 11 dargestellt. Zunächst hält der Arzt das chirurgische Instrument 1040 so in der Stellung, die den gedachten Kegel definiert, wie im vorigen Absatz dargestellt wurde (Schritt 1101). Der Rechner 120 bestimmt die Lage des Instruments 1040, wodurch effektiv die Lage und Ausrichtung des gedachten Kegels dem tatsächlichen Kegel zugeordnet wird (Schritt 1102). Der Rechner 120 projiziert weitere Bewegungen des Instruments 1040 in ein oder mehrere vorher angefertigte Durchleuchtungsbilder, als ob das Instrument in dem tatsächlichen Kegel bewegt werden würde, der einer bestimmten Aufnahme entspricht (Schritt 1103). Auf diese Weise kann der Arzt das Instrument auf bestimmte Punkte oder Bewegungsbahnen in vorher angefertigten Aufnahmen ausrichten. Auf Anweisung des Arztes „friert" der Rechner 120 die Lage und/oder Ausrichtung des Instruments im bzw. in den angezeigten Durchleuchtungsbildern) ein und verwendet diese für die nachfolgende Verarbeitung und Planerstellung (Schritt 1104).
Ebenfalls in Übereinstimmung mit dieser Erfindung wird unter Verwendung von rechneranalytischen Verfahren eine automatisierte Planung zur Festlegung einer „bestmöglichen" Bewegungsbahn auf den Aufnahmen des C-Bogens bereitgestellt. Sobald die bestmögliche Bewegungsbahn ermittelt wurde, legt der Rechner 120 die bestmögliche Bewegungsbahn über das Durchleuchtungsbild. Beispielsweise können unter Verwendung von Berechnungsverfahren automatisierte Pläne erstellt werden, um bei operativen Eingriffen an der Wirbelsäule einen genau angegebenen Grad einer Lordose zu verringern.
AUSRICHTEN VON KNOCHENBRUCHSTÜCKEN
Ein häufiges klinisches Problem, insbesondere in der orthopädischen Unfallmedizin, besteht in der Ausrichtung (Einrichtung) gebrochener oder schlecht ausgerichteter Knochenbruchstücke. 12A ist ein Durchleuchtungsbild eines Oberschenkelbruchs, der die beiden Knochenbruchstücke 1201 und 1202 enthält. Die Aufgabe des Arztes besteht darin, die Knochenbruchstücke so auszurichten, dass der Oberschenkel ordnungsgemäß heilen kann.
13 ist ein Flussdiagramm, in dem Verfahren zum Ausrichten von Knochenbruchstücken in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung dargestellt sind. Im Allgemeinen wird eines der Knochenbruchstücke 1201 oder 1202 als fester Bezugsrahmen verwendet und das andere als dynamischer Bezugsrahmen. Wenn der Arzt das Knochenbruchstück entsprechend dem dynamischen Bezugsrahmen bewegt, erfasst der Positionssensor 130 die Bewegung und aktualisiert die Röntgenaufnahme, damit sie die neue Stelle des Knochenbruchstücks im Patienten wiedergibt.
Um mit dem Ausrichtungsvorgang zu beginnen, bringt der Arzt auf jedem der Knochenbruchstücke 1201 und 1202 eine Positionssensormarkierung (Schritt 1301) an und fertigt die Durchleuchtungsbilder an (Schritt 1302), wie die Aufnahme, die in 12A dargestellt ist. Der Rechner 120 verarbeitet die angefertigte Aufnahme, um die Lagebestimmungsangaben zu erhalten und die Aufnahme zu kalibrieren (Schritt 1303, dieser Schritt stimmt völlig mit den Schritten 401 bis 403 in 4 überein).
Nach der Anfertigung des Durchleuchtungsbilds bzw. der Durchleuchtungsbilder setzt der Rechner 120 Verfahren zur Bilderkennung und -auswertunng ein, um die Grenzen der Knochenbruchstücke in den Aufnahmen einzuzeichnen (Schritt 1304). Geeignete Kantenerkennungsalgorithmen zur Erzeugung der Umrisse sind im Fachgebiet bekannt und können beispielsweise der Canny-Kantendetektor, der Shen-Casten-Kantendetektor oder der Sobel-Kantendetektor sein. Eine Ausführung von 12A mit Kantenerkennung ist in 12B dargestellt, wobei der entstehende Umriss, der dem Knochenbruchstück 1201 entspricht, als 1203 bezeichnet ist, und der Umriss, der dem Knochenbruchstück 1202 entspricht, als 1204 bezeichnet ist. Die Umrisse 1203 und 1204 können, wie in 12B dargestellt ist, vom Rechner 120 als Grafik über die angefertigte(n) Aufnahme(n) gelegt werden.
Mit der Einblendung der erfassten Bildumrisse in das Durchleuchtungsbild kann der Arzt mühelos die Übereinstimmung zwischen den Bildumrissen 1203 bis 1204 und den Knochenbruchstücken 1201 bis 1202 erkennen. Der Arzt gibt diese Übereinstimmung in den Rechner 120 ein (Schritt 1305). Wahlweise kann der Rechner 120 automatisch die Übereinstimmung zwischen den Bildumrissen und den Knochenbruchstücken erkennen. Sobald die Zuordnung hergestellt ist, gibt der Arzt an, welcher Umriss unbeweglich bleiben soll und welcher rückverlagert werden soll. Die Positionssensormarkierung, die am zurückzuverlegenden Bruchstück befestigt ist, wird als die dynamische Bezugsmarkierung bezeichnet, und die Positionssensormarkierung, die am feststehenden Bruchstück befestigt ist, wird als feste Bezugsrahmenmarkierung bezeichnet, obwohl die dynamische Bezugsmarkierung und die feste Bezugsrahmenmarkierung tatsächlich völlig übereinstimmen können.
Während der chirurgischen Navigation verschiebt der Arzt das Knochenbruchstück mit der dynamischen Bezugsmarkierung (Schritt 1306). Der Positionssensor 130 erfasst die Lage der dynamischen Bezugsrahmenmarkierung und der festen Rahmenmarkierung. Anhand dieser Angaben und den vorher erzeugten Lagebestimmungsangaben berechnet der Rechner 120 die neue Lage des dynamischen Bezugsrahmens und damit des entsprechenden Knochenbruchstücks und zeigt sie auf dem Durchleuchtungsbild an (Schritt 1307). 12C zeigt eine aktualisierte Ausführung des Umrisses 1203 auf dem Durchleuchtungsbild, der dem feststehenden Knochenbruchstück entspricht, und des Umrisses 1204, der der neuen Lage der dynamischen Bezugsmarkierung und ihres Knochenbruchstücks entspricht.
Die zuvor beschriebenen Verfahren zum Ausrichten von Knochenbruchstücken können auch auf die ordnungsgemäße Ausrichtung mehrerer Wirbelkörper angewendet werden, beispielsweise bei der Verringerung einer Skoliose.
DREIDIMENSIONALE BILDER
Das Navigationsunterstützungssystem in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die Bereitstellung der chirurgischen Navigationsunterstützung mit zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern beschränkt. Über dreidimensionale volumetrische Datensätze können ebenfalls grafische Darstellungen eines chirurgischen Instruments gelegt werden. Dreidimensionale Datensätze (wie CT oder MRT) können entweder zuvor oder während der Operation angefertigt werden.
Es werden üblicherweise zwei Arten von dreidimensionalen Datensätze bei der chirurgischen Navigation verwendet: patientenspezifische Bilddaten und nicht patientenspezifische oder Atlasdaten. Patientenspezifische dreidimensionale Bilder werden üblicherweise vor dem Eingriff unter Verwendung der Computertomographie (CT), der Magnetresonanztomographie (MRT) oder anderer bekannter dreidimensionaler bildgebender Modalitäten angefertigt, obwohl die Anfertigung während der Operation ebenfalls möglich ist. Atlasdaten sind nicht patientenspezifische dreidimensionale Daten, mit denen ein „allgemeiner" Patient beschrieben wird. Atlasdaten können unter Verwendung der CT, MRT oder anderer bildgebender Modalitäten von einem bestimmten Patienten erfasst werden und können sogar Bilder von verschiedenen Modalitäten umfassen, die räumlich zur Deckung gebracht wurden (z.B. CT und MRT zusammen in einem gemeinsamen Koordinatensystem). Atlasdaten können mit zusätzlichen Angaben versehen sein, mit denen die Anatomie, Physiologie oder Pathologie beschrieben wird, oder Angaben zur „bestmöglichen" Planung (beispielsweise die Anordnung von Schrauben, Lordosewinkel, Pläne zur Skoliosekorrektw usw.).
Ein dreidimensionaler CT- oder MRT-Datensatz des Patienten ist in 1 als Datensatz 124 dargestellt und die Atlasdaten sind in 1 als Datensatz 126 dargestellt.
Bevor über ein dreidimensionales Bild grafische Darstellungen chirurgischer Instrumente gelegt werden, muss die Zuordnung zwischen Punkten im dreidimensionalen Bild und Punkten im Bezugsrahmen des Patienten ermittelt werden. Dieses Verfahren ist als Bildregistrierung bekannt. Ein Verfahren zur Durchführung der Bildregistrierung ist in den zuvor erwähnten Veröffentlichungen von Bucholz beschrieben. Dreidimensionale patientenspezifische Bilder können unter Verwendung von mehreren zweidimensionalen Bildprojektionen mit einem Patienten auf dem Operationstisch (chirurgischer Raum) zur Deckung gebracht werden. Bei diesem Vorgang, der häufig als 2D/3D-Registrierung bezeichnet wird, werden zwei räumliche Transformationen eingesetzt, die ermittelt werden können. Die erste Transformation erfolgt zwischen den angefertigten Durchleuchtungsbildern und dem dreidimensionalen Bilddatensatz (z.B. CT oder MRT), der demselben Patienten entspricht. Die zweite Transformation erfolgt zwischen dem Koordinatensystem der Durchleuchtungsbilder und einem extern messbaren Bezugssystem, das an der Röntgenbildgebungsvorrichtung befestigt ist. Sobald diese Transformationen ermittelt wurden, kann der chirurgische Raum unmittelbar zum dreidimensionalen Bildraum in Beziehung gesetzt werden.
Bei der Durchführung der dreidimensionalen Registrierung sollte sich die Bildgebungsvorrichtung 100 wie bei der zweidimensionalen Registrierung während der Bilderfassung in Bezug auf den Patienten 110 nicht bewegen. Wenn sich der C-Bogen 103 oder der Patient 110 während der Bilderfassung bewegt, wird die Lage des Durchleuchtungsgeräts relativ zum Bezugsrahmen des Patienten nicht genau bestimmt. Folglich kann das zuvor beschriebene Verfahren zum Erfassen der Bewegung der Bildgebungsvorrichtung 100 während des Bilderfassungsvorgangs verwendet werden, wenn Durchleuchtungsbilder angefertigt werden, die bei der 2D/3D-Registrierung verwendet werden sollen. Das bedeutet, dass der Rechner 120 wie beschrieben die Lageangaben vom Positionssensor 130 prüfen kann, während die Strahlungssensoren 107 den Nachweis von Strahlen anzeigen. Wenn sich das Kalibrierungs- und Verfolgungsobjekt 106 während der Bilderfassung relativ zum dynamischen Bezugsrahmen 150 bewegt, wird dieses Bild als fehlerhaft markiert.
Es kann erforderlich sein, sich ergänzende Durchleuchtungsbilder (z.B. Seiten- und Anterior-Posterior-Ansichten) anzufertigen, um die 2D/3D-Registrierung zu erleichtern. Die Verfahren, die zuvor anhand von 7 bis 8 erörtert wurden und die Anfertigung sich ergänzender Ansichten betreffen, können hier angewendet werden.
Nach der Registrierung kann der Rechner 120 die Lageangaben über das Instrument 140 verwenden, um grafische Darstellungen des Instruments über das dreidimensionalen Bild sowie die zweidimensionalen Durchleuchtungsbilder zu legen.
GEMISCHTER EINSATZ VON DREIDIMENSIONALEN UND ZWEIDIMENSIONALEN BILDDATEN
Die zweidimensionalen Bilder, die von der Bildgebungsvorrichtung 100 erzeugt werden, können die Knochenstruktur des Patienten nicht immer angemessen wiedergeben. Beispielsweise sind Durchleuchtungsbilder nicht wirksam, wenn sie durch die Länge des Patienten (d. h. vom Standpunkt aus nach unten auf den Kopf des Patienten schauend oder von den Füßen des Patienten aus nach oben) erfolgen, da die hohe Anzahl von Knochen, die die Röntgenstrahlen durchdringen, einander in der endgültigen Aufnahme verdecken. Die Angaben, die zur Planung eines operativen Eingriffs erforderlich sind und anderweitig auf der Grundlage von zweidimensionalen Bilddaten allein nicht zur Verfügung stehen, können jedoch aus einem dreidimensionalen Bilddatensatz wie einem CT- oder MRT-Bilddatensatz entnommen werden. Die entnommenen Angaben können anschließend auf die zweidimensionalen Röntgenaufnahmen, die die Bildgebungsvorrichtung 100 erzeugt hat, übertragen und bei der chirurgischen Navigation verwendet werden. Die folgenden Beispiele beschreiben zusätzliche Verfahren zur Verwendung von dreidimensionalen und zweidimensionalen Daten bei der chirurgischen Navigation.
BEISPIEL 1: IMPORT DREIDIMENSIONALER ANGABEN ÜBER EIN CHIRURGISCHES IMPLANTAT IN ZWEIDIMENSIONALE AUFNAHMEN
14A und 14B sind Aufnahmen, in denen die Einpflanzung eines Cages in die Wirbelsäule eines Patienten dargestellt ist. Ein Cage ist ein ungefähr walzenförmiges Wirbelsäulenimplantat, das in den Bandscheibenraum zwischen benachbarten Wirbeln der Wirbelsäule eingesetzt wird. Möglicherweise stellt der Arzt fest, dass es schwierig, wenn nicht unmöglich ist, anhand zweidimensionaler Aufnahmen wie der Aufnahme von 14A die geeignete Länge eines Cages auszuwählen.
Das Rechteck 1401 stellt die Projektion des walzenförmigen Cages in die Aufnahme dar. Während die Längsachse des Zylinders bei dieser Aufnahme vollständig innerhalb des Knochens zu liegen scheint, kann es aufgrund der Krümmung der Vorderseite des Wirbels 1402 sein, dass dies nicht der Fall ist. 14B ist eine Aufnahme eines dreidimensionalen axialen CT-Querschnitts des Wirbels. Die Ecke 1403 des Rechtecks 1401 ragt über den Knochen hinaus – eine höchst unerwünschte Situation, die auf Röntgenaufnahmen wie der von 14A nicht zuverlässig festgestellt werden kann. Folglich sollte, wenn diese Situation vorliegt, die entsprechende Cagelänge anhand einer oder mehrerer axialer CT-Aufnahmen wie der in 14B ausgewählt werden. Die Auswahl der Cagelänge kann automatisch vom Rechner 120 oder halbautomatisch mit Eingabe des Arztes erfolgen.
Sobald die Cagelänge vom Arzt ermittelt und in den Rechner 120 eingegeben wurde, kann der Längenwert anschließend vom Rechner 120 dazu verwendet werden, die grafische Einblendung richtig auf der zugehörigen zweidimensionalen Aufnahme anzuzeigen. Die Lage des chirurgischen Instruments, das verwendet wird, um den Cage während des Einsetzvorgangs zu halten, wie sie vom Positionssensor 130 erfasst wurde, wird zur Berechnung der Lage des Cages in 14A während des zweidimensionalen Navigationsvorgangs verwendet.
Auch wenn beim zuvor erörterten Beispiel ein walzenförmiges Wirbelsäulenimplantat verwendet wurde, könnten die beschriebenen Konzepte im Allgemeinen auf jedes chirurgische Implantat angewendet werden.
BEISPIEL 2: ANFERTIGUNG EINER RÖNTGENANSICHT ENTLANG DER MITTELACHSE EINES PEDIKELS
Bei bestimmten klinischen Verfahren kann es wünschenswert sein, ein Durchleuchtungsbild anzufertigen, bei dem im Wesentlichen entlang der Mittelachse eines Pedikels nach unten geschaut wird. Im Rahmen dieses Beispiels lässt sich ein Pedikel als Zylinder vorstellen und die Mittelachse entspricht der Mittelachse des Zylinders.
15A ist eine Röntgenaufnahme, bei der die Blickrichtung der Bildgebungsvorrichtung nach der Mittelachse des Pedikels ausgerichtet ist (d. h. die Mittelachse des Pedikels befindet sich in der Bildebene). Bei dieser so genannten Schrägaufnahme erscheint das Pedikel als der Kreis 1501 in der Aufnahme. Eine genaue Anfertigung dieser Ansicht unter ausschließlicher Verwendung von Durchleuchtungsbildern ist häufig schwierig, da es schwierig ist, die Blickrichtung der Bildgebungsvorrichtung 100 unter ausschließlicher Verwendung von Durchleuchtungsbildern nach der Mittelachse des Pedikels auszurichten.
Liegt eine Anterior-Posterior-Ansicht der Wirbelsäule wie die vor, die in 15B dargestellt ist, und ist die mechanische Achse des Durchleuchtungsgeräts nach der Längsachse des Patienten (d. h. der Achse 704 in 7C) ausgerichtet, kann ein axialer CT-Querschnitt eines Wirbels dafür verwendet werden, schnell und einfach eine Schrägaufnahme in hoher Qualität anzufertigen, beispielsweise die Aufnahme von 15A.
15C ist ein Bild eines axialen CT-Querschnitts eines Wirbels. Mit dieser Aufnahme kann der Rechner 120 oder der Arzt den Winkel 1504 zwischen der Anterior-Posterior-Achse 1502 und der Projektion der Mittelachse 1503 des Pedikels 1501 in die axiale Ebene messen. Der Arzt kann anschließend die Bildgebungsvorrichtung 100 um den gemessenen Winkel um die mechanische Drehachse drehen, die nach der Längsachse 704 des Patienten ausgerichtet ist. Da die meisten Röntgenbildgebungsvorrichtungen, wie die Bildgebungsvorrichtung 100, Winkelanzeiger aufweisen, ist die Drehung um den gewünschten Betrag sehr einfach. Wenn der Arzt bei der Drehung jedoch eine zusätzliche Genauigkeit benötigt, kann der Positionssensor 130, da er die Lage des C-Bogens 103 erfasst, zur genaueren Messung des Drehwinkels verwendet werden.
BEISPIEL 3: VERWENDUNG DER DIGITAL REKONSTRUIERTEN RADIOGRAPHIE BEIM ANORDNEN EINES CHIRURGISCHEN IMPLANTATS
Bei der herkömmlichen Anfertigung von Durchleuchtungsbildern gelangt die Strahlung durch ein physikalisches Medium und erzeugt auf einem strahlungsempfindlichen Film oder einem elektronischen Bildverstärker eine Projektionsabbildung. Liegt ein 3D-CT-Datensatz vor, kann auch unter Verwendung eines Verfahrens, das als digital rekonstruierte Radiographie (DRR) bekannt ist, eine simulierte Röntgenaufnahme erzeugt werden. DRR ist im Fachgebiet bekannt und wird beispielsweise von L. Lemieux et al. in „A Patient-to-Computed Tomography Image Registration Method Based on Digitally Reconstructed Radiographs", Medical Physics 21 (11), S. 1749-1760, November 1994, beschrieben.
Bei der Erstellung eines DRR-Bilds wird ein Durchleuchtungsbild durch rechnerische Projektion von Raumpunkten (Voxeln) des 3D-CT-Datensatzes auf eine gewählte Bildebene erzeugt. Unter Verwendung eines 3D-CT-Datensatzes eines bestimmten Patienten kann ein DRR-Bild erstellt werden, das einer entsprechenden Röntgenaufnahme desselben Patienten sehr ähnlich scheint. Eine Voraussetzung für diese Ähnlichkeit ist, dass das „rechnerische Röntgengerät" und das tatsächliche Röntgengerät ähnliche intrinsische Bildgebungsparameter (z.B. Projektionstransformationen, Verzerrungskonektur) und extrinsische Bildgebungsparameter (z.B. Blickrichtung) verwenden. Die intrinsischen Bildgebungsparameter können aus dem Kalibrierungsvorgang abgeleitet werden.
Ein DRR-Bild kann verwendet werden, um den Chirurgen bei dem Problem des richtigen Anordnens eines Cages im Patienten anzuleiten, das bei Beispiel 1 erörtert wurde. Liegt ein 3D-CT-Datensatz von zwei benachbarten Wirbeln vor, kann der Arzt in Zusammenarbeit mit dem Rechner 120 ein 3D-CAD-Modell eines Cages per Hand in einer klinisch erwünschten Lage in der dreidimensionalen Ansicht der Wirbel zuordnen. Der Arzt kann anschließend das DRR-Verfaheen zur Erzeugung einer Anterior-Posterior-, einer Seiten- oder anderen Röntgenansicht der Wirbel verwenden, in der das dreidimensionale CAD-Modell des Cages dargestellt ist. Somit kann ein berechnetes Durchleuchtungsbild erzeugt werden, das simuliert, wie ein richtig angeordneter Cage nach der Einpflanzung aussehen würde.
Die simulierten Röntgenaufnahmen können mit den tatsächlichen Aufnahmen verglichen werden, die die Bildgebungsvorrichtung 100 während des Eingriffs macht. Das Ziel des Chirurgen besteht darin, das Implantat derart anzuordnen, dass die Aufnahmen während der Operation den DRR-Bildern entsprechen. Für diesen Vergleich können vorzugsweise zwei Arten von intraoperativen Aufnahmen verwendet werden. Erstens könnte die herkömmliche Durchleuchtung eingesetzt werden, um eine Aufnahme anzufertigen, nachdem der Cage eingepflanzt wurde. Zweitens könnten Aufnahmen, die vor dem Anordnen des Cages angefertigt wurden, mit darüber gelegten grafischen Symbolen ergänzt werden, die die gemessene Lage des Cages darstellen. In beiden Fällen kann das berechnete Durchleuchtungsbild als Vorlage verwendet werden, die dem Chirurgen dabei behilflich ist, den Cage richtig anzuordnen.
Auch wenn das vorstehende Beispiel im Zusammenhang mit der Einpflanzung eines Cages beschrieben wurde, könnten auch andere Implantate als der Cage verwendet werden.
BEISPIEL 4: ERMITTLUNG EINER BESTIMMTEN ZWEIDIMENSIONALEN BLICKRICHTUNG UNTER VERWENDUNG DIGITAL REKONSTRUIERTER RÖNTGENBILDER
Das DRR-Verfahren kann eingesetzt werden, um den Arzt bei der Anfertigung einer Schrägaufnahme eines Pedikels anzuleiten. Bei Vorliegen eines dreidimensionalen CT-Datensatzes, der einen Wirbel und das zugehörige Pedikel enthält, kann der Arzt den Rechner 120 verwenden, um per Hand eine dreidimensionale Darstellung der Mittelachse des Pedikels relativ zu den dreidimensionalen Bildern der Wirbel zu platzieren. Sobald diese Platzierung erfolgt ist, kann anhand der Blickrichtung, die der Arzt mit der Wahl der dreidimensionalen Mittelachse angegeben hat, eine Schrägaufnahme der Wirbel erstellt werden. Dieses berechnete Bild kann anschließend dem Chirurgen während des Eingriffs angezeigt und als Anhaltspunkt für die Anfertigung einer wirklichen Schrägaufnahme unter Verwendung des Durchleuchtungsgeräts verwendet werden. Durch Sichtvergleich der Durchleuchtungsbilder, die während der Einrichtung des Durchleuchtungsgeräts gemacht wurden, und der berechneten Schrägaufnahme kann der Arzt ein echtes Durchleuchtungsbild mit einer Blickrichtung anfertigen, die in etwa der per Hand ausgewählten Mittelachse entspricht. Auf diese Weise kann eine Schrägaufnahme mit hoher Qualität angefertigt werden.
Auch wenn das vorstehende Beispiel im Zusammenhang mit der Erstellung einer zweidimensionalen Schrägaufnahme beschrieben wurde, kann im Allgemeinen jede dreidimensionale Blickrichtung ausgewählt und ein entsprechendes zweidimensionales Bild berechnet und zur Anfertigung eines zweidimensionalen Durchleuchtungsbilds verwendet werden.
BEISPIEL 5: MESSUNG VON WINKELN AUS DER EBENE HERAUS ANHAND VON DURCHLEUCHTUNGSBILDERN
Es kann wünschenswert sein, während des Eingriffs unter Verwendung eines zuvor angefertigten Durchleuchtungsbilds den Winkel zwischen der Bewegungsbahn eines chirurgischen Instruments und der Ebene eines Durchleuchtungsbilds zu messen (beispielsweise einer Ebene, die nach der Mittellinie der Wirbelsäule 1502 ausgerichtet ist). Dies ist nützlich, da es häufig wünschenswert ist, ein chirurgisches Instrument in einen bestimmten Winkel relativ zur Ebene des Durchleuchtungsbilds des Durchleuchtungsbilds anzuordnen oder einzupflanzen. Beispielsweise kann das chirurgische Instrument in der Richtung einzupflanzen sein, die nach der Mittelachse des Pedikels 1503 ausgerichtet ist.
Es wird der Querschnitt durch einen Wirbel betrachtet, der in 15C als axiale CT-Aufnahme dargestellt ist. Wie zuvor beschrieben wurde, kann der Winkel 1504 zwischen der Anterior-Posterior-Achse der Wirbelsäule 1502 und der Mittelachse 1503 des Pedikels anhand dieser CT-Aufnahme gemessen werden. Die Ausrichtung des chirurgischen Instruments nach der Mittelachse kann durch dynamische Messung des Winkels zwischen der Bewegungsbahn des chirurgischen Instruments und der Ebene erfolgen, die durch die Mittellinie der Wirbelsäule 1502 definiert ist. Wenn der dynamisch gemessene Winkel dem Winkel entspricht, der zuvor anhand der CT-Aufnahme ermittelt wurde, ist das chirurgische Instrument ausgerichtet.
16A und 16B sind Figuren, in denen ein Anterior-Posterior-Durchleuchtungsbild der Wirbelsäule beziehungsweise eine entsprechende dreidimensionale Ansicht der Wirbelsäule dargestellt ist. Der Arzt definiert zwei Punkte entlang der Mittellinie der Wirbelsäule, beispielsweise die Punkte 1601, die auf den Dornfortsätzen in 16A eingezeichnet sind (im nicht pathologischen Fall definiert ein Dornfortsatz üblicherweise die Mittellinie). Der Rechner 120 verwendet diese Punkte zur Festlegung einer Linie 1602 in der Aufnahme oder, allgemeiner ausgedrückt, der Rechner legt die Ebene 1603 (dargestellt in 16B) fest, die die beiden Punkte und die linearen Projektionen dieser beiden Punkte aufweist, wie durch die Kalibrierungstransformation vorgegeben ist. Intuitiver ausgedrückt lässt sich die Ebene 1603 in erster Näherung als die Ebene vorstellen, die durch die beiden Punkte und senkrecht zur Bildebene verläuft. Die Ebene 1603 definiert die Mittellinie der Wirbelsäule im dreidimensionalen Raum. Während der Navigationsunterstützung kann die Gleichung dieser Ebene entweder im Koordinatensystem des dynamischen Bezugsrahmens 150 oder des Positionssensors 130 dargestellt werden.
Unter Verwendung des Positionssensors 130 zur Messung der Lage und Ausrichtung (d. h. der Bewegungsbahn) des Instruments 140 nimmt anschließend der Rechner 120 eine mathematische Projektion dieser Bewegungsbahn auf die Ebene 1603 vor. Mit dieser Projektion wird eine Linie festgelegt, die durch die Ebene 1603 verläuft. Der Winkel zwischen dieser Linie in der Ebene 1603 und der Bewegungsbahn des Instruments entspricht dem zu messenden Winkel. Mit anderen Worten entspricht der zu messende Winkel dem minimalen Winkel, der zwischen der Bewegungsbahn des Instruments und der Ebene 1603 vorliegt. Der zu messende Winkel kann vom Rechner 120 berechnet und dem Arzt entweder in Textform oder grafisch angezeigt werden.
Zusammengefasst kann, wie bei diesem Beispiel beschrieben wurde, während des Eingriffs ein einziges Durchleuchtungsbild verwendet werden, um ein chirurgisches Instrument in einer gewünschten Bewegungsbahn relativ zur Ebene des Durchleuchtungsbilds zu platzieren. Allgemeiner ausgedrückt betreffen die Verfahren, die bei diesem Beispiel beschrieben wurden, die Messung des Winkels zwischen der Bewegungsbahn eines chirurgischen Instruments 140 und einer Ebene (z.B. 1603), die durch zwei oder mehr Punkte (z.B. 1601) definiert ist, die per Hand oder automatisch in einem Durchleuchtungsbild ausgewählt wurden. Auch wenn der Deutlichkeit des Beispiels halber in der Erläuterung ein CT verwendet wurde, kann die Messung und Anzeige des Winkels ohne die Verwendung von 3D-Bilddaten erfolgen.
Obwohl bei den vorstehenden fünf Beispielen dreidimensionale patientenspezifische Daten und keine Atlasdaten verwendet wurden, kann in bestimmten Situationen ein 2D/3D-Registrierungsprogramm verwendet werden, bei dem nicht patientenspezifsche Atlasdaten mit patientenspezifischen Durchleuchtungsbildern in Deckung gebracht werden, indem Verfahren zur elastischen Registrierung verwendet werden, die die Rigidität anatomischer Strukturen während des Registrierungsvorgangs nicht beibehalten. Auf diese Weise können die patientenspezifischen Durchleuchtungsbilder zur Verformung der Atlasdaten verwendet werden, damit sie dem Patienten besser entsprechen, und dadurch zur Übertragung von atlasbezogenen Kenntnissen auf die patientenspezifischen Durchleuchtungsbilder.
SCHLUSSFOLGERUNG
Die zuvor beschriebenen Systeme und Verfahren erweitern die herkömmlichen Verfahren zur Anfertigung und Verwendung von Röntgenaufnahmen für die chirurgische Navigationsunterstützung erheblich. Für einen Fachmann ist ersichtlich, dass verschiedene Abwandlungen und Veränderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne dass vom Schutzumfang der Erfindung abgewichen wird. Obwohl einige der Beispiele mit Bezug auf die Wirbelsäule beschrieben wurden, könnten beispielsweise viele andere Bereiche des Körpers operiert werden.
Aus der Beschreibung der hier offenbarten Erfindung und deren Umsetzung in die Praxis sind für einen Fachmann weitere Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich. Insbesondere kann bei einer wahlweisen Ausführungsform des Kalibrierungs- und Verfolgungsobjekts das Kalibrierungsbauteil vom C-Bogen abgenommen und ausschließlich zur Kalibrierung in den Abbildungsbereich des C-Bogens eingebracht und anschließend abgenommen werden. Die Beschreibung und Beispiele sollen lediglich als beispielhaft betrachtet werden, wobei der tatsächliche Schutzumfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche angegeben ist.

Claims

Röntgenbildgebungsvorrichtung, umfassend: ein drehbares C-Bogenstativ (103), das ein erstes und ein zweites Ende aufweist, eine Röntgenquelle (104), die am ersten Ende angeordnet ist und durch Erzeugen von Röntgenstrahlung einen Aufnahmezyklus einleitet; einen Röntgenempfangsabschnitt (105), der am zweiten Ende angeordnet ist, sodass Röntgenstrahlen, die während des Betriebs von der Röntgenquelle ausgesendet werden, in den Röntgenempfangsabschnitt gelangen, wobei der Röntgenempfangsabschnitt so angeordnet ist, dass er ein Bild erzeugt, das die Intensität der Röntgenstrahlen darstellt, die in den Röntgenempfangsabschnitt gelangen; ein Kalibrierungs- und Verfolgungsobjekt (106), das Lagebestimmungsmittel (109) aufweist, die mit dem Röntgenempfangsabschnitt (105) in Verbindung stehen; Mittel (130) zum Erfassen der Lage der Lagebestimmungsmittel (109) im dreidimensionalen Raum; und einen Rechner (115, 120) in Verbindung mit dem Röntgenempfangsabschnitt (105) und den Erfassungsmitteln (130) zur Bestimmung der Lage des C- Bogenstativs (103); dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungsmittel (130) einen Positionssensor (130) zum Erfassen der Lage des Lagebestimmungsmittels (109) in Echtzeit im dreidimensionalen Raum ist; und dadurch, dass der Rechner (115, 120) so programmiert ist, dass er auf der Grundlage von Lageänderungen, die der Positionssensor (130) erfasst, die Bewegung des C- Bogenstativs (103) erfasst, während Röntgenstrahlen vom Röntgenempfangsabschnitt (105) empfangen werden.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Lagebestimmungsmittel (109) Teil eines Kalibrierungs- und Verfolgungsobjekts (106) am Röntgenempfangsabschnitt (105) ist, wobei das Objekt (106) auch Kalibrierungsmarkierungen (111) zum Korrigieren von Verzerrungen oder zur Projektion der Transformation der Röntgenaufnahme im Röntgenempfangsabschnitt umfasst.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ferner umfassend: eine dynamische Bezugsrahmenmarkierung (150) zur Befestigung am Körper eines Patienten, wobei der Positionssensor (130) so angeordnet ist, dass er die Lage der dynamischen Bezugsrahmenmarkierung (150) im dreidimensionalen Raum erfasst.
Bildgebungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: Mittel (107) zum Erfassen von Anfang und Ende eines Aufnahmezyklus und zum Übermitteln von Angaben zum erfassten Anfang und Ende des Bestrahlungszyklus an den Rechner (120), und wobei der Rechner (120) so programmiert ist, dass er feststellt, dass ein Bilderfassungszyklus fehlerhaft ist, wenn sich die Lage der Lagebestimmungsmittel (109) zum Patienten während des Aufnahmezyklus verändert hat.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Rechner so progammiert ist, dass er feststellt, dass ein Bilderfassungszyklus fehlerhaft ist, wenn sich die Lage der Lagebestimmungsmittel (109) während eines Bilderfassungszyklus relativ zur Lage des dynamischen Bezugsrahmens (150) verändert hat.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Kalibrierungsmarkierungen (111) zur Bestimmung einer projektiven Transformation der Röntgenaufnahme dienen.
Bildgebungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rechner eine Anzeige zum Anzeigen der Bilder umfasst, die vom Röntgenempfangsabschnitt (105) erzeugt wurden.
Bildgebungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kalibrierungsmarkierungen (111) zur Korrekur einer Bildverzerrung dienen.
Bildgebungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rechner (120) einen Rechnerprozessor aufweist, der Positionssensor (130) der Erfassung dreidimensionaler Lageangaben über ein chirurgisches Instrument (140) und zum Übertragen der Lageangaben an den Rechnerprozessor dient; ein Speicher mit dem Rechnerprozessor verbunden ist, wobei der Speicher Rechnerbefehle umfasst, die, wenn sie vom Rechnerprozessor ausgeführt werden, bewirken, dass der Prozessor ein Symbol (502) erzeugt, das das chirurgische Instrument (140) darstellt, und das Symbol (502) über eine zuvor angefertigte Röntgenaufnahme (500) legt, wobei das Symbol (502) des chirurgischen Instruments (140) die Echtzeitlage des chirurgischen Instruments (140) darstellt, die in die zuvor angefertigte Röntgenaufnahme (500) projiziert wird, und wobei das Symbol (502) als erste Darstellung (502) erzeugt wird, wenn das chirurgische Instrument derart angeordnet ist, dass es im Wesentlichen in der Ebene der zuvor angefertigten Aufnahme sichtbar ist, und wobei das Symbol (502) als zweite Darstellung (601) erzeugt wird, wenn das chirurgische Instrument derart angeordnet ist, dass es sich im Wesentlichen senkrecht zur Ebene der zuvor angefertigten Aufnahme befindet; und eine Anzeige, die mit dem Prozessor verbunden ist, um das erzeugte Symbol anzuzeigen, das über die zuvor angefertigte Aufnahme gelegt wird.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Symbol über mehrere zuvor angefertigte Aufnahmen gelegt wird.
Bildgebungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Rechner (120) einen Rechnerprozessor aufweist, wobei der Positionssensor (130) der Erfassung dreidimensionaler Lageangaben über ein chirurgisches Instrument (140) und zum Übertragen der Lageangaben an den Rechnerprozessor dient; einen Speicher, der mit dem Rechnerprozessor verbunden ist, wobei der Speicher Rechnerbefehle umfasst, die, wenn sie vom Rechnerprozessor ausgeführt werden, bewirken, dass der Prozessor ein Symbol (502, 505) erzeugt, das das chirurgische Instrument (140) darstellt, das in einer zuvor angefertigten Röntgenaufnahme (500) des Körpers eines Patienten angeordnet ist, wobei das Symbol (502, 505) des chirurgischen Instruments (140) einen ersten Abschnitt (502) aufweist, der der tatsächlichen Lage des chirurgischen Instruments (140) entspricht, und einen zweiten Abschnitt (505), der einer Projektion des chirurgischen Instruments (140) entlang einer Linie entspricht, die durch eine gegenwärtige Bewegungsbahn des chirurgischen Instruments (140) vorgegeben ist; und eine Anzeige, die mit dem Prozessor verbunden ist, um das erzeugte Symbol anzuzeigen, das über die zuvor angefertigte Aufnahme (500) gelegt wird.
System zum Festlegen eines Operationsplans, wobei das System folgendes umfasst: eine Röntgenbildgebungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8; ein chirurgisches Instrument (140); den Positionssensor (130), der zum Erfassen der Lage des chirurgischen Instruments im dreidimensionalen Raum dient; einen Rechnerprozessor in Verbindung mit dem Positionssensor (130) zum Berechnen einer Projektion der Bewegungsbahn des chirurgischen Instruments (140) ein Stück vor der tatsächlichen Lage des chirurgischen Instruments (140); und eine Anzeige, die mit dem Prozessor verbunden ist, zum Anzeigen einer zuvor angefertigten Röntgenaufnahme (500), über die eine Symboldarstellung (502, 505) des chirurgischen Instruments (140) und die berechnete Projektion der Bewegungsbahn des chirurgischen Instruments gelegt wurde.
Vorrichtung zur Verwendung beim Ausrichten eines ersten Knochenabschnitts (1201) nach einem zweiten Knochenabschnitt (1202) bei einem Patienten, wobei die Vorrichtung folgendes umfasst: eine Röntgenbildgebungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8; eine erste Positionsmarkierung, die so gestaltet ist, dass sie am ersten Knochenabschnitt befestigt wird; eine zweite Positionsmarkierung, die so gestaltet ist, dass sie am zweiten Knochenabschnitt befestigt wird; den Positionssensor (130), der zum Erfassen der relativen Lage der ersten und der zweiten Positionsmarkierung im dreidimensionalen Raum dient; einen Rechner zum Einzeichnen der Grenzen (1203, 1204) von Aufnahmen des ersten und zweiten Knochenabschnitts (1201, 1202) in einer zuvor angefertigten Röntgenaufnahme und, wenn der zweite Knochenabschnitt (1202) im Patienten bewegt wird, zum entsprechenden Bewegen der eingezeichneten Grenze (1204) des zweiten Knochenabschnitts (1202) in der Röntgenaufnahme; und eine Anzeige, die mit dem Rechner verbunden ist, zum Anzeigen der zuvor angefertigten Röntgenaufnahme, über die Darstellungen der eingezeichneten Grenzen (1203, 1204) des ersten und zweiten Knochenabschnitts gelegt wurden.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Rechner so angeordnet ist, dass er eine Kantenerkennungsverarbeitung der Röntgenaufnahme durchführt, um die Grenzen einzuzeichnen.
Vorrichtung zur Verwendung beim Anordnen eines chirurgischen Implantats in einem Patienten, umfassend: eine Röntgenbildgebungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8; den Rechner einschließlich eines Rechnerprozessors; Mittel zum Eingeben von Abmessungen des Implantats; den Positionssensor (130), der zum Erfassen dreidimensionaler Lageangaben über ein chirurgisches Instrument (140) dient, an dem das chirurgische Implantat befestigt ist, und zum Übermitteln der Lageangaben an den Rechnerprozessor; und einen Speicher, der mit dem Rechnerprozessor verbunden ist, wobei der Speicher Rechnerbefehle umfasst, die, wenn sie vom Rechnerprozessor ausgeführt werden, bewirken, dass der Prozessor ein Symbol (1401) erzeugt, das das chirurgische Instrument und das daran befestigte chirurgische Implantat darstellt, und das Symbol (1401) über eine zuvor angefertigte zweidimensionale Röntgenaufnahme legt, wobei das Symbol des chirurgischen Instruments die Echtzeitlage des chirurgischen Instruments relativ zur zuvor angefertigten zweidimensionalen Röntgenaufnahme darstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Mittel zum Eingeben von Abmessungen eine Anzeige aufweist, die mit dem Prozessor in Verbindung steht, um eine dreidimensionale Aufnahme des Körpers des Patienten anzuzeigen, anhand derer ein Arzt die geeignete Größe und Anordnung des Implantats auswählen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei der Rechner Mittel zum Erzeugen eines zweidimensionalen digital rekonstruierten Röntgenbilds (DRR) aus der dreidimensionalen Aufnahme des Körpers des Patienten aufweist, wobei das digital rekonstruierte Röntgenbild eine zweidimensionale Darstellung der geeigneten Größe des Implantats aufweist.
System zur Verwendung beim Ausrichten eines ersten gebrochenen Knochenabschnitts (1201) nach einem zweiten gebrochenen Knochenabschnitt (1202) bei einem Patienten, umfassend: eine Röntgenbildgebungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8; Mittel zum Befestigen einer ersten Positionsmarkierung am ersten Knochenabschnitt (1201); Mittel zum Befestigen einer zweiten Positionsmarkierung am zweiten Knochenabschnitt (1202); Mittel zum Einzeichnen von Grenzen (1203, 1204) von Aufnahmen des ersten und zweiten Knochenabschnitts in einer zuvor angefertigten Röntgenaufnahme; Mittel (130) zum Erfassen der relativen Lage des ersten und zweiten Knochenabschnitts (1201, 1202) im Patienten unter Verwendung der ersten und zweiten Positionsmarkierung und entsprechenden Bewegen der eingezeichneten Grenze (1204) des zweiten Knochenabschnitts in der zuvor angefertigten Röntgenaufnahme, wenn sich der zweite Knochenabschnitt (1202) relativ zum ersten Knochenabschnitt (1201) bewegt; und Mittel zum Anzeigen der zuvor angefertigten Röntgenaufnahme, über die Darstellungen der eingezeichneten Grenzen (1203, 1204) des ersten und zweiten Knochenabschnitts gelegt wurden.
System zum Berechnen eines Winkels zwischen einem chirurgischen Instrument und einer Ebene, die in einer Röntgenaufnahme ausgewählt wurde, wobei das System folgendes umfasst: eine Röntgenbildgebungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8; Mittel (120) zum Definieren von mindestens zwei Punkten (1601, 1602) in der Röntgenaufnahme; Mittel zum Definieren einer Ebene (1603), die als die Ebene durch die Röntgenaufnahme verläuft, die die beiden Punkte und linearen Projektionen der beiden Punkte aufweist, wie durch eine Kalibrierungstransformation vorgegeben ist, die zur Kalibrierung der Röntgenaufnahme für die jeweilige Bildgebungsvorrichtung der Röntgenaufnahme verwendet wird; Mittel zum Erfassen der Lage des chirurgischen Instruments (140) im dreidimensionalen Raum; und Mittel (120) zum Berechnen des Winkels (1504) zwischen dem chirurgischen Instrument und der definierten Ebene.
Röntgenabbildungsverfahren, das ein Verfahren zum Erfassen eines Fehlers im Röntgenverfahren erfasst, das folgende Schritte umfasst: Erzeugen von Röntgenbestrahlungszyklen entsprechend einem Bilderfassungszyklus, wobei die Zyklen von einem Röntgengerät erzeugt werden; Erzeugen einer Aufnahme des Körpers eines Patienten, das durch die Intensität der Röntgenstrahlen im Röntgenbestrahlungszyklus definiert wird; und Erfassen der Lage des Patienten; gekennzeichnet durch die Schritte des Sendens der Röntgenstrahlen durch Kalibrierungsmarkierungen eines Kalibrierungs- und Verfolgungsobjekts, des Bestimmens von Anfang und Ende jedes Zyklus, des Erfassens der Lage des Kalibrierungs- und Verfolgungsobjekts während der Bilderfassung und des Feststellens, dass der Bilderfassungszyklus fehlerhaft ist, wenn sich die Lage des Verfolgungsobjekts relativ zur Lage des Patienten zwischen Anfang und Ende des Bestrahlungszyklus verändert.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei eine zweidimensionale Röntgenaufnahme des Körpers eines Patienten aus einer gewünschten Blickrichtung unter Verwendung der folgenden Schritte angefertigt wird: Anfertigen einer zweidimensionalen Aufnahme unter Verwendung eines Röntgengeräts; Angeben einer Blickrichtung in einer dreidimensionalen Aufnahme, die den Körper des Patienten darstellt; Erzeugen eines zweidimensionalen digital rekonstruierten Röntgenbilds (DRR) auf der Grundlage der dreidimensionalen Aufnahme und der angegebenen Blickrichtung; und Feststellen, ob die zweidimensionale Röntgenaufnahme mit der gewünschten Blickrichtung übereinstimmt, indem das DRR-Bild mit der Röntgenaufnahme in Übereinstimmung gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, ferner umfassend das Festlegen eines Operationsplans, umfassend: Erfassen dreidimensionaler Lageangaben über ein chirurgisches Instrument; Erzeugen eines grafischen Symbols, das das chirurgische Instrument darstellt, das in einer zuvor angefertigten Aufnahme des Körpers des Patienten angeordnet ist, wobei das Symbol des chirurgischen Instruments einen ersten Abschnitt aufweist, der einer Lage des chirurgischen Instruments im Raum entspricht, und einen zweiten Abschnitt, der einer Projektion des chirurgischen Instruments entlang einer Linie entspricht, die durch eine gegenwärtige Bewegungsbahn des chirurgischen Instruments vorgegeben ist; und Anzeigen des erzeugten Symbols, das über die zuvor angefertigte Aufnahme gelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, ferner umfassend das Festlegen eines Operationsplans, umfassend: Erfassen der Lage eines chirurgischen Instruments im dreidimensionalen Raum; Definieren eines Punkts auf einem gedachten Röntgenabbildungsweg als dreidimensionale Lage des chirurgischen Instruments, wobei sich der Punkt außerhalb eines nicht gedachten Röntgenabbildungswegs der Röntgenbildgebungsvorrichtung befindet; Übertragen der Lage des chirurgischen Instruments auf dem gedachten Röntgenabbildungsweg auf eine entsprechende Lage auf dem nicht gedachten Röntgenabbildungsweg; und Anzeigen einer zuvor angefertigten Röntgenaufnahme, über die eine Symboldarstellung des chirurgischen Instruments gelegt wurde, wobei die Lage der Symboldarstellung des chirurgischen Instruments auf der zuvor angefertigten Röntgenaufnahme der übertragenen Lage des chirurgischen Instruments entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, ferner umfassend Schritte zur Verwendung beim Ausrichten eines ersten gebrochenen Knochenabschnitts nach einem zweiten gebrochenen Knochenabschnitt bei einem Patienten, wobei die Schritte folgendes umfassen: Befestigen einer ersten Positionsmarkierung am ersten Knochenabschnitt; Befestigen einer zweiten Positionsmarkierung am zweiten Knochenabschnitt; Einzeichnen von Grenzen von Aufnahmen des ersten und zweiten Knochenabschnitts in einer zuvor angefertigten Röntgenaufnahme; Erfassen der relativen Lage des ersten und zweiten Knochenabschnitts im Patienten unter Verwendung der ersten und zweiten Positionsmarkierung und entsprechendes Bewegen der eingezeichneten Grenze des zweiten Knochenabschnitts in der zuvor angefertigten Röntgenaufnahme, wenn sich der zweite Knochenabschnitt relativ zum ersten Knochenabschnitt bewegt; und Anzeigen der zuvor angefertigten Röntgenaufnahme, über die Darstellungen der eingezeichneten Grenzen des ersten und zweiten Knochenabschnitts gelegt wurden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, ferner umfassend den Schritt des Durchführens einer Kantenerkennungsverarbeitung der Röntgenaufnahme zum Einzeichnen der Grenzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 oder 23, ferner umfassend Schritte zur Verwendung beim Anordnen eines chirurgischen Implantats in einem Patienten, wobei die Schritte folgendes umfassen: Anzeigen einer dreidimensionalen Aufnahme des Körpers des Patienten, anhand derer ein entsprechend bemessenes Implantat ausgewählt wird, wobei das Implantat an einem chirurgischen Instrument befestigt ist; Erfassen dreidimensionaler Lageangaben über das chirurgische Instrument, an dem das chirurgische Implantat befestigt ist; und Erzeugen eines Symbols, das das chirurgische Instrument und das daran befestigte Implantat darstellt, und Anordnen des Symbols auf einer zuvor angefertigten zweidimensionalen Röntgenaufnahme, wobei das Symbol des chirurgischen Instruments die Echtzeitlage des chirurgischen Instruments darstellt, das in die zuvor angefertigte zweidimensionale Röntgenaufnahme projiziert wurde und wobei das Symbol dem entsprechend bemessenen Implantats entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 oder 23, ferner umfassend: Berechnen eines Winkels zwischen dem oder einem chirurgischen Instrument und einer Ebene, die in einer Röntgenaufnahme ausgewählt wird, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Definieren von mindestens zwei Punkten in der Röntgenaufnahme; Definieren einer Ebene, die als die Ebene durch die Röntgenaufnahme verläuft, die die beiden Punkte und lineare Projektionen der beiden Punkte aufweist, wie durch eine Kalibrierungstransformation vorgegeben ist, die zur Kalibrierung der Röntgenaufnahme für die jeweilige Bildgebungsvorrichtung der Röntgenaufnahme verwendet wird; Erfassen einer Lage des chirurgischen Instruments im dreidimensionalen Raum; und Berechnen des minimalen Winkels zwischen dem chirurgischen Instrument und der definierten Ebene.
Verfahren nach Anspruch 20, feiner aufweisend das Ausrichten einer Röntgenbildgebungsvorrichtung nach einer Blickrichtung der Mittelachse des Pedikels eines Patienten, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Anzeigen einer dreidimensionalen Aufnahme eines axialen Querschnitts eines Wirbels des Patienten; Entnehmen eines Winkels aus dem dreidimensionalen Bild, der dem Winkel zwischen Anterior-posterior-Achse und Mittelachse des Pedikels entspricht; Ausrichten der Röntgenbildgebungsvorrichtung nach der Längsachse des Patienten; und
Drehen der Röntgenbildgebungsvorrichtung um die Längsachse des Patienten um den gemessenen Winkel.