Insbesondere ist ein Verfahren angesprochen, das an lebenden Korpern, insbesondere auch an lebenden menschlichen Patientenkorpern, durchgeführt werden kann.

Stand der Technik: In unterschiedlichen technischen und medizinisch-technischen Anwendungsbereichen be- steht das Bedurfnis, dreidimensionale, bewegliche, verformbare und gegebenenfalls lebende Körper, wie z. B. menschliche Körper, reproduzierbar zu positionieren oder zu lagern oder Lage-oder Haltungsveranderungen solcher Körper möglichst präzise feststellen zu können.

Im medizin-technischen Bereich bestehen solche Notwendigkeiten insbesondere bei der per- kutanen Strahlentherapie, bei der Patienten uber einen Zeitraum von oftmals mehreren Wo- chen taglich bestrahlt werden mussen.

Menschliche Körper sind keine starren Gebilde, die ohne weiteres reproduzierbar aus- richtbar und lagerbar sind. Vielmehr ist der menschliche Körper beweglich, so daf3 es nicht unproblematisch ist, einen menschlichen Körper so exakt einzustellen, daB z. B. bei zeitlich aufeinander abfolgenden Bestrahlungssitzungen sichergestellt ist, dal3 das Isozen- trum der Anordnung der Bestrahlungsfelder immer mit dem selben Raumpunkt im Patien- ten zusammenfallt, der in der dreidimensionalen Bestrahlungsplanung festgelegt worden ist.

In der Vergangenheit wurden unterschiedliche Methoden erprobt, um eine möglichst exakte reproduzierbare Patientenlagerung zu sichern. So wurde in den 50er Jahren eine "Nagelbrettmethode"angewandt, um einen einmal unter einem Bestrahlungsgerat gelagerten Patientenkörper immer wieder in dieselbe Position zu bringen, um möglichst reproduzierbare Bestrahlungsergebnisse sicherzustellen.

Spater wurde versucht, mittels Laser-Abtastung einen Patientenkörper oberflachlich zweidi- mensional oder dreidimensional abzutasten, was aber nur zu begrenzten Erfolgen fuhrte.

In jungerer Zeit wurde das bei der Bestrahlung zu erfassende Zielvolumen klinisch mit Hilfe von CT-, MR-und/oder anderen bildgebenden Verfahren festgelegt. AnschlieBend wurde auf Basis der so ermittelten Daten eine physikalische Bestrahlungsplanung durchgeführt, wobei aber immer bedacht werden mute, dal3 die räumliche Auflösung der computergestutzten Planung maximal nur dem Auflösungsvermögen des zugrundeliegenden bildgebenden Ver- fahrens entsprechen kann. Die konventionellen Verfahren der Lagerung fur die einzelnen Therapiesitzungen machen diese Genauigkeit aber wieder zunichte.

Bei den heute eingesetzten Bestrahlungsapplikationen werden ublicherweise isozentrische Bestrahlungstechniken eingesetzt, bei denen das Zentrum des Zielvolumens mit dem Zen- trum der Bestrahlungsanlage zur Deckung gebracht werden muB. In der Praxis erweist sich dies als schwierig, da das Volumen in der Mehrzahl der Fille nicht an der Oberflache liegt und nur mit Hilfe von radiographischen Methoden eindeutig lokalisiert werden kann.

Die bisherigen Lagerungstechniken stutzen sich daher oftmals auf raumfeste Orientierungs- laser, die das Isozentrum vorgeben und deren Auftretungspunkt auf der Haut mit Hautmar- kierungen zur Deckung gebracht werden muB. Zusatzlich werden in vielen Fallen Formkis- sen und Masken eingesetzt, die die Bestrahlungsregion großräumig mechanisch fixieren sol- len. Diese am weitesten verbreitete Lagerungstechnik bringt aber oftmals geometrische Fehler mit sich, die bei einer Bestrahlung im Bereich des Beckens ohne Lagerungskissen, z. B. als maximaler Fehler von 2,5 cm angegeben werden, bei einem mittleren Fehler (90 % der er- mittelten Patienten) von 1 cm.

Bei der Bestrahlung im Kopf-bzw. Halsbereich werden in der Regel die schon erwähnten Masken eingesetzt, die ermittelten Abweichungen sind in diesem Falle um Faktor 2 kleiner.

Die Hauptfehlerquellen bei der Lagerung sind unterschiedliche Gerätegeometrien von Simu- lator und Bestrahlungsgerat innerhalb einer Abteilung, die auf der Patientenhaut angebrach- ten Hautmarkierungen an sich, weil die Haut gegenuber dem Skelett und den inneren Orga- nen leicht verschoben werden kann, sowie die relativ breiten Markierungsstriche, da sie mit der Zeit undeut-lich werden und auch die Gefahr besteht, daB sie auf dem Patientenkörper falsch nachgezeichnet werden. Weitere Fehlerquellen sind Figuränderungen des Patienten, wobei zu bedenken ist, dal3 sich das Körpergewicht innerhalb einer vergleichsweise langen Behandlungszeit zum Teil dramatisch andern kann, was sich wiederum auf die Form der Hautkontur und damit auf die Lage der Markierungen auswirkt. Als weitere Fehlerquelle sind auch die Eigenbewegungen eines menschlichen Körpers, z. B. bei der Atmung, mit in Betracht zu ziehen.

Aufgabenstellung/Losung: Der Erfmdung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur reproduzierbaren Positions- oder Halterungserkennung oder Lagerung von dreidimensionalen Korpem oder Körperteilen anzugeben, das schnell und genau durchfuhrbar ist, aus dem sich klare Anleitungen fur eine Lagekorrektur ableiten lassen, das unabhangig von diskreten Markierungen arbeitet und oh- ne eine relative Scanbewegung zwischen Patientenkörper oder Detektoranordnung aus- kommt und insbesondere fiir Objekte einsetzbar sein soll, deren Oberflächen diffus reflektie- rend sind. Zusatzlich soll das Verfahren auch eine quantitative vergleichende Analyse von Bewegungen und Bewegungsablaufen ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteil- hafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteranspriichen 2-22 Als Kern des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs wird es angesehen, einen Körper auf ei- ner ersten Unterlage in einer Ausgangsposition zu positionieren, sodann eine erste Untersu- chungsmethode unter Beibehaltung der Ausgangsposition zum optischen Erfassen der Ober- flache des Körpers mittels mindestens eines 3D-Sensorsystems durchzuSühren, bei welcher Oberflachenpunkte des Körpers bezuglich ihrer dreidimensionalen Raumlage erfabt und als Satz dreidimensionaler Koordinaten in einem Rechnersystem abgespeichert werden. Der Körper wird sodann erneut positioniert, und zwar entweder wieder auf der ersten oder einer anderen Oberfläche, beispielsweise im medizinischen Bereich auf der Lagerfläche eines Be- strahlungsgerates. Die erste Untersuchungsmethode wird erneut angewandt oder durchge- führt, durch welche wiederum Oberflachenpunkte bezuglich ihrer Raumlage optisch erfabt und als weiterer Satz dreidimensionaler Koordinaten abgespeichert werden. AnschlieBend werden die mindestens zwei abgespeicherten Oberflachendatensatze aus den beiden Durch- fuhrungen der Untersuchungsmethoden verglichen, aus dem Vergleich wird eine Lageabwei- chungsinformation gewonnen, die dann dazu herangezogen werden kann, die Lage des Pati- entenkörpers zu korrigieren oder Bewegungsablaufe und/oder Fehlhaltungen des Körpers zu erkennen.

Bevorzugt wird bei der Durchführung des Verfahrens das Mel3prinzip der phasenmessenden Triangulation eingesetzt. Es kann aber auch jedes andere optische MeBverfahren verwendet werden, das das gesamte interessierende MeBfeld auf einmal, z. B. mit einer Videokamera er- faut, keine relative Scannbewegung zwischen Objekt und Sensor benötigt und die Oberfla- chenberechnung aus den Bilddaten innerhalb weniger Videotakte bewaltigt.

Zur Durchfuhrung des Verfahrens wird der Patientenkörper aus mehreren Richtungen gleichzeitig oder wechselseitig abgetastet und die resultierenden Oberflächen aller einzelnen Sensoren durch einheitliche Kalibrierung an einem gemeinsamen Punkt zu einer vollständi- gen Oberfläche überlagert. Der Kalibrierungspunkt wird dabei zum Koordinatenursprung, die Oberfläche wird in Relativkoordinaten dazu angegeben und kann so in einem Rechner weiterverarbeitet werden. Die Wellenlänge des verwendeten MeBlichtes kann im sichtbaren Bereich angesiedelt sein. Liegt sie aber im IR-Bereich, hotte dies den Vorteil, daB auch dunklere Oberflachen mehr Mef3licht reflektieren, eventuell vorhandene Haare auf der Oberflache storen dann weniger, und ein menschlicher Körper wird bei einer Vermessung einer Region im Augenbereich weniger stark irritiert.

Das Verfahren sieht in einer vorteilhaften Weiterbildung auch vor, dal3 neben der auBeren Struktur eines Körpers auch dessen innere Strukturen erfabt werden. Anhand der Bilddaten aus dem bildgebenden Verfahren fur die inneren Strukturen, d. h. fur das Volumen, kann ebenfalls die Oberfläche des Korpers in diesem Bereich aus den Volumendaten rekonstruiert werden und dient damit als Matritze fur die optisch topometrierte. Die beiden Oberflachen- datensatze werden in einem Rechner fur die Bilddarstellung des Körpers zur Deckung ge- bracht. Die Lage der interessierenden inneren Strukturen, insbesondere ein Zielpunkt fur eine Bestrahlung wird dann aus dem Volumendatensatz entnommen und allein in raumlicher Re- lation zur ermittelten Oberflachen dargestellt und weiterverarbeitet.

Wird ein scannendes Verfahren fur die Bildgebung verwendet, z. B. die Computertomogra- phie fur die Erfassung der inneren Strukturen, so kann fur eine möglichst simultane Oberfla- chentopometrie auch ein Lichtschnittverfahren benutzt werden.

In vorteilhafter Weise ist es auch möglich, Lageabweichungsinformationen zur Durchfuh- rung eines interaktiven Korrekturverfahrens zur Lagekorrektur des Körpers zu visualisieren.

Dabei ist es möglich, die Lageabweichungsinformation auch zur Steuerung einer auf den Körper einwirkenden Lageabweichungskorrekturvorrichtung zu verwenden.

Wird die Lageabweichungsinformation visualisiert, so ist es im Rahmen des erfindungsge- malien Verfahrens vorgesehen, den Körper auf oder uber der Unterlage so lange zu bewegen, bis auf einer Anzeigevorrichtung die visualisierten Oberflachendastellungen weitgehend deckungsgleich ubereinander liegen, wodurch die gewunschte Ausgangs-oder Sollposition sichergestellt ist. Bei der Korrekturbewegung des Körpers, die automatisch oder manuell durchgeführt werden kann, werden vorteilhafterweise fortlaufend neue Oberflächendatensätze gewonnen und ver- arbeitet, d. h. mit bereits vorher abgespeicherten Oberflächendatensätze verglichen und dar- aus rechnerisch neue Lageabweichungsinformationen ermittelt.

Besonders leicht durchfuhrbar wird das Lagekorrekturverfahren fur das Betreuungspersonal dann, wenn die Oberflachendarstellungen, die aus zeitlich nacheinander durchgefuhrten Un- tersuchungsmethoden gewonnen werden, auf der Anzeigevorrichtung unterschiedliche Far- ben aufweisen. Der Oberflachendatensatz, der aus einem ersten Untersuchungsdurchgang gewonnen wurde, kann beispielsweise grun dargestellt werden, ein zweiter Oberflachenda- tensatz führt dann auf dem gleichen Bildschirm beispielsweise zu einer roten Abbildung des Körpers.

Stellt die griine Körperabbildung auf der Anzeigevorrichtung die Sollage des Körpers dar, muB der Körper solange verschoben werden, bis die rote Darstellung, die aus immer wieder neugewonnenen Datensätzen ermittelt wird, unter der grunen Abbildung liegt.

Es ist auch moglich, nur die Abweichungen der Körperdarstellungen von der Ausgangsposi- tion auf der Anzeigevorrichtung unterschiedlich einzufarben, d. h. Lageiibereinstimmungen von gewissen Körperbereichen sind dann nicht mehr als unterschiedlich eingefärbt zu sehen, sondern nur noch abweichende Körperteile. Um das Verfahren noch komfortabler durchfüh- ren zu konnen, ist es auch möglich, Lageabweichungen quantitativ durch unterschiedliche Farbintensitäten darzustellen, so daB z. B. starke Abweichungen im Plusbereich dunkelrot sind und nur noch schwache Abweichungen im hellroten Bereich dargestellt werden. Dies gibt dem Betreuer des Verfahrens wertvolle Informationen, wie er die Lage des Körpers zu korrigieren hat.

Vorteilhaft kann es auch sein, wenn bezogen auf eine festgelegte Raumkoordinate Plusab- weichungen von der Ausgangssollage farblich oder auf sonstige Weise optisch unterscheid- bar von Minusabweichungen von der Ausgangssollage dargestellt werden. Mit anderen Worten kann z. B. ein Körperbereich, der bezogen auf die Sollage zu hoch liegt, griin darge- stellt werden, liegt er hingegen zu niedrig, kann er rot dargestellt werden. Dadurch wird eine Lagekorrektur besonders einfach ermoglicht.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daB das Verfahren eine genaue und reproduzier- bare Lokalisation von inneren Strukturen ohne kostspielige, zeitraubende oder moglicher- weise dosisbelastende bildgebende Verfahren ermöglicht, sofern neben der ersten Untersu- chungsmethode zum optischen Erfassen der Oberfläche des Körpers eine zweite Untersu- chungsmethode eingesetzt wird, mit der innere Körperstrukturen erfabt werden konnen. Dies gilt solange, wie die raumliche Korrelation zwischen innerer Struktur und äußerer Form ei- nen bestimmten Toleranzwert nicht uberschreitet.

Besonders hervorzuheben ist die Genauigkeit der Positionierung, die dem physikalischen Auflösungsvermögen der Topometrie entspricht. Bei einer angenommenen maximalen MeB- feldgroBe von 80 x 80 cm erreicht die Positionsgenauigkeit 0,8 mm Es ist weiterhin mit Vorteil möglich, die genaue Lage des Körpers uber einen langerez Zeit- raum hinweg automatisch zu erfassen und wahrend einer Bestrahlungssitzung auch zu proto- kollieren. Bei strahlentherapeutischer Behandlung ermöglicht dies die Bewertung, ob die geplanten Behandlungsvolumina ausreichend bemessen sind, was eine wichtige Aufgabe der Qualitatssicherung in diesem medizinischen Bereich darstellt.

Bei der strahlentherapeutischen Anwendung ergibt sich mit Vorteil, daB Lokalisation und Simulation unter Durchleuchtung, zeitaufwendige Standardprozeduren der klinischen Routi- ne ohne Patientenbeteiligung virtuell am Planungsrechner durchgeführt werden konnen. Fur strahlentherapeutische Anwendungen mussen Patienten nicht mehr auf der Haut markiert werden, was eine Entlastung der strapazierten Hautbereiche und eine psychologische Erleich- terung fiir den Patienten bedeutet.

Wird das Verfahren fur eine vergleichende dreidimensionale und quantitative Analyse von Bewegungssequenzen in Echtzeit verwendet, mithin auberhalb der Strahlentherapie ange- wandt, so laBt es sich fur die Erkennung von Bewegungen und damit z. B. auch fur die Iden- tifikation von Objekten verwendeten Das System erlaubt dabei u. a. eine Analyse einer drei- dimensionalen Form und der Dynamik, z. B. des Gesichts einer Person, und damit eine nichtinvasive schnelle und hochspezifische Identifikation durch Wiedererkennung. Ubertragt man diese Erkenntnis auf den medizinischen Bereich, so kann durch Einsatz der vorliegen- den Erfindung sichergestellt werden, daB Fehlbehandlungen von Patienten vermieden wer- den, was beispielsweise durch Laden falscher Patientendaten in einem Rechner geschehen kann. Da der Rechner automatisch den Patienten aufgrund des Oberflächendatensatzes er- kennt, wird er die Annahme falscher Patientendaten verweigern und nachfolgende Fehlbe- handlungen am Patienten nicht zur Durchfuhrung freigeben.