DE102014223386A1

DE102014223386A1 - Robot registration in imaging modalities

Info

Publication number: DE102014223386A1
Application number: DE102014223386.0A
Authority: DE
Inventors: Jan-Malte Berndt; Benedikt Geißler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2014-11-17
Filing date: 2014-11-17
Publication date: 2016-05-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Registrierung von Robotersystemen (12) an bildgebenden Systemen (1), insbesondere Computertomographiesystemen. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein dazu geeignetes bildgebendes System, ein Robotersystem und geeignete Marker (17). Die Erfindung ermöglicht eine Registrierung für Robotersysteme, die einfach und schnell ist und ohne zusätzliche Systeme, wie Kameras oder Lasersysteme auskommt.The invention relates to a method for registering robot systems (12) on imaging systems (1), in particular computer tomography systems. The invention also relates to a suitable imaging system, a robotic system and suitable markers (17). The invention enables registration for robotic systems which is simple and fast and does not require additional systems such as cameras or laser systems.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Registrierung von Robotersystemen an bildgebenden Systemen, insbesondere Computertomographiesystemen. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein dazu geeignetes bildgebendes System, ein Robotersystem und geeignete Marker. The invention relates to a method for registering robot systems on imaging systems, in particular computed tomography systems. The invention also relates to a suitable imaging system, a robotic system and suitable markers.

Da mittels der Computertomographie hochauflösend und zuverlässig Abbildungen auch kleinster Details des menschlichen Körpers erzeugt werden können, wird die Computertomographie häufig auch im Zusammenhang mit Interventionen oder Operationen eingesetzt. Hauptsächlich werden hier prä- oder postinterventionell Organe, Knochen, Blutgefäße oder Tumore sichtbar gemacht, um eine besonders gute Vorbereitung oder Nachbereitung derartiger Eingriffe zu ermöglichen. Zusätzlich wird jedoch die Computertomographie zunehmend auch während interventioneller Eingriffe verwendet, um Instrumente, Stents oder Katheter im Körper eines Patienten mit hoher Auflösung dreidimensional sichtbar und nachverfolgbar zu machen. Since computed tomography can be used to produce high-resolution and reliable images of even the smallest details of the human body, computed tomography is often used in conjunction with interventions or operations. Mainly pre-or post-interventional organs, bones, blood vessels or tumors are made visible to allow a particularly good preparation or follow-up of such procedures. In addition, however, computed tomography is also increasingly being used during interventional procedures to render instruments, stents, or catheters three-dimensionally visible and traceable in the body of a patient at high resolution.

Der Einsatz eines Mehrschichten-CTs bei medizinischen Interventionen ist bekannt. Aus dem Dokument DE 10 2005 034 683 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung von Computertomographieaufnahmen während einer Intervention offenbart. The use of a multilayer CT in medical interventions is known. From the document DE 10 2005 034 683 A1 discloses a method for generating computed tomography images during an intervention.

Bei der Verwendung von Computertomographen während medizinischer Interventionen oder chirurgischer Eingriffe besteht jedoch häufig das Problem, dass eine CT-Gantry mit einem Aufnahmesystem sehr viel Platz benötigt und unflexibel in ihrer Positionierbarkeit ist, so dass für den Arzt, der die Intervention durchführt, nur ein erschwerter Zugang zu dem Patienten möglich ist. When using CT scanners during medical interventions or surgical procedures, however, there is often the problem that a CT gantry with a recording system requires a lot of space and is inflexible in its positionability, making the procedure difficult for the physician performing the intervention Access to the patient is possible.

Computerassistierte Chirurgie (englisch computer assisted surgery, CAS) repräsentiert ein chirurgisches Konzept und eine Reihe von Methoden, bei denen Computer-Technologie zur Operationsplanung und zum Leiten oder für die Ausführung chirurgischer Eingriffe genutzt wird. Dazu gehört auch die Durchführung chirurgischer Eingriffe durch Robotersysteme. Computer Assisted Surgery (CAS) represents a surgical concept and a set of methods that use computer technology to plan surgery, conduct or perform surgical procedures. This includes performing surgical procedures using robotic systems.

Bei der CAS ist der eigentliche Eingriff als chirurgische Navigation definiert. Diese besteht aus dem Zusammenspiel der Aktionen des Chirurgen und des chirurgischen Roboters, welcher während der präoperativen Planung programmiert wurde bestimmte Aktionen auszuführen. Die Ansteuerung des Roboters kann in drei Typen eingeteilt werden: direkt beaufsichtigte, telechirurgische und Shared-gesteuerte. Bei einem Aufsichts-gesteuerten System, wird die Operation ausschließlich vom Roboter ausgeführt, der vorprogrammierte Bewegungen ausführt. Bei Telechirurgie, auch als ferngesteuerte Chirurgie bekannt, programmiert der Chirurg während der Prozedur die Roboterarme direkt, statt zuzulassen, dass die Roboterarme nach einem vorgegebenen Programm arbeiten. Bei Shared-Steuerung führt der Chirurg das Verfahren mittels des Roboters durch, indem er ihn direkt über eine stationäre Handsteuerung lenkt. Bei den meisten Robotern kann der Arbeitsmodus für jede einzelne Maßnahme in Abhängigkeit von der chirurgischen Komplexität und den Besonderheiten des Falles gewählt werden. In CAS, the actual procedure is defined as surgical navigation. This consists of the interplay of the actions of the surgeon and the surgical robot, which was programmed during preoperative planning to perform certain actions. The control of the robot can be divided into three types: directly supervised, tele-surgical and shared-controlled. In a supervisory system, the operation is performed only by the robot performing preprogrammed movements. In telesurgery, also known as remote-controlled surgery, the surgeon programs the robotic arms directly during the procedure rather than allowing the robotic arms to operate according to a predetermined program. In shared control, the surgeon performs the procedure using the robot by directing it via a stationary hand control. For most robots, the working mode for each individual action can be selected depending on the surgical complexity and the particularities of the case.

Die Druckschriften EP 2 561 821 A1 , US 2006/0149147 A1 und US 2009/0088773 A1 stellen jeweils verschiedene Robotersysteme für die CAS in Zusammenarbeit mit Computertomographiegeräten und/oder C-Bogensystemen vor. Dabei werden verschiedene Greif- und Hilfswerkzeuge vorgestellt, zum Beispiel Pinzetten-artige, sehr präzise Greifer oder Sonden zur Entnahme von Gewebeproben aus Tumorgewebe. The pamphlets EP 2 561 821 A1 . US 2006/0149147 A1 and US 2009/0088773 A1 present different robot systems for the CAS in cooperation with computed tomography devices and / or C-arm systems. Various gripping and auxiliary tools are presented, such as tweezer-like, very precise grippers or probes for taking tissue samples from tumor tissue.

Gerade bei mikrochirurgischen Eingriffen, bei denen der Chirurg den Roboter nicht selbst steuert, ist es von großer Bedeutung, dass das Steuersystem die Position des Roboters genau kennt. Die Stellung der Arme des Roboters ist dabei meist über Sensoren in den Roboterarmen selbst bekannt. Wichtig ist aber auch, die Orientierung des Roboters bezüglich des bildgebenden Systems. Especially in microsurgical procedures in which the surgeon does not control the robot himself, it is very important that the control system accurately knows the position of the robot. The position of the arms of the robot is usually known via sensors in the robot arms themselves. But it is also important, the orientation of the robot with respect to the imaging system.

Üblicherweise erfolgt die Koordinierung des Roboters bezüglich des bildgebenden Systems über ein Kamera- oder Lasersystem, wobei mit einem speziellen Marker die interessierenden Punkte markiert und mittels des Kamerasystems verfolgt werden. Die einzelnen Marker können dann über das Kamerasystem in Bezug gesetzt werden. Nachteilig ist dabei, dass ein eigenes System (Kamera/Laser) benötigt wird und man zudem mit mehreren Bezugssystemen arbeiten muss (Kamera, Roboter, Patientenaufnahme). Usually, the coordination of the robot takes place with respect to the imaging system via a camera or laser system, wherein the points of interest are marked with a special marker and tracked by means of the camera system. The individual markers can then be related via the camera system. The disadvantage here is that a separate system (camera / laser) is needed and you also have to work with multiple reference systems (camera, robot, patient recording).

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Registrierung für Robotersysteme vorzuschlagen, die einfach und schnell ist und ohne zusätzliche Systeme auskommt. The object of the invention is therefore to propose a registration for robot systems, which is simple and fast and does not require additional systems.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1, durch das bildgebende System gemäß Anspruch 7, durch das Robotersystem gemäß Anspruch 11 und einen Marker gemäß Anspruch 14. This object is achieved by the method according to claim 1, by the imaging system according to claim 7, by the robot system according to claim 11 and a marker according to claim 14.

Nachstehend wird die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe in Bezug auf die beanspruchten Vorrichtungen als auch in Bezug auf das beanspruchte Verfahren beschrieben. Hierbei erwähnte Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen sind ebenso auch auf die anderen beanspruchten Gegenstände zu übertragen und umgekehrt. Mit anderen Worten können die gegenständlichen Ansprüche, die beispielsweise auf ein System gerichtet sind, auch mit den Merkmalen, die in Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben oder beansprucht sind, weitergebildet sein. Die entsprechenden funktionalen Merkmale des Verfahrens werden dabei durch entsprechende gegenständliche Module ausgebildet. The solution according to the invention will be described below with reference to the claimed apparatuses as well as to the claimed method. Features, advantages, or alternative embodiments mentioned herein are also applied to the others as well Transfer items and vice versa. In other words, the subject claims directed, for example, to a system may also be developed with the features described or claimed in connection with a method. The corresponding functional features of the method are formed by corresponding physical modules.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Registrierung von Robotersystemen an bildgebenden Systemen, insbesondere Computertomographiesystemen. Dabei eignet sich die Erfindung für jedweden Roboter, sofern eine Positionsbestimmung des Tool Center Points (TCP) anhand der Achsenstellungen eindeutig bestimmt werden kann und auch die Position des Roboterfußes im Raum eindeutig zu bestimmen ist. Dies wird bei den meisten Robotersystemen der Fall sein, da diese fest installiert sind. Mobile Robotersysteme sind für gewöhnlich zumindest für die Zeit, in der sie Arbeiten ausführen, ortsfest positioniert, d.h. es bewegen sich nur die Arme oder Gelenkelemente des Roboters, die Basis verbleibt an einer Stelle. The method according to the invention is suitable for registration of robot systems on imaging systems, in particular computer tomography systems. In this case, the invention is suitable for any robot, provided that a position determination of the tool center point (TCP) can be clearly determined on the basis of the axis positions and also the position of the robot foot in space is to be determined unambiguously. This will be the case with most robotic systems as they are permanently installed. Mobile robotic systems are usually stationarily positioned, at least for the time they perform work. only the arms or joint elements of the robot move, the base remains in one place.

Das bildgebende System umfasst unter anderem eine Bildaufnahmevorrichtung und eine Patientenaufnahme. Die Bildaufnahmevorrichtung kann zum Beispiel die Gantry eines Computertomographiegeräts sein. Die Patientenaufnahme ist dazu ausgelegt ein Untersuchungsobjekt, im Allgemeinen einen Patienten, während eines Eingriffs im Rahmen der Computerassistierten Chirurgie aufzunehmen und entlang der Systemachse zu positionieren. Bei der Aufnahme durch ein Computertomographiegerät rotieren eine Strahlungsquelle und ein mit der Strahlungsquelle zusammenwirkender Strahlungsdetektor um die Systemachse. Die Strahlungsquelle emittiert dabei Strahlung der Art und Weise, dass diese Strahlung für den Strahlungsdetektor grundsätzlich detektierbar ist. Die Strahlung wird durch das jeweilige Untersuchungsobjekt geschwächt, insbesondere durch Absorption und Reflektion der Strahlung. Die vom Detektor aufgenommenen Daten werden zu einem Absorptionsbild zusammengesetzt und auf einem Terminal angezeigt. The imaging system includes, among other things, an imaging device and a patient receptacle. The image capture device may be, for example, the gantry of a computed tomography device. The patient admission is designed to record an examination object, generally a patient, during an intervention in the context of computer-assisted surgery and to position it along the system axis. When recorded by a computed tomography device, a radiation source and a radiation detector cooperating with the radiation source rotate about the system axis. The radiation source emits radiation in such a way that this radiation is basically detectable for the radiation detector. The radiation is weakened by the respective examination object, in particular by absorption and reflection of the radiation. The data recorded by the detector is assembled into an absorption image and displayed on a terminal.

Dem bildgebenden System kann ein Koordinatensystem zugeordnet werden, welches im Wesentlichen durch die Orientierung der Bildaufnahmevorrichtung im Raum definiert wird. Es bietet sich an eine Achse entlang der Systemachse anzuordnen und zwei weitere Koordinatenachsen jeweils senkrecht dazu und zueinander. The imaging system can be assigned a coordinate system which is essentially defined by the orientation of the image recording device in space. It lends itself to an axis along the system axis to arrange and two more coordinate axes each perpendicular to and to each other.

Um eine präzise Handlung des Roboters zu gewährleisten, muss das System wissen, wo im Raum der Roboter positioniert ist. Die Stellung der Arme und somit die Orientierung des Roboters bezüglich seines eigenen Koordinatensystems, welches den ortsfesten Fuß des Roboters als Basis hat, ist somit bekannt. To ensure a precise action of the robot, the system must know where in the room the robot is positioned. The position of the arms and thus the orientation of the robot with respect to its own coordinate system, which has the stationary foot of the robot as a base, is thus known.

Die Position der Spitze des Roboters, die ein Greif-, Schneide oder sonstiges Werkzeug umfassen kann, ist somit durch ein sogenanntes POSE definiert. Die POSE ist ein Wert, der einen Punkt mit Orientierung im Raum beschreibt. Dieser Wert besteht aus sechs Einträgen. Die ersten drei beschreiben die Koordinaten im Raum (x, y, z), Eintrag vier bis sechs die Orientierung im Raum. Bei letzteren gibt es verschiedene Möglichkeiten, dies zu beschreiben. Ein Beispiel wäre die Anwendung von Euler Winkeln in einer bestimmen Konvention. The position of the tip of the robot, which may include a gripping, cutting or other tool, is thus defined by a so-called POSE. The POSE is a value that describes a point with orientation in space. This value consists of six entries. The first three describe the coordinates in space (x, y, z), entries four to six describe the orientation in space. With the latter, there are various ways to describe this. An example would be the application of Euler angles in a specific convention.

Das Problem ist nun, die POSE und das Koordinatensystem des bildgebenden Systems in Beziehung zu setzen. Erfindungsgemäß geschieht das dadurch, dass die Bildaufnahmevorrichtung des bildgebenden Systems verwendet wird, um die Lage des Robotersystems im Raum bezüglich des Koordinatensystems der Bildaufnahmevorrichtung zu definieren. The problem now is to relate the POSE and the coordinate system of the imaging system. According to the invention, this is done by using the image acquisition device of the imaging system to define the position of the robot system in space with respect to the coordinate system of the image acquisition device.

Dazu muss das bildgebende System in der Lage sein, den Roboter oder zumindest einen Teil davon zu erfassen und somit die Lage des Roboters innerhalb des aufgenommenen Bildes zu erfassen. Dann kann die Position des Roboters prinzipiell mit der mit dem Koordinatensystem der Bildaufnahmevorrichtung koordiniert werden. For this purpose, the imaging system must be able to detect the robot or at least a part thereof and thus detect the position of the robot within the captured image. Then, the position of the robot can be basically coordinated with that with the coordinate system of the image pickup device.

Im Allgemeinen jedoch kann die Spitze des Roboters jedoch nicht so einfach mittels der Bildaufnahmevorrichtung detektiert werden. Mithin soll der Roboter die Aufnahme ja so wenig wie möglich beeinflussen, um keine Einbußen an Bildqualität hinnehmen zu müssen. In general, however, the tip of the robot can not be easily detected by the image pickup device. Consequently, the robot should influence the recording as little as possible in order not to have to accept any loss of image quality.

Daher sieht eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass für die Definition der Lage des Robotersystems im Koordinatensystem des bildgebenden Systems zumindest ein Marker verwendet wird, welcher durch die Bildaufnahmevorrichtung detektiert werden kann. Therefore, a particularly preferred embodiment of the inventive method provides that at least one marker is used for the definition of the position of the robot system in the coordinate system of the imaging system, which can be detected by the image recording device.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Marker verwendet wird, der die Lage im Raum eindeutig wiedergibt. Mit einem solchen Marker ist es möglich, die Position des Roboters mit nur einer einzigen Aufnahme mittels der Bildaufnahmevorrichtung zu bestimmen. It is particularly advantageous if a marker is used which clearly reproduces the position in space. With such a marker, it is possible to determine the position of the robot with only a single shot by means of the image pickup device.

Andernfalls kann man mit einem beliebigen Marker zumindest an drei verschiedenen Positionen Aufnahmen mittels der Bildaufnahmevorrichtung vornehmen. Auf diese Weise kann dann die Position des Roboters im Koordinatensystem der Bildaufnahmevorrichtung eindeutig bestimmt werden. Otherwise, you can make with any marker at least at three different positions recordings using the image pickup device. In this way, then the position of the robot in the coordinate system of the image pickup device can be uniquely determined.

Die Registrierung, wie sie bei einem Roboter durchgeführt wird, kann auch mit mehreren Robotern durchgeführt werden. Sind mehrere Roboter zuvor bereits zueinander ausreichend registriert, so reicht die Registrierung eines Roboters zum Koordinatensystem der Bildaufnahmevorrichtung, um das System insgesamt vollständig zu definieren. Durch die Gestaltung von unterschiedlichen Markern lässt sich eine eindeutige Bestimmung eines Roboters realisieren. In einer Aufnahme können zwei oder mehr Marker voneinander unterschieden werden und eine gleichzeitige Registrierung ist möglich. The registration, as performed by a robot, can also be performed with multiple robots. If a plurality of robots are already sufficiently registered with each other beforehand, registration of a robot with the coordinate system of the image pickup device is sufficient to completely define the system as a whole. By designing different markers, a unique determination of a robot can be realized. In a recording, two or more markers can be distinguished from each other and simultaneous registration is possible.

Zu der Erfindung gehört auch ein bildgebendes System, insbesondere ein Computertomographiesystem, welches bei CAS-Verfahren üblicherweise zumindest ein Robotersystem umfasst. Typischerweise umfasst das bildgebende System eine Bildaufnahmevorrichtung und eine Patientenaufnahme, wobei das bildgebende System durch seine Orientierung im Raum ein Koordinatensystem definiert. Das zumindest eine Robotersystem sollte zumindest während des Operationsbetriebs an einem auf der Patientenaufnahme positionierten Patienten an einem Ende ortfest positioniert sein. The invention also includes an imaging system, in particular a computed tomography system, which usually comprises at least one robot system in CAS methods. Typically, the imaging system includes an image capture device and a patient acquisition, wherein the imaging system defines a coordinate system through its orientation in space. The at least one robot system should, at least during operation operation, be fixedly positioned at one end on a patient positioned on the patient seat.

Erfindungsgemäß ist an dem nicht ortsfesten Ende des zumindest einen Roboters ein Marker befestigt ist. Dabei ist unumgänglich, dass der Marker durch die Bildaufnahmevorrichtung detektierbar ist, und dass das bildgebende System derart ausgebildet ist, dass durch die Aufnahme des Markers durch die Bildaufnahmevorrichtung die Position des Roboters bezüglich des Koordinatensystems des bildgebenden Systems definierbar ist. According to the invention, a marker is attached to the non-stationary end of the at least one robot. It is unavoidable that the marker is detectable by the image recording device, and that the imaging system is designed such that the position of the robot with respect to the coordinate system of the imaging system is definable by the inclusion of the marker by the image sensing device.

Das ist natürlich insbesondere dann der Fall, wenn der oder die Marker ihre Lage im Raum eindeutig wiedergeben, so dass die Position des oder jedes Roboters bezüglich des Koordinatensystems des bildgebenden Systems durch eine einzige Aufnahme durch die Bildaufnahmevorrichtung definierbar ist. This is of course particularly the case when the marker (s) clearly represent their position in space, so that the position of the or each robot relative to the coordinate system of the imaging system can be defined by a single exposure by the image capture device.

Mit dem erfindungsgemäßen bildgebenden System können auch mehrere Roboter betrieben werden, wobei jeder Roboter idealerweise einen eigenen, durch die Bildaufnahmevorrichtung unterscheidbaren Marker aufweisen sollte, so dass jeweils die Position jedes Roboters bezüglich des Koordinatensystems des bildgebenden Systems durch die Aufnahme des jeweiligen Markers durch der Bildaufnahmevorrichtung definierbar ist. With the imaging system according to the invention, it is also possible to operate a plurality of robots, wherein each robot ideally should have its own markers distinguishable by the image recording device, so that the position of each robot relative to the coordinate system of the imaging system can be defined by the recording of the respective marker by the image recording device is.

Das erfindungsgemäße bildgebende System eignet sich besonders für mikrochirurgische, minimalinvasive Interventionen. The imaging system according to the invention is particularly suitable for microsurgical, minimally invasive interventions.

Zu der Erfindung gehört auch ein Robotersystem, welches zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens und zur Verwendung mit einem oben beschriebenen bildgebenden System geeignet ist. Ein Ende des Roboters, d.h. der Fuß oder die Befestigung sollte idealerweise zumindest während einer Aktion an einem auf der Patientenaufnahme positionierten Patienten ortfest positioniert sein. Erfindungsgemäß ist an dem nicht ortsfesten Ende des Roboters ein Marker befestigt ist, der Marker durch die Bildaufnahmevorrichtung detektierbar ist. Dadurch ist durch die Aufnahme des Markers durch die Bildaufnahmevorrichtung des bildgebenden Systems die Position des Roboters bezüglich des Koordinatensystems des bildgebenden Systems eindeutig definierbar. The invention also includes a robotic system suitable for carrying out the method described above and for use with an imaging system as described above. One end of the robot, i. the foot or attachment should ideally be fixed in position on a patient positioned on the patient's seat, at least during an action. According to the invention, a marker is attached to the non-stationary end of the robot, the marker is detectable by the image recording device. As a result, the position of the robot with respect to the coordinate system of the imaging system can be clearly defined by the recording of the marker by the image recording device of the imaging system.

Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Robotersystems, die einen Marker aufweist, der seine Lage im Raum eindeutig wiedergibt, so dass die Position des Roboters bezüglich des Koordinatensystems des bildgebenden Systems durch eine einzige Aufnahme durch die Bildaufnahmevorrichtung definierbar ist. Particularly preferred is an embodiment of the robot system according to the invention, which has a marker that clearly reflects its position in space, so that the position of the robot with respect to the coordinate system of the imaging system is definable by a single shot by the image sensing device.

Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Robotersystem für mikrochirurgische, minimalinvasive Interventionen. The robotic system according to the invention is particularly advantageous for microsurgical, minimally invasive interventions.

Die Mindestanforderung für den Marker sind drei durch das Aufnahmegerät gut zu erkennende Punkte. Zu bevorzugen wäre eine Anordnung, welche sicherstellt, dass durch ebendiese Punkte zwei Vektoren aufgespannt werden, welche zueinander orthogonal sind. Dabei liegt der eine Punkt auf dem Schnittpunkt beider Vektoren. Die Punkte sollten zusätzlich auch so klein wie möglich sein, um Ungenauigkeiten zu vermeiden, gleichzeitig aber so groß, dass sie zuverlässig von der Bildaufnahmevorrichtung erkannt werden können. Weiter auseinanderliegende Punkte erhöhen die Genauigkeit. The minimum requirement for the marker is three points that can be easily recognized by the recorder. It would be preferable to have an arrangement which ensures that by these points two vectors are spanned, which are mutually orthogonal. One point is at the intersection of both vectors. In addition, the dots should be as small as possible to avoid inaccuracies, but at the same time so large that they can be reliably detected by the image capture device. Distant points increase accuracy.

Die drei Punkte müssen im aufgenommenen Bild klar von der übrigen Struktur, insbesondere also vom Gewebe des Patienten, unterscheidbar sein. Das lässt sich durch die richtige Form- oder Materialauswahl realisieren. Bei Materialien, die im Bild vergleichsweise wenig Kontrast zu der übrigen Struktur haben, wie etwa Kunststoff oder Kohlefaser, verwendet man Formen, die leicht im Bild wiederzuerkennen und somit leicht zu identifizieren sind. Das können zum Beispiel Dreiecke oder Quadrate sein, insbesondere mit Kugeln in den Ecken. Diese Strukturen sind so speziell, dass sie leicht aufzufinden sind und auch nicht zu anderen Strukturen, insbesondere dem Patienten gehören können. Das Material sollte wenn möglich keine Artefakte bei der Bildgebung erzeugen, da sonst die Genauigkeit leidet. Kunststoff, Kohlefaser oder Polyester sind hier besonders zu bevorzugen. Aber auch kleine metallische Gegenstände, zum Beispiel kleine Kugeln aus Kugellagern können verwendet werden, sofern die metallischen Gegenstände klein genug sind. Bevorzugt werden sollten Marker aus einem Material, dass einerseits nicht so dicht ist, dass sämtliche Röntgenstrahlung absorbiert wird, andererseits aber auch nicht für Röntgenstrahlung fast durchlässig ist. Andernfalls ist der Marker im Röntgenbild nicht genau zu erkennen. The three points must be clearly distinguishable in the recorded image from the rest of the structure, in particular the tissue of the patient. This can be achieved by the correct choice of shape or material. Materials that have comparatively little contrast to the rest of the structure, such as plastic or carbon fiber, use shapes that are easy to recognize in the image and thus easy to identify. These can be, for example, triangles or squares, in particular with balls in the corners. These structures are so special that they are easy to find and can not belong to other structures, especially the patient. If possible, the material should not create artifacts in the imaging, otherwise the accuracy suffers. Plastic, carbon fiber or polyester are particularly preferable here. But even small metallic objects, for example, small balls of ball bearings can be used, provided that the metallic objects are small enough. Markers should be preferred from a material, on the one hand not is so dense that all X-rays are absorbed, but on the other hand, it is not almost permeable to X-rays. Otherwise, the marker in the X-ray image can not be recognized exactly.

Sofern die Bewegung von Bildaufnahmevorrichtung und Roboter relativ und genau messbar zueinander erfolgt, so reicht eine einfache Registrierung. Somit ist auch eine Registrierung vor jeder Aufnahme nicht erforderlich. Lediglich undefinierte Bewegungen (z.B. Neumontage des Roboters o.Ä.) machen eine Neu-Registrierung nötig. If the movement of the image recording device and the robot is relatively and precisely measurable to each other, then a simple registration is sufficient. Thus, a registration before each recording is not required. Only undefined movements (e.g., reassembly of the robot or the like) necessitate re-registration.

Es zeigen: Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen bildgebenden Systems; 1 a schematic representation of an embodiment of an imaging system according to the invention;

2 eine schematische Darstellung der Koordinatensysteme vor der Registrierung; 2 a schematic representation of the coordinate systems before registration;

3 eine schematische Darstellung der Koordinatensysteme nach der Registrierung; 3 a schematic representation of the coordinate systems after registration;

4 eine schematische Darstellung zweier Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Marker. 4 a schematic representation of two embodiments of inventive marker.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes bildgebendes System, in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ein Computertomographie-System 1. In den hier gezeigten Beispielen liegt ein Patient P bei der Aufnahme von Messdaten auf einer Patientenliege 8. Die Patientenliege 8 ist dazu ausgelegt den Patienten P während einer tomographischen Aufnahme entlang einer Systemachse 9 zu verfahren. Bei der Aufnahme der Messdaten rotieren eine Strahlungsquelle 2 und ein mit der Strahlungsquelle 2 zusammenwirkender Strahlungsdetektor 5 um die Systemachse 9. Die Strahlungsquelle 2 emittiert dabei Strahlung der Art und Weise, dass diese Strahlung für den Strahlungsdetektor 5 grundsätzlich detektierbar ist. Die Strahlung wird durch das jeweilige Untersuchungsobjekt geschwächt, insbesondere durch Absorption und Reflektion der Strahlung. 1 shows an inventive imaging system, in the embodiment shown here, a computed tomography system 1 , In the examples shown here, a patient P lies on a patient couch when taking measurement data 8th , The patient bed 8th is adapted to the patient P during a tomographic recording along a system axis 9 to proceed. When recording the measurement data, a radiation source rotates 2 and one with the radiation source 2 cooperating radiation detector 5 around the system axis 9 , The radiation source 2 emits radiation of the way that this radiation for the radiation detector 5 is basically detectable. The radiation is weakened by the respective examination object, in particular by absorption and reflection of the radiation.

Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mit einem Computertomographen handelt es sich bei dem Röntgendetektor um einen Detektor mit mehreren Zeilen und Spalten. Die Röntgendetektoren können jeweils sowohl als Szintillatorzähler als auch als direkt konvertierende Röntgendetektoren ausgebildet sein. Weiterhin können sie als zählende Röntgendetektoren ausgebildet sein, welche dazu ausgelegt sind einzelne Photonen zu detektieren und zu zählen. Weiterhin verfügt der Computertomograph in dem in 1 gezeigten Beispiel über zwei Paare von miteinander zusammenwirkender Strahlungsquellen 2, 4 in Form von Röntgenröhren und von Strahlungsdetektoren 5, 4 in Form von Röntgendetektoren. Dadurch ist der hier gezeigte Computertomograph besonders geeignet für Mehrfachenergie-Aufnahmen, bei denen die beiden Röntgenröhren jeweils Röntgenstrahlung mit einem unterschiedlichen Energiespektrum emittieren. In weiteren, hier nicht gezeigten Ausführungsformen verfügt der Computertomograph eines erfindungsgemäßen Computertomographie-Systems 1 nur über jeweils eine Röntgenröhre als Strahlungsquelle und einen Röntgendetektor als Strahlungsdetektor. Bei einem Computertomographen sind Röntgenröhre und Röntgendetektor in die Gantry 6 integriert. Die Gantry 6 des Computertomographen kann so ausgebildet sein, dass sie um wenigstens eine Achse senkrecht zur Systemachse 9 kippbar ist. Die Ausrichtung der Gantry im Raum definiert das Koordinatensystem CT-KOS der Bildaufnahmevorrichtung 6. At the in 1 In the exemplary embodiment shown with a computer tomograph, the X-ray detector is a detector with a plurality of rows and columns. The X-ray detectors can each be designed both as a scintillation counter and as directly converting X-ray detectors. Furthermore, they can be designed as counting X-ray detectors which are designed to detect and count individual photons. Furthermore, the computer tomograph has the in 1 shown example of two pairs of interacting radiation sources 2 . 4 in the form of x-ray tubes and radiation detectors 5 . 4 in the form of x-ray detectors. As a result, the computer tomograph shown here is particularly suitable for multiple energy recordings, in which the two x-ray tubes each emit x-radiation with a different energy spectrum. In further, not shown embodiments, the computed tomography of a computed tomography system according to the invention 1 only via one X-ray tube as a radiation source and one X-ray detector as a radiation detector. In a computed tomography scanner, x-ray tube and x-ray detector are in the gantry 6 integrated. The gantry 6 The computed tomography device may be designed such that it is at least one axis perpendicular to the system axis 9 is tiltable. The orientation of the gantry in space defines the coordinate system CT-KOS of the image capture device 6 ,

Zusätzlich verfügt das hier dargestellte Computertomographie-System 1 auch über einen Kontrastmittelinjektor 11 zur Injektion von Kontrastmittel in den Blutkreislauf des Patienten P. Dadurch können die Messdaten mittels eines Kontrastmittels derart aufgenommen werden, dass z.B. die Gefäße des Patienten P mit einem erhöhten Kontrast dargestellt werden können. Weiterhin umfasst ein erfindungsgemäßes Computertomographie-System einen Computer 10, der auch als Workstation bezeichnet wird. Der hier gezeigte Computer 10 ist ausgelegt zur Ansteuerung der einzelnen Einheiten des Computertomographie-Systems wie z.B. zur Ansteuerung der Patientenliege 8, des Kontrastmittelinjektors 11 und der Röntgenröhre sowie dem Röntgendetektor. Der Computer 10 ist mit einer Ausgabeeinheit sowie einer Eingabeeinheit verbunden. Bei der Ausgabeeinheit handelt es sich beispielsweise um einen (oder mehrere) LCD-, Plasma- oder OLED-Bildschirm(e). Die Ausgabe auf der Ausgabeeinheit umfasst beispielsweise eine graphische Benutzeroberfläche oder die Ausgabe von Bilddaten. Die Eingabeeinheit ist ausgelegt zur Eingabe von Daten wie z.B. Patientendaten sowie zur Eingabe und Auswahl von Parametern für die einzelnen Einheiten des Computertomographie-Systems. Bei der Eingabeeinheit handelt es sich beispielsweise um eine Tastatur, eine Maus, einen sogenannten Touchscreen oder auch um ein Mikrofon zur Spracheingabe. In addition, the computer tomography system shown here has 1 also via a contrast agent injector 11 for the injection of contrast agent into the blood circulation of the patient P. This allows the measurement data to be recorded by means of a contrast agent such that, for example, the vessels of the patient P can be displayed with an increased contrast. Furthermore, a computed tomography system according to the invention comprises a computer 10 which is also referred to as a workstation. The computer shown here 10 is designed to control the individual units of the computed tomography system such as for controlling the patient bed 8th , the contrast agent injector 11 and the X-ray tube and the X-ray detector. The computer 10 is connected to an output unit and an input unit. The output unit is, for example, one (or more) LCD, plasma or OLED screen (s). The output on the output unit includes, for example, a graphical user interface or the output of image data. The input unit is designed to input data such as patient data as well as to input and select parameters for the individual units of the computed tomography system. The input unit is, for example, a keyboard, a mouse, a so-called touchscreen or even a microphone for voice input.

Weiter gehört zum erfindungsgemäßen Computertomographie-System ein Robotersystem 12. Das Robotersystem ist mit einem Fuß 13 auf ortsfest entweder auf dem Boden, an einer Wand oder an der Decke befestigt oder festgestellt. Die einzelnen Armelemente 14 des Robotersystems 12 sind durch Gelenke 15 verbunden. Next belongs to the computed tomography system according to the invention, a robot system 12 , The robot system is with one foot 13 fixed or fixed either on the ground, on a wall or on the ceiling. The individual arm elements 14 of the robot system 12 are through joints 15 connected.

An dem erfindungsgemäßen Robotersystem 12 ist ein Marker 17 angeordnet. Um die Lage des Roboters im Raum bezüglich des Koordinatensystems CT-KOS der Gantry 6 zu definieren muss die Bildaufnahmevorrichtung (Gantry) 6 durch seine eigenen Aufnahmen den Marker 17 identifizieren. Der Marker 17 kann unterschiedlich ausgeprägt sein. Das Zusammenspiel aus Marker 17 und aufgenommenen Bild ergibt die genaue Lage des Robotersystems 12 im Raum in Bezug zum Koordinatensystems CT-KOS der Gantry 6. Das Zusammenspiel aus Marker 17 und Aufnahme kann unterschiedlich ausgeprägt sein. Es bedarf immer einer aus den Aufnahmen eindeutig erkennbaren Lage des Roboters 12 im Raum. Die kann beispielsweise wie folgt beschrieben erreicht werden:
• ein Marker 17 (Punkt) wird mehrmals aber mindestens dreimal an jeweils unterschiedlicher Position in einer oder mehreren Aufnahmen erfasst.
• Ein Marker 17 ist so ausgeprägt, dass dieser mit einer Aufnahme die Lage im Raum eindeutig wiedergibt At the robot system according to the invention 12 is a marker 17 arranged. The position of the robot in space with respect to the coordinate system CT-KOS of the gantry 6 must define the Image pickup device (gantry) 6 through his own recordings the marker 17 identify. The marker 17 can be different. The interaction of markers 17 and captured image gives the exact location of the robot system 12 in space in relation to the coordinate system CT-KOS of the gantry 6 , The interaction of markers 17 and intake can be different. It always requires a clearly recognizable position of the robot from the recordings 12 in the room. This can be achieved, for example, as follows:
• a marker 17 (Dot) is recorded several times but at least three times at different positions in one or more images.
• One marker 17 is so pronounced that it clearly reproduces the situation in the room with a picture

Die einzelnen Elemente 14 des Roboters 12 (Mehrkörpersystem) kennen ihre Stellung zu einander. Die kinematische Kette ist des Roboters 12 ist somit durchgehend bekannt. Dies trifft auch auf die Position des Markers 17 an dem Roboter 12 zu. The individual elements 14 of the robot 12 (Multi-body system) know their position to each other. The kinematic chain is the robot 12 is thus known throughout. This also applies to the position of the marker 17 on the robot 12 to.

Die Position des Werkzeugs 16 am Robotersystem 12 lässt sich durch eine sogenannten POSE beschreibe. Die POSE ist ein Wert, der einen Punkt mit Orientierung im Raum beschreibt. Dieser Wert besteht aus sechs Einträgen. Die ersten drei beschreiben die Koordinaten im Raum (x, y, z), Eintrag vier bis sechs die Orientierung im Raum. Bei letzteren gibt es verschiedene Möglichkeiten, dies zu beschreiben. Ein Beispiel wäre die Anwendung von Euler Winkeln in einer bestimmen Konvention. The position of the tool 16 on the robot system 12 can be described by a so-called POSE. The POSE is a value that describes a point with orientation in space. This value consists of six entries. The first three describe the coordinates in space (x, y, z), entries four to six describe the orientation in space. With the latter, there are various ways to describe this. An example would be the application of Euler angles in a specific convention.

Wird nun z.B. ein Bild von dem 3D Marker 17 gemacht oder mehrere Bilder von einem Punkt Marker 17 an verschiedenen Positionen, ist die Ausrichtung des Roboters 12 zum Bildkoordinatensystem CT-KOS bekannt. Ist einmal der Bezug des Bildkoordinatensystem CT-KOS zum Roboterkoordinatensystem ROB-KOS geschaffen, kann der Roboter 12 jeden Punkt in den Aufnahmen der Gantry 6 ansteuern. Now eg a picture of the 3D marker 17 made or multiple images of a point marker 17 in different positions, is the orientation of the robot 12 to the image coordinate system CT-KOS known. Once the reference of the image coordinate system CT-KOS to the robot coordinate system ROB-KOS is created, the robot can 12 every point in the shots of the gantry 6 drive.

In 2 ist schematisch die Situation vor der Registrierung des Robotersystems gezeigt. Das Basis-Koordinatensystem CT-KOS wird durch die Bildaufnahmevorrichtung 6 und seine Orientierung im Raum definiert. In 2 schematically shows the situation before the registration of the robot system. The basic coordinate system CT-KOS is processed by the image pickup device 6 and defines its orientation in space.

Das Roboter-Koordinatensystem ROB-KOS ist zunächst einmal beliebig im Raum orientiert. Lediglich die Basis wird durch den ortsfesten Fuß 13 des Robotersystems 12 festgelegt. Da die Roboterelemente 14 ihre Position im Raum übermitteln, ist auch die Position der Spitze des Robotersystems 12 bekannt. Diese lässt sich durch eine sogenannte POSE beschreiben. Zunächst sind die Koordinatensysteme ROB-KOS bzw. POSE und CT-KOS noch unabhängig voneinander. The robot coordinate system ROB-KOS is initially arbitrarily oriented in space. Only the base is by the stationary foot 13 of the robot system 12 established. Because the robot elements 14 transmitting their position in space is also the position of the top of the robot system 12 known. This can be described by a so-called POSE. First, the coordinate systems ROB-KOS or POSE and CT-KOS are still independent of each other.

In 3 ist schematisch die Situation nach der Registrierung des Robotersystems gezeigt. Das Koordinatensystem POSE der Spitze des Robotersystems 12 und das Koordinatensystem CT-KOS des bildgebenden Systems bzw. der Bildaufnahmevorrichtung 6 sind koordiniert. Somit ist der Bezug des Bildkoordinatensystems CT-KOS zum Roboterkoordinatensystem ROB-KOS geschaffen, so dass der Roboter 12 jeden Punkt in den Aufnahmen der Bildaufnahmevorrichtung 6 ansteuern kann. In 4 sind schematisch zwei Beispiele für mögliche Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Markers 17 gezeigt. In 3 schematically the situation after the registration of the robot system is shown. The coordinate system POSE the top of the robot system 12 and the coordinate system CT-KOS of the imaging system 6 are coordinated. Thus, the reference of the image coordinate system CT-KOS to the robot coordinate system ROB-KOS is created, so that the robot 12 every point in the shots of the image capture device 6 can drive. In 4 are schematically two examples of possible embodiments of a marker according to the invention 17 shown.

Die Mindestanforderung für den Marker 17 sind drei durch das Aufnahmegerät gut zu erkennende Punkte 18. Zu bevorzugen wäre eine Anordnung, welche sicherstellt, dass durch ebendiese Punkte 18 zwei Vektoren aufgespannt werden, welche zueinander orthogonal sind. Dabei sollte der eine Punkt 18 auf dem Schnittpunkt beider Vektoren liegen. Die Punkte 18 sollten zusätzlich auch so klein wie möglich sein, um Ungenauigkeiten zu vermeiden, gleichzeitig aber so groß, dass sie zuverlässig von der Bildaufnahmevorrichtung erkannt werden können. Weiter auseinanderliegende Punkte 18 erhöhen die Genauigkeit. The minimum requirement for the marker 17 are three points that can be easily recognized by the recorder 18 , To prefer would be an arrangement which ensures that by these same points 18 two vectors are spanned, which are orthogonal to each other. It should be the one point 18 lie on the intersection of both vectors. The points 18 In addition, they should be as small as possible to avoid inaccuracies, but at the same time so large that they can be reliably detected by the image pickup device. Distant points 18 increase the accuracy.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102005034683 A1 [0003]
EP 2561821 A1 [0007]
US 2006/0149147 A1 [0007]
US 2009/0088773 A1 [0007]

Claims

Method for registering robot systems ( 12 ) on imaging systems ( 1 ), in particular computed tomography systems, wherein the imaging system ( 1 ) an image capture device ( 6 ) and a patient admission ( 8th ), wherein the imaging system ( 1 ) is assigned a coordinate system (CT-KOS), which essentially by the orientation of the image pickup device ( 6 ) is defined in space, and wherein the robot system ( 12 ) at least during an action on one of the patient admissions ( 8th ) positioned patients (P) at one end ( 13 ) is stationary, characterized in that the image pickup device ( 6 ) of the imaging system ( 1 ) is used to determine the position of the robot system ( 12 ) in the space relative to the coordinate system (CT-KOS) of the imaging system ( 1 ) define.

Method according to claim 1, characterized in that for the definition of the position of the robot system ( 12 ) in the coordinate system (CT-KOS) of the imaging system ( 1 ) at least one marker ( 17 ) used by the image pickup device ( 6 ) can be detected.

Method according to claim 2, characterized in that a marker ( 17 ) is used, which clearly reflects the situation in space

Method according to claim 2 or 3, characterized in that a marker ( 17 ) at least at three different positions in the images of the image recording device ( 6 ) is recorded.

Method according to claim 3, characterized in that with the marker ( 17 ) only one recording by means of the image recording device ( 6 ) is carried out.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the method comprises a plurality of robot systems ( 12 ) can be registered.

Imaging system ( 1 ), in particular computer tomography system, comprising at least one robot system ( 12 ), whereby the imaging system ( 1 ) an image capture device ( 6 ) and a patient admission ( 8th ), wherein the imaging system ( 1 ) defined by its orientation in space a coordinate system (CT-KOS), and wherein the at least one robot system ( 12 ) at least during an action on one of the patient admissions ( 8th ) positioned patients (P) at one end ( 13 ) is stationary, characterized in that at the non-stationary end ( 16 ) of the at least one robot system ( 12 ) a marker ( 17 ) is attached, that the marker ( 17 ) through the image capture device ( 6 ) is detectable, and the imaging system ( 1 ) is formed such that by receiving the marker ( 17 ) through the image capture device ( 6 ) the position of the robot system ( 12 ) with respect to the coordinate system (CT-KOS) of the imaging system ( 1 ) is definable.

Imaging system according to claim 7, characterized in that the imaging system ( 1 ) several robot systems ( 12 ), each robot system ( 12 ) own, through the image capture device ( 6 ) distinguishable markers ( 17 ) and wherein in each case the position of each robot system ( 12 ) with respect to the coordinate system (CT-KOS) of the imaging system ( 1 ) by the inclusion of the respective marker ( 17 ) through the image capture device ( 6 ) is definable.

Imaging system according to one of claims 7 or 8, characterized in that the marker (s) ( 17 ) clearly represent their position in space, so that the position of the or each robot system ( 12 ) with respect to the coordinate system (CT-KOS) of the imaging system ( 1 ) by a single shot through the image capture device ( 6 ) is definable.

Imaging system according to one of claims 7 to 9, characterized in that the imaging system ( 1 ) is designed such that microsurgical, minimally invasive interventions are executable.

Robot system ( 12 ) for an imaging system ( 1 ), in particular computed tomography system, according to one of claims 7 to 10, wherein one end ( 13 ) of the robot system ( 12 ) at least during an action on one of the patient admissions ( 8th Positioned patient (P) is stationarily positioned, dadu rch characterized in that at the non-fixed end ( 16 ) of the robot system ( 12 ) a marker ( 17 ) is attached, that the marker ( 17 ) through the image capture device ( 6 ) is detectable, and that by the inclusion of the marker ( 17 ) through the image capture device ( 6 ) of the imaging system ( 1 ) the position of the robot system ( 12 ) regarding the Coordinate system (CT-KOS) of the imaging system ( 1 ) is definable.

Robot system according to claim 11, characterized in that the marker ( 17 ) clearly reflects its position in space, so that the position of the robot system ( 12 ) with respect to the coordinate system (CT-KOS) of the imaging system ( 1 ) by a single shot through the image capture device ( 6 ) is definable.

The robot system according to claim 11 or 12, characterized in that the robot system ( 12 ) is designed such that microsurgical, minimally invasive interventions are executable.

Markers ( 17 ) for use with a method according to one of claims 1 to 6, an imaging system according to one of claims 7 to 10 or a robot system according to one of claims 11 to 13, characterized in that the marker ( 17 ) during a recording with the image recording device ( 6 ) of the imaging system ( 1 ) is detectable, and that the marker ( 17 ) three through the image capture device ( 6 ) well detectable points ( 18 ) having.

Marker according to claim 14, characterized in that by the image acquisition device ( 6 ) well detectable points ( 18 ) Two vectors are spanned, which are orthogonal to each other.

Marker according to claim 14 or 15, characterized in that the marker ( 17 ) is made of a material which, when being picked up by the image recording device ( 6 ) causes no image artifacts in the recording, and that the signal of the marker ( 17 ) in the recording differs from the expected signal of the patient (P).