DE102007034221A1

DE102007034221A1 - Verfahren zur virtuellen Anpassung eines Objekts an ein Körperteil eines Patienten

Info

Publication number: DE102007034221A1
Application number: DE102007034221A
Authority: DE
Inventors: Karl Dr. Barth; Gerd Dr. Wessels
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2007-07-23
Publication date: 2008-04-03

Abstract

Ein Verfahren zur virtuellen Anpassung eines Objekts an ein Körperteil eines Patienten weist folgende Schritte auf - eine räumliche Ansicht des Körperteils wird an einem Bildschirm dargestellt, - ein digitales Abbild des Objekts wird am Bildschirm dargestellt, - eine charakteristische Größe des Objekts wird ermittelt, - ein Bereich des Körperteils, an dem das Objekt angepasst werden soll, wird ausgewählt, - eine charakteristische Größe (16) des Körperteils (12a, 4) wird ermittelt, - das Objekt wird unter Nutzung der charakteristischen Größe am Körperteil automatisch grobjustiert, - ein Passmaß für die Anpassung zwischen Körperteil und Objekt wird ermittelt, - unter Benutzung der räumlichen Ansicht des Körperteils wird das Objekt automatisch so lange relativ zum Körperteil feinjustiert, bis das Passmaß einen gewünschten Schwellwert erreicht.

Description

Verfahren zur virtuellen Anpassung eines Objekts an ein Körperteil eines Patienten.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur virtuellen Anpassung eines Objekts an ein Körperteil eines Patienten.
In der Chirurgie, vor allem auch der orthopädischen Chirurgie, hat ein Arzt beispielsweise die Aufgabe, ein Implantat oder eine Prothese bei einem Patienten einzusetzen. Bei einer Prothese handelt es sich um einen Ersatz bzw. eine Ergänzung für ein Körperteil eines Patienten, bei einem Implantat um ein eher abstraktes Bauteil, z.B. eine Platte, Schraube oder ähnliches. Bei traumatischen Verletzungen ist es außerdem oft notwendig, fragmentierte Körperteile, z.B. Knochenstrukturen, zu rekonstruieren bzw. reponieren und anschließend u.U. mit den oben genannten Implantaten oder Prothesen zu verbinden bzw. zu stabilisieren.
Vor der eigentlichen Behandlung des Patienten obliegt es dem Arzt, vorab geeignete Implantate oder Prothesen auszuwählen bzw. anzupassen oder bei der Repositionierung bzw. Reponierung von Körperteilen des Patienten eine geeignete Reihenfolge der Behandlungsschritte zu planen. Daher werden Techniken benötigt und verwendet, die z.B. aus dem "Computer Aided Design" (CAD) abgeleitet sind, um möglichst passgenau die Einsetzung von Prothesen oder Implantaten zu planen bzw. für den Einsatz auszuwählen.
In der ganz überwiegenden Anzahl der Fälle stellen konventionelle, auch noch filmbasierte Röntgenaufnahmen sowie Blaupausen von Implantaten/Prothesen, sogenannte Schablonen, die Basis einer chirurgischen Planung dar. Quasi mit Bleistift und Zentimetermaß wird händisch konstruiert bzw. angepasst, um eine optimale Passform zu finden. Einen Fortschritt stellen bereits Systeme dar, bei denen das Röntgenbild und/oder die Maßzeichnung des Implantats/der Prothese bereits digital vorliegen. Dieser Fall beschränkt sich jedoch ganz überwiegend auf zweidimensionale Darstellungen.
Nahezu ausschließlich liegen die Geometrien der Implantate/Prothesen nur in 2D-Koordinaten vor. Die medizinische Bildgebung, z.B. auf Basis der Computertomographie oder der 3D-C-Bogentechnik erfolgt jedoch zunehmend in 3D. Dafür gibt es neuere Ansätze, die Konzepte beschreiben, die auch die Planung im Dreidimensionalen unterstützen. Bei diesen Ansätzen ist jedoch festzustellen, dass sie sehr stark im zweidimensionalen Vorgehen verhaftet sind und dass sie keinen automatisierten Ansatz verfolgen, erst recht nicht für die Repositionierung.
Beispielsweise ist in der US 5,769,092 offenbart, wie man computergestützt Knochenzement entfernen kann, um eine alte Prothese durch eine neue zu ersetzen. Es sind hier jedoch nur Standarddarstellungen parallel bzw. orthogonal zum DICOM-Koordinatensystem beschrieben, und das Verfahren ist rein interaktiv, d.h. es erfolgt keine automatische, auf Mustererkennung basierende Anpassung z.B. eines Implantats im Knochen.
Ähnliches ist aus der DE 43 41 367 C1 bekannt, gemäß der ebenfalls die interaktive Anpassung unterstützt wird.
"K. Verstreken et al: An Image-Guided Planning System for Endosseous Oral Implants, IEEE Tran. Med. Im. Vol.17, No.5, Oct. 1998" befasst sich mit Verbesserungen der 2D-Planung durch 3D-Information. Der nutzbare Schwerpunkt ist hier jedoch die automatische 3D-Kontur- und Oberflächenermittlung (Segmentierung), die letztlich wieder nur in der im Grunde 2D-orientierten, interaktiven Planung verwendet wird, an die sich 3D-Visualisierung und -Kontrolle anschließen.
Die EP 0 093 869 A1 beschreibt relativ oberflächlich, wie mit einem ausschließlich schichtorientierten Verfahren individuelle Prothesen und Implantate angefertigt werden können. Dazu wird vorgeschlagen, ohne die technische Realisierung näher zu beschreiben, eben die Schichten zu verbinden. Dies ist aus heutiger Sicht trivial und ist auf ein Vorgehen parallel zum Tischvorschub des Computertomographen beschränkt. Es wird nicht beschrieben, wie man in freier Orientierung 3D-Objektanpassung mit hoher Auflösung durchführen kann und es wird erst recht nicht angedacht, wie man das automatisch durchführen kann bzw. wie man das durch sich ergänzende, frei im Raum orientierte Simultandarstellungen unterstützen kann.
Die WO 98/14128 beschreibt ebenfalls ein Verfahren auf dem Gebiet der computergestützten Prothesenplanung. Es ist erneut ein überwiegend zweidimensionaler Ansatz: Es liegen zwar (3D-)CT-Eingangsdaten vor, die Anpassung erfolgt jedoch in zweidimensionalen Schnitten (cross sections). Es wird nichts darüber gesagt, wie man eine Positionierung im isotropen 3D-Raum automatisiert durchführen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes virtuelles Verfahren vorzuschlagen, das eine verbesserte Anpassung von Implantaten oder Prothesen bzw. eine Reponierung von Körperteilen des Patienten virtuell in mehr als zwei Dimensionen erlaubt.
Die Erfindung benutzt die Erkenntnis, dass eine virtuelle Planung durch den Arzt umso vollständiger und genauer auch in drei Dimensionen erfolgen kann, je mehr 3D-Information über Patient oder Implantat bzw. Prothese verfügbar ist. Da das Verfahren virtuell arbeitet, ist es vom realen Patienten bzw. der realen Behandlung vollständig gelöst. Die Anpassung ist abhängig von den Möglichkeiten der zur Verfügung stehenden Ausgangsbilddaten von Patient bzw. Implantat oder Prothese und den Beschreibungsdaten für Implantate bzw. Prothesen, die hierbei in der Regel "CAD"-ähnlich vorliegen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein rein virtuelles Verfahren, d.h. ohne jegliche Auswirkung auf den Patienten, welches also rein der theoretischen bzw. hypothetischen Anpassung des Objekts an das Körperteil des Patienten entspricht. Sämtliche verwendeten medizinischen Begriffe wie Körperteil, Reponierung etc. sind also rein virtuell und nicht als real zu einem medizinischen Vorgehen gehörig zu verstehen.
Erfindungsgemäß wird als Grundlage der Implantat- oder Prothesenplanung nicht mehr nur ein einzelnes Bild herangezogen, sondern es wird eine räumliche Ansicht des Körperteils an einen Bildschirm dargestellt. Bereits hierdurch erhält der Bediener des Verfahrens, z.B. der planende Arzt, deutlich mehr Informationen über das Körperteil als bisher. Da außerdem ein digitales Abbild des Objekts am Bildschirm dargestellt wird, hat der Arzt virtuell beide aneinander anzupassenden Teile, nämlich das Objekt und das Körperteil, am Bildschirm dargestellt und kann virtuell die Anpassung durchführen.
Die eine oder mehrere ermittelte charakteristische Größe des Objekts ist z.B. eine charakteristische Achse, Länge, Krümmung, Durchmesser oder jedes sonstige geeignete Maß bzw. Eigenschaft des Objekts, welche zur Anpassung an das Körperteil hilfreich ist. Vom Bediener des Verfahrens wird sodann weiterhin ein Bereich des Körperteils ausgewählt, an welchem das Objekt angepasst werden soll. Hierdurch wird die Position des Objekts am Körperteil mit anderen Worten grob bezeichnet bzw. vorgegeben, um eine Ausgangssituation für die genaue Anpassung des Objekts zu schaffen.
Anschließend wird das Objekt unter Nutzung der charakteristischen Größe am Körperteil automatisch grob justiert. So kann z.B. eine Schraube als Objekt an einem länglichen Röhrenknochen derart grobjustiert werden, indem die Mittellängsachse des Röhrenknochens als Körperteil mit der Mittellängsachse der Schraube in Deckung gebracht wird, und zwar in dem axialen Bereich es Körperteils, der vorab ausgewählt wurde, z.B. in der Mitte des Knochens. Die Mittellängsachse wird dabei z.B. jeweils als eine der Hauptträgheitsachsen, in diesem Fall die mit dem minimalen Trägheitsmoment, bestimmt.
Fortan wird ein Passmaß für die Güte der Anpassung zwischen Körperteil und Objekt ermittelt. Dies kann auf verschiedenste Arten erfolgen, z.B. durch Oberflächenmatching, quadratische Abstandsmaße zwischen Objekt und Körperteil oder sonstige geeignete objektive Passmaße, welche die Anpassung z.B. in Zahlen wiederspiegeln. Unter Nutzung der räumlichen Ansicht bzw. Darstellung des Körperteils wird sodann das Objekt automatisch solange relativ zum Körperteil feinjustiert, bis das Passmaß einen gewünschten Schwellwert erreicht. Erfindungsgemäß findet also eine iterative Verschiebung des Objekts bzw. Körperteils und ständige Neuberechnung des Passmaßes statt, wobei die Verschiebung solange durchgeführt wird, bis das Passmaß eine gewünschte Anpassung wiederspiegelt, also einen gewünschten Schwellwert erreicht hat. In der Regel wird das Verfahren so lange durchgeführt werden, bis das Passmaß minimiert ist.
Die Anpassung des Objekts wird durch korrespondierende Ansichten des Objekts bzw. des Körperteils und eine entsprechende Berechnung der Güte der Anpassung, also des Passmaßes, automatisch durchgeführt.
Für die Ansicht des Körperteils kann die räumliche Ansicht insbesondere aus einem 3D-Bilddatensatz des Körperteils erzeugt werden. 3D-Bilddatensätze des Körperteils liegen in der Regel heute bei einer entsprechenden Planungssituation vor, da der Patient in der Regel bereits mit einem 3D-bildgebenden Verfahren untersucht wurde.
Das Körperteil kann im 3D-Bilddatensatz segmentiert werden. Die erste Verarbeitungsstufe ist dann z.B. eine Segmentierung von Knochenfragmenten als Körperteil bzw. Objekt, die es bei einem späteren Eingriff z.B. mit einem Implantat zusammenzufügen gilt. Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann die virtuelle Planung somit vorab durchgeführt werden, was die spätere eigentliche Behandlungszeit deutlich reduziert und Probleme dabei minimiert. Die Segmentierung wird z.B. mit einem bekannten Verfahren, wie den Marching-Cubes durchgeführt.
Alternativ oder zusätzlich zu tatsächlichen 3D-Bilddaten kann die räumliche Ansicht des Körperteils oder Objekts auch durch mindestens zwei verschiedene Ansichten des Körperteils oder Objekts am Bildschirm dargestellt werden. Im Falle von klassischen Röntgenbildern werden so mindestens zwei Aufnahmen verwendet. In diesem einfachsten Fall zeigen die beiden Aufnahmen Ansichten in verschiedenen Perspektiven, so dass damit neu eine räumliche Anpassung bzw. Einpassung des Objekts am Körperteil möglich wird. Ein Grenzfall von zwei Ansichten sind hierbei Stereoansichten. Bezüglich Messgenauigkeit bzw. Tiefenauflösung optimal sind hierbei orthogonale bzw. nahezu orthogonal aufeinanderstehende Aufnahmen.
Zunehmend werden heute bzw. in Zukunft komplette, nahezu isotrope Volumendatensätze z.B. auf Basis der Computertomographie (CT) verwendet. Insbesondere hieran orientiert sich das erfindungsgemäße Verfahren überwiegend. Ein derartiger, mit anderen Worten kompletter dreidimensionaler Datensatz bietet die Vorteile, dass man datentechnisch beliebig in den Bilddaten navigieren kann, und dass in jeder Position, also jeder Ansicht, die Körperstrukturen, wie z.B. Knochen, ohne Überlagerung mit voller Schärfe dargestellt werden. Die Skalierung ist hierbei überall eindeutig und zuverlässig, konstant über das ganze Volumen aus den DICOM-Beschreibungszusätzen des Datensatzes zu gewinnen.
Aus dem Objekt und/oder dem Körperteil kann ein Gesamtobjekt bzw. erkranktes Organ reponiert werden. Das Implantat oder die Prothese kann dann an die Kontur dieses reponierten Gesamtobjekts angeschmiegt werden. Hierzu wird es entweder entsprechend hergestellt oder vor dem Anschmiegen an das Gesamtobjekt, also der Einbringung in den Patienten, entsprechend verformt, falls ein anpassbares Implantat bzw. Prothese vorliegt.
Wie bereits erwähnt, kann das Objekt insbesondere also ein Implantat oder eine Prothese sein. Das Körperteil kann aber auch fragmentiert sein, und als Objekt ein Fragment des Körperteils an das Körperteil selbst bzw. dessen Rest anzupassen sein. Das Körperteil ist dann z.B. zu reponieren oder zu rekonstruieren.
Insbesondere wenn mehrere Frakturtrümmer vorhanden sind, kann die Reponierung eines entsprechenden Gesamtobjekts sehr schwierig sein. Es kann dann eine virtuelle Frakturumgebung bzw. ein Strukturrahmen für die Reponierung von Frakturtrümmer. geschaffen werden. Hierdurch wird die ansonsten schwierige Reponierung der Frakturtrümmer vereinfacht, da eine Art Vorlage geschaffen wird bzw. der Prozess stufenweise gegliedert wird, indem zuerst einfachere Fragmente korrekt zu einer zusammengesetzten Teilstruktur angeordnet werden, in die ein oder mehrere weitere Frakturtrümmer einfacher und zuverlässiger eingesetzt werden können. Das kann auch ein in dieser Art mehrfach gestufter Prozess sein.
Ist das Fragment des Körperteils insbesondere zu reponieren, also am restlichen Körperteil anzupassen, so kann ein Muster des Körperteils erzeugt werden. Dieses Muster wird organspezifisch in der Regel als 3D-Muster ermittelt. Das Muster gibt somit vor, wie die Gesamtgestalt des reponierten Organs aussehen soll. Dem Bediener des Verfahrens steht somit eine Vorlage für die Reponierung zur Verfügung, so dass das Körperteil anhand des Musters z.B. grobjustiert werden kann.
Das Objekt kann auch bei existierendem zweiten Körperteil zunächst an diesem angepasst werden, also das virtuelle Verfahren am gesunden zweiten Körperteil durchgeführt werden, um anschließend das Objekt virtuell mit gleicher Anpassung am ersten, also teilzerstörten bzw. zu behandelnden Körperteil anzulegen und anschließend die Fragmente des ersten Körperteils am restlichen Körperteil bzw. dem Implantat bzw. der Prothese endgültig zu reponieren. Mit anderen Worten wird hierbei die Anpassung eines Implantats bzw. einer Implantatkontaktfläche an einer (gesunden) Seite vorgeschlagen, so dass die weiteren Fragmente sowohl an die bestehenden gesunden Teile als auch den Implantatverlauf angeschmiegt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das Muster oder ein Teil dessen als Körperteil aus einer Musterdatenbank entnommen werden. Dies ist vor allem bei einer Extrapolation, wie auch bei ganz komplizierten Fällen mit beidseitigen Traumata hilfreich. Besonders hilfreich ist hierbei die Benutzung einer Normdatenbank mit 3D-Organen.
Bei jeglicher Verwendung von Mustern können diese durch Spiegelung, Skalierung, Inter- oder Extrapolation erstellt oder modifiziert werden. Existiert im Patienten ein dem ersten Körperteil ähnliches zweites Körperteil, so kann als Muster das zweite Körperteil verwendet werden. Bei symmetrischen Organen, z.B. der rechten oder linken Hälfte des Schädelknochens, Armen, Beinen oder dem Becken kann die Mustererzeugung durch Spiegelung auf Basis der jeweils gesunden Hälfte bzw. Seite erfolgen. Durch Spiegelung bzw. Rückgriff auf das Normorgan ist hierbei das Ziel definiert, wie zunächst die Repositionierung aussehen soll. Beispielsweise werden die Fragmente eines Bruchs zunächst dahingehend vorpositioniert, was wieder unter Nutzung der charakteristischen Größe am Körperteil automatisch erfolgt.
Auch der Grenzfall einer Planungssituation mit klassischen Röntgenbildern kann mit dem vorliegenden Verfahren bearbeitet werden, in dem eben bei nur einer Ansicht eine konstante Tiefenkoordinate in der Bildebene angenommen wird und so ein Quasi-3D-Objekt erzeugt wird, mit der 3D-Prothesen-, Implantat oder sonstige Musterdaten verrechnet werden. Musterdaten sind hierbei z.B. Normvolumendaten aus einer Datenbank, die aus größeren Patientenkollektiven erstellt wurde. Deutlich besser stellt sich die Situation natürlich dar, wenn orthogonale Ansichten vorliegen oder Stereoansichten verfügbar sind. Bezüglich Messgenauigkeit bzw. Tiefenauflösung sind orthogonale bzw. nahezu orthogonal aufeinanderstehenden Aufnahmen vorzuziehen. Bei orthogonalen Ansichten ergibt sich zusätzlich der Vorteil, dass die automatische Berechnung des Passmaßes in den korrespondierenden Ansichten durchgeführt wird. Vor allem in gegeneinander orthogonalen Ansichten können so die iterativen Teilberechnungen zur Optimierung des Passmaßes für die geforderten Translationen und Rotationen zur jeweiligen Anpassung jeweils nur in eingeschränkten Dimensionen und damit deutlich schneller durchgeführt werden.
Zu jedem Zeitpunkt des Verfahrens ist es dem Bediener möglich, die entsprechenden Ansichten zu variieren oder zu verändern und damit eine Überprüfung im Dreidimensionalen durchzuführen und grundsätzlich eine Verbesserung der Visualisierung der Anpassung zu erzielen. Bei echten 3D-Darstellungen ist es hierbei erforderlich, dass über eine transparente Darstellung, über ein Clipping zum Betrachter hin oder über eine sonstige Technik des virtuellen Eintauchens die korrekte Anpassung bzw. Darstellung des Objekts durchgeführt werden kann.
Bezüglich einer geeigneten Visualisierung also Bildschirmdarstellung während des Verfahrens kann das Abbild des Objekts als 2D-Bild bildschirmparallel angeordnet werden und die Anpassung durch räumliche Drehung und Verschiebung der Ansicht des Körperteils erfolgen.
Die Feinjustierung des Objekts kann nur anhand von mit der aktuellen Ansicht des Körperteils gekoppelten Freiheitsgraden durchgeführt werden. Während der Anpassung im erfindungsgemäßen Verfahren kann das Objekt alternierend um eine seiner charakteristischen Achsen gedreht werden. Dies schränkt ebenfalls die zur Verfügung stehenden Freiheitsgrade für den Bediener des Verfahrens ein, weshalb dieser klarer strukturiert durch das Verfahren geführt wird.
Liegen die bildgebenden Daten, also z.B. Konturlinien, oder das Abbild selbst eines Objekts nur zweidimensional vor, eventuell mit entsprechenden Ergänzungen, so können diese entweder lediglich als 3D-Daten interpretiert werden, oder auf Grund von Vorwissen zu 3D-Daten umgewandelt werden. Vorwissen ist z.B. als Abmessung die bekannte z-Dicke einer Platte, bei der lediglich die Form der xy-Ausdehnung vorgegeben ist, das Wissen über die Rotationssymmetrie eines Objekts, beispielsweise des Querschnitts einer Hüftprothese, oder ähnliches. Mit entsprechenden 3D-Daten des Objekts kann so eine räumliche Ansicht des Objekts am Bildschirm dargestellt werden.
Als Passmaß kann der 2D- oder 3D-Kreuzkorrelationskoeffizient von Körperteil und Objekt berechnet werden, wobei sowohl die Daten des Körperteils als auch die Daten des Objekts als Signale interpretiert werden [de.wikipedia.org/wiki/Korrelation, August 2006].
Zur Darstellung von Körperteil und Objekt am Bildschirm können 3D gerenderte Darstellungen angezeigt werden. Dies ergibt eine besonders plastische Darstellung von Körperteil und Objekt, insbesondere nach erfolgter Anpassung.
Gemäß einem Messwertkriterium können aus dem jeweiligen 3D-Bilddatensatz ausgewählte Ansichten von Körperteil und Objekt am Bildschirm angezeigt werden, z.B. durch Beschränkung auf einen bestimmten Bereich der Hounsfield-Skala kann aus schließlich die Darstellung von Knochen erfolgen, alternativ oder kombiniert mit Knochen durch eine zweite Hounsfield-Bereichswahl die Darstellung eines Implantats.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Erfindung verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
1 einen gebrochenen und gesunden Oberschenkel eines Patienten, visualisiert aus 3D-Daten,
2 die Darstellung aus 1 mit einer Kopie des Abbildes des gesunden Oberschenkelknochens und dessen Spiegelbild, welches als Muster dient,
3 die Darstellung aus 2 mit der Überblendung von Muster und gebrochenem Knochen,
4 die Darstellung aus 3 mit einem grobpositionierten Bruchfragment,
5 die Darstellung aus 4 mit feinpositioniertem ersten und grobpositioniertem zweiten Bruchfragment,
6 den repositionierten Knochen aus 1,
7 einen alternativen Bruch gemäß 1 mit Muster, feinpositionierten ersten und zweiten Bruchfragmenten und drittem Bruchstück,
8 den repositionierten Bruch aus 7
9 den repositionierten Bruch aus 7 ohne Muster und mit zu positionierender Metallplatte als Implantat,
10 den Bruch aus 9 mit positionierter Metallplatte.
Das folgende Ausführungsbeispiel beschreibt unter anderem eine Fraktur-/Fragment-Repositionierung kombiniert mit Platzierung und Anpassung einer Metallplatte an einem gebrochenem Knochen 4, nämlich dem Oberschenkelknochen eines Patienten 6, von dem in 1 lediglich der Ausschnitt eines Beins 8 (rechter Oberschenkel) dargestellt ist.
Vom Patienten 6 wurde mit einem bildgebenden Verfahren, nämlich im Rahmen einer Computertomographie nicht nur eine einzelne Ansicht, also z.B. ein Röntgenbild, sondern ein kompletter, maßstabsgerechter 3D-Volumendatensatz 10 erzeugt. Da dieser zur Verfügung steht, wird dieser im Verfahren auch benutzt.
Als erster Schritt wird also der Volumendatensatz 10 für das folgende Planungsverfahren ausgewählt und visualisiert, z.B. als Volumendarstellung mittels Volumenrendering und Visualisierung desselben. Die Darstellungsparameter können dabei variiert werden, beispielsweise der Bereich auf der Hounsfieldskala, der dargestellt wird, so dass bereits überwiegende Teile des Femurknochens, also des Knochens 4, heraussegmentiert sind.
In vielen Fällen wie auch im vorliegenden Beispiel ergibt eine Fraktur überwiegend zwei Teile, abgesehen von Splittern in der Nähe der Bruchstelle. Diese beiden Teile sind im Ausführungsbeispiel die Fragmente 12a,b des Knochens 4. Im Ausführungsbeispiel sind also die Fragmente 12a,b zu reponieren, was in 1–6 dargestellt ist. Für diese Teilaufgabe wird das erfindungsgemäße Verfahren verwendet.
In 1 ist zusätzlich als Knochen 14 der andere, also gegenüber dem Knochen 4 gesunde Femurknochen des anderen Beins des Patienten 6 dargestellt. Auch dieser bzw. dessen Abbil dung ist im Volumendatensatz 10 erfasst. Auch der gesunde Knochen 14 wird aus dem Volumendatensatz 10 dargestellt.
2 zeigt, wie der Knochen 14 dreidimensional an seiner vertikalen Achse 16 gespiegelt wird, und somit ein Spiegelbild 18 entsteht. In einer alternativen Ausführungsform wird der Knochen 14 an der Körpermittelachse 20 des Patienten 6 gespiegelt und ergibt das Spiegelbild 22.
Die alternativen Spiegelbilder 18 bzw. 22 stellen somit ein Muster für die Repositionierung des gebrochenen Knochens 4 dar.
In einer weiteren Variante des Verfahrens, z.B. für einen Patienten 6 mit zwei gebrochenen Beinen oder für einen singulären Knochen, für den also im Patienten 6 kein entsprechendes Muster 24 erzeugt werden kann, kann alternativ ein Muster 24, also eine Vorlage für den Knochen 4, also in repositionierter Form, folgendermaßen erzeugt werden:
Am gebrochenen Femur, also dem Knochen 4 bzw. den Fragmenten 12a, b wird jeweils deren mittlere Länge L_a, L_b bestimmt. Im Ausführungsbeispiel, nämlich bei einer schrägen Frakturlinie 26 bezüglich der Achse 16 ist dies z.B. die Summe der mittleren Segmentlängen, wobei sich die mittleren Segmentlängen aus dem Mittel aus maximaler und minimaler Länge der Fragmente 12a,b ergeben. Diese Längen werden parallel zur in diesem Fall zweigeteilten Achse 16 des Knochens 4, also der Röhrenachse, bestimmt. Aus einer Datenbank 28, welche Normknochen 30a–c enthält, wird, angedeutet durch den Pfeil 32 gemäß der Längen L_a, L_b das passende Muster 24, also ein Femur selektiert, der die gleiche Länge L_a + L_b aufweist.
In 3 wird zu Beginn der virtuellen Planungsarbeit an einem Bildschirm 34, der von einem Arzt 36 als Bediener des Verfahrens betrachtet wird, die gesamte Visualisierung des Volumendatensatzes 10, z.B. durch virtuelles Eintauchen oder durch Clipping so eingestellt, dass sich der Mittelpunkt 38 der normalen, also reponierten Lage des zu fixierenden Organs, also des Knochens 4, in der Bildebene des Bildschirms 34 befindet. Das Muster 24 wird mit gleichem Mittelpunkt 38 auf der entsprechenden Patientensymmetrieseite, also in 3 der rechten Seite des Patienten bzw. der linken Seite des Bildschirms 34, als 3D-Objekt dargestellt, bzw. der Fraktursituation, also dem Knochen 4 bzw. den Fragmente 12a,b überlagert, bezogen auf die Tiefe in Blickrichtung.
Der Arzt 36 entscheidet sich nun zunächst für eines der beiden Fragmente 12a,b im Beispiel für das Fragment 12a, um dieses zu positionieren. Hierzu klickt er dieses am Bildschirm 34 mit einer Computermaus bzw. einem entsprechend dieser zugeordneten Cursor 50 an.
Sodann wird als charakteristische Größe jeweils das minimale Trägheitsmoment 40 des Musters 24 des Fragments 12a und des Fragments 12b bestimmt mit den zugehörigen Hauptträgheitslängsachsen 42, 52a und 52b. Diese Ermittlung geschieht in einem Rechner 54 zur Bildbearbeitung bzw. Implementierung des gesamten Verfahrens. Durch Rotation um seinen Schwerpunkt um seinen Schwerpunkt, bis die Achsen 42 und 52a parallel stehen und Verschiebung des Schwerpunktes senkrecht zur Achse 42, bis dieser auf der Achse 42 zu liegen kommt, ergibt sich die Überlagerung der Hauptträgheitsachsen 42 und 52a, wie in Bild 4 dargestellt. Durch die Rotation des Fragments 12b um seinen Schwerpunkt, bis seine Hauptträgheitsachse parallel zur Achse 42 steht und anschließende Parallelverschiebung, bis der Schwerpunkt des Fragments 12b auf der Achse 42 liegt, erreicht man die zusätzliche Überlagerung der Hauptträgheitsachsen 42 und 52b, wie in Bild 5 dargestellt. Für den Arzt 36 ist durch Betrachtung des Bildes 34 somit eine visuelle Kontrolle auf Übereinstimmung des Fragments 12a mit dem Muster 24 möglich. Nun erfolgt noch eine Verschiebung des Fragments 12a entlang der Trägheitslängsachse 42, um das intakte Ende des Fragments 12a, also den Gelenkkopf 58 deckungsgleich mit dem des Musters 24 zu überlagern.
4 zeigt das Ergebnis der 3D-Repositionierung des Fragments 12a am Muster 24. Anschließend wird für das Fragment 12b in gleicher Weise verfahren wie für das Fragment 12a oben beschrieben.
Für eines oder beide der Fragmente 12a und 12b besteht nun auf Grund einer Stauchung oder, wie in 5, Auseinanderdehnung eine verbleibende Fehlpositionierung in Richtung der überlagerten Achsen. Durch eine automatisch erfolgende, iterierte Verschiebung des verschobenen Fragments, im Beispiel 12b, und Ermittlung eines Passmaßes in jeder Verschiebeposition wird die optimale, d.h. korrekte Lage in Achsenrichtung automatisch erreicht.
5 zeigt hierbei nochmals den in 3 für das Segment 12a nicht dargestellten Zwischenschritt, nachdem die Trägheitslängsachse 52b des Fragments 12b mit der Trägheitslängsachse 42 gefluchtet wurde, jedoch noch keine axiale Verschiebung zur Anpassung des Gelenkkopfes 62 erfolgt ist. Nach erfolgter Verschiebung des Fragments 12b entlang der Trägheitslängsachse 42 stimmt auch der Gelenkkopf 62 des Fragments 12b mit dem des Musters 24 überein, was in 6 dargestellt ist.
Da diese Optimierung unter Fixierung der anderen Freiheitsgrade erfolgt, also seitliche und Tiefenverschiebung sowie die drei möglichen Rotationen um die Hauptträgheitsachsen, muss noch eine "Iteration von Iterationen" über alle sechs Freiheitsgrade für die Feinpositionierung durchgeführt werden.
Nach der translatorischen Feinpositionierung in Richtung des Pfeils 60 wird also iterativ eine rotatorische Feinpositionierung in entsprechender Weise durchgeführt. Als Drehachsen dienen z.B. die Trägheitsachsen 52a,c und d des Fragments 12a. Wie oben beschrieben, werden sowohl für die Ausgangsposition und jede weitere durch Verdrehung um die Trägheitslängsachsen 52a,c,d erreichte Position die Korrelationskoeffizienten wie oben berechnet und deren Änderung z.B. entlang dem steilsten Gradienten verfolgt, bis ein Optimum erreicht ist.
Als Passmaß kann z.B. die CT-Knochendichte in jedem dem Segment 12a in den Bilddaten 10 entsprechenden Bildvoxel mit der aktuell in der gleichen Raumposition befindlichen Voxel des Musters 24 verglichen werden. Der dabei berechnete Korrelationskoeffizient als Passmaß 55 wird mit den Korrelationskoeffizienten der Nachbarpositionen, also bei entsprechender Verschiebung entlang des Pfeils 60, verglichen und die Lageveränderung des Fragments 12a in die Position des Maximums der Korrelationskoeffizienten vorgenommen. Dieser Kreuzkorrelationskoeffizient ist normiert zwischen –1.0 und + 1.0, beinhaltet also den Vorteil eines definierten Wertebereichs zur schnelleren Entscheidung über die erfolgreiche Beendigung des Verfahrens wegen guter Übereinstimmung z.B. mit einem Koeffizienten 0.95 ("1.0" bedeutet perfekte Übereinstimmung). Zur Beschleunigung des Verfahrens empfiehlt sich hierbei z.B., während der Iteration in Richtung des stärksten Gradienten der Korrelationskoeffizienten fortzuschreiten.
In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens ist es möglich, neben der Korrelationsrechnung auch die Summenbestimmung der Differenzbeträge der quadratischen Abweichungen von Fragment 12a zu Muster 24 oder den Venot-Algorithmus zu benutzen, welche ebenfalls geeignete Maßgröße für die automatisch iterative Anpassung darstellen.
In einer Variante des Verfahrens kann grundsätzlich eine wirkungsvolle Beschleunigung der gesamten Positionsoptimierung dadurch erreicht werden, dass zunächst durch Mittelung der Voxel in den Bilddaten 10 z.B. in 4×4×4-Kuben die Auflösung reduziert, mit reduzierter Auflösung die oben beschriebene Positionsoptimierung des Fragments 12a durchgeführt und dann die Auflösung stufenweise erhöht, also z.B. zunächst für 2×2×2-Kuben optimiert wird, bevor man die Feinoptimierung in der Originalauflösung durchführt.
Alternativ zur oben beschriebenen Orientierung an den Hauptträgheitsachsen 42 und 52a zur Grobpositionierung kann zum wesentlichen Einstieg in die Repositionierung als Variante auch eine röntgenähnliche Projektion, z.B. in frontaler und lateraler Richtung für die Fragmente 12a,b und das Muster 24 verwendet werden. Zur Optimierung kann hierbei anstelle einer Kegelstrahlprojektion aber eine orthographische Projektion eingesetzt werden. Die Repositionierung, also Verschiebung des Fragments 12a in Richtung der Pfeile 60 bzw. Rotation um die Trägheitslängsachsen 52a,c,d wird dann abwechselnd in der frontalen und lateralen Ebene bzw. Ansicht am Bildschirm 34 durchgeführt.
Trotz der erfolgten optimalen Positionierung der Fragmente 12a,b in 6 anhand des Musters 24 ist nochmals erkennbar angedeutet, dass Muster und realer Knochen 4 niemals exakt deckungsgleich sein werden, aber für die Praxis damit doch einen Fortschritt an Genauigkeit und Effizienz bewirken.
7 zeigt einen Fall einer Knochenfraktur, bei dem neben den Fragmenten 12a,b des Knochens 4 noch ein weiteres kleineres Fraktursegment 64 aus dem Knochen 4 gebrochen ist. Das Fraktursegment 64 kann nach der virtuellen Rekonstruktion der Frakturumgebung bzw. eines Struktur-Rahmens nun manuell wesentlich leichter mittels des Cursors 50 entlang des Pfeils 66 manuell reponiert werden, in dem es in die noch freie Lücke 68 zwischen den Fragmenten 12a,b derart eingepasst wird, dass es den Knochen 4 entsprechend dem Muster 24 ergänzt.
8 zeigt das Ergebnis der fertigen Reponierung sämtlicher Teile des Knochens 4, also der Fragmente 12a,b und des Fraktursegments 64. Die entsprechend repositionierten Teile des Knochens 4 werden im Folgenden als Gesamtobjekt bezeichnet, die Reposition ist damit abgeschlossen und das Muster 24 wird aus dem Bildschirmbild ausgeblendet. Das Gesamtobjekt bleibt alleine stehen bzw. verbleibt im Rechner 54 im Arbeitsspeicher.
9 zeigt das Gesamtobjekt ohne das Muster 24, jedoch mit einer zusätzlich am Bildschirm 34 eingeblendeten Metallplatte 2, die als Implantat am Gesamtobjekt, also dem im wesentlichen wiederhergestellten Knochen anzupassen ist. Der Operationsplaner, also der Arzt 36 (in 9 nicht dargestellt) markiert mit zwei Mausklicks mit dem Cursor 50 (in 9 für beide Endpositionen dargestellt), den Bereich 70 am Knochen 4, an dem die Metallplatte angepasst werden soll. Damit ist die gewünschte Lage der Platte 2 im dreidimensionalem System der Bilddaten bekannt. Auf dieser bekannten 3D-Position setzt der Algorithmus auf, um, wie oben beschrieben, bei der automatischen Positionsfindung des Fragments 12a,b gegenüber dem Muster 24 hier eine optimale Positionierung des Implantats über dem Knochen 4 als Muster durchzuführen.
10 zeigt das Ergebnis der entsprechend angepassten Teilplatte 2 am Knochen 4, um diesen im Bereich der Fraktur, also des Fraktursegments 64, zu stabilisieren.
Um genau die oben genannte Korrelation bzw. Differenzensumme wie oben erwähnt, verwenden zu können, kann alternativ oder zusätzlich eine Kantenfilterung in den Bilddaten 10 am gesamten Objekt, also dem segmentierten Knochen 45 bzw. den Fragmenten 12a,b oder dem Fraktursegment 64 vorgenommen werden. Als Ergebnis resultieren die Oberflächenvoxel der entsprechend segmentierten Objekte. Die dem Knochen 4 zugewandten Oberflächenvoxel der Metallplatte 2 an der Fläche 72 werden dann mit den Voxein aus der Kantenfilterung des Gesamtobjekts, also des nahezu reponierten Knochens 4 korreliert, wobei eine iterierte Translation und Rotation der Metallplatte 2, wie oben beschrieben durchgeführt wird.
Nach Erreichen der optimalen Lage wird die Metallplatte 2 soweit parallel bzw. in Richtung ihrer Flächennormalen der Fläche 73 nach außen, also vom Knochen 4 weg versetzt, dass sich keine Überschneidung mit den Oberflächenvoxeln des Knochens 4 ergibt, d.h. kein Eindringen in den virtuellen Musterknochen 4 vorliegt.
In einer alternativen Variante des Verfahrens kann, ausgehend von der nun gefundenen optimalen Position vom zentralen Auflagepunkt der Fläche 72 am Knochen 4 aus, die Form des Implantats, also der Metallplatte 2 an die Oberfläche des Knochens 4 angepasst werden. Diese Ausführungsform bezieht sich auf verfügbare, biegbare Implantate anstelle der Metallplatte 2. Für die Anpassung werden dann mathematische Funktionen verwendet, wie z.B. Polynome oder Splines, die durch die Parametereinstellung ihrer Krümmungsparameter in ihren Krümmungen so begrenzt sind, die es der Materialeigenschaft des Implantats anstelle der Metallplatte 2 und den Möglichkeiten der Biegewerkzeuge bei der späteren realen Operation entspricht.
Somit ist die Positionierung eines Implantats in Form der Metallplatte 2 auf dem Knochen 4 beschrieben. Für eine alternative Platzierung beispielsweise einer Hüftgelenksprothese im Femurschaft des Knochens 4 ist eine iterierte achsenorientierte Positionierung genau wie bei der eben beschriebenen Positionierung möglich, wobei hier die Hüftgelenksprothese dem Fragment 12a und der Femurschaft dem Muster 24 entsprechen.

Claims

Verfahren zur virtuellen Anpassung eines Objekts (12b, 2) an ein Körperteil (12a, 4) eines Patienten, mit folgenden Schritten: – eine räumliche Ansicht des Körperteils (12a, 4) wird an einem Bildschirm (34) dargestellt, – ein digitales Abbild des Objekts (12b, 2) wird am Bildschirm (34) dargestellt, – eine charakteristische Größe (16) des Objekts (12b, 2) wird ermittelt, – ein Bereich (70) des Körperteils (12a, 4), an dem das Objekt (12b, 2) angepasst werden soll, wird ausgewählt, – eine charakteristische Größe (16) des Körperteils (12a, 4) wird ermittelt, – das Objekt (12b, 2) wird unter Nutzung der charakteristischen Größe 16 am Körperteil (12a, 4) automatisch grobjustiert, – ein Passmaß (55) für die Anpassung zwischen Körperteil (12a, 4) und Objekt (12b, 2) wird ermittelt, – unter Benutzung der räumlichen Ansicht des Körperteils (12a, 4) wird das Objekt (12b, 2) automatisch so lange relativ zum Körperteil (12a, 4) feinjustiert, bis das Passmaß 55 einen gewünschten Schwellwert erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die räumliche Ansicht aus einem 3D-Bilddatensatz (10) des Körperteils (12a, 4) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Körperteil (12a, 4) im 3D-Bilddatensatz (10) segmentiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als räumliche Ansicht mindestens zwei verschiedene Ansichten des Körperteils (12a, 4) am Bildschirm (34) dargestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Objekt (12b, 2) ein Implantat oder eine Prothese ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Implantat oder die Prothese an die Kontur eines aus Objekt (12b, 2) und/oder Körperteil (12a, 4) reponierten Gesamtobjekts angeschmiegt wird, in dem es entweder dementsprechend hergestellt oder vor der Anschmiegung entsprechend verformt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Körperteil (12a, 4) fragmentiert ist, beidem das Objekt (12b, 2) ein Fragment des Körperteils (12a, 4) ist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem eine virtuelle Frakturumgebung bzw. ein Strukturrahmen für die Reponierung von Frakturtrümmern geschaffen wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Fragment (12a,b) zu reponieren ist, bei dem ein Muster (24) des Körperteils (12a, 4) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei im Patienten ein dem ersten Körperteil (4) ähnliches zweites Körperteil (14) existiert, bei dem als Muster (24) das zweite Körperteil (14) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem – das Objekt (12b, 2) am zweiten Körperteil (14) angepasst wird, – das Objekt (12b, 2) mit gleicher Anpassung am ersten Körperteil (12a, 4) angelegt wird, – das erste Körperteil (12a, 4) am Objekt (12b, 2) reponiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem als Muster (24) ein Körperteil (30a–c) aus einer Musterdatenbank (28) entnommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei dem das Muster (24) durch Spiegelung, Skalierung, Inter- oder Extrapolation erstellt oder modifiziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die räumliche Ansicht des Körperteils (12a, 4) oder Objekts (12b, 2) am Bildschirm variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem – das Abbild des Objekts (12b, 2) als 2D-Bild bildschirmparallel angeordnet wird, – die Anpassung durch räumliche Drehung der Ansicht des Körperteils (12a, 4) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Feinjustierung des Objekts (12b, 2) nur anhand von mit der aktuellen Ansicht des Körperteils (12a, 4) gekoppelten Freiheitsgraden durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Objekt (12b, 2) zur Anpassung alternierend um eine seiner charakteristischen Achsen (52a–d) gedreht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei 2D-Daten des Objekts (12b, 2) vorliegen, bei dem aus den 2D-Daten durch Vorwissen über das Objekt 3D-Daten (10) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Passmaß (55) die Korrelation von Körperteil (12a, 4) und Objekt (12b, 2) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem 3D-gerenderte Darstellungen von Körperteil (12a, 4) und Objekt (12b, 2) am Bildschirm (34) angezeigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem gemäß einem Messwertkriterium aus dem jeweiligen 3D-Bilddatensatz (10) ausgewählte Ansichten von Körperteil (12a, 4) und Objekt (12b, 2) am Bildschirm (34) angezeigt werden.