Title:
3D-Visualisierung während Chirurgie mit verringerter Strahlenbelastung
Kind Code:
T5


Abstract:

Ein System und Verfahren zur Umwandlung intraoperativer 2D-C-Arm-Bilder in eine 3D-Darstellung der Position und Orientierung von chirurgischen Instrumenten relativ zur Anatomie des Patienten wird bereitgestellt. embedded image




Inventors:
Finley, Eric, Calif. (San Diego, US)
Application Number:
DE112016005720T
Publication Date:
09/13/2018
Filing Date:
12/14/2016
Assignee:
NUVASIVE, INC. (Calif., San Diego, US)
International Classes:



Attorney, Agent or Firm:
GRUND Intellectual Property Group Patentanwalt und Solicitor PartG mbB, 80802, München, DE
Claims:
Ein Verfahren zur Erzeugung einer dreidimensionalen Anzeige der inneren Anatomie eines Patienten in einem Operationsfeld während eines medizinischen Verfahrens, umfassend:
a) Importieren eines dreidimensionalen Basisbildes eines Operationsfeldes in eine digitale Speichereinheit einer Verarbeitungsvorrichtung;
b) Umwandeln des Basisbildes in eine DRR-Bibliothek;
c) Erfassen, durch eine Bildgebungsvorrichtung in einer ersten Position, eines ersten Registrierungsbildes einer strahlungsundurchlässigen Markierung, die sich im Operationsfeld befindet;
e) Erfassen, durch die Bildgebungsvorrichtung in einer zweiten Position, eines zweiten Registrierungsbildes der strahlungsundurchlässigen Markierung;
f) Kartieren des ersten Registrierungsbildes und des zweiten Registrierungsbildes auf die DRR-Bibliothek;
g) Berechnen einer Position der Bildgebungsvorrichtung relativ zum Basisbild durch Triangulation des ersten Registrierungsbildes und des zweiten Registrierungsbildes; und
h) Anzeigen einer 3D-Darstellung der strahlungsundurchlässigen Markierung auf dem Basisbild.

Das Verfahren aus Anspruch 1, weiter umfassend:
a) Erfassen eines ersten intraoperativen Bildes der strahlungsundurchlässigen Markierung durch die Bildgebungsvorrichtung in der ersten Position;
b) Erfassen eines zweiten intraoperativen Bildes der strahlungsundurchlässigen Markierung durch die Bildgebungsvorrichtung in der zweiten Position;
c) Skalieren des ersten intraoperativen Bildes und des zweiten intraoperativen Bildes;
d) Kartieren des skalierten ersten intraoperativen Bildes und des skalierten zweiten intraoperativen Bildes durch Triangulation auf das Basisbild;
e) Anzeigen einer intraoperativen 3D-Darstellung der strahlungsundurchlässigen Markierung auf dem Basisbild.

Das Verfahren aus Anspruch 2, wobei das erste intraoperative Bild und das zweite intraoperative Bild bei einer Strahlungsbelastung mit niedriger Dosis aufgenommen werden.

Das Verfahren aus irgendeinem der Ansprüche 1-3, wobei das Basisbild ein CT-Scan ist.

Das Verfahren aus irgendeinem der Ansprüche 1-4, wobei die Bildgebungsvorrichtung ein C-Arm ist.

Das Verfahren aus irgendeinem der Ansprüche 1-5, wobei die strahlungsundurchlässige Markierung eine bekannte Geometrie hat.

Das Verfahren aus irgendeinem der Ansprüche 1-6, wobei die strahlungsundurchlässige Markierung eines von einer Pedikelsonde, einer Ahle, einem Gewindebohrer, einer Pedikelschraube oder einem K-Draht mit einer Markierung ist.

Das Verfahren aus irgendeinem der Ansprüche 1-7, weiter umfassend Messen eines Ortes der ersten Position der Bildgebungsvorrichtung und eines Ortes der zweiten Position der Bildgebungsvorrichtung und Aufnehmen jener Positionsmessungen in die Speichereinheit der Verarbeitungsvorrichtung.

Das Verfahren aus Anspruch 8, wobei der C-Arm automatisch in eines der ersten Position oder der zweiten Position gedreht wird, basierend auf den in der digitalen Speichereinheit gespeicherten Positionsmessungen.

Das Verfahren aus irgendeinem der Ansprüche 1-9, weiter umfassend Messen eines ersten Rotationswinkels des C-Arms an der ersten Position und eines zweiten Rotationswinkels des C-Arms an der zweiten Position und Aufnehmen jener Rotationswinkelmessungen in die Speichereinheit der Verarbeitungsvorrichtung.

Das Verfahren aus Anspruch 10, wobei der C-Arm automatisch in eines des ersten Rotationswinkels oder des zweiten Rotationswinkels gedreht wird, basierend auf den in der digitalen Speichereinheit gespeicherten Rotationswinkelmessungen.

Das Verfahren aus irgendeinem der Ansprüche 1-11, weiter umfassend Heraufladen eines vorbestimmten Satzes von Messungen der strahlungsundurchlässigen Markierung und in die digitale Speichereinheit der Verarbeitungsvorrichtung.

Das Verfahren aus irgendeinem der Ansprüche 1-11, weiter umfassend Bestimmen eines Satzes von geometrischen Messungen der strahlungsundurchlässigen Markierung und Speichern jener Messungen in der digitalen Speichereinheit der Verarbeitungsvorrichtung.

Ein Verfahren zur Erzeugung einer dreidimensionalen Anzeige der inneren Anatomie eines Patienten in einem Operationsfeld während eines medizinischen Verfahrens, umfassend:
a) Importieren eines dreidimensionalen Basisbildes eines Operationsfeldes in eine digitale Speichereinheit einer Verarbeitungsvorrichtung, wobei das Basisbild ein CT-Scan ist;
b) Umwandeln des Basisbildes in eine DRR-Bibliothek;
c) Erfassen, durch eine Bildgebungsvorrichtung in einer ersten Position, eines ersten Registrierungsbildes einer strahlungsundurchlässigen Markierung, die sich im Operationsfeld befindet, wobei die Bildgebungsvorrichtung ein C-Arm ist und wobei die strahlungsundurchlässige Markierung eine bekannte Geometrie hat;
e) Erfassen, durch die Bildgebungsvorrichtung in einer zweiten Position, eines zweiten Registrierungsbildes der strahlungsundurchlässigen Markierung;
f) Kartieren des ersten Registrierungsbildes und des zweiten Registrierungsbildes auf die DRR-Bibliothek;
g) Berechnen einer Position der Bildgebungsvorrichtung relativ zum Basisbild durch Triangulation des ersten Registrierungsbildes und des zweiten Registrierungsbildes;
h) Anzeigen einer 3D-Darstellung der strahlungsundurchlässigen Markierung auf dem Basisbild;
i) Erfassen eines ersten intraoperativen Bildes der strahlungsundurchlässigen Markierung durch die Bildgebungsvorrichtung in der ersten Position;
j) Erfassen eines zweiten intraoperativen Bildes der strahlungsundurchlässigen Markierung durch die Bildgebungsvorrichtung in der zweiten Position;
k) Skalieren des ersten intraoperativen Bildes und des zweiten intraoperativen Bildes basierend auf der bekannten Geometrie der strahlungsundurchlässigen Markierung;
l) Kartieren des skalierten ersten intraoperativen Bildes und des skalierten zweiten intraoperativen Bildes durch Triangulation auf das Basisbild; und
m) Anzeigen einer intraoperativen 3D-Darstellung der strahlungsundurchlässigen Markierung auf dem Basisbild.

Description:
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN

Diese Anmeldung ist eine nicht-vorläufige und beansprucht die Priorität der vorläufigen U.S.-Anmeldung Nr. 62/266,888, eingereicht am 14. Dezember 2015, und der vorläufigen U.S.-Anmeldung Nr. 62/307,942, eingereicht am 14. März 2016, deren gesamte Offenbarung hierin durch Verweis eingegliedert ist.

HINTERGRUNDGEBIET DER OFFENBARUNG

Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein das Gebiet der medizinischen Vorrichtungen, genauer das Gebiet der Wirbelsäulenchirurgie und Systeme und Verfahren zur Darstellung echtzeitnaher intraoperativer 3D-Bilder chirurgischer Werkzeuge in einem Operationsfeld.

HINTERGRUND

Die vorliegende Erfindung erwägt ein System und ein Verfahren zum Ändern der Art und Weise, wie ein Patientenbild, beispielsweise durch Röntgenstrahlen, erhalten und betrachtet wird. Insbesondere stellen das erfinderische System und Verfahren Mittel zum Verringern der Gesamtstrahlung bereit, der ein Patient während eines chirurgischen Verfahrens ausgesetzt ist, ohne jedoch die Qualität oder Auflösung des Bildes, das dem Chirurgen oder einem anderen Benutzer angezeigt wird, wesentlich zu opfern.

Viele chirurgische Verfahren erfordern ein Bild der inneren Körperstruktur, wie Organe und Knochen, des Patienten. Bei einigen Verfahren wird die Operation mit Hilfe von periodischen Bildern der Operationsstelle durchgeführt. Operation kann im weitesten Sinne jede invasive Untersuchung oder Eingriff bedeuten, die von medizinischem Personal, wie Chirurgen, interventionellen Radiologen, Kardiologen, Schmerztherapeuten und dergleichen durchgeführt wird. Bei Operationen, Verfahren und Eingriffen, die faktisch durch eine serielle Bildgebung gesteuert werden, hierin als bildgesteuert bezeichnet, sind häufige Patientenaufnahmen erforderlich, damit der Arzt chirurgische Instrumente wie Katheter, Nadeln, Instrumente oder Implantate richtig platzieren und bestimmte medizinische Verfahren durchführen kann. Fluoroskopie, oder Fluoro, ist eine Form des intraoperativen Röntgens und wird von einer Fluoroskopie-Einheit, auch bekannt als ein C-Arm, aufgenommen. Der C-Arm sendet Röntgenstrahlen durch einen Patienten und nimmt ein Bild der Anatomie in jenem Bereich auf, wie etwa der Skelett- und Gefäßstruktur. Es ist, wie jedes Bild, ein zweidimensionales (2D) Bild eines dreidimensionalen (3D) Raums. Wie bei jedem mit einer Kamera aufgenommenen Bild kann jedoch wichtige 3D-Information in dem 2D-Bild vorhanden sein, basierend darauf, was vor was steht und wie groß ein Ding relativ zu einem anderen ist.

Eine digital rekonstruierte Radiographie (DRR) ist eine digitale Darstellung eines Röntgens, das durch Aufnahme eines CT-Scans eines Patienten und Simulation von Röntgenaufnahmen aus verschiedenen Winkeln und Entfernungen erstellt wurde. Das Ergebnis ist, dass jede mögliche Röntgenaufnahme, die von diesem Patienten genommen werden kann, beispielsweise durch ein C-Arm-Fluoroskop, simuliert werden kann, was einzigartig und spezifisch ist im Hinblick darauf, wie die anatomischen Merkmale des Patienten relativ zueinander stehen. Da die „Szene“ kontrolliert wird, nämlich durch Kontrolle des virtuellen Orts eines C-Arms zum Patienten und des Winkels relativ zueinander, kann ein Bild erzeugt werden, das wie jedes von einem C-Arm im Operationssaal (OP) aufgenommene Röntgen aussehen sollte.

Bei vielen bildgebenden Verfahren, wie etwa der Aufnahme von Fluoroskopiebildern, wird der Patient Strahlung ausgesetzt, wenn auch in kleinen Dosen. Bei diesen bildgesteuerten Verfahren summiert sich jedoch die Anzahl der kleinen Dosen, so dass die gesamte Strahlenbelastung nicht nur für den Patienten, sondern auch für den Chirurgen oder Radiologen und andere, die am chirurgischen Eingriff teilnehmen, nachteilig sein kann. Es gibt verschiedene bekannte Möglichkeiten, die Menge an Strahlenbelastung für einen Patienten/Chirurgen zu verringern, wenn ein Bild aufgenommen wird, aber diese Ansätze gehen auf Kosten der Verringerung der Auflösung des erhaltenen Bildes. Zum Beispiel verwenden bestimmte Ansätze gepulste Bildgebung im Gegensatz zur Standardbildgebung, während andere Ansätze die manuelle Änderung der Belichtungszeit oder -intensität beinhalten. Die Verengung des Sichtfelds kann möglicherweise auch den Bereich der Strahlenbelastung und deren Quantität verringern (sowie das Ausmaß der „Streuung“ der Strahlung verändern), aber wiederum auf Kosten der Verringerung der dem Chirurgen bei einer medizinischen Entscheidung zur Verfügung stehenden Information. Kollimatoren sind verfügbar, die den Bereich der Belichtung spezifisch auf eine auswählbare Region reduzieren können. Da jedoch der Kollimator bestimmte Bereiche des Patienten von Aussetzung gegenüber Röntgenstrahlen spezifisch ausschließt, ist in diesen Bereichen kein Bild verfügbar. Das medizinische Personal hat somit eine unvollständige Sicht auf den Patienten, beschränkt auf das spezifisch ausgewählte Gebiet. Ferner werden Bilder, die während eines chirurgischen Eingriffs aufgenommen wurden, oft entweder durch externe OP-Geräte oder die tatsächlichen Instrumente/Implantate, die zur Durchführung des Eingriffs verwendet werden, blockiert.

Bestimmte Wirbelsäulenchirurgieverfahren sind bildgesteuert. Zum Beispiel ist es während eines Wirbelsäulenverfahrens, das die Platzierung von Pedikelschrauben beinhaltet, für den Chirurgen notwendig, die Knochenanatomie und die relativen Positionen und Orientierungen von chirurgischen Instrumenten und Implantaten bezüglich dieser Anatomie periodisch zu visualisieren, wenn eine Schraube in den Pedikel eingeführt wird Stiel. C-Arm-Fluoroskopie ist derzeit das gebräuchlichste Mittel zur Bereitstellung dieser intraoperativen Bildgebung. Weil C-Arm-Fluoroskopie eine 2D-Ansicht der 3D-Anatomie liefert, muss der Chirurg eine oder mehrere Ansichten (Aufnahmen) aus verschiedenen Perspektiven interpretieren, um die Position, Orientierung und Tiefe von Instrumenten und Implantaten innerhalb der Anatomie zu bestimmen. Es gibt Mittel, 3D-Bilder der Anatomie eines Patienten aufzunehmen, einschließlich Computertomographie- (CT-) Scans und Magnetresonanzbildgebung (MRI). Diese erfordern im Allgemeinen eine große, komplizierte, teure Ausrüstung und sind üblicherweise nicht im Operationssaal verfügbar. Häufig werden jedoch im Verlauf der Behandlung entweder 3D-CT- und/oder MRI-Bilder der betreffenden Anatomie des Patienten vor der Operation gemacht. Diese präoperativen Bilder können intraoperativ referenziert und mit den zweidimensionalen planaren Fluoroskopiebildern des C-Arms verglichen werden. Dies erlaubt die Visualisierung von Instrumenten und Implantaten in der Anatomie des Patienten in Echtzeit, aber nur aus einer Perspektive gleichzeitig. Im Allgemeinen sind die Ansichten entweder anterior-posterior (A/P) oder lateral und der C-Arm muss zwischen diesen Orientierungen bewegt werden, um die Ansicht zu ändern.

Ein Nachteil der Verwendung von Fluoroskopie in der Chirurgie ist die Belastung von Patient und OP-Personal durch ionisierende Strahlung. Es müssen Maßnahmen ergriffen werden, um diese Belastung zu minimieren, so dass das Personal schützende Bleiabschirmungen und manchmal spezielle Schutzbrillen und -handschuhe tragen muss. Es gibt Einstellungen und Kontrollen am C-Arm (z. B. Puls und niedrige Dosis), die verwendet werden können, um die Menge an erzeugter Strahlung zu minimieren, aber es gibt einen Kompromiss zwischen Bildqualität und erzeugter Strahlung. Es besteht ein Bedarf an einem Bildgebungssystem, das in Verbindung mit medizinischen Standardverfahren verwendet werden kann, das die Strahlenbelastung für den Patienten und das medizinische Personal verringert, ohne jegliche Einbuße in der Genauigkeit und Auflösung eines C-Arm-Bildes. Es besteht auch Bedarf an einem Bildgebungssystem, das dem Chirurgen eine intraoperative 3D-Ansicht der Position und Orientierung von chirurgischen Instrumenten relativ zur Anatomie des Patienten bereitstellt.

ZUSAMMENFASSUNG

Die obigen Bedürfnisse sowie andere werden durch in dieser Offenbarung beschriebene Ausführungsformen eines Systems und eines Verfahrens zum Anzeigen echtzeitnaher intraoperativer Bilder von chirurgischen Instrumenten in einem Operationsfeld adressiert.

Offenbart wird ein Verfahren zum Erzeugen einer dreidimensionalen Darstellung der inneren Anatomie eines Patienten in einem Operationsfeld während eines medizinischen Verfahrens, das die folgenden Schritte umfasst: Importierens eines dreidimensionalen Basisbildes in den digitalen Speicher einer Verarbeitungsvorrichtung, Umwandeln des Basisbildes in eine DRR-Bibliothek, Erfassen von Referenzbildern einer strahlungsundurchlässigen Markierung, der sich innerhalb des Operationsfeldes befindet, aus zwei verschiedenen Positionen, Kartieren der Referenzbilder auf die DRR-Bibliothek, Berechnen der Position des Bildgebungsgeräts relativ zu dem Basisbild durch Triangulation, und Anzeigen einer 3D-Darstellung der strahlungsundurchlässigen Markierung auf dem Basisbild.

Offenbart wird ein weiteres Verfahren zum Erzeugen einer dreidimensionalen Darstellung der inneren Anatomie eines Patienten in einem Operationsfeld während eines medizinischen Verfahrens, das die folgenden Schritte umfasst: Importieren eines dreidimensionalen Basisbildes in den digitalen Speicher einer Verarbeitungsvorrichtung, Umwandeln des Basisbildes in eine DRR-Bibliothek, Erfassen von Referenzbildern einer strahlungsundurchlässigen Markierung bekannter Geometrie im Operationsfeld aus zwei verschiedenen Positionen von einem C-Arm, Kartieren der Referenzbilder auf die DRR-Bibliothek, Berechnen der Position des Bildgebungsgeräts relativ zu dem Basisbild durch Triangulation, und Anzeigen einer 3D-Darstellung der strahlungsundurchlässigen Markierung auf dem Basisbild, Erfassen intraoperativer Bilder der strahlungsundurchlässigen Markierung aus zwei Positionen auf den Referenzbildern, Skalieren der intraoperativen Bilder basierend auf der bekannten Geometrie der strahlungsundurchlässigen Markierung, Kartieren der skalierten intraoperativen Bilder auf das Basisbild durch Triangulation, und Anzeigen einer 3D-Darstellung der strahlungsundurchlässigen Markierung auf dem Basisbild.

Figurenliste

  • 1 ist eine bildliche Ansicht einer bildgesteuerten Operationsumgebung umfassend ein Bildgebungssystem und eine Bildverarbeitungsvorrichtung, sowie eine Verfolgungsvorrichtung.
  • 2A ist ein Bild eines Operationsfeldes, aufgenommen unter Verwendung einer vollen Strahlendosis im Bildgebungssystem.
  • 2B ist ein Bild des in 2A gezeigten Operationsfeldes, in dem das Bild unter Verwendung einer niedrigeren Strahlendosis aufgenommen wurde.
  • 2C ist verschmolzenes Bild des Operationsfeldes, wobei die zwei in 2A-B gezeigten Bilder in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung verschmolzen sind.
  • 3 ist ein Flussdiagramm von durch die in 1 gezeigte Bildverarbeitungsvorrichtung vorgenommenen Grafikverarbeitungsschritten.
  • 4A ist ein Bild eines Operationsfeldes umfassend ein Objekt, das einen Teil der Anatomie blockiert.
  • 4B ist ein Bild des in 4A gezeigten Operationsfeldes mit Kantenschärfung.
  • 4A-4J sind Bilder, die das Operationsfeld von 4B zeigen, unter Anwendung verschiedener Funktionen, um die anatomischen und nichtanatomischen Merkmale im Blickfeld zu bestimmen.
  • 4K-4L sind Bilder einer Maske, die unter Verwendung eines Schwellenwerts und einer Tabellenabfrage erzeugt wurde.
  • 4M-4N sind Bilder der in 4K bzw. 4L gezeigten Masken, nach Dilation und Erosion.
  • 4O-4P sind Bilder hergestellt durch die Anwendung der Masken aus 4M bzw. 4N auf das Filterbild aus FIG. 4B, um die nichtanatomischen Merkmale aus dem Bild zu eliminieren.
  • 5A ist ein Bild eines Operationsfeldes umfassend ein Objekt, das einen Teil der Anatomie blockiert.
  • 5B ist ein Bild des in 5A gezeigten Operationsfeldes, wobei das Bild aus 5A teilweise mit einem Basisbild verschmolzen ist, um die blockierte Anatomie darzustellen.
  • 6A-6B sind Basis- und verschmolzene Bilder eines Operationsfeldes umfassend ein blockierendes Objekt.
  • 7A-7B sind Darstellungen des Operationsfeldes, die um die Bewegung der Bildgebungsvorrichtung oder des C-Arms bereinigt sind und einen Indikator für die Position der Bildgebungsvorrichtung innerhalb oder außerhalb des Bereichs für die Aufnahme eines neuen Bildes bereitstellen.
  • 8A-8B sind Darstellungen des Operationsfeldes, die um die Bewegung der Bildgebungsvorrichtung oder des C-Arms bereinigt sind und einen Indikator bereitstellen, wann ein neues Bild an ein vorher aufgenommenes Bild angefügt werden kann.
  • 8C ist ein Bildschirmausdruck einer Darstellung, die ein Basisbild mit einem Verfolgungskreis und einem Bewegungsrichtungsindikator zur Verwendung in der Orientierung des C-Arms zur Aufnahme eines neuen Bildes zeigt.
  • 8D ist eine Bildschirmaufnahme einer Darstellung eines Zwei-Ansichts-Finders, der verwendet wird, um bei der Orientierung der Bildgebungsvorrichtung oder des C-Arms zu helfen, um ein neues Bild mit derselben Raumorientierung wie ein Basisbild zu erhalten.
  • 9A-9B sind Darstellungen des Operationsfeldes, die um die Bewegung der Bildgebungsvorrichtung oder des C-Arms bereinigt sind und einen Indikator für die Ausrichtung der Bildgebungsvorrichtung mit einer erwünschten Bahn zur Aufnahme eines neuen Bildes bereitstellen.
  • 10 ist eine Abbildung einer Anzeige und Nutzerschnittstelle für die in 1 gezeigte Bildverarbeitungsvorrichtung.
  • 11 ist eine graphische Darstellung eines Bildausrichtungsprozesses gemäß der vorliegenden Offenbarung.
  • 12A ist ein durch einen Kollimator erhaltenes Bild eines Operationsfeldes.
  • 12B ist ein Bild des in 12A gezeigten Operationsfeldes, wie durch die hierin offenbarten Systeme und Verfahren verbessert.
  • 13A, 13B, 14A, 14B, 15A, 15B, 16A und 16B sind Bilder, die ein Operationsfeld zeigen, erhalten durch einen Kollimator, wobei der Kollimator bewegt wird.
  • 17 ist ein Flussdiagramm des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
  • 18 ist ein repräsentatives präoperatives 3D-Bild eines Operationsfeldes.
  • 19 ist eine Darstellung eines chirurgischen Planungsbildschirms und die Darstellung eines Plans zur Platzierung von Pedikelschrauben, abgeleitet aus der Verwendung des Planungswerkzeugs.
  • 20 ist eine Darstellung eines chirurgischen Anzeigebildschirms und die Darstellung eines virtuellen Protraktormerkmals, die verwendet wird, um den gewünschten Winkel zur Platzierung des C-Arms zu berechnen.
  • 21 ist ein hochauflösendes Bild eines Operationsfeldes, das die Platzierung eines K-Drahtes mit einer strahlungsundurchlässigen Markierung zeigt.
  • 22A und 22B sind ein Bild der Platzierung des C-Arms (22A) und des resultierenden Schrägwinkelbildes des Operationsfeldes, das die strahlungsundurchlässige Markierung aus 21 zeigt (22B).
  • 23A und 23B sind ein Bild der Platzierung des C-Arms (23A) und des resultierenden A/P-Winkelbildes des Operationsfeldes, das die strahlungsundurchlässige Markierung aus 21 zeigt (23B).
  • 24A-24E zeigen die Integration des Schrägbildes (24A) vom C-Arm in Position 1 (24B) und A/P-Bildes (24C) vom C-Arm in Position 2 (24D), um die Position des 3D-Bildes relativ zum C-Arm (24E) zu kartieren.
  • 25A-25C zeigen die für den Chirurgen verfügbaren repräsentativen Bilder gemäß einer Ausführungsform. Die Figuren zeigen eine Darstellung des chirurgischen Werkzeugs in einer A/P-Ansicht (25A), einer Schrägansicht (25B) und einer Lateralansicht (25C).

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Um das Verständnis der Prinzipien der Erfindung zu fördern, wird nun auf die in den Zeichnungen dargestellten und in der folgenden schriftlichen Beschreibung beschriebenen Ausführungsformen Bezug genommen. Es versteht sich, dass damit keine Beschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist. Es versteht sich ferner, dass die vorliegende Erfindung jegliche Änderungen und Modifikationen an den dargestellten Ausführungsformen umfasst und weitere Anwendungen der Prinzipien der Erfindung umfasst, wie sie normalerweise einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, einfallen würden.

Die hierin offenbarten Verfahren und Systeme stellen Verbesserungen der chirurgischen Technologie bereit, nämlich intraoperative 3D- und simultane multiplanare Bildgebung von tatsächlichen Instrumenten und Implantaten unter Verwendung eines herkömmlichen C-Arms; erhöht Genauigkeit und Effizienz im Vergleich zur Standard-C-Arm-Verwendung; ermöglicht eine reproduzierbarere Implantatplatzierung; bietet axiale Ansichten von Wirbelkörpern und Pedikelschrauben zur endgültigen Verifizierung der korrekten Platzierung in Wirbelsäulenoperationen; verbessert die Gesundheit von Patienten und OP-Personal durch Verringern der intraoperativen Strahlung; erleichtert minimalinvasive Verfahren (mit ihren inhärenten Vorteilen) mit verbesserter Implantatgenauigkeit; und verringert die Notwendigkeit einer Revisionsoperation, um die Platzierung von Implantaten zu korrigieren.

Ein typisches Bildgebungssystem 100 ist in 1 gezeigt. Das Bildgebungssystem umfasst eine Basiseinheit 102, die eine C-Arm-Bildgebungsvorrichtung 103 trägt. Der C-Arm umfasst eine Strahlungsquelle 104, die unterhalb des Patienten P angeordnet ist und die Strahlung nach oben zum Empfänger 105 richtet. Es ist bekannt, dass die von der Quelle 104 ausgehende Strahlung konisch ist, so dass das Bestrahlungsfeld variiert werden kann, indem die Quelle näher zum Patienten oder von ihm weg bewegt wird. Die Quelle 104 kann einen Kollimator umfassen, der konfiguriert ist, das Bestrahlungsfeld zu beschränken. Der C-Arm 103 kann um den Patienten P in Richtung des Pfeils 108 für unterschiedliche Blickwinkel der Operationsstelle gedreht werden. In einigen Fällen können sich Implantate oder Instrumente T an der Operationsstelle befinden und eine Änderung des Blickwinkels für eine ungehinderte Sicht auf die Stelle erforderlich machen. Somit kann sich die Position des Empfängers relativ zu dem Patienten, und insbesondere relativ zur Operationsstelle von Interesse während eines Verfahrens ändern, je nach Bedarf des Chirurgen oder Radiologen. Folglich kann der Empfänger 105 ein Verfolgungsziel 106 enthalten, das daran angebracht ist und das Verfolgen der Position des C-Arms unter Verwendung einer Verfolgungsvorrichtung 130 ermöglicht. Nur beispielhaft kann das Verfolgungsziel 106 eine Mehrzahl von beabstandeten Infrarotreflektoren oder -emittern umfassen, während die Verfolgungsvorrichtung konfiguriert ist, die Position des Empfängers 105 aus den durch das Verfolgungsziel reflektierten oder emittierten Infrarotsignalen zu triangulieren. Die Basiseinheit 102 umfasst ein Bedienfeld 110, durch das ein Radiologietechniker die Position des C-Arms sowie die Strahlenbelastung steuern kann. Ein typisches Bedienfeld 110 ermöglicht somit dem Radiologietechniker, ein Bild der Operationsstelle in Richtung des Chirurgen zu „schießen“, die Strahlungsdosis zu steuern und ein Strahlungspulsbild zu initiieren.

Der Empfänger 105 des C-Arms 103 überträgt Bilddaten an eine Bildverarbeitungsvorrichtung 122. Die Bildverarbeitungsvorrichtung kann einen damit assoziierten digitalen Speicher und einen Prozessor zum Ausführen digitaler und Softwareanweisungen umfassen. Die Bildverarbeitungsvorrichtung kann auch eine Bildfangschaltung beinhalten, die Bildfangtechnologie verwendet, um ein digitales Bild zur Projektion als Anzeigen 123, 124 auf einer Anzeigevorrichtung 126 zu erzeugen. Die Anzeigen sind für eine interaktive Betrachtung durch den Chirurgen während des Verfahrens positioniert. Die zwei Anzeigen können verwendet werden, um Bilder von zwei Ansichten, wie etwa lateral und A/P, zu zeigen, oder können einen Basisscan und einen aktuellen Scan der Operationsstelle, oder einen aktuellen Scan und einen „verschmolzenen“ Scan, basierend auf einem vorherigen Basisscan, und einen momentanen Scan mit niedriger Strahlung, wie hierin beschrieben, anzeigen. Eine Eingabevorrichtung 125, wie etwa eine Tastatur oder ein Touchscreen, kann dem Chirurgen ermöglichen, die Bilder auf dem Schirm auszuwählen und zu manipulieren. Es versteht sich, dass die Eingabevorrichtung eine Anordnung von Tasten oder Touchscreen-Icons enthalten kann, die den verschiedenen Aufgaben und Merkmalen entsprechen, die von der Bildverarbeitungsvorrichtung 122 implementiert werden. Die Bildverarbeitungsvorrichtung umfasst einen Prozessor, der die vom Empfänger 105 erhaltenen Bilddaten in ein digitales Format umwandelt. In einigen Fällen kann der C-Arm im Kino-Belichtungsmodus arbeiten und jede Sekunde viele Bilder erzeugen. In diesen Fällen können mehrere Bilder über einen kurzen Zeitraum hinweg zu einem einzigen Bild gemittelt werden, um Bewegungsartefakte und Rauschen zu verringern.

In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bildverarbeitungsvorrichtung 122 konfiguriert, hochqualitative Echtzeitbilder auf den Anzeigen 123, 124 bereitzustellen, die von Bildern mit geringerer Detailgenauigkeit abgeleitet werden, die unter Verwendung niedrigerer Strahlungsdosen (LD) erhalten werden. Beispielhaft ist 2A ein „Volldosis“-(FD-) C-Arm-Bild, während 2B ein niedrigdosiertes und/oder gepulstes (LD) Bild derselben Anatomie ist. Es ist offensichtlich, dass das LD-Bild zu „verrauscht“ ist und nicht genügend Informationen über die lokale Anatomie für eine genaue bildgesteuerte Operation bereitstellt. Während das FD-Bild eine scharfe Sicht auf die Operationsstelle bietet, macht die höhere Strahlungsdosis die Aufnahme mehrerer FD-Bilder während eines Verfahrens unerwünscht. Unter Verwendung der hierin beschriebenen Schritte wird dem Chirurgen ein aktuelles Bild zur Verfügung gestellt, in 2C gezeigt, das das Rauschen des LD-Bildes signifikant verringert, in einigen Fällen um etwa 90%, so dass dem Chirurgen ein klares Echtzeitbild unter Verwendung einer gepulsten oder niedrigdosierten Strahlungseinstellung bereitgestellt wird. Diese Fähigkeit ermöglicht eine drastisch geringere Strahlenbelastung während der Bildgebung, um die Position von Instrumenten und Implantaten während des Verfahrens zu verifizieren.

Das Flussdiagramm aus 3 bildet eine Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ab. In einem ersten Schritt 200 wird ein hochauflösendes FD-Basisbild von der Operationsstelle aufgenommen und in einem mit der Bildverarbeitungsvorrichtung assoziierten Speicher gespeichert. In einigen Fällen, in denen der C-Arm während des Verfahrens bewegt wird, können mehrere Bilder mit hoher Auflösung an verschiedenen Stellen in der Operationsstelle erhalten werden, und dann werden diese mehreren Bilder unter Verwendung bekannter Bildnahttechniken zu einem zusammengesetzten Basisbild „zusammengenäht“). Die Bewegung des C-Arms, und insbesondere das „Verfolgen“ des erfassten Bilds während dieser Bewegungen, wird in anderen Schritten berücksichtigt, die hier ausführlicher beschrieben werden. Für die vorliegende Diskussion wird angenommen, dass das Bildgebungssystem relativ fest ist, was bedeutet, dass nur eine sehr begrenzte Bewegung des C-Arms und/oder des Patienten erwogen wird, wie sie bei einem Eingriff wegen epiduralem Schmerz, einer Wirbelsäulen-K-Draht-Platzierung oder der Entfernung von Steinen auftreten könnte. Das Basisbild wird in Schritt 202 auf die Anzeige 123 projiziert, um zu verifizieren, dass die Operationsstelle richtig innerhalb des Bildes zentriert ist. In einigen Fällen können neue FD-Bilder erhalten werden, bis ein geeignetes Basisbild erhalten wird. In Verfahren, in denen der C-Arm bewegt wird, werden neue Basisbilder an der neuen Position der Bildgebungsvorrichtung erhalten, wie unten diskutiert wird. Falls das angezeigte Bild als Basisbild akzeptabel ist, kann eine Taste auf einer Benutzerschnittstelle gedrückt werden, wie etwa auf der Anzeigevorrichtung 126 oder Schnittstelle 125. Bei Verfahren, die in anatomischen Regionen ausgeführt werden, in denen eine wesentliches Ausmaß an Bewegung auf Grund physiologischer Prozesse (wie etwa Atmung) erwartet wird, können mehrere Basisbilder für dieselbe Region über mehrere Phasen des Zyklus hinweg aufgenommen werden. Diese Bilder können mit zeitlichen Daten von anderen medizinischen Instrumenten, wie einem EKG oder Pulsoximeter, markiert werden.

Sobald das Basisbild aufgenommen ist, wird in Schritt 204 ein Basisbildsatz erzeugt, in dem das ursprüngliche Basisbild digital gedreht, translatiert und in der Größe verändert wird, um Tausende von Permutationen des ursprünglichen Basisbildes zu erzeugen. Zum Beispiel kann ein typisches zweidimensionales (2D) Bild von 128 mal 128 Pixeln ± 15 Pixel in der x- und der y-Richtung in Intervallen von 1 Pixel translatiert, ± 9 Grad in Intervallen von 3 Grad gedreht und von 92,5% bis 107,5% in Intervallen von 2,5% skaliert werden (4 Freiheitsgrade, 4D), was 47.089 Bilder in dem Basisbildsatz ergibt. (Ein dreidimensionales (3D) Bild wird auf Grund der Addition von zwei zusätzlichen Drehungen orthogonal zur x- und y-Achse einen 6D-Lösungsraum implizieren. Ein ursprünglicher CT-Bilddatensatz kann verwendet werden, um viele tausend DRRs auf ähnliche Weise zu bilden.) Daher erzeugt in diesem Schritt das ursprüngliche Basisbild Tausende von neuen Bilddarstellungen, so als ob das ursprüngliche Basisbild bei jeder der verschiedenen Bewegungspermutationen erhalten worden wäre. Dieser „Lösungsraum“ kann in einem Grafikkartenspeicher, wie etwa in der Grafikverarbeitungseinheit (GPU) der Bildverarbeitungseinrichtung 122, in Schritt 206 gespeichert oder als ein neues Bild erzeugt werden, das dann an die GPU gesendet wird, abhängig von der Anzahl der Bilder im Lösungsraum und der Geschwindigkeit, mit der die GPU diese Bilder erzeugen kann. Mit der derzeitigen Rechenleistung kann bei einem freistehenden Computer medizinischer Qualität die Erzeugung eines Basisbildsatzes mit nahezu 850.000 Bildern in einer GPU in weniger als einer Sekunde erfolgen, da die mehreren Prozessoren der GPU jeweils gleichzeitig ein Bild verarbeiten können.

Während des Verfahrens wird in Schritt 208 ein neues LD-Bild aufgenommen, in dem mit der Bildverarbeitungsvorrichtung assoziierten Speicher gespeichert und auf die Anzeige 123 projiziert. Da das neue Bild mit einer geringeren Strahlungsdosis erhalten wird, ist es sehr verrauscht. Die vorliegende Erfindung stellt somit Schritte zum „Verschmelzen“ des neuen Bildes mit einem Bild aus dem Basisbildsatz bereit, um ein klareres Bild auf der zweiten Anzeige 124 zu erzeugen, das dem Chirurgen nützlichere Informationen übermittelt. Die Erfindung erwägt somit einen Bilderkennungs- oder -registrierungsschritt 210, in dem das neue Bild mit den Bildern im Basisbildsatz verglichen wird, um eine statistisch sinnvolle Übereinstimmung zu finden. Ein neues „verschmolzenes“ Bild wird in Schritt 212 erzeugt, das auf der Anzeige 124 neben der Ansicht des ursprünglichen neuen Bildes angezeigt werden kann. Zu verschiedenen Zeiten während des Vorgangs kann in Schritt 216 ein neues Basisbild erhalten werden, das in Schritt 204 zum Erzeugen eines neuen Basisbildsatzes verwendet wird.

Schritt 210 erwägt das Vergleichen des aktuellen neuen Bild mit den Bildern in dem Basisbildsatz. Da dieser Schritt während des chirurgischen Verfahrens stattfindet, sind Zeit und Genauigkeit kritisch. Vorzugsweise kann der Schritt eine Bildregistrierung in weniger als einer Sekunde erhalten, so dass es keine bedeutsame Verzögerung zwischen der Aufnahme des Bildes durch den C-Arm und der Anzeige des verschmolzenen Bildes auf der Vorrichtung 126 gibt. Verschiedene Algorithmen können verwendet werden, die von verschiedenen Faktoren abhängig sein können, wie der Anzahl von Bildern in dem Basisbildsatz, der Größe und Geschwindigkeit des Computerprozessors oder Graphikprozessors, der die Algorithmenberechnungen durchführt, der zur Durchführung der Berechnungen vorgesehenen Zeit und der Größe der verglichenen Bilder (z. B. 128 × 128 Pixel, 1024 × 1024 Pixel usw.). Bei einem Ansatz werden Vergleiche zwischen Pixeln an vorbestimmten Stellen, die oben beschrieben sind, in einem Gittermuster im gesamten 4D-Raum vorgenommen. In einem anderen heuristischen Ansatz können Pixelvergleiche in Bereichen der Bilder konzentriert werden, von denen angenommen wird, dass sie eine größere Wahrscheinlichkeit einer relevanten Übereinstimmung bieten. Diese Regionen können „vorgesät“ werden basierend auf Wissen aus einer Raster- oder PCA-Suche (wie nachstehend definiert), Daten aus einem Verfolgungssystem (wie einem optischen chirurgischen Navigationsgerät) oder Positionsdaten aus der DICOM-Datei oder dem Äquivalent. Alternativ kann der Benutzer einen oder mehr Bereiche des Bildes zum Vergleich angeben, indem er die anatomischen Merkmale, die als für das Verfahren relevant betrachtet werden, auf dem Basisbild markiert. Mit dieser Eingabe kann jedem Pixel in dem Bereich ein Relevanzwert zwischen 0 und 1 zugewiesen werden, der den Beitrag des Pixels zu der Bildähnlichkeitsfunktion skaliert, wenn ein neues Bild mit dem Basisbild verglichen wird. Der Relevanzwert kann kalibriert werden, um Region(en) zu identifizieren, auf die sich konzentriert werden soll, oder Region(en), die ignoriert werden sollen.

Bei einem anderen Ansatz wird eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) durchgeführt, die einen Vergleich mit einer größeren Anzahl größerer Bildern in der zugewiesenen Zeit ermöglicht, als mit dem Gitteransatz mit voller Auflösung möglich ist. In dem PCA-Ansatz wird eine Bestimmung vorgenommen, wie jedes Pixel des Bildsatzes zusammen mit jedem anderen kovariiert. Eine Kovarianzmatrix kann unter Verwendung von nur einem kleinen Teil des Gesamtlösungssatzes erzeugt werden - zum Beispiel zufällig ausgewählten 10% des Basisbildsatzes. Jedes Bild aus dem Basisbildsatz wird zu einen Spaltenvektor konvertiert. In einem Beispiel wird ein 70 × 40-Pixel-Bild ein 2800 × 1-Vektor. Diese Spaltenvektoren werden auf einen Mittelwert von 0 und eine Varianz von 1 normiert und zu einer größeren Matrix kombiniert. Die Kovarianzmatrix wird aus dieser größeren Matrix bestimmt und die größten Eigenvektoren werden ausgewählt. In diesem speziellen Beispiel wurde gefunden, dass 30 PCA-Vektoren etwa 80% der Varianz der jeweiligen Bilder erklären können. Somit kann jeder 2800 × 1-Bildvektor mit einem 2800 × 30-PCA-Vektor multipliziert werden, um einen 1 × 30-Vektor zu erhalten. Die gleichen Schritte werden auf das neue Bild angewendet - das neue Bild wird in einen 2800 × 1-Bildvektor umgewandelt und die Multiplikation mit dem 2800 × 30-PCA-Vektor erzeugt einen 1 × 30-Vektor, der dem neuen Bild entspricht. Die Lösungssatz- (Basisbild-) Vektoren und der neue Bildvektor werden normalisiert und das Skalarprodukt des neuen Bildvektors mit jedem Vektor im Lösungsraum wird berechnet. Der Lösungsraumbasisbildvektor, der das größte Skalarprodukt (d. h. am nächsten zu 1) liefert, wird als das dem neuen Bild nächste Bild bestimmt. Es versteht sich, dass das vorliegende Beispiel mit verschiedenen Bildgrößen und/oder verschiedenen für die Analyse verwendeten Hauptkomponenten verändert werden kann. Es versteht sich ferner, dass andere bekannte Techniken implementiert werden können, die zum Beispiel Eigenvektoren, Einzelwertbestimmung, mittleren quadratischen Fehler, mittleren absoluten Fehler und Kantenerkennung verwenden können. Es wird ferner erwogen, dass verschiedene Bilderkennungsansätze auf ausgewählte Bereiche der Bilder angewendet werden können oder dass verschiedene statistische Maße angewendet werden können, um Übereinstimmungen zu finden, die in einen geeigneten Vertrauensschwellenwert fallen. Ein Konfidenz- oder Korrelationswert kann zugewiesen werden, der den Korrelationsgrad zwischen dem neuen Bild und dem ausgewählten Basisbild oder den ausgewählten aus dem Basisbildsatz quantifiziert, und dieser Vertrauenswert kann zur Überprüfung durch den Chirurgen angezeigt werden. Der Chirurg kann entscheiden, ob der Konfidenzwert für die betreffende Anzeige akzeptabel ist und ob ein weiteres Bild aufgenommen werden soll.

Bei den bildgesteuerten chirurgischen Verfahren werden zwangsläufig Werkzeuge, Implantate und Instrumente im Bildfeld erscheinen. Diese Objekte sind typischerweise strahlungsundurchlässig und blockieren folglich die Sicht auf die relevante Patientenanatomie. Das in Schritt 210 erhaltene neue Bild wird somit ein Artefakt des Werkzeugs T enthalten, das mit keinem aus dem Basisbildsatz korrelieren wird. Das Vorhandensein des Werkzeugs in dem Bild stellt somit sicher, dass die oben beschriebenen Vergleichstechniken keinen hohen Grad an Registrierung zwischen dem neuen Bild und irgendeinem aus dem Basisbildsatz erzeugen werden. Wenn das Endergebnis jeder der obigen Prozeduren jedoch darin besteht, den höchsten Korrelationsgrad aufzufinden, der statistisch relevant ist oder eine bestimmte Schwelle überschreitet, kann die Bildregistrierung mit dem gesamten neuen Bild, samt Werkzeugartefakt und allem, durchgeführt werden.

Alternativ können die Bildregistrierungsschritte modifiziert werden, um die Werkzeugartefakte auf dem neuen Bild zu berücksichtigen. Bei einem Ansatz kann das neue Bild ausgewertet werden, um die Anzahl der Bildpixel zu bestimmen, die durch das Werkzeug „blockiert“ sind. Diese Auswertung kann das Vergleichen eines Graustufenwerts für jedes Pixel mit einer Schwelle und das Ausschließen von Pixeln umfassen, die außerhalb jener Schwelle fallen. Wenn beispielsweise die Pixel-Graustufenwerte von 0 (vollständig blockiert) bis 10 (vollständig transparent) variieren, kann eine Schwelle von 3 angewendet werden, um bestimmte Pixel aus der Auswertung zu entfernen. Wenn Positionsdaten für verschiedene verfolgte Werkzeuge verfügbar sind, können algorithmisch Bereiche, die blockiert sind, mathematisch vermieden werden.

Bei einem anderen Ansatz kann der Bilderkennungs- oder -registrierungsschritt 210 Schritte umfassen, um die Ähnlichkeit des LD-Bildes mit einer transformierten Version des Basisbildes zu messen (d.h. einem Basisbild, das zur Berücksichtigung der Bewegung des C-Arms transformiert wurde, wie unten für 11 beschrieben), oder des Patienten. Bei einem bildgesteuerten chirurgischen Verfahren erfasst das C-Arm-System mehrere Bilder derselben Anatomie. Im Verlauf dieser Bildserie kann sich das System in kleinen Schritten bewegen und chirurgische Instrumente können dem Sichtfeld hinzugefügt oder daraus entfernt werden, selbst wenn die anatomischen Merkmale relativ stabil bleiben. Der unten beschriebene Ansatz nutzt diese Konsistenz in den anatomischen Merkmalen, indem er die in einem Bild vorhandenen anatomischen Merkmale verwendet, um die fehlenden Details in einem späteren Bild zu ergänzen. Dieser Ansatz ermöglicht ferner die Übertragung der hohen Qualität eines Volldosisbildes auf nachfolgende Niedrigdosisbilder.

In dem vorliegenden Ansatz wird eine Ähnlichkeitsfunktion in Form einer Skalarfunktion der Bilder verwendet, um die Registrierung zwischen einem aktuellen LD-Bild und einem Basisbild zu bestimmen. Um diese Registrierung zu bestimmen, muss zuerst die inkrementelle Bewegung bestimmt werden, die zwischen Bildern aufgetreten ist. Diese Bewegung kann durch vier Zahlen beschrieben werden, die vier Freiheitsgraden entsprechen - Skalierung, Rotation und vertikale und horizontale Translation. Für ein gegebenes Paar von zu vergleichenden Bildern ermöglicht die Kenntnis dieser vier Zahlen, eines der Bilder zu manipulieren, so dass dieselben anatomischen Merkmale an der gleichen Stelle zwischen beiden Bildern erscheinen. Die Skalarfunktion ist ein Maß für diese Registrierung und kann unter Verwendung eines Korrelationskoeffizienten, Skalarprodukts oder mittleren quadratischen Fehlers erhalten werden. Beispielsweise entspricht die Skalarprodukt-Skalarfunktion der Summe der Produkte der Intensitätswerte bei jedem Pixelpaar in den zwei Bildern. Beispielsweise werden die Intensitätswerte für das Pixel, das sich in jedem der LD- und Basisbilder bei 1234, 1234 befindet, multipliziert. Eine ähnliche Berechnung wird für jede andere Pixelposition durchgeführt, und alle diese multiplizierten Werte werden für die Skalarfunktion addiert. Es kann versteht sich, dass, wenn zwei Bilder in exakter Registrierung sind, dieses Skalarprodukt die maximal mögliche Größe haben wird. Mit anderen Worten, wenn die beste Kombination gefunden wurde, ist das entsprechende Skalarprodukt typischerweise höher als die anderen, was als der Z-Wert berichtet werden kann (d. h. die Anzahl der Standardabweichungen über dem Mittelwert). Ein Z-Wert größer als 7,5 stellt eine 99,9999999%ige Gewissheit dar, dass die Registrierung nicht zufällig gefunden wurde. Es sollte beachtet werden, dass die Registrierung, die unter Verwendung dieses Skalarprodukts gesucht wird, zwischen einem Basisbild der Anatomie eines Patienten und einem Echtzeit-Niedrigdosisbild der gleichen Anatomie erfolgt, das zu einem späteren Zeitpunkt aufgenommen wurde, nachdem das Blickfeld und die Bildgebungsvorrichtung sich bewegt haben oder nichtanatomische Objekte in das Blickfeld eingeführt worden sein konnten.

Dieser Ansatz ist besonders geeignet für die Leistung unter Verwendung einer parallelen Berechnungsarchitektur, wie etwa der GPU, die aus mehreren Prozessoren besteht, die in der Lage sind, dieselbe Berechnung parallel durchzuführen. Jeder Prozessor der GPU kann somit verwendet werden, um die Ähnlichkeitsfunktion des LD-Bildes und einer transformierte Version des Basisbildes zu berechnen. Auf diese Weise können mehrere transformierte Versionen des Basisbildes gleichzeitig mit dem LD-Bild verglichen werden. Die transformierten Basisbilder können im Voraus erzeugt werden, wenn die Basis erfasst und dann im GPU-Speicher gespeichert wird. Alternativ kann ein einzelnes Basisbild gespeichert und während des Vergleichs transformiert werden, indem von transformierten Koordinaten mit Texturabruf gelesen wird. In Situationen, in denen die Anzahl der Prozessoren der GPU die Anzahl der zu berücksichtigenden Transformationen stark übersteigt, können das Basisbild und das LD-Bild in verschiedene Abschnitte unterteilt werden, und die Ähnlichkeitsfunktionen für jeden Abschnitt können auf verschiedenen Prozessoren berechnet und anschließend verschmolzen werden.

Um die Bestimmung der besten Transformation zur Ausrichtung zweier Bilder weiter zu beschleunigen, können die Ähnlichkeitsfunktionen zuerst mit heruntergestuften Bildern berechnet werden, die weniger Pixel enthalten. Dieses Herunterstufen kann im Voraus durchgeführt werden, indem Gruppen benachbarter Pixel gemittelt werden. Die Ähnlichkeitsfunktionen für viele Transformationen über einen breiten Bereich möglicher Bewegungen können zuerst für die heruntergestuften Bilder berechnet werden. Sobald die beste Transformation aus diesem Satz gefunden ist, kann die Transformation als Zentrum für ein feineres Raster möglicher Transformationen verwendet werden, die auf Bilder mit mehr Pixeln angewendet werden. Auf diese Weise werden mehrere Schritte verwendet, um die beste Transformation mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, während eine große Bandbreite möglicher Transformationen in kurzer Zeit berücksichtigt wird.

Um die durch Unterschiede in den Gesamtintensitätspegeln in den verschiedenen Bildern verursachte Verzerrung auf die Ähnlichkeitsfunktion zu verringern und um anatomische Merkmale in den Bildern, die für den Benutzer von Interesse sind, vorzugsweise auszurichten, können die Bilder gefiltert werden bevor die Ähnlichkeitsfunktion berechnet wird. Solche Filter werden idealerweise das sehr hohe räumliche Frequenzrauschen unterdrücken, das mit Bildern niedriger Dosis assoziiert ist, während sie auch die Information niedriger Raumfrequenz unterdrücken, die mit großen, flachen Regionen verbunden ist, die keine wichtigen anatomischen Details haben. Diese Bildfilterung kann beispielsweise durch Konvolution, Multiplikation in der Fourier-Domäne oder Butterworth-Filter erfolgen. Es wird somit erwogen, dass sowohl das LD-Bild als auch das/die Basisbild(er) vor dem Erzeugen der Ähnlichkeitsfunktion entsprechend gefiltert werden.

Wie zuvor erläutert, können nichtanatomische Merkmale in dem Bild vorhanden sein, beispielsweise chirurgische Werkzeuge, in welchem Fall Modifikationen des Ähnlichkeitsfunktionsberechnungsprozesses notwendig sein können, um sicherzustellen, dass nur anatomische Merkmale verwendet werden, um die Ausrichtung zwischen LD- und Basisbildern zu bestimmen. Ein Maskenbild kann erzeugt werden, das identifiziert, ob ein Pixel Teil eines anatomischen Merkmals ist oder nicht. In einem Aspekt kann einem anatomischen Pixel ein Wert von 1 zugewiesen werden, während einem nicht-anatomischen Pixel ein Wert von 0 zugewiesen wird. Diese Zuweisung von Werten ermöglicht es, sowohl das Basisbild als auch das LD-Bild mit den entsprechenden Maskenbildern zu multiplizieren, bevor die Ähnlichkeitsfunktion wie oben beschrieben berechnet wird. Mit anderen Worten kann das Maskenbild die nichtanatomischen Pixel eliminieren, um einen Einfluss auf die Ähnlichkeitsfunktionsberechnungen zu vermeiden.

Um zu bestimmen, ob ein Pixel anatomisch ist oder nicht, kann eine Vielzahl von Funktionen in der Nachbarschaft um jedes Pixel berechnet werden. Diese Funktionen der Nachbarschaft können die Standardabweichung, die Größe des Gradienten und/oder die entsprechenden Werte des Pixels im ursprünglichen Graustufenbild und im gefilterten Bild umfassen. Die „Nachbarschaft“ um ein Pixel umfasst eine vorbestimmte Anzahl von benachbarten Pixeln, wie etwa ein 5-mal-5- oder ein 3-mal-3-Raster. Zusätzlich können diese Funktionen zusammengesetzt werden, indem beispielsweise die Standardabweichung der Nachbarschaft der Standardabweichungen ermittelt wird oder indem eine quadratische Funktion der Standardabweichung und die Größe des Gradienten berechnet werden. Ein Beispiel einer geeigneten Funktion der Nachbarschaft ist die Verwendung von Kantendetektionstechniken, um zwischen Knochen und metallischen Instrumenten zu unterscheiden. Metall weist eine „schärfere“ Kante als Knochen auf und dieser Unterschied kann unter Verwendung von Standardabweichungs- oder Gradientenberechnungen in der Nachbarschaft eines „Kanten“-Pixels bestimmt werden. Die Nachbarschaftsfunktionen können somit basierend auf diesem Kantenerkennungsansatz bestimmen, ob ein Pixel anatomisch oder nichtanatomisch ist, und dem Pixel je nach Angemessenheit einen Wert von 1 oder 0 zuweisen.

Sobald ein Satz von Werten für das einzelne Pixel berechnet worden ist, können die Werte mit aus Messungen von zuvor erfassten Bildern bestimmten Schwellen verglichen werden, und ein Binärwert kann dem Pixel basierend auf der Anzahl von Schwellen zugewiesen werden, die überschritten werden. Alternativ kann ein Bruchwert zwischen 0 und 1 dem Pixel zugewiesen werden, was einen Grad an Gewissheit über die Identität des Pixels als Teil eines anatomischen oder nichtanatomischen Merkmals wiedergibt. Diese Schritte können mit einer GPU beschleunigt werden, indem die Berechnungen für ein Pixel im Bild einem Prozessor auf der GPU zugewiesen werden, wodurch Werte für mehrere Pixel gleichzeitig berechnet werden können. Die Masken können manipuliert werden, um Regionen, die nichtanatomischen Merkmalen entsprechen, unter Verwendung von Kombinationen von morphologischen Bildoperationen, wie etwa Erosion und Dilatation, auszufüllen und zu erweitern.

Ein Beispiel der Schritte dieses Ansatzes ist in den Bildern von 4A-4P dargestellt. In FIG. In 4A umfasst ein Bild einer Operationsstelle anatomische Merkmale (den Schädel des Patienten) und nichtanatomische Merkmale (wie eine Klemme). Das Bild von 4A wird zur Kantenverstärkung gefiltert, um das gefilterte Bild von 4B zu erzeugen. Es ist ersichtlich, dass dieses Bild auf herkömmliche Weise durch Tausende von Pixeln dargestellt wird, wobei der Intensitätswert jedes Pixels entsprechend den Kantenverstärkungsattributen des Filters modifiziert ist. In diesem Beispiel ist der Filter ein Butterworth-Filter. Dieses gefilterte Bild unterliegt dann acht verschiedenen Techniken zum Erzeugen einer Maske, die den nichtanatomischen Merkmalen entspricht. Somit werden die oben beschriebenen Nachbarschaftsfunktionen (nämlich Standardabweichung, Gradient und zusammengesetzte Funktionen davon) auf das gefilterte Bild von 4B angewendet, um verschiedene Bilder 4C-4J zu erzeugen. Jedes dieser Bilder wird als Basisbild zum Vergleich mit und zur Registrierung mit einem Live-LD-Bild gespeichert.

Somit wird jedes Bild der 4C-4J verwendet, um eine Maske zu erzeugen. Wie oben erläutert, kann der Maskenerzeugungsprozess durch einen Vergleich der Pixelintensitäten mit einem Schwellenwert oder durch eine Nachschlagetabelle erfolgen, in der Intensitätswerte, die bekannten nichtanatomischen Merkmalen entsprechen, mit der Pixelintensität verglichen werden. Die Masken, die durch die Schwellen- und Nachschlagetabellen-Techniken für eines der Nachbarschaftsfunktionsbilder erzeugt werden, sind in den 4K-4L gezeigt. Die Masken können dann manipuliert werden, um Regionen auszufüllen und zu erweitern, die den nichtanatomischen Merkmalen entsprechen, wie in den Bildern der 4M-4N dargestellt. Die resultierende Maske wird dann auf das gefilterte Bild von 4B angewendet, um die „endgültigen“ Basisbilder von 4O-4P zu erzeugen, die mit dem Live-LD-Bild verglichen werden. Wie oben erläutert, kann jede dieser Berechnungen und Pixelauswertungen in den einzelnen Prozessoren der GPU durchgeführt werden, so dass alle diese Bilder in einer extrem kurzen Zeit erzeugt werden können. Darüber hinaus kann jedes dieser maskierten Basisbilder transformiert werden, um die Bewegung des Operationsfeldes oder der Bildgebungsvorrichtung zu berücksichtigen, und mit dem Live-LD-Bild verglichen werden, um das Basisbild zu finden, das den höchsten Z-Wert entsprechend der besten Ausrichtung zwischen Basis- und LD-Bildern ergibt. Dieses ausgewählte Basisbild wird dann in der unten erläuterten Weise verwendet.

Sobald die Bildregistrierung abgeschlossen ist, kann das neue Bild mit dem ausgewählten Bild aus dem Basisbildsatz auf verschiedene Arten angezeigt werden. Bei einem Ansatz werden die beiden Bilder verschmolzen, wie in 5A, 5B dargestellt. Das ursprüngliche neue Bild ist in 5A gezeigt, wobei das Instrument T deutlich sichtbar ist und die darunterliegende Anatomie blockiert. Ein teilweise verschmolzenes Bild, das in Schritt 212 (3) erzeugt wurde, ist in 5B gezeigt, in dem das Instrument T noch sichtbar, aber wesentlich abgeschwächt ist und die darunterliegende Anatomie sichtbar ist. Die zwei Bilder können durch Kombinieren der digitalen Darstellung der Bilder in einer herkömmlichen Weise verschmolzen werden, beispielsweise durch Hinzufügen oder Mitteln von Pixeldaten für die zwei Bilder. In einer Ausführungsform kann der Chirurg einen oder mehr spezifische Bereiche von Interesse in dem angezeigten Bild identifizieren, beispielsweise über die Benutzerschnittstelle 125, und die Verschmelzungsoperation kann konfiguriert sein, die Basisbilddaten für die Anzeige außerhalb des Bereichs von Interesse zu verwenden und die Verschmelzungsoperation für die Anzeige innerhalb des Bereichs von Interesse durchzuführen. Die Benutzerschnittstelle 125 kann mit einem „Schieberegler“ versehen sein, der den Betrag des Basisbilds gegenüber dem neuen Bild, das in dem verschmolzenen Bild angezeigt wird, steuert. Bei einem anderen Ansatz kann der Chirurg zwischen dem korrelierten Basisbild und dem neuen Bild oder dem verschmolzenen Bild wechseln, wie in 6A, 6B gezeigt. Das Bild in 6A ist das Bild aus dem Basisbildsatz, das den höchsten Korrelationsgrad zu dem neuen Bild aufweist. Das Bild in 6B ist das neu erhaltene Bild. Der Chirurg kann zwischen diesen Ansichten wechseln, um eine klarere Sicht auf die darunterliegende Anatomie und eine Sicht auf das aktuelle Feld mit der Instrumentierung T zu erhalten, was effektiv durch Abwechseln der Bilder das Instrument digital aus dem Sichtfeld entfernt, wobei es seine Position relativ zu der von ihm blockierten Anatomie aufklärt.

Bei einem anderen Ansatz kann eine logarithmische Subtraktion zwischen dem Basisbild und dem neuen Bild durchgeführt werden, um die Unterschiede zwischen den zwei Bildern zu identifizieren. Das resultierende Differenzbild (das Werkzeuge oder injiziertes Kontrastmittel enthalten kann, die für den Chirurgen von Interesse sind) kann separat angezeigt, in Farbe überlagert oder dem Basisbild, dem neuen Bild oder dem verschmolzenen Bild hinzugefügt werden, so dass die Merkmale von Interesse noch offensichtlicher erscheinen. Dies kann erfordern, dass die Bildintensitätswerte vor der Subtraktion skaliert werden, um Variationen in den C-Arm-Bestrahlungseinstellungen zu berücksichtigen. Digitale Bildverarbeitungsoperationen, wie etwa Erosion und Dilatation, können verwendet werden, um Merkmale in dem Differenzbild zu entfernen, die Bildrauschen statt physikalischen Objekten entsprechen. Der Ansatz kann verwendet werden, um die Bildunterschiede wie beschrieben zu verstärken, oder um das Differenzbild aus dem verschmolzenen Bild zu entfernen. Mit anderen Worten kann das Differenzbild als ein Werkzeug zum Ausschließen oder Einbeziehen des Differenzbilds in das Basis-, das neue oder das verschmolzene Bild verwendet werden.

Wie oben beschrieben, kann das Bildverbesserungssystem der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, um strahlungsundurchlässige Instrumente zu minimieren und Visualisierung der Anatomie, die unter der Instrumentierung liegt, zu ermöglichen. Alternativ kann das vorliegende System dazu dienen sein, ausgewählte Instrumente in einem Bild oder einer Sammlung von Bildern zu verstärken. Insbesondere können die oben beschriebenen Masken, die verwendet werden, um die Position der nichtanatomischen Merkmale zu identifizieren, selektiv in einem Bild verstärkt werden. Dieselben Daten können alternativ auch manipuliert werden, um die anatomischen Merkmale und die ausgewählte Instrumentierung zu verstärken. Diese Funktion kann verwendet werden, um dem Chirurgen zu erlauben, zu bestätigen, dass die visualisierte Landschaft wie erwartet aussieht, um mögliche Verzerrungen im Bild zu erkennen und bildgesteuerte Messverfahren zu unterstützen. Da die Knochenschraube strahlungsundurchlässig ist, kann sie leicht mit einem C-Arm-Bild sehr geringer Dosis sichtbar gemacht werden. Deshalb kann ein neues Bild mit niedriger Dosis verwendet werden, um die Position der Instrumentierung zu identifizieren, während es mit dem hochdosierten Basis-Anatomiebild verschmolzen ist. Mehrere Bilder sehr niedriger Dosis können aufgenommen werden, während die Knochenschraube in den Knochen vorgeschoben wird, um die korrekte Positionierung der Knochenschraube zu verifizieren. Da die Geometrie des Instruments, beispielsweise der Knochenschraube, bekannt ist (oder aus Bildführung, 2D-Projektion oder beidem gewonnen oder abgeleitet werden kann), können die Pixeldaten, die verwendet werden, um das Instrument im C-Arm-Bild darzustellen, durch ein CAD-Modell ersetzt werden, das auf das kantenverstärkte Bild des Instruments kartiert wird.

Wie oben angegeben, erwägt die vorliegende Erfindung auch ein chirurgisches Verfahren, bei dem die Bildgebungsvorrichtung oder der C-Arm 103 bewegt wird. Daher erwägt die vorliegende Erfindung, die Position des C-Arms zu verfolgen, anstatt wie bei herkömmlichen chirurgischen Navigationstechniken die Position der chirurgischen Instrumente und Implantate zu verfolgen, unter Verwendung im Handel erhältlicher Verfolgungsvorrichtungen oder der DICOM-Information aus der Bildgebungsvorrichtung. Die Verfolgung des C-Arms erfordert eine Genauigkeit, die weit unter der Genauigkeit liegt, die zur Verfolgung der Instrumente und Implantate erforderlich ist. In dieser Ausführungsform empfängt die Bildverarbeitungsvorrichtung 122 Verfolgungsinformationen von der Verfolgungsvorrichtung 130 oder dem Beschleunigungsmesser. Die Aufgabe dieses Aspekts der Erfindung besteht darin, sicherzustellen, dass der Chirurg ein Bild sieht, das mit der tatsächlichen Operationsstelle übereinstimmt, unabhängig von der Ausrichtung des C-Arms relativ zum Patienten.

Das Verfolgen der Position des C-Arms kann „Drift“ berücksichtigen, was eine allmähliche Fehlausrichtung des physischen Raums und des Bildgebungs- (oder virtuellen) Raums ist. Diese „Drift“ kann auf Grund von subtilen Patientenbewegungen, unabsichtlichem Kontakt mit dem Tisch oder der Bildgebungsvorrichtung und sogar der Schwerkraft auftreten. Diese Fehlausrichtung ist oft visuell nicht wahrnehmbar, kann jedoch sichtbare Verschiebungen in dem vom Chirurgen gesehenen Bild erzeugen. Diese Verschiebungen können problematisch sein, wenn das chirurgische Navigationsverfahren durchgeführt wird (und ein Arzt sich auf die von dieser Vorrichtung erhaltene Information verlässt) oder wenn eine Ausrichtung von neuen an Basisbildern erforderlich ist, um die Bildklarheit zu verbessern. Die Verwendung von Bildverarbeitung beseitigt die unvermeidliche Fehlausrichtung von Basis- und neuen Bildern. Die Bildverarbeitungsvorrichtung 122 kann ferner einen Kalibrierungsmodus enthalten, in dem das aktuelle Bild der Anatomie mit dem vorhergesagten Bild verglichen wird. Der Unterschied zwischen der vorhergesagten und der tatsächlichen Bewegung des Bildes kann durch eine ungenaue Kenntnis des nachstehend beschriebenen „Massenschwerpunkts“, oder COM, und Drift erklärt werden. Sobald ein paar Bilder erhalten wurden und der COM genau festgelegt ist, kann eine Neukalibrierung des Systems automatisch mit jedem aufeinanderfolgenden Bild erfolgen, wodurch der Einfluss der Drift eliminiert wird.

Die Bildverarbeitungsvorrichtung 122 kann in einem „Verfolgungsmodus“ arbeiten, in dem die Bewegung des C-Arms überwacht wird und das aktuell angezeigte Bild entsprechend bewegt wird. Das aktuell angezeigte Bild kann das aktuellste Basisbild, ein neues LD-Bild oder ein wie oben beschrieben erzeugtes verschmolzenes Bild sein. Dieses Bild verbleibt auf einer der Anzeigen 123, 124, bis ein neues Bild von der Bildgebungsvorrichtung 100 aufgenommen wird. Dieses Bild wird auf der Anzeige verschoben, um die Bewegung des C-Arms unter Verwendung der durch die Verfolgungsvorrichtung 130 erfassten Positionsdaten auszugleichen. Ein Verfolgungskreis 240 kann auf dem Display gezeigt werden, wie in 7A, 7B dargestellt. Der Verfolgungskreis identifiziert eine Position „innerhalb des Bereichs“ für das Bild. Wenn der Verfolgungskreis in Rot erscheint, wäre das Bild, das mit der gegenwärtigen C-Arm-Position erhalten werden würde, im Verhältnis zu einer Basisbildposition „außerhalb des Bereichs“, wie in 7A gezeigt. Während der C-Arm durch den Radiologietechniker bewegt wird, wird das repräsentative Bild auf dem Display bewegt. Wenn sich das Bild „in den Bereich“ bewegt, wie in 7B gezeigt, wird der Verfolgungskreis 240 grün, so dass der Techniker sofort die Anzeige hat, dass sich der C-Arm in einer korrekten Position befindet, um ein neues Bild zu erhalten. Der Verfolgungskreis kann vom Techniker verwendet werden, um die Bewegungen des C-Arms während des chirurgischen Verfahrens zu leiten. Der Verfolgungskreis kann auch verwendet werden, um den Techniker bei der Erstellung eines zusammengesetzten Basisbildes zu unterstützen. Daher wird eine Bildposition, die zum Anfügen an ein anderes Bild nicht richtig ausgerichtet ist, wie in 8A dargestellt, einen roten Verfolgungskreis 240 haben, während eine richtig ausgerichtete Bildposition, wie in 8B gezeigt, einen grünen Verfolgungskreis haben wird. Der Techniker kann dann das Bild erfassen, das einen Teil des zusammengesetzten Basislinienbildes bilden wird.

Der Verfolgungskreis 240 kann Markierungen auf dem Umfang des Kreises enthalten, die die Rollposition des C-Arms im Basisbild angeben. Ein zweites Zeichen, wie ein Pfeil, kann auch auf dem Umfang des Verfolgungskreises angezeigt werden, in dem sich das zweite Zeichen mit der Rollbewegung des C-Arms um den Verfolgungskreis dreht. Die Übereinstimmung der ersten Markierung mit der zweiten entspricht der Übereinstimmung des Roll-Freiheitsgrades zwischen dem neuen und den Basisbildern.

In vielen Fällen wird ein C-Arm-Bild in einem Winkel geführt, um bestimmte anatomische Strukturen zu vermeiden oder um das beste Bild eines Ziels zu liefern. In diesen Fällen wird der C-Arm gekippt oder geneigt, um die beste Orientierung für das Basisbild zu finden. Es ist daher wünschenswert, das neue Bild mit dem Basisbild in sechs Freiheitsgraden (6DOF) - X- und Y-Translationen, Z-Translation entsprechend Skalierung (d. h. näher oder weiter weg vom Ziel), Roll oder Rotation um die Z-Achse und Nicken und Gieren (Rotation um die X- bzw. Y-Achse). Das Ausrichten des Sichtfinders in X-, Y-, Z- und Rollrichtung kann wie oben beschrieben durch die Farbe des Verfolgungskreises angezeigt werden. Es ist ersichtlich, dass unter Verwendung des Sichtfinderbildes, das auf der Anzeige erscheint, vier Freiheitsgrade der Bewegung leicht sichtbar gemacht werden können, nämlich X- und Y-Translation, Zoom- oder Z-Translation und Rollen um die Z-Achse. Jedoch ist es schwieriger, die Bewegung in den anderen zwei Freiheitsgraden - Nicken und Gieren - auf der Bildanzeige direkt zu visualisieren. Das Ausrichten des Verfolgungskreises 240 im Nicken und Gieren erfordert eine etwas kompliziertere Bewegung des C-Arms und des mit dem C-Arm assoziierten Sichtfinders. Um diese Bewegung und Ausrichtung zu erleichtern, können auf der Anzeige ein der Nickbewegung entsprechender vertikaler Schieber und ein der Gierbewegung entsprechender horizontaler Schieber dargestellt werden. Das neue Bild ist richtig positioniert, wenn die Indikatoren entlang der beiden Schieberegler zentriert sind. Die Schiebebalken können rot sein, wenn das neue Bild in Bezug auf das Basisbild in den Freiheitsgraden des Nickens und Gierens falsch ausgerichtet ist, und können grün werden, wenn sie richtig zentriert sind. Sobald alle Freiheitsgrade mit den X-, Y-, Z-, Roll-, Nick- und Gierorientierungen des ursprünglichen Basisbildes ausgerichtet sind, kann der Techniker das neue Bild aufnehmen, und der Chirurg kann sicher sein, dass ein genauer und aussagekräftiger Vergleich zwischen dem neuen Bild und dem Basisbild vorgenommen werden kann.

Die räumliche Position des Basisbildes ist aus der 6DOF-Positionsinformation bekannt, die erhalten wurde, als das Basisbild erzeugt wurde. Diese 6DOF-Positionsinformation enthält die Daten von der Verfolgungsvorrichtung 130 sowie jegliche Winkelorientierungsinformationen, die von dem C-Arm selbst erhalten werden. Wenn ein neues Bild an der gleichen räumlichen Position wie das Basisbild erzeugt werden soll, wird neue räumliche Positionsinformation erzeugt, wenn der C-Arm bewegt wird. Ob der C-Arm an der Basisbildposition ausgerichtet ist, kann leicht durch Vergleichen der 6DOF-Positionsdaten, wie oben beschrieben, festgestellt werden. Zusätzlich kann dieser Vergleich verwendet werden, um dem Radiologietechniker eine Angabe darüber zu geben, wie der C-Arm bewegt werden muss, um eine korrekte Ausrichtung zu erhalten. Mit anderen Worten, wenn der Vergleich der Basispositionsdaten mit den aktuellen Positionsdaten zeigt, dass der C-Arm nach links falsch ausgerichtet ist, kann eine Anzeige bereitgestellt werden, die den Techniker anweist, den C-Arm nach rechts zu bewegen. Diese Anzeige die Form eines Richtungspfeils 242 haben, der sich um den Verfolgungskreis 240 herum bewegt, wie in der Bildschirmaufnahme von 8C dargestellt. Der Bewegungsrichtungszeiger 242 kann in ein Koordinatensystem transformiert werden, das der physischen Position des C-Arms relativ zu dem Techniker entspricht. Mit anderen Worten zeigt der Bewegungsanzeiger 242 vertikal nach oben auf dem Bild in FIG. 8C, um anzuzeigen, dass der Techniker den C-Arm nach oben bewegen muss, um das aktuelle Bild an dem Basisbild auszurichten. Als eine Alternative zu dem Richtungspfeil 242 auf dem Verfolgungskreis kann die Bewegungsrichtung auf senkrechten Schieberbalken neben dem Bild angezeigt werden, wie den Balken 244, 245 in 8C. Die Schieberbalken können dem Techniker eine direkte visuelle Anzeige des Versatzes des Balkens von der zentrierten Position an jedem Balken bereitstellen. Im Beispiel von 8C befindet sich der vertikale Schieberbalken 244 unterhalb der zentrierten Position, so dass der Techniker sofort weiß, dass er den C-Arm vertikal nach oben bewegen soll.

In einer weiteren Ausführungsform können zwei Sichtfinderbilder von dem Radiologietechniker verwendet werden, um den C-Arm auszurichten, um ein neues Bild in der gleichen Ausrichtung wie ein Basisbild zu erhalten. In dieser Ausführungsform sind die zwei Sichtfinderbilder orthogonale Bilder, wie beispielsweise ein anterior-posteriores (A/P) Bild (durch den Körper von vorne nach hinten durchgehend) und ein laterales Bild (durch den Körper Schulter zu Schulter), wie in der Bildschirmaufnahme von 8D abgebildet. Der Techniker versucht, beide Sichtfinderbilder an entsprechenden A/P- und lateralen Basisbildern auszurichten. Während der C-Arm durch den Techniker bewegt wird, werden beide Bilder gleichzeitig verfolgt, ähnlich dem oben beschriebenen Einzelsichtfinder. Jeder Sichtfinder enthält einen Verfolgungskreis, der in der oben beschriebenen Weise reagiert - d. h. rot für außerhalb der Grenzen und grün für innerhalb der Grenzen. Der Techniker wechselt zwischen dem A/P- und dem lateralen Sichtfinder, während der C-Arm manipuliert wird. Sobald der Verfolgungskreis innerhalb eines vorbestimmten Bereichs ordnungsgemäßer Ausrichtung ist, kann die Anzeige von der Zwei-Sichtfinder-Anordnung zu der oben beschriebenen Einzelsichtfinder-Anordnung umschalten, um dem Techniker zu helfen, die Position des C-Arms fein abzustimmen.

Es versteht sich, dass die zwei Ansichtsnavigationsbilder von einem Basisbild und einem Einzelaufnahme- oder C-Arm-Bild an einer aktuellen Position, wie einem einzelnen A/P-Bild, abgeleitet sein können. In dieser Ausführungsform ist das laterale Bild eine Projektion des A/P-Bildes, als ob der C-Arm tatsächlich in eine Position gedreht wurde, um das laterale Bild zu erhalten. Wenn der Sichtfinder für das A/P-Bild bewegt wird, um die Ansicht an einer gewünschten Stelle zu positionieren, zeigt das zweite Sichtfinderbild die Projektion dieses Bildes in der orthogonalen Ebene (d. h. die Lateralansicht) an. Der Arzt und der Radiologietechniker können somit den C-Arm auf der Grundlage der Projektion der ursprünglichen A/P-Ansicht zu dem gewünschten Ort für eine Lateralansicht manövrieren. Sobald der C-Arm an der gewünschten Position ausgerichtet ist, kann der C-Arm tatsächlich positioniert werden, um das orthogonale (d. h. laterale) Bild zu erhalten.

In der obigen Diskussion wird die Verfolgungsfunktion des hierin offenbarten Abbildungssystems verwendet, um den C-Arm in die räumliche Position zurückzuführen, in der das ursprüngliche Basisbild erhalten wurde. Der Techniker kann ein neues Bild an derselben Stelle erfassen, so dass der Chirurg das aktuelle Bild mit dem Basisbild vergleichen kann. Alternativ kann diese Verfolgungsfunktion von dem Radiologietechniker verwendet werden, um ein neues Bild in einer anderen Orientierung oder an einer versetzten Position von der Position eines Basisbilds zu erfassen. Wenn zum Beispiel das Basisbild eine A/P-Ansicht des L3-Wirbels ist und es erwünscht ist, ein Bild eines spezifischen Merkmals jenes Wirbels zu erhalten, kann die Verfolgungsfunktion verwendet werden, um den Techniker schnell zu dem Wirbel und dann zu dem zu der gewünschten Ausrichtung über dem Merkmal von Interesse zu führen. Die Verfolgungsfunktion der vorliegenden Erfindung ermöglicht somit dem Techniker, die richtige Position für das neue Bild zu finden, ohne Zwischenbilder erfassen zu müssen, um die Position des C-Arms relativ zu der gewünschten Ansicht zu verifizieren.

Die Bildverfolgungsfunktion kann auch verwendet werden, wenn mehrere Bilder zusammengefügt werden, beispielsweise um ein vollständiges Bild der Wirbelsäule eines Patienten zu bilden. Wie oben angegeben, bildet der Verfolgungskreis 240 die Position des C-Arms relativ zur Anatomie ab, als ob ein Bild an dieser Stelle und Ausrichtung aufgenommen würde. Das Basisbild (oder irgendein ausgewähltes vorheriges Bild) erscheint auch auf der Anzeige mit dem von dem Grundlinienbild versetzten Verfolgungskreis, der den Versatz des C-Arms von der Position anzeigt, an der das angezeigte Bild aufgenommen wurde. Die Position des Verfolgungskreises relativ zu dem angezeigten Basisbild kann somit eingestellt werden, um einen Überlappungsgrad zwischen dem Basisbild und einem neuen Bild bereitzustellen, das an der Position des Verfolgungskreises aufgenommen wird. Sobald ein C-Arm zu einer gewünschten Überlappung bewegt wurde, kann das neue Bild aufgenommen werden. Dieses neue Bild wird dann zusammen mit dem Basisbild auf dem Bildschirm angezeigt, wenn die beiden Bilder zusammengefügt werden. Der Verfolgungskreis ist auch auf der Anzeige sichtbar und kann verwendet werden, um die Bewegung des C-Arms zu leiten, damit ein anderes Bild an die anderen beiden Bildern der Anatomie des Patienten angefügt wird. Diese Sequenz kann fortgesetzt werden, bis die gesamte gewünschte Anatomie abgebildet und zusammengefügt wurde.

Die vorliegende Erfindung erwägt eine Funktion, die die Kommunikation zwischen dem Chirurgen und dem Radiologietechniker verbessert. Während des Verlaufs eines Verfahrens kann der Chirurg Bilder an bestimmten Positionen oder Orientierungen anfordern. Ein Beispiel ist eine sogenannte Ferguson-Ansicht bei Wirbelsäuleneingriffen, bei der ein A/P-orientierter C-Arm so gekippt ist, dass er direkt über einer Wirbelendplatte ausgerichtet ist, wobei die Endplatte „flach“ oder im Wesentlichen parallel zur Strahlachse des C-Arms ausgerichtet ist. Um eine Ferguson-Ansicht zu erhalten, muss der C-Arm oder der Patiententisch rotiert werden, während mehrere A/P-Ansichten der Wirbelsäule erhalten werden, was unter Verwendung gegenwärtiger Techniken mühsam und ungenau ist und die Durchführung einer Reihe von Fluoroskopiebildern erfordert, um dasjenige zu finden, das am besten an der Endplatte ausgerichtet ist. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es dem Chirurgen, ein Raster über ein einzelnes Bild oder ein zusammengefügtes Bild zu legen und Etiketten für anatomische Merkmale bereitzustellen, die dann von dem Techniker zum Orientieren des C-Arms verwendet werden können. Wie in 9A gezeigt, ist die Bildverarbeitungsvorrichtung 122 daher so konfiguriert, dass sie dem Chirurgen ermöglicht, ein Raster 245 innerhalb des Verfolgungskreises 240 zu platzieren, das auf einem lateralen Bild überlagert ist. Der Chirurg kann auch Etiketten 250 lokalisieren, die anatomische Struktur identifizieren, in diesem Fall Wirbel. In diesem speziellen Beispiel besteht das Ziel darin, den L2-L3-Bandscheibenraum an der mittleren Rasterlinie 246 auszurichten. Um den Techniker zu unterstützen, wird ein Bahnpfeil 255 auf dem Bild überlagert, um die Bahn eines in der aktuellen Position mit dem C-Arm aufgenommenen Bildes anzuzeigen. Wenn sich der C-Arm bewegt und die Ausrichtung von reinem AP weg ändert, wertet die Bildverarbeitungsvorrichtung die C-Arm-Positionsdaten aus, die von der Verfolgungsvorrichtung 230 erhalten werden, um die neue Ausrichtung für den Bahnpfeil 255 zu bestimmen. Der Bahnpfeil bewegt sich somit mit dem C-Arm, so dass, wenn er an der mittleren Rasterlinie 246 ausgerichtet ist, wie in 9B gezeigt, der Techniker das Bild aufnehmen kann, wobei er weiß, dass der C-Arm richtig ausgerichtet ist, um eine Ferguson-Ansicht entlang der L3-Endplatte zu erhalten. Die Überwachung der seitlichen Ansicht, bis sie gedreht und entlang der mittleren Rasterlinie zentriert ist, ermöglicht es daher dem Radiologietechniker, den A/P-Ferguson-Winkel zu finden, ohne zu raten und eine Anzahl von inkorrekten Bildern aufzunehmen.

Die Bildverarbeitungsvorrichtung kann ferner konfiguriert sein, die lateralen und A/P-Ansichten gleichzeitig auf den jeweiligen Anzeigen 123 und 124 zu zeigen, wie in 10 dargestellt. Eine oder beide Ansichten können das Raster, die Etiketten und die Bahnpfeile enthalten. Die gleiche laterale Ansicht kann auf dem Bedienfeld 110 für das Bildgebungssystem 100 zur Betrachtung durch den Techniker erscheinen. Wenn der C-Arm bewegt wird, um den Bahnpfeil an der mittleren Rasterlinie auszurichten, wie oben beschrieben, werden sowohl das laterale als auch das A/P-Bild entsprechend bewegt, so dass der Chirurg sofort wahrnimmt, wie das neue Bild aussehen wird. Sobald der Techniker den C-Arm richtig ausrichtet, wie durch die Ausrichtung des Bahnpfeils an der mittleren Gitterlinie angezeigt, wird wiederum ein neues A/P-Bild erfasst. Wie in 10 gezeigt, kann eine Ansicht mehrere Bahnpfeile umfassen, die jeweils an einem bestimmten Bandscheibenraum ausgerichtet sind. Zum Beispiel ist der oberste Bahnpfeil am L1-L2-Bandscheibenraum ausgerichtet, während der unterste Pfeil am L5-S1-Bandscheibenraum ausgerichtet ist. In mehrstufigen Verfahren kann der Chirurg eine Ferguson-Ansicht verschiedener Ebenen benötigen, die leicht erhalten werden können, indem der Techniker aufgefordert wird, den C-Arm an einem bestimmten Bahnpfeil auszurichten. Die in 10 gezeigten mehreren Bahnpfeile können in einem zusammengesetzten Bild einer skoliotischen Wirbelsäule angewendet werden und zur Bestimmung des Cobb-Winkels verwendet werden. Änderungen des Cobb-Winkels können live oder interaktiv bestimmt werden, wenn eine Korrektur an der Wirbelsäule vorgenommen wird. Ein aktuelles zusammengefügtes Bild der korrigierten Wirbelsäule kann einem Basisbild überlagert werden oder es kann zwischen dem aktuellen und dem Basisbild umgeschaltet werden, um eine direkte visuelle Anzeige des Effekts der Korrektur zu liefern.

In einer anderen Funktion kann eine asymmetrische strahlungsundurchlässige Form oder Glyphe an einer bekannten Stelle auf dem C-Arm-Detektor platziert sein. Dies schafft die Möglichkeit, den Koordinatenrahmen des C-Arms mit der beliebigen Ausrichtung des Bildkoordinatenrahmens des C-Arms zu verknüpfen. Da die Anzeige des C-Arms modifiziert werden kann, um ein Bild mit einer beliebigen Rotation oder Spiegelung zu erzeugen, vereinfacht das Erfassen dieser Form radikal den Prozess des Bildvergleichs und des Bildzusammenfügens. Wie in 11 gezeigt, enthält das Basisbild B daher das Zeichen oder die Glyphe „K“ an der 9-Uhr-Position des Bildes. In einer alternativen Ausführungsform kann die Glyphe die Form einer Anordnung von strahlungsundurchlässigen Perlen haben, die in einer strahlungsdurchlässigen Komponente eingebettet sind, die an einem C-Arm-Kragen angebracht ist, wie etwa im Muster eines rechtwinkligen Dreiecks. Da die physikalische Ausrichtung und Position der Glyphe relativ zu dem C-Arm festgelegt ist, liefert die Kenntnis der Position und Orientierung der Glyphe in einem 2D-Bild eine automatische Angabe der Orientierung des Bildes in Bezug auf die physikalische Welt. Das neue Bild N wird erhalten, in dem die Glyphe vom Arzt oder Techniker weg von der Standardorientierung rotiert wurde. Ein Vergleich dieses neuen Bildes mit dem Basisbildsatz führt auf Grund dieses Winkelversatzes wahrscheinlich zu keiner Registrierung zwischen den Bildern. In einer Ausführungsform erfasst die Bildverarbeitungsvorrichtung die tatsächliche Rotation des C-Arms aus der Basisorientierung, während in einer anderen Ausführungsform die Bildverarbeitungsvorrichtung Bilderkennungssoftware verwendet, um die Glyphe „K“ im neuen Bild zu orten und den Winkelversatz zu der Standardposition zu bestimmen. Dieser Winkelversatz wird verwendet, um die Drehung des Basisbildsatzes zu ändern und/oder es zu spiegeln. Das Basisbild, das in dem Bildregistrierungsschritt 210 ausgewählt wird, wird in seiner transformierten Orientierung gehalten, um mit dem neu erfassten Bild verschmolzen zu werden. Diese Transformation kann Rotation und Spiegelung umfassen, um den Anzeigeeffekt zu eliminieren, der an einem C-Arm vorhanden ist. Die Drehung und Spiegelung kann leicht durch die Orientierung der Glyphe im Bild verifiziert werden. Es wird erwogen, dass die Glyphe, ob das „K“ oder die strahlungsundurchlässige Perlenanordnung, dem Arzt die Möglichkeit gibt, die Art und Weise zu steuern, in der das Bild zur Navigation angezeigt wird, unabhängig davon, wie das Bild auf dem vom Techniker verwendeten Bildschirm erscheint. Mit anderen Worten ermöglicht das hierin offenbarte Bildgebungs- und Navigationssystem dem Arzt, das angezeigte Bild auf eine Weise zu drehen, zu spiegeln oder anderweitig zu manipulieren, die der Arzt während der Durchführung des Verfahrens sehen möchte. Die Glyphe liefert eine klare Anzeige der Art und Weise, in der das vom Arzt verwendete Bild in Bezug auf das C-Arm-Bild manipuliert wurde. Sobald die vom Arzt gewünschte Ausrichtung des angezeigten Bildes eingestellt wurde, behalten die nachfolgenden Bilder dieselbe Orientierung bei, unabhängig davon, wie der C-Arm bewegt wurde.

In einem anderen Aspekt ist es bekannt, dass, wenn sich die C-Arm-Strahlungsquelle 104 näher an den Tisch bewegt, die Größe des von dem Empfänger 105 aufgenommenen Bildes größer wird; das Bewegen des Empfängers näher zum Tisch führt zu einer verringerten Bildgröße. Während der Betrag, um den das Bild mit Bewegungen zum Körper hin und von ihm weg skaliert, leicht bestimmt werden kann, wird, wenn der C-Arm entlang des Tisches translatiert wird, sich das Bild verschieben, wobei die Größe jener Änderung abhängig ist von der Nähe des „Massenschwerpunkts“ (COM) des Patienten zur Strahlungsquelle. Obwohl die abgebildete Anatomie aus 3D-Strukturen besteht, können wir diese Anatomie mit hoher Genauigkeit mathematisch als ein 2D-Bild der am COM der Strukturen platzierten 3D-Anatomie darstellen. Wenn dann zum Beispiel der COM nahe der Strahlungsquelle ist, werden kleine Bewegungen bewirken, dass sich das resultierende Bild stark verschiebt. Bis der COM bestimmt ist, ist der berechnete Betrag, um den sich die Objekte auf dem Bildschirm verschieben werden, proportional zu aber nicht gleich ihrer tatsächlichen Bewegung. Die Differenz wird verwendet, um die tatsächliche Position des COM zu berechnen. Der COM wird basierend auf dem Ausmaß, um den sich jene unterscheiden, angepasst, wobei er von der Strahlungsquelle weg bewegt wird, wenn das Bild zu stark verschoben wird, und umgekehrt, wenn sich das Bild zu wenig verschiebt. Es wird zunächst angenommen, dass der COM auf dem Tisch zentriert ist, an dem der Referenzbogen der Verfolgungsvorrichtung angebracht ist. Die wahre Position des COM wird ziemlich genau unter Verwendung der ersten zwei oder drei Bilder bestimmt, die während der anfänglichen Einrichtung des Bildgebungssystems aufgenommen werden, und mit jedem neu aufgenommenen Bild erneut bestätigt/eingestellt. Sobald der COM im globalen Raum bestimmt ist, kann die Bewegung des C-Arms relativ zu m COM berechnet und angewendet werden, um den Basisbildsatz entsprechend für die Bildregistrierung zu übersetzen.

Die Bildverarbeitungsvorrichtung 122 kann auch konfiguriert sein, dem Chirurgen zu ermöglichen, andere verfolgte Elemente in ein Bild einzuführen, um den Chirurgen während des Verfahrens leiten zu helfen. Ein Rückkopplungsansatz mit geschlossener Schleife ermöglicht es dem Chirurgen, zu bestätigen, dass die Position dieses wahrgenommenen verfolgten Elements und das von diesem Element aufgenommene Bild übereinstimmen. Insbesondere werden das Live-C-Arm-Bild und die bestimmte Position aus dem chirurgischen Navigationssystem verglichen. Auf dieselbe Weise, wie Kenntnis des Basisbildes, durch Bilderkennung, verwendet werden, um die Anatomie des Patienten zu verfolgen, selbst wenn sie durch strahlungsundeurchlässige Objekte blockiert ist, kann, wenn das aufgenommene Bild mit ihrer verfolgten Position verglichen wird, die Kenntnis der strahlungsundeurchlässigen Objekte verwendet werden, um ihre Verfolgung zu bestätigen. Wenn sowohl das Instrument/Implantat als auch der C-Arm verfolgt werden, sind die Position der Anatomie relativ zur Bildgebungsquelle und die Position der Ausrüstung relativ zur Bildgebungsquelle bekannt. Diese Information kann somit verwendet werden, um schnell und interaktiv den Ort der Ausrüstung oder Hardware relativ zur Anatomie zu ermitteln. Diese Funktion kann beispielsweise besonders geeignet sein zur Verfolgung des Weges eines Katheters in einem Gefäßeingriff. Bei einem typischen Gefäßeingriff wird eine Cine, oder kontinuierliche Fluoroskopie, verwendet, um die Bewegung des Katheters entlang eines Gefäßes zu verfolgen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, zuvor erzeugte Bilder der Anatomie mit der virtuellen Darstellung des Katheters mit Live-Fluoroskopie-Aufnahmen der Anatomie und des tatsächlichen Katheters zu verschränken. Anstatt 15 Fluoroskopieaufnahmen pro Sekunde für einen typischen Cine-Vorgang zu machen, ermöglicht es die vorliegende Erfindung dem Radiologietechniker daher, nur eine Aufnahme pro Sekunde zu machen, um den Katheter effektiv und genau zu verfolgen, während er sich entlang des Gefäßes bewegt. Die zuvor erzeugten Bilder werden eingefügt, um für die nicht gemachten Fluoroskopieaufnahmen ausfzukommen. Die virtuellen Darstellungen können mit den Live-Aufnahmen, wenn sie gemacht werden, verifiziert und bei Bedarf neu kalibriert werden.

Dieselbe Fähigkeit kann verwendet werden, um Instrumentierung in bildgesteuerten oder Roboteroperationen zu verfolgen. Wenn die Instrumentierung unter Verwendung herkömmlicher Verfolgungstechniken verfolgt wird, wie zum Beispiel EM-Verfolgung, ist die Position der Instrumentierung im Raum bekannt. Das hier beschriebene Bildgebungssystem liefert die Position der abgebildeten Anatomie des Patienten im Raum, so dass das vorliegende System die relative Position des Instruments zu jener Anatomie kennt. Es ist jedoch bekannt, dass Verzerrung von EM-Signalen in einer chirurgischen und C-Arm-Umgebung auftritt und dass diese Verzerrung die Position des Instruments im Bild verzerren kann. Wenn die Position des Instruments im Raum bekannt ist, und zwar über die Verfolgungsdaten, und die 2D-Ebene des C-Arm-Bildes bekannt ist, wie durch das vorliegende System erhalten, dann kann die Projektion des Instruments auf diese 2D-Ebene leicht bestimmt werden. Der abgebildete Position des Instruments kann dann in dem endgültigen Bild korrigiert werden, um die Effekte der Verzerrung zu beseitigen. Mit anderen Worten, wenn der Ort und die Position des Instruments aus den Verfolgungsdaten und dem 3D-Modell bekannt sind, können der Ort und die Position des Instruments auf dem 2D-Bild korrigiert werden.

Bei bestimmten Verfahren ist es möglich, die Position der vaskulären Anatomie an größeren Merkmalen, wie nahe gelegenen Knochen, zu fixieren. Dies kann unter Verwendung von DRRs aus früheren CT-Angiogrammen (CTA) oder aus tatsächlichen Angiogrammen, die im Verlauf des Verfahrens aufgenommen werden, erreicht werden. Beide Ansätze können als Mittel zur Verknüpfung von Angiogrammen mit Knochenanatomie und umgekehrt verwendet werden. Um es ausführlicher zu beschreiben, kann die gleiche CTA verwendet werden, um verschiedene DRRs zu erzeugen, wie etwa DRRs, die nur die Knochenanatomie hervorheben, und eine andere in einem passenden Satz, die die Gefäßanatomie zusammen mit den Knochen enthält. Ein Basis-C-Arm-Bild, das von der Knochenanatomie des Patienten aufgenommen wurde, kann dann mit den Knochen-DRRs verglichen werden, um die beste Übereinstimmung zu bestimmen. Anstatt das Ergebnis mit DRR nur von Knochen anzuzeigen, kann das übereinstimmende DRR, das die Gefäßanatomie enthält, zur Verschmelzung mit dem neuen Bild verwendet werden. Bei diesem Ansatz helfen die Knochen, die radiographische Position des Katheters an seine Position in der Gefäßanatomie zu legen. Da es nicht notwendig ist, das Gefäß selbst kontinuierlich abzubilden, da das Bild dieser Struktur auf das nur vom Knochen erhaltene Bild überlagert werden kann, kann die Verwendung von Kontrastmittel gegenüber früheren Verfahren eingeschränkt werden, bei denen das Kontrastmittel notwendig ist, um die Gefäße ständig zu sehen.

Es folgen Beispiele für spezifische Verfahren, die die Merkmale der oben besprochenen Bildverarbeitungsvorrichtung verwenden. Dies sind nur einige Beispiele dafür, wie die Software unter Verwendung verschiedener Kombinationen von Basisbildtypen, Anzeigeoptionen und Strahlungsdosierung manipuliert werden kann, und nicht als erschöpfende Liste gedacht.

Gepulstes Neues Bild/Abwechselnd mit/Basis von FD-Fluoroskopie oder Präoperativem Röntgenaufnahme

Ein gepulstes Bild wird aufgenommen und mit einem zuvor erhaltenen Basisbildsatz verglichen, der vor dem chirurgischen Verfahren aufgenommene nicht gepulste Bilder mit höherer Auflösung enthält. Die Registrierung zwischen dem aktuellen Bild und einem der Basislösungssätze liefert ein Basisbild, das die aktuelle Position und Ansicht der Anatomie widerspiegelt. Das neue Bild wird abwechselnd angezeigt oder überlagert mit dem registrierten Basisbild, wobei die aktuelle Information überlagert und abwechselnd mit dem weniger verdeckten oder klareren Bild gezeigt wird.

Gepulstes Neues Bild/Abwechselnd mit/Basis abgeleitet aus DRR

Ein gepulstes Bild wird aufgenommen und mit einem zuvor erhaltenen Lösungssatz von Basisbildern verglichen, der aus einem CT-Scan erhaltene DRR mit höherer Auflösung enthält. Das DRR-Bild kann darauf beschränkt sein, nur die Knochenanatomie zu zeigen, im Gegensatz zu den anderen trübenden Informationen, die einen im OP aufgenommenen Film häufig „vernebeln“ (z. B. Bovie-Schnüre, EKG-Ableitungen usw.), sowie Objekten, die Knochenklarheit trüben (z. B. Darmgas, Organe, usw.). Wie bei dem obigen Beispiel wird das neue Bild, das mit einem der früheren DRR-Bilder registriert ist, und diese Bilder werden auf der Anzeige 123, 124 abgewechselt oder überlagert.

Gepulstes Neues Bild/Verschmolzen statt Abwechselnd

Alle oben beschriebenen Techniken können angewendet werden, und anstatt die neuen und registrierten Basisbilder abzuwechseln, werden das vorherige und das aktuelle Bild verschmolzen. Durch Ausführen eines gewichteten Mittelung oder einer ähnlichen Verschmelzungstechnik kann ein einzelnes Bild erhalten werden, das sowohl die aktuelle Information (z. B. die Platzierung von Instrumenten, Implantaten, Kathetern usw.) in Bezug auf die Anatomie zeigt, verschmolzen mit einem Bild der Anatomie mit höherer Auflösung. In einem Beispiel können mehrere Ansichten der Verschmelzung der zwei Bilder bereitgestellt werden, die von 100% gepulstes Bild bis zu 100% DRR-Bild reichen. Ein Schiebeknopf an der Benutzerschnittstelle 125 ermöglicht dem Chirurgen, diesen Verschmelzungsbereich wie gewünscht einzustellen.

Neues Bild ist ein Kleines Segment eines Größeren Basisbildsatzes

Die zu einem bestimmten Zeitpunkt aufgenommene Bildgebung enthält begrenzte Informationen, einen Teil des gesamten Körperteils. Beispielsweise verringert die Kollimation die Gesamtbestrahlung des Gewebes und verringert die Streuung der Strahlung in Richtung der Ärzte, jedoch auf Kosten der Begrenzung des Sichtfeldes des erhaltenen Bildes. Das Zeigen des tatsächlichen letzten projizierten Bildes im Kontext eines größeren Bildes (z. B. vorher, präoperativ oder intraoperativ erhalten oder von CTs abgeleitet) - verschmolzen oder abwechselnd an der Korrekturposition - kann die Information über den kleineren Bildbereich ergänzen, um eine Eingliederung in Bezug auf die größere(n) Körperstruktur(en) zu ermöglichen. Die gleichen Bildregistrierungstechniken wie oben beschrieben werden angewendet, außer dass die Registrierung auf ein kleineres Feld innerhalb der Basisbilder (zusammengefügt oder nicht), entsprechend dem Sichtbereich in dem neuen Bild, angewendet wird.

Wie Oben, an Naht- oder Blockierten Stellen liegend

Nicht selten, insbesondere in Bereichen mit unterschiedlicher Gesamtdichte (z. B. Brust ggü. benachbartem Bauch, Kopf/Hals/Halswirbelsäule ggü. oberem Brustkorb), ist der klar visualisierbare Bereich eines C-Arm-Bildes nur ein Teil des erhaltenen tatsächlichen Bildes. Dies kann für den Arzt frustrierend sein, wenn es die Fähigkeit einschränkt, die enge Sicht in den größeren Kontext des Körpers zu stellen, oder wenn der Bereich, der ausgewertet werden muss, sich im verdunkelten Teil des Bildes befindet. Durch Zusammenfügen mehrerer Bilder, die jeweils in einer lokalisierten idealen Umgebung aufgenommen werden, kann ein größeres Bild erhalten werden. Ferner kann das aktuelle Bild in den größeren Kontext (wie oben beschrieben) eingefügt werden, um den Teil des Bildes, der durch seine relative Position vernebelt ist, auszufüllen.

Entblocken der Versteckten Anatomie oder Mildern ihrer Lokalen Effekte

Wie oben beschrieben, führt die Bildverarbeitungsvorrichtung die Bildregistrierungsschritte zwischen dem aktuellen neuen Bild und einem Basisbildsatz durch, und begrenzt faktisch die Fehlinformation, die durch Rauschen verursacht wird, sei es in Form von Strahlungsstreuung oder kleinen blockierenden Objekten (z. B. Schnüre usw.) oder sogar größeren Objekten (z. B. Werkzeuge, Instrumentierung, usw.). In vielen Fällen ist es der Teil des anatomischen Bildes, der von einem Werkzeug oder Instrument blockiert wird, der für die durchgeführte Operation von größter Wichtigkeit ist. Indem die blockierenden Objekte aus dem Bild entfernt werden, wird die Operation sicherer und wirksamer und der Arzt wird befähigt, mit verbessertem Wissen fortzufahren. Das Verwenden eines Bildes, das vor dem Hinzufügen des Rauschens aufgenommen (z. B. alte Filme, Basis-Einzel-FD-Bilder, zusammengesetzte Fluoroskopieaufnahmen vor der Operation, usw.) oder idealisiert wurde (z. B. aus CT-Daten erzeugte DRRs), Anzeigen dieses früheren „sauberen“ Bildes, entweder verschmolzen oder abwechselnd mit dem aktuellen Bild, wird jene Objekte aus dem Bild verschwinden oder zu Schatten anstelle von dichten Objekten werden lassen. Wenn diese verfolgte Objekte sind, dann kann der blockierte Bereich weiter in der Bedeutung gemindert werden oder die Information aus ihm kann eliminiert werden, während der mathematische Vergleich durchgeführt wird, was die Geschwindigkeit und Genauigkeit des Vergleichs weiter verbessert.

Die wie hierin beschrieben konfigurierte Bildverarbeitungsvorrichtung konfiguriert stellt drei allgemeine Merkmale bereit, die (1) die für akzeptable Live-Bilder erforderliche Strahlenbelastung verringern, (2) dem Chirurgen Bilder liefern, die den chirurgischen Eingriff erleichtern können, und (3) die Kommunikation zwischen dem Radiologietechniker und dem Chirurgen verbessern. In Bezug auf den Aspekt der Verringerung der Strahlenbelastung ermöglicht die vorliegende Erfindung die Aufnahme von Bildern mit niedriger Dosis während des gesamten chirurgischen Eingriffs und füllt die durch „Rauschen“ im aktuellen Bild erzeugten Lücken aus, um ein zusammengesetztes oder verschmolzenes Bild des aktuellen Sichtfeldes zu erzeugen, mit dem Detail eines Volldosisbildes. In der Praxis ermöglicht dies hochtaugliche Bilder der Anatomie des Patienten von hoher Qualität, die mit einer Verringerung der Strahlenbelastung um eine Größenordnung gegenüber Standard-FD-Bilderzeugung unter Verwendung unmodifizierter Merkmale, die auf allen üblichen, kommerziell erhältlichen C-Armen vorhanden sind, erhalten werden. Die hierin beschriebenen Techniken zur Bildregistrierung können in einer Grafikverarbeitungseinheit implementiert werden und können in einer Sekunde ablaufen, um wirklich interaktiv zu sein; bei Bedarf, wie im CINE-Modus, kann die Bildregistrierung mehrmals pro Sekunde erfolgen. Eine Benutzerschnittstelle ermöglicht es dem Chirurgen, das Konfidenzniveau zu bestimmen, das für die Erfassung eines registrierten Bildes erforderlich ist, und gibt dem Chirurgen Optionen für die Art der Anzeige, die von nebeneinander liegenden Ansichten bis hin zu ein-/ausblendbaren verschmolzenen Ansichten reichen.

In Bezug auf das Merkmal der Bereitstellung von Bildern für den Chirurgen, die den chirurgischen Eingriff erleichtern, können verschiedene digitale Bildgebungstechniken verwendet werden, um die Nutzererfahrung zu verbessern. Ein Beispiel ist eine Bildverfolgungsfunktion, die verwendet werden kann, um das dem Chirurgen angezeigte Bild in einer im Wesentlichen „stationären“ Position zu halten, ungeachtet irgendwelcher Positionsänderungen, die zwischen Bildaufnahmen auftreten können. In Übereinstimmung mit diesem Merkmal kann das Basisbild im Raum fixiert werden, und neue Bilder können sich an dieses anpassen statt umgekehrt. Wenn aufeinanderfolgende Bilder während eines Schritts in einem Verfahren gemacht werden, kann jedes neue Bild relativ zu den früheren Bildern stabilisiert werden, so dass das betreffende Objekt von Interesse (z. B. Anatomie oder Instrument) in aufeinanderfolgenden Ansichten stationär gehalten wird. Wenn zum Beispiel sequentielle Bilder gemacht werden, während eine Knochenschraube in einen Körperteil eingeführt wird, bleibt der Körperteil auf dem Anzeigebildschirm stationär, so dass der tatsächliche Fortschritt der Schraube direkt beobachtet werden kann.

In einem anderen Aspekt dieser Funktion kann das aktuelle Bild einschließlich blockierender Objekte mit früheren Bildern ohne blockierende Objekte verglichen werden. Im Registrierungsprozess kann die Bildverarbeitungsvorrichtung ein verschmolzenes Bild zwischen dem neuen Bild und dem Basisbild erzeugen, das die Blockierungseigenschaft des Objekts im angezeigten Bild weniger betont. Die Benutzerschnittstelle bietet dem Arzt auch die Möglichkeit, das blockierende Objekt in der angezeigten Ansicht ein- und auszublenden.

In anderen Ausführungsformen, in denen das Objekt selbst verfolgt wird, kann eine virtuelle Version des blockierenden Objekts dem angezeigten Bild wieder hinzugefügt werden. Die Bildverarbeitungsvorrichtung kann Positionsdaten von einer Verfolgungsvorrichtung erhalten, die der Position des blockierenden Objekts folgt, und diese Positionsdaten verwenden, um die richtige Position und Orientierung des virtuellen Objekts in dem angezeigten Bild zu bestimmen. Das virtuelle Objekt kann einem Basisbild hinzugefügt werden, das mit einem neuen aktuellen Bild verglichen werden soll, um als ein Prüfschritt zu dienen - wenn das neue Bild mit dem erzeugten Bild (Werkzeug und Anatomie) innerhalb einer gegebenen Toleranz übereinstimmt, kann die Operation fortgesetzt werden. Wenn die Übereinstimmung schlecht ist, kann die Operation gestoppt werden (im Falle einer automatisierten Operation) und/oder Neukalibrierung kann stattfinden. Dies ermöglicht eine Rückkopplungsfunktion mit geschlossener Schleife, um die Sicherheit der Automatisierung von medizinischen Eingriffen zu erhöhen.

Für bestimmte Eingriffe, wie etwa eine Pseudo-Gefäßeingriffe, kann das Projizieren der Gefäße von einem Basisbild auf das aktuelle Bild einem Arzt ermöglichen, ein Werkzeug (z. B. Mikrokatheter, Stent, usw.) zu beobachten, während es sich durch das Gefäß bewegt, wobei viel weniger Kontrastmittelbelastung verwendet wird. Die angrenzende Knochenanatomie dient als der „Anker“ für die Gefäße - der Knochen wird im Wesentlichen, durch den Bildregistrierungsprozess, verfolgt, und es wird angenommen, dass das Gefäß benachbart zu dieser Struktur bleibt. Mit anderen Worten, wenn sich die Anatomie zwischen aufeinanderfolgenden Bildern bewegt, wird das neue Bild mit einem anderen aus dem Basisbildsatz registriert, der der neuen Position der „Hintergrund“-Anatomie entspricht. Die Gefäße aus einem anderen, aber bereits verknüpften Basisbild, das die vaskulären Strukturen enthält, können dann mit dem angezeigten Bild, dem der Kontrast fehlt, überlagert oder verschmolzen werden. Falls notwendig oder gewünscht, können Zwischenbilder zur Bestätigung gemacht werden. In Kombination mit einem verfolgten Katheter kann ein Arbeitswissen über die Position des Instruments in die Bilder aufgenommen werden. Ein Cine (kontinuierliche Filmschleife von Fluoroskopieaufnahmen, die üblicherweise verwendet wird, wenn ein Angiogramm erhalten wird) kann erzeugt werden, in dem erzeugte Bilder zwischen die Cine-Bilder eingefügt werden, wodurch viel weniger Fluoroskopiebilder erhalten werden müssen, während ein Angiogramm durchgeführt wird oder ein Katheter platziert wird. Letztendlich kann, sobald Bilder mit dem ursprünglichen Basisbild verknüpft worden sind, jedes von diesen verwendet werden, um mit einem aktuellen Bild verschmolzen zu werden, wodurch ein Mittel zur Überwachung der Bewegung von Implantaten, der Bildung von Konstrukten, der Platzierung von Stents, usw. erzeugt wird.

Beim dritten Merkmal - verbesserte Kommunikation - ermöglicht es die hierin beschriebene Bildverarbeitungsvorrichtung dem Chirurgen, ein Bild in einer Weise zu annotieren, die dem Techniker bei der Positionierung des C-Arms dabei helfen kann, wie und wo ein neues Bild aufzunehmen ist. Somit stellt die Benutzerschnittstelle 125 der Bildverarbeitungsvorrichtung 122 ein Vehikel für den Chirurgen bereit, um dem angezeigten Bild ein Raster hinzuzufügen, anatomische Strukturen zu markieren und/oder Bahnen für die Ausrichtung der Bildgebungsvorrichtung zu identifizieren. Wenn der Techniker die Bildgebungsvorrichtung oder den C-Arm bewegt, wird das angezeigte Bild bewegt. Diese Funktion erlaubt dem Radiologietechniker, die Anatomie, die abgebildet werden soll, in der Mitte des Bildschirms zu zentrieren, in der gewünschten Ausrichtung, ohne jedes Mal, wenn der C-Arm wieder in das Feld gebracht wird, mehrere Bilder aufzunehmen, um dies zu erreichen. Diese Funktion bietet einen Sichtfinder für den C-Arm, eine Funktion, die gegenwärtig fehlt. Der Techniker kann den C-Arm aktivieren, um ein neues Bild mit einer Ansicht zu machen, die auf den ausdrücklichen Bedarf des Chirurgen zugeschnitten ist.

Darüber hinaus hilft die Verknüpfung der Bewegungen des C-Arms mit den Bildern, die beispielsweise mit DICOM-Daten oder einem chirurgischen Navigationsrückgrat aufgenommen wurden, das angezeigte Bild zu bewegen, wenn der C-Arm zur Vorbereitung einer nachfolgenden Bilderfassung bewegt wird. Anzeigen für „innerhalb des Bereichs“ und „außerhalb des Bereichs“ können dem Techniker eine sofortige Angabe bereitstellen, ob eine aktuelle Bewegung des C-Arms zu einem Bild führen würde, das mit keinem Basisbild korreliert oder registriert werden kann oder das nicht zusammengefügt werden kann mit anderen Bildern, um ein zusammengesetztes Sichtfeld zu bilden. Die Bildverarbeitungsvorrichtung stellt somit Bildanzeigen bereit, die es dem Chirurgen und dem Techniker ermöglichen, den Effekt einer vorgeschlagenen Positions- und Bahnänderung des C-Arms zu visualisieren. Des Weiteren kann die Bildverarbeitungsvorrichtung dem Arzt helfen, beispielsweise die Position des Tisches oder den Winkel des C-Arms zu verändern, so dass die Anatomie richtig ausgerichtet ist (wie etwa parallel oder senkrecht zum Operationstisch). Das Bildverarbeitungsgerät kann auch den Massenschwerpunkt (COM) des exakten Mittelpunkts eines geröngten Objekts unter Verwendung von zwei oder mehr C-Arm-Bildaufnahmen aus zwei oder mehr verschiedenen Gerüstwinkeln/Positionen bestimmen und dann diese COM-Informationen verwenden, um die Verknüpfung des physischen Raums (in Millimetern) mit dem angezeigten Bildraum (in Pixeln) zu verbessern.

Die hierin offenbarte Bilderkennungskomponente kann die fehlende Kenntnis der Position des nächsten aufzunehmenden Bildes überwinden, was eine Anzahl von Vorteilen bietet. Das ungefähre Wissen, wo das neue Bild relativ zu der Basis zentriert ist, kann die Notwendigkeit, einen größeren Bereich des Bildraums zu scannen, begrenzen und daher die Geschwindigkeit der Bilderkennungssoftware signifikant erhöhen. Ein größeres Ausmaß an Strahlungsreduktion (und damit Rauschen) kann toleriert werden, da es eine interne Überprüfung der Bilderkennung gibt. Mehrere Funktionen, die im System, das ohne chirurgische Navigation entwickelt wurden, manuell sind, wie etwa Erstellen von Basisbildern, Wechseln zwischen mehreren Basisbildsätzen und Zusammenfügen, können automatisiert werden. Diese Merkmale sind in einem Bildverfolgungskontext gleichermaßen nützlich.

Wie oben beschrieben, korrelieren oder synchronisieren die Systeme und Verfahren die zuvor erhaltenen Bilder mit den Live-Bildern, um sicherzustellen, dass dem Chirurgen eine genaue Ansicht der Operationsstelle, der Anatomie und der Hardware präsentiert wird. In einem optimalen Fall stammen die zuvor erhaltenen Bilder von dem betreffenden Patienten und werden nahezu zeitgleich mit dem chirurgischen Eingriff erhalten. In einigen Fällen ist jedoch kein solches vorheriges Bild verfügbar. In solchen Fällen kann das „vorher erhaltene Bild“ aus einer Datenbank von CT- und DRR-Bildern extrahiert werden. Die Anatomie der meisten Patienten ist relativ einheitlich, je nach Größe und Statur des Patienten. Es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass aus einer großen Datenbank von Bildern ein vorheriges Bild oder Bilder eines Patienten mit im Wesentlichen ähnlicher Anatomie erhalten werden können. Das Bild oder die Bilder können mit der aktuellen Position der Bildgebungsvorrichtung und der Ansicht über eine durch die Bildverarbeitungsvorrichtung 122 implementierte Software korreliert werden, um zu bestimmen, ob das vorherige Bild ausreichend nahe an der Anatomie des vorliegenden Patienten liegt, um zuverlässig als „zuvor erhaltenes Bild“ zu dienen, das mit den Live-Bildern verschränkt werden kann.

Die Anzeige in 10 zeigt die Art der Anzeige und der Benutzerschnittstelle an, die in die Bildverarbeitungsvorrichtung 122, die Benutzerschnittstelle 125 und die Anzeigevorrichtung 126 eingebaut sein können. Beispielsweise kann die Anzeigevorrichtung die zwei Anzeigen 122, 123 mit „Radio“-Tasten oder Symbolen um den Rand der Anzeige umfassen. Die Symbole können Touchscreen-Tasten sein, um das betreffende Merkmal zu aktivieren, wie die Merkmale „Etikett“, „Raster“ und „Bahn“, die auf der Anzeige angezeigt werden. Das Aktivieren einer Touchscreen- oder Radio-Taste kann auf einen anderen Bildschirm oder ein Pulldown-Menü zugreifen, das vom Chirurgen verwendet werden kann, um die betreffende Aktivität durchzuführen. Zum Beispiel kann die „Etikett“-Taste auf ein Pulldown-Menü mit den Etiketten „L1“, „L2“, usw. und eine Drag-and-Drop-Funktion zugreifen, die es dem Chirurgen erlaubt, die Etiketten an einer gewünschten Stelle auf dem Bild zu platzieren. Derselbe Prozess kann zum Platzieren der in 10 gezeigten Raster- und Bahnpfeile verwendet werden.

Das gleiche oben beschriebene System und Techniken können implementiert werden, wenn ein Kollimator verwendet wird, um das Bestrahlungsfeld des Patienten zu verringern. Zum Beispiel kann, wie in 12A gezeigt, ein Kollimator verwendet werden, um das Bestrahlungsfeld auf den Bereich 300 zu begrenzen, der vermutlich die kritische Anatomie enthält, die durch den Chirurgen oder das medizinische Personal sichtbar gemacht werden soll. Wie aus 12A ersichtlich, verhindert der Kollimator das Betrachten des Bereichs 301, der von den Platten des Kollimators bedeckt ist. Unter Verwendung des Systems und der Verfahren, die oben beschrieben sind, sind frühere Bilder des Bereichs 315 außerhalb des kollimierten Bereichs 300 für den Chirurgen in dem erweiterten Sichtfeld 310, das durch das vorliegende System bereitgestellt wird, nicht sichtbar.

Die gleichen Prinzipien können auf Bilder angewendet werden, die unter Verwendung eines sich bewegenden Kollimators erhalten werden. Wie in der Sequenz der 13A, 14A, 15A und 16A abgebildet, wird das sichtbare Feld in den Figuren allmählich nach links verschoben, während das medizinische Personal auf einen bestimmten Teil der Anatomie einschwenkt. Unter Verwendung des Systems und der Verfahren, die hierin beschrieben sind, ist das Bild, das dem medizinischen Personal zur Verfügung steht, in den 13B, 14B, 15B und 16B gezeigt, in denen die gesamte lokale Anatomie sichtbar ist. Es versteht sich, dass nur der kollimierte Bereich (d. h. Bereich 300 in 12A ein Echtzeitbild ist. Das Bild außerhalb des kollimierten Bereichs wird aus früheren Bildern wie oben beschrieben erhalten. Somit ist der Patient immer noch einer verringerten Dosierung ausgesetzt, während dem medizinischen Personal eine vollständige Ansicht der relevanten Anatomie geliefert wird. Wie oben beschrieben, kann das aktuelle Bild, wie oben beschrieben, mit dem Basis- oder vorherigen Bild verschmolzen werden, kann alterniert werden oder kann sogar unverbessert durch die hierin beschriebenen Bildgebungsverfahren dargestellt werden.

Die vorliegende Offenbarung erwägt ein System und Verfahren, bei dem Informationen, die andernfalls verloren gehen würden, weil sie durch einen Kollimator blockiert sind, dem Chirurgen oder dem medizinischen Personal während des Verfahrens interaktiv zur Verfügung gestellt werden. Darüber hinaus können die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren verwendet werden, um die in der nicht kollimierten Region aufgebrachte Strahlung zu begrenzen. Diese Techniken können angewendet werden, unabhängig davon, ob das Bildgebungssystem oder der Kollimator stationär gehalten werden oder sich bewegen.

In einem weiteren Aspekt können die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren in einen bildbasierten Ansatz zum Steuern des Zustandes eines Kollimators integriert werden, um die Patientenexposition gegenüber ionisierender Strahlung während chirurgischer Verfahren zu reduzieren, die mehrere C-Arm-Bilder desselben anatomischen Region erfordern. Insbesondere werden die Grenzen der Apertur des Kollimators durch die Position der anatomischen Merkmale von Interesse in zuvor aufgenommenen Bildern bestimmt. Diejenigen Teile des Bildes, die für das chirurgische Verfahren nicht wichtig sind, können durch den Kollimator blockiert werden, werden dann jedoch mit den entsprechenden Informationen aus den zuvor aufgenommenen Bildern gefüllt, wobei die oben und im U.S.-Patent Nr. 8,526,700 beschriebenen Systeme und Verfahren verwendet werden. Das kollimierte Bild und die vorherigen Bilder können auf dem Bildschirm in einer einzelnen verschmolzenen Ansicht angezeigt werden, sie können abgewechselt werden, oder das kollimierte Bild kann dem vorherigen Bild überlagert werden. Um das kollimierte Bild richtig an dem vorherigen Bild auszurichten, kann eine bildbasierte Registrierung ähnlich der im U.S.-Patent Nr. 8,526,700 beschriebenen verwendet werden.

Bei einem Ansatz können die anatomischen Merkmale von Interesse manuell durch den Benutzer bestimmt werden, der einen Bereich von Interesse auf einem Basis- oder zuvor erhaltenen Bild zeichnet. Bei einem anderen Ansatz wird ein Objekt von Interesse in dem Bild identifiziert, und die Kollimation folgt dem Objekt, während es sich durch das Bild bewegt. Wenn der geometrische Zustand des C-Arm-Systems bekannt ist, kann die Bewegung der Merkmale von Interesse im Detektorsichtfeld verfolgt werden, während sich das System in Bezug auf den Patienten bewegt, und die Kollimatorapertur kann entsprechend eingestellt werden. Der geometrische Zustand des Systems kann mit einer Vielzahl von Verfahren bestimmt werden, einschließlich optischer Verfolgung, elektromagnetischer Verfolgung und Beschleunigungsmessern.

In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung können die hierin und im U.S.-Patent Nr. 8,526,700 beschriebenen Systeme und Verfahren zur Steuerung der Strahlungsdosis verwendet werden. Eine Röntgenröhre besteht aus einer Vakuumröhre mit einer Kathode und einer Anode an gegenüberliegenden Enden. Wenn ein elektrischer Strom an die Kathode angelegt wird und eine Spannung an die Röhre angelegt wird, wandert ein Elektronenstrahl von der Kathode zur Anode und trifft auf ein Metallziel. Die Kollisionen der Elektronen mit den Metallatomen im Ziel erzeugen Röntgenstrahlen, die von der Röhre emittiert und für die Bildgebung verwendet werden. Die Stärke der emittierten Strahlung wird durch den Strom, die Spannung und die Dauer der Pulse des Elektronenstrahls bestimmt. In den meisten medizinischen Bildgebungssystemen, wie etwa C-Armen, werden diese Parameter durch ein automatisches Bestrahlungskontrollsystem (AEC) gesteuert. Dieses System verwendet einen kurzen Anfangspuls, um ein Testbild zu erzeugen, das verwendet werden kann, um anschließend die Parameter zu optimieren, um die Bildklarheit zu maximieren und gleichzeitig die Strahlendosis zu minimieren.

Ein Problem bei existierenden AEC-Systemen besteht darin, dass sie nicht die Fähigkeit von Bildverarbeitungssoftware berücksichtigen, die Dauerhaftigkeit anatomischer Merkmale in medizinischen Bildern auszunutzen, um weitere Verbesserungen in der Bildklarheit und Verringerung der Strahlendosis zu erreichen. Diese hierin beschriebenen Techniken verwenden Software- und Hardwareelemente, um die von dem Bildgebungssystem erzeugten Bilder kontinuierlich zu empfangen und diese Bilder durch Kombination mit zu früheren Zeiten aufgenommenen Bildern zu verfeinern. Die Softwareelemente berechnen auch eine Bildqualitätsmetrik und schätzen, wie stark die Strahlenbelastung erhöht oder verringert werden kann, damit die Metrik einen bestimmten idealen Wert erreicht. Dieser Wert wird durch Studien von Arztbewertungen von Bibliotheken medizinischer Bilder bestimmt, die bei verschiedenen Belichtungseinstellungen erfasst wurden, und kann in einer Nachschlagtabelle bereitgestellt werden, die in einem zum Beispiel für die Softwareelemente zugänglichen Systemspeicher gespeichert ist. Die Software wandelt die geschätzten Änderungen der Mengen der emittierten Strahlung in exakte Werte für die Spannung und den Strom um, die an die Röntgenröhre anzulegen sind. Das Hardwareelement besteht aus einer Schnittstelle von dem Computer, auf dem die Bildverarbeitungssoftware läuft, zu den Steuerungen der Röntgenröhre, die die AEC umgeht und die Spannung und den Strom einstellt.

Chirurgie Geleitet durch 3D-Bilder mit Verringerter Bestrahlung

Gemäß einem weiteren breiten Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung Systeme und Verfahren zum Erleichtern von chirurgischen Verfahren und anderen Eingriffen unter Verwendung eines herkömmlichen 2D-C-Arms, ohne signifikanten Kosten oder größere Komplexität hinzufügen, um 3D- und multiplanare Projektionen eines chirurgischen Instruments oder Implantats innerhalb der Anatomie des Patienten in nahezu Echtzeit bereitzustellen, mit verringerter Strahlung als andere 3D-Bildgebungsmittel. Die Verwendung eines konventionellen 2D-C-Arms in Kombination mit einem präoperativen 3D-Bild macht es überflüssig, optische oder elektromagnetische Verfolgungstechnologien und mathematische Modelle zu verwenden, um die Positionen der chirurgischen Instrumente und Implantate auf ein 2D- oder 3D-Bild zu projizieren. Stattdessen wird die Position der chirurgischen Instrumente und Implantate in der vorliegenden Erfindung durch direkte C-Arm-Bildgebung des Instruments oder Implantats erhalten und führt zu einer genaueren Platzierung. Gemäß einer oder mehr bevorzugten Ausführungsformen können das tatsächliche 2D-C-Arm-Bild des chirurgischen Instruments oder Implantats und eine Referenzmarkierung500 mit bekannten Abmessungen und Geometrie (vorzugsweise zusammen mit Winkelpositionsinformationen vom C-Arm und chirurgischen Instrumenten) verwendet werden, um die chirurgischen Instrumente und Implantate in ein 3D-Bild zu projizieren, das mit dem 2D-Durchleuchtungsbild registriert ist.

Durch die Verwendung der vorstehend beispielhaft beschriebenen Bildkartierungstechniken ist es möglich, die 2D-C-Arm-Bilder auf ein präoperatives 3D-Bild, beispielsweise einen CT-Scan, zu kartieren. Mit Bezug auf das in 17 dargestellte Verfahren wird in Schritt 400 ein geeigneter 3D-Bilddatensatz der Anatomie des Patienten vor dem chirurgischen Verfahren in das System geladen. Dieser Bilddatensatz kann ein präoperativer CT-Scan, ein präoperatives MRI oder ein intraoperativer 3D-Bilddatensatz sein, der von einem intraoperativen Bildgeber wie BodyTom, O-Arm oder einem 3D-C-Arm erfasst wurde. 18 zeigt ein Beispielbild aus einem präoperativen 3D-Bilddatensatz. Der 3D-Bilddatensatz wird in die Bildverarbeitungsvorrichtung 122 hochgeladen und in Serien von DRRs umgewandelt, um alle möglichen 2D-C-Arm-Bilder, die erfasst werden könnten, zu approximieren und somit als Vergleichsbasis und Abgleich der intraoperativen 2D-Bilder zu dienen. Die DRR-Bilder werden wie oben beschrieben in einer Datenbank gespeichert. Jedoch kann ohne zusätzliche Eingaben die Zeitverzögerung, die erforderlich ist, damit der Prozessor ein 2D-C-Arm-Bild mit der DRR-Datenbank abgleicht, während eines chirurgischen Verfahrens unannehmbar zeitaufwendig sein. Wie in der Folge ausführlicher erläutert wird, sind in der vorliegenden Erfindung Verfahren zum Verringern der DRR-Verarbeitungszeit offenbart.

Wendet man sich nun dem chirurgischen Planungsschritt 405 zu, wird, wenn ein präoperativer CT-Scan als Basisbild verwendet wird, der 3D-Bilddatensatz auch als Grundlage für die Planung des Eingriffs mit manueller oder automatisierter Planungssoftware dienen (siehe z. B. 19, die einen chirurgischen Planungsbildschirm und die Darstellung eines Plans für die Platzierung von Pedikelschrauben zeigt, die aus der Verwendung des Planungswerkzeugs abgeleitet wurden.) Eine solche Planungssoftware vermittelt dem Chirurgen ein Verständnis für die anatomische Orientierung des Patienten, die geeignete Größe der chirurgischen Instrumente und Implantate und richtige Bahn für Implantate. Gemäß einigen Implementierungen sieht das System die Planung von Pedikelschrauben vor, wobei das System eine gewünschte Bahn und einen gewünschten Durchmesser für jede Pedikelschraube in dem chirurgischen Plan identifiziert, abhängig von der Anatomie und den Maßen des Patienten, wie für veranschaulichende Zwecke in 19B gezeigt. Gemäß einigen Implementierungen identifiziert das System einen gewünschten Korrekturbetrag, der nach der Wirbelsäulenebene erforderlich ist, um eine gewünschte Wirbelsäulenbalance zu erreichen.

Die chirurgische Planungssoftware kann auch verwendet werden, um den optimalen Winkel zum Positionieren des C-Arms zu identifizieren, um A/P- und schräge Bilder für die intraoperative Kartierung auf den präoperativen 3D-Datensatz bereitzustellen (Schritt 410). Wie in 20 gezeigt, kann bei einer Wirbelsäulenoperation der kranial/kaudale Winkel der oberen Endplatte jedes Wirbelkörpers in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft gemessen werden. Im in 20 gezeigten Beispiel liegt die obere Endplatte von L3 in einem Winkel von 5 ° zur Richtung der Schwerkraft. Sobald der Patient drapiert ist, kann der vorgeschlagene Startpunkt für den Pedikel von Interesse identifiziert werden, und unter Verwendung des C-Arms zur Visualisierung kann das ausgewählte Pedikelpräparationsinstrument in den vorgeschlagenen Startpunkt eingeführt werden. Gemäß einigen Implementierungen kann das Pedikelpräparationsinstrument aus einer Liste ausgewählt werden, oder wenn es eine bekannte Geometrie aufweist, kann es automatisch von dem System in dem C-Arm-Bild erkannt werden.

Die Genauigkeit der Bildgebung kann durch die Verwendung von C-Arm-Verfolgung verbessert werden. In einigen Ausführungsformen kann der C-Arm-Winkelsensor ein 2-Achsen-Beschleunigungsmesser sein, der am C-Arm angebracht ist, um eine Winkelpositionsrückmeldung relativ zur Richtung der Schwerkraft bereitzustellen. In anderen Ausführungsformen kann die Position des C-Arms durch Infrarotsensoren verfolgt werden, wie oben beschrieben. Der C-Arm-Winkelsensor kommuniziert mit der Verarbeitungseinheit und kann drahtgebunden oder drahtlos sein. Die Verwendung des C-Arm-Winkelsensors ermöglicht eine schnelle und genaue Bewegung des C-Arms zwischen der schrägen und der A/P-Position. Je reproduzierbarer die Bewegung und Rückkehr zu jeder Position ist, desto größer ist die Fähigkeit der Bildverarbeitungsvorrichtung, die Population von DRR-Bildern zu begrenzen, die mit den C-Arm-Bildern zu vergleichen sind.

Um die Verarbeitungszeit zu minimieren, die erforderlich ist, um die 2D-C-Arm-Bilder korrekt auf das präoperative 3D-Bild zu kartieren, ist es vorteilhaft, eine Referenzmarkierung 500 mit bekannten Abmessungen in den 2D-C-Arm-Bildern zu haben. In einigen Fällen sind die Abmessungen von chirurgischen Instrumenten und Implantaten in den digitalen Speicher der Verarbeitungseinheit vorgeladen. In einigen Ausführungsformen dient ein strahlungsundurchlässiges chirurgisches Instrument bekannter Abmessungen und Geometrie (z. B. eine Pedikelsonde, Ahle oder Ahle/Gewindebohrer) als eine Referenzmarkierung 500, die entweder durch den Benutzer ausgewählt und identifiziert wird oder durch das System in dem Bild aus einer Liste möglicher Optionen visuell erkannt wird.

In anderen Ausführungsformen ist das Instrument ein K-Draht mit einer strahlungsundurchlässigen Markierung 500. Die Markierung 500 kann eine beliebige Geometrie haben, solange die Abmessungen der Markierung 500 bekannt sind. In einer Ausführungsform kann die K-Draht-Markierung 500 kugelförmig sein. Die bekannten Abmessungen und die Geometrie des Instruments oder K-Drahts können in der Software verwendet werden, um Skalierung, Position und Orientierung zu berechnen. Durch Verwendung von Referenzmarkierung 500 mit bekannten Abmessungen, sei es ein K-Draht oder chirurgisches Instrument oder Implantat mit bekannten Abmessungen, ist es möglich, die Bildgrößen während der Registrierung der 2D- und 3D-Bilder miteinander schnell zu skalieren.

Wenn ein K-Draht mit Referenzmarkierung 500 verwendet wird, kann es vorzuziehen sein, den K-Draht ungefähr an der Mitte des Dornfortsatzes an jeder Wirbelsäulenebene, an der zu operieren ist, anzubringen. Wenn nur zwei Wirbel betroffen sind, kann ein einzelner K-Draht verwendet werden, jedoch geht ein gewisses Maß an Genauigkeit verloren. Indem die K-Draht-Referenzmarkierung 500 in der Mitte des C-Arm-Bildes gehalten wird, wie in 21 gezeigt, kann Triangulation verwendet werden, um den Ort des Wirbelkörpers zu bestimmen. Eine genaue Identifizierung der Position im 3D-Raum erfordert, dass die Spitze des Instruments oder K-Drahts und die Referenzmarkierung 500 auf den C-Arm-Bildern sichtbar sind. Wenn die Referenzmarkierung 500 sichtbar ist, aber die Spitze des Instruments oder K-Drahts nicht, ist es möglich, das Bild zu skalieren, aber nicht, die genaue Position des Instruments zu lokalisieren.

Nach der Platzierung der ein oder mehr K-Drähte ist es erforderlich, hochauflösende C-Arm-Bilder aus den schrägen und A/P-Positionen zu erhalten, um die Referenzmarkierung 500 des K-Drahtes genau auf das 3D-Bild zu kartieren (Schritte 420 und 425). Ein Schrägregistrierungsbild kann unter dem Winkel aufgenommen werden, der unter Verwendung des virtuellen Protraktors identifiziert wird, wie in 22A und B gezeigt. Der C-förmige Arm des C-Arms wird dann hoch in die 12-Uhr-Position gedreht, um ein A/P-Registrierungsbild aufzunehmen, wie in 23A und B gezeigt. Das schräge und das A/P-Bild werden hochgeladen, und jedes Bild wird unter Verwendung der oben beschriebenen Techniken mit den DRRs des 3D-Bilddatensatzes verglichen und ausgerichtet. Wie in 24A-E gezeigt, vergleicht die Verarbeitungseinheit das schräge Bild (24A), Informationen betreffend die Position des C-Arms während der schrägen Bildgebung (24B), das A/P-Bild (24C) und Informationen bezüglich der Position des C-Arms während der A/P-Bildgebung (24D) mit den DRRs aus dem 3D-Bild, um die Ausrichtung der Bilder zu den DDRs zu berechnen, und ermöglicht die Lokalisierung des Wirbelkörpers relativ zum c-förmigen Arm des C-Arms und der Referenzmarkierung 500 unter Verwendung von Triangulation. Basierend auf dieser Information ist es für den Chirurgen möglich, ein DRR zu betrachten, das einem beliebigen Winkel des C-Arms entspricht (24E). Planare Ansichten (A/P, lateral und axial) aus dem 3D-Bild erzeugt werden, zur bequemen Anzeige für den Chirurgen, um Instrument-/Implantat-Positionsaktualisierungen während des chirurgischen Eingriffs zu verfolgen.

Nachdem die 2D-C-Arm-Bilder mit hoher Auflösung (volle Dosis) richtig am 3D-Bild ausgerichtet worden sind, kann die Strahlendosis für die nachfolgende Bildgebung reduziert werden, indem der C-Arm in den Puls/Niedrigdosis-Modus mit niedriger Auflösung geschaltet wird, um mit Fortschritt der Operation zusätzliche C-Arm-Bilder der Patientenanatomie aufzunehmen Schritt 435. Vorzugsweise enthält der C-Arm eine Daten/Steuerungs-Schnittstell, so dass die Puls-Niedrigdosis-Einstellung automatisch ausgewählt werden kann und die tatsächliche Dosierungsinformation und -einsparungen berechnet und angezeigt werden können. In jedem Bild mit niedriger Auflösung bleibt die Referenzmarkierung 500 sichtbar und kann verwendet werden, um das Bild an den registrierten 3D-Bilder zu skalieren und auszurichten. Dadurch kann das Bild mit niedriger Auflösung, das das chirurgische Instrument oder Implantat enthält, genau auf das hochauflösende präoperative 3D-Bild kartiert werden, so dass es in das an den zusätzlichen 2D-Bilder registrierte 3D-Bild projiziert werden kann. Obwohl die Gewebeauflösung in dem Bild mit niedriger Auflösung verloren geht, bleiben die Referenzmarkierung 500 und das chirurgische Instrument/Implantat sichtbar, so dass das System eine virtuelle Darstellung 505 eines chirurgischen Instruments oder Implantats im 3D-Bild platzieren kann, wie weiter unten ausführlicher erläutert wird.

Wenn die Abmessungen des chirurgischen Instruments oder Implantats bekannt sind und in die Verarbeitungsvorrichtung hochgeladen wurden, präsentiert die Anzeige ein DDR, das der vom Chirurgen ausgewählten Ansicht entspricht, und eine virtuelle Darstellung 505 des Werkzeugs. Wie in 25A-C gezeigt, kann der Chirurg, da die C-Arm-Bilder auf das 3D-Bild kartiert worden sind, eine beliebige gewünschte DRR-Ansicht erhalten, nicht nur die erfassten Schräg- und A/P-Positionen. Die angezeigten Bilder sind „synthetische“, aus dem 3D-Bild erzeugte C-Arm-Bilder. 25A zeigt eine virtuelle Darstellung eines Werkzeugs 505, eine Pedikelschraube in diesem Beispiel, dargestellt auf einem A/P-Bild. 25B zeigt ein virtuelles Werkzeug 505, dargestellt auf einem Schrägbild. Und 25C zeigt ein virtuelles Werkzeug 505, dargestellt auf einem synthetischen C-Arm-Bild des Wirbelkörpers, so dass der Winkel des Werkzeugs in Bezug auf den Pedikel betrachtet werden kann.

In einigen Implementierungen kann es vorteilhaft sein, dass die Bildverarbeitungsvorrichtung jede leichte Bewegung eines chirurgischen Instruments oder Implantats zwischen dem Schräg- und A/P-Bildern berechnen kann. Gemäß einer Ausführungsform umfassen das chirurgische Instrument und die Implantate ferner einen Winkelsensor wie etwa einen 2-Achsen-Beschleunigungsmesser, der durch andere Mittel an dem chirurgischen Instrument oder dem Implantattreiber angeklammert oder befestigt ist, um eine Winkelpositionsrückmeldung relativ zur Richtung der Schwerkraft bereitzustellen. Sollte es eine messbare Bewegung geben, kann die Anzeige die Darstellung des DRR aktualisieren, um eine solche Bewegung zu berücksichtigen. Der Befestigungsmechanismus für den Winkelsensor kann jeglicher dem Fachmann bekannter Mechanismus sein. Der Winkelsensor kommuniziert mit der Prozessoreinheit und kann drahtgebunden oder drahtlos sein.

In Schritt 440 kann die Position der chirurgischen Instrumente oder Implantate angepasst werden, um mit dem Operationsplan übereinzustimmen, oder in Übereinstimmung mit einem neuen intraoperativen Operationsplan. Die Schritte 435 und 440 können so oft wie nötig wiederholt werden, bis das chirurgische Verfahren abgeschlossen ist 445. Das System ermöglicht es dem Chirurgen, die geplante Bahn von der ursprünglich vorgeschlagenen aus anzupassen.

Das System und die Verfahren der intraoperativen 3D-Bildgebung stellen einen technologischen Fortschritt bei der chirurgischen Bildgebung dar, da die bekannten Abmessungen und die Geometrie des chirurgischen Instruments helfen, die Bildverarbeitungszeit bei der Registrierung des C-Arms an 3D-CT-Planaraufnahmen zu verringern. Es ermöglicht auch die Verwendung von Puls/Niedrigdosis-C-Arm-Bildern, um die Position des chirurgischen Instruments/Implantats zu aktualisieren, da nur der Umriss strahlungsundurchlässiger Objekte abgebildet werden muss und keine Einzelheiten der Knochenanatomie erforderlich sind. Außerdem gibt der 2-Achsen-Beschleunigungsmesser am Instrumenten-/Implantattreiber eine Rückmeldung, dass es wenig oder keine Bewegung zwischen zwei separaten C-Arm-Aufnahmen gegeben hat, die zum Aktualisieren der Position erforderlich sind. Der 2-Achsen-Beschleunigungssensor am C-Arm ermöglicht eine schnellere Ausrichtung an der Endplatte des Wirbelkörpers auf jeder Ebene und liefert Informationen über den Winkel der beiden Ansichten, um die Verarbeitungszeit beim Erkennen der geeigneten übereinstimmenden planaren Ansicht aus dem 3D-Bild zu reduzieren. Die optionale Kommunikationsschnittstelle mit dem C-Arm bietet die Möglichkeit, je nach Bedarf automatisch in den Puls/Niedrigdosis-Modus zu wechseln und die Dosisverringerung gegenüber herkömmlichen Einstellungen zu berechnen/anzuzeigen.

Es ist ersichtlich, dass die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren betreffend 3D-Bildgebung-Gesteuerte Operation mit Verringerter Strahlung die Fähigkeit des Chirurgen erheblich unterstützen, die Position von chirurgischen Instrumenten/Implantaten innerhalb der Patientenanatomie zu bestimmen und sie genau zu platzieren, was zu einer reproduzierbareren Implantatplatzierung, verringerter OP-Zeit, verringerten Komplikationen und Revisionen führt. Zusätzlich können genaue 3D- und multiplanare Instrumenten-/Implantatpositionsbilder in nahezu Echtzeit unter Verwendung eines herkömmlichen C-Arms bereitgestellt werden, meist im Puls/Niedrigdosis-Modus, um das Ausmaß der Strahlungsbelastung im Vergleich zur herkömmlichen Verwendung stark zu verringern. Das Ausmaß der Strahlungsreduktion kann berechnet und angezeigt werden. Die Kosten und die Komplexität des Systems sind wesentlich geringer als bei anderen Mitteln zur Bereitstellung von intraoperativen 3D-Bildern.

Während die hierin beschriebenen erfinderischen Merkmale im Hinblick auf eine bevorzugte Ausführungsform zum Erreichen der Ziele beschrieben worden sind, ist es für den Fachmann ersichtlich, dass Variationen im Hinblick auf diese Lehren erreicht werden können, ohne vom Geist oder Umfang der Erfindung abzuweichen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • US 62266888 [0001]
  • US 62307942 [0001]
  • US 8526700 [0074, 0076]