DE102012207261A1

DE102012207261A1 - Chirurgisches Hilfsmittel

Info

Publication number: DE102012207261A1
Application number: DE102012207261A
Authority: DE
Inventors: Rainer Graumann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2012-05-02
Filing date: 2012-05-02
Publication date: 2013-11-07
Also published as: US20130293535A1; US9727998B2

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur räumlichen Rekonstruktion eines in einem 2D-Röntgenbild abgebildeten chirurgischen Hilfsmittels.

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Medizintechnik und betrifft insbesondere einen Ansatz, um chirurgische Hilfsmittel, hinsichtlich ihrer Ausrichtung und Lage bei einem medizinischen Eingriff zu lokalisieren.
Ein Kirschnerdraht, auch K-Draht genannt, wird beispielsweise bei chirurgischen Eingriffen am Patienten verwendet. Der K-Draht findet dabei sehr häufig zu einer temporären Fixierung oder als Führungsdraht für nachfolgende Fixierungstätigkeiten Anwendung. Hierzu ist es für die Arbeit eines Chirurgen hilfreich, Navigationsunterstützung für geplante Arbeitsschritte zu erhalten. Dies bedeutet z.B., dass die Position und die Orientierung von medizinischen Hilfsmitteln ermittelt werden müssen. Zur Ermittlung der Position des K-Drahtes können an diesen sternförmig ausgeprägte Orientierungselemente angebracht und diese mittels eines Röntgen- und/oder eines optischen Navigationssystems im Raum erkannt werden. Bei der Auswertung der Röntgenbilder mit den abgebildeten sternförmigen Orientierungselementen ist eine punktuelle Orientierung des K-Drahtes außerhalb eines Eingriffsgebietes möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein chirurgisches Hilfsmittel derart auszugestalten, dass dessen Lage im Raum bestimmbar ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patenanspruchs 1 oder 9 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Vorrichtung und das Verfahren zur räumlichen Rekonstruktion eines in einem 2D-Röntgenbild abgebildeten chirurgischen Hilfsmittels ist derart ausgebildet, dass das chirurgische Hilfsmittel mindestens ein erstes Element mit einem ersten Röntgenschwächungskoeffizienten aufweist und ein Rekonstruktionsmodul vorgesehen ist, womit die 2D-Abbildung des mindestens einen Elementes im Röntgenbild segmentiert und nach Ermittlung der räumliche Anordnung der 2D-Abbildung des mindestens einen Elementes eine räumliche Rekonstruktion des mindestens einen Elementes durchgeführt wird.
Das chirurgische Hilfsmittel, insbesondere ein K-Draht, ist erfindungsgemäß derart ausgestaltet, dass dieses mindestens eine längliche zylindrische Teilkomponente mit einem Röntgenschwächungskoeffizienten aufweist.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass eine räumliche Orientierung eines K-Drahtes aus einer 2D-Röntgenaufnahme ableitbar ist.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass eine räumliche Zuordnung zwischen einem K-Draht und einem Implantat ermittelbar ist.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass mittels des K-Drahtes eine Bestimmung eines 3D-Maßstabes ermöglicht wird.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass eine 3D-Rekonstruktion von verformten K-Drähten möglich ist.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass eine den K-Draht prägende Stabilität nicht beeinträchtigt wird.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass dieser bei minimal-invasiven Operationen einsetzbar ist.
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein chirurgisches Hilfsmittel,
2 eine schematische Darstellung,
3 ein Ablaufdiagramm und
4 eine weitere schematische Darstellung.
Mit der nachfolgend beschriebenen Vorrichtung und dem dazugehörigen Verfahren wird eine räumliche Rekonstruktion eines in einem 2D-Röntgenbild abgebildeten chirurgischen Hilfsmittels ermöglicht.
1 zeigt eine Ausgestaltung eines chirurgischen Hilfsmittels CH. In dieser schematischen Darstellung ist das chirurgische Hilfsmittel CH in Ausgestaltung eines K-Drahtes abgebildet. Dieser K-Draht kann in unterschiedlicher Länge und mit unterschiedlichen Durchmessern ausgebildet sein. Der hier abgebildete K-Draht CH weist mindestens ein Element K1, K2, MK auf. In der gezeigten Figur ist ein Ausführungsbeispiel mit einer Mehrzahl von Elementen gezeigt. Diese Elemente können hintereinander angeordnete erste und zweite Elemente K1, K2 sowie ein weiteres Element in Form eines die ersten und zweiten Elemente umhüllenden Mantels MK sein. Diese ersten und zweiten Elemente, nachfolgend als erster und zweiter Kern K1, K2 bezeichnet, kann unterschiedliche Durchmesser und unterschiedliche Längen aufweisen. Die Daten zu den einzelnen Kernen der K-Drähte liegen einer hier nicht explizit gezeigten Recheneinheit RE in zugänglichen Tabellen vor oder können mittels einer dem K-Draht zugeordneten Codierung erfasst werden. Die Codierung kann dem betreffenden Kern, z.B. durch eine Perforation, beigefügt oder in einem Kalibrierschritt vor einem Einsatz ermittelt werden. Die ersten und zweiten Kerne K1, K2 ergeben aneinandergereiht den Kern des K-Drahtes. Der erste Kern K1 weist ein erstes Material mit einem ersten Röntgenschwächungskoeffizient R1 und der zweite Kern K2 weist ein zweites Material mit einem zweiten Röntgenschwächungskoeffizient R2 auf. Umhüllt sind die aneinander auf einer Mittelachse MCH gereihten ersten und zweiten Kerne K1 und K2 mit einer beispielsweise zylindrisch ausgebildeten Hülle bzw. Mantel MK. Die Hülle bzw. der Mantel MK ist aus einem einen dritten Röntgenschwächungskoeffizient R3 aufweisenden homogenen Material gebildet. Der dritte Röntgenschwächungskoeffizient R3 des Mantels MK kann dem des ersten oder zweiten Röntgenschwächungskoeffizienten R1, R2 entsprechen. Die beispielsweise zylindrisch ausgebildeten ersten und zweiten Kerne K1, K2 weisen jeweils eine definierte erste und zweite Länge S1, S2 sowie einen definierten ersten und zweiten Durchmesser D1, D2 auf. Die ersten und zweiten Kerne können auf der Mittelachse MCH liegend mehrfach direkt hintereinander oder mit einem definierten Abstand innerhalb des Mantels MK angeordnet sein. Die Mittelachsen MK1, MK2 der ersten und zweiten Kerne liegen definiert zur Mittelachse MCH des K-Drahtes. Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegen die Mittelachsen MK1, MK2 der ersten und zweiten Kerne K1, K2 auf der Mittelachse MCH des K-Drahtes. In einem Röntgenbild RB sind die unterschiedlichen Kerne K1, K2 und evtl. auch der Mantel MK des chirurgischen Hilfsmittels CH durch ihre unterschiedlichen Röntgenschwächungskoeffizienten mit markanten Grauwerten abgebildet.
2 gibt eine schematische Darstellung einer Röntgenanlage wieder. Auf einem Detektor DE ist ein Objekt O platziert. In dieses Objekt O ist ein K-Draht eingeführt. Bei einer Röntgenaufnahme durchdringen die von der Röntgenquelle RQ der Röntgenanlage ausgehenden Röntgenstrahlen RS das Objekt O und den K-Draht. Das aus dem Detektor DE auslesbare digitale Röntgenbild RB weist markante Grauwertabbildungen der Kerne K1´, K2´ und des Mantels MK´ des K-Drahtes CH sowie hier nicht explizit dargestellte weitere Grauwerte des Objektes O auf.
In 3 ist ein Ablaufdiagramm eines Rekonstruktionsalgorithmus innerhalb eines Rekonstruktionsmoduls RA zur virtuellen Nachbildung des K-Drahtes CH anhand seiner Grauwertabbildungen in einem digitalen Röntgenbild RB gezeigt. Die durchzuführenden Verfahrensschritte werden mit einem Segmentierungsmodul SEG zur Segmentierung der in dem Röntgenbild RB abgebildeten ersten und zweiten Kerne K1´, K2´ sowie des Mantels MK´, einem Abstandsermittlungsmodul ABER zur Errechnung von Abständen ABn von nachzubildenden Kernen K1, K2 oder des Mantels MK von der Detektoroberfläche DE, einem Kernrekonstruktionsmodul KR zur räumlichen Rekonstruktion der Kerne K1´´, K2´´ und einem Umhüllungsmodul UM zur räumlichen Rekonstruktion des Mantels MK´´ um die Nachbildungen der Kerne K1´´, K2´´ durchgeführt. Die Rechenprozesse der einzelnen Verfahrensabschnitte, in den aufgeführten Modulen SEG, ABER, KR sowie UM werden wie zuvor beschrieben, in einer der jeweiligen medizinischen Einheit beigestellten Recheneinheit RE durchgeführt. Abgebildet wird die errechnete räumliche Rekonstruktion des K-Drahtes auf einem dem medizinischen Gerät beigeordneten Bildschirm.
In 4 sind skizzenhaft Konstruktionslinien für eine virtuelle 3D-Rekonstruktion des K-Drahtes CH anhand der Grauwertabbildungen des K-Drahtes CH´ in einem digitalen Röntgenbild RB wiedergegeben. Abgebildet ist der im Röntgenbild RB wiedergegebene K-Draht CH´ und die 3D-Rekonstruktion des K-Drahtes CH´´. In einem ersten Schritt werden die flächigen Abbildungen der ersten und zweiten Kerne K1´, K2´ sowie des Mantels MK´ in dem digital Röntgenbild RB mittels der dem Segmentierungsmoduls zugeordneten Rechenoperationen segmentiert. Zur Ermittlung der räumlichen Anordnung der nachzubildenden Kerne Kn´´ werden in einem zweiten Schritt zu einer selektierten 2D-Abbildung eines Kerns Kn´ oder Mantels MK´ eine Vielzahl von partiellen Abständen ABn von der Detektoroberfläche DE beziehungsweise des digitalen Röntgenbildes RB errechnet. Zur Errechnung der Abstände ABn wird auf die Gesetzmäßigkeiten der Strahlengeometrie zurückgegriffen. Ermittelt wird der Abstand mittels des Strahlensatzes anhand des jeweiligen Durchmessers Dn eines Kerns Kn, der Breite der 2D-Abbildung des jeweiligen Kerns Kn´ im Röntgenbild sowie des Abstandes zwischen Röntgenquelle RQ und Detektor DE. Zur Ermittlung des Abstandes zwischen Röntgenquell RQ und Detektor DE müssen die Koordinaten von Röntgenstrahleintrittspunkten REn in die Detektorebene ermittelt werden. Die Röntgenstrahleintrittspunkte REn bilden die Endpunkte der Röntgenstrahlen RS die ihren Ausgangspunkt in der Röntgenquelle RQ haben. Die Röntgenstrahleintrittspunkte REn befinden sich unmittelbar am Rand der jeweiligen 2D-Abbildung der Kerne Kn´ oder des Mantels MK´. Zur Ermittlung der Röntgenstrahleintrittspunkte REn werden auf den Mittellinien MLKn´, MLMK´ der einzelnen selektierten 2D-Abbildungen von den Kernen Kn´ und dem Mantel MK´ Senkrechte SRn errichtet. Ausgehend von einer x, y Koordinate auf der Mittellinie MLKn´, MLMK´ des abgebildeten Kerns Kn´ wird eine erste und zweite Senkrechte SR1, SR2 zu beiden Seiten der jeweiligen Mittellinie MLKn´ errichtet. Die Koordinaten der Röntgenstrahleintrittspunkte REn sind durch die Koordinaten der Randpunkte der selektierten Fläche des Kerns Kn´ oder Mantels MK´ gegeben. Die Koordinaten des Ausgangspunktes für die Röntgenstrahlen der Röntgenquelle RQ sind bekannt. Bekannt sind somit die Röntgenstrahllänge RSL, die Länge der ersten und zweiten Senkrechten SR1, SR2 sowie der Durchmesser Dn des jeweils betrachteten Kerns Kn oder Mantels MK. Mittels des Strahlensatzes kann der Abstand des abgebildeten Kerns Kn von der Detektoroberfläche, bzw. von dem Röntgenbild RB bestimmt werden. Zusätzlich zur Entfernung zwischen Röntgenquelle RQ und Detektor DE liegen einer hier nicht näher dargestellten Recheneinheit auch die Parameterwerte für Belichtungszeit und Blendeneinstellung für die aktuelle Auswertung des Röntgenbildes RB vor. Nach Abschluss der Rechenprozesse des zweiten Schrittes liegt eine in den Raum projizierte 2D-Abbildung des Kerns Kn´ vor. Dieser Vorgang wird mit den weiteren selektierten 2D-Abbildungen wiederholt. Durchgeführt werden diese Operationen mittels des Abstandsermittlungsmoduls ABER.
In einem dritten Schritt werden die Rechenoperrationen für die Rekonstruktion der Kerne in dem Kernrekonstruktionsmodul KR durchgeführt. Mit Rechenprozessen des im Kernrekonstruktionsmodul KR angeordneten Kernrekonstruktionsalgorithmus werden die Daten des jeweiligen Kerns Kn und Mantels MK auf die Lange und Ausrichtung der in den Raum projizierten 2D-Abbildung des Kerns Kn´´ umgesetzt. Die Rechenprozesse des Kernrekonstruktionsalgorithmus werden für jede in den Raum projizierte 2D-Abbildung eines Kerns K´ durchgeführt. Nach Abschluss der Rechenprozesse liegen virtuelle 3D-Nachbildungen K´´ der selektierten 2D-Abbildungen der Kerne K´ vor.
Die einzelnen virtuellen Nachbildungen der Kerne Kn werden in einem abschließenden vierten Schritt mit einem Mantel MK´´ umgeben. Dieser virtuelle Mantel MK´´ wird mit Rechenoperationen eines in dem Umhüllungsmodul UM zugeordneten Umhüllungsalgorithmus durchgeführt. Die Daten hierzu liegen dem Umhüllungsalgorithmus vor.
Nach Abschluss des abschließenden Verarbeitungsschrittes liegt ein 3D-Datensatz der virtuellen Nachbildung des K-Drahtes bzw. des chirurgischen Hilfsmittels CH vor.
Ist beispielsweise ein 3D-Datenvolumensatz vor dem Eingriff vom Behandlungsraum beim Patienten erstellt worden, so kann anhand der bekannten Koordinaten des 3D-Datenvolumensatzes die virtuelle Nachbildung des K-Drahtes CH in diesem eingeblendet werden. Anhand der beiden Datensätze können Zielkoordinaten sowie eine dazugehörige Ausrichtung des K-Drahtes ermittelt werden.
Die räumliche Rekonstruktion des gesamten K-Drahtes kann beispielsweise zu einem ebenfalls eingeblendeten oder rekonstruierten Implantat in einem Datenvolumensatz abgebildet werden.
Bezugszeichenliste

CH

chirurgisches Hilfsmittel, K-Draht

MK

Mantel/Hülle des K-Drahtes

R1

erster Röntgenschwächungskoeffizient

R2

zweiter Röntgenschwächungskoeffizient

R3

dritter Röntgenschwächungskoeffizient

S1

erste Länge

S2

zweite Länge

D1

erster Durchmesser

D2

zweiter Durchmesser

MK´

Röntgenbild des K-Drahtmantels

MK´´

virtuelles Nachbildung des K-Drahtmantels

K1

erster Kern/erstes Element

K1´

Röntgenabbildung des ersten Kerns, 2D Abbildung des ersten Kerns

K1´´

virtuelle Nachbildung des ersten Kerns

K2

zweiter Kern/zweites Element

K2´

Röntgenabbildung des zweiten Kerns, 2D-Abbildung des zweiten Kerns

K2´´

virtuelle Nachbildung des zweiten Kerns

MCH

Mittelachse K-Draht

MK1

Mittelachse erster Kern

MK2

Mittelachse zweiter Kern

RE1, ..., REn

Röntgenstrahleintrittspunkte

O

Objekt

VRQ

virtuelle Röntgenquelle

RS

Röntgenstrahlen

CH´

Röntgenbild des chirurgischen Hilfsmittels

CH´´

virtuelle Rekonstruktion des chirurgischen Hilfsmittels

VRS

virtueller Röntgenstrahl

ABn

partieller Abstand

RB

Röntgenbild, digitales Röntgenbild

RQ

Röntgenquelle

DE

Detektor

AB

partieller Abstand

MLMK´

Mittellinie des abgebildeten Mantels

MLKn´

Mittellinie des abgebildeten Kerns

SRn

Senkrechte

RA

Rekonstruktionsmodul

SEG

Segmentierungsmodul

ABER

Abstandsermittlungsmodul

KR

Kernrekonstruktionsmodul

UM

Umhüllungsmodul

Claims

Vorrichtung zur räumlichen Rekonstruktion eines in einem 2D-Röntgenbild (RB) abgebildeten chirurgischen Hilfsmittels (CH), wobei das chirurgische Hilfsmittel (CH) mindestens ein erstes Element (K1, K2, MK) mit einem ersten Röntgenschwächungskoeffizienten (R1) aufweist, dass ein Rekonstruktionsmodul (RA) vorgesehen ist, womit die 2D-Abbildung des mindestens einen Elementes (K1, K2, MK) im Röntgenbild (RB) segmentiert und nach Ermittlung der räumliche Anordnung der 2D-Abbildung des mindestens einen Elementes (K1, K2, MK) eine räumliche Rekonstruktion des mindestens einen Elementes (K1, K2, MK) durchgeführt wird.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekonstruktionsmodul (RA) ein Abstandsermittlungsmodul (ABER) zur Ermittlung von Koordinaten von Röntgenstrahleintrittspunkten (RE1, ..., REn) am Rand der aus dem Röntgenbild (RB) extrahierten 2D-Abbildung von dem mindestens einen Element (K1, K2, MK) des chirurgischen Hilfsmittels (CH) aufweist und ausgehend von den Koordinaten der Röntgenstrahleintrittspunkte (RE1, ..., REn) die räumliche Lage der extrahierten 2D-Abbildung des mindestens einen Elementes (K1, K2, MK) errechnet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekonstruktionsmodul (RA) ein Kernrekonstruktionsmodul (KR) zur virtuellen Rekonstruktion von dem mindestens einem Element (K1, K2, MK) auf der Grundlage von dessen Konstruktionsdaten und der räumlichen Anordnung der 2D-Abbildung des im Röntgenbild abgebildeten mindestens einen Elementes (K1, K2, MK) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekonstruktionsmodul (RA) ein Umhüllungsmodul (UM) zur virtuellen Umhüllung des mindestens einen virtuell rekonstruierten ersten Elementes (K1, K2) anhand der vorliegenden Daten des Mantels (MK) des chirurgischen Hilfsmittels (CH) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das chirurgische Hilfsmittel (CH) ein Kirschner Draht ist, dass ein Element ein erster Kern (K1) mit einer ersten Länge (S1) und ein weiteres Element ein zweiter Kern (K2) mit einer zweiten Länge (S2) ist, das der erste Kern (K1) einen ersten Durchmesser (D1) und der zweite Kern (K2) einen zweiten Durchmesser (D2) aufweist und der erste Kern (K1) und der zweite Kern (K2) von einem Mantel (MK) umgeben ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von mindestens ersten und zweiten Kernen (K1, K2) auf einer Mittelachse (MCH) des chirurgischen Hilfsmittels (CH) aneinandergereiht angeordnet sind und die ersten und zweiten Kerne (K1, K2) sowie der Mantel (MK) eine zylinderförmige homogene Struktur aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Kerne (K1, K2) jeweils einen definierten Abstand zueinander haben.
Verfahren zur räumlichen Rekonstruktion eines in einem 2D-Röntgenbild (RB) abgebildeten chirurgischen Hilfsmittels (CH), wobei das chirurgische Hilfsmittel (CH) mindestens ein erstes Element (K1, K2, MK) mit einem ersten Röntgenschwächungskoeffizienten (R1) aufweist und die 2D-Abbildung des mindestens einen Elementes (K1, K2, MK) im Röntgenbild (RB) segmentiert und nach Ermittlung der räumlichen Anordnung der 2D-Abbildung des mindestens einen Elementes (K1, K2, MK) eine räumliche Rekonstruktion des mindestens einen Elementes (K1, K2, MK) durchgeführt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordinaten von Röntgenstrahleintrittspunkten (RE1, ..., REn) am Rand der aus dem Röntgenbild (RB) extrahierten 2D-Abbildungen von dem mindestens einen Element (K1, K2, MK) des chirurgischen Hilfsmittels (CH) ermittelt und ausgehend von den Koordinaten der Röntgenstrahleintrittspunkte (RE1, ..., REn) die räumliche Lage der extrahierten 2D-Abbildung des mindestens einen Elementes (K1, K2, MK) errechnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine virtuelle räumliche Rekonstruktion von dem mindestens einen Element (K1, K2, MK) auf der Grundlage von dessen Konstruktionsdaten und der räumlichen Anordnung der 2D-Abbildung des mindestens ersten Elementes (K1, K2, MK) durchgeführt wird.